고온에서 규산아연을 다룰 때의 문제점 – 제1부
규산아연 프라이머를 활용한 시스템이 수명이 가장 길고 가장 험난한 주위 환경에서 최상의 부식 방지 효과를 제공한다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 하지만 절연부 내 부식이라는 문제가 커다란 문제점으로 부각되었습니다.
고온에서 규산아연을 다룰 때의 문제점 – 제2부
Michelle Ystad Eriksen, MSc, 재료화학 및 에너지 기술
글로벌 마케팅 관리자 - HPI - Jotun 보호 도료.
고온에서 규산아연에 발생하는 3가지 주요 문제
고온에서의 아연에 관한 앞의 글에서 살펴봤듯이, 크게 세 가지 문제점이 있습니다.
- IOZ 도료는 갈바닉 전기화학 반응을 통해 부식 방지 효과를 제공합니다. 높은 온도에서는 이 과정의 속도가 빨라져서 아연이 과도하게 많이 소비되므로 비슷한 조건의 실온에서와 비교할 때 도료의 수명이 줄어듭니다.
- 아연의 녹는점인 420°C 이상의 온도에서는 아연이 공기 중의 산소와 반응하여 산화아연이 생성됩니다. 산화아연은 갈바닉에 의한 활성 물질이 아니므로 갈바닉 부식 방지 효과를 제공할 수 없고 도료의 수명을 더 감소시킵니다.
- 산화아연은 금속아연보다 부피를 더 많이 차지하는데 이로 인해 상대적으로 취약한 IOZ 도료에 미세한 균열이 생길 수 있습니다. 온도가 바뀌면서, 또는 도장된 설비 위에서 처리 장비가 진동하거나 움직여서 도장된 모재에 수축과 팽창이 일어남에 따라 미세 균열이 발생할 수도 있습니다. 미세 균열이 발생하면 갈바닉 부식 방지를 위해 금속아연이 더 많이 필요해져서 도료의 수명이 더 감소하게 됩니다.
이 세 가지 문제로 인해 시장에서는 갈바닉 부식 방지 효과와 도료의 수명을 극대화하기 위해 아연을 최고 수준으로(무게 기준 85%) 적용한 IOZ 도료를 지정하는 경향이 있습니다. 도료의 수명을 더 연장하기 위해, IOZ의 산소 및 수분 노출을 줄여주는 실리콘 또는 알루미늄 실리콘 탑코트가 사용됩니다. 구조물이 대부분 건조한 상태로 있는 사용 조건에서는 이 시스템이 효과가 좋지만, 주기적으로 사용하거나 습기가 많은 부위의 경우에 이 같은 유형의 도장 시스템을 적용하면 수명이 길지 않습니다.
테스트: 어떻게 하면 도료의 수명이 늘까요?
고온 사용에 적합한 IOZ를 만들 때는 위에서 언급한 문제들에 대한 취약성을 제거하거나 줄이는 것이 중요합니다. 합금을 이용하지 않고는 아연의 녹는점을 바꿀 수 없기 때문에 도료의 수명을 늘리는 다른 방법을 연구해야 합니다.
IOZ 도료의 성능을 평가할 때는 필요한 아연 함량을 결정하는 것이 첫 번째 필수 단계입니다. 일반적인 방식용의 경우, 아연 함량과 도료 수명의 관계에 관한 여러 가지 표준이 존재하지만 이러한 표준들은 최대 120°C까지만 적용됩니다. 사용 환경이 120°C가 넘는 경우에는 도료 수명이 최대한 길어지도록 일반적으로 가장 높은 아연 함량을 권장합니다. 하지만 이 경우, 아연 함량이 높으면 고온에서 정말 도료 수명이 늘어나는지에 대한 의문이 생깁니다.
이것을 연구하기 위해, 아연 함량이 서로 다른 세 가지 IOZ 공식을 강철판에 적용한 후 7일 동안 540°C의 건열에 노출시켰습니다. 아연이 녹아서 대기 중의 산소와 반응을 하도록 한 것입니다. 그리고 나서 이 강철판을 염분 분사실에 6주 동안 놔둬서 아연이 갈바닉 부식 방지 효과를 발휘하게 하였습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 모든 아연 부위에 흰색 아연 염분이 생성되었는데, 이것은 주로 산화아연과 염화아연으로 구성되어 있습니다[1]. 하지만 아연 함량이 80~85wt%인 강철판에서는 빨간색 산화아연도 나타났는데, 이는 아연이 더 이상 강철판에 갈바닉 부식 방지 효과를 제공할 수 없음을 의미합니다.
이 결과는 아연 함량이 높을수록 높은 온도에서 성능이 더 나쁘다는 것을 보여주는 것 같습니다. IOZ 도료의 성분을 생각해보면 아연 함량이 적다는 것은 아연말에 비해 상대적으로 바인더와 필러가 더 많다는 뜻이고 온도가 아연의 녹는점보다 상승하면 아연이 산화로부터 더 많이 보호될 수 있기 때문에 이것이 말이 됩니다.
우리는 한 단계 더 나아가서 아연의 녹는점보다 더 높게 가열했을 때 아연의 산화를 더 줄이면서도 갈바닉 부식 방지 효과는 그대로 유지할 수 있을지 알아보고 싶었습니다. 이를 위해 도료에 두 가지 원재료 즉, 세라믹 볼과 글라스플레이크를 추가하였습니다. 그림 2는 이렇게 만든 도료막의 SEM 이미지입니다.
세라믹 볼은 도료의 부피를 늘리고 아연 입자들끼리 서로 더 가까이 붙게 하여 함량이 일반적인 경우보다 더 낮더라도 아연과 아연 간에 금속 접촉이 일어나도록 하기 위해 사용되었습니다. 글라스플레이크는 여러 가지 이유로 사용되었습니다. 이것은 아연의 산화를 줄여줍니다. 그리고 도료에 차단막을 추가해줘서 아연에 수분이 닿지 않게 해주고 갈바닉 부식 방지 효과가 너무 많이 소비되지 않도록 해줍니다. 마지막으로, 도료에 유연성을 더해줌으로써 아연이 산화되어 부피가 늘어날 때 미세 균열을 줄여줍니다.
그림 3은 이 같은 원재료가 첨가된 강철판을 7일 동안 540°C에 노출시킨 후 6주 동안 염분 분사에 노출시킨 모습입니다. 그림 1의 강철판들과 비교하여 아연 염이 사실상 없었고 훨씬 더 중요한 것은 산화철의 징후가 보이지 않았다는 점입니다. 이 말은 IOZ가 아연을 더 적게 소비하면서 강철 모재를 보호하고 있었다는 뜻으로, 이에 따라 아연이 그 녹는점 이상의 온도에 노출되었음에도 불구하고 제품 수명이 증가했다는 의미입니다.
"그림 1의 강철판들과 비교하여 아연 염이 사실상 없었고 훨씬 더 중요한 것은 산화철의 징후가 보이지 않았다는 점입니다."
이 사실은 65 wt% 아연과 글라스플레이크와 세라믹 볼을 적용한 제품(왼쪽)과 80 wt% 아연말을 적용한 기본 IOZ를 80°C의 수돗물에 6주 동안 노출시킨 후에 비교하는 온수 침수 테스트를 통해 한층 더 뒷받침됩니다(그림 4). 아연 염의 생성 양상에서 매우 분명한 차이를 보였는데, 기본 IOZ에서 아연 염 생성량이 훨씬 더 많았습니다. 게다가 80 wt% 아연말이 적용된 강철판에서는 빨간색 산화철 부식이 나타나기 시작했는데, 이는 도료가 갈바닉 부식 방지 효과를 잃기 시작하고 있었다는 뜻입니다. 65 wt% 도료에서는 이러한 흔적이 없었습니다.
결론
위에서 설명한 테스트에 따르면, 아연 함량이 가장 적은 도료가 CUI 및 고온 조건에서 갈바닉 부식 방지 효과가 더 우수합니다. 이 글에서 설명하였고 동영상을 통해 보여주었듯이, 이는 글라스플레이크가 도료에 차단막을 형성하여 아연의 과소비를 막아주었고 세라믹 볼이 아연을 더 밀착시켜서 도료에 첨가된 아연의 활용을 극대화시켰기 때문입니다.
자세한 내용은 고객 서비스 전문가 Kevin에게 문의하십시오 kevin@jotun.com.
참조 자료
[1] Zhang, X. G. [1996] Corrosion and Electrochemistry of Zinc(아연의 부식과 전기화학). Plenum Press, pp. 169.
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The industry coming together: combatting the hidden CUI threat in the energy sector
The fight against corrosion, particularly corrosion under insulation (CUI), is increasingly becoming a main focus for the energy sector. How is the industry addressing this issue and how can risk be reduced? A new standard test procedure that addresses this critical industry challenge might pave the way, so that the energy sector better can maintain steel integrity.