해수 저장탱크의 임시 음극 보호에 관한 계산 및 적용
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해수 속에서 저장탱크가 부식되는 것은 주로 전기화학적 부식입니다. 즉, 부식 과정에서 미세한 전류가 발생합니다. 전기화학 원리에 따르면, 부식 전지의 음극에서는 부식이 일어나지 않고 오직 양극에서만 부식이 발생합니다. 따라서 보호 대상 금속을 음극으로 만들면 금속의 부식을 방지할 수 있는데, 이 방법을 음극 보호라고 합니다. 국제 유가의 영향으로 국영기업 및 민간기업, 특히 지방 항구들에서는 원유 비축 시설 건설 프로젝트가 활발히 진행되고 있습니다. 대형 저장탱크를 건설할 때 수압 시험은 필수적인 공정인데, 지역적·경제적 조건에 따라 대부분의 석유 비축 프로젝트에서는 해수를 이용한 시험이 이루어집니다. 시험 과정에서 해수가 강판에 미치는 부식 작용을 줄이기 위해 저장탱크의 관련 부위에 임시 음극 보호 장치를 설치해야 합니다. 음극 보호의 형태와 수량을 결정하기 위해 GB50393-2008 및 기타 관련 규격을 참고하여 10만 입방미터급 저장탱크를 예로 들어 필요한 음극 보호 장치의 수량을 계산하였으며, 실제 공사에 적용하여 그 타당성을 검증했습니다. 대형 저장탱크의 해수 시험 시에는 일반적으로 희생 양극법이 사용됩니다.1. 저장탱크의 기본 사양
1.1 저장탱크 내면의 임시 음극 보호 매개변수 표
1.3 탱크 직경: 80미터
1.4 해수 충전 시 탱크 내 최고 수위: 20.2미터
1.5 지리적 조건: 해역의 수질이 깨끗하며 하구 지역이 아님. 해수의 염분 함량이 상대적으로 높아 강철에 대한 부식성이 매우 강함.
1.6 임시 음극 보호 기간: 최대 65일
2. 설계 기술 지표
2.1 음극 보호 기간 중 매체 전위: -0.85V ~ -1.10V (Cu/CuSO4 기준 전극 대비)
2.2 보호 범위: 부유 탱크 하면, 탱크 바닥판 내면, 탱크 벽면 내면
2.3 음극 보호 기간: 65일
2.4 보호 효과: 탱크는 해수 속에서도 부식되지 않으며, 강판 위에 있던 노란색 녹물도 제거됩니다. 물을 빼낸 후에도 탱크 벽면에 산화된 녹물이 생길 수 있으나, 천으로 닦아내면 됩니다. 부유 탱크 하면과 탱크 바닥판 내면에는 소량의 칼슘·마그네슘 화합물이 생성됩니다.
3. 설계 계산
3.1 보호 면적 계산
3.2 보호 전류
3.2.1 전류 밀도 선택: 이번 원유 저장탱크의 시험 기간은 약 65일 정도이며, 해양 공사처럼 수십 년간 해수 속에 놓이는 경우와는 다릅니다. 따라서 초기에 낮은 전류 밀도를 사용하여 점차 칼슘·마그네슘 보호층이 형성되도록 하는 것이 좋습니다. 이러한 과정을 통해 1개월에서 반년 내에 이상적인 보호 전위에 도달할 수 있으며, 보호 효과에도 큰 영향을 주지 않습니다. 하지만 저장탱크의 압력 시험 기간은 불과 수십 일뿐이므로, 전류 밀도를 높여야 합니다. 해수가 닿는 곳마다 즉시 보호가 이루어져야 하므로 다음과 같이 전류 밀도를 설정합니다.
3.2.2 보호 전류 계산
4. 양극 선정
양극 선정 시 다음 조건을 만족시켜야 합니다:
(1) 전체 탱크에 필요한 전류량이 매우 많으므로, 각 양극에서 발생하는 전류량을 최대화해야 합니다.
(2) 임시 음극 보호 기간이 짧아서 보통 1~3개월, 길어도 반년 정도이므로, 효율이 높은 양극을 선택하여 불필요한 낭비를 줄여야 합니다.
(3) 양극의 화학 성분은 해수 환경에서의 음극 보호 속도에 맞아야 합니다.
(4) 임시 보호 기간 동안 사용되는 재료는 탱크 공사의 실제 요구사항을 고려해야 하며, 과도한 양의 칼슘·마그네슘 화합물이 생성되어 용접부에 달라붙는 것을 피해야 합니다.
따라서 본 설계에서 사용된 양극의 종류와 화학 성분은 다음과 같습니다:
(1) 탱크 바닥판 내면 및 부유 탱크 하면: 모델명 HCAJ-D/10
(2) 탱크 벽면: 모델명 HCAJ-D/22
(3) 양극의 화학 성분: HC 강철 저장탱크용 임시 음극 보호 전용 양극.
5. 선택된 양극의 접수 저항 및 전류 계산
0.85 – 양극 사용 계수.
위 계산 결과에 따르면:
(1) 부유 탱크 하면에 설치된 각 양극에서 발생하는 전류는 10.20A이며, 수명은 77일입니다.
(2) 탱크 바닥판 내면에 설치된 각 양극에서 발생하는 전류도 10.20A이며, 수명은 77일입니다.
(3) 탱크 벽면에 설치된 각 양극에서 발생하는 전류는 20.27A이며, 수명은 85일입니다.
양극의 수명을 고려할 때, 모든 양극들이 65일간의 임시 음극 보호 기간을 충족할 수 있습니다.
6. 양극 수량 계산
IP12: 탱크 바닥판 내면에 설치된 알루미늄 합금 희생 양극 블록에서 발생하는 전류량.
7. 실제 적용 효과
천진 ** 석유 비축 기지 공사에서 해수를 이용해 저장탱크의 수압 시험을 실시했으며, 위에서 계산된 값에 따라 알루미늄-마그네슘-인듐-카드뮴 합금 양극을 사용해 음극 보호를 실시했습니다. 시험이 끝난 후 양극의 보호 효과가 우수하여 해수가 강판에 미치는 부식 작용이 줄어든 것으로 확인되었습니다.