1. 서 론
1.1 연구배경
건축물의 고층화 및 대형화 추세와 더불어 차량 등록대수의 지속적인 증가로 인해 주차공간에 대한 수요가 증가하고 있다. 이에 따라 화재 발생 시 소방 활동의 난이도가 높아지고, 화재로 인한 피해는 재산뿐만 아니라 인명에도 막대한 영향을 미칠 수 있다. 특히, 건축물의 지상공간이 다양한 용도로 활용되면서 주차공간은 지하로 집중되어 지하주차장이 대형화되고 있는 실정이다. 이러한 구조적 특성으로 인해 지하주차장에서 화재가 발생할 경우, 대규모 피해로 이어질 가능성이 크다. 따라서 재산 손실과 인명 피해를 예방하기 위해서 화재를 조기에 진압하는 것은 매우 중요하다. 이를 위한 대표적인 소방 설비로 스프링클러 시스템이 설치되고 있다(Lee, 2023).
스프링클러 시스템은 화재 발생 시 자동으로 소화수를 분사하여 화세를 초기에 제어하는 데 매우 효과적인 설비로서 피해를 최소화하기 위해 널리 사용되고 있다(Ko, Kim et al., 2024; Ko, Yoo et al., 2024). 소방용 배관에는 강관, 동관, C-PVC 관, 스테인리스강관, 덕타일 주철관 등 다양한 재질이 사용되며, 공동주택의 경우 강관, 동관, C-PVC 관이 주로 적용되고 있다. 그러나 지하주차장과 같이 습도가 높고 공기 순환이 원활하지 않은 환경에서는 금속 배관의 부식 위험이 증가하여 소방 설비의 성능 저하를 초래할 수 있다. 특히, 소방 배관으로 사용되는 강관(Steel pipe)과 강관 부속류(Fitting)는 시공 후에 5∼7년이 경과하면 배관 내부에서 누수가 발생할 가능성이 높다. 이는 구조적으로 이종 금속 부식 전지와 산소 농담 전지가 형성되어 국부 부식이 진행되기 때문인 것으로 알려져 있다(Korean Corrosion Control Association, 2015b).
스프링클러 설비는 설치 환경과 기후 조건에 따라 습식, 건식, 준비작동식으로 구분되며, 각 방식은 해당 여건에 적합하게 선택된다. 건식 스프링클러 시스템은 동파 방지를 위해 주로 지하주차장에 적용되지만, 압축 공기가 배출된 후에도 배관 내부에 남아 있는 잔류 수분이 부식을 초래할 가능성이 있다. 준비작동식 스프링클러 시스템 역시 소화수가 2차 측으로 유입되면 배관 내부에 잔류수가 남아 부식이 발생할 수 있다. 이러한 부식은 배관 성능 저하를 유발하며, 장기적으로는 소화 설비의 신뢰성을 낮추는 주요 요인이 된다. 특히, 동파 우려가 있는 주차장에서는 2차 측에 건식 배관 설비를 주로 적용하고 있다. 그러나 시공 단계에서 배관의 누수 여부를 확인하기 위해 수압시험을 진행한 후, 배관 내부에 채워진 소화수가 완전히 배출되지 못하는 경우에 잔류수가 발생하게 된다. 이러한 잔류수는 3∼5년이 경과하면 산소 농담 전지 부식이 형성되어 국부적으로 공식(Pitting)이 진행되고, 이는 결국 누수를 초래하게 된다(Korean Corrosion Control Association, 2015a).
이와 같은 배관 부식 문제를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행되어 왔으며, 그중 규산염계(Silicate) 부식억제제를 적용한 방식이 주목받고 있다.
한편 부식억제제를 스프링클러 시스템에 적용하기 위해서는 부식효과 및 신뢰성에 대한 명확한 검증이 필요하다. 이를 위해서는 스프링클러 배관 재료의 부식 특성에 대한 실험적 규명 뿐만 아니라 현장 적용성에 대한 평가가 필수적이다.
1.2 선행연구
Mun et al. (2021)은 규산염계 부식억제제가 금속 표면에 단분자막을 형성함으로써 부식을 억제하는 메커니즘을 규명하였으며 규산염계 부식억제제는 금속 배관의 부식 방지에 매우 효과적이며, 실무적으로도 적용 가능성이 높다는 결론을 도출하였다. 따라서 규산염계 부식억제제는 배관의 부식 문제를 완화하고 소방 설비의 신뢰성을 높이는 데 중요한 해결 방안이 될 수 있다.
Kim et al. (2024)은 탄소강(SPP)과 구리(CDA 110) 시편을 이용하여 부식억제 성능을 평가하였다. 수용성 부식억제제 1 L에 10 g의 NaCl을 첨가해 1% NaCl 농도의 용액을 조제하고, 부식 쿠폰을 상온에서 4주간 침지시킨 뒤 부식 생성물을 제거하고 건조하여 무게 변화를 측정하였다. 실험 결과, 탄소강(SPP)의 평균 무게 감소율은 0.12%인데 비해, 구리(CDA 110)는 최대 0.03%로 우수한 방청 성능을 보였다. 또한 규산염계 부식억제제가 구리와 탄소강 재질의 스프링클러 배관에 높은 방식 성능을 제공함을 확인하였다.
Lee and Lee (2024)는 3% NaCl 용액에서 부식억제제 CS-NR (Corrosion Stop No more Rust)의 첨가 유무와 첨가 농도를 변수로 하여 동판을 10일간 침지한 후에 표면 상태를 관찰하고 SEM 분석, 맵핑 측정 및 EDS 분석을 수행하였다. 실험 결과, CS-NR이 첨가된 용액에서는 시험편 표면에 형성된 보호 피막이 치밀하고 균일하게 도포되어 부동태 상태를 유지하며, 구리의 부식을 효과적으로 억제하는 것으로 나타났다. 이에 따라 동 시험편의 색상은 침지 전과 동일한 붉은색을 유지하였으며, 부식억제제 CS-NR을 실제 아파트 현장의 스프링클러 동배관에 주입하여 누수 발생 억제 효과를 검토한 결과, 부식 방지 효과가 현저하게 개선되었으며 배관의 내구성이 향상되는 것으로 나타났다.
1.3 연구목적 및 범위
본 연구는 지하주차장 스프링클러 시스템에 사용되는 아연 도금 백강관을 장기 사용시 발생하는 부식을 방지하기 위한 효과적인 방안을 제시하기 위해 수행되었다.
수용성 규산염계 부식억제제와 알칼리성 전해환원수 조합을 적용할 때 금속 배관의 부식억제 효과를 실험적으로 검증하고, 그 작용 메커니즘과 효과를 과학적으로 분석하는 데 중점을 두었다.
이를 위해 다양한 환경 조건, 특히 지하주차장과 같은 고습도⋅산소 농도 변화가 심한 조건에서의 적용 가능성을 검토하였다. 이를 통해 배관 부식으로 인한 성능 저하를 예방하고, 안전사고 방지와 유지관리 비용 절감이라는 경제적 효과를 동시에 도모하고자 하였다.
2. 연구방법
본 연구에서는 실험적 접근과 정량적 데이터 분석을 통해 수용성 규산염계 부식억제제의 실효성을 검증하고, 스프링클러 배관의 부식 방지 효과를 평가하고자 하였다.
2.1 방식원리
규산염계 부식억제제의 분자 구조는 Fig. 1과 같다. 규산염계 부식억제제와 알칼리성 전해환원수를 조합하여 사용할 때, pH는 11 ± 0.2로 유지되고 산화환원전위(Oxidation and Reduction Potential, ORP)는 50 ± 20 mV, 전위는 약 –100 mV로 음분극 시킴으로써 배관 표면을 부동태역(Passive region)에 위치시켜 금속 배관의 부식을 효과적으로 억제할 수 있다(Iler, 1979; Lee et al., 2021).
수용성 규산염은 음전하(negatively charged)를 띠는 단량체(SiO32-)와 중합체가 평형 상태를 유지하며, 농도 증가에 따라 pH를 상승시키는 특성을 가진다. 부식억제제 수용액에서는 중합체가 탈중합화되어 반응성이 높은 단량체로 전환된다. 이러한 단량체는 금속 표면의 양극(Anode)에서 발생하는 금속 양이온(Mn+)과 반응하여 수화산화 금속막(Hydrous oxide metal film, M⋅Si (OH)3+)을 형성한다. 이 막은 규산염 단량체와 결합하여 금속 표면에 고절연성의 보호 피막을 형성함으로써 양극 반응(산화)을 억제하고, 배관의 내식성을 크게 향상시킨다(Iler, 1979; Lee et al., 2021).
2.2 시험편 제작
부식억제제의 방식 효과를 규명하기 위해 시험편을 제작하였다. 먼저 아연이 도금된 함석판(아연 도금 두께: 25 μm)을 3 × 3 cm의 크기로 Fig. 2(a)와 같이 제작하였다. 또한 현장실험 대상 아파트 단지에서 스프링클러 배관에 부식억제제를 주입한 후에 배관을 샘플로 채취하여 3 × 3 cm의 시험편을 Figs. 2(b), 2(c)와 같이 제작하였다.
2.3 실험방법
실험에 사용된 부식억제제는 수용성 규산염계 부식억제제와 알칼리성 전해환원수를 조합하여 제조되었다.
수용성 규산염은 알칼리계 탄산염(Na2CO3⋅K2CO3)과 규소 화합물을 고온(1,000~1,200 ℃)에서 용융하여 제조하였고, 알칼리성 전해환원수는 마그네슘(Mg) 전극 조건에서 수돗물을 전기분해하여 제조하였다(Lee et al., 2021).
부식 특성 실험은 제작된 시험편을 이용하여 실험실에서 진행되었다. 실험실에서 수행된 실험의 항목과 현장실험에서 스프링클러 배관에 부식억제제를 투입한 과정은 다음과 같다.
2.3.1 실험실 실험
스프링클러 시스템의 금속 배관 부식 방지 효과를 검증하기 위해, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM, CLARA, Tescan)과 에너지 분산형 X선 분광법(Energy Dispersive Spectroscopy, EDS, Ultim Max65, Oxford)을 활용하여 시험편의 고해상도 이미지를 분석하였다. SEM과 EDS는 상호 보완적인 기법으로, 시료의 물리적 구조와 화학적 성분을 동시에 분석할 수 있으므로 정밀한 평가가 가능하다(Korea Polymer Testing & Research Institute, n.d.; SEM-EDS Analysis). SEM 및 EDS 분석과 함께 전기화학적 실험도 병행하여 금속 배관의 부식 방지 메커니즘을 규명하고자 하였다.
아연 도금 함석판 시험편을 대상으로 첨가된 부식억제제 농도를 변수로 설정하여 무첨가, 6 g/L, 8 g/L, 10 g/L 농도의 용액에 각각 3일간 침지한 후, 24시간 동안 자연 건조하여 SEM 및 EDS 분석을 수행하였다. 또한, 부식억제제가 투입된 실험 대상 아파트 단지의 배관에서 채취한 샘플 시험편의 단면을 SEM 및 Mapping 분석을 통해 관찰하여 피막 형성과 부식 방지 효과를 확인하였다.
전기화학적 실험에서는 이를 확장하여 12 g/L 농도까지의 부식억제제 조건에서 동일한 방법으로 처리한 뒤, 0.5% NaCl 용액에서 분극측정(CMS-100) 프로그램을 사용하여 주사 속도 1 mV/s로 동전위 분극 곡선을 측정하였다. 시험편 전극의 노출 표면적은 1 cm2, 기준 전극은 Ag/AgCl, 상대 전극은 백금(Pt)을 사용하였다.
2.3.2 부식억제제 투입
현장실험에서 스프링클러 배관의 부식억제제 투입은 경기도 부천시 B 아파트 지하주차장에서 진행되었다. 해당 단지는 총 17개 동, 1,473세대로 구성되어 있으며, 사용 승인은 2011년에 이루어졌다. 부식억제제 투입 실험은 2024년 9월 9일부터 9월 12일까지 4일간 진행되었으며, 실험 대상은 지하주차장 한 개의 방호구역 내 드라이 밸브 타입 스프링클러 시스템이다. 부식억제제 주입 과정을 Fig. 3에 나타내었다. 스프링클러 시스템과 방호 구역을 점검한 후(a), 드라이 밸브의 1차 및 2차 측 밸브를 차단하고(b), 말단 드레인 밸브를 통해 압축 공기와 체수를 제거하였다(c). 그후 설정된 압력까지 부식억제제를 천천히 주입하였으며(d), 주배관 드레인 밸브에서 부식억제제가 배출되는 것을 확인한 후(e) 밸브를 차단하였다. 이어서 스프링클러 헤드에서도 부식억제제가 배출되는 것을 확인한 뒤(f), 1.3 톤의 부식억제제를 2.3 kgf/cm2의 압력으로 주입하였다(g, h). 마지막으로 방호 구역의 건식 밸브 2차 측과 1차 측 밸브를 순차적으로 개방하고, 컴프레서를 정상 모드로 전환하여 부식억제제 주입 절차를 완료하였다(i). 주입된 부식억제제는 배관 내부의 금속 표면과 충분히 반응하여 보호 피막을 형성할 수 있도록 배관 내부에서 72시간동안 유지시켰다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 SEM 분석 결과
부식억제제 첨가에 따른 시편 표면의 SEM 분석결과를 Fig. 4에 나타내었다. 수돗물에 침지하지 않은 초기 시험편의 표면 상태(a)와 수돗물(pH: 7.31, 전도도: 236 uS/cm)에 침지한 시험편(b), 그리고 부식억제제 첨가 농도(6~10 g/L)에 따른 시험편 표면(c~e)을 SEM (1,000배율)으로 관찰한 결과이다. SEM의 측정 지점은 시험편(3 × 3 cm)의 중앙부이며 SEM 이미지를 바탕으로 부식억제제 농도 변화에 따른 부식 억제 효과와 표면 변화 양상을 분석하였다. 침지 전 시편(a)은 비교적 평평한 표면 상태를 보였으나, 관찰된 선형 패턴은 코팅층의 미세한 불균일성이나 도금층과 강재 사이에서 발생한 초기 부식의 흔적일 가능성이 있으며, 표면의 불규칙한 주름이나 돌출은 아연이 공기 중 산소와 반응하여 생성된 산화아연(ZnO), 물과 반응하여 형성된 수산화아연(Zn (OH)2)과 같은 부식 생성물의 형성으로 인해 발생한 것으로 사료된다. 수돗물 침지 시편(b)에서는 결정립 경계가 흐릿하고 불명확해졌으며, 표면에 국소적으로 형성된 부식 생성물이 관찰되었다. 또한, 밝고 어두운 패턴의 불균일한 분포는 국부 부식(pitting corrosion)의 징후로, 수돗물의 염소 이온(Cl-)에 의한 부식 작용의 결과로 설명될 수 있다(Kim and Kim, 2011).
Fig. 4
Surface SEM Images (1000x Magnification) of Different Solutions with and without the Addition of Water-Soluble Silicate-based Corrosion Inhibitor (After 3 Days of Immersion)
6 g/L 농도의 부식억제제를 첨가한 시편 표면(c)의 경우 부식억제제를 첨가하지 않은 수돗물 침지시편의 표면(b)에 비해 그 형태가 완전히 다르며 원래의 함석판 표면(a)과 유사한 모습을 보여주고 있다. 원래의 함석판 표면에 비해서 다소 뚜렷한 균열과 기공이 관찰되었으나 결정립 경계가 흐릿하고 부식 생성물이 국부적으로 형성되어 표면 패턴이 불균일하게 나타났다. 이는 부식억제제 농도가 낮아 염소 이온의 부식 억제에 대한 보호피막의 형성이 충분하지 못해 나타난 결과로 판단된다. 8 g/L의 부식억제제에 침지한 시편(d)에서는 균열 밀도와 기공 크기가 감소하였고, 결정립 경계가 명확해졌으며, 부식 생성물의 균일한 분포와 밝기 패턴의 감소가 확인되어 부식 억제 효과가 증가하였음을 보여주었다. 부식억제제 농도 10 g/L에 침지한 시편(e)에서는 균열과 기공이 거의 관찰되지 않았으며, 표면이 매끄럽고 부식 생성물이 거의 형성되지 않은 상태로 결정립 경계가 뚜렷하고 균일한 밝기의 패턴을 보였다. 이는 부식억제제가 염소 이온과 반응하거나 보호막을 형성하여 부식을 효과적으로 차단했음을 나타낸다. 이러한 결과는 부식억제제 농도가 증가함에 따라 균열과 기공 발생이 현저히 감소하며, 특히 10 g/L 농도에서 최적의 부식 억제 및 표면 보호 효과를 확인할 수 있고 표면의 양상도 원래의 함석판 표면과 유사한 모습을 나타내고 있음을 알 수 있었다.
3.2 EDS 분석에 의한 보호 피막 형성 메커니즘
부식억제제를 첨가한 용액에 시험편을 침지하기 전후의 EDS 분석 결과를 Fig. 5에 나타내었다.
Fig. 5
EDS Analysis of Specimens Immersed for 3 Days in Various Solutions with and without the Addition of Water-Soluble Silicate-based Corrosion Inhibitors
Fig. 5(a)는 침지 전 아연 도금된 함석판 표면의 EDS 분석 결과로는 아연(Zn)이 89.4%로 가장 높은 비율을 차지하며, 산소(O) 2.6%, 철(Fe) 1.0%, 알루미늄(Al) 0.7%가 각각 포함된 것으로 나타났다. 이러한 결과는 도금층이 주로 아연으로 구성되어 있음을 보여주며, 산소는 대기 중 산소에 의한 산화막 형성에 기인하며 철 성분은 아연 도금층 하부의 철판 성분이 미량 검출된 것으로 판단된다. 미량의 알루미늄은 도금 과정에서 포함된 불순물에 의한 것으로 사료된다. 규소(Si)는 검출되지 않아 보호 피막이나 부식억제제의 영향을 받지 않은 초기 상태임을 보여준다.
Fig. 5(b)는 수돗물에 3일간 침지한 후에 자연 건조시킨 시험편의 EDS 분석 결과를 나타낸다. 아연(Zn)의 비율이 53.5%로 크게 감소한 반면, 산소(O)의 비율은 30.4%로 크게 증가하였다. 이는 침지된 용액 내 염소 이온(Cl-)의 작용으로 인해 아연의 부식과 산화에 의해 산화아연(ZnO)과 같은 부식 생성물이 형성되었음을 시사한다(Kim and Kim, 2011). 소듐(Na, 6.1%)과 규소(Si, 0.2%)의 검출은 수돗물 내에 함유된 미량 성분의 흡착에 기인한 것으로 판단된다. 규소는 미량(0.2%) 포함되어 있으며, 이는 수돗물 내에 미량으로 존재하는 규소 성분의 흡착에 의한 것으로 사료된다.
Fig. 5(c)는 6 g/L 수용성 규산염 기반 부식억제제를 첨가한 용액에 3일간 침지한 시험편의 EDS 분석 결과를 나타내고 있다. 아연 함량은 43.3%로 감소하였고, 산소 함량은 25.1%이며, 규소는 3.1%로 증가한 것으로 나타났다. 이는 수용성 규산염 기반 부식억제제가 표면에 보호 피막을 형성하여 산소 및 규소 함량이 증가한 결과로 판단된다. 부식억제제 성분인 규산나트륨(Na2SiO3)은 물에서 Eq. (1)과 같이 전리한다(Lee et al., 2021).
이렇게 전리된 Na+와 SiO32-는 물과 반응하여 Eq. (2)와 같이 반응한다.
Eq. (3)의 반응에 의해 생성된 ZnO⋅Si (OH)22+가 1차적인 보호피막으로 아연 표면에 흡착되고 음극성의 단량체인 SiO32-가 정전기적인 인력으로 2차로 흡착하게 되어 아연의 부식을 억제하는 것으로 판단된다. 이러한 보호 피막은 부식 과정에서 염소 이온(Cl-)의 표면 반응을 차단하고, 표면 안정성을 증진시켜 부식 억제 효과를 향상시킨다. 이와 같이 규산염계 부식억제제는 물과 반응하여 보호피막을 생성하고 동시에 아연 표면에 흡착하여 내식성을 강화한다.
실험조건별 EDS 분석결과에서 나타난 아연(Zn), 산소(O)와 규소(Si)의 조성비를 비교하여 Table 1에 나타내었다. 부식억제제 농도가 6 g/L에서 10 g/L까지 증가함에 따라 아연은 약간 감소하며, 산소 및 규소는 증가하는 것으로 나타났다. 산소 및 규소의 증가는 규산염 기반의 보호피막의 생성으로 인한 것으로 판단된다. 이러한 결과로부터 수용성 규산염 부식억제제가 아연 도금층의 부식을 효과적으로 억제하고, 산화규소 기반 보호 피막의 형성을 촉진하여 내식성을 크게 향상시킨다는 사실을 알 수 있다.
Table 1
The Relationship of Component Content Ratio by EDS Analysis Result After 3 Days of Immersion According to the Dosage of Corrosion Inhibitor
| Kinds of solution | Zn | O | Si |
|---|---|---|---|
| No immersion | 89.4 | 2.6 | - |
| Tap water | 53.5 | 30.4 | 0.2 |
| Tap water + 6 g/L | 43.3 | 25.1 | 3.1 |
| Tap water + 8 g/L | 42.9 | 29.7 | 9.0 |
| Tap water + 10 g/L | 41.9 | 31.9 | 9.6 |
향후 부식억제제의 농도 증가에 비례하여 두꺼운 보호피막의 생성에 따른 산소 및 규소 함량비의 정점 존재 유무와 최적의 부식억제제 농도를 규명하기 위한 추가 연구가 필요하다고 판단된다.
3.3 동전위 분극곡선에 의한 부식 억제 성능 평가
Fig. 6은 부식억제제를 0~12 g/L의 농도로 첨가한 용액에 3일간 침지한 후, 0.5% NaCl 용액에서 시험편의 양극 및 음극 분극곡선을 측정한 결과를 나타낸다. 동전위 분극곡선은 주사속도 1 mV/s의 조건에서 측정되었으며, 측정된 데이터는 Tafel 외삽법을 통해 부식 전위(Ecorr)와 부식 전류 밀도(Icorr)를 산출하였다(Kang, 2014). 부식 전위는 전기화학적 부식 과정에서 금속 표면이 주변 전해질과 접촉하여 전기적 균형 상태에 도달했을 때의 전위를 말하며, 부식 전류 밀도는 금속의 부식 반응의 속도를 나타내는 전기화학적 지표로, 단위 면적당 발생하는 부식 전류를 의미한다. 부식억제제를 첨가하지 않은 조건(0 g)에서 부식 전위(Ecorr)는 약 –1.003 V (SSCE, Ag-AgCl Electrode)로 낮은 값을 나타내었으며, 부식 전류 밀도(icorr)는 약 0.512 µA/cm2의 높은 값을 보였다. 이는 보호 피막이 형성되지 않아 염소 이온(Cl⁻)의 부식 작용이 가속화되어 부식이 활발하게 진행되었음을 시사한다. 부식억제제를 첨가한 경우(6~12 g/L), 부식 전위(Ecorr)는 점진적으로 증가하였다. 12 g/L의 부식억제제를 첨가한 조건에서는 부식 전위가 –0.957 V (SSCE)로 상승하였으며, 이는 부식억제제가 표면의 전기화학적 안정성을 향상시켰음을 나타낸다. 또한, 부식 전류 밀도(icorr)는 부식억제제 농도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 12 g/L의 농도 조건에서 약 0.126 µA/cm2로 측정되었다. 이는 부식억제제가 표면 부식 반응을 효과적으로 억제하여 아연 도막의 내식성을 향상시켰음을 보여준다. 분극곡선의 양극 분극곡선에서는 부식억제제의 첨가에 따라 양분극의 증가에 의해 곡선의 형태가 무첨가에 비해서 윗쪽 방향으로 상승하는 경향이 관찰되었으며, 이는 부식억제제의 첨가에 의해서 보호피막의 형성으로 아연의 산화 반응(Zn → Zn2+ + 2e-)이 억제되어 양분극이 증가되었음을 의미한다. 음극 분극곡선 구간에서는 분극곡선의 형태가 무첨가에 비해서 왼쪽으로 이동하는 경향을 나타내었으며, 이는 용존산소의 환원 반응(O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-)의 농도분극이 증가되었음을 보여준다. 이러한 변화는 부식억제제에 의해 아연 도막 표면에 보호 피막이 형성되면서 분극의 증가로 인해 양극 및 음극 반응속도가 동시에 저하된 결과로 해석된다.
Fig. 6
Variation of Anodic and Cathodic Polarization Curves in 0.5% NaCl Solution with and without Addition of Inhibitor
Tafel 외삽법을 적용한 결과, 부식억제제가 첨가될수록 부식 전위가 양극 방향으로 이동하고 부식 전류 밀도가 감소하여 내식성이 개선되는 경향이 확인되었다. 특히, 12 g/L의 농도 조건에서 가장 높은 부식 저항성과 내구성을 가지는 것으로 나타났으며, 이는 치밀한 보호 피막이 아연 도막 표면에 형성되어 염소 이온의 부식 작용을 차단하고 표면 안정성을 제공했음을 보여준다. 이러한 결과는 부식억제제가 아연 도막의 내식성을 향상시키고, 부식 환경에서 보호 피막을 효율적으로 형성한다는 것을 보여준다.
Table 2는 부식억제제 첨가 농도에 따라 분극곡선으로부터 구한 부식 전위(Ecorr), 부식 전류 밀도(icorr), 부식율(Corrosion Rate)과 예상 수명(Expected Lifespan)을 정리한 결과이다.
Table 2
The Relationship between Corrosion Current Density, Corrosion Rate, and Expected Lifespan According to Changes in the Inhibitor Dosage
부식율(Corrosion Rate)과 예상 수명(Expected Lifespan)은 분극곡선으로부터 구한 부식 전류 밀도(icorr)를 기초로 하여 계산되었다. 부식율은 Tafel 외삽법으로 측정된 부식 전류 밀도를 사용하여 Eq. (4)로부터 산출되었다(Moon, 2018).
여기서 W는 아연의 원자량(65.38 g), i는 부식 전류 밀도(µA/cm2), n은 원자가(2), D는 아연의 밀도(7.14 g/cm3)이다. 계산된 부식율은 첨가되는 부식억제제의 농도에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 이는 보호피막 형성으로 부식 반응이 효과적으로 억제되었음을 보여준다. 예상 수명은 Eq. (5)와 같이 아연 도금층의 두께(45 μm)를 부식율로 나누어 계산되었다.
부식억제제를 첨가하지 않은 경우, 부식 전위는 –1.003 V (SSCE)로 가장 낮게 나타났으며, 부식전류 밀도는 0.512 µA/cm2, 부식율은 7.67 µm/yr로 측정되었다. 이러한 결과는 배관 표면에 보호 피막이 형성되지 않아 염소 이온(Cl-)과 같은 부식성 물질에 노출되어 부식 반응이 활발히 진행되었음을 의미한다. 부식억제제를 6 g/L에서 12 g/L로 증가시킬 때 부식 전위는 –0.936 V 및 –0.957 V로 변화하고 부식 전류 밀도는 0.374 µA/cm2에서 0.126 µA/cm2로 감소하였다. 이로 인해 부식율도 5.60 µm/yr과 1.89 µm/yr로 감소하였다. 부식억제제 첨가에 따른 예상 수명은 6 g/L 조건에서 약 8.04년이었으며, 12 g/L 조건에서 약 23.80년으로 크게 증가되었다. 이는 부식억제제가 아연 도막 표면에 치밀한 보호 피막을 형성하여 부식 반응을 효과적으로 억제하고, 배관의 내구성을 향상시켜 얻어진 결과로 판단된다. 이러한 결과는 신축 건물의 스프링클러 배관에 부식억제제를 사용함으로써 내구성을 향상시키고 유지 비용을 절감할 수 있음을 보여준다. 한편, 이미 사용 중인 배관에도 부식억제제를 주입하여 배관의 사용 연수를 연장할 수 있으며, 건식 스프링클러 배관에서 소화수 유입과 같은 예상치 못한 상황이 발생할 떄에도 부식억제제를 활용하여 배관의 부식 문제를 효과적으로 완화시킬 수 있을 것으로 판단된다.
3.4 배관 내 보호피막 형성 과정
Fig. 7은 현장 실험에서 기존 배관에 수용성 규산염계 부식억제제를 주입하고 72시간이 경과한 후에 배관 시편의 단면을 SEM으로 분석한 결과를 보여준다. Mapping 기법을 활용하여 단면의 층별구성과 조성을 확인하였으며, 이를 통해 부식억제제가 배관 내부에서 보호 피막을 형성하는 과정을 파악하였다. 단면 분석 결과, 가장 하단부는 배관의 두께를 구성하는 탄소강(Carbon steel)으로, 이는 기계적 강도와 내구성을 제공하지만 부식에 취약하므로 아연 도금과 보호 피막 생성이 필요하다. 탄소강 상부에는 아연-철 혼합층(Film mixed with Fe and Zn)이 존재하며, 이는 아연과 철이 화학적으로 결합하여 형성된 층으로, 탄소강과의 결합력을 강화하고 아연 도막의 박리를 억제한다. 이 층은 전체 보호 시스템의 안정성을 유지하는 데 핵심적인 역할을 한다. 그 위로는 순수 아연 도막(Zn film)이 형성되어 있으며, 이는 아연이 갈바닉 보호 메커니즘(희생양극 보호)을 통해 철보다 먼저 산화되어 철을 부식으로부터 보호하는 중요한 역할을 한다. 마지막으로, 시편의 최상부에는 보호 피막(Protection film)이 존재하며, 이는 부식억제제 주입으로 형성된 ZnO⋅Si (OH)22+와 SiO32- 기반의 얇고 치밀한 고절연성 피막층으로 확인되었다. 이 보호 피막은 외부 환경으로부터 산소, 수분, 염소 이온 등의 부식 인자를 효과적으로 차단하여 아연 도막 및 탄소강을 보호한다.
이와 같이 72시간 동안 배관 내부에 부식억제제를 유지한 결과, 안정적이고 치밀한 보호 피막이 형성되었음을 확인할 수 있었다. SEM 단면 분석에 따르면, 아연 도막의 산화가 억제되었고, 보호 피막은 높은 화학적 안정성과 내구성을 제공하여 부식을 효과적으로 방지하였다. 또한, 아연-철 혼합층과 순수 아연 도막은 보호 피막 형성 과정에서도 안정적으로 유지되었으며, 이러한 구조는 부식억제제의 작용에 의해 내식성이 더욱 향상되었음을 나타낸다. 특히, 지하 주차장과 같은 부식 환경에서는 이종 금속 간 갈바닉 부식, 산소 농담 전지에 의한 국부 부식, 용접부의 열응력 및 이물질 축적에 의한 부식과 같은 다양한 부식 요인이 작용할 수 있다. 수용성 규산염계 부식억제제는 이러한 부식 메커니즘에 대응하여 금속 표면에 보호 피막을 형성함으로써 부식을 효과적으로 방지하는 것으로 확인되었다. 따라서, 부식억제제를 정기적으로 투입하고 배관 환경을 체계적으로 관리하는 것은 배관의 내구성을 향상시키고, 장기적으로 소방설비의 신뢰성을 확보하기 위한 매우 우수한 방안으로 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 지하주차장 스프링클러 금속 배관에서 발생하는 부식 문제를 해결하기 위해 수용성 규산염계 부식억제제와 알칼리성 전해환원수를 조합하여 배관의 부식 방지 효과를 실험적으로 검증하였으며 얻어진 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
첫째, 수용성 규산염계 부식억제제는 아연 도금 강관 표면에 ZnO⋅Si (OH)22+와 SiO32-의 치밀한 보호 피막을 형성하여 부식을 효과적으로 억제하는 것으로 나타났다.
둘째, 부식억제제의 농도가 증가할수록 부식 전류 밀도는 감소하고 부식 전위는 양극 방향으로 이동하여 전기화학적 안정성이 향상되었다. 실험된 최고 농도인 12 g/L 조건에서 가장 높은 부식 억제 효과를 보였으며 배관의 예상 수명은 약 23.8년으로 산출되었다.
셋째, 현장 실험에서 72시간 동안 부식억제제를 배관 내부에 주입한 결과, 보호 피막이 안정적으로 형성되어 배관의 부식이 억제됨을 확인하였다. 이는 SEM 및 EDS 분석을 통해 입증되었으며, 보호 피막은 염소 이온(Cl⁻)과 같은 부식성 물질로부터 배관을 보호하며, 지하 주차장과 같은 열악한 환경에서도 효과적으로 작용하는 것으로 나타났다.
넷째, 수용성 규산염계 부식억제제가 스프링클러 배관의 주요 부식 요인인 갈바닉 부식, 산소 농담 전지, 응력 부식 등을 효과적으로 완화할 수 있음을 실험적으로 입증하였으며, 이는 신규 설치 배관뿐만 아니라 기존 배관에서도 활용 가능함을 보여준다. 이를 활용하여 부식 문제를 예방하고 유지 관리 비용을 절감할 수 있는 실용적이고 경제적인 방안이 될수 있다. 정기적인 부식억제제 투입은 배관의 장기적인 신뢰성과 경제성을 동시에 확보하는 데 기여할 것으로 기대된다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
Print
