현장의 부식(Corrosion)관리 방안과 재료 선정 기초 (Part 1)

1. 서론_들어가며

필자는 현재 정유/가스나 화학 공장을 설계하는 플랜트 설계 엔지니어로서 근무하고 있다.
이러한 플랜트의 FEED 설계(상세설계 전단계 설계)할때는 운전 조건이나 환경을 고려하여 운전중 발생가능한 다양한 부식(Corrosion)상황을 예상한다. 그리고, 부식을 방지하는 것은 물론 경제성을 고려하여 기기나 배관의 재질을 선정하며, 그것에 추가하여 운전중 다양한 부식방지 방안을 고려하게 된다.

부식(Corrosion) 자체에 대한 지식과 부식을 방지할 재질 선정 및 다양한 부식 방지 방안에 대한 지식이 기본적으로 필요하다고 할 수 있는데, 단순히 부식에 견디는 재질이 아니라, 가장 경제적인 재질을 선정하는 것이 중요하다라고 할 수 있다. 부식에 매우 강한 비싼 재료를 쓰면 설계수명동안 운전하는데는 전혀 문제가 없겠지만, 엄청난 건설비용이 추가되기 때문에 가장 경제적 재질을 선정하는 것이 재료선정에 있어서 핵심적인 사항이라고 할 수 있다.

이번 글에서는 플랜트에서 근무하면서 터득한 노하우를 공유하는 차원의 글로서, 부식및 기타 조건의 영향을 고려하여 어떠한 재질을 선정해야 하는지에 대해 정리하고자 한다. 물론 다양한 공장의 재료선정에 참조할 수 있다.

2. 본론_부식(Corrosion) 관리 방안과 재료 선정

1) 재료 선정의 기초

플랜트에서 재질 선정을 할때 우선 고려할 것은 설계 수명(Service Life)을 확인해야 한다.
보통 20년에서 25년을 고려하는데, 요즘 대부분 발주처에서 요청하는 기간은 최소 25년이상이 많다.
재질 선정할때는 SLC(Service Life Corrosion), 즉 설계수명 동안의 부식두께를 고려해야 하는데,
부식성이 크지 않으면 일반적으로 Carbon Steel을 선정하는 것이 가장 경제적이다.
보통 SLC가 6mm 이내이면 Carbon Steel을 쓰고, 6mm 이상이면 그 부식성 정도에 따라
CRA(Corrosion Resistant Alloy_내식합금) 나 Non-metal(비 금속)을 사용한다.

[Corrosion Piping, 태국 현장 사진]

설계 수명동안 필요한 기기(또는 배관)의 두께는 다음과 같은 식으로 결정될 수 있다.
T tot = T req. + SLC + C tol
(T tot는 총두께, T req.는 압력을 견디기 위한 최소 두께, SLC는 설계 수명 동안의 부식,
C tol 은 제조 공차(tolerance)로서 보통 두께의 12.5%를 고려한다.)

그리고, 부식환경과 함께 재료선정에서 중요한 요소는 바로 온도와 압력 조건이다. 특히 온도가 중요한데, Carbon Steel을 쓰기에는 온도가 낮은 조건(-29°C~-46°C 정도까지)에서는 LTCS (Low temperature carbon steel)을 쓰고, -46°C 보다 더 내려가면 저온용 강 (3.5% Ni alloy 또는 오스테나이트 스테인리스 스틸)을 쓰게 된다. 저온용강에 대해서는 이 블로그의 관련 글을 참조하기 바란다.

반대로 Cabron Steel 보다 고온에서는 Low Alloy Steel (예: 1.25Cr-0.5Mo, 2.25Cr-1Mo 등) 을 쓰게 되며, 이 재질은 Cr과 Mo 성분때문에 고온 강도가 높고 수소 취성을 방지하는 장점이 있는 반면에 반드시 후열처리(PWHT)를 해야 하는 재료이다. Low Alloy Steel 을 쓰는 조건보다 더 고온에서는 Stainless Steel, Ni-based alloy 등을 사용하게 된다. 니켈(Ni)의 경우 저온에서도 강하지만, 고온에서도 강한 금속이다. 고온 재료 및 Creep 현상에 대해서는 이 블로그 관련글을 참조하기 바란다.

2) 재질 선정시 고려할 부식(Corrosion) 관리 방안

일반적으로 재질을 선정함에 있어 다음 세가지 부식(Corrosion) 관리 방안을 고려하게 된다.

a) 부식여유 (Corrosion Allowance) 플랜트에서 SLC 는 부식여유(CA)로 반영하는데, 탄소강관 같은 경우 1.5mm, 3mm 나 6mm를 반영하여 운전기간동안 이 정도는 부식이 된다라고 가정하고 설계하는 것이다. 즉, 부식이 가장 심한 경우 6mm 까지 추가 두께 여유를 주는 것이다.

b) 화학적인 제어 (Chemical Treatment)
화학적인 제어 방법은 기기나 배관을 돌아다니는 내부 유체가 너무 부식성이 높을때 부식 억제제 (Corrosion inhibitor)를 주입하는 것으로 SLC 를 줄여주는 방법이다.

c) 코팅, 라이닝, 클래딩 (Internal Coating, Lining, Cladding)
Main 재질은 가격이 저렴한 Carbon Steel등을 쓰고, 유체가 접촉하는 부분에만 부식에 강한 물질을 Coating하거나 Lining 또는 Cladding을 한다. 대표적으로 FBE Coating이나 Cement Lining, 또는 825 Cladding 과 같은 방법이 있다. 이것은 CRA Material의 가격이 너무 높아서 자재비 절감 방안으로 많이 고려하는 방법이다.

3) CRA (Corrosion Resistance Alloy) Material

a) CRA 자재

CRA 자재는 보통 부식에 강한 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 등이 많이 포함된 다음의 금속들을 말한다.

• 고합금 스테인리스강: 일반적으로 Mo을 함유하고 있는 316L도 넓은 의미에서는 포함되는 것으로 보이는데 , CRA라고 하면 보통 Super Austenitic나 904L처럼 일반 스테인레스 스틸보다 한 단계 위급의 스테인리스 강을 말한다.
• 듀플렉스 계열 (Duplex / Super Duplex): 22Cr Duplex, 25Cr Super Duplex가 대표적인데, 강도와 내식성이 동시에 우수해서 해상 플랜트나 Sour Service가 많은 육상 플랜트의 핵심 자재로 쓰인다. 오스테나이트와 페라이트의 성질을 모두 가지고 있는 듀플렉스강은 공식이나 SCC (Stress Corrosion Cracking)에 대해 일반 S/S 보다 더 강하다.
• 니켈 합금 (Nickel-based Alloys): Alloy 625, 825, C-276(Hastelloy) 등이 해당한다. Carbon steel이나 Stainless steel보다 훨씬 비싸지만, 극한의 부식 환경에서는 쓸 수 밖에 없는 재료들이다. 니켈합금은 부식뿐만아니라 저온이나 고온에서도 매우 우수한 슈퍼 금속이다.
• 기타 특수 합금으로 티타늄(Titanium), 구리-니켈(Cu-Ni) 합금 등도 있는데, 특정 환경에서 CRA로 분류되어 사용되기도 한다.

[오스테나이트 스테인리스 강]

b) Solid CRA 와 Clad/Lining

CRA 자재는 비싸기 때문에 작은 구경에서는 Solid 를 쓰지만, 큰 구경에서는 일반적으로 Lining이나 Cladding을 하여 사용하게 된다.

• Solid CRA: 배관 전체를 처음부터 끝까지 해당 합금으로 만드는 방식이다. (작은 구경이나 초고압 라인에 사용) 보통 플랜트에서는 4″나 6″ 까지는 Solid 금속을 사용하고, 그 이상 Size에 대해서는 Cladding 이나 Lining 을 한다.
• CRA Clad / Lining: 바깥쪽은 강도가 있으면서 가격이 싼 탄소강(CS)으로 만들고, 유체가 닿는 안쪽 면에만 3~5mm 정도 CRA를 입히는 방법이다.
  • Clad: 폭발 압착이나 압연으로 두 금속을 완전히 붙여버린 것 (신뢰성 높음)이 일반적인 방법인데, Overlay 용접으로 Cladding을 하기도 한다.
  • Lining: 배관 안쪽에 얇은 관을 끼워 넣는 방식 (상대적으로 저렴)

c) CRA 용접시 주의사항.

• 이종 금속 부식 (Galvanic Corrosion): 탄소강과 CRA재료가 직접 접촉하면 전위차 때문에 양극인 탄소강 쪽이 먼저 부식된다. 이런 갈바닉 부식을 방지하기 위해서는 절연 키트(Isolation Kit)를 쓰거나 용접 시 전이 구간을 특별 관리하는 것이 필수적이다.
• 오염 (Contamination) 방지: CRA 용접하는 곳에 탄소강 가루(Grinding dust)가 튀어서 접촉하게 되면 그 부분에서 녹이 슬어버린다. 그래서 보통 현장에서는 CS 구역과 CRA 구역을 칸막이로 분리해서 작업하는 것을 추천한다.
• 고가 용접봉: CRA 배관은 용접봉 값만 해도 매우 비싸다. 용접봉 관리(출고, 잔량 회수)를 엄격히 해서 프로젝트 비용을 세이브해야 한다. 이러한 CRA 강들은 용접시 보통 GTAW (TIG)용접을 많이 사용한다.

[GTAW 용접_이란현장]

4) Non metal 활용

부식(Corrosion)이 심한 환경에서도 온도가 높지 않다면 경제성을 고려하여 비금속 재질을 충분히 사용할 수 있다. 요즘 Vendor Print를 보면 Non-metal 재질인데도 매우 높은 압력도 견디는 것을 확인할 수 있다.

a) GRE (Glass Reinforced Epoxy)

이 재료는 플랜트에서 Cooling water등 Water 배관용으로 많이 사용하는 ‘유리섬유로 보강한 에폭시’ 재질을 말한다. 사실 현장에서 수압시험시 리크(leak)가 나서 고생한 경험이 많다. 아무래도 접합부의 강도가 용접에 비해 약한 것이 사실이다.

• 특징:
  • 부식 없음: 금속이 아니니 녹(Rust) 자체가 안 생긴다. 해수, 산성 유체에 최고이다.
  • 가볍다: 강관 무게의 1/4 수준이라 설치가 쉽고 지지대(Support) 설계가 가벼워진다.
  • 매끄러움: 내부가 매끄러워 유체 마찰 손실이 적고 스케일(Scale)이 잘 안 낀다.
• 주요 용도: 해수 취수 라인(Seawater Intake), 소방수 라인(Fire Water), 수처리 시설.
• 약점(주의할 점):
  • 충격에 약함: 중장비에 부딪히면 깨진다. 매설(Buried)할 때 모래 뒤채움이 중요한 이유다.
  • 접합(Joining) 및 온도: 용접이 아니라 Bonding(접착)이나 Bell & Spigot 방식을 쓴다. 본드 바르는 기술공의 숙련도가 품질을 좌우하기도 한다. 아무래도 Leak가 금속보다는 많은 편이다. 그리고 플라스틱 재질이다보니 고온에서 사용할 수 없는 약점도 있다.

b) CS + HDPE Lined (High Density Polyethylene Lined)

탄소강 파이프(CS) 내부에 HDPE 튜브를 집어넣은 방식이다. 부식성 프로세스 유체에 대해 경제성을 고려하여 사용한다.

• 특징:
  • 강도 + 내식성: 겉은 탄소강이라 압력에 강하고, 속은 HDPE라 부식에 강하다.
  • 가성비: 전체를 비싼 CRA로 만드는 것보다 훨씬 가격이 싸다.
• 주요 용도: 폐수(Produced Water), 부식성 가스, 화학물질 이송 라인.
• 약점 (주의점):
  • 온도 제한: HDPE는 열에 약하다. 보통 60°C 이상에서는 라이닝이 변형되거나 녹을 수 있어 주의가 필요하다.
  • Flange Connection: 배관 끝단에서 Flange 접합을 해야 하는데, HDPE를 바깥으로 꺾어 접는 ‘Flaring’ 작업이 중요하다. 이 부위가 손상되면 탄소강 모재가 바로 부식(Corrosion)될 수 있으므로 중요한 작업이다.

[Non-metal pipe, 이미지: Wikimedia common]

c) 기타 비금속 재질

아래 재질은 공장에서 많이 사용하는 비금속 재질을 비교한 표이다.

재질	전체 이름.	특징 및 용도
GRP	Glass Reinforced Plastic	GRE와 비슷하나 수지(Resin)가 다름. 배수관 등에 사용.
PVC / CPVC	Polyvinyl Chloride	화학약품 이송, 저압 수처리. 가공이 매우 쉬움.
PTFE (Teflon)	Polytetrafluoroethylene	극강의 화학 저항성. 주로 고온/강산 구간의 라이닝용.

3. 결론_마무리

지금까지 정유나 가스플랜트에서 발생할 수 있는 부식(Corrosion)을 고려한 부식 관리 방안과 재질 선정에 대해서 알아보았다. 어떻게 보면 공장을 지으면서 어떤 재료를 선정하는가가 플랜트 설계에 있어서 가장 중요한 업무 중에 하나일 것이다. 현재 이러한 재질 선정 관련 업무는 안타깝께도 외국의 선진 Licensor나 FEED 전문사들이 많이 하고, 한국 업체들은 이미 정해진 재료를 상세설계하는 정도의 업무가 많았다.
이러한 업무를 수행하기 위해서는 부식이나 재료의 기본적인 지식과 경험을 두루 갖추어야 한다. 다음편에서는 플랜트나 기타 공장에서 발생할 수 있는 다양한 부식과 그것을 고려한 대응법에 대해 알아보고자 한다.

@ 현장 기술사 코멘트 : 플랜트 부식환경에서의 재질 선정은 최상의 재질을 선택하는 것이 아니라 최적의 재질을 선택하는것이다. 즉, 엔지니어는 기술적인 관점 및 경제적인 관점을 모두 고려하여 설계 수명을 견딜 수 있는 가장 적합한 재질을 선정하여야 하고, 이러한 선택을 하기 위해서는 늘 새로운 기술이나 재료를 공부하고 익숙해 져야 한다고 믿는다.

• 참조자료: 위키백과_부식

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