선박의 선체 부식 및 ICCP
대형 선박은 여러 가지 요건들로 인해 강철로 제작되며
선박이 운항하는 환경으로 인해서 매우 혹독한 부식환경에 노출된다.
일반적인 강철 부식과 관련해서 해수의 부식성은 온도, 산소 함량, 유속, 부식성 오염 물질의 함량, 침식 입자 및 전도도가 증가 함에 따라 증가한다. 특히 염분이 포함된 해수는 철(연강)로 완전히 구성된 선박 선체와 완벽한 전해질을 형성하여 갈바닉 셀을 형성한다.
갈바닉 셀(Galvanic cell)이란
서로 다른 두 금속이 부식성 매체(전해질)가 있는 상태에서 서로 접촉하면 갈바닉 계열에서 더 활동적인 금속이 양극으로 작용하여 부식을 일으키고 활성도가 낮은 금속은 음극으로 작용하여 부식으로부터 보호를 받는다.
이 두 금속을 바닷물에 넣고 직접 전기적으로 접촉하면 전류가 전해질을 통해 활성도가 높은 금속(양극)에서 활성도가 가장 낮은 금속(음극)으로 전달된다. 이 전류를 부식 전류라고 하며, 양극에서 용액에 용해되어 전달되는 금속 이온과 전자의 이동 과정이다. 이런 부식 과정이 일어나는 셀을 갈바닉 셀이라고 한다.
선박의 부식이 어떻게 발생하나
선박은 철을 주성분으로 하는 강철로 만들어진다.
철은 전기화학적으로 양성을 띠는 원소이며 전자를 포기하고 자유 이온이 되려는 성질이 있다.
1) 일어나는 양극 반응은 2Fe → 2Fe++ + 4e-
2) 바닷물은 산소와 수소로 구성되어 있으며, 철이 주는 전자를 받아들일 수 있는 전기화학적으로 음의 수산화이온 H2 O + O2 + 4 e- → 4 (OH)-를 생성한다
3) 철 이온은 바닷물의 수산화 이온과 결합하여 수산화철을 형성한다. 2 Fe++ +2 (OH)- → 2 Fe (OH)2. 이를 철의 산화라고 한다.
4) 철 이온은 바닷물의 수산화 이온과 결합하여 수산화철을 형성한다. 2 Fe++ +2 (OH)- → 2 Fe (OH)2.
이를 철의 산화라고 한다.
사실 우리가 알고 있는 철이란 인간이 임의로 가공하며 되어 있는 상태이고 부식은 자연상태로의 회귀하는 것이다.
선박 선체 내 연강의 이질성, 선판의 불균일성, 두께, 페인트 두께 및 품질, 선박 구조 용접 이음새의 변화, 이종 금속 및 해수 내 산소 함량 등의 요인이 결합하여 선체 내 일부가 음극과 양극으로 작동하여 갈바닉 셀을 형성한다.
갈바닉 시리즈를 통해 활성도가 낮은 금속(음극) 대신 활성도가 높은 금속(양극)이 부식될 수 있다는 사실을 알 수 있다. 선박의 구조를 아연이나 마그네슘과 같은 더 활동적인 금속과 결합하면 양극으로 작동하는 활성 금속이 음극이 되는 구조에 전자의 흐름을 제공하는 갈바닉 전지가 만들어진다.. 음극은 보호되고 양극은 점진적으로 용해되는데, 이를 희생 양극이라고 한다.
아연, 알루미늄, 마그네슘 또는 그 합금과 같은 원소는 음극을 형성하는 철 또는 강철과 같은 모 원소를 보호하기 위해 희생 양극으로 사용된다. 그러나 이러한 희생 양극은 5년마다 교체해야 하기 때문에 유지보수가 증가하고, 선체 저항이 증가하며, 양극이 제대로 작동하는지 여부를 감지할 수 있는 적절한 수단이 없다는 단점이 있다.
ICCP System의 필요성
갈바닉 셀과 희생 양극을 통해 부식 전류가 발생하기 위해선 두 전극 사이에 전위차가 필요하다는 것을 알 수 있었고 이러한 부식 전류는 전해질에서 양극을 용해시킨다.
하지만 선박 선체 내에 전위차가 없으면 부식 전류가 최소화가 되며 이로 인해 부식이 발생하지 않는다
이것이 바로 ICCP System이 하는 일이다.
전위차를 최소로 유지하고 자연 부식 전류와 반대되는 전류를 임의적으로 발생시켜 선체를 항상 음극 상태로 유지함으로써 양극화로 인해 선체는 보호되어 부식이 일어나지 않는다.
ICCP - Impressed Current Cathodic Protection
이 시스템은 부식에 대해서 장기적인 솔루션으로 희생 양극 시스템에 대한 우수한 대안으로 간주된다.
ICCP에서 보호할 금속은 불용성 양극에 연결되고 부식 전류와 반대되는 직류 소스를 사용하여 전류가 전달되므로 부식된 금속은 다음을 얻는다
양극에서 음극으로 변환되며 부식으로부터 보호된다. 이 불용성 양극은 백금, 백금 티타늄 또는 기타 불활성 원소일 수 있다.
위의 다이어그램은 양극(활성도가 높은 금속)과 음극(활성도가 낮은 금속)으로 구성된 유사한 갈바닉 셀에 약간의 수정을 가한 것이고 여기에서는 불용성인 인상 전류 양극이 시스템에 추가되었다.
일반적인 상황에서는 불용성 양극이 없으면 양극을 부식시키는 부식 전류가 설정되지만, 이 경우에는 양극과 음극 사이에 자연 부식 전류와 반대되는 직류 전류를 통과시킨다.
이 DC 전류는 자연 부식 전류와 같거나 약간 더 커야 양극이 보호되고 부식되지 않는다.
선박에도 동일한 원리가 적용된다.
여기에서는 선박 선체에 접점을 만들고 기준 전극에 연결한다. 이 기준 전극은 완전히 수동적인 불용성 금속이며 기준 전극은 선체와 이 기준 셀 사이의 전위 차인 자연 부식 전류를 측정한다.
선체에서 이 부식 전류를 측정하여 이 전류와 같거나 약간 더 큰 직류 전류를 (반대 방향으로) 임프레스 전류 양극에 공급해야 한다.
그러면 선박의 선체에 보호 전류가 공급되어 선체가 부식으로부터 보호되는 양극이 되는 것이다.
1) DC 24V 출력 전원 공급 장치 및 제어판
DC 전원 공급 장치에는 440V AC 공급을 DC 전류로 변환하는 정류기 장치가 포함될 수 있다.
대형 선박에는 일반적으로 전방과 후방에 각각 2개의 전원 공급 장치가 있다. 전원 공급 장치는 퀀텀 ICCP 패널이라고도 하며, 기준 셀의 전압 및 전류 파라미터를 모니터링하고 그에 따라 인상된 전류 양극에 신호를 보내는 사이리스터 및 PCB 네트워크를 포함한다. 이러한 전원 공급 장치는 전방 장치와 후방 장치 사이에 마스터-슬레이브 구성으로 되어 있으며 ECR 모니터 패널에서 성능을 모니터링할 수 있고 제어판에는 비정상 판독값에 대한 알람이 있다.
2) 임프레스 전류 양극
임프레스 전류 양극은 일반적으로 티타늄과 같은 강한 불용성 재료로 구성되며 디스크 또는 스트라이프 모양일 수 있다. 일반적으로 2개 또는 4개의 유닛이 선박의 앞뒤에 대칭으로 배치된다.
양극은 외부 선체 플레이트와 완전히 같은 높이가 되도록 선체 표면의 더블러 플레이트에 용접된다. 이 양극 소재는 선체에 전자를 공급하는 역할만 하며 보호 전류를 공급하는 데 소비되지 않는다.
3) 아연 기준 셀
전기 전위는 선체와 해수 사이의 미세한 부식 전류를 감지하기 위해 가능한 가장 낮은 전위가 발생할 가능성이 있는 양극 사이에 좌현과 우현에 장착된 기준 전극 어셈블리에 의해 모니터링되며 이 수치는 제어 패널로 피드백되어 인상 전류 양극 출력을 자동으로 조정한다.
케이블 러그와 개스킷을 통해 연결되고 코퍼댐 본체를 통해 선체 표면에 볼트로 고정된다. 이 아연 기준 셀은 본질적으로 매우 안정적이며 시스템의 작은 전류 흐름과 함께 선체 및 해상 전위를 측정할 수 있는 안정된 기준을 제공한다. 이 전극은 다이버가 교체할 수 있도록 되어 있다.
4) 원격 모니터링 패널
엔진 제어실에는 원격 모니터링 패널이 제공되며, 이 패널에서 ICCP 파라미터를 매일 모니터링하고 기록한다. 선박이 접안할 때는 ICCP 전원이 꺼져 있는지 확인해야 한다. 그렇지 않으면 선박과 해안의 ICCP 시스템 전류가 서로 상호 작용하여 선체 페인트가 손상될 수 있기 때문이다. 선체 표면에 과도한 전류가 흐르면 페인트는 손상된다.
5) 러더 본딩 케이블
방향타가 ICCP를 통해 부식 방지 처리를 받을 수 있도록 하기 위해 유연한 고무 본딩 케이블을 사용하여 한쪽 끝은 방향타 스톡 상단에 부착하고 다른 쪽 끝은 케이블 러그 또는 아이 플레이트를 사용하여 선체 구조에 부착한다.
6) 프로펠러 샤프트 접지 어셈블리(샤프트 선체 mv 전압계 포함)
ICCP가 장착된 선박에서도 프로펠러 샤프트 베어링은 스파크 침식으로 인한 부식에 취약하다. 이는 회전하는 프로펠러 샤프트가 베어링의 윤활 유막과 테일 샤프트의 비금속 베어링 사용으로 인해 선체와 전기적으로 절연되어 있기 때문이다. 이러한 절연으로 인해 샤프트와 선체 사이에 전위가 발생하여 베어링에 과전류가 흐를 수 있다.
또한 메인 베어링과 스러스트 베어링에도 과전류가 흐르게 되어 주 엔진 손상을 유발하는 핏팅 자국이 생길 수 있다.
이 문제는 슬립 링과 접촉 브러시 어셈블리를 사용하여 프로펠러 샤프트를 선체에 접지함으로써 제거할 수 있다.
샤프트 접지 어셈블리는 브러시 홀더에 장착된 한 쌍의 고은 함량/흑연 복합 브러시로 구성되며, 고체 은합금 금속 밴드 인레이 트랙이 있는 구리 슬립 링에서 작동한다다.
은 합금 접지 어셈블리는 뛰어난 전기적 연속성을 제공한다.
은 합금 샤프트 슬립 링은 클램핑 배열과 함께 2 개의 반쪽 세트로 제공되어 쉽게 설치할 수 있다.
샤프트와 선체 사이의 전위를 모니터링하고 시스템의 효율성을 확인하기 위해 소형 밀리볼트 미터가 설치되어 있다. 이 미터는 승무원이 모니터링하기 편리한 위치에 있다.
50mV 미만의 수치는 양호한 것으로 간주된다.
담수 통로
선박이 바닷물에서 담수로 이동하면 전기 전도도가 감소하고 저항이 증가한다. 전도도가 감소하기 때문에 기준 셀은 전위차를 감지할 수 없다. 이때 충격 전류 양극의 출력 보호 전류를 제한하는 것이 중요하다.
담수 통과 중에는 ICCP의 전원 공급 장치에 있는 자동 제어 장치가 정류 전압을 최대로 높여 충격 전류를 제한하고 과보호를 방지하여 선체를 보호한다.
ICCP는 매우 과소평가된 기계로 기관실에서 간과되는 경우가 많으며, 보통 드라이 도크에서 점검 및 검사를 받는다.
그러나 연료 소비를 줄이고 선체 저항 감소로 선박 속도를 높이며 선체 금속 품질을 장기간 유지하여 유지 보수 간격과 비용 효율성을 높이는 데 도움이 되기 때문에 대부분의 선주들이 선호한다.
Hull Corrosion And Impressed Current Cathodic Protection (ICCP) On Ships - Construction And Working
Impressed Current Cathodic Protection Systems (ICCP) on ships is a long-term solution to corrosion problems and regarded as a superior alternative to sacrificial anode systems. Find out about the construction and working on ICCP in the article inside.
www.marineinsight.com
MGPS - Anti-Fouling System
MGPS - Marine Growth Prevention System (tistory.com)
MGPS - Marine Growth Prevention System
MGPS 해양 성장 방지 시스템 해양 성장(Marine Growth) 란 무엇인가? 선박은 바닷물에 의존할 수밖에 없다. 바닷물 위에서 움직이고 바닷물을 이용해서 배의 부력을 조절하고 바닷물을 이용해 엔진과
pptech.tistory.com
'파파테크의 기술자료 > 파파테크의 선박시스템' 카테고리의 다른 글
| BOG 재액화 시스템 - LNG Carrier (0) | 2023.06.15 |
|---|---|
| Re-gasification system LNG 재가스화시스템 (0) | 2023.06.13 |
| GCU(Gas Combustion Unit) - 가스 연소 장치 (0) | 2023.06.13 |
| Snap-Back Zone : 스냅백 존 (0) | 2023.05.16 |
| MGPS - Marine Growth Prevention System (4) | 2023.04.29 |