침식-부식(Erosion-Corrosion) 발생 위치와 두께감시(Thickness Monitoring) 방법
PSM 기계적 건전성(Mechanical Integrity) 관리에서 **침식-부식(Erosion-Corrosion)**은 일반부식과 다르게 특정 위치에서 매우 빠르게 두께가 감소할 수 있는 손상형태입니다.
단순히 부식성 유체가 금속을 손상시키는 것이 아니라, 유체의 높은 유속·난류·입자 충돌이 보호피막을 제거하고 그 부위에서 부식이 반복적으로 진행되는 현상으로 이해하면 쉽습니다.
따라서 침식-부식이 예상되는 배관에서는 일정한 간격으로 두께를 측정하기보다 **유동이 급격하게 변하는 위치와 실제 감육이 집중되는 위치를 중심으로 두께감시(Thickness Monitoring)**를 해야 합니다.
1. 침식-부식(Erosion-Corrosion)이란?
침식-부식은 다음 두 작용이 함께 발생하는 손상입니다.
| 구분 | 내용 |
|---|---|
| 침식(Erosion) | 유체·입자의 기계적 충돌로 표면이 마모 |
| 부식(Corrosion) | 화학·전기화학 반응으로 금속 손실 |
| 침식-부식 | 표면 보호막 제거와 부식이 반복되어 감육 가속 |
예를 들어 금속 표면에 부식생성물이 형성되어 일시적으로 부식을 억제하고 있다고 하겠습니다.
고속 유체가 이 표면을 계속 때리면 보호막이 제거됩니다.
그러면 새로운 금속표면이 노출되고 다시 부식됩니다.
보호막 형성 → 유체에 의한 제거 → 금속 노출 → 재부식
이 과정이 반복되면서 일반부식보다 빠른 국부감육이 발생할 수 있습니다.
2. 침식과 침식-부식은 구분해서 본다
두 현상은 비슷해 보이지만 발생원리가 완전히 같지는 않습니다.
| 구분 | 침식(Erosion) | 침식-부식(Erosion-Corrosion) |
|---|---|---|
| 주요 원인 | 기계적 마모 | 유동 + 부식반응 |
| 영향요인 | 유속·입자·충돌각도 | 유속·화학환경·재질 |
| 보호막 영향 | 상대적으로 적음 | 보호막 제거가 중요 |
| 손상형태 | 마모·깎임 | 국부감육·홈 형태 |
| 관리방법 | 유속·입자 관리 | 유속 + 부식환경 동시 관리 |
실제 현장에서는 두 현상이 동시에 나타나는 경우도 많기 때문에 손상기구를 단순히 이름 하나로 판단하지 않는 것이 좋습니다.
3. 유속이 높은 배관
침식-부식 가능성이 높은 대표적인 조건은 고유속 배관입니다.
유속이 증가하면 금속 표면에 작용하는 전단력과 충돌에너지가 커질 수 있습니다.
특히 다음 조건에서는 주의가 필요합니다.
- 생산량 증가
- 배관경 축소
- Pump Discharge
- Control Valve 후단
- 압력강하가 큰 구간
- 2상 유동
- 고체 입자가 포함된 유체
같은 유체를 취급하더라도 배관경이나 유량이 달라지면 침식-부식 위험도 달라질 수 있습니다.
4. 엘보(Elbow)
침식-부식이 자주 확인되는 대표적인 위치가 엘보입니다.
유체가 방향을 바꾸면서 벽면에 충돌하기 때문입니다.
| 검사위치 | 확인 이유 |
|---|---|
| 엘보 외측 | 유체 충돌 가능 |
| 엘보 내측 | 유동 분리·난류 가능 |
| 엘보 입구 | 유동조건 변화 |
| 엘보 출구 | 난류 지속 가능 |
특히 액적 또는 고체입자가 포함된 유체에서는 특정 방향에서 국부적인 감육이 매우 빠르게 진행될 수 있습니다.
따라서 엘보는 한 점만 측정하기보다 원주 방향으로 여러 지점을 측정하는 방식이 좋습니다.
5. 티(Tee)와 분기부
티와 분기부에서는 유체가 분리되거나 합류하면서 복잡한 유동이 만들어집니다.
| 위치 | 가능한 영향 |
|---|---|
| Tee 유입부 | 유체 충돌 |
| Branch 입구 | 유동 방향 급변 |
| 합류부 | 서로 다른 유속 혼합 |
| Tee 후단 | 난류 지속 |
| 막힌 Branch 주변 | 정체와 유동 변화 동시 존재 |
따라서 단순 직관부의 부식률을 Tee 구간에 그대로 적용하면 실제 감육속도를 과소평가할 수 있습니다.
6. 제어밸브(Control Valve) 후단
제어밸브 후단은 침식-부식 관리에서 중요하게 봐야 하는 위치입니다.
밸브를 통과하면서 압력이 급격히 낮아지고 유속이 증가하며 난류가 발생할 수 있습니다.
| 위치 | 검사 이유 |
|---|---|
| Valve 전단 | 기준 상태 |
| Valve Body | 내부 마모 가능 |
| Valve 직후 | 고유속·난류 |
| 후단 직관 | 손상 지속여부 |
| 후단 Elbow | 추가 충돌 가능 |
특히 제어밸브 직후 바로 엘보가 설치되어 있다면 침식이 더욱 집중될 수 있습니다.
7. 오리피스(Orifice)와 감압부
오리피스, 제한 오리피스(Restriction Orifice), 감압밸브 등은 단면적과 압력이 급격하게 변하는 위치입니다.
이러한 구간에서는 유속이 증가하고 난류가 발생합니다.
| 구간 | 가능한 손상 |
|---|---|
| Orifice 전단 | 기준 상태 |
| Orifice Plate 주변 | 국부 유속 증가 |
| 직후 배관 | 난류·침식 |
| 감압 후단 | 기화·2상 유동 가능 |
| 후단 Elbow | 충돌에 의한 감육 |
따라서 감압장치가 있는 배관은 장치 자체뿐 아니라 후단 일정 구간까지 검사범위로 포함하는 것이 좋습니다.
8. 배관 축소부(Reducer)
배관경이 작아지는 축소부에서는 동일 유량이라면 유속이 증가합니다.
반대로 확대부에서는 난류와 유동분리가 발생할 수 있습니다.
| 구간 | 주요 영향 |
|---|---|
| Reducer 전단 | 기준 유속 |
| Reducer 내부 | 유속 변화 |
| Reducer 후단 | 고유속 |
| Expander 후단 | 유동분리·난류 |
따라서 배관 직경이 변하는 위치는 TML 또는 CML 후보로 검토할 필요가 있습니다.
9. 펌프 토출배관
펌프 토출부는 상대적으로 높은 유속과 압력을 가질 수 있습니다.
특히 다음 조건에서는 침식-부식을 주의해야 합니다.
| 조건 | 위험 증가 요인 |
|---|---|
| Pump Discharge | 높은 유속 |
| Pump 바로 후단 Elbow | 방향 급변 |
| 최소유량 배관 | 지속적 고유속 가능 |
| Recirculation Line | 반복적인 고속 유동 |
| Slurry Pump | 고체입자 충돌 |
특히 최소유량 재순환배관은 배관경이 작으면서 높은 차압을 가지는 경우가 있어 일반 공정배관보다 감육속도가 빠를 수 있습니다.
10. 2상 유동(Two-Phase Flow)
기체와 액체가 동시에 흐르는 2상 유동에서는 침식-부식 위험이 증가할 수 있습니다.
기체 자체보다 액적이 벽면에 충돌하면서 손상이 집중될 수 있기 때문입니다.
| 위치 | 검사 이유 |
|---|---|
| Elbow | 액적 충돌 |
| Tee | 유동 재분배 |
| 수직→수평 전환부 | 유동형태 변화 |
| Separator 입구 | 고속 혼합유체 |
| 감압 후단 | 기액 혼합 발생 |
2상 유동에서는 유체가 배관 전체 단면에 균일하게 접촉하지 않기 때문에 원주방향 측정이 특히 중요합니다.
11. 고체입자가 포함된 배관
슬러리, 촉매입자, 모래, 부식생성물 등이 포함된 유체에서는 순수한 액체보다 침식 위험이 커질 수 있습니다.
대표적인 위치는 다음과 같습니다.
- Slurry Line
- Catalyst Transfer Line
- Coke Particle Line
- Sand 포함 배관
- Filter 전·후단
- Separator Inlet
고체입자가 있는 경우 재질과 유속뿐 아니라 입자 크기·농도·경도·충돌각도까지 손상속도에 영향을 줄 수 있습니다.
12. 플래싱(Flashing)과 캐비테이션(Cavitation) 구간
압력이 급격히 떨어지는 유체계통에서는 플래싱 또는 캐비테이션이 발생할 수 있습니다.
플래싱(Flashing)
액체 압력이 낮아지면서 일부가 지속적으로 증기로 변하는 현상입니다.
캐비테이션(Cavitation)
기포가 생성된 후 압력이 다시 올라가면서 붕괴되는 현상입니다.
| 현상 | 주요 손상 |
|---|---|
| Flashing | 고속 2상 유동에 의한 침식 |
| Cavitation | 기포 붕괴 충격에 의한 표면손상 |
제어밸브나 펌프 주변에서 금속표면이 거칠게 파이거나 벌집 형태로 손상된다면 이러한 현상도 함께 검토해야 합니다.
13. 두께측정지점(TML/CML) 선정
침식-부식 관리에서는 일정 거리마다 TML을 배치하는 방식보다 유동조건이 변하는 위치를 중심으로 선정하는 것이 좋습니다.
| 우선 선정위치 | 선정 이유 |
|---|---|
| Elbow | 유체 방향 변화 |
| Tee | 분기·합류 |
| Control Valve 후단 | 고유속·난류 |
| Orifice 후단 | 압력·속도 변화 |
| Reducer | 유속 증가 |
| Pump Discharge | 고유속 |
| 2상 유동부 | 액적 충돌 |
| Slurry Line | 입자 침식 |
| Separator Inlet | 고속 충돌 |
| 과거 감육 위치 | 재발 가능성 |
이러한 위치와 함께 일반 직관부에도 기준 TML을 두면 정상 부식률과 국부 침식률을 비교하기 쉽습니다.
14. 한 점이 아니라 여러 방향으로 측정
침식-부식은 원주 전체에서 균일하게 발생하지 않을 수 있습니다.
예를 들어 엘보를 다음과 같이 측정할 수 있습니다.
| 측정위치 | 두께 예시 |
|---|---|
| 12시 | 8.9 mm |
| 3시 | 8.5 mm |
| 6시 | 8.7 mm |
| 9시 | 6.8 mm |
평균값만 계산하면 약 8.2 mm이지만 한 방향에서는 6.8 mm까지 감육되어 있습니다.
따라서 침식이 의심되는 위치에서는 **최소측정두께(Minimum Measured Thickness)**를 중요하게 봐야 합니다.
15. 두께 지도화(Thickness Mapping)
특정 위치에서 비정상적인 감육이 발견되면 주변을 격자 형태로 추가 측정하여 **두께 지도화(Thickness Mapping)**를 수행하는 것이 좋습니다.
예를 들어 다음과 같습니다.
| 측정점 | 두께 |
|---|---|
| A1 | 8.5 mm |
| A2 | 8.0 mm |
| A3 | 7.2 mm |
| B1 | 8.3 mm |
| B2 | 6.4 mm |
| B3 | 6.8 mm |
| C1 | 8.6 mm |
| C2 | 7.8 mm |
| C3 | 7.4 mm |
이렇게 하면 단순히 최소값 하나만 확인하는 것이 아니라 감육이 어느 방향으로 얼마나 넓게 진행되고 있는지 확인할 수 있습니다.
16. 부식률(Corrosion Rate)은 위치별로 평가
침식-부식에서는 배관 전체의 평균 부식률보다 각 TML의 부식률 차이가 중요할 수 있습니다.
예를 들어,
| 위치 | 2022년 | 2026년 | 부식률 |
|---|---|---|---|
| 직관부 | 9.2 | 9.0 | 0.05 mm/year |
| Elbow | 9.1 | 7.9 | 0.30 mm/year |
| Valve 후단 | 9.0 | 7.4 | 0.40 mm/year |
전체 평균값을 사용하면 실제 위험위치를 놓칠 수 있습니다.
따라서 가장 빠르게 감육되고 있는 위치가 검사주기와 보수계획을 결정하는 기준이 될 수 있습니다.
17. 두께측정 결과가 갑자기 악화되면 원인을 확인
침식-부식률이 급격히 증가하면 단순히 검사주기만 줄이는 것보다 공정조건을 함께 확인해야 합니다.
| 확인항목 | 검토내용 |
|---|---|
| 생산량 | 최근 유량이 증가했는가? |
| 배관경 | 축소 또는 변경되었는가? |
| Valve | 운전 개도가 변경되었는가? |
| 압력 | 차압이 증가했는가? |
| 유체상태 | 2상 유동으로 변했는가? |
| 고체입자 | 농도가 증가했는가? |
| MOC | 최근 공정변경이 있었는가? |
| 운전이력 | 비정상운전이 반복되었는가? |
예를 들어 생산량 증대를 위해 유량을 30% 높인 이후 Elbow 감육속도가 급격히 증가했다면 두 현상은 연결해서 봐야 합니다.
18. 비파괴검사(NDE) 방법 선택
침식-부식은 손상범위와 접근성에 따라 여러 검사방법을 활용할 수 있습니다.
| 검사방법 | 적용목적 |
|---|---|
| 초음파 두께측정(UT) | 국부 두께 확인 |
| 두께 지도화 | 감육범위 확인 |
| 자동 초음파검사 | 넓은 면적 정밀검사 |
| 프로파일 방사선검사(Profile RT) | 배관 형상·감육 확인 |
| 유도초음파(Guided Wave) | 장거리 선별검사 |
| 육안검사 | 누출·외관 이상 확인 |
선별검사에서 이상이 발견되면 일반적으로 상세 UT와 두께 지도화로 최소두께와 손상범위를 확인하는 방식이 좋습니다.
19. 검사주기와 MOC 연결
침식-부식은 공정조건의 변화에 민감하기 때문에 검사계획을 MOC와 연결하는 것이 중요합니다.
| 변경사항 | 재검토 내용 |
|---|---|
| 생산량 증가 | 유속 변화 |
| Pump 변경 | 토출조건 변화 |
| Control Valve 변경 | 차압·유속 변화 |
| Orifice 변경 | 유동조건 변화 |
| 배관경 변경 | 유속 재평가 |
| 유체조성 변경 | 부식성 변화 |
| 고형물 농도 증가 | 침식 증가 |
| 공정온도 변경 | 부식반응 변화 |
MOC 이후에는 기존 TML 위치가 계속 적절한지와 검사주기를 변경해야 하는지까지 검토해야 합니다.
20. 정리
침식-부식(Erosion-Corrosion)은 배관 전체에서 균일하게 발생하기보다 유속과 유동형태가 급격하게 변화하는 위치에서 집중적으로 발생하는 경우가 많습니다.
| 발생 가능 위치 | 주요 원인 |
|---|---|
| Elbow | 유체 충돌·방향전환 |
| Tee | 분기·합류 |
| Control Valve 후단 | 높은 차압·난류 |
| Orifice 후단 | 유속 증가 |
| Reducer | 배관경 변화 |
| Pump Discharge | 고유속 |
| 2상 유동부 | 액적 충돌 |
| Slurry Line | 고체입자 |
| Separator Inlet | 고속 유체 충돌 |
| 과거 감육부 | 반복 손상 |
두께감시는 다음 순서로 관리할 수 있습니다.
| 단계 | 관리내용 |
|---|---|
| ① | P&ID와 운전조건 확인 |
| ② | 고유속·2상 유동·입자 포함 구간 확인 |
| ③ | 침식-부식 발생 예상위치 선정 |
| ④ | TML/CML 설정 |
| ⑤ | 여러 방향으로 초기 두께측정 |
| ⑥ | 동일 위치 반복 측정 |
| ⑦ | 위치별 부식률 계산 |
| ⑧ | 최소두께와 잔여수명 평가 |
| ⑨ | 비정상 감육 시 두께 지도화 |
| ⑩ | 주변 검사범위 확대 |
| ⑪ | 검사주기 조정 |
| ⑫ | 공정조건 및 MOC와 연결 |
| ⑬ | 필요 시 재질·배관형상 개선 |
여기서 가장 중요한 부분은 평균 부식률만으로 침식-부식을 관리하지 않는 것입니다.
직관부의 부식률이 0.05 mm/year로 낮더라도 제어밸브 후단이나 엘보 한 곳에서는 0.40 mm/year 이상의 빠른 감육이 발생할 수 있습니다.
따라서 PSM 기계적 건전성 관리에서는 유동이 어디에서 빨라지고, 방향이 바뀌며, 압력이 떨어지고, 입자가 충돌하는지를 먼저 파악한 뒤 그 위치를 중심으로 TML을 구성하는 방식이 침식-부식 관리에 효과적입니다.
Analyst
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