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침식-부식(Erosion-Corrosion) 발생 위치와 두께감시(Thickness Monitoring) 방법

Analyst 읽는 시간 약 14분

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.

구분내용
침식(Erosion)유체·입자의 기계적 충돌로 표면이 마모
부식(Corrosion)화학·전기화학 반응으로 금속 손실
침식-부식표면 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.

구분침식(Erosion)침식-부식(Erosion-Corrosion)
주요 원인기계적 마모유동 + 부식반응
영향요인유속·입자·충돌각도유속·화학환경·재질
보호막 영향상대적으로 적음보호막 제거가 중요
손상형태마모·깎임국부감육·홈 형태
관리방법유속·입자 관리유속 + 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.

검사위치확인 이유
엘보 외측유체 충돌 가능
엘보 내측유동 분리·난류 가능
엘보 입구유동조건 변화
엘보 출구난류 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.

위치가능한 영향
Tee 유입부유체 충돌
Branch 입구유동 방향 급변
합류부서로 다른 유속 혼합
Tee 후단난류 지속
막힌 Branch 주변정체와 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.

위치검사 이유
Valve 전단기준 상태
Valve Body내부 마모 가능
Valve 직후고유속·난류
후단 직관손상 지속여부
후단 Elbow추가 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.

구간가능한 손상
Orifice 전단기준 상태
Orifice Plate 주변국부 유속 증가
직후 배관난류·침식
감압 후단기화·2상 유동 가능
후단 Elbow충돌에 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.

구간주요 영향
Reducer 전단기준 유속
Reducer 내부유속 변화
Reducer 후단고유속
Expander 후단유동분리·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.

조건위험 증가 요인
Pump Discharge높은 유속
Pump 바로 후단 Elbow방향 급변
최소유량 배관지속적 고유속 가능
Recirculation Line반복적인 고속 유동
Slurry Pump고체입자 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.

위치검사 이유
Elbow액적 충돌
Tee유동 재분배
수직→수평 전환부유동형태 변화
Separator 입구고속 혼합유체
감압 후단기액 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.

현상주요 손상
Flashing고속 2상 유동에 의한 침식
Cavitation기포 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 선정위치선정 이유
Elbow유체 방향 변화
Tee분기·합류
Control Valve 후단고유속·난류
Orifice 후단압력·속도 변화
Reducer유속 증가
Pump Discharge고유속
2상 유동부액적 충돌
Slurry Line입자 침식
Separator Inlet고속 충돌
과거 감육 위치재발 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.

측정위치두께 예시
12시8.9 mm
3시8.5 mm
6시8.7 mm
9시6.8 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.

측정점두께
A18.5 mm
A28.0 mm
A37.2 mm
B18.3 mm
B26.4 mm
B36.8 mm
C18.6 mm
C27.8 mm
C37.4 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,

위치2022년2026년부식률
직관부9.29.00.05 mm/year
Elbow9.17.90.30 mm/year
Valve 후단9.07.40.40 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.

확인항목검토내용
생산량최근 유량이 증가했는가?
배관경축소 또는 변경되었는가?
Valve운전 개도가 변경되었는가?
압력차압이 증가했는가?
유체상태2상 유동으로 변했는가?
고체입자농도가 증가했는가?
MOC최근 공정변경이 있었는가?
운전이력비정상운전이 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.

검사방법적용목적
초음파 두께측정(UT)국부 두께 확인
두께 지도화감육범위 확인
자동 초음파검사넓은 면적 정밀검사
프로파일 방사선검사(Profile RT)배관 형상·감육 확인
유도초음파(Guided Wave)장거리 선별검사
육안검사누출·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.

변경사항재검토 내용
생산량 증가유속 변화
Pump 변경토출조건 변화
Control Valve 변경차압·유속 변화
Orifice 변경유동조건 변화
배관경 변경유속 재평가
유체조성 변경부식성 변화
고형물 농도 증가침식 증가
공정온도 변경부식반응 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 위치주요 원인
Elbow유체 충돌·방향전환
Tee분기·합류
Control Valve 후단높은 차압·난류
Orifice 후단유속 증가
Reducer배관경 변화
Pump Discharge고유속
2상 유동부액적 충돌
Slurry Line고체입자
Separator Inlet고속 유체 충돌
과거 감육부반복 손상

두께감시는 다음 순서로 관리할 수 있습니다.

단계관리내용
P&ID와 운전조건 확인
고유속·2상 유동·입자 포함 구간 확인
침식-부식 발생 예상위치 선정
TML/CML 설정
여러 방향으로 초기 두께측정
동일 위치 반복 측정
위치별 부식률 계산
최소두께와 잔여수명 평가
비정상 감육 시 두께 지도화
주변 검사범위 확대
검사주기 조정
공정조건 및 MOC와 연결
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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