동관 스프링클러 누수 사고에 CS-NR의 적용을 통한 부식억제 효과 고찰
A Study on Corrosion Inhibition Effects Based on CS-NR Application Results on Leakage Accidents of Sprinkler Copper Pipes
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Abstract
요 약
구리는 철보다 내식성이 우수하고, 전기 및 열전도성이 우수하여 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 그러나 스프링클러의 동배관은 산소농담전지와 내부에 이물질이 침전되어 공식 발생으로 인해 누수 사고가 자주 발생하였다. 이 연구에서는 부식억제제 CS-NR을 첨가하지 않은 3% NaCl 용액과 CS-NR의 첨가량(6 g, 8 g 및 10 g)을 달리한 3% NaCl 용액에 구리시편을 10일간 침지한 후, SEM과 EDS분석을 통해 시험편의 표면상태를 관찰하고, CS-NR의 첨가량에 따른 부식 방지 효과를 조사하였다.CS-NR을 첨가하지 않은 3% NaCl 용액에서는 구리 시편의 표면에 염소 이온에 의한 공식이 보였고, CS-NR이 첨가된 것은 첨가량에 상관 없이 공식이 관찰되지 않았다. 또한, CS-NR 8 g (8 × 103 ppm)첨가한 경우, 보호막을 형성하는 산소와 규소의 양이 CS-NR 6 g, 10 g에 비해 최적의 혼합 비율을 나타내었으며 내식성이 가장 우수한 것으로 나타났다.
Trans Abstract
ABSTRACT
Copper has better corrosion resistance than iron and good physical and chemical properties, including high electrical and heat conductivities. Therefore, it is widely used in various industrial applications. However, pitting corrosion occurs in the copper pipe of the sprinkler due to the oxygen concentration of the cell by the deposition of foreign substances on the inner side of the copper pipe, and leakage often occurs in the copper pipe due to the formation of shot holes. In this study, when a copper plate was submerged in a 3% NaCl solution for 10 days and the effects of the addition of CS-NR (6, 8, and 10 g) on corrosion protection were investigated by observing the surface conditions of the test specimen using scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis by map the SEM results. The surface of the test specimen immerged only in the 3% NaCl solution without the addition of CS-NR exhibited pitting corrosion due to chloride ions. However, with the addition of CS-NR, pitting corrosion was not observed at the surface, regardless of the amount of CS-NR added. Furthermore, the addition of 8 g (8 × 103 ppm) of CS-NR resulted in the best corrosion resistance against pitting corrosion because the amount of oxygen and silicon that formed the protective film revealed an optimal mixed ratio as compared with 6 and 10 g of CS-NR.
1. 서 론
동관배관 부식은 공기층(산소공급원), 표면이물질(염소잔여물, 탄소잔여물, 침전물), 수환경(pH, 경도 등)이 복합적으로 작용하여 발생하며. 이 중에 한 가지 조건이라도 결여되면 부식은 진행되지 않는다(1). 최근에 누수가 발생된 동배관과 누수가 발생 되지 않은 동배관을 조사하여 표면 분석 및 전기화학적 방법을 통해 동배관의 부식 원인이 보고 된 바 있다. 누수된 동배관과 누수되지 않은 동배관의 수질 비교를 통해 Cl-, SO42-, HCO3- 이 원소들이 공식에 영향을 미치는 것으로 나왔으며 누수된 동배관의 물이 누수되지 않은 동배관의 물보다 부식성이 강하다 하였다. 또한 이미지 관찰을 통해 세가지 뚜렷한 특징이 관찰되었는데 이는 축방향으로 정렬된 요철과 공기층, 침전물이다. 검출된 탄소잔여물은 보호산화막의 형성을 방해하여 공식을 유도하였으며, 공기층은 부식 반응 중 음극 반응에 필요한 산소원으로 작용하였다. 또한 배관의 공식이 발생하려면 추가조건이 필요하다. 침전물은 공기층이 있는 상태에서 산소농담전지를 형성하여 틈새부식을 유도하는 것으로 간주 되었다. 따라서 침전물, 탄소잔여물, 염소잔여물이라는 세가지 요인은 충분한 산소가 있는 상태에서 동배관 공식이 시작되는 주요 원인이 된다고 보고되었다.
동은 평형전위가 +0.337 V (Cu ↔ Cu2+ + 2e, E = +0.337 + 0.0295 log[Cu2+]) (NHE)로 철의 –0.44 V (Fe ↔ Fe2+ + 2e, E = -0.44 + 0.0295 log[Fe2+]) (NHE)보다 월등하게 높다. 따라서 철에 비해서 내식성이 좋은 금속으로 알려져 있으며 또한 공업용의 금속 중에서 귀 금속성을 가진 유일한 금속이며 전기전도율과 열전도율이 은(Ag) 다음으로 높아 전선으로 활용되며 다양한 종류의 동 합금으로 제조되어 산업 구조용으로 폭넓게 사용되고 있다. 그리고 전위-pH 도에 의하면 pH가 7에서 12영역에서는 부동태화되는 것으로 알려져 있다(2).
그러나 용존산소가 존재하는 수돗물(소화수)은 3~5 ppm 가량의 산소를 함유(3)하고 있어 이들 산소가 물과의 환원반응에 의해서 수산화이온이 되는 환원반응의 평형전위가 구리의 평형전위보다 높기 때문에 구리는 수돗물의 경우에도 수돗물에 산화피막을 파괴하는 산화제의 성분이 존재하면 부식이 발생할 수 있다. 그리고 구리판의 표면에 이물질이 국부적으로 접촉 시 산소 농담 전지 혹은 이종 금속 접촉부식 등에 의해 구리가 양극반응에 의한 산화반응으로 소 양극 대음극 형태의 국부부식이 발생하여 국부부식의 형태인 공식 발생으로 파공이 발생할 수 있다. 그리고 전술한 원인으로 아파트 스프링클러 동배관에서 공식 발생에 의한 파공으로 누수 사고가 빈번히 발생하였다.
아파트 업체에서는 전술한 누수 사고의 억제 대책으로 한국 부식방지 기술협회에서 개발한 부식억제제, CS-NR을 스프링클러 동배관에 투입하여 누수 발생 억제 효과가 발생하였으며 그 결과 현재에도 누수 사고가 발생하는 아파트에 부식억제제, CS-NR을 투입하는 공사를 계속하고 있는 실정에 있다. 본 연구에서는 CS-NR을 수돗물이 아닌 부식 환경이 가혹한 3% NaCl 용액에 첨가하여 CS-NR의 부식 억제 효과를 검증하고 또한 부식 억제 효과에 대한 고찰을 전기화학적인 이론을 바탕으로 표면 상태 관찰, SEM 관찰 및 EDS 분석 등 다양한 방법으로 고찰하였다. 그리고 CS-NR을 아파트 단지의 동배관에 2020년에 주입한 이후 이들 단지의 누수 발생 억제 효과에 대한 데이터도 함께 고찰하였다.
본 연구의 결과 부식억제제 CS-NR이 가혹한 부식 환경인 3% NaCl 용액에서의 방식효과 고찰 및 아파트 누수 발생 억제율에 대한 고찰은 향후 부식억제제 CS-NR의 폭 넓은 다양한 개소에 응용 사용할 수 있는 계기가 될 것이며 그리고 스프링클러 누수 사고를 미연에 방지할 수 있는 대안이 될 것으로 기대된다.
2. 본 론
2.1 시험편 제작, 시험액 조성 및 실험방법
2.1.1 시험편 제작
부식억제제 효과 실험을 위한 시험편의 구리성분과 규격은 Table 1과 같다. 그리고 두께 1 mm의 동 판재를 부식 억제 효과 실험을 위한 SEM, EDS 및 EPMA 측정용으로 30 mm × 30 mm 크기의 시험편을 제작하고 가장자리에 직경 3 mm의 구멍을 뚫었다(Figure 1). 그리고 이들의 시험편의 구멍에 전선을 삽입하고 끝부분을 고정하여 거치대에 매달았다.
2.1.2 시험액 조성
부식억제제(CS-NR)의 방식효과를 실험하기 위해 먼저 3% NaCl 용액 1 L를 조성하고 다음으로 3% NaCl 용액에 CS-NR를 6 g, 8 g 및 10 g을 첨가하여 4종류의 부식액 각 1 L를 조성하였다. Table 2는 부식액의 조성을 나타내고 있다.
2.2 실험 결과 및 고찰
2.2.1 구리의 부식에 대한 전기화학적 이론적 고찰
구리는 전술한 바와 같이 평형전위가 +0.337 V로 철의 평형전위 –0.44 V 보다 월등히 높다. 따라서 내식성이 철보다 우수하며 전기전도성과 열전도율도 은(Ag) 다음으로 높다. 특히 구리는 수소 발생 평형전위 0 V (H2 ↔ 2H+ + 2e, E = 0 – 0.0591 pH (NHE) 보다 높기 때문에 산성용액에서 수소를 발생하면서 부식되지 않는다. 그리고 중성 용액에서는 Figure 3의 Cu-H2O 전위 pH도와 구리의 부식도에서 알 수 있듯이 pH 7정도에서 약 pH 12영역까지 아래의 반응식에 의해서 산화 제1구리(Cu2O), 수산화 제2구리(Cu(OH)2) 및 산화 제2구리(CuO)의 산화막을 형성해서 부동태 영역에 들어가므로 부식되지 않는 것으로 평가되고 있다.
구리의 산화막 형성은 다음의 반응식과 같다.
1. Cu → Cu+ + e
2. 2Cu+ + H2O → Cu2O + 2H+ (산화 제1구리 산화막 형성)
3. Cu2O + 2H2O → Cu2+ + Cu(OH)2 +1/2O2 + 2H+
4. Cu2+ + H2O → CuO + 2H+ (산화 제2구리 산화막 형성)
5. CuO + H2O → HCuO2- + H+ (일시적으로 중성영역에서도 부식됨)
그러나 전술한 전위-pH도는 순수한 물을 전제로 한 경우 즉 물속에 염소이온 등의 산화제가 함유되어 있지 않은 경우에 해당된다. 즉, 부동태 산화막을 파괴하는 염소이온 등의 할로겐 이온이 존재하면 중성영역에서도 부동태는 파괴되고 구리는 부식하게 되며 전술한 전위-pH도의 중성영역에서의 부동태 상태는 Figure 3에서 알 수 있듯이 HCuO2-의 이온이 생성되면서 구리는 중성영역에서도 부식되나 이 이온의 용해도가 낮아 부동태를 유지하는 경우도 있다. 그러나 염소이온이 많이 존재하면 구리는 2가의 이온으로 되어 초기에 수산화 제2구리(Cu(OH)2)를 형성하나 수산화 제2구리는 용해도가 커서 용액 속으로 용해되어 결국 2가의 구리이온은 물 분자와 수화되어 착이온([Cu(H2O)4]2+)을 형성하게 된다. 그리고 중성부근에서 유체의 유속이 크게 되면 산화막은 파괴되어 소위 에로존 부식(erosion corrosion)이 발생하며 이 부식은 용존산소의 증가, pH의 저하 및 염소이온의 증가에 따라서 에로존 부식은 심하게 된다. 또한 산성 영역에서는 Cu2+로 부식되며 알카리 영역에서는 CuO2-의 이온으로 용출되면서 부식하게 된다(3).
통상 구리는 스테인리스강과 같이 표면에 산화막을 형성해서 중성 용액에서는 부식이 잘 안되는 것으로 알려져 있다. 그러나 스테인리스강처럼 표면에 강한 부동태 막을 형성해서 염소이온이 다량 존재하는 가혹한 부식 환경에서는 내식성을 유지하지는 않는다. 그리고 스테인리스강도 내식성은 구리보다 좋으나 국부부식 즉 입계부식 형태의 국부부식이 발생하므로 응력이 존재하는 환경하에서는 응력부식균열의 발생위험이 높으며 특히 오스테나이드계의 스테인리스강이 응력부식균열에 약한 것으로 평가되고 있다.
구리는 스테인리스강처럼 강한 산화막을 형성해서 스테인리스강과 같은 수준의 내식성을 가지고 있지는 않으며 일반적인 순수한 중성의 용액에서는 산화막(Cu2O, CuO)을 형성해서 내식성을 유지하나 염소이온 등이 존재하는 경우에는 중성영역에서도 전위-pH도를 따르지 않고 부식하게 된다. 그리고 순수한 중성 용액에서도 구리판의 표면에 이물질이 흡착하게 되면 이물질의 흡착부 아래와 그 주변부에는 산소농담전지가 형성되어 이물질 흡착부의 저부는 산소의 결핍에 의한 소 양극이 되어 양극반응으로 산화되고 2가의 구리이온이 용출하게 되어 공식형태의 국부부식이 지속적으로 발생하여 파공을 유도하게 된다(4).
2.2.2 CS-NR의 부식 억제 원리에 대한 이론적 고찰
부식 억제는 음극반응을 억제하는 음극반응 억제제와 양극반응을 억제하는 양극반응 억제제 및 양극과 음극을 동시에 억제하는 혼합 억제제가 있다(3). 음극반응 억제제는 석회, 다인산염 등이 있으며 양극반응 억제제는 정인산염, 아질산염, 크롬산염, 안식향산염 및 규산염 등이 있다. 그리고 혼합 억제제는 다인산염과 크롬산염을 혼합한 억제제가 있다.
부식억제제, CS-NR은 양극반응 억제제이며 규산염계 부식억제제로써 주성분은 규산나트륨(Na2SiO3)이다. 제조방법은 SiO2와 알칼리계 탄산염(Na2CO3, K2CO3)을 1,000~1,200 ℃에서 열 융합하면 가용성 규산염이 제조된다(5). 그리고 규산나트륨 부식억제제의 방식원리는 다음의 반응식으로 설명할 수 있다.
구리의 표면에 이물질의 흡착에 의한 산소농담 전지의 형성에 의해서 소 양극부에서 산화반응에 의해 식(1)과 같이 2가의 구리이온을 생성 공식 발생을 하게 되는 경우
부식억제제 CS-NR을 투입하면 즉 규산나트륨(Na2SiO3)을 중성의 용액에 첨가하면 규산나트륨은 식(2)와 같이 전리하게 되며 그리고 식(3)과 같이 물과 반응하여 용액은 알카리성이 된다.
또한 식(1)의 반응식에 의해 생성된 2가의 구리이온과 식(2)의 반응식의 전리에 의한 산화규소 음이온(SiO32-)및 물과 반응하여 다음과 같은 반응식을 유도하게 된다.
그리고 3% NaCl 용액에 녹아 있는 미량의 Ca2+ 및 Mg2+ 등의 양이온은 억제제의 음이온과 반응하여 응집하게 된다.
식(3)의 반응식에 의해서 용액은 알카리성을 나타내며 그리고 식(4)에 의해서 생성된 CuO⋅Si(OH)22+의 보호성의 단분자막(film)이 산화반응을 일으키는 양극부의 표면에 1차적으로 흡착하고 동시에 CuO⋅Si(OH)22+ 보호피막의 상부에 음극성의 단량체인 SiO32-가 2차로 흡착하게 된다. 음극성의 단량체인 SiO32-는 고 절연성의 음이온 막으로 치밀하게 표면에 2차로 흡착하여 양극부의 산화반응을 원천적으로 차단하는 보호피막의 역할을 하게 된다. 결국 동의 산소농담전지에 의한 공식형태의 국부부식이 발생하는 개소에 전술한 억제제의 보호피막이 흡착하여 국부부식을 완벽하게 억제하게 된다. 이것이 양극반응 부식억제제 CS-NR의 방식원리이다.
Figures 4와 5의 모식도는 부식억제제 CS-NR의 피막들이 구리의 표면에서 부식이 발생하는 양극부에 단계적으로 흡착하여 양극부의 산화반응을 억제하는 원리를 설명하고 있다.
2.2.3 CS-NR의 부식 억제 효과에 대한 실험실 결과 고찰
3% NaCl 용액에 부식억제제(CS-NR)를 첨가하여 조성한 4종류의 부식액에 동에 대한 부식억제제의 방식효과를 관찰하기 위해 Figure 2와 같이 동 시험편을 10일간 침지한 후 억제제를 첨가하지 않은 경우와 8 g을 첨가한 비이커의 모습을 Figure 6에 보여주고 있다. 사진에서 알 수 있듯이 부식억제제를 첨가하지 않은 3% NaCl 용액의 경우 침지되어 있는 시험편의 색상이 검은색으로 변색되어 있음을 알 수 있었으며 또한 부식억제제를 첨가한 용액의 시험편의 색상은 전혀 변하지 않았다. 그리고 부식억제제를 첨가하지 않은 용액의 색상만이 푸른 색상을 나타내었으며 억제제를 첨가한 6 g 및 10 g의 다른 용액의 색상도 8 g을 첨가한 용액의 색상과 마찬가지로 변하지 않았다.]

Variation image of 3% NaCl solution with and without inhibitor (CS-NR) in case of copper specimen was submerged for 10 days.
이것은 구리 시험편은 초기에 중성 용액에서 산화되어 구리이온이 용출(Cu → Cu+ + e)된 후에 물과 반응하여 산화 제1구리(Cu2O)로 변하고 산화 제1구리는 다시 물과 반응하여 산화반응(Cu → Cu2+ + 2e)에 의해서 2가의 구리이온이 되고 2가의 구리이온은 다시 물과 반응하여 산화 제2구리(CuO)로 변화되어 시험편 표면에 산화막으로 부착되어 부동태 상태를 유지하게 된다. 그런데 용액 중에 염소이온이 다량 존재하는 경우 염소이온이 구리 시험편의 표면의 산화막을 파괴하여 구리의 산화반응을 촉진하여 구리는 HCuO2-의 이온을 생성하기도 하고 용출된 구리 2가 이온이 물 분자와 반응하여 수화([Cu(H2O)4]2+)되어 착이온을 형성하고 착이온으로 인하여 용액의 색상이 푸른 빛을 띄는 것으로 생각된다(6,7).
그리고 부식억제제를 첨가한 경우는 전술한 CS-NR 억제제의 보호 피막이 동 시험편 표면에 흡착하여 염소이온에 의한 산화막의 파괴를 차단하여 구리의 산화반응 즉 부식반응을 차단하기 때문에 구리이온의 용출에 의한 수화된 착이온의 생성이 없으므로 용액의 색상은 푸른 빛을 나타내지 않는 것으로 생각된다. 그리고 억제제를 첨가한 용액의 색상이 흐리게 보이는 것은 CS-NR의 억제제가 용액 중에서 각종 미네랄이 함유된 소금물과의 반응에 의해서 알카리성으로 변하면서 SiO2 및 CaSiO3 등의 고형물이 생성되어 부유하고 있기 때문으로 생각된다.
Figure 7은 3% NaCl 용액에 부식억제제 CS-NR의 첨가량을 6 g, 8 g 및 10 g을 첨가한 용액에 침지한 시험편을 수거하여 시험편 색상을 관찰한 결과를 보여주고 있다.
Figure 7에서 알 수 있듯이 억제제가 첨가되지 않은 3% NaCl 용액에 침지된 시험편은 짙은 검은 색상을 나타내었으며 부식억제제가 첨가된 용액에서 수거한 동 시험편은 육안으로 보아 검은 색상을 띄는 모습은 관찰되지 않았으며 CS-NR 6 g을 첨가한 용액에 침지한 시험편은 옅은 검붉은 색상을 나타내었으며 억제제 8 g을 첨가한 용액에 침지한 시험편은 붉은 색상을 나타내었다. 그리고 10 g을 첨가한 용액의 시험편은 8 g의 용액 시험편보다 다소 옅은 붉은 색상을 나타내었다.
억제제를 첨가하지 않은 시험편의 색상이 검은 색상을 띄는 것은 염소이온의 피막 파괴에 의한 산화반응에 의한 부식반응으로 생성된 구리이온과 물과의 반응에 의해서 구리의 산화막이 생성되어 구리표면을 덮고 있기 때문으로 생각된다. 그러나 이 구리 산화막은 치밀하지 못하여 계속 구리이온의 용출과 산화막의 생성을 반복하는 것으로 생각된다. 그리고 부식억제제를 첨가한 용액에 침지한 시험편은 침지 초기부터 구리 시험편 표면에 CS-NR의 억제제에 의해 생성된 산화막 즉 CuO⋅Si(OH)3+의 보호성의 단분자막이 구리 시험편 표면에 1차적으로 흡착하고 그 위에 음극성의 단량체 즉 고절연성의 음이온막 SiO32-가 2차로 흡착하게 된다. 따라서 구리 표면을 치밀하게 보호하고 있는 이들의 보호 피막이 용액 속의 염소이온이 구리표면의 접근을 원천적으로 차단하고 있기 때문에 동 시험편 표면에서는 부식 반응에 의한 구리이온의 생성과 동 산화막의 생성이 처음부터 발생할 수 없기 때문에 동 시험편 표면은 원래의 붉은 색상을 그대로 유지하는 것으로 생각된다.
본 실험의 결과에서 CS-NR 부식억제제는 수돗물뿐만 아니라 소금물의 용액에서도 부식 억제 효과가 있는 것으로 판단 되었다.
Figure 8은 용액에 침지 전의 동 시험편의 표면 상태와 3% NaCl 용액에 부식억제제 첨가 유무 및 억제제 첨가량의 변수에 의한 시험편 표면을 SEM에 의한 관찰 결과를 보여 주고 있다. 용액에 침지 전의 시험편 표면는 비교적 평활한 표면상태를 보여주고 있음을 알 수 있고 억제제를 첨가하지 않은 3% NaCl 용액에 침지한 시험편의 표면에는 공식 형태의 국부부식이 다량 발견되고 있음을 알 수 있다. 그리고 억제제를 첨가한 시험편의 표면은 첨가량에 관계없이 모두 비슷한 형태의 양상을 보였으며 흰 바탕의 결정체와 검은 색상의 산화막이 표면을 덮고 있는 것을 알 수 있었다.

Variation of surface image in case of submerged for 10 days in solution with and without inhibitor (x200).
억제제를 첨가하지 않은 경우에는 전술한 바와 같이 염소이온에 의한 피막의 파괴로 인하여 표면에 검은 색상의 구리 산화막이 형성되어 나타나고 있으나 실제로 공식 형태의 국부부식이 다량 관찰되고 있는 것은 산화막이 치밀하지 못하며 산화막 저부에 공식이 발생되어 파공으로 이어져 결국 누수발생 사고가 야기되는 것으로 생각된다. 그리고 억제제를 첨가한 경우에는 전술한 CS-NR의 이론적 고찰에서 언급한 바와 같이 표면에는 보호성의 단분자막(CuO⋅Si(OH)22+)과 고 절연성 음이온막(SiO32-)이 보호피막으로 표면을 단계적으로 덮고 있으며 흰 결정체의 고형물(SiO2 등)등도 표면에 흡착하고 있는 것으로 생각된다. 그리고 Figure 5의 모식도에서도 알 수 있듯이 부식억제제가 공식영역에도 침투하여 보호피막을 형성하고 공식발생의 억제에 의한 파공 발생이 저지되어 누수 사고를 예방할 수 있는 것으로 생각된다.
Figure 9는 침지 전의 동 시험편에 대한 EDS 분석 결과를 보여주고 있다. EDS 분석 결과에서 구리가 98.8%, 산소가 1.0%의 함량비를 나타내었다. 침지 전의 구리표면에는 대부분이 구리이며 미량의 산소에 의한 산화막이 존재하는 것을 알 수 있다.
Figure 10은 3% NaCl 용액에 10일간 침지 후의 시험편에 대한 EDS 분석 결과이다. 분석 결과에서 알 수 있듯이 구리가 90.8% 산소가 7.5%의 함량비를 나타내었다. 3% NaCl 용액에서는 시험편이 부식되어 표면에 산화막을 형성해서 산소의 함량이 높은 것을 알 수 있다. 또한 Figure 8에서 알 수 있듯이 억제제를 첨가하지 않은 시험편 표면에는 공식형태의 국부부식이 다량 관찰되었으며 이것은 검은 색상의 산화막이 치밀하지 못함을 알 수 있다.
Figure 11은 3% NaCl 용액에 CS-NR 8 g을 첨가한 용액에 침지한 시험편에 대한 EDS 분석 결과를 보여주고 있다. 그리고 EDS 분석 결과에서 알 수 있듯이 구리의 함량이 24.1%이며 산소의 함량이 무려 37.8% 그리고 규소가 30.0%로 이들의 산소와 규소 함량이 구리의 함량을 능가하는 결과를 얻을 수 있었다. 이것은 CS-NR에 의해 생성된 보호피막의 주성분이 산소와 규소로 이루어진 즉 SiO32- 및(CuO⋅Si(OH)22+) 이며 이들 보호피막의 흡착에 기인하는 것으로 생각된다.

EDS analysis result of copper test specimen after submerged for 10 days in (3% NaCl + 8 g) solution.
Table 3은 3% NaCl용액에 CS-NR의 첨가 유무 및 억제제 첨가량을 변수로 했을 경우 이들 용액에 침지된 시험편의 세정 전과 후의 EDS 분석 결과에 의한 각종 성분비를 비교하여 나타내고 있다. Table 3에서 알 수 있듯이 용액에 침지 전의 시험편은 산소함량이 0.1%에 불과하며 3% NaCl 용액에 10일간 침지한 경우 세정 전의 표면에 부식으로 인한 검은 색상의 구리 산화막이 생성되어 있어 산소의 함량비가 7.5%로 높은 값을 나타내었다. 그리고 세정하여 산화막을 제거한 경우에는 산소의 함량이 1.5%로 용액에 침지 전의 1.0%에 근접한 값을 보였다. 그리고 CS-NR을 6 g 첨가한 경우에는 세정 전의 산소함량이 32.6% 규소함량이 26.4%, 8 g을 첨가한 경우에는 산소함량이 37.8%, 규소함량이 30.0%이며 10 g을 첨가한 경우에는 산소함량 및 규소함량이 각각 35.4%와 28.6%의 값을 나타내었다.

Comparison of Various Component of Protective Film Deposited on Test Specimen Surface by EDS Analysis Result in Case of both Solution with and without Inhibitor or Before and After Cleaning
이들의 값은 3% NaCl 용액에 비해서 월등히 높은 값임을 알 수 있으며 세정 후에도 산소 및 규소의 함량비가 다소 떨어졌으나 이들의 함량비는 3% NaCl 용액에 비해서는 월등히 높은 값을 보여주고 있음을 알 수 있다. 특히 8 g을 첨가한 경우가 세정 전⋅후에 관계없이 산소와 규소의 함량이 CS-NR의 첨가량 6 g과 10 g에 비해서 높은 값을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 이 이유는 전술한 바와 같이 CS-NR의 첨가에 의한 치밀한 보호 피막의 생성과 흡착 때문이며 그리고 세정 후에도 이들의 함량비가 높은 값을 보이는 것은 보호 피막이 염산의 세정액에도 용해되지 않는 강한 내식성을 가지고 있기 때문으로 생각된다.
Figure 12는 억제제의 첨가에 의한 보호 피막의 세정 전과 후의 산소량을 비교하여 나타내고 있다. 억제제를 첨가한 경우가 무첨가에 비해서 산소량이 현저하게 많음을 알 수 있으며 그리고 모든 용액에서 세정 전에 비해서 세정 후의 산소량이 다소 감소하였음을 알 수 있다. 특히 8 g의 억제제를 첨가한 경우가 산소 감소량이 다소 적었음을 알 수 있었다.

Comparison of Oxygen amount ratio on protective film with and without cleaning with parameter of inhibitor addition quantity.
Figure 13은 보호 피막의 세정 전과 후의 규소량을 비교하여 나타내고 있다. 규소량 역시 8 g의 억제제를 첨가한 경우가 감소량이 다른 시험편에 비해서 적었음을 알 수 있었다. 따라서 8 g의 CS-NR을 첨가했을 경우가 산소 및 규소량의 함량이 가장 많았으며 세정에 의한 감소량도 가장 적었다. 결국 3% NaCl 용액에 침지한 동에 대한 부식 억제를 위해 첨가해야 하는 CS-NR의 최적 농도는 8 g 즉 8 × 103 ppm 이라고 생각된다.

Comparison of Silicon amount ratio on protective film with and without cleaning with parameter of inhibitor addition quantity.
한편 스프링클러 동배관의 공식 억제를 위해 소방수에 첨가되는 CS-NR의 최적 첨가량은 6 g (6 × 103 ppm)임에 비추어 만약 3% NaCl의 용액과 같은 부식성이 심한 용액에 침지되어 있는 동관을 방식할 경우에는 염소이온의 영향이 없는 부식성이 적은 소방수에 비해서 억제제의 최적 첨가량도 증가해야 하는 것으로 생각된다.
2.3 CS-NR의 아파트 현장 적용 결과에 의한 부식 억제 효과 고찰
2.3.1 CS-NR 부식억제제 아파트 스프링클러 소방수 주입 방법
부식억제제 CS-NR을 스프링클러 동배관의 소방수에 주입하는 방법과 억제제의 농도는 다음과 같다.
(1) 억제제의 최적 농도는 6 × 103 ppm으로 하였다.
(2) 스프링클러 입상관의 소방수를 초기에 입상관의 압력 게이지를 확인한 후 드레인 밸브를 통하여 모두 천천히 배수한다.
(3) 배수 완료 후 CS-NR이 첨가된 억제액을 압력 펌프를 이용하여 드레인 밸브를 통하여 공급한다.
(4) 이때 각 층의 에어밴트 콕에서 부식액이 나오면 아래층에서 순서대로 잠그면서 억제액을 공급하고 마지막으로 최고층의 에어밴트 콕에서 억제액이 나오면 잠근 후 배수하기 전에 확인했던 압력게이지의 압력에 도달할 때까지 충수를 계속한다.
2.3.2 CS-NR 부식억제제 아파트 스프링클러 적용 실적
2018년 8월 10일 아산-Y 시범지역과 2020년 11월 20일 아산-Y 확대지구, 2020년 10월 23일 진주-P 5단지, 사천-Y 1단지, 수원-G 41단지, 인천-S 3 등의 단지에 부식억제제를 주입하였다.
2.3.3 적용 후 부식억제 효과 결과 고찰
2.3의 2.3.2항에서 억제제를 주입한 아파트의 누수 발생 감소 건수와 누수 발생 억제율에 대한 분석 결과를 Tables 4~9에 정리하였다. 위에서 주입한 5개 단지 아파트는 동관배관 부식방지를 위한 대체 공법의 실효성을 확인한 후 확대 적용한 것으로 몇 개월간 모니터링한 결과가 보고된 바 있다(8). 그 때의 효과성을 통해 2024년 현재까지 5개 단지에 대한 모니터링과 소송이 끝난 16개 단지 분양 아파트에 대한 확대 적용을 진행한 것이다.

Comparison of Inhibition Effect of CS-NR with and without Inhibitor Injection to Fire Water of Sprinkler Copper Pipe each Apartment (Asan-Y Demonstration Zone: 108)

Comparison of Inhibition Effect of CS-NR with and without Inhibitor Injection to Fire Water of Sprinkler Copper Pipe each Apartment (Asan-Y Expansiom Zone: 105~110)

Comparison of Inhibition Effect of CS-NR with and without Inhibitor Injection to Fire Water of Sprinkler Copper Pipe each Apartment (Jin Ju-P 5 Estate: 507~511)

Comparison of Inhibition Effect of CS-NR with and without Inhibitor Injection to Fire Water of Sprinkler Copper Pipe each Apartment (Sa Cheon-Y: 105~108)

Comparison of Inhibition Effect of CS-NR with and without Inhibitor Injection to Fire Water of Sprinkler Copper Pipe each Apartment (Suwon-G 41Estate: 01, 04, 05, 06, 07)

Comparison of Inhibition Effect of CS-NR with and without Inhibitor Injection to Fire Water of Sprinkler Copper Pipe each Apartment (In Cheon-S 3: 107~111)
Table 4는 아산-Y 시범단지에 대한 CS-NR 억제제의 주입 전후에 대한 누수 발생 건수와 누수 발생 억제율을 정리하여 보여 주고 있다. Table 4에서 알 수 있듯이 아산-Y 시범단지의 경우 2018년 8월 10일 억제제 주입 전까지 78건의 누수 발생이 있었으나 억제제 주입 이후 2024년까지 누수 발생은 한 건도 없었다. 그리고 Table 5의 아산-Y 확대 지구의 경우 2020년 11월 20일 억제제 주입 전까지 89건의 누수 발생이 있었으나 억제제 주입 이후 2024년까지 누수 발생은 한 건도 없음을 보여주고 있다. Table 6에서 알 수 있듯이 진주-P의 경우 스프링클러 동배관에 CS-NR을 주입하지 않은 2016년에서 2020년까지 누수 발생 건수가 77건이었으나 2020년 10월 23일 억제제를 주입한 이후 2021년에서 2024년까지 누수가 발생한 건수는 제로(0)의 결과를 얻었다. 한편 Table 7의 사천-Y의 경우에도 2016년에서 억제제를 주입하지 않은 2020년까지 모두 20건의 누수 발생이 있었으나 억제제 주입 이후 누수 발생 건수는 제로(0)이며 따라서 누수가 현재까지 발생하지 않고 있다.
Table 8은 수원-G 41단지의 부식억제제 CS-NR 주입 전과 주입 후의 누수 발생 건수를 년도 별로 비교하여 나타내고 있다. 수원-G 41단지의 경우 억제제를 주입하지 않은 2016년에서 2020년까지 누수 발생 건수는 34건이었으며 억제제 주입 후 2024년까지 발생 건수는 0건으로 누수가 발생하지 않고 있다. Table 9는 인천-S 3의 아파트 단지의 부식억제제 CS-NR 주입 전과 주입 후의 누수 발생 건수를 년도 별로 비교하여 나타내고 있다. 인천-S 3의 경우에도 억제제 주입 전까지 누수 발생 건수는 46건이었으나 억제제 주입 이후 누수 발생 건수는 0건으로 누수가 발생하지 않고 있다.
Table 10은 소송이 끝난 분양아파트 16개 단지에 대해서 2024년 4월 1일부터 9월 6일까지 억제제를 주입한 후 현재까지 누수가 발생하지 않고 있다. 즉, Tables 4에서 10까지의 결과에서 알 수 있듯이 부식억제제 CS-NR을 주입함으로써 누수가 발생하지 않고 있다는 것을 확인하였다.

Result of Inhibition Effect for Inhibitor (CS-NR) Injection to Distributed Apartment of 16 Number Estate on 2024 Year
Table 11은 입주 후 2024년 6월 30일까지 비슷한 시기 및 환경의 택지개발지구 내 공공 임대아파트 60개 단지에 대한 각 단지의 세대수와 소화동관배관 누수 건수 및 누수율을 정리하여 나타내고 있다. Table 11에서 알 수 있듯이 60개 단지 총 세대수는 62,363세대이고, 총 누수 건수는 4,641건으로 총 누수율 평균은 7.44% 였다. 그리고 이들 각 단지 또는 같은 단지 내 다른 공구의 누수율은 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. 예를 들면 대전-D 4단지는 14년동안 대전-D 1단지와 10단지에 비해 누수세대가 적고, 같은 단지인 1단지 내 3공구(6.17%)와 4공구(27.06%)는 3공구가 4공구에 비해 적은 누수율이 발생했다. 이는 같은 택지개발지구 내 또는 같은 지구 내에서 비슷한 환경, 비슷한 시기 일지라도 시공사에 따라 배관 내 청소, 수처리 등 시공방법 및 시공품질에 따라 부식인자인 공기층(산소공급원), 표면이물질(염소잔여물, 탄소잔여물, 침전물), 수환경(pH, 경도 등)를 시공 중 제거나 저감, 개선한 것으로 판단된다. 또한 공식이 어느 정도 진행된 상태의 동배관 일지라도 기존 소화수에서 CS-NR로의 대체는 부식인자 중 수환경을 개선하여 부식을 억제하는 효과적인 방법이다. 따라서 나머지 60개단지 주민들의 누수 사고로 인한 생활의 불편함을 해소하고 동시에 경제적인 낭비를 최소화하기 위해 부식억제제 주입공사를 지속적으로 수행해야 할 것으로 판단된다.

Present Condition (2024) of Leakage Ratio for Long–Term Public Rental Apaprtment of 60 Number Estate
그리고 Tables 4~9의 결과를 바탕으로 아파트 단지별 누수 발생 억제율을 알기 쉽게 Table 12와 Figure 14에 정리하여 나타내었다. Table 12와 Figure 14에서 알 수 있듯이 6개 아파트 단지에서 부식억제제의 주입에 의한 누수 발생 억제율은 100%로 집계되었다. 따라서 CS-NR의 부식억제제는 동배관의 공식 부위에 치밀한 보호막을 형성하여 파공 발생을 예방하여 결국 누수 발생을 억제하는 탁월한 효과를 나타내는 억제제임이 분명하다고 생각된다. 따라서 현시점에서 누수 발생을 억제하기 위한 최적의 방식법으로써 CS-NR의 적용이 최선의 대안이라고 판단된다.

Comparison of Inhibition Ratio for Leakage Occurrence after Injection of Inhibitor: CS-NR to Sprinkler Copper Pipe of each Apartment Estate
3. 결 론
지금까지 가혹한 부식환경의 3% NaCl 용액에 부식억제제 CS-NR의 첨가 유무와 첨가량을 변수로 한 이들의 용액에 동판을 10일간 침지한 후 표면상태 관찰, SEM, mapping 측정 및 EDS 분석 등을 고찰한 실험실 결과와 부식억제제 CS-NR을 실제 아파트 현장의 스프링클러 동배관의 소방수에 주입하여 누수 발생 억제 효과를 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
부식억제제를 첨가하지 않은 3% NaCl 용액에서는 염소이온에 의한 산화막의 파괴에 의해서 구리는 부식되어 표면에 검은 색상의 산화막을 형성하였으며 산화막의 하부면에는 공식형태의 국부부식이 발생하고 있었으며 장기간 노출될 경우에는 공식에 의한 파공이 발생할 수 있을 것으로 생각되었다. 그리고 용액 속으로 용출된 구리이온이 수화되어 용액이 푸른 색상을 띄는 현상을 관찰할 수 있었다.
부식억제제(CS-NR)의 첨가에 의해서 시험편의 표면은 억제제에 의해서 생성된 보호 피막이 치밀하게 도포되어 부동태 상태를 유지하고 구리의 부식을 원천적으로 차단하여 동 시험편의 색상은 침지 전과 동일한 붉은 색상을 나타내었다.
2021년도에 진행했던 5개 단지의 스프링클러 동관배관의 CS-NR의 실효성 확인에 따른 확대 적용뿐만 아니라 가혹한 부식 환경인 3% NaCl 용액에도 CS-NR의 첨가에 의해서 동에 대한 부식 억제 효과를 확인할 수 있었으며 본 실험의 결과 부식 억제의 최대 효과를 위한 CS-NR의 최적 농도는 8 g (8 × 103 ppm)이었음을 알 수 있었다.
같은 택지개발지구 내 단지들 또는 같은 지구 내 공구에서 비슷한 시기의 비슷한 환경임에도 시공사에 따라 배관 내 청소, 수처리, 시공방법 등의 시공품질에 따라 부식인자인 공기층(산소공급원), 표면이물질(염소잔여물, 탄소잔여물, 침전물), 수환경(pH, 경도 등)을 시공 중 제거나 저감, 개선한 것으로 판단된다. 또한 공식이 어느 정도 진행된 상태의 동관 배관 일지라도 기존 소화수에서 CS-NR로의 대체는 부식 인자 중 수환경을 개선하여 더 이상 부식이 진행되지 않게 하는 신뢰성 있는 방법이다.
실제 아파트 현장의 스프링클러 동배관에도 부식억제제 CS-NR을 주입한 결과 현재까지 파공으로 인한 누수가 발생하지 않고 있다.
따라서 현시점에서 아파트 단지 주민의 쾌적한 주거환경과 경제성을 감안하여 부식억제제 CS-NR의 적용이 누수 발생 억제 대안 중 하나로 판단된다.