2.1.1 ERW 강관의 구상부식 발생 메커니즘

ERW 강관은 제조 과정에서 용접부와 열영향부(heat affected zone, HAZ)에 모재와 다른 미세조직이 형성될 수 있으며, 이러한 조직적 불균질성은 용접부와 모재부 사이의 국부 전기화학적 전위 차이를 유발할 수 있다. 이때 상대적으로 활성화된 용접부가 국부 양극(anode)으로 작용하면, 용접선(bond line)을 따라 선택적 부식이 집중되어 V자형 홈 형태의 구상부식(grooving corrosion)으로 진행될 수 있다(3,4,6).

또한 ERW 강관의 구상부식은 용접부 주변의 개재물, 황(S) 농축, 용접 입열 조건 및 수환경 인자의 복합 작용과 관련되는 것으로 보고되어 있다(3-5). 준비작동식 스프링클러 2차측 배관에서는 수압시험 후 배수 불완전, 국부 저점, 배관 처짐 또는 결로 등에 의해 하부 잔류수가 형성될 수 있으며, 이 경우 ERW bond line과 잔류수가 장시간 접촉하면서 산소 농도 차 및 염화물 이온 농축에 의한 용접부 선택부식이 촉진될 수 있다(7,8).

2.1.2 Pourbaix diagram 및 분극 분석을 이용한 해석

Pourbaix diagram은 전위(E)와 pH 조건에 따라 금속의 열역학적 안정 상태를 나타내는 도구로, 부식, 부동태 및 면역 영역을 구분하는 데 활용된다(9). 철–염소이온계 환경에서는 중성 내지 약알칼리 조건에서도 Cl⁻ 존재에 따라 부동태 피막이 불안정해지고 공식전위(Eb)가 낮아져 국부부식 개시 가능성이 증가할 수 있다(9-11).

전기화학적 분극 시험에서 부식전위(Ecorr)는 금속 표면의 상대적 활성도를, 부식 전류밀도(icorr)는 부식 반응의 속도론적 특성을 나타내며, Tafel 해석을 통해 산출되는 부식 속도는 금속 용해 반응의 정량적 지표로 활용될 수 있다(11,12).

2.2.1 분석 대상

분석 대상은 준비작동식 스프링클러 설비가 설치된 공동주택 지하주차장의 2차측 가지배관 3개 현장 사례이다. 대상 배관은 모두 배관용 탄소강관(KS D 3507) 계열의 ERW 용융아연도금 강관이며, 시공 후 약 4∼5년 이내에 용접부를 따라 누수가 발생한 사례이다. 본 연구는 별도의 가속부식 시험이 아니라, 실제 누수 발생 현장에서 채취된 손상 배관을 대상으로 한 사례 분석 연구이다. 각 사례의 개요는 Table 1과 같다.

Table 1

Summary of Pipe Samples Analyzed

2.2.2 외관⋅금속 조직⋅SEM–EDS 및 열역학적 해석 방법

각 사례별 시료는 누수 발생 배관에서 채취하였으며, 부식 생성물을 제거한 후 외관 상태와 누수 발생 위치를 육안 및 광학 관찰하였다. 금속 조직 분석을 위해 시료를 에폭시 마운팅, 연마 및 Nital 에칭한 후, 광학현미경을 이용하여 모재부, 용접부 및 열영향부의 미세조직과 구상부식의 진행 양상을 관찰하였다. 또한 SEM–EDS 분석을 통해 부식 생성물의 형상과 성분 분포를 확인하였다.

열역학적 해석은 기존 문헌 및 선행연구에서 보고된 소방배관 수질 조건을 철–염소이온계 pourbaix diagram에 적용하여 수행하였다. 다만 실제 배관 내 부식전위, 공식전위(Eb) 및 보호전위(Ep)는 직접 측정하지 않았으므로, 본 해석은 관찰 결과를 보완적으로 설명하기 위한 열역학적 검토로 한정하였다.

2.2.3 전기화학적 분극 분석 방법

전기화학적 분극 분석은 ERW 강관의 모재부(base metal, BM)와 용접부(weld zone, WZ) 간 부식 거동 차이를 정량적으로 비교하기 위해 수행하였다. 각 시편은 시험면만 노출되도록 마운팅한 후 동일 조건에서 개방회로전위(open circuit potential, OCP)를 안정화하였고, 이후 동전위 분극 시험을 통해 전위–전류밀도 거동을 측정하였다.

본 분석에서는 전해질 종류별 차이보다 모재부와 용접부의 상대적 부식 거동 차이에 초점을 두었으며, 분극곡선으로부터 부식전위(Ecorr), 부식 전류밀도(icorr) 및 부식 속도(corrosion rate)를 산출하였다. 구체적인 결과와 해석은 2.3.2절에서 제시하였다.

2.3.1 현장 사례 분석 결과

(1) 사례 Ⅰ (대구 OO타운 Apt. 지하주차장)

사례 Ⅰ은 배관용 탄소강관(KS D 3507) 25 A∼50 A 규격의 아연도금강관으로, 시공 후 약 4년 6개월이 경과한 시점에 불특정 다수 지점에서 누수가 발생하였다.

외관 분석 결과, 누수 발생 부위가 ERW 강관의 용접부 bond line 위치와 정확히 일치하였으며, 배관 하부 방향을 중심으로 수분이 잔존했던 영역에서 부식 손상이 집중적으로 확인되었다. Figure 1과 같이 부식 생성물 제거 후 내면 관찰 결과, 외면은 경미한 부식만 확인된 반면 내면에서는 용접선을 따라 직선형 홈(grooving) 형태의 구상부식이 뚜렷이 관찰되었다.

Figure 1

Grooving corrosion and longitudinal through-wall leakage developed along the ERW weld seam of a galvanized steel pipe.

Figure 2와 같이 금속 조직 분석 결과, 부식 발생부와 양호부 모두에서 모재부는 정상적인 페라이트–펄라이트 기반의 일반 조직을 유지하고 있었으며, 비정상적인 조직 변태나 재질 열화는 관찰되지 않았다.

Figure 2

Optical and metallographic micrographs showing sound and corroded base metal regions adjacent to the ERW weld in a sprinkler branch pipe.

반면 Figure 3에서는 용접부에서 bond line을 중심으로 열영향부(HAZ)를 포함한 영역에 걸쳐 V자형 형상의 전형적인 구상부식이 진행된 것이 명확히 관찰되었다. 양호부 용접부에서는 ERW 공정 특유의 급속 냉각 특성을 반영한 침상형(acicular) 미세조직이 확인된 반면, 부식 손상부의 용접조직에서는 미세조직적 불균일성과 이에 기인한 국부적인 전기화학적 이질성으로 인해 특정 영역이 선택적으로 침식된 양상이 나타났다.

Figure 3

Comparison of metallographic microstructures between sound and corroded weld regions showing V-shaped grooving corrosion along the ERW bond line.

SEM–EDS 분석 결과, Figure 4에 나타낸 바와 같이 Fe 및 O가 주성분으로 검출되어 Fe–O계 부식 생성물이 형성된 것으로 추정된다. 아울러 일부 부식 생성물 영역에서 Cl 성분이 함께 검출되었으며, 이는 정체수 조건에서 배관 내부에 잔존한 수분 내 Cl⁻ 이온이 국부적으로 농축되었을 가능성을 시사한다. 이러한 Cl⁻ 이온의 존재는 철–염화물 형성 및 가수분해 반응을 통해 국부적인 산성 환경을 유도하고, 부동태 피막의 안정성을 저하시켜 전기화학적 부식 반응을 지속적으로 가속시키는 역할을 수행하는 것으로 해석된다.

Figure 4

SEM images and EDS spectra of corrosion products formed on the corroded weld region (Case Ⅰ), indicating Fe–O-rich corrosion products and localized Cl enrichment.

(2) 사례 Ⅱ (청주 OOO Apt. 지하주차장)

사례 Ⅱ는 배관용 탄소강관(KS D 3507) 규격의 25 A∼65 A 용융아연도금 ERW 강관으로 구성된 소방배관으로, 지하주차장 5개소 중 2개소에서 시공 후 약 4∼5년이 경과한 시점에 총 5개 지점에서 누수가 발생하였다. 모든 누수 위치는 배관 하부 방향에서 확인되었다.

외관 분석 결과, Figure 5에 나타낸 바와 같이 누수 발생 부위는 모두 ERW 강관의 용접부 bond line 선상에 위치하였다. 배관을 절개하여 내부 상태를 관찰한 결과, 수분이 잔존하였던 배관 하부 영역을 중심으로 국부부식이 집중적으로 발생한 것이 확인되었다.

Figure 5

Grooving corrosion and leakage concentrated along the ERW weld region in the lower half of a cut pipe.

배관 상부 영역은 비교적 양호한 상태를 유지하고 있었던 반면, 하부 영역에서는 홈(grooving) 형태의 국부부식이 뚜렷하게 관찰되었다. 이러한 비대칭적인 부식 분포는 정체된 잔존 수분에 의해 국부적인 부식 환경이 형성된 것과 밀접한 관련이 있는 것으로 판단된다.

특히 ERW 강관의 용접부 bond line을 따라 부식이 선택적으로 진행된 점을 고려할 때, 용접부의 미세조직적 특성과 이에 따른 전기화학적 불균일성이 국부부식 취약성에 주요한 영향을 미친 것으로 해석된다.

Figure 6에 나타낸 바와 같이, 외관 관찰 결과 모재부와 용접부 모두에서 양호부와 손상부가 명확히 구분되었으며, 부식 손상은 주로 ERW 용접부 인근에 집중되어 분포하는 경향을 보였다. 반면 모재부의 상당 영역은 비교적 양호한 외관 상태를 유지하고 있었다.

Figure 6

Macroscopic view showing sound and corroded base metal and weld regions along the ERW bond line.

금속 조직 분석 결과 Figure 7과 같이 모재부 전반에서는 페라이트–펄라이트 기반의 정상적인 탄소강 조직이 관찰되었으며, 부식 손상 여부와 관계없이 비정상적인 조직 변태나 재질 열화 징후는 확인되지 않았다. 이는 관찰된 부식 손상이 모재 자체의 재료적 결함에 기인한 것이 아님을 시사한다.

Figure 7

Comparison of metallographic microstructures between sound and corroded regions in the base metal and weld region.

반면, 용접부에서는 bond line을 중심으로 열영향부(HAZ)를 포함한 영역에서 국부적인 V자형 구상부식이 명확히 관찰되었다. 양호부 용접조직에서는 ERW 공정 특유의 급속 냉각에 의해 형성된 침상형(acicular) 미세조직이 유지되고 있었으나, 부식 손상부의 용접조직에서는 이러한 미세조직이 국부적으로 침식되며 불균질한 조직 분포를 나타내었다.

이러한 결과는 ERW 용접 공정에 따른 열이력과 미세조직적 불균일성으로 인해 국부적인 전기화학적 이질성이 형성되고, 이로 인해 부식의 개시 및 진행이 선택적으로 촉진되었음을 의미한다. 즉, 본 연구에서 확인된 구상부식은 모재의 균일한 재질 열화가 아닌, 용접부 미세조직 특성과 국부 환경 조건이 복합적으로 작용한 국부부식 메커니즘에 의해 발생한 것으로 해석된다.

SEM–EDS 분석 결과, Figure 8에 나타낸 바와 같이 Fe–O계 부식 생성물이 형성된 것으로 추정된다. 이는 일반적인 철의 전기화학적 부식 반응으로 형성된 산화물이 주된 부식 생성물임을 의미한다.

Figure 8

SEM images and EDS spectra of corrosion products formed on the corroded weld region (Case Ⅱ), indicating Fe–O-rich corrosion products and localized Cl enrichment.

또한 모든 분석 영역에서 염소(Cl) 성분이 함께 검출되었으며, 이는 배관 내부에 잔존하였던 수분 내 Cl⁻ 이온이 국부적으로 농축된 결과로 판단된다. Cl⁻ 이온은 철과 반응하여 철–염화물 복합체를 형성한 후 가수분해 과정을 거쳐 다시 Cl⁻ 이온으로 재생되며, 이 과정이 반복됨으로써 부식 반응을 지속적으로 촉진하는 자기촉매적 부식 메커니즘을 유발하는 것으로 알려져 있다.

따라서 본 연구에서 확인된 SEM–EDS 분석 결과는 배관 내부에 잔존한 수분 내 농축된 Cl⁻ 이온이 부식의 개시뿐만 아니라 부식 진행 속도를 가속화하는 주요 인자로 작용하였을 가능성이 높음을 시사한다. 이러한 결과는 ERW 용접부 인근에서 관찰된 국부적인 구상부식의 발생 및 급속한 진행을 설명하는 중요한 미세 분석적 근거로 판단된다.

(3) 사례 Ⅲ (의정부 OOO Apt. 지하주차장)

사례 Ⅲ은 배관용 탄소강관(KS D 3507) 규격의 25 A 용융아연도금 ERW 강관으로, 시공 후 약 5년이 경과한 시점에 배관 하부로 시공된 용접부 위치에서 국부 관통 누수가 발생한 사례이다. 누수 발생 위치는 ERW 용접부 본드라인(bond line)과 일치하는 배관 하부에서 확인되었다.

시료 내부 상태를 관찰한 결과, Figure 9에 나타낸 바와 같이 배관 하부 영역에서는 부식 생성물이 잔존한 반면, 상부 영역은 상대적으로 청정한 표면 상태를 유지하고 있는 것이 확인되었다. 이러한 부식 분포 특성은 배관 내부에서 수분이 하부 영역에 국부적으로 잔존했음을 시사한다.

Figure 9

Leakage location and internal corrosion characteristics associated with residual moisture accumulation.

특히 배관 하부 내면에서는 국부적인 부식 흔적과 함께 부식 생성물이 집중적으로 관찰되었으며, 이는 정체된 수분에 의해 형성된 국부부식 환경이 일정 기간 유지되었음을 의미한다. 반면 상부 영역에서는 뚜렷한 부식 손상이 관찰되지 않아, 중력에 의해 수분이 하부로 집중되는 소방배관 운전 환경의 영향을 받은 것으로 판단된다.

이와 같은 내부 부식 분포는 용접부 인근에서 발생한 국부 관통 누수와 직접적인 연관성을 가지는 것으로 해석되며, 배관 하부에 형성된 국부부식 환경이 부식의 개시 및 진행을 촉진했을 가능성이 높은 것으로 판단된다.

금속 조직 분석 결과, 강관 용접부에서는 bond line을 중심으로 열영향부(HAZ)를 포함한 영역에서 V자형 형상의 국부적인 구상부식이 관찰되었다. 이러한 부식 형태는 ERW 용접 공정에서의 열이력에 따른 미세조직 변화와, 이에 수반된 국부적인 전기화학적 불균일성이 복합적으로 작용한 결과로 판단된다. 특히 부식이 집중된 영역에서는 심한 스케일 축적과 함께 다량의 부식 생성물이 확인되어, 국부적인 부식 환경이 장기간 유지되었음을 시사한다.

SEM–EDS 분석 결과, Figure 10에 나타낸 바와 같이 Fe 및 O가 주성분으로 검출되어 Fe–O계 부식 생성물이 형성된 것으로 추정된다. 사례 Ⅰ⋅Ⅱ와 동일하게 모든 분석 영역에서 염소(Cl) 성분이 검출되었다. 이는 정체수 내 Cl⁻ 이온의 국부 농축에 의한 자기촉매적 부식 메커니즘이 본 사례에서도 동일하게 작용하였음을 뒷받침한다.

Figure 10

Metallographic and SEM–EDS characterization of corrosion products formed at the ERW weld region.

(4) 사례 분석 종합

사례 Ⅰ~Ⅲ에 대한 종합 분석 결과, 모든 사례에서 누수는 공통적으로 ERW 강관의 용접부 bond line을 따라 배관 하부 영역에서 발생하였으며, 이는 소방배관의 조기 누수가 우연적 결함이 아닌 구조적⋅환경적 요인이 복합적으로 작용한 결과임을 시사한다. 외관 및 내부 관찰 결과, 배관 상부 영역은 비교적 양호한 상태를 유지한 반면, 하부 영역에서는 수분 잔존에 기인한 국부부식 환경이 형성되어 구상부식이 집중적으로 진행된 것이 확인되었다.

금속 조직 분석을 통해 모재부 전반에서는 페라이트–펄라이트 기반의 정상적인 조직이 유지되고 비정상적인 조직 변태나 재질 열화는 관찰되지 않은 반면, 용접부에서는 bond line을 중심으로 열영향부(HAZ)를 포함한 영역에서 V자형 형상의 전형적인 구상부식이 반복적으로 확인되었다. 이는 ERW 용접 공정에서의 열이력에 따른 미세조직적 불균일성과 이에 수반된 국부 전기화학적 이질성이 부식 개시 위치를 결정하는 주요 요인으로 작용했음을 의미한다.

SEM–EDS 분석 결과에서는 모든 사례에서 Fe 및 O가 주성분으로 검출되어 Fe–O계 부식 생성물이 형성된 것으로 추정되었으며 동시에 Cl 성분이 반복적으로 검출되었다. 이는 배관 내부에 잔존한 수분 내 Cl⁻ 이온이 국부적으로 농축되었음을 시사하며, Cl⁻ 이온에 의한 자기촉매적 부식 메커니즘이 부식의 개시뿐만 아니라 진행 속도를 가속화했을 가능성이 높음을 뒷받침한다.

이상의 결과를 종합하면, 소방배관에서 관찰된 구상부식은 재질 불량이나 단순한 균일부식이 아닌, 정체수⋅용존산소⋅Cl⁻ 공존 조건 하에서 ERW 용접부의 구조적 취약성이 결합되어 발생하는 국부부식 메커니즘에 기인한 것으로 판단된다. 특히 시공 후 4∼5년이라는 비교적 짧은 기간 내에 누수가 발생한 점은, 소방배관의 부식 관리가 단순한 사용 연수 기준이 아닌 설치 환경과 운용 조건을 고려한 선제적 점검 체계로 전환될 필요가 있음을 시사한다.

2.3.2 모재부와 용접부의 전기화학적 부식 속도 비교

Figures 11, 12는 모재부와 용접부 시편의 대표 동전위 분극 곡선을 비교한 것이다. 모재부는 상대적으로 낮은 전류밀도 영역에서 완만한 분극 거동을 보인 반면, 용접부는 더 음의 전위 영역에서 부식 반응이 개시되고 양극분극 영역에서 전류밀도 증가가 크게 나타났다. 이는 동일 시험 조건에서 ERW 용접부가 모재부보다 전기화학적으로 더 활성화된 부식 거동을 보임을 의미한다.

Figure 11

Potentiodynamic polarization curve of the base-metal specimen.

Figure 12

Potentiodynamic polarization curve of the ERW weld- zone specimen.

Table 2에 나타낸 바와 같이 용접부의 OCP와 Ecorr는 모두 모재부보다 더 음의 방향으로 이동하였다. 이는 ERW 용접부가 모재부에 비해 상대적으로 활성화된 전기화학적 상태에 있음을 보여준다. 그러나 본 연구에서 가장 중요한 지표는 부식 속도(corrosion rate)이다. 용접부의 부식 속도는 67.73 mpy로 모재부의 2.15 mpy보다 약 31.5배 높게 나타났으며, 이는 동일 조건에서 용접부의 금속 용해 반응이 모재부보다 현저히 빠르게 진행될 수 있음을 의미한다.

Table 2

Electrochemical Parameters of the Base Metal and ERW Weld Zone Obtained From Potentiodynamic Polarization Tests

이러한 결과는 ERW bond line에서 구상부식이 선택적으로 집중되는 현상을 설명하는 핵심 정량 근거이다. 전위값의 음의 방향 이동이 용접부의 상대적 활성도를 나타낸다면, 부식 속도(corrosion rate)의 증가는 실제 국부 감육이 빠르게 진행될 가능성을 직접적으로 보여준다. 따라서 용접부에서 확인된 높은 부식 속도는 현장 사례에서 반복적으로 관찰된 하부 bond line 중심의 V자형 구상부식 및 조기 관통 누수 양상을 실험적으로 뒷받침한다.

이 결과는 선행연구에서 보고된 ERW bond line의 선택부식 경향과도 일치한다. Rahman 등(6)은 bond line의 부식 속도가 모재부보다 높아 용접부 중심에 V자형 홈부식이 형성될 수 있음을 보고하였으며, Kim과 Lee(3)는 용접 입열 조건과 개재물 분포가 용접부 홈부식 민감도에 영향을 줄 수 있다고 설명하였다. 따라서 본 연구의 전기화학적 분석 결과는 ERW 용접부가 모재부보다 선택적으로 부식되기 쉽다는 기존 구상부식 연구와 정합적으로 해석될 수 있다(3,4,6).

다만 본 연구에서 산출한 부식 속도(corrosion rate)는 특정 전기화학 시험 조건에서 얻어진 상대 비교값이므로, 실제 배관의 장기 평균 부식 속도나 잔여수명을 직접 산정하는 값으로 해석하기에는 한계가 있다. 본 연구에서는 이를 절대 수명 예측값이 아니라, 모재부 대비 용접부의 선택적 부식 민감도가 현저히 크다는 점을 정량적으로 제시하는 지표로 활용하였다.

2.3.3 Pourbaix diagram 기반 부동태 피막 붕괴 해석

Figure 13은 pH 변화에 따른 철의 양극분극 거동과 철–염소이온계 pourbaix diagram에서의 부식역, 부동태역 및 공식발생역의 관계를 나타낸 것으로, 일반적인 부식전위–pH 해석과 양극분극 거동을 기반으로 구성하였다(13). Figure 13(a)와 같이 철은 pH 조건에 따라 활성 용해, 부동태 형성 및 공식 발생 거동을 보일 수 있으며, 중성 내지 약알칼리 조건에서는 부동태 피막에 의해 부식이 억제될 수 있다. 그러나 Cl⁻ 이온이 존재할 경우 부동태 피막이 국부적으로 불안정해지고, 공식전위(Eb)에 도달하면 피막 붕괴와 공식 개시가 발생할 수 있다.

Figure 13

Schematic illustration of anodic polarization behavior and passive film breakdown in the Fe–Cl⁻ Pourbaix diagram(13).

저자의 선행연구(1,14)에서 소방배관 내 소방용수의 pH는 6.7～8.44 범위로 보고되었으며, Figure 13(b)에 따르면 해당 조건은 명목상 부동태 영역과 인접한 범위로 해석된다. 그러나 실제 준비작동식 스프링클러 2차측 배관에서는 하부 잔류수, 용존산소, Cl⁻ 이온, 산소 농도 차 및 ERW 용접부의 미세조직 불균일성이 복합적으로 작용한다. 이 경우 국부 전위 상승 또는 공식전위의 음의 방향 이동에 의해 부동태 영역에서도 bond line 주변의 공식 개시가 가능하다.

또한 Figure 13(a)에 제시된 바와 같이, 일반적으로 보호전위(Ep)가 공식전위(Eb)보다 낮게 형성되는 경우에는 공식 개시 이후 전위가 낮아지더라도 공식 내부의 산성화 및 Cl⁻ 이온 농축으로 인해 재부동태화가 지연될 수 있으며, 이로 인해 분극 곡선상 히스테리시스 거동이 나타날 수 있다. 본 연구에서는 Eb와 Ep를 직접 정량 측정하지 않았으므로, 이러한 거동은 문헌 및 pourbaix diagram에 근거한 보완적 해석으로 한정된다. 다만 현장 시료에서 ERW bond line을 따라 국부 관통 누수와 V자형 구상부식이 반복적으로 확인되었고, SEM–EDS 분석에서 Cl 성분이 검출되었으며, 전기화학적 분극 시험에서 용접부가 모재부보다 높은 부식 속도를 나타낸 점을 고려하면, ERW 용접부에서 공식이 개시된 이후 국부적으로 지속 성장했을 가능성이 높은 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 관찰된 구상부식은 단순한 균일부식이 아니라, ERW 용접부의 전기화학적 활성화, Cl⁻에 의한 부동태 피막 불안정화, 산소 농도 차 및 하부 잔류수 조건이 복합적으로 작용하여 bond line을 따라 진행된 국부부식으로 해석된다.