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지하매설배관의 방식과 진단

이선엽코렐테크놀로지(주) 기술연구소

E-mail: syli@correltech.com

부식

• 부식 corrosion– Thermodynamically natural process– 양극: M → Mn+ + ne-

– 음극: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-

– 음극: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

• 부식의 4대 요인– 양극 (anode)– 음극 (cathodic)– 전자전도체 (금속)– 이온전도체 (전해질) (+) 폐쇄회로

• 전위– 철강의 자연전위 (토양中): -0.3V ~ -0.7V철강의 자연전위 ( 양中)

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COST OF CORROSION

$5.0 bil.

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Department of Transportation (DOT), USA, 2001$276 bil.

방식 防蝕; Corrosion Control

• 방식의 종류– 피복 coating & lining

TB

– 음극방식 (전기방식) CP– 양극방식 anodic protection– 부식억제제 corrosion inhibitor– 재료 선정 material selection

• 전기방식의 종류– 희생양극법: Mg, Al, Zn 등– 외부전원법: 정류기, 양극

Mg양극

배관

전류

정류기

+

-

교류전원

양극

전류

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플랜트 매설구조물의 CP

• 전기방식 대상– 매설 금속 구조물 (foundation, _

steel piling)– 지하배관: process pipes, FW,

CW, OW, etc.– 저장탱크 : 토양과 접한 탱크

바닥면 (tank bottom plate)

Anode mesh

sand 정류기

+

방식대상

철(Fe)의 전위-pH도 (Pourbaix Diagram)

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부식속도와 전위 – 피복강관

10-3

10-2

10-1

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

E, V/SCE

i, A

/cm

2

방식 기준 (예)

• NACE RP0169-2002• Shell DEP 30.10.73.31:

– Design of Cathodic Protection Systems for Onshore Buried Pipelines

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방식전위 측정

• 방식기준: 850mV s sat C /C SO electrode

Vvoltmeter

기준전극

– -850mV vs. sat. Cu/CuSO4 electrode– 100mV polarization

• 과방식기준: -5,000mV

• P/S전위의 측정– Pipe-to-Soil 전위 (관대지전위)– 기준전극: Sat. Cu/CuSO4 전극

Ag/AgCl 전극Test box(T/B)에서 측정

배관

TB

• Test box(T/B)에서 측정– 매 300m - 500m 마다 측정

전위측정 예 – 희생양극 구간

-700

-600

-500

-1200

-1100

-1000

-900

-800

700

CP criteria

TB 126.8mA

TB 2

TB 414.7mA

TB 511.4mA

TB 619.2mA

TB 734.3mA

TB 315.4mA

TB 80 mA

TB 925.2mA

P/S

pot

entia

l (m

V CS

E)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1500

-1400

-1300TB 255mA

P

Distance (km)

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Effect of Stray Current on Buried Pipelines

방식전위 정밀측정

• TB에서의 전위 측정– 대략적인 방식 상태 확인 가능– 국부적인 방식 상태는 확인 불가능국부적인 방식 상태는 확인 불가능

• Close Interval Potential Survey (CIPS)– 배관 직상부를 따라 일정 간격으로 관대지전위 측정 (5-25m)– 분극(off)전위 측정– 타시설 간섭 또는 접촉 여부 평가– 배관 방(부)식상태 종합진단

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CIPS 사례 (1)

CIPS 사례 (2)

2000

3000

stray current out

E)

-2000

-1000

0

1000

-soi

l Pot

entia

l (m

V/C

SE)

0 10 20 30 40 50 60-4000

-3000

2000

stray current inPipe

-to-

Distance (km)

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배관 피복손상 탐측

High ResistanceVoltmeter

Copper/Copper SulfateReference Electrodes VVReference Electrodes

Soil

Current to Defect

Pi li

Coating Defect

Potential Gradient

Pipeline

Coated Pipeline

배관 피복손상 탐측(Pulsed Direct Current Voltage Gradient Method)

• 피복손상부– 매설구조물 부식은 피복손상부에

서 발생함서 발생함– 기계적인 결함

• DCVG법에 의한 탐측– 방식전류가 피복손상부로 집중– 피복손상부 주변에 전위 구배 형성– 전위 구배 탐측

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토양 부식성 평가 Soil Resistivity

R = ρ L/AΔE = Iρ/2πS

• Wenner 4-Pin Resistivity Measurement

ΔE = Iρ/2πSWhere S is in cm,

R is resistance in ohms.

ρ corrosion risk(Ω cm)

< 3,000 highly corrosive

IE

3,000 ~ 7,000 corrosive7,000 ~ 20,000 moderate> 20,000 low

SSS

토양 부식성 평가 (예)1.E+06

1.E+03

1.E+04

1.E+05

Soil

Res

istiv

ity (Ω

.cm

)

corrosive

1.E+020 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Distance (km)

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CP Effectiveness (Pipeline Integrity) Assessment

Field Survey

Pipe locator/SCMPipe LocationTB23

TB34

T1

TB26TB27

TB30

TB28

TB29

TB31

TB32

TB33

TB35

TB25-1TB

25TB24

T2TB23-2

TB23-1

CP History

Rectifier/Test Point/Insulation FlangeInsulation Survey

Resistivity/Water Content/MIC etc.Soil Corrosivity

CIPS/DCVG

Steel CasingSpecial Region Exam

3433323130

292827

2625-125

24

23-2T223-1T1

23

-3000

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Distance from TB 23 (m)

Pot

enti

al (

VCSE

)

강관의 자연전위

D2-8

-0.75V

-0.85V

D2-9

Documentation

DC/AC Interference, etc.Special Region Exam.

Risk Assessment

Mitigation Action

Corrosion Occurs when…SOIL CORROSIVITY

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배관 건전성 관리External Corrosion Direct Assessment (ECDA)

사전 평가PRE-ASSESSMENT

간접 검사INDIRECT EXAM.

직접 검사DIRECT EXAM.

사후 평가POST ASSESSMENT

과거이력 조사

Risk Assessment

구간 (region) 구분

구간별 검사방법 선정CIPS/DCVG/비저항 기본

굴착 우선순위 선정

굴착 개수 선정

굴착 조사

IMMEDIATESCHEDULEDMONITORING

잔여 수명 계산

재평가 주기 결정

효율성 검증/수정

기록/문서화

기본적으로 NACE RP0502의 기준과 절차를 따르되,매설배관 실정에 따른 검사방법, 우선순위 결정 방법 등 수정

탐측 및 검사

단위검사의위험성 판정

SEVEREMODERATEMINOR

굴착 사

굴착결과 평가

ECDA (External Corrosion Direct Assessment)

• 기본적으로 방식 (CP) 시스템과 피복 품질에 대한 검사– 기존 방식진단기술의 활용– 독립적으로 적용된 각 기술의 체계화, 평가기준 확립 기법– 부식 진행지점의 포착 확률 높임

– 방식시스템 상태– 피복 품질– 토양 부식성 검사

• 부식 진행 확률이 높은 지점을 직접 굴착 조사

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배경 - 고압가스배관 안전기준 강화

• 미국 가스배관 건전성관리 법규 (Gas Transmission IM Rule), 49CFR192.923-931 (2003)– 가스배관의 건전성 평가를 위해서 10년 내에 HCA에 대한 정밀 검사를 실시해야 한다 (일부 위험배관은 5년

내)– 이후 매 7년마다 재검사이후 매 7년마다 재검사– 검사방법

• 외면부식 직접평가 (ECDA)• 압력 시험 (pressure testing)• 그 외의 동등이상의 검사방법 중 하나를 적용할 것, e.g., In-line inspection (MFL)

• ASME B31.8S Section 6.4• ASME B31.8S Appendix B2 & A3

• NACE RP0502 (Methodology for ECDA)Shall/Must– Shall/Must

– Should Statements

• 도시가스 사업법/도시가스 안전관리 통합 고시 (2003)– 사용압력 1MPa 이상인 본관/공급배관은 최초 완성검사/감리 후 15년 이상 경과하면 매 5년마다 정밀안전진

단을 받아야 한다.

1. 사전평가 - 전기방식 이력 점검

• 음극방식 이력 점검– 방식전위 측정 기록의 검토– 음극방식 시설물 변화 확인음극방식 시설물 변화 확인– 방식 설계의 적정성 검토

• 부식 사고 이력 점검• 필요한 자료

– 음극방식 설계 자료– 음극방식 시공 후 준공 자료– 방식전위 측정 자료

04-204-304-4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63

98-398-499-199-299-399-400-100-200-300-401-101-201-301-402-102-202-302-403-103-203-303-404-1

T/B NO.-2,500 --2,000 -2,000 --1,500 -1,500 --1,000 -1,000 --500 -500 -0

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1.사전 평가 – 검사구간 세분화

일반 토양 압입 구간 아스팔트 포장 구간 도강 구간

콘크리트 포장 구간 도로 중앙 간섭 의심 구간 강변 둔치

1차간접검사 2차간접검사 3차 간접검사 비고

일반토양 및 갓길 등 CIPS(주2) DCVG 비저항 기준전극과 토양의 직접 접촉 가능구간

아스팔트 (ASP) 포장도로

갓길/보도 인접 지역 CIS DCVG

매설직상부에서 측정이 곤란하되, 매설심도이하만큼의 거리를 배관수직방향으로 이동하여 측정이 가능한 경우 측정가능지점에서 검사 실시일반토양검사와 동일

도로폭 <50m, 교통량 적음 CIS DCVG 비저항

천공후 탐측 원칙(주6)

단, 포장부 전후구간의 검사결과가 정상이면도로인접 전후에서의 간접검사+중앙 1개소를 검사하되 도로 중앙검사는 현장여건을 고려하여 탄력적으로 실시한다.

도로폭 >50m, 교통량 많음 CIS PCM DCVG1. 교통여건을 고려, 40-50m 간격으로 천공후 CIS2. 전후 30m 정도구간에서 SCM실시3. 1, 2단계 이상구간 정밀 DCVG검사

콘크리트 포장도로 CIS DCVG 천공 또는 균열부위에 물을 뿌린 후 검사 실시(주4)(주5)(주6)

보행자 도로 CIS DCVG 보도블럭 틈새, 또는 균열부위에 물을 뿌린후 검사(주4)

하천 도강구간

탐측자 도보도강 가능구간 CIS DCVG 일반 토양과 동일

탐측자 도보도강 불가능구간

CIS DCVG 보트 등의 보조수단을 사용하여 강위에서 검사

또는

CIS PCM DCVG1. 접근 가능 지점까지 CIS 검사2. 도강부 전후 30m에 대하여 SCM 검사3. 이상발견시 DCVG 검사

특수 구간

Steel casing 구간 전위측정법 접촉지점확인법 GSD 2124

콘크리트 압입구간 (흄관) CIS DCVG 일반 토양과 동일

콘크리트 encasement CIS DCVG 일반 토양과 동일

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굴착우선순위 판정기준 (1)

1단계:DCVG + 토양비저항

DCVG*

Severe Moderate Minor NI

2단계:1단계 결과 + CIPS

1단계 결과

I* S* M* NI

토양비저항(Ω·cm)

< 3,000 I* S* S* M*

3,000 – 7,000 I* S* M* M*

7,000 –20,000 I* S* M* NI*

> 20,000 S* M* M* NI*

1단계 결과 + CIPS I* S* M* NI

CIPS Severe I S S M

Moderate I S M M

Minor I S M NI

NI S M M NI

* I: Immediate (즉각 보수), S: Scheduled (계획 보수), M: Monitoring (경상 감시)

굴착우선순위 판정기준 (2)

진단기법위험도

하 (minor) 중 (moderate) 상 (severe)

CIPS 기타 -0.75V < off전위 < -0.65V Off 전위 > -0.65V

토양비저항 > 10,000 Ω·cm 5,000 – 10,000 Ω·cm < 5,000 Ω·cm

CIPS 위험도 비저항 위험도 최종 손상부 위험도

상 상 I 등급

상 중 II 등급

상 하

III 등급중 상

중 중

중 하

IV 등급하 상

하 중

하 하 V 등급

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굴착검사 사례 1

굴착검사 사례 2

박리부위 기계적 손상 분말용착식 피복 박리

손상부 입구: pH>11박리부위: pH 6-7

손상부 입구는 부식 없음박리된 내부의 틈새에서 부식 발생박리깊이: 약 15cm 정도

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굴착검사 사례 3

방식 관리 강화의 중요성

방식전위가 낮아질 수록부식속도는 감소한다

방식전위가 낮아질 수록H는 증가하게 된다

피복 박리부위의 틈새 내부에는방식전류가 유입되지 못하여

CP가 양호하면 부식발생은 없음On/Off CPIS조사 (ECDA Step 2)와 굴착조사 (ECDA Step 3)를 통해서corrosion의 active/passive 여부를 알 수 있다..

부식속도는 감소한다. pH는 증가하게 된다. 방식전류가 유입되지 못하여방식이 어렵다.방식전류를 증가시키면 틈새 유입전류량이 증가한다.

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4. 사후평가

• 직접굴착검사결과를 바탕으로직접굴착검사결과를 바탕

– 배관 부식속도 결정• 배관두께 측정 결과로부터 계산• 또는, 적절한 방법 (LPR, ER법) 등을 사용하여 구함

– 매설배관 잔여수명 평가– 배관 수명 연장을 위한 방식개선안 도출 및 권고– 다음 번 ECDA 검사 시점 결정– 검사결과 기록 및 데이터베이스화 작업 등 실시

온라인 (분극) 전위 측정 및 운영시스템 구성

동기형 정류기

기준전극

무선데이터로거

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시스템 구성요소 [동기형 정류기]

SCR type SMPS type

• 동기형 전류 단속기 탑재-분극 전위 측정울 위한 방식전류의 단속(on/off) 가능• GPS 시간에 의한 정류기간의 동기화 – 10 msec 이내• 통신에 의한 방식전류 컨트롤 – 중앙 관리장치에서의 원격 조정가능

정류기 동기화

시스템 구성요소(무선통신을 이용한 테이터 로거)

• 무선망을 이용한 데이터전송- 분극전위, 방식전위측정 데이터• 준 실시간 관리 1일• 준 실시간 관리- 1일1~2회 전송

T/B 단말기 안테나•측정 범위 : -10V ~ 10V •측정 오차 : 0.2% •분해능 :1mV •정기 측정 :1일 2회 측정(주간 1분, 야간 1분)•상세측정 : 최대 7분(초당

T/B 단말기

상세측정 : 최대 7분(초당8회측정)•1일 1회 데이터 송신•전원 : 1차전지/수명 : 1년• 분극전위 측정 가능•채널 : 2채널

T/B 단말기

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원격감시/제어 프로그램

중앙제어 컴퓨터에서 배관의

설비 이력관리최근현황 요약정류기, 데이터로거 데이터 및 그래프 조회정류기 원격제어감시데이터로거 측정예약통신 현황월간 방식전위 현황 및 운영 보고서

중앙제어 컴퓨터에서 배관의효과적인 감시, 제어 가능

CASE HISTORIES

Corrosion under disbonded coating

Microbiologically influenced corrosion

Stray current corrosion of PE-coated pipeline