2. 내부식성

접지는 전극과 대지라는 서로 성질이 전혀 다른 것과의 접속이며 전극은 대지의 단자 역할을 하고 일반적으로 금속재료가 이용되고 있으나 부식이 문제이다.
따라서, 부식문제는 접지관리 중에서 가장 중요한 것으로 재료 선정시에는 시공장소의 대지저항률, pH 등 물리 화학적 파악, 주위환경, 이를테면 철도의 선로등의 유무를 파악할 필요가 있다.
여기서는 부식에 관한 기초지식과 자연부식, 전식의 실태조사를 소개한다.

(1) 부식의 형태

부식을 분류하면 그림 2.44과 같이 습식과 건식으로 분류되고, 습식은 수분을 포함하는 부식으로, 전기화학적 반응으로 진행하기 때문에 전식(電蝕)과 자연부식(自然腐食)으로 분류한다.

건식은 수분이 없는 부식으로 습도가 높은 공기와 반응선 가스에 의한 것으로 화학적 반응으로 진행하는 것이다.
접지전극의 부식은 습식에 속하는 것으로 부식현태는 다음과 같이 5종류가 있다.

① 국부전지 부식(마이크로 셀 부식)

금속표면은 불순물, 산화물, 기타피막, 경정구조 등에 의해 매우 불균일하다.
즉, 전극전위는 동일 금속이라도 부분적으로는 전위차가 존재한다. 이 전위차에 의해 국부전지가 형성되고 부식이 진행된다.

② 농담전지(濃淡電池) 부식(마이크로 셀 부식)

동일금속이 다른 부분에서 액중의 염류농도나 용존 가스(O₂등)량이 다른 경우 금속표면에 양극부분을 형성하고 양극부분의 부식이 촉진된다. 가장 중요한 것은 공기가 통하는 차이에 기인하여 형성되는 산소 농담전지이다. 항상 동이부분이 양극으로 되어 부식하므로 공식(孔蝕)을 발생하기 쉽다.

③ 세균부식

매설 금속체의 부식은 토양 중에 있는 세균 때문에 현저히 촉진된다. 그중 대표적인 것은 유산염 환원 박테이라이고 산소농도 ph6~8의 점토질 토양 중에 가장 번식하기 쉬운 혐기성(嫌氣性)세균이다.

④이종금속(異種金屬) 접속 부식(갈바닉 부식)

이종금속이 결합하여 부식되는 것으로 고전위 금속과 저전위 금속이 접촉할 경우 후자가 부식을 받는다. 토양 중에서 이 부식이 많이 일어나는 사례로는 황동밸브와 직결된 철관, 동제 접지체와 연결된 철 구조물 등이 있다.

⑤전식

설매 금속체에 어떤 원인으로 외부에서 전류가 흘러 부식되는 것으로 도시의 지하와 같이 여러 종류의 매설물이 혼합되어 있을 때 전류가 저항이 작은 경로로 흐를 때 유출점에 전식 피해가 발생하는 경향이 있다.

그림 2.44 부식의 형태

(2) 금속의 자연전위열

수중 또는 토양 주의 금속부식은 전기 화학적 메카니즘으로 일어나는 금속 이온화 반응이다. 금속이 이온이 되어 용해 하려는 경향은 금속과 매질의 계면에 존재하는 전위차, 즉 전극전위로 나타낼 수 있으나, 전극전위의 절대값을 이론적으로 구하거나 직접 측정은 불가능 하다.

따라서, 미지전극의 전위는 어떤 표준전극과 조합한 전지의 기전력을 측정하여 구할 수 있는 데, 이 표준전극을 조합전극이라하고 전위가 안정된 전극이 이용된다. 이에는 포화 Calomel 전극과 포화 황산구리 전극 등이 있다.

포화 카로멘 조합전극으로 바닷물 중의 전위를 측정한 테이터가 표 2.14 에 나타나 있다. 이 표는 금속 및 합금이 주어전 환경에서 실제 나타난 전위, 즉 자연저극 전위를 높은 것에서 낮은 순으로 나열된 전위열이다. 이표를 보면, 부식하기 쉬운 금속을 알 수 있는데, 즉 자연 전위열에서 떨어진 위치의 2종류의 금속을 조합시키면, 낮은 금속이 양극이 되고 높은 금속이 음극이 된 전지를 형성하여 양극이 된 금속이 부식한다.

예를 들면 , 강제 탱크 근처의 동봉이나 동선의 접지전극이 있을 때 표와 같이 동이 강철보다 전위가 높으므로 강제(綱製) 탱크가 부식된다.

표 2.14 자연 전위열

(3) 자연부식

부식에 영향을 주는 인자는 토양 조성, 함수량, pH, 토양의 저항률 등이 있다. 함수량에 대해서는 일반적으로 이것이 증가하면 부식이 진행되지만, 토양이 수분으로 포화되면 산소의 확산이 제한되므로 부식발생은 어렵다. 부식발생이 가장 잘 일어나는 경우는 토양이 건습과 지하수의 변동으로 상태가 별할 때 이며 완전건조 상태에서는 부식은 발생하지 않는다.

pH는 pH4이하의 산성이 강한 토양에서 부식이 강하나 특수한 토양인 경우이고 일반적으로는 pH6~8의 범위에 있으므로 pH만으로는 부식성을 말할수 없다.

토양저항률은 부식의 주인자가 아니고, 전지부식과 이종금속접촉 부식의 2차적 인자이다. 다시 말하면, 부식상태의 회로를 흐르는 전류는 토양 저항률에 좌우되므로 저항률이 작으면 전류가 크게 되어 부식이 진행된다. 저항률은 토양의 함수량과 염류 농도에 영향을 받으며, 토양의 부식성과 대지저항률을 관계를 나타낸 NBS(National Baeau of Standards)테이터가 표 2.15와 같은데, 시료는 철강이다.

여러가지 전극재료를 사용하여 현장실험을 하였는데, 실험장소는 부식환경으로 가장 적합한 해안지역으로 실태조사 테이터를 소개해 본다. 그림 2.32와 같이 7종류의 전극재료를 사용하여 자연부식, 이종금속 접속(galvanic couple)부식시험을 하였다.

그림 2.45 접지전극재료의 현장 실험

표2.16실험전극재료의 조성(組成)

전극재료의 치수, 개수, 조성은 표 2.16과 같고, 실험장소(그림 2.45)는 해안쪽과 육지쪽의 2개 지역에서 하였는데 그 환경은 다음과 같다.

A지역 : 대부분이 모래이고, 대지저항률 p=12~87[Ω·m], pH 값=9.2~9.5, 바닷가에 군데군데 식물이 있고, 태풍 등에 바닷물이 침수하는 지역이다.

B지역 : 해안에서 30[m]정도의 육지쪽의 모래땅으로, 해안에서의 바람이 강할 때는 바닷물이 침수하는 지역이다. p=4~21[Ω·m], pH=8.0~8.8(거의 바닷물과 같다.)

약 1년간의 실태조사 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.

(1) 페리이트봉, 스테인레스 피복 알루미늄봉, 동피복강봉은 비교적 좋은 내식성이 있는 반면, 동도금강봉, 알루미늄봉은 심하게 부식되었다.

(2) 스테인레스는 대부분의 경우 작은 구멍 모양으로 부식되고 있었는데 이는 스테인레스표면이 부동태화(不動態化)하고 있음을 나타낸다.

(3) 알루미늄봉도 (2)와 같은 형태의 부식이었다.

(4) 동피복강봉은 비교적 안정된 산화막으로 보호되어 부식이 거의 없었다.

(5) 탄소피복강봉은 시료 중 가장 부식이 심했는데, 이는 철보다 전위적으로 높은 동을 도금함으로써 동이 청의 부식을 촉진하였기 때문이다. 따라서, 동보다 오히려 아연 등을 도금하는 편이 나을 것이다.

(6) 동도금강봉은 탄소는 전혀 부식이 없었고, 강은 심하게 부식되었다. 동을 도금함으로써 동이 철의 부식을 촉진하였기 때문이다. 따라서, 동보다 오히려 아연등을 도금하는 편이 나을 것이다.

(7)동도금 강판, 알루미늄봉은 부식성 환경이 다른 장소에서 pH(수소이온농도)보다 대지저항률의 영향이 강했다.

(8) 자연전위의 값은 스테인레스 피복 알루미늄봉이 가장 높고, 동피복강봉, 동도금강봉의 순이였다.

(9)스테인레스 피복 알루미늄봉에 대한 galvanic couple 부식시험에서는 동피복강봉, 동도금강봉, 탄소피복강봉은 모두 양극으로 되어 부식하고, 스테인레스에 의한 음극 지배형의 부식이였다.

(10)탄소 및 페라이트는 부식에 대해서는 강하나 기계적 강도면에서 난점이 있다.

(11) 동도금 강봉과 탄소피복강봉의 조합에 의한 galvanic 부식에서는 동, 철, 탄소가 공존한 상태이고 철이 가장 부식이 심하였다.

(12) 스테인레스 피복 알루미늄까지 진행되면 전위는 점차 감소하고 동피복강봉의 전위에서 극성은 여전하다.

(13) 동도금 강봉에서는 도금부분은 작은 구멍(pinhole)이 존재하므로 여기에 전해질을 포함한 수분이 포함되어 동과 철의 galvanic 부식을 일으키고 도금 내부의 철이 점점 부식되었다.

(4) 전 식

토양에서의 전지작용에 의한 자연부식은 어떤 정해진 전기회로를 형성하여 부식한다. 이에 대해 의도한 회로 이외의 곳을 흐르는 전류를 누설전류라 하며 전식이란 이 누설전류에 의해 부식하는 것을 말하며 직류부식과 교류부식이 있다. 교류부식은 상용주파수의 경우 직류부식의 1[%]정도이므로 전식이라면 직류부식이라 생각해도 된다.

자연부식은 금속표면이 전부 부식하는데, 전식에서는 국부적으로 부식하는특징이 있다. 현재, 전기철도는 직류방식이 있고 가공단선(架空單線)이므로 레일이 전류의 귀로로 사용되고 있는데, 레일과 대지사이는 절열이 불충분하여 대지에 누설된다. 따라서, 전철 레일에 접근하여 금속관이 매설되어 있는 경우 관에 구멍이 뚫리며, 접지전극에 대해서도 같은 전식이 우려된다.

직류부식은 부식량과 전기량 사이에 페러데이 법칙이 성립되고 다음의 2가지가 있다.

제 1법칙 : 전류의 통과에 의해 발생하는 반응물질의 양은 통과한 전기량에 비례한다.
제 2법칙 : 동일 전기량으로 전해되는 물질의 양은 화학당량에 비례한다.

이법칙은 전해질의 조성, 농도, 온도에 무관하여 성립하고, 전극에 일정전류 I가 t초간 흐르면 경우 전해량 W[g]은 다음 식으로 나타낸다.

W=K·I·t

여기서, K는 I·t=1 이다. 즉, 1쿨롬(Coulomb)의 전기량에서 전해되는 물질의양으로, 전기화학당량이라 하고, 단위는[g/A·s]이다. 전기 화학당량은 전해될 때의 금속이온가에 따라 변하는데 표2.17은 그 값이다. 이 표에는 1[mA]에 1년간 전기량에 의한 전해량도 나타내고 있다.

전식의 실내 시물레이션 실험방법과 결과를 소개한다.
통전전의 처리로서 실험재료를 가성소다 용액에 24시간 담구어 탈지한 후10분 정도 건조시켜 중량을 측정한다. 재료의 중앙6[cm]를 남기고 다른 부분은 모두 절연 테이프로 감는다. 2[I]용 비커(지름13[cm], 높이23[cm])에 약 2[%]농도의 황산구리 용액을 채우고 양극을 시험전극, 음극을 보조전극으로 하였다.

황산구리 용액은 순수한 물에 황산구리를 넣는다. 용액의 저항률은2[%] 농도에서 2.4×10²[Ω·cm]의 값에 거의 일정하게 되었고 시험전극으로 표 2.18의 3종류의 실험재료를 사용하고 보조전극에는 알루미늄(8×3×0.3[Cm])을 사용하셨다.

전원은 안정화 전원을 사용하였으나 통전전류가 불안정하므로 1시간마다 전류를 측정하여 통전 전기량을 구했는데 시험회로는 그림 2.46과 같다.

그림2.46 직류부식 실험회로

통전후 처리에서는 일정시간 경과 후 공시재료를 들어내어 화학처리를 하고 산화물을 제거하였으며 10분간 전조시켜 중량을 측정하였다.
실험결과 직류시험에서는 스테인레스 피복강봉의 부식량이 매우 적었으며 그 다음이 동피복강봉, 동도금강봉의 순이였다.
교류시험에서는 스테인레스 피복강봉이외는 부식되지 안았으며 스테인레스의 경우 부식중량은 직류시험의 약 12[%]정도였다.

통전전기량을 전극의 노출부분, 즉 통전부분의 표면적으로 나누어 단위 표면적당 통전전기량을 구하고, 이 값에서 실측감량을 나누어[A·h/cm₂]당 부식에 의한 감량을 구하여 그림 2.45에 표시하였다.
직류에의한 부식은 하였다.

그림2.47 직류부식 실험결과(치수[mm])(전극부식의 양상)

(1) 동피복강봉

부식중량은 표2.20과 같고, 통전전기량은 11.7[A·h]이다. 실측감량의 평균값은 13.40[g]이다. 이에 대한 이론적 검증을 하며, 전극의 노출부분 체적, 동피복의 두께 0.5[mm], 동의 밀도 8.92[g/cm²]을 고려하면, 통전부분의 동의 중량은 8.117[g]이다. 이것이 모두 부식되었을 때 필요한 전기량은 동의 부식당량을 1.185[g/A·h]로 하면 6.844[A·h]가 된다. 전체 통전 전기량이 11.7[A·h]이므로 나머지 4.856[A·h]로 내부의 강이 부식되었다면 강의 감량은 철의 부식당량을 1.042[g/A·h]로 계산할 때 5.059[g]이 되고. 전체감량은 8.117+5.059=13.176[g]이 되며, 이값이 이론 감량이다.
실측감량의 평균값과 비교하여 보면 잘 일치되고 있다.