1. 서 론

LNG 운송 선박에 설치된 절탄기(economizer)는 주 보일러 (main bolier)에서 발생하는 배기가스, 즉 연소가스의 폐열을 활용하여 주 보일러 급수(feed water)를 가열하여 손실 열을 회수함으로써 연료 소모량을 줄이는 설비이다. 기존 문헌 (Basu and Debnath, 2014)에 따르면 일반적으로 배기가스 온도 가 22.2℃ 낮출 때 마다 열효율은 약 1 % 정도 향상되는 것 으로 보고되었다. 이는 보일러에서 동일한 양의 증기를 생 성하는데 필요한 연료가 상대적으로 절감되어 탄소 배출량 역시 낮출 수 있음을 의미한다. 결국 선박에 설치된 절탄기 의 적절한 운용은 에너지 절약 및 환경 오염물질 배출을 감 소시키는데 긍정적 효과를 기대할 수 있다. 그러나 절탄기 에서 배기가스 열 회수 시 이슬점(dew point) 이하에서 발생 하는 전열면의 부식현상으로 절탄기의 성능 감소와 수명단 축으로 인해 선박 운항에 크게 영향을 줄 수 있다(Moakhar et al., 2013;Ding et al., 2017). 절탄기 튜브는 내부 또는 외부로 부터 부식될 수 있으며, 내부부식은 주로 급수의 화학반응 에 의해 발생하고 외부부식은 연소 조건에 의해 주도된다. 선박 절탄기는 외부부식에 의한 것으로 알려져 있으며, HFO(Heavy Fuel Oil) 연료유에 함유된 황(sulfur) 또는 황화물 (sulfur compound)과 밀접하게 관련이 있는 것으로, 주요 원인 은 황산염에 의한 저온부식이다. 저온부식은 배기가스 온도 가 약 116-166℃의 이슬점까지 도달할 수 있는 절탄기 부근 에서 주로 발생하며, 배기가스 내에 존재하는 아황산(sulfur dioxide, SO₂), 산소 그리고 수분의 화학반응으로 인해 생성된 황산(H₂SO₄)에 의해 발생한다(Ganapathy, 1989). 다음 화학반 응은 황산의 생성 및 부식 과정을 나타낸 것으로, 연료유에 포함된 황은 연소 및 배기가스 배출 과정 중 무수황산(sulfur trioxide, SO₃)을 생성한 후 습기와 접촉하여 이슬점에 도달 하게 되면 황산이 형성되고 절탄기 튜브 표면과 반응하여 부식손상을 유발하게 된다(Perry and Green, 1997;Gong and Yang, 2011).

본 연구에서는 절탄기의 저온부식 문제를 해결하기 위해 아크 열용사 코팅기술을 도입하였다. 해당 기술은 2개의 전 도성 금속선재에 서로 다른 극성의 전기를 인가하여 아크 를 발생시키고, 이때 용융된 금속선재를 원하는 재료 표면 에 압축공기로 분사하여 코팅하는 방법이다. 다른 용사코팅 기술에 비해 적은 에너지를 소비하기 때문에 경제적이며, 현장 적용성이 우수하여 유지보수가 필요한 장비에 작업이 용이하므로 산업현장에서 널리 사용되고 있다(Malek et al., 2013;Lugscheider and Weber, 1990).

본 연구에서 LNG 운송선박의 절탄기 튜브가 저온부식에 의한 파손으로 선박 및 인명 피해 또는 운항 지연에 따른 경 제적 손실 등을 방지하기 위해 내식성 재료인 Inconel 625 용 사선재를 활용한 아크 열용사 코팅기술을 절탄기 튜브에 적 용하였다. 또한 TSC에 내재된 기공(pore) 및 틈(void)과 같은 코팅 결함을 보완하기 위해 실링처리를 실시하였다. 그리고 TSC와 TSC+Sealing에 대하여 내식성 개선효과를 확인하기 위해 다양한 전기화학적 실험을 진행하여 상호비교하였다.

2. 실험방법

시편은 실제 선박에서 사용되고 있는 신품 절탄기 튜브 를 활용하여 제작하였으며, 절탄기 튜브의 성분분석 결과를 Table 1에 제시하였다. 절탄기 튜브는 공장 생산 시 부식방 지를 위한 도장을 제거하고, 용사코팅 작업 시 시편과 코팅 층 사이의 부착력 향상을 위해 블라스팅 처리를 실시하여 표면 조도를 형성하였다. 블라스팅 처리된 절탄기 튜브에 대하여 직각 방향으로 용사코팅을 실시하였다. 용사코팅 작 업은 코팅 재료로 Inconel 625 선재를 공급하여 아크 열용사 코팅을 실시하였다. 또한 용사코팅된 절탄기 튜브에 대하여 기공 결함을 보완하기 위한 실링처리 작업을 실시하였다. 아크 열용사 코팅 및 실링처리는 용사코팅 전문업체인 대신 메탈라이징(주)에서 작업하였다. 모재(Substrate), 열용사 코팅 (Thermal Srpay Coating; TSC) 그리고 열용사 코팅+실링처리된 시편(TSC+Sealing)은 전기화학적 실험을 위해 튜브 핀(fin) 부 분을 가공 절단 후 초음파 세척하여 열풍 건조하였다. 용사 코팅 작업과정은 Fig. 1에 순차적으로 나타내었다. 전기화학 적 실험은 자체 제작한 홀더에 삽입하여 면적 0.32 cm²만 노 출시켜 0.5 wt% 황산 수용액에서 실시하였다. 전기화학적 실 험 셀은 Ag/AgCl 기준전극과 Pt mesh 대극으로 구성하였다. 자연전위 측정은 6시간 동안 실시하였으며, 양극분극 실험 은 개로전위 기준으로 -0.25에서 +2.0 V까지 1 mV/sec의 주사 속도로 분극시켰다. 양극분극 실험 전후 표면손상 정도를 확인하기 위해 주사전자현미경(SEM), 광학현미경 그리고 EDS 성분분석을 실시하였다. 또한 개로전위 기준 -0.25에서 +0.25 V까지의 분극구간에서 타펠분석을 실시하여 부식전류 밀도를 산출하여 내식성을 평가하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

Fig. 2는 TSC와 TSC+Sealing 시편의 횡단면을 광학현미경 으로 관찰한 것이다. Fig. 2 (a)의 TSC 시편은 약 100-150 ㎛ 정도의 두께로 적층 되었으며, TSC 층(layer)은 전형적인 용 사코팅의 적층 특성인 라멜라(lamellar) 구조가 확인되었다 (Davis, 2004). 또한 TSC 층 내부에는 다수의 기공(pore) 결함 이 관찰되었다. 이는 TSC 층 내부에 다수의 미용융 또는 반 용융 입자가 존재하고 그 주변으로 비교적 큰 기공들이 형 성되는 것이 주요인으로 알려져 있으며, 용사코팅 작업공정 특성상 나타나는 현상이다. 한편 Substrate와 TSC 사이에서는 부분적으로 틈(void) 결함이 관찰되는데 이는 블라스팅 작업 시 형성된 거친 표면 조도에 용사코팅 층이 치밀하게 적층 되지 못했기 때문이다. 이러한 기공 결함은 판상(splat) 간의 결합력(cohension)을, 그리고 틈 결함은 모재와 TSC 사이의 결합력(adhension)을 약화시키는 요인으로 작용하기 때문에 TSC의 내구성과 직접적으로 관련되므로 결함을 최소화하기 위한 공정개선 연구가 지속적으로 필요하다. 한편 Fig. 2 (b) 의 TSC+Sealing 시편은 실링 층의 두께가 약 30-80 ㎛ 정도로 형성되었으며, TSC 상부에 결함 없이 도포되었기 때문에 실 링 효과를 기대할 수 있다.

Fig. 3은 0.5 wt% 황산 수용액 내에서 Substrate, TSC 그리고 TSC+Sealing 시편에 대하여 자연전위를 측정한 그래프이다. 먼저 Substrate 시편은 실험시간 약 150분 경과 시부터 전위 가 전반적으로 안정되어 실험 종료시점에는 약 -0.55 V로 가 장 낮은 전위를 형성하였다. 다음으로 TSC 시편은 실험 초 기에 가장 낮은 전위를 형성하였으나 실험시간 경과에 따라 지속적으로 전위가 상승하여 실험시간 약 150분 경과 시부 터 안정된 전위를 나타냈으며, 실험 종료시점에는 약 -0.5 V 의 전위를 형성하였다. 마지막으로 TSC+Sealing 시편은 다른 시편과 달리 실험 초기부터 실험 종료시점까지 전반적으로 안정된 전위를 형성하였으며, 그 전위는 약 -0.48 V로 가장 높게 형성되었다. 상기 연구 결과를 분석해보면 Substrate 시 편이 가장 낮은 전위를 형성하는 것은 TSC 층이 Inconel 625 로 이루어져 있으며, 그 주성분이 Ni과 Cr으로 Substarate에 비해 귀한 전위를 나타내는 금속이기 때문이다. 한편 TSC 시편은 실험 초기에 안정된 전위를 형성하지 못하고 전위변 화가 발생하는 것은 Fig. 2에서와 같이 TSC 층에 존재하는 기공과 틈 결함을 통해 황산 수용액이 침투하여 화학적 반 응이 유도되기 때문에 나타난 현상으로 판단된다. 만약 황 산 수용액이 TSC에 내재된 결함을 통해 Substrate까지 침투 된다면 소양극-대음극 양상의 갈바닉 부식이 발생하게 되므 로 오히려 Substrate의 부식손상을 가속화시킬 수 있다(Park and Kim, 2016). 따라서 TSC 결함은 코팅 층 자체의 내구성 뿐 만 아니라 내식성에도 크게 영향을 미치므로 실링처리와 같 은 보완작업이 추가적으로 요구된다. 마지막으로 TSC+Sealing 시편은 실링처리에 의해 효과적으로 기공과 틈 결함이 차단 되었기 때문에 실험시간 동안 가장 높고 안정된 전위를 나 타낸 것으로 판단할 수 있다.

Fig. 4는 0.5 wt% 황산 수용액 내에서 Substrate, TSC 그리고 TSC+Sealing 시편에 대하여 양극분극 실험 결과를 나타낸 것이 다. Substrate은 전위가 상승함에 따라 지속적으로 전류밀도가 증가하는 활성화 반응이 나타났다. 반면 TSC와 TSC+Sealing은 전위가 상승함에 따라 활성화 영역(active region), 활성화-부 동태 전환 영역(active-passivation transition region), 부동태 영 역(passivation region) 그리고 부동태 통과 영역(transpassive region) 순으로 전류밀도 변화가 관찰되었다. 전위가 증가 함에도 불구하고 전류밀도가 작아지거나 정체되는 현상이 나타나는 부동태 영역은 해당 전위 범위가 크고 형성된 전 류밀도가 작을수록 내식성이 우수함을 의미한다. 따라서 Substrate에 비해 TSC와 TSC+Sealing의 내식성이 개선되었음 을 알 수 있으며, 특히 TSC+Sealing이 가장 우수한 내식성을 지닌 것으로 판단할 수 있다.

Fig. 5는 Substrate, TSC 그리고 TSC+Sealing 시편에 대하여 양극분극 실험 전후 표면을 주사전자현미경으로 관찰 및 해 당 영역의 EDS 성분분석 결과를 나타낸 것이다. Fig. 5 (a)-(b) 의 Substrate 표면은 실험 전 샌드페이퍼 연마 흔적이 관찰되 었고, 실험 후에는 부분적으로 부식반응이 진행되어 부식생 성물이 형성되었다. 그 결과 EDS 성분분석 시 산화반응에 따른 부식생성물 형성으로 실험 후 산소 함량이 증가한 것 으로 판단된다. Fig. 5 (c)-(d)의 TSC는 실험 후 부식 반응에 따른 표면 손상이나 부식생성물이 관찰되지 않았다. 반면 성분분석 결과에서는 산소 함량이 일부 증가한 것을 알 수 있다. 이는 앞선 Fig. 4의 양극분극 실험에서 관찰된 부동태 영역 생성과 관련이 있는 것으로 판단된다. 즉, Inconel 625의 주성분인 Cr과 Ni이 TSC 표면에 산화반응으로 부동태 피막 을 형성함으로써 부식 손상을 방지한 것으로 여겨진다 (Denpo and Ogawa, 1997). Fig. 5 (e)-(f)의 TSC+Sealing은 실링처 리 되어 TSC에 비해 표면 조도가 크게 작아졌으며, 실험 후 표면에서는 부식손상이 역시 관찰되지 않았다. 그러나 TSC 와 달리 성분분석 결과 산소 함량을 포함하여 대부분의 성 분이 거의 변하지 않았다. 이는 실링처리 효과로써 황산 수 용액과 TSC 층의 직접적인 접촉을 방지하는 장벽 역할의 결 과로 판단된다. 또한 양극분극 실험 후 일부 시편에서 S 성 분이 검출되었는데 이는 실험 용액인 황산 수용액에 의한 영향으로 판단된다. 결과적으로 양극분극 실험 후 표면 관 찰을 통해 Substrate를 제외한 TSC와 TSC+Sealing의 부식 손 상이 관찰되지 않아 우수한 내식성을 확인할 수 있었다.

Fig. 6은 Substrate, TSC 그리고 TSC+Sealing 시편에 대하여 동전위 분극곡선과 타펠분석 결과를 나타낸 것이다. 부식전 위(E_corr)는 일반적으로 귀한(noble) 전위를 형성할수록 내식성 이 우수함을 의미하며, 계측된 부식전위는 Substrate < TSC < TSC+Sealing으로 크게 형성되었으므로 TSC+Sealing의 내식성 이 우수할 것으로 판단할 수 있다. 한편 부식전류밀도(I_corr)는 해당 시편의 부식속도(corrosion rate)를 의미하므로 그 값이 작을수록 내식성이 우수하다. 따라서 산출된 부식전류밀도 의 크기가 TSC > Substrate > TSC+Sealing 순으로 작게 나타나 TSC+Sealing의 내식성이 가장 우수함을 알 수 있다. 결과적 으로 가장 큰 부식전위와 가장 작은 부식전류밀도를 나타 낸 TSC+Sealing의 내식성이 가장 우수한 것으로 판단할 수 있다.

4. 결 론

선박 절탄기 튜브 손상을 방지하기 위해 아크 열용사 코 팅기술을 활용하여 Inconel 625 코팅을 적용 후 황산 수용액 에서 다양한 전기화학적 실험을 실시하여 다음과 같이 결론 을 얻었다.