1. 서 론

선박에 설치된 절탄기는 보일러, 발전기 또는 주기관에서 운전 중 배출되는 약 200 - 350℃ 정도의 배기가스가 연돌을 통해 대기로 방출되기 전 폐열을 흡수하여 열효율을 향상시 킴으로써 연료유 절감 및 에너지 절약을 통해 환경오염을 경감시키는 중요 설비 중 하나이다(Jee and Cheo, 2019). 해당 설비는 튜브에 핀(fin)을 부착하여 구조적으로 배기가스와의 전열 면적을 증가시켜 폐열 회수율을 향상시키는 핀튜브(fin tube)로 제작된다. 그러나 선령이 증가함에 따라 절탄기 핀튜 브는 열화되어 열효율이 점차 감소하게 되고 최종적으로 절 탄기 튜브가 파열하는 단계까지 도달하게 되면 선박과 인명 의 안전을 위협하고 효율적인 선박 운항을 방해하는 결과를 초래할 수 있다. 절탄기 핀튜브의 주요 열화 원인은 저온부 식과 마모에 의한 것이며, 튜브보다는 핀에서 주도적으로 발생한다. 저온부식은 연료유에 포함된 황(S) 성분에 기인한 것으로 관련된 연구는 최근까지도 꾸준히 진행되고 있다 (Moakhar et al., 2013;Ding et al., 2017). 한편 마모의 주요 원 인은 회분(ash cutting), 응축수(drain cutting) 및 증기(steam cutting)가 있다. 회분에 의한 마모는 주로 연소 생성물에 포 함된 비산화 입자가 절탄기 핀튜브에 충돌하여 침식 손상을 유발한다. 증기에 의한 마모는 soot blower의 분사압력이 높 거나 핀튜브와의 거리가 가까운 경우 주로 발생한다. 이와 관련하여 응축수에 의한 마모는 soot blower 주변에서 증기의 응축으로 발생하기 쉬운 경향이 있다.

본 연구에서는 선령 증가에 따라 열화된 절탄기 핀튜브에 대하여 보수작업을 위해 용사재료 Inconel 625를 활용한 아 크 열용사 코팅 기술을 적용하였다. Inconel 625는 내식성, 마 찰 및 마모에 대한 저항성이 우수하여 용사재료로 산업 전 반에 걸쳐 광범위하게 적용되고 있다(Al-Fadhli et al., 2006;Bolelli et al., 2008;Walsha et al., 2009). 일반적으로 Inconel 625 의 용사코팅 방법은 고품질의 초고속 화염용사(High Velocity Oxy-Fuel; HVOF) 기술이 사용되나 본 연구에서는 복잡한 형 상의 절탄기 핀튜브에 대하여 현장 시공성과 경제성을 고려 하여 실질적으로 적용 가능한 아크 열용사 코팅(Thermal Srpay Coating; TSC) 기술을 적용하였다(Jandin et al., 2003).

선행 연구에서는 본 연구와 동일하게 제작된 시편에 대하 여 0.5 wt% 황산 수용액에서 다양한 전기화학적 실험을 통해 내식성을 상호 비교하였다. 그 결과, TSC와 열용사 코팅+실 링(TSC+Sealing) 처리한 경우 유효한 방식 성능이 확인되었 으며, 특히 TSC+Sealing은 TSC 내 기공(pore) 결함을 효과적 으로 차단함으로써 내식성이 크게 개선되었다(Park and Han, 2021). 그러나 마모에 의해 열화된 절탄기 핀튜브에 대한 연 구는 저온부식에 관한 연구에 비해 상대적으로 미미한 실 정이다. 따라서 본 연구에서는 Inconel 625 아크 열용사 코팅 된 절탄기 핀튜브에 대하여 마모 저항성을 평가하기 위해 고상입자 침식(Solid Particle Erosion; SPE) 실험을 실시한 후 표면 손상 관찰 및 무게 감소량 계측을 통해 내구성을 분석 하였다.

2. 실험방법

시편은 신품 절탄기 핀튜브에 아크 TSC 및 실링처리하여 제작하였으며, 절탄기 핀튜브의 성분분석 결과를 Table 1에 제시하였다. TSC 적용 시 절탄기 핀튜브는 공장 생산 과정 에서 적용된 부식방지용 도장을 제거한 후 코팅 층의 부착 력을 향상시키기 위해 블라스팅 처리하여 표면 조도를 형성 하였다. 블라스팅된 절탄기 핀튜브에 직각 방향으로 TSC를 실시하였다. TSC 작업은 코팅 재료로 Inconel 625 선재를 공 급하여 아크 TSC를 실시하였으며, 작업조건은 분사거리 약 30 cm, 분사공기 압력 7 kg/cm², 인가전류 100-200 A, 그리고 인가전압 25 - 35 V이다. 제작된 TSC 횡단면의 기공율 분석은 이미지 분석 프로그램(IMT isolution DT, Nextec)을 이용하여 3개소 이상 계측하여 그 평균값을 산출하였다. 또한 TSC 절 탄기 핀튜브에 대하여 기공 결함을 보완하기 위해 실링처리 를 적용하여 TSC+Sealing 시편을 제작하였다. TSC 및 실링처 리 작업은 용사코팅 전문업체인 대신메탈라이징(주)에서 실 시하였다. 한편 모재(Substrate)는 표면 손상 관찰을 용이하 게 하기 위해 블라스팅을 실시하지 않고 샌드페이퍼 #400 번까지 연마하여 준비하였다. 상기와 같이 제작된 Substrate, TSC 그리고 TSC+Sealing 시편은 SPE 실험을 위해 가공 절단 후 초음파 세척하여 열풍 건조하였다. SPE 실험은 ASTM G76-05(Standard Test Method for Conducting Erosion Tests by Solid Particle Impingement Using Gas Jets)를 참조하여 실시하 였다. SPE 실험 개략도는 Fig. 1에 제시하였으며, 상세 실험 조건은 Table 2에 정리하였다. 실험에 사용된 침식 고상입자 는 모서리를 가진(angular) Al₂O₃ 입자를 사용하였으며, 입자 의 SEM 이미지를 Fig. 2에 제시하였다. 실험시간은 최대 5분 까지 실시하였으며, 실험시간 경과에 따른 무게 감소량 및 표면 거칠기의 변화를 분석하였다. 무게 감소량은 실험 전 후 시편에 대하여 전자저울(ME204T, Mettler Toledo)를 사용 하여 10^-4 g 단위로 계측하고 산출하였다. 표면 거칠기는 3D 레이저 현미경(OLS5000, Olympus)을 활용하여 실험 전 후 표면을 분석하였다. 또한 EDS가 장착된 주자전자현미경 (SNE-4500M, SEC)을 활용하여 시편의 표면 손상 관찰 및 성 분분석을 실시하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

Fig. 3은 TSC+Sealing 시편의 횡단면을 광학현미경으로 관찰한 것이다. TSC 층의 두께는 약 300 ㎛이고, 분사된 Inconel 625 용융 입자가 순차적으로 적층되어 형성된 라멜 라(lamellar) 구조가 관찰되었다. Sealing 처리 전 TSC의 기공 률은 약 14 %로 계측되었다. 일반적으로 아크 TSC 층의 기 공률은 5 - 10 % 이내로 형성되며, TSC 내 기공 결함의 존재 는 내구성을 저하시키는 역할로 작용한다(Kim and Lee, 2011;Park and Kim, 2015). 본 연구에서 제작된 시편은 핀튜브의 복 잡한 형상에 기인하여 타 연구의 평탄한 단순 구조에 비해 TSC 기공율이 크게 형성되었다. 화살표로 표시된 TSC 층의 기공의 크기 및 분포는 TSC의 내식성뿐만 아니라 기계적 특 성에도 크게 영향을 주는 요인 중 하나이다. 따라서 열용사 공정 특성상 불가피하게 기공 결함을 포함하는 TSC는 기공 에 의해 입자 간 결합강도, 모재와의 접착강도 및 내마모성 등이 저하되므로 SPE에 대한 저항성에도 부정적인 요인으 로 작용할 것으로 판단할 수 있다. 이러한 기공 결함을 보완 하기 위한 Sealing 층은 TSC 표면에 약 50 ㎛의 두께로 형성 되었으며, 비교적 고르게 분포되어 TSC에 대하여 유효한 기 밀 효과를 나타낼 것으로 판단되나, SPE 특성은 Sealing 층 자체의 내구성과 직접적으로 연관되어 나타날 것으로 여겨 진다.

Fig. 4는 SPE 실험시간 경과에 따른 Substrate, TSC 그리고 TSC+Sealing 시편에 대하여 표면을 스캔한 이미지이다. 전 반적으로 실험시간이 경과함에 따라 원형의 표면 손상 범 위가 점진적으로 증가하는 경향을 나타냈다. 그리고 TSC와 TSC+Sealing은 Al₂O₃ 입자의 충돌로 인해 거친 표면이 점진 적으로 다져져 표면 거칠기가 다소 감소하는 경향이 확인 되었다. 그러나 SPE 손상으로 인한 Substrate의 표면 노출 여 부는 육안 관찰로 확인되지 않았다. 더욱 상세한 표면 손상 관찰을 위해 Fig. 5에 실험 전후에 대하여 주사전자현미경 을 활용하여 표면 촬영 사진을 제시하였다. SPE 실험 전 Substrate는 연마 흔적만 관찰되었고, TSC는 상대적으로 가장 거친 표면 형상이 관찰되었으며, TSC+Sealing은 Sealing 처리 에 의해 TSC에 비해 상대적으로 거칠기가 완화되어 나타났 다. SPE 실험 후에는 모서리를 가진 Al₂O₃ 입자의 충돌에 의 한 침식 손상이 명확하게 관찰되었다. 실험 후 저배율(×100) 에서 모든 시편은 실험 전의 표면 형상과 유사하게 나타났 다. 특히 TSC와 TSC+Sealing은 SPE에 의해 표면이 전반적으 로 매끄럽고 평탄하게 완화되었으며, 이는 Fig. 4의 표면 손 상 관찰 결과와 일치하였다. 한편 실험 후 고배율(×2000)에 서는 SPE가 집중된 중앙 부분에서 TSC와 TSC+Sealing가 모두 제거되어 Substrate가 노출되고 손상되었다. 따라서 SPE 실험 후 표면은 모두 Substrare와 같은 형태로 나타났으며, Substrare 는 연성(ductile) 재료로써 고상입자의 충돌로 인해 소성변형 (plastic deformation)과 flake가 관찰되었다. 한편 실험 후 TSC 와 TSC+Sealing의 Substrate의 노출 여부는 Table 3에 제시된 실험 전후 표면의 EDS 성분분석 결과를 통해 확인 가능하 다. Table 3에서 Substrate는 실험 전후 표면 성분이 거의 변화 가 없었다. 그러나 TSC는 실험 후 Fe 함량이 크게 증가한 반 면, 실험 전 Inconel 625의 주성분인 Cr, Ni, Mo 및 Nb 함량이 크게 감소했기 때문에 TSC 층의 상당 부분이 SPE에 의해 손 상되었음을 유추할 수 있다. 한편 TSC+Sealing은 실험 후 Fe 함량이 88.23 %이고 6 %의 O 함량을 고려한다면 Substrate가 대부분 표면에 노출되었음을 확인할 수 있다.

Fig. 6과 7은 SPE 실험시간 경과에 따른 표면 거칠기를 3D 레이져 현미경으로 분석한 결과이다. Substrate의 경우 실험 시간이 경과 할수록 표면 손상이 커져 표면 거칠기가 증가 하는 경향을 나타냈다. 반면 TSC와 TSC+Sealing은 Fig. 4와 5 에서와 같이 실험시간 경과에 따라 점진적으로 거친 표면이 평탄화되어 표면 거칠기가 작아지는 경향을 나타냈다. 특히 TSC+Sealing의 경우 표면 거칠기가 실험시간 2분까지 급격하 게 감소하는 경향을 나타냈으며, 이후 실험시간에는 표면 거칠기가 상대적으로 완만하게 감소하여 실험 종료 시점에 는 Substrate와 거의 유사한 표면 거칠기가 확인되었다. 이는 TSC+Sealing가 SPE 손상에 의해 Substrate가 노출되었기 때문으 로 앞선 Table 3의 성분분석 결과와 일치한다. 한편 TSC는 실 험시간 경과에 따라 표면 거칠기가 감소하는 경향이 관찰되었 으나 실험 종료 시점에 상대적으로 큰 표면 거칠기를 형성함 으로써 TSC 층이 완전히 제거되지 않았음을 확인할 수 있다.

Fig. 8은 SPE 실험 후 무게 감소량을 측정한 결과를 나타 낸 것이다. 실험시간 경과에 따른 Substrate의 무게 감소량이 TSC와 TSC+Sealing 대비 상대적으로 작게 나타나 Substrate의 내구성이 가장 우수하게 나타났다. Substrate 보다 내구성이 우수한 Inconel 625 용사 재료로 TSC 작업을 실시했음에도 불구하고 내구성이 상대적으로 작게 나타난 것은 Fig. 3에서 와 같이 TSC 작업공정에서 생성된 기공 결함의 부정적 영향 이 크게 작용한 것으로 판단된다. 더불어 Table 3의 EDS 분 석 결과, SPE 실험 전 TSC와 TSC+Sealing의 산소 함유량이 각각 18.38%와 64.41%으로 계측되어 용사코팅 작업 과정 중 다량의 산화물이 생성되었음을 알 수 있다. 이와 같이 용사 코팅 층에 존재하는 산화물은 기공 및 미용융 입자 등과 같 은 결함과 함께 침식 저항성을 저해하는 요인으로 작용하기 때문이다(Al-Fadhli et al., 2006;Hawthorne et al., 1999). 한편 TSC 대비 TSC+Sealing의 무게 감소량이 상대적으로 크게 나 타났으나 손상 속도(기울기)는 거의 유사하게 나타났다. 이 는 TSC+Sealing 표면에 형성된 Sealing 층의 자체 내구성이 매우 열악하여 실험 초기에 SPE에 의해 모두 제거된 후 노 출된 TSC가 손상되었기 때문이다. 그래서 TSC+Sealing의 실 험 초기(1 min) 무게 감소량은 TSC에 비해 크게 나타났으나 이후 손상 속도는 TSC와 유사한 것으로 판단된다.

Fig. 9는 Substrate, TSC 그리고 TSC+Sealing 시편에 대하여 SPE 손상 메카니즘 개략도와 SPE 실험 종료 후 각 시편의 횡단면을 주사전자현미경으로 촬영한 것이다. Substrate의 경 우 실험 초기에 고상입자 충돌에 의해 표면에 소성변형과 함께 flake가 생성되었으며(Step 1), 이후 반복적인 고상입자 의 충돌은 표면 피로(surface fatigue)을 유발하여 크랙을 생성 및 성장(Step 2)시켜 결국 실험 종료 후와 같이 표면의 침식 손상이 형성되었다(Cai et al., 2016). 다음 TSC의 경우 다수의 판상(splat)이 적층된 라멜라 구조와 기공 결함에 의해 SPE 손상이 주도 되었다. 판상과 판상 사이의 결합력 저하와 TSC 내 존재하는 기공들에 의해 고상입자 충돌 시 TSC의 연속적 인 손상보다는 개별 단위 판상이 손상되고 충돌 충격이 다른 판상에도 영향을 미쳐 크랙이 발생하였다(Step 1). 이후 반복 적인 고상입자의 충돌에 의해 TSC 하부에 위치한 이웃 판상 에서 다수의 크랙이 발생 및 성장하므로 TSC의 취성파괴가 가속화된 것으로 판단된다(Step 2). 마지막으로 TSC+Sealing 의 경우 Sealing이 TSC 표면을 도포하고 일부 기공 결함에 유입되었으나 자체 내구성이 너무 열악하여 실험 초기에 제 거되어 내구성 향상에는 크게 기여하지 못한 것으로 판단된 다(Step 1). 즉, 실험 초기에 Sealing이 손상되어 제거되기 때 문에 Fig. 8에서 무게 감소량이 TSC에 비해 TSC+Sealing이 전 반적으로 크게 계측되었다. 반면 일부 기공 결함에 유입된 Sealing은 판상과 판상 사이에서 고상입자의 충돌에 대한 완 충역할을 수행함으로써 판상의 크랙 손상 진전을 감소시키 는 요인으로 작용하여 앞선 TSC에 비해 깊이 방향이 아닌 수평 방향의 손상 경향이 나타난 것으로 판단된다(Step 2). 그래서 Fig. 6과 7에서와 같이 SPE 실험시간 경과에 따른 표 면 거칠기가 TSC에 비해 TSC+Sealing이 상대적으로 작게 형 성된 것으로 여겨진다.

결과적으로 SPE 실험 결과 Substrate는 소성변형과 피로에 의한 손상 경향이 나타난 반면, TSC와 TSC+Sealing은 크랙 손상이 동반된 취성파괴 손상 경향이 확인되었다. 또한 TSC 에 Sealing 적용 시 내식성에는 긍정적인 효과를 기대할 수 있으나 내구성 개선에는 크게 영향을 미치지 못할 것으로 판단되므로 선박 절탄기의 열화 환경을 고려하여 Sealing 적 용 여부를 결정해야할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 선박 절탄기의 손상된 핀튜브에 대하여 보 수 용도로 Inconel 625 아크 TSC를 적용하고 SPE 실험을 진 행하였다. 그 결과 SPE 실험 후 무게 감소량이 Substrate < TSC < TSC+Sealing 순으로 크게 나타나 표면처리 시편 대 비 Substrate의 내구성이 우수하게 나타났다. 이는 TSC 층에 존재하는 기공 결함이 가장 큰 요인으로 판단된다. 한편 TSC+Sealing은 Sealing의 자체 내구성이 열악하여 실험 초기 에 손상되어 용이하게 제거됨에 따라 침식 저항성에 긍정적 인 영향을 미치지 못한 것으로 판단된다. 결과적으로 손상 된 절탄기 튜브의 보수작업 시 선박의 실제 부식 및 침식 환 경을 고려하여 Sealing 처리 여부를 결정해야 하며, 추후 기 공 결함을 최소화하는 아크 TSC 작업공정에 대한 최적화 연 구가 필요하다. 더불어 SPE 손상 메카니즘은 Substrate의 경 우 연성 재료 특성 상 소성변형과 표면 피로 진전에 따른 손 상 경향이 나타난 반면, TSC와 TSC+Sealing의 경우 TSC 내에 기공 결함과 판상과 판상 사이의 결합력 저하에 따라 취성 파괴 경향이 주도적으로 발생하였다.