1. 서 론
우리나라는 선박을 사용하여 수·출입 화물을 운송하고, 도서지역 주민들과 관광객의 수송과 생활 필수품 등을 공급 하고 있다(Lee and Noh, 2010;Noh and Jeong, 2005). 아울러, 국민들의 해산물에 대한 식생활 보장은 어업활동을 영위함 에 따라 이루어 지고 있다(Kim, 2004). 이와 같이 우리나라는 선박의 운항을 통하여 다양한 산업과 경제활동이 발전 및 유지되고 있다(Jeong and Shim, 2011).
이에 따라, 선박의 사고 예방과 안전운항은 필수적인 요 소로 간주 될 수 있다. 특히, 선박에서의 화재, 폭발, 충돌 등 의 사고는 인명피해 및 해양환경 오염과 직결될 수 있어 정 부 및 관련 기관 등을 해양사고 예방을 위한 다양한 노력과 연구가 수행되고 있다(Kang et al., 2018;Kim, 2022).
해양안전심판원은 법률에 따라 해양사고에 대한 조사 및 심판을 통해 해양사고의 원인을 규명하고, 이에 대한 경각 심을 지속적으로 부여하고 있다. 해양교통안전공단은 해양 사고 예방을 목적으로 선박 운항에 대한 현장 안전점검을 지원하고, 선원들을 대상으로 연장 안전교육 등을 시행하고 있다. 또한, 해양환경관리법 제96조에 따라, 해양환경공단은 유류 등으로 인한 해양오염의 발생을 방지하고, 사고 발생 시 대응 방안을 마련하고 있다. 아울러, 해양사고 발생 시 해양사고 등의 수습에 관한 규정에 따라, 해양사고의 종류, 충돌·접촉·좌초·전복·화재·폭발·침몰사고 등에 따라 신속하 고 체계적인 대응이 이루어질 수 있도록 관계부처 간 협력 체계를 유지하고 있다.
이와 같이 정부 부처와 유관 기관들은 선박 사고 대응에 대한 다양한 노력을 기울이고 있음에도 불구하고, 선박의 해양사고는 매년 지속적으로 늘어나고 있다. 중앙해양안전 심판원의 해양사고 통계에 따르면, 2020년부터 2024년까지 5 년간 발생한 총 15,086건의 해양사고 중 기관손상에 기인한 사고가 전체의 29.8%(4,502건)로 가장 높은 비중을 차지했다. 한편, 2024년도 한국해양교통안전공단에서 발표한 ‘기관손 상 사고 저감을 위한 종합 추진대책’에 따르면, 기관 손상은 선박의 추진력과 조타력 상실을 초래하여, 전복이나 충돌과 같은 2차 대형사고로 이루어질 수 있다는 점을 강조하고 있 다. 더욱이, 기관손상으로 분류된 외의 사례에서도 기관 손 상이 대형사고로 확장되는 사례가 다수 존재한다.
본 연구에서는 기관 고장이 해양사고에 이르는 현황을 보다 체계적으로 분석하기 위해 텍스트 마이닝(Text mining) 기법과 대규모 언어모델(Large Language Model, LLM)을 활 용하였다. 텍스트 마이닝은 MATLAB 프로그램으로 수집된 텍스트 데이터에 불용어 삭제 등의 전처리를 적용하는데 활용하였으며, LLM모델 역시 MATLAB 프로그램에 구글의 gemma3:4b 언어모델을 적용하여 사용하였다. 텍스트 분석에 활용한 데이터는 중앙해양안전심판원에서 공개한 주요 해 양사고 재결서 중 기관손상사고를 제외한 충돌, 침몰, 좌초, 사망, 화재 등 인명피해를 포함한 해양사고를 대상으로 수 집하였다. 수집된 총 950건의 해양사고 재결서는 불필요한 기호, 재결번호, 선박명 등을 제거하는 전처리 과정을 거쳐, LLM 모델이 모든 사례를 사고의 원인을 중심으로 요약하도 록 프롬프트를 작성하여, 해당 사고의 원인을 추출하도록 하였다. Table 1은 해당 과정을 통해 추출된 결과물의 표본 을 나타낸 것이다.
총 950건의 재결 사례 중 기관손상이 대형사고로 확장된 사례는 124건으로 확인되었으며, 이는 전체 해양사고의 16.2%를 차지하는 것으로 나타났다. 이 중 대부분의 기관 손 상은 평상 시 기관 관리 미흡에 따라 발생하였으며, 사고 발 생 이후 이에 대한 문제를 인지하는 경향이 있는 것으로 사 료된다.
기관 관리의 부족함은 키워드의 빈도수로도 확인할 수 있 었다. 기관손상이 대형 해양사고로 확장된 총 124건의 사고 사례에서 LLM을 활용하여 추출한 키워드를 빈도 중심으로 보면, Fig. 1과 같다. Fig. 1은 기관손상 관련 해양사고에 대한 원인 분석 결과를 워드 클라우드 표현 기법으로 나타낸 것 이다. 워드 클라우드는 텍스트 데이터에서 단어의 빈도나 중요도를 시각적으로 표현하는 기법이다. Fig. 1과 같이, 관 리 소홀, 관리 미흡, 안전 관리, 점검 소홀 등 인적요소와 관 리 인식 결여가 큰 비중을 나타내는 것으로 확인되었다.
Table 1과 Fig. 1의 분석 결과를 통해, 선박 사고 중 기관 손상 사고로 분류된 사고가 아님에도 주로 인적 요인에 기 인한 관리상의 문제가 16.2%를 차지할 만큼, 해양 사고 예방 은 지속적인 관리와 점검이 핵심적인 요소임을 의미한다. 또한, 일부 사례를 통해 관리 방법에 대한 지식 부족으로 인 한 부적절한 조치가 이루어졌거나, 관리 중요성에 대한 인 식 부족으로 점검이 누락된 경우가 다수 확인되었다. 이러 한 관리상의 결함은 특정 기관 부위의 손상을 초래하고, 대 형사고로 이어지는 경향을 보였다. 본 연구에서는 기관 고 장에 기인한 해양사고를 예방하기 위해, 반복적으로 손상되 는 주요 기관 부위를 중심으로 관리 기준을 제시하고자 하 였다.
Fig. 2는 한국해양교통안전공단의 ‘기관손상 사고(주기관, 보조기관, 보일러, 연료, 냉각수 펌프 등) 저감을 위한 종합 추진대책(2024.06.27.)을 참조하여, 전체 기관손상사고의 원인 및 손상부를 워드클라우드 방식으로 표현한 것이다. 분석 결과, 냉각수 계통(262건)과 냉각수 펌프(298건)에서 발생한 사고를 포함한 냉각수 관련 사고가 총 560건으로 집계되었 으며, 이는 전체 기관 손상 사고의 12.8%로 가장 높은 비중 을 차지하였다.
냉각수의 순환계와 펌프의 손상을 방지하기 위해서는, Table 1에서 강조한 선원의 관리 방법에 대한 인지와 중요성 에 대한 낮은 의식으로 부적절한 조치가 발생하지 않도록 객관적인 기준이 필요하다. 하지만, 냉각수 관리에 대한 인 식을 개선하고 선박에서 적절한 관리가 이루어질 수 있도록 객관적인 증거를 제시한 사례는 많지 않다. 특히, 선박 검사 항목에 포함되지 않음에 따라, 강제성이 부여되지 않아 냉 각수 관리는 선박 운용자의 주관적 판단에 따라 수행되고 있다.
선박 주기관과 발전기관의 냉각수는 연료 연소 과정에 서 발생하는 열을 효과적으로 제거하여, 기관 손상을 방지하는 역할을 한다. 이와 같이, 냉각수는 기관의 실린더 라이너와 접촉해서 흐르며, 이 과정에서 냉각수와 금속 사이에 전기 화학전 반응에 의한 부식이 발생한다(Stanivuk et al., 2021). 또한, 냉각 후 냉각수는 해수 기반의 냉각 시스템에서 온도 가 낮아진 후 다시 기관으로 공급되는 순환메커니즘을 가 지고 있다(Kocak and Durmusoglu, 2017;Allal et al., 2017). 이 러한 냉각 시스템은 해수를 냉각매체로 사용함에 따라 열 교환 과정 중 밀봉 부분의 손상에 의해 냉각수에 해수가 유 입될 수 있다. 해수의 유입은 염화이온(Cl-) 농도를 증가시켜 보호 피막을 파괴함에 따라 부식 가능성을 높인다. 이러한 부식은 냉각수의 금속 이온 농도를 증가시키며, 스케일 형 성, 열전달 효율 저하, 냉각수 통로 폐색, 그리고 최종적으 로 실린더라이너 및 냉각수 계통 구성품의 조기 손상을 초 래할 수 있다.
일반적으로 선박의 냉각수는 불순물이 포함되지 않는 증류수를 사용하며, 주기관의 실린더 라이너 등 냉각수 계 통의 적절한 유지관리와 해수 침입에 따른 부식을 방지하 기 위해 억제제가 투입된다. Argade et al.(2021)과 Pellet et al.(2001)의 연구와 같이 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol), 카르 복실살염(Carboxylate) 및 전통적인 아질산염(Nitrite, NaNO2) 기반의 억제제 등이 냉각수에 투입되어 사용되고 있다. 특 히, Reynaud(2010)는 주기관의 실린더 라이너는 주로 주철의 재질임에 따라 내식성이 열악하여 염화물, 질산염, 황산염, 탄산염과 같은 소량의 부식성 물질에 의해 부식되기 쉽다는 것으로 보고되어 있으며, 부식 억제제는 기관 손상방지를 위해 매우 중요한 역할을 하고 있음을 알 수 있다. 만약 적 절한 냉각수 관리가 되지 않는다면 부식 및 냉각수 성능 등 에 의해 석회질 또는 녹(rust) 등의 침전물이 발생되어 기관 부품에 냉각이 원활하게 되지 않을 수 있으며, 각종 밀봉 부 위 부식에 따라 누수를 초래하여 선박기관 운영을 불가능하 게 만들 수 있다.
이에 따라, 본 연구에서는 해양사고 재결서 분석을 통해 도출된 냉각수 계통 사고의 주요 원인과 발생 경향을 기반 으로, 선박 기관 냉각수 계통에서 부식 억제제 농도 변화가 부식 거동에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고자 하였다. 이를 위해 선박 기관 냉각수 계통의 대표 재질인 구상흑연 주철 (FCD-500)을 대상으로, 아질산염(NaNO2) 기반 부식 억 제제의 농도변화에 따른 부식특성을 침적시험과 전기화학 적 기법을 통해 평가하였다. 연구 결과는 선박 기관사와 관 련 종사자들이 주기관 및 발전기관의 냉각수 관리 중요성을 재인식하고, 부식 억제제의 적정 농도 유지를 위한 실질적 근거로 활용될 수 있으며, 기관손상사고와 그에 따른 2차 해 양사고를 예방하기 위한 기반을 제공하고자 한다.
2. 방법론
선박 기관의 냉각수 부식억제제가 냉각수 계통의 금속 부 식에 미치는 연구하기 위하여 다음과 같이 시편을 제작하여 다양한 부식억제제의 농도 조건에서 침적시험과 전기화학 적 분석을 수행하였다.
2.1 부식 관찰용 소재
본 연구에서는 냉각수와 직접 접촉하는 선박 엔진의 베드 및 실린더 라이너에 널리 사용되는 재질을 고려하여, 금속 시편으로 구상흑연주철(FCD-500)을 선정하였다.
2.2 선박 냉각수 조건 모사
본 연구에서는 선박 주기관 냉각수 환경을 모사하기 위 하여, 실제 선박에서 널리 사용되는 질산염 기반의 부식억 제제를 사용하였다. 각 시험용액에는 증류수를 기반으로 일 정량의 부식억제제를 혼입하여 농도를 조절하였다. 이에 대 한 상세는 Table 2에 제시하였다. 시험 용액의 온도는 실제 선박 주기관 및 발전기관의 냉각수 예열 온도를 고려하여 50℃로 설정하였다.
2.3 침적 시험 및 표면 형태 분석
FCD-500 침적 시편(20 ㎜ × 20 ㎜ × 10 ㎜)은 균일한 표면을 가질 수 있도록 SiC 연마지(#600번)를 사용하여 연마하였다. 침적시험은 Table 2에 제시된 50℃의 수용액 조건 하에서 72 시간 동안 수행되었다. 침적시험 종료 후, 시편 표면은 일반 평판 스캐너를 사용하여 분석하였다. 또한, 제조업체가 정한 부식억제제의 적정 권장량에 대한 중요성을 확인하기 위해 억제제가 혼입되지 않은 시편(0 ppm)과 적정 권장량에 미달 하는 조건(3,000 ppm)의 시편실험의 경우에는 3D 현미경을 통해 부식 형상과 깊이를 분석하였다.
2.4 전기화학 시험 및 분석
전기화학 시험은 FCD-500 시편을 작동 전극(working electrode)으로 사용하여 수행하였다. 이 전극은 표면적 1 ㎠ 로 가공되어 3전극 방식 부식 셀에 장착되었고, 은/염화은 전극(Ag/AgCl, 포화 KCl)과 흑연봉은 각각 기준 전극과 상대 전극으로 사용되었다. 전기화학 시험에 앞서, 시스템은 개방 회로 전위(open-circuit potential, OCP)에서 30분동안 안정화되 도록 하였다. 동전위 분극 시험(potentiodynamic polarization test)은 OCP를 기준으로 −0.25 V에서 +1.0 V의 전위 범위 내 에서 0.5 mV/s의 속도로 분극되었다. 부식 전위(Ecorr.)와 부식 전류 밀도(icorr.)는 분극곡선에 대한 Tafel 외삽법을 적용하여 산출하였다.
3. 연구결과
3.1 선박 엔진 냉각수 계통 내 부식 요소 및 환경 분석
Table 3은 선박 냉각수 계통에서 발생할 수 있는 부식 인 자에 대한 영향성과 이에 대한 현장 제어상황을 개략적으로 나타낸 것이다. 선박 냉각수와 계통에는 다양한 부식 인자 가 존재하며, 금속 재료의 부식 거동에 직·간접적인 영향을 미친다.
부식억제제 농도, 염소이온 농도, 그리고 pH와 같이 냉각 수 자체 수질 인자는 선박 엔지니어의 정기적인 시험분석과 억제제 투입을 통해 관리된다. 반면, 유속, 운전 온도, 그리 고 엔진의 구조적 요소에서 비롯된 인자는 엔진 운용에 의 존하거나 제어가 불가능한 요소들이다. 따라서, 냉각수 계통 내 금속 소재의 부식을 효과적으로 제어하기 위해서는 냉각 수 수질 관리가 핵심이다.
선박 냉각수는 엔지니어에 의해 주기적으로 분석되며, 그 결과에 따라 적절한 부식 억제제 투입, 냉각수 보충 또는 전 량 교환이 이루어진다. 따라서, 냉각수 계통의 금속 부식은 권장 수치의 부식 억제제 농도를 유지하고, 염소이온 농도 를 임계값 이하로 관리함으로써 효과적으로 제어될 수 있 다. 그러나, 냉각수 내 부식 억제제 농도는 사용시간 증가, 정비 등에 의한 냉각수 보충, 보충수 품질 불량, 해수 유입 등의 다양한 원인으로 저하될 수 있으며, 이를 방지하기 위 한 철저한 품질 관리가 요구된다. 더불어, 냉각수 내 염소이 온 농도는 금속의 국부 부식을 유발하는 주요 유해 인자이 며, 엔진 제조사의 권장 기준에 따라 100 ppm 이하로 유지하 여야 한다. 따라서, 본 연구에서는 염소이온 농도 임계값에 서 냉각수 품질 관리 실패(부식 억제제 농도 유지 실패)에 따른 냉각수 계통 내 금속 소재의 부식 심각 정도를 실험실 단위의 실험을 통해 제시하였다.
3.2 침적시험을 통한 부식 억제제 농도별 부식거동 평가
부식 억제제 혼입 여부에 따른 부식 정도를 확인하기 위 해, 혼입 농도에 따른 엔진 구성 소재(FCD-500 재질)에 대한 부식 거동을 평가하였다.
Fig. 3은 부식 억제제 혼입농도 0 ppm, 3,000 ppm, 7,000 ppm, 13,000 ppm, 19,000 ppm인 냉각수 환경에서 72시간 동안 침적 된 FCD-500의 부식 정도를 비교한 결과이다. 우선, 부식 억 제제 혼입여부에 따른 부식 형상을 비교한 결과, 혼입되지 않은 조건(0 ppm)에서 FCD-500은 표면 전체에 걸쳐 부식 생 성물(rust)이 관찰되었으며, 이는 균일부식(general corrosion) 특성을 나타내는 것으로 확인되었다. 반면, 혼입 농도가 권장 수준에 미달하는 조건(3,000 ppm, 7,000 ppm)에서 FCD-500은 특정 국소부위에서 부식생성물이 형성되는 국부부식(localized corrosion) 특성이 관찰되었다. 이러한 부식 양상의 차이는 부 식 억제제 투입과 농도에 따른 부식 형태의 전환을 의미한 다. 따라서, 현장에서 근무하는 선박 엔지니어가 냉각수 관 리 부적절에 의한 부식 관리의 심각성을 이해하기 위해서 는, 균일부식과 국부부식의 대한 개념적 이해와 차이에 대 한 인식이 필수적이다. 균일부식은 금속 표면 전반에 걸쳐 부식손상이 균일하게 발생하여, 금속이 점진적으로 제거되 는 형태이다.
반면, 국부부식은 전반적으로 내식성이 우수한 금속표면 에서 국소적인 부위에 집중적으로 부식 손상이 발생하는 형 태이며, 수동피막(passive film)이 형성되는 스테인리스강에서 주로 발생한다(Choudhary et al., 2024).
Table 4는 금속 소재에서 발생하는 균일부식과 국부부식 의 특성을 상호 비교한 것이다(Jones, 1996). 균일부식과 국부 부식은 단순히 형태의 차이를 통해 구분되지만, 속도, 진단 방법, 예측 가능성, 그리고 부식 억제 방안에 있어 본질적으 로 다른 특징을 가지고 있다. 이 중 국부부식은 잠재적 진 행 특성과 국소 집중으로 인해 예기치 못한 설비 손상이나 사고를 초래할 가능성이 크다. 따라서, 선박 엔진처럼 틈 구 조와 이중 금속 접촉부가 많은 설비는 더욱 주의 깊은 관리 가 요구된다. 그러나 실제 운용 환경에서는 부식에 대한 정 량적 평가가 어렵고, 선박 엔지니어나 설비 운영자는 부식 여부를 육안 관찰과 같은 정성적 판단에 의존할 수밖에 없 다. 특히, 표면 전반에 발생한 균일한 부식 생성물과 국소적 으로 집중된 부식 흔적은 외관상 유사하게 보일 수 있으며, 육안만으로는 부식의 진행 정도나 심각도를 정확히 평가하 기 어렵다.
Fig. 4는 부식 억제제 혼입 유무에 따른 부식 손상 정도를 정량적으로 평가하기 위해 수행된 침적 시편 표면에 대한 3D 현미경 분석 결과를 나타낸 것이다. 부식 억제제 혼입 유 무에 따라 표면 부식은 상호 다른 유형의 부식 손상이 관찰 되었다. 먼저, 0 ppm 조건의 시편에서는 시편 전면에 걸쳐 균일한 두께 감소를 동반한 균일부식이 발생되었으며, 3D 프로파일 데이터를 통해 산출된 감육 깊이는 약 2 ㎛ 수준 으로 확인되었다. 반면, 3,000 ppm 조건의 시편에서는 부식 이 국소적으로 집중적으로 발생하는 공식(pitting) 손상이 관 찰되었으며, 공식부위의 최대 침투 깊이는 약 40 ㎛로 측정 되었다. 동일한 침적시간에서 3,000 ppm의 부식 억제제가 혼 입된 수용액에 침적된 FCD-500 시편은 0 ppm 조건과 비교하 여, 국소 부위에서 약 20배에 달하는 부식 침투 깊이가 관찰 되었다. 이는 부식 억제제 농도가 불충분할 경우, 오히려 국 부부식을 유도할 수 있는 환경이 조성됨을 의미한다.
부식 손상에 대한 사전지식과 관리 중요성에 대한 인식이 부족한 운영자 입장에서는 단순 부식 억제제의 혼입만으로 선박 냉각수 계통에서 일정 수준의 부식 억제 효과가 일정 수준 확보될 수 있다고 오해할 가능성이 있다. 그러나 본 실 험에서 부식 억제제 농도가 권장 관리 기준에 미치지 못하 는 경우, 오히려 냉각수 계통 내 국부적인 부식 손상을 유도 할 수 있다는 것이 확인되었다. 이는 부식 억제제의 농도가 적정 수준으로 유지되지 않을 경우, 부식 억제 효과가 제한 적이며, 오히려 부식 형태를 악화시킬 수 있다는 것을 의미 한다. 특히, 국부 부식은 금속 재료의 국소적 손상을 유발하 며, 이는 장비의 운영 내구성과 수명에 보다 치명적인 영향 을 미칠 수 있다. 또한, 선박 엔진은 구조적 특성상 다양한 이중 금속 접촉부, 가스켓 및 실링부 등 및 미세 틈(crevice) 등을 포함하고 있으며, 이러한 부위는 부식 억제제가 충분히 도달하지 못하거나, 부식성 이온이 국소적으로 농축되어 국 부부식이 가속화될 수 있는 요인으로 작용한다(Farfan-Cabrera et al., 2021;Hou et al., 2023). 따라서, 선박 냉각수 계통에서 부식 제어는 부식 억제제의 단순 혼입 여부가 아닌, 권장 농 도 범위의 지속적인 유지가 선박 냉각수 계통의 부식 제어 에 있어 핵심적인 요소이다.
3.3 전기화학적 기법을 통한 부식 억제제 혼입 정도에 따른 냉각수 안정성 평가
부식 평가에서 전기화학적 기법은 금속 표면에서 발생하 는 전기화학적 반응을 기반으로, 부식 속도, 형태, 메커니즘 등을 정량적으로 분석할 수 있다. 특히, 부식 전위(corrosion potential) 및 분극 곡선(polarization curve) 분석을 통해 부식 특 성을 정량적으로 평가할 수 있다. 본 연구에서는 부식 억제 제 혼입 농도에 따른 부식전위, 분극 곡선을 통해 정량적인 부식 억제 효과와 부식 메커니즘을 평가하였다.
Fig. 5는 부식 억제제 혼입 농도에 따른 FCD-500 시편의 부식 전위를 12시간 동안 측정한 결과이다. 부식 전위는 금 속이 부식 환경 (전해질 또는 수용액)과 접촉할 때, 금속 표 면에서 형성되는 전위를 의미한다. 일반적으로, 부식전위가 음(-)의 방향으로 이동할수록, 금속이 산화 반응을 통해 부 식될 가능성이 높아진다. 반대로, 양(+)의 값을 나타낼수록, 금속 표면은 수동 상태(passive state)에 가까운 경향을 보인 다. 이 경우 부식 반응의 가능성이 낮은 안정한 상태로 간 주된다(Al-Amiery et al., 2014;Ferreira et al., 2004). 선박에서 사용되는 산화성 억제제인 아질산염(NaNO2) 기반 부식 억 제제는 주로 냉각수 계통에서 탄소강 및 주철 계열 재료의 부식 방지를 목적으로 사용된다(Murmu et al., 2022). 그 기능 은 금속 표면에 보호막을 형성하여, 냉각수에 포함된 산소 및 염소이온 등에 의한 부식 발생을 억제한다. 부식 억제제 의 작용에 따라 표면에 부식 보호층이 형성된 금속 표면의 부식전위는 양의 방향으로 이동하게 된다. 본 연구에서 혼 입농도에 따른 조건은 3 가지(미 첨가, 저 농도, 권장농도 이상)로 구분할 수 있으며, 각 구간에서 부식 전위에 따른 억제 효과는 다음과 같다. 먼저, 혼입되지 않은 조건에서 FCD-500의 부식 전위는 약 -700 mV 부근의 낮은 음 전위 영 역에서 안정화되는 경향을 나타냈다. 이는 FCD-500이 냉각 수 조건에서 추가적인 부식 억제 방안이 적용되지 않는 경 우, 높은 부식 가능성과 지속적인 용해반응이 발생한다는 것을 의미한다. 두번째로, 혼입농도가 권장 농도보다 낮은 조건에서는 부식 전위가 양의 방향으로 이동하였으며, 이를 통해 부식 억제제 혼입에 따른 부식 억제 작용을 확인할 수 있었다. 그러나, 시간 경과에 따라 부식 전위는 불안정한 경 향을 나타냈다. 이는 부식 억제제에 의한 일정 부분 보호 효과가 나타나고 있으나, 냉각수 내 부식 인자들의 영향으 로 억제 성능이 불안정함을 의미한다. 마지막으로, 혼입농 도가 권장수준 또는 그 이상의 조건에서 FCD-500의 부식 전 위는 초기 단계에서 급격하게 양의 방향으로 이동하였으며, 시간이 지남에 따라 약 -230 mV ~ -210 mV 구간에서 안정화 되는 경향을 나타냈다. 이는 부식 억제제의 충분한 농도에 서 금속 표면에 보호 피막이 효과적으로 형성되었으며, 부 식 반응이 안정적으로 억제되고 있다는 것을 의미한다 (Zhang et al., 2023).
Fig. 6은 부식 억제제 혼입농도에 따른 동전위 분극 곡선 을 나타낸 것이며, 가시성을 위해 일부 혼입농도 조건(3,000 ppm, 19,000 ppm)은 제외하였다. 동전위 분극 곡선은 금속 표 면에 대한 인가전위에서 전류 밀도를 나타낸 것이며, 세로 축은 시편의 표면 전위를, 가로축은 해당 전위에서 전류밀 도를 나타낸다. 따라서, 높은 전위에서 전류밀도가 낮을수록 금속은 부식에 대한 강한 저항성을 가지는 것으로 해석될 수 있다.
Fig. 6에서, 전위 상승에 따른 전류밀도 변화는 크게 두 가 지로 구분된다. 먼저, 부식 억제제가 혼입되지 않은 조건(0 ppm)에서 전위 상승에 따라 전류밀도가 지속적으로 상승하 는 ‘활성 상태 (active state)’ 현상이 관찰되었다. 이는 전위 상승(부식 구동력 상승)에 대한 금속의 저항성이 부족하며, 표면에 보호 피막이 형성되지 못하고 부식 반응이 지속적으 로 활성화되는 상태이다(Frankel and Sridhar, 2008). 마지막으 로, 혼입조건(7,000 ppm, 13,000 ppm)에서 관찰된 수동상태 (passivation state)이다. 수동상태는 전위가 상승하더라도 전류 밀도의 증가가 정체되거나 일정하게 유지되는 구간을 의미 하며, 이는 금속 표면에 안정한 보호 피막이 형성되어 부식 반응이 효과적으로 억제되고 있는 구간을 의미한다(Engell, 1977). 수동상태를 유지하는 금속은 전위가 일정 이상으로 상승함에 따라 전류 밀도가 증가하는 현상이 나타나며, 해 당 전위를 공식 전위(pitting potential)라고 한다. 공식전위는 수동피막이 외부 부식공격에 의해 국부적으로 파괴되면서, 금속 표면에 국부 부식(공식)이 시작되는 지점이다. 따라서, 공식전위가 높을수록 수동 피막에 대한 안정이 크고, 국부 부식에 대한 높은 저항성을 가진다고 해석할 수 있다. 부식 억제제 혼입 조건에서 수동 상태가 동일하게 관찰되었다. 그러나, 공식 전위는 각각 7,000 ppm과 13,000 ppm에서 0 V와 0.67 V로 매우 큰 차이를 나타냈으며, 부식 억제제의 농도가 증가할수록 국부부식에 대한 저항성이 크게 증가하는 것이 확인되었다.
Table 5는 Fig. 6의 동전위 분극 곡선을 통해 산출된 정량 적인 부식 파라미터 (부식속도, 공식전위, 억제효율)을 나타 낸 것이다.
미 혼입 조건(0 ppm)에서, 부식 속도는 0.146 mm/y로 산출 되었으며, 혼입 농도가 증가함에 따라 급격하게 감소하였다. 특히, 권장 농도 13,000 ppm에서 0.025 mm/y로 감소하였으며, 이때 억제 효율은 85.07%로 산출되어 안정적인 억제 성능을 나타낸 것으로 평가되었다. 권장 농도 이상인 19,000 ppm에 서 부식 속도와 억제 효율은 각각 0.016 mm/y와 89.15%으로 보다 향상된 효율을 나타냈지만, 효율 상승이 제한적이며 경제성 등을 고려할 때 과도한 첨가가 반드시 실질적인 부 식 성능 향상에 기여한다고 보기 어려울 것으로 사료된다. 3,000 ppm과 7,000 ppm에서 혼입농도에 따른 부식 속도는 일 부 감소하는 경향을 보였으나, 앞선 실험결과에서 국부부식 에 대한 위험성이 확인되었다. 따라서, 부식 속도 감소가 실 질적인 부식 억제 효과로 단정할 수 없으며, 저농도 조건에 서는 오히려 부식 형태의 악화 가능성을 고려해야 한다.
3.4 실험 데이터 기반 위험성 평가
Table 6은 선박 엔지니어 또는 현장 운용자의 직관적인 이해를 돕기 위해, 실험 데이터에 기반한 농도별 부식 위험 성을 평가한 것이다. 해당 위험성 평가표는 본 연구의 데이 터에 기반한 것이며, 염소 농도 100 ppm에서 일부 부식 억 제제 농도를 변수로 설정한 제한된 실험 결과에 기반하고 있다.
4. 결 론
본 연구서는 텍스트 마이닝 기법과 대규모 언어모델을 활 용하여 기관손상의 주요 부위와 발생 요인을 분석하였다. 그 결과, 기관손상 중 냉각수 계통과 관련된 사고가 가장 높 은 비중을 차지하였으며, 주요 원인은 관리 미흡과 부적절 한 대응 등 인적요소에 기인한 것으로 확인되었다.
이러한 분석에 기반하여, 본 연구에서는 선박 기관의 냉 각수 조건을 모사한 환경에서 FCD-500의 부식 거동을 평가 하였다. 실험 결과, 부식억제제를 투입하지 않는 조건(0 ppm)에서는 균일부식이 발생한 반면, 권장 농도(13,000 ppm) 보다 낮은 농도(3,000 ppm,7,000 ppm)에서는 국부 부식이 관 찰되어, 부식 형태가 균일부식에서 국부 부식으로 전환되는 경향을 나타냈다. 이는 제조사가 권장하는 농도 범위의 부 식억제제 투입이 균일부식과 국부부식을 효과적으로 억제 함을 명확히 입증한다. 또한, 제조사 권장 농도보다 높은 19,000 ppm에서는 부식 속도와 억제 효율이 향상되었으나, 그 증가 폭이 제한적이어서 투입량 대비 효과는 제한적인 것으로 분석되었다.
종합적으로, 냉각수 계통의 부식 관리를 위해 부식억제제 의 투입이 필수적이지만, 농도가 정상 범위 미만으로 관리 될 경우, 특정 부위에서 국부 부식이 가속화될 수 있으므로 적정 농도 유지가 중요한 관리 요소이다.
5. 기대효과
본 연구결과는 선박 냉각수 관리에 대한 아래의 기대 효 과를 가져올 것으로 기대된다.
첫째, 본 연구는 사고 분석과 실험 결과를 통해, 부적절한 냉각수 관리가 대형사고로 확장될 수 있는 위험 요인임을 실증적으로 제시하였으며, 이는 선박 기관사 및 관련 종사 자들에게 주기관 냉각수 관리의 중요성에 대한 경각심을 제 고할 수 있다.
둘째, 본 연구에서 도출된 냉각수 계통의 부식 원인과 부 식억제제의 적정 농도 유지에 대한 정량적 데이터는 향후 선박 운용 절차 및 안전 지침 개선에 대한 자료로 사용될 수 있다.
마지막으로, 본 연구는 기관손상 사고의 원인과 대응 방 안을 체계적으로 분석한 사례로서, 향후 해양사고 예방을 위한 정책 수립 및 기술적 대응 전략 마련에 참고 자료로 활 용될 수 있다.
