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KR100572022B1 - 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법 - Google Patents

열배관의 음극방식 전위기준 설정방법 Download PDF

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KR100572022B1
KR100572022B1 KR1020050018226A KR20050018226A KR100572022B1 KR 100572022 B1 KR100572022 B1 KR 100572022B1 KR 1020050018226 A KR1020050018226 A KR 1020050018226A KR 20050018226 A KR20050018226 A KR 20050018226A KR 100572022 B1 KR100572022 B1 KR 100572022B1
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KR
South Korea
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heat pipe
cathode
setting
pipe
Prior art date
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KR1020050018226A
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김연홍
이장범
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한국지역난방공사
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    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
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Abstract

본 발명은 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법에 관한 것으로서, 특히 지역난방시스템의 열배관 음극방식 설정방법에 있어서, 토양의 비저항을 측정하고, 열배관의 전위값이 일정값 이하인 곳을 방식관리구역으로 설정하는 단계와; 열배관의 단열재의 절연저항을 측정하여 소요 전류를 산출하는 단계와; 측정된 소요 전류를 이용하여 소요 양극 중량과, 양극 수량을 계산하고, 정류기의 용량을 결정하는 단계와; 열배관에서 음극방식법을 적용하여 부족방식기준전위와, 과방식기준전위 및 음극방식기준전위를 설정하는 단계와; 상기 열배관의 공급관 및 회수관의 단열재의 함수 정도에 따른 절연저항값과 소요 전류를 통해 전류저항 강하값(IR drop)을 산출하는 단계와; 전류저항 강하값으로 음극방식기준전위를 보정하여 음극방식전위를 산출하는 단계; 및 산출된 음극방식전위를 통해 소요 전류를 조절하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 안정적인 열공급을 도모하기 위하여 열배관의 특성에 맞는 음극방식전위기준 값을 산출하여 음극방식시스템의 설계 및 유지관리 기준을 수립하여 열배관의 유지관리를 철저히 하여 수명연장을 기할 수 있다.
지역난방, 열배관, 음극방식, 소요전류, 기준

Description

열배관의 음극방식 전위기준 설정방법{method for setting cathodic protection voltage rererence of heatpipe}
도 1은 본 발명에 따른 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법의 설명하기 위한 동작 흐름도.
본 발명은 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법에 관한 것으로서, 상세하게는 안정적인 열공급을 도모하기 위하여 열배관의 특성에 맞는 음극방식전위기준 값을 산출하여 음극방식시스템의 설계 및 유지관리 기준을 수립할 수 있도록 하는 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법에 관한 것이다.
일반적으로, '부식'이라 함은 '물질이 주위환경과 반응하여 물질자체가 변질되거나 혹은 물질의 특성이 변질되는 것'으로 정의된다. 이러한 부식은 대부분 전자의 이동에 의한 전기 화학적 반응 때문에 발생하므로 전기 화학적 부식이라 부른다. 금속구조물이 전해질 내에서 주위 환경과 반응하게 되면 부식 전지상태가 되어 부식전류를 발생시킨다. 부식전지가 형성되면 더욱 액티브(active)하고 전위가 낮은 쪽이 양극이 되어 부식된다. 부식전지는 양극(anode), 음극(cathode), 전류경로(electric path) 또는 금속경로(metallic path), 이온경로(ionic path) 또는 전해질(electrolyte)의 4가지 조건으로 이루어진다.
이 부식전지는 다음과 같은 여러 가지 요인에 의해 부식전류를 발생시키며, 부식전지가 형성되면 두 금속중 더욱 액티브하고 전위가 낮은 쪽의 금속이 양극화되어 부식한다.
이러한 부식의 요인으로는, 갈바닉(Galvanic) 계열의 이종 금속에 의한 자연적인 기전력에 의해 발생하며 기전력차가 클수록 부식전류가 커 빨리 부식한다는 '갈바닉 부식'과, 일반적으로 토양에 매설된 철구조물들은 토양의 조성 및 입도(particle size)가 변함에 따라 많은 수의 통기차 전지(differential aeration cell)들로 구성되어 있다고 보며, 이러한 통기차는 토양내의 공기(특히, 산소) 및 수분함유 유무에 의해 좌우되고 통기는 금속의 전위를 +방향으로 이동시킴으로써, 산소에 가장 적게 노출되는 부분, 즉 저항이 상대적으로 가장 낮은 부분이 양극이 되어 부식한다는 통기차에 의한 부식과, 상대적으로 온도증가는 증발효과에 의한 부식이온 농도증가의 원인이 되므로, 매설 또는 침수 구조물에 주위환경보다 좀더 따뜻한 부분이 양극화되어 부식한다는 온도차에 의한 부식과, 토양과 물에 용해되어 있는 다양한 염류 이온농도차는 부식전류를 발생시킨다는 이온농도차에 의한 부식과, 박테리아의 활동에 의해 부식조건이 만들어진다는 박테리아 활동에 의한 부식 및 현대 사회의 도심지에서는 전철, PC용접기, HVDC송전선 및 기타 DC전원 시스 템 등 의 다양한 원천에 의한 표유전류들이 대지를 통하여 흐르며, 이 표유전류는 부식의 일종인 전식을 일으키는 주된 요인이 된다는 표유전류에 의한 부식 등을 들 수 있다.
일반적으로, '방식'이라 함은 상기한 부식의 요인들중에서 하나이상의 조건을 제거 또는 억제하는 것을 말한다. 일반적으로 방식분야에서는 부식의 조건을 완전히 제거하기는 현실적으로 어렵고, 부식 억제제(inhibitor), 절연판 또는 기타 방법을 사용하여 양극 또는 음극반응을 억제하거나 전자 또는 이온의 흐름을 차단하는 방법들을 채택하고 있다.
이중에서 가장 널리 사용하는 방법은 양극반응을 억제하는 방법의 일종인 음극방식(cathodic protection)법으로, 일반적으로 전기방식법이라고 통용하고 있다.
상기 전기방식법의 원리를 살펴보면, 금속의 부식은 금속표면에서 전해질을 통하여 전류가 유출되는 부분에 발생하므로 전해질을 통하여 금속표면에 직류전류(방식전류)를 인위적으로 유입시키면 금속표면에서 음극반응이 일어나게 되어 부식이 방지되는 원리이다.
그리고, 부식을 감지하는 방법으로는, 음향을 반사시킨 다음에 어레이 센서(array sensor)와 다채널 감지장치를 이용하여 음향을 수신하고 이를 분석·처리하여 금속의 균열 및 이상 지점을 찾아내는 음향반사법, 금속의 부식으로 인해 줄어든 금속의 두께 변화를 감지하여 부식유무를 점검하는 초음파법, 전도성 유동체내에 시험용 탐침을 삽입시켜 선형 분극을 측정함으로써 순간적인 부식율을 알아내는 순시 부식율 측정법, 장시간 동안 부식으로 인한 저항변화를 감지함으로써 부식율 을 알아내는 저항측정법, 전해질내의 금속표면에서 금속의 전기화학적 전위를 측정하여 부식진행 유무를 판단하는 전기화학적 전위측정법 등이 있어 왔으나, 근래들어 가장 많이 사용되는 방법은 전기화학적 전위측정법이다.
상기 전위측정법은 부식검사 대상물인 금속구조물의 기준전극[유산동 기준전극(Cu/CuSO4)]에 대한 자연전위를 측정하는 방법으로, 전압을 측정할 수 있는 계기의 (+)단자에 방식 대상물을 연결하고 (-)단자에 기준전극을 연결하여 기준전극을 방식대상물의 직상부 지표면에 접촉시켜 전위값을 읽는 것이다. 이렇게 읽혀진 값은 방식기준과 비교하여 금속구조물이 방식상태에 있는지를 판정하며, 방식기준으로 -850mVCSE 기준을 사용할 경우 금속구조물의 전위가 유산동 기준전극에 대하여 -850mV 이하(예를 들면, -1000mV)로 유지시켜 주면 금속구조물은 방식됨을 의미하고 그 이상일 경우 부식되고 있음을 의미한다.
현재 방식분야에서 방식 대상물(가스배관, 송유관, 상·하수도관, 기타 지하 금속구조물 등)의 부식을 방지하기 위한 전기방식 설비로 정류기가 사용되고 있다. 이 방식용 정류기는 방식 대상물이 부식하지 않도록 하기 위해, 방식 대상물의 전위를 일정한 기준치 -850mVCSE 이하로 낮추도록 일정한 직류전류를 토양(전해질)을 통하여 방식 대상물에 흘려주는 장치이다.
그러나, 음극방식법은 단순히 가스배관, 송유관, 상·하수도관과 같은 배관만을 기준으로 하고 있는 데, 지역난방시스템의 열배관의 경우 단순히 강관만으로 구성되지 않고, 강관의 외주연에 단열재가 적층된 형태이고, 상온 기준이 아닌 온 도 변화 특성이 있기 때문에 열배관 특성에 맞는 방식전위기준값이 제시되어 있지 않는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 안정적인 열공급을 도모하기 위하여 열배관의 특성에 맞는 음극방식전위기준 값을 산출하여 음극방식시스템의 설계 및 유지관리 기준을 수립하여 열배관의 유지관리를 철저히 하여 수명연장을 기할 수 있도록 하는 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
지역난방시스템의 열배관 음극방식 설정방법에 있어서, 토양의 비저항을 측정하고, 열배관의 전위값이 일정값 이하인 곳을 방식관리구역으로 설정하는 단계와; 열배관의 단열재의 절연저항을 측정하여 소요 전류를 산출하는 단계와; 측정된 소요 전류를 이용하여 소요 양극 중량과, 양극 수량을 계산하고, 정류기의 용량을 결정하는 단계와; 열배관에서 음극방식법을 적용하여 부족방식기준전위와, 과방식기준전위 및 음극방식기준전위를 설정하는 단계와; 상기 열배관의 공급관 및 회수관의 단열재의 함수 정도에 따른 절연저항값과 소요 전류를 통해 전류저항 강하값(IR drop)을 산출하는 단계와; 전류저항 강하값으로 음극방식기준전위를 보정하여 음극방식전위를 산출하는 단계; 및 산출된 음극방식전위를 통해 소요 전류를 조절하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 방식관리구역으로 설정하는 단계는 열배관의 배류점을 중심으로 열배관의 길이 방향으로 기준전극을 일정한 간격으로 이동하면서 측정하여 그 값이 -0.4VCSE이하로 전위가 측정되는 부분을 감지하여 방식관리구역으로 설정한다.
여기에서 또한, 상기 열배관은 음극방식에 따른 부식 속도를 1mpy(mils penetration per year) 이하로 유지시키는 인가전위를 음극방식 전위의 상한값인 부족방식기준전위로 설정하고, 상기 열배관의 용접부에서 7% 이상의 연신율을 유지하는 인가전위를 음극방식 전위의 하한값인 과방식기준전위로 설정한다.
여기에서 또, 상기 열배관의 공급관의 부족방식기준전위는 -1.22VCSE 이하이고, 상기 열배관의 공급관의 과방식기준전위는 -1.72VCSE 이상이다.
여기에서 또, 상기 열배관의 회수관의 부족방식기준전위는 -1.06VCSE이고, 상기 열배관의 회수관의 과방식기준전위는 -1.56VCSE이다.
여기에서 또, 상기 열배관의 음극방식기준전위는 공급관의 경우 80℃를 기준으로 -1.42VCSE이고, 회수관의 경우 60℃를 기준으로 -1.26VCSE이다.
여기에서 또, 상기 소요 전류는 상기 열배관의 공급관의 경우 80℃를 기준으로 1.31×10-4A/㎠이고, 상기 열배관의 회수관의 경우 60℃를 기준으로 3.85×10-5A/㎠이다.
이하, 본 발명에 따른 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법의 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
먼저, 토양의 비저항을 측정하고, 열배관의 길이에 따른 부식전위를 측정하여(S100), 전위값이 일정값 이하인 곳을 방식관리구역으로 설정한다(S110). 이때, 열배관의 배류점을 중심으로 열배관의 길이 방향으로 기준전극을 일정한 간격으로 이동하면서 측정하여 그 값이 -0.477VCSE이하로 전위가 측정되는 부분을 감지하여 방식관리구역으로 설정한다.
그런 다음, 열배관의 단열재의 절연저항을 측정하여(S120), 소요 전류를 산출한다(S130). 이때, 열배관의 경우 소요 전류를 고정된 값으로 인가할 경우 단열재의 전류저항 강하값에 의해 절연저항이 낮은 부분은 방식이 이루어지지 않으므로 단열재의 함수정도를 기초로 하여 산출하여야 한다. 그리고, 열배관의 공급관의 소요 전류는 1.31×10-4A/㎠이고, 열배관의 회수관의 소요 전류는 3.85×10-5A/㎠이다.
그리고, 측정된 소요 전류를 이용하여 소요 양극 중량과, 양극 수량을 계산하고, 정류기의 용량을 결정한다(S140).
이때, 소요 양극 중량(W)과, 양극 수량(N)은 아래의 수학식 1과 같이 결정된다.
Figure 112005011694527-pat00001
여기에서, Y=양극 수명(25년이상), I=소요 전류(A), S=양극 소모율(0.75 lb/A·Yr), η= 양극 사용률(50%), Wa= 양극중량(lb)이다.
그리고, 정류기의 용량은 아래의 수학식 1과 같이 결정된다.
Figure 112005011694527-pat00002
여기에서, I= 방식소요전류, RT=총방식회로저항(양극의 접지저항+열배관의 저항+배선저항+기타저항), Vb= Anode bedfml back voltage이다.
그리고, 열배관에서 음극방식법을 적용하여 부족방식기준전위와, 과방식기준전위 및 음극방식기준전위를 설정한다(S150).
여기에서, 열배관은 음극방식에 따른 부식 속도를 1mpy(mils penetration per year) 이하로 유지시키는 인가전위를 음극방식 전위의 상한값인 부족방식기준전위로 설정하고, 열배관의 용접부에서 7% 이상의 연신율을 유지하는 인가전위를 음극방식 전위의 하한값인 과방식기준전위로 설정하고, 열배관의 공급관의 부족방식기준전위는 -1.22VCSE이하이고, 상기 열배관의 공급관의 과방식기준전위는 -1.72VCSE이상이다.
또한, 열배관의 공급관의 부족방식기준전위는 -1.06VCSE이하이고, 열배관의 회수관의 과방식기준전위는 -1.56VCSE이며, 열배관의 음극방식기준전위는 공급관의 경우 80℃를 기준으로 -1.42VCSE이고, 회수관의 경우 60℃를 기준으로 -1.26VCSE이다.
여기에서 또한, 바람직하게 열배관의 공급관의 부족방식기준전위는 -1.227VCSE이하이고, 상기 열배관의 공급관의 과방식기준전위는 -1.727VCSE이상이다. 또, 열배관의 공급관의 부족방식기준전위는 -1.06VCSE이하이고, 열배관의 회수관의 과방식기준전위는 -1.56VCSE이며, 열배관의 음극방식기준전위는 공급관의 경우 80℃를 기준으로 -1.427VCSE이고, 회수관의 경우 60℃를 기준으로 -1.265VCSE이다. 한편, VCSE는 VSCE로 변환이 가능하고, VCSE=VSCE-0.077V이다. 즉, -1.427VCSE는 -1.35VSCE이다.
그런 다음, 열배관의 공급관 및 회수관의 단열재의 함수 정도에 따른 절연저항값과 소요 전류를 통해 전류저항 강하값(IR drop)을 산출하고(S160), 전류저항 강하값으로 음극방식기준전위를 보정하여 음극방식전위를 산출한 후(S170), 산출된 음극방식전위를 통해 소요 전류를 조절하여 공급한다(S180).
아래의 표 1은 공급관 기준으로 열배관 실험을 통한 방식전위 측정방법에 의해 단열재의 함수 정도를 반영한 소요 전류를 산출한 결과값이다.
Level 평균절연 저항 절연저항에 따른 상수 전류저항 강하값
Level 4 12,500Ω 0.25 0.25×(1.31×10-4A/㎠)×방식면적(㎠)
Level 5 42,500Ω 0.07 0.07×(1.31×10-4A/㎠)×방식면적(㎠)
Level 6 132,500Ω 0.023 0.023×(1.31×10-4A/㎠)×방식면적(㎠)
Level 7 250,000Ω 0.012 0.012×(1.31×10-4A/㎠)×방식면적(㎠)
표 1에서 평균절연저항은 각 레벨에서의 단열재 저항의 평균값이고, 절연저항에 따른 상수는 레벨 3의 평균저항인 3100Ω을 1로 가정했을 때, 각 레벨에서의 평규저항과의 비(예, 레벨 4 : 3,100/12,500=0.25)이다. 한편, 소요 전류는 공급관을 기준이며, 회수관의 경우 3.85×10-5A/㎠가 적용된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법에 따르면, 안정적인 열공급을 도모하기 위하여 열배관의 특성에 맞는 음극방식전위기준 값을 산출하여 음극방식시스템의 설계 및 유지관리 기준을 수립하여 열배관의 유지관리를 철저히 하여 수명연장을 기할 수 있는 이점이 있다.

Claims (7)

  1. 지역난방시스템의 열배관 음극방식 설정방법에 있어서,
    토양의 비저항을 측정하고, 열배관의 전위값이 일정값 이하인 곳을 방식관리구역으로 설정하는 단계와;
    열배관의 단열재의 절연저항을 측정하여 소요 전류를 산출하는 단계와;
    측정된 소요 전류를 이용하여 소요 양극 중량과, 양극 수량을 계산하고, 정류기의 용량을 결정하는 단계와;
    열배관에서 음극방식법을 적용하여 부족방식기준전위와, 과방식기준전위 및 음극방식기준전위를 설정하는 단계와;
    상기 열배관의 공급관 및 회수관의 단열재의 함수 정도에 따른 절연저항값과 소요 전류를 통해 전류저항 강하값(IR drop)을 산출하는 단계와;
    전류저항 강하값으로 음극방식기준전위를 보정하여 음극방식전위를 산출하는 단계; 및
    산출된 음극방식전위를 통해 소요 전류를 조절하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방식관리구역으로 설정하는 단계는,
    열배관의 배류점을 중심으로 열배관의 길이 방향으로 기준전극을 일정한 간 격으로 이동하면서 측정하여 그 값이 -0.4VCSE이하로 전위가 측정되는 부분을 감지하여 방식관리구역으로 설정하는 것을 특징으로 하는 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열배관은 음극방식에 따른 부식 속도를 1mpy(mils penetration per year) 이하로 유지시키는 인가전위를 음극방식 전위의 상한값인 부족방식기준전위로 설정하고, 상기 열배관의 용접부에서 7% 이상의 연신율을 유지하는 인가전위를 음극방식 전위의 하한값인 과방식기준전위로 설정하는 것을 특징으로 하는 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열배관의 공급관의 부족방식기준전위는,
    -1.22VCSE이하이고,
    상기 열배관의 공급관의 과방식기준전위는,
    -1.72VCSE이상인 것을 특징으로 하는 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 열배관의 공급관의 부족방식기준전위는,
    -1.06VCSE이하이고,
    상기 열배관의 회수관의 과방식기준전위는,
    -1.56VCSE이상인 것을 특징으로 하는 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열배관의 음극방식기준전위는,
    공급관의 경우 80℃를 기준으로 -1.42VCSE이고, 회수관의 경우 60℃를 기준으로 -1.26VCSE인 것을 특징으로 하는 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 소요 전류는,
    상기 열배관의 공급관의 경우 80℃를 기준으로 1.31×10-4A/㎠이고, 상기 열배관의 회수관의 경우 60℃를 기준으로 3.85×10-5A/㎠인 것을 특징으로 하는 열배관의 음극방식 전위기준 설정방법.
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