Alloy 600의 공식 거동에 관한 연구

이 창 봉, 김 기 주, 임 한 귀*, 김 복 희**

전북대학교 화학공학과, 한국전력공사 전력연구원*,

전북대학교 재료공학과**

A study on the pitting corrosion behavior of Alloy 600

Chang-Bong Lee, Han-Gwi Lim, Ki-Ju Kim, Bok-Hee Kim

Department of Chemical Engineering, Chonbuk National University

Korea Electric Power Research Institute*

Department of Material Science Engineering, Chonbuk National University**

서론

PWR(Pressurized Water Reactor) 원자력발전소의 중요한 설비중 하나인 증기발생기 전열관(Steam Generator Tube) 재료로 사용되는 Alloy 600은 우수한 내식성이 있으나 실제적으로는 SCC, IGA, Pitting, Wastage 및 Denting등 다양한 부식손상이 유발되고 있다[1].

그 중 Pitting에 영향을 미치는 주요원인은 복수기 전열관(Condenser Tube)의 누설로 인해 유입된 해수중의 염소이온, 용존산소 및 일부의 황성분등이며 복수기 전열관을 발생원으로 하는 구리에 의해 더욱 가속된다고 보고되어지고 있다[2].

이처럼 증기발생기 보호측면에서 복수기의 건전성 확보가 매우 중요하다.

국내 원전의 경우, 복수기 전열관의 손상으로 많은 해수누설사고를 야기하여 1988년도에 복수기 전열관의 재질을 동합금강에서 티타늄으로 교체하였으나, 이러한 티타늄 전열관도 가동중 여러 번 손상으로 인해 일시에 대량의 해수누설사고를 일으키고 있다[3].

복수기 전열관 교체후 증기발생기의 슬러지 성분을 분석한 결과 구리산화물의 함량은 현저히 줄어든 반면에 티타늄 전열관의 손상으로 인해 용출된 티타늄산화물의 함량이 증가하고 있다.

따라서 본 연구에서는 증기발생기 전열관에 티타늄산화물이 퇴적 할 경우, 이에 따른 증기발생기 전열관 재료인 Alloy 600의 공식 거동에 미치는 영향을 고찰하고자 하였다.

실험

본 실험에서는 Potentiodynamic Polarization법에 의해 과전위를 측정하였고, 사용된 시편은 Table.1과 같은 화학조성을 갖는 니켈 합금이다.

시편은 직경 9mm, 길이 10mm로 가공하여 한쪽 면에 5mm Tap을 만들어 시편지지대에 부착시킬 수 있도록 제작하였으며, 시편지지대가 Working Electrode의 부식거동에 미치는 영향을 최소로 하기 위해 시편지지대는 시편과 같은 Alloy 600재료를 인발하여 3mm봉으로 만든 후 Teflon봉으로 싸서 사용하였다.

시편 표면을 SiC No.2000 연마지와 5□m diamond paste로 표면상태가 동일하도록 연마한 후 Acetone으로 탈지하고 증류수로 세척하였다.

장치는 EG ＊ G사의 Potentiostat/Galvanostat Model 273A와 IBM PC를 이용하였으며, M352 corrosion software를 사용하여 자료를 얻었다.

분극실험 초기에 시편 표면에 생성되어 있는 산화물의 영향을 제거하기 위하여 -1000mV(vs. SCE)의 전위를 가하고 1∼2시간 동안 용액에 침지하여 개방 회로 전위(open circuit potential)상태로 유지한 뒤 부식전위를 측정하고 부식전위보다 250mV낮은 전위부터 1600mV까지 scanning하였다. 이 때 scan rate는 0.5mV/sec로 하였으며 reference electrode와 counter electrode는 각각 포화칼로멜전극과 고밀도 탄소봉을 사용하였다.

분극실험 후 시편의 표면을 charging 방지를 위해 Au coating을 한 후 주사전자 현미경(SEM)으로 표면에 발생한 pit의 morphology와 크기를 관찰하였다.

결과 및 고찰

Fig.1은 10, 100, 1000 및 10000 ppm의 chloride ion의 농도를 변화시키면서 potentiodynamic법에 의해 얻은 Alloy 600의 분극거동을 보여준다.  전체적으로 pitting corrosion과 같은 국부부식 현상을 나타내는 active - passive 영역은 보이고 있지 않지만 chloride ion의 농도가 증가함에 따라 부식전위가 감소하고 있다.

한편 일정전위 이상에서 전류밀도가 급격히 증가하는 전위를 공식전위(pitting potential)라 하는데 potentiostatic법에 의해 살펴본바 chloride ion의 농도가 증가함에 따라 공식전위 또한 active한 방향으로 감소하는 경향을 보이고 있다.

Fig.2는 1000 ppm의 chloride ion이 함유된 용액속에 sulfate ion의 농도를 변화시켜 이의 영향을 살펴보았다.

전반적으로 분극곡선의 형태는 Fig.1과 유사하지만 sulfate ion의 농도를 증가함에 따라 부식전위와 공식전위 모두 증가하는 경향을 보이고 있는데 이는 sulfate ion의 농도가 증가함에 따라 chloride pitting corrosion을 억제하기 때문으로 생각된다.

Fig.3은 ICP-AES용 Ti standard solution으로 사용되는 TiCl3 시약을 사용하여 Ti3+의 농도에 따른 분극곡선이다.

Fig. 3에서 보는 바와 같이 Fig. 1과 Fig. 2와는 다르게 뚜렷한 active - passive형태의 분극거동을 보여주고 있다.

초기 50 ppm의 농도를 제외한 나머지 농도에서의 분극거동은  Ti3+의 농도에 따라 부식전위 및 공식전위가 noble한 방향으로 증가하고 있다.

Fig. 4는 100 ppm의  Ti3+이 함유된 용액에 sulfate를 첨가하여 얻은 분극곡선이다.  Fig. 3과 같이 뚜렷한 active - passive 영역이 보이고 있으며,  sulfate ion의 농도가 증가 할 수록 passive 영역이 보다 넓은 전위영역에 걸쳐 나타나고 있다.

부식전위는 그다지 두드러진 변화는 보이고 있지 않지만 공식전위는 sulfate ion의 농도가 증가할 수록  증가하고 있다.

참고문헌

1. Dominion Eng., Inc, "Characterization of PWR Steam Generator Deposits",            EPRI- TR-106048, EPRI(1996)

2. A.K.Agrawal et al., "Pitting of Alloy 600 Steam Generator Tubes in Indian Point     No.3", Proceeding of the International Symposium on Environmental Degradation     of Materials in Nuclear Power Systems-Water Reactor, Myrtle Beach, South          Carolina, NACE, 223(1983)

3. Park In Gue, "KoRi-1 Steam Generator Tube Plugging Level Forecast", J. of the      Corrosion Science of Korea, Vol.24, No.2(1995)

Table 1. Chemical composition of Test Material

	Ni	Cr	Fe	C	Si	Mn	P	Mo	Cu	S	Ti	Al
Alloy 600 Rod	72.75	16.67	10.66	0.05	0.14	0.28	0.01	0.25	0.20	0.00	0.37	0.24