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액체 냉각 시스템의 부식 방지
부식은 열 전달 표면의 스케일링으로 인한 시스템 열 성능 저하, 부식 침전물이 쌓여 파이프 직경 감소로 인한 유량 감소, 그리고 궁극적으로 부식 손상으로 인한 시스템 구성품 교체 필요성을 초래할 수 있습니다.
부식은 재료(일반적으로 금속)와 그 환경 간의 화학적 또는 전기화학적 반응으로, 금속과 그 특성이 악화되는 현상입니다. 먼저 화학적 부식을 논의한 다음 갈바닉 부식을 논의하겠습니다. 금속 부품의 부식은 물과 물/글리콜 냉각 시스템에 본질적 문제입니다. 대부분 금속은 물이 존재할 때 자연적으로 산화되기 때문입니다. 물에 용해된 산소는 대부분의 부식 과정을 가속화합니다. 폐루프 시스템에서 용존 산소는 시간이 지남에 따라 소비되며 더 이상 부식 위험을 초래하지 않습니다. 개방 루프 시스템의 경우 공기에 계속 노출되면 산소가 냉각수에 용해되어 개방 루프 시스템이 폐쇄된 장치에 비해 더 많은 부식 문제를 겪는 경우가 많습니다.
부식은 일반적으로 전면 부식과 국소 부식으로 분류됩니다. 전면 부식은 전체 표면에 걸쳐 균일하게 분포된 금속의 손실 현상입니다. 금속이 파열되기 전에 금속 손실률을 발견할 수 있기 때문에 일반적으로 금방 시스템 고장으로 이어지지는 않습니다. 국소 부식은 예측하기 어렵습니다. 일반적으로 점식으로 나타나며, 금속을 깊게 파고들어 공동이나 구멍을 형성할 수 있습니다. 국소 부식의 또 다른 일반적인 형태는 캐비테이션(공동 현상)이며, 이는 액체 내부에 증기 공간이 형성될 때 발생합니다. 이 과정은 금속 표면 근처의 국소 압력이 액체의 증기압 아래로 떨어질 때 발생합니다. 이러한 증기 기포가 붕괴하거나 내파하면 매우 큰 에너지가 생성됩니다. 이로 인해 시스템 구성 요소를 심하게 점식하여, 소음이 발생하며 펌프 효율이 저하됩니다.
부식은 많은 문제를 일으킬 수 있으며, 가장 심각한 것은 냉각제 누출로 이어질 수 있는 천공입니다. 다른 문제로는 표면 스케일링으로 인한 열 전달 감소가 포함될 수 있는데 이 현상은 금속이 냉각수 내의 산소, 염화물 및/또는 억제제와 반응한 뒤 금속 표면에 다시 침전되어 열 전달 장벽으로 작용하는 층을 형성할 때 발생합니다. 또한 미립자 필터의 막힘 및 기계적 씰 손상이 우려됩니다.
구리가 부식될 때에는 점식보다 일반 부식에 의해 더 자주 열화됩니다. 일반 부식은 보통 암모니아, 산소 또는 황 함량이 높은 유체에 노출된 구리를 부식합니다. 구리에 영향을 미치는 또 다른 부식원은 염화물, 황산염 및 중탄산염과 같은 유체에 용해된 염입니다.
알루미늄의 경우, 점식이 가장 일반적인 형태의 부식입니다. 점식은 보통 할라이드 이온의 존재로 인해 발생하며, 그중 염화물(Cl-)은 액체 냉각 루프에서 가장 흔히 발견됩니다. 공기에 노출된 할라이드 용액에서 알루미늄의 점식이 발생하며, 이유는 산소가 존재할 때 금속이 점식이 발생하는 전위까지 쉽게 분극되고 자연적으로 형성되는 보호 산화물 층 또는 막이 관통되기 때문입니다. 이 막은 pH가 약 4.0~8.5일 때 수용액에서 안정적입니다. 이 막은 자연적으로 자가 재생되며, 표면 산화막의 우발적인 마모 또는 기타 기계적 손상은 신속하게 복구됩니다. 이튼은 깨끗한 열 전달 표면을 유지하기 위해 알루미늄과 함께 물을 사용할 때 억제제를 강력히 권장합니다.
스테인리스 스틸은 일반적으로 부식성 환경에서 사용되지만, 알루미늄과 마찬가지로 산화 환경에서 고농도의 염화물(>100 ppm)에 영향을 받기 쉽습니다. 점식은 스테인리스 스틸 합금에서 가장 흔하고 손상이 큰 형태의 부식 중 하나이지만, 가능한 한 재료가 산소에 노출되고 염화물로부터 보호되도록 하면 방지할 수 있습니다. 크롬 함량이 높고 특히 몰리브덴과 질소가 많이 함유된 스테인리스 스틸은 점식 부식에 더 강합니다.
연구에 따르면 억제제가 들어 있지 않은 에틸렌 글리콜은 열, 산소 및 구리와 알루미늄 등 일반적인 냉각 시스템 금속이 있는 상태에서 글리콜산, 글리옥실산, 포름산, 탄산 및 옥살산의 5가지 유기산으로 분해됩니다. 구리와 알루미늄은 억제제가 들어 있지 않은 에틸렌 글리콜이 존재하는 상태에서 촉매 역할을 합니다. 그런 다음 이러한 유기산은 극한 조건(약 100°C 및 억제제가 들어 있지 않은 에틸렌 글리콜 용액에 산소를 기포로 주입하는 조건)에서 3주 이내에 구리 및 알루미늄을 화학적으로 공격하여 유체 내에 금속 유기 화합물을 형성하며, 이로 인해 파이프, 펌프, 밸브 등이 막힐 수 있습니다.
다른 자료에서는 구리와 알루미늄이 억제제가 들어 있지 않은 에틸렌 글리콜과 호환된다고 제시할 수 있지만, 일반적으로 이러한 권장 사항은 다양한 온도에서 다양한 금속에 대한 2주 화학적 호환성 연구에 기초한 것입니다. 억제제가 들어 있지 않은 에틸렌 글리콜은 일반적으로 극한 조건에서 3주 후까지 분해를 시작하지 않습니다. 이는 에틸렌 글리콜이 산성을 가진 억제제가 들어 있지 않은 에틸렌 글리콜로 분해될 수 있음을 의미하며, 이러한 물질이 금속을 부식시키고 용해시킬 수 있습니다.
일반적으로 부식은 pH 제어 및 부식 억제제 사용을 통해 감소시킬 수 있습니다. 억제제는 금속 표면에 부착되어 금속 표면을 부동태화하고 부식을 방지합니다. 또한 냉각 시스템 내부에 부식을 유발할 수 있는 유체가 정체된 구역을 방지하기 위해 안정적인 물 흐름을 유지하는 것이 중요합니다.
부식을 방지하기 위해 물의 질도 고려해야 합니다. 천연수의 부식 효과는 화학적 조성에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 염화물은 부식성이 있으며, 염화물이 100ppm을 초과하는 경우 수돗물 사용을 최소화하거나 피해야 합니다. 물의 경도도 고려해야 하는데, 경도가 칼슘과 마그네슘을 유입시켜 금속 표면에 스케일을 형성하기 때문입니다. 염화물 및 스케일 축적을 방지하기 위해 탈이온수, 탈염수 또는 유해한 미네랄과 염을 제거하기 위해 역삼투 과정을 거친 물을 적극 권장합니다. 적합한 부식 억제제는 탈이온수 또는 탈염수와 함께 사용해야 합니다.
각각 장점과 단점이 있는, 서로 다른 금속에 사용하기 위한 다양한 억제제가 있습니다.
열교환기와 콜드 플레이트는 물, 에틸렌 글리콜 및 수용액, 오일 등과 같은 열 전달 유체를 사용하여 한 곳에서 다른 곳으로 열을 제거하고 전달하는 냉각 응용 분야에 사용됩니다. 이러한 응용 분야에는 유체 및 유체 경로의 재료에 수천 가지 조합이 사용됩니다. 이러한 구성 요소에서 유체 경로 재료를 선택하는 주요 기준 중 하나는 재료의 내식성이어야 합니다. 부식은 침식 부식을 포함하여 다양한 형태로 나타납니다. 침식 부식을 최소화하고 시스템 성능과 수명을 최적화하기 위해 유체 특성과 재료 특성을 파악하는 것이 중요합니다.
침식-부식은 유체와 금속 표면의 상대적 운동으로 인해 금속의 부식 속도가 가속되는 현상입니다. 일반적으로 파이프 굴곡부 및 엘보, 튜브 수축 및 흐름 방향이나 속도를 변경하는 기타 구조에서 발생합니다. 이러한 유형의 부식 메커니즘은 유체의 연속 흐름으로, 금속 표면에서 보호막이나 금속 산화물을 제거하는 방식입니다. 이는 유체 흐름에 부유 물질이 있는 상태와 없는 상태에서 모두 발생할 수 있습니다. 부유 물질이 존재하는 경우, 효과는 샌드블라스팅과 매우 유사하며, 심지어 강한 막도 비교적 낮은 유체 속도에서 제거될 수 있습니다. 금속 표면이 노출되면 부식성 매체의 공격을 받고 유체 마찰로 인해 침식됩니다. 금속 산화물의 수동층이 충분히 신속하게 재생될 수 없는 경우, 상당한 손상이 발생할 수 있습니다.
일부 재료는 동일한 유체 조건에서 침식-부식에 대해 다른 재료보다 더 강합니다. 침식-부식은 구리 및 알루미늄과 같은 연질 합금에서 가장 널리 발생합니다. 냉각 응용 분야에서 유체의 유량을 높이면 냉각 성능이 향상될 수 있지만 침식-부식도 증가할 수 있습니다. 따라서 열교환기 또는 콜드 플레이트의 수명이 크게 감소하면서 성능 개선은 미미할 수 있으므로, 유량 증가가 열 성능에 얼마나 큰 영향을 미치는지 확인하는 것이 중요합니다.
| 물 | 권장되는 최대 물 유속 |
| 저탄소강 | 10ft/sec |
| 스테인리스 스틸 | 15ft/sec |
| 알루미늄 | 6ft/sec |
| 동선 | 8ft/sec |
| 90-10 큐프로니켈 | 10ft/sec |
| 70-30 큐프로니켈 | 15ft/sec |
침식-부식을 최소화하기 위한 몇 가지 방법으로는 디버링을 통해 파이프 내 유동선을 개선하고, 굴곡부가 더 큰 각도를 가질 수 있게 하며, 파이프 직경을 급격히가 아니라 점진적으로 변경하는 것이 있습니다. 다른 방법으로는 유속을 늦추고(난류 최소화), 용존 산소의 양을 감소시키고, pH를 변화시키며, 파이프 재료를 다른 금속 또는 합금으로 변경합니다.
사용된 유체 경로 재료 외에도 유체의 온도를 고려하는 것도 중요합니다. 고온에서는 침식-부식을 최소화하기 위해 유량을 낮추어야 합니다. 예를 들어, 일반적으로 물의 유속은 냉수의 경우 8ft/sec, 온수의 경우(최고 약 140°F) 5ft/sec를 초과해서는 안 됩니다. 수온이 일상적으로 140°F를 초과하는 시스템에서는 유속이 3ft/sec를 초과해서는 안 됩니다. 다른 일반적인 튜브 재료의 최대 권장 유속은 표 1을 참조하십시오. 다른 유체의 경우, 최대 허용 가능한 유체 속도는 다음으로부터 계산될 수 있습니다.
[주어진 유체에 대한 허용 속도] = [물에 대한 허용 속도] x ([물의 밀도/주어진 액체의 밀도])^(1/2).
모든 냉각 시스템에서 열 성능과 신뢰성/수명 사이에는 항상 트레이드오프가 있습니다. 유체 흐름이 증가하면 어느 정도까지는 냉각 또는 성능이 향상됩니다. 그 후, 증가된 유체 속도는 튜브 내부의 금속 표면을 빠르게 침식하고 부식시키기 시작할 수 있습니다. 설계자는 응용 분야에 가장 적합한 솔루션을 결정하기 위해 위에서 논의한 것과 같은 다양한 요소를 고려해야 합니다.
액체 냉각 루프의 구성품을 선택할 때는 재질 호환성과 개별 성능을 고려해야 합니다. 구리 튜브 열교환기와 결합된 알루미늄 튜브 콜드 플레이트가 열 요구 사항을 충족할 수는 있지만, 신뢰할 수 있는 냉각 회로는 아닙니다. 구리와 알루미늄은 전기화학 전위가 매우 다르기 때문에 냉각 시스템에서 결합하면 갈바닉 부식이 발생할 가능성이 높습니다. 갈바닉 부식(이종 금속 부식이라고도 함)은 금속을 침식하여 시간이 지남에 따라 누출을 유발합니다.
냉각 루프에서 전기화학적으로 접촉한 금속 재료가 갈바닉 전지 또는 배터리를 형성할 수 있습니다(그림 1). 갈바닉 전지에서는 전위가 서로 다른 두 금속이 연결되면 두 금속 사이에 전위차가 생깁니다. 전위가 더 높은 금속은 양극이 되고, 더 낮은 금속은 음극이 됩니다. 전류가 양극에서 음극으로 흐릅니다. 양극은 용해되어 이온을 형성합니다. 이러한 이온은 물로 이동하여 용액에 남아 있거나 전해질의 다른 이온과 반응합니다. 이 과정을 갈바닉 부식이라고 합니다.
갈바닉 전지에는 세 가지 요소가 필요합니다.
갈바닉 부식 속도는 두 금속 사이의 전위에 따라 달라집니다. 갈바닉 계열(그림 2)은 흐르는 해수에서 금속이 나타내는 전위를 기준으로 금속을 순서대로 나열합니다. 가장 반응성이 높은 금속은 표의 상단에 있고 가장 반응성이 낮은 금속은 하단에 있습니다.
냉각 루프에서 발생할 가능성이 높은 온도 상승은 갈바닉 부식을 가속화합니다. 온도가 10°C 증가하면 부식 속도가 약 두 배가 될 수 있습니다. 부식 억제제를 냉각수에 첨가할 수 있습니다.
이는 갈바닉 부식을 늦추지만 제거하지는 않습니다. 부식 억제제는 용액 내 이온과 결합하여 이온을 중화시킵니다. 억제제는 이 과정에서 소비되므로 정기적으로 교체해야 합니다. 오일과 같은 비수성 냉각제는 이온이 존재하거나 운반하지 않기 때문에 갈바닉 부식이 없습니다. 그러나 열 전달 오일의 열전도율은 일반적으로 수계 냉각제보다 상당히 낮기 때문에 열 성능을 희생하게 됩니다.
갈바닉 부식을 방지하려면 동일한 재료 또는 냉각 루프 전체에 걸쳐 전위가 유사한 재료를 사용하는 것이 좋습니다. 배관, 커넥터 및 기타 구성 요소가 시스템에 반응성 금속을 유입시키지 않도록 해야 합니다.
회로 전체에서 동일한 재료를 사용한다고 해서 성능을 희생해야 한다는 의미는 아닙니다. 이튼은 알루미늄, 구리 및 스테인리스 스틸 유체 경로가 있는 고성능 열교환기 및 콜드 플레이트를 제공합니다.
이튼의 응용 엔지니어는 구성 요소 재료 호환성에 대해 상담할 수 있습니다. 신중한 설계와 부품 선택을 통해 냉각 루프에서 수년간 신뢰할 수 있고 부식이 없는 서비스를 보장할 수 있습니다.
액체 냉각 루프의 구성품을 선택할 때는 재질 호환성과 개별 성능을 고려해야 합니다. 구리 튜브 열교환기와 결합된 알루미늄 튜브 콜드 플레이트가 열 요구 사항을 충족할 수는 있지만, 신뢰할 수 있는 냉각 회로는 아닙니다. 구리와 알루미늄은 전기화학 전위가 매우 다르기 때문에 냉각 시스템에서 결합하면 갈바닉 부식이 발생할 가능성이 높습니다. 갈바닉 부식(이종 금속 부식이라고도 함)은 금속을 침식하여 시간이 지남에 따라 누출을 유발합니다.
알루미늄은 내식성이 있는 것으로 유명합니다. 적절한 조건에서 알루미늄은 빠르게 보호 산화층을 형성합니다. 일반적으로 이는 산소를 쉽게 이용할 수 있고 주변 매질의 pH가 중간 정도일 때 발생합니다. 알루미늄 부식에는 균일 부식과 국소 부식의 두 가지 일반적인 형태가 있습니다. 균일 부식은 산화물 층이 부식성 매질에 용해될 때 발생합니다. 산화막은 알칼리 용액과 강산에 용해되지만 pH 약 4.0~9.0 범위에서는 안정적입니다. 균일 부식에서는 전체 산화물 층이 재형성될 수 있는 속도보다 더 빠르게 제거됩니다. 일반적으로 점식 형태의 국소 부식은 모재 또는 주변 환경에 불균일성이 있을 때 발생합니다. 금속에는 갈바닉 쌍을 형성하는 합금 원소가 국소적으로 농축되어 있을 수 있습니다. 유사하게, 주변 환경에도 염화물과 같은 활성 원소가 국소적으로 농축되어 있을 수 있습니다.
액체 콜드 플레이트 및 열교환기는 다양한 유체와 함께 사용되며, 일반적으로 동일한 유체를 재순환하는 방식이 포함됩니다. 알루미늄 콜드 플레이트 및 열교환기에 사용해서는 안 되는 유체 중 하나는 물입니다. 수돗물에는 구리, 중탄산염, 염화물 및/또는 부식을 촉진하는 기타 불순물과 같은 활성 이온이 함유될 수 있습니다. 또한 폐루프에서 시간이 지남에 따라 동일한 유체를 재순환하면 용존 산소가 용액에서 빠져나오게 됩니다. 이로 인해 산소가 부족해지면 산화물 층의 형성이 억제됩니다. 충분한 시간이 지나면, 알루미늄은 산소로부터 차단되고 저품질의 물에 노출될 경우 결국 부식됩니다.
열전달 시스템에서 물을 선호하는 경우, 증류수는 일반적으로 빙점을 낮추고 끓는점을 높이기 위해 글리콜과 혼합됩니다. 이 시나리오에서는 액체 콜드 플레이트 및 열교환기를 보호하기 위해 부식 억제제를 넣어야 합니다. 부식 억제제는 내식성 층을 형성하는 데 있어 산소의 역할을 대신하는 제어된 양의 활성 이온(일반적으로 인산염)입니다. 이 억제제는 알루미늄과의 화학 반응에 의존하기 때문에, 수돗물과 같은 저품질의 물을 사용하면 억제제의 효과가 감소합니다.
합금 선택이 높은 내식성을 위한 핵심 요소입니다. 예를 들어, 판-핀 열교환기 내의 유체 통로를 분리하는 브레이즈 시트는 일반적으로 전체 시트 두께의 약 10%를 차지하는 내부 코어 및 외부 클래드 층으로 구성됩니다. 클래드 층은 브레이즈 시트를 고온 및 저온 핀 모두에 결합하고 브레이즈 시트를 측면 막대에 결합하는 브레이징 합금입니다. 진공 브레이징 합금은 실리콘 및 기타 원소를 사용하여 합금의 융점을 낮춥니다. 브레이즈 합금은 코어보다 더 양극성이기 때문에, 브레이즈 합금은 음극 보호, 즉 부식 보호를 제공합니다.
음극 보호는 수십 년 동안 선박 건조 사업에 사용된 개념입니다. 강철로 만든 선체의 경우 아연과 같은 활성 원소로 만든 플러그를 사용하여 선체를 보호합니다. 아연은 강철보다 활성이 높기 때문에 강철보다 더 빨리 부식됩니다. 알루미늄의 합금 원소 중 3xxx 및 6xxx 시리즈와 같이 구리와 철을 최소한 함유하는 합금은 내식성이 가장 좋습니다.
콜드 플레이트 및 열교환기 설계에는 다른 고려 사항이 있습니다. 내부 유체 정압 및 외부 응력은 핵심 구성 요소에 응력을 가합니다. 이러한 응력 때문에 종종 브레이즈 시트 및/또는 핀에 고강도 합금(6xxx 시리즈)을 사용해야 합니다. 브레이즈 시트 두께는 성능, 무게 및 부식 방지 사이의 트레이드오프입니다. 두꺼운 브레이즈 시트는 무겁고 열 성능을 감소시킵니다. 얇은 브레이즈 시트는 응력을 견딜 수 있는 강도가 낮고 부식 방지 기능이 적습니다. 부식성 환경이 존재하는 경우 얇은 브레이즈 시트는 두꺼운 시트보다 공격을 견딜 수 있는 시간이 짧습니다.
제조 공정 동안 콜드 플레이트 및 열교환기는 순수한 물을 이용해 수압 테스트를 실시할 수 있습니다. 그러나 물을 검사를 수행하는 데 필요한 시간보다 더 오래 장치에 남겨 두지 않아야 합니다. 물 부식 가능성을 없애기 위해서는 철저한 건조 과정이 매우 중요합니다. 기포 테스트 또는 가스로 장치를 가압하고 물에 담그는 방법은 업계 전반에 널리 사용됩니다. 이 방법에서는 테스트 후 외부 표면을 건조시켜야 합니다.
물/글리콜 콜드 플레이트 또는 열교환기를 작동할 때는 유지보수 계획을 세우는 것이 중요합니다. 일반적인 유지보수 활동은 시스템을 플러싱하고 억제제가 포함된 에틸렌 글리콜과 물을 적절한 비율로 혼합하여 다시 채우는 것입니다. 이는 운영 평가 단계 동안 시스템 수준 테스트를 통해 결정된 간격으로 정기적으로 수행해야 합니다. 주기적으로 유체의 pH 및 굴절률을 측정해야 합니다. 이러한 측정값은 시간이 지남에 따라 변합니다. 이러한 측정값을 바탕으로 플러싱 빈도를 결정할 수 있습니다.
배치 중에 냉각수 시스템에 추가 냉각수를 보충하는 것이 일반적인 방법입니다. 글리콜 농도가 억제제를 효과를 무효화할 정도로 희석되지 않는 한, 이 관행은 콜드 플레이트 또는 열교환기에 해가 되지 않아야 합니다. 억제제 효과는 보충수 수질, 유체 루프의 기타 금속 유형 및 시스템 내 억제제의 사용 기간에 따라 달라집니다. 보충한 후에는 유체의 pH를 모니터링하도록 권장합니다. pH가 4.0 미만으로 떨어지거나 9.0을 초과하는 경우 가능한 한 빨리 시스템 플러시/충진을 수행해야 합니다.
내식성은 콜드 플레이트 또는 열교환기 설계 단계부터 시작됩니다. 알루미늄 콜드 플레이트 또는 열교환기의 수명을 극대화하는 유지보수 절차를 개발하는 것도 중요합니다.
부식을 완전히 막을 수는 없지만 이를 크게 제한할 수 있는 방법이 있습니다. 적절한 유체 경로 재료를 선택하고, 용액 화학(특히 pH 수준 및 수질)을 모니터링하고, 적절한 억제제를 선택하면 부식으로 인한 비용 영향을 최소화하고 수년간 액체 냉각 루프를 효과적으로 작동할 수 있습니다.
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