Flow accelerated corrosion (FAC) is a process whereby the normally protective oxide layer on carbon or low alloy steel dissolved into a stream of flowing water resulting in increasing the corrosion rate. Major influencing factors that affect the FAC are flow velocity, temperature, pH, dissolved oxygen concentration, and steel composition. The experimental study described in this paper was focused on evaluating the FAC behavior of carbon steel according to environment conditions. Feasibility tests for the mitigation method against the FAC were also carried out with controlling the water chemistry and with applying the magnetic field.
A high temperature rotating cylinder electrode (HTRCE) and a water chemistry control system was developed to perform the electrochemical test in high temperature water environments. The main design concept of HTRCE is to assure stable operation of working electrode in a severe environment, to insulate electrode housing except working electrode surface against external fluid, and to extract corrosion parameter from the rotating cylinder to outside of the autoclave safely. The electrochemical corrosion potential (ECP) and current density were measured as a function of temperature and rotating speed using polarization monitoring. ECP values dropped at a rate of $-1.51 mV/^\circ C$ above $150^\circ C$, which may be come from the formation of magnetite on the steel surface. With increasing rotation of the RCE, the ECP shifted upward in all temperature ranges. This shift may be attributed to the diffusion enhancement of the oxidizing agents in the rapidly flowing of fluid. From the velocity exponent of the cathodic half-cell current density on the steel surface, it was evident that a mass transfer process first dominated the corrosion reaction at $150^\circ C$, and then an activation process partly controlled the corrosion kinetics with increasing temperature. From the results of corrosion experiment at high temperature water, HTRCE has been proved as an effective device to evaluate the velocity sensitivity of corrosion reaction in high temperature water.
An electrochemical analysis was performed to evaluate the effects of fluid flow and dissolved oxygen on the corrosion behavior of carbon steel and to correlate electrochemical aspect with the flow accelerated corrosion rate. In neutral pH water containing 2 ppb oxygen, the ECP and corrosion current density were increased with rotation of electrode. Corrosion current density showed similar tendency with a wall shear stress on the surface of electrode due to the fluid flow. The wall shear stress might cause a decrease in the mass transfer boundary layer thickness resulting in increase in the rate of the corrosion reaction due to faster diffusion of the soluble corrosion product into the bulk solution. When the oxygen concentration exceeds a threshold concentration, the cathodic current previously supplied by the hydrogen evolution reaction is substituted by an equivalent reaction due to oxygen reduction. Thus, the ECP increases up to the range of hematite which has a very low solubility and electric conductivity. The hematite formation would lead to inhibit flow accelerated corrosion.
The effects of a magnetic field on the FAC behavior of a low alloy steel were evaluated to develop a method to mitigate against feeder wall thinning. A magnet-attached rotating cylinder electrode and piping steel covered with simulated oxide film were used in potentiodynamic test and erosion test to determine the magnetic effect on electrochemical and erosional aspect of the oxide layer, respectively. An Electrochemical corrosion reaction was active in the magnetic field because the local mass transfer rate was increased by the magnetohydrodynamic force generated by a coupling of the electric and magnetic field. However, the magnetic field effect decreased with increasing temperature and rotation velocity. Those might be come from the facts that the thickness of the diffusion layer decreased with rotating velocity and the diffusion constant increased with increasing temperature. Actually, the erosion of oxide layer was restrained by the magnetic field, because eroded particles were re-precipitated on the worn oxide surface and interfered with the erodent when the magnetic field was applied.
From the test results, additional corrosion rate caused by fluid flow was inhibited above a threshold dissolved oxygen concentration. The FAC could be inhibited by optimizing the dissolved oxygen concentration. However, optimizing the water chemistry is easy to cause the adverse effect such as increasing the susceptibility of steam generator tubing to IGSCC. The mitigation method using permanent magnet which did not alter the water chemistry had been considered to reduce the FAC. The effect of the magnetic field on the electrochemical corrosion reaction was reduced with increasing temperature, while the erosive resistance of oxide layer is enhanced by the magnetic field. A permanent magnet may be possibly used as feeder wall thinning mitigation method for nuclear power plants.
유체가속부식 (FAC) 현상은 유체의 흐름으로 인하여 보호산화막의 용해가 촉진되어 결과적으로 부식속도가 증가하는 현상을 의미하며, 영향을 미치는 주요인자들로는 유속과 온도, pH, 용존산소량, 재료의 조성등이 있다. 본 논문은 원자력 발전소 배관재의 유체가속부식(FAC) 현상을 연구하기 위하여 회전원통전극(RCE)을 이용하여 운전 환경에 따른 탄소강의 부식거동 변화를 관찰한 결과를 싣고 있으며, 수화학 조절 또는 외부 자기장에 의한 FAC 저감 방안에 대한 가시화 실험의 결과를 수록하고 있다.
원자력 발전소 가동환경에서 SA106 Gr.C 강의 FAC 거동을 규명하기 위하여 고온 RCE를 개발하였으며, 온도 변화에 따른 전기화학적 부식 실험을 통하여 개발된 RCE가 고온 고압 수화학 환경하에서 수력학적인 인자가 FAC에 미치는 영향을 규명하는데 적합한 장치임을 확인하였다. 부식전위와 부식전류밀도의 변화는 온도의 변화에 따라 활성화 과정과 물질전달 과정의 조합으로 표현될 수 있다. 150℃ 이상의 온도 영역에서는 활성화 과정보다는 물질전달에 의한 이온 전달 과정이 전체 FAC 과정에 미치는 영향이 더 큰 것으로 판명되었으며, 150℃에서 속도의존 지수가 물질전달반응의 최대값에 도달한 사실은 150℃에서의 부식반응속도는 물질전달반응에만 의존한다는 것을 의미한다.
150℃ 중성 용액에서 고온 RCE 장치를 이용하여 수화학 조건에 따른 SA106 Gr.C 강의 전기화학적 부식거동을 측정한 결과, 낮은 용존산소 조건에서는 유속의 증가에 따라 SA106 Gr.C 강의 부식전위와 부식전류밀도는 증가하는 경향을 보였으며, 금속 표면의 표면 전단응력의 변화와 유사한 거동을 보였다. 실제 배관에 비하여 상대적으로 낮은 레이놀즈 수에서 난류 거동을 발생시키는 RCE의 특성에 의하여, 선속도가 2 m/s 이상인 경우에는 물질전달 경계층 두께의 변화에 따른 부식전류밀도의 증가는 미미한 것으로 보이며, 이때의 부식전류밀도 값은 활성 과정에 의해 결정되는 상태에 도달한 것으로 판단된다. 용존산소의 증가에 따라 부식전위가 자철광 생성 영역에서 적철광 생성 영역으로 증가하였으며, 그에 따라 분극저항이 증가하여 부식률이 감소하였다. 또한 자철광에 비하여 낮은 용해율을 갖는 적철광 층이 보호 피막으로 작용하면서, 용존산소 농도가 50 ppb 이하에서는 부식전류밀도가 일정부분 속도 의존성을 보이나 100 ppb 이상의 용존산소가 존재하는 경우에는 유속에 따른 영향은 급격히 감소되는 것을 알 수 있다. 270℃에서 유속과 용존산소량의 변화에 따른 SA106 Gr.C 강의 무게 변화를 통하여 수화학 조건이 탄소강의 FAC에 미치는 영향을 규명하기 위한 실험을 수행하였다. 대략 25 ppb 이상인 경우에서 유체의 흐름에 의한 추가적인 부식은 사라지는 것으로 나타났으며 이는 RCE를 이용하여 측정된 전기화학적 거동과도 일치한다. 150℃의 결과에 비하여 더 낮은 용존산소인 10 ppb 이상인 경우에 부식전위가 적철광이 안정한 영역으로 들어가는 것을 알 수 있으며, 10 ppb 인 경우에서도 유체의 흐름으로 인하여 부식전위가 증가하여 자철광이 안정한 영역에서 적철광이 안정한 영역으로 천이하는 현상을 보였다. 부식의 결과로 형성된 산화막은 이중층 구조를 가지고 있었으며, 용존산소의 존재로 인하여 자철광 층 위에 얇은 적철광 층이 존재하는 구조를 가지는 것으로 사료된다.
FAC 현상이 발생하는 기구를 산화막을 구성하는 자철광의 손실인 것으로 보고, 자기장을 이용하여 강자성인 자철광의 손실을 막아 산화막 감소를 억제하여 FAC를 감소시키는 방안을 모색해 보았다. 상온에서는 자기장의 강도가 증가함에 따라 부식전류밀도가 증가하였으나, 온도와 유속이 증가하면 자기장에 의한 부식전류밀도의 증가 폭은 줄어들었다. 이는 유속의 증가에 따른 확산 층의 두께 감소와 온도 증가에 따른 확산 계수의 증가로 인하여 자기장에 의한 추가적인 확산 정도가 줄어들기 때문인 것으로 풀이된다. 산화막의 표면에 자기장이 가해지는 경우, 침식된 산화막이 표면에 재 부착되면서 추가적인 침식을 억제하게 되어 침식률이 감소하는 것으로 나타났다. 자기장에 의한 침식률의 감소는 가혹한 환경일수록 크게 나타났다.
연구 결과에 따르면, 유체의 흐름으로 인한 추가적인 부식률의 증가는 특정 용존산소량 이상인 경우에는 사라지는 것으로 나타났다. 그러나 이러한 수화학 조건의 변화는 증기발생기 세관의 입계응력부식 민감도를 증가시키는 것과 같은 단점이 있으므로, 수화학 조건의 변화를 유발하지 않는 영구자석을 이용한 FAC 저감 방안을 모색하였다. 고온 수화학 조건인 경우, 자기장에 의한 부식증가율은 감소하고 지속적인 산화막 생성으로 인하여 침식률 억제 특성은 크게 나타날 것으로 판단되지만, 원자력 발전소에 직접 적용하기까지는 지속적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
