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LiBr 수용액 내 탄소강의 부식과 부동태 피막 형성에 표면처리가 미치는 영향

Effect of Surface Treatment on the Corrosion and Passive Film Formation of Carbon Steel in LiBr Aqueous Solution

초록/요약

LiBr 수용액을 사용한 3중 효용 흡수식 냉동기에서 고온재생기의 작동 온도가 상승함에 따라 탄소강 열교환기의 부식 문제가 더욱 심각해진다. 열교환기의 부식 문제를 줄이기 위해 쇼트피닝(Shot-peening)과 같은 다양한 표면처리 방법이 적용되고, LiBr 수용액에 부식억제제를 첨가해 부동태 피막(Passive Film)을 형성함으로써 부식을 억제한다. 쇼트피닝 공정은 피로 부식의 억제에는 유리한 것으로 입증되었지만, 공식(Pitting Corrosion)과 같은 국부 부식(Local Corrosion)에 미치는 영향은 거의 연구되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 쇼트피닝 가공이 탄소강의 부식에 미치는 영향을 파악하기 위해 두 가지 종류의 표면처리(무처리 및 쇼트피닝)된 시편을 사용하여 LiBr 수용액 내 탄소강의 부식 특성을 조사하였다. 실험을 위해 제작한 파이렉스 튜브에 탄소강 시편과 부식억제제(Li2MoO4)가 첨가된 63% LiBr 수용액을 주입하고 200℃로 설정된 고온 오븐에 투입하였다. 여러 부식 시간(500-2,500 시간) 동안 실험을 수행한 후, 중량법을 통해 부식량을 측정하여 전면 부식(Uniform Corrosion) 특성을 비교하였다. 그리고 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM)과 표면측정기(Contact Profiler)를 사용하여 최대 공식 깊이와 형상을 분석하였다. 또한 부동태 피막 형성 특성을 조사하기 위해 2,000시간동안 추가 실험을 진행하여, 부식된 시편의 표면과 단면을 FE-SEM과 에너지분산형 분광분석법(EDS)를 사용하여 분석하였다. 실험 결과, 쇼트피닝 가공이 탄소강의 전면 부식과 공식의 억제에 효과적인 것으로 판단되었다. 부동태 피막 분석 결과, 탄소강 시편에 형성된 부동태 피막은 두꺼운 MoO2층 및 얇은 Fe3O4층으로 구성된 이중층으로 확인되었으며, 무처리된 시편보다 쇼트피닝 가공된 시편에서 더 두꺼운 부동태 피막이 형성된 것이 관찰되었다. 또한 전면 부식과 공식 깊이를 분석한 결과, 쇼트피닝 가공된 시편의 전면 부식 깊이는 무처리된 시편에 비해 약간 얕았으며, 쇼트피닝 가공된 시편에서 무처리된 시편에 비해 훨씬 얕은 공식이 발생한 것으로 확인되었다. 쇼트피닝 가공된 표면이 부동태 피막의 형성에 유리하고, 이로 인해 부식 억제에 효과적이며 전면 부식보다 공식의 억제에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 이 연구의 결과는 LiBr 수용액을 사용하는 흡수식 냉동기에 부식 문제를 예측하고 감소시키는데 효과적으로 적용될 것으로 예상된다.

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초록/요약

In triple-effect absorption chillers using LiBr aqueous solution, corrosion problems of carbon steel heat exchangers become more serious as the temperature of the generator increases. To reduce the corrosion problems, various surface treatment methods are applied such as a shot-peening process, and corrosion inhibitor are frequently added into the LiBr aqueous solution to form passive films on the surface of carbon steel. Although a shot-peening process was proven to be beneficial in the fatigue corrosion, but its effect on local corrosion including the pitting corrosion has been rarely investigated. Therefore, in this study, corrosion characteristics of carbon steel in the LiBr aqueous solution were investigated for two kinds of surfaces(untreated and shot-peened) to figure out the effect of shot-peening process on the corrosion of carbon steel. Pyrex tube samples containing the carbon steel specimens and the 63% LiBr aqueous solution with corrosion inhibitor(Li2MoO4) were made and put into a high temperature oven set at 200℃. After various exposure times(500-2,500 hours), the mass loss by the corrosion was measured using the gravimetric method to compare uniform corrosion characteristics. Also, the maximum pit depth and shape were analyzed using the field emission scanning electron microscope(FE-SEM) and contact profiler. Also, additional corrosion experiments were carried out for 2,000 hours to investigate the characteristics of passive film formation. The surface and cross section of carbon steel were observed using FE-SEM and energy dispersive spectroscopy(EDS). As a result, the shot-peening process was quite effective in suppressing both the uniform corrosion and pitting corrosion. Also, it was found that the passive films formed on the surface of carbon steel have the characteristics of a double layer consisting of a thick MoO2 layer and thin Fe3O4 layer. A relatively thicker passive films were observed on the shot-peened specimens than the untreated ones. While the shot-peened specimens showed a slightly smaller uniform corrosion depth, they showed a much smaller pitting corrosion depth than the untreated ones. It is supposed that the shot-peened surface is more effective in passive films formation and preventing the pitting corrosion than the uniform corrosion. The results of this study are expected to be applied effectively to the absorption chillers using LiBr aqueous solution to estimate and reduce the corrosion.

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