1. 서 론
지하매설 배관에 발생하는 미생물 부식(microbiologically influenced corrosion, 이하 MIC)은 토양 속의 미생물 존 재 환경에서 부식이 가속화되는 현상이다. 즉 금속 재 료의 MIC는 금속 및 용액 계면에 부착된 특정 미생물 의 존재에 의해 매개되는 전기화학적 부식 과정이다.1) 철 -미생물 부식에 관여하는 박테리아 종류로 황산염 환원 박테리아(sulfate-reducing bacteria, SRB), 황 산화 박테 리아(sulfur-oxidizing bacteria, SOB), 철 환원 박테리아 (iron-reducing bacteria, IOB), 산 생성 박테리아(acidproducing bacteria), 슬라임 생성 박테리아(slim-producing bacteria) 등이 존재하는데, 이중에서 SRB가 효율적인 전 자 전달 속도를 유도하여 MIC 주요 요인으로 간주된 다.2) 또한 철강 재질의 SRB로 인한 손실은 전체 MIC 의 50% 이상을 차지한다는 보고가 되어 있다.3)
최근에는 고착성 세포가 질산염 환원 박테리아(nitrate/ nitrite reducing bacteria, NRB)로 배양되는 경우 유기 탄소 고갈 상태에서 철강의 미생물에 의한 부식에 영향 을 더욱 크게 주는 것으로 보고된다.4,5) 이것은 질산염 /아질산염 감소가 모두 철 산화와 결합되어 미생물 성장 과 유지를 위한 에너지 생성과 함께 열역학적으로 유리 한 부식 공정을 제공하기 때문인데, 이러한 질산염/아질 산염 환원은 토양/해수 분위기에 따라서 황산염 환원보 다 훨씬 더 큰 환원 잠재력을 가지고 있음을 제시한다.5) Melchers 등은 매립 강재 및 해양 구조물에서 유발된 높 은 부식률이 질산염이나 암모늄과 같은 비료의 영양소 농도 증가로 인해 미생물 성장률이 증가하였기 때문인 것으로 보고하고 있다.1,6)
탄소강, 저합금강 및 스테인리스강에 유발된 MIC는 다 양한 형태로 나타나지만, 지하매설이나 해수 사용 철강 의 MIC 형태는 피트가 분화구 모양으로 움푹 패인 금 속 손실 형태로 나타난다.7-9) Enning은 지하매설 X80 배 관에서 용접부 주변의 열수축 시트 코팅이 벗겨진 지역 에 집중하는 분화구 모양의 피트 부식을 관찰하였는 데, 이곳에서 FeS/FeCO3부식 생성물이 측정되어 이것이 SRB에 의한 MIC인 것으로 분석하였다.9) 이외에도 X52 및 SS304 재질 매설 배관의 SRB 유도 MIC 사례가 보 고되었다.10,11)
탄소강이나 스테인리스강에 유발된 MIC는 표면에 부 식 생성물을 남기게 된다. X52와 같은 탄소강의 MIC 사례에서 부식 생성물은 황화철(FeS)과 산화철의 혼합물 로 둘러 쌓인 FeCO3로 구성된다. 사례에서는 SRB에 노 출된 금속 표면에 MIC 부산물로써 탄산염과 함께 탄소 원의 FeCO3및 P와 NaCl 침전이 발생될 수 있음을 보 여 준다. 연구의 부산물 EDS 분석으로부터 다량의 C/ O 및 S/Na/Cl 성분이 검출된 것은 이러한 MIC에 의한 부식 생성물 형성에 기인한 것으로 보인다.12)
J. Ress와 W. Liu는 스테인리스강인 SS304와 DSS 2205에서 MIC 부식 생성물의 EDS 측정 결과를 보고 하였다.13,14) SS304에 가해진 MIC의 경우 부식에 의한 부산물 성분은 다량의 산소와 탄소로 구성되어 있어서 이것이 산화물과 MIC에 의한 유기물 생성으로 추정하 고 있다.13) 또한 부산물 성분으로 다량의 Mg 및 Ca가 검출되어 이것이 탄산염 생성 가능성을 추정하게 한다. 듀플랙스 스테인리스강 DSS 2205에 유발된 MIC와 이 것에 의한 부산물의 EDS 분석에서도 다량의 C와 O 성 분이 검출되었다. 이것은 MIC에 의한 생물막 성분에 기 인 하는 것인데, SRB가 관련하는 MIC인 경우 다량의 S 성분 검출이 동반되며 급속한 부식을 유발시켰을 것 으로 추정하였다.14) 그런데 여기에서도 높은 Mg 및 Na 가 검출되어 이것이 탄산염 생성과 연계되는 것임을 추 정하게 하였다.
본 연구에서 초점을 두는 것은 MIC에 의한 부식 부 산물로써 N 성분의 집중에 대한 것이다. MIC 유발에 영 향을 주는 것으로써 SRB는 주요 요소인 것은 언급하였 다. 그런데 최근 연구들에서 이외에도 NRB (질산염 환 원 박테리아)가 미생물 성장에 더 큰 영향을 줄 수 있 음이 밝혀지고 있다.1,6) 즉 NRB에 의한 열역학적 구동 력이 SRB에 의한 것보다 훨씬 커서 NRB가 철에서 전 자를 얻고 더욱 공격적인 부식을 유발한다는 것이다.15) 이에 따라 탄소강에서 NRB가 관련한 MIC의 경우 부 식 생성물로써 FeN 및 Fe3N화합물이 표면에 형성된 분 석 결과가 제시되기도 하였다.16) 또한 DSS 2205 스테 인리스강의 MIC 부식에서 다량의 C/O와 더불어 N 성 분이 EDS로 검출되기도 하였는데 이것으로부터 NRB 에 의한 MIC 부산물 성분이 C/O/N 구성인 것을 보고 하였다.17,18) 그런데 이 논문에서도 MIC 부산물 EDS 분 석으로부터 다량의 Na가 검출되어 이것이 탄산염 생성 과 연계되는 것임을 추정하게 하였다.
본 연구에서는 십년 이상 지하매설 분위기에서 사용된 후 보수 교체된 X65 재질 배관을 가지고 이곳에 발생 된 MIC 현상을 분석하였다. 부식은 주로 배관 원주 용 접부의 열수축 시트 직하에 유발된 사례이다. 이에 대 해서 부식 형태의 마크로 분석과 부식 생성물 및 미세 조직 구성의 광학 및 주사전자현미경 분석을 수행하였 다. 이를 통하여 토양 속 미생물이 매설 배관 부식 거 동에 미치는 영향과 이에 대한 특징적인 부식 형태와 생 성물 상태를 규명하였다.
2. 실험방법
지하 매설 배관을 이용하여 미생물 부식 현상과 미세 조직 변화를 분석하였다. 연구에 사용된 배관은 지하매 설 10년 이상 경과한 것이며, 배관 재질은 API 5L X65 강으로 이것의 대표적인 화학성분은 Table 1과 같다. X65 성분은 일반 탄소강에 비하여 Mn 성분만 약간 높 은 특징을 지니고 있으며, 미량의 Nb, V, Ti 성분이 첨 가되어 결정립 미세화를 꾀한 강종이다. 또한 본 연구 에 사용된 PSL1 등급 재질은 표에서와 같이 C/Mn/P/S 의 네 성분만을 규정한다.
길이 6 m의 후판을 3롤 밴딩 굽힘 성형 후 길이 방 향으로 가스금속 아크 용접(GMAW, gas metal arc welding)과 서브머지드 아크 용접(SAW, submerged arc welding) 공정으로 자동 용접을 하고, 3층의 폴리에틸 렌 피복작업으로 외경 762 mm, 두께 17.5 mm의 배관 을 제작한다. 이러한 강관은 설치 현장으로 이송되고 지 하 1.5 m의 깊이에서 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW, gas tungsten arc welding) 및 피복 아크 용접(SMAW, shielded metal arc welding) 공정으로 원주방향 용접을 한 후 cold tape나 열수축 시트로 코팅하여 매설한다.
실험에 사용된 부식 배관에 대하여 먼저 실물의 마크 로 분석을 수행하였다. 이것은 부식 발생 양상을 진단 하는 것으로써 부식 형태 및 빈도와 더불어 부식 크기 (길이, 폭, 깊이) 등을 정량화한 것이다. 배관 부식 생성 물 및 미세조직 구성에 대해서는 광학현미경(OLYMPUS BX51M) 및 주사전자현미경(JEOL JP/JSM-7500F)을 이용 하여 관찰하였으며, 생성물의 화학성분은 EDS (AMETEK EDAX ELITE)로 분석하였다.
3. 실험결과
3.1. 초기 및 안정기 부식 형상
분석에 사용된 시료는 지하매설 10년 이상 경과한 배 관의 원주 용접부 지역 부식 발생 부위이다. Fig. 1에서 부식은 원주 용접부를 중심으로 양쪽에 분포하는데, 주 요 부식 형태는 점상의 피트가 다발적으로 발생된 지역 (Fig. 1의 A 부위)와 수 cm 크기로 분화구같이 움푹 패 인 지역(Fig. 1의 B 부위)로 대표된다.
Fig. 1
Visual observation of corrosion on pipe surface: A (pit cluster), B (crater), C (cluster coalescence).
이와 같은 Fig. 1의 부식 형태로부터 유추되는 매설 배 관 표면의 부식 형성 순서는 다음과 같다. 먼저 ①피트 의 개별 부식이 생성된다. ②개별 부식 피트는 Fig. 1의 A 부위와 같이 점상의 다발 부식 군집으로 발생된다. ③ 점상의 다발 부식 피트들은 Fig. 1의 B 부위와 같이 부 식 깊이 방향으로 합체 및 성장하여 움푹 패인 분화구 형태가 되는데 분화구 표면은 매끄러운 코팅막 유사층 으로 구성된다. 마지막으로 ④ 개별의 분화구는 길이 또 는 폭 방향으로 성장하여 두개가 서로 합체되어 C 부 위와 같이 성장한다.
이것은 그림에서 개별 분화구인 B1과 B2 사이에 피 트 군집의 A1이 존재하는 경우 계속적인 부식에서 A1 도 분화구 형태로 깊이 방향으로 성장하며 결국에는 “B1 + A1 + B2” 세 부위가 합체되어 C1 형태로 깊이/폭 방향으로 성장한다고 볼 수 있다. 즉 초기 피트의 다발 성 군집은 단일 분화구 형태로 발전하고 각 분화구는 합 체하여 성장되는 부식 형태를 보인다.
Fig. 1의 A 부위와 같이 다발성 피트 군집은 Fig. 2(a)와 같이 최대 1 mm 깊이의 금속 분실로 구성된다. 그리고 Fig. 1의 B 부위와 같은 분화구 형태 부식 단면 은 Fig. 2(b)와 같이 최대 깊이 4 mm의 금속 분실로 구성된다. 그런데 A와 B 부위의 부식 표면의 거칠기 정 도는 Fig. 2(c) 및 (d)와 같이 서로 다르게 관찰된다. 다 발성 피트 A 부위의 부식면에서는 Fig. 2(c)와 같이 50 μm 깊이의 부식 형상을 보이며 표면 전체에 걸쳐 발생 하고 있다. 이에 비하여 분화구 형태 B 부위의 부식면 에는 Fig. 2(d)와 같이 A 부위보다 매끄러운 20 μm 깊 이의 이하의 부식 형상을 나타낸다. 특히 B 부위의 경 사면에서는 평면보다 더욱 매끄러운 10 μm 깊이의 이 하의 부식 형상으로 구성된 특징을 보인다.
이와 같은 Fig. 1과 Fig. 2의 부식 거동을 종합하면 다발성 피트들이 집중된 A 부위는 부식 성장 속도가 크 고 진행성 부식의 거친 부식 표면으로 구성되다가, 부 식 깊이가 깊어지면서 다발성 피트는 서로 합체되어 분 화구 형태의 B 부위로 발전한다. 이때 B 부위의 부식 표면은 거친 정도가 크게 완화되어 부식 성장 속도가 감 소되는 것으로 추정된다.
3.2. 배관 표면 부식 성분 분석
배관 표면에 부착된 부식 생성물을 SEM/EDS로 분석 하였다. 배관 표면의 부식 형태는 Fig. 3과 같이 움푹 패인 분화구 지역과 그 주변의 부산물 부착 지역으로 구 분된다. 그림에서 부식 표면은 ① 분화구 표면(Surface 1, Surface 2), ② 철 산화물(Fe Oxide) 및 ③ 표면 미 생물 부식 부산물(Sur-MIC 1, Sur-MIC 2)로 구성된다. 여기에서 ① 분화구 지역은 비교적 매끄러운 표면이지 만 구 주변의 ② 산화물 및 ③ 부산물 지역은 거친 표 면이다.
각 지역의 성분을 EDS로 분석한 결과 ① 분화구 표 면인 Surface 1과 Surface 2은 주로 C (55.41 wt%, 52.58 wt%) 및 O (34.97 wt%, 38.52 wt%)로 구성되 었고, ② 철 산화물의 Fe Oxide는 38.38Fe-49.23O 성분 인 것을 알 수 있다. 그리고 MIC 부산물로 여겨지는 ③ Sur-MIC 1과 Sur-MIC 2에는 다른 지역과 다르게 고 농도 N이 검출되었다. 이곳의 주요 성분은 C (37.80, 38.88) 및 N (5.02, 5.93)인데 여기에는 Na/Ma/Ca 등의 수산화(OH) 화합물을 이루는 염기성 물질 성분이 비교 적 다량 측정된다. 이와 같은 고농도의 C, N 및 염기 성 물질 구성의 ③ Sur-MIC 지역이 MIC 부산물인 것 을 나타내며 이에 대해서는 4. 고찰에서 언급하겠다.
3.3. 배관 단면 부식층 분석
앞에 제시된 배관 표면에 발생된 부식 형태를 배관 단면에 대하여 관찰하였다. Fig. 4는 부식 배관의 단면 을 보여 주는 것인데, 그 표면은 띠 형태의 필름 지역 (Surface Film) 및 철 산화물(Fe Oxide) 지역으로 구분 된다. 그리고 일부 필름 지역 내부에도 철 산화물이 관 찰되어 산화가 기지 내부까지 진행된 것을 나타낸다.
이와 같이 Fig. 4에 구성된 각 지역에 대한 EDS 성 분 분석 결과는 Fig. 5와 같다. 배관 단면 표면 필름의 Surface 1과 Surface 2는 앞의 배관 표면에서 관찰된 분화구 Surface 주요 성분과 유사하게 주로 C (67.87, 62.43) 및 O (20.31, 14.13)로 구성되었고, 표면 또는 내 부에 생성된 Fe Oxide 5 및 Fe Oxide 9는 (44.45, 44.10)Fe-(43.69. 47.77)O 성분인 것으로 측정된다 (여기 에서 Surface 및 Fe Oxide 숫자는 Table 2와 Table 3 에 정리된 일련 번호에 해당함). 또한 Surface 필름과 Fe Oxide 중간 정도로 추정되는 “Sur-Fe-O” 지역은 19.82C- 68Fe-7.03O 성분인 것으로 측정된다.
Fig. 4와 Fig. 5에서 관찰되는 배관 단면 표면의 부식 은 Fig. 3의 배관 표면에서 직접 관찰되는 부식과 일치 되는 양상을 보인다. 즉 Fig. 3의 분화구 지역의 Surface 는 Fig. 4의 Surface Film 및 Fig. 5의 Surface와 고농 도 C/O 라는 성분 측면에서 동일한 것으로 보여진다. 또 한 Fig. 3의 Fe Oxide는 Fig. 4 및 Fig. 5에서 관찰되 는 Fe Oxide와 성분 측면에서 동일한 것으로 판단된다.
그런데 Fig. 3의 배관 표면 부식에서 관찰되는 고농도 N의 MIC 추정 지역 “Sur-MIC”은 Fig. 6의 단면 표면 에서 관찰된다. 그림에서 Surface 3는 앞의 Surface에서 관찰된 것들과 유사하게 고농도 C/O (65C-15.14O) 성 분인 것에 비하여, 이와 다른 부위 표면 지역 필름 형 태의 Sur-MIC 2 및 Sur-MIC 4에는 C/O 외에도 고농 도 N (2.46, 3.16) 성분이 집적된 것을 알 수 있다. 또 한 괴상의 Sur-MIC 8에는 16.95N 성분이 농축된 화합 물인 것으로 관찰된다.
고농도 N 성분이 집적되어 MIC로 추정되는 MIC 부 산물은 표면 직하 부위에도 형성되어 있다, Fig. 6에서 Inner MIC 3 및 Inner MIC 4가 이것을 보여 주는 것 인데, 여기에는 표면 Sur-MIC와 유사하게 C/O 외에 고 농도 N (3.62, 1.56) 성분이 측정된다. 그리고 MIC 추 정의 표면 부위 Sur-MIC와 내부 Inner MIC에는 이러한 C/O/N 성분 외에도 많은 경우 염기성 물질을 이루는 Na/Ca 성분 집적이 동반되는 것을 알 수 있다.
Fig. 7은 MIC 발생의 대표적인 지역을 보여 주는 것 이다. 그림에서 배관 단면의 부식은 표면 필름 형태의 MIC (Sur-MIC 1), 필름이 없는 지역의 철 산화물 (Fe Oxide 1) 및 내부 덩어리 형태의 MIC (Inner MIC 1 및 Inner MIC 2) 로 구분된다. 이 중에서 MIC 부산물로 추정되는 Sur-MIC 1, Inner MIC 1 및 Inner MIC 2으 로부터 고농도의 C/O/N 성분이 측정되며 여기에는 Ca 집 적이 동반된다. 이에 비해서 Fe Oxide 및 기지(Matrix) 에는 순수 Fe 와 O 외에 N 성분이 측정되지 않는다. 즉 유기물 성분의 C/O/N은 MIC 추정 부산물에만 집적 하는 것으로 확인된다.
3.4. 배관 표면 및 단면 부식층 분석
배관 부식에 대하여 앞에 제시된 배관 표면 부식(Fig. 3) 및 배관 단면 부식(Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7) 생성물 들의 EDS 분석 결과를 Table 2와 Table 3에 정리 하였다.
Table 2는 배관 표면 부식으로부터 측정되는 세 지역 의 EDS 분석 결과를 보여 주는 것이다. 배관 표면의 부 식은 Fig. 3과 같이 ① 분화구 표면(Surface), ② 철 산화 물(Fe Oxide) 및 ③ 표면 미생물 부식 부산물(Sur-MIC) 로 구성된다. 여기에서 ① Surface는 고농도 C/O를 함 유하는 평균 56.98C-32.71O 성분으로 측정되며, ② Fe Oxide는 평균 48.42Fe-39.46O 조성이다. 그런데 미생물 부식 반응 지역으로 추정되는 ③ Sur-MIC에서는 고농도 의 C/O와 더불어 특별히 고농도의 N (평균 3.57) 성분 이 측정된다. Sur-MIC의 N 성분은 다른 지역의 Surface 필름이나 Fe Oxide 및 기지(Matrix)에서 거의 검출되지 않는 것이다. 즉 N 성분의 집적은 MIC 추정 부산물에 서만 측정되는 특징으로 볼 수 있다. 또한 MIC 추정 부 위에서는 염기성 물질을 이루는 Na/Mg/Ca 성분이 평균 3.05/1.00/0.88 정도로 다른 부위에 비하여 N과 더불어 동반 집적된 것이 확인된다.
Table 3은 배관 단면 부식으로부터 측정되는 네 지역 의 EDS 분석 결과를 보여 주는 것이다. 배관 단면의 부 식은 Fig. 5, 6, 7과 같이 ① 표면 필름(Surface), ② 철 산화물(Fe O), ③ 표면 미생물 부식 부산물(S-MIC) 및 ④ 내부 미생물 부식 부산물(I-MIC)로 구성된다. 여기에 서 ① Surface는 고농도 C/O를 함유하는 평균 65.1C- 16.61O 성분으로 측정되며, ② Fe Oxide는 평균 48.52Fe- 42.41O 조성인데, 이것은 앞의 배관 표면 결과와 유사 하다.
이에 비하여 미생물 부식 반응 지역으로 추정되는 MIC 에서는 표면 부위(S-MIC) 및 내부(I-MIC) 모두에서 미 생물 부식으로 볼 수 있는 N 및 Na/Ca 집적이 관찰된 다. 이러한 고농도의 N (평균 6,18, 5.52) 성분의 집적 은 앞의 배관 표면 측정 결과와 같이 MIC 추정 부산 물에서만 측정되는 특징으로 볼 수 있다. 또한 MIC 부 위에는 염기성 물질인 Na와 Ca가 S-MIC와 I-MIC 부 위에서 각각 (1.41, 0.53) 및 (1.11, 2.88)로 측정되어 이 곳에 어느 정도 집적되어 있음이 확인된다.
4. 고 찰
지하매설 배관의 MIC 생성 여부는 다양한 방법으로 추정하고 확인할 수 있겠지만, 본 연구에서는 배관 표 면과 단면의 부식 부산물에 대한 SEM/EDS 분석으로부 터 이것을 유추하였다. 앞의 실험 결과를 종합하면 MIC 로 추정되는 물질은 모두 고농도의 C/O/N 성분을 함유 한다.
먼저 배관 표면(Fig. 3)과 단면(Fig. 5, 6, 7)에서 관찰 되는 고농도의 C/O 성분은 매설배관의 열수축 시트와 여 기에 토양 속 박테리아로 인해 유발된 MIC 부산물로 간 주된다. 탄소강의 MIC 부산물 성분으로 고농도 C의 탄 소원은 SRB (황산염 환원 박테리아)에 연계된 FeCO3생 성에 있다고 보고된다.12) C와 더불어 O 성분이 MIC에 집적된 분석 결과는 스테인리스강 부식에도 보고되고 있 는데, SS304와 DSS 2205 재질의 MIC 부식 성분으로 고농도의 C/O 집적이 측정되었다.13,14) 이에 따라 표2와 표3에서 배관 표면 및 단면 “Surface” 부위로부터 검출 되는 고농도의 C/O 성분은 SRB와 같은 토양 박테리아 에 의한 MIC 부산물로 판단된다. 그런데 배관 표면에 는 열수축시트가 코팅되어 있어서 매설 배관의 MIC 진 행 중에 시트의 C/O 성분이 부식 생성물과 연계된 것 으로 추정된다.
이와 같이 금속 합금에 발생되는 MIC는 많은 경우 SRB에 의해 유발된다고 알려져 있다.1-5) 특히 철강재의 SRB 유발 MIC로 인한 손실은 전체 MIC 손실의 50 % 이상을 차지한다고 한다.3) 즉 SRB 활동으로 발생하는 대 사 산물이 전기 화학적 부식 속도를 높이는 효과를 발 휘하여 MIC 부산물 및 금속 손실을 증가시킨다.1) 이와 같은 SRB에 의한 MIC 증거로 탄소강과 스테인리스강 의 부산물 성분으로써 고농도 C/O와 더불어 고농도 S 분석 결과가 보고되고 있다.12,14)
그리고 배관 표면(Fig. 3)과 단면(Fig. 5, 6, 7)에서 표 면 및 내부 MIC 생성물 “S-MIC/I-MIC”로부터 검출되 는 고농도 N 성분은 C/O와 다른 종류의 MIC 부산물 로 보여 진다. 즉 이것들의 측정을 평균한 Table 2와 Table 3으로부터 배관 표면의 S-MIC는 3.57N이고 배관 단면의 표면 부위 S-MIC 및 내부 I-SIC는 각각 6.18N 및 5.52N 정도로 집적한 것이 확인된다. 또한 여기에는 염기성 물질로써 Na/Mg/Ca 등의 동반 집적이 측정된 다. 이에 비하여 기타 표면과 철 산화물(Fe Oxide) 부 위에서는 N 성분이 거의 검출되지 않고 있음을 알 수 있다.
이와 같이 매설 배관이 토양 속 박테리아에 의해 당 하는 MIC를 배관 표면과 단면에 집적된 성분 분포로 비 교 측정하기 위하여 SEM/Mapping 분석을 수행하였다.Fig. 8은 배관 표면 부식 양상을 분석한 것인데, Fig. 8(a)의 두 개 타원 내부가 주변 지역과 다른 특징을 보 인다. 이곳에는 Fig. 8(b), (d)와 같이 Fe/N 성분이 집적 되어 있고, Fig. 8(c)와 같이 C는 오히려 결핍된 양상 을 나타낸다. 이것은 Fig. 8(f)의 “Surface-MIC” EDS 분석으로부터 고농도의 Fe/N 및 주변 표면보다 낮은 농 도의 C 성분 측정 결과와 일치한다. 이와 같이 타원 부 위 “Surface-MIC”에 고농도 N 성분 측정은 NRB에 의 한 MIC 반응이 활성화되어 MIC 부산물로 N 성분이 집 적된 것으로 정리된다. 또한 이 부위에 고농도 Fe 성분 이 집적된 것은 주변 보다 낮은 농도 C에 의한 상대적 인 고농도 Fe 조성으로 보여진다. 이외에도 Fig. 8(f)와 같이 고농도 N 성분 집적의 타원 부위에는 염기성 물 질인 Na/Mg 성분이 다량 동반되어 있어서, 이것이 SRB 또는 NRB에 의한 MIC 부식 생성물인 것을 간접적으 로 입증된다.12-14,17,18)
이외에 Fig. 8(c)와 같이 배관 표면 타원 주변 부위에 는 고농도 C 성분이 집적되며, Fig. 8(e)와 같이 O가 표 면 전반에 걸쳐 분포하는 것으로 관찰된다. 배관 표면에 고농도 C/O 성분의 집적 양상은 Fig. 8(g)에서 “Surface” EDS 분석으로부터 고농도 C/O 성분 측정 결과와 일치 한다. 이러한 배관 표면의 고농도 C/O 성분 물질 생성 은 탄소가 주성분인 열수축시트로부터 유발되는 SRB에 의한 MIC 부산물인 것으로 추정된다. 즉 배관 분석 준 비 과정 중의 산세에 의해 열수축시트가 완전 제거되었 다 할지라도, 열수축시트의 C 성분은 지하매설 사용 중 의 MIC를 유발하는 촉매로 작용하여 배관 표면에 잔존 한 것으로 보여 진다.12-14)
Fig. 9는 배관 단면 부식 양상을 SEM/Mapping으로 분석한 것인데, Fig. 9(a) 표면 부위의 타원 내부가 주 변 지역과 다른 특징을 보인다. 이것은 앞의 배관 표면 측정 결과와 유사하지만, 이곳에는 Fig. 9(d)와 같이 특 히 N 성분이 집적된 것이 확인된다. 이에 비하여 Fig. 9(b),(c)와 같이 Fe/C는 오히려 결핍된 양상을 나타낸다. 이것은 Fig. 9(f)의 “Surface-MIC” EDS 분석으로부터 고농도의 N 및 주변 표면보다 낮은 농도의 Fe/C 성분 측정 결과와 일치한다. 이와 같이 타원 부위 “Surface- MIC”에 고농도 N 성분 측정은 NRB에 의한 MIC 반응 이 활성화되어 MIC 부산물로 N 성분이 집적된 것으로 판단된다. 또한 이 부위가 저농도 Fe/C 성분으로 측정 되는 것은, 여기에 상대적으로 높은 N/O 성분이 집적되 었기 때문인 것으로 추정된다.
이외에 Fig. 9(c)와 같이 배관 표면 타원 주변 부위에 는 대체로 고농도 C 성분이 집적되며, Fig. 9(e)와 같이 O가 표면 전반에 걸쳐 분포하는 것으로 관찰된다. 배관 표면에 고농도 C/O 성분의 집적 양상은 Fig. 8(g)에서 “Surface” EDS 분석으로부터 고농도 C/O 성분 측정 결 과와 일치한다. 이러한 배관 표면의 고농도 C/O 성분 물 질 생성은 탄소가 주성분인 열수축시트로부터 유발되는 SRB에 의한 MIC 부산물인 것으로 추정된다.12-14)
최근 연구들에 따르면 이러한 철강재 MIC에 영향을 주는 요소로써 N 성분의 역할이 중요하다고 강조되고 있 다. 즉 N을 포함하는 질산염(NO3) 및 암모늄(NH4)는 MIC 성장률을 높이는데,1) 질산염 및 아질산염의 환원 률은 황산염 보다 훨씬 높은 잠재력이 있음이 보고된 다.5,15) 이와 같이 NRB (질산염 환원 박테리아)에 기인 하는 MIC 부산물 성분 분석 결과가 탄소강(C1018)과 듀 플렉스 스테인리스강(DSS 2205) 재질 부식에 제시되었 다. 먼저 탄소강인 C1018 쿠폰 XRD 분석으로부터 MIC 부산물인 FeN 화합물이 검출되어 여기에 고농도 N 성 분이 집적된 것을 보여 준다.16) 그리고 DSS 2205 EDS 분석으로부터 MIC 부산물 성분인 고농도의 C/O/N 검 출 결과가 보고 되어, N 성분은 MIC 발생의 주요 근 거가 되는 것을 입증한다.17,18)
MIC 부산물을 나타내는 주요 성분으로써 앞에 언급된 C/O/S/N 성분 외에 염기성 물질(Na/Mg/Ca 등)의 동반 집적이 보고되고 있다. 이에 대한 체계적인 연구 결과 는 아직 되어 있지 않지만 다양한 재질과 부식 조건에 서 염기성 물질의 동반 집적 연구로, M.Al Abbas는 탄 소강의 MIC에서 부산물 성분으로 C/O 외에 고농도 Na 성분 집적을,12) J.Ress는 SS304의 MIC 부산물로 고농도 Mg/Ca 성분의 집적을,13) W.Liu 등은 DSS 2205의 MIC 부산물로 고농도 Na/Mg/Ca/K 등 염기성 성분의 집적을 EDS 성분 분석의 결과로 보고하고 있다.14,17,18) 이외에 도 철강재의 MIC 부산물 주요 성분으로 다량의 P 검 출이 보고되는 경우가 있는데, 이것은 토양이나 해수 성 분이 연관되었기 때문인 것으로 추정된다.12,17) 이와 같 이 배관 표면(Fig. 3)과 단면(Fig. 5, 6, 7) 및 Table 2, Table 3에 제시된 “S-MIC/I-MIC”의 고농도 N 성분은 NRB (질산염 환원 박테리아)에 기인한 MIC인 것으로 판단된다. 또한 이 지역 생성물에 염기성 물질인 Na/Mg/ Ca 성분들이 동반 집적되는 것도 이것이 MIC 부산물인 것을 입증한다.
5. 결 론
1) 지하 매설배관의 부식은 ① 개별 피트 부식 → ② 점상의 다발 피트 군집 → ③ 움푹 패인 분화구 ④ 군 집 분화구 형태로 구성된다. 초기 부식인 다발성 피트 의 부식 표면은 거친 것에 비하여 분화구 형태 부식 표 면은 매끄럽게 관찰된다.
2) 배관 표면의 부식 양상은 ① 매끄러운 분화구 표 면(Surface)과 거친 표면의 ② 철 산화물(Fe Oxide) 및 ③ 표면 미생물 부식 부산물(Surface-MIC)로 구성된다. 여기에서 ① Surface는 고농도 C/O 성분이 평균(56/32 wt%) 정도로 집적된 지역이며, ② Fe Oxide의 주요 성 분은 평균 39Fe-48O로 측정된다. 그리고 ③ Surface- MIC 부위는 C/O 성분 외에 고농도 N (평균 3.57wt%) 이 검출되어 이것이 MIC에 기인한 것으로 보여 지는 데, 여기에는 염기성 물질인 Na/Mg/Ca 성분이 동반 집 적하고 있다.
3) 배관 단면의 부식도 표면 부식 양상과 유사하게 ① 표면 필름(Surface), ② 철 산화물(Fe O), ③ 표면 미생 물 부식 부산물(S-MIC) 및 내부 미생물 부식 부산물(IMIC) 로 구성된다. 여기에서 ① Surface는 고농도 C/O 성분이 평균(65/16 wt%) 정도로 집적된 지역이며, ② Fe Oxide의 주요 성분은 평균 48Fe-42O로 측정된다. 그리 고 ③ MIC 부위는 Surface와 Inner 지역으로 구분되는 데, C/O 성분 외에 고농도 N (평균 6.18/5.52 wt%)이 각각 검출되어 이것이 MIC에 기인한 것으로 판단된다. 또한 MIC 지역에는 염기성 물질인 Na/Ca 성분이 동반 집적되고 있다.
4) 배관 표면 및 단면 발생된 MIC는 고농도 N 성 분의 집적으로 유추된다. 고농도 N 성분 집적은 표면 (Surface)과 내부(Inner) 지역에 다발적으로 발생하고 있 으며, 여기에는 Na/Mg/Ca 염기성 물질이 동반 집적하는 것으로 측정된다. 따라서 지하 매설 배관 부식은 토양 의 NRB (질산염 환원 박테리아) 반응의 MIC에 기인한 것으로 추정된다.
5) 배관 표면 및 단면에서 관찰되는 고농도 C/O 성 분 집적의 Surface는 배관 표면 내부식 코팅층인 열수 축시트 성분과 강재가 연계된 토양 속 박테리아에 의한 MIC 부산물인 것으로 판단된다.
