매설배관 건전성평가

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매설배관 건전성평가

  1. 1. 매설배관 건전성평가Pipeline Integrity Assessment 코렐테크놀로지㈜ 이선엽
  2. 2. 매설배관 부식관리의 중요성 부식이란? 재료가 환경과의 작용에 의하여 본래의 특성을 상실하는 현상경제적 중요성 안전 환경의 측면 • 미국의 경우 GNP의 약 • 부식에 의한 안전사고 4%가 부식으로 인한 비용 발생 가능성 (1999년) • 매설배관에서는 • 이 중 1/3 정도가 진단 및 가스누설에 의한 폭발 사고 방식에 의하여 절감 가능 발생 • 매설배관 누설에 의한 • 누설에 의한 토양오염과 공장 가동 중지 가능성 복구
  3. 3. Summary of Incident Causes ASME Causes of Gas Transmission Incidents Third Party Damage External Corrosion Internal Corrosion Natural Forces Misc Incorrect Operation I tO ti Unknown Other Failures Non-Pipe Constr/Instal Pipe Mfr Prev. Damgd Pipe MalfunctionStress Corrosion Cracking Vandalism 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 Avg Annl Incidents, 85-01
  4. 4. COST OF CORROSION $5.0 bil. $5 0 bil Department of Transportation (DOT), USA, 2001 ($276 bil.)4
  5. 5. Cost Estimate Example – Offshore PNG Pipeline Cost (US $ Million) C Milli ) Category 7.4 MPa 8.4 MPa 10 MPa 12 MPaBare Pipe Materials 374.1 314.4 296.5 228.8External Coating 44.1 44.1 44.1 42.0Internal Coating 21.2 21.3 21.2 21.2Weight Coating 67.2 67 2 63.7 63 7 57.8 57 8 54.0 54 0Cathodic Protection 20.7 20.5 20.5 20.2Pipe Laying 80.7 78.1 80.8 80.8Dredging& Backfill 17.7 17.1 16.8 16.1Mobil. & Demobil. 8.4 8.4 8.4 8.4Total 634.1 634 1 567.6 567 6 546.1 546 1 471.5 471 5 10 – 15% of total direct construction cost for corrosion protection (coating + CP) (Cited from “Feasibility Study Report for Irkutsk PNG pipeline”)
  6. 6. 부식의 경제성
  7. 7. CASE HISTORIES ON UNDERGROUND CORROSION Corrosion on the pipeline Corrosion on the bottom plates of aboveground storage tank
  8. 8. CORROSION IN ANAEROBIC SOIL
  9. 9. 매설배관의 부식 Chemical/microbiological corrosion  방식불량/미방식배관  토양환경의 부식성에 의존 Electrical corrosion  간섭전류에 의한 미주전류부식  미주전류의 크기가 자연부식전류에 비해서 매우 크기 때문에 짧은 시간에 배관의 열화 발생 가능 10
  10. 10. 토양환경조사의 중요성  토양부식은 토양환경의 부식성에 크게 의존  토양환경조사를 통해서 부식성(corrosivity)을 파악하고 집중적인 관리가 필요한 지점 파악  정량적인 토양환경분석을 통한 부식속도의 예측  육안으로 부식상태를 관찰할 수 없으므로, 부식성에 대한 사전예측, 관리가 매우 중요함
  11. 11. 부식속도 vs. 주요 부식인자 3 3 3 P/S Disbonded area Sulfate 2 2 2P0 P0 P0 1 1 1 0 0 0 -2.0 20 -1.8 18 -1.6 16 -1.4 14 -1.2 12 -1.0 10 0 20 40 60 80 100 120 10 0 1 10 2 10 3 10 4 10 P/S (V/CSE) Disbonded Area (cm ) 2 2- [SO4 ] (mg/g of soil) 3 pH SRB Resistivity 2 2 2P0 P0 P0 1 1 1 0 0 4 5 6 7 8 9 10 3 4 5 6 7 8 9 0 10 10 10 10 10 10 10 10 1 10 2 3 10 4 10 pH SRB (cells/g of soil) Resistivity (Ohm.cm)
  12. 12. 토양 부식성 평가 Soil Resistivity• Wenner 4-Pin Resistivity Measurement I E S S S  단위면적당 단위길이로 전기가 흐를 때의 저항 저항.   = R·A/L (Ω·cm)  전해질(토양)이 전기를 전달할 수 있는 능력  토양부식성을 평가하는 지표로서 널리 사용
  13. 13. 토양비저항 측정방법  4-pin method  현장에서 측정  평균적인 값  Soil box  채취한 시 시료  국부적인 값
  14. 14. SOIL RESISTIVITY SURVEY: EQUIPMENTS
  15. 15. 비저항측정시 주의사항 Soil pin이 배관과 평행하게 위치한 경우  실제보다 작은 비저항이 측정됨.  일부 전류가 저항이 작은 배관을 타고 흐르기 때문.  배관에 수직으로 핀을 위치시키거나  수평으로 할 경우에는 적어도 a/2 이상 이격시킬 것.
  16. 16. 최대부식속도와 토양비저항  현장 데이터를 통해서 약 5 000 ohm cm를 5,000 ohm.cm를 기준으로 부식발생  토양시료를 채취하지 않고 비파괴적으로 손쉽게 측정이 가능  피복손상부 보수 기준으로 활용
  17. 17. 토양 부식성 평가 (예) 1.E+06 1.E+05 1 E+05 Soil Resistivit (Ω.cm) ty 1.E+04 S 1.E+03 corrosive 1.E+02 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Distance (km)
  18. 18. 특수지역의 비저항측정 비저항측정 유발 요인 AB A, A B중 비저항측정 위치는? 19
  19. 19. SOIL RESISTIVITY SURVEY: DEPENDENCY ON SOIL DEPTH A. 균일한 토양. B. 상부엔 비저항이 작은 토양. 하부로 갈수록 비저항이 커진다. C. 하부로 갈 수록 비저항이 작아짐. D. 토양 조건이 가장 나쁨 20
  20. 20. SOIL RESISTIVITY SURVEY: BARNES METHOD 깊이에 따른 각 토양층의 비저항 결정 방법 T h1 1 h2 2 h3 3 S h4 4 h5 5 1 1 1 1 S      R R1 R 2 Rn 21
  21. 21. SOIL RESISTIVITY SURVEY: BARNES METHOD 배 의 매설 배관의 매설심도가 4m인 가 1 1 1   경우 R 4 R 2 R 2 4 R2  R4 1. 2m, 4m 심도의 저항 측정 R 2 4  (R2, R4) R2 R4 2. R2-4 계산 R2  R4 2 4  400   3. ρ2-4 계산 R2 R4 22
  22. 22. SOIL RESISTIVITY SURVEY: BARNES METHOD  계산 예  Pin간 거리가 2m인 경우의 저항 R2 = 6.3Ω  Pin간 거리가 4m인 경우의 저항 R4 = 1.3Ω  2m까지의 평균비저항 ρ2= 2π·200·6.3=7,917 Ω ·cm  2m까지의 평균비저항 ρ4= 2π·200·6.3=3,267 Ω ·cm  ρ2-4 = 400π·(R2·R4)/(R2-R4)  = 400π·(1.3·6.3)/(6.3-1.3) 00 ( 3 6 3)/(6 3 3)  = 2,061 Ω Test data Barnes Analysis a (cm) R (Ohms) Avg. ρ 1/R ∆(1/R) Layer R Layer ρ 200 6.3 7,917 0.16 - 6.3 7,917 400 1.3 3,267 0.77 0.61 1.64 2,061 23
  23. 23. SOIL RESISTIVITY SURVEY: BARNES METHOD Test data Barnes Analysis a (cm) R (Ohms) 1/R ∆(1/R) Layer R Layer ρ 150 1.1 0.91 - 1.1 1,040 300 0.89 1.1 0.19 5.3 4,995 450 0.46 2.2 1.1 0.91 858 600 0.14 0 14 7.1 71 4.9 49 0.20 0 20 190 750 0.083 12 4.9 0.20 190 900 0.076 13 1.0 1.0 94Ref.) T.H. Lewis, Jr., Deep Anode Systems, NACE (2000) p.7-11 24
  24. 24. 미생물학적 인자  미생물의 작용에 의해서 금속재료의 부식이 가속화되는 현상  토양환경에서는  혐기성 조건  중성  낮은 토양비저항  유기물 함량이 클 때  황산염환원세균(sulfate 황산염환원세균(sulfate- reducing bacteria; SRB)
  25. 25. CORROSION IN ANAEROBIC SOIL
  26. 26. SULFATE-REDUCING BACTERIA (SRB) SO42- SO42 + ATP 2- APS + PPi Pi Enters cell 2e- SO32- + AMP H+ S2O52- Metabisulfite 2e- Outside cell S2O42- Dithionite S2- S2O32- S3O62- Trithionate 2e- 2e- Thiosulfate •Anaerobic bacteria •Neutral environments •Reducing sulfate to corrosive sulfides 27
  27. 27. SRB Population vs. Soil Key Parameters p y 9 9 9 10 10 10 10 8 Resistivity 10 8 8 10 Redox potential 7 7 7 10 10 10 6 6 ells/g of soil) 10 10 cells/g-soil) cells/g-soil) 6 10 5 5 10 10 5 10 4 4 10 10 SRB (cSRB (ce SRB (c 4 10 3 3 10 10 3 10 2 2 10 10 2 10 10 1 1 10 10 1 10 0 Clay content 0 10 2 3 4 5 6 10 10 10 10 10 0 10 20 30 40 50 60 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8  ( ·cm) Clay Content (%) Eh (V/NHE) 9 9 10 10 8 10 8 10 Anaerobic, 7 10 7 10 10 6 Neutral, /g-soil) /g-soil) 10 5 10 6 High clayey, Low resistivity, L i ti it SRB (cells/ APB (cells/ 4 10 5 High water content 10 3 10 4 10 2 10 3 1 10 10 0 Water content APB 2 10 10 2 3 4 5 6 7 8 9 0 10 20 30 40 50 10 10 10 10 10 10 10 10 Water Content (%) SRB (cells/g-soil)
  28. 28. Corrosion vs. E C i Exposure Ti Time A -0.4 04 25μm SRB -active Biocide added C 2 A -active PB V/SCE) -0.6 Counts (Arb. Unit) U Ecorr (mV 1 O Fe P -0.8 20μm S Fe Fe C AlSi 0 0 2 4 6 8 10 Energy (keV) -1.0 10 0.4 orrosion Rat (mm/y) 0.36m /y m 0.3 B D te 0.2 2μm 0.1 2.0 20μm Co 2.0 1.5 S 0.0 O Counts (Arb. Unit) 1.5 0 50 100 150 200 Fe 1.0 Tim (Day) eCoun (Arb. Unit) Fe Fe 1.0 O S 0.5 C P nts Si Fe 0.5 Fe Si 0.0 P 0 2 4 6 8 10 C Al Fe Energy (keV) 0.0 0 2 4 6 8 10 Energy (keV)
  29. 29. MIC in Aerobic Condition 2.0 1.5 Arb. Unit) 1.0 Fe O S Counts (A 0.5 Fe Si P C Al Fe 0.0 00 0 2 4 6 8 10 Energy (keV) 소화수배관 내에 장기간 정체된 오염된 물에 의한 배관 부식 및 SRB 활동
  30. 30. CP와 미생물부식CP와  SRB-active soil  Ref.) K. Kasahara, et al., Corrosion, 55(1) (1999) 742H 2O  2e   H 2  2 OH   The change of local chemistry at metal surface, inducing an increase of pH.  Effective tool for prevention of SRB- induced MIC in soil. 31
  31. 31. CP vs. MIC vs 3 2 P0 1 0 -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 P/S (V/CSE) Despite of coating and CP, MIC occurred. All corrosion occurred the region under the disbonded coating.
  32. 32. 피복박리 부위의 방식 Pt & Reference ~15cm depth 15cmRef1 Pipe Ref2 Pt 1. Ref 1 vs. Pipe 2. Ref 2 vs. Pipe 3. Ref 2 vs. Pt 33
  33. 33. 피복박리 부위의 방식 Potential mV vs. Cu/CuSO4 P/S -1430 (-1200) In Crevice I C i -610 ( 500) 610 (-500) Pt Electrode -480 480 Redox -160 (vs. NHE)*1 *1. At pH 7 34
  34. 34. 정성적 평가법의 예 – ANSI/AWWA법 평가항목 평점토양비저항 < 700 700 - 1000 10 8  수도용 주철관의 방식조치 1000 - 1200 5 여부(polyethylene 1200 - 1500 1500 - 2000 2 1 encasement)를 결정하기 > 2000 0 위한 지표pH 0-2 5  총점이 10점 이상이면 2-4 3 부식성이 크다고 판단 4 - 6.5 0 6.5 - 7.5 0** 7.5 - 8.5 0 > 8.5 3산화환원전위 (mV) > 100 0 50 - 100 3.5 0 - 50 4  DIN 50929가 조사항목도 <0 5 많고, 비교적 상세한 조사를황화물 (sulfide) positive ii 3.5 3 거쳐서 부식성 평가 trace 2 negative 0습기 (moisture) 배수성(drainage) 나쁨, 항상 젖어 있는 상태 2 배수성 보통 일반적으로 젖어 있음 보통, 1 배수성 좋음, 일반적으로 건조 상태 0 35
  35. 35. CORROSIVITY MAP (영국 사례) 부 식 성 증 가 36
  36. 36. 정량적 평가법 Corrosion of Steel in Soil Environment n epth/mm) P=kt  토양부식속도에 대한 경험식 ximum Pit De  P=ktn의 Power law를 따름  P: 최대부식깊이  t: 매설시간 P (Max  k, n: 상수 t, (Time/year)  k와 n을 토양환경인자의 함수로서 구함으로써 정량적인 부식속도 예측식을 얻을 수 있다.  토양인자의 분석후 통계처리를 통해서 구할 수 있다. 37
  37. 37. 최대부식속도의 예측 LogPc  0 .700  0 .069 Log(SRB )  0.749 P / S  0.203 Log(Cl  )  0.050 E h  Clay  0.014 pH  Log( ) g g g y p g 2.5 R=0.942 P0  0.500Pc t 0.372 2.0 1.5 15 토양부식에 영향을 미치는 인자P0, obs 1.0  Chemical factors  Biochemical (microbial) factors 0.5  CP effects 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 P0, cal 38
  38. 38. INTERFERENCE
  39. 39. 간섭과 전식 간섭 (interference)  한 시설물의 전위분포가 주변에 존재하는 다른 시설물의 전위분포에 영향을 주어 다른 시설물의 전위를 변화시키는 현상 미주전류 (stray current; 迷走電流)  관심 배관(시설물)에 영향을 미치는 전원(예: 외부전원법 전기방식 시스템) 이외의 다른 전원으로부터 토양 내로 흘러 나오는 전류 미주전류부식 (電蝕; stray current corrosion)  미주전류가 장거리 배관의 한쪽 끝에서 유입되어 흐르다가 다른 지점에서 유출, 토양 내로 빠져나가서 원래의 전원으로 회귀되는 폐쇄회로가 형성되는 과정에서 배관에서 전류가 유출되는 지점에서 발생하는 부식현상
  40. 40. 간섭원의 종류 다른 배관 또는 다른 시설물 방식시스템에 의하여 일어나는 간섭 직류 용접설비, 직류 채광설비, 지구 자기장의 영향 등 시간에 따라 변화하는 지하철의 미주전류에 의한 간섭 AC 시설물에 의한 간섭
  41. 41. 양극간섭 (anodic interference) 외부전원법 방식용 양극으로 인하여 주변에 토양전위구배가 형성되고, 그 양전위구배가 형성되 , 결과 다른 구조물이 음극화되는 현상 전류유입부위의 과방식 전류유출지점의 부식
  42. 42. 양극간섭 (anodic interference)
  43. 43. 음극간섭 (cathodic interference)  방식으로 인하여 음극화된 구조물 주변에 존재하는 다른 구조물이 영향을 받아서 양극화되는 현상  피간섭 배관 + 간섭 배관 crossing지점에서 피간섭배관의 부식 가능성
  44. 44. 3미주전류부식 사례 2 Rectifier power up Pipeline Potential, V/CSE 1 0 corrosion !! Rectifier -1 -2 -3 0 50 100 150 Distance, m
  45. 45. 미주전류부식 사례  STS 304L 수도배관  사용기간: 1년 이하  전위: 약 1.2V/CSE  DC 용접기계의 접지 역할
  46. 46. 합동간섭 (combined interference)
  47. 47. 합동간섭 (combined interference)
  48. 48. 지하철에 의한 간섭49
  49. 49. 급전전류와 누설전류 • 서울지하철 9호선 1단계 설계 • 약 25km, 변전소 9개 • 서울지하철 7호선 2단계 설계 • 약 10km, 변전소 3개 • 변전소 간격 ~3km 간격: 3k 100 10 주간 변전소 90 9 feeding current (예) 80 8Total Leakage Current, Il (A) ) 70 7 60 6 Il/I (% 50 5 40 4 %) 30 3 20 2 10 1 7000A 부하에서 0 0 0 2 4 6 8 10 leak current Substation Spacing, L (km)
  50. 50. 급전전류 vs 배관전위 vs.
  51. 51. 전식의 유형
  52. 52. 지하철 간섭 현황 현황  본선구간과 비교할 때 차량기지 인근에서 간섭이 크게 나타나고 있음 있음.  차량기지 내 레일이 저접지 시설(건물기초, 유틸리티배관, 접지 등)과 전기적으로 접촉하여 본선레일 전체에 대한 접지체 역할을 함 대책  차량기지레일 전체 또는 저접지 레일을 절연/분리시킴으로써 이를 통한 미주전류의 유출입 차단 관련 규격/표준 등 규격/ 준  레일과 접촉하고 있는 모든 금속을 절연 (BS EN 50162: 2004)  본선과 차량기지에 대한 독립급전, 레일분리 ( (KS C IEC 62128-2) )  이중단로기 또는 귀선개폐장치를 이용한 저접지 시설 절연 (일본 동경/관서전식방식대책위원회)
  53. 53. 레일 절연 사례 - 일본 출처: 新版電食防止對策の手引き, 東京電蝕防止策委員會 (2005) p.83
  54. 54. 10차량기지 주변 지하철 간섭 사례 10 9 9 8 8 7 7 6 5 6 4 5 3 4 2 3
  55. 55. 차량기지 주변 지하철 간섭 사례 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
  56. 56. 차량기지/레일 절연 조사 I-BEAM (접촉) • 레일과 I-beam 사이에 개재한 절연패드 불량 I beam 세척수관 (접촉) • I-beam과 건물기초/유틸리티 배관 접촉/연결
  57. 57. 차량기지/본선 절연실험 (야간) 인가 총 주공장 검사고1 검사고2 전삭고 구분 전압 전류 비율 [A] [A] [A] [A] [V] [A]분리 전 15.5 19.0 7.2 4.7 0.04 3.2 79% 주공장 15.5 18.9 - 9.9 4.2 4.7 100% 분리검사고1 15.5 18.5 - - 0.9 12.9 75% 분리검사고2 15.5 16.8 - - - 8.0 48% 분리 전삭고 15.5 14.6 - - - - 0% 리 분리  주공장/검사고/전삭고 레일 분리 효과 - 배류전류: 19A →14.6A (23% 감소) - 배류저항 0 82Ω 1 06Ω (30% 증가) 배류저항: 0.82Ω→ 1.06Ω
  58. 58. 전위와 부식속도 - 탄소강 40 Maximum Corrosio Rate, mm/y 30 m 20 on 10 m 0 -800 -600 -400 -200 0 200 Potential, Potential mV/CSE
  59. 59. 미주전류부식 사례 선택배류기의 화재 Rail spike
  60. 60. 간섭에 의한 부식사례  폴리에틸렌 피복 강관  사용기간: 2-3년  매설심도 1.2m  지하철 미주전류  미방식 배관의 부식61
  61. 61. 배류법 미주전류가 배관-토양을 통하지 않고 도선을 통해 레일(변전소)로 귀환할 수 있도록 전기적으로 접속하는 방법 일반적으로 부( )극선 인출지점인 임피던스 본드로 선택 또는 강제적으로 배류 부(-)극선 선택배류법 강제배류법
  62. 62. Forced Drainage Bond Using a Potential Controlled Rectifier(정전위형 배류기) Is Potential Controlled Rectifier Is buried reference structure electrode
  63. 63. 정전위형 배(정)류기 출력전류
  64. 64. 미주전류부식 (수치해석) -0.5•Case Histories on Mitigation -1.0 instant off 7.5A•Clients: KOGAS, KOWACO 12.5A -1.5 E (V Vs. CSE) -2.0 C -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 32 30 28 26 24 22 20 18 T/B No.
  65. 65. T3-14 대한도시가스 서울시상수도 R 분포정류기(대한) R 분포정류기(상수도) R3-5 T 전위측정점 (이동단말기) C3-8 변전소 컨버터 C 전류측정점 (이동단말기) R3-4 T3-15 T3-12 T3-11 C3-4 R3-3 R4-4 R4-3 R4-5 T3-10 R4-6 R4-2 R4-7 R3-2 R4-8 R4-1 R3-1 C3-2 T3-8 T3-7 T3-6 변전소 C3-7 T3-5 컨버터 T4-9 T3-3 T3-4T3-2T3 2 상수도 C3-6 C3-9 배류기 66
  66. 66. Corrosion Control of Underground Pipelines Base metal: CS Coating + Cathodic Protection (CP)  코팅(피복)을 통해서 금속배관과 주변 환경을 물리적으로 차단하는 것이 일차적인 방식수단  제조, 시공 및 운영 과정에서 발생한 피복결함 또는 피복손상부를 보호하기 위해서 보조적으로 CP를 병용
  67. 67. 방식 Corrosion Protection TB 방식의 종류  피복 coating & lining  음극방식 (전기방식) CP  양극방식 anodic protection 배관  부식억제제 corrosion inhibitor  재료 선정 material selection 전류 Mg 양극 전기방식의 종류  희생양극법: Mg, Al g + 교류  외부전원법: 정류기, 양극 전원 정류기 - 불용성 양극 전류
  68. 68. Cathodic Protection (CP) CP is achieved by supplying e- to the metal structure to be protected and widely used in: 1) long pipelines, pipelines, 2) gas and oil transmission lines, 3) ships, 4) chemical processing equipments, etc. Eapp Fe Cu Fe Cu Corrosion current Corrosion current EFe<ECu Eapp>ECu-EFe E(a) before protection (b) after protection
  69. 69. Galvanic (Sacrificial) Anode CP System CURRENT ANODE
  70. 70. Impressed Current CP (ICCP) System Power Source - + CURRENT T CUR CUR RRENT RRENT ANODE
  71. 71. Relative Economic Range for Galvanic and Impressed Current Systemsas a F Function of C i f Current R Required and S il R i i i i d d Soil Resistivity 3.5 35 3.0 2.5 Impressed Current 2.0 20 1.5 1.0 Galvanic 0.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Soil Resistivity ( in ohm-m)
  72. 72. CP와 부식73
  73. 73. CP와 부식74
  74. 74. Effect of CP
  75. 75. 방식기준 NACE RP0169 “Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems”  전위기준 (potential criteria)  분극전위 -850mV 기준  100mV 분극기준 76
  76. 76. 방식전위 측정 방식기준: -850mV vs Cu/CuSO4 과방식기준: -5,000mV P/S전위의 측정  Pipe to Soil 전위 (관대지전위)  기준전극: Sat. Cu/CuSO4 전극 Ag/AgCl 전극 T/B에서 측정  매 300m - 500m 마다 측정 활용  개략적인 배관의 방식 상황 판단  다른 방식시설물 등에 의한 간섭 여부 판단  방식설계를 위한 기초자료
  77. 77. 부식전지의 등가회로Equivalent Circuit for Corrosion Cell Electrochemical Electrochemical Reaction Reaction Rct Resistance Rct of Solution Rsol Double-layer Double-layerAnode Capacitance Capacitance Cathode 토양환경: Rsol 지배 78
  78. 78. Voltage and Current Lines Around a Bare PipelineReceiving Cathodic Protection CR i i C th di P t ti Current t
  79. 79. 전류 차단법에 의한 전위 측정 ( ) ON Potential V) Potentia (-mV IR “ON-IR” -850 mVCSE OFF Potential “OFF” -850 mVCSE OFF al 850 100 mV Polarization P 100 mV Depolarization Native (Free Corroding Static) Potential Corroding, (+)80
  80. 80. 전류 차단법에 의한 전위 측정 예81
  81. 81. P/S 전위와 분극전위 (지하철 차량기지인근) A B82
  82. 82. Reference Electrode Placed Close to Pipe Surface toMinimize DMi i i IR Drop E Error i P t ti l M in Potential Measurementt
  83. 83. IR-freeIR free Potential (Instant Off Method) (Instant-Off ( ) ON Potential V) Potentia (-mV IR “ON-IR” -850 mVCSE OFF Potential “OFF” -850 mVCSE OFF al 850 100 mV Polarization P 100 mV Depolarization Native (Free Corroding Static) Potential Corroding, (+) Time
  84. 84. Electrode for IR free Potential Measurement IR-free
  85. 85. 분극전위 변화 (polarization shift) 기준 100mV 분극 기준은 방식기술자들에게 많이 사용되는 기준 약 100mV 이상 분극되면 부식전류(즉, 부식속도)도 충분하게 줄어들었다고 판단 측정에서 많은 시간이 필요함86
  86. 86. 분극전위 변화 (polarization shift) 기준87
  87. 87. Test Point 전위 관리의 한계 - 매설배관 -500 -600 -700 -800 CP criteria P/S potential (mVCSE) -900 TB 3 15.4mA -1000 TB 5 TB 8 TB 4 0 mA 11.4mA TB 1 14.7mA TB 9 -1100 26.8mA 25.2mA TB 6 TB 7 -1200 19.2mA 34.3mA TB 2 55mA -1300 -1400 -1500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Test points 전위는 양호해도 TP와 Distance (km) 정밀 건전성평가필요!!! TP사이의 전위는 불량한 경우
  88. 88. Test Point 전위 관리의 한계 - 저유탱크 Aboveground Storage Tank Grade Test / Access Station Reference Cell f ll Monitoring Tube Rim 25 Center 55 Rim On -1411 -698 -404 -601 -1455 Off -902 -664 -402 -578 -911 Potentials (mV)
  89. 89. Close Interval Potential Survey (CIPS) s 120o d Ls
  90. 90. Pin-pointingPin pointing of Coating Defects DCVG (pulsed-direct current voltage gradient) method 손상부 주변에 집중되는 방식 전류를 검출 20 약 3-4m 간격으로 피복손상 탐지 15 10 5 Potential Difference (mV) 0 -5 Defect -10 -15 -20 -25 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Measure Point
  91. 91. 매설배관의 부식발생조건
  92. 92. 건전성 평가 개요 매설배관 경로 확인 성능 향상을 위한 대안 제시 음극방식 이력 점검 간섭현상 탐지 및 분석 매설배관의 방식현황 및 문제점 종합진단 대책 제시배관 경로 부식성 평가 배관 피복결함 탐지 배관 전기방식 효율 검증 방식 시스템 점검
  93. 93. Pipeline operator s concern and solution operator’sConcern SolutionIs protective coating sound? DCVG *1Is cathodic protection system working properly? p y gp p y CIPS*2What extent and where is the corrosion damage ILI*3(metal loss?)Is pipelines having corrosion defects safe? What will FFS*4be the life?What will the appropriate remedial action? Internal Expert Consulting Service*1. Direct current voltage gradient method*2. Close interval potential survey*3. In-line inspection*4. Fitness-for-service 외면부식직접평가법 (External Corrosion Direct Assessment; ECDA)
  94. 94. ECDA (External Corrosion Direct Assessment) 기본적으로 방식 (CP) 시스템과 피복 품질에 대한 검사  기존 방식진단기술의 활용  독립적으로 적용된 각 기술의 체계화, 평가기준 확립 기법  부식 진행지점의 포착 확률 높임 착  방식시 템 방식시스템 거동  피복 품질  토양 부식성 검사 부식 진행 확률이 높은 지점을 직접 굴착 조사
  95. 95. 배경 - 고압가스배관 안전기준 강화 도시가스 사업법/도시가스 안전관리 통합 고시 (2003)  사용압력 1MPa 이상인 본관/공급배관은 최초 완성검사/감리 후 15년 이상 경과하면 매 5년마다 정밀안전진단을 받아야 한다. 미국 가스배관 건전성관리 법규 (Gas Transmission IM Rule), 49CFR192.923-931 (2003)  가스배관의 건전성 평가를 위해서 10년 내에 HCA에 대한 정밀 검사를 실시해야 한다 (일부 위험배관은 5년 내)  이후 매 7년마다 재검사  검사방법  외면부식 직접평가 (ECDA)  압력 시험 (pressure testing)  그 외의 동등이상의 검사방법 중 하나를 적용할 것 e g In-line inspection (MFL-ILI) 것, e.g., In line (MFL ILI) ASME B31.8S Section 6.4 ASME B31.8S Appendix B2 & A3 NACE RP0502 (M th d l (Methodology for ECDA) f  Shall/Must  Should Statements
  96. 96. 배관 건전성 관리 – ECDA사전 평가 간접 검사 직접 검사 사후 평가PRE-ASSESSMENT INDIRECT EXAM. DIRECT EXAM. POST ASSESSMENT 과거이력 조사 굴착 우선순위 선정 잔여 수명 계산 Risk Assessment 재평가 주기 결정 구간 (region) 구분 ( g ) IMMEDIATE SCHEDULED 효율성 검증/수정 구간별 검사방법 선정 MONITORING CIPS/DCVG/비저항 기본 기록/문서화 굴착 개수 선정 굴착 조사 탐측 및 검사 굴착결과 평가 단위검사의 위험성 판정SEVEREMODERATEMINOR
  97. 97. 1 사전평가 - 매설배관 경로 확인 1. Pi locator 등에 의한 확인 Pipe l  배관에 고주파 AC를 인가하고 배관 주변에 유도되는 자기장을 측정하여 배관 직상부를 확인하는 장치  약 30m 간격으로 배관 직상부 확인  도로에 직상부 표기 필요성  배관 직상부에 대한 정확한 확인  배관전위측정 및 피복손상탐측은 배관 직상부에서 이루어져야 정확함  ECDA 결과의 분석에 활용
  98. 98. 사전평가 Pre-assessment 배관 매설 경로조사 배관 시설물 조사(정류기,TB,변실 등) 방식 이력검사 검사 방법 선정:CIPS,DCVG,비저항,PCM
  99. 99. 1 사전평가 - 음극방식 이력 점검1. 음극방식 이력 점검  방식전위 측정 기록의 검토  음극방식 시설물 변화 확인  방식 설계의 적정성 검토 부식 사고 이력 점검 필요한 자료  음극방식 설계 자료  음극방식 시공 후 준공 자료  방식전위 측정 자료 부식위험지역 선정기준 Active/passive corrosion 판정
  100. 100. 1 사전평가 - 음극방식 이력 점검1. 04-4 04-3 04-2 04-1 03-4 03-3 03-2 03-1 02-4 02-3 02-2 02-1 02 1 01-4 01-3 01-2 01-1 00-4 00 4 00-3 00-2 00-1 99-4 99-3 99 3 99-2 99-1 98-4 98-3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 -2,500 --2,000 -2,000 --1,500 T/B NO.--1,000 -1,500 -1,000 --500 -500 -0
  101. 101. 1 사전 평가 –1.사전 검사구간 세분화 일반 토양 양 압입 구간 아스팔트 포장 구간 도강 구간 콘크리트 포장 구간 도로 중앙 간섭 의심 구간 강변 둔치
  102. 102. 사전평가 – 소구간 구분 및 검사법 결정 (예) ECDA 1 ECDA 2 ECDA 3 ECDA 4 ECDA 5 CIPS CIPS/DCVG PCM CIPS/DCVG River Sandy Loam Sandy-Loam Sandy Sandy Loam Medium ρ Well Drained Well Drained Poor Drainage No History Low ρ Med. Resist. High ρ No History Some Problems Many Problems
  103. 103. 1차간접검사 2차간접검사 3차 간접검사 비고일반토양 및 갓길 등 CIPS(주2) DCVG 비저항 기준전극과 토양의 직접 접촉 가능구간아스팔트 (ASP) 포장도로 매설직상부에서 측정이 곤란하되 매설심도이하만큼의 거리 곤란하되, 를 배관수직방향으로 이동하여 측정이 가능한 경우 측정가갓길/보도 인접 지역 CIS DCVG 능지점에서 검사 실시 일반토양검사와 동일 천공후 탐측 원칙(주6) 단, 단 포장부 전후구간의 검사결과가 정상이면도로폭 <50m, 교통량 적음 CIS DCVG 비저항 도로인접 전후에서의 간접검사+중앙 1개소를 검사하되 도 로 중앙검사는 현장여건을 고려하여 탄력적으로 실시한다. 1. 교통여건을 고려, 40-50m 간격으로 천공후 CIS도로폭 >50m, 교통량 많음 CIS PCM DCVG 2. 전후 30m 정도구간에서 SCM실시 3 1, 2단계 이상구간 정밀 DCVG검사 3. 1콘크리트 포장도로 CIS DCVG 천공 또는 균열부위에 물을 뿌린 후 검사 실시(주4)(주5)(주6)보행자 도로 CIS DCVG 보도블럭 틈새, 또는 균열부위에 물을 뿌린후 검사(주4)하천 도강구간탐측자 도보도강 가능구간 CIS DCVG 일반 토양과 동일 CIS DCVG 보트 등의 보조수단을 사용하여 강위에서 검사탐측자 도보도강 불가능구간 또는 1 접근 가능 지점까지 CIS 검사 1. CIS PCM DCVG 2. 도강부 전후 30m에 대하여 SCM 검사 3. 이상발견시 DCVG 검사특수 구간Steel casing 구간 g 전위측정법 접촉지점확인법 GSD 2124콘크리트 압입구간 (흄관) CIS DCVG 일반 토양과 동일콘크리트 encasement CIS DCVG 일반 토양과 동일
  104. 104. 간접검사 측정방법 (예)간접검사방법 NACE RP0502 OO배관 시범적용 배관 UNITSCpIS (ICCP) 1 - 3 m 간격 - 1.2-3m 간격 mV (CSE) - 매설심도 이하 간격DCVG 1 – 2 m 간격 % IR 측정 %IR 측정 cathodic/anodic - 전위의 급격 상승/감 Cathodic/anodic 판 소 (dip) 고려 정 - %IR 측정Resistivity 각 소구간의 시작점, 피복손상의심부 및 등간 Ω·cm(Wenner 4-pin 1/3지점, 2/3지점, 1/3지점 2/3지점 격으로(50m) 측정method or soil 끝점에서 측정box)PCM 최대 18 – 45 m, 20 간격 20m간격 거리에 따른 신호 최소 3 – 5 m 간격 CIPS불가 구간 시작점, 전류(mA)의 변화 끝점 측정 량
  105. 105. 2 간접검사 - 배관 방식 시스템 점검2. 방식시설물  TB, 정류기, 절연물, 양극 TB의 건전성  배관 리드선이 당해 회사 배관에 연결되어 있는가  배관 리드선이 희생양극에 연결되어 있지는 않은가  배관 리드선이 단선은 아닌가 정류기의 건전성  정류기 리드선이 당해 배관에 연결되어 있는가  정류기의 출력은 정확한가 정류기 영향 범위 조사  정류기가 배관에 효율적으로 영향을 주고 있는가
  106. 106. 2 간접검사 - 배관 전위측정점 인출2. 거리 전위측정값 (mVCSE) 측정점 비고 (m) 최고 최저 평균 M01 6 -498 -511 -503 M02 864 126 -59 22 M03 1386 180 -5 88 TP이용 M04 2028 230 70 150 M05 2970 540 100 320 M06 3186 168 -227 -24 M07 3732 920 560 740 M08 4494 -84 84 -432 432 -285 285 M09 4908 148 -299 -97 M10 5748 -181 -598 -412 M11 5976 -219 -705 -432 TP이용 M12 6762 -235 -535 -427 M13 7488 -207 -483 -361- 배관전위를 측정하기 위한 전위 측정점(TB) 인출- 약 600m-1Km 간격으로 13지점 선정
  107. 107. 2 간접검사 - 토양비저항 측정2. 토양비저항 측 측정의 목적  토양비저항이 낮은 곳은 부식의 가능성이 큼 (< ~5,000 ohm.cm)  토양비저항에 따른 배관 관리가 달라져야 함 측정 방법  Wenner의 four pin Method  배관 심도에 따른 측정 및 계산이 필요  ~200m 간격으로 비저항 측정
  108. 108. 2 간접검사 (CIPS)2. s 120o d Ls
  109. 109. CIPS 사례 (주간)
  110. 110. CIPS 사례 (주간)
  111. 111. CIPS 간격 변화 (25 ft to 5 ft) 5 ft interval 25 ft interval
  112. 112. 2 간접검사 - 배관 피복손상 탐측2. 피복손상부  매설배관에서 부식은 근본적으로 피복손상부에서 적 피복 상부에서 발생할 수 밖에 없다.  기계적인 결함 DCVG법에 의한 탐측  가장 정확한 피복손상탐측법  방식전류가 피복손상부로 집중  피복손상부 주변에 전위 구배 형성  전위 구배 탐측
  113. 113. 2 간접검사 - 배관 피복손상지점 탐측2. 측정 결과의 분석  Mg 양극 구분 (양극이 모두 소진된 것은 구분 불가능)  타배관 간섭 구분 부식 가능성 예측  토양비저항 측정 결과  배관 관대지 전위 측정 결과로부터 해석
  114. 114. DCVG/CI - Side Drainage115
  115. 115. DCVG - %iR 5 ft interval 25 ft interval
  116. 116. %IR에 따른 결함 위험도 구분 (NACE RP0502 2002) RP0502-2002) Category 1: 1-15% IR: 중요성을 띄지 않는 결함으로 보수가 필요치 않음. 방식전위를 적절하게 유지할 경우 충분히 방식될 수 있음 Category 2: 16-35% IR: 양극으로부터의 거리나 중요 시설물의 유무를 고려하여 보수하는 것을 검토할 수 있음 결함부는 심각한 위협요인은 아니며, 방식으로 보호될 수 있음. 결함부는 목록을 만들어 방식전위를 집중적으로 관리하여야 함함. 피복이 더욱 열화되면 방식 수준이 변화되어 등급이 바뀔 수도 있음. Category 3: 36 60% IR: 36-60% 보수 추천 우선순위에 의하여 순차적으로 보수 Category 2의 결함과 마찬가지로 피복 열화가 더욱 진행될 수도 있음. -Category 4: 61-100% IR: 즉시 보수해야 함. 방식전류를 소모하는 주요 원인 117
  117. 117. 피복손상탐지에 의해 확인된 손상유형
  118. 118. 피복손상 탐측의 신뢰도 1995년-2002년 DCVG 고압가스배관 피복탐측 통계
  119. 119. DCVG-GPSDCVG GPS System120
  120. 120. CIPS/DCVG 진단장비 GPS Antenna PDA Bluetooth communication Push switch PDA screen touch operation Measure cable
  121. 121. Pipeline Current Mapper(PCM)를 이용한 배관코팅특성 평가 배관에 4-8Hz의 전류를 흘린 후, 배관에서 발생하는 유도자장의 세기로부터 배관의 코팅 특성을 평가하는 방법 Pipe locator와 유사한 receiver를 이용하여 이 자장의 세기의 감소(receiver에는 전류로 환산하여 표시됨)를 측정함으로써 코팅열화 정도를 측정 전류는 주로 그림과 같이 손상부( )에 집중되므로, 전류의 변화로부터 손상부 (또는 타배관 접촉부위 등)의 위치 추정 가능
  122. 122. Case I.피복상태 매우 양호 전류손실 거의 없음 양호,Case II.피복상태 불량 고른 손상부 분 불량, 른 분포, 전류손실 큼Case III. III양호/불량 피복 혼합,피복 불량 구간에서 전류손실 큼Case IV.타 배관과의 short 등에 의한 급격한 전류 손실 의심Case VC코팅이 불량한 압입관 등과 배관 접촉 의심Case VI탐측 중간지점에 피복이 매우 양호한 구간이나,건조토양/암반 존재로 전류가 미치지 않는 구간 존재
  123. 123. PCM 탐측 – OO 저유소 지하배관 정류기 위치에 transmitter 설치, 4Hz, 1A의 전류를 배관에 흘림 (접지전극으로는 기존 양극 사용) 배관의 길이방향을 따라서, 전 구간에 대한 전류 loss 측정 정류기 위치에 설치된 transmitter Receiver를 이용한 배관 전류 측정
  124. 124. 매설배관 PCM 측정 예 100 TB1 TB2 TB3 TB4 90 80 70 입상-매설구간 60 dBmA 50 40 30 20 TB DEFECT 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Distance,m
  125. 125. 2 간접검사 – 특수검사 (간섭현상 탐지 및 분석)2. 간섭(static or dynamic) 검사의 종류 타배관과의 절연 점검 압입구간 점검 배관-시설물 절연 조사 등
  126. 126. 간접검사 (배관 변실철근 절연) - 광역상수도관 (배관-변실철근 배관(물없음) 배관+콘크리트(물없음) (STA 29+37.91) 0 덕정정수장 STA 73 정류기 80V 9A -300 변실 -600 E, mV -900 900 -1200 -1500 -15 -10 -5 0 5 10 15 Distance, m 배관-변실 철근 접촉에 따른 방식전위 급상승  방식면적 증가, 배관 주변환경 변화 배관-철근 사이에 흐르는 전류: ~0.2A (전체 정류기의 출력 9A의 약 2.2%)
  127. 127. Carrier pipe와 casing의 절연128
  128. 128. 간접검사CIS survey: river-crossing region DGPS coordinates measurement Stray current mapper (SCM) 0 -500 -1,000 -1,500 -2,000 -2,500 -3,000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 CIS survey: asphalt road No drilling Drilling
  129. 129. 0 -200 -400 -600 -800 -1000 CIPS -1200 -1400 -1600 -1800 -2000 250 0 %IR 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 200 150 100 %IR 50 0 100000 0 300 토양비저항 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 10000 1000간접 100 토양비저항검사 10 1 2500결과 0 PCM측정 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 2A 2A 2A 2000예 1500 1000 PCM 500 0 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600

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