지하 매설 배관의 희생 양극 방식 음극 방식 시스템

프로젝트 개요: 보호 대상 파이프라인

음극 방식 시스템으로 보호하고자 하는 특정 지하 파이프라인의 사양은 다음과 같습니다:

• 파이프라인 길이 (L): 2.5 km (2500 미터)
• 파이프라인 크기 (외경 OD): 16인치 (0.4064 미터)

음극 방식 설계 계산 단계

필요한 양극 수량과 배치를 결정하기 위해 다음 주요 단계를 따릅니다:

• 1. 파이프라인 표면적 계산 (SA): 전체 파이프라인의 총 외부 표면적을 계산합니다.
  계산식: SA = π * OD * L
  결과: 약 3618.7 m²
• 2. 필요 전류 밀도 결정 (JC): ISO 15589-1 표준에 따라, 코팅된 파이프라인에 필요한 보호 전류 밀도를 결정합니다.
  적용 값: 0.3 mA/m²
• 3. 총 요구 전류 계산 (I_total): 파이프라인 전체를 보호하는 데 필요한 총 전류량을 계산합니다. 안전율(SF, 여기서는 25% 즉, 1.25)을 포함합니다.
  계산식: I_total = SA * JC * SF / 1000
  결과: 약 1.195 A
• 4. 단일 양극 저항 계산 (RH): 개별 마그네슘 양극이 토양(백필 포함) 내에서 갖는 저항값을 계산합니다. 이는 토양 저항률(ρ), 양극의 크기(길이 L_A, 직경 D), 매설 깊이(S) 등을 고려한 복잡한 공식을 사용합니다 (Peabody/NACE 핸드북 참조).
  주요 입력값: 양극 길이 0.75m, 양극 직경 0.20m, 토양 저항률 25 Ohm-m
  결과: 약 9.56 Ohm
• 5. 간섭 계수 (IF): 여러 개의 양극이 서로에게 미치는 영향을 고려하는 계수입니다 (여기서는 1로 단순화).
• 6. 접지 베드 저항 (RG): 양극 그룹 전체의 저항을 나타냅니다.
• 7. 단일 양극 전류 출력 계산 (I_AF): 하나의 마그네슘 양극이 공급할 수 있는 전류량을 계산합니다. 이는 양극의 전위(E_A, 마그네슘 약 -1.7V)와 파이프라인의 보호 전위(E_P, 통상 -0.85V) 간의 전위차를 단일 양극 저항(RH)으로 나눈 값입니다.
  계산식: I_AF = (E_A - E_P) / RH
  결과: 약 0.09 A

필요한 양극 수량 결정

필요한 마그네슘 양극의 총 개수는 두 가지 접근 방식으로 계산되며, 더 많은 수량을 요구하는 쪽을 최종적으로 선택합니다:

• 방법 1: 전류 요구량 기준 (N_I): 총 요구 전류(I_total)를 단일 양극의 전류 출력(I_AF)으로 나누어 계산합니다.
  계산: 1.195 A / 0.09 A ≈ 13.3개 → 14개
• 방법 2: 무게/수명 기준 (N_W): 설계 수명(T_DL, 예: 20년) 동안 필요한 총 전류량을 공급하기 위해 소모될 양극의 총 질량(M)을 계산하고, 이를 개별 양극의 순수 무게(m_a, 14.5 kg)로 나누어 계산합니다. 이 계산에는 활용 계수(U, 0.85)와 전기화학 효율(ε, 1100 A·h/kg) 등 ISO 15589-1 기준값들이 사용됩니다.
  필요한 총 질량 (M) 계산 결과: 약 223.9 kg
  계산: 223.9 kg / 14.5 kg/개 ≈ 15.4개 → 16개

두 계산 결과 중 더 보수적인(더 많은 양극을 요구하는) 결과를 따릅니다. 따라서, 이 프로젝트에서는 최종적으로 16개의 마그네슘 양극이 필요하다고 결정되었습니다.

양극 배치 및 설치 상세

계산된 16개의 양극은 파이프라인 전체 길이에 걸쳐 효과적인 보호 전류 분포를 위해 전략적으로 배치됩니다:

• 분포 계획 예시:
  • 파이프라인 양 끝단에서 약 250m 지점에 각각 3개씩 설치 (총 6개)
  • 중간 구간에 약 400m 간격으로 2개 또는 3개씩 그룹으로 설치하여 나머지 10개 배치 (예: 2개, 3개, 3개, 2개)
• 설치 구성 요소 및 방법:
  • 각 양극은 마그네슘 본체, 내부 스틸 코어, 특수 백필(Gypsum 75%, Bentonite 20%, Sodium Sulfate 5%)로 채워진 면 포장, 그리고 외부 연결 케이블로 구성됩니다.
  • 표준 양극 크기: 길이 750mm, 직경 200mm, 순수 마그네슘 무게 14.5kg, 총 무게 31.8kg
  • 양극은 파이프라인 하부에서 최소 300mm, 양극 간에도 최소 300mm 이상 이격하여 수평으로 매설됩니다.
  • 양극 케이블은 정션 박스(Junction Box) 및 테스트 포인트(Test Point)로 연결됩니다.
  • 파이프라인과 양극 시스템의 연결은 주로 테르밋 용접(thermit welding) 방식을 사용합니다.
• 테스트 포인트(Test Point): 양극이 설치된 각 위치(이 예시에서는 6곳)에는 테스트 포인트가 설치되어, 정기적으로 파이프라인의 보호 전위 및 양극의 상태를 측정하고 시스템의 성능을 모니터링할 수 있습니다.

이러한 계산, 설계 및 설치 과정을 통해 지하 매설 파이프라인은 부식으로부터 장기간 안전하게 보호될 수 있습니다.