2.2 부식

Corrosion

 

Erosion과 Cavitation과는 달리 Corrosion 손상은 반응제에 의해 금속 표면에서 발생되는 Chemical Attack이며, 베어링과 Shaft에서 동시에 발생될 수 있다. 이러한 손상은 윤활유나 주변 대기환경에서 생긴 물질들에 의해 베어링 요소에 발생되는 Chemical Attack의 결과이다. Corrosion은 베어링 Material을 제거하거나 베어링 표면에 침적물이 생기게 한다. 베어링에 영향을 주는 주요 부식제로는 전해물(Electrolyte)과 유기산(Organic Acid)이 있다.

2.2.1 腐蝕 發生 過程 (Mechanisms)

Corrosion 과정은 금속을 금속 혼합물로 변환시키는 것이다. 문제가 발생되려면 부식(Corrosion) 생성물은 가용성과 침투성을 가지고 있어야 하거나, 새로운 금속 부위가 부식환경에 놓이도록 계속적으로 제거(Removal)될 수 있어야 한다. Corrosion은 구리-납 성분의 베어링에서 납 성분만을 제거하는 경우와 같이, 어떤 성분만을 더 많이 부식시킨다는 점에서 종종 선택성을 가지고 있다. 납이 주성분인 Babbitt의 부식은 장기사용으로 산가가 높아진 오일에 생성되는 산화 생성물, 오일 첨가제의 분해 현상, 오일내로 물이나 냉각제의 유입 등에 의해 발생된다. 터빈 오일이 평형 상태에서 물을 흡수할 수 있는 능력을 온도의 함수로 그림 3-72에 나타내었다. 어떤 주어진 온도에서 터빈 오일에 존재하는 물의 양이 곡선을 초과하게 되면 Free Water가 된다. 부식의 진행은 갑작스러울 수도 있고, 점진적으로 진행될 수도 있으며, 부식이 진행되기 위해서는 압력, 온도, 베어링의 전단응력 등의 어떤 특수한 여러 상황이 복합적으로 작용되어야 한다.

그림 3-72 40% 습도인 터빈 오일에서의 평형 물 함유량

2.2.2 電解物에 의한 腐蝕 (Corrosion of Electrolytes)

금속표면이 전해물에 노출되면 표면에 Pitting이 생기거나(그림 3-73), 베어링 합금에 산화작용이 일어나게 된다. 납의 부식은 납이 주성분인 Babbitt와 납을 첨가한 청동 베어링에서 가장 일반적인 부식 형태이다. Fuel Sulfur는 베어링 표면에 침적물이 생기게 하는 납 황화물을 생성시키면서 Babbitt의 납과 반응하는 작용제 중의 하나이다. 황화합물은 최상의 압력특성을 제공하며, 내마모제, 방부제, 녹방지제, 내산화제로서 Oil에 흔히 첨가된다. 이러한 특성들은 황화합물의 부식작용에 의해 베어링 표면 위에 낮은 전단강도의 Sulfur층을 형성시켜 얻어지는데, 이러한 층으로 인해 저널과의 파괴적인 접촉이 방지된다. 또한 주변의 대기환경에 있는 염소와 황산과 같은 부식성 오염 물질도 특히 수분이 존재할 때 부식을 일으킬 수 있다.

그림 3-73 직경 5.0 in의 Lead-base Babbitt 저널 베어링의 부식

 

황화물이 Soot와 결합되면 Oil 통로와 베어링 Groove를 막게 되어 적정 윤활을 방해하게 되고, 심한 경우 Starvation과 Seizure를 야기 시킨다. 또 하나의 해로운 작용제는 물, 특히 소금기가 있는 물이다. 이것은 주석이 주성분인 Babbitt에서 주석의 산화를 일으키는데, 이것을 주석 산화물 손상이라고 한다.

2.2.3 有機酸에 의한 腐蝕 (Corrosion of Organic Acids)

Babbitt와 Copper-lead 베어링에는 납이 널리 사용되고, 납은 Oil 산화물에 존재하는 유기산과 과산화물(Peroxides)에 비교적 급속히 반응하기 때문에, 유기산에 의한 Lead-bearing 재료의 부식은 상당히 자주 발생된다. 이러한 산과 과산화물은 Oil이 공기와 접촉되는 상태에 있거나, 고온, 장기간 사용, 금속표면의 접촉 반응(Catalysis) 등에 의해 Oil 속에서 형성된다. 온도가 10℃ 올라갈 때마다 Oil 산화물 생성비율은 두배가 되며, 베어링이나 윤활 계통에 있는 구리나 카드뮴은 이러한 반응을 촉진시킨다. 산화를 지연시키는 첨가제와 부식성 오염 물질로부터 베어링 표면을 보호하기 위한 첨가제가 윤활유에 포함되어 있다 할지라도, 장기간 사용하게 되면 이러한 첨가제가 자연적으로 없어져 합금이 산화와 부식에 노출되게 된다.

Lead Babbitt의 부식은, 먼저 과산화물이 납의 표면을 산화시키고, 표면의 납 산화물은 유기산에 의하여 Lead Soap으로 변하게 된다. 이러한 Soap은 Oil속에서 용해되거나 Sludge의 형태로 흩어지게 된다. Lead Babbitt에 존재하는 주석(Sn)이나 안티몬(Sb)은 이러한 부식 성향을 완화시키는 경향이 있지만, Oil 속에 있는 물은 부식을 가속화시킨다. 주석 Babbitt에는 보통 이러한 종류의 부식이 발생되지 않는다.

2.2.4 腐蝕의 肉眼 確認 (Visually Identifying Corrosion)

부식에 의해 미세 성분들이 선택적(Selective)으로 제거되면 구조가 점점 취약해져서 결국에는 Crack이 발생할 것이다. 이러한 원인에 의한 Crack은 피로에 의해 발생되는 Crack과 항상 구별할 수 있는 것은 아니다. 그러나 부식에 의한 것은 보통 전형적인 피로 균열의 특징인 망상조직이 생기지 않으며, 제거된 금속부위는 피로에 의해 제거된 것보다 더 얕을 것이다.

두 개의 주요 Babbitt 종류 중에서 Lead Babbitt가 훨씬 더 잘 부식되는 경향이 있다. 실제로 납 성분이 들어 있는 베어링 재료는 적절한 환경에서도 자주 부식된다. 주석(안티몬도 물론)은 보통 부식을 억제하기 위해 첨가되지만, 주석 베어링 자신은 종종 전기 화학적인 영향, 산화 또는 황(Sulfur)에 의해 손상을 받는다. 부식은 보통 표면에서 안쪽으로 진행되며 납 성분을 먹어 들어가면서 거칠고 약한 Babbitt 층만 남겨놓는다. 손상이 산화에 의한 것인지 Acidic Attack에 의한 것인지를 알 수 없더라도, 부식에 의해 생긴 빈 공간은 현미경으로 관찰할 수 있다. 그림 3-74는 Corrosion Attack에 의해 납 성분이 제거된 직경 5.0 in(127 ㎜)의 Lead-base 베어링을 확대한 모습이다.

 

그림 3-74 부식이 발생된 직경 5.0 in의 Lead Babbitt 저널 베어링 (베어링 표면을 15배로 확대)

가끔은 주석이 주성분인 Babbitt에서 구리 성분이 손상되기도 한다. 그 결과 Babbitt의 구리성분이나 Oil 또는 대기 중에 존재하는 황에 의하여 황산염이 형성된다. 이러한 형태의 손상은 표면에 주석-안티몬의 입방체(Cuboid)만 남겨 놓으면서 주석 성분만 없어지게 되며, 이러한 현상은 고압 Zone에서 더 쉽게 발생한다. 따라서 구리 황산염의 침적물들이 베어링 표면 위에 울퉁불퉁하게 쌓이게 되어, Pad Crowning 현상도 자주 발생한다.

주변 대기환경의 Sulfur에 의해 Attack을 받기 전후의 Thrust 베어링 Pad(ASTM Alloy B23, Grade 2) Babbitt 표면 모양이 그림 3-75와 3-76에 각각 나타나 있다. 그림 3-76의 사진에서 부식에 의해 남겨진 어두운 공간을 선명하게 볼 수 있다.

그림 3-75 ASTM B23, Grade 2, Babbitt를 사용한 정상적인 Thrust 베어링 Pad의 모양

 

그림 3-76 주변 대기중의 황에 의해 Attack을 받은 Pad 표면

 

2.2.5 腐蝕의 可能 原因 (Possible Causes of Corrosion)

요약해보면, 부식 손상을 일으킬 수 있는 오염 물질들은 다음과 같다.

• 부주의로 인한 오염이나 Oil 첨가제에 의해 생긴 황화합물

• 연료중의 경질 탄화수소의 산화에 의해 생기는 유기산

• Oil 내의 Water

• 계통 안으로 흘러 들어올 수 있는 외부 부식성 물질

운전 습관도 부식 손상과 관련이 있으며, 부식에 의한 손상을 조장하고 가속화시키는 운전 조건들은 고온, 다습, 거품의 생성, 공기에의 노출, Oil의 장기간 사용 등이다.

 

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