배관 스케일

왜 배우는가: 스케일은 보일러와 급수·급탕 배관의 열효율과 수명을 좌우하는 기본 현상이다. 수처리 설계와 방지 대책의 출발점이어서 원인, 종류, 영향 요소, 방지법을 묶어 반복 출제된다.

출제 이력: 제132회 4교시 1번, 제131회 2교시 4번, 제115회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 스케일은 급수 속 용해 고형물이 가열·농축으로 석출되어 관벽·전열면에 부착·경화된 침전물이다.

핵심 키워드

• 스케일(관석)
• 슬러지(연질 침적물)
• 부유물(현탁물)
• Scale
• 용해도
• 국부농축
• 탄산염계 스케일
• 황산염계 스케일

세 가지 침전물은 전열면에 붙어 굳었는지, 바닥에 가라앉았는지, 물에 떠 있는지로 구분된다. 답안에서는 이 구분을 먼저 제시하면 종류 설명이 쉬워진다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 물을 가열하거나 졸이면 물속에 녹아 있던 광물이 남아서 관벽에 눌러붙은 돌 같은 막이 된다. 물은 많은 물질을 녹이는 용매이므로 급수에는 칼슘, 마그네슘, 실리카 같은 성분이 녹아 있다.

정식 정의로는, 스케일은 보일러수 중 용해 고형물이 온도 상승이나 농축으로 용해도를 넘어 불용성 고형물로 석출되고, 관벽·드럼·전열면에 부착되어 굳은 것이다. 부착되지 않고 드럼이나 헤더 바닥에 가라앉은 연질 침전물은 슬러지다. 보일러수에 떠 있는 불용물, 먼지, 현탁 광유물은 부유물이다.

핵심 원리는 용해도다. 대부분의 염은 온도가 높을수록 용해도가 커진다. 그러나 황산칼슘은 온도가 오르면 용해도가 줄어드는 역용해도 성질을 가져서 가열 구간에서 석출된다. 탄산칼슘도 가열로 이산화탄소가 빠져나가면 용해도가 줄어 석출된다. 이 때문에 스케일은 물이 가장 뜨거운 전열면에서 가장 잘 생긴다.

두 번째 원리는 농축이다. 보일러수는 증발하면서 남은 물의 고형물 농도가 높아진다. 전열면 가까이에서는 열이 집중되어 증기가 많이 생기므로 국부적으로 농도가 더 높아진다. 이 국부농축 지점에서 농도가 용해도를 넘으면 고형물이 석출된다. 용해도 초과 시 석출이 스케일 생성의 기본 조건이다.

생성 기구를 순서로 보면 다음과 같다. 급수 속 성분이 용해되어 있다가, 가열과 농축으로 과포화 상태가 된다. 그다음 미세한 결정 핵이 생기고 결정이 자라 전열면에 부착된다. 부착된 결정층은 새 침전의 바탕이 되어 점점 두꺼워진다. 부착 여부가 스케일과 슬러지를 가르는 기준이므로, 답안에서는 석출 후 부착 여부를 함께 적는 것이 정확하다.

3. 등장 배경과 필요성

보일러 급수는 지하수, 하천수, 상수도를 원수로 쓴다. 이 원수에는 탄산염, 황산염, 실리카, 중탄산염 등의 용존 성분과 공기, 이산화탄소 같은 용존 가스, 유기물이 들어 있다. 이 물을 그대로 보일러에 넣으면 증발 과정에서 성분이 계속 쌓인다. 보일러는 증기를 연속으로 만들기 위해 급수를 계속 보충하므로, 불순물이 시간이 지날수록 누적된다.

누적된 성분이 전열면에 석출되면 열 흐름이 막힌다. 스케일은 금속보다 열전도율이 낮아 열이 관벽을 통과하기 어렵다. 열전달이 줄면 전열 저해가 일어나 열효율이 떨어지고, 같은 증기량을 만들기 위해 연료가 더 들어간다. 관벽 온도는 올라가고 금속의 강도가 떨어져 관벽 과열이 생긴다. 과열이 계속되면 관벽이 부풀거나 파열되어 사고로 이어진다.