염산·황산 탱크 재질

왜 배우는가: 염산과 황산은 화학공장과 조선·표면처리 공정에서 가장 많이 쓰이는 강산이며, 탱크 재질을 잘못 고르면 누출과 사고로 이어진다. 두 산의 부식 거동이 농도와 온도에 따라 크게 달라지기 때문에 기술사 시험에서 재질 선정 기준을 원리와 함께 설명하도록 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제108회 1교시 3번, 제99회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

염산·황산 탱크 재질 선정은 산의 종류·농도·온도에 따라 내식성이 확보된 금속 또는 비금속을 고르고, 부식 여유와 누출 방지 조치를 함께 정하는 설계 행위다.

• 염산(HCl): 환원성 산으로 대부분의 스테인리스강을 부식시킨다.
• 황산(H₂SO₄): 농도에 따라 환원성과 산화성 성질을 모두 가진다.
• 환원성 산·산화성 산: 재질 선정을 가르는 기본 분류다.
• 농도·온도 의존성: 같은 산이라도 농도와 온도에 따라 부식 속도가 달라진다.
• 내식 합금: 합금 20, 904L, 825, 2205 등 황산용 고내식 재질을 포함한다.
• FRP·고무 라이닝: 비금속 재질로 염산 저장에 쓰는 대안이다.
• 부식 여유(corrosion allowance): 설계 두께에 더하는 부식 손실분이다.
• 입계부식·공식(pitting): 스테인리스강이 염화물 환경에서 겪는 국부 부식 형태다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 탱크 재질은 "그 산에 녹지 않는 재료"를 고르는 일이다. 염산과 황산은 모두 강산이지만 부식 거동이 다르다. 염산은 수소보다 이온화 경향이 큰 금속을 녹이는 환원성 산이다. 금·은처럼 이온화 경향이 낮은 금속은 녹지 않는다. 반면 강산성인 염산은 대부분의 스테인리스강도 손상시킨다.

정식 정의로는 재질 선정을 "사용 환경(산의 종류, 농도, 온도, 불순물, 운전 조건)에 따라 부식 속도가 허용치 이하인 재료를 선택하고, 설계 두께와 부식 여유를 정하는 과정"으로 쓴다.

환원성 산은 염산과 희석 황산처럼 수소 이온이 금속 표면에서 수소를 발생시키며 금속을 녹이는 산이다. 이 경우 금속 중 Cr·Mo 함량을 높이면 내식성이 좋아진다.

산화성 산은 진한 황산과 질산처럼 산화력으로 금속 표면에 피막을 만드는 산이다. 이 경우 Cr과 Si 함량이 높은 재질이 유리하다.

농도 의존성은 황산 재질 선정에서 가장 중요하다. 황산은 농도가 높을 때와 중간 농도일 때 부식 거동이 다르다. 중간 농도 영역에서 많은 재질이 가장 빠르게 부식한다.

비금속 재질은 금속 대신 FRP, 고무 라이닝, PTFE·PVDF 같은 불소수지를 쓰는 방식이다. 염산의 강한 부식성에 대응하는 수단이다.

3. 등장 배경과 필요성

산업혁명 이후 염산은 염화비닐·폴리염화비닐·폴리우레탄 같은 유기 화합물 생산, 식품첨가물 제조, 가죽 처리 등 대규모 공정에 쓰이기 시작했다. 황산은 세계에서 가장 많이 생산되는 산업용 화학물질 중 하나로, 비료·정유·금속 처리에 널리 쓰인다. 두 산의 사용량이 많아지면서 탱크 누출과 설비 부식 사고도 함께 늘었다.

과거에는 탄소강 탱크를 그대로 쓰는 경우가 많았다. 그러나 탄소강은 황산과 염산에 빠르게 부식되므로 누출 위험이 크다. 1980년 이전에 설치된 노출 강철 배관이 시간이 지나 부식된 사례처럼, 재질 선정 기준이 없으면 설비 수명이 짧아지고 유해물질이 토양과 지하수로 흘러들 수 있다.

이 때문에 화학물질 취급시설 기준은 재질 선정을 법적 의무로 두었다. 「조선업종 유해화학물질 취급시설 설치 및 관리에 관한 고시」 제6조는 제조·사용설비의 내면에 부식이 일어나지 않는 재질을 쓰거나 부식방지 조치를 하도록 규정한다. 제16조는 저장설비에 같은 원칙을 적용한다. 따라서 재질 선정은 설계 단계의 필수 판단 기준이다.

4. 구성요소·원리·절차

염산·황산 저장탱크는 내부 액상 부식과 기상(증기 공간) 부식을 함께 견뎌야 한다. 탱크 본체, 노즐·배관, 밸브, 계측기, 지지구조로 구성되며 각 부위의 재질 선정이 설계의 핵심이다.

원리는 다음과 같다. 염산은 환원성 산이므로 크롬·몰리브덴 함량이 높은 합금이 유리하다. 황산은 농도에 따라 환원성과 산화성이 바뀌므로 저농도와 고농도를 나누어 재질을 고른다. 저장탱크의 기상부는 액상보다 산 농도가 높아 부식이 더 심하다. 따라서 통기 또는 건조제로 수분 유입을 막아야 한다.

절차는 다음 순서로 진행한다.

• 취급 산의 종류, 농도 범위, 최고·최저 운전온도를 확정한다.
• 액상과 기상 각각의 부식 조건을 구분한다.
• 농도·온도별 내식 재질 후보를 비교표로 정리한다.
• 용접부·개스킷·계측기 등 부속품까지 재질 적합성을 확인한다.
• 부식여유(corrosion allowance)를 두고 두께를 산정한다.
• 설치 후 두께측정·기밀시험 등 점검계획을 수립한다.

5. 관련 법령·기준·표준

염산·황산 저장설비의 재질과 구조는 「화학물질관리법」 체계의 고시가 규정한다. 조선업종 유해화학물질 취급시설 고시 제16조(저장설비)는 저장설비 내면에 부식이 일어나지 않는 재질을 쓰거나 부식방지 조치를 하도록 정한다. 외면에는 녹 방지 도장을 해야 하며, 부식 우려가 없는 스테인리스 강판인 경우는 예외다. 같은 조 제2항은 압력 또는 자체하중을 견딜 충분한 강도를 요구한다. 제3항은 저장탱크에 온도계, 액위계, 유량계, 압력계 등 계측장치를 설치하도록 한다. 제14조(배관설비)는 배관 재료가 물질 취급에 적합한 기계적 성질과 화학 성분을 가져야 한다고 정한다. 배관 중 유해화학물질이 접촉하는 부분은 부식이 잘 되지 않는 재료를 쓰거나 도장 등의 조치를 해야 한다.

재질 선정은 다음 기준값으로 점검한다.

재료 측면에서는 다음 특성을 적용한다. 염산은 환원성 산이므로 304 스테인리스강은 염산에 쉽게 부식된다. 황산은 저농도에서 304보다 316이 넓은 범위를 견디며, 고농도에서는 산화성 특성을 보여 규소 함유 스테인리스강도 쓰인다. 고농도 황산과 고온 조건에서는 합금 20, 904L, 합금 825 같은 고합금을 검토한다. 다만 황산 농도가 낮아지면 연강과 316L은 적합하지 않다. 고시 개정은 「화학물질관리법」과 시행규칙 체계의 변경으로 이루어졌으며, 구체적 개정 연혁은 본문에서 단정하지 않는다.

6. 유형과 비교

염산·황산 탱크의 재질은 용액의 종류, 농도, 온도, 산화성 여부에 따라 달라진다. 같은 황산이라도 농도에 따라 부식 거동이 크게 다르므로 농도 구간별로 재질을 나누어 비교해야 한다.