배관 스케일에 대하여 알아보자

배관업계에 종사하는 대부분의 관계자들은 스케일과 부식을 혼동하고 있는 경우가 많다.

스케일과 녹을 명확히 구분하지 않고, 하나로 묶어서 이야기하는 것을 흔히 볼 수 있다.

 

하지만 스케일과 녹은 명백하게 다르다. 스케일과 녹은 형성 조건이 완전히 달라 하나의 조건에서 두 가지가 함께 생성될 수 없다.

 

이는 랭겔리어지수를 통해 쉽게 알 수 있다. 랭겔 리어 지수는 ORP (산화환원전위)와 pH의 관계로부터 스케일 및 부식의 발생 경향을 판단하는 것이다.

 

부식은 ORP가 높고 pH가 낮은 조건에서 발생되며, 스케일은 ORP가 낮고 pH가 높은 조건에서 생성된다.

 

일례로 부식이 발생하면 우리가 흔히 이야기하는 '녹'이 발생되지만 스케일이 생성되면 '녹'은 생성될 수 없다.

 

때문에 부식으로 심각한 문제를 앓고 있는 배관라인의 경우에는 물리적으로 아주 얇은 스케일을 형성시켜 부식을 방지하기도 한다.

 

녹은 금속표면 부식으로 인해 발생하는 물질로 금속으로 된 배관의 철(Fe) 분자에서 빠져나온 전자가 물분자 (H2O) 및 산소 (O2)와 결합하여 만들어지는 성분으로 산화철 (Fe2O3)이라 부른다.

 

철이 이온화되면서 빠져나온 전자가 배관내 물과 산소와 반응하여 수산화 이온을 발생시키고 철이온과 결합하여 수산화철이 형성된다. 이렇게 형성된 수산화철에 산소가 반응하여 3가 철이 되면서 산화철이 지속적으로 만들어지게 되는 것이다.

스케일은 녹과는 다른 조건에서 생성된다.

자연수(원수)에 들어있는 칼슘과 마그네슘 등의 양이온들이 탄산과 함께 존재하다가 온도에 따라 반응, 탄산칼슘이나 탄산마그네슘을 형성한다. 이런 탄산염들이 구조적인 특성으로 인해 배관 벽면에 부착된 결정체가 바로 스케일이다.

 

---

 

1. 스케일의 종류와 성질

 

1) 중탄산칼슘 Ca(HCO3)2

 

급수에 용존 되어 있는 염류 중에 슬러지를 생성하는 성분으로서 가장 일반적인 것은 중탄산칼슘이다.

 

중탄산칼슘은 보일러, 급수 예열기, 급수가열기 등에서 열분해 하여 용해도가 적은 탄산칼슘을 생성하고 연질 슬러지로 되어 급수가열기, 드럼의 급수 입구부 등에 부착한다.

 

탄산칼슘의 용해도는 온도가 올라갈수록 증가하기 때문에 온도가 낮은 부분에서 석출 되며, 중탄산염의 형태로 용해되어 있는 것이 보통이다.

 

Ca(HCO3)2 + 열 = CaCO3 ↓ + H2O + CO2 ↑

 

2) 황산칼슘 CaSO4

 

황산칼슘은 온도가 상승할수록 용해도가 감소하기 때문에 주로 높은 온도에서 석출 한다. 열사용기기에서는 주로 증발관에서 스케일화 되기 쉬우며, 이 스케일은 내 처리가 불충분한 경우에 생성되기 쉬운 대단히 악성의 스케일로 내처리제를 사용해서 황산칼슘 이외의 염의 형으로 침전시킨다.

3CaSO4 + 2Na3PO4 = Ca3(PO4)2 ↓ + 3Na2SO4

 

3) 중탄산마그네슘 Mg(HCO3)2

 

중탄산마그네슘은 열사용기기 수중에서 열분해하여 탄산마그네슘이 된다. 탄산마그네슘은 가수분해에 의해 용해도가 작은 수산화마그네슘의 슬러지로 되어 밑부분에 침전한다.

MgCO3 + H2O = Mg(OH)2 ↓ + CO2 ↑

 

4) 염화마그네슘 MgCl2

 

염화마그네슘은 보일러수가 적당한 pH로 유지되는 경우, 가수분해 및 다른 성분과의 치환반응에 의해 수산화마그네슘의 슬러지로 되어 블로우다운에 의해 배출될 수 있다.

 

MgCl2 + 2H2O = Mg(OH)2 ↓ + 2HCl

MgCl2 + Fe(OH)2 = Mg(OH)2 + FeCl2

MgCl2 + 2NaOH = Mg(OH)2 ↓ + 2NaCl

 

5) 황산마그네슘 MgSO4

 

황산마그네슘은 용해도가 크기 때문에 그 자체만으로는 스케일 생성이 잘 되지 않지만, 탄산칼슘과 작용하여 수산화마그네슘으로 되는 경질의 스케일을 생성한다. 또한 염화나트륨과 작용하여 염화마그네슘과 황산나트륨을 생성한다. 고온, 고압에서는 여러 가지 장해를 발생한다.

MgSO4 + CaCO3 + H2O = CaSO4 + Mg(OH)2 + CO2

MgSO4 + 2NaCl = MgCl2 + Na2SO4

6) 실리카 SiO2

 

실리카는 보일러 급수 중의 칼슘성분과 결합하여 규산칼슘을 생성한다. 또 알루미늄이온과 결합해서 여러 가지 형태의 스케일을 생성하며 급수 중에 잔류경도가 없는 경우에서도 실리카 단독으로 석출하는 수도 있다. 실리카 함유량이 많은 스케일은 대단히 경질이기 때문에 기계적 및 화학적 방법으로 제거하기가 곤란한다. 저압보일러와 같이 알칼리도를 높게 유지시키는 보일러에는 스케일화를 방지할 수 있다.

 

하지만 고압보일러에는 알칼리도의 제한치가 엄격하므로 보일러 수중에 실리카가 다량으로 용해되어 있는 경우, 선택적 캐리오버에 의해 터빈 날개 등에 부착해 터빈 성능 등을 저하시키는 수가 있으므로 주의해야 한다.

 

7) 유지

 

유지분은 정상적인 상태에서는 급수중에 함유되지 않지만 연료가열기, 윤활유가열기 등의 튜브에 파열사고가 일어나면 증기 응축수 계통에 유지분이 혼입될수 있다. 유지분은 포밍 발생원인이 될 뿐만 아니라 부유물, 탄소 등과 결합하여 슬러지 및 스케일을 생성한다.

 

2. 스케일의 장해

 

배관 내 스케일은 대구경 상수도 배관, 아파트-빌딩 등의 급수 배관, 산업용수 배관, 보일러-열교환기 등 열 사용기기의 배관 등 어느 분야를 막론하고 심각한 문제가 되고 있다. 스케일이 생성되면 유체를 오염시키는 것은 물론이거니와 유체의 흐름을 방해해 모터나 펌프의 비효율적인 운전을 초래한다. 이는 곧 연료 및 에너지 낭비와 직결된다고 할 수 있다.

 

원수가 좋지 않은 지역에서는 스케일로 인한 문제가 상당히 심각하다. 천안에 위치한 OO 기업의 기숙사는 1개월마다 샤워기 헤드를 전량 교체하고 있는 실정이다. 샤워기 헤드의 구멍이 스케일로 인해 막혀버리기 때문이다.

 

즉, 스케일이 막대한 비용 손실을 초래하고 있다는 것이다. 또한 김포의 OO 지역에서는 정수기를 사용하지 않는 것도 같은 맥락이다. 정수기를 설치해도 필터의 교체 주기가 잦고, A/S 비용을 감당할 수 없을 정도이기 때문에 정수기 대신 생수를 구입해 먹는 경우가 많다.

 

또한 우리나라 대부분의 산업체에서는 배관의 부식보다 스케일로 골머리를 앓고 있다. 부식은 단순히 배관이 소모되어 물을 오염시키는 것인데 일반 사용자들의 먹는 물에서 큰 문제를 초래한다.

 

 

[표1] 스케일 구성물질과 열전도율

 

물질명	열전도율 W/m℃(kcal/mh℃)
규산염 주체의 스케일	0.23 ∼ 0.47 (0.2 ∼ 0.4)
탄산염 주체의 스케일	0.47 ∼ 0.70 (0.4 ∼ 0.6)
황산염 주체의 스케일	0.58 ∼ 2.33 (0.5 ∼ 2)
연강	46.5 ∼ 69.8 (40 ∼ 60)
동	372.2 ∼ 418.8 (320 ∼ 360)
주석	0.07 ∼ 0.12 (0.06 ∼ 0.1)
유지분	0.12 (0.1)
철산화물 (Magnetite)	1.16 (1)
철산화물 (Hematite)	3.49 ∼ 5.82 (3 ∼ 5)

※ 자료출처 : 에너지관리공단

 

[표2] 스케일의 두께에 따른 연료 손실 (황산염 스케일의 경우)

 

스케일의 두께 (mm)	0.5	1	2	3	4	5	6
연료의 손실(%)	1.1	2.2	4.0	4.7	6.3	6.8	8.2

※ 자료출처 : 에너지관리공단

 

반면 스케일이 생성되면 심한 경우 배관이 막혀버리기 때문에 산업 현장에서의 작업이 불가능해지는 상황에까지 이르게 된다.

 

부식은 에폭시 등의 도료로 도장을 한다거나 스테인리스, 플라스틱 소재의 배관을 사용하는 등 근본적인 해결책이 있기 때문에 주요한 산업 현장에서는 어떻게든 부식을 방지할 수 있는 여지가 있다.

 

그러나 스케일은 배관의 소재와 상관없이 형성되기 때문에 더욱 문제가 심각하다. 스케일의 생성으로 열전도율이 저하되고, 연료의 손실도 막대한 상황임에도 불구하고 뾰족한 해결책을 찾지 못하고 있는 것이 산업 현장의 실정이다.

 

4. 스케일 장해 방지

배관의 스케일 제거를 필요로 하는 범위는 매우 다양하고 광범위하다. 다시 말하면 배관이 설치되어 있는 모든 현장의 실무자들은 스케일의 장해로부터 벗어나지 못하고 있다는 것이다.

 

그러나 연속되어 있는 배관의 가동을 중지하고 스케일을 제거할 수 있는 곳은 그리 많지 않다. 따라서 ‘스케일 제거는 이렇게 해야 한다’라고 규정하는 것은 매우 어려운 일이다. 배관의 재질, 구조(강도 포함), 유체의 특성, 설비 이력 등이 모두 다르기 때문에 획일적으로 판단하기는 어렵다.

 

이처럼 배관 내 스케일을 제거하는 방법 또한 다양하다. 현재 국내외를 통합해 가장 통상적으로 사용되고 있는 방법은 화학약품을 이용한 제거 방법이다. 그러나 사회적으로 물에 대한 관심이 증대되고 스케일로 인한 심각성이 대두됨에 따라 새로운 공법이 많이 개발되고 있는 추세다.

 

폴리 피크나 플렉시블 와이어를 이용해 물리적으로 스케일을 제거하는 방법이 있으며 갈바닉전류, 초음파, 오존, 자기를 이용한 방법도 있다. 이처럼 국내만 하더라도 20여 가지 이상의 스케일 제거 방법이 적용되고 있는 실정이다.

 

배관 관리자들은 우선 스케일을 미연에 방지할 수 있는 배관인지 아닌지를 구분해 볼 필요가 있으며 대상으로 하는 배관이나 기기의 구조 및 형상, 재질, 부착된 스케일이나 Deposit의 조성, 요구하는 청정도, 세정하여 나오는 세정 폐액이나 폐기물의 처리와 여기에서 요하는 비용 등의 요목에 대해 검토를 충분히 하여 스케일 제거 방법을 선택해야 한다.

[출처] - 월간 배관기술 - 기획특집 '현장 실무자들의 영원한 숙제 - 배관 스케일'