매체별 티타늄 내식성

티타늄의 내식성은 금속 자체의 성질이 아니라 몇 나노미터 두께의 막 — 이산화티타늄 — 의 성질입니다. 이 막은 공기나 물속에서 즉시 형성되며, 표면에 재형성에 필요한 산소나 물이 충분하다면 스스로 복구됩니다. 이후의 모든 결론은 이 한 문장에서 나옵니다. 막이 복구될 수 있는 곳에서 티타늄은 사실상 불활성이고, 복구될 수 없는 곳에서는 상당히 빠른 속도로 부식됩니다.

부동태 피막의 거동 법칙

이 막은 산화성 조건과 중성 수용액에서 안정하며, 염화물을 함유한 중성 용액도 예외가 아닙니다. 다음 요인에 의해 파괴됩니다: 환원성 조건, 복구에 쓸 물이 없는 무수 환경, 티타늄을 직접 용해하는 불소 이온, 그리고 지속적인 수소 충전입니다. 온도는 위의 모든 과정을 가속하며, 틈새도 마찬가지입니다 — 틈새는 가용 산소를 빠르게 소진해 막을 재형성할 수 없게 만듭니다.

같은 등급이 한 공장에서는 정답이고, 동일한 명목 화학물질을 처리하는 다른 공장에서는 실패하는 이유가 여기에 있습니다. 농도, 온도, 통기 정도, 유속, 기하 구조는 부차적인 세부가 아니라 그 자체로 사양서입니다.

매체별 정리

아래 평가는 내식 조건에서 가장 많이 인용되는 세 등급의 산업 관행을 반영합니다. 엔지니어링 논의의 출발점이며, 부식 데이터 핸드북이나 실제 매체에서의 시편 노출 시험을 대체하지 않습니다.

매체	Gr.2 (순수 티타늄)	Gr.7 (팔라듐)	Gr.12 (Ni-Mo)	설명
해수, 상온, 유동	우수	우수	우수	취약 지점은 금속이 아니라 개스킷 접합부
해수/염수, 약 70 °C 초과	제한적	양호	양호	침전물과 밀봉재 아래에서 틈새 부식
습윤 염소가스	우수	우수	우수	수분이 반드시 존재해야 함
건조 염소가스	권장하지 않음	권장하지 않음	권장하지 않음	발화·자연 반응 위험
차아염소산나트륨	우수	우수	우수	온도와 염소산염 함량 주의
가성소다(NaOH)	우수	우수	우수	고온에서 수소 흡수 가능
질산, 약 65%까지	우수	우수	우수	산화성 매체, 피막 안정
황산, 묽고 통기됨	양호	양호	양호	진한 산 또는 고온: 권장하지 않음
염산, 묽고 상온	제한적	양호	양호	농도와 온도 허용 범위가 모두 좁음
불산, 모든 농도	권장하지 않음	권장하지 않음	권장하지 않음	피막과 금속을 동시에 용해
습윤 H₂S/산성 가스	제한적	제한적	제한적	위험은 균일 부식이 아닌 수소 취성

염화물: 아무도 먼저 말해주지 않는 온도 상한

산업용 순수 티타늄은 통상적인 온도의 해수에서 균일 부식을 일으키지 않습니다. 이를 제한하는 것은 틈새 부식입니다. 개스킷, 침전물, 겹침 접합부 또는 튜브시트 밀봉 아래에서 산소가 보충되는 속도보다 빠르게 소모되면 피막을 재형성할 수 없고, 부식이 그곳에서 시작됩니다. 업계 지침이 제시하는 실용 임계값은 염화물 기준 약 70 °C이며, 이를 넘으면 틈새가 설계 조건이 됩니다.

이 임계값을 움직이는 요인이 두 가지 있습니다. 팔라듐을 함유한 Gr.7과 니켈-몰리브덴의 Gr.12는 모두 임계값을 크게 높이며, 담수화와 염수 열교환기가 Gr.2 대신 이들을 지정하는 이유입니다. 다른 하나는 기하 구조로, 등급만큼 중요합니다. 틈새를 없앤 설계는 더 비싼 합금을 쓰면서 디테일이 나쁜 설계보다 수명이 길 수 있습니다.

염소가스, 차아염소산염, 염소알칼리

습윤 염소가스, 이산화염소, 차아염소산과 차아염소산염은 모두 강한 산화성 매체이며, 티타늄은 이들의 표준 소재입니다. 염소알칼리 공장에서 티타늄의 위치가 여기에 기초합니다: 전해조 부품, 습윤 염소가스 배관, 냉각기 관다발, 표백 설비.

예외는 건조 염소가스입니다. 부동태 피막을 유지할 수분이 없으면 티타늄이 격렬하게 반응할 수 있습니다. 이는 업계에 잘 알려진 위험이며, 건조 염소가스 조건이 '나쁨'이 아니라 명시적으로 배제되는 이유입니다. 배관이 운전 조건에 따라 건조와 습윤을 오간다면 그것은 구매 문제가 아니라 설계 문제입니다.

질산, 황산, 염산

질산은 산화성이라 피막이 안정하며, 티타늄은 통상 온도와 약 65% 농도 이하에서 우수한 성능을 보입니다. 발연질산(red fuming nitric acid)은 다른 문제이며 같은 매체로 취급해서는 안 됩니다.

황산은 묽고 통기될 때 산화성을 띠어 티타늄이 견딥니다. 농도와 온도가 올라가면 매체가 환원성으로 바뀌고 피막이 불안정해지며 부식이 급격히 빨라집니다. 묽고 차갑고 통기된 흐름은 문제없지만, 뜨거운 진한 황산은 안 되며 어떤 티타늄 등급으로도 해결되지 않습니다.

염산은 등급 선택이 실제로 가격 차이를 회수하는 매체입니다. 일반 Gr.2는 상온의 묽은 염산만 견디며 허용 범위가 매우 좁습니다. 팔라듐(Gr.7)과 니켈-몰리브덴(Gr.12)은 전위를 정방향으로 이동시켜 범위를 넓히므로, 산세 라인, 염화물 침출 회로, 산 재생 설비에서 자주 보입니다.

수소 취성과 음극 보호

티타늄은 수소를 흡수하며, 금속 중 수소 함량이 약 150 ppm을 넘으면 수소화물 상이 형성되어 취성이 생깁니다. 사용 중에는 세 경로로 발생합니다: 음극 보호가 티타늄에 과보호로 작용하는 경우, 전해액에서 더 활성인 금속과 갈바닉 전지를 이루는 경우, 그리고 표면에서 수소가 발생하는 환경 — 습윤 H₂S, 산세, 일부 고온 알칼리 조건입니다.

구매 관점의 결론은 간단합니다. 설비에 음극 보호를 적용할 예정이라면 반드시 명시하십시오. 보호 전위가 통제되어야 하며, 티타늄이 통제되지 않은 전지의 음극이 되어서는 안 됩니다. 매체가 산성 가스라면 논의의 중심이 '어떤 등급'에서 '티타늄이 적합한가'로 옮겨갑니다. 제조 과정에서 산세를 한다면 산세 후 수소 함량 재검사를 함께 규정하십시오.

성패를 가르는 설계 디테일

• 틈새. 완전 용입, 겹침 없음, 연속 용접 중단 없음, 액체가 고이지 않는 개스킷 구조. 틈새 하나가 '우수'를 '제한적'으로 바꿉니다.
• 유속. 티타늄은 해수에서 구리-니켈 합금보다 높은 유속을 견디지만, 단면 급변부와 정체 구간은 여전히 침식과 침전물 부식을 일으킵니다.
• 갈바닉 전지. 티타늄은 강, 알루미늄, 구리 합금, 스테인리스강에 대해 음극입니다. 접촉은 상대 금속의 부식을 가속하므로 중요 부위에는 절연이 필요합니다.
• 표면 상태. 산세 또는 광택 표면은 철 오염이 묻은 압연 표면보다 성능이 좋습니다. 후자는 '원인을 알 수 없는 공식'의 흔한 원인입니다.
• 온도 여유. 통상 운전점이 아니라 최고 변동 온도를 기준으로 설계하십시오. 대부분의 고장은 틈새 임계값을 20 °C 초과한 구간에서 발생합니다.

선정을 검증하는 방법

검증된 운전 범위를 벗어난 모든 적용에서 세 단계 검증은 한 번의 고장보다 저렴합니다. 첫째, 명목 산 종류가 아니라 실제 농도와 온도에서의 등부식 데이터를 확인하십시오. 둘째, ASTM G31에 따라 침지 시험을 하되 노출 시편과 틈새 시편을 함께 넣어 지배 메커니즘이 무엇인지 파악하십시오. 셋째, 설비가 크거나 조건이 경계에 있다면 주 공정에 사이드스트림 시편을 걸어 정비 주기 하나를 운전하십시오.

프로젝트가 실제로 경계에 있을 때 정직한 답은 종종 '티타늄이 맞는 소재가 아니다, 라이닝 강판이나 상위 합금이 전 수명 비용에서 더 저렴하다'입니다. 이 결론은 발주서 이후가 아니라 이전에 나오는 것이 좋습니다.

내식 등급 소재는 판재, 열교환기용 관재·배관, 봉재, 단조품·가공품으로 공급할 수 있습니다. 매체, 농도, 온도와 적용 규격을 보내주시면 Gr.2, Gr.7, Gr.12의 공급 가능성을 확인해 드립니다.