1. 서론

 이 연구는 재단법인 엔지니어링 진흥협회가 일본 경제산업성으로부터 위탁 받은 [해양석유개발기술 등 조사 - 극한해역 해양구조물의 기초 조사연구 - 열대지역에서의 신소재를 이용한 해양구조물 구조부재 적용가능성 연구(2006년~2010년)] 에 의하여 수행된 것이다. 최근의 해양석유 미개발지역은 동남아시아의 열대지역으로 바뀌고 있다. 이들 해역은 열대 해양지역으로 이곳에 설치되는 해양구조물은 가혹한 부식환경에서의 사용에 견디어 내야 한다. 최근 들어 고강도, 경량, 고 내구성이라는 특징을 가진 신소재가 여러 가지 개발되었고, 항공기, 자동차, 철도, 기계, 건설 등의 이용되고 있다. 이유로는 경량에 의한 운전비용과 건설비용의 저감, 고 내구성에 의한 유지관리 비용의 저감 등이다. 즉, 경량화에 의한 에너지저감과 구조물의 장수명화는 의의가 크다고 볼 수 있다.

 이와 같은 조건으로 인해, 가혹한 조건에서 이용되는 해양구조물에 대하여도 경량이며 내구성(내부식성)이 뛰어난 신소재의 채용이 기대되고 있다. 신소재를 해양구조물에 적용하는 경우 ①법적∙기술적 문제 해결, ②구조성능 보증을 위한 설계∙시공 기준의 확립, ③새로운 재료의 강도, 내구성에 관한 데이터의 축적 등이 필요하다. 이와 같은 연구는 본래 국가 프로젝트이나, 항목 중 재료강도 부분에 대하여는 민간제조사가 책임을 분담하고 수행하여야 한다는 관점에서 민간 기업도 공동으로 참여하여 연구를 진행하였다.

 연구는 1993년부터 18년간 실시되었고, 민간기업인 시미즈건설은 시험그룹의 일원으로 주도적으로 연구를 실시하여 왔다. 연구는 3단계에 의해 이루어졌고 이 보고서는 최종 5년간(2006년 ~ 2010년)에 실시된 단계Ⅲ에서 얻어진 결과이다.

2. 연구프로젝트의 전체 개요

 이 연구는 폭로실험을 중심으로 한 실험적 연구이며, 각종 재료의 내구성에 관한 데이터와 식견을 취득하고 정비하는 것이 목적이다. 해양석유미개발지역과 동일한 지역의 해양환경으로 Okinoshima에 있는 작업기지를 하나의 폭로 실험장으로 이용했다. Okinoshima는 일본 유일의 열대지역 섬으로 동경으로부터 1740㎞떨어진 태평양에 위치한 섬이다. 1993년부터 1997년에 수행된 단계Ⅰ에서는 연속섬유보강 콘크리트부재를 대상으로 폭로실험을 수행하고 내구성을 평가하였다. 보강근은 철근을 대체하는 섬유강화플라스틱으로 녹슬지 않는 것이 특징이다. 콘크리트에서는 경량 골재를 이용하여 부력구조인 해양구조물에 적절한가를 상정했다.

1997년부터 2005년까지의 단계Ⅱ에서는 금속재료, 섬유보강 플라스틱재료, 로프 등 22종의 재료를 대상으로 폭로실험을 수행하였다. 고 내구성 재료를 중심으로 선정하였고, 구조성능이 저하하는 것은 소수였다. 마지막으로는 각 재료의 부식과 열화 상태별로 5개의 내구 카테고리로 분류하여 정리하였다. 2006년부터 2010년까지 수행된 최종단계Ⅲ에서는 단계Ⅱ의 결과를 바탕으로 실용성을 고려한 재료를 선정하고 보다 해양구조물에 가깝도록 폭로실험을 수행하였다. 이들 재료를 이용하여 내구성 설계를 수행 할 수 있는 유효한 데이터를 축적하는 것이 단계Ⅲ의 목적이다.

3. 단계Ⅲ의 연구내용과 성과

 3.1 전체계획

 해양구조물의 실태에 가까운 폭로방법으로 내구강도 폭로실험과 비말대 폭로실험을 계획했다. 내구강도 폭로실험에서는 자중을 지지하는 등 하중을 부담한 상태의 구조부재를 고려하여, 실험편에 인장축력을 도입한 상태로 폭로실험을 실시하였다. 단계Ⅱ에서는 5년간의 폭로실험에서 구조성능 저하가 나타난 재료는 적었다. 단계Ⅲ의 폭로기간은 3년간으로 단기간의 성과를 기대하고, 높은 하중과 응력집중개소 등 일반적 상태보다도 가혹한 조건을 설정하였다.

 비말대 폭로실험에서는 긴 실험체를 부분적으로 해수에 접촉하도록 하는 폭로실험으로, 가장 부식이 잘 발생하는 해면부근의 부식 데이타를 얻기 위해 실시하였다. 해양환경에서의 부식형상은 양상부, 비말부, 간만부, 해수중부의 4개로 구분되며 이 가운데 비말부의 부식이 가장 심하다. 단계Ⅱ에서 일부 시험체를 계속하여 폭로를 실시하였고, 시험편의 최종적인 폭로기간은 Okinoshima가 8년, Miyakogima가 11년이다.

 3.2 폭로장소의 부식∙열화 환경

 내구성 강도실험과 단계Ⅱ의 계속폭로실험은 Okinoshima의 작업기지와 일본기상 테스트센터가 있는 Miyakogima시험장의 해양폭로장의 2개소에서 실시하였다. 비말대 폭로실험은 Okinotorisima의 SEP교각의 해중부분과 Nshiomotesima에 있는 연구센터에서 실시하였다. 각 폭로실험 장소의 부식∙열화 환경을 비교하기 위해, 금속재료와 플라스틱 재료의 기준지표로 JIS Z2383에 기초한 부식량의 측정(SM400B)과 폴리카보네이트판의 자외선량 측정을 실시하였다. 가장 험한 부식환경은 악천후에 파도가 직접 닿는 Miyakojima의 해양폭로장이다. 해면으로부터 15.5m상부에 위치하는 SEP상부로, Okinosima보다도 12.41배의 부식도를 나타내었다.

 3.3 내구강도폭로실험

 폭로실험에 사용된 재료는 다음의 5종류이다. ①알루미늄합금(#5083) ②스테인레스강(SUS329J4L) ③9%Ni강 ④보통강(SM490A) ⑤CFRP(탄소섬유보강복합재료) 내구강도폭로실험에서는 폭로장소에서 소정기간 폭로한 후에 축력(축력을 도입한 시편)과 인장강도를 측정하고, 초기값과 비교하여 재료별 구조재료로서의 열화성상을 검증하였다. 축력을 도입한 시험편에서는 보통강을 제외한 금속시편에서는 강도 저하는 나타나지 않았다. CFRP에서는 폭로 1년째에 10%정도 축력이 저하되었으나, 이후에는 지속되었다. 인장파괴강도에서는 알루미늄합금과 스테인레스강에서 전혀 강도저하의 경향이 나타나지 않았다.

 3.4 비말대 폭로실험

 폭로실험에 사용한 재료는 보통강(SM490A), 9%Ni강, 내후성강(SMA490A)의 3종류이다. 내후성강은 비래염분이 많은 지역에서는 표면에 부식작용으로 안정된 녹이 형성되기 어려워 사용이 제한되어 있으나 실험편으로 사용했다. 

 부식도의 데이터는 상당히 편차가 크나, 보통강의 부식도를 대략 정리하면 비말부부터 간만부에 걸쳐 3000~7000g/㎡∙year, 해중부는 1000~3000g/㎡∙year이었다. 비말부 상부의 부식도는 7000g/㎡∙year를 부식 속도로 하면 0.89mm/year이 된다. 부식방식 핸드북에 나타낸 동등의 시편에서는 0.33mm/year로, 실험에서 얻은 값은 2.7배이다. 9%Ni강은 비말부에서 파도영향이 없는 부분은 보통강에 비해 양호한 내식성을 나타내었다. 내후성강에 대하여는 실험 범위내에서는 보통강과 명확한 차이를 나타내지 않았다.

3.5 단계Ⅱ에서의 연속폭로실험

 단계Ⅱ의 용접이음시험체 중 7종류의 금속재료를 계속하여 폭로실험에 사용하였다. 7종류는 다음과 같다. ① 티탄합금 ②알루미늄합금 ③동합금 ④스테인레스강 ⑤내식스테인레스강 ⑥도금강 ⑦9%Ni강. 폭로장소는 Okinosima의 SEP상부와 Miyakojima해변이었다. 시험에 사용된 소재와 용접이음의 시험편을 각각 2개씩 골라 인장시험을 하였다. 7종 중 티탄합금은 전혀 부식이 발생하지 않았다. 알루미늄합금, 스테인레스강, 내식스테인레스강, 9%Ni강에 대하여는 단계Ⅱ종류부터 부식의 진행이 없었고 안정된 상태를 보였다. 서술한 5종의 재료에 대하여는 폭로장소에 따른 차이는 없었다. 인장강도에 대하여는 Okinoshima에서는 8년째에, Miyakojima에서는 5년째에 용접부 강도의 편차가 심했다. 동합금의 용접부 강도는 모재보다 10% 낮았다.

4. 마무리

 단계Ⅲ의 목적은 [해양구조물의 내구설계에 도움이 되는 데이터의 취득]이다. 1) 각 폭로장소에서 철강의 부식량과 연간 자외선량을 이용하여 장소의 부식∙열화 환경을 비교하고 나타내었다. 2) [내구강도폭로실험]에서는 보통강 이외의 금속재료에서는 인장강도 변화가 없었다. GFRP에서는 폭로 1년째에 인장강도의 편차와 10%정도의 부하응력 빠짐이 발생하였으나, 이후에는 안정되어 열화가 발생하지 않았다. 3) [비말대폭로실험]에서는 보통강, 9%Ni강, 내후성강에 관하여 열대, 아열대에서의 해면 부근의 부식량에 대한 실제 데이터를 취득하였다. 4) [단계Ⅱ로부터의 계속 폭로실험]에서는 최대 11년의 금속재료의 모재와 용접부에 관한 장기 폭로 데이터를 취득하였다.

 단계Ⅰ,Ⅱ에 이어 단계Ⅲ에서도 여러 가지 재료를 동일 조건에서 직접 폭로하고 [동일 조건에서의 내구성 평가]가 이루어졌다고 생각한다. 단, 구조부재의 내구성 평가에서는 부식과 열화에 의한 강도변화가 확인된 재료는 적었다. 50~100년으로 설정된 해양구조물의 내구연한을 고려한다면 보다 더 장기적인 연구 프로젝트가 필요할 것으로 사료된다.

▣ 원문제목 : 熱帯域における海洋構造物への新素材を利用した構造部材適用可能性研究

▣ 원문의 주요목차********************************************************************

1. 서론

2. 연구프로젝트의 전체 개요

3. 단계Ⅲ의 연구내용과 성과

4. 마무리