(A) study on corrosion behavior and prediction of underground buried structures|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Underground buried structures play a critical role in low-carbon energy infrastructures, including district heating (DH) systems and deep geological repository (DGR) systems for the disposal of spent nuclear fuel (SNF). Corrosion has been identified as a major cause of failure in these buried structures. Therefore, understanding and predicting the corrosion behavior of buried structures in underground environments is essential to ensure their long-term reliability and stable operation. In this study, corrosion behavior and prediction were investigated for structures in DH and DGR systems, which are representative underground structures.
Chapter 3 investigated the cause of pitting corrosion induced failure in low-carbon steel pipes in the DH system. The primary causes were identified as crevice and galvanic corrosion induced by microstructural inhomogeneity with Al inclusions and a high pearlite fraction. Corrosion was more severe in the external groundwater environment than in the internally controlled DH water. Chapter 4 examined the electrochemical properties and lifespan of NiCr sensor wires in resistance leak detection (LD) systems of DH systems to improve reliability. The results revealed that, under high temperature conditions with applied current and stress, the failure of NiCr sensor wire was attributed to anodic dissolution and subsequent ductile fracture due to cross-sectional reduction. In addition, the lifespan of the NiCr sensor wire was derived as a function of insulation resistance measured in the LD system. These findings are expected to contribute to preventing corrosion failures and ensuring the stable operation of underground DH systems.
Chapters 5 and 6 analyzed the uniform and pitting corrosion behavior of copper canisters in DGR environments under varying temperature, chloride concentration, and pH. The results showed that environmental factors influenced both the uniform and pitting corrosion behavior of copper during the early immersion stage. However, as immersion time increased, the uniform corrosion rate significantly decreased and pit propagation was suppressed due to oxygen depletion near the copper surface. Overall, this study confirmed that copper exhibits excellent long-term corrosion resistance in DGR environments and is suitable as a canister material.

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국문 초록 (Abstract)

지하매설 구조물은 저탄소 에너지 기반 시설의 필수적인 구성요소로, 지역 난방 시스템의 열수송관 뿐만 아니라, 사용 후 핵연료의 안전한 처분을 위한 심부지질처분 시스템에서도 활용되고 있다. 부식은 이러한 지하매설 구조물의 주요 파손 원인으로 지목되고 있지만, 지하에 매설된 구조물의 특성상 부식 상태를 주기적으로 관찰하기 어렵기 때문에 예기치 못한 부식 파손이 발생할 수 있다. 따라서 지하매설 구조물의 장기 신뢰성 확보 및 안정적인 운영을 위해서는 지하매설 환경에서 구조물의 부식 거동에 대한 이해 및 예측이 필수적이다. 본 연구에서는, 대표적인 지하매설 구조물인 지역 난방 시스템의 열수송관과 사용 후 핵연료의 심부지질처분 시스템의 처분용기를 대상으로 부식 거동 분석 및 예측 연구를 수행하였다.
제 3 장에서는 지역난방 시스템의 저탄소강 열수송관에서 발생한 공식 기인 파손의 원인을 규명하였다. 주요한 원인은 알루미늄 개재물과 높은 펄라이트 분율을 가진 미세구조 불균일에 기인한 틈부식 및 갈바닉 부식으로 확인되었다. 또한, 공식 기인 파손은 수질이 관리되는 내부의 난방수 환경보다 외부의 지하수 환경에서 발생한 것으로 확인되었다. 제 4 장에서는 제 3 장에서 다룬 부식 파손을 감시하는 누설 감시 시스템의 신뢰성 향상을 위해, 누설 감시 시스템에서 사용되는 NiCr 감지선의 전기화학적 특성과 수명에 대해 연구하였다. 그 결과, 고온에서 전류와 응력이 인가되는 누설 감시 시스템 환경에서 NiCr 감지선의 파손은 양극 용해에 따른 단면적 감소와 연성 파괴에 기인하는 것으로 확인되었다. 또한, 누설 감시 시스템에서 측정되는 절연 저항에 따른 NiCr 감지선의 수명을 도출하였다. 이러한 연구 결과는 지하매설 지역난방 시스템의 부식 파손 방지 및 안정적인 운영에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
제 5 장에서는 회귀분석 및 시뮬레이션을 통해 심부지질처분 환경에서 환경 변수 (온도, Cl 농도, pH)에 따른 구리 처분용기의 균일부식 거동을 분석하고 예측하였다. 제 6장에서는 전기화학적 시험 및 시뮬레이션을 통해 심부지질처분 환경에서 동일한 환경변수에 따른 구리 처분용기의 공식 거동을 분석하고 예측하였다. 그 결과, 심부지질처분 환경에서 환경변수는 침지 초기의 구리 균일부식속도 및 공식 거동에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 그러나, 침지 시간이 경과함에 따라, 산소 고갈로 인해 균일부식속도가 급격히 감소하고, 공식 전파가 억제됨을 확인하였다. 본 연구를 통해 구리가 심부지질처분 환경에서 장기적인 내식성을 가지며, 처분용기 재료로서 적합함을 확인하였다.

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지하매설 구조물은 저탄소 에너지 기반 시설의 필수적인 구성요소로, 지역 난방 시스템의 열수송관 뿐만 아니라, 사용 후 핵연료의 안전한 처분을 위한 심부지질처분 시스템에서도 활용되...

목차 (Table of Contents)

Chapter 1. General Introduction 1
Chapter 2. Background and Literature Review 5
2.1. Corrosion Failures in District Heating System 5
2.1.1. Overview of District Heating System 5
2.1.2. Corrosion Failure of District Heating Pipe 8

Chapter 1. General Introduction 1
Chapter 2. Background and Literature Review 5
2.1. Corrosion Failures in District Heating System 5
2.1.1. Overview of District Heating System 5
2.1.2. Corrosion Failure of District Heating Pipe 8
2.2. Reliability of Leak Detection System 11
2.2.1. Overview of Leak Detection System 11
2.2.2. Failure of Leak Detection Sensor Wire 14
2.3. Corrosion of Copper Canister in Deep Geological Repository System 16
2.3.1. Overview of Deep Geological Repository System 16
2.3.2. Environmental Conditions of Deep Geological Repository System 18
2.3.3. Possible Corrosion of Copper Canisters 21
Chapter 3. Localized Corrosion Occurrence in Low-Carbon Steel Pipe Caused by Microstructural Inhomogeneity 24
3.1. Abstract 24
3.2. Introduction 25
3.3. Experimental Procedures 27
3.3.1. Description of Pipeline 27
3.3.2. Metallurgical Characterization 29
3.3.3. Electrochemical Analyses 30
3.4. Results and Discussion 31
3.4.1. Chemical Composition of the Low-Carbon Steel Pipe 31
3.4.2. Visual and Macroscopic Inspections 32
3.4.3. Metallographic Examinations and AFM Analysis 35
3.4.4. Microscopic Analyses 38
3.4.5. OCP Measurement Results 41
3.4.6. PDP Test Results 42
3.4.7. GSP Test Results 45
3.4.8. Corrosion Mechanism 47
3.5. Conclusions 49
3.6. Recommendations 50
Chapter 4. Evaluation of Electrochemical Properties and Life Prediction of Sensor Wire in Leak Detection Systems of Underground Heating Pipelines 51
4.1. Abstract 51
4.2. Introduction 52
4.3. Experimental Procedures 54
4.3.1. Description of Resistance Leak Detection Systems for District Heating systems 54
4.3.1.1. Temperature Condition 57
4.3.1.2. Applied Stress Condition 59
4.3.1.3. Applied Current Condition 61
4.3.2. Specimens and Solution Preparation 62
4.3.3. Electrochemical Analyses 63
4.3.4. Surface Analyses 65
4.4. Results and Discussion 66
4.4.1. Environmental Analysis in Resistance Leak Detection System 66
4.4.1.1. Temperature Analysis Results 66
4.4.1.2. Applied Stress Analysis Results 67
4.4.2. Electrochemical Behavior of Sensor Wires 70
4.4.2.1. CPP Test Results 70
4.4.2.2. EIS Test Results 75
4.4.3. Lifespan Evaluation of Sensor Wires 82
4.4.3.1. GSP Test Results 82
4.4.3.2. Surface Analysis Results 87
4.5. Conclusions 94
4.6. Supplementary Materials 96
Chapter 5. Effects of Environmental Factors on Copper Corrosion in an Aerobic Deep Geological Repository 101
5.1. Abstract 101
5.2. Introduction 102
5.3. Experimental Procedures 106
5.3.1. Specimens and Solution Preparation 106
5.3.2. Design of Experiments Using Response Surface Methodology 107
5.3.3. Electrochemical Analyses 110
5.3.4. Surface Analyses 110
5.3.5. Corrosion Simulation 111
5.3.5.1. Geometry 112
5.3.5.2. Electrode Reactions 114
5.3.5.3. Mass Transport 116
5.3.5.4. Temperature Dependence 118
5.4. Results and Discussion 120
5.4.1. PDP Test Results 120
5.4.2. Statistical Analysis Based on Response Surface Methodology 124
5.4.3. Surface Analysis Results 135
5.4.4. Corrosion Simulation Results 141
5.4.5. Comparison of Regression Model and Corrosion Simulation 147
5.5. Conclusions 149
5.6. Supplementary Materials 151
Chapter 6. Influence of Environmental Factors on Pitting Corrosion of Copper in an Aerobic Deep Geological Repository 159
6.1. Abstract 159
6.2. Introduction 160
6.3. Experimental Procedures 163
6.3.1. Specimens and Solution Preparation 163
6.3.2. Electrochemical Analyses 165
6.3.3. Surface Analyses 167
6.3.4. Numerical Modeling of Pit Propagation 168
6.4. Results and Discussion 177
6.4.1. Copper Surface Characteristics under Environmental Factors 177
6.4.1.1. PDP Test Results 177
6.4.1.2. EIS Test Results 181
6.4.1.3. Surface Analysis Results 186
6.4.2. Pit Initiation Susceptibility under Environmental Factors 190
6.4.3. Pit Propagation Behavior under Environmental Factors 194
6.4.3.1. ZRA Test Results 194
6.4.3.2. Numerical Simulation of Pit Propagation 197
6.5. Conclusions 202
6.6. Supplementary Materials 204
Chapter 7. Conclusions 208
Chapter 8. Future Works 212
References 213