알루미늄 합금의 틈부식 예측을 위한 실험 및 수치 시뮬레이션의 통합적 접근

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The advancement of industrial technologies and improvement in living standards have increased energy consumption by heating, ventilating, and air conditioning (HVAC) systems for thermal comfort in buildings. Accordingly, heat exchangers, which are key components of HVAC systems, enhance thermal performance by combining aluminum (Al) alloys with fin-tube structures featuring extended fin surfaces. However, fin-tube heat exchangers are geometrically vulnerable to the formation of crevices between the fins and tubes, which can lead to localized corrosion. Among the various theories of crevice corrosion, the potential drop (IR drop) theory explains that corrosion initiates when an IR drop occurs within the confined region induces a transition from the passive to the active state under critical conditions. The magnitude of the IR drop is highly sensitive to geometric parameters such as the crevice width, which directly governs the electrolyte resistance and current pathways. Meanwhile, experimental methods for crevice corrosion have limitations in ensuring consistent results due to external disturbances and parameter variability. For that reason, finite element method (FEM) based simulations have emerged as an alternative approach in corrosion research, enabling the analysis of localized electrochemical reactions and dynamic corrosion behavior. Therefore, in this study, the crevice corrosion behavior of Al alloys with varying crevice widths was investigated by integrating experiments with FEM simulations based on the IR drop theory, providing a foundation for reliable crevice corrosion prediction. In this study, the crevice corrosion behavior of AA1050 with different crevice widths was analyzed based on the IR drop theory through in-situ electrochemical measurements and immersion tests. The experimental results were incorporated into a crevice corrosion model to perform numerical simulations, and the agreement between the experiment and simulation results was systematically examined. Subsequently, regression analysis was employed to express the time-dependent corrosion behavior as functional relationships, thereby proposing a methodology for crevice corrosion prediction. AA1050 with a crevice geometry is affected by the IR drop, although its contribution is limited except under extremely narrow conditions, such as a 10 µm crevice. The crevice corrosion model accurately reproduced the distributions of electrode potential and current density. While the maximum corrosion depths obtained from the experiments and simulations showed good agreement, a discrepancy of approximately 0.75 mm was observed in the xcrit values due to inherent methodological limitations. Regression analysis yielded predictive equations for the time-dependent evolution of corrosion depth, and further improvement of the model is expected by incorporating the effects of corrosion products. Keywords: Aluminum alloy; Crevice corrosion; Crevice width; IR drop theory; Numerical simulation; Corrosion prediction

국문 초록 (Abstract)

산업 기술의 발전과 생활 수준의 향상으로 건물 내 열적 쾌적성에 대한 요구가 증가하면서, 공조(heating, ventilating, and air conditioning, HVAC) 시스템의 에너지 소비도 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라, HVAC 시스템의 핵심 부품인 열교환기에는 열전도도가 우수한 알루미늄(aluminum, Al) 합금이 적용되며, 넓은 표면적을 확보할 수 있는 핀-튜브 구조를 통해 에너지 효율을 향상시키고 있다. 그러나, 핀-튜브 열교환기는 핀과 튜브가 접촉한 부위에 미세한 틈이 형성될 수 있어, 구조적으로 틈부식에 매우 취약하다. 다양한 틈부식 이론 중 전위 강하(potential drop, IR drop) 이론은 틈 내부에서 부동태(passive)에서 활성(active)으로 전이되는 전위 강하가 발생하고, 임계조건에 도달하면 틈부식이 발생한다고 설명한다. 이때, IR drop 크기는 전해질 저항 및 전류 경로를 직접적으로 결정하는 주요 변수인 틈 간극과 같은 구조적 인자의 영향을 받아 민감하게 변화하기 때문에 체계적인 검토가 필요하다.
한편, 실험을 통한 틈부식 평가는 외부 간섭 및 변수 오차로 인한 결과의 일관성을 확보하는 데에 어려움이 있다. 이에 대한 대안으로서 유한요소법(finite element method, FEM) 기반의 수치 시뮬레이션은 국부 전기화학적 반응 변화를 분석할 수 있고, 부식의 동적 거동을 확인할 수 있다는 점에서 부식 연구 전반에서 많이 활용되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 IR drop 이론을 바탕으로 틈 간극에 따른 AA1050의 틈부식 거동을 실험 및 유한요소법 기반 수치 시뮬레이션을 통해 비교-평가함으로써 신뢰도 높은 틈부식 예측을 위한 기초 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 in-situ 전기화학적 평가 및 침지시험을 통해 IR drop 이론에 기반한 틈 간극에 따른 AA1050의 내식 특성 및 부식 거동을 분석하였다. 실험에서 확보된 부식 경향성과 분극도의 부식 매개변수를 틈부식 모델에 적용하여, 수치 시뮬레이션을 수행하였으며, 실험 및 시뮬레이션 결과값 간의 일치도를 검증하였다. 이후, 회귀분석을 통해 시간에 따른 틈부식 거동을 함수적 관계로 표현하여 틈부식 예측을 위한 방법론을 제시하였다.
연구 결과, 틈 구조를 가진 AA1050은 IR drop의 영향을 받으나, 10 ㎛와 같이 간극이 매우 좁은 조건을 제외하면 상대적으로 제한적이었다. 틈부식 모델은 전극전위 및 전류밀도 분포를 정확히 반영하였고, 수치 시뮬레이션을 통해 IR drop 기반 틈부식 거동을 재현하였다. 실험 및 시뮬레이션을 통해 도출된 최대부식깊이 값은 유사하였으나, xcrit 값은 약 0.75 mm의 큰 오차가 발생하였다. 이는 실험 및 시뮬레이션 방법 각각이 가지는 제약이 상호 작용한 결과로 해석된다. 회귀분석을 통해 시간에 따른 부식깊이를 예측할 수 있는 회귀식을 도출하였고, 틈부식 모델에 부식생성물 영향을 반영하면 향후 모델 개선이 가능할 것으로 기대된다. Keywords: 알루미늄 합금; 틈부식; 틈 간극; 전위 강하 이론; 수치 시뮬레이션; 부식 예측

목차 (Table of Contents)

• List of Tables ⅲ
• List of Figures ⅲ
• Abstract Ⅴ
• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.1.1 HVAC 시스템 에너지 효율 향상을 위한 열교환기 설계 1
• 1.1.2 핀-튜브 열교환기의 틈부식 4
• 1.1.3 부식 예측 평가 기술의 필요성 7
• 1.1.4 유한요소법 기반 부식 시뮬레이션 9
• 1.2 연구 추진도 10
• 2. 이론적 배경· 11
• 2.1 틈부식 11
• 2.1.1 틈부식의 발생기구· 11
• 2.1.2 틈부식에 미치는 영향인자 16
• 2.2 유한요소법 시뮬레이션· 17
• 2.2.1 유한요소법 17
• 2.2.2 유한요소해석 절차· 18
• 2.3 회귀분석 21
• 2.3.1 회귀분석의 정의 21
• 2.3.2 회귀모형의 종류 22
• 2.3.3 회귀분석 결과의 평가 지표 23
• 3. 실험 방법 24
• 3.1 재료 및 용액 24
• 3.2 내식 특성 평가 25
• 3.3 틈부식 거동 분석 27
• 3.4 틈부식 수치 시뮬레이션 29
• 3.4.1 틈부식 모델링 29
• 3.4.2 지배방정식과 경계조건 30
• 3.4.3 메시 32
• 4. 연구결과 및 고찰 34
• 4.1 내식 특성 평가 34
• 4.1.1 개방회로전위 34
• 4.1.2 동전위 분극· 37
• 4.1.3 임피던스 분광법 42
• 4.2 틈부식 거동 분석 45
• 4.3 틈부식 수치 시뮬레이션 49
• 4.4 실험 및 시뮬레이션 결과 비교 52
• 4.5 회귀분석을 통한 틈부식 거동 예측 55
• 5. 결론 58
• 참고문헌· 60
• 국문초록· 65