정유공장 상압증류탑(CDU) 상부 설비의 고온 naphthenic acid 부식 방지를 위한 재질 선정 가이드

정유공장의 원유 상압증류탑(CDU) 오버헤드 시스템(Overhead System) 및 고온 측류(Sidestream) 배관 구역은 원유에 포함된 유기산으로 인해 심각한 설비 열화에 직면한다. 특히 나프텐산 부식(Naphthenic Acid Corrosion, NAC)은 금속 표면의 보호성 피막을 국부적으로 용해시켜 고속 유동 환경에서 치명적인 금속 손실을 유발한다. 현장 엔지니어가 반드시 알아야 할 NAC의 메커니즘과 경제적이고 실효성 있는 재질 선정 가이드를 분석한다.

1. 나프텐산 부식(NAC)의 메커니즘과 발생 조건

나프텐산은 원유에 자연적으로 포함된 카르복실산($R\text{-COOH}$) 혼합물의 총칭으로, 상압증류탑 하부의 고온 구역에서 기화 및 농축되면서 설비를 부식시킨다.

• 화학 반응 메커니즘: 고온($220^\circ\text{C} \sim 400^\circ\text{C}$) 상태의 나프텐산이 철(Fe) 표면과 반응하여 용해성 철 나프테네이트(Iron Naphthenate)를 형성하고, 이것이 유체 흐름에 의해 쓸려 나감으로써 보호성 산화 피막이 재생되지 못하고 국부 부식이 가속화된다.
• 주요 취약 구역:
  • 상압증류탑 하부 플래시 존(Flash Zone) 및 세척유(Wash Oil) 라인
  • 고온 측류(Kerosene, Gas Oil) 스트리퍼 및 하부 배관
  • 유속이 빠르고 난류가 발생하는 밸브 전후단 및 배관 엘보(Elbow) 부위

구분	주요 영향 인자	상세 내용 및 임계 조건
온도 조건	임계 온도 윈도우	$220^\circ\text{C} \sim 400^\circ\text{C}$ 범위에서 활성화 ($270^\circ\text{C} \sim 360^\circ\text{C}$에서 부식 속도 극대화)
유속 조건	유체 유속(Velocity)	고속 유동($> 20\text{ m/s}$) 조건에서 기계적 마모와 부식이 결합된 침식-부식(Erosion-Corrosion) 유발
원유 성상	총산가 (TAN, Total Acid Number)	원유의 TAN이 $0.5\text{ mg KOH/g}$ 이상인 경우 고위험군으로 분류

2. 현장 트러블슈팅: CDU 상부 및 측류 배관 파손 사례

원유 다변화 정책(저가 고산가 원유 도입)을 채택한 정유사 공정에서 빈번히 발생하는 트러블 양상이다.

1. 국부적인 벽면 두께 감소 (Wall Thinning): 배관 외관은 멀쩡해 보이지만 초음파 두께 측정(UT) 결과 엘보 부위의 안쪽 곡면만 심하게 깎여 나가 파열 직전에 이르는 현상.
2. 황화 부식(Sulfidation)과의 시너지 효과: 원유 내 황화합물($\text{H}_2\text{S}$)과 나프텐산이 동시에 존재할 때, 황화철($\text{FeS}$) 피막과 나프텐산의 상호작용으로 인해 순수 나프텐산 부식보다 부식 속도가 수 배에서 수십 배까지 폭발적으로 증가한다.

3. 엔지니어를 위한 재질 선정 및 방어 가이드

나프텐산 부식을 원천 차단하고 플랜트의 가동 중단(Unplanned Shutdown)을 막기 위한 실무적 대응 전략이다.

• 몰리브덴($Mo$) 함량에 따른 합금 선정:
  • 일반 탄소강이나 304/316 스테인리스강은 고온 나프텐산 환경에서 속수무책으로 부식된다.
  • 몰리브덴이 최소 2.0% 이상 함유된 316L을 기본으로 적용하되, TAN이 높고 유속이 빠른 가혹한 구역은 317L(Mo 3~4%) 또는 크롬-몰리브덴 합금강(5Cr-0.5Mo, 9Cr-1Mo)으로 재질을 업그레이드해야 한다.
• 고내식성 니켈-크롬 합금 적용:
  • 부식성이 매우 극심한 구역(고산가 원유 전용 처리 공정)에는 널리 입증된 Alloy 625 또는 Alloy C-276 등의 니켈 기반 초합금을 오버레이(Weld Overlay)하거나 솔리드 재질로 채택한다.
• 공정 운전 및 블렌딩 관리:
  • 원유 도입 시 고산가 원유와 저산가 원유를 최적의 비율로 블렌딩하여 탑 유입 원유의 전체 TAN을 안전 범위($< 0.2\text{ mg KOH/g}$) 이하로 제어한다.
  • 부식성이 강한 구간의 유속을 설계 허용치 이내로 제한하여 기계적 침식을 억제한다.

3-1. [현장 실무자 Voice] “두께 측정(UT) 하러 갔다가 간담이 서늘했던 순간들”

A 수석엔지니어 (정유사 공정유지보수팀, 경력 20년)

“나프텐산 부식이 무서운 이유는 눈에 보이지 않게 배관 안쪽을 면도날처럼 깎아먹기 때문입니다. 외관은 보온재에 싸여 있어서 멀쩡해 보이는데, 정기보수 때 UT(초음파 두께 측정)를 해보면 유속이 부딪히는 엘보 안쪽 곡면만 종이장처럼 얇아져 있어요. 하마터면 고온의 유체가 터져 나와 대형 화재로 이어질 뻔한 적이 한두 번이 아닙니다.”

B 부장 (정유공장 기술지원파트)

“최근에 원가 절감한다고 산가(TAN)가 높은 저가 원유를 섞어 쓰기 시작하면서 부식 속도가 예전과 완전히 달라졌습니다. ‘설마 이 정도 오르겠어’ 하고 방심했다가 불과 몇 개월 만에 측류 배관 플랜지 부위가 통째로 부식되어 긴급 셧다운을 한 적도 있어요. 고산가 원유를 들여올 때는 반드시 사전에 재질 한계치를 재검토해야 합니다.”

4. 엔지니어를 위한 재질 선정 및 방어 가이드 (현장 적용형)

나프텐산 부식을 원천 차단하고 플랜트의 가동 중단(Unplanned Shutdown)을 막기 위한 실무적 대응 전략이다.

• 몰리브덴($Mo$) 함량에 따른 합금 선정:
  • 일반 탄소강이나 304/316 스테인리스강은 고온 나프텐산 환경에서 속수무책으로 부식된다.
  • 몰리브덴이 최소 2.0% 이상 함유된 316L을 기본으로 적용하되, TAN이 높고 유속이 빠른 가혹한 구역은 317L(Mo 3~4%) 또는 크롬-몰리브덴 합금강(5Cr-0.5Mo, 9Cr-1Mo)으로 재질을 업그레이드해야 한다.
• 고내식성 니켈-크롬 합금 적용:
  • 부식성이 매우 극심한 구역(고산가 원유 전용 처리 공정)에는 널리 입증된 Alloy 625 또는 Alloy C-276 등의 니켈 기반 초합금을 오버레이(Weld Overlay)하거나 솔리드 재질로 채택한다.
• 공정 운전 및 블렌딩 관리:
  • 원유 도입 시 고산가 원유와 저산가 원유를 최적의 비율로 블렌딩하여 탑 유입 원유의 전체 TAN을 안전 범위($< 0.2\text{ mg KOH/g}$) 이하로 제어한다.
  • 부식성이 강한 구간의 유속을 설계 허용치 이내로 제한하여 기계적 침식을 억제한다.

5. 현장 실무자들이 가장 자주 묻는 Q&A

• Q1. 원유의 총산가(TAN)가 낮더라도 나프텐산 부식이 발생할 수 있나요?
  • 그렇다. TAN이 낮더라도 상압증류탑 내부의 특정 단(Tray)이나 국부적인 구역에서 비등점에 의해 저비점 나프텐산이 농축되면, 국소적으로 산가가 급상승하여 심각한 부식을 유발할 수 있다. 따라서 평균 TAN 수치뿐만 아니라 공정 내 온도/압력 구배에 따른 농축 가능성을 함께 검토해야 한다.
• Q2. 황화 부식과 나프텐산 부식이 동시에 발생할 때 어떤 재질이 가장 유리한가요?
  • 황화물과 나프텐산이 공존하는 환경에서는 몰리브덴($Mo$)이 핵심 방어 역할을 한다. 최소 2.5% 이상의 몰리브덴을 포함한 오스테나이트계 스테인리스강(예: 316L, 317L)이나 고크롬-몰리브덴 합금강을 적용하는 것이 황화철 피막의 안정성을 유지하는 데 가장 효과적이다.
• Q3. 이미 얇아진 배관에 대해 긴급 보수를 할 때 어떤 방식을 써야 하나요?
  • 고온·고압의 CDU 공정 특성상 임시 용접 패치나 클램프는 누설 위험이 크다. 두께 감소가 임계치 미만으로 떨어진 배관 스풀은 가동 중단(Turnaround) 기회를 이용해 즉시 상위 내식성 재질(Mo 함유 합금)로 교체하고, 정비 전까지는 공정 유체의 온도를 낮추거나 첨가제를 주입해 부식 속도를 지연시켜야 한다.