지열 발전소 고온·고압 부식성 가스(H₂S, HCl) 환경에 대응하는 니켈 기반 합금 선정 기준

지열 발전소의 금속재료 선정에서 가장 위험한 착각 중 하나는 “온도가 높고 부식성이 강하면 니켈합금을 사용하면 된다”는 생각이다.

실제 지열 환경에서는 같은 니켈 기반 합금이라도 H₂S, HCl, CO₂, Cl⁻, 수분, 압력, 온도, 유속 그리고 응력 조건에 따라 부식 거동이 크게 달라진다.

특히 고온 지열증기에서는 부식률 자체보다 국부부식(Pitting), 틈새부식(Crevice Corrosion), 응력부식균열(SCC), 용접부의 국부적인 피막 열화가 더 위험한 경우가 있다.

따라서 지열 발전소 고온·고압 부식성 가스(H₂S, HCl) 환경에 대응하는 니켈 기반 합금 선정 기준은 단순히 “가장 비싼 합금”을 고르는 문제가 아니다.

핵심은 어떤 환경에서 어떤 손상 메커니즘을 차단해야 하는가를 먼저 결정하는 것이다.

1. H₂S와 HCl은 같은 방식으로 금속을 공격하지 않는다

지열 유체에는 여러 부식성 성분이 존재한다.

과거 지열발전 재료 연구에서는 산소(O₂), 황화수소(H₂S), 이산화탄소(CO₂), 암모니아(NH₃), 염화물(Cl⁻), 황산염(SO₄²⁻), 수소이온 농도(pH) 등을 주요 부식인자로 제시했다.

여기서 H₂S와 HCl을 동일한 방식으로 생각하면 재료 선정이 틀어질 수 있다.

HCl은 수용액이 형성되는 순간 강한 산성 환경을 만들면서 금속의 수동피막을 불안정하게 만들고, Cl⁻는 피막의 국부적인 파괴를 유도할 수 있다.

반면 H₂S가 존재하는 습윤 환경에서는 황화물계 부식생성물과 수소 흡수, 전기화학적 반응이 동시에 작용할 수 있다.

즉,

HCl → 산성화 + 수동피막 손상

Cl⁻ → Pitting/Crevice 촉진

H₂S → 황화물 환경 + 전기화학 반응 + 수소 관련 손상 가능성

이라는 서로 다른 경로를 생각해야 한다.

이 차이를 이해해야 니켈합금의 선택도 설명할 수 있다.

2. 니켈합금의 장점은 ‘니켈 자체’보다 합금원소의 조합이다

니켈 기반 합금이라고 해서 모두 같은 내식성을 갖는 것은 아니다.

예를 들어 대표적인 Alloy 625(UNS N06625)는 높은 Ni 함량과 함께 Cr과 Mo, Nb를 포함한다.

Cr은 수동피막 형성에 중요한 역할을 하고, Mo는 특히 염화물 환경에서 국부부식 저항성을 높이는 데 기여한다.

따라서 지열 환경에서는 단순히 Ni 함량만 비교하는 것보다

Ni + Cr + Mo + W + Cu + 미세조직

을 함께 봐야 한다.

실제로 고온 H₂S/CO₂ 환경에서 Ni-base alloy를 비교한 연구에서는 Alloy 625, G3, Alloy 718, Alloy 825의 내식성 순서가 625 > G3 > 718 > 825로 나타난 사례가 있다. 연구진은 H₂S가 부식 개시를 촉진하는 cathodic depolarizer 역할을 할 수 있다고 분석했다.

여기서 중요한 것은 “625가 항상 최고다”라는 결론이 아니라 시험환경에 따라 합금의 순위가 달라질 수 있다는 것이다.

3. 실제 지열 환경에서는 Alloy 825도 상당히 좋은 재료일 수 있다

Alloy 825(UNS N08825)를 무조건 625보다 열등한 합금으로 보는 것도 적절하지 않다.

실제 재료선정에서는 가격과 기계적 특성까지 고려해야 하기 때문이다.

특히 중간 정도의 온도와 H₂S/Cl⁻ 환경에서는 825가 충분한 성능을 보일 수 있다.

하지만 문제가 되는 것은 온도와 염화물 농도가 동시에 올라가는 경우다.

한 고온 sour gas 연구에서는 0.21 MPa H₂S와 0.70 MPa CO₂ 조건에서 150 ppm 및 30,000 ppm chloride 환경을 비교했다.

일반부식률은 전반적으로 매우 낮았지만, Alloy 825에서는 150 ppm chloride에서도 미세한 pitting과 crevice initiation이 발생했고, chloride가 30,000 ppm으로 증가하면서 crevice attack이 더욱 심해졌다.

반면 해당 시험에서는 Alloy G3와 Alloy 625가 국부부식에 대한 높은 저항성을 보였다.

이 데이터가 의미하는 것은 상당히 명확하다.

평균 부식률이 낮다고 해서 안전한 것이 아니다.

실제 설비의 파손은 전체 면적이 0.05 mm/year씩 균일하게 감소해서 발생하는 것이 아니라, 특정 틈새나 용접부에서 깊은 pit 하나가 발생하면서 시작될 수 있기 때문이다.

4. 350℃ 지열 환경에서 확인된 흥미로운 실험 결과

지열발전 분야에서 매우 참고할 만한 연구가 있다.

연구진은 H₂S, CO₂, HCl이 포함된 초고온 지열환경을 모사하여 350℃, 10 barG 조건에서 여러 재료의 부식 거동을 시험했다.

시험에는 UNS N06255, UNS N06845, Alloy 625(N06625)와 같은 니켈 기반 합금이 포함됐다.

시험 환경의 실제 지열 유체에는 약 13,906 mg/kg의 chloride, 0.18 mg/kg H₂S, 6.36 mg/kg CO₂, 약 24,798 mg/kg TDS가 포함된 조건도 분석됐다.

그런데 결과가 흥미롭다.

시험한 재료들의 전체 부식률은 0.1 mm/year 이하로 매우 낮게 나타났다. 또한 실리카(SiO₂) 스케일이 형성된 니켈합금에서는 스케일 자체가 국부부식을 촉진한다는 명확한 증거가 확인되지 않았다.

여기서 중요한 공학적 해석이 나온다.

“고온 + H₂S + HCl = 반드시 높은 균일부식률”은 아니다.

오히려 고온 지열환경에서는 합금 표면에 형성되는 산화물·황화물·실리카 스케일의 성격과 안정성이 실제 손상 정도를 결정할 수 있다.

따라서 단순한 부식률 계산만으로 재료를 선정하면 안 된다.

5. 그런데 왜 좋은 니켈합금에서도 국부부식이 발생하는가?

이것이 지열설비 재료선정에서 가장 어려운 부분이다.

금속 표면에는 완벽하게 균일한 수동피막이 존재하지 않는다.

미세한 조성 차이, 개재물, 용접조직, 열처리, 표면결함 등이 존재한다.

여기에 Cl⁻가 존재하면 특정 지점에서 수동피막이 국부적으로 파괴될 수 있다.

작은 pit가 생기면 pit 내부에서는 금속이온 가수분해로 산성화가 진행되고 Cl⁻가 추가적으로 유입되면서 pit 내부와 외부의 전기화학적 차이가 커진다.

그러면 작은 pit가 스스로 성장할 수 있는 환경이 만들어진다.

이것이 바로 Pitting의 자기촉진(Self-accelerating) 특성이다.

따라서 지열발전소에서 재료선정을 할 때

“부식률이 몇 mm/year인가?”

만 확인하는 것보다

“Pitting이 시작되는 조건은 무엇인가?”

를 확인하는 것이 훨씬 중요할 수 있다.

6. 용접부에서는 더 복잡해진다

니켈합금이라고 해서 용접 후에도 모재와 동일한 내식성을 유지하는 것은 아니다.

특히 Alloy 625의 고온 H₂S/CO₂ 환경 용접부를 조사한 연구에서는 모재보다 오히려 용접부에서 pitting이 발생한 사례가 보고됐다.

연구진은 용접부에서 형성된 Laves phase와 G phase가 모재보다 낮은 내식성을 나타내는 것과 관련이 있다고 분석했다.

이 사례는 재료선정에서 매우 중요한 교훈을 준다.

좋은 합금을 선택했다고 해서 용접부까지 자동으로 안전해지는 것은 아니다.

오히려 고가의 Alloy 625를 사용하고도 용접조직을 잘못 관리하면 국부부식이라는 새로운 약점이 만들어질 수 있다.

따라서 실제 설비에서는

Base Metal → Weld Metal → HAZ → Post-weld condition

을 각각 평가해야 한다.

7. 더 비싼 Alloy 625가 항상 정답은 아니다

여기서 비용과 안전성 사이의 문제가 발생한다.

예를 들어 모든 배관과 열교환기 부품을 최고등급 니켈합금으로 제작하면 재료비가 크게 증가한다.

반대로 비용을 줄이기 위해 825나 고합금 스테인리스강으로 낮추면 특정 조건에서 pitting이나 SCC 위험이 증가할 수 있다.

따라서 제가 보는 가장 합리적인 접근법은 설비 전체를 하나의 재료로 선정하지 않는 것이다.

예를 들어 일반적인 부식환경에서는 상대적으로 경제적인 재료를 사용하고,

• H₂S가 집중되는 구간
• HCl 응축이 발생하는 구간
• Quench zone
• 열교환기 입구
• 습윤-건조 반복부
• 용접부
• 유속이 급격히 변하는 구간

에는 더 높은 등급의 CRA(Corrosion Resistant Alloy)를 적용하는 방식이다.

실제 지열발전 분야의 보고서에서도 The Geysers의 특정 quench zone에서 매우 심각한 부식 문제가 발생했으며, 254 SMO와 Super Duplex 2507 등이 검토되었지만 해당 구간에서는 Alloy 625만 생존한 사례가 보고됐다.

이것은 단순한 실험실 데이터보다 훨씬 중요한 자료다.

환경이 바뀌면 같은 발전소 안에서도 최적 재료가 바뀔 수 있다는 것을 보여주기 때문이다.

8. HCl이 포함되면 ‘응축’을 반드시 봐야 한다

지열발전소의 HCl 문제를 단순히 HCl 농도로만 판단해서는 안 된다.

실제 설비에서는 온도가 내려가는 지점에서 증기 중 수분이 응축될 수 있다.

이때 기체 상태에서는 상대적으로 문제가 적었던 성분이 액상으로 농축되면서 금속 표면에 매우 공격적인 국부 환경을 만들 수 있다.

특히 HCl이 포함된 응축수가 만들어지면

온도 감소 → 응축수 형성 → HCl/Cl⁻ 농축 → pH 감소 → 수동피막 불안정 → 국부부식

이라는 연쇄반응이 가능하다.

따라서 지열 발전소 고온·고압 부식성 가스(H₂S, HCl) 환경에 대응하는 니켈 기반 합금 선정 기준에서는 운전온도뿐 아니라 dew point와 실제 금속표면온도를 반드시 확인해야 한다.

9. 실제 재료 선정은 6가지 데이터를 먼저 봐야 한다

지열설비에서 니켈합금을 선정한다면 최소한 다음 데이터를 확보하는 것이 좋다.

① 온도

정상 운전온도뿐 아니라 startup, shutdown, quench 과정의 온도까지 확인한다.

② H₂S 분압

전체 압력보다 H₂S의 partial pressure가 중요하다.

③ HCl 및 chloride 농도

HCl 농도뿐 아니라 응축 후 실제 Cl⁻ 농도가 어떻게 변하는지를 봐야 한다.

④ pH

특히 액상이 형성되는 구간의 실제 pH가 중요하다.

⑤ 유속과 침전물

고속 유체에서는 erosion-corrosion이 문제가 될 수 있고, 저속부에서는 침전물과 under-deposit corrosion이 문제가 될 수 있다.

⑥ 응력과 용접상태

같은 합금이라도 잔류응력과 용접조직에 따라 SCC와 국부부식 위험이 달라질 수 있다.

결국 Ni 함량 하나로 재료를 선정하는 방식은 충분하지 않다.

10. 지열 발전소용 니켈합금 선정의 실무적인 판단법

대략적인 방향은 다음과 같이 잡을 수 있다.

Alloy 825

중간 수준의 고온 및 H₂S/Cl⁻ 환경에서 경제성과 내식성의 균형을 검토할 수 있다. 다만 고온·고염화물 조건에서는 국부부식 데이터를 반드시 확인해야 한다.

Alloy 625

높은 H₂S, chloride, 국부부식 위험이 동시에 존재하는 구간에서 우선 검토할 가치가 높다. 특히 실제 지열발전 설비의 극심한 quench 환경에서 적용된 사례가 있다는 점이 중요하다.

Alloy 718

높은 기계적 강도가 필요한 경우 매력적이지만, 단순히 강도가 높다는 이유로 625보다 우수하다고 판단해서는 안 된다. H₂S와 chloride 환경에서는 부식과 기계적 손상을 함께 평가해야 한다. 150℃, 25 wt% NaCl, H₂S 분압 변화 조건에서 718의 부식생성물과 수동피막 거동이 조사된 연구도 있다.

C-type Ni-Mo-Cr alloys

매우 공격적인 산성 및 chloride 환경에서는 C-276 계열과 같은 고내식 Ni-Mo-Cr 합금도 검토 대상이 될 수 있지만, 가격과 가공성까지 포함한 경제성 평가가 필요하다.

11. 결국 ‘부식률이 낮은 합금’을 찾는 것이 아니다

지열발전소의 재료선정에서 가장 위험한 접근은 시험편의 평균 부식률만 비교하는 것이다.

예를 들어 A 합금의 평균 부식률이 0.03 mm/year이고 B 합금이 0.05 mm/year라고 하자.

숫자만 보면 A가 좋다.

하지만 A에서 깊이 0.5 mm의 pit가 발생하고 B에는 균일부식만 발생한다면 압력경계의 Integrity 관점에서는 판단이 달라질 수 있다.

따라서 내가 중요하게 보는 기준은 다음과 같다.

General Corrosion Rate

Pitting Resistance

Crevice Corrosion Resistance

SCC/EAC Resistance

Welded Joint Performance

Thermal Cycling Stability

이 6가지를 함께 봐야 한다.

이것이 지열 발전소 고온·고압 부식성 가스(H₂S, HCl) 환경에 대응하는 니켈 기반 합금 선정 기준의 핵심이다.

12. 결론

지열 발전소에서 니켈 기반 합금은 강력한 부식 방어수단이지만 “니켈합금이면 안전하다”는 공식은 존재하지 않는다.

350℃, 10 barG의 H₂S·HCl·CO₂를 포함한 모사 지열환경에서는 시험한 재료들의 전체 부식률이 0.1 mm/year 이하로 낮게 나타났지만, 다른 sour 환경에서는 chloride 증가에 따라 Alloy 825의 pitting과 crevice attack이 증가했다. 또한 실제 지열발전소의 특정 quench zone에서는 Alloy 625가 다른 후보재보다 우수한 생존성을 보인 사례도 있다.

따라서 지열 발전소 고온·고압 부식성 가스(H₂S, HCl) 환경에 대응하는 니켈 기반 합금 선정 기준은 결국 다음 질문으로 정리할 수 있다.

“이 합금의 평균 부식률이 얼마인가?”가 아니라 “이 합금이 실제 설비의 가장 공격적인 국부환경에서 피팅, 틈새부식, SCC와 용접부 열화를 얼마나 견딜 수 있는가?”

이 질문에 답할 수 있어야 비로소 적절한 재료 선정이라고 할 수 있다.

핵심 체크리스트

• H₂S 분압을 확인했는가?
• HCl과 Cl⁻ 농도를 구분했는가?
• 실제 금속표면 온도를 확인했는가?
• Dew point와 응축 가능성을 검토했는가?
• pH와 액상 조성을 분석했는가?
• Pitting과 Crevice corrosion 데이터를 확인했는가?
• 용접부의 미세조직을 별도로 평가했는가?
• 정상 운전뿐 아니라 Startup/Shutdown 조건을 고려했는가?
• 평균 부식률만으로 재료를 선정하지 않았는가?
• 실제 현장 또는 유사 환경의 exposure test 데이터가 있는가?

자주 묻는 질문

Q1. 지열발전소에서는 Alloy 625가 무조건 가장 좋은가?

아니다. 625가 매우 우수한 후보가 될 수 있지만 온도, H₂S 분압, chloride, pH, 응축, 응력과 비용을 함께 평가해야 한다.

Q2. Alloy 825는 지열환경에서 사용할 수 없는가?

그렇지 않다. 특정 지열환경에서는 충분히 우수한 선택이 될 수 있다. 다만 고온·고염화물·고H₂S 조건에서는 국부부식 데이터를 별도로 확인해야 한다.

Q3. H₂S와 HCl 중 어느 것이 더 위험한가?

환경에 따라 다르다. HCl과 chloride는 수동피막 파괴와 국부부식에 매우 중요하고, H₂S는 황화물 환경과 수소 관련 손상 및 전기화학적 반응을 함께 고려해야 한다.

Q4. 부식률이 0.1 mm/year 이하이면 안전한가?

그렇게 단정할 수 없다. 평균 부식률이 낮아도 국부적인 pit나 crevice가 깊게 성장하면 압력경계 건전성에 문제가 될 수 있다.

참고문헌 및 참고 링크

1. Thorhallsson et al., Corrosion Science — Corrosion testing of materials in simulated superheated geothermal environment
   350℃, 10 barG의 H₂S·CO₂·HCl 포함 지열환경에서 탄소강, 스테인리스강, 니켈합금 및 티타늄 합금을 비교한 연구입니다.
   Corrosion Science 연구 원문
2. Thorhallsson et al., Geothermics — Silica scaling and boiling effect on corrosion behaviour of nickel-based alloys
   HCl, H₂S, CO₂가 포함된 350℃ 지열환경에서 UNS N06845와 N06255의 거동 및 실리카 스케일 영향을 조사했습니다.
   Geothermics 연구 원문
3. Evaluation of Suitability of High-Alloyed Materials for Geothermal Applications in the North German Basin
   100℃ 및 150℃, 1,500 kPa 조건에서 고합금 재료의 pitting·crevice corrosion 거동을 평가한 지열 재료선정 연구입니다.
   CORROSION 논문
4. Electrochemical behaviour of Ni-base alloys exposed under oil/gas field environments
   Alloy 625, G3, 718, 825의 H₂S/CO₂ 환경 내 전기화학적 거동을 비교한 연구입니다.
   Corrosion Science 논문
5. Study of the pitting corrosion at welding joints of Inconel 625 alloy under high temperature and high H₂S/CO₂ partial pressure
   Alloy 625 용접부에서 Laves/G phase와 pitting의 관계를 분석한 연구입니다.
   연구 원문
6. Corrosion behavior of Alloy 825 in high temperature and high H₂S-CO₂ environment
   150℃와 230℃에서 H₂S 1.2 MPa, CO₂ 3.2 MPa 조건의 Alloy 825 수동피막과 pitting 거동을 분석했습니다.
   Frontiers 연구 원문
7. EPRI — Corrosion of Materials Used in Geothermal Power Generation
   The Geysers 등 실제 지열발전 환경에서 재료 및 부식 문제를 다룬 자료로, 특정 quench zone에서 Alloy 625가 사용된 실제 사례를 확인할 수 있습니다.
   EPRI 기술보고서
8. ASTM — Material Selection Guidelines for Geothermal Power Systems
   지열발전에서 O₂, H₂S, CO₂, NH₃, chloride, sulfate, pH 등을 주요 재료선정 변수로 다룬 초기의 대표적인 기술자료입니다.
   ASTM 자료