[논문]지역난방용 매설배관의 열응력 흡수에 관한 연구

공재향; 신병국

문제 정의

을 적용하여 보다 정확한 데이터를 산출하고자 노력하였으며 또 AGFW 적용식에만 집착하지 않고 NCHPP 수정식도 적용하여 그 결과를 비교해 봄으로서 차이에 대해 알아보았다. 또 자중의 산출에서는 외관과 보온재의 무게를 감안한 것과 외관과 보온재의 무게를 배제한 것을 각각 적용하여 외관과 보온재의 적용여부에 따라 마찰력 및 최대 설치거리가 어떻게 변하는지도 검토해 보았다.
본 연구에서는 열팽창을 허용하는 방법에서 독일지역난 방협회(이하 AGFW)와 노원열병합발전소(이하 NCHPP)에서 적용되고 있는 열응력 흡수방법에 대한 기초이론을 고찰하고 그 차이점 및 문제점을 알아내어 토양의 조건 및 성상에 따른 마찰계수 값과 배관에 적용되는 각종 계수 값을 현실에 맞도록 설정함으로써 그에 따른 마찰력 및 최대설치 거리를 고찰하는데 목적이 있으며 궁극적으로는 배관의 안전성 및 공사비 관계를 검토하는데 그 목적이 있다.
이번 연구에서는 복토하중에서 수식 산출의 근거가 명확하지 않은 NCHPP 수정식 #을 배제하고 근거가 분명한 AGFW 적용식 #을 적용하여 보다 정확한 데이터를 산출하고자 노력하였으며 또 AGFW 적용식에만 집착하지 않고 NCHPP 수정식도 적용하여 그 결과를 비교해 봄으로서 차이에 대해 알아보았다. 또 자중의 산출에서는 외관과 보온재의 무게를 감안한 것과 외관과 보온재의 무게를 배제한 것을 각각 적용하여 외관과 보온재의 적용여부에 따라 마찰력 및 최대 설치거리가 어떻게 변하는지도 검토해 보았다.

제안 방법

설계조건에서는 최고사용온도가 최초 설계당시 120℃로 설계되어있었으나 2002년 4월 개정된 "집단에너지공급사업 열공급규정"에는 115℃로 변경됨에 따라 규정에 맞도록 115℃를 적용하여 데이터를 산출하였다. 또 팽창량 산출을 위한 온도변화 𝛥T를 당초에는 최고사용온도인 120℃를 적용하여 계산하였으나, 매설 배관의 경우 동절기 공사와 온수 공급의 중단이 있다 하더라도 지하에 매설되고 우레탄 폼으로 보온되어있으므로 최악의 조건까지 떨어지는 경우는 드물다는 가정하에 최저온도를 상온인 20℃로 하여 𝛥T = 95 centigrade(115℃-20℃)를 적용, 당초설계와 차이를 검토를 해 봄으로써 향후 설계시 참고자료로 활용할 수 있도록 하였다.
배관의 두께에서는 지역난방의 최초 시행지인 독일의 AGFW 적용치와 국내의 노원지구, 강서지구 및 한국지역 난방공사의 실정을 비교 검토하여 국내의 실정에 맞는 데이터를 산출하는 것에 목적을 두었으며 배관의 두께는 Table 3에서 알 수 있듯이 국내에서도 노원지구는 강서지구나 한국지역난방공사와 차이를 보이고 있었는데 이번 연구에서는 Table 3의 배관재중 국내에서 가장 많이 사용하는 강서 지구(한난)의 배관을 기준으로 하였으며 강관의 비중량은 한국공업규격의 7,850kg/m³을, 흙의 비중량은 l,800kg/m³을 적용하여 데이터를 산출하였다. 또 AGFW, 강서지구 및 노원지구에서 사용하는 배관의 두께별로 데이터를 산줄하여 마찰력 및 최대설치거리를 비교해 보았다.
53으로 분류 적용하여 토양의 종류 및 성상에 따른 마찰력 및 최대 설치거리를 산출하였다. 또 매설 깊이 및 관경에 따른 마찰력 및 최대설치거리를 산출하여 그 변화를 알아보고 그에 따른 차이를 비교 검토해 봄으로써 매설배관에 발생하는 열응력으로부터 보다 안전한 배관을 설계할 수 있도록 하였다.
또 최대 설치거리에서는 NCHPP의 경우 91.8m로 AGFW 의 126.2m, 제안의 126.7m보다 짧게 나타났는데 이는 마찰력 적용공식의 복토하중 적용식에서 97년부터 적용된 NCHPP 수정식에 영향이 있지만 제안이 126.7m로 AGFW 의 126.2m보다 크게 나타난 것은 제안의 배관 두께가 6.4mm로 AGFW의 5mm보다 두껍고 토양의 비중량에서는 제안이 l,800kg/m³으로 AGFW의 l,938kg/m³보다 적은 결과이므로 배관의 두께 및 토양의 비중량에 따라 분리하여 검토해 보았다.
설계조건에서는 최고사용온도가 최초 설계당시 120℃로 설계되어있었으나 2002년 4월 개정된 "집단에너지공급사업 열공급규정"에는 115℃로 변경됨에 따라 규정에 맞도록 115℃를 적용하여 데이터를 산출하였다. 또 팽창량 산출을 위한 온도변화 𝛥T를 당초에는 최고사용온도인 120℃를 적용하여 계산하였으나, 매설 배관의 경우 동절기 공사와 온수 공급의 중단이 있다 하더라도 지하에 매설되고 우레탄 폼으로 보온되어있으므로 최악의 조건까지 떨어지는 경우는 드물다는 가정하에 최저온도를 상온인 20℃로 하여 𝛥T = 95 centigrade(115℃-20℃)를 적용, 당초설계와 차이를 검토를 해 봄으로써 향후 설계시 참고자료로 활용할 수 있도록 하였다.
배관의 두께에서는 지역난방의 최초 시행지인 독일의 AGFW 적용치와 국내의 노원지구, 강서지구 및 한국지역 난방공사의 실정을 비교 검토하여 국내의 실정에 맞는 데이터를 산출하는 것에 목적을 두었으며 배관의 두께는 Table 3에서 알 수 있듯이 국내에서도 노원지구는 강서지구나 한국지역난방공사와 차이를 보이고 있었는데 이번 연구에서는 Table 3의 배관재중 국내에서 가장 많이 사용하는 강서 지구(한난)의 배관을 기준으로 하였으며 강관의 비중량은 한국공업규격의 7,850kg/m³을, 흙의 비중량은 l,800kg/m³을 적용하여 데이터를 산출하였다. 또 AGFW, 강서지구 및 노원지구에서 사용하는 배관의 두께별로 데이터를 산줄하여 마찰력 및 최대설치거리를 비교해 보았다.
본 연구에서는 토양의 종류 및 성상이 배관의 자유로운 신축을 억압하는 요소임을 고려하여 마찰계수 𝜇의 값을 0.45, 0.5, 0.53으로 분류 적용하여 토양의 종류 및 성상에 따른 마찰력 및 최대 설치거리를 산출하였다. 또 매설 깊이 및 관경에 따른 마찰력 및 최대설치거리를 산출하여 그 변화를 알아보고 그에 따른 차이를 비교 검토해 봄으로써 매설배관에 발생하는 열응력으로부터 보다 안전한 배관을 설계할 수 있도록 하였다.
5일 때 마찰력 및 최대설치거리가 Table 4와 같이 나타나고 있다. 이 Table 4를 분석해보면 마찰력에서는 NCHPP의 경우 1.63kg/mm으로 AGFW의 1.26kg/mm이나 제안의 1.18kg/mm보다 크게 나타났는데 이는 마찰력 적용공식의 복토하중 적용식에서 '97년 노원지구 열수송관 설치공사부터 적용되어온 NCHPP 수정식 #이 배관에 작용하는 토양의 무게만을 적용하도록 AGFW 적용식 #를 간략화하는 과정에서 발생된 오차로 본 연구에서는 AGFW 적용식을 사용하기로 하였다.

이론/모형

1983년 목동 신시가지에서의 배관 방식은 공동구에 설치하는 노출방식으로 일반 플랜트 배관의 설치 방법과 동일하게 적용되었다. 그 후 여의도지역에 지역난방이 공급되면서 매설방식이 처음으로 시행되었는데 이는 시 공전이나 시공시 일정한 크기의 반대방향의 응력을 발생시킨 후 열공급 정지시 일정한 온도 이하로 내려가지 않게 함으로써 열응력의 범위를 작게 하는 무보상 방법(이하 Non-Com방법)을 사용하였다.

성능/효과

(2) 팽창량 산출에 이용되는 𝛥T = 120 centigrade는 최악의 조건에 근거를 둔 것으로 안전성에서는 우수하나 팔 길이의 증가에 따라 공사비가 증가하고 관로가 도심을 통과하는 경우 공사에 지장을 줄 수 있으므로 𝛥T = 95 centigrade를 적용함으로써 팔 길이를 줄여 공사비를 절감하고 도심에서의 공사를 원활히 할 수 있다.
(4) 배관의 두께를 증가시키면 허용하중의 증가로 최대설치 거리가 증가하지만, 최대설치거리를 증가시키기 위해 배관의 두께를 증가시키는 것은 공사비 증가의 원인이 되므로 적정한 두께가 설계에 반영되어야 하며 동종의 공사에 동종의 배관재가 사용될 수 있도록 배관의 두께를 통일할 필요가 있다.
Fig. 7는 마찰계수 𝜇를 0.45로 각각 대입하여 관경별 매 설깊이에 따른 최대설치거리를 표시하였으며 Table 9는 그 래프를 해석하기 위해 관경 250mm에 대한 매설 깊이 및 마찰계수에 따른 최대설치거리의 변화를 비교 검토하였는데 그 결과 𝜇의 값이 커질수록 F_R값이 커지고 최대설치거리 L_m는 F_R값에 반비례하여 감소하게 됨을 알 수 있었다. 매설 깊이가 깊어질수록 H 및 h의증가로 F_N과F_R이 증가하면서 최대설치거리 L_m는 F_R값에 반비례하여 감소하게 됨을 알 수 있었다.
그 결과 배관경이 커질수록 마찰력이 커지는 것을 알 수 있었다. 관경이 커질수록 𝛾_a가 커져 배관에 작용하는 복토하중이 커진 결과이며 마찰계수가 클수록 마찰력도 증가하였다.
2m에 대한 마찰계수 및 관경별 마찰력을 비교해보았다. 그 결과 배관경이 커질수록 마찰력이 커지는 것을 알 수 있었다. 관경이 커질수록 𝛾_a가 커져 배관에 작용하는 복토하중이 커진 결과이며 마찰계수가 클수록 마찰력도 증가하였다.
그 결과 비중량은 복토하중에 직접적으로 영향을 미치는 인자이므로 마찰력에서는 비중량을 크게 적용한 AGFW가 1.26kg/mm로 NCHPP의 1.18kg/mm보다 크게 나타났고 최대설치거리는 마찰력에 반비례하여 AGFW가 118.7m로서 NCHPP의 126.7m보다 감소함을 알 수 있었다. 여기서 알 수 있는 것은 마찰력은 배관과 직접 접촉하는 모래의 성상도 중요하지만 배관을 둘러싸고 있는 흙의 성상 및 비중량도 배관에 작용하는 마찰력에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
2m에 대한 마찰계수 및 관경별 최대설치거리를 비교해보았는데 이는 관경의 증가에 따 라 𝛾_a가 증가하여 F_NF_R 및 이 증가하고, 그에 따라 L_m는 반비례하여 감소하였다. 마찰계수 𝜇의 증가에 따라 마찰력 F_R이 증가하고 이에 반비례하여 최대설치거리 L_m는감소함을을 알 수 있었다.
45로 각각 대입하여 관경별 매 설깊이에 따른 최대설치거리를 표시하였으며 Table 9는 그 래프를 해석하기 위해 관경 250mm에 대한 매설 깊이 및 마찰계수에 따른 최대설치거리의 변화를 비교 검토하였는데 그 결과 𝜇의 값이 커질수록 F_R값이 커지고 최대설치거리 L_m는 F_R값에 반비례하여 감소하게 됨을 알 수 있었다. 매설 깊이가 깊어질수록 H 및 h의증가로 F_N과F_R이 증가하면서 최대설치거리 L_m는 F_R값에 반비례하여 감소하게 됨을 알 수 있었다.
이는 마찰력은 마찰계수에 비례하여 증가하였으며 깊이가 깊을수록 마찰력이 커짐을 알 수 있었다. 매설 깊이가 깊을수록 H 및 h의 수치가 증가하여 배관에 작용하는 토양의 수량과 무게가 증가하고 그에 따라 마찰력이 증가하였음을 알 수 있었다.
45로 대입하여 관경별 매설깊이 에 따른 마찰력을 표시하였으며, Table 7은 그래프를 해석하기 위하여 관경 250mm에 대한 매설 깊이 및 마찰계수에 따른 변화를 요약하여 나타내고 있다. 이 도표를 분석한 결과 관경 250mm, 매설깊이 1.2m의 경우 마찰력은 마찰계수 𝜇의 값이 04.5일 때 1.06kg/mm에서 0.50일 때 1.18kg/mm, 0.53일 때 1.25kg/mm로 커지고, 매설깊이 2m의 경우 마찰력은 마찰계수 𝜇의 값이 0.45일 때 1.71kg/mm에서 0.50일 때 1.90 kg/mm, 0.53일 때 2.02kg/mm로 커짐을 알 수 있었다. 이는 마찰력은 마찰계수에 비례하여 증가하였으며 깊이가 깊을수록 마찰력이 커짐을 알 수 있었다.

후속연구

이번 연구과정에서 발전설비나 플랜트 배관에 대한 연구는 많이 찾아볼 수 있었지만 아파트뿐 아니라 공업단지 열 공급에도 이용되고 있는 지역난방 매설배관에 대해서는 연구결과가 미미하여 앞으로 많은 연구가 필요하다고 생각되 어진다.
하지만 본 연구를 통하여 동종의 공사에 사용되는 배관의 두께가 사용처에 따라 달리 적용됨으로써 고정점(ANCHOR) 설치, 신축흡수장치 선정, 곡관부의 팔길이 계산 등 설계계산서도 이원화되어있어 향후 국내 지역난방의 건전한 발전을 위하여 일원화의 필요성을 느꼈다.

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