Waste water is disposed to sewage disposal plant by underground PE double wall pipes. Various processes have been introduced to join PE pipes, but most of these methods have many disadvantages such as costs, lack of reliability and difficulties in joining, etc. Recently butt welding has been paid mu...
Waste water is disposed to sewage disposal plant by underground PE double wall pipes. Various processes have been introduced to join PE pipes, but most of these methods have many disadvantages such as costs, lack of reliability and difficulties in joining, etc. Recently butt welding has been paid much attention to joint PE pipes as this process has many advantages such as cost, safety and reliability. In this study, newly developed heat plate, a patent-pending heat plate with a groove, was used to butt-weld PE double wall pipes with different misalignment gaps to simulate real underground conditions, and the butt welding temperature of PE pipe was determined by thermal analysis (Thermal Gravimetric Analysis, Differential Scanning Calorimetry and Dynamic Mechanical Analysis). The resulting joining characteristics of double wall pipes were compared with those from a conventional heat plate, in terms of stiffness, flattening and leakage tests. The results from the stiffness and flattening test showed that there were no big differences between the butt-welded joints made from these two plates. From the leakage test, although PE pipes welded with a conventional heat plate did leak below the required test conditions (10 min. at 0.75kgf/cm2), the pipes welded with a patent-pending grooved heat plate did not show any leakage even at a pressure 1.5 times higher than the required conditions. It was noted that by utilizing a grooved heat plate more complete fusion at the pipe joints could be obtained, which in turn induced a high quality joints.
Waste water is disposed to sewage disposal plant by underground PE double wall pipes. Various processes have been introduced to join PE pipes, but most of these methods have many disadvantages such as costs, lack of reliability and difficulties in joining, etc. Recently butt welding has been paid much attention to joint PE pipes as this process has many advantages such as cost, safety and reliability. In this study, newly developed heat plate, a patent-pending heat plate with a groove, was used to butt-weld PE double wall pipes with different misalignment gaps to simulate real underground conditions, and the butt welding temperature of PE pipe was determined by thermal analysis (Thermal Gravimetric Analysis, Differential Scanning Calorimetry and Dynamic Mechanical Analysis). The resulting joining characteristics of double wall pipes were compared with those from a conventional heat plate, in terms of stiffness, flattening and leakage tests. The results from the stiffness and flattening test showed that there were no big differences between the butt-welded joints made from these two plates. From the leakage test, although PE pipes welded with a conventional heat plate did leak below the required test conditions (10 min. at 0.75kgf/cm2), the pipes welded with a patent-pending grooved heat plate did not show any leakage even at a pressure 1.5 times higher than the required conditions. It was noted that by utilizing a grooved heat plate more complete fusion at the pipe joints could be obtained, which in turn induced a high quality joints.
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문제 정의
본 연구에서는 PE 이중벽관을 이음기술 중 열판을 이용한 맞대기 융착법에 대해 수행하였다. PE 하수관 접합부의 신뢰성을 높이고자 열분석을 이용한 열판의 온도를 제시하였으며, 시공 상 발생하는 PE 이중 벽관의 단차와 단면 형상 등의 실험을 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
이에 본 연구에서는 접합부의 안정성과 신뢰성을 향상시키기 위하여 새로운 형태의 열판을 개발하고자 하였으며, PE 하수관의 열분석을 통하여 적절한 접합 온도 조건을 제시하고자 한다.
제안 방법
A-type 열판은 홈(groove)이 있어서, PE 이중벽관의 용융 시에 용융물이 옆으로 퍼져 나가는것을 방지하였으며, B-type의 열판에는 홈(groove)이 있는 부분에 융착 시에 용융물이 잔재될 수 있는 공간을 확보시키기 위하여 Fig. 1- (c)처럼 홈을 한층 더 가공하여 설계 하였다7).
PE 이중벽관을 접합한 후 접합부의 건전성을 판단하기 위하여 인장실험을 실시하였다. 배관의 시험 속도는 10mm/min±20%로 실시하였고 그 결과를 Table 6에 나타내었다11).
1에 나타내었다. PE 이중벽관의 맞대기 융착에는 온도, 압력, 가열시간 3가지의 변수가 있는데, 본 연구에서 이용한 접합조건은 열분석과 기초 실험을 통하여 선정하였다.
본 연구에서는 PE 이중벽관을 이음기술 중 열판을 이용한 맞대기 융착법에 대해 수행하였다. PE 하수관 접합부의 신뢰성을 높이고자 열분석을 이용한 열판의 온도를 제시하였으며, 시공 상 발생하는 PE 이중 벽관의 단차와 단면 형상 등의 실험을 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
DSC는 Perkin Elmer(미국)사의 Perin-1을 사용하였으며, 20 ~ 200℃의 범위에서 승온 온도와 냉각 온도는 20℃/min로 실시하였다. TGA는 TA-Instrument 사(미국)의 SDT Q600 장비를 사용하였으며, 승온 온도는 25 ~ 800℃ 범위에서 10℃/min으로 실시되었다. DMA는 TA Instru- ment 사(미국)의 Q600 V20.
따라서 PE 이중벽관의 공(空) 부분의 불충분한 용융물로 인하여, 접합부의 강도와 수밀성 등을 확보할 수 없었다. 기존 열판의 한계점을 극복하기 위하여 새로운 디자인의 열판을 고안 하였다.
열판의 형상에 따라 접합부의 형상과 강도 및 수밀성이 달라질 수 있다. 따라서 PE 이중벽관의 용접성 향상을 위하여 열판을 제작하였으며, 실험을 통하여 용접성을 평가하였다. Fig.
따라서 본 연구 실험에서는 0.75 kgf/cm² 에서 10분간 누수가 발생하지 않는다면 합격으로 간주하고 실험을 진행하였다10).
또한, 현장에서 맞대기 융착 용접 시공 중에 지형 및 시공 현장의 환경에 따라 단차가 발생하게 된다. 따라서 본 연구에서는 0mm, 3mm, 5mm의 단차와 PE 이중벽관의 접합 단면을 고려하여 세 가지 형태의 열판으로 접합을 실시하였다.
또한 접합 전에 생기는 두 하수관의 단차는 개발된 열판으로 가열시, 열영향부의 점성에 의한 변형으로 단차가 줄어들며 접합될 것이라 판단된다. 본 연구에서 PE 이중벽관의 융착 용접은 공정속도를 고려하여 230.0℃ 열판 온도에서 수행하였다. 열판의 온도는 열판의 내면과 외면에 열전대를 부착하여 측정하였으며, Labview 프로그램을 활용하여 열판 온도가 일정하게 유지할 수 있도록 제어하였다.
0℃ 열판 온도에서 수행하였다. 열판의 온도는 열판의 내면과 외면에 열전대를 부착하여 측정하였으며, Labview 프로그램을 활용하여 열판 온도가 일정하게 유지할 수 있도록 제어하였다.
1 은 기존열판(conventional heat plate)과 Atype과 B-type으로 개발된 열판의 개략도이다. 용접성의 평가는 융착 용접부 단면 형상을 비교하였으며, 인장강도 시험과 내압 시험을 실시하였다. 본 연구에 사용된 관경 200mm PE 이중벽관의 물성과 개발된 열판을 각각 Table 1 과 Fig.
하수관의 단차를 3mm로 유지하고 단면 형상 case1, case2, case3에 대하여 세 가지의 열판으로 접합을 실시한 후. 절단하여 단면을 비교. 이루어진 것을 알 수 있다.
접합된 배관을 1m 길이로 절단 후 내면을 견고하게 밀폐시키고, 허용 압력 하에서 누수발생 여부를 확인하였다. 한국 산업 규격에서는 0.
하수관의 단차를 3mm로 유지하고 단면 형상 case1, case2, case3에 대하여 세 가지의 열판으로 접합을 실시한 후. 절단하여 단면을 비교.
대상 데이터
TGA는 TA-Instrument 사(미국)의 SDT Q600 장비를 사용하였으며, 승온 온도는 25 ~ 800℃ 범위에서 10℃/min으로 실시되었다. DMA는 TA Instru- ment 사(미국)의 Q600 V20.9를 사용하였으며, -40 ~ 90℃의 온도 범위에서 3 point bending mode로 하중이 1Hz로 인가되었다.
용접성의 평가는 융착 용접부 단면 형상을 비교하였으며, 인장강도 시험과 내압 시험을 실시하였다. 본 연구에 사용된 관경 200mm PE 이중벽관의 물성과 개발된 열판을 각각 Table 1 과 Fig. 1에 나타내었다. PE 이중벽관의 맞대기 융착에는 온도, 압력, 가열시간 3가지의 변수가 있는데, 본 연구에서 이용한 접합조건은 열분석과 기초 실험을 통하여 선정하였다.
열판의 가열 온도는 DSC(Differential Scanning Calorimeter), TGA(Thermogravimetric Analysis), DMA(Dynamic Mechanical Analysis)를 통하여 선정하였다.
성능/효과
1) PE 열분석을 통하여 열분해 현상이 나타나지 않는 접합 온도를 114.5 ~ 235.8℃ 구간으로 판단하였으며. 빠른 용접 공정을 고려하여 열판온도를 230.
2) 기존열판과 개발된 A-type, B-type 열판을 이용하여 PE 이중벽관을 접합한 후 접합부의 단면을 비교한 결과 개발된 열판에서 융융물이 충분히 잔재하고, 단차가 줄어든 접합이 이루어졌다. 하지만 기존 열판은 단차가 차가 유지된 접합부 형상이 나타났다.
3) 내압시험 결과 기존열판의 경우 단차가 존재하면, 0.5 kgf/cm2에서부터 누수가 발생하지만, 개발된 열판들에는 누수가 발생하지 않았다.
4) 인장시험을 실시한 결과 기존의 열판보다 Atype, B-type 열판을 이용한 접합부가 약1.5~2.5배에 가까운 인장강도를 얻을 수 있었다. A-type과 Btype열판의 접합부는 배관 단면 형상이 case1 때는 동일한 인장강도 값이 나타나지만, case3 경우에는 Btype의 열판을 이용한 접합부가 더 큰 인장 강도가 얻어진다.
A-type과 B-type의 열판을 이용한 접합부의 인장강도는 기존 열판을 이용한 접합부 인장강도의 1.5~2.5배 정도로 측정되었다. 개발된 열판의 경우 홈을 따라 잔재된 용융물에 기인하여 접합부의 길이와 단면적이 증가하기 때문에 기존 열판을 이용한 접합부보다 높은 인장 강도를 유지한 것으로 판단된다.
Ti는 무게변화가 감지되기 시작하는 온도이며, Tf는 무게 변화가 완결되는 온도이다. 본 실험에서 TGA 장비 저울의 허용오차를 고려하여 열분해가 시작되는 온도(Ti)로 235.8℃로 관찰되었으며, 발생하는 열분해 생성물은 탄소, 탄화 산화물 등이 흄(fume)의 형태로 발생된다. 따라서 열분해 시작온도Ti(235.
후속연구
8℃로 판단된다. 또한 접합 전에 생기는 두 하수관의 단차는 개발된 열판으로 가열시, 열영향부의 점성에 의한 변형으로 단차가 줄어들며 접합될 것이라 판단된다. 본 연구에서 PE 이중벽관의 융착 용접은 공정속도를 고려하여 230.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PE가 국내 하수관거에 대부분 적용되는 이유는 무엇인가?
PE(Polyethylene)는 저온에서도 유연성을 잃지 않고 충격에 강하며, 각종 화학적 환경에도 잘 견디어 국내 하수관거에 대부분 적용되어 사용 하고 있다. 현재 국내에서 사용되고 있는 PE 하수관의 종류에는 PE 이중벽관, PE 이중벽 합성수지관, 일반용 PE관, 흄관 등이 있으며, 3중관 벽관의 사용도 시도되고 있다.
PE 하수관을 적합하게 연결하여 누수를 방지하고 하수관 모재와 같은 수명을 유지 할 수 있는 이음방법이 현재까지 개발되지 못하여 어떤 문제가 발생하고 있는가?
하지만, PE 하수관을 적합하게 연결하여 누수를 방지하고 하수관 모재와 같은 수명을 유지 할 수 있는 이음방법이 현재까지 개발되지 못하고 있는 실정이다. 따라서 하수관 이음부에서 누수가 발생하여, 하수 처리 시설까지 제대로 도달하지 못하고, 토양으로 바로 유입되어 환경이 오염되는 문제를 야기하고 있다1,2).
현재 국내에서 사용되고 있는 PE 하수관의 종류에는 무엇이 있는가?
PE(Polyethylene)는 저온에서도 유연성을 잃지 않고 충격에 강하며, 각종 화학적 환경에도 잘 견디어 국내 하수관거에 대부분 적용되어 사용 하고 있다. 현재 국내에서 사용되고 있는 PE 하수관의 종류에는 PE 이중벽관, PE 이중벽 합성수지관, 일반용 PE관, 흄관 등이 있으며, 3중관 벽관의 사용도 시도되고 있다. 하지만, PE 하수관을 적합하게 연결하여 누수를 방지하고 하수관 모재와 같은 수명을 유지 할 수 있는 이음방법이 현재까지 개발되지 못하고 있는 실정이다.
참고문헌 (11)
T.K. Kim, S.M Yang, H.Y Lee : A Study on Flange Coupling Design of Polyethylene Cor- rugated Steel Pipe, Journal of Mechanical Science and Technology, 31-3 (2007), 403-408
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M. Ezrin : Plastics Failure Guide-Caruse and Prevention, Hanser, Munshen, 1996
Takahiro Tsukame, Yasushi Ehara, Yasuko Shimizu, Michio Kutusuzawa, Hideki Saitioh and Yoshio Shibasaki : Characterization of micro- structure of polyethylenes by differential scannin calorimetry, Thermochimica Acta, 299 (1997), 27-32
Bernhard Wunderlichb : Thermal Analysis of Polymeric Materials. Springer, 2005
K.Y. Kim, H. K. Kang, C. Lee, B.H. R : A Study on Thermal Degradation of Acrylonitrile Buta- diene Butadiene Rubber, Journal of the Korean Society of Safety, 18-4 (2003), 57-63
K.S. Cho : Viscoelastic Measurement and Structure of polymetic Materials, Polymer Science and Technology, 19-2(2008)
H.K. Jin, J.S. Kim, B.Y. Lee : Development of Heat Plate on Butt Welding for PE pipes. Autumn conference of KWJS (2006), 292-294 (in Korean)
KSM 3407 : Polyethylene pipe for general purpose
KSM 3408 : Polyethylene pipe for water works purpose
KSM 3006 : Determination of tensile properties of plastics
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