[논문]폴리에틸렌 소재의 대구경 배관 설계 고찰

김응수; 윤명오

doi:10.7731/kifse.2013.27.6.044

초록
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고강도/연성소재이면서 화학적으로 안정된 폴리에틸렌 소재가 배관으로 양산되면서 수도용 및 산업용으로 그 사용이 확산되고 있다. 최근에는 국내 플랜트에서도 기존 주철배관의 부식 누설 해소방안으로 고밀도 폴리에틸렌 배관이 사용되고 있는데, 각각의 플랜트 설계조건 및 운전조건을 적절히 고려하지 않을 경우 고밀도 폴리에틸렌 배관은 물리적인 손상이 유발될 수 있다. 폴리에틸렌 소재의 대구경 배관을 플랜트에 적용함에 있어 관련기준 및 설치 경험사례를 고찰한 결과, 수충격이 발생되는 환경에서 균열손상 가능성이 있어 폴리에틸렌 배관을 대구경 배관으로 사용시주의가 필요하다고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the polyethylene of high strength and ductility stabilized chemically has been mass-produced, it is spreading widely as material of industrial piping and water service piping. Recently, High density polyethylene (HDPE) pipe has been used even in water supply system of plant as buried pipe instead...

As the polyethylene of high strength and ductility stabilized chemically has been mass-produced, it is spreading widely as material of industrial piping and water service piping. Recently, High density polyethylene (HDPE) pipe has been used even in water supply system of plant as buried pipe instead of cast iron pipe in domestic, but HDPE pipe has a probability of occurrence of damage if plant design and operating conditions are not considered. As a result of reviewing with respect of system design engineering based on operating conditions and verification test results, the specific design criteria for the use of HDPE piping in fire water supply system need to be established because of the possibility of crack damage due to water hammer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

일반적인 HDPE 배관 손상형태는 상부 국부파열, 직선 형태의 균열(Spiral Rupture 및 Liner Rupture) 및 시공결함인 융착부 누설 등으로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 융착부 누설을 제외한 3가지의 대표적인 균열결함 원인을 고찰하고자 한다. Figure 1의 Sectional Rupture는 과압손상에 의한 배관 상부에서 국부적인 변형 및 균열손상이 발생한 사례이며, Spiral Rupture 및 Liner Rupture는 급속균열손상 사례로 결함 진행형태가 상이한 2가지 손상 사진의 경우이다.

제안 방법

이러한 경우 고용량 펌프 기동초기의 배관 내 수충격 유발 가능성 등에 대비한 설계기준 정립이 필요하다고 판단된다. 이와 관련 본 연구는 대구경 폴리에틸렌 배관의 손상사례를 바탕으로 폴리에틸렌 배관의 물리적물성치, HDPE 배관 과압파단 실증시험 및 플랜트 수압시험 규정 분석⁽⁵⁾ 등을 통해 용수계통의 운전환경에 따라 폴리에틸렌 배관의 손상을 최소화 할 수 있는 설계기준에 대해서 고찰한 것이다.

대상 데이터

배관 내 과압 지속상태에서 금속배관 대비 비금속배관인 HDPE 배관의 물리적인 변형/파손형태 분석을 위해 PE100 (SDR11) 배관소재를 사용하여 KS-M-3408-1/2의 최고 사용압력(1.5 MPa)보다 높은 압력(1.81 MPa)으로 가압(4시간 지속) 및 해압을 3회 반복한 후 압력파괴가 발생할 때까지 가압하여 파괴형태를 확인한 결과, HDPE 배관은 최고사용압력 이상으로 가압될 경우 약 0.15~0.2%의 배관직경이 증가한 후 압력 해소 후에도 복원되지 않아 최고사용압력 이상의 가압은 배관의 부분적인 소성변형을 발생시킬 수 있는 것으로 나타났다(Figure 6 참고). 그러나, 이러한 변형의 정도는 매우 작아 현장 측정오차에 기인한 것일 수도 있으므로 향후 이와 관련 추가 연구가 필요하다고 판단된다.

이론/모형

수도용 이외에 산업용으로 사용되는 대구경 PE 배관은 KS-M-3408기준과 더불어 별도의 기술기준을 만족해야 하는 경우가 있다. 『소방용 합성수지배관의 성능인증 및 제품 검사의 기술기준』의 경우, 제 10조 수격시험에 따라 분당 10회 비율로 0부터 최고사용압력(1.5 MPa)까지의 압력변동을 3000회 가하는 경우 균열 및 누수가 발생되지 않아야 하는 것으로 명시하고 있고 제6조 내압시험 2항에 따라 최고사용압력의 2배인 3 MPa의 수압력을 2분간 지속적으로 가해 시험을 통과해야 하나, 최고사용압력 이상의 압력에서 사용하는 것은 제품 사용보증시간과의 반비례관계가 있다. 플랜트 용도에 따라 용수 배관은 설치 후 NFPA 24 및 AWWA M55 규정에 의거하여 운전압력+50 psig (0.

성능/효과

둘째로 HDPE 배관은 기존 주철배관과는 달리 부식에 의한 손상가능성은 매우 낮아 매설배관 설계 시 부식영향을 고려할 필요는 없으나 HDPE 배관의 두께 결정에서는 기존 수도용 배관과는 달리 플랜트의 경우 배관시공 후 운전압력 이상의 규정된 시험압력에서 필수적인 수압시험을 수행하는 요건과 HDPE 배관이 비금속 재질로 운전압력 이상에서 일정시간 가압하면 외형 변형이 발생할 수 있는 가능성을 고려하여 HDPE배관 두께 결정시 여유값을 적용해야 할 것으로 판단된다. 또한 향후 용수계통 설계 시, 배관 배치구조가 Open Loop가 아닌 Close Loop일 경우, 배관 배치(Lay-out) 및 배관두께 결정시 비금속 재질인 HDPE 배관의 급속균열손상 예방을 고려한 보호설계와 배관 두께의 마진을 설계단계부터 반영할 필요가 있다고 판단된다.
첫째, 매설배관의 배치(Lay-out)설계에서 보통 용수계통의 용수원이 지상에 있으며 지하에 매설된 배관에 용수를 충수하기 위해서는 높은 지역에서 낮은 지역으로 용수가 공급된다는 점을 설계 시 고려해야 하며 지하 매설배관 각 구간이 충수에 문제가 없도록 배관 배치설계에 반영해야 하고 필요시 각 구간별로 배관 내 수동 및 자동 배기장치를 설계에 반영해야 한다. 플랜트의 용수계통 운전특성상 펌프는 연속운전이 아닌 단속운전을 하고 보통의 수도용 배관 운전압력에 비해 상대적으로 높은 압력에서 가압되어 유지되는 바, 펌프의 단속적인 기동 및 배관 내 잔존 Air가 수격 현상에 의한 급속균열손상을 유발시키지 않도록 계통 내 배기 및 충격흡수 설계가 충분히 고려되어야 한다.

후속연구

국내 폴리에틸렌 소재 배관의 기계적/물리적물성치 적용 규정은 KS-M-3408 1 & 2에 명시되어 있고 이를 산업용수 대구경 배관으로 사용하기 위해서는 관련 기준을 만족해야한다. 국내에서 대구경 폴리에틸렌 배관이 사용 초기 단계이므로, 상기 기준을 사용한 플랜트 배관설계의 적합성 여부에 대한 정량적인 평가를 위해서는 좀 더 많은 연구와 분석이 필요하다. 또한 NFPA 24 및 AWWA M55의 수압시험 등의 기준을 만족하기 위해서는 설계 시 아래 두 가지 사항을 고려해야 한다고 판단된다.
플랜트 배관으로 HDPE 배관을 사용하는 사례는 국외의 경우 10년 이상이 되었지만 국내의 경우 초기단계라 할 수 있다. 주철배관 대비 내식성 등 장점이 많은 HDPE 배관의 확대 적용을 위해서는 좀 더 많은 사례분석과 연구가 필요하며, 해당 근거를 통해 용도별 대구경 HDPE 배관 사용기준을 정립할 필요가 있다.

참고문헌 (11)

J. S. Ma and E. P. Lee, "A Study on the Needs to Improve the Regulations and the Design Features of Fire Protection for UAE Nuclear Power Plants", J. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng., Vol. 25, No. 5 (2011).
Y. J. Chung, "Combustive Properties of Low Density Polyethylene and Ethylene Vinyl Acetate Composites Including Magnesium Hydroxide", J. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng., Vol. 25, No. 5 (2011).
S. Haibe, Duck Power Carolinas, LLC, "Analysis of Buried HDPE Piping System", Nuclear Service Water (NSW) Supply Line Diesel Generator "2A" Unit 2 (2008).
KS-M-3408-1 & 2 : Plastics piping systems for water supply-Polyethylene (PE) (2008).
W. K. Kim and K. S Jeong, "A Study on Fire Protection in Nuclear Power Plants and Application of the Code and Standards for Fire Protection Systems", J. Kor. Inst. Fire Sci. Eng., Vol. 26, No. 6, pp. 38-44 (2012).

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C. J. Greenshields, P. S. Leevers and J. Morris, "Brittle Fracture of Plastic Water Pipes", Pipes and Pipelines International, May-June (1997).
Callaway Nuclear Plant Procedure APA-ZZ-00662, Appendix F, Rev. 4, "Requirements for High Density Polyethylene (HDPE) Piping for Nuclear Service" (2007).
T. H. Kang, I. G. Kim and Y. S. Kim, "The Effect on Recycled Resin Ratio of Hign Density Polyethylene on the Molded Parts", J. of Korean Inst. of Resources Recycling, Vol. 13, No. 5 (2004).
S. B. Kwak, M. A. Choi and S. J. Lee, "Mechanical Properties of Compsities of HDPE and Recycled Tire Crumb", Elastomer., Vol. 36, No. 1, pp. 22-29 (2001).
Dr. Gene Palermo, "How to Design Against Long Running Ctacks in Plastic Pipe for Water Applications", J. Palermo Plastics Pipe Consulting (www.plasticspipe.com) (2010).
NFPA 24, "Standard for the Installation of Private Fire Service Mains and Their Appurtenances" (2010).

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