1. 서 론
매설가스배관의 부식 방지를 위하여 보편적으로 사용되고 있는 방식 대책에는 피복과 전기방식이 있다. 피복은 금속표면에 절연성이 우수한 물질을 사용하여 부식전지(corrosion cell)의 폐쇄회로 형성을 차단해 주는 방식 방법이며, 전기방식은 금속의 전위를 인위적으로 환원성 전위로 낮추어 줌으로써 양극산화반응이 일어나기 어려운 조건을 형성하는 방식 방법이다. 피복이 전기방식과 병행하여 사용될 때에 피복의 의미는 전기방식의 대상 면적을 줄여 방식전류의 효율을 높이는 역할을 한다고 할 수 있다.
안전성 측면에서 적극적인 부식 방지 대책이 요구되는 경우에는 피복과 전기방식을 병행하여 사용하는 것이 경제적으로 유리하며 이미 각국에서 법적인 사항으로 규정하고 있을 뿐 아니라 경험적으로도 그 효과가 인정되어 대부분의 설비에 적용되고 있는 실정이다.
이번 연재에서는 특별히 매설배관류의 피복방식방법에 대하여 살펴보고자 하며 현재 국내에서 널리 사용되고 있는 피복과 최근의 기술경향에 대해서도 소개하고자 한다.
2. 매설배관의 피복재
사용되는 방식피복재는 크게 역청질(pitch; bitumen) 피복과 비역청질인 수지 피복이 있다.
역청질 피복재는 아스팔트(as phalt)계와 코올타르(coaltar) 계의 두 가지 종류가 있다. 이러한 역청질 도료들은 수도, 가스 및 원유수송용 강관이나 선박용으로 많이 사용되고 있으나 국내에서는 가스배관의 피복재로서는 잘 사용되지 않는다.
2.1. 아스팔트마스틱, 비투멘(bitumen)
아스팔트류는 원유 정제시 정유탑의 하부에서 얻어지는 탄소수가 많은 검은 색의 화학물질이며 배관용 방식재로는 아스팔트마스틱재가 널리 사용된다. 비교적 싼 가격에 방식성능이 우수한 물성을 얻어낼 수 있으나 유지나 용제와 같은 분위기에 노출되면 녹거나 분해되어 방식능력이 크게 떨어지는 단점이 있다. 그러나 매설배관 80여년 역사를 통하여 가장 널리 보편적으로 적용되어온 방식피복재이다. 우리 나라에서도 부식문제가 상대적으로 심각하지 않았던 초기 도시가스 배관에 일부 사용되기도 하였다.
2.2. 타르, 코올타르(coal tar)
타르는 열가소성 재료로서 주요성분은 코올타르 피치(pitch)이다. 이 피치는 석탄(coke)의 제조과정에서 회수되는 코올타르로부터 추출된다. 역시 코올타르에나멜 피복이 널리 사용되며 전기적 절연성이나 기계적 성질이 아스팔트에 비하여 다소 우세하다. 그러나 비교적 가격이 비싸서 아스팔트에 비하여 널리 사용되지는 않고 있다.
2.3. 폴리올레핀(polyolefin) 수지
폴리올레핀 수지는 최근 매설배관에 널리 적용되고 있는 피복재로서 비역청질 플라스틱 재료이다. 특히 국내 매설배관에 널리 사용되고 있는 폴리에틸렌(polye thylene: PE)은 열가소성 수지이므로 분말 용착, 압출, 가열 수축 등 다양한 방법의 시공이 가능하다. 폴리올레핀 계열의 열가소성 플라스틱에는 폴리에틸렌 이외에 폴리프로필렌(polyprophylene: PP), 테프론(teflon)으로 알려진 불소수지, 아크릴 수지, PVC 및 다양한 비닐류 등이 있다.
그 중에서 폴리에틸렌은 열가소성 플라스틱으로서 고분자 재료 중 가장 간단한 구조를 갖고 있을 뿐 아니라 현재 가장 많이 사용되는 플라스틱이다.
폴리에틸렌의 물성을 결정하는 가장 중요한 변수중의 하나가 밀도로서 밀도 범위에 따라 분류하는 것이 보통이다. 밀도가 0.910∼0.926 g/㎤ 범위인 것은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 0.926∼0.941 g/㎤ 범위인 것은 중밀도 폴리에틸렌(MDPE), 0.941∼0.965 g/㎤인 것을 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 등으로 구분한다.
밀도가 0.915∼0.945 g/㎤ 이며 분자구조가 선형인 것을 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)으로 따로 구분하기도 한다. 이러한 밀도는 수지의 결정화도(crystallinity)를 판단하는 척도가 되는데 밀도가 높을수록 결정화도가 높아지는 경향을 보이며, 이러한 밀도범위의 구분은 서로 다른 밀도인 경우 상용화도가 없을 만큼 물성의 변화가 심하여 서로 구별되어야 할 정도의 개념인 것이다.
폴리에틸렌 수지의 산화 또는 열화 속도는 상온에서는 무시할 수 있는 정도이나 자외선이 존재하는 경우에는 상온에서도 빠른 속도로 진행할 수 있다.
수지의 산화 및 열화는 높은 온도가 요구되는 피복공정에서 뿐만 아니라 이처럼 자외선 조건에서도 진행되므로 특별한 주의가 필요하며 이를 방지하기 위하여 자외선 안정제가 첨가되기도 한다. 그림 1은 자외선 조사에 의해 발생할 수 있는 미세균열의 예를 보여주고 있다. 폴리에틸렌 피복재에 관한 한국산업규격은 KS D 3607(분말용착식 폴리에틸렌 피복강관), KS D 3589(폴리에틸렌 피복강관), KS D 3619(수도용 폴리에틸렌 분체라이닝 강관) 등이 있으며, 참고로 배복재가 아닌 배관재로서 폴리에틸렌관에 관한 규정도 있는데 KS D 3408(수도용 폴리에틸렌관), KS M 3514(폴리에틸렌관-가스) 등이다. 국외의 경우 NFA 49710(프랑스) 및 DIN 30670(독일) 등이 있다.
2.4. 에폭시(epoxy) 수지
에폭시 수지는 열경화성에 속하는데 수지 자체로는 경화후 매우 단단하고 화학물질에 대한 저항성도 별로 높지 않아서 방식재로서의 특성이 매우 부족한 편이다. 그러나 다른 재료, 예를 들어 폴리아마이드계 혹은 아민계와 공중합(co-polymerization)을 일으켰을 때 혹은 지방산 등과 에스테르 반응을 일으켰을 때에는 에폭시 수지는 대단히 좋은 중방식 피복재가 될 수 있다.
이미 아민이나 폴리아민과 가교결합된 코올타르 에폭시는 내습성과 내화학성이 좋아 널리 사용된 바 있으나, 자외선에 대한 저항성이 그다지 좋지 못하다.
배관에 적용되는 형태는 다양한데 코올타르에폭시는 가스배관의 내부도장용으로, 2액형 에폭시는 현장에서 용접접합부 피복시 하도로, 고체분말 형태의 에폭시수지는 정전도장에 의한 배관의 공장피복용 하도로서 적용되고 있다. 마지막에 언급된 소위 FBE(fusion-bonded epoxy) 층은 뒤에 다시 소개되는 3층 피복의 첫 번째 층으로 적용되고 있는데 FBE 층은 화학적, 온도 저항성외에 금속에 대한 접착력과 음극박리저항성측면에서 기존의 압출식 폴리에틸렌 피복에 비해 상당히 향상된 성능을 가지고 있어 최근에는 미국 및 유럽의 파이프라인 중에서 FBE만을 단독으로 2겹으로 두껍게 피복하여(정상 조건: 약 375∼400μm; 콘크리트중, 습지 및 고온 작동 조건: 약 750 μm) 사용되고 있는 경우가 대부분이다.
에폭시계 피복재의 관련 기술규격은 캐나다 표준인 CAN/CSA Z245.20 또는 21-M92 그리고 영국가스회사의 규격인 BCG/PS/CW 6 Part 1 등이 있으며, 국내 산업규격은 KS D 3608(수도용 에폭시 수지분체 내외면 코팅강관)이 있으나, 이는 제목에서도 이미 수도용이라고 구분하고 있으므로, 가스 및 원유배관에 적용되고 있는 분체에폭시(FBE)에 관한 규정은 아직 없다고 할 수 있다.
2.5. 폴리우레탄(polyurethane) 수지
폴리우레탄은 매우 다양한 열경화성 수지로서 1930년대에 개발되었으며, 단순히 이소시아네이트(isocyanate)와 폴리올(polyol)이 반응하여 생성되며, 자체가 발열반응을 일으키므로 비교적 낮은 온도에서도 사용될 수 있다. 폴리우레탄은 파이프의 내외부 방식용으로 사용될 때에는 주로 용매를 사용하지 않고 주재(resin)와 경화제(hardener)가 동시에 고압으로 이송되어 스프레이 건을 통하여 고온의 에어리스 스프레이 방식으로 피도체 표면에 적용된다. 이러한 작업방식을 100% 고체피복(solid coating)이라 한다.
고압으로 작업되므로 내압 이송호스, 안전 공구, 설비 등을 충분히 갖추고 작업이 진행되어야 한다. 물성 향상보다는 단순히 경제적 측면에서 타르(tar)를 15 또는 30% 첨가하기도 하며, 일반적으로 첨가 성분이 많을수록 물성은 저하된다.
방식을 목적으로 사용할 경우, 접착력과 화학적 습기에 대한 저항성이 큰 것을 사용하게 된다. 반면에 탄성 폴리우레탄은 직선성의 구조 때문에 충격저항성은 크게 향상되나 접착력이 저하되어 방식용으로 사용되기에는 적절하지 못하다.
2.6. 고무 및 부틸고무(butyl rub ber)
고무와 탄성체(elastomer)는 고분자플라스틱과는 구별되는 재료로서 대부분 칼럼(column), 용기(vessel), 탱크(tank) 및 배관(piping)의 라이닝재로 사용되고 있다. 화학적안정성은 고무의 종류와 합성에 따라 다른데, 대부분의 합성고무가 화학공업계의 필요에 의해서 개발되었다. 이들 합성고무는 천연고무의 모든 성질을 갖추지는 못하지만 한가지 혹은 그 이상의 우수한 장점을 지니고 있다. 폴리이소프렌이나 폴리부타디엔 합성고무가 천연고무에 가장 비슷한 성질을 보인다.
천연고무나 합성고무에 황을 첨가하여 경화시키면 고무가 망상구조로 되어 경도와 강도를 높일 수 있게 된다.
합성고무로서의 부틸고무는 기본적으로 공기뿐아니라 대부분의 가스류에 대해 투과성이 낮다. 경년변화나 오존에 강하고 다른 합성고무에 비하여 아로마틱을 제외한 유기화학약품에 대해 강한 저항성을 갖는다. 그러나 상대적으로 하이드로 카본류나 기름 등에는 약한 편이다. 매우 묽은 천연 산이나 알칼리에서는 저항성을 나타내며 황산과 질산을 제외한 진한 산에 저항성이 높다.
주로 상업적으로 적용되는 분야는 열수축 피복재의 방식층으로 사용된다. 열수축외피는 가교폴리에틸렌이 사용된다.
3. 방식피복의 중요 물성
3.1. 피복성능 평가인자
다음은 방식피복재가 갖추어야할 기본적인 물리적, 화학적, 기계적인 인자들이며 새로운 피복재의 개발과정에서는 이들 제반 물성들이 검토되어져야 한다. 여기에서 자세한 설명은 생략하겠다.
1) 내화학성(chemical resistance)
2) 내수성(resistance to water)
3) 접착강도(adhesive strength)
4) 유전상수(dielectric constant)
5) 충격저항(impact resistance)
6) 마모저항(wear or abrasive resistance)
7) 인장성질(tensile property)
8) 적용 온도(temperature)
기타 사용온도 범위에서 안정된 피복물성을 나타내야할 뿐아니라 내후성, 미생물 저항성, 내구성, 외관유지력도 고려해야할 인자들 중의 하나이다. 특별히 배관이 매설되는 경우에는 1) 토양 응력 저항성, 2) 음극박리 저항성 등이 중요한데 전기방식을 병행 하게되는 경우에는 접착강도와 음극박리 저항성 같은 지표는 매우 신중하게 고려되어야 하는 인자이다.
그림 2는 음극방식을 적용하고 있는 배관에서 손상피복부위에서 발생된 음극박리의 한 예를 보여주고 있다.
3.2. 피복의 선택기준
사용자의 입장에서 피복의 종류를 선택하기 위하여 고려해야할 조건들은 아래와 같다.
3.2.1. 사용환경 및 사용조건
피복재가 적용되어 운전될 상황에서의 주변의 노출 환경을 고려해야 한다.
즉 부식경향의 높고 낮음이라든가 특히 화학물질의 존재 유무 및 성질 등에 따라 적용할 수 있는 피복을 선택하여야 할 것이다. 또 피복이 적용될 대상설비가 정상적 조업조건에서 가동될 때에는 물론이며 비정상적인 극단적 조업조건에서도 적응이 가능한 피복체계를 고려할 필요가 있다.
3.2.2. 재질 및 표면상태
피도체의 재질이 무엇이며 표면상태는 어느 정도로 전처리가 가능한 지에 따라 피복을 적용할 수 있는 범위나 종류가 한정될 수 있다.
예를 들어 비록 좋은 물성을 보이는 피복체계가 있다 하더라도 최상의 표면처리 등급을 요구하는 것임에 비해서 전처리 작업이 곤란한 여건이라면 선택의 폭이 줄어 들 수밖에 없다. 그러나 반드시 성능을 우선적으로 요구할 때에 신중히 고려해야 할 사항이다.
3.2.3. 시공중의 대기조건
피복재의 대부분은 경화과정을 겪게되며 이러한 경화과정은 적절한 온도, 습도 및 노점 등이 영향을 미치게 된다. 다시말해 시공중 경화에 필요한 절대적 특성온도 혹은 습도가 제시되는 것이라면 실제 시공현장을 고려해야 하는데 매우 치명적인 피복선택의 기준이 될 수도 있다.
3.2.4. 신규 혹은 유지관리(보수) 적용여부
배관이 신설되느냐 혹은 유지관리의 차원에서 배관이 보수되느냐에 따라 선택할 수 있는 피복의 종류가 제한될 수 있다. 이는 다음의 공장피복/현장피복과도 밀접한 관계를 갖지만 실제 배관보수 환경에 알맞은 피복재는 신규로 신설되는 사업에 적절하지 않을 수도 있기 때문이다.
3.2.5. 공장/현장 적용
직관에 대해 적용할 수 있는 공장피복과 현장 배관이음매를 처리하는 현장피복은 동시에 함께 고려되어야 한다. 일반적으로 최상의 피복물성을 얻기 위하여 기계화 및 자동화로 제품의 신뢰성을 높일 수 있는 공장피복기법에 의한 공장피복체계를 적용하는 것이 좋으며, 불가피하게 현장여건에 제한되어 피복처리를 하게 될 때에는 작업자의 숙련성에 많이 의존하게 되므로 이를 잘 극복할 수 있는 현장피복 체계를 선택할 것을 권장한다.
3.2.6. 환경규제사항
재료의 제조, 첨가물 및 적용방법상 환경규제관련 법규에 저촉되지 않는가 고려해야 한다. 예를 들어 인구밀집지역에서의 분진 및 소음을 내는 공정을 사용한다거나 독성 화학용매 첨가물, 그리고 음용 및 식품 관련 설비에 유해 도료의 사용제한 규정을 잘 살펴보아야 할 것이다.
3.2.7. 예산
피복재의 기술적 성능에 비하여 경제적 효과가 어느 정도인지 잘 살펴보고 예산에 알맞은 피복시스템의 선정이 필요할 것이다. 그러나 이 경우에 설치비용뿐 아니라 장기적인 유지관리비용도 함께 고려하여 안정된 피복체계를 선택할 수 있는 자세가 요구되기도 한다.
이상에서는 배관피복재 선정시 고려해야할 일반적 조건을 나열하였으나, 특별히 배관이 매설되는 경우에 매설 환경-매립지역일 경우 내화학성 여부, 작업기술의 고도화 여부 및 신규 및 보수의 여부, 공장/현장 적용 여부 등의 인자들을 잘 고려하여야 할 것이다.
4. 공장피복의 세대변화
1) 제 1세대: 비플라스틱계(에나멜 및 마스틱)
배관의 초기 방식체계를 구성하는 것으로 그 기저는 주로 코올타르 또는 아스팔트 등이었다.
최근에 와서 이들 물질의 환경규제 경향으로, 또 이후의 훌륭한 피복체계의 출현으로 그 사용이 크게 제한될 것으로 예상된다. 그러나 매설 및 작업환경이나 경제적인 이유 등으로 계속 사용되기도 한다. 외국에서는 가스관에도 널리 사용되었거나 일부 아직도 사용되고 있으나 우리 나라에서는 상수도 배관이나 대형 하수관에 주로 이용되고 있으며 가스배관에는 사용경험이 없다.
2) 제 2세대: 폴리에틸렌 접착제 테이프
미국에서는 매우 널리 적용된 바 있으나, 음극방식시에 차폐현상(shielding)이 심하여 최근에는 사용이 감소하는 추세이거나 사용을 제한하는 경향이다. 국내가스배관에서 건설초기에 일부가 매설되기도 하였으나 곧 다음의 압출식폴리에틸렌 배관으로 대체되었다. 알려진 문제들에도 불구하고 지금도 미국에서는 테이프 피복이 아직도 약 30% 가량이 배관 재피복시 최우선으로 선호하는 피복 체계로 나타나 있다. 그러나 이는 이 체계가 최상이기 때문인 것보다는 현장에서 적용이 가능한 이상적 피복체계가 부재하기 때문인 것으로 분석된다.
3) 제 3세대: 압출식 폴리올레핀 피복
유럽에서 가장 많이 사용되었던 피복 체계이며 미국에서는 신규사업으로 두 번째로 많이 채택되었으며, 국내에서도 80년대 이후로는 대부분을 차지하고 있다.
취급용이성, 내흡수성, 재현성있는 물성의 특성으로 사용이 지속적으로 이루어질 것으로 예상된다. 이러한 제 3세대 압출식 피복공법은 아니지만 폴리에틸렌 분말에 의해 용융접착하는 상업용 배관(분말용착식)이 국내에서는 병용 활용되고 있다.
그러나 이러한 공법은 세계적으로 공정 특성상 엘보우, 밸브 등의 이형형상에 적용되고 있는 실정이며 본배관인 직관에 널리 적용되지 않은 것은 주목할 일이다.
4) 제 4세대: 용융접착에폭시(fusion-bonded epoxy)
높은 접착력뿐 아니라 토양응력 및 음극박리에 대한 저항성으로 인해 최근 선호도가 가장 좋으며 최근 미국내 신규배관사업에 채택되는 피복재로서 일 순위를 기록하고 있다. 유럽에서도 대부분의 국가에서 1∼5년전부터 이러한 방법의 피복체계를 전면적으로 채택하여 사용하고 있으며, 이 피복은 표면처리 및 적용온도가 매우 중요하다. 지금까지 대부분의 적용은 육상에 대해서 주로 이루어 졌으나 최근에는 Mobil North Sea와 같은 해상건설프로젝트에 도입되고 있는 추세이다. 국내에서 지하매설배관류에의 경험이 많지 않지만 세계적으로는 상품적 수명으로 보았을 때 매우 안정된 성숙의 단계이라고 할 수 있으며, 특히 성질을 보다 개선하는 분말에폭시 재료들이 시장에 나오고 있다.
5) 제 5세대: 에폭시/폴리올레핀 2중 또는 다층체계
용융접착에폭시(FBE)의 특징과 폴리올레핀의 특징을 살리면서 단점을 극복한 최신피복 체계이다. 대부분의 피복물성은 제 4세대의 단독으로 두껍게 피복하는 FBE와 동일한데 하도로 사용될 때 FBE층이 얇게(50∼70μm) 적용되고 있기 때문에 제 4세대로 FBE를 완전히 세대교체 시키는 것으로 볼 수는 없다.
왜냐하면 외부에 적용된 폴리올레핀에 의한 충격저항이 상대적으로 유리한 반면에 반드시 모든 사용조건에서 FBE보다 좋은 것은 아니기 때문이다.
또 하도인 에폭시 층의 음극박리저항성과 굽힘의 유연성은 서로 상반되어 사용자측면에서는 타협점을 찾을 필요가 있다. 한편 소위 다층피복시스템에서 사용되는 FBE의 두께는 점차로 두꺼워지고도 있는데 하도로서 약 250μm까지도 적용되고 있다.
특히 에폭시/폴리올레핀 체계는 고온 특성이 좋기 때문에 약 90℃ 내외의 원유수송관에 주로 적용되고 있다.
국내에서는 한국가스공사에 의해 단구간이기는 하나 인천 LNG기지로부터 영종도 신공항으로의 해저배관 등에 적용되고 있다.