플라스틱과 파이프 시스템(Plastic & Pipe System)

우리 생활에서 가장 널리 쓰이는 소재 중 하나는 고(高)분자량의 중합체인 플라스틱이다. 플라스틱(Plastic)은 산업 제품의 제조에 적합한 광범위한 합성 또는 반합성 유기 무정형 고체 물질에 대한 일반적인 공통 용어이다. 플라스틱이란 용어는 ‘성형(조형)했다’는 의미인 고대 그리스어인 플라스티코스(Plastikos)에서 유래됐다. 다른 소재에 비해 모양을 바꾸거나 녹여서 본뜨기에 적합한 소재로, 주변에서 흔히 볼 수 있는 페트병, 밀폐용기, 빨대 등 플라스틱이 없는 일상을 상상하기 어려울 정도로 다양하게 쓰이고 있다. 현재는 이 용도 중 상수나 하수, 가스 등을 이송하는 파이프 및 이음관 용도에도 훌륭하게 그 역할을 수행하고 있다.
파이프 시스템(관, 연결부속 등 물질을 이송 시키기 위해 사용되는 모든 부속품들)은 물질과 에너지를 전달하는 가장 안정적인 수단 중 하나이다. 이는 현대사회가 운영될 수 있도록 하는 핏줄과도 같은 역할을 수행하고 있다. 예전에는 금속 또는 콘크리트 재질이 주로 사용되었지만, 현대에 들어 플라스틱 제품 및 복합재와 같은 신소재는 파이프 라인에서 재료 시스템의 적용 영역을 향상시켰다. 플라스틱 소재의 파이프는 강관에 비해 가볍고 유연하며 부식이 없고 내화학성 등이 우수한 장점들로 인해 그 사용 용도가 확대되었고, 사용량 또한 증가하고 있는 실정이다.
플라스틱 파이프의 역사는, 최초 1932년 독일에서 폴리염화비닐(PVC) 소재를 사용하여 튜브(Tube)를 제작한 것을 시작으로 1935년 PVC 소재의 파이프(Pipe)가 만들어져 1936년 주거용 식수 분배 및 폐수(하수) 라인 등으로 설치되었고, 유럽 전역으로 확대되어 1952년 대서양을 건너 북미지역에서도 PVC 파이프를 도입하게 되었다.
국내에는 1960년대 PVC 파이프가 처음 소개되어 생산된 것으로 알려져 있다. 현재는 소재 산업의 발전으로 PVC 소재 외에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌(PP), 폴리부텐(PB), 가교화 폴리에틸렌(PE-X), 유리섬유강화 플라스틱(GRP), 나일론, ABS, PVDF 등 다양한 소재가 여러 분야에서 사용되고 있다.

이러한 플라스틱 파이프 및 튜브의 세계 시장 규모는 2016년 약 568억 달러를 기록했으며, 5.1%의 연평균 성장률(GAGR)을 보이며 2021년에는 약 723억 달러에 이를 것으로 예측되고 있다(‘Plastic Pipe: Global Markets’, BBC Research, 2017.05).

플라스틱 파이프와 최소요구강도 (Minimum Required Strength, MRS) 시험

내부 압력을 받는 압력 파이프의 주요 문제는 서비스 온도 및 관련 안전 요소에서의 장기적인 거동이다. 플라스틱 파이프 및 고분자 기반 복합 파이프의 오랜 시간 거동을 고려하는 것은 많은 실용적인 목적에 중요한 문제이다. 이 문제의 중요성은, 고분자 물질의 거동은 시간과 온도에 크게 의존한다는 점에서 비롯된다. 플라스틱 소재 및 파이프의 장기적인 거동을 확인하기 위하여 내부정수압시험을 실시한다. 일반적으로 고온에서 플라스틱 파이프의 내부 압력 저항은 낮은 사용 온도보다 현저히 작다. 폴리에틸렌관 같은 열가소성 소재 및 파이프의 내부정수압시험은 온도가 높을수록, 시험시간이 길어질수록 Stage I 단계에서 Stage III 단계로 진행한다. 파괴형상별로 Stage I 단계는 연성파괴(Ductile Failure, 과도한 내압에 의해 관 형상의 시험편에 변형이 가고, 원주방향으로 균열 발생), Stage II 단계는 취성파괴(Brittle Failure, 관의 변형 없이 길이방향으로 균열이 발생), Stage III단계는 산화(Oxydation) 또는 열분해(Thermal Degradation)에 의한 파괴로 구분된다.

내부 압력이 지속되는 플라스틱 파이프는 일반적으로 50년 동안 안전하게 작동하도록 설계된다. 이러한 파이프의 거동에 대한 시간 의존성을 고려할 때, 장시간 작동하는 동안 플라스틱 파이프 라인의 압력 저항을 추정하는 것이 중요하지만, 이를 위해 50년 동안 장기간 시험하는 것은 불가능하다. 이를 위해, 파이프의 장기 거동을 추정하기 위한 방법은, 국제표준 ISO 1167-1, -2, -3(Thermoplastics pipes, fittings and assemblies for the conveyance of fluids - Determination of the resistance to internal pressure)에 따라 특정 기간까지 내압시험[크리프-파괴(creep-rupture)시험]을 수행한 다음, 적절한 외삽법(Standard Extrapolation Method, SEM, 표준 외삽법)을 통해 장기 거동의 추정치를 얻는 것이다(ISO 9080 Plastics piping and ducting systems - Determination of the long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by extrapolation).

여기서, ISO 1167에 따른 내압시험은 아래의 절차에 따라 수행한다. 시험편은 파이프 형태의 자유길이(Free Length) 이상으로 양끝이 반듯이 절단된 관을 ①외경줄자를 이용하여 평균바깥지름과 ②두께측정기에서 최소관벽두께를 측정한다. ③식에 측정된 치수를 대입하여 시험 계획한 원주응력에 대한 시험압력을 계산한다. ④관 내부에 시험압력을 가할 수 있도록, 시험편의 양끝에 end-cap을 체결한다. 표준에서 end-cap은 A타입과 B타입이 있으나, 최소요구강도를 결정하기 위한 시험에서는 A타입 만을 사용한다. ⑤준비된 시험편은 시험온도가 유지된 항온조에서 표준에 따라 관벽 두께별로 규정된 시간 이상 상태조절한 후, 내압시험기에 연결하여 목표한 시험압력까지 압력에 의한 충격이 가해지지 않도록 서서히 압력을 증가한다. 시험압력은 관이 파괴될 때까지 설정한 압력이 (+2/-1)% 범위에서 유지되어야 한다. ⑥관이 파괴되면, 그 시간과 파괴유형을 기록한다.

요약하면, 고온과 서비스 온도(20℃)에서 장기정수압시험을 실시하여 각 온도별 파괴시간을 기록하고, 서로 다른 온도에서의 시험 데이터를 사용하여 다중선형회귀분석을 통해 20℃에서의 정수압 강도를 50년까지 외삽한다. 여기서 20℃에서 50년까지 외삽한 정수압 강도(σLTHS)의 97.5% 하한신뢰한계값(σLPL)을 예측하고, ISO 12162(Thermoplastics materials for pipes and fittings for pressure applications - Classification, designation and design coefficient)의 <표 1>에 따라 분류한 값을 최소요구강도(MRS)라 한다.

플라스틱 파이프 설계에 대한 지침은 파이프의 단기 및 장기 응력을 사용하고, 정수압 하에서 최소요구강도에 안전계수를 적용한다. ISO 12162에 따라 플라스틱 파이프의 설계 강도(Design stress, σs)는 해당 재료의 최소요구강도(MRS)를 배관계 구성품의 물성과 사용조건을 고려한 1보다 큰 값을 갖는 총괄 계수인 설계 계수(Design coefficient, C)로 나눈 값으로, 설계 계수 C는 관련 제품 표준에 명시될 수 있다. 열가소성 배관계의 경우, 20℃에서의 최소 설계 계수 Cmin의 값은 ISO 12162 표에 명시된 값과 같다.
기존 절차에 따르면 내부 정수압 크리프-파단 시험(열간내압크리프시험)과 파이프 서비스 수명 50년에 대한 외삽(최소 요구강도, MRS)은 주요 설계 및 평가 기준 중 하나이며, 서로 다른 온도 및 매체에서 파이프의 장기정수압강도(Long-Term Hydrostatic Strength, LTHS)와 관련된 크리프-파열 곡선(Hoop stress-Time curve)은 파이프 시스템의 남은 서비스 수명을 확인하고, 고장을 조사하는데 유용한 정보를 제공할 수 있다.