매설배관의 피복재료에 대하여 설명하시오.

매설배관의 피복재료에 대하여 설명하시오.

1. 서 론  
매설배관의 부식 방지를 위하여 보편적으로 사용되고 있는 방식 대책에는 피복과 전기방식(음극방식)이 있다. 피복은 금속표면에 절연성이 우수한 물질을 사용하여 부식전지 (corrosion cell)의 폐쇄회로 형성을 차단해 주는 방식 방법이며, 전기방식은 금속의 전위를 인위적으로 낮추어 환원 분위기를 제공함으로써 양극산화반응이 일어나기 어려운 조건을 형성하는 방식 방법이다. 또한, 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. 이 글에서는 특별히 매설배관의 피복방식방법에 대하여 살펴보고자 하며 현재 국내에서 널리 사용되고 있는 피복과 최근의 기술경향에 대해서도 소개한다.  


2. 매설배관의 피복재  
사용되는 방식피복재는 크게 역청질 (pitch; bitumen) 피복과 비역청질인 수지 피복이 있다. 역청질 피복재는 아스팔트 (asphalt) 계와 코올타르 (coal tar) 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 PE (polyethylene: PE)은 열가소성 수지이므로 분말 용착, 압출, 가열 수축 등 다양한 방법의 시공이 가능하다. 폴리올레핀 계열의 열가소성 플라스틱에는 PE 이외에 폴리프로필렌 (polyprophylene: PP), PTFE(polytetrafluorethylene)와 같은 불소수지, 아크릴 수지, PVC 및 다양한 비닐류 등이 있다.
그 중에서 PE는 열가소성 플라스틱으로서 고분자 재료 중 가장 간단한 구조를 갖고 있을 뿐 아니라 현재 가장 많이 사용되는 플라스틱이다. PE의 물성을 결정하는 가장 중요한 변수중의 하나가 밀도로서 밀도 범위에 따라 분류하는 것이 보통이다. 밀도가 0.910∼0.926 g/㎤ 범위인 것은 저밀도 PE (LDPE), 0.926∼0.941 g/㎤ 범위인 것은 중밀도 PE (MDPE), 0.941∼0.965 g/㎤인 것을 고밀도 PE (HDPE) 등으로 구분한다. 밀도가 0.915∼0.945 g/㎤ 이며 분자구조가 선형인 것을 선형 저밀도 PE (LLDPE)로 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.
PE 수지의 산화 또는 열화 속도는 상온에서 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 1.은 자외선 조사에 의해 발생할 수 있는 미세균열의 예를 보여주고 있다.
PE 피복재에 관한 한국산업규격은 KS D 3607 (분말용착식 폴리에틸렌 피복강관), KS D 3589 (폴리에틸렌 피복강관), KS D 3619 (수도용 폴리에틸렌 분체 라이닝 강관) 등이 있으며, 참고로 피복재가 아닌 배관재로서 PE관에 관한 규정도 있는데 KS D 3408 (수도용 폴리에틸렌관), KS M 3514 (폴리에틸렌관-가스) 등이다. 외국의 경우 NFA 49710 (프랑스) 및 DIN 30670 (독일) 등이 있다.

2.4. 에폭시 (epoxy) 수지  
에폭시 수지는 열경화성에 속하는데 수지 자체로는 경화 후 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 저항성 외에 금속에 대한 접착력과 음극박리 저항성 측면에서 기존의 압출식 PE 피복에 비해 상당히 향상된 성능을 가지고 있어 최근에는 미국 및 유럽의 파이프라인 중에서 FBE만을 단독으로 2겹으로 두껍게 피복하여 (정상 조건: 약 375∼400 μm; 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 isocyanate와 polyol이 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て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 rubber)  
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 공기뿐 아니라 대부분의 가스류에 대해 투과성이 낮다. 경년변화나 오존에 강하고 다른 합성고무에 비하여 아로마틱을 제외한 유기화학약품에 대해 강한 저항성을 갖는다. 그러나 상대적으로 탄화수소류나 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. 열수축 외피는 가교PE가 사용된다.