가스배관의 고분자 방식 피복에 관한 연구

신 성식, 이 성민

한국가스공사 연구개발원

Comprehensive study on polymer coatings for

natural gas transmission line

Sung-Sik Shin, Seong-Min Lee

R&D Center, KOGAS

서 론

천연가스(natural gas)는 메탄이 주 성분이므로 연소시 발열량이 높고 공해물질을 배출하지 않으므로 효율적인 청정 에너지원으로 주목을 받고 있으며 그 사용량 또한 증가하고 있다. 현재 한국가스공사는 천연가스를 전국에 매설한 약 1,500Km의 배관(transmission line)을 통하여 공급하고 있으며 전국사업망의 확장에 따라 배관을 계속 가설하고 있다. 이렇게 매설 배관을 사용하여 천연가스를 공급하는 이유는 대량의 천연가스를 안전하게 공급하기 위함이나 매설환경에 존재하는 수분, 산소 및 전위차이에 의한 부식 발생이 고려된다. 그러므로 한국가스공사에서는 배관의 수명 유지 및 안전을 위한 방식(anti-corrosion) 기법에 관한 연구를 진행하고 있다.

배관의 효과적인 방식법은 내식성이 우수한 방식재료로 피복시키는 방법[2](피복법)과 일정한 전압를 가하여 부식이 일어나는 산화 반응속도를 낮게하는 방법 및 희생양극을 배관 주위에 설치하는 방법이 이용되고 있다[3]. 피복법은 배관의 표면에 내식성이 우수한 고분자(polyolefin)를 접착시키는 방법으로서 점착재가 도포된 폴리에틸렌을 감는 방법(tapping법)과 배관표면에 접착제(epoxy, copolymer)를 적용한 후 여기에 폴리에틸렌으로 피복시키는 방법으로 구분되고 이를 정리하면 다음의 표 1로 구분된다[4].

표 1. 폴리에틸렌 가스배관용 피복강관의 분류

피복의 종류	피복재의 분류	피복 공정	참고규격
1LAYER 피복	강관＼폴리에틸렌분말	분말용착식	KSD3607
2LAYER 피복	강관＼폴리에틸렌공중합체 ＼폴리에틸렌	1층 : 압출식(T-die) 2층 : 압출식(T-die)	KSD3589
3LAYER 피복	강관＼분말에폭시(접착층)＼ 폴리에틸렌공중합체(접착층) ＼폴리에틸렌	1층 : 정전도장식 2층 : 압출식(T-die) 3층 : 압출식(T-die)

가스배관의 피복 특성중 중요한 것은 피복재 자체의 내구성 및 내후성, 강관과 상호 접착강도라고 말할 수 있다. 특히 접착강도는 내식성과 밀접한 관계가 있으며, 피복재와 강관사이의 복합적인 상관관계로 표현된다. 내식성을 측정하는   방법은 음극박리(cathodic disbondment; ASTM G8) 실험이 있다[5].

또한 가스배관 용접시 발생하는 열로 인하여 피복층이 변성되므로 용접부위의 약 15□정도는 피복하지 않고 용접 완료후 열수축 쉬트(thermal shrinkable sheet)를 사용하여 효과적인 방식처리를 하고 있다. 열수축쉬트는 배관과 접촉하는 점착재(buthyl rubber, carbon black과 asphalt 혼합물)와 이를 지지하고 매설환경으로 부터 배관과 접착제를 보호하는 가교 폴리 에틸렌층으로 구성되어 있다.

따라서 본 실험에서는 천연가스배관으로 사용되고 있는 폴리에틸렌 피복관을 제조 공법에 따른 접착강도 측정 및 박리된 면의 파괴 특성을 살펴보았다. 또한 열수축재의 시공은 토치를 이용하므로 다소 시공자의 경험에 기인되어 균일한 방식특성을 기대하기 어려운 경우도 보고되었다. 따라서 이를 보완하기 위한 자동화기기를 개발한 바, 최적 운전조건을 찾기 위하여 온도 및 가압조건에 따른 배관과 열수축쉬트의 접착강도를 측정하였다.

실 험

1. 제조공법별 방식피복관 제조

먼저 직경 30인치인 가스배관(API Grade 5L-X65)의 표면 처리를 SA2½등급이 되도록 하였다. 표면 처리제는 숏트볼과 그리트볼이 50:50(w.t.%)으로 혼합된 것을 사용하였으며 배관 표면의 녹, 오염물 등이 완전히 제거되도록 노력하였다. 표면 처리된 배관을 피복관 제조공법에 따라 150∼260℃로 예열한 후 표 1에 적은 순서대로 피복층을 형성시켰다. 완성된 방식피복관은 분말용착식-1층 피복관, 압출식(T-die)- 2층 및 3층 피복관이였다. 여기에서 피복층으로 사용된 폴리에틸렌은 중밀도(MDPE)이였으며 이의 흐름지수(melt folw index)는 분말용착식과 압출식용이 각각 6.0, 0.32이였다. 2층 및 3층 피복법에 사용된 접착제는 말레익산으로  치환된 저밀도 폴리에틸렌 공중합체이며 3층 피복법에 사용되는 분말에폭시(FBE)는 평균입도가 60□이며 겔화 시간이 180℃에서 50초인 것을 사용하였다.

2. 접착강도 측정용 시편제조

피복관 제조공법에 따른 접착강도 및 음극박리도를 측정하기 위하여 완성된 피복관을 1m이상으로 크게 절단한 후 측정하고자 하는 부위가 열변성되지 않도록 하기 위하여 냉각이 가능한 jig saw를 이용하여 가로, 세로가 각각 20□로 절단하였다. 피복층은 회전톱을 이용, 절단 부위에서 5□이상 떨어진 곳을 띠(strip) 형태로 10□∼14□정도의 폭으로 4∼6개를 배관 표면 까지 절단하였다. 또한 절단된 시편의 접착강도 측정은 톱날과 배관과 마찰열로 인한 피복층의 영향을 감소시키기 위하여 23℃, 상대습도 50%의 조건에서 24시간동안 거치시킨후 실시하였으며 접착력 측정에 사용된 기기는 Instron과 90。 peeling test stage를 사용하였다. 접착강도 측정조건은 KS D3589방법으로서, 온도 및 인장속도가 각각 23℃, 50□/min로 하였다. 이때 slack이 일어난 부분의 결과는 배제하였다. 실험후 박리된 피복층의 파단면을 주사전자현미경(SEM)으로 살펴보아 피복층의 접착강도와 파괴거동의 상관관계를 조사하였다.

3. 온도, 압력에 따른 강관과 열수축재의 접착강도 측정

접착강도를 측정하기 위한 강관은 가스배관과 동일한 API Grade 5L-X65 강판을 SA2½등급으로 실험 1과 동일하게 표면 처리한 후 MEK로 표면의 기름 등을 제거 하였다. 이렇게 제조된 강판위에 열수축쉬트(Raychem)를 씌우고 온도와 압력의 변화에 따른 접착강도변화를 측정하였다. 이때 온도는 50℃에서 80℃까지 10℃씩 변화시켰고 압력은 2∼8x10-3atm범위에서 실험하였다. 온도범위는 점착제층 동점탄성을 Dynamic Mechanical Thermal Analyzer(PL-MkⅡ)로 측정, 전이역(transition resion)에서 결정하였다. 시편의 접착시간은 2시간으로 균일하게 하였다.

결과 및 고찰

가스배관으로 사용되고 있는 폴리에틸렌 피복강관의 제조공법별 접착강도를 측정하였으며 이를 표 2에 정리하였다. 접착재층이 사용된 2층 및 3층피복관의 접착강도가 1층 피복법보다 우수하였는데 특히 3층 피복법이 가장 우수하였다. 이는 에폭시(fusion bonded epoxy)가 강관과 폴리에틸렌 공중합체 사이에 우수한 접착력을 보이기 때문으로 판단된다. 또한 판단면을 SEM으로 살펴본 결과(그림 1) 접착강도가 낮은 1층 피복법(그림 1-a)은 관표면과 폴리에틸렌 피복층 사이의 파단면이 대부분 adhesive failure를 보였으나 2층(그림 2-b) 및 3층 피복법(그림 1-c)은 전형적인 cohesive failure특성을 나타내었다. 또한 3층 피복법의 접착강도가 2층법에 비하여 높은 것은 3층 피복법의 파단면에 많은 수의 craze가 관찰되는 바, 폴리에틸렌 공중합체층이 변형 및 파괴되면서 외부에서 가해진 힘을 2층법보다 많이 흡수하기 때문에 높은 값을 나타내는 것으로 판단된다.

표 2. 폴리에틸렌 피복강관의 접착강도

피복의 종류	접착강도(N/50□)
1LAYER 피복	110
2LAYER 피복	970
3LAYER 피복	1,795
	1,630

(a)1층 피복      (b) 2층  피복        (c) 3층피복

그림 1. 피복층 파단면의 변형 및 파괴거동

또한 온도, 압력의 변화에 따른 열수축제의 강관에 대한 접착강도 측정은 압력이 높아짐에 따라 증가하는 경향을 보였고 DMTA로 측정한 전이영역의 온도인 60℃에서 압력에 대한 접착강도 변화가 가장 크게 나타났다. 이러한 실험 결과를 통하여 열수축쉬트 시공기의 운전조건은 온도범위가 60∼70℃, 가압조건은 5x10-3atm 이상임을 알 수 있었다.

참고문헌

1. Clive H. Hare, "Protective Coatings", Ed., Chap. 24, Techn. Pub. Comp., (1994)

2. P. Parsons, "Surface Coatings Raw Materials and Their Usage", Ed., Chap. 1, pp 6-32, Chapman & Hall (1995)

3. Charles G. Munger, "Corrosion Prevention by Protective Coatings", Ed., Chap. 2, National Association of Corrosion Engineers (1984)

4. Korea Gas Corporation, "Standard for Polyethylene Coatings", GSM-0001, (1997)

5. Gallard, G. and Connelly, G., "Three-Layer Polyolefin Pipe Coating", Proc. 7th International Conference on the Internal and External Protection of Pipe", C2, pp. 41-46(1987)