비금속 상수도관 노후도 평가 모델 연구 = A study on the assessment model of non-metallic water pipelines deterioration

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In Korea, the water supply system began in 1908 with the construction of the Ttukdo Water Treatment Plant. Since then, the water supply system has rapidly expanded, but it is notable that more than 30% of the nationwide water supply pipes are over 20 years old. Consequently, the aging of water supply pipes has led to increased risks in both quantity and quality, such as leaks and water shortages, resulting in recent large-scale water quality accidents in Incheon and other areas. Therefore, in order to prevent the recurrence of such incidents and realize consumer-centric water welfare, it is necessary to strengthen water supply pipe management through proactive maintenance, inspection, and obligatory upkeep of aged pipes.
As of 2020, the total length of water supply pipes in Korea is 228,323 km. Metal pipes (cast iron and steel pipes, etc.) affected by corrosion account for 114,129 km, roughly 50% of the total. Non-metallic pipes, on the other hand, account for about 98,134 kilometers, equivalent to nearly 43%. Interestingly, the ratio of non-metallic pipes to metal pipes is gradually increasing. Recently, research has been conducted on the physical changes in the state of non-metallic pipes installed for water supply purposes. However, compared to metal pipes, there is a lack of data, and the current condition of the pipes cannot be directly known. Therefore, further research on non-metallic water supply pipes is needed.
The mechanism of non-metallic water supply pipes can be represented by the changes in material properties over time. Initially, ductile fracture occurs mainly, and material properties rapidly deteriorate, leading to brittle fracture. Moreover, the tensile strength and elongation of non-metallic pipes such as PE and PVC pipes change over time, with tensile strength increasing and elongation decreasing as the pipes age.
In this study, data from the Local Water Supply Modernization Project and the Basic Plan for Aging Water Supply Pipes were used to estimate the lifespan of non-metallic water supply pipes. After sampling excavation, specimens were fabricated using actual measured elongation and tensile strength data to build the data, and the water supply pipe diameter and installation year were collected from the local government. This procedure necessitated the severance of the pipe body for analytical evaluation, an action with the potential to provoke public complaints. To address this issue, points were chosen for their readily accessible Sluice and drain valves. This selection facilitated efficient isolation, significantly reducing operational downtime, environmental impacts, and safety risks. Approximately 7 million won was spent per site during specimen investigation. Finally, 114 data were collected from 22 local governments for PE pipes, and 74 data were collected from 15 local governments for PVC pipes.
Furthermore, the weights for the property values were calculated by analysing the elongation and tensile strength of non-metallic water supply pipes. It was hypothesized that the greater the range of change in the property value representing the physical properties, the larger the impact on the physical deterioration of the pipe. Therefore, the weights were calculated in proportion to the range of change (slope) in the property value over time. Subsequently, the aging evaluation index was calculated by applying a correction factor for the pipe condition based on the elapsed time, and the replacement timing of the water supply pipe was determined according to its elongation (200% for PE pipes and 40% for PVC pipes). Assuming that the decrease in the aging evaluation index over time is the same (constant slope), the lifespan of the pipes was calculated within the 95% confidence interval of the regression coefficient through the multiple correlation coefficient among the regression models that related the time a pipe has been in use to its aging evaluation index.
Upon analyzing the correlation between the aging evaluation index and the usage period of the pipes, it was determined that the index values aligning with the elongation criteria for replacement correspond to 46.5 years for PE pipes and 49.3 years for PVC pipes, respectively. Assuming a consistent decrease over time in the aging evaluation index, the estimated period until the replacement criteria are met within the 95% confidence interval between the usage period and the aging evaluation index is 38.7 to 54.4 years for PE pipes and 42.4 to 56.3 years for PVC pipes. Based on these findings, the lifespan is deemed reasonable to be between 35 to 60 years. It is important to note that the lifespan presented here is a technical estimate based on the physical safety aspect, rather than the accounting-based useful life under the Local Public Enterprise Act. In addition, the lifespan standards presented in this study are based on the results of calculations for non-metallic water supply pipes with a long installation period, rather than newly produced or installed pipes. Therefore, it is concluded that the lifespan standards calculated above can be used for the renewal and replacement of existing pipelines when establishing a plan for the improvement of aging water supply pipes, depending on the circumstances of the water service provider.

Keywords : a non-metallic water pipe, an elongation rate, tensile strength, a plastic pipe, an aging pipe, an old water supply pipe

국문 초록 (Abstract)

우리나라 상수도는 1908년 뚝도정수장 건설로시작되었다. 이후 상수 도는 급속도로 확장되었지만, 전국 상수도관 30% 이상이 20년 이상 된 노후 상수도관이다. 상수도관의 노후화는 누수, 물 부족 등 수량과 수질 모두의 위험성을 증가시켜 최근 인천 등지에서는 대규모의 수질사고가 발생하기도 했다. 이에 사고 재발을 방지하고 소비자 중심의 물 복지 실 현을 위해서 선제적인 노후관 정비 추진과 점검 및 정비, 유지관리 의무 화 등 상수관로 관리를 강화할 필요가 있다. 2020년 기준 우리나라 상수도관 연장은 228,323km이다. 부식 영향을 받는 금속관(주철관 및 강관 등)이 114,129km로 약 50%를 차지하고, 비금속관은 98,134km로 약 43%를 차지한다. 금속관 대비 비금속관 비 율이 점차 증가하고 있다. 최근 상수도용으로 매설된 비금속관의 물리적 상태변화에 대한 조사와 연구가 수행되고 있으나, 금속관에 비하여 자료 가 많이 부족하고 현재 관상태를 직접적으로 알 수 없어 비금속 상수도관 에 대한 연구가 필요한 실정이다. 비금속 상수도관 메커니즘은 매설기간 경과에 따른 재료적 특성 변화 로 나타낼 수 있으며, 점점 물성이 변화하여 처음에는 연성 파괴가 일어 나고 물성이 급격하게 감소하는 영역에 도달하면 취성 파괴로 이어진다. PE관 및 PVC관과 같은 비금속 상수도관 연신율과 인장강도는 매설기간 이 경과함에 따라 인장강도는 증가하고 연신율은 감소한다. 본 연구에서는 비금속 상수도관 내구연한 산정을 위해 지방상수도 현 대화사업 및 노후상수관로 기본계획 수립 자료를 이용하였다. 표본굴착 후 시편을 제작하여 실제 측정된 연신율 및 인장강도 데이터를 사용하여 자료를 구축하였으며, 지자체 상수도관 관경 및 매설년도를 수집하였다. 시편제작은 관체를 절단하여 조사하기 때문에 민원이 발생할 수 있어 단 수 및 이토가 용이한 지점을 선정하여 굴착 후 시편을 제작하였다. 시편 조사 시 개소 당 대략 700만원이 소요되었다. 최종적으로 PE관 22개 지 자체의 114개소 자료와 PVC관 15개 지자체의 74개소 자료 데이터를 구 축하였다. 비금속 상수도관에 대한 연신율과 인장강도 등을 분석하여 물성값에 대한 가중치를 산정하였다. 물리적 특성을 나타내는 물성값 변화 폭이 클 수록 관체에 물리적 열화에 큰 영향을 미치는 것으로 판단하여 매설기간 경과에 따른 물성값 변동폭(기울기)에 비례하여 가중치를 산정하였다. 최 종적으로 매설기간 경과에 따른 관상태 보정계수를 적용하여 노후도 평 가지수를 산정하였으며, 연신율(PE관 200%, PVC관 40%)에 따른 상수 관로 교체 시점을 계산하였다. 시간이 경과함에 따른 노후도 평가지수 감 소 폭은 동일하다는 전제(기울기 일정)하에 매설기간과 노후도 평가지수 간 회귀모형 중 다중 상관계수를 통한 회귀 상수 신뢰구간 95% 범위에 서 비금속 상수도관 노후도 평가지수가 교체기준에 도달할 때까지의 기 간으로 내구연한을 산정하였다. 노후도 평가지수와 매설기간 상관관계를 분석한 결과 교체를 고려하는 연신율 기준에 부합하는 노후도 평가지수 값은 각각 PE관 46.5년과 PVC관 49.3년으로 산정되었다. 매설기간 경과에 따른 노후도 평가지수 감소 폭은 같다는 전제하에 매설기간과 노후도 평가지수 간 신뢰구간 95% 범위에서 교체기준에 도달할 때까지 기간은 PE관 38.7년∼54.4년, PVC관 42.4년∼56.3년으로 산정되었다. 상기 기간을 준용하여 내구연한 을 검토한 결과 35년∼60년이 타당할 것으로 판단된다. 제시한 내구연한 은 물리적 안전성 측면에서 바라본 관점의 수명으로 지방공기업법상 회 계적인 관점의 내용연수보다 공학적인 관점에서 도출한 결과를 나타낸다. 또한, 본 연구에서 제시한 내구연한 기준은 최근 생산되거나 매설된 신관 이 아닌 매설기간이 장기간 경과된 비금속 상수도관을 대상으로 산정한 결과를 나타낸다. 따라서 상기 산정한 내구연한 기준은 수도사업자의 여 건에 따라 지속적으로 발생하는 노후 상수도관 개량계획 수립 시 기존 관 로의 갱생 및 교체를 위하여 활용이 가능할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구방법 및 내용 3
• 2. 이론적 배경 5
• 2.1 내구연한 및 내용연수 정의 및 개념 5
• 2.1.1 내구연한 6
• 2.1.2 내용연한 6
• 2.1.3 내용연수 6
• 2.1.4 사용수명(Useful life)의 정의 9
• 2.1.5 미국수도협회(AWWA) 자산 수명(Asset Life)의 정의 9
• 2.2 상수도관 노후 원인 및 영향인자 12
• 2.2.1 노후 상수도관 정의 12
• 2.2.2 상수도관 노후 원인 및 영향인자 13
• 2.2.3 비금속 상수도관 노후 매커니즘 분석 16
• 2.3 상수도관 노후도평가 관련 국내외 연구자료 18
• 2.3.1 국내·외 상수도관 노후도평가 관련 연구 18
• 2.3.2 수도관 개량을 위한 의사결정 시스템 19
• 2.3.3 노후수도관 평가 및 관리 매뉴얼 22
• 2.3.4 상수도관망 기술진단 25
• 2.3.5 시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법 27
• 2.3.6 노후 상수관로 정밀조사 32
• 2.4 인장강도 및 연신율 39
• 2.4.1 인장강도 39
• 2.4.2 연신율 40
• 2.5 통계분석 41
• 2.5.1 상관분석 41
• 2.5.2 회귀분석 42
• 3. 연구 방법 47
• 3.1 자료수집 47
• 3.2 비금속 상수도관 노후도 평가 방법 47
• 4. 결과 및 고찰 51
• 4.1 대상자료의 현장조사 및 분석 51
• 4.2 대상관로 분석 55
• 4.2.1 PE관 자료 분석 55
• 4.2.2 PVC관 자료 분석 58
• 4.3 대상관로 인장강도와 연신율 추정 60
• 4.3.1 PE관 인장강도와 연신율 추정 60
• 4.3.2 PVC관 인장강도와 연신율 추정 76
• 4.4 노후도 평가지수 산정식 개발 91
• 4.4.1 PE관 노후도 평가지수 산정식 개발 91
• 4.4.2 PVC관 노후도 평가지수 산정식 개발 124
• 4.4.3 노후도 평가지수 상관성 검토 155
• 4.4.4 비금속 상수도관 내구연한 기준 제시 157
• 5. 결론 160
• 참고문헌 163
• Abstract 166
• 감사의 글 171