노후관로의 비굴착 전체보수에서 화재 예방, VOCs 배출 저감 및 에너지 저소비형의 새로운 UV 광경화 공법 개발 = Development of new UV photo-curing method for VOCs emission reduction, fire prevention and low energy consumption in trenchless rehabilitation of old pipelines

국문 초록 (Abstract)

국내 하수관로의 주요 문제는 대부분 노후화 및 열화 (deterioration)에 따른 파손 등 결함이 발생하여 하수에 의한 토양 및 지하수 오염뿐만 아니라 지반침하 (싱크홀, sinkhole) 사고 발생이 빈번하다는 것이다. 환경부는 2015년 기준으로 시공 20년 이상 경과된 하수관로 15,600 km 구간에 대해 정밀조사를 실시하여 파손 등의 중대 결함으로 동공 (cavity) 발생 가능성이 높은 76,000개소 (4.9개/km)와 균열·누수 등의 소규모 일반 결함 233,000개소 (15개/km)를 발견하였다. 따라서 환경부는 긴급보수 대상 하수관로를 선정하고 ‘지반침하 대응 노후 하수관로 정비대책’을 마련하였다.
구조적 결함을 가진 하수관로의 보수는 1990년대 이후 비굴착 공법 (trenchless rehabilitation)이 주류를 이루고 있다. 비굴착 공법은 공사기간 단축, 교통 통제 및 소음과 분진 피해 저감, 지장물 파손과 안전문제 감소 등의 장점을 가지고 있다.
비굴착 공법은 튜브 라이너 (tube liner)의 유연성과 가공성이 우수하고, 보관 및 운반성도 뛰어난 현장 경화관 (cured in place pipe, CIPP) 방식을 대부분 이용하고 있다. 그러나 초기의 열경화 기술은 CIPP의 낮은 강도, 긴 시공시간, 대형 보일러와 물탱크 소요, 연료 다량 소모 등의 문제점이 있어 2000년대 이후 UV 광경화 (UV photo-curing) 기술이 개발되어 현장에 적용되기 시작하였다.
UV 광경화 기술은 고강도 유리섬유 강화 튜브 라이너 이용, 경화시간을 포함한 전체 시공시간 단축, 튜브 라이너의 사전 제작 및 장기간 실온 보관 가능, 에너지 사용량 저감 등의 장점을 가지고 있다.
그러나 기존의 UV 광경화 기술을 이용한 CIPP 시공은 작업준비 (Preparation), UV 광경화 (UV photo-cring), 냉각 (Cooling), 작업마무리 (Finish) 등 전체 작업 시간 (Total working times)에 대해 디젤발전기를 연속 가동함에 따라 에너지의 과도한 소비 및 온실가스 발생량 증가의 문제점을 안고 있다. 고강도 GRP-CIPP의 튜브 라이너 제조에는 다양한 종류의 수지 (resin)와 유기 용매가 사용됨에 따라 UV 광경화 과정에서 VOCs가 고농도로 유출되어 주변 환경과 작업자의 건강에 위해를 줄 수 있는 문제가 제기되었다. UV 광경화를 이용한 GRP-CIPP 시공과정의 다른 문제점은 고열의 UV 램프와 인화성 수지가 함침된 GRP-CIPP 사용으로 화재 위험성 증가한다는 것이다.
본 연구는 안전하고 환경친화적이면서도 시공 품질을 높일 수 있는 UV 광경화 기술을 개발하고 실증하기 위해 다음의 연구 내용을 수행하였다. 기존 UV 광경화 기술이 가진 문제점을 해결하기 위한 요소기술로써, 전체 보수관에 인가되는 하중을 수용할 수 있는 두께가 최적화된 고강도 GRP-CIPP의 개발과 제조, 에너지 사용량 및 온실가스 배출 저감과 시공 시간 단축을 위한 하이브리드 전원공급 시스템 개발, UV 광경화 과정에서 CIPP를 통해 배출되는 고농도 VOCs를 저감할 수 있는 VOCs 배출 저감형 GRP-CIPP (Low level VOCs CIPP, LV-CIPP) 개발, 그리고 불연성 공기 변환 시스템 (Non-Combustible Air Conversion System, NCACS)을 이용한 화재 예방 장치 개발 등을 수행하였고, 이에 대한 성능을 지상 시험 시공 및 현장 시공을 통해 평가하고자 하였다.

본 연구는 기존 UV 광경화 기술이 가진 여러 가지 문제점을 해결하기 위해 하이브리드 전원공급 시스템 개발과 적용에 따른 UV 광경화 공법의 시공시간 단축, 연료사용량 저감, 온실가스 저감의 목표를 달성하고자 하였다. 또한 LV-CIPP 개발 및 적용을 통한 VOCs 배출 저감, 그리고 불연성 공기변환 시스템 개발 및 질식소화 조건 형성을 통한 화재 예방이 가능한 환경친화적이고 안전한 UV 광경화 시스템을 완성하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 고강도 GRP-CIPP의 개발 및 적용
본 연구를 통해 개발된 UV 광경화용 100% 유리섬유 강화 튜브 라이너의 굴곡강도 (flexural strength)와 굴곡탄성율 (feexural modulus)은 각각 236.3 MPa과 10.5 GPa이었다. 이는 KS M3550-9의 기준인 30 MPa과 1.7 GPa의 각각 7.88배 이다. 또한 내화학성 평가에서도 질산, 인산, 황산에 대한 국가표준 (KS M3550-9)인 초기 굴곡탄성율의 80% 이상 대비 각각 93.3%, 92.0%, 90.7%로 크게 높은 값을 나타냄으로써 시공 품질 향상과 시공 후 수명 연한도 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

(2) 하이브리드 전원공급 시스템 개발과 적용을 통한 시공시간 단축과 온실가스 저감
현장 시공의 안정적인 작업 수행을 위한 하이브리드 전원공급 시스템 개발과 적용으로 UV 광경화 지상 시험 시공을 보수관경 D250, D600 그리고 D1,500에 대해 실시하였으며, UPS와 배터리, UV lamp, UV 광조사장치의 sensors, 경화관 내 CCTV, PLS, 터치 모니터, 제어 프로그램 등이 정상 가동됨을 확인하였다. 그리고 UV lamp 점등, 광경화, 마무리까지의 시공시간이 각각 9, 11, 19 min이 소요되었고, 광경화 시공후 보수관 품질도 우수한 것으로 나타났다.
하이브리드 전원공급 시스템에 의한 시공시간 단축 및 온실가스 저감 평가를 위한 현장시공을 D600 현장 경화관의 50 m 구간에 대한 전체 작업시간 평가에서 Praperation (준비단계) 55 min, UV photo-curing 51 min, Finish (마무리) 15 min으로 전체 작업시간은 총 121 min이 소요되었으며, 이는 기존 UV 광경화 공법에 비해 작업시간이 크게 단축된 것이다. 또한 UV 조사장치 삽입과 packer 체결 작업이 지상에서 수행됨에 따라 시공 안전성이 크게 향상되었다. 그리고 하이브리드 전원공급 시스템으로 연료 사용량을 크게 절감함으로써 시공 과정에서 CO2 배출량은 기존 열경화 공법 배출량의 0.9~1.1%, 기존 UV 광경화 공법 배출량의 10.5~35.9%에 불과하였다.

(3) GRP-CIPP의 두께 최적화와 LV-CIPP를 이용한 VOCs 배출 저감
하수관로의 비굴착 전체보수에서 사용하는 현장 경화관 CIPP 두께는 지하수압, 토압, 활하중 모두 고려하여 산정되는데, 산정식에 의한 GRP-CIPP의 두께는 필요조건을 모두 만족하였고, 뿐만 아니라 굴곡강도와 굴곡탄성율이 국가 표준 조건인 KS M 3550-9의 30.0 MPa과 1.7 GPa 대비 각각 780% 이상과, 670% 이상으로 높게 나타남으로써 시공 안정성 및 시공 품질을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한 시공 과정의 유해가스 배출 차단을 위해 PE에 함침된 유리섬유 시트의 내외부에 가스 차단막 및 UV 차단막을 설치된 LV-CIPP를 개발 및 제조하였고, 이를 이용한 LV-CIPP의 UV 광경화 시공에서 관경 1,500 mm의 대형관에 대해서도 내부의 스티렌 농도는 최대 30.1 ppm으로 나타나 우리나라 단기 기준 노출 조건과 미국 OSHA 작업환경기준을 모두 만족하는 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 300 mm 관경에 대한 CIPP 경화 단계에서 LV-CIPP는 기존 열경화 방식의 G-CIPP 대비 배출되는 스티렌 농도가 약 0.87% 수준에 불과함으로써 작업자 및 시민 건강에 대한 유해 위험성을 크게 저감시킬 수 있을 것이다.

(4) 불연성 공기변환 시스템 개발과 적용을 통한 UV 광경화 과정의 화재예방
UV 광경화 기술은 기존 열경화가 가지고 있던 여러 문제점을 해결하였지만, 시공 과정에서 UV 램프의 고온 조건 형성에 따른 화재 발생 문제가 상존하였다. 이에 본 연구는 불연성 공기변환 시스템을 개발하여 지상 시험시공 및 현장시공을 통해 CIPP 내부 유입 및 외부 유출 가스 (공기)의 산소 농도가 질식소화 조건을 충분히 만족한다는 것을 실증하였고, 따라서 향후 GRP-CIPP의 UV 광경화 시공에서 화재 위험을 크게 저감시킬 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• II. 문헌 리뷰 5
• 2.1. 노후 하수관로에 의한 지반침하 현황 5
• 2.2. 파손된 하수관로의 보수 방법의 발전 8
• 2.2.1. 비굴착 전체보수의 CIPP 열경화 기술과 문제점 8
• 2.2.2. 비굴착 전체보수의 UV 광경화 기술 12
• 2.3. 하수관로 비굴착 전체보수의 UV 광경화 기술 16
• 2.3.1. UV 광경화 기술의 장점과 문제점 16
• 2.3.2. 시공 품질 향상을 위한 고강도 GRP-CIPP 21
• 2.3.3. 하이브리드 전원공급 시스템 24
• 2.3.4. VOCs 배출 저감형 GRP-CIPP 26
• 2.3.5. 질식소화 조건을 이용한 화재 예방형 UV 광경화 기술 31
• III. GRP-CIPP 개발과 UV 광경화 지상 시험 시공 36
• 3.1. 재료 및 방법 36
• 3.1.1. CIPP (GRP-CIPP) 개발 및 제조 36
• 3.1.2. 비굴착 전체보수에서 보수관경에 따른 GRP-CIPP의 두께 39
• 3.1.3. UV 조사 시스템 (Irradiation System)과 광개시제 (UV Initiator) 40
• 3.1.4. 하이브리드 전원공급 시스템 (Hybrid Power Supply System) 43
• 3.1.5. UV 광경화 지상 시험 시공 (Ground test for UV photo-curing) 44
• 3.2. 결과 및 고찰 47
• 3.2.1. 자체 개발 및 제조한 GRP-CIPP의 강도 및 화학적 내구성 평가 결과 47
• 3.2.2. 보수관경에 따른 GRP-CIPP의 두께 산정 결과 53
• 3.2.3. 자체 개발 및 제조한 100% GRP-CIPP를 이용한 지상 시험 시공 (Groud test for UV photo-curing) 57
• IV. 하이브리드 전원공급 시스템 적용에 따른 시공 시간 단축 및 에너지 저감 효과 60
• 4.1. 재료 및 방법 60
• 4.1.1 하이브리드 전원공급 시스템 (Hybrid power supply system)의 구성 60
• 4.2. 결과 및 고찰 66
• 4.2.1 하이브리드 전원공급 시스템의 적용에 따른 CIPP 시공시간 단축 효과 66
• 4.2.2 UV 광경화 기술과 하이브리드 전원공급 시스템의 적용에 따른 연료 사용량 및 온실가스 배출저감 효과 70
• 4.2.3 UV 광경화 지상 작업을 통한 시공 안전성 강화 및 시공 시간 단축 효과 74
• V. LV-CIPP 개발과 적용에 다른 CIPP 시공과정의 VOCs 배출저감 효과 79
• 5.1. 재료 및 방법 79
• 5.1.1 신속 UV 광경화 (Quick UV photo-curing) 시스템 79
• 5.1.2 VOC 배출 저감형 GRP-CIPP (Low level VOCs GRP-CIPP, LV-CIPP) 개발 85
• 5.1.3 CIPP 경화 과정의 VOCs 배출 농도 모니터링 90
• 5.2. 결과 및 고찰 94
• 5.2.1 신속 UV 광경화 시스템을 이용한 styrene 배출 저감 효과 94
• 5.2.2 LV-CIPP를 이용한 UV 광경화 시공과정의 styrene 배출 저감 효과 96
• VI. 불연성 공기변환 시스템 (NCACS)을 이용한 화재 예방 효과 104
• 6.1. 재료 및 방법 104
• 6.1.1 불연성 공기변환 시스템 (Non-Combustible Air Conversion System, NCACS) 개발 104
• 6.2. 결과 및 고찰 109
• 6.2.1 GRP-CIPP를 이용한 모의 화재실험 결과 109
• 6.2.2 불연성 공기변환 시스템 (NCACS)를 적용한 GRP-CIPP의 UV 광경화 과정에서 화재예방 효과 111
• VII. 결 론 118