[2003년 신년특집] 신개념의 On-line 분기 시스템(가스공급중 배관분기 가능하다).................. 가스산업신문(2003.1.8) ◀김영규 한국가스안전공사 공학박사 ‘I형’ 구조로 작업시간 단축, 시공비용 절감 / 측면 수평설치 가능, 매설심도 유지도 용이 [머리말] 가스에너지를 공급하기 위한 전국적인 배관망 구축작업이 지속적으로 확장되어 2002년 7월말 기준으로 도시가스 배관설치 길이는 20,192km에 이르고 있으며, 이들 매설배관으로는 방식목적으로 폴리에틸렌이 피복된 강관이 사용되고 있다. 이러한 배관망을 통해 공급된 가스를 수요가에서 사용하기 위해서는 배관을 분기하여야 하는데 고전적인 분기방법에는 배관에 설치된 밸브를 잠그고 작업하는 방법과 또는 고무제 스토퍼를 이용하여 고압가스를 차단시킨 후에 작업하는 방법이 있다. 이와 같은 기존의 분기방법은 작업의 복잡성, 과다한 작업시간과 비용지출, 그리고 작업시 가스누출로 인한 위험성 등 많은 문제점이 노출되고 있다. 최근에는 공급중인 가스를 중단하지 않은 상태에서 배관분기를 할 수 있는 방법과 기술이 개발되었으며, 현재 상용화된 제품이 분기현장에 적용되고 있다. 이러한 분기티는 제품이 고가이면서 굴착면적이 넓고 작업공기가 길며, 특히 배관을 땅속에 묻을 때 가스관계법에 따른 매설깊이를 유지하기가 곤란한 단점들이 있다. 이러한 문제점을 개선하여 국내 실정에 맞고 동시에 차단기능을 갖추고 있어 가스를 공급중인 상태, 즉 On-line 조건에서 배관분기가 가능한 신개념의 On-line 분기시스템을 개발하게 되었다. [배관 분기티] 가스공급을 위한 배관망 증설이 전국적으로 확장되고 있고 배관분기도 지속적으로 이루어지고 있다. 배관분기에는 주로 배관에 설치된 밸브를 잠그고 분기하는 작업방식과 고무제 스토퍼로 차단하여 분기하는 작업방식이 사용되고 있다. 이와 같이 강재 배관을 분기하고자 할 때 사용되는 연결재를 통상 분기밸브 또는 분기티(split valve or tees)라고 하며, 천공피팅(tapping fittings) 또는 천공슬리이브(tapping sleeves)라고도 부른다. 최근에는 가스공급을 중단하지 않은 On-line 상태하에서 배관분기가 가능한 시스템이 개발되었으며, 유럽 및 미국 등에서 사용되고 있다. 국내·외에서 개발된 기존의 제품은 서비스티나 특수 제작된 티를 배관 상단부에 용접하거나 장착한 후 티상단에는 천공기 부착용 플랜지를 용접하며, 여기에 마감을 위한 플러그 캡을 설치하는 구조이다. 가스공급 본관에 분기밸브를 용이하게 설치할 수 있도록 상부몸통이 부착된 상부판과 하부판이 분리된 구조를 가지며, 플랜지에는 넥(neck)이 있어 여기에 티와 용접된다. [배관 천공기] 가스공급 배관에 분기관을 접속하는 경우 먼저 분기밸브를 공급관에 접속하여야 하며, 여기에 천공기를 설치하기 위하여 부착된 플랜지에 천공기를 고정한다. 현재 사용되고 있는 천공기는 일자형 구조로서 수직으로 플랜지에 연결되며, 배관천공시 가스가 외부로 누출되지 않도록 완전 밀봉된 구조를 갖는다. 배관에 구멍(hole)을 내기 위해 사용되는 원통형 드릴은 배관분기 구경에 따라 다양한 크기로 제작되었으므로 적정한 크기의 드릴날을 선정하여 사용한다. 또한 천공이 이루어지는 동안, 드릴날의 절단에 따른 칩(chip)이 발생되므로 공급배관 내부로 칩이 유입되거나 쌓이지 않도록 특별한 주의가 필요하다. 배관의 분기위치에 따라서는 발생된 칩은 공급가스와 같이 이송되어 정압기의 필터에서 여과가 가능하나 그렇지 않은 경우 수요가의 연소기류나 배관에 축적되어 연소기에 악영향을 주거나 또는 연소에 필요한 가스유량이 흐를 수 없어 불안정한 연소를 초래할 수 있다. [On-line 분기시스템의 설계] 분기밸브는 일자형 구조로서 배관 상단부나 측면에 용접으로 연결하며, 분기밸브 상단에는 천공기 장착을 위한 나사 홈이 있고 중간에 가스차단용 차단판 삽입구가 설치되는 구조로 설계하였다. 특히 설계시 기존의 분기밸브 구조를 대폭 단순화하였고 배관의 부착위치에 제한을 받지 않도록 고려하여 수직·수평설치가 가능하다. 또한 크기를 소형화하였기 때문에 분기작업시 굴착면적이 감소하는 효과가 있어 이로 인한 시공비의 절감, 분기작업 후 부식방지를 위한 피복처리가 용이하다는 특징을 갖는다. 설계된 천공기는 일자형 구조로서 배관 상단부나 측면방향에서 천공이 가능한 구조를 갖는다. 천공기 하단에는 분기밸브에 장착을 위한 나사 홈이 있어 여기에 고정된다. 천공기의 동력원(power source)은 공기를 이용한 에어모터방식, 유압을 이용한 유압방식과 수동작에 의한 방식으로 작동된다. 배관구경에 따른 적정한 분기구멍을 천공하기 위하여 다양한 크기의 커터와 장착 지그를 설계하였다. 개발된 천공기는 기존의 천공기와는 달리 설계시 구조를 대폭 단순화시켜을 뿐만 아니라 수평이나 수직 또는 분기밸브 부착위치에 제한을 받지 않도록 고려했다. 또한 상대적으로 천공기의 크기를 소형화하였기 때문에 분기작업시 굴착면적을 감소시키는 효과가 있어서 시공비의 절감이 가능하다. [On-line 분기시스템의 제작] 본 기술개발을 통하여 제작된 분기밸브는 심레스 강관, 오링(O-ring), 링 스프링(ring spring), 차단판(sluice plate)으로 구성되어 있다. 심레스 강관의 말단에는 용접성을 고려한 V형 그루브와 약 40도의 그루브각(groove angle)을 주었다. 몸체에 가공된 오링 홈에는 두 개의 고무제 오링이 상호 면접촉(face contact)되도록 압착하여 설치한 후 차단판 삽입구를 제외한 나머지 그루브는 용접입열이 낮은 아크용접(arc weld)을 실시하였다. 특히 배관내부의 압력을 고무제 오링접촉에 의해 차단하는 구조이므로 용접시 용접입열에 의한 가스분출(blow-out) 현상이 발생될 가능성을 방지하기 위하여 오링 외부에는 강재의 링 스프링을 부착하였다. 따라서 차단판이 분기밸브 내부의 유로를 충분히 차단·밀폐시킬 수 있고, 동시에 차단판을 외부에서 삽입시 지장이 없도록 그루브 용접(groove weld)시 이를 고려하였다. 분기작업 현장에서는 용접시 안정성을 확보하기 위하여 1층 용접은 용접속도가 빠르고 입열이 낮은 직선 비이드(bead)로 실시한 다음, 2층 용접을 실시하는 것이 바람직하다. 또한 차단판 설계시 실제 현장에서 발생하는 태핑칩 등 이물질 제거나 가스압력에서 오링이 받는 압착하중의 영향에 의한 차단판의 장착 용이성을 고려하여 차단판에는 실링윤활제(sealant lubricant)를 도포하여 사용하는 것이 바람직하다. 분기밸브 제조공정은 심레스 강관의 상·하부가공, 나사가공, 조립, 아크용접, 차단판 제조, 육안검사, 내압·기밀시험, 도장작업으로 구분되며, 이러한 과정을 거쳐 최종단계인 라벨링을 마치면 분기밸브가 완성된다. 제작된 천공기는 각 사이즈별 커터(cutter)와 드릴(drill), 그리고 이를 고정시켜 주는 센터홀더(center holder), 하우징(housing), 그리고 커터 및 센터드릴에 회전구동을 가하는 모터(유압식 및 전기식)로 구성된다. 천공기는 크게 배관구경 50A∼100A 용도의 소형 천공기와 150A∼300A 용도의 대형 천공기로 제작되었고 이들 천공기내에서는 적정한 커터날을 교체하여 배관천공을 실시하게 된다. 특히 센터드릴 홀더에는 배관의 천공작업중에 발생되는 칩(chip)을 외부로 배출하기 위하여 하우징 플랜지부에 별도의 밴트공(vent hole)을 설치하였고 천공시 배관내부의 가스압에 의하여 외부로 배출하게 되며, 일부는 커터에 장착된 자석에 의하여 제거하게 된다. 대형 천공기의 경우 소형 천공기와는 다르게 하부에 별도로 제작된 결합지그를 부착하여 분기밸브와 완전밀착하여 장착된다. 소형 천공기의 경우는 분기밸브 상부몸체에 가공된 나사와 천공기 하우징에 가공된 나사와 결합된다. 천공작업으로 발생되는 절단된 쿠폰(coupon)은 절단후 배관내부로 빠지지 않도록 센터드릴 끝단부에 코터핀을 설치하였다. 천공기로 배관을 천공할 때는 커터의 이송속도를 매우 천천히 하여야 하므로 천공기의 이송속도와 회전수는 안전성을 고려하여 적정한 범위내에서 작동되도록 제작하였다. 배관의 천공작업때 최초구간 및 최종구간 커터날과 배관과의 접촉 및 절단에 따른 절단력(cutting force) 변화가 가장 크게 작용한다. 따라서 회전수나 이송속도를 적정한 범위로 조정하여 구동장치에 미치는 토오크의 영향을 최대한 감소시킬 수 있도록 하였다. 이러한 이송속도의 조정은 자동으로 작동하는 방법과 수동으로 작동하는 방법을 모두 채택하여 상황에 따라 적용할 수 있게 하였다. 특히 천공 작업중에는 이송압력이 증가하기 때문에 커터를 정지시키면 안되므로 천공작업자는 주의하여야 한다. [맺음말] 국민 생활의 1차 에너지원으로서 청정에너지(clean energy)인 천연가스를 공급하기 위한 배관망이 전국적으로 확장·구축되고 있다. 이러한 가스공급배관의 확충을 위해서는 기존의 주배관망(main pipeline)에서 분기(split)하거나 또는 배관을 신규 설치하여야 한다. 주배관망에서 분기 하는 경우 현재 이용되고 있는 분기방법은 작업의 복잡성, 과다한 작업시간과 비용지출, 작업시 가스누출로 인한 위험성 등 많은 문제점이 노출되고 있고 특히 매설된 배관에서 분기하는 경우 가스관계법에 따른 적정 매설깊이를 유지하기가 곤란한 문제점이 있다. 본 기술개발과제에서는 가스를 공급중인 상태에서 이러한 문제점을 개선할 수 있는 신개념의 배관분기작업 시스템인 『On-line 분기시스템』을 개발하였다. 이것은 외국의 특허기술을 침해하지 않으면서 동시에 가스공급을 중단하지 않은 On-line 상태에서 분기작업이 가능한 새로운 방식의 배관분기 시스템이다. 신규 분기밸브의 경우 “I” 형의 구조로서 작업시간의 단축, 시공비용의 절감, 그리고 분기제품의 소형화로 피복방식 처리가 용이하다는 장점이 있다. 특히 분기시 배관상면에 대한 수직설치가 가능할 뿐만 아니라 배관측면에 대한 수평설치도 가능하여 기존 분기작업시 애로사항이었던 매설배관의 심도유지가 가능하다. 또한 천공기의 회전수는 20∼95의 RPM 범위내에 존재하였고, 이송속도는 0.26∼0.38mm/min으로 나타나고 있어 매우 양호한 커터 회전수와 이송속도를 갖는 것으로 평가된다. 그러나 상용화전에 실제 가스배관의 분기작업 현장에서 충분한 현장시험(field test)을 실시와 아울러 신뢰성 및 안전성 확인을 위한 추가적인 연구수행이 필요한 것으로 판단된다. On-line 분기시스템의 성공적인 기술은 가스배관이나 석유화학 플랜트 배관 등의 분기작업용으로 활용될 수 있고, 국내 가스산업의 지속적인 발전에 따른 국내 수요증가 뿐만 아니라 동남아 지역이나 미국, 일본 등에도 수출이 가능할 것으로 전망된다. 아울러 송유관, 열병합의 열수송 배관, 상수도 배관 등의 분기용으로도 활용이 가능하다. 아울러 기술력과 핵심기술이 축적될 경우 본 기술은 국내 가스 및 상수도 배관용으로 확장되고 있는 폴리에틸렌 배관용의 분기시스템 개발에도 응용이 가능할 것으로 판단된다.