2018년 고양시 백석역 부근 열수송관 파열로 인하여 인명피해(사망 1명, 부상 25명) 및 주변 아파트 2,800여 세대의 난방 공급이 중단되는 사고 등 크고 작은 열수송관 파열 사고가 다수 발생함에 따라 이에 따른 국민 불안감이 증가함에 따라 노후화된 열수송관에 대한 체계적인 안전 관리를 통한 국민 생활의 안전을 확보하기 위하여 열수송관 안전진단 강화를 위한 종합대책(2019년 6월, 산업통상자원부), 집단에너지사업법 개정(2020년2월) 및 시행(2020년)을 통하여 열수송관 안전진단제도를 신설하였으며, 20년이상 장기 사용 지역냉난방 열수송관 안전진단을 의무화하였다. 이와 관련하여 열수송관 안전진단의 배경 및 목적, 집단에너지사업 및 열수송관 일반, 안전진단기관의 지정기준 및 안전진단 수행 업무 등 열수송관 안전진단의 일반적인 사항을 간략히 소개하여 새로 시행되는 열수송관 안전진단에 대한 이해를 돕고자 한다.
1) 열수송관 안전진단의 배경
⦁20년 이상 장기사용 지역 냉·난방 열수송관 안전진단 의무화에 따른 안전진단제도 신설
⦁관련근거
∙ 집단에너지사업법 (2020년 2월 개정, 2020년 8월 시행) 및 동 시행규칙
∙ 열수송관 안전진단에 관한 고시 (산업통상자원부 고시 제2021-155호, 2021년 9월)
∙ 열수송관 안전진단 실시 등에 관한 세부지침 (2021년 11월)
2) 열수송관 안전진단의 목적
20년 이상 장기사용 열수송관의 물리적․기능적 결함을 조사하고 구조적 안전성 및 손상 상태를 점검 및 진단하여, 장기사용 열수송관의 안전을 유지하고, 사고를 예방함으로써 공공의 안전을 확보함과 동시에, 열수송관의 종합적인 상태 및 안전성 평가를 통해 객관적인 현재 상태와 미래의 성능 변화를 예측하여, 보수·개량·교체 등의 최적시기를 결정하기 위한 합리적인 의사결정 지원 체계 및 유지관리 전략을 마련하는데 그 목적이 있음.
1) 집단에너지사업의 정의
집단에너지사업이란 생산시설 (열병합발전소, 열전용보일러, 자원회수시설 등)에서 생산된
에너지 (열 또는 열과 전기)를 다수 사용자(소비자)에게 일괄적으로 공급하는 사업으로
대규모 열생산시설에서 생산된 열(온수)을 대단위 지역에 일괄적으로 공급하는 난방시스템인
지역난방이 대표적인 집단에너지 사업이다.
2) 집단에너지사업의 종류
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구 분 |
사 업 내 용 |
|
지역냉난방사업 |
일정지역 내에 있는 주택, 상가 등 각종 건물을 대상으로 난방용, 급탕용, 냉방용 열 또는 열과 전기를 공급하는 사업 |
|
산업단지 집단에너지사업 |
산업단지 입주업체를 대상으로 공정용 열 또는 열과 전기를 공급하는 사업 |
3) 집단에너지사업 현황(2021년 기준)
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구 분 |
사업자수 |
사업장수 |
허가현황 |
공급현황 |
|||
|
세대수 |
업체수 |
세대수 |
업체수 |
||||
|
지역냉난방 |
공급중 |
29 |
58 |
4,158,791 |
- |
3,427,346 |
- |
|
건설중 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
|
계 |
29 |
58 |
4,158,791 |
- |
3,427,346 |
- |
|
|
산업단지 |
공급중 |
39 |
41 |
- |
953 |
- |
908 |
|
건설중 |
4 |
4 |
- |
9 |
- |
- |
|
|
계 |
43 |
45 |
- |
962 |
- |
908 |
|
|
병 행 |
공급중 |
6 |
6 |
155,151 |
73 |
97,765 |
70 |
|
건설중 |
1 |
1 |
- |
8 |
- |
- |
|
|
계 |
7 |
7 |
155,151 |
81 |
97,765 |
70 |
|
|
총 계 |
공급중 |
74 |
105 |
4,313,942 |
1,026 |
3,525,111 |
978 |
|
건설중 |
5 |
5 |
- |
17 |
- |
- |
|
|
계 |
79 |
110 |
4,313,942 |
1,043 |
3,525,111 |
978 |
|
※ 자료출처 : 집단에너지사업 편람 (2022, 한국에너지공단)
1) 열수송관의 정의
열수송관은 일반적으로 열생산 시설에서 생산된 지역 냉․난방열을 사용자 기계실까지 보내는데 사용하는 시설물을 통칭하는데, 좁은 의미로 배관 그 자체만을 의미하기도 한다. [그림 1 참조]
2) 열수송관의 구분
열수송관은 열생산 시설의 규모 및 공급지역의 범위에 따라 관경 및 용도에 따른 구분이 달라질 수 있으나, 일반적으로 다음과 같이 구분한다.
|
구 분 |
관 경 |
용 도 |
|
주배관 (주수송관) |
400A 이상 |
열생산시설로부터 지역간 열수송용 배관 |
|
분 배 관 |
350A ~ 250A |
주배관 (주수송관)으로부터 지역내 열분배용 배관 |
|
단지내 배관 |
200A 이하 |
분배관에서 사용자 기계실까지의 연결관 |
3) 열수송관 주요 자재
① 이중보온관
|
|
⦁사용조건(한국지역난방공사 기준 참조)
∙ 온도범위 : 10 ~ 120℃ (설계온도 : 120℃)
∙ 압력범위 : 3 ~ 16㎏/㎠ (설계압력 : 16㎏/㎠ ≒16bar)
⦁강관(내관)의 재질 및 규격
|
구 분 |
KS CODE |
종류 및 기호 |
적용범위 |
|
|
SPPS |
압력 배관용 탄소 강관 |
KS D 3562 |
SPPS 250 |
∙ 350℃정도 이하에서 사용하는 압력 배관에 쓰이는 탄소강관. ·9.8MPa 이상의 고압용 배관은 KS D 3564에 따름. |
|
SPW |
배관용 아크 용접 탄소강 강관 |
KS D 3583 |
SPW 400 SPW 600 |
·사용압력이 비교적 낮은 배관에 사용하는 아크 용접 탄소강 강관 |
⦁보온재(PUR, Polyurethane foam)
강관에서 발생되는 열팽창력을 외관인 HDPE관에 전달할 수 있는 기계적 강도를 가져야 하고,
열수송관 내부의 열에 의해 주변에 영향이 미치지 않아야 한다.
⦁외피(HDPE, High Density Poly Ethylene)
열팽창력을 주변 토사에 전달할 때 파손되지 않을 강도와 토사와의 충분한 마찰계수를 확보하여
최종적으로 강관에서 발생되는 열팽창력을 토사의 마찰력으로 고정시킬 수 있어야 한다.
⦁감지선
열수송관 감시설비에 사용하기 위하여 배관 제작시 감지선을 내장하여 제작한다.
|
구 분 |
센서선 |
리턴선 |
나동선 |
|
재 질 |
니켈-크롬 (Ni-Cr) |
구리 (Cu) |
구리 (Cu) |
|
피 복 |
절연피복 |
절연피복 |
피복없음 |
|
색 깔 |
적 색 |
녹 색 |
- |
|
측정방식 |
저항 비교 측정 방식 |
임펄스 방식 |
|
|
관련규격 |
KS C 3120, KS D 3708, KS C 3101, JIS G 4102 |
||
③ 이형관
배관의 분기, 노선의 급격한 꺾임, 관경의 축소․확대 등 직관만으로는 배관이 어려운 곳에 적용
|
구 분 |
Bend |
Tee |
Reducer |
|
개요도 |
|
|
|
|
용 도 |
배관의 방향 전환 구간 적용 |
배관의 분기 구간 적용 |
배관의 관경 변화부 적용 |
④ 열수축재
용접연결부를 마감하는 열수축재 설치는 열수송관의 품질을 좌우 하는 중요한 공종으로 수명
기간 동안 차수성을 유지하여 보온재에 습기 침투 방지 및 강관의 부식방지 역할을 하며, 지중에
매설된 열수송관이 움직일 때 마모되거나 찢어지지 않는 특성을 가져야 한다.
|
구 분 |
용 도 |
|
|
열수축 케이싱 |
PEX Type |
·일반적인 열수송관 용접연결부 보온 및 마감에 사용 ·특별구간주) 및 일반구간에 사용 |
|
HDPE Type |
·일반적인 열수송관 용접연결부 보온 및 마감에 사용 ·일반구간에만 사용 |
|
|
PE-Sleeve |
·PE 용접구간 또는 사용이 불가피한 구간에 제한적 사용 |
|
|
METAL-Casing |
·연결각도가 크거나 연결폭이 넓어서 기성제품으로 적용이 어려운 구간에 사용 |
|
|
열수축 시트 |
·열수송관 보수부 ·용접연결부 (PE-Sleeve, METAL-Casing,열수축케이싱 사용부) |
|
|
특수부위 마감재 |
TFLS |
·Air Vent (Drain)의 인출부 마감 |
|
WEPS-PLUS |
·보온액 주입부 마감 |
|
|
PERP |
·열수송관 상단의 국부적인 보수 |
|
주) 특별구간이라 함은 하천구간 등 굴착 보수가 곤란한 특수구간, 수송관의 움직임이 비교적 많은
주수송관 (400A 이상)의 활동구간 및 25bar시스템 도입구간을 의미한다. 이 외 구간은 일반구간임.
4) 열수송관 현황(2021년 기준)
(지역냉난방 : km x 2열, 산업단지 : km)
|
구 분 |
열수송관 |
20년 이상 비율 |
||
|
20년 이상 |
20년 미만 |
계 |
||
|
지역냉난방 |
1,341.5 |
3,378.2 |
4,719.7 |
28.4 % |
|
산업단지 |
256.2 |
491.7 |
747.9 |
34.3 % |
|
계 |
1,597.7 |
3,869.9 |
5,467.6 |
29.2 % |
|
구 성 비 |
29.2 % |
70.8 % |
100.0 % |
|
※ 자료출처 : 집단에너지사업 편람 (2022, 한국에너지공단)
열수송관의 대부분을 차지하는 매설 열수송관의 시공은 다음과 같다.
|
1.노선측량 |
2.터파기(토사구간) |
터파기(도로구간) |
3.모래깔기 |
|
4.배관부설 |
5.용접부 개선 |
6.배관용접 |
7.용접부검사 |
|
8.감지선 연결 |
9.수축재 설치 |
10.보온재 발포 |
11.보온구 마감 |
|
12.전기예열 |
13.예열팽창량 검측 |
14.모래채움 |
15.물다짐 |
|
16.되메우기 |
17.경고테이프 설치 |
18.층다짐 |
19.도로포장 |
※ 자료출처 : 열수송관 교육자료(2022, 한국지역난방기술)
|
구 분 |
내 용 |
|
|
기본요건 |
가. 자본금 5억원 이상 나.「엔지니어링산업 진흥법」제2조에 따른 엔지니어링사업자 중 해당 전문분야의 엔지니어링업자 |
|
|
인 력 |
책임기술자 (4명 이상) |
가. 국가기술자격 및 학력 1)「국가기술자격법」에 따른 토목구조기술사·토질 및 기초기술사· 금속재료기술사 또는 기계기술사 자격을 취득한 사람으로서 해당 전문분야 업무를 3년 이상 수행한 사람 2) 토목·금속·재료 또는 기계분야 박사 학위를 취득한 사람으로서 해당 전문분야 업무를 3년 이상 수행한 사람 3) 토목·금속·재료 또는 기계 분야 석사 학위를 취득한 사람으로서 해당 전문 분야 업무를 9년 이상 수행한 사람 4)「국가기술자격법」에 따른 토목기사·금속재료기사 또는 일반기계 기사 자격을 취득한 사람으로서 해당 전문 분야 업무를 10년 이상 수행한 사람 5) 토목·금속·재료 또는 기계 분야 학사 학위를 취득한 사람으로서 해당 전문 분야 업무를 11년 이상 수행한 사람 |
|
참여기술자 (8명 이상) |
가. 국가기술자격 및 학력 1)「국가기술자격법」에 따른 토목산업기사·금속재료산업기사·전기 공사산업기사 또는 산업안전산업기사 이상의 자격을 취득한 사람 2) 토목·금속·재료·기계·전기 또는 안전 분야 학사 학위 이상을 취득한 사람 |
|
|
장 비 |
가. 배관 경로 탐측기(Pipe Locator, 최대심도 6m) 나. 휴대형 정류기 다. 토양비저항 측정기(측정범위 : 0.01Ω~1.1MΩ) 라. 토양 산습도계(pH범위 3.5~8) 마. 동기형 전류단속기(GPS 연동가능) 바. 근접 간격 전위 측정기(CIPS)/피복손상 탐측기(DCVG) 사. 열화상 카메라 아. 구조해석 프로그램 (Midas Civil) 자. 초음파 두께 측정기(측정범위 : 1~50mm) 차. 누수 탐사기 |
|
|
비고 1.‘해당 전문분야’란 「엔지니어링산업 진흥법 시행령」별표 1에 따른 전문분야 중 구조, 토질·지질, 금속 및 일반산업기계를 말한다. 2. 인력 중 책임기술자는 토목 분야를 포함한 금속·재료 또는 기계 분야가 두 분야 이상으로 구성되어야 한다. 3. 안전진단기관의 지정요건을 갖추려면 기본요건, 인력 및 장비에 해당하는 기준을 모두 충족하여야 한다. |
||
※ 자료출처 : 열수송관 안전진단에 관한 고시 별표 1 참조
1) 열수송관 안전진단 과업의 내용
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항목 |
기본과업 |
선택과업 |
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자료수집 및 분석 |
⦁설계도서 및 시공 관련 자료 검토 분석 - 준공도면, GIS도면, 설치이력, 열수송관 매설심도 등 - 재료성적 시험서, 용접, 예열온도, 피복종류 등 - 전기방식 및 감시시스템 설치 여부 ⦁시설물관리대장 검토․분석 ⦁보수․보강․교체․대체․이설․사고이력 검토․분석 ⦁열수송관 현황 조사‧분석 - 운전압력, 온도 및 운전 시 응력 수준 등 - 타공사 이력 및 유지보수 정보 등 ⦁기타 안전진단 관련 자료 검토‧분석 |
⦁실측도면 작성 (도면이 없는 경우)
|
|
현장조사 및 시험 |
⦁관로 매설환경조사 - 배관 경로 탐측(GIS자료와 비교) - 열수송관 매설환경 조사 - 매설심도 변화 조사 ⦁관로 부식환경조사 - 토양 비저항 조사 - 토양 pH 조사 ⦁관로 부식상태 및 손상부 탐측 - 직류전위구배법(DCVG) - 근접간격 상세전위(CIPS) 측정 ⦁노출 열수송관 및 교량첨가관 현장조사 - 열수송관 지지부 손상 및 부식, 피복손상, 변형 및 이탈, 볼트/앵커 손상 및 부식 등 ⦁공동구내 열수송관 현장조사 - 배관지지부 손상 및 부식, 신축이음관 등의 상태조사 ⦁열수송관 누수탐사 - 누수탐사가 가능한 장비를 활용한 측정(열화상카메라, 지중온도, 청음 식, 전자식, 상관식, 내시경 등) 단, 열화상 점검은 야간작업을 원칙 으로 한다. - 절연레벨 자료 확인 및 측정 ⦁하천구간 현장조사 - 누수탐사가 가능한 장비를 활용한 누수탐사 - 절연레벨 자료 확인 및 측정 - 토양(담수) 비저항 조사 - 직류전위구배법(DCVG) - 근접간격 상세전위(CIPS) 측정 - 관보호공 노출여부 및 매설깊이 조사
|
⦁관로 부식환경조사 - 토양 시료분석 - 전기방식 설비 조사 ⦁관로 부식상태 및 손상부 탐측 - 교류전위구배법(ACVG) ⦁열수송관 비파괴 검사(굴착조사 시) ⦁지중탐사장비를 활용한 현장조사 ⦁굴착조사 ⦁기계․전기설비 및 계측시설의 작동 유무, 성능검사 또는 시험계측 ⦁기타 관리주체의 추가 요구 및 안전성평가 등에 필요한 조사․시험 ⦁맨홀 현장조사 - 외관조사 및 외관조사망도 작성 - 콘크리트 구조물: 균열, 누수, 박리, 박락, 층분리, 백태, 철근노출 등 - 강재 구조물 : 균열, 도장상태, 부식 및 접합(연결부) 상태 등 - 콘크리트 시험 : 비파괴강도(반발경도 시험, 초음파전달 속도시험 등), 탄산화 깊이측정, 염화물함유량시험
|
|
상태 평가 |
⦁현장조사 및 시험 결과분석 ⦁상태평가 기준에 따른 상태등급 판정 ⦁상태평가 결과에 대한 소견 |
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안전성 평가 |
⦁현장조사 및 시험 결과분석 ⦁기존의 구조계산서 또는 안전성평가 자료 검토․분석 ⦁안전성평가 기준에 따른 안전등급 판정 ⦁구조 안전성평가 및 결과에 대한 소견
|
⦁구조․지반․수리․관망 상세해석 (구조계 변화 또는 내하력 및 구조 안전성 저하가 예상되는 경우 필수) ⦁구조상세해석 등 전문기술을 요하는 경우의 전문가 자문 ⦁내진성능 평가 및 사용성 평가 ⦁맨홀 안전성평가 |
|
종합 평가 |
⦁시설물의 종합평가 결과에 대한 소견 ⦁최종 안전등급 지정 |
|
|
보수·보강 방법 |
⦁보수・보강 방안 제시
|
⦁내진보강 방안 제시 ⦁시설물 유지관리 방안 제시 |
|
보고서 작성 |
⦁조사내용, 결과분석 등 보고서 작성 |
|
※ 자료출처 : 열수송관 안전진단 매뉴얼 (2022, 한국에너지공단)
2) 안전진단 과업의 수행 흐름도
1) 안정성 평가 방법
※ 상기 방법중 택일하여 안전성 검토 및 평가를 수행함.
2) 안정성 평가 예시 (범용구조해석프로그램 Midas Civil Program 적용)
① 검토조건
|
·검토대상 : 열수송관(이중보온관) ·피 고 : 1.0m ·예열온도 : 65℃ ·최고온도 : 120℃(공급관), 80℃(회수관) ·압 력 : 1.6Mpa (=16.0kgf/㎠) · ·관 경 : 공칭관경 800mm (외경 812.8mm,내경 793.8mm,두께 9.55mm) ·탄성계수 : 210,000Mpa ·재료의 항복강도 : fy = 225Mpa ·재료의 인장강도 : fu = 400Mpa ·지반의 내부마찰각 : 30° ·지반의 N 값 : 30 |
② LOAD CASE 및 적용하중
|
구 분 |
적 용 하 중 |
||
|
집단에너지시설의 기술기준 |
허용응력설계법 |
||
|
L.C 1 |
자 중 |
프로그램내 SelfWeight 기능으로 자동 재하 |
|
|
L.C 2 |
내 압 |
16 kgf/㎠ |
1.6 Mpa |
|
L.C 3 |
연직토압 |
0.16 kgf/㎠ |
19.0 kN/㎡ |
|
L.C 4 |
차량하중 |
0.67 kgf/㎠ |
30.8 kN/㎡ |
|
L.C 5 |
온도(공급관) |
- |
55 ℃ |
|
L.C 6 |
온도(회수관) |
- |
15 ℃ |
|
L.C 7 |
관내수압 |
- |
10.0 kN/㎥ x H |
③ 하중조합
⦁ 집단에너지시설의 기술기준
|
구 분 |
자중 |
연직토압 |
차량하중 |
내압 |
수압 |
온도 |
허용응력증가계수 |
|
COMB 1 |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
- |
- |
- |
|
|
COMB 2 |
- |
- |
- |
1.0 |
- |
- |
|
⦁ 허용응력설계법
|
구 분 |
자중 |
연직토압 |
차량하중 |
내압 |
수압 |
온도 |
허용응력증가계수 |
|
COMB 1 |
- |
- |
- |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
1.00 |
|
COMB 2 |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
- |
- |
- |
1.50 |
|
COMB 3 |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
- |
1.00 |
|
COMB 4 |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
1.25 |
④ 모델링
|
GEOMETRY |
3D SHAPE |
⑤ 해석결과 및 안전성 평가
|
구분 |
해석결과 DIAGRAM |
안전율 산정 |
|
축방향응력 |
|
fmax = 115.470 Mpa fa = 135.000 Mpa S.F = 1.170
평가등급 : a |
|
원주방향응력 |
|
fmax = 99.860 Mpa fa = 168.750 Mpa S.F = 1.690
평가등급 : a |
|
전단응력 |
|
Vmax = 1.01 Mpa Va = 90.0 Mpa S.F = 89.1
평가등급 : a |
※ 상기 해석결과는 허용응력설계법에 따른 결과임.
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