"상"조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 상하수도 누수방지를 위한 관 연결부 누수탐지방법 개선

영문 : Development in detection method for water leak at link of the pipe

과제 팀명

"상"조

지도교수

문영일 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학부·과 2014860019 박상용(팀장)

서울시립대학교 토목공학부·과 2014860003 강인

서울시립대학교 토목공학부·과 2014860029 유인선

서울시립대학교 토목공학부·과 2014860035 이진민

서울시립대학교 토목공학부·과 2016860002 김경선

서울시립대학교 토목공학부·과 2016860030 이현기

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과업은 상하수도 노후화 및 부식에 따른 누수 현상을 경제적이고 효율적으로 파악하여 누수관 폭파 피해를 예방하는데 그 목적이 있다. 최근들어 20~30년 정도 된 상하수도관이 제 때 유지 보수를 하지 못해 폭파하는 피해 사고가 많아지고 있음에 예방 시스템의 문제점을 파악하였다. 실제 4차선, 8차선 밑의 상하수도관 공사 현장을 견학함으로서, 상하수도 관의 크기와 매설깊이, 연결부의 형상을 파악할 수 있었다. 이를 참고하여 상하수도관에 수소가스를 주입했을 시 노후화, 부식으로 인한 틈이 만들어져 그곳에서 나오는 가스가 지표에 올라와 누출되어 검출할 수 있는 시스템을 고안하였다. 지표에 수소검출 페인트를 설치하여 가스가 지표에 일정 농도 이상 노출되었을 시 가시화되어 나타나는 시스템이다.
설계된 도로의 수치를 바탕으로 기체의 흐름을 분석하여, 수소가스가 지표에서 나오는 시간과 검출 농도를 계산하였다. 이를 계산하기 위해 유체역학적 원리를 바탕으로 기체의 확산식을 이용해 설계하였다. 본 상하수도 누수 검출 장치 설계의 이론적 효율성을 입증하기 위하여 시간과 예산의 절감을 제시한다.

개발 과제의 배경

상하수도 누수로 인한 손실이 해마다 계속되고 있다. 누수되는 누수량으로 인해 연간 6000억원의 손실이 발생하고 있다. 상하수도관의 평균수명은 4,50년 이지만 최근들어 20년 된 관들이 누수되고 파열되는 사건이 많아지고 있다. 이에 따라 경각심이 높아진 상황이며 피해를 줄이기 위한 방안이 필요한 상황이다. 대부분의 상하수도 누수원인에는 진동에 의해 지반이 연약해져 콘크리트에 균열이 가거나, 부등침하나 강관부식에 의한 누수가 있다. 우리는 이러한 원인 중 주된 시공 이음부의 파손에 의해 발생되는 누수현상에 초점을 맞추었다. 
현재 우리나라 안양시 기준, 상수도관은 총 2000km이고 매년 5km 교체되고 있으며 400km 구간 누수탐사 비용으로 2억원의 용역비가 발생하고있다. 이 비용 대신 경제적이고 비전문적인 사람도 쉽게 누수를 확인할 수 있는 방법을 모색한 결과. 상하수도관에 수소가스를 넣어 연결부에서 누수 시, 바로 파악할 수 있는 수소 감지 페인트를 이용하는 방법을 떠올렸다.

개발 과제의 목표 및 내용

"상"조가 제안한 방법은 현재 탐지 방법과 비교해보면 여타 기술에 비해서 더 저렴한 비용으로 구축이 가능하고, 광범위한 지역을 효율적으로 탐지 할 수 있는 장점이 있다. 또한 누수 발생시 지표면으로 뚫고 나오는 즉시 누수를 감지할 수 있다는 장점이 있다.

우리는 이 상하수도관의 연결부에서 일어나는 누수현상의 탐지부분에서 유지보수 기간이 적고 경제성이 뛰어난 방법을 생각하였다. 기체의 특성을 이용하는 방법이다. 공기보다 가벼운 수소와 헬륨을 이용하여 관에서 누수부분이 발생하면 지표로 올라오는 것을 탐지할 수 있다.

관련 기술의 현황

1) 상관법

상관법의 기술을 응용한 것으로 관로상의 양쪽 제수변, 상수도배관, 소화전배관, 지하수배관, 송유관, 가스관, 난방수송관, 전화케이블, 소화전 계량기 등에 센서를 부착시켜 누수 지점에서 전해지는 동일한 누수음이 쌍방의 감지기에 전해지는 시간차를 계산해 정확한 누수 지점을 산출하는 방법이다.

2) 청음식 탐지법

누수가 발생될 때 내는 배수의 파열음 등 누수음을 지표면에서 센서를 통해 탐사자에게 헤드폰을 통해 들려주는 방식으로 전자식과 아날로그 방식으로 구성되어 있는데 현재 가장 많이 사용하고 있는 누수탐지방식이다. 누출로 인해 생성되는 소리는 물 자체뿐만 아니라 토양 구조를 둘러싼 파이프 벽을 통해 전달됩니다. 누수 소리는 상대적으로 낮은 수위의 바위 같은 토양과 토양에서 더 멀리 이동합니다. 간단한 누수음을 분석하는 기본적인 장비로서 옥내 누수에 적합하며 외부의 소음이나 환경에 반응함으로 외부에서 사용이 불가능하고, 내부에서도 깊이 매설된 배관에는 성능이 현격하게 저하되는 단점이 있다.

3) 가스 주입법

헬륨 가스를 사용하는 매우 정확한 검출 시스템을 사용하여 작은 누출까지 추적 할 수 있습니다.

배관내부에 헬륨, 수소 등의 가스를 충만 시킨 후, 누출되어 나오는 가스를 찾아내는 방법이다. 배관에 물을 제거하고 특수 가스를 인위적으로 배관에 가해 누수 지점에서 분출되어지는 가스를 탐지기를 사용하여 탐사하는 방법으로 소음에 영향을 받지 않고 탐사 속도는 빠르나 주위환경에 영향을 받고 누수 지점이 정확하지 않을 수 있다.

4) 야간 최소유량 측정법

야간에 물 사용이 적은 시간대에 블록 내로 유입되는 유량을 누수로 측정하고 누수가 많은 블록은 누수탐지를 집중 실시하여 누수를 복구하고 재차 최소유량을 측정하여 허용량 이하가 될 때까지 반복 시행하여 누수를 줄이는 방법이다.

5) 레이더(적외선) 탐지

물이 새는 지점은 그렇지 않은 곳에 비해 온도가 낮다는 점을 이용하여 누수를 찾아낸다. 이 방법은 청음식 등에 비해 탐색 지역의 제한을 받지 않지만, 밤과 낮, 비 온 뒤 등 환경의 영향을 많이 받는 단점이 있다. 비가 온 뒤에는 물이 많이 고여 있을 가능성이 있기 때문에 그게 수돗물인지, 빗물인지 구분하기 힘들다.

시장상황에 대한 분석

상하수도관의 평균적인 수명보다 빠르게 관들이 누수되고 파열되는 사건이 많아지고 있다. 대부분의 상하수도관 누수 및 파열이 일어날 시, 문제점을 파악하기 위해 다시 굴토를 하고 해당 문제지점을 정확히 찾아 수리하거나 교체하는 방법을 사용하고 있다. 이런 하나하나 굴토를 하는 방식은 시간과 인력을 많이 필요로 하는 방식이다. 
상하수도관이 누수 및 파열을 예방하기 위해 공식적으로 온수관의 경우 1년에 2번, 상수도관의 경우 10년에 1번, 필요에 따라 상시적인 점검이 전부이다. 이럴 경우 누수 및 파열의 징조가 있음에도 불구하고 제 때 수리할 시점을 놓칠 수 있을 뿐만 아니라 이미 사고가 일어난 후에야 문제를 해결할 수 밖에없는 상황이 된다. 따라서 문제가 일어나기 전에 징조를 미리 알고 사고를 예방할 수 있는 탐지 방법이 필요하다.
현재 시행되고 있는 대표적인 탐지 방법 중 하나가 관 연결부에 센서를 탑지하여 누수현상을 발견하는 것이다. 여기서도 많은 연결부에 연결을 해야하는 데다 기계의 수명과 내구성 또한 많은 사건 사고로 의심이 되고있는 상황이다.
현재 우리나라 연간 400km 구간 누수탐사 비용으로  2억원의 용역비가 들고있다.
1,2도시에 일어나는 파열, 누수현상의 대표적인 사례로 안양시를 조사해보았는데, 안양시에는 상수도관이 총 2000km 설치되어있고, 매년 5km 교체되고 있으며, 400km 구간당 용역업체를 통해 2억원을 사용하고 있다 파악했다.
현재 우리나라 땅 속에 매관된 상하수도의 평균 깊이는 1.5~2m이고 관의 평균 길이는 4~6m 이다. 이렇게 일일이 센서를 설치할 경우 발생할 수 있는 문제점은
1. 땅 속에 묻힌 센서의 내구성의 문제가 있다.
불용상태가 되면 다시 굴착과정을 거쳐 하나하나 교체작업을 해야한다는 것이다. 이 방법은 경제성을 생각했을때 매우 비효율적인 작업이라 생각하였다.
2. 탐지기의 구입비용이 비싸다. 
만약 400km구간의 상수도관 구간을 일일이 센서를 달았을 경우 금액은 6000원*(67,000~100,000) = 4~6억, 대략 5억원 가량의 예산이 소요된다. (시중판매 기계식 누수감지센서 기준.)
3.  인건비가 많이 든다. 
센서를 유지 관리하기 위하여 쓰이는 인건비와 교체시 발생하는 추가 비용이 가장 크다. 400km 구간당 연 용역비가 약 2억원이 쓰인다.

기존 기술들의 문제점.
1. 고가의 탐지장비 수입하는게 현황
2. 기존 누수 탐지 방법의 문제점으로는 누수확인을 위한 조사지역의 범위가 넓고, 반복적인 순회조사로 많은 시간, 인력 재정이 필요하며, 소량의 누수 및 정확한 누수지점의 탐지가 어렵다는 것이다.
3. 원격으로 누수를 검사할 수 없고, 누수탐사의 방법과 절차가 복잡하고 비효율적이고 일정한 현상의 누수 밖에는 검사 불가능하다는 문제점이 있다.
4. 현재 사용되는 누수 탐지 기법들은 모두 하나의 블록단위로 누수탐지가 이루어지며 전체적인 모니터링은 어려운 실정이다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

기존 누수탐지 방법과 비교하여 더 광범위한 지역에 설치가 가능하고, 접근성이 쉽다는 장점이 있다. 비용의 유지, 관리가 효율적으로 되고, 측정의 오류 범위를 줄 일 수 있다. 비용을 절감할 수 있고 정확성을 높일 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

경제적 및 사회적 효과
도로 위에서 누수를 탐지하는 척도가 되어 일반인도 문제를 인식할 수 있게 된다. 결과적으로 연 2000km 구간의 누수탐지 비용 약 10억의 인건비를 절감할 수 있게 된다. 현재 상수도관 파열로 인한 피해의 경각심이 높아지고 있는 상황이며, 따라서 인근 주민들의 참여를 유도할 수 있을거라 예상하며 효율적인 인건비 절감을 이룰 수 있을거라 생각한다.

상수도관 안에 흐르는 기체의 누수 탐지방법의 개선
현재 일반적으로 이용되는 탐지법은 청음가스진단과 열화상카메라가 있다. 상기했다시피 이 방법들은 비효율적이고 탐지의 확실성에 의문이 든다. 따라서 새로운 방법인 화학물질 탐지법을 제안한다. 누수의 주된 원인인 이음새 시공부분을 집중적으로 검사하는 것이 효율적이다. 상수도에 인체에 무해하고 무색, 무취, 환경공해가 없는 기체을 소량 흘려 보내고, 누수가 발생하면 누수 부근에서 기체의 누수가 먼저 발생한다. 이 때 지표면 위로 올라온 기체를 감지 페인트로 감지하여 누수를 확인한다.

일반시민의 제보로 누수확인을 위한 인프라 설치 
다른 방법의 경우 전문 인력이 필요하며 이를 위한 장비 구비와 고용 비용이 많이 들고 진단 횟수 또한 적어질 수밖에 없는 현실이다. 이를 개선하기 위해 일반 시민들의 적극적인 신고를 유도하는 것이다. 상수도의 경우 일반적으로 1~2m 지하에 매설한다. 매설된 관의 틈새에서 새어나온 기체물질의 지표노출을 지상에서도 쉽게 확인 할 수 있도록 센서를 지표에 설치한다. 신호등과 같이 인지하기 쉽고 상시 표시하여 일반시민들이 쉽게 접근할 수 있다.

근래 문제되고 있는 부분이 1기 신도시의 기반 시설이다. 1기 신도시의 상수도는 30년 가량 노후화가 진행되어 있어 파손 위험성이 높고 실제로 경제적 손실 및 인명피해까지 발생하고 있다. 서울시의 경우 유량을 실시간 감시하고 취약부분을 집중적으로 관리하여 문제되는 부분이 적지만 1기 신도시의 경우 관련 인프라가 구축되어 있지 않아 미연에 방지하는 것이 힘들고 사고가 발생하고 처리하는 과정 또한 미흡하여 사회적인 문제가 되고 있다. 이러한 사회적 문제를 해결하기 위해 누수를 초기에 발견하고 안전하게 처리하기 위한 시간적 여유를 갖는다. 위의 방법을 이용하여 인건비를 줄이고 일반시민의 참여를 유도하여 상시적 누수감시를 하면 도시환경이 개선될  것으로 예상된다.

설계

설계사양

관의 직경은 300mm, 상수도관 내부 온도를 20℃로 가정한다. 관의 면적의 90%는 최대유량을 확보하기위해 물의 이동공간으로 이용한다. 남은 공간을 공기로 채우는데, 이 때 수소의 가연성에 대한 안정성을 위해 공기의 3%를 수소로 채운다. 관에 크랙이 생겨 지하 1.5m 깊이의 상수도관에서 수소가 새어나와 지상으로 분출돼면 페인트와 수소가 반응을 한다. 이 때 수소감지 페인트가 수소를 감지하기 위한 최소농도가 3ppm이다.

개념설계안

우선 우리는 상하수도관에서 송수시 관의 90% 정도만 채워서 송수하기 때문에 나머지 빈공간에 가스를 채워 누수가 발생할시 가스가 검출되도록 설계하였다.
가스선택에 있어서는 해외에서도 이용한적이 있고, 쉽게 구할수 있는 수소를 선택하였다. 
검출방법에서는 일반인들도 쉽게 육안으로 확인할수 있게 수소반응페인트를 사용했다.
도시에서 많은 상하수도관이 도로아래 매설되어 있어 직접 땅을 파는 방법은 비용과 시간이 많이 든다고 생각하여 수소반응페인트를 도로위 중앙선에 칠하여 검출하는 방법을 고안했다.
수소반응페인트는 수소와 반응하지 않았을때는 황색의 페인트이고 수소와 반응식 검정색으로 변하는 페인트이므로 중앙선에 점선을 그려 수소와 반응하더라도 도로중앙선은 식별이 가능하고 검은색 선이 보이도록 설계하였다. 이렇게 하면 페인트 사용량도 줄기 때문에 경제적이다.

지표로부터 1.5m 깊이에 매설된 직경 300mm의 관의 연결부로부터 나오는 가스의 검출 예상.

이론적 계산 및 시뮬레이션

관 직경이 300mm이다. 관 면적의 10%를 공기로 그 중 수소를 3%를 넣으면 전체 공간의 를 수소가 차지하게 된다. 이를 관의 단위부피(1) 당 기체 무게를 계산하면 공기의 경우 약 8.13kg/, 수소는 8.68mg/ 이므로 관내 공기 중 수소 농도는 약 1067ppm이다. 

확산계수의 경우 흙 내의 기압은 1atm으로 대기압과 같고 온도를 상온 20℃로 가정했을 때 수소의 표준대기 상태에서 확산계수 값은 약 0.7 이므로 조건을 고려한 확산계수를 0.16이다.

위의 변수들과 조건들을 이용하여 식 a3. C(x,t) =   를 보면
                               

크랙으로부터 수소가 분출되고 약 2시간 뒤에는 지상에서 감지할 수 있다.

상세설계 내용

상세이론

관의 직경은 300mm, 상수도관 내부 온도를 20℃로 가정한다. 관의 면적의 90%는 최대유량을 확보하기위해 물의 이동공간으로 이용한다. 남은 공간을 공기로 채우는데, 이 때 수소의 가연성에 대한 안정성을 위해 공기의 3%를 수소로 채운다. 관에 크랙이 생겨 지하 1.5m 깊이의 상수도관에서 수소가 새어나와 지상으로 분출돼면 페인트와 수소가 반응을 한다. 이 때 수소감지 페인트가 수소를 감지하기 위한 최소농도가 3ppm이다.

관부터 지상까지 직선상의 길로 보고 2차원 움직임으로 식을 유도한다. 수소가 새어나가 시간이 지남에 따라 확산 유량과 농도 구배가 변하므로 비정상상태이다. 이 때 물질의 농도를 구하기위해 Fick's law의 이론을 이용한다.

여기에 가정이 필요하다. 흙속에서 확산 현상이 일어나는 것이기 때문에 대기 중에서 일어나는 확산속도 계수와는 차이가 존재한다. The University of Tokyo, Shoji Hashimoto 교수의 'A New Apparatus for Measuring the Gas Diffusion Coefficient in Soil Using a Large Sample and Controillng Soil Water Suction‘ 논문을 참고하였다. 이 연구에서 이산화탄소를 이용하여 흙속에서 흙의 함수비 상태, 깊이에 따른 확산계수를 측정하였다. 함수비에 따라 변동값이 존재하지만 일반적으로 확산계수가 깊이 함수비에 따른 큰 변화없이 대기 중 확산계수의 약 20% 정도의 값을 가졌다. 이산화탄소보다 가볍고 무극성인 수소가 최소한 이 비율에 따른 값 이상의 확산계수를 가진다고 가정하였다. 

수소에 대한 안정성의 경우 일반적으로 가연성 물질이라는 사실이 불안요소이다. 허나 수소의 경우 분자 자체가 워낙 질량이 가벼워 대기로 방출 됐을 때 바로 흩어지며, 발화점 또한 500℃ 자연발화가 힘든 온도이다. 가연성을 얻기 위해선 4%~75% 공기 성분 비중을 가져야 하기 때문에 우리의 설계에서는 3%의 수소농도를 넣어 안정성을 확보하였다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터