Pig Me Up

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 관세척용 올챙이형 다기능 피그에 관한 연구

영문 : A Study on the Tadpole-type Pig for Cleaning the Water Supply Pipe

과제 팀명

Pig Me Up

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 이*혜(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 강*희

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 장*빈

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

세관공법 중 피그세척에 사용되는 피그의 형태 개발 및 노후화된 수도관은 적수 등의 사고를 일으킬 가능성이 있으므로 노후관의 교체나 갱생은 필수적이다. 본 과제는 노후화된 수도관의 갱생을 위해 피그세척방법을 선정하였다. 기존 피그에서 문제점으로 제기되는 곡관부 주행력을 개선하고, 약품주입기능을 추가하며 브러시 등의 유닛을 탈부착할 수 있는 피그를 개발하여 보다 효율적이고 경제적으로 노후 상수도관의 사고를 예방하고 그 기능을 복원하며 더 나아가 상수도관의 정기적 세척에 사용하여 최종적으로 소비자에게 더 높은 양질의 물을 공급하는 것을 목적으로 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

최근, 노후 상수도관으로 인한 사고가 잇달아 발생하였다. 먼저 5월 30일경, 인천시 영종지역 등 공촌정수장 수계 내에서 적수 문제가 발생하였다. 해당 수질 사고는 수계 전환 과정에서 밸브를 급하게 개방하며 관내 유속이 2배 이상 증가하여 관내 침전물이 떠올라 발생한 것으로 밝혀졌다. 6월 20일경에는 서울시 영등포구 문래동 지역에서 적수발생 민원이 6건 접수되었으며, 그 중 3곳에서 기준보다 높은 탁도가 검출되었다. 해당 수질 사고의 원인은 노후 상수도관으로 밝혀졌으며, 이는 영등포구청역~도림교 사이의 관으로 73년 부설하여 47년이 경과한 관이었다. 위의 수돗물 적수사태에서 미루어 볼 수 있듯, 상수도관의 노후화는 수돗물 품질의 신뢰성 저하 및 사고 발생 시 대규모 단수를 유발하기 때문에 사회적, 경제적으로 큰 영향을 미친다. 노후화된 상수도관으로 인한 사고를 방지하고, 그 기능을 복원하는 모든 행위를 개량이라고 한다. 개량 중에서도 갱생은 기존의 상수도관을 세관 및 보강과정을 통해 그 기능을 복원하는 방법이다. 본 설계는 세관공법 중 피그세척에 사용되는 피그의 개선을 통해 보다 효율적이고 경제적으로 노후 상수도관의 사고를 예방하고 그 기능을 복원하는 것을 목표로 한다.

상수도관의 적수 발생 원인으로 꼽히는 강관 내부 부식물질을 제거함으로써 적수 발생을 예방할 수 있으며, 상수도관 갱생을 통해 노후화된 관의 기능을 개선하고, 개량공사보다 경제적인 시공비로 보다 오래 사용할 수 있다. 또한 기존 피그의 사용에서 우려되는 문제점인 곡관부의 막힘 문제를 해결하여 곡관, T자관 등에서 원활한 사용을 기대할 수 있다. 더불어 피그의 다기능화를 통해 피그가 수행하는 역할을 관 내 생물막 및 스케일 제거에 한정짓지 않고 그 역할을 확장할 수 있다.

개발 과제의 목표와 내용

다음과 같은 사항을 통하여 기존 피그의 성능을 개선하는 것을 목표로 한다.

• 각 관로의 특성을 고려할 수 있는 형태로 제작한다. 관로별 특성에 적합한 유닛을 몸체에 장착하여 해당 피그를 광범위한 관로에 사용할 수 있도록 설계한다.
• 기존 피그 형태보다 곡관부에서의 진행을 향상시킨다. 헤드부의 모양을 변형하여 곡관부의 관벽에 접촉 시 진행방향이 변경되도록 제작한다. 이 때 스케일 층 사이로의 침투에 원형보다 저항을 적게 받는 형태로 선정한다. 또한 피그 몸체가 곡선형태로 굽어지게 하여 곡면에서 피그가 부드럽게 지나갈 수 있도록 한다.
• 피그를 통한 물리적 세척과 더불어 약품주입을 동시에 수행할 수 있게 제작한다. 피스톤 형식을 적용하여 피그 후단에서 약품을 관 내벽에 도포할 수 있도록 한다.

관련 기술의 현황

State of art 및 특허 조사

국내

• ‘고경도 스케일 제거를 위한 배관용 피그’(1999년 라위출 출원)에서 피그 몸체에 금속핀을 박아 스케일을 제거에 용이하도록 하였다.
• ‘배관 내부의 스케일을 제거하는 폴리 피그’(2004년 윤경탁 출원)에서 나선형 피그 몸체로 회전력을 부여하여 스케일 제거 효율을 높였다.
• ‘피그를 이용한 배관 내면의 세정방법 및 그 장치’(2008년 강영철 출원)에서 와이어를 통해 폐색된 피그를 회수하는 과정을 개발하였다.
• ‘배관 세척용 피그’(2014년 삼성중공업 주식회사 출원)에서 추진체 축의 블레이드에 브러쉬를 장착한 형태를 개발하였다.
• ‘관로세척장치’(2016년 권오진 출원)‘에서 세척수단을 선택할 수 있는 피그를 개발하였다.
• '배관 세척용 피그 및 피깅 시스템’(2017년 삼성중공업 출원)에서 스케일이 유입홀로 유입되고 세척수만 배출홀로 배출되는 시스템을 개발하였다.
• ‘배관 클리닝용 피그’(2019년 주식회사 탑스 출원)의 개발로 배관의 내주면과 밀착력을 높여 세척 효과를 향상시켰다.

해외

• ‘Cleaning pig’(미국, 2012년 Patrik Rosen Hubert Linder Frank Fielers 출원)에서 피그 몸체에 흡입구가 있고 칼라와 바퀴로 구성된 피그를 개발하였다.
• ‘Pipeline pigs’(미국, 2013년 John Phipps 출원)에서 위치 확인용 피그인 인텔리전트 피그와 파이프 청소용 피그를 연결하고, 펌핑 유닛 기계를 통하여 유체흐름과 압력을 컨트롤해 곡관부에서의 적용성을 높였다.
• ‘Pipeline cleaning pig with self-energizing diagonally oriented scrapers’(미국, 2014년 Rick D. Pruett William J. Rankin 출원)에서 스크레이퍼와 피그를 결합시켜 대각으로 향한 스크레이퍼가 자체적으로 작동하는 형태를 개발했다.
• ‘Chemical pigging apparatus for pipelines’(미국, 2014년 Ahmd Abdallah Al-Jassem Qanaei 출원)에서 피스톤 누름을 통해 디스펜싱 팁으로 화학 물질이 배출되는 피그를 개발하였다.

특허전략

• 곡관부 유연성

기존 특허에서는 신축 재질 관절부의 추가(1008813760000), 체인 형태(1005745830000), 펌핑 유닛(08491722) 등으로 주행의 유연성을 꾀하였다. 따라서 기존 특허와는 다른 방식으로 곡관의 통과 유연성 증대를 도모한다. 이 때 피그 몸체를 샤워기 호스와 같이 구부러짐에 용이한 형태의 금속 재질로 설계 하여 곡관부의 주행에서 원활하도록 한다.

• 약품 주입

기존 특허에서는 약품을 주입하는 방법으로 노즐을 사용하여 내부 탱크의 약품을 분사하는 방법(100799838), 피스톤형식(08719989) 등의 방법이 있었다. 본 연구에서는 피스톤 형식을 적용하므로 특허번호‘08719989번’과 유사하지만 전단부에 디스펜싱 팁을 갖지 않고 노즐로 약품을 디스크와 디스크 사이 밀폐공간에 분사한다.

• 탈착형

기존 특허(1016424550000)의 세척수단의 종류와는 달리 본 연구에서는 스터드 및 브러시와 같은 단단한 스케일 제거가 가능한 세척수단을 대상으로 함으로 기존 특허를 회피한다.

관련 시장에 대한 분석

마케팅 전략

< SWOT 분석>

• strength

1. 상수도관 통수능 회복을 통한 수명 연장
2. 세척기술 중 높은 세척효율을 가짐
3. 대상 관로의 관경 적용범위가 넓음
4. 관 특성을 반영해 유닛을 선택할 수 있음
5. 한 회의 주행으로 많은 역할 수행 가능

• weakness

1. 라이닝 작업 수반 필요
2. 유닛 장착이 번거로움

• opportunity

1. 상수도관 세척 의무화 추진
2. 적수 사태로 시민들의 관심 증대
3. 국민의 생활수준 향상으로 양질의 상수도 서비스 제공 요구
4. 노후상수도 시설 현황 지표 우수하여 적용 대상 관로가 명확함
5. 글로벌 물시장 지속 성장 전망

• threat

1. 타 관세척 기술의 화제성 (쎄니팡의 고압질소세척)
2. 국민의 수돗물에 대한 불신 증대

< 전략 분석 >

• SO전략

1. 상수도관 세척 의무화와 적수 사태로 인한 대중들의 관심을 배경으로 세척기술 중 높은 세척효율을 가진다는 점을 제시하여 연구 기술에 대한 주목도를 높인다.
2. 관 특성에 따라 유닛을 선택하여 적용할 수 있으므로 성장하는 글로벌 물시장에 맞춤화된 유연한 설계가 가능하다.
3. 명확한 적용 대상 관로에 최적화 된 세척 기술이라는 점을 강조한다.

• WO전략

1. 라이닝 작업을 수행함으로써 부식으로 인한 적수 사태를 방지할 수 있다고 안내한다.
2. 적용 대상 관로가 명확하므로 각 관로의 특성을 반영하여 피그를 운용할 수 있으므로 번거로움을 감수할 가치가 있다.

• ST전략

1. 화제되는 기술은 관경 1000mm 까지의 관로까지밖에 적용하지 못하므로 연구 대상보다 적용의 범위가 적다는 점을 강조한다.
2. 높은 세척효율을 가지므로 세척 전 후 결과를 국민들에게 알려 수돗물에 대한 불신을 감소시킨다.

• WT전략

라이닝 작업이 수반되어야하므로 부식을 방지하는 과정에서 노후 상수도의 관 부식으로 인한 수돗물에 대한 불신을 해소할 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 별도의 약품 주입 공정 없이 약품 주입을 함께 수행하여 전체 시스템의 소요 시간과 비용을 절감할 수 있다.
• 피그의 역학적인 거동의 변화로 피그의 관 폐색율의 감소가 기대된다.
• 규격의 표준화를 통해 여러 종류의 디스크를 피그의 몸체에 호환하여 사용할 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

• 국민들의 수돗물에 대한 인식 개선
• 관 교체에 비해 경제적
• 노후 상수도관에 대한 인식의 변화
• 노후 상수도관 사고 예방
• 기존 런쳐를 활용한 비용 및 기술력 절감

구성원 및 추진체계

강*희 : 제안서 발표, 상세 설계 발표, 특허분석, 설계 멘토 구인, 모델링 시뮬레이션

이*혜 : 경쟁력분석 발표, 경제성 평가, 보고서 총괄, 포스터 제작

장*빈 : 개념설계 발표, 최종설계 발표, 기존 기술 조사, 평가항목 개발, 프로토타입 제작

설계

설계사양

1. 헤드부 개선을 통한 항력계수 감소
2. 곡관부 거동 원활
3. 피그 주행시 발생 잔여물 없음
4. 약품의 균등 유출 가능
5. 남은 약품의 회수 가능
6. 피그 부품 중 재이용 가능한 부품 존재
7. 디스크의 기능 저하 없음
8. 각 유닛 탈착 용이

QFD

설계안

헤드

• 기존 판형 헤드보다 작은 항력계수를 갖도록 돔형 헤드를 선택, 곡률이 다른 피그 헤드모형을 제작하여 실험을 통해 피그의 거동을 확인, 최종적으로 짧은 돔형을 채택.
• 관의 상태와 특성에 맞게 요철유무를 선택하여 장착.

바디

• 인터락호스를 사용하여 피그의 곡관부 거동을 원활하게 하고, 유닛 접촉면을 설계.

약품분사부

• 스프레이 부채꼴 분사를 택하여 움직이는 대상물의 전체 표면에 약품을 도포할 수 있도록 함.
• 약품은 부식억제제와 소독제 중 선택하여 사용. 부식억제제는 부식이 상당히 진행된 관에 인산염을 사용함으로써 부식으로 인한 적수 예방 효과가 있음. 소독제는 생물막 및 슬러지의 제거를 위하며 차아염소산나트륨을 사용.

유닛 결합 및 고정

• 헤드와 바디는 나사선을 도입하여 그를 고정.
• 각각의 유닛을 바디에 고정할 때에는 클램프를 사용.

이론적 계산

• 해당 설계의 피그는 관의 특성에 따라 직경 및 길이를 고려하여 제작할 수 있음
• 본 설계에서는 직경이 100mm인 관을 100m 주행할 때를 가정하여 실제 수치를 계산하였음

부식억제제량 계산

소독제량 계산

약품저장부 용량 계산

조립도

부품도

헤드

바디

약품주입부

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입

포스터

파일:환경종합설계 PIG ME UP Poster.pdf

발표자료

파일:환경종합설계 PIG ME UP 최종발표자료.pdf

완료 작품의 평가

평가 결과, 10개의 평가항목 중 9개의 항목을 만족하였다. 3항에 대해서는 아크릴 관에 석고를 부착해 돌파 시간을 측정하고자 하였으나 두 관에 석고를 균등히 부착하기 불가능하였으며, 3D프린터로 제작한 실험 모형의 재질이 실제 피그의 재질보다 강도가 약하여 돌파 실험을 진행하기 부적합하였다. 따라서 평가 불가로 표기하였다.

비중을 적용한 총 평가 점수는 100점 만점 기준으로 95점을 달성하였다.

향후평가

환경부가 11월28일 제95회 현안점검조정회에서 확정한 ‘수돗물 안전관리 종합대책’에 따라 2022년까지 전국 노후관을 정밀 조사하고 전국 수도관을 정비할 예정이라고 하였다. 즉, 환경당국도 수도관의 수명 연장의 필요성을 인식하고 있으므로 환경당국의 종합대책이 본 연구의 목적과 일맥상통하였다. 또한, 수도시설의 잔존수명을 예측하는 생애주기 관리기법을 도입할 예정이라고 밝혔다. 잔존수명을 예측함으로 인해 교체 대상인 관과 세척 대상인 관이 명확해져 관 세척을 실시하는 과정에 있어 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다. 따라서 이러한 행보들로 인하여 관 세척 분야의 부상이 예상된다. 더불어 환경부에서 관 세척 의무화를 논의 중에 있다. 관 세척이 의무화될 경우 관 세척 방법 등을 확정하여야 한다. 이 과정에서 피그세척 대상으로 선정된 상수도관에서 사용할 피그 선정 시 기존 피그에서 성능을 개선한 본 개발 피그의 우수성을 드러낼 기회가 많을 것으로 기대된다.

향후계획

부록

참고문헌 및 참고사이트

1. http://www.asiaprotech.com/mainset.htm?id=pro01&xcode=02&mcode=07, 아세아프로텍.
2. http://www.jewoo.net/default/sub2/sub34.php, 제우이앤씨.
3. http://koins21.co.kr/coding1/sub2/sub8_4.asp, Koins.
4. Fluid dynamic drag, Hoerner Fluid Dynamics, 2007, Sighard F. Hoerner,
5. United Flexible, Flexible Metallic Hose, Braid and Assemblies(2017), John P.Devine.
6. http://www.jinilspring.com/pro.htm, 진일부품.
7. http://m.dhflexible.com/INTERLOCK-HOSE, 대흥금속.
8. 국립환경과학원. 수돗물의 녹물 저감을 위한 부식억제 적용성 연구, 2009
9. 수자원기술 주식회사; 주식회사 아세아프로텍. 상수관로 복합세척방법. 등록특허 10-0832687. 008
10. 환경부. 수처리제의 기준과 규격 및 표시기준, 2017
11. 철강금속신문, STS가격표, 2019.11
12. 김경민, 22년까지 전국 수돗물 노후관 정비 "국민이 안심하고 마실 수 있게", 파이낸셜뉴스, 2019.11.28

관련특허

1. 등록특허공보 제2001505100000 (1999.04.07) "고경도스케일제거를위한배관용피그"
2. 등록특허공보 제1016424550000 (2016.07.19) “관로세척장치”
3. 등록특허공보 제1007998380000 (2008.01.24.) “관 세척 및 살균용 폴리 피그”
4. 등록특허공보 제2003463020000 (2004.03.17) “배관 내부의 스케일을 제거하는 폴리 피그”
5. 등록특허공보 제1005745830000 (2006.04.21) “배관 세척 및 살균장치”
6. 등록특허공보 제1014353850000 (2014.08.22) “배관 세척용 피그”
7. 등록특허공보 제1018157070000 (2017.12.29) “배관 세척용 피그 및 피깅 시스템”
8. 등록특허공보 제1019754010000 (2019.04.29) “배관 클리닝용 피그”
9. 등록특허공보 제1008813760000 (2009.01.23) “피그”
10. 등록특허공보 제1008472270000 (2008.07.11) “피그를 이용한 배관 내면의 세정방법 및 그 장치”
11. 등록특허공보 제08281444호 (2012.10.09) "Cleaning pig"
12. 등록특허공보 제08719989호 (2014.05.13) "Chemical pigging apparatus for pipelines"
13. 등록특허공보 제08650695호 (2014.02.18) "Pipeline cleaning pig with self-energizing diagonally oriented scrapers"
14. 등록특허공보 제09498804호 (2016.11.22) "Pipeline pigs"