1. 도입

우리나라 최초의 정수장이 1908년 준공되어 수돗물 공급을 시작한 한 이래로 수돗물 보급률이 90%를 넘어서고 고도정수처리시설이 본격적으로 도입되는 등 짧은 역사에도 불구하고 양적·질적으로 비약적인 발전을 이루었다.

그러나 국민이 마시는 수돗물에 대한 불신은 여전하며 도시 및 산업체의 고도화에 따라 용수 중단 시 국민 불편과 경제적 손실은 천문학적인 비용을 지불할 지경에 이르고 있어 중단 없는 안정적인 용수공급을 강도 높게 요구하고 있으며 이러한 문제의 핵심은 관로시설로 귀결된다.

관로시스템은 수원에 인접하는 지리적 기반의 공공 시설물로써 전국 각 지역에 광범위하게 산재해 있으며 관종, 구경, 노후도, 접합방법 등 다양한 종류의 수도관이 전력, 통신, 가스, 하수도, 우수, 폐기물관 등 지하 매설물과 인접 또는 이격되어 도심에 복잡하게 설치되어 있는 관계로 운영관리에 큰 어려움이 있으며 수처리 공정의 발전에 비하여 기술발전이 더딘 것이 현실이다.

K-water에서는 2005~2010년까지 관리중인 광역상수도 및 공업용수도의 관로 복구작업에 대하여 분석한 결과, 시설 노후, 타공사 파손, 온도변화에 따른 신축작용, 수충격 등의 순으로 조사 되었다.

따라서 수도사고 예방을 위해서는 사전 원인을 분석하여 적절한 대책과 관로시설 보수·보강 및 개량사업이 필요한 실정이다.

관로사고로 인한 단수작업은 매년 증가하는 추세이며, 이로 인한 비계획단수가 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 단수작업의 증가로 공급중단에 따른 고객들의 불편을 최소화 하기 위하여 비상연계운영 및 부단수 공법의 적용 등 다양한 노력이 진행되고 있다.

2. 각 공법에 대한 원리 및 적용

현재까지 개발되어 적용중인 부단수 차단공법은 폴딩헤드형, 전개판형, S-GATE형, 동결공법, Eco Smart Pipe 등이 상용되고 있으며 특히 동결공법은 공기 밸브, 이토 밸브, 바이패스밸브 등에 적용할 수 있어 부속관의 파손, 누수로 인해 주관로의 단수작업은 상당히 없어지게 되었다.

또한 초대구경 관로이설시 장시간 대규모 전면단수로 인한 용수공급 중단으로 고객불편 및 공장가동 중지를 초래하게 되므로 용수공급 안정성 확보 및 단수영향 최소화를 위해 초대구경 부단수 차단공법이 점차 확대·적용되고 있다.

가. S-Gate 공법 개요

S-Gate 차단공법은 유체가 통과하고 있는 관로 상에서 유로를 차단하지 않는 상태에서 회전용 모터, 엔드밀(end mill) 절삭기구를 부착한 천공기를 설치하고 본체를 회전시켜서 관을 원환형상(S자형)으로 절삭한다.

이때 절삭칩은 수압에 의해 자동적으로 배출되며 절삭이 완료되면 에스-게이트 밸브를 설치하여 통수상태의 각종 관로 상에서 그 유로를 차단하지 않고 관과 일체형으로 밸브를 조립하여 설치할 수 있는 부단수 공법이다.

부단수 S-Gate밸브 차단공법은 이토물량이 전혀 없는 작업을 시행함으로써 통수·충수 시 발생하는 2차 오염발생(적수/탁수발생 등) 없이 안정적으로 용수공급이 가능함으로 단수홍보, 물차 지원 등 단수에 따른 2차 비용 및 인력동원 등 낭비요소를 저감할 수 있으며 특히 수질, 단수 민원이 없는 부단수 공법이다.

또한 절삭칩을 관내 수압에 의해 얇고 작은 팁의 형태로 전량 배출하며 시멘트라이닝 가루, 절삭부 이물질도 천공기에 장착되어 있는 배출구로 전량 배출되며, 단 한번 천공과 조립으로 부단수 작업시간이 2시간 이내로 신속히 작업을 완료할 수 있는 장점이 있다.

나. 액화질소를 이용한 동결공법

액화질소(-196℃)를 부단수 작업지점 이전에 설치한 커플링에 주입하여 관내 물을 동결시켜 관로 내 유속을 차단시키는 공법으로써 단수작업이 곤란했던 관망의 밸브 또는 이토 밸브, 바이패스 밸브, 공기 밸브 및 기타공사에 적용하는 것으로 냉동에 의한 관의 신축·이완, 재질의 변형이 없는 것이 특징이다.

다만 유체 흐름이 존재하는 경우 동결이 안되거나 상당히 긴 동결시간을 필요로 하는 등 단점도 있다.

동결공법은 구경, 관재질 등 동일한 조건에서 시행하더라도 외기온도에 따라 동결 시간의 차이가 발생하며 여름철에 비해 겨울철이 동결 소요시간이 짧다.

예를 들어 구경 200㎜, 외기온도 0~10℃인 경우 동결시간은 약 1시간이 소요되나 외기온도가 30℃ 이상인 경우 약 2시간 30분이 소요되므로 작업 시점의 외기온도를 고려하면 예상 동결시간을 알수 있다.

물의 상태변화에 소요되는 잠열 혹은 융해열은 약 80kcal/kg이며 동결공법 관련식은 q=GC(t2+t1)(kcal)이다.

액화질소에 의한 동결공법으로 적용 가능한 위치는 이토 밸브, 공기 밸브, 바이패스 밸브 및 배관, 관로상 밸브교체 등 다양하게 적용이 가능하며 구경 700㎜까지 적용한 실적이 있다.

본 공법이 개발되어 적용되기 이전에는 이토, 공기 및 바이패스 밸브를 교체하기 위하여 주관로를 단수 조치한 후 물빼기 작업으로 완전히 배수 후 본 작업을 시행함으로써 단수시간 증대, 배수물량 증대, 통수시간 증가 등 많은 문제점이 있었으나 동결공법 적용으로 이런 문제를 말끔히 해결할 수 있었다.

다. 전개판형 부단수 차단공법

단수작업 필요 구간만의 유체흐름을 차단할 수 있는 본 장치의 주요 원리는 관체 천공 후 접혀 있는 날개형식의 차단장치를 관체 내에 삽입 후 방사형태로 전개하여 유체흐름을 차단하고 관로 교체, 이설, 밸브 설치 등 부단수 작업을 가능하게 하는 차단공법이다.

본 공법은 최소관경 천공으로 전개판을 관내 삽입하여 최소구간만 유체 흐름을 차단함으로써 단수 시 관 내부 배수에 따른 물 손실을 방지하고 배수작업 및 충수시간이 최소화 또는 필요 없게 되었으며, 단수 후 통수 재개시 수충격, 에어포켓 등 2차 사고 예방에도 효과적이라 할 수 있다.

전개판형 디스크를 천천히 단개별로 개방함으로써 유체흐름 변동 최소화로 탁수 및 적수 발생 등 수질악화를 방지하고 보수, 교체가 필요한 밸브류의 상시 적기 작업이 가능한 장점이 있다. 특히 본 공법은 국내 자체기술에 의해 개발된 토종기술이다.

전개판형 차단장치는 구동모터, 구동기어, 몸체, 진입위치 확인창 등으로 구성된 구동부와 부단수 차단 헤드 및 전개판으로 크게 구분되어 관내부에 전개판을 삽입이 가능하도록 구동판에서 작용하여 고압의 유체 흐름 상태에서 전개판이 관내에서 방사형태로 전개되어 차단할 수 있도록 안전율을 고려하여 설계 제작하였다.

또한, 최소관경 천공으로 대구경 관경까지 전개판이 관내에 삽입되어 전개판 작동이 원활히 될 수 있도록 하였다. 누수 차단 시험이 최대 20㎏f/㎠까지 완료되었고 다양한 부단수 공사현장에 적용되고 있다.

라. 폴딩헤드형 부단수 차단공법

작업구간 내 유체의 흐름을 정지하기 위한 작업을 부단수 차단(Line Stopping)이라 하며 피팅용접 및 천공 후 부단수 차단기를 설치하여 유체흐름을 차단한다.

부단수 차단기는 크게 플러깅 헤드의 수직상승 및 하강을 담당하며 동력부의 역할을 하는 유압 실린더(Hydraulic cylinder)와 몸체인 하우징(Hosuing), 차수를 담당하는 플러깅 헤드(Plugging head)로 구성된다.

터파기 결과 노후화 및 외부하중으로 인해 관로가 진원이 아닌 경우 부단수 차단공법 적용의 안정성을 검증하기 위해 관 변형률에 따른 차수 안정성을 검토하였다.

차수성능에 대한 전산해석결과 관 변형율 1.36% (δ3=30mm)에서 누수가 발생하였고 실제 공사에서는 이에 대한 현장시험 및 보완작업을 사전에 실시하여 2,200㎜ 관경의 부단수 공사를 성공적으로 완료하기도 하였다.

3. 향후 전망

도시 및 산업의 고도화에 따라 중단 없는 용수공급은 선택이 아닌 필수적인 책무가 된지 오래이며 더불어 부단수 차단공법 기술은 과거에 비해 관망 유지관리 기술의 핵심으로 부상하고 있다.

그러나 대부분 국내 부단수 기술은 외국기술을 모방하는 수준에 머물고 있으며 업체가 영세하여 기술개발, 체계화 및 자료부족 등 부단수 공사 시행에 있어 이 분야 엔지니어들이 업무 수행과정에서 어려움과 시행착오를 격어야 했으며 기술적인 욕구를 충족시킬 수 없었다.

이에 K-water는 그 동안 광역·지방상수도 설계, 시공, 운영관리와 경험을 바탕으로 부단수 차단공법 전반에 대한 원리, 특성, 설계, 시공 및 유지관리에 대하여 현장 실무자의 다양한 경험과 지식, 기술을 담고 사내외 전문가의 자문을 거쳐 ‘부단수 차단공법 설계매뉴얼’을 발간하였고 기술공유를 위하여 지자체 및 관련업체에 배포했다.

앞으로 부단수 차단공법은 관종, 구경, 현장여건에 관계 없이 모든 경우에 적용할 수 있도록 기술적인 보완 및 완성도를 높이는 방향으로 기술발전이 진행되리라 판단된다.

현재 대구경 부단수 차단장비는 대형이고 사전 보강작업이 필요하여 긴급복구에 적용하기에는 제약사항이 많으나 장비 소형화, 공정 단순화를 통하여 긴급복구에 적용할 수 있으리라 생각된다.

부단수 차단기술의 발전은 일년 365일 안정적인 용수공급을 가능하게 하여 국민편의 제공과 산업 활성화에 일조하는 친환경기술로 우뚝 설 수 있으리라 판단되며 관련 기술의 경쟁력 향상 및 개발로 더욱 활발한 해외사업 진출을 기대해 본다.

K-water 김자겸 설계사업 처장

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