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한별 조
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1 연구논문 이중벽관의맞대기융착용접강도향상에관한연구 안주선 이경원 김재성 이보영 한국항공대학교항공우주및기계공학부 한국항공대학교항공우주및기계공학과 Studies on the Improvement of Butt Welding Characteristic of Polyethylene Pipes Ju-seon An*, Kyng-won Lee*, Jae-sung Kim* and Bo-young Lee**, *Dept. of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University, Koyang , Korea **Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University, Koyang , Korea Corresponding author : bylee@kau.ac.kr (Received July 26, 21 ; Revised September 6, 21 ; Accepted January 4, 211) Abstract Waste water is disposed to sewage disposal plant by underground double wall s. Various processes have been introduced to join s, but most of these methods have many disadvantages such as costs, lack of reliability and difficulties in joining, etc. Recently butt welding has been paid much attention to joint s as this process has many advantages such as cost, safety and reliability. In this study, newly developed heat plate, a patent-pending heat plate with a groove, was used to butt-weld double wall s with different misalignment gaps to simulate real underground conditions, and the butt welding temperature of was determined by thermal analysis (Thermal Gravimetric Analysis, Differential Scanning Calorimetry and Dynamic Mechanical Analysis). The resulting joining characteristics of double wall s were compared with those from a conventional heat plate, in terms of stiffness, flattening and leakage tests. The results from the stiffness and flattening test showed that there were no big differences between the butt-welded joints made from these two plates. From the leakage test, although s welded with a conventional heat plate did leak below the required test conditions (1 min. at.75kgf/cm2), the s welded with a patent-pending grooved heat plate did not show any leakage even at a pressure 1.5 times higher than the required conditions. It was noted that by utilizing a grooved heat plate more complete fusion at the joints could be obtained, which in turn induced a high quality joints. Key Words : s, Butt welding. Thermal analysis 1. 서론 는저온에서도유연성을잃지않고충격에강하며 각종화학적환경에도잘견디어국내하수관거에대부분적용되어사용하고있다 현재국내에서사용되고있는 하수관의종류에는 이중벽관 이중벽합성수지관 일반용 관 흄관등이있으며 중관벽관의사용도시도되고있다 하지만 하수관을적합하게연결하여누수를방지하고 하수관모재와같은수명을유지할수있는이음방법이현재까지개발되지못하고있는실정이다 따라서하수관이음부에서누수가발생하여 하수처리시설까지제대로도달하지못하고 토양으로바로유입되어환경이오염되는문제를야기하고있다 일반적으로하수관거로많이사용되고있는 이중벽관의이음종류는열수축슬리브 슬리브소켓 전기융착법등이있으나 이들방법은고가이고시공이어려우며 외력에따른이음강도의신뢰성이떨어지는단점을가지고있다 따라서최근에는이러한단점을

안주선 이경원 김재성 이보영 보완하기위하여열판을이용한맞대기융착법이많은 주목을받고있다 하지만 국내외에서현재사용되고있는열판의표면은단지평편하게제작되어있으므로 융착시발생하는하수관의단차로인해접합부의강도와수밀성등을확보하기어려운한계를가지고있다 는융점이상의온도에서는기화되기시작하여 모재가가지는화학적특성이바뀔우려가있다 이에본연구에서는접합부의안정성과신뢰성을향

2 안주선 이경원 김재성 이보영 보완하기위하여열판을이용한맞대기융착법이많은 주목을받고있다 하지만 국내외에서현재사용되고있는열판의표면은단지평편하게제작되어있으므로 융착시발생하는하수관의단차로인해접합부의강도와수밀성등을확보하기어려운한계를가지고있다 는융점이상의온도에서는기화되기시작하여 모재가가지는화학적특성이바뀔우려가있다 이에본연구에서는접합부의안정성과신뢰성을향 상시키기위하여새로운형태의열판을개발하고자하 였으며 하수관의열분석을통하여적절한접합온 도조건을제시하고자한다 2. 실험방법 2.1 열분석 열판의 가열 온도는 를통하여선 정하였다 는 미국 사의 을 사용 하였으며 의범위에서승온온도와냉각 온도는 로실시하였다 는 사미국 의 장비를사용하였으며 승온온 도는 범위에서 으로실시되었 다 는 사미국 의 를사용하였으며 의온도범위에서 로하중이 로인가되었다 2.2 열판설계및접합 이중벽관의맞대기융착법에서열판은접합부의 품질을결정하는가장중요한장비이다 열판의형상에 따라접합부의형상과강도및수밀성이달라질수있 다 따라서 이중벽관의용접성향상을위하여열판 을제작하였으며 실험을통하여용접성을평가하였다 은기존열판 과 과 으로개발된열판의개략도이다 용접성 의평가는융착용접부단면형상을비교하였으며 인 장강도시험과내압시험을실시하였다 본연구에사 용된관경 이중벽관의물성과개발된열 판을각각 과 에나타내었다 이중 벽관의맞대기융착에는온도 압력 가열시간 가지의 변수가있는데 본연구에서이용한접합조건은열분석 과기초실험을통하여선정하였다 기존에사용되고있는열판의표면은평편하여 가 용융되면서옆으로퍼져나가게된다 따라서 이중 벽관의공 부분의불충분한용융물로인하여 접합 부의강도와수밀성등을확보할수없었다 기존열판 의한계점을극복하기위하여새로운디자인의열판을 고안하였다 열판은홈 이있어서 이중벽관 의용융시에용융물이옆으로퍼져나가는것을방지하 였으며 의열판에는홈 이있는부분 에융착시에용융물이잔재될수있는공간을확보시 키기위하여 처럼홈을한층더가공하여 설계하였다 2.3 단면형상과단차를고려한접합 이중벽관은 와같이생산특성에의해밀

이중벽관의맞대기융착용접강도향상에관한연구 2 3mm Normalized heat flow (W/g) 18 16 14 12 1 8 6 4 2 heating cooling 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 Weight (%) 1 1 453.8( ) 235.8( ), 99

3 이중벽관의맞대기융착용접강도향상에관한연구 2 3mm Normalized heat flow (W/g) heating cooling Weight (%) ( ) 235.8( ), 99.5(%) 457.( ), 9.(%) 하고공 한형태가스크류모양으로제작된다 따라서배관을절단하여융착할때 두배관이만나는부분은 과같이밀 밀 밀 공 공 공 한 세경우의접합이이루어지게된다 또한 현장에서맞대기융착용접시공중에지형및시공현장의환경에따라단차가발생하게된다 따라서본연구에서는 의단차와 이중벽관의접합단면을고려하여세가지형태의열판으로접합을실시하였다 3. 결과및고찰 3.1 열분석 (Thermal analysis) 는 를상온에서 으로승온후 다시 에서상온으로냉각하면서나타나는온도에따른열적흐름 을나타낸 그래프이다 승온 그래프에서 에서액상으로변화하면서흡열반응이나타나기시작하고 에서가장높은열량이주입되게된다 이는결정형고분자의마지막결정이완전히흩어지는융점온도 라고판단된다 반대로 융점온도이상에서고분자는무정형상태로존재하다가온도가일정한 Temp.( ), Weight change(%) 속도로내려가면결정화온도부근에서결정이생기고 발열을하게된다 의냉각 곡선에서용융된 는발열량이최대점인 에서결정화된다고판단된다 는단일단계반응에서보이는온도 무게변화량곡선을보여준다 이반응에서분해시작온도는 와끝나는온도 로구성된다 는무게변화가감지되기시작하는온도이며 는무게변화가완결되는온도이다 본실험에서 장비저울의허용오차를고려하여열분해가시작되는온도 로 로관찰되었으며 발생하는열분해생성물은탄소 탄화산화물등이흄 의형태로발생된다 따라서열분해시작온도 에서 하수관의화학특성변화가예측된다 은 의탄성계수 손실탄성계수 그리고탄성계수에대한손실계수의비인 δ를나타낸것이다 의저장탄성률은온도의증가에따라감소하는경향을보이며 부터탄성율의분산 특성을보

안주선 이경원 김재성 이보영 Stirage modulus(mpa) 25 2 15

4 6 8 1 16 15 14 13 12 11 1 9 Loss modulus(mpa) 인다

δ은저장탄성계수가감소하는온도 부터증가한다 이는 가유리전이온도 에서용융온도까지탄성과점성이동시에나타나는거동을하게되는데 온도가증가할수록점성영향이커진다는것을의미한다 따라서

또한접합전에생기는두하수관의단차는개발된열판으로가열시 열영향부의점성에의한변형으로단차가줄어들며접합될것이라판단된다 본연구에서 이중벽관의융착용접은공정속도를고려하여 열판온도에서수행하였다

2 접합부의단면비교하수관의단차를 로유지하고단면형상 에대하여세가지의열판으로접합을실시한후 절단하여단면을비교 이루어진것을알수있다 의경우기존의접합과는달리공 공 접합을구분하기힘들정도로

4 안주선 이경원 김재성 이보영 Stirage modulus(mpa) Stress(MPa) Tan data TanDelta StorageModulus StressMPa LossModulus Loss modulus(mpa) 인다 또한저장탄성율의분산이발생하는시점부터하중에대한에너지흡수가발생하기때문에온도증가에손실탄성률곡선은증가하게되고 에서최대값이나타난다 δ 값이작을수록고분자유체의탄성이커짐을의미한다 δ은저장탄성계수가감소하는온도 부터증가한다 이는 가유리전이온도 에서용융온도까지탄성과점성이동시에나타나는거동을하게되는데 온도가증가할수록점성영향이커진다는것을의미한다 따라서 가가열될경우에열영향부는열판형상을따라점성변형하게된다 에의해 용융을위한열판의최소온도는 이며 열분해로인한화학성분의변화를방지하기위한열판최대온도는 로판단된다 또한접합전에생기는두하수관의단차는개발된열판으로가열시 열영향부의점성에의한변형으로단차가줄어들며접합될것이라판단된다 본연구에서 이중벽관의융착용접은공정속도를고려하여 열판온도에서수행하였다 열판의온도는열판의내면과외면에열전대를부착하여측정하였으며 프로그램을활용하여열판온도가일정하게유지할수있도록제어하였다 3.2 접합부의단면비교하수관의단차를 로유지하고단면형상 에대하여세가지의열판으로접합을실시한후 절단하여단면을비교 이루어진것을알수있다 의경우기존의접합과는달리공 공 접합을구분하기힘들정도로 의접합전부분이아주밀 하게접합되어있었다 의단차의경우 가열된 열판홈의경사면 단차 에의해 배관이나란히정렬되도록유도되고 열 영향부의점성거동에의해단차가줄어들며접합된형 상이나타난다 하지만 기존열판의경우에는단차가 유지된접합부형상을보이고있다 3.3 수압시험 (Leakage test) 접합된배관을 길이로절단후내면을견고하게 밀폐시키고 허용압력하에서누수발생여부를확인하 였다 한국산업규격에서는 에서 분 간을버티면합격한것으로정하고있다 따라서본연 구실험에서는 에서 분간누수가발 생하지않는다면합격으로간주하고실험을진행하였 다 새로개발된 과 열판을이용하여접 합한경우 의단차가있음에도불구하고누 수가발생하는배관이없었다 하지만기존의평편한 열판을사용한경우에는 단차부터 에서부터누수가발생하기시작하였다 이는개발된 과 열판이접합에있어서우수한특성 을가지고있다고판단된다 기존의평편한열판을사 용한경우국부적으로녹거나혹은압력에의해용적이 밖으로밀리면서누수가발생한것으로판단된다

5 이중벽관의맞대기융착용접강도향상에관한연구 3.4 인장시험결과 이중벽관을접합한후접합부의건전성을판단하 기위하여인장실험을실시하였다 배관의시험속도는 로실시하였고그결과를 에 나타내었다 과 의열판을이용한접합부의인장강 도는기존열판을이용한접합부인장강도의 배정도로측정되었다 개발된열판의경우홈을따라 잔재된용융물에기인하여접합부의길이와단면적이 증가하기때문에기존열판을이용한접합부보다높은 인장강도를유지한것으로판단된다 단면형태가 로접합된경우에 열판을이용한시험편 은접합부에서파단이일어났으나 시험편은 에서파단이발생하였다 4. 결론 을이용한 본연구에서는 이중벽관을이음기술중열판을 이용한맞대기융착법에대해수행하였다 하수관 접합부의신뢰성을높이고자열분석을이용한열판의 온도를제시하였으며 시공상발생하는 이중벽관 의단차와단면형상등의실험을통하여다음과같은 결과를얻었다 열분석을통하여열분해현상이나타나지않 는접합온도를 구간으로판단하였 으며 빠른용접공정을고려하여열판온도를 로선정하였다 기존열판과개발된 열판을이용 하여 이중벽관을접합한후접합부의단면을비교 한결과개발된열판에서융융물이충분히잔재하고 단차가줄어든접합이이루어졌다 하지만기존열판은 단차가차가유지된접합부형상이나타났다 그원인 은 분석을통하여 이중벽관의 가열판 경사를따라점성변형한것으로판단된다 내압시험결과기존열판의경우단차가존재하면 에서부터누수가발생하지만 개발된열판 들에는누수가발생하지않았다 인장시험을실시한결과기존의열판보다 열판을이용한접합부가약 배 에가까운인장강도를얻을수있었다 과 열판의접합부는배관단면형상이 때는동 일한인장강도값이나타나지만 경우에는 의열판을이용한접합부가더큰인장강도가얻 어진다 후 기 본연구는교육과학기술부의지원에의한국가지정연 구실 사업의 일환으로수행되었기에이에감사드립니다 참고문헌

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