극한지 거동 동결 셀 압축시험기 구축 및 활용방안

국문 초록 (Abstract)

극한지 상태에서 장거리 파이프라인의 건전성을 평가하기 위해서는 진동현식 변형률 게이지를 120°각도로 3개를 설치하여 계측을 수행하는 것이 일반적이다. 국내의 경우에는 기후 여건으로 극한지에서 사용 가능한 변형률 게이지에 대한 연구가 전무한 실정이다. 외국에서는 극한지용의 상용화된 게이지가 있으나 고가(개당 100만 원 이상)이어서 장거리 계측에는 상당한 비용 지출이 예상된다. 극한지(-40℃)에서 사용 가능한 게이지를 개발하기 위해서는 게이지의 신뢰성 검증이 필수적이다. 김학준과 박찬(2008)은 상온에서 일축압축시험기를 이용한 진동현식변형률 게이지의 신뢰성 검증 방법을 제시하였다. 그러나 극한지를 통과하는 파이프라인의 안정성 평가에 사용될 게이지의 신뢰성 검증에는 극한지 모사가 가능한 실험 환경(최저 .40℃)을 갖춘 압축시험기가 필요하다. 게이지의 신뢰성을 극한지 상태에서 실험하기 위해서는 대형 동결 챔버를 활용하거나 혹은압축시험이 수행되는 특정 부분만 냉동시킬 수 있는 동결 셀의 개발이 필요하다. 동결 챔버를 활용할 경우에는 저온 환경 개발을 위한 추가 비용 지출이 필요하지 않다는 장점이 있으나 저온용 압축시험기를 사용하여야 하며 압축시험기 자체가 온도에 대한 영향을 받으므로 시험기에 대한 온도 보정을 해주어야 한다는 단점이 있다. 따라서 압축시험기 자체는 상온을 유지하고 게이지에 대한 시험이 수행될 부분만 영하의 온도 조건을 가할 수 있는 극한지 거동 동결 셀의사용이 더 신뢰성 있는 시험 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 동결 셀의 규격과 최대 재하하중은 변형률게이지 시험용 시료의 크기와 재료의 재질을 고려하여 결정해야 한다. 파이프라인과 변형률게이지의 재질이 강철이므로 향후 실험에서는 그림 1과 같이 이들과 열팽창계수가 동일한 강철로 만든 시료를 사용하여 변형률게이지에 대한 신뢰성 시험을 실시할 예정이다. 극한지 상황과 시료의 재질을 고려했을 때 압축시험기의 최대 재하하중은 최소 100톤, 동결 셀의 최저온도는 .40℃(최고 온도 100℃), 동결 셀의 온도 오차는 변형률 게이지의 정밀도를 고려하여 ±1℃, 동결 셀의 규격은 직경 70mm, 높이 140mm의 원주 시료를 수용할 수 있도록 약 380x400x400H mm로 설계되었다. 그림 2는 동결 셀 압축시험기의 설계도면 및 제작이 완료된 시험기를 보여주고 있으며 현재는 국가연구시설 장비진흥센터에 등록을 완료한 상태이다(등록번호 NFEC-2015-12-206758). 구축된 동결 셀 압축시험기를 이용한 실험 방법은 먼저 전기저항식 변형률게이지를 이용하여 온도를 고려한 금속 시편의 탄성계수를 산정한다. 다음은 국내외에서 상용화되어 있는 진동현식 변형률게이지를 금속 시편에 4개(2set x 2개)씩 대칭되게 부착한 후 +30 ~ .20℃의 온도범위에서 게이지의 신뢰성을 검증하고자 한다. 상용화된 변형률게이지를 검증함과 동시에 극한지에서 사용 가능한 진동현식 변형률 게이지를 제작할 계획이며 +30 ~ .40℃의 온도 범위에서게이지의 신뢰성을 검증하기 위하여 동결 셀 압축시험기를 최대한 활용할 계획이다.