[기계안전기술사] 문제풀이 2018년 114-1-3 물배관 동파원인, 동파방지법, 동결심도

13. 겨울철 물배관이 동파되는 이유와 동파방지방법 및 동결심도에 대하여 설명하시오

문제해설
1.탄소 강관의 동파원인
배관의 동파사고는 배관 내 물이 동결하면서 체적이 증가하는데 이때 발생하는 압력이 배관의 최대 내압력보다 커지면 배관이 파손되는 현상이다.

1) 물의 동결로 인한 체적 증가
물은 통상 0c 이하가 되면 얼음으로 되는 성질을 가지는데 이를 '동결'이라 하며 물이 동결로 이어지려면 유동성이 없어야 한다. 또한 물이 얼 때는 약 9%의 체적팽창을 야기시켜 밀폐된 장치에 있어서는 약 250kg/ci 이상의 높은 압력을 발생시켜 기기를 파손시키거나 기능을 상실케 한다.
물의 부피 증가로 인한 팽창 (4 C에서 밀도 최대 값)

물과 얼음의 분자 구조
- 수소 결합으로 인하여 얼음에서 육각 구조 형성이 되며 물에서는 수소결합간 진동으로 인하여 사이의 간격이 적음

부피 팽창으로 인한 배관 균열 발생

2) 온도 하강으로 인한 배관 강도 저하
    - 저온취성 (상온 이하에서 급격히 취약, 강도 저하)
3) 반복으로 인한 피로 상승
    - 피로파괴
      매년 반복적인 동파 등으로 내부 피로도 누적, 미세 균열이 점차 진행되어 파단으로 발생
      최대허용압력보다 낮은 압력에서도 쉽게 파괴 발생

2. 배관 동파 방지 방법
동결방지대책은 주위의 온도 환경을 0C 이하로 되지 않도록 하는 건축환경대책과
배관과 장비류 자체를 동결하지 않도록 하는 설비 대책 2가지로 나누어 생각할 수 있다.

환경적 대책
 1) 외기차단 :동절기 각종 설비(배관, 위생기구, 난방기구) 등의 외기 노출 최소화
 2) 배관과 장비를 되도록 건축물 내부에 설치하는 것을 원칙으로 하여
     건물의 보온성, 기밀성, 평면, 단면 구조 등의 건축계획과 난방, 장비, 배관 등 설비계획의 양면에서
     종합적인 검토를 해야 한다.
3 건물 내 난방법
    건물 내를 난방 하여 실내온도를 0*C 이상으로 유지하는 것

설비적 대책
1) 배관 보온법
   - 단열재를 이용하여 물의 온도가 0`C 이하가 되지 않도록 하는 것으로 야간에 난방을 실시하지 않는 등의 경우 사용
   - 외기 노출 시설의 동파방지를 위한 보온 조치
   - 열손실 감소로 수온 유지
   - 배관 자체의 보온
   - 미네랄 울. 그라스 울, 아티른 등

2) 보온조치, 열선 조치
   - 열선으로 지속적 열공급
   - 필요 시 차단 가능
   - 열선에 흐르는 줄열 이용

3) 부동액 주입법
   - 배관 내 물에 부동액을 주입시키는 방법으로 겨울철 공사 중 수압시험 시에 적용하고 있음.
     독성이나 환경, 부식 등의 영향으로 현실적 사용이 어려움

4) 배관 내 물제거
   - 물을 배관에서 빼어 비워두고 영상의 온도유지가 가능한 장소에 물을 보관하였다가
      필요시 사용하는 방안으로 신속한 사용을 목적으로 하는 소화설비에는 문제가 됨
   - 미 사용 시 약간 방류
   - 흐르는 물 특성 상 얼지 않음
   - 급수배관 및 물탱크 내의 물을 완전히 제거 (현실성이 없음)

5) 동결 방지용 Valve 설치
   - 동결 위험 시 Valve 작동하여 열 공급

6) 동결심도 이하 깊이 매립
   - 동결심도 이하의 길이에 매립하여 수분의 동결 방지
   - 동결심도 이상의 Level은 기타 방법으로 조치

3. 동결 심도
1) 수분의 동결이 일어나는 기준이 되는 깊이
   - 흙 속의 내부 온도가 0'C가 되는 깊이
   - 동결심도 이하의 깊이에 배관 매설하여 동파 방지
   -  배관 설계 시 Routing의기초 Data

동결심도란 제설된 도로나 지표면에서 2월 하순경 조사구멍을 파고 구멍벽면에서 식별할 수 있는 얼음덩어리의 최저선을 측정한 동결깊이를 말한다.
동결심도는 흙의 종류 및 투수량, 지하수위 등 건축물이 놓이는 주변 자연여건과 밀접한 관계를 가지고 있으므로, 지역별로 동결심도를 단순히 분류하는 것은 무리가 있다.

1. 동결지수는 동결기간 중의 누가[C.일, F.일]에 대한 시간곡선상의 최고점과 최저점의 차이 로선정
2. 동결지수는 설계노선 인근의 측후소에서 월평균 기온크기와 지속시간을 관측하여 최근 30 년 중 가장 추웠던 3년간의 평균동결지수로 산정

2) 지반 조사를 통하여 확인
   - 지역별, 토질별 차이

참고
https://naver.me/GALI6Npk

겨울철 물배관이 동파되는 이유와 동파방지방법 및 동결심도에 대하여 설명하시오.(114회 1교시 1

https://naver.me/xX7aca5W

겨울철 배관 동결심도_동파예방