PVC-U, PVC-UH, PVC-M 및 PVC-O의 표준, 설계 및 성능 비교 NO.1 제품 표준 소개

PVC-U, PVC-UH, PVC-M, 및 PVC-O의 표준, 설계, 성능 비교

제1장 제품 표준 개요

PVC-U, PVC-UH, PVC-M 및 PVC-O 급수관은 모두 경질 폴리염화비닐(PVC) 단일벽 관이다. 주로 물 온도가 45°C를 초과하지 않는 매설 압력식 수송 시스템의 본관 및 지관에 사용되며, 실내나 배관 갤러리에서도 사용할 수 있다. 현재 이 네 가지 유형의 관에 대한 표준 및 사양은 표 1에 나와 있다.

NO.2 복합 혼합물에 대한 기술적 요구사항

복합 혼합물은 기본 수지인 PVC와 다양한 필수 첨가제가 균일하게 혼합된 것을 의미하며, PVC 파이프 압출에 직접 사용되는 원자재이다. 압력용 파이프의 경우, PVC 복합 혼합물의 배합 설계 및 성능 지표는 제품 성능과 장기적인 수명에 직접적인 영향을 미치므로 매우 중요하다. PVC 수지 및 각종 첨가제가 제품 성능에 미치는 영향에 대해서는 "PVC 배합 설계 및 제품 가공"을 참조하라. 본 장에서는 주로 복합 혼합물의 성능 지표, 등급 요구사항 및 배합 설계 요구사항을 소개한다.

2.1 복합 혼합물의 성능 요구사항

중국의 PVC 급수관 중 PVC-UH 관은 미국의 PVC 급수관 표준 AWWA C900을 참조하여 혼합물의 물리적 및 기계적 성능 요구사항을 명시하고 있으며, 이는 표 2에 나타내고 있다. 현재 다른 종류의 PVC 급수관에 대해서는 혼합물의 성능 지표에 대한 규정이 존재하지 않는다. 이러한 요구사항들은 관 원자재와 배합 공식의 선택 및 품질 관리를 더욱 효과적으로 통제할 수 있도록 한다.

표 2 PVC-UH 급수관에 지정된 PVC 혼합물의 물리 및 기계적 성능 요구사항

2.2 화합물 혼합물의 등급 요구사항

PVC 압력관은 50년의 사용 수명을 목적으로 설계된다. 관의 화합물 혼합물은 ISO 9080 또는 GB/T 18252에 따라 화합물 혼합물의 등급 시험, 즉 관 형태의 화합물 혼합물에 대한 장기 정수압 강도 시험을 거쳐야 하며, 이는 20°C 및 50년에 해당하는 분류 강도인 최소 요구 강도(MRS)를 특징으로 한다. PVC-U, PVC-UH, PVC-M 및 PVC-O 급수관의 화합물 혼합물에 대한 등급 요구사항은 표 3에 나타내었다.

표 3 PVC 급수관용 화합물 혼합물의 등급 요구사항

ISO 1452-1:2009에서는 재료를 분류하고 있으며, 재료의 최소 요구 수압 강도에 따라 배관용 PVC 재료의 MRS는 25 MPa로 규정되어 있으므로, 재료 등급은 PVC-U 250이다. PVC-U 배관에 대한 국가표준인 GB/T 10002.1-2006은 배관용 혼합물의 압력 등급을 명시하지 않는다. PVC-UH 급수관은 혼합물에 대해 MRS ≥ 25 MPa의 등급 지정 요건을 규정한다. PVC-M 배관의 MRS는 ≥ 24.5 MPa이다.

ISO 표준에서 규정한 PVC-O 배관의 MRS는 31.5, 35.5, 40, 45, 50 MPa의 5가지 유형으로 나뉘며, 각각 원료 등급 코드 315, 355, 400, 450, 500에 대응된다. 이 중 등급 400과 450은 일반적으로 대량 생산되지만, 나머지는 흔히 사용되지 않는다.

2.3 혼합물 내 주요 재료 선정에 대한 요구사항

PVC 급수관의 배합 공식은 일정한 비율로 PVC 수지, 안정제, 내부 및 외부 윤활제, 충전재, 착색제, 충격 개질제, 가공 보조제 등으로 주로 구성된다. 다양한 원자재의 선택과 배합 비율은 파이프의 성능과 사용에 매우 중요한 역할을 한다.

PVC 파이프 가공은 PVC 수지의 용융 유동 성능에 대해 높은 요구 사항을 갖는다. 실제 생산에서는 일반적으로 SG-5형 현탁법 PVC 수지를 선택한다. PVC 제조 방법은 에틸렌법과 탄화칼슘법으로 구분된다. 에틸렌법은 석유로부터 에틸렌을 추출한 후, 치환 반응을 통해 염소 기체와 에틸렌을 반응시켜 비닐클로라이드 단량체를 생성하고, 이를 중합하여 폴리비닐클로라이드 수지를 얻는 방식이다. 대표적인 제조사로는 오кси 비닐 LP(Oxy Vinyl LP, 미국), 중국석유화학(중국석유화학) 치루 석유화학회사(Sinopec Qilu Petrochemical Company), 톈진 LG 다구 화학유한공사(Tianjin LG Dagu Chemical Co., Ltd.) 등이 있다. 탄화칼슘법은 일반적으로 중국에서 광범위하게 사용되며, 탄화칼슘(탄화칼슘)이 물과 접촉할 때 아세틸렌을 발생시키고, 이 아세틸렌을 염화수소와 반응시켜 비닐클로라이드 단량체를 합성한 후, 중합 반응을 통해 폴리비닐클로라이드 수지를 얻는 방식이다.

PVC는 산업에서 가장 열에 민감한 고분자 중 하나로, 열분해가 발생하기 쉽다. 따라서 PVC 파이프 가공 시 열안정제는 필수적인 첨가제이다. 현재 PVC 파이프 생산 공정에서는 주로 칼슘-아연 안정제와 유기주석 안정제가 사용되고 있다. 칼슘-아연 안정제는 주로 유럽에서 사용되며, 유기주석 안정제는 미국 전역에서 널리 사용되고 있고, 중국에서는 두 종류 모두 사용된다. 칼슘-아연 안정제는 일반적으로 복합 안정제 형태이며 첨가량이 비교적 높은 편이고, 유기주석 안정제는 일반적으로 첨가량이 낮으면서도 중·대형 직경 파이프 생산 시 우수한 안정화 효과를 나타낸다. 파이프에 높은 내후성이 요구되는 경우에는 적절한 양의 항산화제 및 광안정제를 추가할 수도 있다.

PVC 파이프 가공 과정에서 내부 및 외부 윤활제 또한 필수적이다. 주로 사용되는 윤활제에는 스테아르산, 파라핀, 폴리에틸렌 왁스 및 안정화 효과도 있는 스테아르산 칼슘이 포함된다. 윤활 시스템의 사용량은 장비 및 제품 배합 설계 요구사항에 따라 결정되어야 한다. 핵심은 혼합물이 양호한 가소화 효과를 갖도록 보장하여 파이프의 열변형 온도와 기계적 특성이 크게 영향을 받지 않게 하는 것이다.

제품 설계에 따라 PVC 파이프에는 탄산칼슘 충전재를 추가할 수도 있습니다. 탄산칼슘의 주요 기능은 파이프의 강성을 향상시키고 수축률을 줄이며 비용을 절감하는 것입니다. 그러나 탄산칼슘을 첨가하면 파이프 제품의 강도가 감소하고 취성이 증가하게 됩니다. 따라서 PVC 파이프 생산 시 탄산칼슘 충전재의 첨가량은 적절히 조절되어야 합니다. 탄산칼슘은 일반적으로 중질탄산칼슘과 경질탄산칼슘으로 나뉩니다. 중질탄산칼슘 배합물은 유동성이 우수하여 집중 급료 및 운반 시스템, 특히 공압 운반 시스템에 적합합니다. 경질탄산칼슘 배합물은 유동성이 상대적으로 낮고 밀도가 낮지만, 소량 첨가되는 급수관 배합에는 큰 영향을 미치지 않습니다.

PVC 파이프의 색상은 일반적으로 회색 또는 파랑색이다. 일반적으로 사용되는 착색제에는 주로 이산화티타늄, 탄소흑연, 프탈로시아닌 블루 등이 있다. 일반적으로 착색제의 첨가량은 적으며, 우수한 착색력과 내후성을 가져야 한다.

충격 개질제 및 가공 보조제는 PVC 파이프의 가공 중 충격 저항성과 가공 성능을 향상시키는 데 유리하다.

2.4 복합 혼합물 배합 설계에 대한 요구사항

2.1 복합 혼합물의 성능 요구사항 및 2.2 복합 혼합물의 등급 요구사항에서 볼 수 있듯이, 네 가지 유형의 관에 사용되는 복합 혼합물에 대한 요구사항은 서로 다르다. 따라서 네 가지 유형의 관 제품에 대한 배합 공식 설계 및 비용에도 일정한 차이가 존재한다. 구체적인 배합 공식 설계 요구사항은 표 4를 참조하기 바란다. 제품 설계가 서로 다르기 때문에 제품의 성능 지표에서도 차이가 발생하며, 이는 본 논문의 제5절에서 상세히 설명될 것이다.

표 4 네 가지 유형의 PVC 급수관 배합 공식 설계 요구사항

NO.3 허용 내압 및 외압 저항

3.1 배관의 허용 내압

압력관의 설계 응력:

σₛ = MRS / C (1)

여기서: σₛ — 압력용 배관의 설계 응력, MPa; MRS — 배관의 최소 요구 강도, MPa; C — 종합 사용(설계) 계수

PVC 배관은 50년의 예상 사용 수명을 기준으로 설계된다. 20°C에서 물을 운반할 경우, 다양한 국내 PVC 급수관에 대한 설계 응력의 최대 허용값은 표 5에 나타내었다. 공칭 압력(설계 압력) 및 50년간 장기 운전을 위한 작동 압력은 각각 식 (2) 및 식 (3)에 따라 계산한다.

표 5 다양한 국내 PVC 압력배관의 설계 응력 최대 허용값

참고: PVC-O 파이프는 다양한 원료 등급이 있으며, PVC-O 제품 표준을 참고하여 설계할 수 있다. 일반적으로 등급 400 및 450의 경우 전체 사용 계수 C는 1.6이다.

파이프의 공칭 압력(설계 압력):

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

여기서: P — 파이프의 공칭 압력(설계 압력), MPa; σₛ — 압력용 파이프의 설계 응력, MPa; dₙ — 공칭 외경, mm; eₙ — 공칭 두께, mm

CJJ 101-2016 "매설 플라스틱 급수관로 공학 기술규정" 제4.1.7조에 따르면, 파이프의 설계 압력 기준값은 작동 압력 기준값의 1.5배와 같다. 즉:

P = 1.5 × Pwk (3)

여기서: Pwk — 파이프의 작동 압력, MPa

따라서 PVC-UH 파이프의 전체 사용(설계) 계수가 PVC-M 파이프 및 PVC-O 파이프보다 높다는 것을 알 수 있으며, 이는 장기간 사용 시 더 높은 안전성을 보장함을 의미한다.

3.2 파이프의 외부 압력 저항성

GB/T 19278-2018의 2.4.2 조항에서 정의된 링 강성에 따르면, 링 강성은 파이프 벽 두께와 세제곱 관계를 가진다. 링 강성(S)의 간략화된 계산 공식은 다음과 같다.

S = 0.0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

여기서: S — 링 강성, kN/m²; E — 파이프 벽 재료의 탄성 계수로, PVC 파이프의 경우 사양에서 3000 MPa로 지정됨; dₙ — 공칭 외경, mm; eₙ — 공칭 벽 두께, mm

동일한 외경을 가진 파이프의 경우, 벽 두께가 클수록 링 강성이 커지고 외부 압력에 의한 변형 저항력이 강해지는 것을 알 수 있다. 네 가지 종류의 파이프에 대한 링 강성 비교는 표 6에 나타내었으며(공칭 압력 1.0 MPa인 파이프를 예로 든다). 표 6에서 볼 수 있듯이 설계 매개변수 측면에서 PVC-M 및 PVC-O 파이프는 서비스 압력 요구 조건을 만족시키기 위해 더 얇은 벽 두께를 선택할 수 있으나, 지나치게 얇은 벽 두께는 외부 압력에 대한 변형 저항성이 떨어질 수 있다.

표 6 네 가지 유형의 파이프 링 강성 비교

동일한 링 강성을 기준으로 비교했을 때, PVC-M 및 PVC-O 파이프는 더 높은 공칭 압력 등급을 갖는다. 그러나 더 높은 재료 배합 비용과 가공 비용으로 인해 파이프 비용 역시 PVC-U 및 PVC-UH 파이프보다 높다.

NO.4 성능 지표 요구사항

4.1 PVC-U 및 PVC-UH 급수관

국가 표준에서 규정한 PVC-U 파이프의 성능 지표와 ISO 1452-2 표준에서 규정한 성능 지표 사이에는 일부 차이가 있다. 압력 저항 요구사항은 완화되었으며, 충격 저항 요구사항은 향상되었는데, 즉 낙하중 충격 시험(TIR) 요구조건을 ≤ 5%로 설정하여 ISO 표준의 TIR ≤ 10%보다 파이프 인성에 대해 더 높은 요구를 제시하고 있다. PVC-UH 파이프는 PVC-U 급수관에 대한 ISO 표준 및 미국의 PVC 급수관 표준을 참조하여 배합하였다. 파이프의 물리적·기계적 성능 요구사항에는 압입 시험 및 전체 파이프 수압 성능 시험이 포함되어 각 파이프별 제품 품질 모니터링이 가능하다. 또한 충격 저항 요구사항이 ISO 표준보다 더 높으며, 낙하중 충격 시험 요구조건이 ISO 표준 대비 TIR ≤ 5%로 강화되었다. 국내 PVC-U 급수관과 PVC-UH 급수관의 성능 지표 비교는 표 7에 나타내었다.

표 7 PVC-U 및 PVC-UH 급수관의 성능 지표 비교

ISO 1452-1:2009에 제시된 PVC-U 250의 장기 정수압 기준 곡선(그림 1 참조)에 따르면, MRS ≥ 25 MPa의 혼합물 등급 요건을 충족하는 파이프를 대상으로 한 장기 정수압 시험에서 단기 압력 저항 요건 또한 해당 기준 곡선에서 확인할 수 있다. 20°C 및 1시간 조건에서 요구되는 원주 응력(hoop stress)은 42 MPa이며, 60°C 및 1000시간 조건에서는 10 MPa이다. 표 7에서 알 수 있듯이, PVC-UH 파이프는 PVC-U 250 장기 정수압 기준 곡선의 압력 저항 요건을 충족한다. 반면 국가표준에서 규정한 PVC-U 파이프는 단기 압력 저항 지표(20°C, 1시간, 원주 응력 38 MPa) 측면에서 기준 곡선의 요구사항보다 낮을 뿐만 아니라, 국가표준에서 규정한 PVC-U 파이프의 MRS ≥ 25 MPa 설계 요건도 충족하지 못한다.

4.2 PVC-M 급수관

표 8은 PVC-M 급수관의 표준 성능 요구사항을 보여줍니다. PVC-M 제품은 낙하중 충격, 노치 파이프 내압 시험 및 C링 인성에 대한 규정이 있음을 알 수 있습니다. dn ≥ 110mm인 파이프의 경우 23°C 및 20m에서 고속 충격 시험을 지정하고 있으며, 이는 제품의 충격 저항성과 인성에 대해 높은 요구조건을 가지고 있습니다. PVC-M에 대한 국가표준에 따라 제조된 파이프 제품은 우수한 인성과 충격 저항성을 갖추고 있습니다.

표 8 PVC-M 급수관의 성능 요구사항 (GB/T 32018.1-2015)

충격 저항성과 인성에 대한 높은 요구 사항 외에도, PVC-M 관 제품은 내압성에 대해서도 요구 사항이 있다. 따라서 표준에 따라 생산된 PVC-M 관 제품의 배합 원가가 일반적인 PVC-U 또는 PVC-UH 관보다 높으며, 가공 시 출력량도 상대적으로 낮다. 전체 사용(설계) 계수가 감소함에 따라 명목상 압력 등급이 일반적인 PVC-U 또는 PVC-UH 관보다 한 단계 높아진다. 따라서 동일한 압력 등급의 관당 미터 비용은 기본적으로 동일하거나, PVC-M 관이 다소 더 높은 수준이다. 매설 공학 배관의 경우 장기적 내압성이 제품의 주요 평가 지표이며, 충격 저항성과 인성은 정상적인 사용 조건을 만족하면 된다.

4.3 PVC-O 급수관

표 9는 PVC-O 급수관의 표준 성능 요구사항을 보여줍니다. PVC-O 관은 압출된 PVC-U 관을 2차 성형 장비와 특정 공정을 통해 축방향 및 방사방향으로 신장시켜 관 내부의 PVC 장쇄 분자들이 양축 방향으로 규칙적으로 배열되도록 한 특수한 분자 사슬 구조의 PVC 관입니다. 이 제조 공정은 난이도가 높으며, 배합 조성, 설비 및 공정에 대한 요구 수준이 매우 높습니다. 현재 국내외에서 생산 가능한 최대 관경은 630 mm에 불과하며, 다른 세 종류의 관에 비해 생산 수율이 낮고, 배합 조성 및 가공 비용도 모두 높습니다.

표 9 PVC-O 급수관의 성능 요구사항(CJ/T 445-2014)

참고: PVC-O 파이프에는 접착제로 결합된 평면 마감 구조를 사용하지 않아야 합니다.