[KP핸드북] Ⅱ. 덕타일 주철관의 특징 - 2. 기계적 성질 및 화학적 성질

  

덕타일 주철관 핸드북

Ⅱ. 덕타일 주철관의 특징

2. 기계적 성질 및 화학적 성질

1) 인장강도(引張强度)와 연신율(延伸率)

  주철제품의 양부(良否)는 일반적으로 인장강도에 의해서 구별할 수 있다. 특히 주철관은 극심한 압력에 견뎌야 하므로 인장 강도가 높아야 함은 두말할 나위가 없다. 

  일반적으로 주철은 기지 내에 흑연이 분산하여 존재하고 있기 때문에 인장강도는 기지의 강도 표 1에 덕타일 주철의 인장강도, 연신율 등 기계적성질을 나타내고 표 2에 각국의 주철관 표준 규격에 정해진 인장 강도, 연신율, 경도 값을 당사주철관의 그것과 비교하여 나타내었다. 여기에서 덕타일 주철은 회주철에 비하여 인장강도가 훨씬 높음을 알 수 있다. 그 이유는 다음과 같이 설명된다. 

  주철 중의 흑연은 대단히 약한 성분이다. 그런데 흑연이 편상으로 길게 존재하는 회주철의 경우에는, 재료의 하중을 받는 유효 단면적이 흑연으로 인하여 감소하게 되며, 또 응력이 편상흑연의 첨단부에 집중 하게 되므로 쉽게 파단(破斷)하여 강도가 저하된다. 반대로 덕타일 주철의 경우에는 흑연의 형상이 구형(球形)이므로 비교적 강도가 높은 넓은 면적의 기지에 인장응력이 작용하므로 자연히 높은 강도를 나타낸다고 볼 수 있다. 

  한편 연신율은 앞에서도 언급한 바와 같이, 기지가 단단한 회주철은 연신율이 전혀없는데 반해 덕타일주철관은 기지가 질긴 ferrite로 되어 있으므로 대단히 높은 연신율을 갖음을 표 2에서 알 수 있다.

2) 경 도

  주철의 경도는 일반적으로 Brinell 경도 시험기로 측정한다. 이것은 조직내에 흑연이 비교적 조대(粗大)한 상태로 존재하기 때문에 될 수 있는 한 넓은 표면에서 평균적인 경도를 측정하여야 되기 때문이다. 주철의 경도에 미치는 조직내의 성분중 가장 중요한 것은 탄소의 존재상태라고 하겠다. 즉 탄소가 기지 중에 철탄화물로 존재하는 양이 많아지면 경도는 높아지고, 흑연화한 양이 많아지면 경도는 저하 한다. 그런데 경도가 높으면 기계가공성은 상대적으로 불량하므로 주철의 경우에는 경도가 낮아야한다. 

  표 2의 주철관의 표준규격에서 경도의 상한치를 표시한 것을 봐도 알수있다. 

  회주철은 경도가 보통 HB 150~300범위이고, 덕타일주철은 일반적 으로 ferrite 기지인 경우는 HB 160~210정도이며 pearlite 기지인 경우에는 HB 200~270 정도이다. 

3) 내충격 강도 

  주철의 충격에 대한 저항성과 충격천이온도(衝擊遷移溫度)는 극히 중요한 기계적 성질의 하나이다. 충격치는 규소량과 P의 증가에 따라 감소하고, 기지가 pearlite일 때 보다는 ferrite일 때 충격치가 높다. 그림2에 덕타일 주철과 회주철의 온도 변화에 따를 charpy충격치를 나타내었다.

  여기에서 덕타일 주철은 회주철보다 충격치가 현저히 높고 0℃이하 온도에서도 높은 값을 갖고 있음을 알 수 있다. 

  이와같이 회주철이 낮은 충격치를 갖는 것은, 기지가 대부분 경한 pearlite로 되어 있을 뿐 아니라 1)에서도 언급한 바와 같이 흑연이 편상으로 존재하므로 이들 흑연이 기지를 불연속적으로 절단하는 상태가 되어, 재료내에 일종의 notch 역할을 하므로 충격하중에 쉽 게 파단(破斷)되기 때문인 것으로 보인다. 반면에 덕타일주철은 기지 자체가 전연성이 좋은 ferrite로 되어 있고, 흑연이 기지 내에 노출되는 표면적이 최소 상태인 구상으로 존재하며, 또 기지가 거의 연속적으로 이어져 있으므로 충격 흡수 능력이 높고 따라서 높은 충격 치를 나타낸다고 설명할 수 있다. 

4) 내부식성 

      송배수관의 부식문제는 송배수의 위생적인 측면이나 경제적인 측면 에서그중요성이매우높다. 

  관의 내부가 수분에 의해 부식을 당하게 되면 첫째로 수질을 해치 게되고 부식 생성물인 녹의 침지와 도관 내면의 거칠음으로 인하여 관의 송배수 능력을 저하시키게 되며, 장기적으로 공식(pitting)이나 관 두께의 감소로 주철관의 수명에 절대적인 영향을 주게 된다. 부식이란 일반적으로 어떤 외부 물질이 금속과 반응하여 더 안정한 화합물을 생성시키므로 금속에 손상을 일으키는 화학 또는 전기화학적 작용을 말한다. 

  화학적 부식이란 그 금속표면에 접촉하는 비금속 원소나 화합물이 직접적인 화합 또는 화합물 중의 다른 원소와의 치환에 의하여 진행 되는 부식으로 주철의 경우 가장 일반적인 것은 산소와 수분에 의한 부식이다. 

  송배수용 주철관에 있어서는, 수분은 계면(界面)에서 주철과 반응할 음이온을 공급하거나 수분이 주철을 양이온으로 분해시키려는 경향이 있을 때 수중의 음이온 성분과 주철중의 양이온 성분이 화합하여 관을 부식시키게 되며, 이때 수산화제이철 또는 붉은 녹이 수중에 발생 하게 된다.

  또한 주철의 조직 성분 중 흑연은 전기화학적으로 최상의 물성을 나타내며 기지 성분은 철탄화물, pearlite, ferrite 순으로 귀하므로 흑연과 기지 조직의 전위차(電位差)에 의하여 기전력(起電力)이 발생 되고 기지가 선택적으로 부식된다. 이러한 현상을 전기화학적 국부 전지 작용에 의한 국부 침식(局剖浸蝕-local pitting)이라 하는데 흑연과 기지의 접촉면적이 넓을수록 국부전지의 발생과 동시에 부식 량도 증가하게 된다. 

  이러한 과정들로 부식이 진행되면 주철 표면은 수산화철 혹은 산화 철로 변화하나, 흑연은 그대로 잔존하여 표면에 흑연피막을 형성하 게 되고 부식생성물이 교착상태로 되어 강고한 보호피막을 형성하 며, 더 이상의 내부 부식을 방지하게 된다. 표 3은 덕타일 주철과 회 주철의 상수도물 중 침지 시간과 부식량의 관계를 나타낸 것이다.

  한편 상수도용 주철관은 보통 지하에 매설하므로 토양(土壤)조건에 따라 발생하는 외부 표면의 부식 문제도 고려해야 한다. 주철관의 토양에 대한 내부식 실험은 여러 사람에 의해 수행되어 왔는데 1968 년 미국의 Romanoff는, 덕타일 주철관과 회주철관을 8~12년 동안 각기다른 토양조건에서 실험하여 비교하였다. 

  그림 3은 이 결과를 나타낸 것으로 각지의 토양에 대하여 최대공식 (孔飾) 깊이와 주철관의 중량 손실을 시간의 경과에 따라 나타내었다. 실험방법은 직경 2 inch, 두께 1/4 inch의 주철관을 대략 3~4ft 지하에 매설한 다음, 시간의 경과에 따라 측정하여 그 평균치를 계산 하였다. 

  그림에서 볼 수 있는 바와 같이 토양조건에 따라 부식량의 차가 현저 하고 동일한 토양 조건에서는 덕타일 주철과 회주철의 부식 속도도 서로 비슷함을 알 수 있다.

  그런데 또 다른 문헌에서는 덕타일주철 중에서도 ferrite 기지의 주철관은 흑연이 구상으로 유리해서 존재하며 기지의 치밀도가 비교 적 손실되지 않기 때문에 제반 부식제가 내부에 침입하기 어렵게 되어 회주철보다 내식성이 우수한 것으로 보고된 바도 있다. 

  결국, 주철관의 내부식성에 대한 많은 조사결과들을 종합하여 동일한 토양조건일 때 이들 주철관의 부식 양상(樣狀)과 부식 생성물은 동일 하고, 덕타일주철관의 내부식성은 최소한 회주철과 동일하거나 우수한 것으로 평가된다. ANSI standard A21.51에 따르면 덕타일주철관은 어떠한 토양조건에도 설치 가능하고 부식으로 인한 파열을 걱정할 필요가 없다고 되어 있다.

5) 내파열압력 

  송배수관이 지하에 부설되어 그 기능을 발휘하게 되면 관의 내외로 부터 막대한 압력을 받게 된다. 먼저 내부압을 고찰하면 송수에 필 요한 정수압(靜水壓)과 물의 갑작스런 흐름으로 물기둥이 관벽과 충 돌 할때 일어나는 파괴적인 수충압(water hammer)이 작용한다. 지금까지 사례로 보아 송배수관의 내부압력으로 인한 파괴는 거의 이러한 수충압 때문인 것으로 알려졌다. 더욱이 오늘날에는 송배수 관로가 장거리화하고 위치수두의 차가 증가하게 되며 대량의 물을 집중 급수해야 하는 지역이 많아지므로 수충압의 문제는 더욱 심각 하게 되었다. 또한 내부압력이 증가하면 필연적으로 도관(道管)에서 의 누수(漏水) 현상도 많이 발생하게 된다. 

  그러나 내압 능력을 향상시키기 위하여 무조건 관벽의 두께를 증가 시킬 수는 없기 때문에 이러한 점에서도 강도가 높은 덕타일 주철은 적당한 재료임이 입증된다. 

  주철관의 내파열 압력은 대략 P=2ts/D의 식에 의하여 구하는데 표 4는 이 식을 사용하여 구한 덕타일주철관의 내파열 압력이다. 위 식에서 P는 파열수압, s는 관재(管財)의 인장강도, t는 관의 두께 (관 두께에서 주조공차 10%를 뺀 두께, 10㎜이상은 1㎜를 뺀 두께) 그리고 D는 관의 내경이다.

 

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