KR100380113B1

KR100380113B1 - 지하금속매설물의 부식수명예측시스템 및 부식수명예측방법

Info

Publication number: KR100380113B1
Application number: KR10-2000-0027306A
Authority: KR
Inventors: 하태현; 배정효; 김대경; 이현구
Original assignee: 아키정보기술(주); 한국전기연구원
Priority date: 2000-05-20
Filing date: 2000-05-20
Publication date: 2003-04-16
Also published as: KR20010106042A

Abstract

본 발명은 지하매설물의 체계적인 관리를 위해 운용되고 있는 지리정보시스템(GIS)에 시설물의 안전에 직결되는 부식정보를 연계하고, 위치정보와 함께 정기적으로 새로운 부식정보를 분석하여 지하 시설물의 수명예측 및 인접한 지하매설물과의 상호간섭을 해석하고 그 대책을 제시하는 지하금속매설물의 부식수명예측시스템 및 부식수명예측방법에 관한 것으로서, 매설된 방식대상물, 및 외부전원법 또는 희생양극에 의한 방식설비에 대한 3차원적 속성정보를 획득입력하거나 기 구축된 GIS시스템으로부터 제공받아 제1데이터베이스를 구축하고, 검출된 해당 방식대상물의 부식전위와 부식데이터를 포함하는 부식관련정보 및 정류기 출력 전압/전류를 포함하는 방식설비관련정보를 수신하여 상기 구축된 제1데이터베이스와 연계된 제2데이터베이스를 구축하고(S100). 상기 구축된 제1 및 제2데이터베이스에 근거하여 상기 방식대상물 및/또는 상기 방식설비의 수명을 예측하고(S200), 또한, 상기 제1 및 제2데이터베이스에 근거하여 근접된 타 시설물로부터의 상기 방식대상물에 대한 간섭유무를 해석하고 간섭종류를 분석한 다음(S300), 그 분석된 간섭종류에 따라 상기 예측된 수명을 보정하여 종합적인 수명예측치를 출력하도록 한다(S400).

Description

지하금속매설물의 부식수명예측시스템 및 부식수명예측방법{A Corrosion Prediction System of Underground Metallic Structures and it's Analysis Method}

본 발명은 지하금속매설물의 부식수명예측시스템 및 부식수명예측방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지하매설물의 체계적인 관리를 위해 운용되고 있는 지리정보시스템(Geographic Information System : GIS)에 시설물의 안전에 직결되는 부식정보를 연계하고, 위치정보와 함께 정기적으로 새로운 부식정보를 분석하여 시설물의 수명을 예측할 뿐만 아니라, 인접한 지하매설물과의 상호간섭을 해석하고 그 대책을 제시하는 지하금속매설물의 부식수명예측시스템 및 부식수명예측방법에 관한 것이다.

일반적으로, "부식"이라 함은 물질이 주위환경과 반응하여 물질자체가 변질되거나 혹은 물질의 특성이 변질되는 것으로 정의된다. 이러한 부식은 대부분 전자의 이동에 의한 전기 화학적 반응 때문에 발생하므로 전기 화학적 부식이라 부른다. 금속구조물이 전해질내에서 주위 환경과 반응하게 되면 부식 전지상태가 되어 부식전류를 발생시킨다. 부식전지가 형성되면 더욱 액티브(active)하고 전위가 낮은 쪽이 양극이 되어 부식된다. 부식전지는 양극(anode), 음극(cathode), 전류경로(electric path) 또는 금속경로(metallic path), 이온경로(ionic path) 또는 전해질(electrolyte)의 4가지 조건으로 이루어진다.

상기 부식을 감지하는 방법으로는, 음향을 반사시킨 다음에 어레이센서(array sensor)와 다채널 감시장치를 이용하여 음향을 수신하고 이를 분석·처리하여 금속의 균열 및 이상 지점을 찾아내는 음향반사법, 금속의 부식으로 인해 줄어든 금속의 두께 변화를 감지하여 부식유무를 점검하는 초음파법, 전도성 유동체내에 시험용 탐침을 삽입시켜 선형 분극을 측정함으로써 순간적인 부식율을 알아내는 순시 부식율 측정법, 장시간 동안 부식으로 인한 저항변화를 감지함으로써 부식율을 알아내는 저항측정법, 전해질내의 금속표면에서 금속의 전기화학적 전위를 측정하여 부식진행 유무를 판단하는 전기화학적 전위측정법 등이 있으며, 근래들어 많이 사용되는 방법은 전기화학적 전위측정법이다.

상기 전위측정법은 부식검사 대상물인 금속구조물의 기준전극[유산동 기준전극(Cu/CuSO4)]에 대한 자연전위를 측정하는 방법으로, 전압을 측정할 수 있는 계기의 (-)단자에 방식(防蝕)대상물을 연결하고 (+)단자에 기준전극을 연결하여 기준전극을 방식대상물의 직상부 지표면에 접촉시켜 전위값을 읽는 것이다. 이렇게 읽혀진 값은 방식기준과 비교하여 금속구조물이 방식상태에 있는지를 판정하며, 방식기준으로 -850mV/CSE 기준을 사용할 경우 금속구조물의 전위가 유산동 기준전극에 대하여 -850mV 이하(예를 들면, -1000mV)로 유지시켜 주면 금속구조물은 방식됨을 의미하고 그 이상일 경우 부식되고 있음을 의미한다.

현재 방식분야에서의 부식점검 활동현황은, 방식 대상물(가스배관, 송유관, 상하수도관, 석유화학단지의 각종 탱크, 기타 지하 금속매설물 등)을 소유하고 있는 소유자가 자체 혹은 방식관련 업체에 의뢰하여 방식 대상물에 대한 부식 유무와 관련하여 부식 점검활동을 비정기적 혹은 정기적으로 실시함으로써 이루어지고 있다.

일반적으로 "방식"이라 함은 상기한 부식의 요인들중에서 하나이상의 조건을 제거 또는 억제하는 것을 말한다. 일반적으로 방식분야에서는 부식의 조건을 완전히 제거하기는 현실적으로 어렵고, 부식 억제제(inhibitor), 절연판 또는 기타 방법을 사용하여 양극 또는 음극반응을 억제하거나 전자 또는 이온의 흐름을 차단하는 방법들을 채택하고 있다. 이중에서 가장 널리 사용하는 방법은 양극반응을 억제하는 방법의 일종인 음극방식(cathodic protection)법으로, 일반적으로 전기방식법이라고 통용하고 있다.

상기 전기방식법의 원리를 살펴보면, 금속의 부식은 금속표면에서 전해질을 통하여 전류가 유출되는 부분에 발생하므로 전해질을 통하여 금속표면에 직류전류(방식전류)를 인위적으로 유입시키면 금속표면에서 음극반응이 일어나게 되어 부식이 방지되는 원리이다.

현재 방식분야에서 방식 대상물(가스배관, 송유관, 상·하수도관, 기타 지하금속구조물 등)의 부식을 방지하기 위한 전기방식 설비로 정류기가 사용되고 있다. 이 방식용 정류기는 방식 대상물이 부식하지 않도록 하기 위해, 방식 대상물의 전위를 일정한 기준치 -850mV/CSE 이하로 낮추도록 일정한 직류전류를 토양(전해질)을 통하여 방식 대상물에 흘려주는 장치이다. 즉, 지중(地中)에 매설된 방식대상물의 전위와 기준전극의 기준전위를 측정단자함을 통하여 아날로그 메타(테스터기; tester) 혹은 휴대용 기록계(Strip Chart Recorder, EPR) 등을 사용하여 수작업에의해 측정하고, 이 측정된 전위를 기초로 방식용 정류기의 출력을 설정하면, 방식 전류기로부터 소정의 방식 전류가 지중에 매설된 불용성 양극(High Silicon Cast Iron : HSCI) 및 토양을 매개로 방식 대상물에 흐름에 따라 방식 대상물의 전위가 기준전극에 대하여 -850mV 이하(예를 들면, -1000mV)로 유지시켜 줌으로써, 방식 대상물이 방식되도록 하고 있다.

이와 같은 방식 대상물이 되는 도시 지하매설물들의 관리에 대한 중요성이 점차 두각되고 있으며, 현재 도심지에는 도시가스배관, 상·하수도관, 송유관, 고압전력 케이블, 첨단정보통신선로 등의 방식 대상물들이 「도시의 생명선」역할을 하며 도심 지하에 거미줄처럼 놓여 있다. 이 생명선의 관리소홀은 엄청난 사고를 불러일으킬 수 있음에도 불구하고 아직도 「줄 파기 공법」등 원시적 공법으로 각종 지하 매설물 공사를 하고 있고, 잘못된 도면을 가지고 혹은 아예 그것마저도 없이 전문지식도 없는 인부들이 직감적으로 공사를 진행하고 있는 실정이다.

또한, 우리사회가 70년대 이후 급격하게 산업화, 도시화되면서 대형화된 도시기반시설들을 가지고 있으며 해마다 급격하게 늘어나고 있다. 그리고 이들은 대부분 지하에 매설되어 있으며 대부분 금속으로 되어 있어 세심한 관리가 이루어지지 않으면 부식을 하게 된다. 이러한 지하매설물(가스관, 송유관, 상하수도관 등)의 부식에 의한 직·간접적인 손실은 년간 GNP의 4%(1997년 기준 16조원)에 달하고 있는 실정이므로, 체계적이고 과학적인 관리기법을 구축함으로써 인적·물적 손실을 미연에 방지할 필요성이 있다.

우리나라(대한민국)의 경우 1980년대 초 GIS가 소개되었으며 1990년대 초부터 대구, 광주광역시 등 일부 지자체에 GIS를 근간으로하는 도로관리체계를 시범적으로 개발하였으며 한국전력, 한국통신 등 정부투자기관에서는 GIS를 이용한 시설물관리체계를 구축하기 시작하였으나, 대형사고 예방의 차원에서 주요 지하매설물(가스관, 송유관 및 전력선 등)의 GIS에 부식 정보가 필요하지만 현재의 GIS에는 부식정보에 대한 속성이 아예 없거나, 있다 하더라도 지하매설물 관리 주체별로 분산 개발함에 따라 데이터의 호환성이 결여되어 있으며, 또 타 시설물의 부식정보와 상호 연계된 정보가 없는 상태이기 때문에, 일시적이고 부분적인 부식율을 수동적으로 측정하여 지하매설물의 상태를 감시할 수는 있으나 실시간적이며 상호연계적이고 광범위한 감시가 현실적으로 이루어지지 못하고 있음은 물론, 지하금속매설물은 수십년 단위의 장기적인 측면에서 유지/보수/설치 등의 관리가 필요함에도 불구하고 지하금속매설물의 수명을 예측하여 장기적인 관리 대책을 마련하기 위한 부식수명예측시스템에 대해서는 현재까지 전혀 제안된 바 없는 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같이 지하금속매설물의 체계적인 관리에 대한 필요성에 입각하여 창작된 것으로서, 그 목적은 보편화된 GIS 시스템에 연계하여 지하금속매설물에 대한 3차원적 속성 정보에 대한 데이터베이스(D/B)를 구축하고, 그 데이터베이스화된 3차원적 속성정보에 연계하여 지하금속매설물의 전기적 부식정보에 대한 데이터베이스를 구축함과 아울러, 상기 구축된 데이터베이스에 근거하여 지하금속매설물에 대한 간섭해석 및 부식률 예측에 의한 수명을 예측하도록 된 지하금속매설물의 부식수명예측시스템 및 부식수명예측방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지하금속매설물의 부식수명예측시스템의 구성도이고,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지하금속매설물의 부식수명예측방법을 설명하는 흐름도이고,

도 3은 도 2의 단계 S220의 방식대상물에 대한 수명예측을 설명하는 흐름도이고,

도 4는 도 2의 단계 S300에서의 간섭유무해석방법을 설명하는 흐름도이고,

도 5는 도 4의 상기 단계 S313 및 S325에서의 간섭종류분석 방법을 설명하는 흐름도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 금속 구조물(방식 대상물) 20A-n,20A+n,20B: 기준전극

21A-n,21A+n : 부식센서 30A-n,30A+n,30B : 측정 단자함

40A-n,40A+n : 부식감시 단말장치 40A-n1,40A+n1,40B_1 : TRS단말기

40A-n2,40A+n2 : 부식 감시 단말기 40B : 방식제어 단말장치

40B_2 : 방식 제어 단말기 50 : 중앙제어장치

60 : 방식용 정류기 70 : 불용성 양극(HSCI)

80 : 지리정보시스템(GIS)

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 지하금속매설물의 부식수명예측시스템은, 지하에 매설된 방식 대상물 및/또는 그 방식 대상물에 대한 전기적 방식설비에 있어서, 상기 방식 대상물의 임의 위치에서 부식관련 정보 및 정류기 출력전류를 포함하는 방식관련 정보를 검출하여 데이터화한 뒤 전송하는 적어도 하나의 부식감시장치; 상기 방식 대상물 및 상기 방식설비의 위치, 크기, 재질을 포함하는 3차원적 속성 정보 및 해당 토양의 3차원적 비저항 정보를 데이터베이스화하여 저장하는 제 1 저장수단; 상기 부식감시장치로부터 수신되는 상기 부식 및 방식관련 데이터를 데이터베이스화하여 저장하는 제 2 저장수단; 상기 제 1 및 제 2 저장수단에 저장된 데이터에 근거하여 근접된 타 시설물로부터의 상기 방식대상물에 대한 간섭유무를 해석하고 간섭종류를 분석하는 제 1 제어수단; 및 상기 제 1 및 제 2 저장수단에 저장된 데이터에 근거하여 상기 방식대상물 및/또는 상기 방식설비의 수명을 예측하되, 상기 제 1 제어수단에 의해 분석된 간섭종류에 의거하여 상기 예측된 수명을 보정하는 제 2 제어수단을 포함하여 구성된다.

상기 제 1 저장수단에 저장되는 상기 각종 정보들은 지리정보시스템(GIS)으로부터 제공받거나 외부로부터 입력도록 함이 바람직하고; 상기 제 1 제어수단은, 상기 방식대상물의 허용전위 변화분 및/또는 상기 정류기의 출력전류에 대한 이론치와 실측치의 허용전류 변화분에 근거하여 상기 간섭유무를 해석하며, 상기 방식대상물 및 근접된 타 시설물에 대한 전위변화량을 각각 계산하여 그 계산된 결과값에 따라 상기 간섭종류를 음극간섭, 양극간섭, 또는 합동간섭으로 분류하되, 상기 음극간섭은 상기 방식대상물의 전위변화값이 "0"을 초과함과 아울러 상기 타시설물의 전위변화값이 "0" 미만일 경우이고, 상기 양극간섭은 상기 방식대상물의 전위변화값이 "0" 미만임과 아울러 상기 타시설물의 전위변화값이 "0"을 초과할 경우이며, 상기 합동간섭은 상기 음극간섭 및 양극간섭 이외의 경우로서; 상기 제 1 제어수단은 상기 음극간섭시 긴급보수요구표시를, 상기 양극간섭시 진단요구표시를, 그리고 상기 합동간섭시 긴급진단요구표시를 함과 아울러, 상기 제 2 제어수단은 상기 제 1 제어수단의 표시되는 간섭종류에 의거하여 상기 예측된 수명을 보정하도록 한다.

또한, 상기 제 2 제어수단은 상기 방식 대상물에 전기방식설비가 있고 그 설비가 정상적으로 동작하여 상기 제 2 저장수단에 저장된 상기 방식 대상물의 전위가 기준전극에 대하여 -850mV이하를 유지하면, 상기 방식대상물에 대한 전기방식설비 종류에 따라 희생양극 또는 불용성양극의 수명을 산출함으로써 상기 방식설비의 수명을 예측하도록 하고, 상기 방식 대상물에 전기방식설비가 없거나 전기방식설비가 있더라도 상기 방식대상물의 전위가 기준전극에 대하여 -850mV를 초과하거나 상기 정류기가 고장(예컨데, 전류기 출력 전압/전류가 '0'인 경우)이라고 판단되면, 상기 제 2저장수단에 데이터베이스화되어 저장되는 부식률의 누적 데이터로부터 통계기법을 이용하여 측정시간과 측정부식깊이간의 상관관계식을 유도함으로써 부식율을 예측하며, 상기 예측된 부식률과 상기 방식대상물의 부식여유두께에 근거하여그 방식대상물의 수명을 예측하도록 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 지하금속매설물의 부식수명예측방법은, 지하에 매설된 방식 대상물 및/또는 그 방식 대상물의 전기적 방식설비에 대한 관리방법에 있어서, 상기 방식 대상물 및 상기 방식설비의 위치, 크기, 재질을 포함하는 3차원적 속성 정보 및 해당 토양의 3차원적 비저항 정보를 획득하여 데이터베이스화 하는 제 1 단계; 상기 제 1단계에서 구축된 데이터베이스에 연계하여 해당 방식대상물의 부식률, 정류기 출력전류를 포함하는 방식관련 정보를 검출하고 데이터화한 뒤 전송하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계에서 전송되는 상기 부식 및 방식관련 데이터를 수집하여 데이터베이스화 하는 제 3 단계; 및 상기 제 1 및 제 3 단계에서 구축된 데이터베이스에 근거하여 방식대상물 및/또는 상기 방식설비의 수명을 예측하는 제 4 단계를 포함하여 구성되며, 상기 제 1 및 제 3 단계에서 구축된 데이터베이스에 근거하여 근접된 타 시설물로부터의 상기 방식대상물에 대한 간섭유무를 해석하고 간섭종류를 분석하는 제 5 단계를 더 포함하여 구성된다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 지하금속매설물의 부식수명예측방법에서 지하금속매설물의 간섭 해석 방법은, 지하에 매설된 방식 대상물 및/또는 상기 방식 대상물의 전기적 방식설비를 관리하는 방법에 있어서, 상기 방식대상물의 전위 및/또는 상기 전기적 방식설비의 출력전류를 측정하는 제 1 단계; 상기 측정된 전위에 근거한 전위변화값이 기 설정된 허용전위변화범위를 벗어나는가를 판단하거나, 및/또는 상기 측정된 전류에 근거한 전류변화값이 기 설정된 이론적 허용전류변화범위를 벗어나는가를 판단하는 제 2 단계; 상기 판단결과에 따라 근접된 타 시설물로부터의 상기 방식대상물에 대한 간섭유무를 판단하는 제 3 단계; 상기 제 3 단계에서 간섭유로 판단될 시, 상기 방식대상물 및/또는 상기 근접된 타 시설물의 전위를 측정하여 그 전위변화값을 계산하는 제 4 단계; 상기 계산결과, 상기 방식대상물의 전위변화값이 "0"을 초과함과 아울러 상기 타시설물의 전위변화값이 "0" 미만일 경우 음극간섭으로, 상기 방식대상물의 전위변화값이 "0" 미만임과 아울러 상기 타시설물의 전위변화값이 "0"을 초과할 경우 양극간섭으로, 상기 음극간섭 및 양극간섭 이외의 경우는 합동간섭으로 판단하는 제 5 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지하금속매설물의 부식수명예측시스템 및 부식수명예측방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지하금속매설물의 부식수명예측시스템의 구성도로서, 복수개의 부식감시 단말장치(40A-n,…,40A+n), 적어도 하나 이상의 방식제어 단말장치(40B), 방식용 정류기(60), 및 방식대상물의 설치위치와 속성에 대한 데이터베이스 구축과 부식예측과 간섭해석을 위한 총괄적인 제어장치로서의 중앙제어장치(50)를 포함하여 구성된다.

상기 부식감시 단말장치(40A-n,…,40A+n)는 상기 서버(50)로부터 부식관련 데이터의 수집명령이 입력됨에 따라 지중에 매설된 금속 구조물(10)의 소정 개소로부터의 아날로그 전위데이터와, 기준전극(20A-n,…,20A+n)으로부터의 아날로그 기준전위 데이터와, 부식센서(21A-n,…,21A+n)로부터의 아날로그 부식데이터(부식센서가 ER Probe인 경우 저항값)를 테스트 박스(TB; 30A-n,…,30A+n)를 통해 입력받아 해당 지점의 부식전위와 부식률을 검출하기 위한 부식감시 단말기(40A-n2,…,40A+n2); 및 상기 중앙제어장치(50)로부터 출력되는 데이터 수집명령을 주파수 공용통신 시스템(Trunked Radio System : TRS) 통신망을 통해 수신하여 상기 부식감시 단말기(40A-n2,…,40A+n2)에 전달하고, 상기 부식감시 단말기(40A-n2,…,40A+n2)에서 검출한 상기 부식전위 데이터와 부식데이터를 상기 TRS통신망을 통해 상기 중앙제어장치(50)로 전송하기 위한 TRS단말기(40A-n1,…,40A+n1)를 포함하여 구성되어 있다. 한편, 상기 테스트 박스(TB; 30A-n,…,30A+n)를 제거하고 상기 기준전극(20A-n,…,20A+n)과 상기 부식센서(21A-n...21A+n)를 상기 부식감시 단말장치(40A-n,…,40A+n)의 상기 부식감시 단말기(40A-n2,…,40A+n2)에 직접 연결하여도 무방하다.

상기 방식제어 단말장치(40B)는 상기 중앙제어장치(50)로부터 방식관련 데이터의 수집명령이 입력됨에 따라 지중에 매설된 금속 구조물(10)의 소정 개소로부터의 아날로그 전위데이터와 기준전극(20B)으로부터의 아날로그 기준전위 데이터를 테스트 박스(TB;30B)를 통해 입력받아 해당 지점의 부식전위를 검출하고, 이 검출된 부식전위 데이터를 후술하는 TRS단말기(40B_1)를 통해서 상기 중앙제어장치(50)로 전송하며, 또한 후술하는 방식용 정류기(60)의 출력신호(출력전위 또는 출력전류)를 검출하고 이 검출된 정류기 출력 데이터를 후술하는 TRS단말기(40B_1)를 통해서 상기 중앙제어장치(50)로 전송하고, 상기 중앙제어장치(50)로부터 방식제어신호를 입력받아 후술하는 방식용 정류기(60)를 제어하는 방식제어 단말기(40B_2); 및 상기 중앙제어장치(50)로부터 방식전위 데이터 수집명령 및 방식제어신호를 TRS 통신망을 통해 수신하여 상기 방식제어 단말기(40B_2)에 전달하고, 상기 방식제어 단말기(40B_2)에서 검출한 방식전위와 정류기(60)의 출력신호를 상기 TRS통신망을 통해 상기 중앙제어장치(50)로 전송하기 위한 TRS 단말기(40B_1)를 포함하여 구성되어 있다. 한편, 상기 테스트 박스(TB; 30B)를 제거하고 그 테스트 박스(30B)를 통해 연결되는 전기적 단자들을 상기 방식제어 단말장치(40B)의 상기 방식제어 단말기(40B-2)에 직접 연결하여도 무방하다.

상기 방식용 정류기(60)는 상기 방식제어 단말장치(40B)의 방식제어 단말기(40B_2)에서 인가되는 제어신호에 따라, 소정의 방식 전류가 지중에 매설된 불용성 양극(Hi-Silicon Cast Iron : HSCI)(70)과 토양을 매개로 해당 방식 대상물(10)에 흐르도록 하여 방식 대상물(10)의 전위가 기준전극(20B)에 대하여 -850mV 이하로 유지되도록 함으로써 방식 대상물(10)이 방식되도록 한다.

상기 중앙제어장치(50)는 본 발명에 따라 각종 정보를 수집/획득하여 데이터베이스화하고 수명예측/보정, 간섭 해석 등을 수행할 수 있는 컴퓨터로 구성된 것으로서, 운용자의 요청 및/또는 설정된 주기에 따라 소정 위치에 있는 부식감시 단말장치(40A-n,…,40A+n) 및 방식제어 단말장치(40B)에 부식 및/또는 방식관련 데이터 수집명령을 TRS통신망을 통하여 하달하고, 상기 부식감시 단말장치(40A-n,…,40A+n) 및 방식제어 단말장치(40B)로부터 TRS통신망을 통해 전송되어 온 부식 및 방식관련 각종 데이터를 데이터베이스(이하, 제 2 데이터베이스라 함)화 하여 제 2 저장부(도시되지 않음)에저장하고, 운용자의 요청에 따라 상기 저장된 데이터를 그래픽 및 수치로 화면상에 표시하고 프린트하여준다. 또한, 상기 중앙제어장치(50)는 지중에 매설된 금속 구조물(10)의 위치, 크기, 재질을 포함하는 3차원적 속성 정보와, 상술된 부식감시 단말장치(40A-n,…,40A+n), 방식제어 단말장치(40B), 방식용 정류기(60)를 포함하는 방식설비의 각종 속성 정보와, 토양의 3차원적 비저항 정보를 데이터베이스(이하 제 1 데이터베이스라 함)화하여 제 1 저장부(도시되지 않음)에 저장하되, 이와 같은 각종 속성 정보는 상기 중앙제어장치(50)를 지리정보시스템(GIS)(80)과 유선 및/또는 무선망을 매개로 통신연결하여 그 지리정보시스템(80)으로부터 제공받거나, 상기 중앙제어장치(50)의 입력장치를 통해 운용자로부터 입력되어 데이터베이스화 한다.

특히, 상기 중앙제어장치(50)는 상기 제 1 및 제 2 저장부에 각각 상기 제 1 및 제 2 데이터베이스로 구축된 정보에 근거하여 상기 방식대상물 및/또는 상기 방식설비의 수명을 예측함과 아울러, 근접된 타 시설물(예컨데, 새로이 매설된 금속구조물)(미도시)로부터의 상기 매설된 금속구조물(10)에 대한 간섭유무를 해석하고 간섭종류를 분석하며, 상기 간섭종류가 분석될 경우 그 분석결과에 의거하여 상기 예측된 수명을 보정하도록 하는 바, 이하 상기의 수명예측과 간섭분석 및 예측보정에 대하여 도 2 내지 도 5에 도시된 흐름도를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지하금속매설물의 부식수명예측방법을 설명하는 흐름도로서, 도 1의 시스템 구성에서 상기 중앙제어장치(50)에 적용되어 실행되는 부식예측(즉, 수명예측)을 위한 흐름도이므로, 도 1의 동작과 병행하여 설명토록 한다.

먼저, 상기 매설된 금속구조물(이하 방식대상물이라 함)(10), 상기 방식용정류기(60)와 불용성양극(70)으로 구성되는 외부전원법에 의한 방식설비 또는 희생양극(미도시)로 구성되는 방식설비에 대한 3차원적 속성정보, 및 토양의 비저항 정보를 획득하여 입력하거나 기 구축된 GIS시스템(80)으로부터 제공받아 일예로 상기 중앙제어장치(50)의 상기 제 1 저장부에 하기 [표 1]과 같이 제 1 데이터베이스를 구축하고, 상기 부식감시단말장치((40A-n,…,40A+n)로부터 검출되어 전송되는 해당 방식대상물의 부식전위와 부식데이터를 포함하는 부식관련 정보 및 상기 방식제어단말장치(40B)로부터 검출되어 전송되는 방식전위와 정류기 출력전류를 포함하는 방식관련 정보를 수신하여, 상기 구축된 제 1 데이터베이스에 연계된 제 2 데이터베이스를 상기 중앙제어장치(50)의 상기 제 2 저장부에 구축한다(S100).

[표 1]

Name	속 성	데이터값	비 고	Name	속 성	데이터값	비 고
Test Box	관리번호			절연밸브	관 경
	관리기관				설치년도
	설치일자				연결관로	∼
	재 질			절연 Joint	관리번호
	관 경				관리기관
	심 도				설치일자
	P/S전위(mV)	최 대				재 질
		최 소				관 경
		평 균				연결관로	∼
	측정일자			Anode	관리번호
	토양비저항		(Ω·cm)		관리기관
	부식률		(mpy)		설치일자
	예상수명				재 질
정 류 기	관리번호				크 기
	관리기관				무 게
	설치일자				출력전류
	출력전압			배 관	재 질
	출력전류				심 도
	배류점전위		(mV)		관 경
	방식범위	∼			표 면 적
	동작상태				길 이
관 로	관리번호				표 면 적
	관리기관				배관두께
	설치일자				허용두께
	재 질				부식두께
	관 경				여유두께
	길 이				부 식 률		(mpy)
	가스압력		(kg/cm²)
	최대심도
	최소심도
절연밸브	관리번호
	관리기관

이어, 상기 중앙제어장치(50)는 상기 단계 S100에서 구축된 상기 제 1 및 제 2 저장부의 상기 제 1 및 제 2 데이터베이스에 근거하여 상기 방식대상물 및/또는 상기 방식설비의 수명을 제 1 제어부(도시되지 않음)를 통해 예측하는 바(S200), 지하매설물의 수명예측은 크게 방식설비에 대한 수명예측(S210)과 방식대상물에 대한 수명예측(S220)으로 나누어 수행한다.

또한, 상기 중앙제어장치(50)의 제 2 제어부(도시되지 않음)는 상기 제 1 및 제 2 데이터베이스에 근거하여 근접된 타 시설물로부터의 상기 방식대상물에 대한 간섭유무를 해석하고 간섭종류를 분석한 다음(S300), 그 분석된 간섭종류에 따라 상기 단계 S200에서 상기 제 1 제어부를 통해 예측된 수명을 보정하여 종합적인 수명예측치를 출력하도록 한다(S400).

이어, 도 2의 상기 단계 S210에서 상기 중앙제어장치(50)의 상기 제 1 제어부에 의해 수행되는 상기 방식설비의 수명예측에 대하여 설명하면 다음과 같다.

지하매설배관의 부식방지를 위한 전기방식법에는 크게 희생양극법과 외부전원법이 있는 바, 먼저 전기방식설비가 희생양극법인 경우, 희생양극의 수명은 하기 수학식 1에 의해 구해진다.

여기서, Y는 양극의 수명[y], Ca는 양극의 전류용량[A·y/kg], Wt는 양극의 무게[kg], f는 이용률,It는 양극의 출력전류[A]를 나타내는 것으로서, 상기 방식제어단말장치(40B)를 통해 희생양극(미도시)의 출력전류 It와 사용시간 데이터를 검출해 내면 해당 희생양극의 남은 수명을 예측할 수 있다.

다음 전기방식설비가 외부전원법인 경우, 불용성양극(High Silicon Cast Iron ; HSCI)(70)의 수명은 하기 수학식 2에 의해 구해진다.

여기서, Y는 양극의 수명[y], W는 양극의 무게[kg], f는 이용률, It는 양극발생전류[A], Cr는 양극 소모율[kg/A·y]을 나타내는 것으로서, 상기 방식제어단말기(40B)를 통해 상기 방식용정류기(60)의 발생전류 It와 사용시간 데이터를 검출해 내면 해당 불용성양극(70)의 남은 수명을 예측할 수 있다.

도 3은 도 1의 상기 중앙제어장치(50)의 상기 제 1 제어부에서 수행되는 도 2의 상기 단계 S220의 방식대상물에 대한 수명예측을 설명하는 흐름도로서, 상기 부식센서(21A-n,...,21A+n)를 전기저항법에 의한(ER : Electrical Resistance) ER프로브(ER Probe)로 설치하여 그 ER프로브로부터 발생되는 방식대상물(10)의 부식으로 인한 양단저항의 변화를 상기 부식감시장치(40A-n,...,40A+n)에서 검출 측정하고, 그 저항의 변화값을 일정시간동안 누적측정하여 부식률데이터로 환산한 후 상기 TRS통신망을 통해 상기 중앙제어장치(50)로 제공하면, 상기 중앙제어장치(50)는 이를 상기 제 2 저장부에 제 2 데이터베이스화하고, 그 제 2 데이터베이스화된 부식률에 대한 통계에 근거하여 측정시간과 측정부식깊이간의 상관관계식을 유도함으로써 부식율을 예측하고, 상기 예측된 부식률과 상기 방식대상물의 부식여유두께에 근거하여 그 방식대상물의 수명을 예측한다.

즉, 지하매설관의 부식률은 토양환경하에서 단위시간당 발생 부식의 양을 나타내며, 상기 부식센서(21A-n,...,21A+n)에 의해 측정할 수 있으므로, 상기 중앙제어장치(50)의 상기 제 1 제어부는 상기 데이터베이스화된 부식율 데이터에 근거하여 부식측정시간 x와 측정된 부식깊이 y간의 상관관계를 예컨데 "y=a+bx(a,b는 상수)"와 같은 함수식으로 유도하고(S221), 이어 각 실제 측정시점마다 누적된 부식률 통계 데이터에 의거하여 부식측정시간 x와 측정된 부식깊이 y간의 상관관계가 주변부식환경(예컨데, 토양비저항, 이온 PM 등)을 고려해 볼 때 일차함수관계, 지수함수관계, 또는 로그함수관계인지 분석하여 예측함수를 갱신하며(S222), 오차를 최소화하는 통계적 기법(예컨데, 최소자승법(MLS))을 적용하고(S223), 상수 a.b를 유도하여(S224), 최종적인 예측식을 유도(S225)한 뒤, 그 유도된 예측식에 의거하여 방식대상물의 부식률을 예측하고, 그 예측된 부식률과 상기 방식대상물의 부식여유두께에 근거하여 방식대상물의 수명을 예측한다(S226).

도 4는 도 1의 상기 중앙제어장치(50)의 상기 제 2 제어부에서 수행되는 도 2의 상기 단계 S300에서의 간섭유무해석방법을 설명하는 흐름도로서, 간섭은 지하매설배관(방식대상물)의 방식에 영향을 미치는 요소로 근접해 있는 다른 시설물 주변의 전위분포를 변화시키는 바, 적용되는 전기방식법에 따라 희생양극법과 외부전원법으로 구분하여 간섭 유무를 해석한다.

즉, 희생양극법에서는(S311) 상기 부식감시장치(40A-n...40A+n)를 통해 검출 제공되어 상기 제 2 데이터베이스화된 부식전위데이터에 근거하여 방식대상물(10)의 전위변화값이 기 설정된 허용전위변화분의 범위를 벗어나는 가를 판단하고(S312), 벗어났다고 판단되면 간섭유로 판단하여 간섭종류를 분석한다(S313).

외부전원법에서는(S321) 상기 방식용정류기(60)의 이론적인 소요전류를 계산하여 허용전류변화분을 기설정하고(S322), 상기 방식제어단말장치(40B)를 통해 검출 제공되는 지점별 상기 방식용정류기(60)의 출력전류(S323)가 상기 기설정된 이론적 허용전류변화분의 범위를 벗어나는 가를 판단하고(S324), 벗어났다고 판단되면 간섭유로 판단하여 간섭종류를 분석한다(S325).

도 5는 도 4의 상기 단계 S313 및 S325에서의 간섭종류분석 방법을 설명하는 흐름도로서, 도 5의 상기 단계 S312 및/또는 상기 단계 S324에서 간섭유로 판단되면, 상기 부식감시단말장치(40A-n...40A+n) 및/또는 상기 방식제어단말장치(40B)를 통해 검출 제공되어 상기 제 2 데이터베이스화된 상기 방식대상물(10)의 전위데이터에 근거하여 그 방식대상물(10)의 전위변화를 계산(△P_Gi)하고(S301), 근접된 타 시설물의 전위변화를 측정 계산(△P_oi)한 다음(S302), 그 계산 결과에 의거하여 간섭종류를 판단하되(S303), 상기 방식대상물의 전위변화값이 "0"을 초과함과 아울러 상기 타시설물의 전위변화값이 "0" 미만일 경우(△P_Gi0 and △P_oi<0) 음극간섭으로(S304), 상기 방식대상물의 전위변화값이 "0" 미만임과 아울러 상기 타시설물의 전위변화값이 "0"을 초과할 경우(△P_Gi<0 and △P_oi0) 양극간섭으로(S305), 상기 음극간섭 및 양극간섭 이외의 경우(other)에는 합동간섭으로(S306) 각각 분류하여 판단하고, 상기 음극간섭시 긴급보수요구표시를(S307), 상기 양극간섭시 진단요구표시를(S308), 그리고 상기 합동간섭시 긴급진단요구표시를(S309)하며, 상기 표시되는 간섭종류에 의거하여 도 2의 상기 단계 S400에서는 상기 중앙제어장치(50)의 상기 제 2 제어부를 통해 상기 단계 S200에서 예측된 수명을 보정한다.

상기 단계 S400에서의 수명예측보정에 대한 일예를 설명하면, 상기 단계 S200에서 예측된 수명에 상기 표시되는 간섭종류에 의거한 적정 계수를 곱함으로써 현장에 따라 적절한 잔존 수명값(예컨데, 긴급보수요일 경우 24시간, 긴급진단요일 경우 7일, 진단요일 경우 1개월)으로 보정한다. 일예로 , 상기 예측된 수명이 100년이고 상기 단계 S304 및 S307에서 음극간섭으로 판단되어 긴급보수요구표시 상태일 경우, "100년 * 계수 = 24시간"이 되므로 상기 계수는 "100년/24시간"이 되는 데, 이와 같은 계수는 고정된 것이 아니라 현장의 환경에 따른 누적 자료에 의거하여 적절히 보정되어야 한다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 지하금속매설물의 부식수명예측시스템 및 부식수명예측방법은, 지하매설물의 체계적인 관리를 위해 운용되고 있는 GIS에 시설물의 안전에 직결되는 부식정보를 연계하고 위치정보와 함께 정기적으로 새로운 부식정보를 분석하여 시설물의 수명을 예측할 뿐만 아니라 인접한 지하매설물의 상호간섭을 해석하고 그 대책을 제시함으로써, 환경오염 예방, 대형사고 예방 및 경제적인 지하매설물 관리에 이바지한다. 또한, 본 발명에 따른 부식수명예측방법에서의 수명예측 및 간섭해석방법에 의하면 지하금속매설물 뿐만 아니라 해양구조물, 선박, 시추선 등의 부식예측에도 적용할 수 있어 그 응용분야는 광범위하며, 또한, 최근 교통문제를 해결하기 위해 지하철 및 고속전철이 계속 건설되고 있고 이들에 의한 누설 전류는 주위의 지하매설물에게 간섭을 일으켜 심각한 부식문제를 야기하게 되는 바, 본 발명에 의하면 이러한 문제까지도 해결하여 지하매설물에 대한 체계적인 관리 및 장기적인 관리 대책을 수립할 수 있는 획기적인 시스템이다.

Claims

지하에 매설된 금속매설물 및/또는 그 방식 대상물에 대한 전기적 방식설비에 있어서,

상기 방식 대상물의 임의 위치에서 부식전위와 부식센서의 출력신호를 포함하는 부식관련 정보, 및 방식전위와 상기 방식설비의 출력전류/전압를 포함하는 방식관련 정보를 검출하여 데이터화한 뒤 전송하는 적어도 하나의 부식감시수단;

상기 방식 대상물 및 상기 방식설비의 위치, 크기, 재질을 포함하는 3차원적 속성 정보 및 해당 토양의 3차원적 비저항 정보를 데이터베이스화하여 저장하는 제 1 저장수단;

상기 부식감시수단으로부터 수신되는 상기 부식 및 방식관련 데이터를 데이터베이스화하여 저장하는 제 2 저장수단;

상기 제 1 및 제 2 저장수단에 저장된 데이터에 근거하여 상기 방식대상물 및/또는 상기 방식설비의 수명을 예측하는 제 1 제어수단; 및

상기 제 1 및 제 2 저장수단에 저장된 데이터에 근거하여 근접된 타 시설물로부터의 상기 방식대상물에 대한 간섭유무를 해석하고 간섭종류를 분석하며, 그 분석된 간섭종류에 의거하여 상기 예측된 수명을 보정하는 제 2 제어수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 지하금속매설물의 부식수명예측시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 저장수단에 저장되는 상기 각종 정보들은 지리정보시스템(GIS)으로부터 제공받거나 외부로부터 입력되는 것을 특징으로 하는 지하금속매설물의 부식수명예측시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 제어수단은, 상기 방식대상물의 허용전위 변화분 및/또는 상기 방식설비의 정류기의 출력전류에 대한 이론치와 실측치의 허용전류 변화분에 근거하여 상기 간섭유무를 해석하고, 상기 방식대상물 및 근접된 타 시설물에 대한 전위변화량을 계산하여 그 계산된 결과값에 따라 상기 간섭종류를 음극간섭, 양극간섭, 또는 합동간섭으로 분류하는 것을 특징으로 하는 지하금속매설물의 부식수명예측시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 음극간섭은 상기 방식대상물의 전위변화값이 "0"을 초과함과 아울러 상기 타시설물의 전위변화값이 "0" 미만일 경우이고, 상기 양극간섭은 상기 방식대상물의 전위변화값이 "0" 미만임과 아울러 상기 타시설물의 전위변화값이 "0"을 초과할 경우이며, 상기 합동간섭은 상기 음극간섭 및 양극간섭 이외의 경우로서, 상기 제 1 제어수단은 상기 음극간섭시 긴급보수요구표시를, 상기 양극간섭시 진단요구표시를, 그리고 상기 합동간섭시 긴급진단요구표시를 함과 아울러, 상기 제 2 제어수단은 상기 제 1 제어수단의 표시되는 간섭종류에 의거하여 상기 예측된 수명을 보정하는 것을 특징으로 하는 지하금속매설물의 부식수명예측시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 제어수단은, 상기 방식대상물에 대한 전기방식설비가 희생양극법인 경우 상기 제 2 저장수단에 저장된 희생양극의 출력전류데이터와 사용시간데이터 및 "Y = (C_a*W_t*f)/(I_t)"의 수식에 의거하여 희생양극의 수명을 산출하고, 외부전원법인 경우 상기 제 2 저장수단에 저장된 불용성양극의 발생전류데이터와 사용시간데이터 및 "Y = (W*f)/(I_t*C_r)"의 수식에 의거하여 불용성양극의 수명을 산출함으로써 상기 방식설비의 수명을 예측하되, 여기서 Y는 희생양극 및 불용성양극의 수명[y], Ca는 희생양극의 전류용량[A·y/kg], Wt는 희생양극의 무게[kg], W는 불용성양극의 무게[kg], f는 이용율, It는 각각 희생양극 및 불용성양극의 출력전류[A] 및 발생전류[A], Cr은 불용성양극의 소모율[kg/A·y]인 것을 특징으로 하는 지하금속매설물의 부식수명예측시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 제어수단은, 상기 제 2 저장수단에 저장된 부식률의 누적데이터로부터 통계기법을 이용하여 부식에 대한 측정시간과 측정부식깊이간의 상관관계식을 유도함으로써 부식률을 예측하고, 상기 예측된 부식률과 상기 방식대상물의 부식여유두께에 근거하여 그 방식대상물의 수명을 예측하는 것을 특징으로 하는 지하금속매설물의 부식수명예측시스템.
지하에 매설된 방식 대상물 및/또는 그 방식 대상물의 전기적 방식설비에 대한 관리방법에 있어서,

상기 방식 대상물 및 상기 방식설비의 위치, 크기, 재질을 포함하는 3차원적 속성 정보 및 해당 토양의 3차원적 비저항 정보를 획득하는 제 1 단계;

상기 제 1단계에서 획득된 정보에 근거하여 해당 방식대상물의 부식관련 정보, 및 정류기 출력전압/전류를 포함하는 방식관련 정보를 검출하고, 그 검출된 부식 및 방식 관련 데이터를 수집하여 데이터베이스화 하는 제 2 단계;

상기 제 1 및 제 2 단계에서 구축된 데이터베이스에 근거하여 상기 방식대상물 및/또는 상기 방식설비의 수명을 예측하는 제 3 단계; 및

상기 제 1 단계에서 획득된 정보와 상기 제 2 단계에서 검출된 정보에 근거하여 근접된 타 시설물로부터의 상기 방식대상물에 대한 간섭유무를 해석하고 간섭종류를 분석한후, 그 분석된 간섭 종류에 의거하여 상기 제 3 단계에서 예측된 수명을 보정하는 제 4 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 지하금속매설물의 부식수명예측방법.
제 7 항에 있어서,

상기 제 3 단계는, 상기 방식 대상물의 전위가 기준전극에 대하여 일정값 이하를 유지하면 상기 방식설비의 수명을 예측하도록 하고, 상기 방식 대상물의 전위가 기준전극에 대하여 일정값을 초과함과 아울러 상기 정류기의 출력 전압/전류가 '0'인 경우는 상기 방식대상물의 수명을 예측하도록 하는 것을 특징으로 하는 지하금속매설물의 부식수명예측방법.
제 7항 또는 제 8 항에 있어서,

상기 제 3 단계는,

상기 방식대상물에 대한 전기방식설비의 종류를 판단하는 하위 1단계;

상기 판단결과 그 종류가 희생양극법인 경우, 상기 제 3 단계에서 데이터베이스화된 희생양극의 출력전류 It와 사용시간 데이터 및 "Y = (Ca*Wt*f)/(It)"의 수식에 의거하여 희생양극의 수명을 산출하여 상기 방식설비의 수명을 예측하는 하위 제 2 단계; 및

상기 판단결과 그 종류가 외부전원법인 경우, 상기 제 3 단계에서 데이터베이스화된 불용성양극의 발생전류 It와 사용시간데이터 및 "Y = (W*f)/(It*Cr)"의 수식에 의거하여 불용성양극의 수명을 산출하여 상기 방식설비의 수명을 예측하는 하위 제 3 단계를 포함하여 구성되되,

여기서 Y는 희생양극 및 불용성양극의 수명[y], Ca는 희생양극의 전류용량[A·y/kg], Wt는 희생양극의 무게[kg], W는 불용성양극의 무게[kg], f는 이용율, It는 각각 희생양극 및 불용성양극의 출력전류[A] 및 발생전류[A], Cr은 불용성양극의 소모율[kg/A·y]인 것을 특징으로 하는 지하금속매설물의 부식수명예측방법.
제 7 항 또는 제 8항에 있어서,

상기 제 3 단계는, 상기 제 2 단계에서 데이터베이스화된 부식률의 누적데이터로부터 통계기법을 이용하여 부식에 대한 측정시간과 측정부식깊이간의 상관관계식을 유도함으로써 부식율을 예측하고, 상기 예측된 부식률과 상기 방식대상물의 부식여유두께에 근거하여 그 방식대상물의 수명을 예측함을 특징으로 하는 지하금속매설물의 부식수명예측방법.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 제 4 단계는, 상기 방식대상물의 허용전위 변화분 및/또는 상기 정류기의 출력전류에 대한 이론치와 실측치의 허용전류 변화분에 근거하여 상기 간섭유무를 해석하는 하위 1단계; 및

상기 제 1 단계에서 간섭유로 판단될 시, 상기 방식대상물 및 근접된 타 시설물에 대한 전위변화량을 각각 계산하여 그 계산된 결과값에 따라 상기 간섭종류를 음극간섭, 양극간섭, 또는 합동간섭으로 분류하는 하위 제 2 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 지하금속매설물의 부식수명예측방법.
제 12 항에 있어서,

상기 하위 2 단계는, 상기 방식대상물의 전위변화값이 "0"을 초과함과 아울러 상기 타시설물의 전위변화값이 "0" 미만일 경우 음극간섭으로, 상기 방식대상물의 전위변화값이 "0" 미만임과 아울러 상기 타시설물의 전위변화값이 "0"을 초과할 경우 양극간섭으로, 상기 음극간섭 및 양극간섭외에는 합동간섭으로 각각 분류하되, 상기 음극간섭시 긴급보수요구표시를, 상기 양극간섭시 진단요구표시를, 그리고 상기 합동간섭시 긴급진단요구표시를 함과 아울러, 상기 표시되는 간섭종류에 의거하여 상기 제 4 단계에서의 상기 수명 보정을 수행함을 특징으로 하는 지하금속매설물의 부식수명예측방법.
제 7 항에 있어서,

상기 제 1 단계는, 지리정보시스템(GIS)과 연계하여 상기 각종 정보를 획득함을 특징으로 하는 지하금속매설물의 부식수명예측방법.
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