고려대 최병호 교수팀, 산화되는 폴리에틸렌 배관의 사용수명·균열방향 예측 모델 발표

고려대학교는 기계공학부 최병호 교수 연구팀이 국제 공동 연구를 통해 폴리에틸렌 배관이 손상되는 산화 환경에서 사용 수명과 저속 균열 방향을 예측할 수 있는 새로운 이론 모델을 발표했다고 13일 밝혔다.

폴리에틸렌 배관은 가공이 쉽고, 강한 외부 압력에도 내구성이 뛰어나다는 특성 덕분에 다양하게 사용된다. 다만 염소수와 같은 화학물질에 노출되면 산화 반응이 일어나 사용 수명이 빠르게 감소한다. 

최근 가정이나 산업계에서 산화 반응을 가속하는 소독약 사용이 늘면서 배관의 수명을 예측하는 연구가 주목받고 있다. 그러나 기존 연구는 폴리에틸렌 배관의 시편 단위, 즉 부분만 추출해 산화 반응을 조사하는 데 그쳤다. 또 배관 크기에 따른 다중 균열 발생과 저속 균열 진전을 고려해 파괴 역학적으로 수명을 예측하는 정량 모델을 구성하는 데에는 미치지 못했다.

공동 연구진은 이번 연구에서 다중 균열이 시작된 초기 영역을 기계·화학적 열화 기구를 기반으로 정의했으며, 이를 통해 주요 균열의 진전 방향과 속도를 성공적으로 모사했다. 아울러 산화 환경에서 폴리에틸렌 배관의 균열 발생에서 손상 진전, 배관 파손으로 이어지는 통합적 수명 예측 모델을 개발했다. 

최 교수는 "이번 연구는 복잡한 산화 환경에서 정량적인 폴리에틸렌 배관의 전 주기 수명 예측이 가능해진 점에서 의미가 크다"며 "최근 급격히 증가하는 고분자 배관의 안정적이고 장기적인 활용에도 도움이 되리라 기대한다"고 말했다. 

이번 연구 성과는 국제학술지 '국제 기계 과학 저널(International Journal of Mechanical Sciences)'에 지난해 11월 1일 게재됐다. 최 교수가 교신저자, 알렉산더 추드노브스키 UIC(일리노이대 시카고 캠퍼스) 교수와 슐리만 드뷔시 박사가 공동저자, 위정욱 국립금오공대 교수가 제1 저자로 각각 참여했다. 

이번 연구는 한국연구재단과 산업통상자원부, 글로벌 석유화학 기업 '보르쥬 Pte(Borouge Pte. Ltd.)'의 지원으로 수행됐다.