김진원 수자원기술㈜ 연구원장

 환경의 날 특집 Ⅱ. 수도 분야에도 융합기술 도입 시급하다

 

“상수관망 관리에 로봇기술 활용 필요”

안정성 확보로 원활한 용수공급 상태 유지…돌발사고 발생시 신속 복구 가능
수자원기술, 국내 12개 지자체·사우디서 41㎞ 구간 시범사업 로봇기술 적용

 

▲ 김 진 원 수자원기술㈜ 연구원장
Part 02. 로봇을 이용한 최적 관망관리·개량 기술


수돗물 관리에 대한 예산 및 정책은 정수장 수질관리 분야에는 철저한 반면, 수송과정인 상수관망에 대한 진단 및 관리는 미흡한 실정이다. 수돗물 수질이 좋다 하더라도 수송과정에서 오염이 발생하면 결과적으로 깨끗한 수돗물을 공급할 수 없다. 이에 관망의 철저한 관리 필요성이 제기됨에 따라 로봇 기술을 활용한 관리방안이 고려된다.

상수관망에 대한 로봇기술의 활용은 2004년 12월 환경부 ‘에코스타 프로젝트(Eco-STAR Project)’를 통한 ‘상수관로 종합관리 서비스 시스템’의 구축 일환으로 △상수관로 조사·진단 기술 △상수관로 보수·보강 기술 △상수관로 유지·관리 기술이 제시되었으며, 상수관로 성능향상을 위한 개량공법의 개발 측면에서 접근이 가능하다.

조사·진단 기술은 매설관 위치 탐사 시스템, 누수탐사 시스템, 부단수 관로 내시 진단 시스템, 관로 화상 진단 로봇 등이 있으며, 보수·보강 기술은 소구경 클리닝 로봇 및 소구경 라이닝 로봇 등이 해당된다. 유지·관리 기술은 밸브 유지관리 시스템, 상수관로 복합세척 공법 등이 포함된다.

▲ 화상진단 로봇 시스템을 이용하여 관망 상태를 진단하는 모습.

GBEST사업, 첨단기술 융합 개발

환경부  ‘에코이노베이션 프로젝트(Eco-Innovation Project)’의 일환으로 ‘차세대 지능형 상수관망 기술개발 사업(GBEST사업)’이 발주됨에 따라 최적의 관망관리 및 개량기술 개발을 위해 첨단기술이 융합된 기술·공법·장비 개발이 필요해졌다. 이에 △통합형 상수관로의 맵핑(mapping) 누수탐사 시스템 △상수관로의 심리스(seamless) 현장경화관 갱생 공법 △능동형 관로 세척 장비 등의 연구가 진행되었다.

GBEST사업단이 개발 중인 통합관리 시스템은 세부과제에서 개발된 기술을 검증·개선하는 테스트 베드(Test-bed) 구축, 통합관리 시스템을 개발하는 총괄과제로 구성되었으며 △스마트 블록 시스템 △종합적 최적 관망관리 기술 △비상 시 재해 대응 시스템 기술 등 6개의 세부과제를 수행함으로써 우리나라 상수관망을 개선하고 관리기술을 세계적인 수준으로 향상토록 노력 중이다.

2011년 ‘로봇활용 시범보급사업’을 통해 개발된 상수관망 로봇 시스템은 12개 지자체에서 총 41㎞ 규모로 적용되어 첨단·과학화된 시스템을 구축했다. ‘환경정책기반 공공기술 개발사업’에서는 상수도시설 누수관리를 위한 극저주파 위치탐사 시스템을 개발했다. 이어 ‘시장창출형 로봇보급사업’은 2015년에, ‘EI-Phase Ⅱ’ 사업은 올해부터 시행되었다.

 
관망 최적화, 검진·치료·관리로 실현

상수관망 최적관리 방안으로 제시되는 ‘스마트 워터 유틸리티 시스템(Smart Water Utility System)’은 관망에 대한 일반검진, 정밀검진, 질병치료, 건강관리 순으로 구성된다. 관망 일반검진에서는 △부단수 관로 내시 진단 시스템 △화상진단 로봇 시스템 △초소구경관로 내시 진단 시스템 등을 통해 노후 상수관로를 조사·진단할 수 있으며, 정밀진단에서는 △매설관 통합 다기능 탐사 시스템 △장거리 이송형 진단 시스템 등을 적용할 수 있다.

관망 치료 과정에서는 상수관로 클리닝 로봇 및 라이닝 로봇 등 갱생용 로봇 및 시스템, 대형관 자동화 갱생 시스템 등을 도입해 노후 상수관로의 보수·보강이 기대된다. 관망 관리 측면에서는 상수관망 유지·관리를 위한 △무단수 밸브 유지관리 기술 △밸브 패킹·스케일 제거 및 밸브 교체 △아이스 클리닝 세척 공법 △동결차수 공법 △와이어로프 유지관리 시스템 △수도시설 점검정비 사업 등의 적용이 가능하다([그림 1] 참조).

 
매설관 위치탐사, 이동경로 기록

로봇을 이용한 관망관리 기술은 △매설관 위치 탐사 시스템 △장거리 이송형 진단 시스템 △3D 레이저 영상분석 △화상진단 로봇 시스템 △중구경 노후 상수관로 갱생 기술 △대구경 노후 상수관로 자동화 갱생 기술 등이 있다.

매설관 위치탐사 시스템은 상수관로 내부를 이동하면서 데이터를 수집하고 이동경로를 기록해 3D 위치지리정보를 획득, 기술 적용을 위한 맵핑 센서 모듈을 보호하는 하우징을 제작하는 것으로, 맵핑·누수탐사·내시진단의 통합형으로 개발되고 기능별로는 관내 이동성을 확보하기 위해 2단으로 구성된다.

장거리 이송형 진단시스템은 관 내부 상태를 화상으로 촬영해 진단하는 기술로 지하에 매설되어 있는 상수도관의 누수 및 위치정보를 획득한다. 상하수도 관 종류에 제한이 없다는 특징이 있으며, 진단 거리는 1㎞ 이내로 부단수 환경에서 적용이 가능하다.

3D 레이저 영상분석 기술의 경우 시편을 통한 관로의 깊이·넓이 등 부식도를 정밀측정해 관로의 잔존 두께를 계측한다. 시편은 부단수 관로내시를 위한 부단수 천공 과정에서 획득이 가능하다.계측 데이터는 관로 이력정보와 결합해 별도의 데이터 베이스로 관리되어 향후 데이터베이스 분석과 빅데이터 기법의 결합을 통해 노후도 평가 및 자산관리의 의사결정 자료를 생성할 수 있다.

▲ 수자원기술㈜에서 개발하여 현장에 적용되고 있는 대구경 노후 상수도관로 자동화 갱생 장비인 ‘LINECARE 1500B’.

관로 갱생, 클리닝·라이닝 로봇 활용

화상진단 로봇 시스템은 비전 기술을 활용, 고성능의 줌·틸트 카메라를 통해 화상정보에 의한 상태분석을 실시한다. 소구경용과 중구경용으로 구분되며 대상 관경, 방수 성능 등에서 차이를 보인다. 중구경 노후 상수관로의 갱생 기술로는 2천500바(bar)의 초고압 워터젯(waterjuet)을 이용해 관 내면의 스케일과 부식층을 제거하는 클리닝 로봇 시스템, 각종 라이닝·코팅 재료를 관 내면에 균일하게 분사하는 라이닝 로봇 시스템 등이 있다.

클리닝 로봇 시스템은 라이닝을 위한 바탕면 표면처리 효율을 향상시키며, 스케일·공식부의 선별적, 선택적 제거가 가능하다. 또한 관체 노후도에 따른 초고압 워터젯의 압력 조절, 노즐 회전속도 제어를 통한 관체 손상방지 등의 효과가 있다.

라이닝 로봇 시스템은 고품질의 안정적인 라이닝 시공으로 도막 내구성을 보장하며, 도료의 특성에 따라 노즐 회전속도를 제어해 두께를 조절한다. 구경의 크기에 따라 소구경용은 회전디스크노즐 방식(Spin-cast Lining)을, 중구경용은 회전스프레이 노즐 방식(Rotating Nozzle Lining)을 이용한다.

 
K-water 발주 사업서 1순위 선정

대구경 노후 상수관로 자동화 갱생 기술은 △관내 퇴적된 이토 및 슬라임 등을 제거하는 ‘LINECARE 1500C’ △관내 스케일 및 콜타르에나멜 등 도복장을 제거하는 ‘LINECARE 1500S’ △라이닝의 품질 향상을 위해 건식으로 대상관의 바탕 표면을 처리하는 ‘LINECARE 1500B’ △관의 바탕면 도장을 위한 ‘LINECARE 1500L’ 등이 해당되며, K-water가 발주한 턴키사업인 ‘금강광역상수도 노후관 갱생공사’의 기본설계 적격심의 기술평가에서 1순위로 선정된 바 있다.

‘LINECARE 1500C’기술은 3축 회전 노즐의 워터젯을 이용해 관 내면을 고압으로 세척하고 세척 대상물 상태에 따라 워터젯의 분사 압력을 조절하는 등 도수관의 내부 슬라임 및 퇴적토를 제거한다. ‘LINECARE 1500S’기술은 회전하는 기구부에 인덕션(induction) 장비 및 플레이트 바이트를 장착해 도장면을 박리·제거하며, 기존의 물리적 제거 방식 대비 관체 손상이 거의 없다.

‘LINECARE 1500B’기술은 건식으로 바탕 표면을 처리하고 연마재를 임펠러(impeller)의 원심력으로 큰 동력원 없이 강하게 관내에 투사한다. 비산되는 연마재와 분진은 진공 흡입을 통해 분리되며, 블라스트 장비로 재투입되는 순환 구조 방식이다.

‘LINECARE 1500C’기술은 도장용 오토건을 회전하는 기구에 장착해 적정 두께로 코팅했으며, 불량률 감소의 일환으로 압력 이상 시 자동 트립 시스템을 탑재한다. 유압형 리액터를 적용하는 경우 장거리 도료 이송도 가능하다.

 
12개 지자체, 4년간 시범사업 실시

수자원기술㈜이 주관하고 한국환경공단에서 전담한 ‘상수도관망 로봇활용 시범보급사업’은 최첨단 로봇을 활용한 관망관리 시스템을 도입하고 상수도 관망관리의 비효율성을 개선하기 위한 목적으로 시행되었다. 또한 2011년 5월부터 2014년 4월까지 4년간 실시되었으며, 실증 현장 적용을 바탕으로 첨단·과학화된 상수관로 유지관리 서비스 시스템 구축을 목표했다. 

이에 상수도관망 로봇을 투입해 조사, 진단, 갱생의 단계적 프로세스를 적용시켰고 시범보급사업 진행 후에는 진단보고서, 인증기준, 운영 매뉴얼을 도출했다. 사업 대상은 국내의 경우 경기 양평군, 강원 태백·정선 영월 등 남부권 및 양양군, 대전광역시, 충북 진천군·보은군, 경남 거창군, 전남 순천시·영광군, 전북 남원시 등 국내 12개 지자체에서 실시되었다. 해외에서는 사우디아라비아를 대상으로 했다. 시범사업의 적용물량은 약 41㎞로 해외에서 적용된 1.3㎞를 제외한 나머지 40㎞는 국내에서 적용되었다([표 1] 참조).

▲ 로봇을 이용한 관망관리 시범사업 모습. 위에서부터 누수탐사 시스템(15㎞ 수행), 부단수 내시 진단 시스템(12.1㎞ 수행), 갱생 로봇 시스템(2.7㎞ 수행).

물 분야, 신 융합기술 역할 기대

주기적인 유지관리와 정기적인 사전예방점검을 기반으로 설비 운영상 도출된 문제점의 원인을 파악하고 빠르게 조치하면 원활한 용수공급 상태를 유지하는 동시에 관망관리의 최적화가 실현될 것으로 기대된다. 특히 정기적인 예방점검을 실시해 설비 수명연장은 물론, 철저한 관리 및 즉각적인 해결을 기반으로 용수시설 유지 예산을 절감할 수 있다.

또한 개·보수사항 이력관리 및 과학화 기법을 적용해 체계적인 보수체계를 구축함으로써 각종 돌발사고에도 신속하게 복구할 수 있는 체제가 마련될 것으로 보인다. 뿐만 아니라 각종 밸브·배관 누수의 정기점검을 바탕으로 원활한 설비 가동 상태를 유지하게 되면 누수율을 감소시키고 수질이 향상되는 효과를 가져올 것으로 예상된다. 용수시설 이력관리 및 첨단장비를 활용하는 경우에는 설비별 분석 및 결과조치로 인한 고객의 신뢰성을 확보함으로써 설비 고장에 대한 불안감이 해소될 수 있다.

이처럼 관망관리에 로봇기술을 활용한 다양한 기술들을 적용하게 되면 여러 긍정적인 효과가 나타날 것으로 분석된다. 관망관리 분야뿐만 아니라 물 분야 전체에서 앞으로도 로봇기술을 포함한 새로운 융합기술은 큰 역할을 할 것으로 기대됨에 따라 이에 대한 기술은 지속적으로 개발·적용되어야 한다.

[『워터저널』 2016년 6월호에 게재]

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