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[특별강연] ① 미국 물산업의 인프라 현황
2019년 06월 05일 (수) 09:35:14 워터저널 webmaster@waterjournal.co.kr

 세계 환경의 날 특집  Ⅱ. 2019년 상하수도 관리 선진화 & 물산업 세계화 전략세미나(상)


“북미지역 상수관 파손율 6년간 27% 증가”


 50년 이상된 상수관 30% 육박…부식성 토양에 의한 부식 파손이 주원인
부식에 강한 플라스틱이 대안 재질로 각광…한국 PPI평화의 iPVC관 주목
                                                                              (아피즈 상수도관)


   
▲ 스티븐 폴크만
(Steven Folkman)
미국 유타주립대학교 기계우주항공공학과 교수
[특별강연] ① 미국 물산업의 인프라 현황


상수관 파손율 연구 두 차례 진행

2009년 미국의 토목공학협회는 미국 내 음용수용 상하수 인프라에 ‘D-’라는 점수를 주었고 이 점수는 2017년 ‘D’로 한 단계 상승했다. 점수만 놓고 보면 매우 낮은 수준이나, 한편으로 이는 미국 내 음용수 인프라 상태가 점차 개선되고 있음을 짐작케 한다.

실제로 이를 명확히 알아보고자 2012년 유타대는 미국과 캐나다에 시공되어 있는 주요 상수관의 파손율에 대한 연구를 진행, 이 연구에서  PVC파이프가 가장 낮은 파손율을 보인다는 사실을 밝혀냈다. 이후 2017년 유타대는 2012년에 수행한 조사를 동일한 방식으로 다시 실시했고, 2018년에 이에 대한 연구결과를 발표했다.

   
▲ 이혜정 PPI평화 미국법인장이 스티븐 폴크만 교수의 발표내용을 동시통역을 하고 있다.
2018년의 연구는 미국 50개 주 중 48개 주, 캐나다 10개 주 중 7개 주를 대상지역으로 했으며, 이들 지역에 시공된 상수관의 13%에 해당하는 27만4천504㎞(17만569마일)를 조사했다. 

상수관 파손율에 대한 데이터는 지역 내 수돗물 공급업체(유틸리티)에 요청해 받았다. 이 연구는 미국과 캐나다에서 진행된 상수관 조사 중 역대 최대 규모이다.

상수관 파손율, 관 재질과 연관 있어

먼저 조사지역에 시공되어 있는 상수관의 재질을 조사한 결과, 회주철관(28%), 덕타일주철관(28%), PVC관(22%), 석면시멘트관(13%) 등 4개 재질의 관이 전체 상수관의 91%에 달하는 것으로 조사됐다. 이밖에 흄관이 3%, 강관이 3%, 기타(HDPE관 포함) 0.8% 등을 차지했다.

또한 상수관의 파손율은 재질과 관련이 있고 상수관 파손율의 정확도는 조사된 상수관의 총 연장과 관련이 있는 것으로 나타났다. 예를 들어 흄관과 강관은 각각 전체 상수관의 3%를 차지하는 것으로 나타났는데, 이 경우 이들 파손율의 정확도는 타 상수관에 비해 낮다고 이해하면 된다.

상수관의 수명조사에서는 20년 이상 50년 미만인 것이 전체의 43%로 2012년 연구결과와 동일하게 나타났다. 이어 △50년 이상 28%, △10년 이상 20년 미만 18%, △10년 미만 11% 순이었다. 특히 시공된 지 50년이 넘은 상수관의 비율은 2012년(22%)보다 다소 늘었는데, 이는 고령화된 상수관의 교체율이 낮다는 것을 의미한다.

노후관 중에서는 회주철관(20%), 석면시멘트관(5%) 순으로 나타나 회주철관과 석면시멘트관의 교체가 시급한 것으로 조사됐다. 반면 최근 10년간 가장 많이 시공된 상수관은 덕타일주철관과 PVC관이었다.

   
 
누수 저감 위해 관 평균수압 감소 추세

관의 관경조사에서, 조사된 총 상수관의 67%가 관경이 200㎜ 이하인 것으로 조사됐다. 관경이 200㎜ 이하인 상수관 중에서는 회주철관이 19.1%로 가장 많았으며 덕타일주철관이 17.2%, PVC관이 16.0%, 석면시멘트관이 13.5% 순으로 뒤를 이었다. 큰 직경의 상수관은 주로 흄관과 강관인 것으로 조사됐다.

상수관의 평균 수압은 0.48MPa(69psi)로 2012년 조사의 0.53MPa(77psi)보다 하락한 것으로 나타났다. 이는 누수로 인한 물 손실을 줄이기 위해 상수관의 평균수압을 감소시키는 업계의 현 추세를 보여준다.

특히 조사된 관의 대부분은 파손을 줄여 기대수명이 늘어날 수 있도록 정격수압보다 훨씬 낮게 운영되고 있었으며, 최고수압은 0.82MPa(119psi)로 조사됐다. 이밖에 평균 물 수요량은 1인 1일당 519L, 최대 수요량은 1인 1일당 951L로 나타났다.

   
▲ 지난 5월 16일 휘닉스 제주 아일랜드볼룸에서 열린 ‘제3회 2019년 상하수도관리 선진화 & 물산업 세계화 전략 세미나’에서 미국 유타주립대학교 스티븐 폴크만(Steven Folkman) 교수가 ‘미국 물산업의 인프라 현황’에 대해 발표를 하고 있다.

파손율 정확도, 조사된 관 길이에 비례

상수관 파손에 관해서는 여러 가지 정의가 있을 수 있지만 연구진은 2012년과 2018년의 연구에서 ‘누수가 탐지된 곳과 보수가 이뤄진 곳’으로 파손의 의미를 규정했다. 연구목적은 상수관의 수명을 조사하는 것이어서, 이음부 연결문제나 공사중 타격이나 천공작업으로 인한 파손은 조사대상에서 제외했다.

공사중 타격이나 천공작업 등에 의한 우발적 파손은 상수관이 얼마나 오래 지속되는지를 제대로 반영한다고 볼 수 없으며, 최근의 상수관들이 대체로 유사한 개스킷(gasket)을 사용하고 있어 이음부 누수문제는 대부분 시공상 오류에 의한 것으로 봐야 한다.

일반적으로 파손율 데이터는 연도별, 수돗물 공급업체별로 상당한 분산이 있어, 소수의 수돗물 공급업체를 대상으로 도출한 파손율 데이터는 정확성이 떨어진다. 이에 연구진은 파손율 데이터의 신빙성을 높이기 위해 가급적 많은 기업체로부터 데이터를 얻는 것을 목표로 하고, 수돗물 공급업체들에게 각기 다른 재질의 상수관별로 최근 12개월 동안의 파손율(파손수/(100마일/년)) 데이터를 요청했다.

파손율의 정확도는 조사된 상수관의 전체 길이에 비례하므로 흄관과 강관은 타 상수관, 즉 회주철관, 덕타일주철관, PVC관, 석면시멘트관 등에 비해 파손율의 정확도가 낮다고 간주했다. 다만 2012년 조사에 비해 2018년의 조사응답자(수돗물 공급업체)가 50% 증가한 점을 고려하여 2018년의 흄관 및 강관의 파손율 데이터가 2012년의 것보다는 정확하다고 해석했다.

   
 
6년간 상수관 전체 파손율 27% 증가

연구결과, 2012년 대비 2018년 조사에서 전체 파손율은 약 27% 증가한 것으로 나타났다. 특히 석면시멘트관과 회주철관의 파손율 증가율이 각각 46%, 43%로 높게 나타나 이것이 전체 파손율 증가에 영향을 미친 것으로 분석된다. 파손율의 증가는 상수관 인프라의 품질이 퇴보했다는 것을 보여주는 결정적인 증거이므로 석면시멘트관과 회주철관의 효용은 이제 한계에 다다랐다. 이 연구결과를 보고 수돗물 공급업체들은 미래에 석면시멘트관과 회주철관의 교체공사를 계획할 수 있다.

또한 덕타일주철관의 파손율은 2012년 4.9%에서 2018년 5.5%로 약 13% 증가했으며, 흄관과 강관의 파손율은 각각 43%, 44%로 대폭 감소했다. 다만 흄관과 강관의 경우 표본데이터가 워낙에 작아 정확도는 떨어진다.

2012년과 2018년 조사 모두에서 가장 낮은 파손율을 보인 관은 PVC관이다. 2012년에 2.6%, 2018년에 2.3%로 파손율은 꾸준히 감소했다.

지역적으로는 부식성이 강한 토양환경을 가진 캐나다에서 회주철관과 덕타일주철관의 파손율이 높게 나타났다. PVC관의 파손율은 미국이 캐나다에 비해 전반적으로 높았는데, 이는 PVC관을 시공한 역사가 짧아 시공방법에 대한 노하우가 부족한 데 따른 결과라고 판단된다. 석면시멘트관의 파손율은 캘리포니아주에서 전반적으로 높게 나타났다. 캘리포니아에 시공된 석면시멘트관의 비율이 40% 이상으로 압도적으로 높은데다, 연수도 오래됐기 때문이다.

   
 
소규모 기업일수록 교체 수요 커

상수관 파손율에 미치는 영향 중 하나는 수돗물 공급업체의 규모인 것으로 나타났다. 연구진은 보유하고 있는 상수관의 길이에 따라 업체의 규모를 △320㎞ 미만 △320㎞ 이상 1천600㎞ 미만 △1천600㎞ 이상 등 세 가지로 분류해 파손율을 조사한 결과, 보유하고 있는 상수관 길이가 비교적 짧은 소규모 업체들이 대규모 업체에 비해 모든 재질의 상수관에서 2배 이상 높은 파손율을 보였다.

이는 규모가 큰 기업일수록 자금력이나 인력, 시공기술, 관리감독 능력 등의 부문에서 대체로 더 나은 경우가 많기 때문으로 판단된다. 그 예로 PVC관의 파손은 시공 시 발생한 오류에 의한 것이 대부분이었는데, 이는 보다 많은 인력을 고용함으로써 해결될 수 있다. 이로 미루어 보아 미래에 상수관 교체 필요성이 큰 곳은 대규모 업체들보다는 소규모 업체들이다.

노후화가 심해져도 상수관의 파손율은 증가하는 것으로 나타났다. 2012년과 2018년의 연구를 바탕으로 상수관의 수명에 따른 파손율을 도식화 한 결과, 상수관의 수명이 다해갈수록 파손율은 급격히 증가하는 경향을 보였다. 그 예로 회주철관 파손의 27%, 석면시멘트관 파손의 60%는 각각 1950년대와 1960년대에 시공된 관들로 시공 후 50년이 넘도록 교체되지 않아 발생했다. 이들 상수관의 파손율이 높은 유틸리티는 제품교체를 진지하게 고민해야 한다.

   
 
부식성 토양에 따른 관 부식 심각

상수관 파손 유형으로는 ‘원주방향 균열’(56%)과 ‘부식’(28%)이 가장 많이 꼽혔으며 길이방향 균열(8%), 기타(4%), 연결부 누수(2%), 피로(1%) 등의 의견도 있었다. 원주방향 균열은 회주철관과 석면시멘트관에서 가장 전형적으로 나타나는 유형으로 조사됐고, 부식은 덕타일주철관과 회주철관에서, 길이방향 파손은 PVC관에서 주로 발생하는 것으로 나타났다.

연구진은 이와 같은 상수관 파손이 부식성 토양에 따른 부식에 의한 것이라고 판단했다. 미국천연자원보호서비스의 토양조사 결과에 따르면, 미국 도시 대부분의 토양이 철의 부식을 유도하는 성질을 가지고 있다. 기본조사에서 총 280개 도시의 부식지수를 1.0부터 3.0까지 환산해 조사한 결과, 평균 부식지수는 2.4로 ‘중간’과 ‘높음’의 사이로 나타났다.

특히 부식지수가 2.8∼3.0에 속하는 도시가 86개로 전체의 30%에 달하는 것으로 조사됐으며, 상세조사에서는 약 75%의 수돗물 공급업체가 부식도가 높은 토양에서 상수관을 관리하고 있는 것으로 나타났다.

연구진은 이에 더해 부식지수와 상수관 파손율이 상관관계에 있음을 발견했다. 회주철관의 경우 부식성이 높은 토양에서 그렇지 않은 경우보다 파손율이 20배 높게 나타났고, 덕타일주철관은 10배 높게 나타났다. 이것으로 보아 부식성 토양에 주철관은 좋은 선택이 아니다.

   
 
   
 
상수관 평균 교체율 연간 0.8%

한편 상수관에서 하자가 발생하는 상수관의 평균수명은 50년으로 대다수의 상수관 제조업체들이 언급하는 상수관의 기대수명에 훨씬 못 미치는 수준인 것으로 드러났다. 2012년 조사의 47년보다 다소 길어지기는 했으나 큰 변화가 있다고 보기는 어렵다.

또한 최근 시공하거나 현재 시공 중인 상수관이 몇 년 정도 사용될 수 있는지, 기대수명을 업자들에게 물은 결과, 평균 기대수명은 84년으로 조사됐다. 이는 2012년 조사의 79년보다 약간 늘어난 수준으로, 품질(기대수명) 관련 질문에 대한 업체의 답변은 변하지 않고 있다.

반면 정기적으로 상수도관을 교체하고 있냐는 연구진의 물음에 ‘그렇다’고 답한 업체는 전체의 58%뿐이었다. 교체를 완료한 상수관의 길이는 전체 시공길이의 0.8%에 불과했다. ‘100년간의 교체작업=연간 1%의 교체율’이라고 본다면 연간 0.8%의 교체율은 공사 완료까지 125년이 걸린다는 것을 의미한다.

게다가 16%의 상수관은 수명이 다했음에도 불구하고 교체예산이 부족해 교체가 이뤄지고 있지 못한 것으로 조사됐다. 이 비율은 2012년 조사의 8.4%보다 약 2배가량 증가했다.

현재 교체관의 재질로는 PVC관과 덕타일주철관이 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 오래 사용할 수 있고 비용이 적게 드는 관을 선택하기 위해서는 관의 재질 선택을 위한 생애주기비용 분석이 선행돼야 한다.

   
 
상수관 교체문제 점차 심화 전망

미 토목공학협회 연구와는 달리 미국과 캐나다의 상수관 인프라 상태는 개선되지 않고 있다. 지난 6년간 상수관의 파손율은 약 27% 증가했으며, 특히 회주철관과 석면시멘트관의 파손율은 40% 이상 증가했다.

또한 시공된 지 50년 이상된 상수관의 비율이 늘고 있다. 상수관의 일반적인 하자 발생시기가 시공 후 50년이라는 점을 감안할 때 교체가 시급함에도 불구하고 상수관 교체율은 연간 0.8%(완공까지 125년)에 불과한 실정이다. 머지않아 수돗물 공급사들은 교체율 개선과 관련해 더 극심한 압박을 받게 될 것이다. 특히 대형기업보다 소형기업들이 누수 및 파손문제로 더 고통받을 것이다.

누수와 파손문제는 부식성 토양에 따른 부식에 의한 파손이 주요 원인이다. 따라서 앞으로 수돗물 공급업체들은 상수관 시공 시 토양의 부식성을 고려해야 한다. 부식에 취약한 덕타일주철, 회주철 등의 사용을 지양하고 이를 대체할 수 있는 관 재질을 고려한다면 파손 감소는 물론 비용 절감 효과도 거둘 수 있다.

   
 
100년 수명의 ‘아피즈 상수도관(iPVC)’

최고의 상수관 소재는 비용이 저렴하고 수명이 긴 재질이다. 최근, 많은 수명주기비용 분석사례를 통해 플라스틱관이 투자 대비 회수율이 높은 것으로 알려지고 있다. 플라스틱관 중에서도 특히, PVC(Polyvinyl chloride)관은 현재 사용되고 있는 주요 상수관 6종 중 가장 낮은 파손율을 보이는 관으로 업계의 주목을 받고 있다.

이처럼 교체관으로 PVC관에 대한 관심도가 증가하는 가운데, 최근 한국의 한 혁신적인 PVC관이 미국 시장에 소개됐다. 이는 동일한 PVC관의 표준을 기본으로 하고 있으나 향상된 제조기법을 사용해 내구성과 견고성을 한층 높였다. 바로 PPI평화의 ‘아피즈 상수도관(iPVC)’이다.

PPI평화는 아피즈 상수도관(iPVC) 개발을 위해 미국 최대의 수돗물 공급업체인 아메리칸워터(AW)와 미국수도협회 등과 2년에 걸쳐 성능테스트를 공동으로 수행한 끝에 상수관의 성능을 인정받았다. 매립 후 베딩테스트와 20톤 트럭의 주행시험에서 관의 변형이 거의 없었으며, 실험실 테스트에서 관의 유연성 역시 입증됐다. 최근에는 미국 코넬대와 상수관을 내진성능 평가를 공동으로 진행, iPVC관의 내구성을 다시 한번 인정받았다. 특히 이 평가에서 iPVC관의 향상된 강도와 휨 성능은 전 세계 지진에 95% 이상 생존할 수 있다고 평가받았다.

   
▲ PPI평화는 최근 미국 코넬대와 상수관을 내진성능 평가를 공동으로 진행, iPVC관의 내구성을 다시 한 번 인정받았다. 특히 이 평가에서 iPVC관의 향상된 강도와 휨 성능은 전 세계 지진에 95% 이상 생존할 수 있다고 평가받았다.

현재 아피즈 상수도관은 미국 내 미주리주 세인트루이스시, 뉴저지주 맨빌시·롱브랜치시, 캘리포니아 이스트베이시 등지에서 시공이 활발히 이뤄지고 있다. PVC관의 가장 큰 장점이 부식에 강한 것이어서, 시공만 제대로 된다면 긴 수명은 담보될 수 있다. ‘100년 수명의 수도관’, 아피즈 수도관의 앞으로의 행보가 기대된다. 

   
▲ 아피즈 상수도관은 미주리주 세인트루이스시, 뉴저지주 맨빌시·롱브랜치시, 캘리포니아 이스트베이시 등지에서 시공이 활발히 이뤄지고 있다.

[『워터저널』 2019년 6월호에 게재]

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