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송전철탑용 장수명 방식도료 및 전용 도장기 개발
2008-04-02

송전철탑용 장수명 방식도료 및 전용 도장기 개발㈜시코쿠 종합연구소_니시모리 슈지(西森修次)개요송전철탑에는 아연도금 강재가 이용되는데, 시간이 지남에 따라 아연 도금이 소실되고 철 바탕이 부식, 노화된다. 따라서 신설 후 수십 년이 지나 아연도금이 닳고 없어진 시점에는 방식(防蝕)을 위해 도장하는 경우가 많다. 현재 철탑 수리에 도입되는 도료(도장 사양)의 내용연수는 환경의 영향으로 인해 거의 7~15년 정도밖에 되지 않는다. 따라서 정기적인 재(再)도료가 필요하며, 보다 장기의 방식 효과가 있는 도료를 개발해야 한다. 이에 라이프 사이클 코스트(Life Cycle Cost : LCC)를 줄일 수 있고 50년 장기 방식이 가능한 송전철탑 보수용 도료(제품명 : 타워 배리어) 및 전용 도장기(제품명 : 타워 페인터)를 일본 칸사이 페인트㈜, 시코쿠 전력㈜가 공동으로 개발하였다.도료 개발 방침도료는 부착성과 방식성이 요구되므로, 보통은 부착성이 높은 초벌도료와 방식성이 높은 덧칠도료를 사용하여 2겹 또는 3겹으로 도료를 칠한다.그러나 이 두 성능은 상반되는 성질을 가지고 있기 때문에, 덧칠도료의 높은 수축 응력이 초벌도료의 부착력을 약하게 만들어 박리를 일으킨다.한편 수축응력을 억제하면 방식효과가 없어지기 때문에, 장기 방식을 실현하기 위해서는 초벌도료와 덧칠도료의 성능 밸런스에 맞게 조합할 필요가 있었다. 도장을 행하는 지면과 상성도 잘 맞고, 보수도장 시 아연도금 표층(순 아연층)이 소실하여 철-아연 합금층이 노출된 상태에 적합한 초벌도료와 덧칠도료를 개발하게 되었다.도료 개발 콘테스트1. 콘테스트 개요합금층에 적합한 도료로 어떤 성질·특성을 가진 재료가 유망한지 판단하기 위해, 제1차 콘테스트에서는 도료 제조업체 6곳의 시작(試作) 도료 14종류(초벌도료와 덧칠도료를 갖가지 배합으로 섞은 것)를 각종 노화촉진 시험(<표 1> 참조)으로 평가하여 뛰어난 상위 3종류의 도료를 선정했다. 또 제2차 콘테스트에서는 1차 콘테스트에서 선정된 도료에 부착성, 방식성을 높이기 위한 개량법을 첨가한 시작품 21종류를 이용하여 노화촉진 시험을 시행했다. 최종평가 후 합금층에 가장 적합한 1종류를 선정했다.이 콘테스트에서는 합금층에 대한 부착성을 순 아연층과 비교 평가하기 위해, 테스트 피스(Test Piece)로 순 아연도금 강판, 철-아연 합금층 강판을 이용했다. 2. 콘테스트 결과도막 부착성을 평가하는 냉열 사이클 실험에서는 다음과 같이 배합한 시작 도료를 순 아연도금 강판 테스트 피스와 철-아연 합금층 테스트 피스에 각각 도장하였다. · 초벌도료 : 일반 아연도금용 프라이머· 덧칠도료 :해수 투수부에 이용되는 경화밀도가 높은(=방식성은 높지만, 경화 수축응력이 커서 박리되기 쉬움) 미용제(微用劑)형 초후막 에폭시 도료(500㎛)그 결과 아연도금 강판 테스트 피스에서는 300사이클로 도막이 전면 박리된 데 반해, 철-아연 합금층 테스트 피스에서는 부분적으로 균열되거나 철 바탕이 박리되면서도 500사이클 후까지 3㎫ 이상의 부착력을 유지하는 흥미로운 결과가 나타났다.(<그림 1> 참조)즉, 합금층은 순 아연층보다 도막이 박리되지 않은 데다, 방식성이 높고 경화 수축응력(박리응력)이 높은 도료라도 응력완화 기능을 부가하여 균열이나 도막 박리가 일어나지 않는 도료를 얻을 수 있을 가능성이 시사되었다. 이상의 과정을 거쳐, 제2차 콘테스트에서는 덧칠, 초벌도료 모두 응력완화 성능을 부가한 각종 시작품을 이용하여 노화촉진 실험을 실행하였다. 그 결과 초벌에 고밀착 응력완화형 에폭시 도료(50㎛), 덧칠에는 초후막형 글라스 플레이크(Glass Flake) 함유 에폭시 도료(350㎛)를 배합한 사양이 가장 호평 받았다.

[그림1] 냉열 사이클 시험 : 500사이클 후개발품의 특징1. 송전철탑 보수용 장수명 도료 개발(제2차 콘테스트에서 우승한 제품 개량)제2차 콘테스트에서 우승한 덧칠도료는 잘 흐르며 350㎛의 초후막 도장을 안정시키기에는 불충분했기 때문에, 용제량 및 안료의 배합 등을 개량하여 도장성이 우수하고 장기간 내구력을 발휘할 수 있는 송전철탑 보수용 도료로 제품화했다.개발품의 특징은 다음과 같으며, 그 개념도는 <그림 2>로 나타냈다.

[그림2] 개발품의 특징① 초벌도료는 응력완화 성능을 가짐과 동시에 철 바탕과의 밀착성을 향상시켰다.② 덧칠도료에는 글라스 플레이크 안료로 물, 소금 등 부식 원자의 침투를 막는 미로효과를 부가시켰다. 또한 수축 비틀림을 억제하면서 방식성 및 자외선에 의한 감모를 고려한 초후막(350㎛)사양으로 하였다. 2. 개발품의 도막 성능방식성, 부착 안정성 성능을 검증하기 위해, 해안 등 염해에 의한 노화가 현저한 지구에서 15년의 내구 실적이 있는 기존 제품(3회 도장 사양, 도막 두께 110㎛)과 개발품을 각각 냉열 사이클 시험, 내열수침지 시험, 염수분무 시험으로 비교해 보았다.냉열 사이클 시험 결과, 기존 제품은 100사이클 시점에서 약간의 노화가 시작되어 500사이클 후에는 도막이 전면 박리되었다. 이에 반해 개발품은 600사이클이 경과해도 도막에 이상이 발생하지 않고 충분한 부착력을 유지할 수 있어, 기존 제품에 비해 6배 이상의 내구성이 확인되었다.(<그림 3> 참조)

[그림 3] 내열 사이클 시험 결과내열 수침지 시험에서 기존 제품은 750시간 후부터 노화가 진행되기 시작해 7,500시간에는 전면적으로 팽창과 부분적인 발청이 확인되었다. 반면에 개발품은 7,500시간 후에도 도막에 이상이 없고 충분한 부착력을 유지하고 있어 기존 제품에 비해 10배 이상의 내구성을 확인할 수 있었다.염수분무 시험(JIS K 5600-7-1)에서 기존 제품은 500시간 후부터 커트부에서 노화가 일어나기 시작하여 5,000시간 후에는 전면의 팽창과 부분적인 발청이 확인되었다. 반면에 개발품은 5,000시간 후에도 이상이 확인되지 않고 충분한 방식성을 가지고 있어 기존 제품에 비해 10배 이상의 내구성이 있음을 확인할 수 있었다.이상으로 모든 노화촉진 시험 결과, 이 개발품이 해안 등의 고부식 환경에서 15년 내구 실적이 있는 기존 제품과 비교하여 6배 이상 내구성이 있는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 계산상 개발품 내구 수명은 90년 정도로 추정되며 더욱이 환경이 척박한 지역에서도 50년 이상은 견딜 수 있으리라 기대된다.(<표 2> 참조) 3. 개발품의 라이프 사이클 코스트송전철탑에 도장된 기존의 도장사양과 비교하여 막이 두꺼운 것은 도료에 드는 비용이 높다. 1회당 도료 비용은 높지만 기존 50년간 3~5겹의 보수 도장은 한번만 하면 되므로, 라이프 사이클 코스트면에 보면 충분한 저감효과가 있을 것으로 기대된다.4. 개발품의 배출 VOC(휘발성유기화합물)량개발품은 기존 도료에 비해 용제 함유량이 적고 보수 간격이 길기 때문에, 배출 VOC량의 대폭적인 저감이 기대된다.(<그림 4> 참조)

[그림 4] 배출 VOC량의 저감 효과전용 도장기 개발1. 전용 도장기 개발 배경지금까지 시코쿠전력㈜에서는 철탑 도장에 높은 곳에서의 작업 안정성과 효율성을 높이기 위해 펌프식 배부식(背負式) 도장기를 이용해 왔다. 그러나 개발품 덧칠도료는 표준막 두께 350㎛의 초후막 도장을 가능하게 하여 도료 점도를 높인 데다, 기존 도장기는 도료 토출 능력이 부족했기 때문에 도료 토출 성능이 보다 우수한 배부식 도장기 개발이 필요해졌다. 2. 도장기 개발 목표도장 작업자의 부담을 줄이기 위해 도료가 들어간 도장기 중량은 기존 도장기와 같은 8㎏ 이하로 목표를 잡았다. 작업효율의 면에서 1탱크 분량의 도료로 5㎡ 이상을 도장할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 350㎛의 도장(표준 사용량 920g/㎡)에는 손실 분량을 고려하면 약 5㎏의 도료가 필요하므로 도장기 중량은 3㎏ 이하(조건 1)를 목표로 하였다. 다음으로 이 도료를 도장기에서 도장했을 때 양호한 도장 효율인 도료 토출량 900g/분 이상(조건 2)을 목표로 하였다.3. 도장기의 개요개발 도장기는 전항의 조건 1을 만족시키기 위해 경량화가 가능한 가스(압축공기) 압송식을 채용했다. 조건 2의 토출량 확보를 위해 도료를 빨아들이는 방식에서 탱크 저부에서 누르는 방식으로 바꾸고 탱크가 크게 기울었을 때의 공기방출 방지를 위해 안 뚜껑과 스프링을 탱크 안에 장착한 구조로 하였다. 또 전용 노즐은 쉽게 도료 토출과 정지를 전환할 수 있어 좌우 어느 손으로도 도장 가능하도록 설계하였다.(<그림 5> 참조) 더욱이 전용 솔은 털끝을 기울여 자르는 것으로 초후막형 도료에서도 막 두께의 불균등이 적도록 도장이 가능해졌다.

[그림 5] 가스 압송식 배부식 도장기(타워 페인터, 에어 봄베 사양)4. 도장기 성능 확인개발 덧칠 도료를 전용 도장기와 기존 솔 도료로 철탑(앵글형 모양)다리 하나에 하루 종일 도장하여, 조작성 및 작업성을 검증하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.① 전용 도장기에서 작업효율은 6.1㎡/h로, 기존 솔 도료의 1.8배였다. ② 도료 비산량이 훨씬 적었다.③탑상 도장개소의 막 두께를 측정한 결과, Wet 450(=Dry350)±100㎛가 전체의 83%를 차지 하였으므로 막 두께의 불균질이 적었다.(<그림 6> 참조) 이 결과를 통해 개발 도료가 조작성, 작업성 모두 뛰어나다는 사실을 확인할 수 있었다.

[그림 6] WET 막 두께 분포5. 현장에의 적용 상황시코쿠전력㈜는 2006년부터 개발 도료 및 도장기(초벌도료는 기존 펌프식 도장기를 사용)를 채용하여 철탑 도장을 개시했다. 공사기간은 하기(6월 말~8월), 동기(11월 말~2월)였기 때문에 고온 시의경화 시간 단축 및 저온 시의 도료 점도 상승에 의한 작업성 저하가 우려되었지만, 도장 공정이 지연되지 않고 계획대로 공사를 완료할 수 있었다.향후 전개일본 시코쿠전력㈜는 특히 염해지구 등 심각한 부식 환경에 있는 송전철탑에 타워 배리어 시스템(초벌, 덧칠 도합 2회 도장)을 도입하였다. 또한 송전철탑뿐 아니라 다른 철 구조물에도 도입을 검토하는 등 다양한 용도로 이번 개발 도료를 활용해 나갈 예정이다.

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