산업용 배관
모니터링 시스템
1) 산업용 배관 모니터링 시스템의 개요
산업용 배관은 다량의 가스, 기름 등을 신속하고 안전하게 수송하 는 수단으로서 현재 산업 전반의 혈관과 같은 역할을 수행하고 있다.
단적인 예로 석유, 화학제품을 도시까지 끌어오는 산업용 배관을 비 롯하여, 우리 주변 가까이에 있는 도시가스관 상하수도관등이 산업용 배관에 속하는 항목이라 할 수 있다.
하지만 관내 이송물질의 화학작용에 따른 부식, 시간경과에 따른 관 로 노후화, 최초 설치 관로 경사의 불량, 관로 주변 침하에 따른 관로 변형 발생 등으로 관로 이송능력이 저해되는 일이 자주 발생하고 있다.
이런 이유로 이송물질이 누출되면 배관 주변지반의 침하와 붕괴, 가스
폭발 등의 2차 오염이 발생될 수 있다. 또한 관로 불량으로 이송물질 이 불규칙하게 유인되면 이송능력을 정확하게 예측할 수 없어 구축시 설의 처리능력이 초과하게 되면서 효율을 저감시킬 수도 있다.
산업용 배관의 기능불량을 방지하기 위해서는 관로의 검사와 감시 등 관리 감독이 지속적으로 수행되어야 하는데, 최근에는 지하에 매 설되는 배관의 상태를 검사하고 도장작업까지 수행할 수 있는 로봇에 대한 연구도 많이 진행되고 있다. 그러나 기반시설인 도시가스망에 적용하기 위한 배관 로봇은 분기관, 수직관 등 배관구조가 복잡하거 나 가동상태에서의 검사를 요구하는 등 기술적으로 난이도가 높기 때 문에 상용화까지 더 많은 시간이 필요할 것이다.
KEY FINDING
1. 산업기반시설인 도시가스망, 송유관, 중화학 플랜트, 원자력 발전소, 상·하수도관들에서 활용하는 산업용 배관은 설치되고 시간이 지나면서 부식과 응력, 주변공사에 의한 피해 등으로 많은 배관 손상이 발생하고 있다. 이는 배관망의 기능저하와 같은 가벼운 기능이상부터 배관망의 종류에 따라 대형 폭발사고와 같은 사회적 참사까지 발생할 수 있어 인명은 물론이고 막대한 경제적 손실을 일으킬 수 있다.
2. 이와 같은 산업용 배관의 손상에 대한 모니터링 기술이 접목된 서비스가 진행되고 있으나 국내에서는 글로벌 기업의 용역형태로 사업이 진행되어 지고 있으며, 배관 검사 이후 측정에 대한 기본 데이터(Raw data) 역시 해외에 반출이후 분석시스템을 통해 진행되므로 많은 시간과 비용이 소요되고 있다.
3. 산업용 배관 모니터링 기술의 경우 2017년 41억 달러에서 2024년 65.6억 달러로 CAGR 5.6 %를 보일 것으로 추정되지만, 국내에서는 관련 기술 및 시장이 공공기관에 국한되므로 특정 분야에 대한 상용화 전략이 필요할 것으로 판단된다.
ASTI MARKET INSIGHT 2022- 073
데이터분석본부 호남지원 선임연구원
박 형 욱
Tel: 062-951-7711 e-mail: hyungwook@kisti.re.kr02 03
그림 1 산업용 배관의 노후 및 관련 화재(SK(주) 울산 제1중질유 화재)
그림 2 인텔리전트 피그
2) 관내 탐지용 배관 모니터링 시스템의 기술 동향
산업용 배관의 누출에 대한 모니터링을 위해서 최근까지는 관내 유량, 압력, 온도, 밀도를 기준으로 감지하는 방식을 취하고 있으며, 유량의 경우 기 매설된 포인트 센서를 사용하여 추적하는 방식을 활 용한다. 압력 역시 압전 센서를 활용하고 있으며, 온도가 상승하면 흐르는 유체의 점도와 밀도가 더 낮아지는 경향이 있어 열 센서 역시 함께 활용되고 있다.
하지만 이는 신규 매설 배관에 적용되는 사항으로 기존 설치된 산 업용 배관은 주로 지하에 매설되어 있어 노출된 배관과는 달리 센싱 을 통한 비파괴 기법으로는 진단하는데 한계가 있다. 또한 관로의 길 이가 짧게는 수백 m에서 길게는 수백 km에 이르기 때문에 광범위
한 부분을 효율적으로 진단할 수 있는 비파괴 진단 기술이 필요하며, 이를 처리하기 위한 산업용 배관 모니터링 시스템으로 인텔리전트 피그와 배관탐지용 로봇이 주로 활용되고 있다.
➀ 인텔리전트 피그(Intelligent Pig)
인텔리전트 피그는 배관 내 가스, 오일 등 유체의 흐름을 이용하여 피그를 진행시키면서 배관의 상태를 파악하는 상용 장비이다. 기존 피그는 배관 내부 청소와 배관 내용물을 분리하는 용도로 사용되었 지만, 최근들어 비파괴 검사 기술과 컴퓨터의 발달로 배관의 모든 상 태를 파악할 수 있는 지금의 인텔리전트 피그로 발달하였다. 인텔리 전트 피그에는 자기누설방식 등 여러 가지 비파괴검사를 위한 센서 들로 구성되어 있으며, 현재까지는 매설된 배관의 모재 손상 여부를 진단할 수 있는 최적의 기술이라 할 수 있다.
The intelligent "pig": a technological wonder
Bind flanges: located on the front part, they avoid product from passing through, thereby driving the equipment through the pipeline by differential pressure.
Sensors: the equipment is fitted with several sensors, allowing it to gather extremely detailed information on the pipeline's status.
Flanges: are adapted to the pipeline diameter and and allow product to flow through to the bind flanges. They keep the "pig"
in the center.
Odometer: these mechanized wheels record the distance that the "pig" travels through the pipeline.
➁ 배관 탐지용 로봇
배관 탐지용 로봇은 인텔리전트 피그와 유사한 방식으로 측정하 지만, 압축공기를 통해 이동하는 인텔리전트 피그와는 달리 로봇은 자가 추진할 수 있는 구동장치를 장착하는 것으로 가장 큰 차이점을 가지고 있다. 그러나 자가 구동방식에는 배터리와 제어케이블 등과 같은 로봇에 필요한 하드웨어적 모듈과 함께 실제 측정 및 조작을 지 원할 수 있는 인터페이스, 그리고 소프트웨어가 동시에 구성되어야
함에 따라 배관 내부와 같은 극한환경에서의 상용화에는 아직까지 한계점이 있다. 일반적으로 배관 탐지용 로봇의 주요 요소인 구동장 치의 형태를 살펴보면, 이동 환경 조건에 따라 벽면 이동 로봇과 기 둥 이동 로봇으로 구분되며, 이동방법에 따라 궤도형, 보행형, 견인 형, 바퀴형으로 구성된다. 또한 그리고 부착방법에 따라 자석형, 진 공흡착형, 생체모방형, 손잡이형 등으로 구분된다.
그림 3 산업용 배관 탐지용 로봇
주행기구 모니터링기구 지지기구 배터리 및 제어케이블 조작 및 측정 소프트웨어
3) 산업용 배관 모니터링 시스템의 시장 동향
시장 규모 및 전망
산업용 배관 모니터링 시스템의 세계 시장은 도시가스망, 송유관, 중화학 플랜트, 원자력 발전소 등과 같은 산업 기반에서 활용되어 지
는 각종 배관을 중심으로 매우 활성화되어 있다. 특히 미국과 인도 등 대규모 가스 배관과 송유관 시설을 보유하고 있는 국가를 중심으로 시장이 형성되어 있으며, 시장규모는 2017년 41억 달러에서 2024 년 65.6억 달러로 연평균 5.6 % 성장할 것으로 추정되고 있다.
구분 2017년 2018년 2019년 2020년 2021년 2022년 2023년 2024년 2025년 CAGR(%) 초음파 1,256 1,340 1,426 1,536 1,655 1,782 1,919 2,067 2,226 7.7
MFL 799 851 908 971 1,039 1,112 1,190 1,273 1,362 7.0
PIG 492 529 570 616 666 720 779 842 910 8.1
스마트볼 351 376 402 432 464 498 535 575 617 7.4
광섬유 273 292 312 335 359 385 413 443 476 7.3
기타 930 980 1,033 1,093 1,157 1,224 1,295 1,370 1,449 5.8 계 4,100 4,367 4,651 4,912 5,187 5,477 5,784 6,108 6,450 5.6
표 1 산업용 배관 모니터링 시스템의 기술별 세계 시장규모 (단위: 백만달러)
출처 : MarketsandMarkets
산업용 배관 모니터링 시스템 | ASTI MARKET INSIGHT 2022- 073 산업용 배관 모니터링 시스템 | ASTI MARKET INSIGHT 2022- 073
구분 2019년 2020년 2021년 2022년 2023년 2024년 2025년 CAGR(%)
금속손실/ 부식감지 4,930 5,172 5,427 5,695 5,978 6,273 6,581 4.93
기하학 구조 측정 354 369 385 401 418 435 454 4.23
균열 및 누수감지 2,047 2,132 2,223 2,315 2,412 2,515 2,618 4.19
국내 산업용 배관
모니터링 시스템 시장 54 57 60 63 67 71 75 5.53
표 2 기능별 산업용배관 모니터링 시스템의 국내시장 추정 (단위: 억원))
출처 : MarketsandMarkets APAC 시장 기반 KISTI 추정
표 3 해외 산업용 배관 모니터링 시스템 관련 주요 기업 민간위주의 해외 시장에 비해 국내시장의의 경우 산업용배관이 공 공재임에 따라 주로 한국가스공사, 한국원자력연구원등 주요 공공기관 에서 발주하는 형태의 시장이 형성되어 있으며, 있으며, 실제 수행 역 시 해외 대기업의 기술을 빌려와 국내 용역기업에서 시공하는 방식으 로 진행되고 있다. 이 경우 측정된 데이터는 해외기업으로 반출되며, 긴급상황의 경우 약 2주, 정밀검사결과의 경우 약 3개월 후 우편으로 발송되는 형태로 진행되고 있다. 이에 국내의 경우 현재까지는 배관 공 사를 수행할 수 있는 시공기업의 역할로만 시장이 형성되어 있음에 따 라 향후 기대할 수 있는 시장으로 기하학 구조 측정 활용 지능형 피그 시장의 아시아태평양 지역(APAC) 시장의 10 %를 국내시장으로 가정 해 시장을 추정한다면 2019년 54억 원에서 연평균 성장률 5.53 %를 적용하여 2025년 75억 원의 시장을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
경쟁 현황
산업용 배관 유지보수와 관련된 글로벌 기업은 제품 포트폴리오 가 방대하며 전세계 유통망을 통해 배관 모니터링 서비스를 진행중 이다. 특히 개별국가별로 배관 클리닝 서비스을 진행하는 영세 시 공업체와 협약을 체결해 용역사업을 진행하고 있으며, 자체 기술 력을 통한 인텔리전트 피그 등의 장비를 대여하고 검사하는 서비 스를 진행하는 형태로 사업을 진행중에 있다. 대표기업으로 독일 로젠(Rosen), NDT글로벌(NDT Global), 미국 베이커휴스(Baker Hughes), TD윌리엄슨(T.D. Williamson), 스위스 SGS, 스페인의 에이플러스(APPLUS)를 들 수 있다.
기업명 연혁 및 보유 기술 대표 장비
베이커 휴스
• GE 자회사
• 석유 및 가스 산업에서 사용되는 관로 검사 솔루션을 제공
• 관로 서비스, 관로 검사, 관로 유지, 관로 사전 시운전 및 시운전, 통합 관로 서비스, 심해 관로 솔루션을 제공
• 최근 석유 및 가스 사업의 가치 사슬 전반에 인공지능을 배치하기 위해 NVIDIA와 협력해 연구개발 진행
로젠
• 독일 기업으로 세계 인텔리전트 피그 시장 2위
• 3인치에서 최대 64인치까지 직경이 작은 액체 및 가스 관로를 위한 인텔리전트 피그를 제공
• 서비스 : 검사, 무결성, 청소, 연구 및 개발 솔루션
• 제품 : 데이터 수집 기술, 자동화 검사 시스템, 초음파 유량계, 관로 청소 도구, 코팅
TD 윌리엄슨
• 1920년에 설립된 미국기업
• 핫태핑, 플러그 솔루션, 관로 피깅 솔루션, 관로 무결성 검사 서비스, 침입 방지 인라인 격리 기술을 제공
• 최근 초대형 검사 피그와 스마트 피깅 기술 등 광범위한 청소, 배칭, 검사 피그를 생산
에이 플러스
• 스페인 바르셀로나 위치
• 테스팅, 검사, 인증, 품질 보증 서비스 분야에서 선두
• 피그가 불가능한 관로의 벽 두께를 확인과 부식 검사에 사용되는 인라인(in-line) 관로 무결성 검사 서비스를 제공하며, 또한 인라인 자속 누출 결함 피그 서비스 진행
• 최근 탱크와 관로의 원격 가시화 검사 서비스 제공
국내의 배관 내부 탐지 피그 및 로봇 관련 연구개발은 주로 한국가 스공사와 한국로봇융합연구원에서 수행중이며, 한국가스공사가 최 초로 인텔리전트 피그를 개발하고, 2004년부터 상업화를 진행하고 있다. 그 후 한국로봇융합연구원에서는 2011년부터 가스 배관 비파 괴 검사용 자가 추진 로봇 및 산업시설용 배관 이동 및 청소 로봇 개 발을 지속적으로 추진하고 있으며, 대규모 용수 관로 내외부를 이동 하면서 부식에 의한 두께 변화, 누수, 결함 등 관의 구조적인 상태를 확인할 수 있는 관내외면 비파괴 정밀진단 로봇에 대한 연구개발 역 시 진행중에 있다. 또한 한국가스공사에서는 인텔리전트 피그로 점 검할 수 없는 배관에 적용하기 위한 소형 로봇 개발 프로젝트를 자 체적으로 진행중인 데, 2016년 한국가스공사에서 축방향 자기누설 (Axial Magnetic Flux Leakage, MFL) 탐상 기법이 적용된 인텔리 전트 피그 시스템의 경우 시제품을 개발해 적용중에 있다.
4) 분석자 인사이트
오늘날 매설된 산업용 배관은 사용수명이 길어지면서 마모, 부식, 침식, 재질 열화, 피로 등으로 결함이 발생할 가능성이 점차 높아지면 서 노후 배관의 건전성 확보가 매우 중요하다. 이에 산업용 배관 모니 터링 시스템은 배관의 안전성을 확보하기 위하여 일정 기간마다 배 관의 손상 여부를 검사하고 손상 방지에 대한 조치를 하는 기반기술 로서 가스 공사, 송유관 공사, 플랜트 등의 수요 역시 매우 높아질 것 으로 판단된다. 하지만 수요처의 요구사항은 최신기술을 요구함에 따라 국내에서 상용화를 진행할 때 반드시 누적성능추이분석 (Time Record)과 같은 실증기술이 접목되어야 할 것으로 보이며, 구매조건 부와 같은 형태로 상용화를 추진하는 것이 좋을 것으로 판단된다.
그리고 이미 해외 기업 및 한국가스공사 등에서 산업재산권을 선 점하고 있으므로 개발 기술에 대한 권리를 강화시키는 기술선점 전략 이 필요할 것으로 보이며, 특히 화학 및 반도체 공정등에 활용되는 소 구경 배관의 특성과 주행에 관련된 방향으로 초점을 맞춘다면 충분히 회피 설계가 가능할 것으로 판단된다. 이는 산업용 배관 모니터링 시 스템의 한국형 사업화를 위한 핵심이 될 것이므로 ICT 센싱뿐만 아니 라 빅데이터 및 인공지능(AI)과 같은 첨단 융복합기술이 결합된 사업 모델이 필요할 것으로 판단된다.
➀ 산업용 배관의 환경적 영향 검토 및 실증
국내에서 산업용 배관 모니터링 시스템이 활성화되지 않은 가장 중요한 원인은 주요 공공기관 주도로 배관이 매설되어 있므로 관리 측면에서 기술이 성숙되지 못한 점을 들 수 있다. 이에 상용화를 추진 하는 기업에서는 1차적으로 배관의 기하학적 형상을 중시하는 지오 메트리 피그(Geometry Pig) 방식을 이용하여 소구경 배관 등과 같 은 특수 환경을 고려한 상용화를 진행하는 것이 좋을 것으로 판단된 다. 특히 국내 화학공정 등 소구경, 다양한 곡률, 벤딩을 보유한 산업 용 배관의 경우 산업안전 측면에서 수요가 많은 상황이며, 이를 검토 한 실증이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
➁ ICT 센싱을 통한 빅데이터 수집 및 AI 적용
최근 해외 기술에서는 기존 인텔리전트 피그 기술에서 배관 모니 터링 로봇 기술로 혁신을 도모하고 있으며, 검사 시스템의 경우 수집 한 데이터를 기반으로 AI를 접목시켜 지능형 서비스 프로그램으로 발 전하고 있다. 하지만 국내의 경우 현재까지는 학습데이터를 구축하기 위한 기본 데이터(Raw Data)가 부족한 상황이므로 이를 활용할 수 있는 데이터의 확보 및 배관 특성에 따른 모니터링에 대한 세부기술 의 확보가 중요할 것으로 판단된다.
그림 4 한국가스공사 개발 인텔리전트 피그 및 비파괴 검사용 자가추진 로봇 시나리오
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06
➂ 산업용 배관 모니터링 제도화
전세계적으로 국가 산업기반시설과 각종 산업플랜트의 배관 노 후화가 가속화되는 가운데 노후 배관을 안전하게 관리하기 위해서 2017년부터 IMP1)가 법제화되어 시행중이다. 국내는 도시가스 배관 의 지하매설 시기가 최장 30년 경과하면서 위험성이 점차적으로 늘
어나고 있으며, 현재까지 IMP 법령을 만족시킬 수 있는 현존 기술은 ILI2)(In-Line Inspection) 기술이 유일한 상황이다. 이에 노후 배관 모니터링을 위해 기술적인 측면을 고려한 국내 실정에 맞는 제도적인 개선이 필요할 것으로 판단된다.
구분 요인
기회요인 위험요인
외부 환경
정책
• 산업용 배관 안전성 여부 판단을 위한 정책적 제도 마련 추진
• 민간안전전문기관 등록을 통한 국내시장 확보
• 도시지역 고압 도시가스배관의 안전관리 계획에 따른 신규 연구개발 추진
• 세계 경제 및 국내 산업의 침체에 따른 단기적인 산업 침체의 가능성
산업 • 노후화된 산업용 배관의 경우 국내 70 %이상을 차지함에 따 라 배관 클리닝 및 진단에 대한 연구 개발 추진 및 진행
• 해외에서도 국내 기술력의 파급효과가 커지고 있음
• 주요 수요처인 가스공사 및 일부 대기업의 경우 자체 개발 및 적용을 목표로 연구를 진행중에 있어 마케팅에 구조적 어려 움 존재
• 국내는 아직 활성화된 시장 및 인프라가 부족
• 국외 유수 업체의 기술/시장 지배력 강화
• 주요 공기업이 산업 및 연구를 주도하여 중소기업 참여 영역 확보가 어려움
시장 • 산업안전에 대한 위험성이 확산됨에 따라 세계적으로 배관 클리닝에 대한 선호도 증가로 인해 시장 확대 전망
• 10년 주기로 진행되는 배관검사 내수 시장 및 용역 중심 산 업 구조로 불확실성 증대
• 선진국의 경우 배관 모니터링 시스템을 통한 다양한 비즈니 스 모델이 활성화되고 있으나 국내는 미진함
기술 • 산업 안전이 접복된 융복합 기술 개발을 통한 시너지 창출
• 센서 등 ICT 결합
• 산업안전에 대한 관리기술 강화 등으로 관련 R&D 요구
• 선진국의 기술개발 가속화에 따른 기술 격차 확대
• 빅데이터 활용, 센싱 및 AI 기반 진단 등 높은 기술개발 수준 요구
표 4 산업용 배관 모니터링 시스템 시장의 신사업기회 분석 (단위: 억원))
1) IMP(Integrity Management Program) : 무결성 관리 프로그램 2) ILI(In-Line Inspection) : 배관 직접 검사
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본원 (우) 34141 대전광역시 유성구 대학로 245 한국과학기술정보연구원 T. 042) 869-1004,1237 F. 042) 869-1091
분원 (우) 02456 서울특별시 동대문구 회기로 66 한국과학기술정보연구원 T. 02)3299-6114 F. 02)3299-6244
