균열층 이론에 온도·에너지 효과 도입한 통합 모델로 실험 재현·수명 예측 가능성 제시
고려대학교 기계공학부 최병호 교수 연구팀은 국제 학술지 International Journal of Mechanical Sciences(온라인 게재, DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2025.110661)에 논문을 발표하며 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 배관에서 관찰되는 특이한 ‘연속-불연속 균열 진전 천이’ 거동을 이론적으로 규명했다고 29일 밝혔다.
HDPE 배관은 가스·수도용으로 널리 쓰이며 50년 이상 사용되나, 균열이 서서히 자라다 갑자기 급속 전파하거나 불규칙하게 성장하던 균열이 다시 연속적으로 이어지는 등 예측이 어려운 현상이 보고돼 왔다.
연구팀은 균열층 이론에 온도 및 에너지 변화를 반영해 작업역(process zone)과 실제 균열 사이의 상호작용을 통합적으로 모델링했다.
이 모델은 하중 수준에 따라 균열 성장 속도가 자동으로 조정되는 메커니즘을 제안하며, 낮은 하중에서는 연속적 성장, 중간 하중에서는 불연속적 성장을 하나의 이론 틀에서 동시에 설명하고 실제 실험 데이터를 정밀하게 재현하는 데 성공했다.
최병호 교수는 “이번 연구는 실제 HDPE 소재에서 빈번히 관찰되던 연속-불연속 전이 거동을 이론적으로 최초 규명한 성과”라며 “산업 현장에서 배관의 균열 양상을 보다 정밀히 해석하고 교체 시점을 합리적으로 판단하는 데 기여할 것”이라고 밝혔다.
연구 결과는 HDPE 배관의 설계 신뢰성 확보와 정량적 수명 예측, 유지보수 시점 결정 등 실무적 적용 가능성을 열어 준다는 평가다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 및 산업통상자원부의 지원으로 수행됐다.