열팽창을 고려 안 하면 실제로 어떤 사고가 나나요?

Question

설계할 때 재료의 열팽창계수를 반드시 고려해야 한다고 배웠는데, 이걸 무시했을 때 실제 기계나 구조물에 어떤 문제가 생기는지 구체적 사례가 궁금합니다

Answer 1

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

열팽창은 상당히 중요합니다. 말씀하신 큰 기계나 구조물에도 그렇지만 아주 미세한 재료들에도 영향을 크게 미칩니다. 결국 열팽창이라는 것을 무시하면 온도가 변할 때 재료가 늘어나거나 줄어들 공간이 없어 큰 응력이 생길 수 있습니다.

대표적으로 우리가 잘 아는 철도 레일은 여름철 팽창 여유가 부족하면 휘어지는 좌굴이 발생하기 때문에 열차가 탈선할 수도 있습니다. 그리고 배관 길이들도 변화하는데 고정되어 있다면 용접부나 연결부에 힘이 상당히 집중됩니다. 그로 인해 균열이나 누수가 생길 수 있지요.

엔진이나 기계부품들은 서로 다른 재료가 다른 정도로 팽창하면 간극 자체가 줄어들 수 있어 마찰이 심해지거나 부품이 끼어버릴 수도 있습니다. 저는 반도체 웨이퍼 관련 연구를 했었는데, 다른 종류의 기판위에 재료를 증착시킬 때, 열팽창 계수 차이로 인해서 수많은 기판 소재들이 파손되는 경험을 했습니다.

결국 열팽창은 단순한 치수 변화가 아니라 균열과 변형, 누수, 접촉불량과 같은 실제 고장과 사고를 만드는 중요한 설계 요소로 볼 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

열팽창을 무시하면 온도 변화 시 재료가 자유롭게 팽창 수축하지 못해 내부에 막대한 응력이 발생하며 구조물의 변형이나 파괴로 이어집니다 대표적으로 과거 철도 선로의 틈새를 충분히 확보하지 않아 여름철 폭염에 레일이 휘어져 열차가 탈선하는 좌굴 사고가 빈번하게 발생했습니다. 또한 교량의 신축이음 장치를 제대로 설계하지 않으면 콘크리트 상판이 팽창하면서 균열이 가거나 대형 교량 상판이 솟구쳐 파손될 수 있습니다 정밀 기계나 엔진 파이프라인 역시 열팽창 차이로 인해 부품이 꽉 끼어 멈추거나 가스 기름이 누출되는 치명적인 고장이 발생합니다

Answer 3

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

열팽창을 막아두면 그 힘이 응력으로 바뀌어요. 철이 온도 10도 오를 때 늘어나려는 길이는 미미하지만, 양끝을 완전히 고정해 못 늘어나게 하면 그만큼 눌리는 힘이 걸려요. 계산하면 온도 차 50도에 100MPa 넘는 응력이 생기는데, 이건 재료 항복강도의 절반에 가까운 수준이에요. 외부 하중이 하나도 없어도 온도만으로 부품이 휘거나 깨질 수 있는 거예요.

실제 사례를 보면 이해가 빠르실 거예요. 구조물 쪽에서는 철도 레일이 대표적이에요. 여름철에 레일이 늘어날 공간을 확보하지 않으면 좌굴이라고 해서 레일이 옆으로 휘어 솟아오르고, 그 위를 열차가 지나면 탈선으로 이어져요. 그래서 레일에 이음 틈을 두거나 장대레일 구간은 미리 인장을 걸어 부설해요. 교량도 신축이음과 받침이 없으면 여름에 교각을 밀어 균열을 내고요. 1980년대 미국 캔자스시티 하이엇 리젠시 사고처럼 설계 오류가 붕괴로 이어진 유명한 사례들이 있는데, 열응력만으로도 비슷한 결과가 나올 수 있어요. 콘크리트 도로에 일정 간격으로 줄을 그어놓은 것도 열팽창을 그 자리에서 흡수시키려는 장치예요.

기계 쪽은 더 자주 겪어요. 회전축과 베어링의 틈새를 상온 기준으로만 잡으면 운전 중 축이 더 팽창해 베어링이 물려버려요. 그러면 마찰열이 급증하고 몇 분 안에 눌러붙어 파손돼요. 엔진 피스톤과 실린더의 틈새도 같은 문제라, 알루미늄 피스톤은 철 실린더보다 두 배 팽창하는 걸 계산해 상온에서 헐겁게 만들어요. 서로 다른 재질을 볼트로 조여놓은 경우도 위험한데, 알루미늄 부품을 강철 볼트로 고정하면 온도가 오를 때 알루미늄이 더 늘어나 볼트에 큰 인장력이 걸리고 반복되면 피로 파단이 나요. 반도체 장비에서도 같은 일이 생겨요. 제가 다루는 측정 장비도 광학 부품이 온도에 따라 위치가 미세하게 변해서, 정밀 측정 장비는 재질을 열팽창이 작은 것으로 고르거나 온도 관리를 따로 해요.

배관은 가장 사고가 잦은 영역이에요. 고온 증기 배관이 수십 미터 길이면 팽창량이 수십 센티미터에 달해서, 신축이음이나 루프 배관으로 흡수하지 않으면 지지대를 뜯어내거나 용접부가 터져요. 이런 사고는 뜨거운 증기가 새어나오니 인명 피해로 직결돼요.

그래서 설계에서는 팽창을 막는 게 아니라 팽창할 자리를 만들어주는 쪽으로 접근해요. 어딘가 움직일 수 있게 두거나, 서로 다른 재질을 붙일 때는 팽창 차이를 흡수하는 구조를 넣는 거예요 :)