1. 서 론
2. 이론적배경
2.1 레일온도 관리 및 기준
2.2 레일온도저감 방법
3. 실내시험
3.1 개요
3.2 실험방법
3.3 실험조건
4. 분석결과
4.1 기상 조건에 따른 레일 온도 거동 특성
4.2 차열도료 도포 유무에 따른 온도 저감 효과 분석
4.3 레일 부위별 온도 분포 특성
5. 레일의 한계온도 분석 및 제안
5.1 대기온도와 레일 온도의 상관성 분석
5.2 상관관계식을 활용한 한계온도 산정
6. 결 론
1. 서 론
최근 전 세계적인 지구온난화로 인한 이상기후 발생으로 혹서기 기온 상승 현상이 가속화되고 있다. 기상청 자료에 따르면 최근 10년간 국내 연평균 강수량은 평년 대비 약 11 % 증가하였으며, 최근 30년(1991~2020년)의 연평균 기온은 과거 대비 1.6 ℃ 상승하는 등 국내 기후 특성이 아열대화되는 경향이 뚜렷해지고 있다(Choi et al., 2010). 특히 21세기 말(2081~2100년)에는 온실가스 배출이 지속되는 고탄소 시나리오(SSP5-8.5) 적용 시 한반도 연평균 기온이 현재 대비 최대 7.0 ℃까지 상승할 것으로 전망됨에 따라, 하절기 폭염에 노출된 철도 인프라의 안전성 확보가 시급한 실정이다(National Institute of Meteorological Sciences, 2020). 대기온도의 상승은 철도 레일의 온도를 급격히 상승시키며, 이로 인해 발생하는 레일 팽창 및 축력 증가가 도상의 횡저항력을 초과할 경우 궤도 장출(buckling) 사고를 초래할 수 있다. 철도 운영기관에서는 이러한 사고를 방지하기 위해 레일 온도가 55 ℃ 이상 시 열차 운행 속도를 제한하고, 64 ℃ 초과 시 운행을 중지하는 엄격한 규정을 시행하고 있으나(KORAIL, 2024), 이는 열차 운행의 효율성을 현저히 저하시키는 원인이 된다. 그동안 레일 온도 저감을 위해 살수 방식이 주로 활용되어 왔으나, 온도 저감 지속 시간이 1~2시간으로 짧고 인력 투입에 따른 경제적 손실이 크다는 한계가 지적되어 왔다. 이에 대한 근본적인 대안으로 적외선을 반사하여 열 흡수를 차단하는 차열도료(thermal barrier paint) 도포 공법이 주목받고 있다. 차열도료는 단회 도포로 지속적인 온도 저감 효과를 기대할 수 있어 유지보수의 효율성 및 경제성 측면에서 유리하다.
국내외에서는 레일 온도 예측 및 저감 공법에 관한 다양한 연구가 수행되어 왔다. Choi et al.(2018)은 기후 및 온도 측정 시스템을 통해 레일 온도를 실측한 결과, 대기온도와 레일 온도의 차가 최대 18.78 ℃에 달하며, 대기온도보다 일사량의 영향이 더 지배적임을 분석하였다. 이를 통해 특정 기후 조건에 국한된 추정 모델보다 확률적인 예측 방법의 필요성을 시사하였다. 차열도료의 적용 효과에 관해 Seong et al.(2012)은 4종류의 차열도료를 실제 레일 및 침목에 적용하여 분석한 결과, 수성보다 유성 2액형 도료에서 약 4~10 ℃의 우수한 온도 저감 효과가 나타남을 입증하였다. 또한, Lee(2020)은 장대레일에 차열도료를 도포하여 온도 제어 성능을 분석하였으며, 레일 온도가 가장 높은 16시경에 최대 저감 효과가 발현되나 도포 후 약 60일 경과 시 효과가 점진적으로 감소하는 내구성 문제를 지적하였다.
이처럼 차열도료의 온도 저감 성능에 관한 연구는 지속적으로 수행되고 있으나, 대부분 외관 온도 측정이나 단순 저감 효과 분석에 그치고 있다. 특히 레일 부위별 온도 특성을 반영한 통합 상관관계 모델 및 이를 활용한 한계온도 예측 연구는 여전히 미흡한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 50 kg 레일을 대상으로 실내 모사 실험을 통해 대기온도 및 차열도료 도포 여부에 따른 레일 부위별 온도 변화를 장기간 정밀 측정하였다. 수집된 계측 데이터를 바탕으로 대기온도와 레일 온도 간의 상관관계를 분석하였으며, 특히 차열도료 도포 시 레일 단면 내 부위별로 발생하는 온도 저감 특성과 열적 안정성 효과를 규명하였다. 최종적으로 부위별 보정 변수(α)를 적용한 통합 선형 회귀 모델을 제안하고, 열차 운행 중지 기준인 레일 온도 64 ℃에 도달하는 임계 대기온도(한계온도)를 정량적으로 도출하였다.
2. 이론적배경
2.1 레일온도 관리 및 기준
국내 장대레일은 설계온도(-20~60 ℃)와 표준 중위온도(20 ℃)를 기준으로 관리된다(KORAIL, 2024). 고속선은 실시간 상시 모니터링을, 일반선은 하절기 집중 시간대(12·14·16시)에 인력 측정을 시행하며, 폭염 시(대기 34 ℃ 이상 또는 레일 55 ℃ 근접) 취약개소 특별점검을 가동한다.
열차 속도 제한은 궤도 구조별 횡저항력과 안정성 차이에 따라 선로 분류(대), 도상 특성(중), 온도 범위(소)의 위계 체계로 차등 적용된다(Table 1). 횡저항력이 우수한 콘크리트도상(고속선)은 65 ℃까지 정상 운행(74 ℃ 중지)이 가능하나, 좌굴 위험이 높은 자갈도상 구간은 고속선 53 ℃, 일반선 표준구간 55 ℃, 취약개소 50 ℃부터 선제적으로 서행한다.
Table 1.
Regulatory standards for train operation (KORAIL, 2024)
Table 2.
Regulation of operation according to rail temperature (Lee, 2020)
단, 자갈도상 기반의 모든 선로는 임계 한계점인 64 ℃ 도달 시 예외 없이 ‘열차 운행 중지’ 규제를 받는다. 이는 일본의 보수적 기준(53~58 ℃ 서행, 60 ℃ 제한)과 대비되는 국내 통제 기준의 공학적 근거가 된다(Lee, 2020). 이에 본 연구에서는 실질적 전면 통제 기준인 64 ℃를 임계 온도로 설정하고, 차열도료 도포를 통한 한계 대기온도 상향 효과를 분석하고자 한다.
2.2 레일온도저감 방법
레일 온도 상승 억제를 위해 살수법이 보편적으로 활용되나, 살수 직후 즉각적인 온도 저감(10~15 ℃) 이후 약 2~2.5시간이 경과하면 효과가 소멸하는 지속성 한계가 있다. 이를 보완하고자 제안된 차열도료 도포 방식은 직사광선을 반사하여 열 흡수를 근본적으로 차단한다. Seong et al.(2012)은 현장 실험을 통해 레일 두부를 제외한 부위에 air compressor와 airless gun으로 차열도료를 균일하게 도포한 결과, 미도포 레일 대비 5~8 ℃의 온도 저감 및 우수한 방청 효과를 확인하였다. 최근에는 차열도료의 도막 두께 최적화를 통한 온도 저감 성능 향상 연구(Park & Kang, 2021)와 실제 철도 현장의 진동 및 열화 환경에서의 장기 내구성 평가(Park et al., 2022)가 활발히 진행 중이다. 그러나 기존 연구가 주로 재료 자체의 물성 개량 및 국소적 냉각 효과 검증에 치중한 반면, 유지관리 기준과 연계한 한계 대기온도 예측 연구는 미비하다. 따라서 본 연구는 실측 데이터 기반의 선형 회귀 모델을 통해 열차 통제 대기온도의 안전 마진을 정량적으로 도출함으로써 선행 연구와 명확한 차별성을 지닌다.
3. 실내시험
3.1 개요
본 연구에서는 대기온도 변화에 따른 레일의 온도 특성 및 차열도료의 저감 효과를 정밀하게 분석하기 위해 실내실험을 수행하였다. 실제 열차가 운행되는 현장의 경우 열차의 운행 간격, 기상 변수의 불확실성 및 안전 확보 문제 등으로 인해 연속적이고 정밀한 데이터 확보에 제약이 따른다. 따라서 본 실험에서는 외부 환경의 간섭을 최소화하고 실제 현장 조건을 재현하기 위해 유사한 환경을 모사한 실험 공간을 구축하여 레일온도를 측정하였다.
실험에 사용된 레일은 국내 철도 노선에서 보편적으로 사용되는 50 kg 레일을 선정하였다. 각각의 레일을 대상으로 차열도료의 도포 여부에 따른 실험군을 구성하였으며, 외기온도 상승 시 레일 내부 및 표면으로 전달되는 열에너지의 흐름을 분석하였다. 특히 레일의 단면 형상에 따른 온도 분포 특성을 파악하기 위해 레일 두부, 복부, 저부 등 각 부위별로 온도계를 설치하여 위치별 온도 변화량을 실시간으로 계측하였다. 이를 통해 대기온도의 변화가 레일의 종류 및 각 부위에 미치는 영향을 실험적으로 검증하고자 하였다.
3.2 실험방법
본 실험에서는 현장 노반 환경을 충실히 재현하기 위해 콘크리트 침목을 배치하고 주변을 자갈 도상으로 채워 실제 궤도 구조와 유사한 열환경 조건을 조성하였다. 실험 대상 레일은 국내 철도 노선에서 주로 사용되는 50 kg 레일을 선정하였으며, 국가철도공단 보선작업지침 제69조에 따라 250 mm 길이의 토막레일을 제작하여 실험에 사용하였다.
레일 온도 계측은 내부와 외부로 구분하여 수행하였다. 내부 온도의 경우 레일 두부와 저부에 직경 12 mm, 깊이 170 mm의 측정 홀을 천공하고 탐침형 K-type 열전대를 삽입하여 심부 온도를 측정하였으며, 외부 표면 온도는 일반 K-type 열전대를 해당 부위에 직접 부착하여 계측하였다. 대기온도는 정밀 데이터 기록계(Testo 175T1)를 실험 공간 내에 별도 설치하여 실시간으로 기록하였다. 모든 온도 데이터는 TDS-540 데이터로거를 통해 1시간 간격으로 수집되었으며, 약 8개월간의 장기 계측 데이터를 확보하였다.
측정 지점은 레일 단면의 부위별 온도 분포 특성을 파악하기 위해 총 11개소로 세분화하였다. 구체적으로 레일 두부 4지점, 복부 2지점, 저부 5지점에 센서를 배치하여 부위별 온도 구배를 확인하였다. 실험군은 50 kg 레일에 대해 차열도료 도포 레일(Coated)과 미도포 레일(Uncoated)로 구분하여 총 2종의 실험체를 비교·분석하였다.
차열도료는 레일 표면의 태양광 반사율을 극대화하기 위해 근적외선(NIR) 반사형 세라믹 안료가 혼합된 수성 아크릴 실리콘 수지계 도료를 채택하였다. 도포는 하도와 상도로 나누어 제조사 시방서에 따른 스프레이 도장 방식으로 시공하였으며, 총 건조 도막 두께(DFT) 150 μm 및 초기 태양광 반사율(TSR) 80 % 이상의 성능 기준을 확보하였다. 도포 범위는 레일 두부(R.H)를 제외한 복부(R.W)와 저부(R.B)로 한정하였으며, 온도 측정 지점과의 간섭을 최소화하여 차열도료의 순수한 온도 저감 성능이 계측될 수 있도록 실험을 구성하였다.
3.3 실험조건
본 실험에서는 레일 규격에 따른 온도 특성을 비교하기 위해 국내 철도 노선에서 주로 사용되는 50 kg 레일을 시험체로 선정하였으며, 각 규격별로 차열도료 도포 레일(coated)과 미도포 레일(uncoated)을 각각 2개씩 배치하여 총 4종의 실험군을 구성하였다. 차열도료 도포 시, 레일 두부(Rail Head)는 열차 주행 시 차륜과의 마찰로 인한 도막의 박리 및 마모가 불가피한 실무적 여건을 고려하여 도포 대상에서 제외하였으며, 실제 현장 유지관리 조건을 모사하여 복부(Rail Web)와 저부(Rail Base) 상면을 중심으로 도포를 실시하였다.
레일의 단면별 온도 분포를 정밀하게 파악하기 위해 측정 부위는 두부, 복부, 저부의 3개 영역, 총 11개 지점으로 세분화하였으며, 세부적으로는 외부 표면 9개소와 내부 중심부 2개소(두부 및 저부 정중앙 천공)를 계측하였다. 데이터 수집은 약 8개월간 수행되었으며, 2개 실험체의 총 22개 측정 지점에서 발생하는 온도 데이터를 1시간 주기로 자동 기록하였다. 확보된 장기 계측 데이터를 바탕으로 대기온도와 레일 부위별 온도 간의 상관성, 단면 형상에 따른 열적 거동 특성, 레일 규격별 온도 변화량 차이, 그리고 일반 레일 대비 차열도료 도포 레일의 부위별 온도 저감 효율을 종합적으로 비교·분석하였다.
4. 분석결과
4.1 기상 조건에 따른 레일 온도 거동 특성
레일온도 측정 실험을 통해 레일 단면의 세 부위인 두부(Rail Head, R.H), 복부(Rail Web, R.W), 저부(Rail Base, R.B)의 온도 및 대기온도를 계측하였으며, 측정 결과를 바탕으로 레일온도와 대기온도를 비교·분석하였다. 각 부위의 월별 평균온도(T), 월 최고 평균온도(H.T, Highest average Temperature), 월 최저 평균온도(M.T, Minimum average Temperature)를 산정하여 대기온도와 함께 Fig. 7에 나타내었다.
3월의 경우 대기온도 최고 H.T가 18.0 ℃일 때 레일 두부(R.H)의 H.T는 30.0 ℃로 측정되어 12.0 ℃의 온도차이가 발생하였으며, 대기온도 최저 M.T가 –6.3 ℃일 때 레일온도도 –6.3 ℃로 동일하게 측정되었다. 4월의 경우 대기온도 H.T가 28.4 ℃일 때 R.H의 H.T는 41.1 ℃까지 상승하여 12.7 ℃ 이상의 온도차이가 발생하였으며, 대기온도 M.T가 –1.0 ℃일 때 레일온도는 –0.8~–1.0 ℃로 대기온도와 거의 동일하게 측정되었다. 5월의 경우 대기온도 H.T가 31.0 ℃일 때 R.H의 H.T는 48.4 ℃까지 상승하여 17.4 ℃의 온도차이가 발생하였다. 6월의 경우 대기온도 H.T가 34.5 ℃일 때 R.H의 H.T는 53.1 ℃로 측정되어 18.6 ℃의 온도차이가 발생하였으며, 이는 측정 기간 중 레일온도와 대기온도 간 최대 편차에 해당한다. 7월의 경우 대기온도 H.T가 33.7 ℃일 때 R.H의 H.T는 51.0 ℃로 17.3 ℃ 이상의 온도차이가 발생하였으며, 8월의 경우 대기온도 H.T가 32.4 ℃일 때 R.H의 H.T는 48.0 ℃로 15.6 ℃ 이상의 온도차이가 발생하였다. 다만 8월의 경우 태풍의 영향으로 인해 대기온도가 전반적으로 낮게 유지되었으며, 이에 따라 레일온도 역시 타 하절기 대비 상대적으로 낮게 측정되었다. 9월의 경우 대기온도 H.T가 30.6 ℃일 때 R.H의 H.T는 45.7 ℃로 15.1 ℃ 이상의 온도차이가 발생하였다.
분석 결과, 레일온도는 대기온도가 상승함에 따라 함께 상승하는 경향을 보였으며, 낮 시간대에는 레일온도와 대기온도 간 온도차이가 크게 발생하는 것으로 나타났다. 특히 H.T 기준으로 두부(R.H)의 온도가 세 부위 중 가장 높게 나타났으며, 이는 직달 일사에 가장 많이 노출되는 위치 특성에 기인한 것으로 판단된다. 반면 대기온도가 낮은 야간 및 이른 아침 시간대(M.T 구간)에는 레일온도와 대기온도의 차이가 미미하거나 역전되는 현상이 나타났으며, 이는 복사 냉각의 영향으로 분석된다. 또한 강우 또는 태풍 등 기상 영향이 큰 날에는 일사가 차단되고 증발 냉각이 발생하여 레일온도와 대기온도가 거의 동일한 추이로 변화하는 것을 확인하였다.
4.2 차열도료 도포 유무에 따른 온도 저감 효과 분석
50 kg 레일을 대상으로 차열도료 도포 레일(Coated)과 미도포 레일(Uncoated)의 온도 편차를 분석하여 도료의 실증적 성능을 검증하였다. 본 실험에서는 현장 유지보수의 효율성을 고려하여 레일 두부(R.H)를 제외한 복부(R.W)와 저부(R.B)에만 차열도료를 도포하였으며, 측정 결과를 Fig. 12에 나타내었다.
도포 레일과 미도포 레일의 온도차이는 전 측정 기간에 걸쳐 평균 1 ℃ 이상으로 나타났으며, 레일온도가 임계치에 도달하는 피크 시간대(14시~17시)에는 저감 폭이 더욱 확대되었다. 레일온도가 가장 높게 상승한 7월 26일 오후 2시부터 오후 5시까지의 피크 시간대에는 도포 레일이 미도포 레일 대비 5~6 ℃ 이상 낮게 측정되어 고온 조건일수록 차열도료의 저감 성능이 더욱 뚜렷하게 나타나는 것을 확인하였다.
레일 부위별 비교 결과, 두부(R.H)와 저부(R.B)에서는 도포·미도포 간 온도차이가 측정 기간 내내 일정하게 유지되었으나, 복부(R.W)의 경우에는 도포·미도포 간 온도차이가 크게 발생하지 않았다. 특히 차열도료를 도포하지 않은 두부(R.H)에서도 미도포 레일 대비 유의미한 온도 저감이 발생하였으며, 이는 차열도료가 레일 단면의 표면 복사열 흡수를 근본적으로 차단함으로써 레일 전체의 열 축적을 억제하는 차단막 역할을 수행하기 때문으로 판단된다. 도포 레일과 미도포 레일의 내·외부 온도차이는 2 ℃ 이상으로 측정되었으며, 차열도료가 레일 내부로 전달되는 전도열을 효과적으로 억제하고 있음을 확인하였다.
분석 결과, 차열도료 도포 시 레일온도를 평균 1~2 ℃ 저감하는 효과가 있음을 확인하였으며, 레일온도가 높아질수록 도포·미도포 간 온도차이가 더욱 크게 나타나는 경향을 보였다.
4.3 레일 부위별 온도 분포 특성
레일온도 측정 실험을 통해 50 kg 미도포 레일(Uncoated)의 부위별 온도 분포 특성을 분석하였다. 레일은 두부(R.H), 복부(R.W), 저부(R.B) 3개 부위로 구분하여 각 부위의 온도를 측정하였으며, 동일 부위 내에서도 측정 위치에 따른 온도차이를 비교하였다.
부위 내 위치별 온도 측정 결과, 두부(R.H)의 경우 윗면과 양 측면에 온도센서를 부착하고 내부에 탐침형 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다. 측정 결과 두부 내 위치별 온도차이는 1 ℃ 이내로 나타나 위치에 따른 온도차이는 미미한 수준이었다. 복부(R.W)의 경우 양 측면에 온도센서를 부착하여 측정하였으며, 위치별 온도차이는 마찬가지로 1 ℃ 이내로 나타났다. 저부(R.B)의 경우 5개의 측정 위치를 선정하였으며, 그 중 한 부위는 내부온도를 측정하였다. 측정 결과 외곽부의 온도는 동일한 수준을 보였으나, 내부온도는 외부온도 대비 1 ℃ 이상의 차이를 보였다.
부위 간 온도차이를 비교한 결과, 두부(R.H)와 복부(R.W) 간에는 1 ℃ 이상의 온도차이가 발생하였다. 이는 직사광선에 직접 노출되는 두부와 상대적으로 차폐된 복부 간의 열 노출 환경 차이에 기인한 것으로 판단된다. 반면 두부(R.H)와 저부(R.B) 간 및 복부(R.W)와 저부(R.B) 간의 온도차이는 1 ℃ 이내로 미미한 수준에 그쳤다.
분석 결과, 부위 내 위치별 온도차이는 전 부위에 걸쳐 크게 발생하지 않았으나, 부위 간 비교에서는 직사광선 노출 정도에 따라 두부와 복부 간 온도 구배가 상시 발생하는 것을 확인하였다. 이는 하절기 태양 복사 에너지에 의한 온도 상승이 레일의 단면 형상보다는 각 부위의 열 노출 환경에 더욱 지배적인 영향을 받는다는 것을 시사한다.
5. 레일의 한계온도 분석 및 제안
5.1 대기온도와 레일 온도의 상관성 분석
본 장에서는 50 kg 미도포 레일(Uncoated)의 장기 계측 데이터를 바탕으로 대기온도와 레일 온도 간의 상관관계를 회귀분석을 통해 규명하였다. 레일 단면은 두부(R.H), 복부(R.W), 저부(R.B)의 세 부위로 구분하여 각 부위별 회귀식을 도출하였으며, 분석 결과를 Fig. 9에 나타내었다.
세 부위 모두 R2 값이 0.90 이상으로 대기온도와 레일 온도 간의 높은 선형 상관성을 보였다. 그러나 부위별 회귀식을 비교한 결과, 기울기(a)는 1.19~1.22 범위로 세 부위 간의 차이가 미미한 반면, 절편(c) 값에서 부위 간 편차가 나타났다. 이는 대기온도 변화에 대한 레일의 온도 반응률은 부위에 관계없이 유사하나, 각 부위의 열 노출 환경 차이에 따른 기저 온도 편차가 존재함을 의미한다.
이러한 결과를 토대로, 부위별 개별 회귀식 대신 하나의 통합 기본식에 부위별 보정 변수(α)를 적용하는 통합 상관관계 모델을 제안하였다. 통합 기본식은 전체 부위 평균 데이터를 기반으로 다음과 같이 도출되었다.
여기서, 은 레일온도(℃)이며, 는 레일 부위별 보정 변수로 각 부위의 실측 온도와 통합식 예측값 간의 평균 잔차로부터 산정하였다. 각 부위별 α 값은 Table 4와 같다.
통합 기본식의 R2는 0.9146으로 나타났으며, 기울기가 세 부위에서 동일하게 유지됨에 따라 절편 보정 방식이 레일 부위별 온도 특성을 표현하는 데 적합한 것으로 확인되었다. 두부(R.H)의 α 값이 가장 높게 나타난 것은 직달 일사에 가장 많이 노출되는 부위 특성으로 인해 동일한 대기온도 조건에서도 상대적으로 높은 레일 온도가 발생하기 때문으로 판단된다.
Table 3.
Regression Equations and Coefficient of Determination by Rail Position (50 kg Uncoated Rail)
| Position | Regression Equation | R2 |
| Head (R.H) | y = 1.2157x + 0.7757 | 0.8980 |
| Web (R.W) | y = 1.1856x + 0.4648 | 0.9245 |
| Base (R.B) | y = 1.1974x + 0.9215 | 0.9174 |
Table 4.
Position-specific Correction Variable (α) and Final Regression Equations
| Position | α Value | Final Regression Equation |
| Head (R.H) | +0.2457 | |
| Web (R.W) | -0.4212 | |
| Base (R.B) | +0.1755 |
5.2 상관관계식을 활용한 한계온도 산정
앞서 도출된 통합 상관관계식을 활용하여 열차 운행 중지 기준인 레일 온도 64 ℃에 도달하는 임계 대기온도를 부위별로 산정하였다. 각 부위별 최종 회귀식에 = 64 ℃를 대입하여 임계 대기온도를 역산하면 Table 5와 같다.
Table 5.
Critical Air Temperature by Rail Position (50 kg Uncoated Rail, Rail Temperature Limit: 64 °C)
| Position | Regression Equation | Critical Air Temperature |
| Head (R.H) | approx. 52.5 ℃ | |
| Web (R.W) | approx. 53.1 ℃ | |
| Base (R.B) | approx. 52.6 ℃ |
분석 결과, 미도포 레일의 경우 세 부위 모두 대기온도가 약 52~53 ℃에 도달할 때 레일 온도가 한계치인 64 ℃를 초과하는 것으로 나타났으며, 부위 간 임계 대기온도의 차이는 α 보정값의 차이에 따라 0.6 ℃ 이내로 미미한 수준에 그쳤다. 이는 통합 기본식의 기울기가 부위에 관계없이 동일하게 적용됨에 따라 한계온도 도달 시점이 부위별로 큰 차이를 보이지 않음을 의미한다.
차열도료를 도포한 레일의 경우 4.2절의 분석 결과에서 확인된 평균 1~2 ℃, 피크 시간대 최대 5~6 ℃의 온도 저감 효과를 고려하면, 동일한 한계온도(64 ℃) 기준에서의 임계 대기온도는 약 54~59 ℃ 수준으로 상향될 수 있을 것으로 추정된다.
이러한 분석 결과를 바탕으로 관리 기준 대기온도를 설정함에 있어 두 가지 측면의 고려가 필요하다. 첫째, 유지관리 효율성 측면에서 도포 레일의 단면 평균 임계 대기온도인 약 54~59 ℃는 하절기 폭염 시 열차 운행 제한 빈도를 낮추고 선로 유지관리의 효율성을 제고하는 정량적 가이드라인으로 활용될 수 있다. 둘째, 현장 안전성 측면에서 차열도료를 도포하더라도 외기 변화에 가장 취약한 두부(R.H)는 대기온도 약 52~53 ℃에서 이미 한계치에 도달함을 고려할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 평균값 기반의 관리 기준은 유지관리 효율성 측면의 참고 지표로 활용하되, 실제 현장 운행 제한 판단 시에는 두부(R.H)의 임계 대기온도인 약 52~53 ℃를 보수적 하한 기준으로 병행 적용하는 이중 기준 체계의 도입을 제안한다. 이를 통해 유지관리 효율성과 현장 안전성을 동시에 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
6. 결 론
본 연구에서는 하절기 기상 변화에 따른 레일 온도 거동 특성을 규명하고, 차열도료 도포에 따른 온도 저감 효과를 실증적으로 분석하였다. 50 kg 레일을 대상으로 대기온도와 레일 부위별 온도 간의 상관관계를 회귀분석을 통해 도출하였으며, 본 논문의 결론을 요약하면 다음과 같다.
(1) 하절기 건기 시 대기온도가 최고치에 달하는 14~16시경에 레일 두부(R.H)의 온도는 대기온도 대비 최대 18.6 ℃ 높게 측정되어 장대레일 장출에 취약한 시간대임을 확인하였다. 반면 우기 시에는 증발 냉각 및 일사 차단 효과로 대기온도와 레일 온도 간의 편차가 현저히 감소하였다.
(2) 50 kg 미도포 레일의 부위별 온도 분포 분석 결과, 두부(R.H)와 복부(R.W) 간에 1 ℃ 이상의 온도 구배가 상시 발생하였으며, 이는 각 부위의 열 노출 환경 차이에 기인한 것으로 판단된다.
(3) 차열도료 도포 시 미도포 레일 대비 평균 1~2 ℃의 상시 온도 저감 효과가 나타났으며, 7월 26일 피크 시간대(14시~17시)에는 최대 5~6 ℃ 이상의 저감 성능을 확인하였다. 또한 복부(R.W)와 저부(R.B)에만 도료를 도포하였음에도 두부(R.H)를 포함한 레일 단면 전체에서 동시 온도 저감이 발생하여 차열도료의 열 차단 효과를 입증하였다.
(4) 회귀분석 결과, 세 부위 모두 R2 값이 0.90 이상으로 높은 선형 상관성을 보였으며, 기울기가 부위에 관계없이 유사하게 나타남에 따라 통합 기본식에 부위별 보정 변수(α)를 적용하는 통합 상관관계 모델을 제안하였다.
(5) 열차 운행 중지 기준(64 ℃)을 기반으로 임계 대기온도를 산정한 결과, 미도포 레일은 약 52~53 ℃, 차열도료 도포 레일은 약 54~59 ℃로 나타나 도포 시 임계 시점을 최대 약 7 ℃ 가량 지연시킬 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 제안된 통합 상관관계 모델 및 한계 대기온도는 향후 지능형 철도 유지관리 시스템의 핵심 지표로 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 차열도료의 장기 내구성 및 현장 실증을 통한 모델 검증이 후속 과제로 수행될 필요가 있다.
