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1. 서 론

2022년 11월 금호석유화학 여수산단 공장 폭발사고, 2022년 2월 여천 NCC 폭발 및 화재 사고, 2020년 3월 롯데케미칼 대산공장 폭발 및 화재 사고가 발생하는 등, 국내 플랜트에서는 지속적으로 대형사고에 대한 위험성이 나타나고 있다.

플랜트에 설치되는 설비는 고온⋅고압의 공정을 견디도록 설계된다. 그에 따라 공정간 배치 및 이격거리 제한, 소방설비 설치, 방호벽 설치, 정량적 위험분석 등의 방법을 사용하여 사고 위험 저감 및 방지 대책을 수립하고 있다.

그중 방호벽에 대해서는 대표적으로 KOSHA GUIDE D-65 (2018)에서 언급하고 있는데, 방호벽의 종류, 세부 설계지침 등을 기술하고 있다. 방호벽은 철근콘크리트 방호벽, 콘크리트블록 방호벽, 강재 방호벽으로 나눌 수 있다. 강재 방호벽은 시공성이 좋고, 구조적 성능 확보가 확실하지만, 강재의 특성으로 인해 화재시 방호벽이 가열되고 복사열에 의해 이면 방향으로 피해가 발생할 수 있다. 콘크리트 방호벽은 거푸집설치, 콘크리트 양생 등 시공이 비교적 불편하지만, 설치후 구조적 특성, 설치후 관리 등에서 장점을 가진다. Fig. 1에 방호벽을 나타내었다.

Fig. 1

Barriers in Plant

플랜트에서 콘크리트 방호벽은 위험물보관시설, 보호시설 방호용 등으로 설치되는데 특히 변압기 사이에 많이 설치된다. 변압기에 관련된 국내 설치 기준으로는 KFS 411 (2019)이 있다. 여기서는 옥외변압기 설치시 인접 변압기의 노출 화재로부터 보호하기 위해 이격거리를 설정하고 있으며, 규정된 이격거리를 만족하지 못할 경우 변압기 사이에 2시간 내화구조에 적합한 콘크리트 블록 또는 철근콘크리트 구조의 방호벽을 설치하도록 하고 있다.

이와 같은 콘크리트 방호벽은 강재 방호벽에 비하여 화재시 복사열에 의한 피해를 저감할 수 있을 것으로 기대되지만, 방호벽이 건축법상 내화구조 최소 두께인 경우에는 화재시 이면으로의 복사열 영향을 확인할 필요가 있다.

본 연구의 선행연구로서 플랜트 강재 방호벽에 대하여 내화실험을 실시하여 그 결과를 발표한바 있다(Park et al., 2022). 선행 논문에서는 실제 플랜트에 보호시설을 방호하기 위해 설치되어 있는 강재 방호벽에 대하여 실제 형상과 동일하게 실험체를 제작하였으며, 표준화재 조건에서 내화실험을 실시하였다. 실험중 실험체표면으로부터 이격거리별 복사열 및 온도를 측정하였으며, 그 결과를 바탕으로 화재발생 가능성 및 인체위험성을 판단하였다. 또한, 복사열 특성을 분석하여 복사열 영향이 없어지는 거리를 특정하였다.

본 논문에서는 선행연구에 연속하여, 플랜트에 설치되는 콘크리트 방호벽에 대하여 내화실험을 실시하고, 화재시 콘크리트 방호벽 이면으로의 복사열 및 온도에 인한 인명피해 영향을 검토하고, 영향 범위를 예측하였다.

2. 화재위험성 평가 방법

2.1 복사열

복사열에 의한 위험성 평가에 관련된 연구자료로 Oh et al. (2004)은 인체 및 사물에 피해를 줄 수 있는 최소 복사열량을 연구하였다. 이에 따르면 복사열량이 4 kW/m²에 이르면 노출된 피부에 화상 발생위험이 있다. NZS 4232:2 (1988)에서는 복사열량의 크기에 따른 인체에서 느껴지는 현상 및 사물의 발화현상 등을 제시하였다. 이를 Tables 1 및 2에 나타내었다.

Table 1

Minimum Radiant Heat Causing Damage (Oh et al., 2004)

Table 2

General Radiant Heat Intensities for Phenomena (NZS 4232:2, 1988)

2.2 온도

화재로 인한 주위온도 상승 위험성을 언급하고 있는 자료로 Purser (2008)이 있다. Fig. 2에 건조공기와 습한공기를 나누어 대류열에 노출되었을 때의 허용시간을 표현하였다. 여기서는 주위온도 121 °C를 고열로 인한 피해와 피부노출로 인한 피해의 임계점으로 판단한다.

Fig. 2

Thermal Tolerance for Humans at Rest, Naked Skin Exposed, With Low Air Movement (Less Than 30 m/min)

3. 방호벽 내화실험 방법

국내 플랜트에서는 구조물(예. 2시간 내화구조의 방호벽)이나 시설물(예. 지지용 2시간 내화피복 강재기둥)에 내화구조를 적용하고 있으며, 내화구조에 대한 사항은 건축법을 따르고 있다. 그에 따라 KS F 2257-1 (2019)에 따라 시험을 통해 내화성능을 판정하고 있으며, 방호벽은 비내력 벽체로서 KS F 2257-8 (2015)에 따라 시험을 실시한다.

3.1 KS F 2257-8 내화실험 개요

KS F 2257-8 (2015)은 KS F 2257-1 (2019)의 세부표준으로 비내력 벽체에 대한 내화시험 세부절차를 규정하며, 시험장치, 가열조건, 시험절차, 성능판정 등은 KS F 2257-1을 따른다.

3.1.1 가열조건

내화시험은 KS F 2257-1 (2019)에서 정의하고 있는 수직가열로를 사용하고, 규정된 가열로 내 압력조건을 만족시키면서 벽체의 한쪽 면을 가열한다. 가열로 내부 온도는 표준 시간-가열 온도곡선에 따른다. Eq. (1)에 표준 시간-가열 온도곡선식을 나타내었고, Fig. 3에는 그래프로 나타내었다.

Fig. 3

Standard Time-Temperature Fire Curve

(1)T=345log10(8t+1)+20

T: 가열로 내의 평균온도(°C)

t : 시간(분)

3.1.2 시험체

비내력 벽체는 실제 구조의 높이 또는 너비가 3 m 이하인 경우 실제 크기로 시험하며, 실제 구조의 크기가 3 m보다 큰 경우 최소 3 m가 되도록 하여 시험하여야 한다.

3.1.3 성능기준

비내력 수직 구획 부재의 내화성능은 KS F 2257-1에 따른 차염성, 차열성 기준으로 판정한다.

4. 콘크리트 방호벽의 내화실험

플랜트에 설치되는 콘크리트 방호벽에 대하여 KS F 2257-8에 따라 내화실험을 실시하고, 추가로 열전대와 열류계를 설치하여 화재시 콘크리트 방호벽 비가열면에서의 복사열 및 온도에 인한 영향을 분석하였다.

4.1 실험체

실험체는 위험물보관시설, 변압기 등의 방호벽으로 사용되는 내화구조의 벽으로 구성하였다. “건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙”에서 내화구조로 지정하고 있는 철근콘크리조 벽의 경우 두께 100 mm 이상을 기준으로 하고 있으므로, 최소두께 100 mm를 선정하였다. Fig. 4에 콘크리트 방호벽 실험체 형상을 나타내었다. 콘크리트는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 혼화재를 사용하지 않은 레미콘 제조사의 일반 배합을 사용하였으며, 실험체는 3개월간 기건양생 하였다. 콘크리트의 물성은 Table 3과 같다.

Fig. 4

Test Specimen

Table 3

Properties of Concrete

4.2 실험 측정 조건

내화실험을 실시하는 동안 화재 영향평가를 위해 실험체 표면온도 및 비가열면에서의 복사열량과 상승온도를 측정하였다. 실험체 표면온도는 KS F 2257-8에 따라, 평균온도 및 최고온도를 측정하기 위해 8개의 열전대를 설치하였다. 비가열면으로의 복사열량 및 상승온도 측정을 위한 열류계 및 열전대는 실험체 표면으로부터 0.5 m, 1 m, 2 m에 각각 설치하였고, 실험체의 중앙부에서 수평거리에 위치하도록 하였다. Fig. 5에는 복사열량 및 상승온도 측정을 위한 기기의 위치를 나타내었고, Table 4에 사용된 기기의 세부사항을 나타내었다. 복사열량 측정을 위한 열류계는 포용각 180°, 온도 측정을 위한 열전대는 K-type을 사용하였다.

Fig. 5

Test Arrangement

Table 4

Test Equipment

4.3 실험결과

4.3.1 일반사항

내화실험은 2시간 동안 실시되었다. 실험시작 후 20분이 경과하면서 가열로 내부에서 폭열이 일어나기 시작하여 10여 분간 지속되었다. 30분이 경과하면서 실험체 표면에서 지속적으로 수분이 배어나오기 시작하였다. Fig. 6에 실험 전후 모습을 나타내었다.

Fig. 6

Test Pictures

4.3.2 표면 상승온도 및 내화성능

실험결과, 비가열면 표면에서의 온도는 점진적으로 상승하는 경향을 보인다. Table 5에 상승온도를 나타내었다. KS F 2257-1에 따른 차열성 기준을 적용하면, 최고상승온도는 실험시작후 84분경과시 기준온도 180 °C를 초과하였고, 평균 상승온도는 실험시작후 100분경과시 기준온도 140 °C를 초과하여 내화성능은 83분을 나타내었다. 이 결과는 실험 시작후 20분경 발생한 콘크리트 폭열로 인하여 성능저하를 일으켜 예상보다 낮은 성능을 나타낸 것으로 판단된다.

Table 5

Temperature Rise on Surface

4.3.3 복사열량

Fig. 7에는 실험에서 측정한 복사열량을 시간에 따른 그래프로 나타내었으며, Table 6에는 거리별 복사열량을 10분 단위로 나타내었다. 그래프에서 확인할 수 있듯이, 복사열량은 비교적 일정하게 상승하는 것을 확인할 수 있다. 최대 복사열량은 모두 실험 종료시 측정되었으며, 0.5 m에서 5.0 kW/m², 1 m에서 3.0 kW/m², 2 m에서 0.8 kW/m²를 기록하였다.

Fig. 7

Radiant Heat on Distance

Table 6

Radiant Heat (kW/m²)

본 연구의 선행연구(Park et al., 2022)에서 플랜트 강재 방호벽은 1 m 거리에서 70분 실험종료시 45.4 kW/m²를 나타낸 것과 비교하면, 콘크리트의 복사열 차단성능이 우수한 것을 확인할 수 있다.

실험결과를 바탕으로 복사열에 의한 위험성을 평가하면, 0.5 m 거리에서 110분경에 일반적으로 인체위험이 우려되는 복사열량 4 kW/m² (NZS 4232:2, 1988; Oh et al., 2004)를 초과하였으며, 그 이상의 거리에서는 인체위험 수준의 복사열량은 측정되지 않았다.

4.3.4 상승온도

Fig. 8에는 실험에서 측정한 거리별 상승온도를 시간에 따른 그래프를 나타내었으며, Table 7에는 거리별 상승온도를 10분 단위로 나타내었다.

Fig. 8

Temperature Rise on Distance

Table 7

Temperature Rise (°C)

콘크리트 방호벽에서 온도상승 경향은 비교적 일정하게 상승하는 것을 확인할 수 있다. 다만, 0.5 m 측정결과에서 30분까지 급격한 상승을 보이다가 약 70분까지 100 °C로 유지되고 있는데, 이는 콘크리트 내부 수분이 증발하면서 온도상승을 억제하는 것으로 판단되었다. 최대 상승온도는 모두 실험 종료시 측정되었으며, 0.5 m에서 207.9 °C, 1 m에서 74.1 °C, 2 m에서 51.2 °C를 기록하였다.

본 연구의 선행연구(Park et al., 2022)에서 플랜트 강재 방호벽은 1 m 거리에서 70분 실험종료시 389.3 °C, 2 m에서 239.4 °C를 기록하였다.

실험결과를 바탕으로 온도상승에 의한 위험성을 평가하면, 0.5 m 거리에서 80분경에 피부노출로 인한 피해가 예상(Purser, 2008)되는 121 °C를 초과하였으며, 그 이상의 거리에서는 초과하지 않았다.

5. 화재시 콘크리트 방호벽의 복사열 특성

5.1 복사열량 경향 예측

실험결과를 바탕으로 복사열 특성을 분석하기 위하여, 10분 단위의 시간별 측정값을 거리/복사열량을 변수로 나타내었다. 거리별로 측정된 복사열 그래프는 지수함수 형태를 취하는 것으로 알려져 있으며, 이는 여러 문헌에서 확인할 수 있다. 이같은 특성을 이용하여 x축을 로그 스케일로 표현하면, 복사열량의 감소 경향 예측이 가능한 데이터를 얻을 수 있다.

Fig. 9에 10분 단위의 시간별 복사열량을 나타내었으며, Fig. 10에는 이를 바탕으로 회귀선을 나타내었다. 각각의 시간별 복사열량 회귀선을 연장하면 한 점으로 수렴하는 경향을 그래프에서 확인할 수 있다. Eqs. (2)~(10)에는 회귀식을 표현하였다.

Fig. 9

Heat Flux on Surface Distance

Fig. 10

Regression Graph of Heat Flux

(2)y120분=−3.067ln(x)+2.9119,R2=0.9996

(3)y110분=−2.652ln(x)+2.4075,R2=0.9999

(4)y100분=−2.304ln(x)+2.0995,R2=0.9992

(5)y90분=−1.930ln(x)+1.8575,R2=0.9970

(6)y80분=−1.399ln(x)+1.2469,R2=0.9952

(7)y70분=−0.940ln(x)+0.7843,R2=0.9652

(8)y60분=−0.611ln(x)+0.4274,R2=0.9580

(9)y50분=−0.374ln(x)+0.2675,R2=0.9242

(10)y40분=−0.204ln(x)+0.1530,R2=0.9794

y: 복사열량(kW/m²)

x: 이격거리(m)

5.2 복사열량 특성 분석

5.1장에서 서술한 바와 같이, 시간별 복사열량 회귀선을 분석하면 한 점으로 수렴하는 경향을 보인다. 각각의 회귀식을 바탕으로 복사열량이 0이 되는 지점을 확인하면, 수치적으로 유사한 거리를 나타내고, 그 거리를 초과하면 복사열량에 의한 영향이 없을 것으로 판단된다. Table 8에 복사열량이 0이 되는 거리를 나타내었다.

Table 8

Distance Being Radiant Heat Zero

이 결과를 바탕으로 콘크리트 방호벽에서 2.62 m를 초과하여 이격된 경우 복사열 영향이 거의 없을 것으로 판단된다.

6. 결 론

본 연구에서는 플랜트 콘크리트 방호벽을 대상으로 내화실험을 수행하고 복사열 특성을 비교 분석하였다.

본 연구에서는 플랜트 방호벽의 화재시 특성 및 위험성을 연구하였다. 콘크리트 방호벽의 경우 내화구조로 인정받고 있는 최소 두께로 연구를 수행하였으나, 단일 실험체에 대한 한정된 결과이므로 150 mm, 200 mm와 같이 두께별로 추가실험을 통한 전체적인 경향 연구가 필요할 것으로 판단된다.

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