1. 서 론
화재 피해를 입은 시설물의 재사용성을 확인하기 위해서는 합리적인 화재손상 조사/진단 방식의 선택이 필요하다. 건축물의 화재안전진단 및 보수⋅보강지침(Architectural Institute of Japan, 2021)에 의하면, 부재 상태 및 내구성, 변위/변형을 중심으로 약 8~10개 항목을 조사하여 이를 바탕으로 화재손상을 진단하는 방식을 제시하고 있다. 다만 이와 같은 방식은 각 항목별로 세밀한 검토가 이루어져 그 결과 값들의 신뢰성을 높이는 장점이 있으나 절차가 매우 복잡할 뿐만 아니라 도출된 영향 인자들의 다양성으로 인해 주요 인자들을 결정하는데 많은 시간이 소요되므로, 편의성 및 신속성 측면에서는 단점이 될 수 있다. 또한 시설물은 용도나 규모 면에서 매우 다양한 형태로 존재하므로 화재손상 조사/진단 방식을 선택하는 과정에서 이들 특성들을 우선적으로 고려할 필요가 있다. 특히, 주거용과 산업용은 분명한 차이가 있으므로, 산업용 시설물을 대변하고 있는 석유화학 플랜트에 대해 그 특징들을 설명하는 과정 중에서 본 연구의 필요성을 제시하고자 한다.
플랜트는 주거용 시설물과는 달리 제품 생산에 초점이 맞춰져 있으며, 목표 생산량 달성을 위한 가동성이 중시되므로, 화재 피해가 발생되더라도 신속한 복구가 우선되는 특징이 있다. 이와 같은 특징은 종래의 화재손상 조사/진단 방식이 갖는 보수적인 절차와 다양한 조사 항목이 산업용 시설물을 대상으로는 오히려 불편함이 있을 수 있다. 더군다나 생산 효율을 중시하여 단순하면서도 정형화된 구조설계가 이루어진 석유화학 플랜트 시설물이라면 더욱 그러할 것이다.
산업용 시설물에서의 화재는 주거용 시설물에서 발생하는 화재와 그 유형 및 강도가 다르다. KS F 2257-6 (2014), KS F 2257-7 (2014)에서는 시설물 주요 구조부재의 내화성능을 확인하는 화재조건으로 표준화재(Standard Fire)를 전제하고 있으나, 석유화학 플랜트와 같이 높은 인화/가연성 물질을 취급하는 시설물인 경우에는 표준화재 내화성능 평가 방식의 적절성에 대한 지적이 지속되어 왔다. Choi and Byeon (2021)은 화재 유형의 상대성을 고려하지 않는 우리나라 현행 내화구조 설계 및 내화성능 평가 방식의 문제점을 지적하고 관련 제도의 개선을 촉구하였으며, Lee et al. (2022) 및 Cho and Ahn (2021)은 탄화수소화재(Hydro- Carbon Fire)에 노출된 주요 구조부재의 내화성능이 표준화재에 비교해 낮아지는 것을 실험적으로 검증하였다. 이 같은 연구 사례들을 비춰볼 때, 석유화학 플랜트와 같이 탄화수소 물질을 다수 취급하는 시설물인 경우, 표준화재 외에도 탄화수소화재에 따른 시설물의 화재손상 특성을 파악해야 하는 것이 필요하다고 볼 수 있다.
또한 석유화학 플랜트 시설물은 대부분 강구조로 이루어져 있으며, 현행 ｢건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙｣에 준해 1~3시간의 내화성능 조건을 충족시켜야 하므로 구조용 부재 외부에 내화용 피복재(내화도료, 내화뿜칠)가 적용되어 있다. 따라서 석유화학 플랜트 시설물의 특성상 화재가 발생하게 되면 피복재가 가장 우선적으로 손상을 입게 되므로 피복재의 종류 및 노출 화재조건별로 화재손상 특성을 검토하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다.
이에 본 연구에서는 석유화학 플랜트의 강구조 시설물에 적용된 내화 피복재를 대상으로 조건별 화재에 노출되었을 시의 화재손상 특성을 분석하였으며 그 결과를 토대로 구조용 강재의 수열온도 추정 가능성을 검토하였다. 이는 종래의 화재손상 조사/진단 방식을 간소화할 수 있는 계기가 될 것으로 생각되며 아울러, 본 연구를 통해 축적된 데이터는 석유화학 플랜트 시설물의 화재손상 조사/진단 시 객관적 평가를 위한 기초 자료가 될 수 있을 것으로 기대된다.
2. 화재손상 실험
2.1 실험체 및 노출 화재조건
본 연구에서는 화재에 의한 강구조물 내화 피복재의 손상 정도를 파악하기 위해 평판 화재손상 실험을 수행하였다. 내화 피복재의 화재손상 특성 확인을 위해 면적 300 mm × 300 mm, 두께 15 mm의 강판을 모재로 하여 화재에 노출되는 1면을 내화 피복재로 적용하고 그 이외의 면은 모두 차열 처리하였다. 또한 피복재 종류 및 노출 화재조건에 따른 모재(강판)의 수열온도 측정을 위해 열전대(Thermalcouple)를 강판에 매립 설치하였다. 이와 같은 평판실험은 일본의 Hideyuki et al. (1999)이 수행한 전례가 있으며, 피복재를 적용한 구조부재 수준의 실험은 Akiko et al. (1999), Kim et al. (2014)이 수행했던 전례를 들어, 본 연구에서는 이들 조건들을 참고하여 실험을 진행하였다. Fig. 1은 평판실험 규격을 나타낸 것이며, Fig. 2는 내화 피복재의 실제 화재손상 실험 모습을 나타낸 것이다.
Fig. 3은 여수 석유화학 산업단지 내 시설물의 모습을 나타낸 것이다. 석유화학 플랜트 시설물은 일반적으로 용기 및 열교환기, 장치를 지지하는 구조적 요소가 있을 뿐만 아니라 파이프 랙과 같은 비구조적 요소도 존재하며, 모두 외피에 내화용 도료나 뿜칠을 적용하고 있다. 이에 본 연구에서는 상기 현장조건들을 바탕으로 본 연구의 대상인 내화 피복재를 선정하였다. 선정된 피복재는 내화도료와 내화뿜칠이다. 내화도료는 크게 아크릴계와 에폭시계로 구분될 수 있으며, 내화뿜칠은 석고계와 시멘트계로 구분될 수 있다.
내화 피복재에 가하는 화재조건으로는, ISO-834 (1975)의 표준화재(Standard Fire)와 UL Subject 1709 (2022)의 탄화수소화재(Hydro-Carbon Fire)로 구분하되, 화재에 노출되는 시간을 각각 최소 5분에서 최대 30분으로 제한하였다. 이는 피복재의 요구내화성능을 확인하는 것이 아니라 화재가 발생된 이후의 화재손상을 검토하는 것이 목적이기 때문이다. 표준화재의 경우 건축물 구조부에 일반적으로 적용되는 화재조건으로 60분 이내에 927 ℃ (1,700 F)에 도달하는 조건이지만 탄화수소화재는 5분 이내에 1,093 ℃ (2,000 F)에 도달하는 급가열 화재를 나타내는 것으로서 석유화학 플랜트와 같이 탄화수소 물질을 다량 보유하거나 취급함으로써 화재 시 시설물 등이 빠른 시간 내에 높은 온도에 노출될 것을 고려한 화재조건이다. Fig. 4는 표준화재와 탄화수소화재의 시간별 온도를 비교해 나타낸 것이다.
Table 1은 내화 피복재의 종류와 노출 화재조건별로 실험체(평판실험)를 정리한 것이다. 실험에 사용된 내화 피복재는 모두 1시간 또는 2시간 요구 내화성능을 만족하는 내화구조 인정을 득한 제품이다. Table 2는 내화 피복재의 재료적 열특성을 확인하고자 열중량분석(Thermogravimetric Analysis)을 실시하였고, 그 결과를 나타낸 것이다. 내화뿜칠의 경우, 900 ℃ 이상의 온도범위에서 가장 많은 중량감소를 보이는 반면에 내화도료는 250 ℃ 초과 900 ℃ 미만의 온도범위에서 가장 많은 중량감소를 보였다.
Table 1
Specimen Information
Table 2
Thermogravimetric Analysis Results by Specimen
2.2 화재손상 종류 및 수열온도
우리나라의 현행 내화구조 인정 절차(건축자재등 품질인정 및 관리 세부운영지침, 국토교통부 승인(건축안전과-5088, 2022.09.16.))에 의하면, 강구조 주요 구조부재에 적용되는 내화 피복재에 대해서는 내화시험 전에 품질시험(내구성 및 안전성)을 수행하도록 하고 있다. 내화도료의 경우, 부착강도 및 가스유해성을 시험하는 것으로 명시되어 있으나 내화도료는 고온의 조건에서 발포되어 외형상의 변화가 생기는 특성을 가지고 있으므로 화재 이후의 손상을 관찰하는 시점을 감안할 때, 대표적인 화재손상 특성으로 발포두께를 선택하였다. 발포두께는 KS F 2901 (2022)에 기술된 두께측정 게이지(검침자)를 이용해 측정하였다. 한편, 내화뿜칠은 사전 품질시험으로 부착강도와 밀도를 시험하도록 되어 있으며, 내화도료와는 달리 고온에 노출되더라도 외형상의 변화가 거의 없다. 따라서 내화뿜칠의 대표 화재손상 특성으로 부착강도와 밀도를 선정하였으며, 각각 KS F 2902 (2008)와 KS F 2901 (2022)에 따라 그 특성을 분석하였다.
한편, 강구조의 수열온도는 구조부재의 내력저하 정도를 추정할 수 있는 주요 지표로 여겨지고 있다. 특히, 건축물의 화재안전진단 및 보수⋅보강지침(Architectural Institute of Japan, 2021)에서는 구조부재의 화재손상 등급 판정기준으로 수열온도를 기초하고 있으며, 유의미한 수열온도 기준을 300 ℃, 500 ℃, 720 ℃으로 구분하고 있다. 이는 300 ℃를 넘으면 볼트접합부에 변형 및 미끄럼과 볼트의 재질변화가 발생하고, 500 ℃를 넘으면 부재의 항복강도 저하가 발생하기 쉬워지며, 720 ℃가 넘으면 강재의 조직 변화가 발생하는 변태점으로 판단되기 때문이다. 따라서 석유화학 플랜트와 같이 대부분 강구조로 이루어진 경우에는 화재손상 정도를 확인할 수 있는 수열온도 추정이 매우 중요하다고 할 수 있다. 본 실험에서도 수열온도 측정을 위해 모든 실험체 모재(강판)에 열전대를 설치하였으며, 화재노출에 따른 열전대의 온도변화를 계측하여 수열온도 데이터를 도출하였다.
3. 결과 및 분석
3.1 화재손상 특성
Fig. 5는 내화 피복재의 화재손상 실험 이후의 모습들을 나타낸 것이다. 내화도료(아크릴계, 에폭시계)는 모두 발포가 이루어진 것을 확인할 수 있다. 다만, 내화뿜칠은 외형상의 큰 변화는 없는 것으로 나타났으나 그 중 석고계 내화뿜칠은 표면에 미세균열이 발생된 것을 확인하였다. 콘크리트 시설물 구조부재를 대상으로 하는 기존의 화재손상 조사 방법들 중에서는, Cha et al. (2020), Cha et al. (2021)과 같이 변색 정도를 조사하여 수열온도를 추정하는 방식이 있으나 내화 피복재가 적용되어 있는 강구조물에서는 변색 정도를 두고 수열온도를 추정하는 방식은 다소 어려움이 있을 것으로 사료된다.
Fig. 6은 본 연구에서 국한한 내화도료 종류 및 노출 화재조건별 발포두께를 나타낸 것이다. 내화성능 1시간용 도료 보다 2~3시간용 도료가 화재 노출 이후의 발포두께가 더 두꺼운 것을 확인하였다. 동일한 내화성능(시간)을 갖는 도료라고 해도 종류에 따른 도포두께 및 원료(발포제 등)의 차이는 있고 이는 결국 발포두께의 차이로까지 이어진 것으로 보인다. 또한, 내화도료는 화재에 노출되는 시간이 증가함에 따라 발포두께도 증가하는 경향을 보이나 발포배율의 한계로 인해 점차 최대 발포두께로 수렴하는 것으로 나타났으며, 표준화재에 비해 탄화수소화재 시 발포두께가 더 두꺼워지는 것으로 나타났다. 즉, 내화도료는 노출되는 화재조건에 따라 상이한 발포두께들을 보이고 있으며, 이는 앞서 열중량분석 결과(Table 2 참고)에서 확인 가능하듯이, 상온부터 250 ℃ 사이에서는 아크릴계가 에폭시계에 비해 감소되는 중량이 4배 정도 높은 것으로 나타나 온도가 낮은 화재조건에서는 아크릴계 도료의 발포가 유리할 것으로 사료된다. 그에 반해서, 에폭시계는 250 ℃ 이상의 온도 범위에서 반응성이 높은 것으로 나타나 온도가 높은 화재조건에서는 에폭시계 도료가 아크릴계에 비해 발포가 더 유리할 것으로 생각된다. 이는 높은 인화/가연성 물질을 취급하는 석유화학 플랜트 시설물에서는 화재 시 표준화재 강도보다 더욱 심각한 화재강도가 발생할 수 있으므로, 이러한 화재강도를 감안한 내화 피복재의 선택이 매우 중요하다고 볼 수 있다. 아울러, 화재손상 조사 시 시설물 구조부재에 적용되어 있는 내화 피복재의 기본정보(적용된 도료 종류, 도포두께 등) 획득과 더불어 발생된 화재 상황(화재강도 및 화재 지속시간 등)에 대한 유추가 매우 중요할 것으로 판단된다.
Fig. 7은 내화뿜칠의 노출 화재조건별 밀도 및 부착강도 감소율을 나타낸 것이다. 본 연구에서는 두 가지의 내화뿜칠(석고계, 시멘트계)을 대상으로 하였으나 석고계의 경우 화재손상 실험 이후에 경도가 매우 떨어지는 관계로 측정이 불가능하였다. 이는 석고계가 적용된 시설물에서의 화재손상 정도를 파악하는 것은 피복재만을 대상으로는 어려울 것으로 생각되며, 피복재를 제거한 후 샘플을 채취하는 2차 조사를 추가로 진행해야 할 것으로 사료된다. 석고계와 달리 측정이 가능했던 시멘트계 내화뿜칠은 내화도료와 마찬가지로 노출 화재시간 증가에 따라 밀도와 부착강도가 점차 감소하는 경향을 확인하였으며, 특히 탄화수소화재가 표준화재 조건에 비해 감소율이 더 높은 것을 확인하였다.
Fig. 7
Fire Damage Characteristics (Density & Adhesion Strength) of Spray-applied Fire-Resistant Coating
Fig. 8은 내화 피복재가 적용된 모재(강판)의 수열온도를 나타낸 것이다. 피복재의 종류 및 노출 화재조건별로 수열온도가 상이한 것을 확인할 수 있으며, 특히 내화도료가 내화뿜칠에 비해 수열온도가 높게 형성되며, 요구 내화성능이 높은 즉, 도포 두께가 두꺼운 제품일수록 수열온도가 낮게 형성되었다. 마지막으로 탄화수소화재에 노출될 경우 표준화재에 비해 상대적으로 수열온도가 높게 형성되는 것을 확인하였다. 이와 같은 결과들은 석유화학 플랜트 시설물 내화설계 시 취급물질의 화재강도를 사전에 예상하여 그에 합당한 내화 피복재가 적용되어야 할 것으로 생각되며, 화재손상 조사/진단 단계에서도 발생된 화재유형 및 기 적용된 내화 피복재의 기본정보 취득이 우선시 되어야 할 것으로 사료된다.
3.2 화재손상 특성과 수열온도 관계
Fig. 9는 내화 피복재의 화재손상 특성과 수열온도(Heated Temperature, 이하 HT)의 관계를 나타낸 것이다. 내화도료는 발포배율이 증가함에 따라 수열온도도 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 내화도료의 도포 두께 및 종류(아크릴계, 에폭시계)에 따라 발포배율이 상이한 결과가 확인되며, 특히 표준화재에 비해 탄화수소화재 시 발포배율이 다소 높게 형성되는 것으로 나타났다. 건축물의 화재안전진단 및 보수⋅보강지침(Architectural Institute of Japan, 2021)에서 수열온도를 기준으로 하는 화재손상도 등급(Ⅰ급: HT < 100 ℃, Ⅱ급: 100 ℃ ≦ HT < 300 ℃, Ⅲ급: 300 ℃ ≦ HT < 500 ℃, Ⅳ급: 500 ℃ ≦ HT < 720 ℃, Ⅴ급: 720 ℃ ≦ HT)을 놓고 보았을 때, 본 실험의 결과들은 Ⅲ급 이내에 위치하며, 이런 경우에는 보수 후 재사용이 가능하다고 볼 수 있다.
Fig. 9
Relationship between Fire Damage Characteristics and Heated Temperatures of Fire-Resistant Coating Materials
한편, 내화뿜칠은 화재 노출 전의 밀도 및 부착강도 값과 비교해 감소비가 증가함에 따라 수열온도가 증가하는 경향을 확인하였다. 내화도료와 마찬가지로 표준화재에 비해 탄화수소화재 시 감소비가 높은 것을 확인하였으며, 이 결과들을 볼 때 가열온도의 상승 영향도 분명히 받고 있는 것으로 생각된다. 또한 화재손상도 등급으로 검토하였을 때 Ⅰ급과 Ⅱ급 사이에 있는 것으로 나타나, 수열온도 측면만 보았을 때는 내화도료가 내화뿜칠에 비해 화재 초기에는 화재손상도가 전반적으로 높게 형성될 것으로 생각된다.
4. 결 론
본 연구에서는, 석유화학 플랜트 시설물 내화 피복재의 화재손상 특성을 분석하는 실험적 연구를 진행하였으며, 그 결론은 아래와 같다.
1) 내화 피복재별로 화재손상 특성(발포두께, 밀도, 부착강도)의 시간의존적 경향성을 확인하였다. 내화도료는 요구 내화성능에 따른 도포 두께 및 종류(아크릴계, 에폭시계)별로 발포두께가 상이하며, 내화뿜칠은 화재조건하에서 밀도 및 부착강도가 낮아지는 것을 확인하였다. 내화도료와 내화뿜칠 모두 표준화재에 비교해 화재강도가 높은 탄화수소화재 시 화재손상도가 높을 것으로 보이며, 화재 지속시간이 길어질수록 그 정도 또한 높아진다. 이는 화재손상 조사/진단에서 예비조사 격인 내화 피복재의 정보와 화재 시 화재강도에 대한 검토가 전제되어야 함을 시사한다.
2) 대부분이 강구조물로 이루어진 석유화학 플랜트는 수열온도 추정에 의한 화재손상도를 평가하는 것이 일반적 관행이므로 수열온도 추정값의 신뢰성이 더욱 요구된다. 이에 본 연구에서는 내화 피복재의 화재손상 경향성을 바탕으로 수열온도의 추정 가능성을 확인하였다. 내화도료는 발포배율이 증가함에 따라 수열온도도 증가되며 내화뿜칠의 경우, 화재 노출 전 밀도와 부착강도 값의 적정 감소비에 따라 수열온도를 추정할 수 있을 것으로 사료된다.
3) 석유화학 플랜트와 같이 생산성이 주된 목적인 시설물은 유지관리를 위한 구조부재의 변경 및 교체(신설 또는 해체)가 용이하고, 화재 사고에 의한 손상 이후에도 재가동을 위한 신속한 진단 및 복구가 필요하므로, 다수의 조사항목을 수반하는 기존의 화재손상 진단 방식과 비교해 간소화된 화재손상 진단 방식의 추구가 필요할 것으로 생각된다. 본 연구에서 수행한 내화 피복재 관점의 화재손상 조사/진단 방식은 기존 방식에서 일부 간소화를 지향할 수 있는 계기가 될 것으로 기대한다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
Print
