1. 서 론
국내에는 발전플랜트, 화공플랜트, 환경플랜트, 철강플랜트 등의 플랜트가 운용되고 있다. 이러한 플랜트에는 고온고압의 공정이 적용되기 때문에 위험물안전관리법, 고압가스관리법, 액화가스관리법 등에서 다양한 세부사항을 정하여 위험을 관리하고 있다. 특히 화재위험성에 대해서는 건축법의 내화구조, 방화구획 조항을 적용하고, 세부적으로는 건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙에 따른다.
그러나, 플랜트에는 건축법의 직접적인 대상이 되는 건물도 있지만, 대부분이 외부에 설치되는 배관, 압력용기, 컴프레셔, 지지용 철골, 소방설비 등의 시설물이 설치된다. 이러한 시설물은 외부에 설치되기 때문에 대부분 건축법상 내화구조 규정 적용을 받지 않지만, 하위 지침이나 시방서에서 구조물은 건축법에 준하여 내화구조의 벽, 바닥을 구성하도록 하고, 철골로 이루어진 기둥, 보, 유사 철재 지지물의 경우는 내화피복을 적용하도록 규정한다. 고강도의 위험이 우려되는 경우에는 국내법보다 더 엄격한 해외기준을 적용하기도 한다.
이러한 국내 건축법에서의 내화구조는 일반화재를 가정한 표준화재곡선(standard fire curve)을 적용한 시험을 실시하여 그 성능을 확인하도록 하고 있으나, 정유플랜트나 석유화학플랜트와 같은 탄소량이 높은 물질을 취급하는 공정에서 발생할 것으로 예상되는 화재와는 성상이 달라 이러한 플랜트에 사용되는 부재는 탄화수소화재를 가정한 탄화수소화재곡선(Hydrocarbon fire curve)을 적용한 내화시험을 적용하여 성능을 확인하여야 한다.
한편, 고온고압의 공정이 많은 플랜트에서는 화재, 폭발 등의 위험성을 저감하기 위해 방호벽이 사용된다. 위험물안전관리법 시행규칙 별표 4에는제조소 등으로부터 5 m 미만의 거리에 설치하는 방화상 유효한 벽은 내화구조로 설치하도록 하고 있고, KFS 411 (2019) 기준에서는 옥외변압기 설치시 인접 변압기 이격거리를 규정을 만족하지 못하는 경우 2시간 내화구조의 콘크리트 블록 또는 철근콘크리트 구조의 방호벽을 설치하도록 하고 있다. KOSHA GUIDE D-65 (2018), KGS FS231 (2014), KGS FU111 (2020) 기준에는 철근콘크리트제 방호벽, 콘크리트 블록제 방호벽, 강판제 방호벽 등의 구성 및 설치방법을 제시하고 있다. Fig. 1에 실제 국내 플랜트에 설치되어 있는 방호벽을 나타내었다.
국내에서 플랜트에 사용되는 부재에 대한 내화구조 성능에 대한 연구는 아직 많지 않지만 최근 활발히 발표되고 있다.
Lee et al. (2022)은 건축법상 표준(일반) 화재 성능을 만족하는 내화피복된 강재 기둥 및 보에 대하여 UL1709 (2002) 시험방법을 사용하여 탄화수소화재시험(hydrocarbon fire test)을 수행하였다. 그 결과 수평부재는 평균 수열온도에서 29.8%, 최고 수열온도에서 48.3%, 수직부재는 각각 16.7%, 19.0%의 높은 온도를 나타내는 것을 확인하였다. Cho and Ahn (2022)은 석유화학플랜트 시설물에 설치되는 것으로 가정한 내화피복 시험체에 대하여, 표준화재시험 및 탄화수소화재시험을 실시하여 외관 및 수열온도를 비교하였다. 그 결과 건축법상 일반화재에 적합한 내화성능을 가진 내화피복이라도 탄화수소화재에 노출될 경우 급격한 온도상승으로 시험체의 75%가 소요 내화성능시간을 만족하지 못하는 것을 확인하였다. Park et al. (2022)은 석유화학플랜트에 설치된 강판제 방호벽에 대하여 표준화재시험을 실시하여, 내화성능 확인을 위한 온도를 측정하고, 시험체의 비가열면으로 발산되는 복사열을 조사하였다. 그 결과 플랜트에 설치된 강판제 방호벽은 화재시 인명피해 위험이 있으며, 복사열에 의한 인체화상이 일어날 수 있는 시간/거리를 제시하였다.
위와 같은 연구에서 언급하였듯이, 탄화수소 물질을 사용하는 플랜트에 설치되는 부재 또는 시설물은 탄화수소화재시험을 실시하여 내화성능을 평가할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 플랜트에서 화재, 폭발 위험을 저감하기 위해 설치하는 방호벽에 대하여 탄화수소화재시험을 실시하여 내화성능을 확인하였다. 방호벽에 적용할 수 있는 탄화수소화재시험 방법을 검토하여 적용하고, 시험결과를 통하여 내화성능을 평가하여, 일반화재를 기준으로 한 부재의 내화성능과 차이가 있는지를 검토하였다.
2. 플랜트 시설물 내화시험 방법
국내에서는 내화성능 측정을 위한 시험방법으로 KS F 2257-1 (2019) (건축 부재의 내화 시험방법 - 일반 요구사항)을 기본으로 KS F 2257-4 (내력 수직구획 부재), KS F 2257-5 (수평 내력구획 부재), KS F 2257-6 (보), KS F 2257-7 (기둥), KS F 2257-8 (2015) (비내력 수직구획 부재), KS F 2257-9 (비내력 천장) 등 을 사용하고 있다.
국제규격으로는 ISO 834-1 (1999) (Fire-resistance tests- Elements of building construction - Part 1: General requirements)을 기본으로 ISO 834-4 (loadbearing vertical separating elements), ISO 834-5 (loadbearing horizontal separating elements), ISO 834-6 (beams), ISO 834-7 (columns), ISO 834-8 (2002) (non- loadbearing vertical separating elements), ISO 834-9 (non- load bearing ceiling elements) 등이 있으며, KS F 2257 규격은 ISO 834 규격을 부합화한 것이다.
또한 영국에서는 BS EN 1363-1 (2020) (Fire resistance tests - Part 1: General requirements), 미국에서는 ASTM E119 (2020) (Standard Test Methods for Fire Tests of Building Construction and Materials)를 건축부재의 내화시험 방법으로 규정하고 있다.
위에서 서술한 내화시험 방법들은 공통적으로 일반화재를 기반으로 한 표준화재곡선을 사용한다. 반면 플랜트에서는 다양한 가연성 물질을 다수 사용하고 있으며, 특히 정유플랜트 및 석유화학플랜트에는 탄소량이 높은 물질을 사용하기 때문에 화재시 일반화재보다 급격한 화재성상을 보이므로, 탄화수소화재곡선을 사용하여 그 성능을 확보하도록 권고하고 있다. 탄화수소화재곡선을 사용한 내화시험 방법으로는 BS EN 1363-2 (1999) (Fire resistance tests - Part 2: Alternative and additional procedures), UL 1709 (2002) (Rapid Rise Fire Tests of Protection Materials for Structural Steel), ASTM E 1529 (2000) (Standard Test Methods for Determining Effects of Large Hydrocarbon Pool Fires on Structural Members and Assemblies) 등이 있다.
3. 플랜트 방호벽 Hydrocarbon Test 개요
본 연구에서는 Fig. 1에 나타낸바와 같은 플랜트에서 실제 사용되고 있는 철근콘크리트제 방호벽, 콘크리트 블록제 방호벽, 강판제 방호벽에 대하여 BS EN 1363-2 (1999) 탄화수소화재곡선을 적용하여 내화시험을 수행하였다. 내화시험 결과 측정된 각 방호벽의 내화성능은 플랜트에 적용되는 건축법 또는 하위규정이나 시방서에서 규정하는 성능에 적합한지 판단할 수 있는 근거가 될 것으로 판단한다.
3.1 BS EN 1363-2 Hydrocarbon Fire Test
2장에서 서술한 여러 탄화수소화재시험 규격 중에서 UL 1709 (2002)는 강재의 내화피복에 대한 시험방법이고, ASTM E 1529 (2000)는 Pool Fire 조건의 시험방법이므로 방호벽의 시험에 적합하지 않다. BS EN 1363-2 (1999)에서는 석유화학플랜트와 같은 곳에 적용할 수 있는 높은 온도와 급격한 화재성상을 나타내는 탄화수소화재곡선을 제시하고 있으며, 화재시험에 대한 일반사항은 BS EN 1363-1 (2020)에 따르도록 하고 있다.
3.1.1 Expression of Temperature-time Curve
BS EN 1363-2 (1999) 탄화수소화재곡선은 급격한 화재성상을 반영하여 시험시작 5분에 948 °C, 10분에는 1,034 °C에 도달하도록 설계되어 있다. 아래 Eq. (1)에 곡선식을 나타내었다.
T: the average required furnace temperature (°C)
t: the time from start of test (minutes)
3.1.2 Performance Criteria
BS EN 1363-2 (1999)에 의한 탄화수소화재시험 성능기준은 BS EN 1363-1 (2020)에 의한 수직 비내력 벽체의 Integrity, Insulation 기준을 적용하여 성능을 판정한다.
① Integrity
시험 중 아래 각각의 현상이 발생하지 않고 시험체가 유지되는 시간으로 정한다.
- Cotton pad 적용시 착화
- Gap gauge 적용시 시험체 관통
- 지속적인 화염 발생
② Insulation 시험 중 비가열면 온도가 아래 각각의 온도 기준을 초과하지 않고 유지되는 시간으로 정한다
- 초기 평균온도보다 140 K 초과
- 이동식 열전대를 포함한 임의의 측정 위치에서 초기 온도보다 180 K 초과
3.2 Test Specimen
KOSHA GUIDE D-65 (2018), KGS FS231 (2014), KGS FU111 (2020) 기준에서 제시하고 있는 방호벽 구성 및 설치기준에 적합하게 시험체를 제작하여 탄화수소화재시험을 실시하였다. 기준에서 제시하는 3가지 방호벽 중에서 철근콘크리트제 방호벽 시험체는 두께를 변수로 설정하여 100 t, 120 t, 150 t, 200 t, 4개를 제작하였다. 시험체 제작에 적용된 콘크리트는 혼화재 없이 레미콘 제조사의 일반 배합을 사용하였고, 3개월 기건양생 하였다. 세부적인 강도, 슬럼프 등은 Table 1과 같다.
Table 1
Concrete Design Properties
| Item | Nominal strength | Maximum size of coarse aggregate | Slump |
|---|---|---|---|
| Value | 18 MPa | 25 mm | 150 mm |
두 번째로 콘크리트 블록제 방호벽 시험체는 KS F 4002 (속 빈 콘크리트 블록)의 기본 블록 390 × 190 × 150 및 390 × 190 × 190을 사용하여 두께를 변수로 2개의 방호벽 시험체를 제작하였다. 마지막으로 강판제 방호벽 시험체는 설치기준에 적합하게 H형강(H-400 × 400 × 13 × 21), L형강(L-50 × 50 × 6) 및 평판(PL-6 mm)을 사용하여 2개의 시험체를 제작하였다. 철근콘크리트제 및 콘크리트 블록제 방호벽은 두께를 변수로 시험을 계획하였으나, 강판제 방호벽은 비대칭의 단일 구조이므로 2개의 시험체를 제작하여 전면 및 후면으로 나누어 2회 시험을 진행하는 것으로 계획하였다.
3.3 Temperature Measurement Point
BS EN 1363-2에 의한 탄화수소화재시험 온도측정 열전대 배치는 BS EN 1363-1 (2020)에 의한 Integrity 및 Insulation 온도 측정 방법을 적용하였으며, 방호벽 시험체의 각 표면에 평균상승온도 측정을 위해 5개의 열전대를 설치하고, 최고상승온도 측정을 위해 추가적으로 3개의 열전대를 설치하였다. Fig. 2에 열전대 설치위치를 나타내었다. 단, 강판제 방호벽 시험체는 평판(PL-6 mm)의 벽체이므로 가열로의 온도상승에 따라 모든 부위에서 표면온도가 급격히 상승할 것으로 예상되며, 내화성능 판정의 의미보다는 온도상승 경향 확인에 의미를 두어 시험체 중앙부에만 열전대를 설치하였다.
4. 플랜트 방호벽 Hydrocarbon Test 결과
플랜트 방호벽 8개 시험체의 내화시험은 BS EN 1363-1 (2020) 및 BS EN 1363-2 (1999) 표준에 따라 방재시험연구원에서 실시되었다. 내화시험은 3.1.1절에 따른 탄화수소화재곡선을 적용하여 시행되었다.
4.1 콘크리트 방호벽 시험결과
Fig. 3에는 콘크리트 방호벽의 시험결과를 시험체 두께별로 시험사진, 가열온도 및 비가열면 상승온도로 나타내었다. 각 시험체의 가열온도는 모두 탄화수소가열곡선 규정에 적합하게 만족하였고, 비가열면 상승온도는 시간경과에 따라 점진적으로 상승하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. Table 2에는 콘크리트 방호벽의 온도측정값 및 내화성능을 나타내었다. 100 t 시험체는 140분에 평균상승온도 140 K, 165분에 최고상승온도 180 K를 초과하여 Insulation 기준에 의해 139분의 내화성능을 가지는 것으로 나타났다. 120 t, 150 t, 200 t 콘크리트 방호벽 시험체는 모두 180분의 시험시간 동안 Insulation 기준 및 Integrity 기준을 만족하여 180분의 내화성능을 가지는 것으로 나타났다. 다만, 시험종료시 최고상승온도는 120 t에서 96 K, 150 t에서 70 K, 200 t에서 48 K로 두께가 커질수록 상승온도는 낮아지는 경향을 확인할 수 있었다.
Table 2
Fire Resistance of Concrete Barrier
4.2 콘크리트 블록 방호벽 시험결과
Fig. 4에는 콘크리트 블록 방호벽의 시험결과를 나타내었다. 각 시험체의 가열온도는 모두 탄화수소가열곡선 규정에 적합하게 만족하였고, 콘크리트 방호벽과 유사하게 비가열면 상승온도는 시간경과에 따라 점진적으로 상승하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. Table 3에는 콘크리트 블록 방호벽의 온도측정값 및 내화성능을 나타내었다. 150 t 시험체는 110분에 평균상승온도 140 K, 101분에 최고상승온도 180 K를 초과하여 Insulation 기준에 의해 100분의 내화성능을 가지는 것으로 나타났다. 190 t 시험체는 115분에 평균상승온도 140 K, 132분에 최고상승온도 180 K를 초과하여 Insulation 기준에 의해 114분의 내화성능을 가지는 것으로 나타났다. 모든 시험체는 Integrity 기준은 만족하였다.
4.3 강판제 방호벽 시험결과
Fig. 5에는 강판제 방호벽의 시험결과를 시험체 양면에 대하여 시험사진, 가열온도 및 비가열면 상승온도로 나타내었다. 각 시험체의 가열온도 그래프를 보면, 시험시작후 약 40분경까지 탄화수소가열곡선에 가열로 온도가 도달하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 이는 방호벽의 재질이 강판이기 때문에 내화성능 요소인 Insulation (차열성)이 없는 결과를 나타내었다. 중앙부에서의 비가열면 상승온도는 가열로의 온도와 일정한 온도차이를 유지하며 비슷하게 상승하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. Table 4에는 강판제 방호벽의 온도측정값 및 내화성능을 나타내었다. 각 시험체 2분 및 3분경과시 180 K를 초과하여 Insulation 기준을 만족하지 못하는 결과를 나타내었다. 70분 시험종료시 온도는 722 K, 668 K로 나타났다. 또한 모든 시험체는 Integrity 기준은 만족하였다.
4.4 결과분석
시험결과, 철근콘크리트 방호벽 시험체는 시험종료시 최고상승온도가 100 t에서 191 K, 120 t에서 96 K, 150 t에서 70 K, 200 t에서 48 K로 측정되었고, 콘크리트 블록제 방호벽은 최고상승온도가 150 t에서 257 K, 190 t에서 200 K로 측정되었으며, 강판제 방호벽은 최고상승온도가 양면에서 722 K, 668 K로 측정되었다. 이와 같은 온도측정결과를 보면 각 방호벽의 재료적 차이에 따른 내화성능 수준을 확인할 수 있으며, 철근콘크리트, 콘크리트 블록제, 강판제 방호벽 순서로 내화성능이 우수한 것을 확인하였다.
한편, 국내에서 내화구조는 건축법에 명시되어 있고, 건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙 제3조 2에는 내화구조에 적합한 구조를 제시하고 있다. 본 연구의 방호벽에 적용하면 외벽 중 비내력벽인 경우에는 철근콘크리트조는 두께가 7센티미터 이상인 것, 콘크리트블록조⋅벽돌조 또는 석조는 두께가 7센티미터 이상인 것을 내화구조로 제시하고 있다.
그러나, 플랜트 방호벽 탄화수소화재시험 결과, 철근콘크리트제 방호벽은 100 t인 경우 139분의 내화성능을, 콘크리트 블록제 방호벽은 150 t는 100분, 190 t는 114분의 내화성능을 가진 것으로 나타나 탄화수소화재를 적용하는 석유화학 플랜트에서는 2시간 또는 3시간의 내화구조 규정을 만족하지 못할 것으로 판단된다. 이는 시험시 가열로 내부온도가 표준화재시험에서는 5분에 576 °C, 10분에 678 °C에 도달하고, 탄화수소화재시험에서는 5분에 948 °C, 10분에 1,034 °C에 도달하기 때문에, 탄화수소화재시험 실시후 10분 이내에 더 큰 화재강도에 의해 시험체 온도가 상승하여 Insulation 성능 저감으로 이어지기 때문인 것으로 판단된다. 강판제 방호벽은 내화구조의 온도상승 억제능력이 거의 없어 화재 위험 방지의 목적으로는 부족한 성능을 가지는 것으로 판단되었다.
5. 결 론
본 연구에서는 플랜트에서 실제 사용되고 있는방호벽을 대상으로 탄화수소화재시험을 수행하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
철근콘크리트제 방호벽 100 t 시험체는 139분, 120 t, 150 t, 200 t 시험체는 모두 180분의 내화성능을 보유한 것으로 나타났다.
콘크리트 블록제 방호벽 150 t 시험체는 100분, 190 t 시험체는 114분의 내화성능을 보유한 것으로 나타났다.
강판제 방호벽 양면 시험체는 시험시작 2분 및 3분 경과시 최고상승온도 180 K를 초과하여 내화성능 요소인 Insulation (차열성) 성능이 없는 결과를 나타내었다.
본 연구의 대상으로 선정한 실제 플랜트에 설치된 방호벽은 석유화학플랜트와 같은 탄화수소화재 가능성이 있는 플랜트에서는 두께나 종류에 따라 내화구조 규정을 만족하지 못할 것으로 판단된다. 따라서, 국내기준에 따라 내화구조가 인정된 방호벽이라도 석유화학플랜트에 설치될 때 유효하게 작동할 것인지에 대한 합리적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.
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