가연성 액체 취급시설에 대한 성능위주의 화재안전 분석

이수경, 심재광, 유상빈

서울산업대학교 안전공학과

The Performance-Based Fire Safety Analysis of

the Flammable Liquid Facility

Su-Kyung Lee, Jae-Kwang Sim, Sang-Bin Yoo

Dept. of Safety Eng., Seoul National Univ. of Tech., Seoul, Korea

1. 서론

최근 들어, 국내외에서는 화재안전 분야에서 성능기준이라는 개념이 중요한 토의 주제가 되고 있으며, 성능기준 화재안전 설계 기법을 적용한 건물 및 시설물들이 주요 선진국에서 들어서고 있다. 따라서, 기존 법률 기준으로 적용하기 어려운 새로운 시설이 들어서고 있으며, 이에 대한 화재안전의 중요성으로 말미암아 건축기술자, 화재안전 기술자와 건물에 대한 이해 관계자들사이의 기술적, 법적인 이해 관계아래 건물의 미관을 살리며, 인명 및 재산의 보호를 동시에 만족시킬 수 있는 기술적 기준을 마련하고자 나타난 것이 성능기준화재안전에 기초한 설계기법이다.[1]

2. 성능기준화재안전의 개념[2]

2.1 성능기준화재안전 대상물의 선정, 목표의 설정, 기준의 설정

화재안전 범위는 설계 스케쥴의 결정, 화재안전 설계와 관련있는 건축주 및 설계자, 화재안전 전문가 등이 포함되며, 건물의 용도, 적용가능한 코드 및 법을 조사 및 분석하는 단계이다. 화재안전 범위를 결정한 후 화재안전의 목적을 명문화 시키는 것이다. 화재안전 목표는 인명 및 재산의 보호정도, 건물의 계속적인 사용, 환경보호등이 될 것이다. 또한, 목표를 정량화하는 작업 즉, 달러가치, 인명손실, 재산적 충격등이 포함된다.

다음 단계는 성능기준을 설정하는 것이다. 이것은 수치적 평가에 대한 구체적 기준을 결정하는데, 재료의 온도, 가스온도, 일산화탄소 농도, 연기의 가시도, 열폭로 수준 등에 대한 한계치를 결정하는 것이다.

2.2 화재시나리오의 설정

성능기준의 수치적 기준이 설정되었을 때, 엔지니어는 성능 기준에 맞는 설계대안을 개발하고 분석하는 것이다. 이 과정 중 첫 번째 단계가 화재시나리오를 설정하는 것이다. 화재시나리오는 가능한 화재사고로 구성되며, 화재의 특성, 건물의 특성, 재실자의 특성을 그 내용으로 한다.

2.3 계산기법(화재모델)

설정된 화재시나리오들을 평가하기 위해서 평가방법을 이 시점에서 결정해야 한다. 평가방법은 수계산과 기타 개발된 화재모델을 이용하여 상황에 적정한 방법을 선택해야만 한다.

2.4 제안된 해법의 제시

화재모델을 통해 시나리오의 검증이 끝났을 경우 다음 단계는 화재안전 목적에 맞는 수준의 소방시설을 제안하는 것이다. 이 때 제시되는 소방시설은 구체적이어야 하며, 신뢰성이 보장되는 것이어야 한다.

3. Case Study

3.1 대상 건물의 설정

대상 산업시설은 총 매출 액이 연간 40억원의 접착제 제조회사이다. 시설 내에서 많은 다른 종류의 공정이 수행되는데, 상당량의 톨루엔, 아세톤, MEK와 기타 가연성 액체가 이용된다. 대상 지역은 인화성 및 가연성 액체와 위험 폐기물 용기의 수집 저장 지역, 제조소 및 옥외탱크이다.

Fig. 1. Layout of Industrial Facility

3.2 성능기준 화재안전 목적

- 화재가 방안에 머무르도록 하며, 주요 구조적 손상을 유발시키지 않고 인접한 제조소, 옥외탱크 및 옥내 저장소로 확산되는 것을 막는다.

- 저인화점 가연성 액체의 저장량을 최소화하여 점화원을 줄이고 옥외탱크의 화재로 인한 반응기 및 폭발을 방지한다.

3.3 화재시나리오 작성

(1) 옥내저장소

지게차가 메탄올 드럼을 치거나 구멍을 뚫어서 저장실 바닥으로 액체가 흐른다. 증기가 지게차의 엔진배기관이나 다른 점화원에 의해 점화될 수 있다. 그로 인해 생성된 Pool Fire로 인해 저장실 내 다른 드럼과 용기가 화재에 노출되어 파손될 가능성이 있으며, 화재의 심각도를 크게 할 수 있다.

(2) 제조소

- 지게차가 드럼을 치거나 구멍을 내어 저장실 바닥으로 액체가 흐른다. 액체의 종류를 톨루엔이라고 할 경우 점화원에 의해 점화될 수 있다. 이로 인해 생성된 Pool Fire는 제조소내의 반응기를 위협할 수 있으며 이는 반응기의 파열로 2차 재해를 일으켜 화재의 심각도를 더욱 크게 할 수 있다.

- 반응기의 열교환기 고장으로 냉각 되지않아 과열로  용기의 파열 현상이 일어나며 이때 반응기 내부의 물질이 누출되며 Pool Fire를 일으킨다

(3) 옥외탱크

- 잠재된 화재 위험성은 탱크로리에서 옥외탱크로 주입 중 작업자의 오류로 호스가 이탈되는 것을 생각할 수 있다. 이 과정에서 탱크로리의 아세톤이 다이크내에 누출되고 원인 미상의 점화원에 의해 화재가 발생한다

3.4 화재시나리오 분석

(1) 저장실 및 제조소의 바닥 면적에 의해 제한된 누출

SFPE Handbook에서 계산하는 연소속도는 다음의 식을 이용하여 구한다.[3]

[eqn: dot y_max = 1.27 × 10^-6 {Delta H_c} over {Delta H_v}]

메탄올의 경우 0.022kg/m2이며, 톨루엔의 경우 [eqn: 0.040kg/m^2 CDOT s]이다.

Mudan은 순간 누출에 대한 최대 누출 직경 Dmax에 대해 다음과 같은 식을 제안하였다.

[eqn: rm D_max~=~2 { LEFT [ { { V}`_{L } ^{3 } } over {y^2 } RIGHT ]}^{ { 1} over {8 } } ~]

위 식에 의해 계산한 결과 메탄올의 풀 화재 평형지름은 5.05m이며 톨루엔의 경우 11.93m로 계산되었다. 열 방출율은 저장실의 공기 공급율에 의해 제한될 것이다.

[eqn: rm Q~=~m″ CDOT DELTA H_c ~]

이 계산에 의하면 메탄올의 경우 8.7MW의 열 방출율을 가능케하며 톨루엔의 경우 137.645MW의 열방출율을 가능케한다. 이 계산은 배기와 공기 공급에 의해 지배 받으므로 FPE Tool의 배기제한 공식을 따르면[4]

[eqn: Q_L ~=~1500 A_o SQRT { h_ o}]

[eqn: =1500 `TIMES ``(`5.48 SQRT { 3.13}``+``1.61 SQRT { 1.9)}][eqn: =~17871``Kw]

그러므로 저장실의 메탄올은 충분한 공기공급이 이루어지나 제조소의 톨루엔의 경우 17.8MW의 열방출율을 예상할 수 있다.

(2) 철제 구조물의 내화 처리 (Fire Resistance of Structural Steel)

비보호 철제 I-빔들이 저장실 기둥의 역할을 하고 있으며, 내부벽인 콘크리트 블록과 함께 저장실을 지지하고 있다. 철제 빔에 대한 분석에 사용되는 물성은 Table 1과 같다.

Table 1.  Properties of Steel

철의 밀도 (□) ;	7850 □/□
철제의 단면적 (Ac) ;	0.0092 □
철제의 가열 주변 (D) ;	990 □

I 빔에 대한 철제 가열 주변 D는 다음과 같이 계산된다. 현재 I 빔은 가로 150mm, 세로 200mm 두께 5mm의 제원으로 되었으므로

[eqn: rm D~ =~ 4a +2b-2c] = 4(150) + 2(200) - 2(5) = 990

빔에 대해, 단위 길이 당 철의 질량 W는 다음과 같다.

[eqn: rm W = M_s over L = {rho V } over L = rho A_c = 72.2kg/m]

비보호 철제 단면의 내화성(R(min))에 대하여 Metric 단위로 환산한 실험식은 Lie에 의해 다음과 같이 제시된다.[5]

[eqn: rm R &= 74.9 ( W over D ) ^0.7 =74.9 LEFT ( {72.2 kg/m} over 990 RIGHT ) ^0.7 = 11.98min]

그러므로 빔의 파손 시간이 매우 짧으며, 이것은 I빔의 응력과 콘크리트 블록의 응력 차이로 생기는 균열을 이기지 못하고 붕괴 될 것을 예측할 수 있다.

Lie는 석고보드로 보호된 철제에 대해서 다음 식을 제시하였다.

[eqn: rm R = 57.37 LEFT ({ h W'} over D RIGHT ) ^0.75] 여기서 [eqn: rm W' = 0.672W + LEFT ( hD over 1856 RIGHT )]

32 □ (2× 16□)의 두께(h)를 갖는 석고보드로 대체하는 것은 내화시간 100분을 제공한다.  이 보호 두께는 표준 시간-온도로 화재에 100분 노출된 것에 상응한다.

(3) 옥외탱크 화재시나리오 분석

사고영향 평가 프로그램인  PHAST를 이용하여 아세톤 및 톨루엔의 누출 후 Pool Fire의 복사열 영향 평가를 실시하였다.

아세톤이 누설되어 경우 풀화재시 옆 건물인 제조소를 37.5kW/m2의 열량이 덮고 있음을 볼 수 있다. 이것은 제조소를 충분히 위협할 수 있을 정도의 열량이며, 제조소의 콘크리트 블록과 I빔이 충분한 내화성능을 갖추지 않을 경우 제조소 역시 화염에 휩싸일 수 있다.

톨루엔의 경우, 아세톤보다는 적은 양의 열을 방출하는 것으로 나타났다. 또한 톨루엔은 지리적으로 아세톤보다 제조소에서 상대적으로 멀리 위치해 있으며, Pool Fire의 영향이 제조소에 큰 피해를 입히지 못함을 볼 수 있다.

Fig. 2. Radiation effect of Pool Fire(acetone) and  Radiation effect of pool fire(toluene)

4. 제안된 해법의 제시

벽과 이음매, 모든 출구 주위의 100분 이상의 내화성을 충분히 향상시키고, 화재 억제 시스템을 이용한다. 이를 통해 옥내 저장소 및 제조소의 화재가 실내에 머무르도록 하고 확산이 없도록 유도한다. 철이 구조적 임계 온도에 도달하지 않도록 제조소의 철재 기둥에 대해서는 2겹의 16□ 석고보드 또는 100분 이상의 내화성을 제공하는 이와 동등의 물질을 이용하여 철제 빔에 방화 시설을 추가한다.

반응기 내부의 온도를 감지하는 센서를 설치하여 내부온도의 이상 온도를 감시하여 차단할 수 있도록 한다. 또한 배기용량이 21100ft3/hr와 같은 등급의 폭발배출을 위한 방출 밸브 설치한다.

스프링클러 설계시 고려 사항으로는 다음과 같다.[6]

12.2L/min/m2 밀도이상의 헤드와 72℃ 표준대응 스프링클러, 동결우려가 있으므로 건식배관을 사용하며, Foam-Water 시설, 표준이상의 오리피스, 지속시간은 2시간을 유지하도록 한다. 소화전 설치할 경우 구경 3.8cm의 아마내장호스 또는 2.5cm의 경질 고무호스와최소 호스 요구량이 2800L/min이상이어야 하고 지속시간 2시간 이상을 유지하도록 한다.

참고문헌

(1) Milosh T. Puchovsky : "Performance-Based Fire Codes and Standards", NFPA Fire Protection Handbook, 8th edition(1996)

(2) Eric R. Rosenbaum : □SFPE Engineering Guide to Performance-Based Fire Protection Analysis and Design of Buildings□, NFPA(2000)

(3) Krishna S. Mudan, Paul A. Croce : □Fire Hazard Calculations for Large Open Hydrocarbon Fires□, SFPE, 1st edition(1988)

(4) H.E. Nelson : "FPETOOL-Fire Protection Tools for Hazard Estimation", NISTIR 4380, NIST(1990)

(5) T.T Lie : "Structural Fire Protection", ASCE, New York(1992)

(6) "NFPA 13, Installation of Sprinkler System", NFPA, Quincy,MA(1993)