1.서 론
보온재는 열의 흐름을 지연시켜 동파나 결로 현상을 방지하기 위해서 사용되는 재료로 주택이나 빌딩 등 건축물 내부 천장과 반자 사이의 배관 설비에 널리 활용되고 있다[1]. 이 중에서 소방용 배관 보온재의 주요 구성 물질은 폴리스틸렌, 폴리우레탄폼, 폴리에틸렌 폼 그리고 고무발포보온재 등이 있으며 건축물의 에너지 손실을 방지하기 위한 중요한 소재로 구분하고 있다[2]. 하지만, 최근 발생한 국내 대형 화재사고의 주요 원인을 분석한 자료에 따르면 배관의 동파 방지를 위한 열선이나 용접 작업 등에 의해서 배관용 보온재가 발화하여 주변의 가연물로 화재가 급격히 확산되는 것으로 나타나고 있다[3].
국내 화재안전 기준에 따르면 소방용 배관 보온재는 난연성능이 있는 재료를 사용하도록 규정하고 있으며, 보온재의 난연 성능은 수평연소시험(KS F 2844)에서 HF-1 이상 또는 한계산소지수시험(KS M 4589-2)에서 28이상인 경우로 규정하고 있다[4]. 따라서 난연 성능 등급에 적합한 배관용 보온재는 완전한 불연 소재의 성질을 가질 수는 없지만 화재가 급격히 확산되는 현상을 최소화 할 수 있어야 한다. 하지만, 수평연소시험과 한계산소지수시험은 보온재의 실제 설치 환경을 고려한 시험방법이 아니기 때문에 구획 화재에서 나타날 수 있는 화재 현상을 평가하는 데에는 한계가 있는 것으로 판단된다[5].
Han 등은 국내에서 적용하고 있는 난연 성능 시험 기준을 충족한 폼 블럭 보온재의 설치 환경을 고려한 화재 실험을 수행한 결과 실험 조건에 따라서 보온재가 지속적으로 연소하여 주변 가연물로 화재 확산을 가속화 시키고 인체에 유해한 연소가스가 발생하게 되는 위험성을 확인하였다[6]. Park 등은 국내 유기물 건축자재에 대한 난연 성능 평가 방법에 따라서 소재를 선정하였을 경우 현장에서 발생할 수 있는 화재 위험성을 분석하였으며, 난연 등급 기준 도입 필요성에 대해서 언급한 바 있다[7]. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 국외의 경우 ISO 20632 등과 같이 보온재의 설치 환경 조건을 고려한 시험 기준을 적용하고 있으며 EN 13501-1에 의한 난연 등급을 평가하고 있다[8].
보온재 시편에 의한 시험 방법과 설치 상태를 고려한 시험방법의 주요 차이점은 보온재가 연소하였을 때 서로 인접해 있는 주변 환경과의 열전달 현상이 달라지는데 있다[9]. 따라서 시편에 의한 시험 방법은 소재의 열화학적 특성을 평가하는데 유용할 수 있지만 인접한 가연물로 화재가 확산되는 위험성을 예측하기 어려운 문제가 발생한다[10]. 하지만, 보온재의 난연 성능을 평가하기 위해서 실규모급 화재 실험을 수행하면 시간과 비용 그리고 실험 변수가 증가하여 정확한 화재 확산 원인을 분석하는 데 한계가 발생할 수 있는 단점이 있다. 특히, 주변의 온·습도와 기류의 영향 등에 따라서 결과의 재현성이 달라질 수 있기 때문에 축소 실험 장치를 사용하여 보온재의 화재 특성을 분석하는 방법이 보다 효과적인 것으로 판단된다.
본 연구에서는 보온재 총 6종(국내 생산 제품인 고무발포, 발포폴리에틸렌-은박, 발포폴리에틸렌-무은박 그리고 일본 생산 제품인 스티로폼, 폴리에틸렌폼, 폴리우레탄폼) 보온재에 대해서 실 규모에 해당하는 ISO 20632와 실험실 규모에 해당하는 NFPA 274의 시험기준에 따라서 산출한 발열량을 비교하여 기초 실험 자료를 구축하였으며, 난연 등급에 대한 동일한 평가방안을 적용하였을 때 나타날 수 있는 문제점을 분석하였다.
2.본 론
2.1 시험조건
Table 1은 ISO 20632와 NFPA 274 각각의 시험조건과 난연 성능 평가 방법을 요약한 결과이다. 표에서 보듯이 시험방법에 따라서 주요 차이점은 점화 조건, 보온재의 체적, 그리고 구획 공간의 크기인 것을 확인할 수 있다[11,12]. 각각의 시험 방법 중 점화조건으로 ISO 20632는 10분간 100 kW의 열량 공급 이후 10분간 300 kW의 열량으로 증가시켜며, NFPA 274는 3분간 20 kW의 열량 공급 후 7분간 70 kW의 열량으로 증가시킨다. 난연 성능의 평가 방법은 ISO 20632의 경우 Fire Growth Rate (FIGRA)와 Smoke Growth Rate (SMOGRA)를 측정하여 EN 13501-1 기준에 따라서 난연 등급을 평가하고 있으며, NFPA 274는 최대 및 총괄 발열량과 연기발생량을 산출하여 난연성 유무를 판단한다. 본 연구에서는 각각의 시험기준에 따라서 식 (1)의 산소소모지수법(Oxygen consumption method)에 의해서 산출한 발열량에 대해서 난연 성능을 분석하고자 한다.
Table 1.
Standard Test Regulations of ISO 20632 and NFPA 274 for the Evaluation of the Pipe-Resistance
여기서 Q, ∆ HC, ṁe, Φ, X°, α 그리고 MW은 각각 발열량(kW), 연소열(kJ/kg), 배기질량유량(kg/s), 산소소모계수, 초기상태몰분율, 화학적팽창계수 그리고 분자량을 나타내며, 본 연구에서는 식 (2)의 이론 발열량을 Mass flow controller (MFC)에 산출한 값과 식(1)의 결과를 비교하여 약 ± 2.63% 이내의 정밀도를 갖는 콘 칼로리미터 실험 장치를 사용하였다.
여기서 Qideal 와 ṁf는 각각 이론 발열량과 MFC에 의해서 제어되는 프로판 가스의 질량유량을 의미한다.
Figure 1의 왼쪽은 ISO 20632의 시험 규격에 따라서 룸코너 시험체(가로 2.4 m × 세로 3.6 m × 높이 2.4 m) 내부에 배관용 보온재 90 m를 설치한 시험 조건과 Figure 1의 오른쪽은 NFPA 274 시험 규격에 따라서 엘보(Elbow) 형태로 보온재 3개를 시험체 내부에 등 간격으로 설치한 시험 조건의 개략도를 보여주고 있다. 본 연구에서 시험 기준에 따른 난연 성능을 분석하기 위해서 사용한 주요 계측장비 사양을 Table 2에 나타내었다.
Figure 1.
A Picture of the experimental equipment of iso 20632 (left) and nfpa 274 (right) for the fire characteristics of the pipe insulation.
Table 2.
Specification of the Measurement Equipment
Figure 2의 (a)는 본 연구에서 사용한 보온재로 국내 제품인 고무발포(Rubber), 발포폴리에틸렌-은박(PE Silver) 그리고 발포폴리에틸렌-무은박(PE None)와 일본에서 생산되고 있는 스티로폼(ST (Japan)), 폴리에틸렌폼(PE (Japan)), 폴리우레탄폼(PU (Japan)) 보온재 총 6종의 제품사진을 보여주고 있다. 각각의 보온재에 대해서 총 3회의 시험을 실시하여 오차범위 5% 이내인 것을 확인하였으며, 일본의 보온재 3종에 대해서는 NFPA 274시험 수행하였고 국내 제품인 은박으로 둘러쌓인 발포폴리에틸렌 보온재(PE Silver, PE None) 3종에 대해서는 ISO 20632와 NFPA 274 시험을 수행하였으며, 이 중 발포폴리에틸렌 보온재-은박의 실험 전 후 사진을 Figure 2. (b)와 (c)에 나타내었다.
Figure 2.
Pictures of test samples (a) and the experimental equipment of iso 20632 (b) and nfpa 274 (c) for the fire characteristics of the pipe insulation.
Figure 3은 보온재의 종류와 시험방법에 따른 발열량 산출 결과를 나타낸 것으로 Figure 3. (a)는 국내에서 소방용 배관 보온재로 가장 많이 사용하고 있는 고무발포보온재(Rub)와 은박/무은박(매직테이프) 발포폴리에틸렌 폼 보온재(PE Silver/ PE None)에 대해서 ISO 20632 시험 방법에 따른 최대 발열량(Q max)을 산출한 결과이며, Figure 3. (b) ∼ Figure 3. (d)는 고무발포보온재(Rub)와 은박/무은박(매직테이프) 발포폴리에틸렌 폼 보온재(PE Silver/ PE None) 그리고 일본에서 사용하고 있는 폴리에틸렌폼(PE (Japan)), 폴리우레탄폼(PU (Japan)) 그리고 스티로폼(ST (Japan)) 보온재를 NFPA274 시험 기준에 따라서 산출한 발열량 측정 결과를 보여주고 있다. ISO 20632 시험 결과 최대 발열량의 평균 크기는 2,000 kW (PE None), 875 kW (PE Silver) 그리고 498 kW (Rubber)이고, NFPA 274 시험 결과 최대 발열량의 평균 크기는 PE (Japan) 651 kW, PE None 575 kW, PE (Japan) 525 kW, PE Silver 479 kW, ST (Japan) 256 kW 그리고 Rubber 179 kW 순으로 나타났다. 동일 소재에 대해서 최대 발열량이 ISO 20632 시험에서 더욱 높게 나타난 이유는 NFPA 274 시험 조건에 비해서 점화원의 열량과 가연물의 체적이 높아짐에 따라서 보온재 표면의 기화된 연료의 양과 산화제의 혼합비가 증가하여 나타난 결과로 사료된다. 하지만 최대 발열량에 도달하는 시간(tmax)은 시험체의 크기에 비례하기 때문에 NFPA 274 시험 결과에서 최대 6 min (ST (Japan))이지만 ISO 20632의 경우 최대 15 min (PE Silver) 정도인 것을 확인할 수 있다.
Figure 3.
HRR results of ISO 20632 and NFPA 274 for PE (None), PE (Silver), Rubber, PU (Japan), PE (Japan) and ST (Japan).
Table 3은 Figure 3의 최대발열량 값과 최대값에 도달하는 시간을 정리하여 나타낸 결과로 NFPA 274의 발열량 평가 방법(< 300 kW)을 적용할 경우 Rubber와 ST (Japan) 만이 조건을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 하지만, NFPA 274의 평가 방법은 점화조건, 가연물의 체적 및 시험체의 크기가 ISO 20632 시험 방법과 상이하므로 동일한 평가 방법을 적용할 수 없으며, 본 연구에서는 최대발열량과 최대발열량에 도달하는 시간의 기울기(slop = Qmax/tmax, kW/s)를 적용하고 있는 EN 13501-1의 평가 방법과 화재성장곡선에 의해서 난연 성능을 분석하고자 한다.
Table 3.
The Results of Peak Heat Release Rate and Time of ISO 20632 and NFPA 274 for Pipe Insulation
2.3 난연 성능 결과 분석
보온재 난연 성능을 분석하기 위해서 점화원의 열량을 제외한 순수 보온재에 의해서 발생한 발열량은 식 (3)과 같이 표현할 수 있다.
여기서 Qnet(t), QHRR 그리고 Qignition는 각각 보온재 발화에 의해서 발생되는 순 발열량, 총괄발열량 그리고 시험기준에 따른 점화원의 열량을 나타낸다. Qnet(t)로부터 연소시간 전체에 걸쳐서 발생한 총 에너지량(kJ)은 시간 증분에 대해서 적분을 취하게 되면 식 (4)과 같이 표현할 수 있다.
여기서 ti, tf 그리고 ∆Qnet는 각각 연소 초기시간과 연소 종료 시간 그리고 보온재 시료가 연소하여 발생된 에너지의 양을 나타내며, 단위 질량당 발생되는 연소엔탈피는 식 (5)와 같이 표현할 수 있다.
여기서 ∆m와 ∆t는 질량감소량(mi-mf) 그리고 연소 전과 후의 시간 차이(tf-ti)를 나타낸다.
Figure 4은 NFPA 274 시험 조건에 따라서 시험체 내부에 발포폴리에틸렌 보온재 3개를 설치하여 3 min 동안 20 kW 로 가열한 후 7 min 동안 70 kW로 가열한 경우 총 발열량 산출값을 나타낸 결과이다. 그림에서 보듯이 20 kW로 가열한 경우 보온재가 급격히 연소하여 연소시간 65 s 정도에서 최대 약 570 kW의 발열량이 발생하였고 보온재는 모두 전소되는 현상이 나타났으며, 총 발열량에서 점화 조건에 해당하는 열량을 제외한 면적이 식 (3)의 순 발열량에 해당한다.
Figure 5는 ISO 20632 시험 조건에 따라서 시험체 내부에 발포폴리에틸렌 보온재 90 m를 룸코너 시험체(2.4 m × 3.4 m × 2.4 m)에 설치하여 10 min 동안 100 kW로 가열한 후 10 min 동안 300 kW로 가열한 경우 총 발열량 산출값을 나타낸 결과이다. 그림에서 보듯이 100 kW로 가열한 경우 보온재가 급격히 연소하여 연소시간 42 s 정도에서 최대 약 737.83 kW의 발열량이 발생하였고 보온재는 모두 전소되는 현상이 나타났으며, 총 발열량에서 점화 조건에 해당하는 열량을 제외한 면적이 식 (3)의 순 발열량에 해당한다.
Figure 6는 ISO 20632와 NFPA 274 시험 기준에 따라서 보온재 총 6종에 대해서 EN 13501-1의 시험기준에 따라서 최대발열량과 최대발열량에 도달하는 시간을 산출한 후 난연 등급을 평가한 결과이다. 그림에서 보듯이 Class E에 해당하는 보온재는 PU(J), PE(J), PE(N), Class D는 NFPA 274 시험기준에 의한 PE(S), Class C는 ISO 20632 시험기준에 의한 PE(S) 그리고 Class B는 Rubber와 ST(J)인 것으로 나타났다. 하지만, PE(S)의 경우 NFPA 274 시험방법과 ISO 20632 시험방법을 적용한 경우 난연 등급이 D와 C로 서로 다르게 나타났으며, 모든 보온재에 대해서 난연 등급을 평가하는 기울기의 값이 서로 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
Figure 6.
Evaluation results of EN 13501-1(left) for PE (None), PE (Silver), Rubber, PU (Japan), PE (Japan), Styrofoam (Japan).
Figure 7은 ISO 20632와 NFPA 274 시험 기준에 따라서 보온재 총 6종에 대해서 화재성장곡선에 각각의 최대발열량과 최대발열량에 도달하는 시간을 산출하여 나타낸 결과이다. 화재성장곡선은 최대발열량에 대한 도달 시간을 나누어 Ultra-fast, Fast, Medium 그리고 Slow로 구분한다. 그림에서 보듯이 Ultra-fast 성장은 PU(J), PE(J), PE(N), Fast는 NFPA 274 시험기준에 의한 PE(S), Slow는 Rubber, ST(J) 그리고 ISO 20632에 의한 PE(S)인 것으로 나타났다. 즉, 화재성장 곡선에서도 동일하게 PE(S)의 경우 NFPA 274와 ISO 20632 시험방법에 따라서 화재성장 곡선이 서로 다른 것을 확인할 수 있으며, 두 경우 모두 최대 발열량에 해당하는 기울기(Slop)의 크기가 시험 방법에 따라서 달라지기 때문에 나타난 결과이다.
Figure 7.
Evaluation results of fFire growth rate for PE (None), PE (Silver), Rubber, PU (Japan), PE (Japan), Styrofoam (Japan).
Table 4는 최대발열량(Qmax), 최대 발열량에 도달하는 시간(tmax), 기울기(slop = Qmax/tmax) 그리고 EN 13501-1의 발열량에 의한 난연성 평가 기준과 난연등급을 나타낸 결과이다. Figure 6∼7 그리고 Table 4에서 보듯이 동일 가연물에 대해서 난연 등급을 평가하는 중요 인자인 기울기가 시험 방법에 따라서 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이러한 이유는 시험기준에 따라서 점화원의 열량(qig), 시험체의 체적(Vstandard) 그리고 시료의 체적(Vsample)이 서로 다르기 때문이며, 보다 정확한 원인을 분석하기 위해서는 식 (5)의 연소율과의 상관관계에 관한 기초 연구가 필요한 것으로 판단된다.
Table 4.
The Results of Peak Time, Net HRR, Slow and Grade in accordance with EN 13501-1 for Pipe Insulation of PE (None), PE (Silver), Rubber, PU (Japan), PE (Japan), Styrofoam (Japan)
3.결 론
본 연구에서는 보온재의 설치 상태를 고려한 난연 성능 시험 및 평가 방법의 차이점을 분석하기 위해서 ISO 20632와 NFPA 274 시험 기준에 따른 발열량 산출 결과를 분석하였다. 이를 위해서 국내 제품인 고무발포(Rubber), 발포폴리에틸렌-은박(PE Silver) 그리고 발포폴리에틸렌-무은박(PE None)와 일본에서 생산되고 있는 스티로폼(Styrofoam(J)), 폴리에틸렌폼(PE(J)), 폴리우레탄폼(PU(J)) 보온재 총 6종에 대해서 각각의 시험 기준에 따른 최대 발열량과 시간을 산출하였으며, 다음과 같은 결과를 도출하였다.
첫째, 보온재의 난연 등급을 EN 13501-1에 따라서 평가한 결과 Class E 등급에 해당하는 보온재는 PU(J), PE(J), PE(N), Class D 등급은 NFPA 274 시험기준에 의한 PE(S), Class C 등급은 Rubber와 ST(J)인 것으로 나타났으며, 화재성장 곡선에 따라서 평가한 결과 Ultra-fast 성장은 PU(J), PE(J), PE(N), Fast는 NFPA 274 시험기준에 의한 PE(S), Slow는 Rubber, ST(J) 그리고 ISO 20632에 의한 PE(S)인 것으로 나타났다.
둘째, PE(S)의 경우 NFPA 274 시험방법과 ISO 20632 시험방법을 적용한 경우 난연 등급이 D와 C로 서로 다르게 나타났다. 이러한 결과는 동일 보온재에 대해서 시험 방법을 다르게 적용한 경우 평가방법에 따라서 난연 등급이 바뀔 수 있는 것을 의미한다. 하지만, 동일 보온재의 주요 소재를 사용하여도 배합 및 조직 구조에 따라서 화재 확산 현상이 달라질 수 있기 때문에 보다 다양한 시편에 대해서 연구가 필요한 것으로 판단된다.
셋째, EN 13501-1에 의해서 난연 성능을 평가하기 위한 방법은 최대발열량에 대해서 시간을 나눈 기울기이며, NFPA 274와 비교해서 ISO 20632의 기울기가 증감하는 이유는 시험 조건에서 점화원의 열량, 시험체의 규격 그리고 보온재의 체적이 주요 인자로 판단된다. 따라서 주요 인자 변화에 따른 최대발열량과 시간 변화를 분석해야 보다 정량화된 난연 성능 평가 방안을 제시할 수 있는 것으로 사료된다.
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