Analysis of the Effect of Fire on Plant Facilities Through Real Fire Test

현 강; 오상 권

doi:10.7731/KIFSE.362a1384

요 약

일반적으로 플랜트 시설물은 정유, 발전 및 가스 등의 목적을 가지고 있는 대규모 생산시설을 일컫는다. 시설물의 목적과 용도에 따라 다양한 원료를 취급하고 있으며 특히 석유화학제품을 원재료로 생산물을 가공하는 시설이 국내에도 다양하게 분포하고 있다. 이와 같은 플랜트 시설물에서 취급하고 있는 원재료 및 생산품은 대부분 가연성재료인 관계로 플랜트시설물은 잠재적인 화재위험성이 매우 크다고 할 수 있다. 이 연구에서는 국내 석유화학공장에서 사용되고 있는 원재료에 의한 화재상황을 가정한 실물실험 및 데이터 분석을 통하여 구조부재의 성능저하현상 분석을 실시함으로써, 플랜트 시설물의 화재위험성 평가를 수행하고자 하였다.

ABSTRACT

In general, plant facilities are to large-scale production facilities for oil refining, power generation, and gas . Various raw materials are handled according to the purpose of the facility, and in particular, there are various facilities in Korea that process petrochemical products as raw materials. As most of the raw materials and products handled by these plant facilities are combustible, the potential fire risk at such plant facilities is very high. In this study, the fire risk of plant facilities was evaluated by analyzing the performance degradation of structural members through real experiments and data analysis assuming the ignition of raw materials used in petrochemical plants.

KeyWords: Plant facility, Fire, Structural member, Fire risk, Petrochemical material

1. 서 론

국내에는 다양한 플랜트 시설물이 존재하며, 각각 해당 시설의 목적과 용도에 따라 다양한 원재료의 사용 및 생산품 공급이 이루어지고 있다. 대표적으로 제철, 화력발전 및 석유화학 플랜트가 존재하며, 모든 플랜트 시설물은 사용되는 재료(원재료 및 부재료) 또는 생산품으로 인한 잠재적인 화재위험성을 가지고 있다. 이와 같은 화재위험성을 고려하여 플랜트시설물의 경우 설계단계에서부터 다양한 사고(화재, 폭발 및 유독가스누출) 상황에 따른 시나리오에 근거하여 대응방안 등을 제시하고 있다. 다만, 이와 같은 사고 시나리오는 특정 가연물 또는 재료로부터 화재발생, 폭발 및 가스누출 등에 따라 피해범위와 해당 피해범위에 따른 대응방안 등을 제시하는 방식으로 제시되고 있어 해당 시설물의 구체적인 위험도평가를 수행하기에는 어려운 상황이다.

최근까지도 화재사고가 빈번하게 발생되고 있는 플랜트 시설을 대상으로 화재안전성을 확보하기 위하여 Cho와 Ahn(1) 및 Park 등(2)은 실물실험을 통한 플랜트시설물의 화재영향성 평가를 수행하였으며, 이에 앞서 플랜트 시설물의 화재사고 전과 후에 대처할 수 있도록 예방부터 복구에 대한 전반적인 연구가 수행되어 왔다(3-6). 다만, 기존에 수행된 플랜트 시설물의 화재와 관련된 연구는 화재 시 복사열에 대한 영향평가, 구조부재에 직접 전달되는 수열온도의 추정 등과 같은 연구에 집중되어있었으며, 다양한 크기와 단면조건을 갖는 구조부재의 화재로 인한 잔존강도평가와 같은 연구는 수행되지 못한 것을 확인할 수 있었다.

이 연구에서는 앞서 살펴본 바와 같이 선행 연구에서 수행되지 못하였으며, 설계단계에서 반영하지 못하는 플랜트 시설물의 화재위험평가를 위하여 화재발생 시 플랜트 시설물을 구성하고 있으며 다양한 단면조건을 갖는 구조부재의 화재영향성 분석을 수행하고자 하였다. 이를 위하여 이 연구에서는 석유화학플랜트 시설에서 사용되는 가연성 재료를 발화원으로 하는 화재발생 상황을 고려하여 화재실험을 수행하였으며, 발화원 주변에서 측정된 온도데이터에 따르는 구조물의 화재영향성을 분석하였다. 실제 화재발생 시 화재온도는 실질적인 부재의 온도와는 다르나, 보수적인 평가를 위하여 실험을 통하여 계측된 온도데이터를 구조부재에 직접 작용된 화재온도로 가정하여 적용하였다. 또한, 실제 화재발생 시 실험을 통하여 계측된 화재온도 보다 높은 온도에 노출될 수 있는 조건을 고려하여 500～1,100 °C 의 다양한 화재온도를 고려한 구조부재의 성능평가를 통하여 플랜트시설물의 화재영향성 분석을 실시하였다.

2. 실물화재실험

이 연구에서는 페놀, 아세톤 등의 다양한 제품의 원료로 사용되는 큐멘(cumene)을 다루고 있는 플랜트시설물에서 큐멘 화재로 인한 화재영향성 분석을 수행하고자 하였다. 이를 위하여 실물화재실험을 수행하였으며, 실험결과 측정된 온도데이터를 활용하여 인접 구조물의 화재영향성을 분석하였다.

큐멘은 불안전한 연소 특성을 가지고 있으며, 유증기에 의한 안전사고 등이 발생될 수 있다는 특성을 가지고 있기 때문에(7), 실물화재실험의 가연물은 큐멘의 발열량(43.4 MJ/kg)을 고려하여 목재로 치환하여 사용하였다. 또한, 실험수행 성 및 안전상의 이유로 큐멘의 단위 용량을 50, 100 kg으로 설정하여 실험을 진행하였다.

큐멘 화재로 인한 플랜트 시설 구조물의 영향성 분석을 위하여 필요한 온도데이터는 Figure 1과 같이 계측프레임을 제작하여 측정하였다. 계측프레임의 구성은 단위 용량의 큐멘에 화재가 발생하였을 때, 열 전달이 방사형으로 발생되는 것을 고려하여 제작하였다. 실험에 사용된 열전대는 일반적인 화재실험에서 널리 사용되고 있는 K-type열전대(ø: 0.6 mm)를 사용하였다.

Figure 1

Thermo measurement frame.

지면으로부터 1.5 m 높이에 첫 번째 열전대 층을 구성하고, 한 층에 16개의 열전대가 설치되어 총 64개의 열전대를 설치하였다. 이와 함께 지면으로부터 2.5 m 높이의 열전대 층의 정중앙을 계측 프레임의 중앙부(centroid)로 설정하여 해당 위치에 1개의 열전대를 추가로 설치하여 총 65개의 열전대를 활용하여 실험 시 온도측정을 수행하였다. 큐멘의 단위용량에 따라 화원(우드크립)을 배치하였으며, 화원은 계측프레임의 중앙에 위치하도록 하였다. Figure 2는 각각 큐멘 단위용량에 따른 실제실험 시 모습을 나타낸 것으로써, 100 kg의 경우 목재 수량 및 계측프레임 레이어를 고려하여 화원을 병렬배치 하여 실험을 수행하였다.

Figure 2

Experimental view at maximum temperature time.

본 실험은 대규모 터널시험시설에서 수행되었으며, 외기의 영향을 최소화하기 위하여 가벽설치 및 출입구 셔터차단을 하였으나 실험당시 태풍의 영향으로 서울경기 지역 풍속이 약 15 m/s 이상으로 예측되었다. 이는 실험 당시 주요 환경적 요인으로써, 실험 시 화염이 특정 방향으로 집중되는 현상을 유발하였다.

3. 실험 결과 및 분석

3.1 실험 결과

Figure 3은 각각 큐멘의 용량 50 및 100 kg 상황을 가정한 실험결과 모습으로, 실험이 진행되는 시간동안 최대온도를 기록한 시간(각각 12.33 및 14.73 min)에 열전대 층(각각 지상으로부터 3.5 및 4.5 m)에 설치된 16개의 열전대기록 값을 등온선으로 나타내었다. 각각 최대온도는 234.7 및 508.1 °C로 나타났으며, 계측프레임의 중앙부(centroid)에서 실험 시간동안 측정된 온도데이터는 Figure 4에 나타내었다. 가연물의 용량에 따라 화염의 중앙부 최대온도는 유사한 것으로 확인되었으나, 인접 영역의 온도와 최대온도 지속시간이 달라지는 것을 확인 할 수 있다. 이는 화재기류(fire plume)의 온도(Figure 4)는 가연물의 발열량, 비열 및 질량유량과 같은 재료 고유특성에 따라 산정(8)할 수 있으나, 두 실험의 열방출율 및 화재기류 폭의 차이에 의한 현상으로 판단된다.

Figure 3

Contour of maximum temperature record time.

Figure 4

Centroid temperature in thermo measurement frame.

각 실험 시 화원(우드크립)은 모두 계측프레임의 정 중앙에 배치하였으나, 외기의 영향으로 모든 실험에서 좌측 상단부에서 최대온도를 기록한 것을 확인할 수 있었다. 이는 실제 플랜트 시설물에서 가연물에 의한 화재발생 시 주변 환경에 의하여 화재기류가 특정방향에 집중될 수 있으며, 이는 특정 구조물 방향으로 화염이 집중될 수 있음을 나타낸다.

3.2 구조물의 화재영향성 분석

이 연구에서는 실험결과에 근거하여 화재발생 영역 인근의 플랜트 시설물의 화재영향성 분석을 수행하고자 하였으며, 이를 위하여 Figures 4와 5에 나타낸 온도데이터를 활용하였다. Figure 5는 각 실험에서 최대온도를 기록한 열전대 층의 실험시간 동안의 계측데이터를 모두 나타낸 것으로써, 화원에 가까운 중앙부 4개 위치의 온도가 상대적으로 높게 나타난 것을 확인할 수 있다.

Figure 5

Historical temperature data at maximum temperature values recording layer (16 point data).

Figure 5의 온도분포 특성을 고려하여 이 연구에서는 중앙부 4개의 온도데이터를 활용하여 인접 구조물을 구성하는 재료(콘크리트 및 강재)의 강도저감률을 검토하고자 하였다. 또한, Figure 4에 나타낸 계측프레임 중앙에 설치한 열전대의 온도분포를 고려하여 다양한 온도에 노출된 구조물의 거동특성 분석을 수행하였다.

강재 및 콘크리트와 같은 구조재료는 고온에 노출될 경우 상온상태의 재료강도가 감소되는 경향을 나타내며(9-12), 다양한 연구자 및 코드에서 노출온도에 따른 재료의 강도저감률을 제안하고 있다. 이 연구에서는 강재의 경우 Poh(13)의 모델을 사용하였으며, 콘크리트의 경우 EC2(14)모델을 사용하였다. Figure 6은 Figure 5(b)에서 나타낸 각 실험에서 측정된 온도데이터 중 상대적으로 높게 측정된 계측프레임 중앙부 4개의 온도데이터에 의한 강재와 콘크리트의 강도저감률을 나타낸 것이다. 강재의 경우 최대 약 60%의 강도저감률을 나타내었으며, 콘크리트의 경우 최대 약 35%의 강도저감률을 나타낸 것으로 확인되었다. 각 재료의 최대 강도저감률은 단위용량 100 kg 실험에서 기록한 최대 화염온도인 508.1 °C로 인하여 산정되었으며, 재료고유 특성에 따라 상대적으로 온도영향성이 큰 강재에서 높은 강도저감률을 나타내었다. Figures 5와 6에서 확인할 수 있듯이 구조재료의 강도저감 현상은 화재노출 온도에 따라 크게 달라질 수 있으며, Figure 4를 통하여 확인할 수 있는 실험 시 실제 계측 프레임의 중앙부에서 계측된 최고 온도는 950 °C가 넘게 계측된 것을 확인할 수 있었다.

Figure 6

Strength reduction ratio at maximum temperature values recording layer (Unit capacity: 100 kg).

Figures 4～6을 통하여 플랜트 시설물에서 사용되는 가연성의 재료로 인하여 화재가 발생되었을 경우 바람과 같은 기상, 화재발생 위치에 따라 인접 구조물에 미치는 영향이 매우 크게 달라질 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 플랜트 시설물의 화재위험등급 구분 및 위험평가를 위하여 설계단계에서 다양한 노출온도 조건을 고려한 구조물의 거동특성 평가가 선행되어야 함을 반증하고 있다. 따라서 이 연구에서는 플랜트 시설물을 구성하는 구조부재를 대상으로 다양한 노출온도 조건을 고려한 거동특성을 평가하고자 하였다. 다만, 철골구조의 경우 일반적으로 내화 뿜칠 및 도료 등의 보강을 실시하고 있어 화재에 의한 직접적인 온도영향성은 낮게 나타난다(10). 반면에 내화재료로 인식되어 사용되는 콘크리트부재의 경우 별도의 보강 없이 부재를 배치하고 있어 온도영향성이 상대적으로 크게 나타날 수 있다. 또한, 플랜트시설물의 경우 Figure 7과 같이 지반에 인접한 구조물의 경우 콘크리트로 피복을 한 형태로 보강을 적용한 형태를 나타내고 있으며, 플랜트 시설물에서는 시설관리 및 운영이 이루어지는 일반 건축물에 사람이 상주하고 있다. 이와 같은 이유로 이 연구에서 플랜트 시설물에 대한 화재영향성 분석은 별도의 내화보강을 적용하지 않는 콘크리트 부재를 대상으로 수행하였다.

Figure 7

Fireproof of concrete material for plant facilities (To column).

일반적으로 구조부재의 화재영향성 평가를 수행하기 위해서 계산, FEM 및 실물실험 등의 방법론을 사용하게 된다. 다만, 이와 같은 방법은 매우 많은 시간과 비용이 소요된다는 문제점을 가지고 있다. EC2(14)에서는 이와 같은 문제점을 고려하여 ‘500 °C 등온법’이라는 비교적 간단한 성능평가방법을 제시하고 있다. 500 °C 등온법은 화재에 노출된 콘크리트 부재의 단면 내부 온도분포 중에서 500 °C 가 넘는 단면은 손실면적으로 가정하여 부재단면에서 제외(단면손실)하고, 주 철근의 경우 500 °C 가 넘는 경우에도 콘크리트와 달리 Figure 6(a)와 같이 강도저감률을 고려하여 성능평가를 수행하는 방법이다.

500 °C 등온법을 사용하여 이 연구에서는 플랜트 시설물 중 콘크리트부재를 대상으로 다양한 노출온도를 고려한 성능평가를 수행하고자 하였다. 플랜트 시설물에는 크고 작은 다양한 콘크리트 부재가 존재하며, 이를 반영하기 위하여 Table 1과 같이 다양한 변수를 갖는 각형 콘크리트 기둥 부재를 고려하여 부재의 상온대비 고온노출 상태의 축강도 성능을 평가하였다.

Table 1

RC Column Variation

Variation		Range
	b	250~1,000 mm
	h/b	1 (Square Section)
	ρ	1~8%
	f_ck	24 MPa
	f_y	400 MPa

ρ : Steel Ratio (Section Area Ratio), %

f_ck : Design Compressive Strength of Concrete, MPa

f_y : Yield Strength of Steel, MPa

Anderberg(15)의 제안모델을 통하여 기둥 단면에서 500 °C까지 열전달이 된 깊이(x₅₀₀, mm)를 식(1)과 같이 산정하고, Wickstrom(16)의 제안모델에 따라 부재 단면의 강재위치의 온도(T_s)를 식(2)와 같이 산정하였다.

(1)

x500=[texp(4.5+ΔTx0.18nwΔTf)]

(2)

nw=1−0.0616t−0.88

(3)

Ts=nxnwΔTf+20

(4)

nx=0.18lnγtx2−0.81

여기에서, t는 화재노출시간(1 h), ∆T_x는 x₅₀₀위치에서의 온도상승 값, n_w는 부재표면의 온도산정 계수, ∆T_f는 화재온도의 증가량, n_x는 콘크리트를 통한 열전달 반영계수, γ는 콘크리트의 열확산비율(일반콘크리트:1.0)을 x는 부재 표면으로부터 단면안쪽 직각방향으로의 거리이다. Kang(17)에 따르면 화재노출온도 및 강재의 피복두께에 따라 산정되는 x₅₀₀과 T_s는 Figure 8과 같이 나타나며, 화재온도(500～1100 °C)에 따라 콘크리트 피복두께가 가장 작은 20 mm와 가장 큰 50 mm의 강재온도차이가 약 155～340 °C 까지 발생되는 것을 확인할 수 있었다.

Figure 8

x₅₀₀ and T_s of fire exposed concrete column(17).

식(1) 및 식(2)를 활용하여 x₅₀₀및 부재내부 강재의 온도를 산정 한 뒤, 식(3)을 통하여 기둥부재의 잔존 축강도를 산정하였다.

(5)

Pn(T)=0.85fck(Ag(T)−Ast)+fy(T)Ast

여기에서, P_n(T)는 T온도에서의 잔존축강도(kN), A_g는 기둥부재의 전단면적(mm²), A_st는 기둥부재의 보강강재 단면적(mm²)을 나타낸다.

앞서 소개한 바와 같이 500 °C 등온법은 화재온도가 500 °C 이상인 상태에서 콘크리트 부재의 단면손실을 가정하여 부재 성능을 평가하는 방식이다. 따라서 이 연구에서는 기둥부재의 화재영향성 분석을 위하여 화재온도 500 °C 부터 국내⋅외에서 구조부재의 내화성능 평가에 일반적으로 널리 사용되고 있는 ISO 834(18)표준화재곡선을 고려하여 1,100까지 목표노출온도로써 적용하였다.

Figure 9는 Table 1과 목표노출온도 변수를 고려하여 기둥부재의 잔존 축강도비를 나타낸 것으로써, 기둥부재의 축강도에 가장 큰 영향을 미치는 부재의 단면적에 따라 뚜렷한 경향성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

Figure 9

Residual axial strength ratio of concrete column.

목표노출온도가 높아질수록 부재의 잔존 축강도비가 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 상대적으로 압축분담이 큰 콘크리트의 면적이 큰 부재에서 잔존 축강도비가 높은 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 현상은 일반적으로 널리 사용되고 있는 CFT기둥에서도 나타나는 특징으로, 콘크리트의 면적비율에 비례하여 내화성능이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다(11). 축하중을 받고 있는 강재의 경우 화재 노출 초기에 재료고유특성에 따라 열팽창이 진행된 후 급격한 재료성능저하로 인하여 국부좌굴 등의 거동특성을 보이게 된다. 콘크리트는 상대적으로 열팽창이 크게 나타나지는 않지만, 지속적으로 유지되는 축하중은 고온으로 인한 재료 내부의 자유수 및 탈수(dehydration)현상으로 인하여 발생되는 수분의 증발과 같은 현상으로 인하여 폭렬현상을 유발하고, 결국에는 부재의 강성저하 및 파괴현상이 발생될 수 있으며 구조물의 붕괴를 초래 할 수 있다. 이와 같은 기둥부재는 구조물의 모든 하중을 최종적으로 지반에 전달하는 역할을 하고 있기 때문에 상대적으로 높은 하중을 지지하고 있으며, 이러한 이유로 구조부재의 중요도를 고려할 때 가장 높은 값을 갖게 된다(17). 따라서 플랜트 시설물을 비롯한 모든 잠재적 화재위험도가 높은 구조물 및 건축물은 기둥부재를 비롯한 모든 구조부재를 대상으로 설계단계에서 다양한 시나리오에 따른 사전 점검이 반드시 필요하다.

4. 결 론

이 연구에서는 잠재적 화재위험도가 매우 높은 석유화학 플랜트 시설물을 대상으로 가연성 재료에 의한 화재발생 시 구조물의 영향성분석을 수행하였다. 실물 화재실험을 통하여 가연물의 단위 용량에 따른 화재영향성분석을 실시하였으며, 나아가 노출온도 범위를 1,100 °C까지 고려하여 구조물에서 중요도가 가장 높은 기둥부재의 화재영향성 분석을 수행하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 도출 할 수 있었으며, 추후 후속연구에 대한 필요성 또한 확인할 수 있었다.

석유화학 플랜트의 경우 원재료 및 생산물이 모두 가연성 재료로인 관계로 높은 잠재적 화재위험도를 가지고 있다. 실물실험을 통하여 가연성 물질에 의한 화재발생 시 인접 구조물 또는 설비 등이 고온 영향성에 따라 급격한 성능저하 현상이 발생될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 바람 등의 환경영향에 따라 특정 구역에 화염이 집중될 수 있으며, 구역에 따라 심각한 화재확산 및 폭발형태로 피해상황이 더욱 커질 수 있음을 확인할 수 있었다.
플랜트 시설물 화재발생 시 다양한 온도분포에 따라 강재 및 콘크리트의 강도감소율이 각각 달리 발생되며, 이는 동일부재 내에서 위치에 따라 불균형한 변형 및 응력집중 등이 발생되어 부재 및 구조물에 급격한 성능저하 현상을 유발 할 수 있음을 확인할 수 있었다.
구조물에서 중요도가 가장 높은 기둥부재를 대상으로 다양한 변수를 고려한 분석을 실시하였으며, 철근비 및 부재 단면적에 따라 부재의 잔존성능이 크게 달라질 수 있음을 확인할 수 있었다. 이는 순수 압축력을 받는 기둥부재에서 강재와 콘크리트의 재료특성에 따라 나타나는 현상으로써, 열 관성이 낮은 강재의 경우 열 팽창률도 상대적으로 크게 나타나 국부좌굴과 같은 변형현상이 빈번하게 발생된다. 반면에 상대적으로 우수한 열 관성, 열 전도 및 온도변형률 등을 가지고 있는 콘크리트의 경우 동일 온도조건에서도 강도저감률이 낮으며, 국부좌굴 등의 현상이 발생되지 않는다. 다만, 폭렬현상으로 인한 강성저하 현상이 발생될 수 있으나, 본 연구에서는 설계강도가 24 MPa인 일반강도 콘크리트를 대상으로 분석한 관계로 폭렬현상은 배제하였다. 이와 같은 다양한 요인으로 인하여 구조물의 중력하중 분담률이 가장 큰 기둥은 고온에 노출되었을 때, 강재보다는 콘크리트의 단면적에 따라 잔존축강도가 크게 나타날 수 있음을 보여주었다.
잠재적 화재위험도를 가지고 있는 플랜트 시설물은 설계단계에서부터 화재발생에 대한 다양한 시나리오를 설정하고 각 시나리오에 대한 영향성 분석의 필요성을 확인할 수 있었다. 다만, 이 연구에서는 제한된 변수분석이 수행된 관계로 추후 재료의 강도, 노출온도 및 부재타입 등의 더욱 많은 변수를 고려한 분석이 요구되며, 이를 근거로 플랜트 시설물의 화재위험도를 평가할 수 있을 것이라 판단된다.