1. 서 론
최근 5년간 경기도 물류창고 화재 통계(1)를 Table 1과 같이 분석해 보면 화재원인은 부주의와 전기적 요인이 평균 75%로 주요인으로 분석되고, 전체 화재 45,774건 중 물류창고 화재는 1,393건(3.07%)으로 발생 비율은 낮지만, 물류창고 화재의 사상자 비율은 사망자 53명(14.52%), 부상자 83명(3.19%)으로 높으며 사망자 비율이 특히 높다. 사망자 수가 눈에 띄게 높은 것은 2020년 4월 이천시 한익스프레스 냉장⋅냉동 물류창고 신축공사장 우레탄폼 뿜칠 작업 중 다수 사상자(사망 38, 부상 10)가 발생한 화재(2)와 2022년 1월 평택시 팸스 냉장⋅냉동 물류센터 신축공사장 정온전선에 뿜칠된 폴리우레탄폼이 점화되어 발생한 화재에서 소방관 5명의 사상자가 발생한 사고의(3) 영향이 크다. 이 화재사례 이후 대형물류창고에 관한 많은 선행연구가 보고되었으나 주로 상온⋅정온 물류창고에 관한 연구와 소방시설 보완에 관한 연구가 대다수였으며, 대형인명 피해 장소와 원인으로 지목된 냉장⋅냉동 물류창고와 뿜칠된 폴리우레탄폼에 대한 화재 예방과 대응에 관한 연구는 미미한 실정이다.
Table 1
Gyeonggi-do Warehouse Fire Statistics
이에 본 연구는 소방관 사상자가 발생한 냉장⋅냉동 물류창고 화재를 분석하여 뿜칠한 폴리우레탄폼의 화재 원인과 급격한 연소 확대 메커니즘을 분석하여 화재 예방과 소방 진압대의 대응책 마련의 기초 자료를 제공하고자 한다.
2. 화재사례를 통한 문제점 분석
2022년 1월 5일 평택시 청북읍 소재 팸스 냉장⋅냉동 물류창고 신축공사장에서 콘크리트 타설 후 양생 작업을 위해 정온전선(열선)을 바닥에 설치 후 남은 부분을 돌돌 말아 뿜칠한 폴리우레탄폼 벽면에 기대어 놓은 곳에서 화재(3)가 발생한 것으로 보고되었다. 1층 화재는 2층까지 급격하게 확대되었고, 장시간 유지 후 쇠퇴기에 도달하였다. 내부 진입 대원의 진술로는 새벽 2 h경부터 백드래프트 전조 증상인 휘파람 소리와 개방된 하역장 출입문에 맴도는 연기를 계속 목격했다고 한다(4). 익일 7 h 30 min경 1층 상황은 굴착기로 외벽을 제거하고 방수하여 화재진압이 완료된 상태이었으나, 2층은 무인파괴방수차와 굴착기 작업 높이 한계로 외벽 제거를 못해 무창층 구조의 구획실 환경이 유지되었다. 이때 2층 내부는 약 2 m∼10.5 m 높이의 중성대가 형성된 상태에서 기둥 일부에만 잔불이 있어, 현장 교대 전 구조대원은 8 h 30 min경 잔불 정리를 위해 대공간인 207호로 진입하였다. 그 후 Figure 1과 같이 9 h 6 min경부터 약 60 s간 연기폭발이 발생했고, 건물 후면 207호와 208호 경계 벽면에서 폭압에 의한 파손 형태가 208호에서 207호 방향으로 관찰되었는데, 207호 연기폭발 선행원인이 208호에서 시작된 경계벽면의 폭압일 가능성이 높다.
이 화재사례가 타 화재사례와 다른 특이점은 하역장 출입문이 개방된 구획실에서 백드래프트 전조 증상이 장시간 유지되었다는 점과 소방관 사고의 직접적인 원인인 연기폭발이 쇠퇴기 중에서도 잔불 정리시기에 발생했다는 점이다.
이에 본 논문은 팸스 냉장⋅냉동 물류창고 208호 1/10 축소 모형 재현실험을 통해 폴리우레탄폼이 뿜칠된 물류창고 화재 특이점을 검증하고자 한다.
3. 재현실험
본 연구 재현실험에서는 뿜칠된 폴리우레탄폼을 냉장⋅냉동 물류창고 화재 현장에서 샘플로 수집하여 기초실험을 하였고, 연기폭발 전 207호와 208호 경계벽면에서 발생된 폭압과 급격한 연소 메커니즘 연구를 위해 실제 규모 높이의 208호 1/10 축소 모형으로 재현실험을 실시하였다.
3.1 기초실험
기초실험으로 실제 냉장⋅냉동 물류창고 화재 현장에서 수거한 폴리우레탄폼 시료와 화재 현장과 동일 규격의 콘크리트 양생용 정온전선을 사용하였다. 정온전선 규격은 220 V (AC), 길이 100 m, 발열량 30 W/m (총 3,000 W), 외경 4.0 mm의 내열 PVC로 절연된 제품을 사용하였다. 기초 실험은 경기도소방학교에서 ① 콘크리트 양생용 정온전선에 폴리우레탄폼 점화 가능성 확인을 위한 재현실험을 하였고, 한국화학연구원(KRICT)에서 ② 열질량분석기(TGA)로 질량을 분석하였다.
3.1.1 정온전선(열선)에 의한 점화 온도측정
2022년 팸스 냉장⋅냉동 물류창고 신축공사장에서 화재 원인으로 추정되는 정온전선 시공은 화재 당시 관계인의 진술에 따라 바닥은 평평하게 설치하였고, 끝부분은 3.5 m 가량 원형으로 10회 돌돌 말아 벽에 수직으로 붙여 설치하였다. 실험 결과 바닥에 평평하게 배치된 정온전선은 점화되지 않았고, 내벽에 수직으로 겹쳐 말아놓은 부분은 Figure 2와 같이 점화되었다. 실험 결과 Table 2와 같이 180 s에 14.3 A의 전류가 흘렀고, 190 °C의 온도가 측정되었으며 정온전선 뭉치에서 흰 연기가 발생하였다. 720 s에 13.8 A의 전류가 흘렀고, 315 °C의 온도에서 점화되었다. 190 °C에서 폴리우레탄폼의 수증기가 증발하며 분해되기 시작했고, 315 °C에서 정온전선의 피복이 타면서 나온 불티⋅불꽃이 폴리우레탄폼 열분해 가스를 점화하였다. 폴리우레탄폼(PU/PIR foam)의 MSDS (2018년 5월 16일)(5)에서는 인화점은 알 수 없으며, 발화점이 450 °C 이상으로 되어있는 것을 확인할 수 있다. 따라서 축열에 의한 발화가 아닌 피복이 용융되어 절연열화에 의한 단락 또는 불티⋅불꽃으로 폴리우레탄폼 열분해 가스가 인화한 것으로 분석할 수 있다.
3.1.2 열질량분석기(TGA)
열질량분석기(TGA)로 실 화재 현장에서 수거한 폴리우레탄폼 시료를 분석한 결과를 선행연구 실험과 3.1.1 실험 결과와 비교하였다. 열질량분석 시 사용한 공기는 질소를 사용하였으며 분당 10 °C로 천천히 온도를 올려 700 °C까지 폴리우레탄폼이 가지는 고유한 열분해 온도를 확인하였다.
선행연구에서 진행한 폴리우레탄폼 열질량분석 결과 약 254 °C에서 열분해가 시작되어 약 381 °C에서 완전히 열분해가 되었고(6) 본 연구에서 사용한 샘플 시료의 경우 Figure 3과 같이 약 228 °C에서부터 열분해가 시작되어 약 388 °C에서 완전히 열분해되었다. 선행연구와 본 연구에서 사용한 폴리우레탄폼의 경우 완전히 열분해가 일어나는 온도는 같지만, 열분해가 시작되는 온도는 본 연구 시 사용한 시료가 화재 현장에서 수거한 샘플로 조금 더 낮았다. 또한, 3.1.1 정온전선 점화 실험에서는 315 °C에서 인화가 시작되었는데, 이는 Figure 3의 열질량분석기(TGA) 그래프에서 시료가 열분해되어 질량이 급격히 감소되는 시점 온도와 유사한 온도이다. 따라서 시료의 수분 함량에 따라 수증기 등 이물질의 분해시작 온도는 다를 수 있으나 폴리우레탄폼은 약 228 °C∼315 °C에서 약 20%, 약 315 °C∼388 °C에서 약 60% 이상 질량이 감소한다는 것을 Figure 3을 통해 확인할 수 있다.
3.2 축소모형 재현실험
팸스 냉장⋅냉동 물류창고 화재 현장에 투입된 소방대원은 화재현장 이상현상을 Table 3과 같이 진술하였다. 진술 사항을 축소모형 재현실험으로 검증하여 냉장⋅냉동 물류창고 화재의 본질적 문제점을 분석하고자 하였다.
Table 3
Firefighter Statement(4)
3.2.1 실험조건
208호 1/10 축소모형은 100 cm × 100 cm × 100 cm로 Figure 4와 같이 제작하였다. 축소모형 하부에는 개구부로 하역장 출입문 20 cm × 25 cm를 제작하고, 상부에는 207호와 208호 경계의 폭압으로 인한 경계벽면 이탈을 가정하여 25 cm × 25 cm로 여닫이문을 제작하였다. 축소모형 내부 폴리우레탄폼은 MDI (경화제)와 Polyol (주제)의 이액형 발포 경질 폴리우레탄폼 14 L를 10 cm 두께로 뿜칠하였다. 실제 208호는 4면의 벽 중 3면은 외벽으로 10 cm, 1면은 내벽으로 12.5 cm 두께로 폴리우레탄폼이 뿜칠되었고, 축소모형 체적이 1/10 축소되어 뿜칠된 폴리우레탄폼 양도 1/10로 축소되기에 다수 면의 뿜칠 두께인 10 cm로 설정하였다. 화원은 3.1.1 점화 온도측정 실험 결과 정온전선(열선)이 단락되어 피복이 촛불 크기의 불꽃으로 최초 점화되었다. 따라서 초기 화원은 촛불로 설정하였다. 측정 장비로 열전대(K-type) 및 데이터수집장치(Keysmith 34970A, USA)와 열화상 카메라(FLIT 620)를 사용하여 온도를 측정하였다.
3.2.3 실험결과
두 번째 단계로 20 s 후에 Figure 5(c)와 Figure 6(a)와 같이 축소모형 하부 개구부(하역장)를 개방한 결과 황갈색 연기가 순간 분출되었고, Figure 5(d)와 Figure 6(b)와 같이 빨려 들어가는 맴도는 연기가 반복적으로 재현되었다. 중성대는 하역장 개구부 상부보다 약간 높게 상승되었고, 중성대 하부는 산소가 계속 유입되어 작은 화염이 관찰되었다. 또한, 중성대 상부는 가연성 가스가 산소부족으로 연소가 진행되지 않은 채 고온만 유지하였다. 이 두 번째 실험 결과는 Table 3의 팸스 물류창고 화재현장에 있었던 소방대원들의 진술과 일치하였다.
세 번째 단계로 하부 개구부 개방을 유지하면서 축소모형 상부 개구부를 개방하였는데, 이는 구획실 내 산소 유입 원인의 조건 중 한 가지로 207호와 208호 경계벽면인 샌드위치 패널 일부가 이탈된 조건을 가정하여 Figure 7(c)와 같이 개방하였다. 그 결과 개방된 곳으로 급격하게 화염이 분출했고, 150 s 동안 내부 폴리우레탄폼이 연소하였다. 축소모형 상부 개구부 개방 시 하부 개구부에서 상부 개구부 방향으로 중성대가 상승한다. 상부 개구부 개방은 하부 개구부를 통해 다량의 산소가 유입되는 환경을 조성하고, 이때 유입된 산소는 가연성 가스의 연소(폭발)범위를 조성하여 상부 개구부로 폭압을 동반한 급격한 연소를 진행토록 한 것으로 분석된다.
3.2.4 온도측정 결과
Figure 9는 Figures 5, 7을 순차적으로 진행하면서 열전대(K-type), 데이터 수집장치(Keysight 34970A)로 축소모형 내부에서 측정한 온도 그래프다. 총 3개 구간으로 구분해서 살펴보면, 1구간은 촛불로 모서리 벽면에서 점화 후 초기 연소 진행 온도로 급격히 연소한 후 산소 공급 부족으로 소강상태를 보인다. 2구간은 중성대 형성 후 축소모형 하부 개구부(하역장)를 개방할 때 백드래프트 전조 증상인 맴도는 연기가 재현된 구간이며, 맴도는 연기가 멈췄을 때 내부 온도는 300 °C 초반까지 하강하며 소강상태를 보인다. 3구간은 축소모형 상부 개구부를 개방한 부분으로 순간 구획실 내부로 산소가 유입되면서 다시 급격하게 연소가 확대되는 부분의 온도 그래프이다. Figure 9의 온도 그래프를 통해 구획실 내 폴리우레탄폼은 산소공급 여부에 따라 급격한 연소와 소강상태를 반복하는 것으로 분석된다.
4. 결과 및 고찰
본 연구 논문의 기초실험에서 팸스 냉장⋅냉동 물류창고 신축공사 현장에서 정온전선(열선) 끝단을 말아 폴리우레탄폼 벽면에 눕혀 놓은 곳에 정온전선으로 화재가 발생할 수 있는지 확인한 결과, 315 °C에서 전선 피복이 절연열화에 의한 단락으로 불티, 불꽃이 발생하여 점화되었다. 폴리우레탄폼(PU/PIR foam)의 MSDS (2018년 5월 16일)(5)에서 인화점은 명확하지 않지만, 재현실험에서 측정된 인화 온도는 폴리우레탄폼의 주성분인 이소시아네이트의 열분해온도 329 °C와 가장 유사한 온도로 분석되었다. 두 번째 기초실험으로 실 화재 현장에서 수집한 폴리우레탄폼 시료에 대해서 TGA를 측정한 결과 약 228 °C에서부터 열분해가 시작되어 약 388 °C에서 질량감소율이 약 80%로 감소하여 선행연구(6) 결과와 일치하는 것을 확인하였다. 이를 통해 냉장⋅냉동 물류창고의 폴리우레탄폼은 약 315∼330 °C의 열원으로 인화할 수 있고, 한 번 점화되면 약 228∼388 °C에서 약 80%의 질량이 급격하게 감소하여 폭발적인 연소가 진행될 수 있으며, 반대로 산소부족으로 급격하게 소강상태로 이어질 수 있다.
팸스 냉장⋅냉동 물류창고 실제규모 높이의 208호 1/10 축소모형 재현실험에서 현장에 있던 소방대원들의 진술인 백드래프트 전조 증상의 맴도는 연기가 재현되었다. 층고가 높은 물류창고에서 상대적으로 개구부 높이가 낮을 때는 일반 건축물의 밀폐구조와 같이 산소공급이 원활하지 않은 것으로 분석된다. 상대적으로 높이가 낮은 개구부는 고온의 실내를 유지한 채 낮은 개구부를 통해 소량의 산소가 유입되어 잔불은 지속될 수 있고, 중성대 상부까지 산소 유입이 되지 않아 가연성 가스는 연소범위 상한을 초과하여 소강상태를 보인다. 그러나 물류창고 상부가 개방되는 등 구획실 내부로 산소공급을 원활하게 하는 환경이 조성되면 폴리우레탄폼이 남아있는 한 언제든 폭발적인 재발화가 진행될 수 있음을 확인하였다.
본 실험은 팸스 물류창고 208호 1/10 축소모형 재현실험으로 208호에서 207호 방향으로 상부 경계 벽면에서 급격한 화염 분출이 나타나는데, 이는 208호 내 급격한 산소공급이 원인이 되어 208호에서 207호 방향으로 급격한 연소가 진행되고, 그 결과로 207호에서 연기폭발이 발생하였을 것으로 분석하였다.
따라서 층고가 높은 냉장⋅냉동 물류창고의 개구부 높이가 낮을 때 쇠퇴기 잔불 정리의 시기라도 급격한 산소공급은 급격한 폴리우레탄폼 연소로 이어질 수 있음을 확인할 수 있었다.
5. 결 론
본 논문에서는 팸스 냉장⋅냉동 물류창고에 화재가 발생하여 급격한 연소와 연기폭발로 소방관 사상자가 발생한 화재사례를 중심으로 뿜칠한 폴리우레탄폼 연소 메커니즘을 규명하고자 하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
첫째, 최근 신축되는 냉장⋅냉동 물류창고는 높은 층고로 건설되어 하역장 개구부 높이가 상대적으로 낮아지는 결과로 이어졌고, 하역장 개구부가 개방되었음에도 산소 유입 제한에 따른 백드래프트 전조 증상이 발생하였으며, 창고 상부 개방과 같은 돌발 조건에서 급격한 산소 유입으로 백드래프트, 연기폭발과 같은 화재 특이현상을 보이고 있다.
둘째, 뿜칠된 폴리우레탄폼은 정온전선(열선)과 같이 전선 단락 등 전기적 요인으로 점화할 수 있으므로 노출된 폴리우레탄폼 주변에 전선 트레이, 전등, 콘센트, 배전반 등 전기 시설과 이격 또는 불연재로 마감 처리해야 한다. 팸스 물류창고와 같이 신축공사장에 폴리우레탄폼을 뿜칠하기 전에는 통전 중인 전선을 통제해야 하며, 현재 운영 중인 냉장⋅냉동 물류창고도 천장에 뿜칠 된 폴리우레탄폼과 전기 시설을 이격하거나 폴리우레탄폼을 불연재로 마감하는 예방 대책이 필요하다.
셋째, 소방관 대응 대책으로 개구부 높이가 낮은 냉장⋅냉동 물류창고에서 쇠퇴기 잔불 정리 시기라도 중성대가 형성된 내부는 폭발 위험성이 있어 소방관 진입 전 반드시 외벽을 제거하여 폴리우레탄폼의 가연성 가스를 배연 또는 완전히 연소시켜야 한다. 신축공사장의 경우, 폴리우레탄폼 외벽 자체가 대부분 가연물이기 때문에 외벽 제거는 제거 소화의 효과도 기대할 수 있다. 팸스 물류창고 화재도 발화층인 1층은 외벽을 제거하여 화재 특이현상이 발생하지 않았으나, 2층은 층고가 높아 외벽을 제거하지 못하고 주수를 통한 냉각 방식만 이뤄져 화재 특이현상이 발생한 것이 이를 뒷받침한다. 따라서 소방관 투입 전 반드시 외벽을 제거 후 화재 양상을 확인하고 소방관이 진입할 수 있도록 해야 한다.
더 안전한 내화구조 건축물은 작업 근로자 등 국민의 안전을 도모하고 생명을 보호하는 데 이바지한다. 빠르게 변화하는 건축 환경에 발맞춰 화재 대응 기술도 향상시켜 국민의 생명을 지키는 소방관의 생명도 보호되기를 기대한다.
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