[논문]Ro-Ro 구역용 미분무 소화설비의 개발을 위한 실험적 연구

곽지현; 김영한

doi:10.5916/jkosme.2013.37.8.946

초록
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선박의 Ro-Ro 구역이나 특별범주구역의 화재방호를 위해 설치하는 고정식 수계소화설비의 개발 및 실용화를 위해, 특히 방수량이 적으며 관련기준에서 요구하는 성능요건을 만족하는 미분무 노즐을 개발하고자 실물화재실험을 수행하였다. 본 설비의 화재시나리오는 크게 두 가지로 트럭화물화재와 승용차화재로 구분되며, 각각 고정 설치된 미분무 노즐과 화원과의 세 가지 위치에 대한 시나리오로 이루어져 있다. 모든 화재실험은 30분간 진행되었으며 천장부의 가스온도와 우드펠릿의 손상율, 타깃합판의 착화여부로 판단되었다. 본 논문은 두 가지 화재실험 중 조건이 더욱 까다로운 트럭화재용 미분무 노즐의 결과를 위주로 방수압력과 방수량, 미분무수의 유동특성에 따른 화재실험결과와 화재진압특성을 고찰하였으며, 수십 회의 반복실험 결과 분당 약 40 L의 유량을 가지는 저압 미분무 노즐로 Ro-Ro구역의 화재진압이 가능한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Large scale fire tests were conducted to develop water mist nozzles as a component of fixed water- based fire fighting systems for Ro-Ro spaces and special category spaces. Fire scenarios for this system consist of two cases which are for cargo fire in a simulated truck and for passenger vehicle fir...

Large scale fire tests were conducted to develop water mist nozzles as a component of fixed water- based fire fighting systems for Ro-Ro spaces and special category spaces. Fire scenarios for this system consist of two cases which are for cargo fire in a simulated truck and for passenger vehicle fire, and each case has 3 different tests according to the position between fixed water mist nozzles and fire source. Every experiment proceeded for 30 minutes and acceptance criteria were based on gas temperature, fuel package's damage and ignition of targets. This study primarily dealt with the experimental results of cargo fire and focused on fire suppression capability in accordance with discharge pressure, flow rate and flow characteristics like swirl and penetration of the developed water mist nozzles. It appeared that low pressure water mist nozzles with about 40 L/min were able to control fire occurred in Ro-Ro spaces.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

1430으로 공표하기에 이르렀다[3]. 이 기준의 부록(appendix)에는 Ro-Ro 구역에 설치하는 고정식 수계소화설비의 실물 화재시험방법 및 성능 요건이 상세히 기술되어 있는데 본 연구에서는 이러한 용도에 사용하기 위해 보다 실용적이고 경제성을 제고한 미분무 소화설비의 개발을 위해 실물 화재실험을 실시하여 화재진압성능을 고찰하였다.
현재 선박의 각 방호구역에 설치하는 수계소화설비는 대부분 미분무 소화설비로 제조자에 따라 사용 압력과 방수량이 다르며, 특히 미분무 노즐의 형태와 분사특성에 따라 화재진압특성이 크게 달라지게 된다. 본 연구에서는 특히 화재하중이 크고 화재강도가 높은 차량적재구역의 화재진압을 위한 미분무 노즐의 개발과 실용화를 위해 미분무수의 유동특성에 따른 화재진압성능을 고찰해 보고자 하였다.
본 논문에서 실험결과는 최대높이 5 m 까지 설치가 가능한 트럭화재용 미분무 노즐의 화재실험 결과를 위주로 고찰하고자 한다. 모의화물트럭 화재실험은 앞 장에서 설명한 바와 같이 소화노즐에 대한 화원의 위치에 따라 세 가지 화재시나리오에 대해 실시하였다.
본 연구에서 층고 5 m 이하의 Ro-Ro 구역에 설치할 수 있는 미분무노즐의 개발은 본 노즐의 장점을 최대한 살리고 타 제품과의 경쟁력을 극대화하기 위해 사용압력은 가급적 낮게, 유량은 적게 설계하는 것을 기본개념으로 출발하였다.
본 연구에서 개발한 미분무 노즐은 팁 구경의 크기와 선회기 홀구경의 크기를 조절하여 각각 관통력과 선회력의 크기를 조절할 수 있도록 설계되었으며, 이러한 조건에 따른 화재진압성능을 고찰해 보고자 하였다(Table 5).

제안 방법

각 실험은 300 ㎡ 이상의 바닥면적과 8 m 이상의 천장높이를 가지는 Fire room에서 실시하였는데 각 화재실험에 사용되는 화원 즉, 가연물은 EUR 표준 우드펠렛을 쌓아서 만들었으며, 모의화물트럭실험의 경우 전체 크기가 7.5 m(L)×2.5 m(W)×4.0 m(H)에 이른다[4].
IMO MSC.1/Circ.1430에 의하면 화재실험은 각각 모의화물트럭과 승용차에 대한 실험으로 구분되며 각 화재실험은 화원의 중심이 노즐 직하부에 있을 때, 두 개의 노즐 사이에 있을 때, 네 개의 노즐사이에 있을 때의 세 가지 경우에 대해 실시하였다. 각 실험은 300 ㎡ 이상의 바닥면적과 8 m 이상의 천장높이를 가지는 Fire room에서 실시하였는데 각 화재실험에 사용되는 화원 즉, 가연물은 EUR 표준 우드펠렛을 쌓아서 만들었으며, 모의화물트럭실험의 경우 전체 크기가 7.
실험은 연료패키지 중단 하부에 있는 연료팬에 헵탄을 담아 점화하고 2분 30초간 자유연소한 뒤 30분간 소화장치를 가동시켜 진행하였으며, 실험 기간 동안 천장에 설치한 열전대로 최고평균온도와 우드펠렛의 손상율, 타겟합판의 착화여부를 통해 성공여부를 판단하였다. 자세한 실험방법 및 성능요건은 본 학회지 제36권 제6호에 게재한 「선박 Ro-Ro 구역의 화재방호를 위한 고정식 수계소화설비의 화재시험절차 및 성능요건 소개」라는 해설기사에서 기술하였다[5].
본 논문에서 실험결과는 최대높이 5 m 까지 설치가 가능한 트럭화재용 미분무 노즐의 화재실험 결과를 위주로 고찰하고자 한다. 모의화물트럭 화재실험은 앞 장에서 설명한 바와 같이 소화노즐에 대한 화원의 위치에 따라 세 가지 화재시나리오에 대해 실시하였다. Ro-Ro 구역에서 화재발생 시 미분무노즐은 격자 모양으로 배치되어 있으므로 화원의 위치는 노즐 직하단에 있거나 두 개의 노즐 사이에 있거나 또는 네 개의 노즐 사이에 있게 된다.
층고 5 m 이하 Ro-Ro 구역의 방호를 위한 개발 초기의 노즐은 최대설치간격 4 m, 최소사용압력8 bar에서 방수량 20~23 L/min을 가지는 노즐을 제작하여 화재실험을 실시하고 성능을 고찰하였다. 그 결과 천장부의 최고 평균온도가 350 ℃를 초과하고 타겟합판에도 착화되어 화재진압성능이 불량하게 나타났으며 우드팰릿의 손상율도 한계치인 45 %에 육박하여 더 많은 방수량이 필요함을 알 수 있었다.
본 연구에서 Ro-Ro 선박이나 대형 선박의 차량 적재구역의 화재방호를 위한 미분무 노즐의 개발을 위해 IMO Circ. document에 규정된 일련의 시험 절차에 따라 수십 회의 실물화재실험을 실시하고 화재진압성능을 평가하여 이의 실용성을 실험적으로 고찰하였다.

대상 데이터

본 Ro-Ro 구역에 적용하고자 개발한 미분무 소화설비용 노즐은 저압용 미분무 노즐 2종으로 최소사용압력이 모두 6 bar이며, 이 압력에서 설계유량은 각각 트럭화재용이 41 L/min, 승용차화재용이 20 L/min이다. 트럭용 노즐은 최대높이 5 m 이하의 차량적재구역까지 설치가 가능하며, 승용차용 노즐은 최대 2.
노즐의 형상은 끝이 무딘 원추형으로 헤드 더미 가장자리를 따라 8개의 노즐팁과 중심부에 1개의 노즐팁이 고정되어 있고, 재질은 STS 316이다. 본 노즐은 수십 차례의 반복실험을 통해 최적화된 설계사양을 갖추게 되었으며 노즐 간 최대설치간격은 4 m 이다. 이 노즐의 분무특성은 노즐팁을 통해 방출되는 미분무수의 선회특성과 관통력, 액적 크기에 따라 크게 달라진다.

성능/효과

층고 5 m 이하 Ro-Ro 구역의 방호를 위한 개발 초기의 노즐은 최대설치간격 4 m, 최소사용압력8 bar에서 방수량 20~23 L/min을 가지는 노즐을 제작하여 화재실험을 실시하고 성능을 고찰하였다. 그 결과 천장부의 최고 평균온도가 350 ℃를 초과하고 타겟합판에도 착화되어 화재진압성능이 불량하게 나타났으며 우드팰릿의 손상율도 한계치인 45 %에 육박하여 더 많은 방수량이 필요함을 알 수 있었다. 따라서 노즐 사양을 개선하여 최소사용압력을 10 bar로 증가시키고 방수량도 29 L/min으로 늘여 실험을 실시하였는데 그 결과 역시 천장부 온도가 300 ℃를 초과하고 타겟합판에도 착화되어 성능요건을 만족하지 못하였다.
여러 차례의 반복된 실험 결과 방수량이 더욱 필요하다고 판단하였고 최소사용압력 8 bar에서40 L/min의 방수량을 가지는 노즐을 적용한 결과 최고 평균온도 210 ℃를 기록하며 타겟합판에도 착화되지 않고 성공하였다. 그 이후 미분 무노즐의 성능 경쟁력 확보차원에서 사용압력을 좀 더 낮추어 6 bar에서 41 L/min의 방수량으로 실험한 결과 최고 평균온도가 50 ℃도 이하이며 우드팰릿의 손상율도 5 % 미만인 우수한 성능의 미분무 노즐을 얻을 수 있었다.
여러 차례의 반복된 실험 결과 방수량이 더욱 필요하다고 판단하였고 최소사용압력 8 bar에서40 L/min의 방수량을 가지는 노즐을 적용한 결과 최고 평균온도 210 ℃를 기록하며 타겟합판에도 착화되지 않고 성공하였다. 그 이후 미분 무노즐의 성능 경쟁력 확보차원에서 사용압력을 좀 더 낮추어 6 bar에서 41 L/min의 방수량으로 실험한 결과 최고 평균온도가 50 ℃도 이하이며 우드팰릿의 손상율도 5 % 미만인 우수한 성능의 미분무 노즐을 얻을 수 있었다. 위 실험결과들을 표로 정리하여 나타내면 Table 2-4와 같다.
4~1.6 mm로 달리해가며 관통력의 증가에 따른 화재진압성능을 고찰한 결과 Figure 7 (a)에서처럼 일정한 크기의 관통력을 가질 때 온도제어효과가 향상되는 것으로 나타났다. 또한 선회기 홀 구경이 1.
6~2.2 mm로 달리하며 화재진압성능을 고찰한 결과 Figure 7 (b)와 같이 관통력이 너무 크거나 작지 않은 값에서 화재진압 성능이 극대화 되는 것으로 나타났다.
모의 화물트럭의 화재시험은 화물차량에 적재하는 다량의 화물에 화재가 발생하였을 때의 화재진압능력을 검증하는 시험으로, 가연물 상단의 반이 차폐되어 있고 목재와 같은 일반가연물이 주를 이루므로 심부화재 가능성이 높아 소화수의 적절한 침투가 없이는 유효한 소화작업이 어려워 본 소화 설비의 개발과정에서 많은 시행착오를 반복하였으며, 다양한 조건의 유동특성인자를 반영하여 이러한 구역에서의 화재제어가 가능한 미분무 노즐의 개발에 성공하였다. 그 결과 차량화물의 유효한 화재제어를 위해서는 분당 40 L 이상의 방수량과 적절한 분사특성이 요구되며 기존의 스프링클러 보다는 유량이 적으나 고압의 미분무 노즐 보다는 다소 유량이 많으며 저압의 물분무 노즐과 유사한 특성의 설비가 요구되는 것으로 나타났다.
모의 화물트럭의 화재시험은 화물차량에 적재하는 다량의 화물에 화재가 발생하였을 때의 화재진압능력을 검증하는 시험으로, 가연물 상단의 반이 차폐되어 있고 목재와 같은 일반가연물이 주를 이루므로 심부화재 가능성이 높아 소화수의 적절한 침투가 없이는 유효한 소화작업이 어려워 본 소화 설비의 개발과정에서 많은 시행착오를 반복하였으며, 다양한 조건의 유동특성인자를 반영하여 이러한 구역에서의 화재제어가 가능한 미분무 노즐의 개발에 성공하였다. 그 결과 차량화물의 유효한 화재제어를 위해서는 분당 40 L 이상의 방수량과 적절한 분사특성이 요구되며 기존의 스프링클러 보다는 유량이 적으나 고압의 미분무 노즐 보다는 다소 유량이 많으며 저압의 물분무 노즐과 유사한 특성의 설비가 요구되는 것으로 나타났다. 또한 같은 유량과 방사각도를 가지더라도 소화수의 선회력(Swirl)과 관통력(Penetration)의 조합에 의해 미분 무수의 소화특성이 크게 달라지므로 이에 대한 적절한 설계도 중요할 것이다.

후속연구

그 결과 차량화물의 유효한 화재제어를 위해서는 분당 40 L 이상의 방수량과 적절한 분사특성이 요구되며 기존의 스프링클러 보다는 유량이 적으나 고압의 미분무 노즐 보다는 다소 유량이 많으며 저압의 물분무 노즐과 유사한 특성의 설비가 요구되는 것으로 나타났다. 또한 같은 유량과 방사각도를 가지더라도 소화수의 선회력(Swirl)과 관통력(Penetration)의 조합에 의해 미분 무수의 소화특성이 크게 달라지므로 이에 대한 적절한 설계도 중요할 것이다. 이상의 연구결과로부터 앞으로 대형 선박이나 특수선의 더욱 많은 구역의 화재방호에 있어 미분무 소화설비의 역할이 증대될 것으로 생각된다.
또한 같은 유량과 방사각도를 가지더라도 소화수의 선회력(Swirl)과 관통력(Penetration)의 조합에 의해 미분 무수의 소화특성이 크게 달라지므로 이에 대한 적절한 설계도 중요할 것이다. 이상의 연구결과로부터 앞으로 대형 선박이나 특수선의 더욱 많은 구역의 화재방호에 있어 미분무 소화설비의 역할이 증대될 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박 방고구역에 설치된 수계소화설비는 대부분 무엇인가?	현재 선박의 각 방호구역에 설치하는 수계소화설비는 대부분 미분무 소화설비로 제조자에 따라 사용 압력과 방수량이 다르며, 특히 미분무 노즐의 형태와 분사특성에 따라 화재진압특성이 크게 달라지게 된다. 본 연구에서는 특히 화재하중이 크고 화재강도가 높은 차량적재구역의 화재진압을 위한 미분무 노즐의 개발과 실용화를 위해 미분무수의 유동특성에 따른 화재진압성능을 고찰해 보고자 하였다.
	고정식 수계소화설비의 권장안은 언제 결의되었나?	선박의 특수범주구역에 설치하는 고정식 수계소화설비의 권장안이 1967년 IMO Res.A.123(V)으로 결의된 이후 최근 국제해사기구 해사안전위원회의 FP(방화안전) 분과위원회는 이 기준에 대한 화재모형 및 세부시험절차, 성능요건 등을 마련하여 제84차 회의(2008년 5월)에 상정하였으며 해사안전위원회는 같은 해 6월에 Ro-Ro 구역 및 특별범주구역에 설치하는 고정식 수계소화설비의 승인을 위한 가이드라인 이라는 제목의 MSC.1/Circ.
	Ro-Ro 구역에 적용하고자 개발한 미분무 소화설비용 노즐은 트럭과 승용차에 몇 m까지 설치 가능한가?	본 Ro-Ro 구역에 적용하고자 개발한 미분무 소화설비용 노즐은 저압용 미분무 노즐 2종으로 최소사용압력이 모두 6 bar이며, 이 압력에서 설계유량은 각각 트럭화재용이 41 L/min, 승용차화재용이 20 L/min이다. 트럭용 노즐은 최대높이 5 m 이하의 차량적재구역까지 설치가 가능하며, 승용차용 노즐은 최대 2.5 m 높이의 차량구역에만 설치가 가능하다.

참고문헌 (10)

J. H. Kwark, "Test method and requirements of fixed water-based fire-fighting systems for the fire protection of Ro-Ro spaces," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 6, pp. 744-748, 2012.
IMO Resolution A.123(V), "Recommendation on fixed fire extinguishing systems for special category spaces(SOLAS Regs II-2/37, 53 and 54)," 1967.
IMO MSC.1/Circ.1272, "Guidelines for the approval of fixed water-based fire-fighting systems for Ro-Ro spaces and special category spaces equivalent to that referred to in resolution A.123(V)," 2008.
IMO MSC.1/Circ.1430, "Revised guidelines for the design and approval of fixed water-based fire-fighting systems for Ro-Ro spaces and special category spaces," 2012.
ISO 6780, "Flat pallets for intercontinental materials handling - Principal dimensions and tolerances," 2003.
International Maritime Organization, SOLAS Regulation II-2/37, 53 and 54.
I. C. Jung and K. H. Lee, "Characteristics of ignition and micro-explosion for droplets of water- in-fuel emulsion," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 37, no. 1, pp. 1-8, 2013.

원문보기 상세보기
K. H. Park and J. G. Kim, "Assessment of Turbulence Models for Engine Intake and Compression Flow Analysis," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 32, no. 8, pp. 1129-1140, 2013.

원문보기 상세보기
J. R. Mawhinney, "Fire protection water mist suppression systems," NFPA Handbook 18th Edition, 1997
Z. Liu and A. K. Kim, "A review of water mist fire suppression systems-Fundamental studies," Journal of Fire Protection Engineering, vol. 10, no. 3, pp. 32-50, 2000.

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