FRP 선박 기관실 난연성 향상을 위한 추가 방열재의 화재성능비교 Comparison on the fire performance of additional insulation materials for improving the fire retardancy in engine-room of FRP vessel원문보기
최정민
(Fire extinguishment and combustion research team, Fire Insurers Laboratories of Korea)
,
엄한찬
(Korean Ship Safety Technology Authority)
,
진영화
(Fire extinguishment and combustion research team, Fire Insurers Laboratories of Korea)
강화플라스틱(FRP) 선박은 화재 시 화염확산을 막기 위하여 관련 구조 기준에 따라 기관실 주위 벽 내부를 난연성 수지로 3회 이상 적층하거나, 이와 동등한 방열재로 둘러싸야한다. 관련 난연성 적층용 수지 및 일부 난연재료(연질폴리우레탄복합체)의 경우 선박용 물건의 형식승인 시험기준에 따라 그 성능을 평가할 수 있으나, 방열재로 빈번하게 사용되고 있는 '겔코트'에 대한 성능기준은 명확하지 않은 실정으로 난연성 수지와 화재안전성능이 비교 평가된 바 없다. 본 연구에서는 FRP 선박을 건조하는 조선소를 대상으로 설문조사를 실시하여 사용 중인 난연성 수지 3종, 겔코트 4종, 방염도료 1종 및 폴리우레탄 복합재 1종에 대해 화염전파시험과 방염성능시험을 적용하여 그 성능을 비교하였다. 화염전파시험 결과 임계열유속(CFE) 기준으로 각 종별 평균값을 비교하면 폴리우레탄 복합재, 난연성 수지, 방염도료, 겔코트 순으로 양호한 것으로 나왔고, 겔코트는 3회 도포한 것이 6회 도포한 것보다 양호한 결과를 보였다. 방염성능시험 결과 탄화면적 기준으로 각 종별 평균값을 비교하면 방염도료가 가장 좋게 나왔고 난연성 수지와 겔코트는 유사한 수준으로 나타났다.
강화플라스틱(FRP) 선박은 화재 시 화염확산을 막기 위하여 관련 구조 기준에 따라 기관실 주위 벽 내부를 난연성 수지로 3회 이상 적층하거나, 이와 동등한 방열재로 둘러싸야한다. 관련 난연성 적층용 수지 및 일부 난연재료(연질폴리우레탄복합체)의 경우 선박용 물건의 형식승인 시험기준에 따라 그 성능을 평가할 수 있으나, 방열재로 빈번하게 사용되고 있는 '겔코트'에 대한 성능기준은 명확하지 않은 실정으로 난연성 수지와 화재안전성능이 비교 평가된 바 없다. 본 연구에서는 FRP 선박을 건조하는 조선소를 대상으로 설문조사를 실시하여 사용 중인 난연성 수지 3종, 겔코트 4종, 방염도료 1종 및 폴리우레탄 복합재 1종에 대해 화염전파시험과 방염성능시험을 적용하여 그 성능을 비교하였다. 화염전파시험 결과 임계열유속(CFE) 기준으로 각 종별 평균값을 비교하면 폴리우레탄 복합재, 난연성 수지, 방염도료, 겔코트 순으로 양호한 것으로 나왔고, 겔코트는 3회 도포한 것이 6회 도포한 것보다 양호한 결과를 보였다. 방염성능시험 결과 탄화면적 기준으로 각 종별 평균값을 비교하면 방염도료가 가장 좋게 나왔고 난연성 수지와 겔코트는 유사한 수준으로 나타났다.
To prevent the flame spread in FRP vessel in fire, the engine-room of the vessel should be constructed additionally with laminated fire-retardant resin over 3 times or equivalent insulation materials to former according to the relevant standard for FRP vessel structure. It is surveyed that insulatio...
To prevent the flame spread in FRP vessel in fire, the engine-room of the vessel should be constructed additionally with laminated fire-retardant resin over 3 times or equivalent insulation materials to former according to the relevant standard for FRP vessel structure. It is surveyed that insulation materials called 'Gel coat' are widely used in FRP fishing vessel, however, test method and its criteria for Gel coat are not clearly establish and have not been evaluated yet, while test method and criteria for fire-retardant resin and fire-retardant polyurethane composite are described in test standard for type-approval. In this study, 3 fire-retardant resins, 4 gel coats, 1 flame-retardant paint and 1 polyurethane composite were selected based on the survey and were evaluated according to both IMO FTP Code part 5 and flame-retardant test. When comparing based on CFE values from flame-spread test, average value for 4 gel coats were lower than that of 3 fire-retardant resins. As for flame-retardant test, there were no significant differences between fire-retardant resin and gel coat, based on charred area.
To prevent the flame spread in FRP vessel in fire, the engine-room of the vessel should be constructed additionally with laminated fire-retardant resin over 3 times or equivalent insulation materials to former according to the relevant standard for FRP vessel structure. It is surveyed that insulation materials called 'Gel coat' are widely used in FRP fishing vessel, however, test method and its criteria for Gel coat are not clearly establish and have not been evaluated yet, while test method and criteria for fire-retardant resin and fire-retardant polyurethane composite are described in test standard for type-approval. In this study, 3 fire-retardant resins, 4 gel coats, 1 flame-retardant paint and 1 polyurethane composite were selected based on the survey and were evaluated according to both IMO FTP Code part 5 and flame-retardant test. When comparing based on CFE values from flame-spread test, average value for 4 gel coats were lower than that of 3 fire-retardant resins. As for flame-retardant test, there were no significant differences between fire-retardant resin and gel coat, based on charred area.
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문제 정의
기타 방염도료는 에틸비닐 아세테이트 코폴리머, 그라파이트 및 수분으로 구성되었으며, 겔코트와 동일한 방법으로 3회 도포하였다. 두께 25 ㎜의 폴리우레탄 복합재를 적용한 시험체 역시 준비하였으며, 난연처리를 전혀 하지 않은 일반 FRP 시험체도 비교를 목적으로 제작하였다. Table 2에 최종 제작한 시험체를 요약하여 나타내었다.
본 시험은 선박용 내장재에는 현재 적용되고 있지 않으나, 재료의 불꽃에 대한 저항성을 평가하기 위한 참고시험으로 실시하였다.
제안 방법
FRP 선박을 건조하는 조선소 19개소를 대상으로 선박 기관실의 난연성 향상을 위해 적용되는 재료의 종류를 조사하였고, 이들 재료를 적층 또는 도포한 14종의 시험체를 제작하여 국제해사기구에서 규정한 화염전파성시험 및 소방방재청에서 고시한 방염성능시험방법을 실시하여 그 결과를 비교하였다.
본 연구에서는 FRP 선박 기관실의 난연성 향상을 위해 현재 사용되고 있는 방열재 및 기타 적용이 가능한 방열재를 선정하였고, 그들의 화재성능을 비교하기 위해 국내 FRP 선박을 건조하는 19개의 조선소를 대상으로 실시한 결과를 바탕으로 난연성 적층용 수지액 3종, 겔코트 4종, 방염도료 1종 및 폴리우레탄 복합재 1종을 선정한 후 화염 전파성시험과 방염성능시험을 실시하여 그 결과를 분석하였다.
대상 데이터
국내 19개 강화플라스틱 선박 건조 조선소를 대상으로 기관실의 방열구조 시공방법에 대한 설문조사를 실시하여 Figure 1에 나타내었다. 10톤 미만 어선의 경우 관련 기준에서 기관실 난연처리가 강제사항이 아님을 감안하더라도 전체의 37%, 7개 조선소가 FRP에 난연처리 또는 방열재료 시공을 하지 않고 있는 것으로 나타나 화재에 상대적으로 취약한 것으로 나타났다.
기본적인 강화플라스틱은 매트(Mat) 450, 로빙(Roving) 570을 사용하였고 적층용 수지액으로는 세원화성의 UPG-R115을 사용하여 총 14개 층, 즉 [6(M+R)+R+M] 형식으로 시험체를 제작하였다. 여기에 난연성 수지액을 적용 한 시험체 제작 시에는 최종 3회에 적용한 수지액을 난연성 수지액으로 적용하였다.
난연성 수지액 A와 B는 불포화 폴리에스테르 계통 수지가 50 % ∼ 60 %, 희석제로서 스티렌 모노머가 35 % 내외, 나머지는 첨가제 및 필터 등으로 구성되었으며, C는 비닐에스터 계통 수지 60 % 내외, 희석제로서 스티렌 모노머 40 % 내외로 구성되었다.
성능/효과
(1) 폴리우레탄 복합재는 화염전파시험에서 전혀 착화되지 않아 화재안전성 측면에서 선박 기관실 적용에 적합하다고 판단된다.
(2) 난연제가 함유된 겔코트 적용 시험체 2종과 방염도료 적용 시험체는 화염전파시험 결과 난연성 수지액과 동등 수준의 화재안전성능을 보였다.
(3) 방염성능시험과 화염전파시험에서 모두 가장 좋지 않은 결과를 보인 겔코트 적용 시험체 2종(시험체번호 7, 8)은 일반 FRP 대비 오히려 성능이 떨어져, 화재안전측면 에서 전혀 도움이 되지 못하였다.
(4) 겔코트는 초기 화재 조건에서는 추가 도포에 의해 방염성능이 향상되나, 최성기 화재 조건에서는 오히려 난연성이 감소하였다. 이는 겔코트 자체가 불포화폴리에스터계 수지의 가연성 물질로 이루어져 있어 난연성의 향상보다는 가연물의 총량을 증가시키는 역할을 했기 때문이다.
국내 19개 강화플라스틱 선박 건조 조선소를 대상으로 기관실의 방열구조 시공방법에 대한 설문조사를 실시하여 Figure 1에 나타내었다. 10톤 미만 어선의 경우 관련 기준에서 기관실 난연처리가 강제사항이 아님을 감안하더라도 전체의 37%, 7개 조선소가 FRP에 난연처리 또는 방열재료 시공을 하지 않고 있는 것으로 나타나 화재에 상대적으로 취약한 것으로 나타났다. 일종의 난연처리를 하고 있는 조선소 중에서는 겔코트를 시공한다고 답한 조선소가 8개소, 난연성 수지액을 적층한다고 답한 조선소가 3개소, 그리고 두 가지 모두 적용한다고 답한 조선소는 1개소뿐인 것으로 나타났다.
폴리우레탄 복합재는 방염성능시험의 약한 강도의 불꽃에서도 역시 착화되지 않을 것이라 판단하여 시험대상에서 제외하였다. 겔코트 1종(시험체번호 7, 8)은 2분간 접염 후 잔염이 장시간 지속되고 높은 탄화면적을 보이는 등, 가장 좋지 못한 시험결과를 보였다. 이들 시험체는 화염전파성시험에서도 높은 총 방출열량 및 최대 열방출률을 보인 시험체로서 2분간의 접염 후에도 남은 불꽃이 꺼지지 않고 연소가 지속될 만큼의 충분한 열이 자체 연소열에 의해 공급되었기 때문이라고 생각할 수 있다.
겔코트의 경우 세원화성의 UPG-R115로만 [6(M+R)+R+M] 구조로 제작한 뒤에 각각 3회 및 6회만큼 추가 도포하였다. 겔코트 4종 모두 불포화 폴리에스터 계통의 수지가 주성분이었으며 D, F의 경우 일부 난연제 성분이 포함된 것으로 조사되었다. 기타 방염도료는 에틸비닐 아세테이트 코폴리머, 그라파이트 및 수분으로 구성되었으며, 겔코트와 동일한 방법으로 3회 도포하였다.
겔코트 적용 시험체 8종에 대하여 도포횟수(3회, 6회)에 따른 비교결과, 3회 도포한 시험체의 임계열유속 평균은 8.7 kW/㎡, 6회 도포한 시험체의 임계열유속 평균은 8.1 kW/㎡로, 더 많은 횟수 도포한 시험체가 오히려 화염이 더 먼 지점까지 전파된 것을 알 수 있었다. 겔코트는 일반 FRP 위에 시공하였을 경우 약간의 난연성 향상 효과를 보이는 것으로 나타났지만 가연성의 수지로 구성되어 있으므로 본질적으로 화재에 취약한 한계점을 가지고 있다.
겔코트의 도포 횟수에 따른 성능변화로는 시험체번호 9, 10를 제외하고 3회 도포한 시험체(시험체번호 5, 7, 11)에 비하여 6회 도포한 시험체(시험체번호 6, 8, 12)의 탄화 면적이 31% 감소한 것으로 측정되었다. 수십 kW/㎡의 강한 복사열이 아닌, 상대적으로 약한 세기의 불꽃을 가하여 실시하는 화재시험에서는 겔코트를 더 많은 횟수 도포함에 따라 방염성능의 향상을 기대할 수 있다고 판단된다.
겔코트는 일반 FRP 위에 시공하였을 경우 약간의 난연성 향상 효과를 보이는 것으로 나타났지만 가연성의 수지로 구성되어 있으므로 본질적으로 화재에 취약한 한계점을 가지고 있다. 따라서 일반 FRP 위에 3회 도포하였을 경우 난연성이 개선 되었으나 6회 도포한 결과 임계열유속이 소폭 감소한 것으로 보아, 후자의 경우 겔코트가 난연성 향상을 위해서보다는 가연물의 총량을 증가시키는 부분에 더 기여했다고 판단된다.
이들 시험체는 화염전파성시험에서도 높은 총 방출열량 및 최대 열방출률을 보인 시험체로서 2분간의 접염 후에도 남은 불꽃이 꺼지지 않고 연소가 지속될 만큼의 충분한 열이 자체 연소열에 의해 공급되었기 때문이라고 생각할 수 있다. 성능요건을 만족시킨 4종의 시험체는 화염전파성시험에서도 비교적 양호한 결과를 보였던 것으로써 비난연처리 FRP에 해당 재료를 추가 시공함으로써 방염성의 향상을 보인 것으로 생각된다.
10톤 미만 어선의 경우 관련 기준에서 기관실 난연처리가 강제사항이 아님을 감안하더라도 전체의 37%, 7개 조선소가 FRP에 난연처리 또는 방열재료 시공을 하지 않고 있는 것으로 나타나 화재에 상대적으로 취약한 것으로 나타났다. 일종의 난연처리를 하고 있는 조선소 중에서는 겔코트를 시공한다고 답한 조선소가 8개소, 난연성 수지액을 적층한다고 답한 조선소가 3개소, 그리고 두 가지 모두 적용한다고 답한 조선소는 1개소뿐인 것으로 나타났다.
임계열유속을 기준으로 비교하면 비난연처리 FRP(시험 체번호 1)는 5.4 kW/㎡, 난연성 수지액 적용 시험체 3종 (시험체번호 2, 3, 4)의 평균은 13.3 kW/㎡, 겔코트 적용 시 험체 8종(시험체번호 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12)의 평균은 8.4 kW/㎡, 방염도료 적용 시험체는 11.2 kW/㎡로 나와, 겔코트는 난연성 수지액 및 방염도료보다 난연성이 상대적으로 떨어지는 것으로 나타났으나 비난연처리 FRP 대비 일정 수준의 난연성 향상이 확인되었다. 세부적으로 보면 일부 겔코트 적용 시험체 중 일부(시험체번호 7, 8)는 비 난연처리 FRP보다 오히려 낮은 성능을 보여 화재안전성 향상 목적으로는 부적합한 것으로 판단된다.
후속연구
겔코트의 도포 횟수에 따른 성능변화로는 시험체번호 9, 10를 제외하고 3회 도포한 시험체(시험체번호 5, 7, 11)에 비하여 6회 도포한 시험체(시험체번호 6, 8, 12)의 탄화 면적이 31% 감소한 것으로 측정되었다. 수십 kW/㎡의 강한 복사열이 아닌, 상대적으로 약한 세기의 불꽃을 가하여 실시하는 화재시험에서는 겔코트를 더 많은 횟수 도포함에 따라 방염성능의 향상을 기대할 수 있다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
내부환경적 요인으로 발생하는 해양사고 중 가장 많은 수의 인명사고를 발생시키는 사고요인은 무엇인가?
어선 해양사고 중 충돌, 좌초, 침몰 사고와 같은 외부환 경 요인으로 발생하는 사고를 제외할 경우 내부 환경적 요인으로 인해 발생하는 해양사고 중 가장 많은 수의 인명사 고를 발생시키고 있는 것은 화재․폭발 사고이다[1]. 특히 강화플라스틱 어선의 선체는 화재 시 화염의 전파속도가 높아 초기 진압에 실패할 경우 선박 전소의 가능성이 높아진다고 할 수 있으며, 이들 재료가 사용될 때에는 반드시 난연처리가 필요하다[2][3].
섬유강화플라스틱이란 무엇인가?
플라스틱은 가볍고 성형성이 우수한 장점이 있으나, 강도가 약한 단점이 있어 이에 섬유질을 첨가한 강화플라스틱을 제조하여 높은 강도를 요구하는 곳에 적용하고 있으 며 이를 섬유강화플라스틱이라고 한다. 일반적으로 유리섬유를 강화재로 하여, 불포화 폴리에스테르의 매트릭스를 강화시켜 사용하고 있다.
온도에 따라 섬유강화플라스틱의 강성은 어떻게 변화하는가?
일반적으로 유리섬유를 강화재로 하여, 불포화 폴리에스테르의 매트릭스를 강화시켜 사용하고 있다. 그러나 상온에서는 금속과 비슷 하거나 오히려 우수한 강도를 유지하지만, 고온에서는 연소되어 강성을 잃게 되는 단점을 지니고 있다[4]. 따라서 강화플라스틱이 구조물의 보강재 또는 마감재로 사용되는 경우 화재위험성이 높아지기 때문에 일정 수준의 화재안전성 확보가 요구되어 왔다.
참고문헌 (10)
Korea Ship Safety Technology Authority, Cause analysis and its prevention plan for ship fires, p. 27, 2013 (in Korean).
W. J. Choi, "Flammability charateristics of unsaturated polyesters for FRP," Journal of Korean Institute of Fire Science and Engineering, vol. 12 no. 4, pp. 51-57, 1998 (in Korean).
K. W. Lee, K. E. Kim, and D. H. Lee, "Combustion characteristics of fiber reinforced plastic by cone calorimeter," Journal of Korean Institute of Fire Science and Engineering, vol. 18, no. 2, pp. 68-72, 2004 (in Korean).
H. J. Lee, B. J. Kang, C. J. Lee, K. H. Lee, G. S. Choi, H. U. Doo, M. J. Kim, H. H. Yeon, D. S. Kim, J. S. Lee, E. S. Kang, J. H. Kwark, H. G. Seo, and H. S. Yeo, "Study on fire safety characteristics and fire resistance structure of FRP vessel," Korea Ship Safety Technology Authority, p. 11, 2006 (in Korean).
Ministry of Oceans and Fisheries, "Standard of structure for FRP ship," Korea, Notification No. 2013-227, 2013. 9. 24 (in Korean).
National Emergency Management Agency, "Standard of flame-retardant performance," Korea, Notification No. 2013-25, 2013. 7. 10 (in Korean).
International Maritime Organization, "International code for application of fire test procedures (2010 FTP Code)," United Kingdom, Resolution MSC.307(88), 2011. 2. 7.
Ministry of Oceans and Fisheries, "Standard of type-approval test and inspection of product for marine uses," Korea, Notification No. 2013-228, 2013. 9. 24 (in Korean).
Babrauskas and S. J. Grayson, Heat Release in Fires, Elselvier Science Publishing Co., New York, 1992
International Standard Organization, "Reaction-to-fire tests - spread of flame - part 2: Lateral spread on building and transport products in vertical configuration," Switzerland, ISO 5658-2:2006, 2006. 9. 18.
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