[논문]가스소화약제 압력누기감시장치의 안전성 분석을 위한 수치적 연구

고아라; 임동오; 손봉세

doi:10.7731/kifse.2016.30.4.103

가스소화약제 압력누기감시장치의 안전성 분석을 위한 수치적 연구
A Numerical Study to Analyze Safety of Pressure Leakage Monitoring System of Gas Extinguishing Agent 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.4, 2016년, pp.103 - 110

고아라 (가천대학교 일반대학원 소방방재공학과) , 임동오 (가천대학교 일반대학원 소방방재공학과) , 손봉세 (가천대학교 소방방재공학과)

초록
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가스계소화설비의 수요는 매해 증가하고 있으나, 늘어나는 수요에 대비한 시스템의 안전성 및 신뢰성등 소화성능에 필요한 안전대책이 미흡하여 사회적인 문제가 되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 가스 소화시스템의 사고발생 원인 중에서 가장 심각한 문제인 소화약제 저장용기에서 발생하는 압력누기는 화재진압의 성패를 좌우하는 중요한 요소로 시급한 대책이 요구되는 문제점로 판단하여 연구를 하였다. 새로 개발한 압력누기감시장치는 화재진압에 중요한 요소인 소화농도와 관련이 있는 저장용기의 약제확보상태와 압력 및 누기, 방출상태 등을 감시하는 장치로 $CO_2$와 HFC-23 시스템에 적용할 수 있도록 개발하였다. 즉, 압력누기감시장치를 가스소화설비에 적용하였을 때 발생할 수 있는 구조적 안전성 분석을 위하여 유체-구조연계해석을 통하여 안전성능을 검증하였다. 해석에 사용한 프로그램으로 전산유체해석은 Mentor Graphics사의 FloEFD 프로그램을 사용하였고, 구조해석 프로그램은 Dassault systems사의 ABAQUS를 사용하였다. 수치해석결과 $CO_2$용의 구조에서는 소성변형이 발생하지 않아 안전성을 확인하였으나 HFC-23용 감시장치에는 소성변형 및 이탈문제가 발생하여 설계수정과 3차례의 수치해석 조건을 수정하여 얻은 데이터를 기본으로 압력누기감시장치의 구조적인 안전성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

While the demand for the gas system fire extinguishers increases every year, there are insufficient safety measures for assessing the extinguishing performance, such as system safety and reliability in the preparation of increasing demand, which has emerged as a social problem. One of the most critical causes of accidents occurring with the gas extinguishing system is pressure leakage from the extinguishing agent storage container. This is considered to be one of the critical factors on which the success of fire suppression depends. In this study, its safety measure was studied, Because it was deemed urgently necessary. The newly developed pressure leakage monitoring system is a system monitoring storage condition, pressure, leakage and discharge of the storage container related to agent concentration, which is one of the critical factors for fire suppression. This was developed to be applicable to the $CO_2$ and HFC-23 systems. Therefore, for structural safety analysis, the safety performance was verified by the fluid structure coupling analysis of the safety problems that may occur when the pressure leakage monitoring system is applied to the gas fire extinguisher. For analysis programs, the FloEFD program from Mentor Graphics was used for computational fluid dynamics analysis and ABAQUS from Dassault Systems was used for structural analysis. From the result of numerical analysis, the structure of $CO_2$ did not develop plastic deformation and its safety was verified. However, plastic deformation and deviation issue occurred with the HFC-23 monitoring system and therefore verified the structural safety of pressure leakage monitoring system by data obtained from redesigning and adjusting the condition of numerical interpretation three times.

주제어

표/그림 (13)

그림 Figure 1. Pressure leakage monitoring system.
표 Table 1. Problems of Gas System Fire Extinguisher by Major Components
표 Table 2. Pressure Leakage Monitoring System Specifications
그림 Figure 2. Operating state of pressure leakage monitoring system⁽³⁾.
그림 Figure 3. CO₂ CFD analysis result.
그림 Figure 4. CO₂ structural analysis result.
그림 Figure 5. HFC-23 CFD analysis result.
표 Table 3. Properties of Components of CO₂ Pressure Leakage Monitoring System
그림 Figure 6. HFC-23 structural analysis result.
표 Table 4. Properties of Components of HFC-23 Pressure Leakage Monitoring System
그림 Figure 8. Structural analysis result of second HFC-23 model.
그림 Figure 9. Boundary condition and result of structural analysis on third HFC-23 model.
그림 Figure 7. Second HFC-23 design drawing.

AI 본문요약
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문제 정의

구조설계를 위해서는 정확한 구조해석이 선행되어야 하며 최적설계(Optimum Design)를 얻기 위해서는 구조해석과 설계가 반복적으로 이루어져야 한다⁽⁶⁾ . 따라서 본 연구에서는 압력누기감시장치 내부의 가스소화약제 유동 시에 발생하는 압력분포, 속도분포 값을 얻기 위한 전산유체해석과 내부 압력분포에 의한 구조적 변형 및 응력을 평가하기 위하여 유체-구조 연계해석을 수행하였다. 전산유체해석은 Mentor Graphics사의 FloEFD 프로그램을 사용하였고, 구조해석은 Dassault systems사의 ABAQUS 프로그램을 사용하였다.
정상적인 저장 상태에서는 플런저(Plunger)가 가스 이동통로 부분을 안전하게 막고 있으나 누기가 발생한은 경우는 가스누기로 인하여 폐쇄상태에 있는 플런저 전단부에 압력이 축적되면서 설정압력에 도달하거나, 시스템의 정상작동에 의한 약제가 방출할 때는 가스압력에 의하여 플런저가 이동되어 마이크로 스위치(Micro Switch)의 센서부를 기동시킴으로서 약제누기 및 방출을 감시한다⁽⁴⁾ . 본 연구에서는 새로 개발한 압력누기감시장치를 가스계소화설비에 적용 시 본 장치내부의 약제 유동현상 및 구조적 안전성을 분석하기 위하여 유체-구조 연계해석 프로그램을 이용하여 수치적으로 해석하였다.
본 연구에서는 압력누기감시장치의 약제의 유동상태 및 구조적인 안정성 해석하기 위하여 수치해석을 선행하여 발생하는 문제점을 파악하여 설계 값을 수정하면서 최적설계에 필요한 물성 값을 얻었다. 새로 개발한 압력누기감시장치를 현재 가스계소화설비에 적용한다면 더욱 신뢰성과 안전성이 있는 가스계소화설비가 될 것으로 판단된다.
본 연구에서는 이산화탄소소화설비와 청정약제소화설비인 HFC-23용으로 개발한 압력누기감시장치에 대한 소화약제 방출 시의 유동 및 압력, 속도분포 상태와 구조적인안전성을 해석하기 위하여 유체-구조 연계해석을 통한 연구를 진행하였다. 즉, 전산유체해석을 통해 가스소화약제의 압력 및 속도를 해석한 후 구조해석의 경계조건으로 입력하여 구조적 안전성을 확인하였다.
본 장치의 구조해석은 외력을 받았을 때, 구조물의 강성, 응력분포, 변형량 등이 구조적으로 안전성 여부를 파악하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 수치적인 해석을 수행하여 필요한 값을 알아내는 것이다⁽⁵⁾ . 구조설계는 본 수치적 구조해석에서 얻은 데이터를 근거로 장치에 사용할 구조체, 각 부재에서 요구되는 물리적 특성을 분석하여 본체 강도, 각종 부재의 재질, 종류 등을 선정하는데 적용하였다.

제안 방법

CO₂ 압력누기감시장치에서 CO₂ 가스 방출시 구조적 안전성을 평가하기 위하여 먼저 전산유체해석을 통해 밸브 내부 CO₂의 유동을 모사하여 내부 압력분포 값을 얻었으며, 해당 값을 경계조건으로 입력한 구조해석으로 구조적 변형 및 응력 등의 안전성능을 평가하였다.
CO₂ 압력누기감시장치의 해석과 동일한 방법으로 HFC 23 소화약제가 방출 시 압력누기감시장치의 구조적 안전성을 평가를 위하여 전산유체해석과 구조해석을 수행하였다. 전산유체해석을 통해 HFC-23의 유동을 모사하여 밸브 내부 압력분포 값을 얻었으며, 해당 값을 경계조건으로 입력한 구조해석을 통해 변형 및 응력을 평가하였다.
. 구조설계는 본 수치적 구조해석에서 얻은 데이터를 근거로 장치에 사용할 구조체, 각 부재에서 요구되는 물리적 특성을 분석하여 본체 강도, 각종 부재의 재질, 종류 등을 선정하는데 적용하였다. 구조설계를 위해서는 정확한 구조해석이 선행되어야 하며 최적설계(Optimum Design)를 얻기 위해서는 구조해석과 설계가 반복적으로 이루어져야 한다⁽⁶⁾ .
나) 소성변형의 원인으로 Adaptor와 Nut의 연결부위에 내부 가스압력에 의한 Adaptor의 굽힘이 주요한 원인으로 판단하여 3차 해석에서는 2차 모델의 기존조건에 상단부 고정조건을 추가하여 수행하였다. 그 결과, Adaptor와 Nut의 접촉면에서 Adaptor의 항복강도 350 MPa보다 낮은 104.
시차체 반복법의 경우는 유체 및 구조의 거동에 대한 풀이를 통합하지 않고 각각의 풀이 결과를 연계하여교차 해석하는 방법이다⁽⁷⁾ . 따라서 대부분의 경우 수치해석 소프트웨어들은 실용적이며 신뢰성 있는 해를 얻을 수 있는 시차체 반복법을 차용하고 있기 때문에 본 연구에서도 시차체 반복법을 차용하였다.
2 MPa의 유효응력 발생과 상부조립체의 항복응력을 초과하는 413 MPa 응력이 발생하여 소성변형이 나타났다. 또한 상부조립체 부품인 Snap ring과 Support, Check vavle간 접촉에서 불안전성으로 인해 Support가 이탈하는 현상을 해결하기 아래와 같이 조건을 달리하여 연구를 진행하였다.
Table 1은 이상에 언급한 내용을 기초로 가스계소화설비에서 주로 발생하는 사고원인을 요약한 것이다. 본 연구와 가장 연관성이 있는 부속품에서 발생하는 사고사례를 분석하여 압력누기감시장치를 개발하는데 적용하였고 구조적인 안전성에 대하여 분석하였다.
해석격자 형상은 Figure 4(b)와 같으며, 격자는 약 46만개의 사면체요소가 사용되었으며 구조해석에 필요한 재료의 부품별 물성 값은 Table 3과 같다. 부품별 물성 값에 대한 판정은 유효응력이 항복응력을 초과 시에는 영구변형(소성변형)이 발생하고 인장강도를 초과 시에는 파괴된다는 기준을 적용하였다. 해석결과 최대 하중은 센서 바디와 플런저가 접촉하는 면인 Figure 4(d)에서 67.
압력누기감시장치의 해석과 동일한 방법으로 HFC 23 소화약제가 방출 시 압력누기감시장치의 구조적 안전성을 평가를 위하여 전산유체해석과 구조해석을 수행하였다. 전산유체해석을 통해 HFC-23의 유동을 모사하여 밸브 내부 압력분포 값을 얻었으며, 해당 값을 경계조건으로 입력한 구조해석을 통해 변형 및 응력을 평가하였다. 격자 형상은 Figure 5(b)에 도시하였다.
본 연구에서는 이산화탄소소화설비와 청정약제소화설비인 HFC-23용으로 개발한 압력누기감시장치에 대한 소화약제 방출 시의 유동 및 압력, 속도분포 상태와 구조적인안전성을 해석하기 위하여 유체-구조 연계해석을 통한 연구를 진행하였다. 즉, 전산유체해석을 통해 가스소화약제의 압력 및 속도를 해석한 후 구조해석의 경계조건으로 입력하여 구조적 안전성을 확인하였다. 따라서 압력누기감시장치를 가스계소화설에 적용 시의 구조적인 성능안전성 분석을 통하여 얻은 연구 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

이와 같이 가스계소화설비의 신뢰성 및 안전성에 대한 불안감을 해소하고 유지관리의 편리성을 고려한 대책을 마련하는 것이 중요하다고 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 화재진압성능에 가장 밀접한 관계가 있는 압력누기감시장치를 연구의 대상으로 선정하였다. 가스계소화설비의 소화약제저장용기는 대부분 고압으로 저장되어 약제를 방출하기 때문에 주변 부속장치에 대한 감시가 중요하다.
격자 형상은 Figure 5(b)에 도시하였다. 밸브가 개방된 상태에서 압력 70 bar, 온도 55 ℃의 HFC-23 가스가 입구부로 유입되는 경계조건이 부여되었으며, 891,733개의 격자가 사용되었다. HFC-23의 물성 값으로 분자량(Molecular Mass) 70.
해석격자 형상은 Figure 3(b)에 도시하였다. 플런저(Plunger)가 이동하여 밸브가 개방된 상태에서 압력 은 70bar, 온도 40℃의 CO₂ 가스가 입구부로 유입되는 경계조건을 부여하였으며, 372,247개의 격자가 사용되었다. 그리고 유동해석을 위해 필요한 CO₂의 물성 값으로 비열비(Specific heat ratio) 1.

데이터처리

따라서 본 연구에서는 압력누기감시장치 내부의 가스소화약제 유동 시에 발생하는 압력분포, 속도분포 값을 얻기 위한 전산유체해석과 내부 압력분포에 의한 구조적 변형 및 응력을 평가하기 위하여 유체-구조 연계해석을 수행하였다. 전산유체해석은 Mentor Graphics사의 FloEFD 프로그램을 사용하였고, 구조해석은 Dassault systems사의 ABAQUS 프로그램을 사용하였다. 유체-구조연계해석은 집적법(Monolithic) 또는 시차체 반복법(Staggered iterative)을 통하여 접근할 수 있으며 집적법의 경우 유체와 구조에 대한 두 개의 방정식을 통합하여 풀이하는 방법이며 막대한 계산량이 요구된다.

성능/효과

(1) CO₂ 압력누기감시장치의 경우 센서 바디와 플런저의 접촉부에서 센서 바디의 항복강도 125 MPa보다 낮은 67.34 MPa의 유효응력이 발생하여 소성변형이 발생하지않음을 확인하였다.
(2) HFC-23 압력누기감시장치의 경우 총 3차례 구조해석을 수행하였으며 1차 모델 구조해석 결과, Adaptor와 Nut 연결부위에서 Adaptor의 항복강도인 350 MPa를 초과하는 350.2 MPa의 유효응력 발생과 상부조립체의 항복응력을 초과하는 413 MPa 응력이 발생하여 소성변형이 나타났다. 또한 상부조립체 부품인 Snap ring과 Support, Check vavle간 접촉에서 불안전성으로 인해 Support가 이탈하는 현상을 해결하기 아래와 같이 조건을 달리하여 연구를 진행하였다.
가) Snap ring의 폭을 늘이고, Adaptor와 Nut의 조립부의 부품을 2개로 변경한 후 2차 모델을 재해석한 결과, 상부조립체의 소성변형과 이탈현상은 해결하였으나 Adaptor 와 Nut 연결부에서 최대 665.7 MPa의 응력이 발생하여 또 다시 소성변형이 나타났다.
그러나 가스계소화설비의 소화성능 및 유지관리에 필요한 감시제어장치가 없는 경우가 대부분이다. 가스계소화설비의 유지관리 실태를 파악한 결과 양호율이 약 68% 정도로 소화설비 중에서 가장 낮은 것으로 파악되었다⁽²⁾ . 즉, 신규 소방대상물의 증가로 가스계소화설비의 설치는 앞으로도 지속적으로 증가할 것으로 예측되고 있으나 본 시스템의 작동성능 및 신뢰성 향상을 위한 대책은 아직 미흡한 실정이라 할 수 있다.
나) 소성변형의 원인으로 Adaptor와 Nut의 연결부위에 내부 가스압력에 의한 Adaptor의 굽힘이 주요한 원인으로 판단하여 3차 해석에서는 2차 모델의 기존조건에 상단부 고정조건을 추가하여 수행하였다. 그 결과, Adaptor와 Nut의 접촉면에서 Adaptor의 항복강도 350 MPa보다 낮은 104.7 MPa의 유효응력으로 소성변형은 발생하지 않아 압력누기감시장치의 구조적인 안전성을 확인하였다.
34 MPa가 나타났다. 센서 바디의 항복강도는 125 MPa보다 낮아 소성변형이 발생하지 않는 것을 확인하였다.
이에 2차 모델 조건에 상단부 고정조건을 추가하여 실행한 3번째 구조해석은 Figure 9와 같다. 해석결과 유효응력 분포가 전체 모델에 고르게 분포하였고, 최대 유효응력은 113.4 MPa이다. 2차 해석에서 문제되었던 Adaptor와 Nut 간의 접촉면에서의 유효 응력이 104.

후속연구

본 연구에서는 압력누기감시장치의 약제의 유동상태 및 구조적인 안정성 해석하기 위하여 수치해석을 선행하여 발생하는 문제점을 파악하여 설계 값을 수정하면서 최적설계에 필요한 물성 값을 얻었다. 새로 개발한 압력누기감시장치를 현재 가스계소화설비에 적용한다면 더욱 신뢰성과 안전성이 있는 가스계소화설비가 될 것으로 판단된다.

참고문헌 (7)

Y. Choi, "Last Year, about Gas Extinguishing agent 1,420 ton Supply", Fire Prevention News (2016).
Korea Fire Protection Association, "Safety inspection result analysis", http://www.kfpa.or.kr/date/da_02_01.asp(2008-2015).
A. R. Go, "A Study on Extinguishing Agent Leakage Monitoring System for Gas System Fire Extinguishers", Gachon University (2016).
A. R. Go, S. H. Hong and B. S. Son, "A Study on the Development of a Fire Extinguishing Agent Leakage Monitoring Module and its Performance Assessment", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 30, No. 2, pp. 43-48 (2016).
http://terms.naver.com/entry.nhn?docId1264669&cid40942&categoryId32335.
http://blog.naver.com/ev10sim/60055300609.
J. R. Jo, "Effective FSI Analysis Technique for Large Size Fluid-structure Coupling System", midas NFX (2011).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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