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문제 정의
- 본 논문은 저자들이 수행한 기존 연구논문(Park et al., 2018) 의 후속 연구로서 앞서 저자들이 수행하였던 A60급 구획에 적용될 수 있는 BPP의 설계와 과도 열전달 수치해석의 결과를 검증하기 위해 MSC에서 규정하고 있는 A60급 방화성능 검증에 대한 화재시험절차와 동일하게 시편의 제작, 온도조건 및 가열 시간 설정, 온도측정 및 분석방법을 준수하여 방화시험 연구를 수행하였다. 방화시험에 적용된 BPP는 앞서 저자들의 수치해석 연구에서 가장 경제성이 우수한 것으로 검토된 200mm 길이의 BPP를 대상으로 하였다.
- 또한 단열재의 종류에 따른 방화성능을 검토하기 위해 분무식 단열재(Spray type insulation)와 부착식 단열재(Mechanical fastener type insulation)를 각각 적용하여 방화시험을 수행하였다. 본 시험연구를 통해 A60급 BPP의 열전달 수치해석의 검증과 더불어 실질적으로 선박 및 해양플랜트에 적용 가능한 BPP와 단열재의 설계 사양을 검토하였다.
- 본 연구에서는 앞서 저자들이 수행하였던 A60급 구획에 적용될 수 있는 BPP의 설계와 과도 열전달 수치해석의 결과를 검증 하기 위해 MSC에서 규정하고 있는 A60급 방화성능 검증에 대한 화재시험절차와 동일하게 시편제작, 온도조건 및 가열시간 설정, 온도측정 및 분석방법을 준수하여 방화시험을 수행하였다. 방화시험에 적용된 BPP의 설계사양은 앞서의 수치해석 연구에서 가장 경제성이 우수한 것으로 검토된 길이 200mm를 기준으로 설정 하였다.
제안 방법
- A60급 BPP용 단열재의 종류에 따른 방화성능을 검토하기 위해 부착식 단열재를 추가로 적용하여 방화시험 시편을 설계 및 제작하였다. 부착식 단열재는 선박 및 해양플랜트의 방화용 단열재로 주로 적용되고 있는 W-212-II Hi Wool을 고려하였다.
- 방화시험에 적용된 BPP의 설계사양은 앞서의 수치해석 연구에서 가장 경제성이 우수한 것으로 검토된 길이 200mm를 기준으로 설정 하였다. BPP 재질에 따른 수치해석 결과의 타당성을 검증하기 위해 수치해석 연구와 동일하게 Brass, S45C, SUS316L의 재질로 각각 BPP를 제작하여 방화시험을 수행하였다. 방화시험 결과로부터 Brass 재질인 경우 화염노출부에서 융해가 발생하여 BPP의 사양으로 적합하지 않음을 검증하였고, S45C 재질인 경우 과도한 열변형이 발생하였으며 과도 열전달 수치해석에서 예측한 바와 같이 모두 규정 온도를 만족하지 못한 것으로 나타났다.
- BPP의 재질별 시편은 과도 열전달 수치해석의 결과(Park et al., 2018)를 방화시험을 통해 검증하기 위해 동일한 설계사양으로 제작 하였다. 열전달 수치해석 연구와 동일하게 가장 경제성이 우수한 것으로 검토된 길이 200mm의 BPP를 대상으로 하여 직경 ø8 의 튜브 및 직경 ø18의 소켓, 직경 ø12 튜브 및 직경 ø25의 소켓의 조립체로 구성된 BPP를 사용 용도에 따라 튜브가 소켓 내부에서 단절된 절단형(Cutting type)과 튜브가 소켓 내부를 연속적으로 통과하는 관통형(Passing type)의 설계사양을 고려하고, Brass, S45C, SUS316의 3가지 재질을 반영하여 총 10개의 BPP를 제작하였다.
- Fig. 7에 나타낸 바와 같이 SSC의 보강재 위치에 분무된 단열재의 높이로 인해 튜브에만 온도센서를 부착할 수 있는 경우인 2번, 4번, 7번, 9번 BPP는 2개의 온도센서를 튜브에 부착하였고, 이 외에 단열재 높이에 영향을 받지 않아 온도센서 부착에 제한이 없는 경우인 1번, 3번, 5번, 6번, 8번, 10번 BPP는 소켓에 2개, 튜브에 2개로써 총 4개의 온도센서를 부착하였다. MSC.
- 7에 나타낸 바와 같이 SSC의 보강재 위치에 분무된 단열재의 높이로 인해 튜브에만 온도센서를 부착할 수 있는 경우인 2번, 4번, 7번, 9번 BPP는 2개의 온도센서를 튜브에 부착하였고, 이 외에 단열재 높이에 영향을 받지 않아 온도센서 부착에 제한이 없는 경우인 1번, 3번, 5번, 6번, 8번, 10번 BPP는 소켓에 2개, 튜브에 2개로써 총 4개의 온도센서를 부착하였다. MSC.307(88)에 규정된 시험절차에 따라 60분간 방화시험을 수행하면서 화염 비노출면에서 BPP의 온도를 측정하였고, 앞서 저자들이 수행하였던(Park et al., 2018) 과도 열전달 수치해석 결과를 검증하기 위해 BPP 상의 온도센서 부착 위치 별 온도결과를 비교하여 Table 2에 나타내었다. 저자들이 수행하였던 기존 연구논문(Park et al.
- 12 우측에 나타낸 부착식 단열재는 미네랄 울 (Mineral wool)을 판(Plate)형태로 제작하여 필요한 길이만큼 절단하고 이를 핀으로 고정시키는 형태로써 단열재 고정용 핀을 격벽에 미리 용접해야 하는 준비과정이 필요하고, BPP의 조립부에서 완전한 밀착을 보장하기 어려운 것으로 나타났다. Table 4에는 MSC.307(88)에 규정된 시험절차에 따라 60분간 방화시험을 수행하면서 부착식 단열재가 적용된 A60급 BPP의 화염 비노출면에서 온도를 측정하였고, 분무식 단열재의 결과와 비교하였다.
- 열전달 수치해석 연구와 동일하게 가장 경제성이 우수한 것으로 검토된 길이 200mm의 BPP를 대상으로 하여 직경 ø8 의 튜브 및 직경 ø18의 소켓, 직경 ø12 튜브 및 직경 ø25의 소켓의 조립체로 구성된 BPP를 사용 용도에 따라 튜브가 소켓 내부에서 단절된 절단형(Cutting type)과 튜브가 소켓 내부를 연속적으로 통과하는 관통형(Passing type)의 설계사양을 고려하고, Brass, S45C, SUS316의 3가지 재질을 반영하여 총 10개의 BPP를 제작하였다. 강재로 구성된 SSC에 제작된 BPP를 조립한 후 분무식 단열재를 적용하여 방화시험용 SCC 조립체를 제작하였다. 분무식 단열재로 구성된 방화시험용 SCC 조립체와 BPP의 설계사양 조합은 Fig.
- 수치해석 결과의 타당성을 검증하기 위해 BPP는 수치해석 연구와 동일하게 황동(Brass), 기계구조용 탄소강(S45C), 오스테나이트계 스테인레스 강(SUS316)의 재질로 각각 제작하여 방화시험을 수행하였다. 또한 단열재의 종류에 따른 방화성능을 검토하기 위해 분무식 단열재(Spray type insulation)와 부착식 단열재(Mechanical fastener type insulation)를 각각 적용하여 방화시험을 수행하였다. 본 시험연구를 통해 A60급 BPP의 열전달 수치해석의 검증과 더불어 실질적으로 선박 및 해양플랜트에 적용 가능한 BPP와 단열재의 설계 사양을 검토하였다.
- 1에 나타낸 바와 같이 단열재가 화염이 가해지는 면의 반대쪽 면에 도포되는 격벽용 SSC의(B 측정위치) 경우 평균 및 최고 온도의 측정 목적과 단열재의 도포 방법에 따라 규정대로 부착되어야 하며, 시험시간 동안 1분 간격으로 온도가 측정되어야 한다. 본 연구에서는 동일한 사양의 온도측정센서를 MSC FTP code에서 규정하는 온도 측정 위치에 부착하여 SSC의 방화시험 조건을 구성하였다.
- 본 연구에서는 수치해석 연구와 동일하게 A60급 BPP의 재질을 Brass, S45C, SUS316로 각각 적용하고, 단열재의 종류에 따른 방화성능을 검토하기 위해 분무식 및 부착식 단열재로 각각 적용한 SSC를 설계 및 제작하였다. 제작이 완료된 SSC를 KOLAS 공인시험기관에서 화염로에 수직으로 설치 및 A60급 BPP의 방화성능 시험을 수행하고 MSC FTP code의 온도 규정 만족여부를 검토하였으며, 기존 저자들이 수행한 연구논문(Park et al.
- 부착식 단열재는 선박 및 해양플랜트의 방화용 단열재로 주로 적용되고 있는 W-212-II Hi Wool을 고려하였다. 부착식 단열재 적용 BPP의 방화시험에서는 앞서의 분무식 단열재 적용 BPP의 방화시험에서 Brass 재질 BPP가 융해되었기 때문에 Brass 재질 BPP를 제외하고 시편을 설계 및 제작하였다. 부착식 단열재가 적용된 방화시험용 SCC 조립체의 설계사양은 Fig.
- 부착식 단열재를 적용한 경우의 방화시험을 수행하기 전에 분무식 단열재와의 시공 상 특성을 비교하기 위해 Fig. 12와 같이 BPP 조립위치에서 상세 형상을 관측하였다.
- 방화시험에 적용된 BPP는 앞서 저자들의 수치해석 연구에서 가장 경제성이 우수한 것으로 검토된 200mm 길이의 BPP를 대상으로 하였다. 수치해석 결과의 타당성을 검증하기 위해 BPP는 수치해석 연구와 동일하게 황동(Brass), 기계구조용 탄소강(S45C), 오스테나이트계 스테인레스 강(SUS316)의 재질로 각각 제작하여 방화시험을 수행하였다. 또한 단열재의 종류에 따른 방화성능을 검토하기 위해 분무식 단열재(Spray type insulation)와 부착식 단열재(Mechanical fastener type insulation)를 각각 적용하여 방화시험을 수행하였다.
- 열전달 수치해석 연구와 동일하게 가장 경제성이 우수한 것으로 검토된 길이 200mm의 BPP를 대상으로 하여 직경 ø8 의 튜브 및 직경 ø18의 소켓, 직경 ø12 튜브 및 직경 ø25의 소켓의 조립체로 구성된 BPP를 사용 용도에 따라 튜브가 소켓 내부에서 단절된 절단형(Cutting type)과 튜브가 소켓 내부를 연속적으로 통과하는 관통형(Passing type)의 설계사양을 고려하고, Brass, S45C, SUS316의 3가지 재질을 반영하여 총 10개의 BPP를 제작하였다.
- 본 연구에서는 수치해석 연구와 동일하게 A60급 BPP의 재질을 Brass, S45C, SUS316로 각각 적용하고, 단열재의 종류에 따른 방화성능을 검토하기 위해 분무식 및 부착식 단열재로 각각 적용한 SSC를 설계 및 제작하였다. 제작이 완료된 SSC를 KOLAS 공인시험기관에서 화염로에 수직으로 설치 및 A60급 BPP의 방화성능 시험을 수행하고 MSC FTP code의 온도 규정 만족여부를 검토하였으며, 기존 저자들이 수행한 연구논문(Park et al., 2018)의 과도열전달수치해석 온도분포 결과와 비교 검토 하였다. 본 논문에서 수행된 일련의 A60급 BPP의 방화성능 시험 과정은 Fig.
대상 데이터
- , 2018) 의 후속 연구로서 앞서 저자들이 수행하였던 A60급 구획에 적용될 수 있는 BPP의 설계와 과도 열전달 수치해석의 결과를 검증하기 위해 MSC에서 규정하고 있는 A60급 방화성능 검증에 대한 화재시험절차와 동일하게 시편의 제작, 온도조건 및 가열 시간 설정, 온도측정 및 분석방법을 준수하여 방화시험 연구를 수행하였다. 방화시험에 적용된 BPP는 앞서 저자들의 수치해석 연구에서 가장 경제성이 우수한 것으로 검토된 200mm 길이의 BPP를 대상으로 하였다. 수치해석 결과의 타당성을 검증하기 위해 BPP는 수치해석 연구와 동일하게 황동(Brass), 기계구조용 탄소강(S45C), 오스테나이트계 스테인레스 강(SUS316)의 재질로 각각 제작하여 방화시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 앞서 저자들이 수행하였던 A60급 구획에 적용될 수 있는 BPP의 설계와 과도 열전달 수치해석의 결과를 검증 하기 위해 MSC에서 규정하고 있는 A60급 방화성능 검증에 대한 화재시험절차와 동일하게 시편제작, 온도조건 및 가열시간 설정, 온도측정 및 분석방법을 준수하여 방화시험을 수행하였다. 방화시험에 적용된 BPP의 설계사양은 앞서의 수치해석 연구에서 가장 경제성이 우수한 것으로 검토된 길이 200mm를 기준으로 설정 하였다. BPP 재질에 따른 수치해석 결과의 타당성을 검증하기 위해 수치해석 연구와 동일하게 Brass, S45C, SUS316L의 재질로 각각 BPP를 제작하여 방화시험을 수행하였다.
- A60급 BPP용 단열재의 종류에 따른 방화성능을 검토하기 위해 부착식 단열재를 추가로 적용하여 방화시험 시편을 설계 및 제작하였다. 부착식 단열재는 선박 및 해양플랜트의 방화용 단열재로 주로 적용되고 있는 W-212-II Hi Wool을 고려하였다. 부착식 단열재 적용 BPP의 방화시험에서는 앞서의 분무식 단열재 적용 BPP의 방화시험에서 Brass 재질 BPP가 융해되었기 때문에 Brass 재질 BPP를 제외하고 시편을 설계 및 제작하였다.
성능/효과
- 단열재의 종류에 따른 방화시험 결과로부터 부착식 단열재가 적용된 경우 SUS316L 재질의 튜브 사이즈 ø12이며 절단형인 6번 BPP만 규정 온도를 만족하였고, 이외의 설계사양은 모두 규정을 만족하지 못하는 것으로 나타 났다. A60급 BPP와 같은 형상에 분무식 단열재를 적용할 경우 부착식 단열재에 비해 BPP의 형상에 따른 제약조건이 발생하지 않는 것으로 판단되었다. 분무식 단열재의 시공성이 평균적으로 우수하고, BPP의 방화시험에서 최종 온도분포를 비교하였을때 분무식 단열재를 시공한 BPP의 전체적인 온도가 현저히 낮게 나타나는 것으로 보아 실질적으로 선박 및 해양플랜트의 A60급 BPP에는 분무식 단열재를 적용 하는 것이 타당하다고 판단되었다.
- 2% 미만으로 나타났으며, Brass 재질인 경우에 상대적으로 오차가 높은 것으로 나타났다. Brass 재질인 경우 과도열전달 수치해석 결과에서 절단형으로 설계된 2번 BPP는 규정 온도인 180℃ 이하를 만족하고 관통형으로 설계된 7번 BPP는 규정 온도를 만족하지 못할 것으로 예측 하였으나, 방화시험에서 모든 형태의 BPP에서 규정 온도를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. Brass 재질의 BPP에서 이와 같은 해석과 시험의 오차가 발생한 원인은 Fig.
- 9에 나타난 것처럼 방화시험 후 화염노출면에서 Brass 재질의 BPP가 융해되는 현상이 발생하였기 때문으로 사료된다. S45C 재질 BPP의 경우 과도 열전달 수치해석 결과와 동일하게 모두 경우에서 규정 온도를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. SUS316L 재질 BPP의 경우 방화시험 결과에서 1번, 4번, 6번, 9번 BPP 중 6-1(Socket) 측정위치에서의 규정 온도인 180℃를 초과하는 것으로 나타났으며, 이러한 오차는 수치해석 상에서의 BPP와 단열재의 연결 형태와 방화시험에서의 실제 연결 형태의 차이에 기인한 것으로 파악되어진다.
- Table 2에 나타나 있는 바와 같이 방화시험 결과를 기준으로 과도열전달 수치해석의 온도결과 오차는 전체 측정위치에서 17.2% 미만으로 나타났으며, Brass 재질인 경우에 상대적으로 오차가 높은 것으로 나타났다. Brass 재질인 경우 과도열전달 수치해석 결과에서 절단형으로 설계된 2번 BPP는 규정 온도인 180℃ 이하를 만족하고 관통형으로 설계된 7번 BPP는 규정 온도를 만족하지 못할 것으로 예측 하였으나, 방화시험에서 모든 형태의 BPP에서 규정 온도를 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
- 방화시험 결과로부터 Brass 재질인 경우 화염노출부에서 융해가 발생하여 BPP의 사양으로 적합하지 않음을 검증하였고, S45C 재질인 경우 과도한 열변형이 발생하였으며 과도 열전달 수치해석에서 예측한 바와 같이 모두 규정 온도를 만족하지 못한 것으로 나타났다. 과도 열전달 수치해석에서 가장 합리적인 A60 BPP 설계 사양으로 판단되었던 SUS316L 재질인 경우 외관상 변형이 거의 발생하지 않았으며, BPP 6번의 1개의 측정부를 제외하고 모두 규정온도를 만족하는 것으로 나타났다. 재질별 BPP에 대한 전체적인 방화시험 온도 측정결과를 과도 열전달 해석결과와 비교해보면 오차율이 크지 않았고, 방화시험에 소요되는 비용과 시간을 고려하면 사전에 과도 열전달 수치해석을 통해 A60급 BPP의 설계 사양을 결정하는 것은 합리적인 접근 방법이라 할 수 있다.
- 단열재의 종류에 따른 방화시험 결과로부터 부착식 단열재가 적용된 경우 SUS316L 재질의 튜브 사이즈 ø12이며 절단형인 6번 BPP만 규정 온도를 만족하였고, 이외의 설계사양은 모두 규정을 만족하지 못하는 것으로 나타 났다.
- BPP 재질에 따른 수치해석 결과의 타당성을 검증하기 위해 수치해석 연구와 동일하게 Brass, S45C, SUS316L의 재질로 각각 BPP를 제작하여 방화시험을 수행하였다. 방화시험 결과로부터 Brass 재질인 경우 화염노출부에서 융해가 발생하여 BPP의 사양으로 적합하지 않음을 검증하였고, S45C 재질인 경우 과도한 열변형이 발생하였으며 과도 열전달 수치해석에서 예측한 바와 같이 모두 규정 온도를 만족하지 못한 것으로 나타났다. 과도 열전달 수치해석에서 가장 합리적인 A60 BPP 설계 사양으로 판단되었던 SUS316L 재질인 경우 외관상 변형이 거의 발생하지 않았으며, BPP 6번의 1개의 측정부를 제외하고 모두 규정온도를 만족하는 것으로 나타났다.
- A60급 BPP와 같은 형상에 분무식 단열재를 적용할 경우 부착식 단열재에 비해 BPP의 형상에 따른 제약조건이 발생하지 않는 것으로 판단되었다. 분무식 단열재의 시공성이 평균적으로 우수하고, BPP의 방화시험에서 최종 온도분포를 비교하였을때 분무식 단열재를 시공한 BPP의 전체적인 온도가 현저히 낮게 나타나는 것으로 보아 실질적으로 선박 및 해양플랜트의 A60급 BPP에는 분무식 단열재를 적용 하는 것이 타당하다고 판단되었다. 저자들은 추후 부착식 단열재의 형상 제약사항을 개선할 수 있는 설계방안의 연구를 수행할 예정이다.
- A60급 BPP와같은 형상에 분무식 단열재를 적용할 경우 부착식 단열재에 비해 BPP의 형상에 따른 제약조건이 발생하지 않는 것으로 판단 된다. 분무식 단열재의 시공성이 평균적으로 우수하고, BPP의방화시험에서 최종 온도분포를 비교하였을 때 분무식 단열재를 시공한 BPP의 전체적인 온도가 현저히 낮게 나타나는 것으로 보아 실질적으로 선박 및 해양플랜트의 A60급 BPP에는 분무식 단열재를 적용하는 것이 타당하다고 판단된다.
- 과도 열전달 수치해석에서 가장 합리적인 A60 BPP 설계 사양으로 판단되었던 SUS316L 재질인 경우 외관상 변형이 거의 발생하지 않았으며, BPP 6번의 1개의 측정부를 제외하고 모두 규정온도를 만족하는 것으로 나타났다. 재질별 BPP에 대한 전체적인 방화시험 온도 측정결과를 과도 열전달 해석결과와 비교해보면 오차율이 크지 않았고, 방화시험에 소요되는 비용과 시간을 고려하면 사전에 과도 열전달 수치해석을 통해 A60급 BPP의 설계 사양을 결정하는 것은 합리적인 접근 방법이라 할 수 있다. 단열재의 종류에 따른 방화시험 결과로부터 부착식 단열재가 적용된 경우 SUS316L 재질의 튜브 사이즈 ø12이며 절단형인 6번 BPP만 규정 온도를 만족하였고, 이외의 설계사양은 모두 규정을 만족하지 못하는 것으로 나타 났다.
- Table 4에 나타난 것처럼 부착식 단열재가 적용된 A60급 BPP의 규정 온도 만족 여부를 살펴보면 SUS316L 재질의 튜브사이즈 ø12이며 절단형인 6번 BPP만 규정 온도를 만족하는 것으로 나타났다. 전체적으로 60분 후 최종 측정 온도를 비교해 보면 부착식 단열재가 적용된 BPP에서 최소 약 2배에서 최대 약 7배의 온도 편차가 관측되었다. 이러한 원인은 Fig.
- 9에 나타난 바와 같이 Brass 재질인 2번, 7번 BPP에서 융해가 일어남으로 인해 Brass 재질의 온도 특성(MatWeb, 2019) 상 BPP의 소재로 적합하지 않은 것으로 나타났으며, S45C 재질인 3번, 5번, 8번, 10번 BPP에서 방화시험 후에 변형이 발생한 것을 알 수 있다. 한편 과도 열전달 수치해석 연구에서 가장 합리적인 A60 BPP의 설계 사양으로 판단했던 SUS316L 재질인 1번, 4번, 6번, 9번 BPP는 방화시험 전후의 형상이 거의 동일하게 유지되는 것으로 나타났다.
후속연구
- 분무식 단열재의 시공성이 평균적으로 우수하고, BPP의 방화시험에서 최종 온도분포를 비교하였을때 분무식 단열재를 시공한 BPP의 전체적인 온도가 현저히 낮게 나타나는 것으로 보아 실질적으로 선박 및 해양플랜트의 A60급 BPP에는 분무식 단열재를 적용 하는 것이 타당하다고 판단되었다. 저자들은 추후 부착식 단열재의 형상 제약사항을 개선할 수 있는 설계방안의 연구를 수행할 예정이다.
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