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문제 정의
- 이러한 배경하에 본 연구에서는 케이블의 난연성능에 따른 복사열유속의 변화가 연소물성에 미치는 영향을 파악하기 위하여, 선정된 케이블을 대상으로 ISO 5660-1 기준으로 제작되어진 콘 칼로리미터를 이용하여 실험이 수행되었다. 케이블이 시료홀더에 배열될 경우 케이블의 종류에 따라서 서로 다른 곡률을 가진다.
제안 방법
- 케이블이 시료홀더에 배열될 경우 케이블의 종류에 따라서 서로 다른 곡률을 가진다. 곡률 차이로 인하여, 콘 히터에서 방출되는 복사열유속에 노출되는 케이블 표면적의 차이가 연소물성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 케이블 시스의 형상변화를 통해 확인하였다. 또한 난연성케이블에 따른 비교를 위하여, IEEE-383(7)을 통과하였으며 난연성분이 우수한 내화케이블 (TFR-8), 동편조 차폐 제어용 케이블(TFR-CVV-SB)인 난연성 케이블과 추가적으로 PVC로 구성되어 열에 취약한 염화비닐 절연케이블(VCTF)가 검토되었다.
- 를 이용하여 복사열유속 변화에 따른 케이블의 화재특성을 분석하였다. 그러나 Polyethylene (PE) 재질로 구성된 케이블 한 종류에 대한 분석이 이루어졌다. Yang 등(16)은 케이블의 재질 및 구성이 다른 8종류의 케이블에 대한 MCC 실험을 통해 화재특성 분석이 이루어 졌으며, 케이블의 성분에 따른 차이를 확인할 수 있었다.
- 다층·다성분 난연성 케이블의 화재시뮬레이션에서 요구되는 연소물성이 복사열유속에 따른 차이를 확인하기 위하여, 콘 칼로리미터를 이용하여 실험이 수행되었다. 난연성케이블인 TFR-8(내화) 및 TFR-CVV-SB(제어용난연성)케이블과 난연성케이블과의 비교를 위하여 VCTV(일반비닐절연)케이블이 검토되었다. 주요 결과는 다음과 같다.
- 다층·다성분 난연성 케이블의 화재시뮬레이션에서 요구되는 연소물성이 복사열유속에 따른 차이를 확인하기 위하여, 콘 칼로리미터를 이용하여 실험이 수행되었다. 난연성케이블인 TFR-8(내화) 및 TFR-CVV-SB(제어용난연성)케이블과 난연성케이블과의 비교를 위하여 VCTV(일반비닐절연)케이블이 검토되었다.
- 이때, 곡률에 의한 차이로 인해 콘 히터에서 방출되는 복사열에 노출되는 실제 표면적에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 케이블의 시스의 형상 변화를 통하여 케이블이 실제 복사열에 노출된 표면적의 차이에 따른 화재특성(열발생률, 질량감소율, 연소열, CO 및 Soot yield)을 확인하였다. Figure 3은 케이블의 도체, 절연체 및 테이프를 제외한 PVC 시스의 외형변화를 통해 시료홀더에 배열한 사진이 제시되었다.
- 곡률 차이로 인하여, 콘 히터에서 방출되는 복사열유속에 노출되는 케이블 표면적의 차이가 연소물성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 케이블 시스의 형상변화를 통해 확인하였다. 또한 난연성케이블에 따른 비교를 위하여, IEEE-383(7)을 통과하였으며 난연성분이 우수한 내화케이블 (TFR-8), 동편조 차폐 제어용 케이블(TFR-CVV-SB)인 난연성 케이블과 추가적으로 PVC로 구성되어 열에 취약한 염화비닐 절연케이블(VCTF)가 검토되었다. 선정된 케이블의 연소물성(CO, Soot yields, 열발생률 및 연소열)을 측정하여, 25 kW/m2 및 50 kW/m2의 복사열유속에 따른 차이를 비교․분석하였다.
- 또한 난연성케이블에 따른 비교를 위하여, IEEE-383(7)을 통과하였으며 난연성분이 우수한 내화케이블 (TFR-8), 동편조 차폐 제어용 케이블(TFR-CVV-SB)인 난연성 케이블과 추가적으로 PVC로 구성되어 열에 취약한 염화비닐 절연케이블(VCTF)가 검토되었다. 선정된 케이블의 연소물성(CO, Soot yields, 열발생률 및 연소열)을 측정하여, 25 kW/m2 및 50 kW/m2의 복사열유속에 따른 차이를 비교․분석하였다. 또한 본 연구에서 측정된 연소물성은 케이블 화재시뮬레이션을 위한 DB로 제공될 수 있을 것으로 판단된다.
- 가연물의 질량감소율은 로드셀(Load cell)을 통해 측정되었으며, 열발생률(HRR)은 산소소모법(Oxygen consumption method)(21)에 의해 측정되었다. 시편의 표면은 100 mm × 100 mm의 정사각형이며, 시편의 아랫면에는 알루미늄 호일과 단열재를 이용하여 바닥으로의 열전달을 최소화하였다. 시편의 길이는 100 mm로 동일하게 적용되었으며, 케이블의 특성에 따라서 다층·다성분으로 다양하게 구성된 TFR-8, TFR-CVV-SB 및 VCTF의 두께는 각각 12 mm, 8 mm 와 9 mm이다.
- 케이블 화재예측 및 안전성 평가를 위하여, 미국 원자력 규제 위원회(NRC)와 전력연구소(EPRI)를 중심으로 케이블 화재와 관련된 시나리오에 대한 화재모델링 적용 및 검증 지침서를 제시하였다(3,4). 또한 Niu 등(5)은 케이블 화재시뮬레이션을 통하여 케이블 터널 화재의 위험성 평가 및 화재특성을 분석하였다.
- 덕트의 흡입 유량은 24 L/s로 유지하였으며, 콘 히터와 시편 표면까지의 거리는 25 mm로 고정하였다. 표준시험기준(18)에 제시되어진 시편의 지속적인 연소에 필요한 복사열유속 조건에서 낮은 열 침투 상황과 플래시오버 상황(20)에 해당되는 25 와 50 kW/m2의 두 조건이 적용되었다. 점화방식은 전기점화장치에 의한 스파크 점화(Spark igniton)가 적용되었다.
대상 데이터
- 난연성 케이블의 복사열유속에 따른 연소물성을 측정하기 위하여, 개방형 콘 칼로리미터를 이용하였다. Figure 2는 ISO-5660-1(18) 표준 시험장치 기준에 근거하여 제작된 개방형 콘 칼로리미터를 도시한 것이다.
- 시편의 표면은 100 mm × 100 mm의 정사각형이며, 시편의 아랫면에는 알루미늄 호일과 단열재를 이용하여 바닥으로의 열전달을 최소화하였다. 시편의 길이는 100 mm로 동일하게 적용되었으며, 케이블의 특성에 따라서 다층·다성분으로 다양하게 구성된 TFR-8, TFR-CVV-SB 및 VCTF의 두께는 각각 12 mm, 8 mm 와 9 mm이다. 실험은 총 3회 이상 반복진행 되었다.
- 소방용 내화케이블인 TFR-8은 도체(Conductor), XLPE 소재의 절연체(Insulation), 개재물(Filler), 절연테이프(Mica tape) 그리고 고난연성 PVC 재질의 시스(Sheath)로 구성되어 있다. 제어용 케이블인 TFR-CVV-SB는 도체, PVC 소재의 절연체, 테이프(Binder tape), 구리 소재의 차폐(Braid) 그리고 고난연성 PVC 재질의 시스로 구성되어있다. 마지막으로 VCTF 케이블은 도체, PVC 소재의 절연체와 시스로 구성되어있으며, 선정된 케이블은 모두 1.
이론/모형
- 점화방식은 전기점화장치에 의한 스파크 점화(Spark igniton)가 적용되었다. 가연물의 질량감소율은 로드셀(Load cell)을 통해 측정되었으며, 열발생률(HRR)은 산소소모법(Oxygen consumption method)(21)에 의해 측정되었다. 시편의 표면은 100 mm × 100 mm의 정사각형이며, 시편의 아랫면에는 알루미늄 호일과 단열재를 이용하여 바닥으로의 열전달을 최소화하였다.
성능/효과
- 총 3회 이상 반복된 실험을통하여 측정된, yCO 및 ysoot의 평균값은 그림에 삽입되었다. Figure 7(a)에 난연성케이블인 TFR-8과 TFR-CVV-SB은 복사열유속이 증가함에 따라 yCO가 각각 23%, 16% 증가되었다. VCTF 케이블은 복사열유속에 따라 정량적으로 yCO의 큰 차이가 발생되지 않는다.
- 그 결과 Figures 4(b), 4(c)에 도시된 열발생률과 질량감소율은 유사한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. Shredded의 조건에서 가장 높은 열발생률이 측정되었으나, 화재지속시간이 가장 짧게 나타났다. 따라서 시간에 따른 열발생률의 면적적분을 통해 산출된 평균값 및 총 열량을 살펴보면, 케이블 시스의 형상변화에 따라 열발생률은 큰 차이가 없는 것을 확인 할 수 있다.
- ysoot의 생성특성에 요구되는 고온과 체류시간을 고려할 경우, Figure 7(b)에서 높은 복사열 유속이 낮은 복사열유속에 비해 ysoot가 높게 나타났다. TFR-8과 TFR-CVV-SB의 ysoot 는25 kW/m2의 조건보다 50 kW/m2에서 각각 48%와 36% 더 높게 측정되었다. 또한 VCTF의 ysoot는 25% 높게 나타났다.
- 0배로 높은 복사열유속에서의 연소열이 더 높은 것을 확인할 수 있다. VCTF 일반 케이블의 경우 방사되는 복사열유속에 따른 연소열의 변화는 크지 않으나, 난연성케이블의 경우 연소열의 변화가 크게 나타났다. 결과적으로 케이블의 두께 및 난연성분은 최대 열발생률에 따라 화재시뮬레이션에서 연소반응에 영향을 미치는 주요인자인 yCO, ysoot 및 연소열 등에 상당한 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- Figures 5(a)～(c)를 살펴보면, 점화 이후에 측정된 연소열, CO, CO2 및 Soot yields는 모든 조건에서 유사한 값이 나타났다. 결과적으로 동일한 재질 및 질량이 고려된 케이블 시스의 길이 변화 즉 형상의 변화로 인하여, 본 실험에 적용된 높은열유속 조건(50 kW/m2)에 노출되는 실제 표면적의 차이로초기 점화시간 및 화재 지속시간에 다소 차이가 발생된 것을 확인 할 수 있다. 그러나 점화이후에 측정되는 열발생률, 연소열 및 화학종의 생성율에는 큰 영향을 미치지 않음을 확인 할 수 있다.
- 그러나 TFR-CVV-SB 케이블의 경우 순간으로 높은 열발생률이 측정되었으며, VCTF 케이블은 200 s～600 s 동안 높은 열발생률이 유지되는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 케이블을 구성하는 물질 및 두께는 복사열유속에 따른 케이블의 점화시간, 최대 열발생률의 도달시간 및 화재지속시간에 상당한 영향을 미치게 된다.
- VCTF 일반 케이블의 경우 방사되는 복사열유속에 따른 연소열의 변화는 크지 않으나, 난연성케이블의 경우 연소열의 변화가 크게 나타났다. 결과적으로 케이블의 두께 및 난연성분은 최대 열발생률에 따라 화재시뮬레이션에서 연소반응에 영향을 미치는 주요인자인 yCO, ysoot 및 연소열 등에 상당한 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 케이블의 종류에 따른 ysoot를 살펴보면, 일반 PVC 재질로 구성되어있는 VCTF 케이블은 고난연 PVC 및 XLPE의 난연성 시스로 구성된 TFR-CVV-SB와 TFR-8 케이블에 비해 높은 ysoot를 나타내고 있다. 결론적으로 난연성케이블의 CO yield 및 Soot yield는 표면방사율에 의해 큰 영향을 받는다.
- 77 kw로 유사하게 측정되었다. 그러나 TFR-CVV-SB 케이블의 경우 순간으로 높은 열발생률이 측정되었으며, VCTF 케이블은 200 s～600 s 동안 높은 열발생률이 유지되는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 케이블을 구성하는 물질 및 두께는 복사열유속에 따른 케이블의 점화시간, 최대 열발생률의 도달시간 및 화재지속시간에 상당한 영향을 미치게 된다.
- )에서 점화가 이루어지지 않은 내화케이블을 제외하고, 복사열유속에 따라 TFR-CVV-SB 및 VCTF의 최대 열발생률은 유사하게 나타났다. 그러나 난연성분에 따라 점화발생시간 및 화재지속시간에 영향을 미치는 것이 확인되었다.
- 케이블 시스의 형상이 100 mm, 10 mm 및 Shredded로 실제 복사열에 노출되는 표면적의 차이는 초기 점화시간, 화재지속시간 및 최대 열발생률에 차이가 발생되었다. 그러나 점화가 이루어진 다음에 측정되는 연소물성에 큰 영향을 주지 않음을 확인하였다.
- 결과적으로 동일한 재질 및 질량이 고려된 케이블 시스의 길이 변화 즉 형상의 변화로 인하여, 본 실험에 적용된 높은열유속 조건(50 kW/m2)에 노출되는 실제 표면적의 차이로초기 점화시간 및 화재 지속시간에 다소 차이가 발생된 것을 확인 할 수 있다. 그러나 점화이후에 측정되는 열발생률, 연소열 및 화학종의 생성율에는 큰 영향을 미치지 않음을 확인 할 수 있다.
- 난연성케이블인 TFR-8과 TFR-CVV-SB는 복사열유속이 증가함에 따라 yCO가 각 23%, 16% 증가되었으며, VCTF 케이블은 복사열유속에 따라 정량적으로 큰 변화가 없다. 복사열유속의 증가에 따른 ysoot의 증가율은 TFR-8 > TFR-CVV-SB > VCTF 순서로 나타났다.
- 낮은 복사열유속 조건(25 kW/m2)에서 점화가 이루어지지 않은 내화케이블을 제외하고, 복사열유속에 따라 TFR-CVV-SB 및 VCTF의 최대 열발생률은 유사하게 나타났다. 그러나 난연성분에 따라 점화발생시간 및 화재지속시간에 영향을 미치는 것이 확인되었다.
- Shredded의 조건에서 가장 높은 열발생률이 측정되었으나, 화재지속시간이 가장 짧게 나타났다. 따라서 시간에 따른 열발생률의 면적적분을 통해 산출된 평균값 및 총 열량을 살펴보면, 케이블 시스의 형상변화에 따라 열발생률은 큰 차이가 없는 것을 확인 할 수 있다.
- 복사열유속의 증가에 따른 ysoot의 증가율은 TFR-8 > TFR-CVV-SB > VCTF 순서로 나타났다. 또한 TFR-8, TFR-CVV-SB 및 VCTF의 연소열은 복사열유속의 증가함에 따라 각각 4.2배, 1.3배 및 1.0배로 연소열이 증가되었다. 위 결과로부터, 복사열유속의 변화에 따른 차이는 난연성케이블의 CO 및 Soot yield와 연소열에 상당한 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
- 연소열은 상대적으로 난연성 성분이 낮은 VCTF, TFR-CVV-SB 및 TFR-8 순서로 높게 나타났다. 먼저 난연성분이 가장 높은 내화케이블(TFR-8)의 복사유속에 따른 연소열의 차이를 살펴보면, 높은 복사열유속 (50 kW/m2)에서의 연소열은 점화가 이루어지지 않은 낮은 복사열유속(25 kW/m2)에 비해 약 4.2배 높게 나타났다. 제어용 케이블(TFR-CVV-SB)과 염화비닐 절연케이블(VCTF)의 열유속에 따른 연소열 차이는 각각 1.
- 가 각 23%, 16% 증가되었으며, VCTF 케이블은 복사열유속에 따라 정량적으로 큰 변화가 없다. 복사열유속의 증가에 따른 ysoot의 증가율은 TFR-8 > TFR-CVV-SB > VCTF 순서로 나타났다. 또한 TFR-8, TFR-CVV-SB 및 VCTF의 연소열은 복사열유속의 증가함에 따라 각각 4.
- 또한 VCTF의 ysoot는 25% 높게 나타났다. 복사열유속의 증가에 따른 ysoot의 증가율은 TFR-8 > TFR-CVV-SB > VCTF 순서로 나타났으며, 일반 PVC 재질의 VCTF 보다 난연성 케이블이 복사열에 따라 더 많은 차이를 보이고 있다. 케이블의 종류에 따른 ysoot를 살펴보면, 일반 PVC 재질로 구성되어있는 VCTF 케이블은 고난연 PVC 및 XLPE의 난연성 시스로 구성된 TFR-CVV-SB와 TFR-8 케이블에 비해 높은 ysoot를 나타내고 있다.
- 케이블의 표면에 방사되는 복사열유속에 따라 연소되는 양을 비교하기 위하여 Figure 8에 나타내었다. 연소열은 상대적으로 난연성 성분이 낮은 VCTF, TFR-CVV-SB 및 TFR-8 순서로 높게 나타났다. 먼저 난연성분이 가장 높은 내화케이블(TFR-8)의 복사유속에 따른 연소열의 차이를 살펴보면, 높은 복사열유속 (50 kW/m2)에서의 연소열은 점화가 이루어지지 않은 낮은 복사열유속(25 kW/m2)에 비해 약 4.
- 0배로 연소열이 증가되었다. 위 결과로부터, 복사열유속의 변화에 따른 차이는 난연성케이블의 CO 및 Soot yield와 연소열에 상당한 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 고려할 때, 다양한 열유속이 공존하는 화재환경에서는 난연성 케이블의 연소물성의 적용에는 상당한 주의가 요구된다.
- 시스는 고난연 PVC, 절연체는 XLPE의 재질로 구성되어있는 TFR-8 케이블은 복사열유속 25 kW/m2의 조건에서 열분해 반응은 이루어 졌으나, 점화는 발생되지 않았다. 전기불꽃장치를 이용하여 복사열유속의 공급과 동시에 스파크를 적용함에도 불구하고, TFR-8케이블은 높은 열유속 조건인 50 kW/m2가 공급된 시간(t = 0 s) 이후로 약 600 s에 점화가 발생되는 것을 확인할 수 있다. Figure 6(b)의 제어용 케이블의 복사열유속에 따른 최대 열발생률을 살펴보면, 낮은 열유속조건(25 kW/m2)과 높은 열유속조건(50 kW/m2)에서 최대 열발생률에 도달시간은 각각 754 s 와 337 s로 측정되었다.
- 2배 높게 나타났다. 제어용 케이블(TFR-CVV-SB)과 염화비닐 절연케이블(VCTF)의 열유속에 따른 연소열 차이는 각각 1.3배 및 1.0배로 높은 복사열유속에서의 연소열이 더 높은 것을 확인할 수 있다. VCTF 일반 케이블의 경우 방사되는 복사열유속에 따른 연소열의 변화는 크지 않으나, 난연성케이블의 경우 연소열의 변화가 크게 나타났다.
- Figure 6(b)의 제어용 케이블의 복사열유속에 따른 최대 열발생률을 살펴보면, 낮은 열유속조건(25 kW/m2)과 높은 열유속조건(50 kW/m2)에서 최대 열발생률에 도달시간은 각각 754 s 와 337 s로 측정되었다. 즉, 콘 히터에서 방출되는 복사열 유속의 증가에 함에 따라 최대 열발생률의 도달시간이 단축되는 것으로 확인되었다. Figure 6(b)와 Figure 6(c)의 25 kW/m2 조건에서 난연성제어케이블(TFR-CVV-SB)과 염화비닐 절연케이블(VCTF)의점화시간은 각각 109 s와 90 s로 큰 차이를 보이지 않지만, 최대 열발생률에 도달하는 시간은 각각 754 s 와 120 s로큰 차이를 나타낸다.
- Figure 4(a)의 시스 외형변화에 대한 시간에 따른 열발생률을 살펴보면, 복사열에 가장 넒은 면적으로 노출되어있는 Shredded 모양의 시스가 먼저 점화되었다. 최대 열발생률은 2.39 kW에 도달하였으며, 다른 조건들에 비해 가장 높은 열발생률이 측정되었다. 시스의 길이가 100 mm와 10 mm로 변화된 조건의 점화시간 및 화재지속시간은 유사한 것을 확인 할 수 있다.
후속연구
- 선정된 케이블의 연소물성(CO, Soot yields, 열발생률 및 연소열)을 측정하여, 25 kW/m2 및 50 kW/m2의 복사열유속에 따른 차이를 비교․분석하였다. 또한 본 연구에서 측정된 연소물성은 케이블 화재시뮬레이션을 위한 DB로 제공될 수 있을 것으로 판단된다.
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