배관용 보온재의 난연 성능 시험방법에 따른 최대 발열량 분석 Analysis of the Maximum Heat Release Rate in Accordance with the Test Method of the Flame Retardant Performance for Pipe Insulation원문보기
본 연구에서는 보온재의 설치 상태를 고려한 ISO 20632와 NFPA 274 시험 기준에 따른 발열량 산출 결과를 분석하였다. 이를 위해서 보온재 총 6종(은박 발포폴리에틸렌(PE(S)), 무은박 발포폴리에틸렌폼(PE(N)), 고무발포(Rubber), 일본-폴리에틸렌폼(PE(J)), 일본-폴리우레탄폼(PU(J)) 그리고 일본-스티로폼(ST(J)))에 대해서 EN 13501-1과 화재성장곡선에 따른 난연 등급을 구분하였다. 그 결과 PU(J), PE(J) 그리고 PE(N)는 Class E 및 Ultra-fast, NFPA 274 시험기준에 의한 PE(S)는 Class D 및 Fast, ISO 20632에 의한 PE(S)는 Class C 및 Slow, 그리고 Rubber와 ST(J)는 Class B 및 Slow로 나타났다. 하지만, 난연 등급 평가 기준인 최대 발열량에 대한 시간평균 기울기는 시험 방법에 따라서 동일 보온재에 대하여 다르게 나타났으며, 보다 정확한 원인을 분석하기 위한 기초 연구가 필요한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 보온재의 설치 상태를 고려한 ISO 20632와 NFPA 274 시험 기준에 따른 발열량 산출 결과를 분석하였다. 이를 위해서 보온재 총 6종(은박 발포폴리에틸렌(PE(S)), 무은박 발포폴리에틸렌폼(PE(N)), 고무발포(Rubber), 일본-폴리에틸렌폼(PE(J)), 일본-폴리우레탄폼(PU(J)) 그리고 일본-스티로폼(ST(J)))에 대해서 EN 13501-1과 화재성장곡선에 따른 난연 등급을 구분하였다. 그 결과 PU(J), PE(J) 그리고 PE(N)는 Class E 및 Ultra-fast, NFPA 274 시험기준에 의한 PE(S)는 Class D 및 Fast, ISO 20632에 의한 PE(S)는 Class C 및 Slow, 그리고 Rubber와 ST(J)는 Class B 및 Slow로 나타났다. 하지만, 난연 등급 평가 기준인 최대 발열량에 대한 시간평균 기울기는 시험 방법에 따라서 동일 보온재에 대하여 다르게 나타났으며, 보다 정확한 원인을 분석하기 위한 기초 연구가 필요한 것으로 판단된다.
In this study, the heat release rate of pipe insulation is analyzed by considering the installation status in accordance with the standards ISO 20632 and NFPA 274. The flame retardation rate was evaluated for six types of test samples: polyethylene foam covered with beaten silver (PE(S)), PE foam ta...
In this study, the heat release rate of pipe insulation is analyzed by considering the installation status in accordance with the standards ISO 20632 and NFPA 274. The flame retardation rate was evaluated for six types of test samples: polyethylene foam covered with beaten silver (PE(S)), PE foam tapped (PE(N)), elastomeric closed cell thermal insulation (rubber), Japanese PE foam (PE(J)), Japanese polyurethane foam (PU(J)), and Japanese styro form (ST(J)) by EN 13501-1 and fire growth curve. The results show that PU(J), PE(J), and PE(N) were Class E and ultra-fast, NFPA 274 test standards for Class D and Fast, and PE(S) by ISO 20632 were Class C and Slow, and Rubber and ST(J) were Classes and Low. However, the changes in the time-averaged maximum heat release rate for each test standard (ISO 20632 and NFPA 274) to evaluate the flame retardation rate differed among identical materials. This means that the fundamental study is necessary to analyze the more accurate reasons.
In this study, the heat release rate of pipe insulation is analyzed by considering the installation status in accordance with the standards ISO 20632 and NFPA 274. The flame retardation rate was evaluated for six types of test samples: polyethylene foam covered with beaten silver (PE(S)), PE foam tapped (PE(N)), elastomeric closed cell thermal insulation (rubber), Japanese PE foam (PE(J)), Japanese polyurethane foam (PU(J)), and Japanese styro form (ST(J)) by EN 13501-1 and fire growth curve. The results show that PU(J), PE(J), and PE(N) were Class E and ultra-fast, NFPA 274 test standards for Class D and Fast, and PE(S) by ISO 20632 were Class C and Slow, and Rubber and ST(J) were Classes and Low. However, the changes in the time-averaged maximum heat release rate for each test standard (ISO 20632 and NFPA 274) to evaluate the flame retardation rate differed among identical materials. This means that the fundamental study is necessary to analyze the more accurate reasons.
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문제 정의
난연 성능의 평가 방법은 ISO 20632의 경우 Fire Growth Rate (FIGRA)와 Smoke Growth Rate (SMOGRA)를 측정하여 EN 13501-1 기준에 따라서 난연 등급을 평가하고 있으며, NFPA 274는 최대 및 총괄 발열량과 연기발생량을 산출하여 난연성 유무를 판단한다. 본 연구에서는 각각의 시험기준에 따라서 식 (1)의 산소소모지수법(Oxygen consumption method)에 의해서 산출한 발열량에 대해서 난연 성능을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 보온재의 설치 상태를 고려한 난연 성능 시험 및 평가 방법의 차이점을 분석하기 위해서 ISO 20632와 NFPA 274 시험 기준에 따른 발열량 산출 결과를 분석하였다. 이를 위해서 국내 제품인 고무발포(Rubber), 발포폴리에틸렌-은박(PE Silver) 그리고 발포폴리에틸렌-무은박(PE None)와 일본에서 생산되고 있는 스티로폼(Styrofoam(J)), 폴리에틸렌폼(PE(J)), 폴리우레탄폼(PU(J)) 보온재 총 6종에 대해서 각각의 시험 기준에 따른 최대 발열량과 시간을 산출하였으며, 다음과 같은 결과를 도출하였다.
Table 3은 Figure 3의 최대발열량 값과 최대값에 도달하는 시간을 정리하여 나타낸 결과로 NFPA 274의 발열량 평가 방법(< 300 kW)을 적용할 경우 Rubber와 ST (Japan) 만이 조건을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 하지만, NFPA 274의 평가 방법은 점화조건, 가연물의 체적 및 시험체의 크기가 ISO 20632 시험 방법과 상이하므로 동일한 평가 방법을 적용할 수 없으며, 본 연구에서는 최대발열량과 최대 발열량에 도달하는 시간의 기울기(Slop = Qmax/tmax, kW/s)를 적용하고 있는 EN 13501-1의 평가 방법과 화재성장곡선에 의해서 난연 성능을 분석하고자 한다.
제안 방법
Figure 2의 (a)는 본 연구에서 사용한 보온재로 국내 제품인 고무발포(Rubber), 발포폴리에틸렌-은박(PE Silver) 그리고 발포폴리에틸렌-무은박(PE None)와 일본에서 생산되고 있는 스티로폼(ST (Japan)), 폴리에틸렌폼(PE (Japan)), 폴리우레탄폼(PU (Japan)) 보온재 총 6종의 제품사진을 보여주고 있다. 각각의 보온재에 대해서 총 3회의 시험을 실시하여 오차범위 5% 이내인 것을 확인하였으며, 일본의 보온재 3종에 대해서는 NFPA 274시험 수행하였고 국내 제품인 은박으로 둘러쌓인 발포폴리에틸렌 보온재(PE Silver, PE None) 3종에 대해서는 ISO 20632와 NFPA 274 시험을 수행하였으며, 이 중 발포폴리에틸렌 보온재-은박의 실험 전 후 사진을 Figure 2. (b)와 (c)에 나타내었다.
본 연구에서는 보온재 총 6종(국내 생산 제품인 고무발포, 발포폴리에틸렌-은박, 발포폴리에틸렌-무은박 그리고 일본 생산 제품인 스티로폼, 폴리에틸렌폼, 폴리우레탄폼) 보온재에 대해서 실 규모에 해당하는 ISO 20632와 실험실 규모에 해당하는 NFPA 274의 시험기준에 따라서 산출한 발열량을 비교하여 기초 실험 자료를 구축하였으며, 난연 등급에 대한 동일한 평가방안을 적용하였을 때 나타날 수 있는 문제점을 분석하였다.
본 연구에서는 보온재의 설치 상태를 고려한 난연 성능 시험 및 평가 방법의 차이점을 분석하기 위해서 ISO 20632와 NFPA 274 시험 기준에 따른 발열량 산출 결과를 분석하였다. 이를 위해서 국내 제품인 고무발포(Rubber), 발포폴리에틸렌-은박(PE Silver) 그리고 발포폴리에틸렌-무은박(PE None)와 일본에서 생산되고 있는 스티로폼(Styrofoam(J)), 폴리에틸렌폼(PE(J)), 폴리우레탄폼(PU(J)) 보온재 총 6종에 대해서 각각의 시험 기준에 따른 최대 발열량과 시간을 산출하였으며, 다음과 같은 결과를 도출하였다.
대상 데이터
Figure 2의 (a)는 본 연구에서 사용한 보온재로 국내 제품인 고무발포(Rubber), 발포폴리에틸렌-은박(PE Silver) 그리고 발포폴리에틸렌-무은박(PE None)와 일본에서 생산되고 있는 스티로폼(ST (Japan)), 폴리에틸렌폼(PE (Japan)), 폴리우레탄폼(PU (Japan)) 보온재 총 6종의 제품사진을 보여주고 있다. 각각의 보온재에 대해서 총 3회의 시험을 실시하여 오차범위 5% 이내인 것을 확인하였으며, 일본의 보온재 3종에 대해서는 NFPA 274시험 수행하였고 국내 제품인 은박으로 둘러쌓인 발포폴리에틸렌 보온재(PE Silver, PE None) 3종에 대해서는 ISO 20632와 NFPA 274 시험을 수행하였으며, 이 중 발포폴리에틸렌 보온재-은박의 실험 전 후 사진을 Figure 2.
여기서 #, ∆HC, # , Φ, X°, α 그리고 MW은 각각 발열량(kW), 연소열(kJ/kg), 배기질량유량(kg/s), 산소소모계수, 초기상태몰분율, 화학적팽창계수 그리고 분자량을 나타내며, 본 연구에서는 식 (2)의 이론 발열량을 Mass flow controller (MFC)에 산출한 값과 식(1)의 결과를 비교하여 약 ± 2.63% 이내의 정밀도를 갖는 콘 칼로리미터 실험 장치를 사용하였다.
성능/효과
(d)는 고무발포보온재(Rub)와 은박/무은박(매직 테이프) 발포폴리에틸렌 폼 보온재(PE Silver/ PE None) 그리고 일본에서 사용하고 있는 폴리에틸렌폼(PE (Japan)), 폴리우레탄폼(PU (Japan)) 그리고 스티로폼(ST (Japan)) 보온재를 NFPA274 시험 기준에 따라서 산출한 발열량 측정 결과를 보여주고 있다. ISO 20632 시험 결과 최대 발열량의 평균 크기는 2,000 kW (PE None), 875 kW (PE Silver) 그리고 498 kW (Rubber)이고, NFPA 274 시험 결과 최대 발열량의 평균 크기는 PE (Japan) 651 kW, PE None 575 kW, PE (Japan) 525 kW, PE Silver 479 kW, ST (Japan) 256 kW 그리고 Rubber 179 kW 순으로 나타났다. 동일 소재에 대해서 최대 발열량이 ISO 20632 시험에서 더욱 높게 나타난 이유는 NFPA 274 시험 조건에 비해서 점화원의 열량과 가연물의 체적이 높아짐에 따라서 보온재 표면의 기화된 연료의 양과 산화제의 혼합비가 증가하여 나타난 결과로 사료된다.
둘째, PE(S)의 경우 NFPA 274 시험방법과 ISO 20632 시험방법을 적용한 경우 난연 등급이 D와 C로 서로 다르게 나타났다. 이러한 결과는 동일 보온재에 대해서 시험 방법을 다르게 적용한 경우 평가방법에 따라서 난연 등급이 바뀔 수 있는 것을 의미한다.
셋째, EN 13501-1에 의해서 난연 성능을 평가하기 위한 방법은 최대발열량에 대해서 시간을 나눈 기울기이며, NFPA 274와 비교해서 ISO 20632의 기울기가 증감하는 이유는 시험 조건에서 점화원의 열량, 시험체의 규격 그리고 보온재의 체적이 주요 인자로 판단된다. 따라서 주요 인자 변화에 따른 최대발열량과 시간 변화를 분석해야 보다 정량화된 난연 성능 평가 방안을 제시할 수 있는 것으로 사료된다.
첫째, 보온재의 난연 등급을 EN 13501-1에 따라서 평가한 결과 Class E 등급에 해당하는 보온재는 PU(J), PE(J), PE(N), Class D 등급은 NFPA 274 시험기준에 의한 PE(S), Class C 등급은 Rubber와 ST(J)인 것으로 나타났으며, 화재 성장 곡선에 따라서 평가한 결과 Ultra-fast 성장은 PU(J), PE(J), PE(N), Fast는 NFPA 274 시험기준에 의한 PE(S), Slow는 Rubber, ST(J) 그리고 ISO 20632에 의한 PE(S)인 것으로 나타났다.
후속연구
이러한 결과는 동일 보온재에 대해서 시험 방법을 다르게 적용한 경우 평가방법에 따라서 난연 등급이 바뀔 수 있는 것을 의미한다. 하지만, 동일 보온재의 주요 소재를 사용하여도 배합 및 조직 구조에 따라서 화재 확산 현상이 달라질 수 있기 때문에 보다 다양한 시편에 대해서 연구가 필요한 것으로 판단된다.
참고문헌 (12)
D. H. Kim and B. S. Park, "The Survey on the Insulation Status of Heating Pipes installed in Apartment Complex", Journal of AIK, pp. 662-665 (2009).
K. S. Chung, Y. I. Kim, D. S. Park and S. M. Kim, "Economic Assessment on the Heat Loss of the Heating Pipes by Using LCC Analysis in Apartment Complex - Focused on the Piping Insulations", Journal of the Architectural Institute of Korea Planning & Design, Vol. 27, No. 6, pp. 275-282 (2011).
M. G. Shin, W. S. Seo, H. J. Byeon and D. H. Ahn, "A Study on the Possibility of Ignition of Insulator", Magazine of Fire Investigation Socity of Korea. Vol. 8, No. 1, pp. 15-31 (2017).
Korea Fire Equipment Manager Association, "Fluctuating Performance of Fire Heating Materials" (2015).
O. K. Lim, D. G. Nam and J. H. Jeong, "Study on Reaction-to-fire Performance of Pipe Insulation Materials", Proceedings of 2019 Spring Annual Conference, Korean Institute of Fire Science & Engineering, pp. 139-140 (2019).
B. H. Han, D. H. Seo, Y. H. Kwon and S. H. Min, "A Study on the Fire Characterization of Foam block using Cone-calorimeter and FTIR", Fire Science and Engineering, Vol. 31, No. 6, pp. 23-32 (2017).
J. I. Park, S. H. Kim, J. K. Hong and M. W. Lee, "A Study on Incombustibility of Building Service System Insulation Material", Journal of AIK Conference, pp. 999-1005 (2006).
BS EN 13501-1:2007+A1:2009, "Fire Classification of Construction Products and Building Elements - Part 1:Classification Using Data from Reaction to Fire Tests", British Standard Institution (BSI), London, UK (2009).
F. P. Incopera, and D. P. DeWitt, "Introduction to heat transfer", pp. 79-86 (1996).
Y. T. Jeon, "A Study on the Improvement of the Safety Standards for the Disabled Through the Analysis of the Fire Case Studies : The Case of Jecheon Sports Center in Fire", Proceedings of 2018 Spring Annual Conference, Korean Institute of Fire Science & Engineering, pp. 221-222 (2018).
ISO 20632, "Reaction-to-fire Tests - Small Room Test for Pipe Insulation Products or Systems", International Organization for Standardization (ISO), Switzerland (2008).
NFPA 274, "Standard Test Method to Evaluate Fire Performance Characteristics of Pipe Insulation", 2013 Ed., National Fire Protection Association (NFPA), USA (2013).
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