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문제 정의
- 火災原因調査의 中心이 되는 것은 出火原因을 규명하는 것이지만, 延焼拡大 原因이나 死傷者発生 要因을 조사하는 것도 중요한 범위이다. 火災原因調査는 火災現象의 규명은 물론, 火災予防施策이나 조치의 성과를 검토, 시정 개선하여 火災 予防에 이바지하는 것을 목적으로 하고 있다.
- 그래서 여러 각도에서 1次・2次溶融痕에는 어떤 차이가 있는가를 검토하여 유효한 판별방법을 확립하는 연구가 필요하며, 本論文에서는 1次・2次溶融痕의 判別方法에 관해 여러 각도에서 검토한 내용 중에서 이하의 3가지 항목에 대해 검토한 결과를 소개한다.
제안 방법
- 束線의 形状 및 치수는 그림 1(a)에 의한다. 0.18mm X 30本, 2m의 코드는 下巻 3 回, 上巻 15 回를 하여 束線를 만들어 14, 17.5, 21, 28A를 통전하였다. 0.
- 1次・2次溶融痕은 양쪽 모두 전기불꽃에 의해 생기지만 생성까지의 환경과 생성시 환경의 차이로 인해 혼입되어 있는 炭化残渣 中의 炭素는 結晶構造(그래파이트化度) 等이 다를 것으로 예상된다. 溶融痕 속에 혼입되어 있는 탄화잔사 이외의 것은 소화활동시 소실, 변형되거나 또는 이물질이 부착할 가능성이 높으므로 溶融痕 속 炭化残渣 中의 炭素結晶構造를 조사하였다.
- 酸化組織은 銅과 亜酸化銅의 2元合金이므로 研究의 第1 段階로서 試薬 Cu 粉末과 Cu2O 粉末를 赤外線加熱炉 속에 넣어 酸素濃度別, 冷却速度別로 溶融・凝固試料를 만들어 Cu-Cu2O 2元合金의 酸化組織를 검토하였다. 第2 段階로서 실제 전선의 동선을 이용하여 酸素濃度別, 雰囲気温度別로 試料를 만들어 雰囲気温度別, 酸素濃度別 DAS를 구하여 Reference DAS Table을 작성하였다. 第3 段階로서 実験 1次 ・2次溶融痕을 만들어 第2 段階의 Reference DAS Table과 일치하는지를 검토하였다.
- 第2 段階로서 실제 전선의 동선을 이용하여 酸素濃度別, 雰囲気温度別로 試料를 만들어 雰囲気温度別, 酸素濃度別 DAS를 구하여 Reference DAS Table을 작성하였다. 第3 段階로서 実験 1次 ・2次溶融痕을 만들어 第2 段階의 Reference DAS Table과 일치하는지를 검토하였다.
- 18mmΦ 7本를 이용하였다. 試料 加熱時 最高温度는 200℃, 400℃, 600℃, 800℃, 1050C로 하였다. 予備実験 結果, 結晶粒度는 온도유지시간이 3 分 이상이면 시간에 의존하지 않았으므로 최고온도 지속시간은 3분간으로 설정하였다.
- 따라서 試料 溶融痕은 실제 전선의 동선을 이용하여 酸素濃度別 및 雰囲気温度別로 만들었다. 試料銅線(600V PVC 絶縁電線 素線 7本 중에서 素線 1本(直径 : 0.4 mm))을 접촉시킨 상태에서 赤外線炉에 넣어 空気雰囲気에서 炉内 温度와 유지시간를 바꿔 銅線表面을 산화시켰다. 이어서 炉内를 진공으로 한 다음 Ar 가스로 치환하고 炉内 温度를 소정의 값(25, 200, 400, 600, 800, 1000℃)로 하였다.
- 酸化組織은 銅과 亜酸化銅의 2元合金이므로 研究의 第1 段階로서 試薬 Cu 粉末과 Cu2O 粉末를 赤外線加熱炉 속에 넣어 酸素濃度別, 冷却速度別로 溶融・凝固試料를 만들어 Cu-Cu2O 2元合金의 酸化組織를 검토하였다. 第2 段階로서 실제 전선의 동선을 이용하여 酸素濃度別, 雰囲気温度別로 試料를 만들어 雰囲気温度別, 酸素濃度別 DAS를 구하여 Reference DAS Table을 작성하였다.
- 이 상태에서 AC 100V를 통전하여 단락시켜 炉内에서 自然 冷却하였다. 銅線에 부착한 溶融痕을 회수하여 試料로 하였다.
- 그래서 수술용 칼로 절단하여 절단면 탄화잔사 중의 탄소의 라만피크를 조사한 후 硝酸으로 溶融痕을 녹여 여과지로 여과하여 모든 炭化残渣에 대하여 라만피크를 측정하였다. 결과는 절단, 측정했을 때와 거의 같은 라만피크가 검출되었으며 아모어포스탄소만 검출되었다.
- 그림 3에 나타낸 것처럼 블록을 쌓아 만든 角木材(Crib) 火源 実験炉(W : 340mm, D : 1117mm, H : 410mm) 속에서 試料 PVC 코드에 AC 100V를 인가하여 화염폭로에 의해 단락시켜 溶融痕을 만들었다. 사용된 角木材(Crib)는 삼나무(2cmX2cmX30cm, 20~28本)이며, 脱脂綿 10~30ml를 助燃剤로 사용하였다.
- 따라서 試料 溶融痕은 실제 전선의 동선을 이용하여 酸素濃度別 및 雰囲気温度別로 만들었다. 試料銅線(600V PVC 絶縁電線 素線 7本 중에서 素線 1本(直径 : 0.
- 또한 第4 段階로서 1次溶融痕일지라도 火災現場의 것은 火炎에 노출되므로 実験 1次 溶融痕을 火炎에 노출시켜 酸化組織 変化有無를 검토하였다.
- 5A, VFF 素線의 試料에는 15A를 통전하였다. 또한 通電時間을 2s, 5s, 10s, 30s, 120s, 300s로 하였다. 그 후 앞의 2.
- 레퍼런스 DAS 테이블의 DAS와 실제 溶融痕의 DAS가 어떤 관계에 있는가를 実験 1次 ・2次溶融痕을 만들어 검토하였다.
- 실험샘플을 만들기 위해「建築物의 防火試験用標準加熱温度曲線」(JIS A1301)을 단순화 模擬하여 이 加熱特性을 프로그램한 赤外線加熱炉 中에 試料를 넣어 加熱・冷却하였다.
- 4 mm))을 접촉시킨 상태에서 赤外線炉에 넣어 空気雰囲気에서 炉内 温度와 유지시간를 바꿔 銅線表面을 산화시켰다. 이어서 炉内를 진공으로 한 다음 Ar 가스로 치환하고 炉内 温度를 소정의 값(25, 200, 400, 600, 800, 1000℃)로 하였다. 이 상태에서 AC 100V를 통전하여 단락시켜 炉内에서 自然 冷却하였다.
- 혼입되어 있는 炭化残渣中의 炭素에 대하여 그래파이트化度를 조사하기 위해 顕微라만分光分析装置(Renishaw Ramascope 2000 등)로 Ar 레이저(Renishaw Ramascope 2000의 경우에는 파장 : 633nm, Power : 30mW, 빔 : 1㎛) 励起 상태에서 라만스펙트럼(라만피크)을 측정하였다. 라만피크는 탄소의 그래파이트化度에 따라 민감하게 변화하므로 종래부터 라만피크 파라메타를 이용한 그래파이트化度의 평가가 행해져 왔다.
대상 데이터
- 600V PVC 絶縁電線(Ⅳ)의 素線 O.6mmΦ 1本, VFF의 索線 0.18mmΦ 7本을 試料 銅線으로 하였다. 通電条件은 다음과 같이 하였다.
- 試料銅線은 600V 비닐절연비닐시스케이블(VVF) 1.6mmΦ 1本 및 비닐평형코드(VFF)의 素線 0.18mmΦ 7本를 이용하였다. 試料 加熱時 最高温度는 200℃, 400℃, 600℃, 800℃, 1050C로 하였다.
- 電線試料로서 비닐평형코드 0.18mm X 30本(定格電流 7A) 및 0.18mm X 50本 (定格電流 12A) 등을 사용하였다. 주요 실험은 다음과 같다.
- 그림 3에 나타낸 것처럼 블록을 쌓아 만든 角木材(Crib) 火源 実験炉(W : 340mm, D : 1117mm, H : 410mm) 속에서 試料 PVC 코드에 AC 100V를 인가하여 화염폭로에 의해 단락시켜 溶融痕을 만들었다. 사용된 角木材(Crib)는 삼나무(2cmX2cmX30cm, 20~28本)이며, 脱脂綿 10~30ml를 助燃剤로 사용하였다.
성능/효과
- 1次・2次溶融痕의 試料에 대하여 光沢, 色調, 形状, 表面의 平滑度 및 크기를 比較한 바, 1次溶融痕에 光沢이 있고, 銅色多의 傾向이 있었으며, 形状은 2次溶融痕에 球形의 傾向이 있었지만 不定形은 1次・2次溶融痕 양쪽 모두 거의 같은 비율이었다. 表面의 平滑度는 1次・2次溶融痕에 분명한 傾向은 없었으며 크기는 2次溶融痕 쪽이 조금 큰 경향이었다.
- 1次溶融痕과 마찬가지로 절단면에 따라, 또한 같은 절단면이라도 측정점에 따라 라만피크는 조금씩 차이가 있었지만 모두 아모어포스써素 피크밖에 검출되지 않았다. 단, 혼입되어 있는 탄화잔사 중의 모든 탄소를 대상으로 측정한 것이 아니고 수술용 칼로 절단하여 절단면 혼입 탄화잔사 속 탄소의 라만피크를 측정한 것이므로 미측정 탄화탄사 중의 탄소에 그래파이트화탄소가 존재할 지도 모른다는 문제점이 있다.
- <表 1>에 나타낸 것처럼 1次溶融痕에 혼입된 탄화잔사에서만 그래파이트化炭素(Graphitized Carbon)의 피크가 검출되었다. 2次溶融痕에 혼입된 탄화잔사에서는 △v 1580이 모두 30.0 이상이며, R値도 0.4 이상이었다. 단, 여기에서 그래파이트化炭素의 라만피크란 △v 1580이 30.
- 2초간 통전에서는 결정의 비대화는 관찰되지 않았으나 5초간 통전에서는 약간의 비대화가 관찰되었으며 300초까지에 걸쳐서는 통전시간에 따라 결정의 비대화가 확인되었다. 이 때, 결정의 비대화는 가장 비대화한 300초 통전 시료에서도 模擬火災温度曲線에 의한 실험에 있어서 400℃에서 600℃의 중간정도였다.
- DAS의 측정이 가능했던 15개의 시료에 대하여 DAS와 酸素濃度에 따라 推定 雰囲気温度를 구한 결과, 단락시의 분위기온도의 측정치(560℃ 以上)와 추정온도는 일치하지 않고 실제 온도보다 높았다. 그 이유는 2차용융흔의 크기가 1차용융흔 보다 커서 냉각속도가 보다 늦어진 점과 실제의 용융흔은 단락지점에서 쳐져내려서 응고하므로 열전대의 측정위치와 응고지점의 온도가 다른 것에 기인하는 것으로 여겨진다.
- ② 溶融痕近傍의 非溶融(銅線)部分의 結晶粒度는 被熱履歴은 남기지 않고 最高暴露温度만에 의존하므로 1次溶融痕인가 2次溶融痕인가에는 관계가 없는 점을 분명히 하였다.
- 以上 結果로부터 銅線의 結晶粒度는 도달한 최고온도만에 의존하며 温度維持時間, 冷却要因, 그 이전의 加熱履歴의 어떤 영향도 남기지 않는 것이 확인되었다. 따라서 화재현장에서 채취된 전선의 가공조직을 관찰하므로써 그 부위에 있어서 화재의 최고도달온도를 알 수 있는 것으로 여겨지지만 그 후의 화염폭로에 의해 양자의 차이가 없어지므로 1次・2次溶融痕의 識別에는 활용할 수 없는 것으로 판단된다.
- 室温冷却, 注水冷却 모두 模擬火災温度曲線의 해당온도에 있어서 結晶粒度와 유사하며 炉内冷却과 空冷・水冷의 어떤 냉각조건에서도 結晶粒度의 차이는 없었다. 이 점으로부터 같은 소선(동선)일 경우 被熱에 의한 結晶粒度의 肥大化는 단순히 시료의 最高 到達温度에 의존하는 것으로 여겨진다.
- 捻回형상은 그림 1(b), 負荷回路는 그림 2에 의한다. 단, 微振動装置(배기성능 10 □/min의 에어펌프)로 捻回部에 微振動을 가함과 동시에 릴레이타이머 회로를 부가 하여 100分 ON, 20分 OFF를 단락에 이를 때까지 반복하였다. 負荷電流는7, 10, 12A이었다.
- 脱塩酸하며, 낮은 온도(約110~250℃)에서 장시간 가열에 따라 딱딱해져서 균열이 생기고 충분히 탄화(固相炭化)한 후 단락하여 용융흔 속에 혼입된다. 라만피크의 측정결과에 의하면 固相 炭化한 후 단락한 용융흔의 혼입탄화잔사에서 그래파이트화탄소의 라만피크가 검출되는 비율(8개의 시료를 분석하여 6개 시료에서 검출)이 높았다. 이는 피복이 장시간 열 열화에 의해 難그래파이트化性炭素(열처리를 하여도 그래파이트가 되기 어려운 탄소)가 되어 있으나 劣化時의 酸化와 短絡時의 전기불꽃에 의한 熱応力에 의해 局部的으로 그래파이트化炭素가 되었던 것이 혼입된 것으로 보여진다.
후속연구
- 以上 結果로부터 銅線의 結晶粒度는 도달한 최고온도만에 의존하며 温度維持時間, 冷却要因, 그 이전의 加熱履歴의 어떤 영향도 남기지 않는 것이 확인되었다. 따라서 화재현장에서 채취된 전선의 가공조직을 관찰하므로써 그 부위에 있어서 화재의 최고도달온도를 알 수 있는 것으로 여겨지지만 그 후의 화염폭로에 의해 양자의 차이가 없어지므로 1次・2次溶融痕의 識別에는 활용할 수 없는 것으로 판단된다.
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