1.2 선박화재와 관련된 SOLAS 규제
1.2.1.3 MSC.1/Circ.1472
가. 국제협약 체결 당사국 정부 및 선급으로부터 형식인증을 받을 것 나. 내식성 재료로 제작할 것
다. 단일의 Monitor로서 분사(Jet) 및 분무(Spray)의 형태로 해수(Sea Water)를 방출할 수 있을 것
라. 소화수 계통에서 소화수를 공급받을 수 있도록 연결부(Coupling)를 갖출 것 마. 선박의 최고단(Top Tier)의 컨테이너에 최소 60 ㎥/h의 유량으로 소화수를
공급할 수 있을 것(Fig. 8 ~ Fig. 9 참조)
바. Mobile Water Monitor 입구부에서의 압력이 4 bar이고, 분사각도가 30 ~ 35°인 경우에, 수평 분사거리가 40 m 이상일 것
사. 소화펌프(Fire Pump)는 기존의 요건(2줄기 또는 4줄기)에 의해 요구되는 유량(180 ㎥/h)과 Mobile Water Monitor에 의해 필요한 유량(240 ㎥/h + α)을 동시에 공급할 수 있을 것
Fig. 7 Transportation of Packaged Dangerous Goods using Container Ship
(Source: Korea Maritime Dangerous Goods Inspection &
Research Institute)
Fig. 8 Concept of Using Mobile Water Monitor(Section View)
Fig. 9 Concept of Using Mobile Water Monitor(Plan View)
제2장 기존 연구 현황에 대한 검토
2.1 Water Mist Lance & Mobile Water Monitor 연구 현황
Fig. 10에서 보는 바와 같이 Water Mist Lance는 끝이 창(lance)처럼 뾰족한 노즐을 화재가 발생한 구역의 컨테이너 벽면에 관통시켜서 내부에 소화수를 분무 하여 화재를 진압하는 소화장치이다. 소화수는 미분무 상태로 분사함으로써 소화효과를 극대화 시킨다.
절연성이 요구되는 전기제품, 항공기 및 선박의 기관실 등과 같이 물 분사가 제한적인 곳에는 전통적으로 CFC 계통의 소화약제가 내장된 할론 소화설비가 유류화재와 전기화재 등의 화재진압에 사용되었다. 하지만, 이러한 CFC 계통의 소화약재는 환경오염물질을 내포하고 있으며, 지구 온난화지수와 오존층파괴 지수가 높아 세계 각국은 몬트리올 의정서(1987년 서명)를 통하여 CFC를 사용 하는 화학물질의 제조를 1994년부터 금지시켰고[배강열 등, 2009], Halon 1301로 대표되던 선박용 소화시스템은 대체 시스템이 절실히 요구되었다. 할론 소화 설비의 신규 설치가 금지된 이후로는 이산화탄소(CO2) 소화설비가 주로 선박에 설치되었지만, 온실가스인 CO2의 사용을 제한하려는 분위기에 따라 CO2 소화 설비를 대체하기 위한 다양한 형태의 소화설비들이 개발되고 있다[한용식 등, 2010].
특히, 미분무 소화설비는 과거 50년 전부터 물을 미립화 하여 화재 진압에 이용함으로써 소화효과를 극대화하는 연구가 진행되어 왔다. 초기 미세 물분무 시스템의 사용은 화재진압 시 노즐로부터 화원까지 도달하는 물분무의 양을 측정 하거나 예측하기가 쉽지 않아 물분무 입자가 화원에 도달하지 못하는 문제와 미립화하기 위한 고압발생 및 이로 인한 마찰손실 등 경제적 문제로 인하여 제한 적이었다[박현태, 2003; 김봉환 등, 2003; 이수경 등, 2007]. 하지만, 2002년 7월 기관구역 국부소화시스템 설치가 의무화 되면서 Water Mist System에 대한 연구 가 활기를 띄게 되었다. 미분무 소화설비는 고압의 물을 노즐을 통해 분사시킬 때 발생하는 미세한 물방울( <1,000 ㎛)로 화재를 신속하게 제압하는 기술로써
미분무 화재진압 설비가 가장 적극적으로 활용되고 있는 곳이 선박 분야이 다. IMO는 2005년에 선박용 미분무 화재진압설비(Water Mist System)의 승인 기준으로 IMO MSC/Circ.1165을 개발 하였으며, 선박에 설치되는 미분무 화재 진압설비는 이 요건을 만족하여야 한다[최병일 등, 2007].
Water Mist 소화 시스템에서 화재를 적절히 제어하기 위한 주요변수는 화재 크기, 분무유량, 분사각, 액적의 운동량, 액적의 크기 등이 매우 중요한 변수이다.
그 중에서 액적크기는 무엇보다 중요인자로 작용하지만 화원 및 화염냉각, 복사열 차단, 산소차단 등 복합적인 효과에 의해 화재를 억제하게 되므로 이들을 동시에 만족하는 최적의 액적크기를 선정하는 것은 쉬운 일이 아니다. 예를 들어 화염냉각이 중요변수이면 액적의 증발과 열전달을 효율적으로 촉진하기 위하여 액적크기는 작을수록 유리하다. 그러나 화원을 냉각시키기 위해서는 화재의 부력을 극복하고 화원에 도달하기 위하여 액적의 크기는 다소 큰 것이 유리하다 [김성찬 등, 2002].
NFPA750에 따르면 노즐 아래 1 m 위치에서 밀집도가 낮은 분무 영역의 액적크기의 99 %가 1000 ㎛보다 작은 크기로 규정하고 있다. 또한 Class B(액체 연료) 화재에서는 400 ㎛이하로 규정하고 있다[NFPA 750, 1996].
Herterich는 액적의 열전달율을 최대로 하는데 바탕을 두고 최적의 액적크기를 350 ㎛ 정도로 제시하였다[Herterich, 1960].
Gutler는 액적증발을 통한 냉각효과의 최대화를 위한 화염영역내 잔존시간을 확보하는데 바탕을 두고 최적 액적크기를 70 ㎛ 정도로 제시하였다[Guttler, 1972].
Kaleta 등은 소화성능을 최대로 하기 위하여 300 ~ 900 ㎛ 정도를 제시하고 있으나, 화염과 노즐과의 거리 및 주위환경 등에 크게 의존한다는 사실을 제시 하였다[Kaleta, 1986].
정리하면, Water Mist에 대한 이해의 부족과 모호한 기준으로 인하여 Water Mist 시스템의 개발과 설치기준 등은 소화 시스템을 생산하는 제조사에 의존하고 있는 실정이다[김성찬 등, 2003].
물은 큰 표면장력으로 인해 미립화하기 어려운 액체로 물의 표면장력을 낮추어 소화효과를 높이기 위해 물의 계면활성제를 첨가하는 시도도 많이 이루어지고 있으며 표면장력이 낮아지면 A급 화재의 경우 화재표면과의 접촉면적이 넓어져 빠른 액적증발로 인해 냉각효과를 증가시킬 수 있고, B급 화재의 경우 화재 표면에 유화층을 형성하여 가연성 증기의 억제 및 산소차단으로 소화효과를 증가시킬 수 있다. 불소계 계면활성제는 특히 높은 계면활성능과 극히 낮은 표면장력으로 인해 첨가제로 많이 쓰이고 있지만 현재 사용되는 불소계 계면활성제는 PFOS (Perfluorooctanoic Sulfonate)를 함유하고 있으며, PFOS는 생체잔류성 유기화합물 (POPs)로 잠정적 발암성이 있는 것으로 규정되어 EU에서는 소화약제의 경우 2011년 6월 27일 이후 전면 규제되었고[이동호 등, 2010], 우리나라도 2012년 2월 9일 이후 소화약제의 형식승인 및 제품검사의 기술기준에 의해 PFOS에 대한 규제가 이루어지고 있다[김승일, 2014]. 더불어, IMO의 MSC/Circ.1165에 근거 하여 소화제에 사용되는 첨가물에 대하여 인체에 무해하고 검사기관의 승인을 받은 제품만을 사용하도록 하고 있다[IMO, 2005; 김영한, 2009].
소화설비용 분무 노즐은 미분무수 소화 시스템의 핵심 부품이며[이수경, 2007], 노즐의 사용압력에 따라 저압, 중압, 고압으로 나누어진다[이찬주, 2004].
고압 분무 노즐이 저압 분무 노즐에 비해 효과적인지 아닌지 여부에 대해서는 많은 논의가 진행되고 있다[조현준, 2015]. 화재에 대해 노즐 방향이 최적화되지 않을 경우에는 압력 영역과 상관없이 최적의 성능을 발휘할 수 없으므로 특정 압력 영역을 선정하는 것이 비현실적일 수도 있다[Jack, 2005].
이에 대한 국외 연구로는 미국의 USCG에서 선박의 엔진룸 크기의 공간에 대하여 다양한 사용 Water Mist 시스템 및 배기조건에 대하여 소화성능을 실험 하였다[Back et al., 1999].
Downie 등은 메탄 확산화염에 대하여 단일 물분무 노즐을 이용하여 화염과 물분무와의 상호작용시의 플럼 영역의 온도 및 가스농도의 영향을 파악하였고 [Downie et al., 1995],
Hua 등은 분무액적의 유동, 연소, 열 및 물질전달을 고려하여 분무패턴, 분무
액적의 크기 및 분사량과 같은 변수에 대하여 화재진압의 효과를 수치해석적으로 파악하였다[Hua et al., 2002].
그러나 수치해석에 의한 이론적인 결과만을 파악하였으며 실험결과에 대한 정량적인 비교가 부족하였다.
국내 연구로 김명배 등은 가솔린 Pool화재(액면화재) 시 Water Mist의 분사로 인한 유입공기의 증가가 화염의 연소율을 증가시키며, 임계압력 및 임계유효 유량에 대한 소화한계를 설정하였으며 화염냉각에 의한 소화효과가 지배적임을 제시하였다[Kim et al., 1997]. 그러나 노즐과 화원사이의 거리가 짧고 화원의 크기가 상대적으로 작기 때문에 실제 화제 공간에 대한 소화특성으로 작용되기 에는 다소 무리가 있다[김성찬 등, 2003]. 김성찬 등은 분사각이 화재실 내부의 온도장에 미치는 영향을 수치기법과 실험을 병행하여 연구하였고[김성찬 등, 2003], 김호용 등은 분무수 특성이 화염의 소화에 미치는 영향을 실험적으로 수행 하였다[김호영 등, 2004].
이와 같은 연구결과에서 보듯이 Water Mist에 의한 화재억제 실험은 대부분 실험적으로 진행되고 설계 및 성능 특성은 제작사의 고유 모델로 공개되지 않고 있다[Geoff Tanner et al., 2003]. 또한, 일반적으로 Water Mist Nozzle 내부의 유동이 복잡한 와류형태를 가질 때 Water Mist의 직경이 작아진다고 알려져 있으며, Water Mist Nozzle 내부에서 와류를 발생시키기 위해 삽입되는 스웰(Swirl) 등에 대한 정보는 기업 비밀 또는 특허권을 통해 보호되고 있다[이경우, 2008].
하지만, 미분무수를 이용한 소화설비는 작은 양의 소화 용수로 화재진압을 가능하게 할 뿐만 아니라, 2차 수손피해를 최소화시킬 수 있는 소화시스템으로 국내에서도 관련 연구가 지속적으로 이루어지고 있으며, 최근에는 전량 수입에 의존했던 노즐 및 시스템의 국산화율도 높아지고 있는 실정이다. 하지만, 수입 제품과 동등한 성능의 미분무수 노즐 개발이 주로 이루어졌으며, 비용 경쟁력 이 우수한 설비 개발 및 소화성능을 향상시킬 수 있는 연구 등은 미미한 실정 이다[황원준 등, 2009].
정희택 등은 분무 노즐에 대한 독자적인 기술 확보를 위해 미분무 소화 노즐의
분무특성 예측 연구를 실시하였다. 단일 노즐과 다중분사 노즐의 분무 유동특성 을 분석하고 실험결과와 비교하기 위해서 수치해석을 수행하였다. 그 결과 다중 분사 노즐이 유량을 증가시킬 수 있고, 분사각도 향상되었다[정희택 등, 2005].
본 논문에서 연구하고자 하는 Water Mist Lance는 SOLAS협약에서 “컨테이너 벽을 관통하여 소화주관에 연결되었을 때 폐쇄공간 내부에 물분무를 발생할 수 있는 관통 노즐을 갖춘 관으로 이루어져야 한다”라고 규정하고 있는 바, 기본적 으로 화재가 발생한 구역의 강재(Steel Plate)로 제작되는 컨테이너 벽면에 Water Mist Lance를 관통시켜 작동해야 하므로, 기존 선박에 설치되어 있는 미 분무 소화설비 노즐과는 그 첨단부분과 강도 측면에서는 차별성을 가져야 한다.
또한, 선원들이 화재가 발생한 구역에 접근할 수 있어야 하고, 컨테이너 선박 의 특성상, 선원이 직접적으로 접근할 수 있는 1~3단(1~3tier)에 적재되어 있는 컨테이너에만 적용이 가능하다.
특히, 선박용 Water Mist Lance는 컨테이너 벽면을 관통시켜야 하므로, 끝단의 첨단곡률반경(Apex Curvature Radius)이 강재를 관통할 수 있을 정도로 작아야 하며, 이 경우에도 끝단이 충분한 강성을 가질 수 있는 것이어야 한다.
하지만, 최근에 국내․외 기업에서 출시하고 있는 Water Mist Lance는 끝단이 충분한 강성을 가지면서도 적절한 첨단곡률반경을 가지도록 제작하는 것이 어렵다는 점을 고려하여 Fig. 11 및 Fig. 12와 같이 컨테이너 벽면을 뚫을 수 있는 별도의 설비(예: 전기드릴 등)를 제공하는 형식으로 되어 있다.
또한, Water Mist Lance의 사용 목적이 화재가 발생한 컨테이너 내부에 소화수 를 공급하는 것이고, 화재가 발생한 컨테이너는 내부에서 발산되는 열로 인해 인원이 가까이 접근한다는 것이 매우 어렵고, 2차적인 사고를 유발할 수 있다.
그래서 Water Mist Lance는 충분한 길이를 갖추고, 손쉽게 컨테이너 벽면을 뚫 을 수 있는 구조이어야 한다.
더불어, 화재가 발생한 컨테이너 벽면의 온도를 예상하고, 해당 온도에서의 강재(Steel)의 항복강도를 산정하여, 해당 항복강도를 가지는 강판(Steel Plate)을
Lance를 연구하여야 한다.
Fig. 13은 국내․외 기업들이 개발하여 공개한 Mobile Water Monitor를 나타낸 것으로서, Viking(덴마크), Tanktech(韓), Navutec(韓)은 기존 소화노즐과 동일한 형식의 노즐을 적용하고 있으며, Unitor(노르웨이)는 관통형 노즐을 사용한다는 것을 알 수 있다. 또한, Table 2에서 알 수 있듯이, 관통형 노즐을 사용하는 Unitor의 Mobile Water Monitor가 가장 긴 분사거리를 가진다는 것을 알 수 있다.
일반적으로 관창6)은 소방대상물 내․외에 설치하는 소화전용과 포 소화발포용, 소방 자동차용, 선박용 등으로 화재진압 시 가장 많이 사용되고 화재진압의 70% 이상을 담당하는 중요한 소방기구 중의 하나이다.
기존의 관창은 방수량의 조정과 직사․분무 방수형태만이 조절토록 한 단순 기능의 제품이지만, 수많은 화재현장을 보아서 알 수 있듯이 화재진압에 가장 공헌도가 큰 소화장치는 역시 관창이다. 관창은 펌프에서 수류를 노즐까지 정 류하면서 속도를 증가시키는 소방기구이고, 노즐은 관창에 따라 정류된 수류를 더욱 증폭시켜 효과적으로 방출하여 그 도달거리를 크게 하는 역할을 하며, 방수압력에 의해 방수량을 변화시킬 수 있다. 특히, 분무 노즐형 관창은 직사 방수와 분무방수가 가능하고, 이들 방수형태는 관창커버의 회전에 따라 이동하는 니들(Needle)의 위치에 따라 이루어진다.
또한 분무 노즐형은 화재 시 흡열에 따른 냉각소화 효과가 뛰어나고, 옥내 화재에서는 산회희석 또는 질식소화 효과가 있으며, 복사열과 열기류로 인해 화점에 접근할 수 없는 경우 보호수막의 형성으로 화점의 접근이 용이하고, 배연 효과도 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점으로부터 최근 관창은 분무노즐을 가장 많이 사용하고 있다. 하지만, 국내 관창 제작사의 경우 독자적인 노하우나 기술력이 아주 미미한 상태로 거의 대부분 외국사의 제품을 모방하고 있거나, 비싼 로열티를 지불하고 제작하고 있는 실정이다[이동명, 2003].
이동명 등은 관창에서의 분사 형태가 니들의 위치에 따라 결정되는 직사분무
6) 소방관창은 소방호스(수관)에 연결하여 화재를 진압하는 데 사용하는 기구이다. 물의 분사를 만든 다음, 화점을 겨냥하여 사용한다. 수관이 꼬여 화재의 진압을 방해하는 것을 방지하는 효과도 있다.(출처: 위키백과)