Performance of Decompression Orifices Attached to Indoor Hydrant Discharge Outlets

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ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2015.29.3.006

옥내소화전 방수구에 부착되는 감압오리피스의 감압성능에 관한 연구

박봉래 · 이맹로* · 장경남* · 백은선*^†

미르엔지니어링(주), *동신대학교 소방행정학과

Performance of Decompression Orifices Attached to Indoor Hydrant Discharge Outlets

Bong-Rae Park · Meng-Ro Lee* · Kyung-Nam Jang* · Eun-Sun Baek*^†

Mir Engineering. Co., Ltd.

*Dept. of Fire Administration, Dong-sin Univ.

(Received March 18, 2015; Revised April 27, 2015; Accepted May 6, 2015)

요 약

소화설비는 초기소화를 목적으로 설치하여 소방대의 본격소화활동이전에 사용하는 소방설비로서 소화성능은 물론 사 용자의 안전을 보장하여야 한다. 옥내소화전설비의 경우 건축물에 많이 설치된 소화설비로서 화재 시 사용자가 밸브조작 및 호스와 노즐을 수동으로 사용해야하는 설비이다. 따라서 방수압력이 0.70 MPa보다 높은 경우 조작과 호스파손 등의 문제가 발생할 수 있다. 이를 방지하기위해 사용되는 감압방식 중 옥내소화전방수구인 앵글밸브에 오리피스형태인 감압 밸브를 부착하는 방식을 많이 사용하고 있다. 하지만 감압밸브는 구조적인 문제로 인하여 사용기간의 경과에 따라 감압 성능이 저하되는 것을 확인하였다. 이에 따라 3단계의 초기압력을 기준으로 감압오리피스의 직경별 감압성능을 측정하 여 적용 가능한 압력범위를 선정하고 이를 자료로 시간경과에도 감압성능의 저하를 최소화 하는 안정적인 감압밸브 모 델을 제시하였다.

ABSTRACT

Indoor hydrant facilities are used to fight initial fires before more intense fire extinguishing activities. Fire extinguishing facilities should ensure good fire extinguishing performance and the safety of users. Indoor hydrant facilities are mostly installed in buildings and facilities, and users must manipulate valves, hoses, and nozzles manually. When the discharge pressure is higher than 0.70 MPa, there is a high possibility that problems with manipulation and hose breakdown can occur. To prevent these problems, a method to attach orifice-type decompression valves to the angle valves of indoor hydrant discharge outlets has frequently been used for decompression methods. However, the decompression performance was reduced due to structural problems of the decompression valves over time. Accordingly, based on three-stage initial pressures, applicable pressure ranges were selected by measuring the decompression performance according to the diameter of the decompression orifices. Based on the data, stable decompression valve models are proposed. These models have the lowest decrease in decompression performance, regardless of time.

Keywords : Indoor hydrant, Decompression, Decompression valve

1. 서 론

1.1 연구의 배경 및 목적

옥내소화전설비는 수원에서 방수구까지의 고정설비에 호스와 노즐의 이동식 설비로 이루어진다. 이로 인하여 옥 내소화전설비의 방수압력이 0.70 MPa 이상으로 높은 경 우 호스의 파손우려와 반동력의 크기로 인하여 사용자의 조작 방해와 이로 인한 부상을 발생시킨다. 이에 따라

「옥내소화전설비의 화재안전기준(NFSC 102)」에는 ‘노

즐선단에서의 인입 측에 감압 장치를 설치하여야 한다’라 고 규정되어있다⁽¹⁾. 이 규정에 따라 고압 발생의 우려가 있는 경우 방수노즐의 방수압력을 감소시켜 사용해야하는 데 감압방법 중 주배관의 감압방식과 더불어 공간적 · 경 제적으로 가장 유리 한 방법으로 방수구에 감압오리피스 를 체결하여 감압하는 방식이 현재 가장 많이 사용되고 있 다. 오리피스는 일반적으로 오리피스 전면과 후면의 압력 차를 이용하여 유량을 측정하는 계기로 잘 알려져 있다.

그렇지만 소방에서는 옥내소화전의 감압밸브로 사용되어

†Corresponding Author, E-Mail: [email protected]

†TEL: +82-61-330-5561, FAX: +82-61-330-3568

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사용자의 안전과 호스의 파손을 방지하는 기구로 사용되 고 있다. 이 방식은 감압오리피스의 급격한 축소와 확대로 인한 유동손실에 따라 압력이 감소되는 원리를 이용하는 것이다. 그러나 이러한 감압밸브는 구조상 문제점을 지닌 다. 옥내소화전 방수구에 사용하는 감압밸브에는 Figure 1 과 같이 오리피스와 교축용 Rubber가 사용된다.

Figure 1. Reducing orifices structure of indoor hydrant.

Figure 2. Shape of decompression orifices per use periodes of indoor hydrant.

Figure 3. Decompression tests of decompression orifices per use period.

이 교축용 Rubber는 유속에 따라 교축이 강하게 이루어 져 감압능력을 증가시키는 역할을 수행한다. 그러나 Rubber 재질의 한계는 시간경과에 따라 경화되는 성질로 인하여 교축률이 감소하게 됨에 따라 감압성능도 감소하 게 된다는 것이다.

이를 확인하기 위해 Figure 2와 같이 오리피스의 사용기 간에 따라 신제품, 7년, 15년, 20년의 4가지의 감압오리피 스를 사용하여 감압능력을 Figure 3과 같이 측정하여 그 결과를 Table 1에 표시하였다. 감압밸브를 사용하지 않은 초기의 설정압력은 0.70 MPa, 0.85 MPa, 0.97 MPa이며, 이 때 준비된 오리피스는 생산 후 계속 보유하고 있는 것 과 건축물에서 기 사용 중인 것을 확보하였다.

Table 1은 사용기간에 따른 옥내소화전 감압밸브의 감압 성능 실험결과를 나타낸 것으로 감압오리피스인 감압밸브 의 능력은 사용기간에 따라 감소됨을 알 수 있으며, 사용 압력이 높을수록 노즐의 사용에 안정된 압력이 확보될 수 있는 기간이 짧아진다는 것을 알 수 있다. 물론 감압밸브 의 관리 상태에 따라 감압능력은 다를 수 있으나 전체적인 흐름의 변화는 없을 것이라 생각한다.

즉, 현재 사용 중인 Rubber의 교축에 의한 감압밸브는 사용기간의 경과에 따라 감압성능이 저하되고, 고압의 상

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태로 사용되는 고층건축물에 적용하는 경우 사용에 한계 가 있으며, 옥내소화전 감압밸브의 구체적인 사용압력범위 또한 정하지 않고 사용하고 있는 실정이다. 이에 따라 시 간경과에 따라 감압성능에 변화가 없고 구체적인 압력범 위에 적합한 오리피스의 감압한계를 정하여 감압밸브의 신뢰성향상으로 옥내소화전사용에 안정성을 확보하는 것 이 중요하리라 생각한다.

1.2 연구 및 개발동향

옥내소화전 설비에 대한 연구는 설비의 중요성과 다른 연구와 비교할 때 활발히 이루어지고 있지 않는 편이나 최 근에 간헐적으로나마 연구 논문이 발표되고 있다. 옥내소 화전에 관한 논문으로는 민세홍 외 1인(2012년) “옥내소 화전설비의 방수압 측정 개선에 관한 연구”⁽²⁾에서 옥내소 화전 방수구에 압력계와 배수 입상관을 설치하여 배수밸 브의 개방에 따라 동압을 측정하여 방수압력의 적정여부 를 확인하고자 하였으며, 옥내소화전 감압밸브에 관한 논 문으로는 박봉래외 4인(2012년)의 “오리피스 직경에 따른 감압성능에 관한 연구”⁽³⁾를 들 수 있는데, 연구내용은 3차 례의 설정압력에서 오리피스 직경에 따른 감압능력을 측 정하여 이론식 값과 실측값을 비교하였다. 본 연구는 박봉 래외 4인(2012년)의 논문을 확대하여 사용자 중심으로 진 행 하였다. 이를 위해 실험오차를 줄이는 방법으로 실험장 소와 실험 장비를 단일화하고 측정 기구를 디지털화하여 실험의 신뢰도를 향상 시켰으며, 실험조건을 다양화하여 상용화를 목표로 진행하였다.

2. 이론적 배경

2.1 반동력

「옥내소화전설비의 화재안전기준(NFSC 102)」에서 ‘노 즐선단에서의 방수압력이 0.70 MPa을 초과할 경우에는 호 스접결구의 인입 측에 감압 장치를 설치하여야 한다’라고 규정되어있는 이유는 일반인이 소화활동상 지장을 받지 않기 위해서는 소방대의 1인당 반동력을 196 N으로 제한 하고 있기 때문이다⁽⁴⁾. 반동력은 식(1)과 같다.

R = 1.57 × P × d² (1)⁽⁵⁾ R: 반동력, P: 노즐의 압력(MPa), d: 노즐직경(mm)

즉, 반동력을 196 N으로 제한하기위한 노즐압력은 P = 196/(1.57 × 13 × 13) = 0.74 MPa 이므로 안전율을 고려하 여 0.70 MPa로 압력을 제한하고 있는 것이다.

2.2 옥내소화전의 감압방법

옥내소화전을 감압하는 방식에는 크게는 4가지가 있다.

고가수조를 이용하여 하부층의 고압부를 자연압력으로 가 압하는 방식, 펌프 및 배관을 분리하는 방식, 중계펌프를 이용하여 상층부와 하층부를 분리시키는 방식, 그리고 감 압밸브를 사용하는 방식이다. 그중에서 감압밸브를 사용하 는 방식에는 주 배관을 감압하는 방식과 옥내소화전 방수 구인 앵글밸브에 개별감압밸브를 부착하는 방법이 있다.

고층건축물의 경우 먼저 1차로 주배관의 감압방식으로 1.2 MPa 이하로 주배관을 감압하고 2차로 구간별로 개별 방수구인 앵글밸브에 감압밸브를 부착하여 0.70 MPa 미만 으로 감압 하는 방식이 주로 사용되고 있다^(6,7).

2.3 오리피스의 감압능력

소화전의 앵글밸브에 사용되는 감압밸브의 감압원리는 Figure 4와 같이 물이 교축 오리피스를 통과하는 동안에 발생하는 1구간과 2구간 사이의 급격한 축소와 2구간과 3 구간 사이의 급격한 확대를 통한 유동손실수두가 압력손 실로 변화되어 감압이 되는 것이라고 할 수 있다.

이와 같이 관경이 급격히 축소하는 마찰손실은 식(2)와 같다.

(2)^(8,9) ΔH_L( ) = Km V₂²

---2g

⋅ Table 1. Reducing Rate per Use Period of Indoor Hydrant Reducing Orifices

Orifice New Used 7-years Used 15-years Used 20-years Supply pressure

(No use) (MPa)

Measurement pressure (MPa)

Reducing rate (%)

Pressure (MPa)

Reducing rate (%)

Pressure (MPa)

Reducing rate (%)

Pressure (MPa)

Reducing rate (%) Nozzle-tip

pressure (MPa)

0.70 0.40 42.86 0.56 20.00 0.63 15.87 0.66 05.71 0.85 0.45 47.05 0.57 32.94 0.65 23.53 0.70 17.65 0.98 0.47 50.00 0.59 40.82 0.70 28.57 0.73 25.51

Figure 4. Water flow of decompression orifice.

(4)

ΔHL(m): 축소손실(m) V₂: 축소부의 유속(m/sec) g: 중력가속도(m/sec²)

식(2)에서 K는 축소손실계수로 식(3)을 따르며

에 (3)

K: 축소손실계수

Ac: A₂/A₁대한 축소계수 A₁: 축소 전 단면적 A₂: 축소 후 단면적

또한 급격히 확대되는 경우의 마찰손실은 식(4)와 같다.

(4)

ΔH_R(m): 확대손실(m) V₁: 확대 전의 유속(m/sec) V₂: 확대 후의 유속(m/sec) g: 중력가속도(m/sec²)

식(2)에 의하면 축소되는 오리피스의 직경이 작을수록 축 소계수와 유속의 차가 커서 감압 효과가 크다는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 현재 생산중인 감압밸브를 이용하여 직경이 다른 각 각의 오리피스를 만들고 압력조건 변화에 따른 감압성능을 측정하여 위의 식과 비교하여 일치성을 확인하여 고압에서 적용범위를 파악해 보고자한다.

2.4 시험장치

감압오리피스의 감압성능 측정을 위한 시험 장치는 고 양정용 펌프와 압력조절용 밸브 그리고 각 직경별로 준비 된 오리피스와 호스의 마찰손실을 측정하기위하여 5 m, 10 m, 15 m의 3가지 길이의 소방호스를 준비하였다. 그리 고 정밀한 유량과 압력측정을 위한 디지털압력계와 유량

계가 부착된 측정 기구를 사용하였다. 아래 Figure 5는 실 험장치 설치도이다.

2.4.1 가압펌프

실험에 사용되는 가압펌프는 소방설비에서 많이 사용되 고 있는 원심펌프 중에서 선택하였으며, 설치 공간 및 고 양정 · 저 유량 펌프를 선정기준으로 하여 입형 다단펌프 를 사용하였다. 이에 따라 선정된 펌프성능은 체절압력 1.8 MPa, 정격유량 150 L/min, 정격압력 1.6 MPa의 펌프 이다.

2.4.2 감압용 오리피스

감압용 오리피스는 고무패킹을 제외한 금속 재질(청동) 시제품의 직경이 24 mm이고 감압에 따른 영향을 고려하 여 사용오리피스의 범위를 직경 11~24 mm로 하였고 간격 은 2 mm 기준으로 선정하였다.

이에 따라 사용된 오리피스내경은 24 mm, 22 mm, 20 mm, 19 mm, 17 mm, 15 mm, 14 mm, 13 mm, 11 mm이다.

2.4.3 디지털유량계

유량의 정밀측정을 위해 사용된 디지털 유량계의 유량 범위는 40~400 L/min의 측정범위를 가지며, 오차범위는 0.1 L/min이다.

2.4.4 디지털압력계

방수압력의 정밀측정을 위해 사용된 디지털 압력계의 압 력측정범위는 0~3.0 MPa이고 오차범위는 0.01 MPa이다.

2.5 실험방법

일반적으로 사용되는 옥내소화전설비의 감압오리피스 사용범위는 0.70~1.20 MPa이다. 그 이유는 옥내소화전설 비의 화재안전기준에서 정하는 기준인 0.70 MPa과 대부분 의 소방설비에서 사용되는 기구의 사용압력 한계 값이 1.20 MPa이며, 그 이상의 압력에서는 주 배관상에서 감압 K = 1

A_C --- − 1

⎝ ⎠

⎛ ⎞²

ΔH_R( ) = m (V₁ − V₂)² ---2g

Figure 5. Install drawing of measure for reducing orifices of indoor hydrant.

(5)

밸브를 사용하거나 기타의 감압방법을 통하여 소방설비의 기구를 보호하기 때문이다.

이를 고려하여 준비된 펌프의 성능을 기준으로 오리피 스의 감압능력을 측정하기위해 먼저 앵글밸브에 10 m 호 스를 연결한 후, 감압오리피스를 제거한 상태에서 13 mm 직사형 방수노즐선단의 압력을 0.70 MPa로 설정한 상태에 서 방수량 및 방수압력을 측정한다. 다음으로, 준비된 감 압오리피스를 앵글밸브와 호스사이에 접결한 후 감압된 상태의 방수량 및 방수압력을 측정한다. 계속해서 준비된 오리피스를 순차적으로 접결한 후 방수량과 방수압력을 측정한다. 이를 1차 실험이라 한다.

다음으로 1차 실험 완료 후, 다음으로 동일조건에서 방 수노즐선단의 압력을 0.85 MPa, 0.98 MPa로 설정한 후 같 은 실험을 반복하여 2차, 3차 실험을 실시하여 방수압력 및 방수량을 측정한다. 측정오차를 감소시키기 위해 위의 실험 1회를 추가로 실시하여 2회 측정값의 평균을 결과 값으로 한다.

3. 실험결과 및 분석

3.1 실험결과 3.1.1 1차

1차 실험은 노즐선단의 압력을 0.70 MPa로 설정하여 실 시하였다. 이는 노즐 직경별 감압성능을 측정하여 0.70 MPa 이상의 고압에서의 감압성능을 비교하기 위함이다.

이를 노즐과 방수압력차의 그래프로 나타내면 Figure 7 과 같다. 이를 살펴보면 오리피스 직경이 작을수록(17 mm 이하) 감압성능이 커진다는 것을 알 수 있다.

3.1.2 2차

2차 실험은 노즐선단의 압력을 0.85 MPa로 설정하여 실 시하였다.

이를 노즐과 방수압력차의 그래프로 나타내면 Figure 8과 같다. 이를 살펴보면 오리피스 직경이 작을수록(17 mm 이 하) 감압성능이 커진다는 것을 알 수 있으며, 동일 직경에서

의 감압능력은 0.70 MPa에서 보다 크다는 것을 알 수 있다.

3.1.3 3차

3차 실험은 노즐선단의 압력을 0.98 MPa로 설정하여 실 시하였다.

이를 노즐과 방수압력차의 그래프로 나타내면 Figure 9 와 같다. 이를 살펴보면 앞의 실험들과 같이 오리피스 직 경이 작을수록(17 mm 이하) 감압능력이 커진다는 것을 알 Figure 6. Test for ability of reducing pressure.

Table 2. Result of Flow Rate & Pressure (1st) Reducing

orifices

Flow rate (L/min)

Pressure (MPa)

Difference pressure (MPa)

None 256.6 0.70 0.00

24 mm 252.4 0.68 0.02 22 mm 251.3 0.67 0.03 20 mm 246.7 0.65 0.05 19 mm 243.9 0.64 0.06 17 mm 238.4 0.61 0.09 15 mm 228.3 0.56 0.14 14 mm 221.5 0.52 0.18 13 mm 212.6 0.48 0.22 11 mm 186.5 0.37 0.33

Figure 7. The graph of difference pressure orifice (1st).

(6)

수 있으며, 동일 직경에서의 감압능력은 앞의 2차례의 실 험 보다 크다는 것을 알 수 있다. 이는 급격한 축소에 따 른 손실은 앞의 식(2)와 식(3)에 따라 오리피스의 면적비 에 비례하고, 급격한 확대에 따른 손실은 식(4)에 따라 유 속 차에 비례한다는 것을 증명하는 결과이다.

그리고 1차, 2차, 3차 실험의 결과를 하나의 그래프로

나타내면 Figure 10과 같다.

3.2 분석

각 결과에 따라 말단방수압력을 고려한 압력제한 가능 범위인 방수압력 0.70 MPa 미만 및 반동력 196 N의 기준 을 모두 만족할 수 있는 오리피스직경은 Table 5와 같다.

여기서 Pressure 1은 초기의 방수구 말단 방수압력이고 Pressure 2는 감압오리피스를 통과한 후의 방수구 말단 방 수압력이다.

이의 결과를 기준으로하면 방수구 말단방수압력 0.70~

Table 3. Result of Flow Rate & Pressure (2nd) Reducing

orifices

Flow rate (L/min)

Pressure (MPa)

None 281.3 0.85 0.00

Figure 8. The graph of difference pressure orifice (2nd).

Table 4. Result of Flow Rate & Pressure (3rd) Reducing

orifices

Flow rate (L/min)

Pressure (MPa)

None 302.3 0.98 0.00

Figure 9. The graph of difference pressure orifice (3rd).

Figure 10. The graph of difference pressure orifice (1st, 2nd, 3rd).

Table 5. Result of Friction Loss Pressure 1

(MPa)

Reducing orifices (mm)

Difference oressure (MPa)

Pressure 2 (MPa) 0.7 Below

24

Over 0.02

Below 0.68

0.85 15 0.20 0.65

0.85 14 0.24 0.61

0.85 13 0.29 0.56

0.85 11 0.43 0.42

0.98 14 0.29 0.69

0.98 13 0.38 0.60

0.98 11 0.54 0.44

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0.98 MPa의 범위에 모두 만족하기 위해서는 감압오리피스 직경 14 mm 이하를 사용해야함을 확인할 수 있으며, Figure 6와 Table 5를 검토하면 오리피스의 상대적인 감압 능력은 식(2)와 식(3)에 의거 면적 비에 비례하여 높은 압 력과 작은 직경에서 크다는 것을 알 수 있다.

4. 결 론

소화설비는 화재의 초기진압을 목적으로 사용되어지며, 화재진압은 물론 사용자의 안전도 보장되어야만 그 기능 및 효과가 크게 나타난다. 옥내소화전 설비의 감압장치중 의 하나인 내부에 Rubber를 포함한 방수구 부착형 감압밸 브는 구조적인 문제로 인하여 시간경과에 따라 성능의 저 하가 발생되며, 이로 인하여 사용기간이 길어질수록 감압 밸브의 성능이 저하됨을 확인하였다. 이로 인하여 방수압 력은 높아지게 되고 호스는 노후화되어 고압으로 방사하 는 경우 큰 반동력으로 인하여 소화활동의 제약과 더불어 호스의 파손 등의 위험성이 가중되게 된다. 이에 따라 0.70 MPa, 0.85 MPa, 0.98 MPa의 3단계의 압력에서 오리 피스 직경에 따른 감압능력을 측정하였다. 그 결과

1) 오리피스의 감압능력은 동일 직경에서는 높은 압력이 그리고 동일 압력에서는 감압오리피스직경이 작을수록 크 다는 것을 확인하였다.

2) 0.70 MPa에서 0.98 MPa 범위에서 0.70 MPa 미만의 기준에 적용 가능한 오리피스의 직경은 14 mm 이하의 것 을 사용하여야 한다는 것을 확인하였다.

3) 현재 사용 중인 Rubber 포함형태의 감압밸브는 감압 성능은 좋지만 시간의 경과에 따라 감압성능이 저하하므 로 이를 예방하기 위해서는 방수압력 범위에 맞는 규격의 금속제 감압오리피스를 생산하여 방수압력에 따라 안전하 게 선택하여 사용하고 시간경과에도 성능 저하를 최소화 하여 소화활동에 있어서 사용자의 안전성을 증대시킬 수 있도록 하여야 한다.

4) 예로써 13 mm 직경의 오리피스의 경우 초기방수압력 별 감압능력 및 감압 후 방수압력은 Table 6와 같다. 이를 기준으로 하면 직경 13 mm의 오리피스는 초기방수압력 0.70~0.98 MPa 범위에서 0.48~0.60 MPa로 감압되어 안정 된 압력범위에서 방수가 가능하다는 것이다.

5) 동일한 초기방수압력조건에서 방수압력을 낮추고자 하는 경우 11 mm 직경의 오리피스를 사용하는 경우 0.33~

0.54 MPa의 안정된 압력범위에서 방수가 가능하여 저압방 수가 요구되는 사용자 특성에 적용이 가능하다는 것이다.

또한, 옥내소화전 설비의 초기방수 압력에 따라 사용자 의 설정 방수압력범위를 결정하고자 하는 경우 앞의 3차

례의 실험결과에 따라 설정압력 범위의 조절이 가능하여 고층 건축물에서 소화전의 설치위치에 따른 방수압력차를 감소시켜 사용자의 안전성을 향상시킬 수 있으며, 비철금 속 재질의 감압오리피스는 사용기간에 따른 성능의 저하 가 거의 없어 보다 안정적인 역할을 할 수 있을 것이다.

References

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Table 6. Result of Friction Loss Pressure 1

(MPa)

Reducing orifices (mm)

Pressure 2 (MPa)

0.70 13 0.22 0.48

0.85 13 0.29 0.56

0.98 13 0.38 0.60