A Study on the Properties Analysis of an Iron Fittings Type CSST Damaged by the PCITS

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.4.121

PCITS에 의해 소손된 강이음쇠형 CSST의 특성 해석에 관한 연구

이장우 · 최충석

^†

전주대학교 소방안전공학과

A Study on the Properties Analysis of an Iron Fittings Type CSST Damaged by the PCITS

Jang-Woo Lee · Chung-Seog Choi

^†

Dept. of Fire Safety Engineering, Jeonju Univ.

(Received July 22, 2016; Revised July 29, 2016; Accepted August 16, 2016)

요 약

본 논문에서는 대전류공급장치(PCITS)에 의해 소손된 강이음쇠형(iron fittings type) 금속플렉시블호스(CSST)의 구조 및 전기적 특성을 해석하였다. CSST는 보호 피막, 튜브, 너트, 클램프 링, 플레어 캡, 소켓, 볼 밸브 등으로 구성되어 있다. CSST의 내전압 평가는 전기 충전부와 비충전부 사이에 교류 전압 220 V를 1분간 인가하여 견뎌야 한다. 직류 500 V 에 의한 절연 성능의 평가는 온도 상승 시험 전에 1 MΩ 이상, 시험이 끝난 후에는 0.3 MΩ 이상을 요구한다. 정 상 제품의 평균 저항은 11.5 mΩ이었으나 PCITS로 130 A를 흘려 소손된 제품의 평균 저항 11.50 mΩ이었다. 또한 130 A 가 약 10 s 흘렀을 때 튜브의 보호 피막이 일부 용융되었고, 검정색의 연기가 발생하였다. 60 s 경과되면 튜브의 대부분이 적색으로 발열되며, 전류가 120 s 흘렀을 때는 적열 범위가 넓어졌다. 95%의 신뢰 구간(CI)의 검증에서 P 값 은 0.019로 정규 분포를 갖지 못하였으나 Anderson-Darling (AD) 통계량은 0.896, 표준 편차는 0.5573 등으로 양호한 특성을 나타냈다.

ABSTRACT

This study analyzed the structural and electrical characteristics of an iron fittings type Corrugated Stainless Steel Tub- ing (CSST) damaged by the Primary Current Injection Test System (PCITS). CSST consists of cladding, tube, nuts, clamp ring, flare cap, socket, and ball valve. For an evaluation of the dielectric withstand voltage, the area between the live part and non-live part of the CCST shall withstand a voltage of 220 V AC for one minute. For an evaluation of the insulation performance by 500 V DC, it is required that the insulation exceed more than 1 M Ω before the temperature rise test, 0.3 M Ω after the test. Although the average resistance of the product was 11.5 mΩ, that of the product damaged at a cur- rent of 130 A by the PCITS was 11.50 m Ω. Furthermore, parts of the cladding were melted and black smoke appeared when a current of 130 A applied for 10 s. After 60 s, most parts were heated and turned red. At 120 s, the parts that turned red had widened. Although it did not form a normal distribution because the P value was 0.019 with a confidential inter- val of 95%, it revealed outstanding characteristics with an AD (Anderson-Darling) value of 0.896 and a standard devia- tion of 0.5573.

Keywords : PCITS, Iron fittings type, CSST, CI, Mean, P value, AD, Standard deviation

1. 서 론

산업의 발달과 가스 연소기의 발달로 인한 가스 에너지 의 사용이 모든 산업 현장에서 광범위하게 확장되고 있다.

국내 가스 소비량은 연료용으로 사용하는 액화 석유 가스 와 도시 가스가 2013년도 48,206천톤에서 2014년 44,324 천톤을 증가하였으나 2015년도 41,101천톤으로 약 7.28%

가 감소하였다. 국내의 총 가구는 22,422,161으로 조사되

며, LP 가스 4,836,680, 도시 가스 17,363,525 등으로 약 99.0%의 가구가 가스를 사용하고 있다. 국내 화재정보센 터 통계에 의하면 2015년도에 전국의 화재 발생건수는 44,435건이며, 인명 피해가 2,090명으로서 사망 253명, 부 상 1,837명으로 나타났다. 재산 피해는 433,165백만원이 며, 전체 화재 건수 중에서 가스 화재는 146건으로 0.33%

를 나타나고 있다^(1,2). 가스 연소기의 연결부의 소손으로 가스의 누출이 발생하면 질식이나 중독, 폭발 및 화재 등

†

Corresponding Author, E-Mail: [email protected]

†

TEL: +82-63-220-3119, FAX: +82-63-220-2056

으로 인명 및 재산 피해를 수반하게 된다. 가스를 공급 공 급하기 위한 배관은 압출식 폴리에틸렌피복 강관(Extruded Polyethylene Coated Steel Pipes), 가스용 폴리에틸렌 배 관(Polyethylene Pipe for the supply of gasaeous fuels;

PE), 연료가스 배관용 탄소 강관(Carbon Steel Pipes for Fuel Gas Ordinary Piping; SPPG), 가스용 금속플렉시블 호스(Corrugated Stainless Steel Tubing; CSST) 및 가스용 염화비닐호스(Polyvinyl Chloride Hoses for Gases) 등이 사용되고 있다^(3-6). CSST는 연소기가 고정되어 설치되는 곳에 연소기의 가스 사용 압력이 3.3 kPa 이하인 연소기와 중간 밸브를 연결하는 배관으로 사용하도록 KGS CODE AA 535와 KS D 3625에서 규정하고 있다^(7,8). 가스 설비 에서 발생되는 사고의 유형은 설비의 열화(劣化), 사용자 의 임의 변경, 관리자의 무관심 등에 따라 설비가 위험에 노출되게 되고 사고의 발생 가능성은 상대적으로 높아진 다. 가스 화재는 일반 연소 현상과 다르며, 화재와 폭발이 공존하는 연소 과정으로 지속 시간이 매우 짧다는 특징이 있다. 사고가 발생된 현장에서 원인 규명을 위한 자료의 확보 및 분석 역시 전문적인 지식과 경험이 요구된다. 사 고 조사자는 화재 및 폭발 현장에서 잔존하고 있는 가스 시설물에 대한 이해, 가스 누출 화염의 특징과 패턴, 가스 폭발의 영향과 비산방향 등 현장의 특이점을 종합하여 가 스 사고의 원인을 규명해야 한다⁽⁹⁾.

따라서 본 논문에서는 가스 연소기에 사용되는 강이음 쇠형(iron fittings type) CSST의 구조 및 전기적 특성을 분석하고자 한다. 또한 대전류공급장치(Primary Current Injection Test System; PCITS)를 이용하여 인위적으로 전 기적인 스트레스를 인가했을 때 소손되는 패턴 및 특성 등 을 신뢰성 검증하여 사고 조사자가 현장에서 원인을 규명 하고 해석하기 위한 과학적 자료를 제공하는 데 있다.

2. 강이음쇠형 CSST의 구조 및 규정 분석

가스보일러에 사용되는 연소기용 CSST는 황동이음쇠형 (brass fittings type) 및 강이음쇠형(iron fittings type)이 대 부분 설치되고 있다. Figure 1은 강이음쇠형 CSST를 분해 하고, 디지털카메라로 촬영하여 나타낸 실체 사진이다. 보

Figure 1. Structure and name of an iron fittings type CSST.

Table 1. Ingredient of an Iron Fittings Type CSST Tube Classifications C Si Mn P Component % 0.08 1.0 2.0 0.045 Classifications Ni S Cr - Component % 8.0 0.03 18.0 -

Table 2. Relation with Insulation State and Test Voltage Voltage

Insulating state

Test voltage, V Temperature rise test Before and after water sprinkling After Basic insulation that safety extra-

low voltage are approved

0500 0500

Table 1은 튜브의 성분을 나타낸 것으로 크롬(chromium;

Cr)이 18.0%로 가장 많이 함여하고 있으며, 다음으로 니켈 (nickel; Ni) 8.0%, 그밖에 망간(manganese; Mn), 실리콘 (silicon; Si), 구리(copper; Cu), 인(phosphorus; P), 황 (sulfur; S) 등이 소량 포함되어 있다⁽¹¹⁾.

가스 연소기는 내전압 성능 기준을 준수할 것을 요구하 고 있다. 자연배기식은 KGS AB 133, 가스보일러 강제급 배기식은 KGS AB 131, 가스오븐레인지는 KGS AB 332, 가스오븐은 KGS AB 333 등을 적용 받는다^(12-17). 또한 가 스오븐레인지는 KS B 8115, 가스보일러 KS B 8109 등을 적용 받는다. Table 2는 가스오븐레인지 및 가스오븐의 절 연 상태 및 시험 전압을 나타낸 것이다. 교류 전원을 사용 하는 경우에 내전압은 전기 충전부와 접지할 우려가 있는 비충전부 사이에 교류 전압을 연속하여 1분간 인가하여 충분히 견딜 것을 요구한다.

Table 3은 가스 연소기에 사용되는 CSST의 절연 성능 기준을 비교한 것이다. 대부분의 가스 연소기의 절연 성능

평가는 충전부와 비충전분의 사이를 측정하여 일정 수준 이 되도록 요구한다. KGS CODE에서는 1 MΩ 이상의 절 연 성능을 요구하고 있다. 그런데 콘덴싱가스보일러와 가 스오븐레인지는 온도 상승 시험의 전에는 1 MΩ 이상을 요구하고 있고, 온도 상승 시험이 끝난 후에는 0.3 MΩ 이 상을 요구한다. 또한, 교류 전원을 사용하는 가스오븐은 직류 500 V 절연저항계를 사용하여 절연저항을 측정하여 그 값이 1 MΩ 이상을 얻을 수 있어야 한다^(12-17).

3. 강이음쇠형 CSST의 저항 측정 및 분석

Figure 2는 강이음쇠형 CSST를 초저항측정기(3541

Resister Hightester, 0~1000 V, Hioki Co., Japan)로 저항 을 측정하는 과정을 나타낸 실체 사진이다. CSST의 너트 와 이음쇠의 체결 토크는 KGS CODE AA 535에서 동합 금 재질이고, 직경이 15 A인 경우 27.46~42.17 N · m로 규 정하고 있다. 저항 측정이 진행된 실험실의 온도는 20~

22^oC, 상대습도는 18 ± 2%로 일정하게 유지하였다. 강이 음쇠형 CSST의 저항 측정은 튜브와 볼밸브의 양단에서 전극을 반복하여 측정하였다.

Table 4는 정상 제품의 저항을 측정하여 나타낸 것이다.

체결 상태의 정확한 해석과 신뢰성을 검증하기 위해 동일 한 환경에서 30회 측정한 것이다. 초저항측정기로 저항을 Table 3. Relation with Insulation State and Insulation Resistance

Code

Classi. KGS CODE AB133, AB131, AB332, AB333 KS B 9109, 8115 Natural exhaust

Non-charging part interval with charging part

More than 1 MΩ -

Compulsion air supply and exhaust

More than 1 MΩ, Safety device separation

-

Condensing gas

boiler - Temperature

rise test

Before More than 1 MΩ After water

sprinkling More than 1 MΩ After More than 0.3 MΩ Gas oven range More than 1 MΩ,

Non-charging part interval with charging part

Temperature rise test

Before More than 1 MΩ After More than 0.3 MΩ Gas oven

More than 1 MΩ,

Non-charging part interval with charging part, D.C. 500 V Megger

-

Figure 2. Measurement resistance of an iron fittings type CSST.

Table 4. Resistance of an Iron Fittings Type Normal Product CSST

No. Resistance, mΩ No. Resistance, mΩ

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10 11.7 25 11.7

11 11.1 26 11.8

12 11.0 27 11.6

13 11.2 28 11.3

14 11.7 29 11.7

15 11.7 30 11.9

측정하기 전 0점 보정을 실시하여 오차 발생을 최소로 하 였으며, 일정한 위치에 측정 단자를 연결하여 측정을 실시 하였다. 가장 낮게 측정된 저항은 11.0 mΩ이었고, 가장 높 게 측정된 저항은 11.9 mΩ이다. 또한 30회 측정된 저항의 산술 평균은 11.5 mΩ으로 계산되었다. 황동이음쇠형의 평 균 저항 7.36 mΩ 보다 4.14 mΩ 큰 것을 알 수 있었다.

Figure 3은 강이음쇠형 CSST의 대전류에 의한 소손 특성 을 실험이 진행될 때의 개략도이다. 대전류공급장치(PCITS) 의 정격은 240 V, AC 50/60 Hz이다. 또한 Control Unit은 ODEN AT, 240C, Current Unit은 240 × 2 set, Cable Set은 2 W × 5 m × 120 mm² GA-12052 등이다. PCITS는 Charger1, Charger2, Controller, Power cable 등으로 구성되어 있다.

대전류가 일정하게 공급될 수 있도록 PCITS는 2 hr 이상 충전하여 시스템을 안정화시킨 후 실험을 실시하였다. 전 원 공급 케이블은 노출 배선하여 애자(insulator)와 새들 (saddle)을 이용하여 고정시켰으며, 실험 과정은 디지털카 메라(Digital Camera, D90, Nikon, Japan)로 촬영하여 분 석하였다. 실험이 진행되는 동안 전류 통전 유무는 제어기 (controller) 및 클램프미터(3541 Clamp on Leak Hitester,

0~200 A, Hioki Co., Japan) 등으로 확인하였다.

Figure 4는 PCITS를 이용하여 강이음쇠형 CSST에 대 전류를 공급할 때의 전류 크기 및 공급 시간 등의 관계를 나타낸 것이다. 대전류의 크기는 저압 옥내 전기설비에서 단락 사고가 발생했을 때 통전되는 전류가 약 100~400 A 이므로 사고 전류⁽¹⁸⁾를 가정하여 본 실험에서는 130 A의 전류를 120 s 동안 공급하였다. 그리고 설정된 시간이 경 과되면 전류의 공급을 중단하였으며, 실온 상태에서 자연 냉각시켜 상온에 도달하였을 때 특성을 분석하였다.

Figure 5는 PCITS를 이용하여 강이음쇠형 CSST에 대 전류 130 A를 공급하여 소손되는 과정을 나타낸 실체 사 진이다. Figure 4(a)는 실험이 시작되기 직전의 준비 상태 를 나타낸 것으로 좌측 단자(+)에 볼 밸브를 접속하였고, 우측 단자(−)에 튜브를 연결하였다. Figure 4(b)는 130 A 의 전류가 10 s 흘렀을 때의 실체 사진으로 튜브의 표면을 감싸고 있는 보호 피막이 일부 용융되고 검정색의 연기가 발생하는 것을 알 수 있다. Figure 4(c)는 15 s 흘렀을 때 의 실체 사진으로 보호 피막은 대부분 용융 소손되고 없는 것을 알 수 있다. 그리고 튜브가 적색으로 발열되고 있으 며, 양끝은 진한 갈색이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

또한 그 밖의 다른 부분에서는 열적 스트레스로 인해 변형 되는 형태가 나타났다. Figure 4(d)는 60 s 흘렀을 때의 실 체 사진으로 튜브의 대부분이 적색으로 발열되고 있는 것 을 알 수 있다. 그리고 연기의 발생이 줄어들었으며, 클램 프 링과 소켓의 일부가 변색된 것을 알 수 있다. Figure 4(e)는 90 s 흘렀을 때의 실체 사진으로 적열 범위가 점점 커지고 있고, Figure 4(f)는 120 s 흘렀을 때의 실체 사진 Figure 4. Current supplied to the CSST using the PCITS and

supply time.

Figure 5. Reliability verification of the iron fittings type CSST damaged for 120 s with the current of 130 A gener- ated by the PCITS.

Figure 3. Schematic diagram for the test supplying overcur- rent to the CSST using the PCITS.

으로 연기의 발생은 거의 없는 것으로 확인되었다.

Table 5는 PCITS를 이용하여 대전류 130 A를 강이음쇠 형 CSST에 흘려 소손된 제품의 전기적인 스트레스를 저 항을 측정한 것이다. 초저항측정기로 저항을 측정하기 전 0점 보정을 실시하여 오차 발생을 최소로 하였으며, 일정 한 위치에 측정 단자를 연결하여 측정을 실시하였다. 가장 낮게 측정된 저항은 10.50 mΩ이었고, 가장 높게 측정된 저항은 12.37 mΩ이다. 또한 30회 측정된 저항의 산술 평 균은 11.32 mΩ으로 계산되었다. 정상 제품일 때 강이음쇠 형의 평균 저항 11.50 mΩ과 유사한 특성을 나타냈다. 그 러나 정상 제품의 저항의 편차에 비해 약간 증가한 것으로 확인되었다. 즉, 전기적 스트레스가 증가하면 튜브의 저항 도 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 금속의 저항과 온도 특성과 유사한 것을 알 수 있다.

Figure 6은 PCITS로 130 A의 대전류를 120 s 동안 강이 음쇠형 CSST에 흘려 소손된 실체 사진을 나타낸 것이다.

Figure 6(a)는 실험이 종료된 후 자연 냉각되었을 때의 표 면 실체 사진으로 튜브의 표면 보호막은 대부분 용융되어 없어졌을 뿐만 아니라 금속재료인 튜브 자체도 심하게 변 색된 것이 확인되며, 너트의 표면이 오염된 것을 알 수 있 다. Figure 6(b)는 표면 소손이 심하게 발생한 부분을 확대 하여 나타낸 실체 사진이다. 튜브의 표면을 보호하기 위해 사용된 표면 보호막이 녹아서 대부분 없어진 것이 명확하 게 확인되며, 너트와 튜브가 체결되는 부분의 틈새에 보호 피막이 일부 남아 있는 것을 알 수 있다. Figure 6(c)는 소 손된 강이음쇠형 CSST를 분해한 실체 사진이며 전기적인 스트레스를 많이 받은 부분과 적게 받은 부분이 명확하게

구분되었다. 특히, 금속의 저항이 크고 부피가 적은 튜브 의 소손이 집중적으로 발생했으며, 너트와 튜브의 연결 부 위도 소손이 많이 발생된 것을 알 수 있었다. 즉, 금속의 전기 저항이 크거나 접속부의 접촉 저항 또는 경계 저항 등이 큰 곳에서 전기적인 열화가 발생한다는 것을 알 수 있었다. 그러므로 사고 원인 조사를 실시할 때 이와 같은 현상 및 패턴 등이 확인된다면 CSST에 전기가 통전되어 사고를 유발시켰다고 판단하는 것이 과학적인 근거이다.

Figure 7은 PCITS에 의해 130 A의 대전류를 120 s 동안 강이음쇠형 CSST에 인가한 후 소손된 제품의 신뢰성을 검증한 그래프이다. 신뢰성 검증은 미니탭 프로그램 17 (Mini tap PGM 17)을 사용했으며, CCST의 신뢰성을 확보 하기 위해 중심 극한의 정리(Central Limit Theorem; CLT) 에 따라 저항은 30회를 반복하여 측정하였다. Figure 7(a) 는 95%의 신뢰도에 대한 평균을 나타낸 것으로 최대 11.53 mΩ, 최소 11.11 mΩ으로 해석되었다. 또한 신뢰 구 간(Confidence Interval; CI)에 대한 평균 저항(mean Table 5. The Resistance of the Iron Fittings Type CSST

Electrically Stressed with the Current of 130 A Generated by the PCITS

No. Resistance, mΩ No. Resistance, mΩ

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10 10.88 25 10.63

11 11.02 26 11.37

12 11.31 27 10.68

13 11.15 28 10.50

14 11.44 29 11.54

15 11.18 30 11.53

Figure 6. The actual photograph of the iron fittings type CSST damaged for 120 s with the current of 130 A gener- ated by the PCITS.

resistance)은 11.32 mΩ으로 해석되었고, 산출적인 평균 저 항 11.5 mΩ 보다 약간 적은 것으로 해석되었다. 즉, 산술 적인 값과 신뢰 구간에서 값의 차가 0.18 mΩ으로 참값에 대한 오차는 약 1.56%로 낮게 해석되었다. Figure 7(b)는 소손된 강이음쇠형 CSST의 저항 값을 확률도로 나타낸 그림이다. 분포된 데이터가 특정한 확률 분포를 나타내기 위해서는 일직선의 회귀선에 가까워야 한다. 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 각각의 분포가 대부분 3개의 곡선 안에 있는 것으로 보아 직선의 회귀선은 적합한 것을 알 수 있고, 곡선은 95%의 신뢰 구간 기준으로 해석한 것이 다. 일반적으로 신뢰 구간에서 유의 수준인 P값이 0.05 이 하를 요구하고 있으나 실험에서 측정된 저항 값은 0.019로 확인된바 소손된 CSST의 저항 값은 정규 분포를 갖지 못 하는 것으로 해석되었다. 그리고 AD는 Anderson-Darling 의 약자로서 AD 통계량은 데이터가 특정 분포에 얼마나 적합한가를 나타낸다. AD 값이 작을수록 해당 분포가 데 이터에 더 적합하다는 것을 나타낸다. AD 검정은 경험적 누적 분포 함수를 기초로 한 검정 방법으로 우수한 검정력 을 가지며, 분포의 높은 값과 낮은 값 사이에서 정규 분포 로부터 이탈을 탐지하는데 효과적이다. 검정 절차는 가설을 세운 후 데이터를 오름차순으로 정렬하며, 소손된 CSST 의 AD는 0.896으로 해석되는바 데이터의 해당 분포는 양 호한 것으로 판단된다. 또한 표준 편차(Standard Deviation;

SD)는 0.5573으로 해석되었다. Figure 7(c)는 CSST의 저 항을 히스토그램으로 나타낸 것으로 평균은 11.32 mΩ이 고, 표준 편차는 0.5573이다. 그래프의 패턴은 중심부에 잘 배치된 것으로 판단되며, 좌측으로 약간 편측 되어 있

는 것을 알 수 있다. 또한 우측의 일부 데이터가 이탈되어 있는 것으로 보아 측정 과정에 실수 또는 측정 단자의 연 결 불량 등이 있었던 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 논문에서는 PCITS에 의해 소손된 강이음쇠형 CSST 의 구조 및 전기적 특성을 해석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

(1) 강이음쇠형 CSST는 보호 피막, 튜브, 너트, 클램프 링, 플레어 캡, 소켓, 볼 밸브 등으로 구성된 것을 알 수 있 었다. 플레어 캡의 재질은 구리로 되어 있었고, 연신이 가 능하여 한 번 체결하면 기밀성이 우수할 것으로 판단된다.

(2) CSST의 내전압 평가는 전기 충전부와 접지할 우려 가 있는 비충전부 사이에 교류 전압을 연속하여 1분간 인 가하여 견디도록 되어 있다. 또한 절연 성능의 평가는 직 류 500 V 절연저항계를 사용하며, 온도 상승 시험 전에 1 MΩ 이상을 요구하고 있으나 온도 상승 시험이 끝난 후 에는 0.3 MΩ 이상을 요구한다.

(3) 정상 제품의 강이음쇠형 CSST의 평균 저항은 11.5 mΩ이었으나 PCITS로 130 A를 흘려 소손된 CSST의 평 균 저항 11.50 mΩ이었다. 또한 130 A의 전류를 CSST에 흘리면 약 10 s 경과할 때 튜브의 표면을 감싸고 있는 보 호 피막이 일부 용융되고 검정색의 연기가 발생한다. 그리 고 60 s가 경화하면 튜브의 대부분이 적색으로 발열되며, 전류가 120 s 흘렀을 때는 튜브의 적열 범위가 넓어졌으며, 연기의 발생은 거의 없는 것으로 확인되었다.

Figure 7. Reliability verification of the iron fittings type CSST damaged for 120 s with the current of 130 A generated by the PCITS.

(4) CSST에 대한 95%의 신뢰도 검증에서 저항은 11.53~

11.11 mΩ이었고, 평균 저항은 11.32 mΩ으로 해석되었다.

그리고 95%의 신뢰 구간 분석에서 P 값은 0.019로 정규 분포를 갖지 못하는 것으로 해석되었고, AD는 0.896으로 해석되어 양호한 것으로 판단된다. 또한 히스토그램에 의 한 표준 편차는 0.5573로 비교적 중심부에 위치한 것으로 해석되었다.

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