A Study on the Possibility of using Light-Wall Stainless Steel Pipe for Water-Based Fire Protection System

논 문]

수계소화설비용 경량벽 스테인리스 강관의 사용가능성 평가에 관한 연구 A Study on the Possibility of using Light-Wall Stainless Steel Pipe

for Water-Based Fire Protection System

남준석^†·원성연*·김영호*·민경탁**·박승민***

Jun-Seok Nam

· Sung-Yeun Won* · Yong-Ho Kim* · Kyung-Tak Min** · Seung-Min Park***

한국소방산업기술원, *포스코기술연구원, **인천대학교, ***사파이어 (2010. 8. 4. 접수/2010. 10. 8. 채택)

요 약

수계소화설비에 사용되고 있는 관으로는 배관용 탄소강관, 압력배관용 탄소강관, 동관 등이 사용되고 있 다. 최근 건축물의 고층화, 복합화로 소화설비에는 내식성이 우수하고, 시공성이 간편하며, 가볍고 경제적 인 관의 사용이 고려되고 있다. 이러한 특징을 가진 스테인리스 강관과 기존에 사용되고 있는 동관의 물 성, 강도, 내식성, 내열성 등의 비교를 통해 스테인리스 강관의 소화설비로의 사용 가능성을 평가하고자 하였다. 그 평가결과로 경량벽 스테인리스 강관인 일반배관용 스테인리스 강관(KS D 3595)은 1.2MPa 미만의 압력에서 수계소화설비에 사용될 수 있는 충분한 물성, 강도, 내식성, 내열성 등을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.

ABSTRACT

The pipes using in water-based fire protection systems are used steel pipes for ordinary piping, car- bon steel pipes for pressure service, copper and copper alloy seamless pipes and tubes, etc. By last buildings of high-rising, complexity, in fire protection systems, the corrosion resistance, easy construc- tion, lightweight and cost-effective use of the pipes is being considered. Among the pipes, the possi- bility of used for fire protection system being used in the existing copper pipe of material properties, strength, corrosion resistance, heat resistance through and compare the performance was evaluated. As a result of that assessment light gauge stainless steel pipes for ordinary piping (KS D 3595) at a water pressure of less than 1.2 MPa can be used in sufficient physical properties, strength, corrosion resis- tance, heat resistance and have been observed.

Key words : Light gauge stainless steel pipes for ordinary piping, Fire protection system, Strength, Corrosion resistance, Heat resistance

1. 서 론

스테인리스 강관은 친환경소재로 기계적 강도, 내식 성, 내열성 등의 물성이 다른 관과 비교하여 우수하나 가격이 비싸고 용접조건이 까다로우며, 가공의 어려움 등으로 사용을 기피하고 있으며, 해당 소화설비의 관 련 규정에 그 사용여부에 대한 기준이 없어 적용하기 를 꺼려하고 있다.

최근 건축물은 초고층화, 대형화, 복합화되면서 설계

자, 시공자 등은 공기의 단축, 건축시공환경, 내진화 등 을 고려하고 있다.

현재 사용되고 있는 동관은 관내를 통과하여 흐르는 물에 의해 주위가 푸르게 되는 청수현상과 이성재질과 의 연결부에서 발생하는 부식문제 등에 대한 문제가 있고, 강관은 부식문제와 용접으로 인한 시공환경의 오 염 등이 발생한다.

소화설비의 연구자, 설계자 등은 이러한 관을 대체 할 수 있는 것으로 합성수지배관과 스테인리스배관을 주목하고 있고 이러한 관은 경량화, 무용접화, 시공의 편리성 등의 장점이 있다.

†E-mail: [email protected]

본 연구에서는 경량벽 스테인리스 강관인 일반배관 용 스테인리스강관(KS D 3595)의 소화설비로 사용가 능성을 동관과의 물성비교 및 성능비교를 통해 확인하 고자 한다.

2. 소화설비 관 종류

2.1 국내에서 사용되는 관 종류

소화설비에 사용되는 배관은 배관 내 사용압력이 1.2 미만일 경우 KS D 3507(배관용 탄소강관)을, 1.2 이상 일 경우 KS D 3562(압력배관용 탄소강관)를 사용하고 있으며, KS D 5301(이음매 없는 구리 및 구리합금 관) 이나 이와 동등 이상의 강도小뻥캬½ 및 내열성을 가 진 것을 사용할 수 있다.

구리합금 관(이하 동관)의 경우 국가화재안전기준 중

‘스프링클러설비’, ‘간이스프링클러설비’, ‘이산화탄소 소화설비’, ‘할로겐화합물소화설비’, ‘청정소화약제소화 설비’, ‘분말소화설비’는 KS D 5301만을 사용하도록 하고 있고, ‘옥내소화전설비’, ‘화재조기진압용스프링클 러설비’, ‘물분무소화설비’, ‘포소화설비’, ‘옥외소화전 설비’는 KS D 5301 또는 동등 이상의 강도·내식성 및 내열성을 가진 것을 사용할 수 있다.

2.2 외국에서 사용되는 관 종류

일본¹⁾소방법시행규칙에서는 수계소화설비의 사용배

관으로 일본공업규격 G3442, G3448, G3452, G3454 혹 은 G3459에 적합한 관 또는 이와 동등 이상의 강도, 내식성 및 내열성을 갖은 금속제 관을 사용하도록 하 고 있다. 일본에서는 법규상에서 동관을 수계소화설비 용으로 사용하고 있지 않다. 다음 Table 1에서는 배관 종류에 따라 KS와 JIS의 규격을 비교하였다.

미국²⁾의 경우 스프링클러설비의 초기형태로 1852년 에 개방배관으로 설치하였고, 1864년에 최초로 스프링 클러설비가 개발되었다. 이후 스프링클러설비의 배관 이 발전되면서 흑철관(black iron)이 사용되었고, 1892 년에 강관(steel pipe)으로 대체되었다. 1960년대에 동 관이 스프링클러시장에 진입하였으며, 1980년대에 CPVC(Chlorinated Poly Vinyl Chloride), PB(PolyButylene) 관이 사용되었고, 경량벽 강관(light-wall steel pipe)³⁾이 스프링클러배관으로 승인되어 사용되고 있다.

독일 VdS(Vertrauen durch Sicherheit, Trust through Safety)⁴⁾에서 수계소화설비용으로 승인된 스테인리스강 관 및 관련 이음쇠의 승인현황은 Table 2와 같다.

기타 스테인리스강관을 사용하는 규정으로는 BS 304/

316과 DIN EN 10088-2가 있으며, 승인기관으로는 독 일(VdS, Germanischer Lloyd, Lloyds Register), 미국 (FM, American Bureau of Shipping), 영국(LPCB), 노

Table 1. Comparison of Specification between KS and JIS Name of Pipe Code No. Sign

Galvanized Steel Pipes for Water Service

JIS G 3442 SGPW KS D 3537 SPPW Light Gauge

Stainless Steel Pipes for Ordinary Piping

JIS G 3448 SUS304TPD/316TPD KS D 3595 STS 304 TPD/STS 316

TPD Carbon Steel

Pipes for Ordinary Piping

JIS G 3452 SGP

KS D 3507 SPP ZINC WATER Steel Pipes

for Pressure Service

JIS G 3454 STPG 370/STPG 410 KS D 3562 SPPS 370/SPPS 410

Stainless Steel Pipes

JIS G 3459 SUS304TP/304HTP/

304LTP/309TP/309STP KS D 3576

STS304TP/STS304HTP/

STS304LTP/STS309TP/

STS309STP

Table 2. List of Stainless Steel Pipe Systems by Approved by VdS

Owner of approvals Contents of Approvals Chibro S.p.A.

Approval no.: G4050052

“CHIBRO Pressfitting”

DN 20~DN 100 Geberit Mapress GmbH Approval no.: G4910039

“mapress” DN 20~DN 100 NiroSan MultiFit

Edelstahlleitungs system GmbH &Co.

KG

Approval no.: G4090010

“NiroSan Press Industry - Serie 18000” DN 20~DN 80 Raccorderie Metalliche

S.p.A.

Approval no.: G4060006

“inoxPRES”

Tyco Fire & Building Products

Approval no.: G4090002

“G-Press Stainless Steel Sprinkler”

Viega GmbH &Co. KG

Approval no.: G4070017

“Sanpress Inox”

DN 20~DN 100 VSH Fittings B.V.

Approval no.: G4080037

“VSH Press Sprinkler Edelstahl”

르웨이(Det Nurske Veritas), 이탈리아(Registro Italiano Navale) 등이 있다.

설치된 사례로는 Cognis, chemical plant(Düsseldorf), Misubishi Papers, paper production(Bielefeld), BMW, automobile production(Leipzig) 등이 있다.

3. 동관 및 스테인리스 강관의 성능비교

동관과 스테인리스 강관의 소화설비 사용가능성을 평가하기 위해 다음과 같이 관련 KS규격 및 강도, 내 식성, 내열성 등의 성능을 비교하였다.

3.1 KS규격에 의한 비교

KS D 3595(일반배관용 스테인리스 강관)은 용접선 (Seam)이 있는 경량벽(Light-wall) 강관으로 급수, 급탕, 배수 등의 배관에 사용되며, 화재안전기준에 소화설비 에 사용할 수 있는 ‘KS D 5301(이음매 없는 구리 및 구리합금 관) L 형식’은 의료, 급배수, 급탕, 냉난방 등 에 사용되는 관이다. 두 관의 KS규격에 따른 인장강도 및 연신율의 물성을 Table 3에 비교하였다.

관벽의 두께는 Figure 2와 같이 동일호칭지름에서 KS D 3595가 약간 적음을 확인하였다.

수압시험압력은 KS D 3595의 경우 일정하게 적용 하고 있으나, KS D 5301은 호칭지름이 클수록 적어짐 을 Figure 3에서 알 수 있다. 수계소화설비는 토출측의 압력과 유량을 규정하고 있으므로 수압시험압력은 호

칭지름이 커질수록 높아진다. 따라서 수계소화설비에 사용되는 배관의 수압시험압력은 호칭지름이 커질수록 높아지거나 일정한 것이 바람직할 것으로 판단된다.

3.2 강도

두 관의 성능비교를 위해 Figure 4와 같이 스테인리 스 강관은 용접부 특성을 고려하여 인장시편(KS 12A) 을 용접부분과 용접부가 없는 부분의 물성을 각각 고 려하여 각각 채취하였고, 동관의 경우 이음매가 없으 므로 관의 길이방향으로 인장시편을 채취하여 재료의 물성자료를 확보하였다. 시험편은 시중에 판매되는 소 화배관용 동관과 수도용 스테인리스 강관을 사용하였다.

채취된 시험편으로 물성을 측정한 결과는 Table 4와 같으며, 응력-변형율 선도는 Figure 5와 같다. 시험시료 는 호칭지름 50으로 하였으며 성능비교를 위한 강도시 Figure 1. Installation of light-wall stainless steel pipe.

Table 3. Comparison of Tensile Strength and Elongation Codes

Items KS D 3595: 2008 KS D 5301: 2008 Strength Min. 520 N/mm² Min. 205 N/mm² Elongation Vertical Min. 35%,

Width Min. 25% Min. 40% 이상

Figure 2. Comparison of thickness.

Figure 3. Comparison of Hydrostatic pressure.

Figure 4. Sample locations of tensile specimens.

험압력은 「스프링클러설비의 화재안전기준」⁵⁾중 배관 용 탄소강관의 최고사용압력인 1.2MPa에 5배의 압력 (6MPa)을 본체 강도시험압력으로 하였다.

유한요소해석은 ABAQUS/CAE를 활용하였고 Von Mises의 항복조건을 이용하여 강도를 확인하였다. 이 항복조건은 다음 식(1)과 같다.

(1) 주응력성분 σ1, σ2및 σ3의 항복조건은 다음 식(2)와 같다.

(2)

항복응력의 온도나 습도의 변화에 의해 생기는 고유 하중벡터를 생략할 경우 본 해석 문제의 증분형 정식 화로 풀어야할 유한요소방정식⁶⁾은 다음 식)3)과 같다.

[K^εp]{∆U} = {∆F} (3)

여기서 [K^εp]는 각 요소의 탄소성 강성매트릭스를 조 립함으로써 얻어지는 구조 전체의 강성매트릭스, {∆U}

는 절점 변위 증분의 벡터, {∆F}는 절점력 증분의 벡 터를 표시한다.

유한요소해석결과는 Figure 6 및 Figure 7과 같으 며, 6MPa의 수압력에서 스테인리스강관과 동관 모두 탄성한도를 넘지 않아 소성변형이 발생하지 않음을 σ = 1

2---[(σ_y − σ_z)² + (σ_z − σ_x)² + (σ_x − σ_y)² + 6(τ_yz² + τ_zx² + τ_xy²)]

12 ---

σ = 1

2---[(σ2 − σ3)² + (σ3 − σ1)² + (σ1 − σ2)²]

12 ---

Table 4. Compared of the Material Properties about Stainless Steel and Copper Pipe

Direction Materials Thick. (mm) Y.S. (MPa) U.S. (MPa) El. (%) 비고

00

1.20 373.9 723.4 44.0 용접부 포함 ②

Copper 1.78 349.8 359.3

06.4

90^o STS 304 1.20 309.2 699.7 42.6 용접부 포함 ③

Copper 1.78 326.7 352.1

02.6

Figure 5. Stress-Strain diagram of stainless steel and copper pipes.

Figure 6. The result of the KS D 3595.

Figure 7. The result of the KS D 5301.

확인하였다. 관에 발생하는 최대 Von Mises 응력은 스테인리스 강관의 경우 105.1MPa이고 이는 항복강 도의 약 30.1%이며, 동관의 경우 85.05MPa이고 항복 강도의 약 24.3%이다. 이 결과는 동일크기의 관에서 스테인리스 강관의 두께가 0.58mm 적음을 감안하지 않았다.

이 해석결과는 내부압력이 p인 관에서 σ1=σθ= (pD/

2t), σ2=σl= (pD/4t)이고 σ3=− r이므로 이를 항복조건 식에 대입하여 계산한 결과와 유사함을 Table 5에서 보 였다.

시험압력 6MPa로 수행한 본체강도시험을 통해 두 관의 성능을 비교한 결과 스테인리스 강관은 영구변형 이 없었으나 동관은 영구변형이 미미하게 발생하였다.

본체강도시험결과는 Figure 8에 스테인리스 강관의 결 과를 Figure 9에 동관의 결과를 나타내었다.

3.3 내식성

동관의 부식형태는 균일부식(Uniform Corrosion), 침 식(Erosion), 공식(Pitting Corrosion) 등이며, 스테인리 스 강관의 부식형태는 공식, 응력부식(Stress Corrosion), 입계부식(Intergranular corrosion), 틈새부식(Crevice corrosion) 등이다.

A.M.Alfantazi 등⁷⁾의 연구에 따르면 스테인리스는 (3~14) pH까지 안정적인 부동태 피막을 유지하지만, 구 리는 (7~14) pH까지 부동태 성질을 보인다. 그러므로 중성의 수돗물에서 구리는 수용액내 화학조성의 불균 일 조건 발생 시 부동태 파괴에 의한 부식발생 가능성 이 높다. 양극분극시험에서 인가전압에 따른 전류변화 감지 전위 값(Eb)을 측정하는데 이 값이 높을수록 부 동태 안정성이 높다.⁸⁾

시험방법은 25^o의 온도, (6~14) pH, 1 M NaCl 용액 내에서 1mV/sec로 양극분극시험을 통해 두 관의 내식 성을 비교한 결과, 스테인리스 강관의 Eb(Breakdown Potential)는 (0.2~0.3) V SCE(Saturated Calomel Electrode) 지만, 구리의 경우 (−0.3(6 pH)~+0.1) V SCE로 나타나 스테인리스 강관의 Eb가 높음을 알 수 있었다.

또한, 18개월(1.5m³/day) 수돗물환경에서 두 관을 부 식시험한 결과 Figure 10과 같이 스테인리스강관에서 는 부식이 발생하지 않은 반면에 동관의 경우 부식이 시작되었다.

3.4 내열성시험

두 관의 내열성을 비교하기 위해 「분기배관의 성능 Table 5. Results of the Strength about Stainless Steel and Copper Pipe

Materials Code DN O.D. Result of Simulation (Von Mises Stress)

Result of Calculation (Stress in Pipe)

STS 304 KS D 3595 50 su 48.6 105.1 107.1

Copper KS D 5301 50 53.98 85.05 82.3

Figure 8. The result of the body strength test of the KS D 3595.

Figure 9. The result of the body strength test of the KS D 5301.

Figure 10. Results of Corrosion test about stainless steel and copper pipes.

시험기술기준」 제8조⁹⁾의 시험방법을 이용하였다.

시험방법은 두 관을 Figure 11과 같이 만들어 (1000 ± 50) ^oC로 유지되는 가열로에 넣어 30분간 유지시킨 후 꺼내어 상온까지 식혔을 때 변형이 없어야 하며, 본체 강도시험에서 누설 또는 변형 여부를 확인하는 것이다.

Table 6과 같이 내열성시험 후 두 관 모두 길이 및 외경 변화는 없었으나 본체강도시험에서 스테인리스 강관은 변화가 없었으나, 동관의 경우 연결니플이 해 Figure 11. Statement of Copper pipe after heat-resistance

test.

Figure 12. The specimen of the pips.

Table 6. The Comparison of the Heat-Resistance Test about Stainless Steel and Copper Pipes Kinds of

Pipes Size Measurement State A B C

① ② ① ② ① ②

Stainless Steel Pipe

30A

Length Before 107.2 107.0 107.1 107.1 107.2 107.2 Length After 107.2 107.0 107.1 107.1 107.2 107.2 Out Dia. Before 34.04 34.03 34.18 34.03 34.06 34.04 Out Dia. After 34.04 34.03 34.18 34.03 34.06 34.04

50A

Length Before 153.4 153.2 153.1 153.1 153.0 153.1 Length After 153.4 153.2 153.1 153.1 153.0 153.1 Out Dia. Before 48.42 48.92 48.72 48.69 48.59 48.60 Out Dia. After 48.42 48.92 48.72 48.69 48.59 48.60

Copper pipe

30A

Length Before 110.1 110.0 109.9 110.0 110.1 110.0

50A After - - - - - -

Out Dia. Before 35.14 34.76 34.10 34.78 34.99 34.85

Out Dia. After - - - - - -

50A

Length Before 169.9 170.0 170.1 170.1 170.0 170.0

Length After - - - - - -

Out Dia. Before 53.78 54.21 53.87 54.27 53.85 54.12

Out Dia. After - - - - - -

Figure 13. Ignition for fire test.

당 온도에서 녹아 시험이 불가능하였다.

3.5 화재시험

스테인리스 강관의 내화성능을 확인하기 위해 「소 방용합성수지배관의 성능시험기술기준」 제16조¹⁰⁾의 시 험방법을 이용하였다.

Table 7의 조건에 따라 화재시험을 실시한 후, 내압 시험을 통해 그 성능을 확인한 결과 이상이 없었다.

4. 결 론

소방배관에 사용되는 동관의 강도, 내식성 및 내열 성을 기준으로 일반배관용 스테인리스 강관의 성능을 비교한 결과 다음과 같다.

1) KS규격 비교를 통해 동관은 호칭지름이 커질수 록 수압력이 적어지고, 일반배관용 스테인리스 강관은 동일한 수압력을 갖는다. 가지배관의 압력을 기준으로 가압송수장치를 설계하는 소방설비의 특성을 고려할 때 일반배관용 스테인리스 강관이 보다 사용환경에 적 합한 것으로 판단된다.

2) 6MPa의 압력으로 강도를 비교한 결과, 관에 발생 하는 최대 Von Mises 응력은 스테인리스 강관의 경우 항복강도의 약 30.1%이며, 동관의 경우 항복강도의 약 24.3%로 두관 모두 탄성영역에 있었으며, 본체강도시 험 확인 결과 스테인리스 강관은 변화가 없었으나, 동 관의 경우 약간의 소성변형이 발생하였다.

3) 내식성은 STS304의 Eb(인가전압에 따른 전류변 화 감지 전위 값)가 (0.2~0.3) V SCE 이고 Cu의 Eb가 (−0.3(pH 6)~+0.1) V SCE로 나타나 스테인리스 강관 의 부동태 안정성이 높았다.

4) 내열성은 내열성시험 및 화재시험을 통해 스테인 리스강관을 평가한 결과 성능에 이상이 없음을 시험을 통해 알 수 있었다.

5) 소요비용은 스테인리스 강관을 100%로 할 경우 동관이 약 120%, 강관은 약 104% 정도로 계산되었다.

따라서, 일반배관용 스테인리스 강관은 사용압력이 1.2MPa 미만인 습식 및 건식 소화설비에 충분히 사용 가능한 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구에 도움을 주신 한국철강협회 관계자분들에 감사드립니다.

참고문헌

1. 日本消防廳, 消防法施行規則(2004).

2. Solomon, Robert E., ed, Automatic Sprinkler Systems Handbook, Fifth Edition, National Fire Protection Association, Quincy, MA(1991).

3. R. Coleman, Residential Sprinkler Systems: Protecting Life and Property, National Fire Sprinkler Association, Quincy, MA(1991).

4. http://vds.de/en/certifications/vds-approved-products- companies-and-experts/products-for-water-exinguishing- system/?context=PWLA&lang=en&par=320812000.

5. 소방방재청, 스프링클러설비의 화재안전기준, 제8조 제1항(2009).

6. 이봉훈역, “유한요소법핸드북”, 도서출판 동화기술, p.203(1991).

Figure 14. Hydrostatic test after fire test.

Table 7. Conditions of Fire Test

Testing Conditions Dimensions Flame Size 0.7 × 0.7 × 0.3 (m),

Thickness: 0.6 (mm) Base Size 1.0 × 1.0 × 0.8 (m),

Thickness: 0.6 (mm) Fire Source Heptane (24 L)

Fire Test Room Min. 9.0 × 9.0 × 4.6 (m), Place a well-aeration Ceiling 3.7 × 7.3 (m),

Height: 2.4 (m) Hydraulic Test Pressure 0.7 MPa, 1.1 MPa Velocity of Water in Pipe

After Worked Sprinkler 1.4 L/s Test Time 10 Min.

7. A.M. Alfantazi etc., Materials and Design 30 pp.2425-2430(2009).

8. Y.H. Kim etc., International Corrosion Congress, Las Vegas, Nevada, NACE, Paper 3208(2008).

9. 소방방재청, 분기배관의 성능시험기술기준, 제8조(내 열성시험)(2009).

10. 소방방재청, 소방용합성수지배관의 성능시험기술기준 제16조(화재시험)(2009).