ISSN: 1738-7167
DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.4.103
가스소화약제 압력누기감시장치의 안전성 분석을 위한 수치적 연구
고아라 · 임동오 · 손봉세*
†
가천대학교 일반대학원 소방방재공학과, *가천대학교 소방방재공학과
A Numerical Study to Analyze Safety of Pressure Leakage Monitoring System of Gas Extinguishing Agent
A-Ra Go · Dong-Oh Lim · Bong-Sei Son*
†
Dept. of Fire and Disaster Protection Engineering Graduate School, Gachon Univ.
*Dept. of Fire and Disaster Protection Engineering, Gachon Univ.
(Received July 15, 2016; Revised August 11, 2016; Accepted August 12, 2016)
요 약
가스계소화설비의 수요는 매해 증가하고 있으나, 늘어나는 수요에 대비한 시스템의 안전성 및 신뢰성등 소화성능에 필 요한 안전대책이 미흡하여 사회적인 문제가 되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 가스 소화시스템의 사고발생 원인 중에서 가장 심각한 문제인 소화약제 저장용기에서 발생하는 압력누기는 화재진압의 성패 를 좌우하는 중요한 요소로 시급한 대책이 요구되는 문제점로 판단하여 연구를 하였다. 새로 개발한 압력누기감시장치는 화재진압에 중요한 요소인 소화농도와 관련이 있는 저장용기의 약제확보상태와 압력 및 누기, 방출상태 등을 감시하는 장치로 CO
2와 HFC-23 시스템에 적용할 수 있도록 개발하였다. 즉, 압력누기감시장치를 가스소화설비에 적용하였을 때 발생할 수 있는 구조적 안전성 분석을 위하여 유체-구조연계해석을 통하여 안전성능을 검증하였다. 해석에 사용한 프로 그램으로 전산유체해석은 Mentor Graphics사의 FloEFD 프로그램을 사용하였고, 구조해석 프로그램은 Dassault systems 사의 ABAQUS를 사용하였다. 수치해석결과 CO
2용의 구조에서는 소성변형이 발생하지 않아 안전성을 확인하였으나 HFC-23 용 감시장치에는 소성변형 및 이탈문제가 발생하여 설계수정과 3차례의 수치해석 조건을 수정하여 얻은 데이터 를 기본으로 압력누기감시장치의 구조적인 안전성을 확인하였다.
ABSTRACT
While the demand for the gas system fire extinguishers increases every year, there are insufficient safety measures for assessing the extinguishing performance, such as system safety and reliability in the preparation of increasing demand, which has emerged as a social problem. One of the most critical causes of accidents occurring with the gas extinguishing system is pressure leakage from the extinguishing agent storage container. This is considered to be one of the critical fac- tors on which the success of fire suppression depends. In this study, its safety measure was studied, Because it was deemed urgently necessary. The newly developed pressure leakage monitoring system is a system monitoring storage con- dition, pressure, leakage and discharge of the storage container related to agent concentration, which is one of the critical factors for fire suppression. This was developed to be applicable to the CO
2and HFC-23 systems. Therefore, for struc- tural safety analysis, the safety performance was verified by the fluid structure coupling analysis of the safety problems that may occur when the pressure leakage monitoring system is applied to the gas fire extinguisher. For analysis pro- grams, the FloEFD program from Mentor Graphics was used for computational fluid dynamics analysis and ABAQUS from Dassault Systems was used for structural analysis. From the result of numerical analysis, the structure of CO
2did not develop plastic deformation and its safety was verified. However, plastic deformation and deviation issue occurred with the HFC-23 monitoring system and therefore verified the structural safety of pressure leakage monitoring system by data obtained from redesigning and adjusting the condition of numerical interpretation three times.
Keywords : Structural analysis, Computational fluid dynamics (CFD) analysis, Numerical analysis, Gaseous fire fighting system, Fire extinguishing agent, Leak, Reliability
†
Corresponding Author, E-Mail: [email protected]
†
TEL: +82-31-750-5713, FAX: +82-31-750-5713
1. 서 론
1.1 연구의 배경
가스계소화설비는 수계소화설비와 다르게 신속한 소화 약제방출로 화재를 빠르게 진압하고, 수손피해 및 소화 후 잔존물이 발생하지 않은 소화시스템으로 전산실, 발전실, 통신실 등 특수위험화재가 발생하는 방호구역에 설치되고 있다. 이러한 가스계소화설비는 매년 약 3,000여건 이상이 새로 설치되고 있으며, 가스소화약제의 사용량 역시 설치 가 늘어나는 만큼 비례적으로 매년 증가하고 있는 추세이 다(1). 그러나 가스계소화설비의 소화성능 및 유지관리에 필요한 감시제어장치가 없는 경우가 대부분이다. 가스계소 화설비의 유지관리 실태를 파악한 결과 양호율이 약 68%
정도로 소화설비 중에서 가장 낮은 것으로 파악되었다(2). 즉, 신규 소방대상물의 증가로 가스계소화설비의 설치는 앞으로도 지속적으로 증가할 것으로 예측되고 있으나 본 시스템의 작동성능 및 신뢰성 향상을 위한 대책은 아직 미 흡한 실정이라 할 수 있다. 이와 같이 가스계소화설비의 신뢰성 및 안전성에 대한 불안감을 해소하고 유지관리의 편리성을 고려한 대책을 마련하는 것이 중요하다고 판단 하였다. 따라서 본 연구에서는 화재진압성능에 가장 밀접 한 관계가 있는 압력누기감시장치를 연구의 대상으로 선 정하였다. 가스계소화설비의 소화약제저장용기는 대부분 고압으로 저장되어 약제를 방출하기 때문에 주변 부속장 치에 대한 감시가 중요하다. 일반적으로 약제저장용기와 접속되는 용기밸브, 기동용기의 니들밸브, 연결배관, 선택 밸브의 불량 및 경계구역의 표시오기 등으로 인한 사고사 례가 빈번하게 발생하고 있다. 또한 보수 및 안전점검 시 에 조작미숙으로 인하여 약제가 방출하는 경우, 화재감지 기의 경년변화에 따른 감지성능 저하로 비화재시에 감지 기의 작동으로 시스템이 기동하여 약제가 방출되는 경우 가 매회 발생하고 있다. 특히, 관리인의 인식부족으로 가 스소화설비의 신뢰성을 의심하여 기동장치에 장착된 솔레 노이드밸브의 안전핀을 제거하지 않거나 용기밸브의 결함 에 의한 약제누기가 발생하여 작동불량 또는 원활한 약제 방출이 안되어 화재진압이 실패하는 경우도 자주 발생한
다. Table 1은 이상에 언급한 내용을 기초로 가스계소화설 비에서 주로 발생하는 사고원인을 요약한 것이다. 본 연구 와 가장 연관성이 있는 부속품에서 발생하는 사고사례를 분석하여 압력누기감시장치를 개발하는데 적용하였고 구 조적인 안전성에 대하여 분석하였다.
1.2 연구 대상
압력누기감시장치는 저장용기와 연결되는 용기밸브에 소 Container Valve ■ Agent and pressure leakage caused by valve and connecting piping failure
Solenoid Valve
■ Solenoid valve failure
■ Breakaway and poor connection of the connecting piping
■ Unremoved safety pin of the solenoid valve and unskilled operation due to negligence of the operator Needle Valve
Selective Valve Manual Control
Panel
■ Incorrect angle of the needle valve cutter
■ Typo of the selective valve zone indication
■ Incorrectly set direction of the check valve
■ Manual operation by unauthorized persons or children
Fire Detector ■ Malfunction of the detector that does not generate a fire alarm due to its performance degradation
Table 2. Pressure Leakage Monitoring System Specifications
Item CO2 HFC-23
Extinguishing Agent Storage Container
Capacity
68 L 68 L
Storage Pressure 58 bar at 20oC 42 bar at 25oC Container Valve
Specification 15A 40A Container Valve
Outlet Screw Specification
M30 × P2.0 2 1/4″ - 12UN
Minimum Sensing Pressure of Leakage
Check Sensor
0.5 bar 0.5 bar
Applied Switch Micro Switch (On/Off) Material Brass (C3771BE) Figure 1. Pressure leakage monitoring system.
화약제누기 체크센서를 일체형으로 장착하여 사용할 수 있 도록 개발한 장치로 국내에 많이 보급되어 사용하고 있는 CO2와 HFC-23 가스소화설비용으로 개발하였다. Figure 1은 압력누기감시장치의 3D 형상이고 사양은 Table 2와 같다.
Figure 2(3)는 가스계소화설비에 장착하였을 때 압력누기 감시장치의 약제저장, 누기, 방출 상태를 나타낸 것이다.
정상적인 저장 상태에서는 플런저(Plunger)가 가스 이동통 로 부분을 안전하게 막고 있으나 누기가 발생한은 경우는 가스누기로 인하여 폐쇄상태에 있는 플런저 전단부에 압 력이 축적되면서 설정압력에 도달하거나, 시스템의 정상작 동에 의한 약제가 방출할 때는 가스압력에 의하여 플런저 가 이동되어 마이크로 스위치(Micro Switch)의 센서부를 기동시킴으로서 약제누기 및 방출을 감시한다(4). 본 연구 에서는 새로 개발한 압력누기감시장치를 가스계소화설비 에 적용 시 본 장치내부의 약제 유동현상 및 구조적 안전 성을 분석하기 위하여 유체-구조 연계해석 프로그램을 이 용하여 수치적으로 해석하였다.
1.3 연구 방법
본 장치의 구조해석은 외력을 받았을 때, 구조물의 강성, 응력분포, 변형량 등이 구조적으로 안전성 여부를 파악하 기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 수치적인 해석을 수 행하여 필요한 값을 알아내는 것이다(5). 구조설계는 본 수 치적 구조해석에서 얻은 데이터를 근거로 장치에 사용할 구조체, 각 부재에서 요구되는 물리적 특성을 분석하여 본 체 강도, 각종 부재의 재질, 종류 등을 선정하는데 적용하 였다. 구조설계를 위해서는 정확한 구조해석이 선행되어야 하며 최적설계(Optimum Design)를 얻기 위해서는 구조해 석과 설계가 반복적으로 이루어져야 한다(6). 따라서 본 연 구에서는 압력누기감시장치 내부의 가스소화약제 유동 시 에 발생하는 압력분포, 속도분포 값을 얻기 위한 전산유체 해석과 내부 압력분포에 의한 구조적 변형 및 응력을 평가 하기 위하여 유체-구조 연계해석을 수행하였다. 전산유체 해석은 Mentor Graphics사의 FloEFD 프로그램을 사용하 였고, 구조해석은 Dassault systems사의 ABAQUS 프로그램 을 사용하였다. 유체-구조연계해석은 집적법(Monolithic)
또는 시차체 반복법(Staggered iterative)을 통하여 접근할 수 있으며 집적법의 경우 유체와 구조에 대한 두 개의 방 정식을 통합하여 풀이하는 방법이며 막대한 계산량이 요 구된다. 시차체 반복법의 경우는 유체 및 구조의 거동에 대한 풀이를 통합하지 않고 각각의 풀이 결과를 연계하여 교차 해석하는 방법이다(7). 따라서 대부분의 경우 수치해 석 소프트웨어들은 실용적이며 신뢰성 있는 해를 얻을 수 있는 시차체 반복법을 차용하고 있기 때문에 본 연구에서 도 시차체 반복법을 차용하였다.
2. 압력누기감시장치 해석결과
2.1 CO2 압력누기감시장치 해석결과 2.1.1 전산유체 해석결과
CO2 압력누기감시장치에서 CO2 가스 방출시 구조적 안 전성을 평가하기 위하여 먼저 전산유체해석을 통해 밸브 내부 CO2의 유동을 모사하여 내부 압력분포 값을 얻었으 며, 해당 값을 경계조건으로 입력한 구조해석으로 구조적 변형 및 응력 등의 안전성능을 평가하였다.
해석격자 형상은 Figure 3(b)에 도시하였다. 플런저 (Plunger)가 이동하여 밸브가 개방된 상태에서 압력 은 70 bar, 온도 40oC의 CO2 가스가 입구부로 유입되는 경계조 건을 부여하였으며, 372,247개의 격자가 사용되었다. 그리 고 유동해석을 위해 필요한 CO2의 물성 값으로 비열비 (Specific heat ratio) 1.287, 분자량(Molecular mass) 0.044011 kg/mol을 사용하였다. 해석결과, 밸브 내부의 압 력분포는 Figure 3(c)와 유체의 속도분포는 Figure 3(d)에 나타났으며, Figure 3(c)는 구조해석 시 압력 경계조건으 로 사용하였다.
2.1.2 구조해석 결과
Figure 4(a)는 구조해석 조건으로 너트(Nut)에 의해 조여 지는 센서 바디(Sensor body) 부분이 구속된 고정 지지점 (Fixed support)으로 설정하였고, 압력누기감시장치 내부의 압력분포는 전산유체해석을 통해 얻은 결과 값 Figure 3(c)를 사용하였다. 해석격자 형상은 Figure 4(b)와 같으며, Figure 2. Operating state of pressure leakage monitoring system(3).
격자는 약 46만개의 사면체요소가 사용되었으며 구조해석 에 필요한 재료의 부품별 물성 값은 Table 3과 같다. 부품
별 물성 값에 대한 판정은 유효응력이 항복응력을 초과 시 에는 영구변형(소성변형)이 발생하고 인장강도를 초과 시 Figure 3. CO2 CFD analysis result.
Figure 4. CO2 structural analysis result.
에는 파괴된다는 기준을 적용하였다. 해석결과 최대 하중 은 센서 바디와 플런저가 접촉하는 면인 Figure 4(d)에서 67.34 MPa가 나타났다. 센서 바디의 항복강도는 125 MPa 보다 낮아 소성변형이 발생하지 않는 것을 확인하였다.
2.2 HFC-23 압력누기감시장치 해석결과 2.2.1 전산유체해석 결과
CO2 압력누기감시장치의 해석과 동일한 방법으로 HFC-
Table 3. Properties of Components of CO2 Pressure Leakage Monitoring System
Component Material Elastic Modulus (GPa) Poisson’s Ratio Yield Strength (MPa) Tensile Strength (MPa)
Sensor body Brass (C36000) 97 0.311 125 340
Slip nut
Brass (C38500) 97 0.310 140 415
Plug Plunger
Figure 5. HFC-23 CFD analysis result.
23 소화약제가 방출 시 압력누기감시장치의 구조적 안전 성을 평가를 위하여 전산유체해석과 구조해석을 수행하였 다. 전산유체해석을 통해 HFC-23의 유동을 모사하여 밸 브 내부 압력분포 값을 얻었으며, 해당 값을 경계조건으로 입력한 구조해석을 통해 변형 및 응력을 평가하였다. 격자 형상은 Figure 5(b)에 도시하였다. 밸브가 개방된 상태에 서 압력 70 bar, 온도 55oC의 HFC-23 가스가 입구부로 유 입되는 경계조건이 부여되었으며, 891,733개의 격자가 사
10−5 Pa · s를 사용하였다. 해석결과, 밸브내부의 압력분포 Figure 5(c)와 유체 속도 분포는 Figure 5(d)에 나타났으며, Figure 5(c)는 구조해석의 경계조건으로 사용하였다.
2.2.2 구조해석 결과
Figure 6(a)는 구조해석 조건으로 너트(Nut)부분은 변위
Table 4. Properties of Components of HFC-23 Pressure Leakage Monitoring System Component Material Elastic Modulus
(GPa) Poisson’s Ratio Yield Strength (MPa)
Tensile Strength (MPa) Nut
Structural Carbon
Steel (S20C) 186 0.290 350 420
Adaptor
Check valve case Support
Check valve
Free Cutting
Brass (C3604)
097
0.311 360 470Snap ring Cover Checker body Indicator
Elbow Structural Steel
Pipe (KSD3566) 160 0.300 250 400
Figure 6. HFC-23 structural analysis result.
였다. 해석 격자 형상은 Figure 6(b)와 같으며, 격자는 약 39만개의 육면체요소가 사용되었다. 구조해석에 필요한 구 조 재료의 부품별 물성 값은 Table 4와 같다. 해석결과 3 가지 문제점이 발생하였다. 첫째, Adaptor와 Nut 연결부위 를 나타내는 Figure 6(d)에서 최대 350.2 MPa의 응력이 나타나므로 Adaptor의 항복강도인 350 MPa를 초과하여
소형변형이 발생하였다. 둘째, 상부조립체인 Figure 6(e)에 서 최대 413 MPa 응력 나타나 각 재료의 항복응력을 초과 하여 소성변형이 발생하였다. 셋째, Figure 6(f)의 Snap ring과 Support, Check vavle간의 접촉에서 미끄러짐 및 변형으로 구조가 적절히 지지되지 못하고 이탈하는 현상 이 발생하였다.
Figure 7은 1차 모델에서 발생한 소성변형 및 부품 이탈 현상을 보완하고자 Snap ring의 폭을 5.1 mm에서 7.1 mm 로 늘였으며, Adaptor와 Nut의 조립부의 부품을 3개에서 2개로 변경한 2차 모델이다. 2차 모델을 1차 모델과 동일 한 조건으로 재해석한 결과, 첫 번째 문제였던 Adaptor와 Nut의 소성변형 부분은 Figure 8(a)에서 최대 665.7 MPa 의 응력발생으로 또다시 소성변형이 발생하였다. 소성변형 및 부품 이탈현상이 발생한 상부조립체 부분인 Figure 8(b, c)에서는 최대 113.5 MPa 유효응력이 발생하여 각 재 료의 항복강도보다 낮아 소성변형이 발생하지 않았으며 부품의 이탈현상도 없어 설계 개선효과를 확인하였다.
그러나 2차 모델에서도 소성변형이 발생한 Adaptor와
Figure 7. Second HFC-23 design drawing.
Figure 8. Structural analysis result of second HFC-23 model.
Figure 9. Boundary condition and result of structural analysis on third HFC-23 model.
Nut의 연결부위는 내부 가스압력에 의한 Adaptor의 굽힘이 주요한 원인으로 판단되었다. 이에 2차 모델 조건에 상단 부 고정조건을 추가하여 실행한 3번째 구조해석은 Figure 9와 같다. 해석결과 유효응력 분포가 전체 모델에 고르게
력이 104.7 MPa로 소성변형이 발생하지 않았다.
3. 결 론
본 연구에서는 이산화탄소소화설비와 청정약제소화설비 인 HFC-23용으로 개발한 압력누기감시장치에 대한 소화 약제 방출 시의 유동 및 압력, 속도분포 상태와 구조적인 안전성을 해석하기 위하여 유체-구조 연계해석을 통한 연 구를 진행하였다. 즉, 전산유체해석을 통해 가스소화약제 의 압력 및 속도를 해석한 후 구조해석의 경계조건으로 입 력하여 구조적 안전성을 확인하였다. 따라서 압력누기감시 장치를 가스계소화설에 적용 시의 구조적인 성능안전성 분석을 통하여 얻은 연구 결과는 다음과 같다.
(1) CO2 압력누기감시장치의 경우 센서 바디와 플런저 의 접촉부에서 센서 바디의 항복강도 125 MPa보다 낮은 67.34 MPa의 유효응력이 발생하여 소성변형이 발생하지 않음을 확인하였다.
(2) HFC-23 압력누기감시장치의 경우 총 3차례 구조해 석을 수행하였으며 1차 모델 구조해석 결과, Adaptor와 Nut 연결부위에서 Adaptor의 항복강도인 350 MPa를 초과 하는 350.2 MPa의 유효응력 발생과 상부조립체의 항복응 력을 초과하는 413 MPa 응력이 발생하여 소성변형이 나 타났다. 또한 상부조립체 부품인 Snap ring과 Support, Check vavle간 접촉에서 불안전성으로 인해 Support가 이 탈하는 현상을 해결하기 아래와 같이 조건을 달리하여 연 구를 진행하였다.
가) Snap ring의 폭을 늘이고, Adaptor와 Nut의 조립부 의 부품을 2개로 변경한 후 2차 모델을 재해석한 결과, 상 부조립체의 소성변형과 이탈현상은 해결하였으나 Adaptor 와 Nut 연결부에서 최대 665.7 MPa의 응력이 발생하여 또 다시 소성변형이 나타났다.
나) 소성변형의 원인으로 Adaptor와 Nut의 연결부위에 내부 가스압력에 의한 Adaptor의 굽힘이 주요한 원인으로 판단하여 3차 해석에서는 2차 모델의 기존조건에 상단부
104.7 MPa의 유효응력으로 소성변형은 발생하지 않아 압 력누기감시장치의 구조적인 안전성을 확인하였다.
본 연구에서는 압력누기감시장치의 약제의 유동상태 및 구조적인 안정성 해석하기 위하여 수치해석을 선행하여 발생하는 문제점을 파악하여 설계 값을 수정하면서 최적 설계에 필요한 물성 값을 얻었다. 새로 개발한 압력누기감 시장치를 현재 가스계소화설비에 적용한다면 더욱 신뢰성 과 안전성이 있는 가스계소화설비가 될 것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 국민안전처 소방안전 및 119구조 · 구급기술 연구개발사업(NEMA-차세대-2014-50)의 연구비 지원으로 수행되었습니다.
References
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