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서호 성
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1 스프링클러소방설비의부식에관한연구 김동준 * 고흥 남궁승태 * * * Abstract We studied on corrosion of sprinklers system fire protection, a cause on corrosion of fire installations and a source of the problem. We investigated the influence of fluid mechanics on the corrosion shape of sprinklers system fire protection installations. And we known a problem of early fire extinguishing in fire protection with corrosion. Key Words Corrosion, Sprinklers system, Fire protection, Fluid mechanics, Corrosion shape. 1. 서론 1971년서울대연각화재 ( 최성룡, 2007), 2003년대구지하철화재 ( 최수근, 2007), 2008년이천냉동물류창고화재 ( 류보혁, 2008) 로인하여소방설비에관심이증가하고있다. 최근소화수의질적향상이큰문제로대두되고있으며, 노후된소방시설의작동불능의장애로안전이우려되고있는실정이다 ( 김홍배, 2001). 소방설비의기계적장애원인은부식문제라생각된다. 소방설비부식에관한연구는스프링클러배관의부식특성과대책에관한연구 ( 김동성, 2008), 측벽형스프링클러헤드부분의부식 ( 민인홍, 2002) 등이있다. 이들의연구는스프링클러구성요소중배관, 헤드만을연구하였다. 소방장비및시설의부식과부식스케일문제로소방설비의소화수공급상기계적장애원인이되어화재의초기진압실패문제가발생하는경우가있다고생각된다. 소방설비부식은스프링클러헤드의막힘, 각종펌프및밸브등의부품이고착되는문제가발생된다. 또한배관의부식으로누수율을증가시키고, 관의통수능력을감소시키는직접적인원인이되며, 적수 ( 철의농도가 0.3mg/ 경우물이붉은색을띄게되는것 ) 발생시소방시설센서의미작동등에문제를발생시키고, 각종부속장비의작동을불가능하게하는원인이된다. 소방설비의부식은재질문제와설치후의경과년수, 소화수의수질과외부환경에따른여러조건에의하여결정될수있다. 본연구에서는스프링클러소방설비에서구성요소별부식을조사하여, 실제소방설비의부식에대한원인과문제점을고찰하고, 물리적부식방지대책을밝힌다. 또한부식에의한유체역학적영향을고찰하고자한다.

2 2. 이론적고찰 2.1 스프링클러 스프링클러소방설비는 1850년경영국에서개발하였다. 그후미국인 Frederich Grinnel 에의하여공업화되었으며유럽및일본, 한국 ( 표 1) 등에널리보급되었다. 이설비는산업이고도로발달함에따라고층건물, 공장, 기타특수건물등다수인이출입또는근무하는장소에설치하여보다신속하게소화하여인명및재산재해를미연에방지하는데목적이있다. 표 1. 전국스프링클러소방설비건축물현황 ( 소방방재청조사결과 기준 ). 대상 개소 대상 개소 문화집회및운동시설 23,359 교육연구시설 9,018 판매시설및영업시설 9,153 노유자시설 6,614 숙박시설이있는청소년시설 층이상 4,530 정신보건시설 ( 의료시설포함 ) 2,835 지하가 558 스프링클러소화설비의구분은헤드의형태에따라분류하고, 이에따른방식별특성을표 2에나타내었다. 표 2. 스프링클러소방설비방식별특성 구분헤드형태방식습식폐쇄형건식준비작동식일제개방형살수식 특성 건식설비에비하여구조가간단하고, 즉시소화가가능한장점이있는반면, 동결의우려가있는장소에는부적합한것이단점이다. 동결의우려가있는장소등에설치하며, 화재시소화활동시간이다소지연되고습식보다설비비가고가인것이단점이다. 동결우려가있는장소등에설치하며, 준비작동식밸브의작동을위한화재감지장치를별도로설치하므로설비비가고가인것이단점이다. 일제살수식설비의작동원리는준비작동식과유사하며, 기동방식에따라화재감지기에의한방식과수압개폐장치에의한방식이있으며두가지를혼용하는경우도있다. 2.2 부식 금속은주위환경사이의전기 화학적반응으로인해재료의파괴가야기된다. 금속은산화되어안정한상태로돌아가려는경향이있는데이런현상이일어나면부식생성물이발생되면서안정상태로된다. 재료가그환경과전기 화학적작용에의해산화되어소모, 파괴되어가는현상을부식이라고한다. 부식의발생기구 (Mechanism) 는물 ( 전해질 ) 과금속의전기 화학적반응에의해철은양극부에서철이온과전자로나누어지며전자를방출하는산화반응을한다. + 양극부 : ( 양극반응 ) 은철이온이되어전해질속에녹아들고전자는금속체를통해서음극부로이동하며, 음극부는물속 ( ) 에녹아있는산소에의해수산이온을만들게된다. 이후철이온이수산이온 ( ) 과결

3 합하여수산화제 1 철을만든다. - 음극부 : ( 음극반응 ) 물속에녹아있는산소와수산화제1철과작용하여적색의수산화제2철을만들게된다. ( 붉은색 ) 다음은부식의내 외적요인의영향에대하여알아보자. 먼저외적요인의영향으로는 영향, 용존산소영향, 용해성분영향, 온도영향, 유속영향등이있다. 내적요인의영향으로는금속표면조직의균일정도및금속표면의형상등의금속조직의영향, 금속가공시잔류응력의정도의영향, 금속의열처리의영향등이있다. 부식의종류에는전식 (Cathodic Corrosion), 국부부식, 틈부식, 입계부식, 침식부식, 갈바닉부식 (Galvanic Corrosion), 응력부식 (Stress Corrosion) 등이있다. 2.3 유체역학적고찰 소방설비의부식과관련된유체역학적이론은부식에의한유체의점성변화의관계, 질량유량의 관계, 관의표면상태변화에의한에너지손실과부식에의한관의축소로손실수두등을생각할수있다. 이와관련된식을다음에나타내었다. 그림 1. 점성유동그림 2. 연속방정식그림 3. 관마찰손실 Newton 점성식 = (1) 여기서, 는전단응력, 는점성계수, 는속도변화, 는입자간미소거리를나타낸다 ( 그림 1). 1 차원연속방정식 (continuity equation) (2) 여기서 는유체의밀도, 는관의단면적, 는속도를나타낸다 ( 그림 2). 관마찰고려 Bernoulli의식 여기서, 는중력가속도, 는압력, 는비중량, 는높이, 는관마찰손실수두, 는수두를나타낸다 ( 그림 2).

Froude 의유체마찰저항식 여기서, 은마찰저항, 는마찰계수, 는접수면적을나타낸다 (

관마찰손실 (Pipe Friction Loss) 식 여기서, 는관마찰손실, 는관마찰계수,

4 Froude 의유체마찰저항식 여기서, 은마찰저항, 는마찰계수, 는접수면적을나타낸다 ( 그림 2). 관마찰손실 (Pipe Friction Loss) 식 여기서, 는관마찰손실, 는관마찰계수, 는관의직경, 은관의길이를나타낸다 ( 그림 3). 3. 결과및고찰 3.1 스프링클러소방설비구성요소별부식 소방펌프 소방펌프의부식은주로펌프케이싱에서발생하고, 이부식에의해회전임펠러가케이싱에고착되어펌프가작동하지않는다. 경기도의정부시 A사의소방펌프관련실무자에의하면펌프부식이일어나는부분은케이싱내부이며, 펌프케이싱내부원형부분과임펠러와의간격이수 mm 정도로접근되어있어케이싱에부식이발생하면부식및스케일에의해펌프의임펠러가케이싱에고착이일어난다고밝혔다. 다단볼류트 ( 주펌프 ) 주펌프수리작업, 주펌프부식상태 그림 4 주펌프부식 원심 ( 보조펌프 ) 보조펌프수리작업, 부식상태및녹이부착된임펠라그림 5 보조펌프부식 즉, 고착의이유는펌프케이싱부식의영향인데, 이는주펌프케이싱의재질문제와주펌프의가 동시간에원인이있다고판단된다. 주펌프의재질은주로주철이다. 주철의부식은초기에는탄소막이 형성되어있어늦게진전되지만, 부식이시작되면표면이거칠어부식이급성장되는것으로나타나있 다. 또한, 주펌프의가동시간에서는주펌프의가동시간이극히적은데원인이있다. 그림 4 5는소방설비에사용되는주펌프와보조펌프로각각을분해하여펌프내부의부식상태를 보여준것이다. 그림 4에서다단볼류트펌프인주펌프가부식에의해고착된펌프의수리작업에대한

5 모습을보여주고있다. 그림 4와같이주펌프는볼류트 ( 체적 ) 형다단펌프이기때문에펌프케이싱과안내깃사이에여러개의임펠러와케이싱사이에녹이나스케일이고착되어부하가많이걸려펌프가작동하지않는다. 그러나보조펌프는그림 5와같이 1단으로되어있어서주펌프에비해서임펠러와케이싱사이의고착이적게일어난다. 이는보조펌프가원심형 1단펌프이기때문에스케일이약간끼어도가동시작동되는경우가많다 소방밸브 그림 6 7은체크밸브, 게이트밸브에서부식이발생되어있는것을보여주고있다. 이부분의부식의원인은펌프의부식원인과동일하다고생각된다. 즉체크밸브, 게이트밸브의케이싱부분의재질이주철인점과펌프의미작동으로소화수의순환이없었기때문에발생하는것으로본다. 펌프의가동을자주하여소화수를장치내부에서순환시켜부식의발생의내 외부요인을제거하는것이중요하나이를시행하지않은데원인에있다고판단된다. 그림 6. 체크밸브부식그림 7. 게이트밸브부식 그림 8. 소방배관부식그림 9. 소방주배관부식 노출주배관및연결구 그림 8 9는주배관에서내 외부부식을보이고있다. 소방배관이덕트등에설치된경우도있지만, 콘크리트내에설치된경우도많이있어외부부식보다관내부부식이더큰문제점이라판단된다. 이는미생물학적박테리아때문이다 (N. Femance, 2006). 건물의벽이나기둥에매설된부분에서는펌프의가동횟수가적어배관의부식이진행된다. 건식보다는습식에서부식이많이일어나고있는실정이다. 건물에매설된부분에서는수손피해가크기때문에건물주나건물관리관계자들이펌프작동을꺼리고있는실정으로나타났다. 오래된건물에서는가동횟수가매우적어심각한경우도있다고생각한다. 소방관이검사를할때에펌프를작동할경우배관에수압이걸리는데이때부식으로인하여배관파열된다면책임상의문제가발생할가능성도있기때문에검사가일부소극적으로이루어질수있는가능성도있다고본다. 표 3에는배관재질에따른관의특성을내식성, 내충격성, 내화성, 시공성, 경제성등으로나누어표시하였다. 표에나타난바와같이소방설비에규정에따라설치하는아연도강관 (KSD-3507) 은부식에많이노출되어있음을보여주고있다. 이에대한대책도필요하다고판단된다.

표 3. 배관재질에따른관의특성 관의특성 관의종류 관의규격 내부식 내충격내화성시공성 경제성

수도용폴리에틸렌분체라이닝강관 KSD-3619 폴리풀로필렌공중합체관 KSD-3362 폴리부틸렌관

KSD-3408 X 에너지절약건물내노후급수관의상태진단및평가를위한안전진단기술개발, 2001,

이또한재질이주철인점과평소소화수의순환을시키지않은데원인이있다고판단된다. 그림 10.

더욱문제점은배관의부식스케일이헤드로흘러들어가헤드가막히는현상이발생된다. 핀홀에청색부식그림 12.

6 표 3. 배관재질에따른관의특성 관의특성 관의종류 관의규격 내부식 내충격내화성시공성 경제성 수도용아연도강관 KSD-3507 일반배관용스테인레이스강관 KSD-3576 동관 KSD-5301 수도용폴리에틸렌분체라이닝강관 KSD-3619 폴리풀로필렌공중합체관 KSD-3362 폴리부틸렌관 (PB) KSD-3363 X 수도용경질염화비닐관 KSD-3401 X 수도용폴리에틸렌관 (PE) KSD-3408 X 에너지절약건물내노후급수관의상태진단및평가를위한안전진단기술개발, 2001, 한국건설기술연구원 그림 에서는엘보, 관연결구심각한부식이나타나고있음을보여주고있다. 이또한재질이주철인점과평소소화수의순환을시키지않은데원인이있다고판단된다. 그림 10. 엘보의부식그림 11. 연결구의부식 헤드의부식 헤드는부식에의해핀홀부분에녹이생길수있다 ( 그림 12). 더욱문제점은배관의부식스케일이헤드로흘러들어가헤드가막히는현상이발생된다. 핀홀에청색부식그림 12. 헤드의부식 3.2 소화배관의물리적부식방지대책 소화배관의부식은매우복잡하고다양하며, 한가지영향인자로인하여발생하는것이아니라수

7 질의특성에따라다르게나타난다. 소화관의부식이발생하면, 철성분이용출되어관재질에손상이나타나며, 관내부에스케일이축적되어통수능력이저감되어펌프압력이증가된다. 또한금속이온및부식생성물입자들의용출에의하여소화설비장비에서적수발생, 스케일부착, 녹발생, 구성품고착등의문제가발생한다. 소화배관의부식방지대책도여러가지고려되지만, 현실적인부분을고려하여관의피복과관세척방법인물리적방법을고찰하였다 관피복방법 관피복공법은관라이닝이라하며, 부식성이있는물로부터관벽에전체적으로일정한보호피막을형성시키는방법이다. 관을제조하거나소화설비를설치하기전에사용할수있고, 이미설치된관에서도사용할수있다. 가장일반적인라이닝재료로는콜타르-에나멜, 액상에폭시도료, 시멘트- 몰타르, 폴리에틸렌등이있다. 관피복법은관갱신공법과갱생공법으로나누며, 갱신공법은관의부식이심하게진행되었을때관로의모든기능을갱신하기위한공법으로관로의기능, 내구성, 장래계획등의계획을세워시공한다. 갱생공법은기능이떨어진부분에관의성능을회복하기위한방법으로관을삽입하는공법과피복재를장착하여라이닝하는방식이있다. 소방설비내부에부식이심각한경우에는갱신해야한다. 그러나현실을고려할때소방설비의재료개선과소화수의정기적순환으로부식을줄이는것이시급하며, 이것이지켜질경우설비의부식상태에따라경제성을고려하여갱생을추천하고싶다 관세척방법 관세척법은수세법, 스크레이퍼법, 충격파세척법등이있으며, 수세법은관내부에세정노즐과터빈을장착하여제트류를형성하여관내스케일을제거하는방식으로, 관의갱생에사용되는방식이다. 스크레이퍼법은관내부에스크레이퍼를윈치로이동시켜스케일을제거하는방식으로소구경관에서는적용하기가곤란하며, 대구경관에서경제적이다. 그러나관표면처리가완벽하지못하며, 곡관부에서는사용이곤란한단점이있다. 충격파세척법은 3 8kg/ cm2의압력으로초음파를관경에따라각각다르게전달함으로서배관내의스케일이나이물질을제거하는방식으로, 세관과정에서초음파로관내면에부착되어있는철박테리아나표면부착물질만을제거하여관에손상을최소화하며, 분자구조를파괴하는원리로, 적은압력으로도세관이가능하다. 관세척방법은관의세정을위하여단독으로사용하기도하지만관갱생공법의전처리로사용되기도한다. 부식된관을세척한후배관내부에들어있는부식스케일을제거하기위하여스프링클러소방설비의경우헤드를분리한후에청소를실시할수있다. 3.3 유체역학적영향 소방설비의부식과관련된유체역학적이론은부식에의한유체의점성변화관계, 질량유량의관계, 관의표면상태변화에의한에너지손실과부식에의한관의축소로손실수두등을생각할수있다. 그림 1과같은점성유동에서부식에의한영향을알아보기위하여적수의점성계수를식 (1) 을이용하여구할수있다. 부식에의한관마찰손실의영향을알아보자. 그림 3과같이길이가 이고, 내경 가일정한수평관로를생각하면, 위치수두 는일정하고, 또단면적 이일정하므로수평유속 도일정하다.

8 따라서 Bernoulli의식 (3) 은 이된다. 여기서 는마찰손실수두이며식 (5) 으로계산한다. 즉마찰손실수두 는유동거리 에정비례하여증가한다. 식 (5) 에 를대입하면 이된다. 일반적으로 는같은관로에있어서유속 의값여하에따라서변화하지만, 지금 가일정하고, 또 과 도일정하다고하면 로되어, 마찰에의한손실수두가대략관로 (Pipe Line) 지름의 5승에역비례하는것을표시한다. 즉관의내경 를조금만가늘게하여도저항이격심하여짐을알수있다. 여기서스케일은스프링클러의성능을감소시키는작용을함을알수있다. 4. 결론 부식에의한내구성에대한소방법의부재함을알고스프링클러소방설비가목적에맞는기능을발휘될수있도록해야겠다는생각으로스프링클러소방설비의부식에대하여조사하였다. 그래서주요장치부분의부식이일어나는원인을무엇인지고찰하고, 대책을연구하여다음과같은결론을얻었다. ) 스프링클러소방설비의배관, 헤드등의구성요소별부식형태를조사확인하여화재초기진압에심각성을알았다. 2) 부식의형태는주철을재료로하는펌프케이싱, 엘보, 연결구등에부식의심각성이크다. 3) 유체역학적고찰을통해부식의영향으로관의직경이작아짐으로손실수두가지름의 5승에역비례함을알았다. 관내부부식에주의를요한다. 4) 실제소방설비의부식에대한요인과문제점을찾아물리적방지책을밝혔다. 참고문헌 1. 최성룡 (2007). 소방검사의시장중심거버넌스형성에관한연구, 호서대학교박사학위논문. 2. 최수근 (2007). 大邱地下鐵火災事故以後都市鐵道安全管理政策變化에관한硏究, 서울시립대학교석사학위논문. 3. 류보혁 (2008). 이천냉동창고화재확산원인에대한고찰 안전보건연구동향, 산업안전보건연구원, Vol.8, pp 김홍배, 한상민, 이영재, 조병선 (2001). 소방시설관리실태조사에관한연구, 화재 소방, Vol.15, No 김동성 (2008). 스프링클러배관의부식특성과대책에관한연구, 연세대학교석사학위논문. 6. 민인홍 (2002). 측벽형스프링클러헤드디플렉터의성형후에따른부식특성에관한연구, 한국화재 소방학회, 제16권제1호. 7. 소방방재청 (2008). 정보공개청구조사자료. 8. N. Fernance, P. A. Farinha, R. Javaherdashti(2006). Initial Indications Of SRB-assisted MIC of Fire Sprinkler System In A High-rise Business Building", NACE. 9. 건설교통부 (2002). 에너지절약건물내노후급수관의상태진단및평가를위한안전진단기술개발, pp M. Setareh, R. Javaherdashti(2003). Assessment and Control of MIC in a Sugar Cane Factory, Weakstoffe und Korrosion/Materials and Corrosion, Vol.54, No.4.

소화설비규정

소화설비규정 - 총목차 - Ⅰ. 통칙 Ⅱ. 초기소화설비규정 Ⅲ. 소화전설비규정 Ⅳ. 소화펌프자동차설비규정 Ⅴ. 자동화재탐지설비규정 Ⅵ. 스프링클러설비규정 Ⅶ. 자동화재속보설비규정 Ⅷ. 포소화설비규정 Ⅸ. 이산화탄소소화설비규정 Ⅹ. 할론1301소화설비규정 Ⅺ. 청정소화약제소화설비규정 Ⅻ. 소화설비할인율표 ⅩⅢ. 부록 Ⅰ. 통칙 Ⅰ. 통칙 Ⅱ. 초기소화설비규정