가스계 소화설비 설비 강도 확보

 

국가화재평가원

전성호 소장(소방기술사 / 소방시설관리사)

가스계 소화설비의 설비 강도 확보가 중요한 이유

 

 

1. 가스계 소화설비의 약제 저장 압력은 보통 적게는 30 Bar에서 많게는 300 bar 까지의 범위를 가지고 있어 수계 소화설비에 비해 현저히 높은 고압 시설입니다. 

2. 이러한 고압 시설은 설비 강도가 확보되지 않을 경우 작동 시 강도가 가장 약한 부분(주로 선택밸브와 플랙시블 조인트)을 파손시키면서 약제가 누설되어 소화목적을 이룰 수 없고 누설된 약제로 인하여 2차 피해(과압, 독성, 질식)를 유발시킬 수 있습니다.

3. 아래 사진은 왼쪽부터 선택밸브가 파손되어 대량의 약제 누출 사례,  플랙시블 조인트 연결부가 파손되어 이산화탄소 누출 사례, 저장실에 누출된 약제로 인하여 과압이 형성되어 저장실 벽체가 파손으로 2차 피해발생 사례로 설비 강도가 확보되지 않을 경우 다양한 문제가 발생할 수 있고 소화실패나 인명 피해로 이어질 수 있습니다.

 

가스계 소화설비가 확보하여야 할 설비 강도는? - 법적

 

1.화재안전기술기준(NFTC 107A)에 배관 및 부속류의 강도 확보에 대하여 다음과 같이 규정하고 있다(적색선)  

 가스계 소화설비가 확보하여야 할 설비 강도는? – 실제 적용 방법

 

1.  하지만 화재안전기술기준(NFTC 107A)의 배관, 부속류 설계 내압은 최소기준으로 실제 배관내 유체 압력은 NFTC107A 설계 내압과 다를 수 있습니다.

2. 아래 계산서는 실제 HFC227ea 소화설비 계산서로 실제 유체압력(19bar)이 NFTC 107A의 설계 내압(13.7bar)보다 높음을 알 수 있습니다(적색선)     

3. 다만, 아래 계산서와 같이 NFTC107A 설계 내압(165bar)이 계산서 상의 유체 압력 (63.8bar) 보다 높은 경우도 존재하며 이 경우 NFTC107A 설계 내압을 적용하는 것이 법령을 만족시킵니다.

4. 즉, (NFTC107A 설계 내압)과 (계산서의 유체압력 x 1.2배) 중 큰 값을 설비 강도로 적용시키는 것이 바람직합니다. – 배관의 내압강도는 보통 유체압력의 1.2배를 설계압력으로 적용합니다.

 

 

배관 및 관부속의 강도 부족으로 누설 등이 우려되는 부분은?

 

1.  위와 같은 이유로 가스계 소화설비 배관, 배관 부속의 적정 강도 확보는 매우 중요합니다.

2.  다만, 이러한 강도 부족으로 인한 문제는 보통 배관 자체가 아니라 연결(접속)부나 배관 부속류에서 상대적으로 높게 발생하고 있으며, 배관 연결부의 경우도 나사, 플랜지 등의 용접 접합 외의 방식에서 주로 발생하고 있습니다.

3. 제 개인적인 경험상(사고 조사 등) 선택밸브와 플렉시블 조인트 플랜지 연결부 등의 부분에서 누설과 파손 이슈의 발생이 상대적으로 높았습니다.

 

관부속과 구성품의 압력 선정 – 선택 밸브

 

1. 선택밸브는 NFTC107A 설계 내압과 소화설비 계산서의 집합관의 유체압력 x 1.2배 중 큰 값을 선택밸브의 강도로 적용시키는 것이 바람직합니다.

2. 보통 제조사에서 납품되기 때문에 아래 사진처럼 강도가 확보된 제품을 적용하게 됩니다.

3. 다만, 나사 접합 방식의 선택밸브의 경우 나사산이 제대로 결합되지 않아 누설 및 파손의 우려가 높습니다. – 되도록 플랜지 방식의 선택밸브 사용을 권장합니다. 

 4. 아래는 약제 방출 시 선택밸브 상단과 배관 연결부(나사 접합)가 유체 압력을 견디지 못하고 분리되어 약제가 누설된 사례입니다.

 

 5. 선택밸브는 되도록 플랜지 일체형 적용을 권장합니다.(아래 좌측이 플랜지 일체형 우측사진은 플랜지 분리형 선택밸브로 선택밸브와 플랜지를 나사 접합으로 연결하여야 함.)

 

관부속과 구성품의 압력 선정 – 플렉시블 조인트 

관부속과 구성품의 압력 선정 – 플랜지 

1. 플랜지는 주로 집합관 주변에 사용되므로 집합관에 형성이 예상되는 최대압력에 대응이 가능해야 합니다. 

2. 플랜지는 NFTC107A 설계 내압과 소화설비 계산서의 집합관 유체압력 x 1.2배 중 큰 값을 플랜지의 강도로 적용시키는 것이 바람직합니다.

3. 플랜지에는 강도나 내압 관련 마킹이 있는 것을 사용하여야 합니다.

4. 하지만, 국내는 마킹이 없는 플랜지의 사용도 다수 확인되고 있으며, 이러한 플랜지의 경우 보수적으로 접근하여야 하므로 강도는 10K이하로 추정됩니다.

5. 가스계 소화설비는 고압의 유체를 취급하므로 마킹이 없거나 10K이하 마킹 플랜지는 강도가 부족하며 특정한 경우가 아니면 20K도 강도가 부족한 경우가 많습니다.

 

【 왼쪽부터 내압 미표기 / 10K 내압 플렌지 / 20K 내압 플랜지 적용 사례 】

 

해외(JIS, ASTM, ANSI) 플랜지 마킹의 강도 평가는?

1. 해외 플랜지 중 JIS는 KS와 강도 마킹이 동일하며 10K, 20K등의 강도 표시 뒤에 K는 Kg/㎠을 의미합니다. 

2. ANSI등은  Class Pressure로 마킹과 의미하는 압력은 아래 와 같습니다. - PN은 명목 압력 (Nominal Pressure)의 약자입니다.(아래 압력 등급은 -29도~ 40도까지 기준으로 온도가 변하면 내압이 변합니다.)

3. 즉 class150, 150Lb, 150Lbs, CL150, 150# 플랜지는 모두 동일한 강도의 플랜지를 의미하고, 같은 직경의 플랜지라도 높은 등급의 Class가 더 높은 압력, 온도조건에서 사용이 가능하며, 높은 Class의 플랜지가 더 크고, 더 두껍고, 사용되는 볼트의 크기나 개수가 많아집니다. 

 

【 왼쪽 900# 플랜지  / 우측 40K 플랜지 적용 사례 】

 

【 600LB 플랜지 적용 사례 】                                                      【 IG541설비  1,500 플랜지 적용 사례 】

 

4. Class Pressure와 PN은 온도와 압력에 따라 아래 표와 같이 달라집니다. 다만, 소방용 가스 약제는 고온에서 운영되지 않기 때문에 큰 관련은 없습니다.(표의 첫 번째 줄의 -29도~ 40도까지의 기준만 고려하면 됩니다.)

 

 

그 밖에 플랜지 설치 시 고려 사항은?

 

1. 플랜지 연결 시 강도 확보를 위해서는 설치 전 / 후 아래와 같은 미흡 상황을 체크 또는 개선하여야 합니다.

2. 왼쪽 부터 시계방향으로 1번 사진은 플랜지 나사산이 부족합니다. 최소 3산 이상 노출을 권장하고 있습니다.

3. 2번 사진은 플랜지의 재질이 달라 갈바닉 부식이 심하게 일어나고 있는 플랜지가 확인됩니다. 부식이 계속 진행된다면 약제 방출 시 순간적인 충격에 의하여 파손될 수 있습니다.

4. 3번 사진은 볼트가 누락된 사례입니다.

5. 4번 사진은 나사산 3산 노출이 부족하지만 볼트 풀림을 확인하기 위한 아이 마킹이 된 사례 입니다.

 

 

- 본 칼럼은 국가화재안전저널 제 30호에 기고된 글입니다.