가스계 소화설비에서 소화약제의 방출 시간을 제한하고 있다. 왜 그럴까? 그 이유를 알아보는 시간을 갖도록 한다. 가스계 소화약제의 방출시간은 대부분 짧다. 최소 10초에서 아무리 길어야 7분이다. 대부분 10초 또는 30초에서 설계농도의 95%에 해당하는 약제량이 방출되도록 하고 있다. 그 이유를 알아본다.
얼마나 빨리 방출되어야 하는가?
① 이산화탄소 소화설비는 전역방출방식에 있어 표면화재는 1분, 심부화재는 7분 이내에 방사되어야 한다. 또한, 심부화재에서는 설계농도가 2분 이내에 30%에 도달하여야 한다. 그리고 국소방출방식의 경우에는 30초 이내에 소요량이 방사되어야 한다.
② 할론소화설비는 전역방출방식 및 국소방출방식 모두 기준저장량의 소화약제를 10초 이내에 방사할 수 있도록 규정하고 있다.
③ 할로겐화합물 및 불활성기체 소화설비의 경우 배관의 구경을 산정할 때 그리고 방호구역에 설치하는 분사헤드의 수를 산정할 때 소화약제의 방출 시간이 명기되어 있다. 할로겐화합물 소화약제는 10초 이내, 불활성기체 소화약제는 A급 화재와 C급 화재에서는 2분 이내, B급 화재에서는 1분 이내로 규정하고 있다. 그 시간은 방호구역 각 부분에 최소설계농도의 95% 이상에 해당하는 약제량이 방출되어야 하는 시간이다.
④ 분말소화설비의 경우에는 소화약제 저장량을 전역방출방식 및 국소방출방식 모두 30초 이내에 방출할 수 있도록 규정하고 있다.
빠른 방출 시간을 규정하는 이유가 뭘까?
가. 배관 내 높은 유속 확보로 마찰손실 최소화
가스계 소화약제는 액체로 저장되었다가 배관을 타고 흐르면서 기체로 기화되는 현상이 발생한다. 결국 배관 내에서는 액체와 기체가 동시에 존재하는 2상계 흐름(Two phase flow) 형태를 보인다. 높은 방출 압력으로 이동하는 경우 배관 내 마찰 손실을 최소화 하면서 헤드까지 이동할 수 있다. 방출압력이 높으면 배관 내 마찰손실도 줄어들고 유속은 빨라지며 헤드에서의 방출시간도 짧아진다는 이야기다.
나. 분말 소화약제가 배관 내에서 퇴적되지 않도록 함
분말 소화약제는 습기와 반응되면 문제가 발생한다. 그래서 이를 방지하기 위하여 금속의 스테아린산염이나 실리콘 수지 등으로 방습 가공을 한다. 그럼에도 분말은 처음 저장되던 상태보다는 퇴적되는 현상이 발생하는데 가스 압력으로 방출될 때에도 굴곡이 지는 부분이나 꺾이는 부분 등에서 분말 소화약제가 퇴적될 수 있다. 높은 압력으로 강하게 출발한 분말은 그 압력에 의해 퇴적될 틈이 없이 밀려나가게 되고 그 압력으로 헤드에서 방출되게 된다. 높은 압력은 분말 소화약제의 퇴적을 막아주고 헤드에서의 방출 시간도 짧게 만들 수 있다.
다. 높은 방사 압력으로 방호구역 전역에 신속히 확산
전역방출방식의 경우에는 방사된 소화약제가 방호구역의 전역에 균일하게 그리고 신속하게 확산될 수 있도록 헤드를 설치하여야 한다. 국소방출방식의 헤드를 설치할 때는 소화약제의 방사에 따라 가연물이 비산하지 않도록 하는 것이 중요하지만, 전역방출방식에서의 헤드는 방호구역 전역에 균일하게 그리고 신속하게 확산시키는 것이 중요하다. 그러므로 방호구역 전체 범위가 필요한 시간 내에 신속하게 소화약제가 확산되게 하기 위해서는 빠른 방출이 필요하다. 신속한 확산은 소화농도 형성에 중요한 역할을 한다.
라. 빠르게 소화농도에 이르게 하여 조기 소화
화재를 진압하는 가스계 소화약제의 특징은 부촉매 소화효과와 냉각 소화효과가 가장 크다. 이산화탄소 소화약제는 질식소화와 냉각소화가 주를 이루고 나머지 가스계 소화약제는 부촉매 소화효과가 주를 이룬다. 실내 가연물이 산소와 반응하여 계속적인 연소현상이 이루어지고 있을 때 소화약제가 산소 대신 소화약제의 성분과 반응하게 하여 산소와의 차단을 방해하고 냉각시켜 화재를 진압한다. 결국, 방호구역 내부에 소화약제의 방사시간을 최소화하는 목적은 소화약제에 의한 소화농도가 빠르게 형성되게 하여 불꽃 연소시 발생하는 활성라디칼의 연쇄반응을 차단하면서 조기에 소화하려는 목적이다.
마. 가연성 증기가 연소범위 도달하기 전 불활성화 농도 조성
화재는 가연물의 열분해로 인한 가연성 증기의 착화현상이다. 가연물이 열분해하면 가연성 증기가 발생한다. 가연성 증기는 인화점 이상의 온도가 접해지면 발화되어 화재로 발전하게 된다. 일반 가연물의 열분해와 유류와 같은 액체 가연물의 열분해는 양상이 조금 다르다. 하지만 두 가지 모두 열분해 된 가연성 증기에 의해 화재는 확산되는 양상을 보인다. 그래서 가연성 증기가 연소범위 내에 도달하기 전에 불활성화의 농도를 조정하는 것이 중요하다. 소화약제를 빠르게 방사하여 실내에 소화농도를 달성하면 열분해되고 있던 가연성 증기 주변의 온도를 인화점 이하로 낮춰주고 가연성 증기가 연소범위에 도달하지 못하도록 불활성화 시켜주는 역할을 할 수 있다.
바. Knock-down 효과
분말 소화약제의 경우에는 분말소화약제의 방출률을 연소 중인 불꽃 보다 크게 하여야 한다. 분말 소화약제가 가지는 Knock-down 효과를 위해서인데 이는 방출된 분말 입자가 불꽃을 입체적으로 포위하면서 산소와의 연쇄반응을 차단시켜 10초~20초 이내에 불꽃이 사그라지게 하여 소화하는 효과를 노리기 위해서이다. 그래서 30초 이내로 빠르게 방출해야 불꽃 전체를 포위하는 Knock-down 효과를 기대할 수 있다.
바. 소화약제 열분해 생성물의 최소화
할론 및 할로겐화합물 소화약제의 경우 방사되어 화재로 열분해되는 생성물 중에 가장 문제가 되는 것이 불화수소라고 불리는 HF(Hydrogen Fluoride)이다. 방출되면서 공기와 혼합된 할로카본계 가스는 화염과 접하게 될 때 온도가 높아지면서 열분해를 한다. 이때 HF가 발생하게 되는데 불화수소는 부식성이 매우 강한 가스이다. 전산실 등 중요한 방호대상물에 대해 화재를 진압하는데 성공하더라도 부식성이 강해 전산실의 장비에 제2의 피해를 미친다.
이러한 독성 생성물은 인체에도 나쁜 영향을 미친다. 맨눈에 노출되면 각막을 파괴하는 정도가 심각하고 호흡을 했을 때에도 점막과 인후부에 통증을 유발시킨다. 그러므로 화재의 진압과 함께 화재로 인한 열분해를 최소화하는 것도 중요하다. 빠른 시간 내에 화재를 소화해야 열분해 생성물을 최소화할 수 있다.
사. 전기가 통전중인 기기의 보호
가스계 소화약제는 화재를 신속하게 진압하는 목적도 있지만 나중에 해당 방호구역내의 기기 및 설비들을 다시 사용하고자 하는 목적도 있다. 수계 소화설비를 설치하면 전기가 통전중인 기기들이 모두 문제가 된다. 화재에 의해 손상을 입으나 물에 의해 손상을 입으나 마찬가지 상황이 벌어진다. 그러므로 전기에 영향을 받지 않고 소화 후에도 잔유물이 없는 가스계 소화약제를 사용하는 것이다. 신속한 설계농도의 도달로 화재를 진압하고 재발화를 억제하여 화재가 번지지 않은 기기 및 설비들을 보호하기 위한 것이다.
빠른 방출시간에 따른 문제점은 없을까?
가. 배관 및 부속품 등의 파손
헤드에서 방출시간이 빨라진다는 것은 그만큼 출발점인 소화약제 저장용기에서 강한 압력으로 출발한다는 이야기이다. 배관과 부속품 그리고 각종 기기류가 순간적인 영향을 받는다. 그러므로 배관은 내진설계와 행거 등에 의해 견고하게 고정되어야 하고 부속품 또한 규정된 압력을 견딜 수 있는 것들로 구성되어야 한다.
가스계 소화설비는 물분무등 소화설비의 일종이므로 내진 설계를 해야 하는 대상이다. 지진과 관련된 진동이 발생했을 때 배관이 건축물과 같이 움직이게 하든지 연결부위가 파손되지 않도록 유연성을 주는 것이 필요하다.
나. 내부 압력의 급격한 상승으로 인한 건물 파괴
10초 또는 30초라는 짧은 시간에 소화약제가 모두 방사된다면 방호구역 내부의 압력은 순간적으로 상승하게 된다. 일반 유리창이나 문 등은 그 압력을 견디지 못하고 깨지거나 터져나갈 확률이 크다. 그러므로 사전에 Door Fan Test를 통해 방출되는 압력을 견딜 수 있는지 검증되어야 한다. 그렇지 않으면 실제 소화약제가 방출되는 때에 파괴되어 버릴 수 있다. 그러면 소화약제가 누출될 것이고 결국 설계농도에 도달하지 못하고 화재를 진압하는데 실패하게 된다. 또한, 과압배출구를 설치하여야 한다. 과압을 배출해 주지 못하면 건물 구조 자체에 결함을 발생시키거나 벽체의 일부가 파괴될 수 있다. 화재진압 보다 더 큰 문제를 야기할 수 있으므로 과압배출구 면적을 계산하여 설치하여야 한다.
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