1. 서 론
철도터널에서의 차량화재는 도로터널에서의 자동차 화재보다 발생건수가 적지만 피해가 매우 크다. 그 예로 2003년에 대구광역시에서 발생한 지하철 화재참사(사망 198명, 부상 148명)를 들 수 있다. 대구지하철 참사 이후에 국민의 안전에 대한 관심이 높아졌으며 열차 내에 사용하는 재료적인 측면에서 차량의 차체 및 실내설비를 불연재료로 사용하도록 법(철도차량 기술기준, Part 51, 도시철도차량(전동차) 기술기준, 3.2.4 화재안전)이 개정되었으며, 이에 따라 과거에는 스펀지와 천으로 구성되어있던 재질이 현재는 스테인리스와 타지 않는 소재로 변경되어 철도차량 화재안전이 보다 강화되었다. 하지만 대형 참사로 이어질 수 있는 철도터널에서의 화재는 언제든 발생할 수 있고, 화재발생시 신속히 대응할 수 있는 소화설비시설은 중요한 항목임에도 불구하고 아직 제대로 갖춰지지 않은 실정이다.
1996년 유로터널에서 발생한 화재의 진압과정을 살펴보면 4개의 라인에서 공급되도록 설계된 물 공급 시스템에 8개의 공급라인이 가동되었고, 설계치보다 많은 소화호스 라인이 화재진압에 사용되어 꼭 필요한 곳에 충분한 물을 공급하여 줄 수 없었다. 또한 화원주위의 터널 주변 50 m의 콘크리트 라이너가 모두 손실되었고, 화이버글래스 단열재가 노출되었다. 화재 시 충분한 물을 공급할 수 없다면 이를 대체할 수 있는 방법이 반드시 마련되어야 하며, 화재 시 터널 구조체를 보호할 수 있는 방법 또한 강구되어야 하겠다.
압축공기포(Copressed Air Foam)는 포소화설비 종류 중에 하나이며 국가화재안전기준(National Fire Safety Code)에 포소화설비의 화재안전기준(NFSC 105)에 명시되어 있다. 압축공기포는 압축공기가 90%로 구성되고 포는 2~3% 미만이며 나머지가 물로 구성되어있다. 포소화설비는 항공기격납고, 주차용 건축물(연면적 800 m2 이상, 주차용량 20대 이상), 위험물제조소등의 시설(소화난이도 1등급 이상) 등에 적용이 가능하며 면도크림과 같이 세밀한 거품이 고밀도로 구성되어 있고 육면체 모양의 결정체로 되어있어 천정면과 수직면에도 부착력이 우수하다. 또한, 냉각 및 질식효과로 인한 소화능력이 우수하고 포환원시간이 길어서 재발화방지 및 특수화재 등에도 사용이 가능하여, 유로터널에서 발견된 문제점을 보완할 수 있는 철도터널 화재 소화용수로 가장 적합할 것으로 판단된다.
캐나다의 NRCC (National Research Council Canada)에서 압축공기포 소화설비와 관련하여 많은 연구가 진행되었다. 특히 밀폐된 작은 공간에서 압축공기포 성능실험(Kim et al., 1996, 2012)을 실시하여 압축공기포의 정량적 성능이 확인되었다. 국내의 경우도 공기포비율(Lee et al., 2013), 포 수용액의 발포유량(Lee et al., 2012) 등을 조정하여 최적의 압축공기포를 구성할 수 있는 방안 등이 연구되었다. 본 연구팀은 압축공기포 소화설비가 철도터널에 가장 적합한 소화설비로 판단하여 연구를 진행하였으며, Fig. 1과 같이 4개의 소화노즐을 갖는 압축포 소화설비에 의해서 1 분 이내에 11.98 MW 열차화재 소화가 가능함을 보였다(Park et al., 2016). 또한 일반 철도터널 뿐 아니라 해저터널에 적합한 포소화약재를 개발하고자 Fig. 2의 포수집기를 이용하여 ISO 7203-1 규격에 따라 시험을 진행하여 해수의 소화용수 적용성을 확인하였다(Park et al., 2017).
본 연구에서는 선행연구를 기반으로 철도터널 차량화재에 적합한 포소화약재를 개발하여 이를 실규모 시험을 통한 성능검토를 실시하였다. 아울러, 열차 내부에서 불이 났을 경우 열차 외부 포소화설비를 이용하여 열차 내부에서 발생한 화재를 직접 진압할 수 있도록, 열차 창문 파괴장치를 개발/적용하여 검토를 실시하였다. 따라서 철도터널 차량화재의 효과적인 진압을 위해 개발된 창문 파괴장치와 압축공기 포소화설비를 접목한 소화설비 시스템을 소개하고, 성능 검토를 위해 실시된 실험에 대해 기술하고자 한다.
2. 압축공기포 소화설비 설치
압축공기포는 Fig. 3과 같이 혼합장치(Mixing Chamber)에서 소화수(Water), 포원액(Foam Agents), 압축공기(Compressed air)를 혼합하여 형성된 폼을 배관을 통하여 노즐에서 분사한다. 압축공기포 혼합장치 1대를 4~5개의 구역에 설치하여 화재가 발생한 구역의 노즐에서 압축공기포를 사용할 수 있도록 배관과 노즐의 배치가 가능하다. 본 실험에서 압축공기포 혼합장치는 Fig. 4와 같이 배치하였으며, 소화수 탱크(2,000 L), 포원액 탱크(60 L), 압축공기(질소 40 L, 12 EA), 압력조절장치 등으로 Fig. 5와 같이 구성하였다.
압축공기포 혼합장치의 작동 방법은 아래와 같다.
1.⑥에 호스를 연결하여 ③에 소화수를 2,000 L 채운다. 이때 ①을 통하여 ③의 소화수 양을 확인한다.
2.⑥을 잠그고 호스를 분리한다.
3.②에 압축공기포용 소화약제를 넣는다(ex. 3% 소화약제는 60 L, 1% 소화약제는 20 L 사용한다.).
4.압축공기포 혼합장치 전원을 켜고 ⑨와 연결된 호스를 통하여 혼합장치에 압축공기(질소)를 넣는다.
5.압축공기는 두 개 방향으로 나뉘어 하나는 ②를 지나 ③으로 혼입되고 다른 하나는 ③으로 직접 혼입된다.
6.②와 ③의 연결된 배관 사이의 밸브를 개방한다.
7.혼합장치에 압축공기가 혼입하고 ④와 ⑤에서 압력을 6 bar로 조정한다.
8.⑦의 밸브를 개방하고 ⑧의 압축공기포 방사 스위치를 작동하여 압축공기포를 방사한다.
열차 모형은 Fig. 6과 같이 KTX-II 산천의 1량의 1/2 규모로 제작되었다. 크기는 폭 2,970 mm, 높이 2,700 mm, 길이 10,000 mm 이며, 열차 양 끝에 다른 열차로 이동하는 개구부를 폭 820 mm, 높이 1,830 mm 크기로 만들었으며, 유리창 옆에는 화재 시 대피로로 사용하는 개구부를 폭 920 mm, 높이 1,830 mm 크기로 만들었다. 유리창은 3곳에 설치하였으며 각각의 크기는 가로 1,750 mm, 세로 860 mm 이다.
압축공기포 소화시스템의 혼합장치, 배관, 노즐 배치는 Fig. 7과 같이 계획하였으며, 소화노즐은 Fig. 8의 형상으로 되어 있으며 배관(32 A)의 말단에 설치하였다. 압축공기 혼합장치와 연결된 소화배관(50 A)은 3개 방향으로 나누어지며 1개 방향은 열차 좌측에 노즐 8개를 2 m 간격으로 높이 3.2 m에서 열차방향으로 방사되며, 다른 1개 방향은 열차 우측에서 좌측배관과 동일하게 배치하였다. 나머지 1개 방향은 Fig. 7과 같이 창문 파괴장치 내부(노즐: 3 EA, 지면 높이: 140 mm)에 설치하였다.
본 실험에 포원액으로 사용한 Max Foam (Ecos 1%)은 기존에 압축공기포 소화설비에 주로 사용되었던 수성막포(Aqueous Film-Forming Foam Agents, AFFF)를 대체할 수 있도록 개발되었다. Max Foam은 소화용수의 1%를 사용하여 3% 수용액을 사용하는 수성막포와 비교하였을 때 1/3 만 사용할 수 있도록 개발되었으며, 생성된 폼이 액체로 환원되는 시간이 길어서 재발화 방지 및 구조물 보호 등의 이점이 있다. Max Foam과 수성막포의 차이점은 Table 1과 같다.
창문 파괴장치는 공기압을 이용하여 실린더를 작동하며 사양은 Table 2와 같다. 실린더 선단에는 Fig. 9와 같이 유리창 파괴가 용이한 공이를 부착하였다. 창문 파괴장치는 1~3회 작동하여 유리창을 파괴하도록 설계하였으며, 유리창 파괴 후에는 공이가 열차 내부에 삽입된 상태에서 화원을 직접 소화할 수 있도록 설계하였다.
3. 압축공기포 실물화재 실험
3.1 실험 진행
본 실험에서는 혼합장치, 배관, 노즐, 열차모형을 Fig. 10과 같이 배치하였다. 화원은 사각단면의 철제 용기(1.0 m × 1.0 m × 0.3 m)를 3개 배치하고 액체 햅탄을 10 L씩 총 30 L를 사용하였으며, 열방출률은 11.88 MW 이다. 열전대는 화원 위(H: 250 mm), 열차 외부 유리창(H: 180 mm), 열차 피난 출구(H: 180 mm)에 각각 1개씩 총 3개를 설치하였으며, 데이터 수집장치에 연결하여 1초 단위로 기록하였다.
점화 20초 경과 후에 창문 파괴장치를 작동시켰으며, 작동 후 5초가 경과되었을 때 열차 유리창이 파괴되었다. 유리창 파괴 후 5초가 경과한 다음 Fig. 11과 같이 압축공기포 소화노즐이 달린 파괴장치의 선단을 유리창 안쪽으로 10 cm 삽입된 상태에서 압축공기포 혼합장치를 작동하여 모든 노즐에서 동시에 압축공기포를 방사시켰다. 그 후 30초가 지나 열차 안 화재가 소화가 되었으며, 소화 이후 300초 동안 지속적으로 압축공기포를 방사시켰다.
3.2 실험 결과 및 분석
열전대를 이용해 측정한 온도 값은 Fig. 12와 같이 나타났다. 유리창 외부 표면 온도는 유리창이 파괴되는 시점부터 소화되고 40초 경과까지 180°C 가까이 상승하였으며 이후에 온도가 낮아졌다. 유리창이 파괴되면서 열차 내부의 유독가스가 유리창으로 빠져나와 유리창 외부 표면의 온도를 상승시켰다고 판단된다. 화원 상부 온도는 700°C까지 급격하게 상승하다가 점화 25초 경과 후에 압축공기포 영향을 받아서 온도가 서서히 상승하여 800°C까지 상승하였으며 소화된 이후에는 200°C 까지 감소하였다. 피난 출구부의 온도는 화원 상부 온도에 비해 10초 늦게 상승하였으며 압축공기포 방사 이후에 상승폭이 둔화되었다. 소화 10초 이후에 온도가 하강하였다.
화원 상부의 온도는 화원에 직접적으로 영향을 받기 때문에 점화 이후에 온도가 급격하게 상승하고 소화 이후에는 온도가 급격하게 하강하였다. 점화 후 70초가 경과하였을 때 열전대에서 측정되는 화원 상부의 온도가 피난 출구부 온도보다 낮게 측정되었으며 압축공기포의 폼이 열전대를 덮어 유독가스의 영향을 적게 받았다고 판단된다.
4. 결 론
본 논문은 실물화재 실험을 통하여 정차된 열차 화재를 압축공기포 소화설비를 활용하여 빠르고 손쉽게 소화할 수 있는 방안에 대하여 연구하였으며, 아래와 같이 결론을 얻었다.
1.구난역에 정차된 열차의 화재를 소화하기 위해서는 창문 파괴장치를 이용하여 열차 유리창을 빠르게 파괴해야 하며 직접적으로 소화할 수 있도록 압축공기포 소화설비를 열차 내부에 삽입해야 한다.
2.창문 파괴장치를 이용하여 열차 유리창을 5초 만에 파괴하였으며, 압축공기포 소화설비를 열차 내부에 삽입하고 압축공기포를 방사하여 30초 만에 열방출량 11.88 MW 규모의 화재를 진압하였다.
본 논문은 해저터널 구난역에 정차된 열차 화재를 압축공기포 소화설비를 이용하여 빠르고 손쉽게 소화하는 방안을 연구하였다. 압축공기포 소화설비는 빠르고 손쉽게 화재 진압이 가능한 장점 외에 액체로 환원되는 시간이 길기 때문에 다른 열차에 화재 확산 방지와 터널 구조물 보호가 가능하다. 이에 따라 압축공기포 소화설비를 이용하여 화재 확산 방지와 터널 구조물 보호가 가능하도록 추가적인 실험 연구가 필요하다.
본 연구는 국토교통부(국토교통과학기술진흥원) 2017년 건설기술연구사업의 ‘고수압 초장대 해저터널 기술 자립을 위한 핵심요소 기술 개발(17SCIP-B06632-05)’ 연구단을 통해 수행되었습니다. 연구지원에 감사드립니다.
