1. 서 론

국제화 시대의 교통 네트워크 허브 구축은 대륙간 또는 국가간을 연결하는 접근성 확보가 매우 중요하며, 우리나라는 오래전부터 주변 국가의 교통 ․ 물류의 중심지 역할을 수행하였다. 해저터널 건설은 도서와 도서, 도서와 내륙 및 국가와 국가의 연결을 가능하게 하여 활발한 인적, 물적 이동을 초래하고 사회 문화적인 교류가 증대되어 지역, 사회 및 국가의 발전에 이바지할 것으로 예상된다. 해저터널은 일정량의 해저유출수가 터널 안으로 유입이 되며, 펌프를 통하여 외부로 배출하도록 설계되어 있다. 본 연구에서는 터널 안으로 유입되는 바닷물을 열차 화재시 압축공기포(CAF) 소화설비의 소화용수로 사용하여, 해저터널에서 소화용수를 비교적 쉽게 확보할 수 있도록 하고자 한다. 이를 위하여, 해수를 소화용수로 사용시 압축공기포(CAF) 소화기의 성능 변화를 확인하고자 포 수집장치를 이용한 포 환원시간을 측정하여, 해수의 소화용수 적용성을 확인하였다. 아울러, 환기 방재에 취약한 해저터널에서 구난역에 정차된 열차의 화재를 빠르게 진압하기 위하여, 열차의 유리창을 파괴하고 화재를 직접적으로 소화할 수 있도록 창문파괴 장치를 제작하였으며, 실물화재실험을 통하여 화재에 대한 유리창의 변형과 브레이커의 형태에 따른 파괴성능을 확인하였다.

2. 이론 및 원리

화재안전기준(NFSC)의 NFSC-105에는 포 소화설비의 화재안전기준에 대하여 설치유지 및 안전관리에 관하여 법률로 규정하고 있으며, 포 소화설비는 특수가연물을 저장 ․ 취급하는 공장 또는 창고, 항공기격납고, 연면적 800 m² 주차장 등에 설치하여 사용할 수 있다(Ministry of Public Safety and Security, 2012). 현재 터널 화재시 소화시스템은 물분무 소화설비를 사용하고 있으나, 화재를 직접적으로 제압하는데 어려움이 많다. 압축공기포(CAF)는 물분무 소화설비에 비해 소방펌프 용량을 1/7로 감소하고 소방 주배관 직경을 1/2로 축소하여 소화성능 과 경제성을 갖춘 소화설비이며(NFPA 11, 2005), 친환경 약제를 사용하여 소화 작업이 용이하다(Lee et al., 2012, 2013).

압축공기포(CAF) 소화설비는 특수가연물을 저장 ․ 취급하는 공장 또는 창고, 항공기격납고, 연면적 800 m² 주차장 등에 설치하여 사용하고 있으며(Ministry of Public Safety and Security, 2012), 화재안전기준(NFSC)의 NFSC-105에는 포 소화설비의 화재안전기준에 대하여 설치유지 및 안전관리에 관하여 법률로 규정하고 있다. 시험 규격에 따라, 압축공기포의 사용시 온도, 발포비율(Lee et al., 2013), 포 수용액의 발포유량(Lee et al., 2012) 등을 변수로 하여, 압축공기포의 성능 변화에 대한 연구가 이루어졌다. 터널의 열차 화재시 구난역에서 압축공기포 소화설비를 활용한 실물화재실험을 수행하여 1분 이내에 11.88 MW 규모의 화재를 소화하는 선행연구(Park et al., 2016)를 통하여, 압축공기포의 구난역 열차 화재에 대한 소화설비 적용 가능성을 확인하였다. 

3. 압축공기포 (CAF) 이동식 소화기 제작

본 연구에서는 압축공기포 이동식 소화기를 제작(Fig. 1, 2)하여 포 환원장치에서 폼을 측정하였으며, 소화기의 사양 및 규격은 Table 1과 같다.

4. 포 환원장치를 이용한 폼 상태 확인

4.1 포 환원장치 제작

본 연구에서는 이러한 해저유출수를 열차화재시 압축공기포(CAF) 소화설비의 소화용수로 사용하여, 해저터널에서 소화용수를 비교적 쉽게 확보할 수 있도록 하고자 한다. 이를 위하여, 해수를 소화용수로 사용시 압축공기포(CAF) 소화기의 성능 변화를 확인하고자 포 수집장치를 이용한 포 환원시간을 측정하여, 해수의 소화용수 적용성을 확인하였다.

본 실험은 KS B ISO 7203-1 (비수용성 액체에 적용되는 상부주입식 저팽창 포원액 사양) 규격(Fig. 3)에 따라 진행되었다. ‘발포 배율과 환원 시간의 측정’ 규정에 따라 ‘발포배율과 환원시간 측정을 위한 포수집기’를 제작(Fig. 4, 5)하였으며, 압축공기포(CAF) 소화기를 사용하여 실험하였다. 본 실험에서는 수성막포를 3% 희석하여 소화약제로 사용하였으며, 질소가스를 이용하여 압력탱크에 7 bar를 가압하였다. 합성해수는 Table 2와 같이 KS B ISO 7203-1 규격에 명시된 비율을 토대로 제작하여 사용하였다.

4.2 포 환원장치 실험 절차 및 결과

포 환원장치를 이용한 폼 상태는 실험을 통하여 확인하였으며 KS B ISO 7203-1 규격에 따라 아래와 같은 순서로 진행되었다(Fig. 6).

1) 포 환원장치의 폼 수집용기의 무게를 측정한다.

2) 포수용액 압력탱크에 48.5 L 합성해수를 넣고. 1.5 L 수성막포(3%)를 넣는다.

3) 질소가스 밸브를 열고, 감압기를 이용하여 포수용액 압력탱크의 압력을 7 bar로 맞춘다.

4) 이동식 압축공기포 소화기를 사용하여 포 환원장치에 부드럽게 분사하고 2~3초 후에 포 환원장치에 폼 수집용기를 설치하여 폼이 가득 찰 때까지 기다린다. 폼이 가득 차면 시간을 측정한다.

5) 폼 수집용기 안의 거품만 남기고 외부에 뭍은 거품은 닦아 내고, 무게를 측정한다.

6) 5)에서 측정된 무게에서 1)에서 측정된 무게를 빼서 폼의 무게를 구한다.

7) 폼 수집용기 하단의 벨브를 열고 액화된 폼이 6)에서 측정된 폼의 무게의 1/4이 되는 측정될 때까지 걸리는 시간(환원시간)을 구한다.

본 실험은 소화용수를 담수로 19회, 해수로 15회로 총 34회 실험을 하였으며 Fig. 7의 데이터가 측정되었다. 환원 시간은 담수는 평균 237.73초, 해수는 평균 215.60초로 측정되었다. 환원 시간이 오래 걸리면 화원 및 주변 부분을 오랫동안 덮을 수 있기 때문에, 소화 및 냉각에 유리하며 화재 열전달을 방해하여 화재확산을 지연시킨다. 환원 시간의 값이 ±20% 이내에 있는 경우에는 합성해수를 소화용수로 사용이 가능하다(ISO 7203-1, 2009). 발포배율(Expansion Ratio)은 포수집용기의 체적(L)에서 가득 찬 포수집용기의 질량(kg)에서 빈 포수집용기의 질량(kg)을 뺀 값을 나눈 값이며, 각각 담수는 평균 6.139, 해수는 평균 6.270 으로 측정되었다. 발포배율은 0~10 으로 측정되며, 압축공기포(CAF)의 폼은 발포배율이 5 이상인 경우에 사용 가능하다(Kim and Crampton, 2012).

5. 창문파괴장치 구조 제작 및 실물화재 실험

5.1 창문파괴 장치 제작

창문파괴 장치는 해저터널 내에서 운행 중 화재가 발생한 열차를 구난역에 정차시킨 후 화재진압용 소화액을 객실 내로 분사시키기 위해서 창문을 빠르게 파괴하기 위한 장치이다. 주요 구성품은 창문 파괴용 브레이커와 창문을 설치하기 위한 강재 채널로 제작되어 있는 프레임이다.

열차유리 창문파괴구조는 Fig. 8과 같이 실험 대상 강화 유리창을 설치하는 프레임(A), 상하로 이동이 가능한 창문파괴용 공기압 브레이커 고정구(B) 그리고 좌우로 이동이 가능한 공기압 브레이커 받침대(C)로 구성하였다.

5.2 창문파괴 장치 성능 검증을 위한 실물화재실험

공기압 창문파괴 장치를 활용하여 열차 유리창을 파괴하는 실험을 수행하였으며, KTX의 유리창을 제작하여 창문파괴 장치에 고정하였다. 총 3회 실험을 Table 4의 조건으로 진행하여 1차 실험에서는 창문파괴 장치를 사용하지 않고 온도변화에 따른 유리창의 변화를 관찰하였으며, 2차 실험과 3차 실험에서는 창문파괴 장치를 작동시켜 유리창을 파괴하였다. 2차 실험에서는 외측 유리창 파괴만 성공하였으며 창문파괴 장치의 브레이커를 수정하여 3차 실험에서는 내․외측 유리창 모두 파괴하였다. 2차 실험 시 사용한 브레이커는 화살촉 모양으로 제작(Fig. 9)하였으며, 3차 실험 시에는 타원형의 보조 브레이커를 기존 브레이커에 부착하여 제작(Fig. 10)하였으며, 유리창을 파괴하는데 좀 더 용이한 형태로 수정하여 실험을 하였다. 

1차 실험에서는 창문파괴 장치를 작동하지 않았다. 점화 후 3분이 지나고 열차 내측 유리창이 파괴되었으며, 곧바로 외측 유리창이 파괴되었다. 이때, 열차 유리창 내측의 온도는 350°C 였다. 파괴 전에 유리창에서 유관상 변화(뒤틀림, 색변화 등)은 확인되지 않았으며, 유리 전체에 금이 생기고 무너졌다. 2차 실험에서는 점화 후 4분40초가 지나고 창문파괴 장치를 약 5초 동안 작동하여, 외측 유리창이 파괴되었다(내측 온도 280°C)(Fig. 12). 이 후에 약 9분 동안 창문파괴 장치를 7회 작동하였으나, 내측 유리창은 파괴되지 않았다. (외측 유리창 최고 온도 150°C). 3차 실험에서는 점화 후 40초 경과 후 창문파괴 장치를 약 2초 동안 작동하여, 유리창이 파괴되었다(내측 온도 700°C). 창문 파괴시 불길이 구멍을 통하여 외부로 일부 나오는 현상(Fig. 13)이 일어나며, 일시적으로 온도가 소폭 상승하게 되었다. 유리창이 파괴되면서 생긴 구멍을 통하여 압축공기포(CAF) 소화기를 이용하여 약 3초 만에 화재를 진압(Fig. 14)였다.

6. 결 론

해저터널 구난역 열차화재시 압축공기포 소화설비의 적용성에 관한 논문(Park et al., 2016)에서 가상의 구난역과 열차모형을 설치하고 실물화재 실험을 통하여 열방출량 11.88 MW 규모(햅탄 30 L, 단면적 3 m²)의 화재를 60 초 이내에 소화하여 압축공기포 소화설비의 적용성을 확인하였다. 본 연구에서는 압축공기포 소화설비를 해저터널 구난역 열차화재를 빠르게 진압할 수 있도록 하기 위하여, 소화용수의 해수적용성 확인 및 창문파괴 구조를 아래와 같이 KS B ISO 규격과 실물화재실험을 통해서 확인하였다.

1.KS B ISO 7203-1 규격 실험을 통하여 폼 환원 시간은 담수가 평균 237.73초, 해수는 평균 215.60초로 측정되었으며, 발포배율은 담수는 평균 6.139, 해수는 평균 6.270 으로 측정되었다. 본 실험을 통하여 염도에 따른 성능의 차가 환원 시간을 대상으로 ±20% 이내로 측정되어, 해수를 압축공기포 소화설비의 소화용수로 사용이 가능한 것으로 분석되었다.

2.창문파괴장치 구조제작을 통하여 제작된 창문파괴 장치를 활용하여 KTX 유리창을 2초 내에 파괴할 수 있으며, 유리창 구멍으로 압축공기포 소화설비를 활용하여 빠르게 화재를 진압할 수 있다.

3.창문파괴장치는 압축공기포 소화설비가 소화활동을 할 수 있도록 하기 위하여, 견고하고 날카롭게 제작되어야 하며, 약 지름 20 cm 이상의 구멍을 만들 수 있도록 타원형의 보조 장치를 부착해야 한다.

본 실험 연구를 통하여 해저터널 구난역 열차화재 소화설비에 압축공기 포 소화설비 소화용수의 해수적용성을 확인하였으며, 창문파괴장치를 제작하여 KTX 열차 유리창을 파괴하여 소화를 용이하게 할 수 있도록 하였다. 해저터널 구난역이 갖는 특수성과 압축공기포 소화설비의 특성을 고려하여, 열차화재를 빠르고 손쉽게 소화할 수 있도록 추가 연구가 필요하다.