Warning: fopen(/home/virtual/kwjs/journal/upload/ip_log/ip_log_2022-12.txt): failed to open stream: Permission denied in /home/virtual/lib/view_data.php on line 88 Warning: fwrite() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/virtual/lib/view_data.php on line 89 화재에 노출된 보강판 구조의 2차 열변형 특성

화재에 노출된 보강판 구조의 2차 열변형 특성

Secondary Thermal Deformation Characteristics of Stiffened Plate Exposed to Fire

Article information

J Weld Join. 2022;40(5):385-392
Publication date (electronic) : 2022 October 14
doi : https://doi.org/10.5781/JWJ.2022.40.5.3
김정환*orcid_icon, 유승수**orcid_icon, 이명수***orcid_icon, 서정관****,orcid_icon
* 부산대학교 선박해양플랜트기술연구원
* The Korea Ship and Offshore Research Institute, Pusan National Univ., Busan, 46241, Korea
** 부산대학교 조선해양공학과
** Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Pusan National Univ., Busan, 46241, Korea
*** 조선대학교 선박해양공학과
*** Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Chosun University, Gwangju, 61452, Korea
**** 부산대학교 조선해양공학과·선박해양플랜트기술연구원
**** Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering·The Korea Ship and Offshore Research Pusan National Univ., Busan, 46241, Korea
†Corresponding author: seojk@pusan.ac.kr
Received 2022 August 17; Revised 2022 September 20; Accepted 2022 September 27.

Abstract

The material and structural thermal deformation characteristics of a steel stiffened panel under various fire-extinguishing methods were investigated experimentally. Propane gas was used to generate jet fires for steel stiffened panels widely used as offshore installation structures. The characteristics of the initial imperfection (initial deflection and residual stress) occurring during fabrication were measured and analyzed before and after the fire experiment. In addition, the serviceability limit values were analyzed in terms of the maximum and permanent defections of the steel stiffened plate. The experimental results can be used as basic data for establishing various maintenance/ retention systems in the event of fire accidents on offshore installations.

1. 서 론

선박 및 해양구조물은 가연성 물질을 취급함에화재와 폭발사고 위험에 상시 노출되어 있으며 이러한 사고들은 인명, 재산 그리고 극심한 환경 피해를 초래한다. 따라서 대상구조물의 면밀한 배치 최적화 등에 관련된 본질적 안전설계 (Inherent Safety Design)와 가연성물질의 기본공정제어시스템 (Basic Process Control System) 기반으로 위험요인 (Hazard Identification) 분석과 위험도해석 (Risk Analysis)을 통하여 사고 예방을 위한 안전시스템 설치와 사고 발생 시 피해저감이 될 수 있는 안전시스템 설계가 요구된다.

화재의 경우 현재 화재사고에 대한 다양한 불확실을 모델링이 가능한 계산 기법을 통하여 사고한계상태 (Ac- cidental Limit State) 및 위험도기반 설계법 적용과 관련된 다양한 연구개발이 이루어지고 있다1,2). 그러나 설치 이후 운영 시 발생하는 화재에 대한 사용한계상태 (Serviceability Limit State) 평가 및 상태평가 (Con- dition Assessment) 특성 분석은 제한적인 정보만이 존재하고 있다3).

선박 및 해양 용접구조물의 경우, 용접 열변형을 방지하기 위한 제어 및 관리기술은 다수의 열변형 현상과 관련된 선행연구4-7)에 의해서 잘 정립되어 있으나 선박 및 해양구조물의 설비 운영시 발생되는 화재열로 인한 2차 변형 특성 연구는 부족한 실정이다. 이는 화재사고시 선박 및 해양플랜트 구조물의 유지보수체계 확립에 많은 어려움을 주는 대표적인 원인이라고 볼 수 있다.

일반적으로 해양플랜트에서 발생하는 화재의 경우는 특성상 탄화수소가 밀폐계 용기(배관, 분리기 등)에서 방출된 후 점화되면서 액면화재(Pool fire), 제트화재 (Jet fire), 증기운화재(Vapor cloud fire), 증발화재 (Flash fire), 화염구(Fire ball) 등이 초래되며 이들은 각기 다른 양상과 극명하게 다른 복사특성을 보여준다. 이중 제트화재는 해양플랜트 내부의 액화가스(또는 고압가스)가 저장탱크나 배관으로부터 누출된 후 점화가 되고, 누출속도에 따라서 서로 다른 길이의 고온과 고압을 가지는 화염을 형성하는 화재이다.

특히 높은 화재하중으로 인하여 구조물의 파손, 저장탱크나 배관의 파손, 추가적인 화재확산 등의 영향을 미치고 있다. 따라서 제트화재는 강구조물의 화재의 열적 특성에 따른 1차적으로 재료적 강도 저하로 인한 구조시스템 붕괴를 발생할 수 있다. 이러한 이유로 화재에 의한 대표적인 피해저감 안전시스템인 PFP (Passive fire protection)에 관련한 내화구조설계분야는 매우 활발한 연구가 진행되었다8-10).

운영시 화재 사고시 화재진압을 위한 수계소화시스템을 이용하여 가연물의 표면을 냉각하여 소화작용을 한다. 대규모의 화재의 경우는 화재 진압이후에 구조물의 안전성 확보 측면에서 대규모 보수 또는 교체 등에 작업이 필요하나 소규모의 피해는 이러한 보수/교체 등에 결정을 위한 적절한 기준도 필요하다. 현재 육상건축물 등에서는 피해보상 등에 관련한 사고조사형태로 구조물의 안전성을 확인하고 있으나 해양구조물의 경우에는 관련된 연구가 매우 부족한 실정이다.

따라서, 본 연구는 해양구조물의 발생되는 제트화재사고에 대해서 선박 및 해양플랜트에 강도 부재로 널리 활용되고 있는 대표적인 보강판 구조에 대해서 제작 시 발생하는 초기결함(초기 처짐 및 잔류응력) 및 구조물의 소화시스템의 냉각효과 등에 관련한 열변형 특성을 실험적으로 조사분석을 수행하였다.

2. 보강판 구조의 화재 실험

2.1 대상 보강판 구조 특성

본 연구에서는 선박 및 해양플랜트의 사용되는 대표적인 종방향 및 횡방향 보강재로 구성된 보강판 구조를 고려하였다. 재료는 조선용 연강 (Mild steel)재로 판과 보강재 동일재료를 사용하였다. Fig. 1과 같이 판재는 길이(L)는 2,440mm, 폭(b)은 1,220mm, 두께(t)는 10mm이고 종방향 및 횡방향 보강재는 Tee 형으로 주요 치수는 Fig. 2Table 1과 같은 치수로 제작되었다.

Fig. 1

The steel stiffened panel specimen

Fig. 2

Dimension of stiffeners

Dimension of stiffeners

용접법은 조선소에서 제작 시 널리 사용하는 FCAW (Flux Arc Cored Welding)을 사용하였으며 입열량과 관계있는 각장의 경우 한 패스로 최대로 낼 수 있는 6.5mm로 적용하였다.

선박 및 해양구조물은 제작 시 용접으로 발생하는 잔류응력과 처짐으로 구성된 초기결함이 발생한다. 일반적으로 보강판의 구조강도평가를 위해서는 초기결함 특성을 반영하여 해석 및 평가를 통하여 강도설계를 수행한다2). 이러한 초기결함 특성은 운영중에 발생하는 화재에 의한 2차적인 열하중에 의한 결함특성이 변화가 예상되고 따라서 화재사고를 대한 안전설계 및 유지보수 체계에 중요한 설계변수로 반영이 필요하다.

대상 보강판에 대해서 용접에 의한 초기 처짐과 잔류응력 특성변화를 정량화하기 위하여 계측변수로 설정하였다.

초기처짐은 레이저 거리 측정장치를 이용하여 Fig. 3(a)와 같이 10mm 등 간격으로 측정하였다. 초기처짐 계측 형상은 Fig. 3(b)와 같은 필렛(Fillet Welding)특성을 대표하는 전형적인 면외변형인 각변형(Angular Distortion) 형태가 계측되었다. 판의 경우는 좌굴모드 (Buckling mode shape)의 형상과 종방향 보강재는 미소한 Sideway 형태의 면외 방향 처짐이 관찰되었다. 이러한 이유는 대상 보강판 구조가 판의 4변이 구속조건이 없는 자유단 형태로 제작되어 순수한 보강재의 용접이 주요한 초기 변형 형상의 원인으로 판단된다.

Fig. 3

Measurement of initial imperfection induced by welding

용접 잔류응력 대표적인 방법은 홀 드릴링법 (Hole Drilling Method)이다. 이 방법은 가장 널리 사용되는 잔류응력 측정방법이며, 특히 표면의 잔류응력 측정시 정도높은 값을 보장하는 장점이 있다. 또한 ASTM E38711)에 의해 표준화되어 있는 방법이기도 하다. 따라서 본 실험에서는 홀 드릴링법을 이용하여 용접부의 이면부에 종방향 및 횡방향 잔류응력을 각각 계측하였다.

2.2 대상 화재

본 연구에서는 대상화재는 제트화재로 해당 화재를 모사 할 수 있는 시험설비를 Fig, 4과 같이 제작하였다. 대상 화재 보강판을 지그에 고정시키고 화염 노즐을 이용하여 +Z 방향 보강재 이면부에 프로판 가스를 이용하여 제트화재를 발생시켰다. 가스 유량은 0.039g/s를 유지하면서 총 30분간 Eurocode 1 (BS EN 1991-1-2) 12) 조건에 따라서 화재곡선을 실험적으로 재현하였다.

Fig. 4

Test setup of jet fire

2.3 실험 방법

2.3.1 화재 및 냉각 조건

제트화재에 의한 열하중과 해양구조물에서 사용하는 소화시스템의 냉각 특성을 고려한 실험을 수행하였다.

첫 번째로 자연 냉각방식으로 대상 보강판(SP1)에 화염이 노출 시 가연성 물질이 모두 연소가 이루어지고 화재가 자연소멸이 되는 조건으로 소규모의 화재를 모사한 실험조건이다. 두 번째는 화재 발생 시 일정시간 이후에 소화용 수계진압시스템이 작동하여 강제적으로 소방수를 이용하여 화재를 진압하는 방식으로 대상 보강판(SP2)을 일정시간 화염노출 이후 직접 냉각하는 조건으로 모사하였다.

수계 물분부 시험설비는 화염노출부의 이면에서 Fig. 5와 같이 2개의 노즐을 사용하여 18.8 L/mim. 유량으로 시험체 온도가 상온이 될 때까지 작동시켰다.

Fig. 5

Water deluge system for SP2

해당 두 가지 시나리오는 모두 화재 이후의 자연 및 급속 냉각으로 대상구조물의 열적 평형을 냉각시간에 따른 구조물의 열변형 특성을 분석을 목표로 하고 있다.

2.3.2 경계 조건

대상 보강판의 주변 지지조건에 따른 변형 특성을 확인하기 위하여 판의 길이방향 한변에 대해서만 볼팅(Bolting)을 이용한 고정지지 조건을 구현하였다. 이외의 세변에 대해서는 자유단으로 Fig, 6와 같이 지지조건을 달리하였다.

Fig. 6

Boundary condition

2.3.3 온도 및 변위 계측

화재 및 냉각조건에 따른 변형 특성을 시간에 따른 보강판의 특성을 확인하기 위하여 먼저 보강판의 온도를 측정하기 위해 총 7개의 열전대를 설치하였다. 또한 화재의 열에 대한 보강판의 처짐을 측정하기 위해 총 3개의 LVDT (Linear Variable Differential Trans- former) 변위 센서를 설치하였다. Fig. 7(a) 는 열전대와 변위센서 부착위치를 나타내고 있다.

Fig. 7

Location of thermal coupler, LVDT, and strain gauge

잔류응력은 화염 노출 전후 모두 측정하였으며 종방향 및 횡방향 각각 4개의 Fig. 7(b)와 같은 위치에서 계측하여 변화특성을 관찰하였다.

잔류응력 측정 위치는 ASTM E837 기준을 적용하여 Drilled hole 주위로 응력 집중이 발생할 수 있기 때문에 항복응력의 60%를 넘지 않는 범위에 선정하였으며 화재 실험이 완료된 이후에 초기계측 위치와 인접 위치, 즉 잔류응력게이지를 부착 가능한 위치에서 측정하였다.

3. 실험 결과

3.1 화재 냉각 조건에 따른 변형 특성

3.1.1 온도 특성

제트화재 화염의 중심은 대상 보강판의 보강재 이면부 중심위치에서 30분간 화염노출 및 냉각조건 별 시간에 따른 온도 및 변위 결과를 Fig. 8에 도시하였다.

Fig. 8

Results of steel temperature versus time

Fig. 8(a)는 자연냉각 조건에서 화염에 직접 노출되는 판의 계측지점 (MP1)에서 최대 750°C까지 상승 후 150분 이후에 대기온도의 열평형 상태가 되었다. 최소온도는 MP7에서 최대 220°C가 온도 계측되었다. 이는 MP7 위치는 횡방향 보강재 플랜지부로 화염에 직접 노출되는 MP1에 비해서 MP7은 화염으로 부터의 거리에 따른 열전도 효과로 상대적으로 낮은 온도로 계측되었다. 그러나 자연 냉각효과에 따른 열평형은 전체가 동일한 열적 평형 상관관계 따라서 모든 계측 위치에서 150분(냉각시간 120분)에서 대기온도로 떨어지는 것을 확인하였다.

급속 냉각 조건의 경우인 Fig. 8(b)과 같이 자연냉각과 동일하게 30분간 화염에 노출 후 수계 소화시스템을 작동시켜(Fig. 5) 보강판의 온도를 열적 평형상태인 대기온도에 도달 시점까지 분사하였다. 예상한 것과 같이 물 분사 따른 냉각효과로 인하여 자연냉각에 비해서 5배 정도 빠른 시간인 24분 후에 대기온도에 도달하였다. 특히, MP7의 급속 냉각 조건에서 온도의 감소률이 상대적으로 화염과 직접 노출되는 판재위치에 비해서 완만하게 감소되었다. 이는 보강판 구성부재 (판, 종방향 및 횡방향보강재)의 화염 노출위치에서 보강재 크기와 거리 등에 연관된 열전도 지연현상으로 설명할 수 있다.

3.1.2 변형 특성

화염 노출 및 냉각조건에 따라서 초기처짐 형상, 계측 위치의 주변 구속조건 등의 영향으로 열변형 특성이 다양하게 변화되는 것으로 Fig. 9와 같이 관찰되었다.

Fig. 9

Results of deflection versus time

LVDT1 위치는 두변이 자유단과 횡방향 및 종방향 보강재로 둘러싸인 판의 중앙부 처짐 결과로 면외방향으로 변위가 Fig. 9(a)와 같이 평균 7mm정도 증가하다가 유지되었다. 반면 LVDT3의 경우는 한변만 자유단으로 동일한 면외 방향으로 계속해서 증가되었다. 또한 열하중이 작용 초기 3분 정도에서 계측점에서 초기처짐 방향의 변위가 급격하게 역방향으로 변화되는 것을 관찰되었다. 이러한 이유는 열하중이 작용됨에 따라 초기처짐형상을 유지 또는 주변 구속조건의 영향으로 재료적 및 기하학적인 특성이 변화된 것으로 사료된다.

특히, LVDT3의 경우는 화염이 종료되고 자연냉각 실험에서 변위 방향이 상태적으로 LVDT 1 및 2에 비해서 급격하게 방향이 반대가 되면서 최대 변위가 약 40mm이상의 영구변형 차이가 발생되었다. 열하중에 따른 초기처짐 형상이 각변형 형상에서 판의 고유치 좌굴형상모드로 변화된 것을 시험종료 후 관찰되었다. 따라서 보강판에 화재에 의한 열 하중은 1차적으로 강재의 물성변화에 따른 기하학적인 변형에너지로 변화된 것으로 판단된다.

급속 냉각 조건의 최종적인 변위는 자연냉각과 확연한 차이를 보여주었다. Fig. 9(b)와 같이 급속냉각이 이루어지면서 초기 7분 정도에서 급격하게 변위가 증가 후 감소되었다. 이후 완만하게 감소되면서 10분 뒤에 열적 평형상태를 이루었다. 급격한 변형은 냉각 열원(물)이 공급되면서 전체구조물의 냉각에 의한 열변형에너지가 열적평형을 각각의 구성 부재별로 동시에 작용하면서 급격한 변형이 발생된 것으로 판단된다.

본 실험결과인 화재에 의한 열하중 및 소화방식에 따른 냉각조건에 따른 최대처짐과 영구처짐에 대해서 결과를 Table 2와 같이 정리하였다.

Summary of deflections at locations

일반적으로 구조물에 외력에 대한 사용한계상태기준(Serviceability limit values)인 측면에서 DNVGL 규정13)에 따르면 본 보강판 구조의 허용 최대 처짐 12.2mm와 영구처짐이 8.133mm으로 계산된다. 보수적인 중앙부(LVDT2)를 제외하고는 최대처짐 및 영구변형 기준에 만족하지 못하는 결과를 보여주었다. 따라서 이러한 화재의 열하중 및 소화방식에 따라서 관련된 규정 검토 및 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

3.2 잔류응력 특성

Fig. 10 종방향과 폭방향의 Fig. 7(b)위치에서 대상 보강판의 냉각조건에 따른 각각의 잔류응력 변화 결과를 분석하였다. 종방향, 폭방향으로 용접부와 거리에 따라 4개의 계측위치 선정하였다. 실험 전, 후 비교를 위해 인접 위치에서 보강판별 각각 총 8개의 포인트에서 잔류응력을 계측14)하였다.

Fig. 10

Distribution of residual stress in y-direction

Fig. 11

Distribution of residual stress in x-direction

화재 후 자연냉각 및 급속냉각 실험 전후 계측된 인장영역의 잔류응력은 모두 큰폭으로 감소되었다. 특히 압축영역에서는 폭방향 잔류응력은 용접부에서 멀어질수록 감소되고, 종방향 잔류응력은 증가되는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

따라서 제작시 용접에 의해 발생되는 인장 잔류응력은 화재 사고로 발생되는 2차 열하중의 영향으로 항복응력 수준으로 확연하게 줄어들고, 또한 압축 잔류응력 또한 전체적으로 완화되는 것으로 2차 열하중의 주요한 열변형 특성으로 판단된다.

또한 대상 보강판에서 화염 노출 및 냉각효과에 따른 인장 및 압축 잔류응력 두 인자가 복합적으로 작용하여 2차 열변형 발생 원인으로 설명될 수 있고 관련된 추가 수치 및 상세 실험적 연구가 필요할 것으로 판단된다.

4. 결론 및 고찰

해양구조물의 화재 사고 시 화염 및 소화방법에 따른 보강판 구조의 열변형 특성을 실험적인 방법을 통하여 조사 분석하였다. 화재에 의한 열하중과 소화방법에 따른 냉각효과에 실험적으로 구현하였고 대표적인 보강판구조에 대해서 온도, 변위 및 잔류응력의 변화특성을 바탕으로 다음과 같은 세부 결론 도출하였다.

  • 1) 화재에 의한 열하중이 작용후 냉각조건에 따라서 보강판의 열적평형상태는 급속냉각이 자연냉각에 비해 5배 정도 빠르게 도달되었다. 열적 평형상태 도달시간은 화염의 노출된 위치에서의 보강판 부재 특성 및 거리에 따른 열전도 영향이 주요하게 작용함을 확인하였다.

  • 2) 초기처짐 형상, 계측 위치의 주변 구속조건 등의 영향으로 열변형 특성이 다양하게 변화되는 것을 확인하였다. 열하중에 따른 초기처짐 형상은 용접에의 초기형상에서 판의 고유치 좌굴형상모드로 변화된 것을 확인하였다.

  • 3) 잔류응력은 인장영역에서는 큰 폭으로 감소되었고, 압축잔류응력은 종방향 및 폭방향 용접의 특성에 따라서 감소 및 증가하는 경향을 보였다. 전체적으로 열하중에 의하여 잔류응력이 완화됨을 확인하였다.

본 실험을 통해 얻은 결과는 해양플랜트 구조물의 화재 사고 시 다양한 유지/보유 체계 확립을 위한 기초적인 데이터로 사용될 것으로 사료 된다. 또한 보강판의 실험조건에 따른 모드변화, 잔류응력의 특성에 대해서 정밀한 전산수치해석을 통하여 검증과 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

후 기

본 연구는 방위산업기술지원센터(DITC)의 지원을 받아 수행되었습니다(912849501).

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14. ASTM E251, Test for performance characteristics of bonded resistance strain gages American Society of Testing Materials (ASTM) 2020;

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Fig. 1

The steel stiffened panel specimen

Fig. 2

Dimension of stiffeners

Table 1

Dimension of stiffeners

Longitudinal Transverse
tp 10mm tp 10mm
hwx 125mm hwy 430mm
twx 10mm twy 12mm
bfx 75mm bfy 150mm
tfx 10mm tfy 20mm

Fig. 3

Measurement of initial imperfection induced by welding

Fig. 4

Test setup of jet fire

Fig. 5

Water deluge system for SP2

Fig. 6

Boundary condition

Fig. 7

Location of thermal coupler, LVDT, and strain gauge

Fig. 8

Results of steel temperature versus time

Fig. 9

Results of deflection versus time

Table 2

Summary of deflections at locations

Location Deflection of SP1 Deflection of SP2
Max. (mm) Perm. (mm) Max. (mm) Perm. (mm)
LVDT1 23.32 23.22 30.70 21.94
LVDT2 7.46 6.78 11.78 4.03
LVDT3 25.31 25.31 20.13 7.97

Fig. 10

Distribution of residual stress in y-direction

Fig. 11

Distribution of residual stress in x-direction