3.1 국내 난연성능 시험기준

3.1.1 발포 플라스틱-소형 화염에 의한 수평 연소성의 측정(KS M ISO 9772⁽⁵⁾)

수평연소성 시험은 국가화재안전기준에서 정의하고 있는 난연성능 시험방법으로 Fig. 1(a)의 장비를 이용하여 평가하며, 이는 UL94 HBF시험방법과 동일하다. 소형화염에 의한 발포플라스틱의 수평 연소성을 측정하는 시험 으로 폭 50 mm, 길이 150 mm, 두께 13 mm, 밀도 250 $kg/m^{3}$ 미만인 시편을 사용하며, 점화원에 의해 발화하지 않고 수축하는 재료에 대한 결과는 인정되지 않고 유효한 5개의 시편에 대한 평균값을 이용하여 HF-1, HF-2 및 HBF의 3가지 등급으로 구분한다. 연소길이, 연소시간(잔광연소가 25 mm~125 mm까지 타거나 그 전에 소화될 때까지의 시간), 경과시간(60초 동안 버너잔염을 가한 후 시험편이 잔염 또는 잔광연소한 시간) 및 지시솜의 발화를 평가하여 시험한 재료의 등급을 정의한다. 국가화재안전기준에서는 연소길이가 60 mm 이내이며 시편 하부에 있는 지시솜의 발화가 없는 HF-1등급인 경우 난연재료로 인정하고 있다.

은박 발포폴리에틸렌폼의 수평연소시험 후의 시편을 Fig. 1(b)에 나타냈다. 5개의 시편 시험결과 모두 시험 후 손상된 시편의 길이가 60 mm 이내이고 연소시간이 30초 이내이며 지시솜의 발화가 발생하지 않는 등 HF-1 등급의 난연성능을 만족하였다.

3.1.2 플라스틱-산소지수에 의한 연소거동의 측정(KS M ISO 4589-2⁽⁷⁾)

산소농도가 제어된 원통형 연소장치 내부에 장방향의 시편을 수직형태로 설치하여(Fig. 2(a) 참조), 시편의 상부에 점화한 뒤 아랫방향으로 유염연소를 지속적으로 유지시키는데 필요한 산소의 최소농도를 측정하는 방법이다. 발포된 재료인 경우 시편은 최소 15개를 사용하고 성형재료 중 가로 및 세로가 10 mm이고 길이가 80~150 mm인 시편을 사용한다.

Fig. 2(b)는 폴리에틸렌폼의 한계산소지수 시험 중과 시험 후의 모습을 나타낸다. Table 1에서와 같이 국가화재 안전기준에서 제시하고 있는 난연성능의 한계산소지수 기준은 28 이상인데 발포폴리에틸렌폼의 경우 22.4로 측정되었다. 시험 후 폴리에틸렌폼 부분은 모두 연소되었고 은박부분은 연소되지 않아 말린형태로 남아 있었고, 고무발포보온재의 경우 연소 후에도 숯과 같은 형태로 형상이 유지되었다.

3.1.3 건축 재료의 화염 전파 시험 (KS F 2844⁽⁸⁾)

연소하는 시험체의 중심선상에서 가장 멀리까지 전파된 화염 위치에서의 열류량을 측정하여 재료의 화염 전파성능을 평가하는 시험방법이다. 교정판을 이용하여 실시한 시험장치의 교정시험에 의해 얻어진 값을 이용하기 때문에 화염이 멀리 전파될수록 임계열류량 값이 작아진다. 다시 말해서 화염전파길이가 작을수록 높은 임계열유량 값을 가지며 상대적으로 난연성능이 뛰어난 것으로 볼 수 있다.

본 시험은 건축재료에 의한 불꽃확산연소성이나 열방출율 측정을 목적으로 한 화염전파성 시험방법으로 ISO 5658-2를 기초로 작성되었다. 시험체는 너비 155 mm, 길이 800 mm로 제품을 대표하는 것을 사용해야 하며 50 mm 이하 두께의 경우 제품 전체두께를 사용하고 50 mm 초과하는 경우에는 50 mm가 되도록 비노출 표면을 깎아내어 사용한다.

3.2 국외 난연성능 시험기준

3.2.1 Standard Test Method for Surface Burning Characteristics of Building Materials(ASTM E84⁽⁹⁾)

비영리 국제표준조직인 미국시험물질협회(American Society for Testing and Materials)에서 제안하는 건축자재의 표면화재특성을 평가하기 위한 방법으로 UL 723, NFPA 255와 동일한 시험방법이다. Fig. 3과 같이 길이 7.6 m의 스테이너 터널을 이용하여 Flame Spread Index(FSI)와 Smoke Developed Index(SDI)를 측정하여 재료의 성능기준을 Class A부터 C까지 3개의 등급으로 구분한다.

약 600 mm의 너비와 100 mm 이하의 두께를 가지는 길이 7.3 m의 시편을 스테이너 터널 상부에 위치시킨 후 가스버너를 점화하여 화염에 의해 시편이 연소되는 길이와 이 때 발생되는 연기량을 측정하는 시험이다. SDI는 북미산 레드오크를 이용하여 측정한 시간에 따른 광감쇄 선도를 이용하여 백분율로 표현한다. FSI는 무차원수로써 시간에 따른 화염의 전파거리를 이용하여 계산하며, 화염전파거리와 소요시간 그래프에서의 면적 (AT)의 크기에 따라 다음의 수식을 이용한다.

본 시험은 배관보온재 뿐만 아니라 건축물 내장재까지 다양한 제품의 난연성능을 평가하는 시험방법으로 미국에서 널리 사용되는 IBC 2018⁽¹⁰⁾에 명시되어 있다.

3.2.2 Approval Standard for Pipe and Duct Insulation(FM 4924⁽¹¹⁾)

FM approval의 시험기준인 FM 4924는 파이프나 덕트에 사용되는 보온재의 수평화염전파 정도를 평가하기 위한 것으로 Fig. 4와 같이 파이프샤시 시험설비를 이용하여 화염전파거리와 온도를 측정하는 시험방법이다. 3개의 배관보온재를 실제 시공조건과 동일하게 설치하되 배관보온재를 포함한 외경은 457 mm 이하의 것을 사용하며 각 배관보온재는 수평방향으로 13~25 mm 이격하여 설치한다. 프로판 가스버너를 사용하여 10분간 100 kW의 열량으로 점화하여 약 7.3 m 길이의 수평형태의 파이프샤시 끝까지 화염전파가 되지 않고 시험설비 끝단에서 측정한 온도가 300℃ 이하가 되어야 난연성능 인증을 받을 수 있다.

3.2.3 Standard Test Method to Evaluate Fire Performance Characteristics of Pipe Insulation (NFPA 274⁽¹²⁾)

미국 방화협회의 시험기준으로 L자 형태의 배관구조물 3개에 보온재를 설치하여 연소특성을 평가하는 방법 이다. 호칭경 50A의 배관에 보온재를 실제 시공방법과 동일하게 설치한 뒤 프로판 버너를 사용하여 10분간 시험을 수행한다. 연소 시 발생하는 최대열방출율, 연기발생량, 화염의 높이 및 시험샤시 상부의 온도에 대한 기준을 제시하고 있으며 시험마다 약 9 m 길이의 배관보온재를 사용한다.

화재발생 시 화염전파는 수평방향보다는 수직방향으로 더 빨리 이동하기 때문에 수직형태의 시험샤시는 건축물에 설치하는 배관보온재를 가혹한 조건으로 평가하는 방법이다.

3.3 난연성능 기준분석

국내의 경우 건축물에 설치할 배관보온재를 일정크기의 시편으로 제작하여 한계산소지수, 수평연소성, 화염 전파성을 평가하여 난연성능을 정의하고 있다. 국외에서는 이런 시편을 이용하여 평가하는 방법 이외에도 배관보온재의 시공방법을 고려한 실규모의 화재시험을 이용하여 난연성능을 분석하고 있다. 화재사고 발생 시 가연물로써 배관보온재의 영향을 파악하기 위해서는 국내에서도 실규모의 화재실험을 통한 분석이 필요할 것으로 판단된다.

4.1 실험 개요

국내에서 배관보온재로 많이 사용되고 있는 발포폴리에틸렌폼과 고무발포보온재에 대해 실제 설치환경을 고려한 시험기준인 NFPA 274를 이용하여 난연성능을 분석했다. 시공방법에 따른 화재확산정도의 차이를 분석하기 위해 발포폴리에틸렌폼 보온재의 경우 은박이 덧대어진 제품과 무은박 제품에 매직테이프로 마감 처리한 시편을 사용했고, 비교를 위해 무기질 재료인 글라스울 배관보온재도 시험했다. 가로 1120 mm, 세로 1650 mm인 L자 형태의 강관에 두께 25 mm인 배관보온재를 사용하였으며 동일한 재질에 대해 3회씩 시험했다.

대부분의 탄화수소계 물질의 연소 시 산소를 기준으로 13.1 MJ/kg의 열량이 발생하는 것을 기반으로 한 산소 소모법을 이용해 연소가스 중 산소와 이산화탄소의 농도를 고려하여 다음의 수식으로 열방출율을 측정하였다.

연기발생량은 헬륨네온 레이저를 이용하여 보온재가 연소하면서 발생된 연기가 일정크기의 덕트를 통과함 으로 인해 변화하는 광감쇄계수를 이용하여 측정했다.

시험샤시 상단에 300 mm 높이를 갖는 알루미늄 프로파일 구조물을 고정시키고 시험샤시의 폭을 균등하게 분할하여 K타입 시스열전대 3개를 설치하여 온도를 측정했으며, 평균값을 사용하여 평가기준과 비교했다. 또한 실험 중에 발생하는 화염의 길이는 알루미늄 프로파일의 구조물과 비교하여 기준값을 초과하는지 확인했다.

배관보온재의 점화는 한변의 길이가 305 mm인 정사각형 형태의 샌드버너를 사용했다. 총 10분간의 시험 시간동안 프로판가스를 이용하여 초기 3분은 20 kW를, 이후 7분은 70 kW의 열량을 일정하게 가했으며, 각 시험전후에 질소가스로 배관에 남아있는 프로판가스를 제거했다.

4.2 배관보온재의 난연성능 실험결과

화재실험은 총 10분간 실시했으며, 그 이내라도 설치된 배관보온재가 모두 연소된 경우에는 중단했다. 이를 통해 최대열방출율, 총방출열량, 총연기발생량, 시험샤시 위로 발생되는 화염길이, 그리고 시험샤시 상부에서의 온도를 측정하여 난연성능을 평가했다.

은박발포폴리에틸렌 보온재의 시험 전후 사진을 보면(Fig. 5(a) 참조), 시험 종료 후 샌드버너 주변과 수직 배관에 설치된 보온재가 완전히 연소된 것을 알 수 있다. 작은 점화원에 의해 시작된 시험은 약 1분 후에 급격히 연소하기 시작하여 3분 이내 수직배관에 설치된 보온재가 모두 연소되었으며 수평배관의 일부분이 남았다. 수직형태의 보온재가 연소하면서 발생된 열기류에 의해 시험샤시 하단의 수평방향 개구부에서부터 상단의 수직방향 개구부 쪽으로 기류가 형성되어 샌드버너로부터 시험샤시 하단 개구부 사이의 보온재의 연소가 매우 서서히 진행되었다.

발포폴리에틸렌폼 보온재에 적색의 매직테이프로 마감한 시편의 경우, 실험 시작직후부터 급격히 연소 하여 약 2분 경과 후 대부분의 보온재가 연소하였으며 5분 경과 후 실험을 중단했다. Fig. 5(b)에서와 같이 보온재가 급격히 연소하여 시험샤시 상단으로 300 mm 이상 길이의 화염이 발생했으며 주위로 불똥이 튀는 현상을 확인할 수 있었다. 또한 보온재의 급격한 연소 후에는 녹아서 떨어진 재료들로 인해 시험샤시 내부 바닥에 지속적인 화염이 발생했다. 실험종료 후 수평배관부분의 일부를 제외한 모든 재료가 연소함을 확인할 수 있었다.

고무발포보온재는 전용 접착테이프를 사용하여 설치하였다. 시험도중 시험샤시 상단으로 300 mm 이상 길이의 화염이 발생했지만 발포폴리에틸렌폼 보온재보다는 길이가 짧았다(Fig. 6(a) 참조). 열손상을 입은 고무발포 보온재는 숯의 형태처럼 부스러졌으며 시험종료 후 일부 재료가 시험샤시 하단에 쌓였다. 하지만 발포폴리 에틸렌폼보온재와는 다르게 바닥의 부산물로부터 지속적인 화염은 발생하지 않았다.

은박이 덧대어진 글라스울보온재를 사용하여 시험한 경우 시험샤시 상단으로의 화염이 발생하지 않았으며, Fig. 6(b)에서와 같이 샌드버너 인근 재료만 손상되었다. 실험 종료 후 버너와 떨어져 설치된 수직 및 수평배관은 거의 손상되지 않았다.

각 재료별로 열방출율과 연기발생량을 Fig. 7에 나타내었다. 발포폴리에틸렌폼보온재의 경우 은박이 덧대어진 제품과 매직테이프로 감싼 제품의 최대방출열량은 유사했지만 급격한 연소가 발생하는 시기가 달랐다. 매직 테이프로 마감한 제품은 시험초기부터 급격히 연소하여 실험 시작 1분 이내에 최대값을 보였으며 연기발생량 또한 시험초기에 급격하게 발생하였다. 내부에 설치된 보온재가 시험초기에 모두 연소하여 점화원의 크기가 70 kW로 변화하는 3분 이후에는 열방출율이 점화원의 크기와 동일하게 측정되었다. 화재사고 시 연기로 인해 시야확보에 어려워질 뿐만 아니라 이를 흡입함으로써 인체에 치명적인 손상이 발생됨을 감안할 때 보온재의 재질뿐만 아니라 시공방법에 따라 달라지는 화재성상도 보온재 설치 시 고려해야 함을 확인할 수 있었다. 은박이 덧대어진 제품의 경우 실험 시작 약 2분 경과 후 최대열방출율을 보였으며 상대적으로 작은 양의 연기가 발생했다. 난연성능이 있는 매직테이프(VTM-0등급)를 사용했지만 직접적인 화염이 가해진 경우 빠른 연소를 보였으며, 동일한 발포폴리에틸렌폼 보온재와 비교할 때 연기발생에도 기여함을 알 수 있었다.

고무발포보온재는 상대적으로 낮은 열방출율과 연기발생량을 보였으며, 샌드버너로 점화하는 시점과 버너의 열량이 20 kW에서 70 kW로 변화하는 시점에서 열방출율과 연기발생량이 일시적으로 증가하였다.

4.3 배관보온재의 난연성능 분석

배관보온재의 시편을 이용하여 한계산소지수와 수평연소성을 평가한 결과와 실제 설치환경을 고려한 NFPA 274 기준에 따라 시험한 결과를 Table 2에 함께 나타냈다. 발포폴리에틸렌폼 보온재의 경우 수평연소성은 기준을 만족했지만 한계산소지수는 기준보다 작은 값을 보였다. 시공방법에 상관없이 높은 열방출율과 화염 길이로 인해 NFPA 274기준을 만족하지 못했다. Hough 등에 따르면 동일한 발포폴리에틸렌폼 보온재의 두께를 25 mm와 13 mm를 적용하여 시험한 경우 원통형 형상으로 인해 보온재의 양이 2배 이상 차이나며, 이 때의 열방출율과 연기발생량 또한 현격한 차이가 발생하였다.⁽¹³⁾ 따라서 두꺼운 배관보온재를 사용할수록 동일한 화원에 노출되더라도 열방출율이 더욱 급격하게 증가하기 때문에 적용하는 난연성 평가 시 사용되는 보온재의 최대두께에 대한 고려가 필요할 것이다. 또한 수평연소성 시험의 경우 13 mm 이하 두께의 시편을 사용하기 때문에 25 mm 두께의 배관보온재를 사용한 NFPA 274 시험에서 더욱 가혹한 화재성상이 관찰된 것을 확인할 수 있었다. 수평연소성 시험 시 시편의 하부에 있는 지시솜의 발화여부를 평가하고 있지만, 실제 설치환경을 고려하여 시험한 경우 급격히 연소한 보온재의 용융물로 인해 시험샤시 하부바닥에 지속적인 화염이 발생 했다. 따라서 배관보온재의 난연성능 평가 시 적용되는 두께와 설치환경을 고려한 시험을 적용해야 할 것이다.

은박이 덧대어진 경우와 매직테이프로 마감을 한 제품은 유사한 화재성상을 보였지만 발생되는 연기량 에서는 차이를 보였다. 은박제품의 측정값과 비교할 때 매직테이프 연소가 방출열량에는 크게 기여하지 않더라도 다량의 연기를 발생시키는 것을 확인할 수 있었다.

고무발포보온재의 경우 한계산소지수, 수평연소성, 열방출율 등에서 발포폴리에틸렌폼 보온재보다 향상된 난연성능을 보였으나 시험샤시 위로 분출되는 화염의 길이와 측정된 온도는 기준을 충족시키지 못했다. 수계 소화설비의 국가화재안전기준에서는 한계산소지수와 수평연소성능을 이용해 배관보온재의 난연성능을 평가 하고 있으며, 이 중 한 가지 기준만 통과하더라도 난연성능이 있는 것으로 간주하고 있다. 고무발포보온재와 발포폴리에틸렌폼 보온재의 방출열량을 비교할 때 한계산소지수와 수평연소성 기준을 모두 만족하는 경우 화재발생 시 연소 확대에 기여하는 정도가 작음을 확인할 수 있었다.

화재의 성장은 가연물의 점화나 화염전파속도 등에 따라 달라지지만 전실화재가 발생하는 조건인 1 MW의 열방출율이 될 때까지의 시간의 함수로 다음과 같은 간단한 형태로 표현한다.

NFPA 92(14)에서는 화재성장상수에 따라 Ultrafast, Fast, Medium, Slow의 4가지 단계로 구분하고 있으며, 화재 성장이 느려질수록 재실자의 피난시간이 증가하여 보다 강건한 화재안전설계가 가능하다. NFPA 274시험에서 측정한 시간에 따른 최대열방출율을 화재성장곡선과 함께 Fig. 8에 나타내었다. 발포폴리에틸렌폼 보온재에 매직테이프로 시공한 경우 시험 시작 직후부터 급격히 연소하여 Ultra fast 단계의 화재성상을 보였으며, 은박이 덧대어진 동일한 제품의 경우 Fast와 Medium 단계의 화재성장속도를 보였다. 고무발포보온재의 경우 점화 후 전실화재에 이르기까지 10분 이상 소요되는 Slow 화재성장곡선과 유사한 연소특성을 보였고, 무기질 재료인 글라스울 보온재를 시험했을 때에는 매우 작은 열방출율을 보임을 확인할 수 있었다.

동일한 발포폴리에틸렌폼 보온재를 사용하더라도 시공방법에 따라 화재성장속도가 달라지므로 시공방법을 변경하거나 지속적인 연소확대를 방지하는 장치를 설치하는 등의 부가적인 조치를 통해 급격한 연소확대가 발생하지 않도록 설치해야 할 것이다.