2. 화재안전성능 분석 및 실험을 통한 안전성 재고 방안
2.1 통기관의 안전성 향상방안
1) 통기관의 설치기준 및 문제점
위험물저장시설의 통기관 설치에 관한 기준 중 우리나라의 경우, 옥내탱크저장소와 지하탱크저장소의 통기관은 지면으로부터 4m이상의 높이에 설치하도록 규정하고 있고2), 미국방화협회(NFPA) 규정에서는 통풍구의 높이를 지상으로부터 3m(10ft) 이상으로 하고 안전계수로 0.6m(2ft)를 추가하여 3.6m(12ft) 이상으로 권장하고 있다.3)
이러한 현행 규정은 위험물저장탱크의 통기관 선단 높이를 지면으로부터 기준하고 있고, 지상에 설치되어있는 탱크의 경우 유면 높이를 고려하지 않기 때문에 유면이 높아질 경우 통기관의 개구부를 통하여 폭발범위 내의 혼합가스가 외기로 노출될 위험성을 가지고 있다.
2) 통기관의 착화 실험을 통한 화재안전성능 개선
(1) 통기관의 유증기 착화실험
통기관 높이 규정의 안전성 확인을 위해 먼저 휘발유 유증기 농도를 유면 기준으로 10cm 마다 높이 측정을 하였고, 통기관 시험체의 시험구를 통한 유증기의 착화시험에서도 유면기준으로 높이를 측정하였다.
실험결과 [그림1]과 같이 유증기는 유면으로부터 2.5m 높이 부분에서 착화되었는데, 이때 휘발성유기화합물(VOC)은 566ppm, 산소는 20.6%의 농도를 나타냈다.
(2) 통기관 규정의 개선
유증기의 착화실험 결과에 따라 통기관의 높이는 위험물 저장탱크의 최고 유면을 기준으로 설정하고, 그 높이는 유증기의 폭발범위 농도에 따른 안전성을 고려한 높이로 설치하여야 하는 것으로 실험결과 증명되었다.
다만, 이번 유증기의 높이별 착화실험은 특정 위험물을 선택하였기 때문에 통기관의 높이기준을 정하기 위해서는 다양한 위험물의 종류와 점화원의 열량 크기 등을 고려하여야 할 것이다.
2.2 인화방지망의 안전성 향상방안
1) 인화방지망의 설치기준 검토
인화방지망에 대하여 현행 법규에서는 제4류 위험물의 옥외저장탱크(압력탱크 제외)를 밸브없는 통기관 또는 대기밸브부착 통기관을 직경 30㎜ 이상으로 하고, 선단은 수평면보다 45도 이상 구부려 빗물 등의 침투를 막는 구조로 하는‘가는 눈의 구리망 등’으로 규정하고 있다. 그러나 인화방지망은 대부분 1단으로 설치하고 있어 열차단 성능 확인이 필요하였다.
2) 인화방지망의 불꽃 실험을 통한 화재안전성능 개선
(1) 인화방지망의 불꽃 실험
인화방지망의 열차단 성능을 확인하기 위하여 30mesh, 40mesh, 50mesh 규격의 구리망을 각각 10cm 간격으로 5단 설치하였으며, 열전대 센서는 각 단(1~5단)의 중심부와 수평으로 10cm, 20cm를 이격한 3개 지점에 설치하여 5분간 온도 변화를 측정하였다.
실험 결과, 금속의 두께별 온도변화는 50mesh > 40mesh > 30mesh의 순으로, 두께가 얇을수록 열의 축적 및 방출 반응이 민감한 것으로 나타났다. 각 메시별 금속망의 중심점 최고온도는 2단에서 360℃ 전후로 나타났고, 4단에서도 대부분 휘발유의 최저발화온도인 280℃를 초과하는 것으로 나타났다. 따라서 인화방지망의 1단 설치는 통기관을 통한 화염전파 위험성이 매우 큰 것으로 나타났다.
(2) 인화방지망의 화재안전성능 개선
휘발유를 저장하는 위험물저장탱크의 인화방지망은 30mesh, 40mesh, 50mesh 규격이 4겹 이내일 경우 유증기 유출 시 착화 위험이 높았고, 인화방지망을 5겹 이상으로 구성할 경우 착화 위험성이 낮은 것으로 나타났다. 다만, 제도개선을 위해 다양한 환경과 점화원 등의 요소를 고려한 실험 결과치를 바탕으로 하여야 할 것이다.
2.3 화재시뮬레이션을 통한 이격거리의 안전성 향상방안
1) 이격거리 기준 검토
위험물안전관리법에서는 옥외저장탱크 화재로 인한 화염에서 방출되는 복사열의 영향으로 인접한 위험물 시설 및 건축물 등에 미치는 피해를 최소화하는 안전거리 및 보유공지 확보를 요구하고 있다.
(1) 보유공지 관련 규정의 검토
옥외저장탱크에서는 복사열에 의해 인접탱크가 영향을 받지 않도록 위험물의 지정수량에 따라 보유공지의 거리를 최소 3m~15m 이상으로 하거나 탱크의 지름과 높이에 따라 30m 이상으로 규정하고 있다. 다만, 지중탱크에 대하여는 보유공지를 면제하고 있다. 이는 화염면인 유면 크기에 따른 복사열량을 고려하지 않고 지정수량을 기준으로 한 보유공지의 설정과 지중탱크에 대하여 보유공지를 면제하는 문제점을 안고 있다.
(2) 안전거리 관련 규정의 검토
안전거리는 화재로부터 보호받아야 할 건축물ㆍ공작물 등 여러 가지 용도별 수평 이격거리를 두도록 규정하고 있는데, 그 거리는 최소 3m에서 최대 50m(문화재)까지로 규정하고 있다. 다만, 화재로 인한 복사열은 지상탱크와 지중탱크 모두 주변에 미치는 영향이 매우 크나 지중탱크에 대하여 안전거리 규정을 적용하지 않는 문제점이 있다.
2) 화재시뮬레이션을 통한 복사열 영향분석4)
(1) 화재시뮬레이션의 실행 환경
화재시뮬레이션은 휘발유 저장탱크(직경 28.4m×높이 8.5m, 체적 5,381㎥)가 화재로 인해 인접탱크 4기(10m, 30m, 50m. 70m)에 미치는 복사열을 산정하였고, 실시환경은 경기북부지역의 과거 10년간 평균습도 59.8%, 최저기온 -17.8℃, 평균기온 12.5℃, 최고기온 39.5℃의 조건에서 평균 풍속 2.5m/sec와 최대 풍속 8.6m/sec일 때를 조건으로 수행하였다.
(2) 시뮬레이션의 실행결과 분석
시뮬레이션 프로그램은 ANSYS Fluent R16.2를 사용하였고, [그림2]와 같이 인접탱크 거리별로 최대발열량(kW/㎡)을 평가하였다.
시뮬레이션 실행결과, [표1]과 같이 평균풍속(2.5m/s), 최저기온(-17.8℃), 이격거리를 70m로 할 경우에 최대발열량 98kW/㎡, 495℃의 온도를 나타냈고, 최악의 조건인 평균풍속(8.6m/s), 최고기온(39.5℃)의 환경에서는 70m 이격거리에서도 최대발열량 385kW/㎡, 최고온도 809℃를 나타냈다.
풍속을 고려한 최고/최저 온도에 따른 최대발열량을 나타낸 [표1]의 수치를 그래프로 나타내면 [그림3]과 같으며, 복사열의 발열량은 화원으로부터 멀어질수록 지수함수의 형태로 급격히 감소하는 것으로 나타났다.
이 결과는 위험물안전관리법에서 정하는 보유공지의 최대 이격거리인 30m의 규정과 안전거리의 최대 이격거리인 50m에서도 휘발유의 최저 발화온도인 280℃를 초과하는 상태이며, 복사열에 오랫동안 노출 시 목재에 발화될 수 있는 강도인 25kW/㎡에도 크게 웃도는 수치이므로5), 휘발유 옥외탱크 화재 시 부지 내 위험물 탱크의 안전은 물론 인접 건축물에도 높은 복사열이 영향을 미치기 때문에 화재발생 등의 위험성이 매우 큰 것으로 나타났다.
3) 이격거리 규정의 개선방안
현 규정에서는 옥외탱크 중 지중탱크에 대하여 보유공지와 안전거리를 제외하고 있으나6) 지중탱크도 복사열의 영향에서는 벗어날 수 없으므로 보유공지 및 안전거리의 규정을 의무적으로 적용하여야 할 것으로 사료된다.
또한, 보유공지 및 안전거리 설정 시 위험물의 저장량을 기준하기보다는 유면의 크기에 따른 발열량을 기준으로 하여야 하고, 화재 시 20kW/㎡ 이상의 복사열에 노출되는 탱크에 대해 보유공지 단축을 위한 일정 성능을 가진 물분무설비를 설치하도록 규정하고 있는데, 실질적인 안전확보를 위해서는 시뮬레이션에서 나타난 바와 같이 저장탱크 내 위험물의 종류와 유면 크기·화원과의 거리 등을 고려하여 산정된 발열량에 물분무설비의 기화열을 적용한다면 보유공지 및 안전거리의 단축기준에 관한 과학적 근거가 될 것이다.
2.4 방유제와 지중탱크의 화재확산 방지 성능 향상방안
1) 방유제 설치 기준 검토
옥외저장탱크의 방유제 크기는 탱크 중 가장 큰 탱크 용량의 110% 이상으로 설치하고 철근콘크리트 재질의 높이 0.5m 이상 3m 이하, 두께 0.2m 이상 크기로 하며, 면적은 8만㎡ 이내로 규정하고 있다. 다만, 지중탱크에 제4류 위험물을 저장·취급하는 경우에는 방유제의 설치를 제외하고 있다.
만약, 지상에 설치된 옥외저장탱크에서 화재가 발생할 경우, 고온에 의해 철판이 파손(400~600℃에서 인장감도 및 항복강도 감소7) )되고 탱크 내 위험물이 탱크 밖으로 누출되어 화재확산의 위험성을 갖고 있다.
2) 지중형 옥외탱크저장소의 특성 분석
지중탱크는 탱크 외부를 철근콘크리트 구조물로 보강하여 방유제 역할을 하기 때문에 고온에 의해 철판이 파손될 경우에도 위험물을 탱크 안으로 가둘 수 있어 외부 확산을 방지할 수 있고, 화재 규모도 탱크 조실의 상부유면으로 한정되므로 소방활동이 용이한 장점이 있다.
다만, 탱크의 일부를 지중에 설치하기 때문에 탱크의 철판 및 철근콘크리트 재질이 습기에 취약한 환경에 있어 수명이 단축되고 유지관리가 어려운 단점이 있다.
3) 옥외저장탱크 구조의 안전성 향상
방유제의 면적 규정에 따른 화재확산 위험성과 지중형 탱크의 유류확산 방지 기능을 융합하여 검토한 바, 옥외저장탱크의 열적 강도저하 취약성은 철근콘크리트로 보완하고, 지중형탱크의 단점인 철판과 철근콘크리트의 습기 취약성은 지상으로 노출시켜 이를 보완할 수 있다.
이 형태의 저장탱크는 원자력발전소의 지상 노출형 원자로와 같은 형태로,콘크리트의 강도유지를 위한 컨디션을 비교적 양호하게 유지할 수 있어, 탱크의 내부 또는 외부에서 발생하는 폭발 등 충격으로부터 탱크가 파괴되지 않을 것으로 사료된다. 이러한 형태의 구조물을 ‘방유제 일체형 옥외저장탱크’라 칭하고자 한다.