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유류저장시설의 화염확산방지를 위한 실험연구

1. 서론

1.1 연구의 배경

유류저장시설은 이동탱크저장소 및 주유소 등을 통해 소비자에게 유류공급을 위하여 대규모의 양을 저장하는데, 이로 인한 화재·폭발 발생 시 관련 시설의 피해는 물론 지역에 미치는 인적·사회적·환경적 영향은 매우 크다.
2018년 경기도 고양시 소재 저유소에서 풍등으로 추정되는 외부 점화원이 통기관을 통해 외부로 유출된 가연성 유증기에 착화되어 인화방지망을 거쳐 옥외저장탱크(직경 28.4m) 내부에서 폭발적으로 연소되는 사고가 발생하였다.
저유소는 총 14개의 옥외저장탱크에 약 7천7백만ℓ의 유류가 저장되어 있었으며, 이중 1개 저장탱크에서 발생한 화재의 거대한 화염과 복사열(약 1,500℃ 이상)의 영향으로 인하여 인접탱크가 폭발하는 등 탱크 2개소가 파괴되어 77억원의 손실을 가져왔다.1)
이에 따라, 휘발유를 저장하는 옥외탱크에서의 유사 사고 방지 및 심층적인 분석과 도출된 문제점의 개선을 위한 연구가 요구되었다.

1.2 연구의 방향

본 연구는 위험물저장탱크에 대하여 대형화재를 미연에 방지하는 화재예방 측면과 화재 발생 시 피해를 최소화하기 위한 방호적 측면의 제도개선을 목적으로 하였다.
먼저, 유류저장탱크에서 유류 유입 시 통기관을 통한 탱크 외부 유출 유증기의 화재위험성에 대한 통기관의 높이 규정과 관련한 실험 및 통기관의 선단에 설치된 인화방지망의 화염전파 차단 성능에 대한 증명이 필요하였다.
또한, 화재 발생으로 화염이 탱크 유면전체로 확산되었을 경우 화염의 복사열로 인한 인접한 탱크 및 건축물 등에 미치는 영향을 시뮬레이션을 통해 보유공지와 안전거리의 설정 방향을 제시하고자 하였다.
그리고 방유제의 역할과 지중탱크의 분석을 통하여 고온의 화염에도 옥외탱크의 구조물이 쉽게 붕괴되지 않도록 안전성이 향상된 형태의 옥외저장탱크를 제시하고자 하였다.

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.

[그림 1] 유증기 착화실험과 VOC의 높이별 유증기 농도
(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.

[그림2] 화재 시뮬레이션을 통한 복사열 온도분포

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.

[표1] 지름 28.4m 탱크의 이격거리별 최대발열량ㆍ최고온도

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.

[그림3] 평균풍속과 온도 환경에 따른 이격거리별 발열량 변화

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.

3. 결론

본 논문에서는 옥외탱크저장소와 관련된 4가지 분야, 즉 통기관의 화재안전성, 인화방지망의 성능, 시뮬레이션을 통한 복사열 영향과 이격거리 규정의 방향을 제시하고, 안전성을 향상시킬 수 있는 새로운 형태의 옥외저장탱크에 대하여 거론하였다.
첫째, 통기관의 설치규정에서, 우리나라는 지상에서 높이 4m 이상으로 규정하고, 미국의 경우에도 안전율을 고려하여 지상에서 높이 3.6m 이상으로 규정하고 있는데, 휘발유 유증기의 높이별 착화실험 결과 유면으로부터 2.5m 높이에서 점화가 발생하는 결과가 도출되어 통기관의 선단 높이는 유면을 기준으로 측정하여야 하는 것으로 나타났다.
둘째, 인화방지망에 대한 열전달 실험 결과 대부분의 금속망에서는 최고온도 도달 시 4겹일 경우에도 휘발유의 최저발화온도인 280℃를 초과하는 것으로 나타남에 따라 인화방지망의 불꽃착화 방지 기능을 위해서는 5겹 이상의 인화방지망 설치가 필요한 것으로 나타났다.
셋째, 복사열 발생에 따른 영향을 최소화하기 위해서는 옥외탱크 중 지중탱크에도 보유공지 및 안전거리의 규정을 적용하여야 하고, 그 거리의 기준은 저장 유류의 지정수량을 기준으로 할 것이 아니라 각 위험물의 성상과 시설의 규모 등을 고려한 시뮬레이션 등 실험으로 복사열을 산정하여 안전한 이격 거리를 규정함으로써 위험물 시설과 건축물 등을 보호하여야 할 것이다.
다만, 옥외로 노출된 대형 저장탱크에 대하여는 복사열을 고려한 냉각 성능을 가진 물분무설비를 설치하여 복사열의 영향을 감소시킴으로써 보유공지 및 안전거리를 단축시켜야 할 것이다.
넷째, 방유제는 옥외의 위험물 탱크가 파손될 경우 그 확산범위를 한정하는 역할을 하며, 탱크 파손에 따른 위험물의 누출방지는 시설의 관리나 화재진압 등 대응에 있어서 매우 중요하다. 옥외탱크저장소 중 지중탱크의 경우 화재 발생 시 화염면을 한정하는 장점이 있는 반면, 철근콘크리트 구조물은 지중의 수분에 취약하여 탱크의 수명을 단축시킬 수 있다. 따라서 대형 위험물저장탱크의 경우 지상 노출된 옥외저장탱크의 철판 외부에 철근콘크리트 구조물을 설치함으로써 화재로부터 안전하고 시설의 유지ㆍ관리도 편리한 형태인 ‘방유제 일체형 옥외저장탱크’의 설치를 제안하는 바이다.

1) 소방청, 2019, ‘고양저유소 화재사고 대응백서’, p.12

2) 법제처, 위험물안전관리법시행규칙제32조[별표8]

3) NFPA30, Flammable and Combustible Liquids Code(2012 Edition), A.27.8.2.1 API RP 500

4) 이점동, 2020, ‘유류저장시설에 있어서 화염확산방지 설계의 최적화를 위한 사례분석 및 실험연구’, 서울시립대학교. pp.83-92

5) 박형주외 4인, 위험물 저장탱크 화재 시 주위인접 가연물 및 시설에 대한 영향의 실험적 연구

6) 법제처, 위험물안전관리법시행규칙제30조[별표6]Ⅻ.제1호

7) 김소영외 3인, 2018, ‘구조 강재의 온도에 따른 재료적 특성에 대한 실험적 연구’, 한국강구조학회 논문집제30권제5호, PP262-263.

참고문헌

1. 김소영외 3인, 2018, ‘구조 강재의 온도에 따른 재료적 특성에 대한 실험적 연구’, 한국강구조학회 논문집제30권제5호

2. 박형주외 4인, 2003, 위험물 저장탱크 화재 시 주위인접 가연물 및 시설에 대한 영향의 실험적 연구, PP262-263.

3. 이점동, 2020, ‘유류저장시설에 있어서 화염확산방지 설계의 최적화를 위한 사례분석 및 실험연구’, 서울시립대학교, PP83-92.

4. 법제처, 위험물안전관리법시행규칙제30조[별표6]Ⅻ.제1호 및 제32조[별표]

5. 소방청, 2019, ‘고양저유소 화재사고 대응백서’, p.12

6. NAPA30, Flammable and Combustible Liquids Code(2012 Edition), A.27.8.2.1 API RP 500

글. 이점동|성남소방서 서장, 재난과학박사·소방기술사

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