The Development of High Pressure Long Distance Fire-fighting Hose with Phosphorescent Performance

축광 성능을 갖는 고압용 장거리 호스 개발에 관한 연구

Abstract

This study describes the development of a long-distance hose for ultra-high pressure operation, which can be used in conjunction with an ultra-high pressure pump and can be effectively applied to the fire suppression of high-rise buildings and a long, large tunnels. Also, it has phosphorescent properties, which can help to secure the withdrawal route of the fire-fighters when they are threatened by the fire. We developed an ultra-high pressure hose aiming at a pressure of 3 MPa and a flow rate of 2000 lpm and developed an ultra-high pressure fire hose that can withstand this very high pressure by using a double jacket, triple polyurethane coating and warf (Wp) of 52. In order to ensure the performance of the developed ultra-high pressure hose, its structure, appearance, leakage at high pressure, length and elongation were inspected by a certified certification agency, who also subjected it to a peeling test, friction test, breaking pressure test and free fall test. Also, it was studied in addition to the luminescent high-pressure hose for fire-fighting. In the phosphorescence test, the luminance measurement value was more than the reference value of the luminance test after 40 minutes, which confirmed that its performance was satisfactory for fire-fighting products. In the future, if such an ultra-high pressure fire hose were commercialized and applied in the field, it could contribute to securing improved fire suppression and safer exit from fires, as compared to the fire hoses currently used in the suppression of fires in skyscraper buildings and long tunnels.

본 연구에서는 초고압 펌프의 개발과 같이 사용할 수 있는 초고압용 장거리 호스 개발에 관한 연구이며, 접근과 방수거리의 도달이 어려운 초고층 건물 및 대심도 터널의 화재진압에 효율적으로 적용이 가능함과 동시에 축광 성능을 포함하여 소방관의 화재 진압 시 퇴로 확보에도 도움이 될 수 있는 초고압용 호스의 개발에 관한 연구이다. 호스의 성능으로서 압력 3 MPa, 유량 2000 lpm을 목표로 초고압 호스를 개발하였으며, 2중의 자켓과 3중의 폴리우레탄 코팅 및 52의 경사를 사용하여 매우 촘촘하고 높은 고압에도 견딜 수 있는 초고압 소방호스를 개발하였다. 개발된 초고압 호스의 성능을 확보하기 위하여 구조 및 외관, 고압에서의 누수, 길이, 신장률, 박리시험, 마찰시험, 파단압시험 및 자유낙하 시험 등이 공인된 인증기관에서 수행되었으며 수행결과 성능에 이상이 없는 것으로 파악되었다. 또한 소방관의 화재진압 시 퇴로를 확보하기 위한 축광 성능의 초고압 호스에 추가하여 연구 및 개발하였으며, 휘도시험의 값으로 축광의 발광시험 개시부터 40분 후까지 휘도 측정치가 휘도시험의 기준 값 이상으로 충분히 확보되는 것을 확인할 수 있었다. 향후, 이와 같은 초고압용 소방용 호스가 상용화가 되어 현장에서 적용된다면 초고층 건물의 화재진압 및 장대터널에서의 화재진압에 있어서 현재 사용되고 있는 소방호스 보다 개선된 화재 진압 및 안전한 퇴로를 확보하는 측면에서 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

1. 서론

현재 국내 소방호스는 국가 검정품으로 형식승인, 제품검사 등을 통해 인증된 제품이 설치 및 사용되고 있다. 국내 기술기준에는 소방호스를 크게 고무내장호스와 릴호스로 2가지로 구분하고 있으며 신장률, 비틀림, 내압시험, 파단시험, 내마모성 등의 다양한 성능시험을 통하여 성능 및 인증을 받아 관리 및 사용되고 있다.^(1-3)

국내 소방호스의 2010년에서 2016년까지 제품검사 현황을 살펴보면, 사용압력이 1.3 MPa 미만의 소방호스 제품검사건수가 3359건이고 1.3 MPa 초과의 소방호스의 제품검사건수가 1556건이며, 이중 1.3 MPa 미만의 호스에서는 223건의 불량건수의 발생으로 전체 검사건수 대비 6%의 불량률과 1.3 MPa 초과의 호스에서는 불량건수가 117건으로 6.7%의 불량률을 가지고 있는 것으로 파악되었다. 따라서, 국내 고압호스 제품 생산 품질은 93% 이상의 양호한 생산 품질 성능을 유지하고 있다고 할 수 있다. 그리고, 국내 소방호스에 대한 형식승인을 취득한 업체는 2009년 이후 12개 업체이며, 국내 소방호스의 형식승인은 2009년에서 2015년 사이에 94개의 형식승인이 취득되었으며, 그 중고압용으로 사용되는 호스 중 사용압력 1.6 MPa은 8개이며, 2.0 MPa은 36개이며, 사용압력이 3.0 MPa이상의 초고압용 소방호스에 대한 제품개발, 검증기술기준 및 형식승인 제품은 현재 전혀 없는 상황이다.⁽⁴⁾

한편, 소방펌프로 사용되고 있는 원심펌프는 부하가 낮은 상태에서는 유량을 만족할 수 있으나, 압력이 1.5 MPa로 높아질 경우, 유량은 급격하게 감소하여 펌프로서 기능을 다하지 못하는 경우가 많다. 또한, 최근들어 고층빌딩의 화재진압, 산불진화, 대형화재 진화, 각종 실내 화재발생시 외부에 설치된 유리등을 파괴하기 위한 힘과 소방대원및 장애물 극복을 위한 긴 방사거리 등을 확보할 수 있게고압력과 대유량을 요구하는 경우가 증가하고 있는 추세이다. (5) 이러한 방수의 단점을 보완하기 위한 기술로서 소방펌프의 보완성능을 가지는 내압성능 2.5 MPa, 2700 lpm의 용량을 가지는 용적펌프의 개발과 인정기준이 2016년도에 제정이 되었으나, 이러한 용적펌프의 성능을 견딜 수 있는 소방호스의 개발은 현재 없는 실정이다. 따라서, 국내에서도 2.5 MPa 이상의 초고압용의 소방호스의 개발이 필요하며, 소방분야 뿐만 아니라 화학공장 및 다양한 산업분야에서도 응용되어 사용되어질 수 있을 것이라 예상할 수 있다.

반면, Figure 1에서 외국에서의 제작된 실제 초고압용 소방호스의 실물의 모습을 보여주고 있으며, 국외에서의 초고압용 소방호스 제조 현황 분석을 살펴보면 캐나다에서는 Niendner 사에서 제작하고 있으며 RXL-800 모델과 ULTRA2000 모델이 사용되고 있다. 이중 RXL-800은 100% 폴리에스테르 이중 자켓으로 사용압력 2.8 MPa/400 psi이며, 내구성, 뒤틀림 저항성 및 유동성이 뛰어난 가장 대중적이고 고압용으로 사용이 가능한 제품이다. 그리고 ULTRA 2000은 100% 폴리에스테르 이중 자켓으로 사용압력 2.8 MPa/400 psi 이며, 거친 장소에서 사용가능하고 가볍고 컴팩트한 특징을 가지고 있다.

Figure 1. The abroad ultra high-pressure hoses.

그리고, 미국에서는 North American fire hose 사에서 초고압용 호스를 제작하고 있으며, Attack-Force 1000 모델과 Poly-Tuff 1200 모델이 사용되고 있다. Attack-Force 1000 모델은 사용압력 3.4 MPa/500 psi 이며, 필라멘트 폴리에스테르 자켓이 사용되고 있으며, Poly-Tuff 1200 모델은 사용압력 4.13 MPa/600 psi이며, 폴리에스테르 자켓이 제작되고 있다.

한편, 일본에서는 사용압력이 4.0 MPa/580 psi 이며, 아라미드 유지 자켓으로 합성고무 또는 특수유지 내장튜브로 구성되어 있으며 초고압용 호스로 이중 자켓 호스가 제작되고 있으나, 초고압의 기준이 없기 때문에 국가검정품으로 인정되어 제작되고 있지는 않다.

따라서, 본 연구에서는 초고압 용적펌프에서의^(5-7) 고 압력방수에도 사용할 수 있는 고압용 장거리 호스의 개발에 관한 연구이며, 대심도 및 초고층 건물의 화재진압에 적용이 가능하며 접근이 까다로운 화재현장에서도 응용할 수 있는 소방호스를 개발하여 소방장비의 선진화에 기여하고자 하였으며, 또한 소방대원이 화재를 진압하기 위한 위치에서 시야를 확보하기 어려운 상황이므로 소방호스에 축광식 표식을 장착하여 퇴로를 확보할 수 있는 기능을 가진 초고압 소방 호스의 개발 및 이에 따른 성능 기술기준안에 대하여 고찰하였다. 향후, 이와같은 초고압용 호스가 개발이 되어 현장에서 적용된다면 초고층 건물 화재의 진압, 터널에서의 화재 진압 및 축광표식을 통한 소방대원의 안전한 퇴로를 확보하는 측면에서도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

2. 초고압 소방호스 제작

2.1 현재 사용 중인 소방호스 특성.

Table 1은 한국소방산업기술원에서 호칭 65 mm의 관리하고 있는 고무 내장 소방호스의 주요 형식승인의 검사항목을 나타내고 있다. 소방호스는 자켓, 내장재, 피복재의 3가지로 구성되어 있다. 자켓은 소방호스의 내마모성 및 파단압력 성능과 관계되는 섬유제 직물이고 천연섬유 또는화학섬유로써 경사와 위사가 엮어지며 보통 위사의 양이 많을수록 파단압력이 높아지고, 경사압력이 많으면 마모에 강하게 된다. 내장재는 소방호스 누수를 방지하기 위하여 소방 호스 내부에 삽입하는데, 일반적으로 고무나 접착제를 혼합한 합성수지 등의 내장재를 자켓 내부에 넣고 가열하여 자켓과 서로 접착시키는 기능을 하게 된다. 그리고 피복재는 합성수지 또는 고무로 호스 표면을 도장 또는 피복하게 되며, 자켓의 마모나 열화를 방지하는 기능을 가지고 있다.

Table 1. Inspection Items of Domestic Fire Hoses in Use

현재 국내의 소방호스는 사용압력 0.7 MPa, 1.6 MPa 및호칭이 40 mm, 65 mm으로서, 옥내소화전 설비, 옥외소화전 설비등에 사용되는 단일피복으로 된 호스와 소방차등의 고압용 송수관로에 사용되는 사용압력 2.0 MPa, 사용압력 1.6 MPa 및 호칭이 40 mm, 65 mm으로서 구분되어 사용되고 있다.(8)

2.2 초고압용 소방호스 개발

해외에서 사용되고 있는 초고압용 소방호스의 성능에 준하며, 국내 초고압용 펌프의 인정 기준에 맞는 성능으로 목표의 방수압력은 3 MPa과 2000 lpm의 목표로 초고압용소방호스를 제작하였다. 첫 번째로 단일 자켓트와 폴리우테탄의 양면코팅을(9) 하여 개발을 Figure 2와 같이 제작하였다.

Figure 2. The first try of development of ultra-high pressure hose.

제작결과, 폴리우레탄의 코팅을 자켓 내부와 외부에 모두 코팅하여 시도하였으나, 제품의 경량화 측면과 기존의 개발된 제품이 아닌 새로운 제품이나, 목표로 하는 초고압력의 3배에 견딜 수 있는 파단압력까지는 부족한 6.8 MPa에서 파단되는 자체 실험 결과로 인하여 2차 개발을 재시도하였다.

Figure 3에서는 1차 개발시도에서 더 나아가 2차시도 제작과정을 보여주고 있으며, 자켓을 2중으로 하여 소방호스를 제작하였고 자켓은 경사와 위사로 엮어지는데 10 cm의 길이에서 위사의 양이 많을수록 파단압력이 높아지며, 경사의 양이 많아지면 마모에 강한 특성을 나타내는데 일반적인 자켓에서는 경사가 43산 정도로 제작을 하지만, 경사를52산까지 증가하여 내압력 및 파단압력의 성능을 높였으며, 축광사를 바깥쪽 자켓에 장착하여 축광의 기능을 시도하였다. 그러나, 목표로 하는 압력의 파단압력에는 성능을 나타나는 것으로 파악되었으나, 자켓트가 폴리에스테르의 코팅없이 사용하게 될 경우 자켓트의 내마모성이 현저히 떨어지는 것으로 현장 조사에서 파악되었으며, 자켓에 삽입한 축광사의 성능 부분에서도 조명이 없는 현장에서 소방관의 퇴로를 확보해줄 만큼의 성능은 나타나지 않는 것으로 파악되었다. 따라서, 축광의 성능을 현저하게 증가시키면서, 내마모성 또한 향상시키기 위한 3차 개발을 시도하였다.^(10,11)

Figure 3. The second try of development of ultra-high pressure hose.

Figure 4에서는 2차 개발시도에서 더 나아가 3차시도 제작과정을 보여주고 있으며 3차시도 에서는 2차 제작과정에서의 호스에 폴리우레탄 코팅을 더하여서 코팅을 내측, 이중 자켓 사이, 그리고 외측의 3중으로 코팅을 하여 내마모성과 사용압력을 최대로 높였으며, 경사도 2차 시도와 마찬가지로 52산으로 하여 매우 촘촘한 구조를 가지게 제작하였다. 한편, 2차 제작 시도 및 3차 제작 시도에서의 파단압력에서도 2차 시도에서는 7.8 MPa의 파단압력을 보였으나, 3차시도 에서는 8.5 MPa의 파단압력의 향상된 성능을 가지는 것을 확인하였다. 또한, 축광 성능을 보강하기 위하여 탈출경로에 맞는 화살표를 폴리우레탄 코팅과 자켓 사이에 삽입하여 소방 활동 시에 축광 기능의 성능에는 지장이 없도록 제작하였다. 이와같은 초고압용 호스의 제작을 시도하여 외국에서 사용하고 있는 초고압용 호스의 성능에 준하는 초고압 호스를 제작하였다. 그러나, 이와같은 초고압 호스는 자체적으로 성능을 확인되었으며, 공인된 시험기관의 성능 시험을 통과한 소방용 제품이라고는 부족한 장비라 할 수 있다.

Figure 4. The third try of development of ultra-high pressure hose.

3. 고압용 소방호스 성능 실험 결과

3.1 고압용 호스 성능 실험 결과

1차, 2차 및 3차 시도를 통하여 개발된 초고압용 소방호스의 성능을 확인하기 위하여 공인인증기관에 성능을 의뢰하여 시험하는 모습을 Figure 5에서 보여주고 있다.

Figure 5. High pressure fire hose performance test.

우선 구조 및 외관(a)에서는 기존의 소방호스의 기술기준에 적합한 것으로 판정되었다. 시험압력 4.8 MPa 에서의 누수(b)는 없는 것으로 검사되었으며, 20 m의 호스 길이를 기준으로 110% 이내의 길이(c)면에서도 이상이 없는 것으로 나타내었다. 그리고 사용압력 1.5 MPa에서 측정한 신장길이(d)는 10% 이하의 값을 나타내어 이상이 없는 성능을 갖는 것으로 파악되었다.

또한, KS M 6518(가황고무물리시험방법)의 박리시험(e) 5 kg 이상에서도 이상이 없는 성능을 보여 주었으며, 120회 이상의 마찰시험(f)에서도 내마모성의 성능은 양호하다는 판정을 받았다. 그리고, 최대 수압능력을 시험할 수 있는 파단압력에서는 현재 나와 있는 상용의 최대 펌프압력인2.5 MPa를 기준값으로 설정하여, 사용압력의 3배인 시험(g)값 7.5 MPa에서도 성능에 이상이 없는 것으로 나타났으며, 차입구 및 수입구를 높이 1.5 m의 수평 자유 낙하 시 이탈및 기능 적합 여부시험(h)에서도 이상이 없는 성능을 보여주는 것을 보여주었다.

이와같은 초고압용 소방호스의 개발과 성능시험결과 사양은 다음과 같이 정리할 수 있다. 호스의 길이는 20 m, 호칭은 65 mm, 최대사용압력은 3MPa, 이중 자켓트 구조 및 합성수지 3면 코팅 구조, 자켓트 직조 구조는 평직이며, 연결금속구 결합 방식은 나사식으로 구성되며, 자켓트와 내장재 접착방법은 열융착방식이며 추가적으로 축광 표지가 장착되어 있는 구조로 사양을 정리할 수 있다.

3.2 고압용 호스 축광 시험

국민안전처 고시 제2015-62호에 표기되어 있는 축광표지의 성능인증 및 제품검사의 기술기준에서 축광의 성능을 나타내는 주요한 2가지 시험으로서는 식별도 시험과 휘도시험이 있다.

식별도 시험에서는 축광유도표지 및 축광위치표지는 200 lx 밝기의 광원으로 20분간 조사시킨 상태에서 다시 주위조도를 0 lx로 하여 60분간 발광시킨 후 직선거리 20 m(축광위치표지의 경우 10 m) 떨어진 위치에서 유도표지 또는 위치표지가 있다는 것이 식별되어야 하고, 유도표지는 직선거기 3 m의 거리에서 표시면의 표시중 주체가 되는 문자 또는 주체가 되는 화살표등이 쉽게 식별되어야 하며, 시험 실시 20분전까지 암실에 들어가 있어야 하는 시험의 조건을 가지고 있다.

한편, 축광 성능을 갖는 호스에 적용한 휘도시험에서는축광유도표지 및 축광위치표지의 표시면을 0 lx 상태에서 1시간 이상 방치한 후 200 lx 밝기의 광원으로 20 분간 조사시킨 상태에서 다시 주위 조도를 0 lx로 하여 휘도시험을 실시하는 경우에는 각각 5분, 10분, 20분, 40분간 발광시킨 뒤의 휘도는 1 m2당 각각 110 mcd, 50 mcd, 24 mcd 및 7mcd 이상이어야 하는 휘도시험의 조건을 가지고 있다.

본 초고압용 호스 연구에서 적용할 수 있는 축광 시험으로서는 휘도시험을 적용하여 테스트 하였으며, Figure 6에서는 초고압 호스에서의 축광을 삽입하는 과정을 보여주고 있다.

Figure 6의 (a)~(d)의 모습은 축광의 화살표를 2중 자켓트외부와 폴리우레탄 코팅 사이에 삽입하여 축광 성능을 확인하였다. 화재진압 시 및 각종 마찰 및 다양한 환경에서도 소방관들의 경로를 확인할 수 있는 최적의 성능을 갖는 위치라고 판단되어 축광의 위치를 설정할 수 있었다.

Figure 6. Method of inserting phosphorescence and luminous figure in hose.

(e)는 조립 완료후의 축광 삽입 모습을 보여주고 있으며, (f)는 축광의 휘도 시험 시 나타내는 비교사진을 보여주고 있다. 한편, Figure 7에서는 축광 실험의 모습(a)과 인증기준 이상의 성능을 보여주는 측정 값(b)을 보여주고 있다. 축광 초기부터 40분까지 기준 이상의 성능 값을 보여줌을알 수 있다.

Figure 7. The picture of phosphorescence experiment (a) and performance test of phosphorescence (b).

4. 결론

본 연구는 국내에서 미개발 상태인 초고압용(압력 : 3MPa, 유량 : 2000 lpm)의 호스를 개발, 제작 및 성능을 확인하는 과정에 관한 내용으로서 현재 국내에서 미개발 상태인 초고압용 호스의 상용화가 이루어진다면 향후, 소방용및 산업용으로 판매 및 사용 될 수 있을 것이라 기대되며개발 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 압력 3 MPa, 유량 2000 lpm을 목표로 초고압용 호스를 개발하였으며, 2중의 자켓과 폴리우레탄 코팅을 내측, 이중 자켓 사이, 그리고 외측의 3중으로 코팅을 하여 내마모성과 사용압력을 높였으며, 경사를 52산으로 높여 매우촘촘한 자켓을 가지는 초고압의 소방호스를 개발하였다.
2. 개발된 초고압 호스의 성능을 확인하기 위하여 구조 및 외관, 고압에서의 누수, 길이, 신장률, 박리시험, 마찰시험, 파단압력 시험 및 자유낙하 시험 등을 수행하였으며 수행결과이상이 없는 성능을 보여주는 결과를 얻을 수 있었다.
3. 또한, 소방관의 화재 진압 시 퇴로를 확보하기 위한 축광 성능을 초고압용 호스에 추가하여 연구하였으며, 성능인증기관에서 휘도시험을 적용하여 축광 성능의 기준 값 이상을 가진 길이 20 m의 축광 성능을 갖는 고압용 장거리소방호스를 개발할 수 있었다.