R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 202020CTAP-C151893-02 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 건설현장 용접 불티의 화재확산 방지를 위한 포집기술 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2019-04-15 ~ 2020-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 유우준 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
6명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
10명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 206,000,000 원 기업 : 68,667,000 원 계 : 274,667,000 원 |
총연구비 | 정부 : 370,000,000 원 기업 : 123,334,000 원 계 : 493,334,000 원 |
|||
| 연구기관명 | 동양대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
○ 용접의 종류 및 불티의 특성 ？ 용접은 같은 종류나 다른 종류의 금속 재료에 열과 압력을 가하여 고체가 서로 결합이 되도록 접합하는 방식으로 융접과 압접 그리고 납땜으로 구분할 수 있음. 이 중에서도 융접에는 아크(Arc), 가스(Gas), 저항, 특수 방식이 있으며, 아크 용접 방식을 가장 많이 사용하고 있음. ？ 아크 용접 중에서도 SMAW(Shield Metal Arc Welding) 용접은 경제성이 우수하고 외부차폐가스를 사용하지 않아서 편의성이 좋기 때문에 건설 산업 현장에서 가장 많이 사용하는 방식임. ？ 하지만, 용접 또는 용단 시 발생되는 불티의 특성은 최소 1,600 ℃ 이상의 고온을 갖는 미립화된 입자가 수 천 개 발생하며, 작업 지점으로부터 수평방향으로 최대 (11~15) m 정도까지 비산될 수 있음. ？ 특히, 발화원이 될 수 있는 불티 입자의 크기는 (0.2 ~ 3) mm 정도이며, 산소의 압력, 절단속도, 절단기의 종류 및 방향 그리고 풍속에 따라서 불티의 양과 비산거리가 달라지는 특징을 갖고 있음. ○ 건설현장 작업 공간 용접 불티의 화재위험성 ？ 국내에서 용접 작업 중 발생한 대표적인 화재사고 사례로 2014년 5월 26일 고양시 일산동구 백석동 소재 종합터미널 지하1층 설비공사현장에서 가스배관 가용접 작업 중 용접불티 등에 의한 화재로 사망 8명, 중상 5명, 경상 52명 등 65명이 질식 등의 재해가 발생하였음. ？ 건설현장 용접 불티의 화재 위험성은 인화성 유증기나 액체가 체류할 수 있는 배관 또는 밀폐 공간으로 불티가 비산하여 유증기에 착화되는 경우와 발포 우레탄이나 샌드위치 패널 등 가연성 소재가 위치한 곳으로 불티가 비산한 후 축열에 의해서 나타날 수 있음. ？ 또한, 소방청에서 집계한 최근 5년간 주요 화재사고 중 용접에 의한 발화 건수는 매년 평균 562건에 달하고 있으며, 산업현장 및 대형 건축물 시공과정에서 용접 작업으로 인해서 발생된 불꽃이나 불티 등에 의한 사고 사례는 19 %로 높은 비율을 차지하고 있는 것을 확인할 수 있음 ？ 특히, 용접 작업 과정에서 발생되는 불티 입자는 표 1-2와 같이 작업 조건에 따라서 비산거리가 최대 (11 ~ 15) m 이기 때문에 주변 가연물을 발화하여 대형 화재로 확산될 가능성이 매우 높으며, 건설현장 근로자의 용접 작업 시 화재 위험성을 원천적으로 해결하기 위해서는 불티 자체를 포집하는 기술 개발이 필요함. ○ 용접 불티 화재 확산 방지를 위한 포집기술 개발의 필요성 ？ 현재 상용화 되어 있는 용접 가스(Welding fume)를 포집하는 장치를 나타낸 것으로 현재까지 용접 과정에서 발생되는 가스(fume)의 포집 기술은 이미 상용화 단계이지만, 화재 확산의 주요 인자인 불티의 포집 기술은 국내외 모두 기초 단계의 수준임. 즉, 용접 불티의 특성(크기, 비산거리 그리고 표면의 온도)에 관한 연구는 선행되어 있으나, 본 연구과제에서 제시하고 있는 불티 포집 기술은 국내외 모두 매우 취약한 상태임. ？ 이에 더해서 용접 불티가 화재로 확산될 수 있는 정도의 크기는 (0.2 ~ 3) mm 정도로 용접 조건에 따라서 비산되는 방향이 모두 다르기 때문에 용접 불티의 포집 기술을 개발하기 위해서는 미립화된 입자의 열유동 특성에 관한 기초 연구가 매우 중요함. ？ 특히, 최근 국내 주요 화재 사고사례에서 보듯이 건설현장 용접 불티의 화재 사고 위험성은 현재 진행형이며, 본 연구 과제를 통해서 불티 포집의 기초 기술을 개발하여 용접 작업으로 인한 원천적인 화재 위험성을 차단하는데 목표가 있음. [최종목표] 본 연구의 최종 목표는 건설현장 용접 불티의 화재확산 방지를 위한 포집 기술 개발에 있음 이를 위한 세부 목표는 다음과 같음 1. 건설현장 불티 특성과 가연성 물질의 화재 확산 조건 분석 2. 용접기 종류에 따른 불티의 비산 현상 주요 메커니즘 분석 3. Lab-scale 테스트 베드 구축 및 시뮬레이션을 적용한 불티 포집 방안 연구 4. 실험실 규모의 불티 포집기 제작 및 실증실험에 의한 성능 평가 최종성과물에 대한 기술성숙도는 다음과 같음. (연구 시작 시)현재 국내외 기술수준을 고려하였을 때 용접 과정에서 불티가 생성되는 원리 또는 전처리 장치의 연구는 있으나 불티 확산 방지를 위한 포집기술이 없는 상태로 본 연구과제의 시작은 이론적 연구가 선행되어야 하며 TRL 1단계에 해당함. (연구 종료 시)본 연구팀은 발화원의 화재 확산 및 건설현장 용접 특성에 관한 전문적 지식을 확보하고 있으며, 본 연구 과제를 수행하기 위한 실험 및 분석 기간을 고려하여 실험실 성능평가에 해당하는 TRL 4단계로 설정함. [연구내용 및 범위] ○ 본 연구과제의 최종 목표는 건설현장에서 근로자의 용접 작업 시 발생할 수 있는 화재위험성을 차단하기 위해서 비산되는 불티를 포집할 수 있는 원천기술을 확보하는데 최종 목표를 두고 있으며, 세부 내용 및 설정근거를 아래와 같이 구분하였음. ？ 건설현장 불티 특성과 가연성 물질의 화재 확산 사례 분석 ⇒ 불티 입자의 크기는 최대 3 mm 이상에서부터 최소 0.01 μm까지 넓은 범위로 비산되며, 용접 환경에서 주료 사용되는 가연성 물질이 발화하는데 필요한 입자 특성에 관한 연구 사례는 매우 부족한 상태임. ？ 용접기 종류에 따른 불티의 비산 현상 주요 메커니즘 분석 ⇒ 불티가 발생하여 비산하는 현상은 용접기의 종류, 산소의 압력, 절단속도, 절단기의 종류 및 방향 그리고 풍속에 따라서 달라질 수 있음. 따라서 불티 포집 기술을 개발하기 위해서는 주요 변수의 차원 해석을 적용한 기초 실험과 분석 연구가 선행되어야 함. ？ Lab-scale 테스트 베드 구축 및 시뮬레이션을 적용한 불티 포집 방안 연구 ⇒ 본 연구는 불티의 비산 현상을 분석하여 최종 포집 장치를 개발하기 위한 원천 기술 확보에 주요 목적이 있음. 이를 위해서는 Lab-scale 테스트 베드를 구축하여 포집 효율을 산출하고 전산 시뮬레이션 해석을 수행하여 포집 효율을 최적화할 필요가 있음. ？ 실험실 규모의 불티 포집기 제작 및 실증실험에 의한 성능 평가 ⇒ 현재까지 기술 동향을 분석한 결과 용접 가스(fume)의 포집기는 이미 상용화 단계에 있으나, 불티 자체를 포집하는 제품은 없는 상태임. 따라서 원천 기술을 확보한 이후 건설현장 적용을 위해서는 불티 포집 성능 평가 방안에 관한 연구가 필요함. ○ 본 연구의 핵심 성과는 「용접 불티 포집 기초실험 및 성능 평가 연구」와 「기존 용접 가스 장치 구조 분석 및 설계 방안 연구」로 구분할 수 있으며, 공법 기법 및 장비장치의 성과 유형으로 구분할 수 있음. (1) 핵심성과명1 ○ 용접 불티 포집 기초실험 및 성능 평가 연구 본 연구의 핵심성과 1은 가연성 물질의 열화학적 특성에 따른 불티 입자의 점화 조건 DB 구축 자료를 제시하고 입자 특성에 관한 기초 실험 및 전산 해석에 관한 연구를 수행하여 불티 포집 기술을 최적화하는데 있음. (2) 핵심성과명2 ○ 기존 용접 가스 장치 구조 분석 및 설계 방안 연구 본 연구의 핵심성과 2는 건설현장 공종별 용접기의 종류와 불티 특성을 조사하여 불티 포집기의 노즐의 형상을 최적화 하고 용접 성능에 영향을 미치지 않는 포집기 실증실험 및 성능평가에 의해서 현장 적용성을 강화하는데 있음. |
|||||
| 색인어 | 한글 | 용접 가스 | 불티포집기술 | 화재확산 | 열화학특성 | 유해가스 |
| 영문 | Welding Fumes | Spark Collection Technology | Fire Spread | Thermo-chemical Property | Hazardous Gas | |
| 최종보고서 | 최종보고서(보완본)_제출.pdf | |||||