소방의 모든 것

제6편 연소·방화·방폭공학(2)

⚬ 폭발의 성립조건

  1) 가연성 가스, 증기 등이 공기 또는 산소와 혼합되어 연소범위에 있어야 한다.

  2) 개방공간 또는 밀폐공간에서의 가연성 혼합기를 형성하여야 한다.

  3) 발화온도 이상의 온도이어야 하며 최소점화에너지 이상의 에너지가 필요하다.

⚬ 폭발의 분류

  1) 기상폭발(화학적 폭발)

   가. 가스폭발 : 가연성가스와 지연성가스(공기 또는 산소)와의 혼합기체가 연소범위 내에서 발화원의 존재하에 폭발하는 경우이다. 충격파가 발생하지 않으면서 연소의 전파속도가 0.1~10㎧로 음속보다 느리게 이동하는 현상을 폭연(Deflagration)이라 하며, 충격파를 발생하면서 급격히 진행되는 연소로서 전파속도가 1,000~3,500㎧로 음속보다 빠르게 이동하는 현상을 폭굉(Detonation)이라 한다.

   나. 분무폭발 : 고압의 유압설비 일부가 파손되어 내부의 가연성 액체가 공기 중에 분출되어 이것이 미세한 액적이 되어 무상으로 공기 중에 존재할 때 착화에너지가 주어지면 발생한다.

   다. 분진폭발 : 분진이란 가연성 고체로서 기체 중에 부유하는 미세한 고체입자의 직격이 1 이상~ 1,000㎛ 이하인 것을 말하며, 분진폭발은 가연성 고체의 아주 작은 분말이 공기 중에 부유하고 있을 때 에너지가 주어지면 폭발하는 현상이다.

   라. 분해폭발 : 석유화학공업에서 다량으로 취급하는 에틸렌, 산화에틸렌이나 금속의 용접, 용단에 널리 사용되고 있는 아세틸렌 등이 분해하는 경우가 있고, 이때에는 상당히 큰 발열을 동반하기 때문에 분해에 의해 생성된 가스가 열팽창되고 이때 생성되는 압력 상승과 이 압력의 방출에 의해 지연성 가스 없이 폭발이 일어난다.

  2) 응상폭발

   가. 수증기폭발. : 고온의 용융금속이나 슬러그가 물속에 급속냉각 되었을 때 일시적으로 물은 과열상태가 되고 조건에 따라 순간적인 짧은 시간에 액상에서 기상으로 상변화가 일어나서 급격한 비등에 의한 폭발현상이 나타나게 되는 현상

   나. 과열액체 증기폭발 : 보일러와 같이 고압의 포화수를 저장하고 있는 용기가 파손 등의 원인으로 동체의 일부분이 열리면 용기 내압이 급속히 하락되여 일부 액체가 급속히 기화하면서 증기압이 급상승하여 용기가 파괴되면서 폭발하는 현상

   다. 액화가스의 증기폭발 : LPG는 메탄, 에탄, 프로판 등의 탄화수소의 저온액화 가스로 상온의 물 위에 유출될 때 조건에 따라 급격한 기화에 의한 비등현상을 나타내는 것으로 액상에서 기상으로 급격한 상변화에 의한 현상

   라. 전선폭발 : 고상에서 급격히 액상을 거쳐 기상으로 전이할 때도 폭발현상이 일어난다. 알루미늄제 전선에 한도 이상의 대전류가 흘러 순식간에 전선이 가열되고 용융(850℃)과 기화가 급속하게 진행되어 폭발을 일으켜 피해를 주는 경우도 있다.

   마. 고체상태 간의 전이에 의한 폭발 : 고체인 무정형 안티몬이 동일한 고체상의 안티몬으로 전이할 때에 발열함으로써 주위의 공기가 팽창하여 폭발현상을 나타내는 것을 말한다.

   바. 감압폭발 : 고도의 감압상태에 있는 용기의 일부가 파손되면 외기가 급속히 유입되고 큰 폭음과 함께 파편이 주위로 비산하면서 폭발하는 현상

⚬ 가스폭발에 영향을 주는 변수

  1) 주위온도

  2) 주위압력

  3) 폭발범위

  4) 인화점 및 연소점

  5) 최소산소농도

  6) 불활성가스

  7) 가연성 물질의 양

  8) 착화지연 시간

  9) 폭발성 물질의 조성

  10) 가연성 물질의 유동상태 : 난류

  11) 주위의 기하학적 조건 : 개방 또는 밀폐

  12) 착화원의 성질 : 형태, 에너지, 지속시간

⚬ 증기운 폭발(UVCE)

  대기 중에 대량의 가연성 가스 또는 가연성 액체가 유출하여 그것으로부터 발생하는 증기가 공기와 혼합해서 가연성 혼합기체를 형성하고 발화원에 의하여 발생하는 폭발을 “증기운 폭발”이라 부른다. 개방된 대기 중에서 발생하기 때문에 자유공간 중의 증기운 폭발로서 UVCE(Unconfined Vapor Cloud Explosion)라고 한다.

  1) 폭발이 일어나는 단계

   가. 다량의 가연성 증기의 급격한 방출, 일반적으로 이러한 현상은 과열로 압축된 액체의 용기가 파열될 때 일어난다.

   나. 증기가 분산되어 주변 공기가 혼합되어 연소범위 내에 있다.

   다. 증기운의 점화가 일어난다.

  2) 증기운 폭발의 특징

   가. 증기운의 크기가 증가하면 점화확률이 높아진다.

   나. 증기운의 재해는 폭발보다 화재가 일반적이다.

   다. 폭발효율을 BLEVE(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)보다 적다.

  3) 일반적인 방지대책

   가. 물질의 방출을 막는다.

   나. 휘발성 물질이나 가연성 물질의 취급 시 재고량을 낮게 유지한다.

   다. 아주 낮은 농도에서 누설을 감지할 수 있는 검지기를 사용하여 가스누설 여부를 확인한다.

   라. 만약 누설 시 초기단계에서 시스템이 자동적으로 중지할 수 있는 자동차단밸브를 설치한다.

⚬ 비등액체팽창증기폭발(BLEVE)

  가스저장탱크 지역의 화재발생 시 화재의 주변에 있는 저장탱크가 가열되어 탱크 내 가스부분은 온도상승과 비례하여 탱크 내 압력의 급격한 상승을 초래하게 된다. 탱크가 계속 가열되어 용기강도는 저하되면 파열되고 이때 내부의 가열된 비등상태의 액체가 기화하면서 팽창하여 설계압력을 초과하게 되고 탱크가 파괴되어 화구(Fire Ball)를 형성하며 급격한 폭발현상을 일으키는 것을 비등액체팽창증기폭발(BLEVE : Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)라 한다.

  1) 파이어볼(Fire Ball)

   파이어볼이라는 것은 액화가스 탱크가 폭발하면서 플래시(Flash)증발을 일으켜 가연성 액체 및 기체 혼합물이 대량으로 분출된다. 이것이 발화하면 지면에 반구상으로 화염을 형성한 후 부력으로 상승함과 동시에 주변의 공기를 말아 올려 화염이 구상으로 변화되면서 버섯형태의 화재를 만드는 것을 말한다.

  2) BLEVE가 일어나기 위한 조건

   가. 가연성 액체 또는 가스가 밀폐계 내에 존재하여야 한다.

   나. 화재 등의 원인으로 인하여 가연물이 비점 이상 가열되어야 한다.

   다. 저장탱크의 기계적 강도 이상 압력이 형성되어야 한다.

   라. 파열이나 균열 등에 의하여 내용물이 대기 중으로 방출되어야 한다.

  3) BLEVE에 영향을 주는 인자

   가. 저장된 물질의 종류와 형태

   나. 저장용기의 재질

   다. 내용물의 물리적 역학상태

   라. 주위온도와 압력상태

   마. 내용물의 인화성 및 독성 여부

  4) BLEVE의 예방대책

   가. 용기 내의 압력 상승방지를 위한 감압시스템에 의해 압력을 내려준다.

   나. 탱크외벽의 단열조치, 탱크의 지하시설, 탱크표면에 냉각살수 장치 설치, 화염차단의 목적으로 긴급이송하여 화염으로부터 탱크로의 입열을 억제한다.

   다. 액상과 기상부분의 열전도도가 좋은 물질을 설치(알루미늄 합금박판)한다.

   라. 방유제를 경사지게 하여 집액부에 화재가 발생하였을 때 화염이 직접 탱크에 접하지 않도록 한다.

⚬ TNT 당량

  1) 폭약(TNT)이 폭발할 때 폭발에너지 등 폭발특성은 실험에 의해 측정되어 다른 물질의 폭발특성치도 TNT와 비교하여 TNT 양으로 환산하면 편리하다.

  2) 어떤 물질이 폭발할 때 발생되는 에너지와 동일에너지를 나타내는 TNT 중량은 다음과 같다.

⚬ 폭발 제어시스템의 기본 개념

  1) 위험한 환경의 제어(불활성화)

   가. 질소, 이산화탄소 등 불활성가스로 희석하여 가연성 혼합기 형성을 회피한다.

   나. 산소농도를 최소산소농도(MOC) 이하로 낮춘다.

   다. 불활성화(Inerting) : 인화성 가스의 MOC는 10%, 분진의 MOC는 8%, 설계 시 불활성화는 MOC 보다 4% 이상 낮게 설계한다.

  2) 발화원의 제거

  3) 방폭기기 설치

   가. 폭발이 일어날 수 있는 곳에 불꽃이나 폭발에 견디는 전기설비 설치

   나. 본질안전 방폭구조 등

⚬ 폭발진압 및 보호시스템

  1) 봉쇄(Containment)

   가. 장치나 건물이 폭발압력에 견디도록 충분히 강하게 제작

   나. 종류 : 압력용기, 방폭벽, 차단물, 방폭 큐비클

  2) 차단(Isolation)

   가. 폭발이 다른 곳으로 전파될 때 자동적으로 차단할 수 있는 설비

   나. 초고속 검지설비와 차단밸브

  3) 불꽃방지기(Flame Arrestor)

   가. 불꽃이 인화성 가스나 증기-공기 혼합물로의 전파방지설비

   나. 가스나 증기가 통과할 수 있는 좁은 망 설치

   다. 불꽃이 작은 불꽃으로 세분화되어 소화

   라. 금속망형, 금속판형

  4) 폭발억제(Explosion Suppression)

   가. 파괴적인 압력이 발달하기 전에 인화성 분위기 내로 소화약제를 고속분사

   나. 자동폭발 억제설비로 진압

   다. 구성 : 검출기, 약제 및 추진제, 방출기구, 제어기구

  5) 폭발배출(Explosion Venting)

   가. 위험한 장치나 작업은 옥외, 별도의 건물 또는 건물 내 내압벽으로 구획된 장소 등으로 폭발을 적절하게 배출

   나. 최상층에 위치, 배출구 설치 등 폭발위험장치

   다. 벽체의 강도보다 약하게 파열판 설치

  6) 안전거리 유지

⚬ 위험장소 분류

  1) 0종 장소 : 지속적 폭발 또는 장기간 계속해서 발생할 우려가 있는 장소

   가. 인화성액체의 용기 또는 탱크 내의 액면 상부의 공간부

   나. 가연성 가스용기, 탱크의 내부 등

  2) 1종 장소 : 정상상태 하에서 간헐적으로 폭발이 발생할 우려가 있는 장소

   가. 탱크로리 등에 인화성액체 충전 시 개구부 부근

   나. 릴리프밸브가 작동하여 가연성가스 또는 증기를 방출하는 경우 밸브 부근

   다. 탱크류 벤트 부근

   라. 위험성가스가 누출할 우려가 있는 장소 내에 가스가 체류할 수 있는 피트 부근

  3) 2종 장소 : 이상상태에서 폭발이 발생할 우려가 있는 장소

   가. 가연성 가스 또는 인화성 가스의 용기류가 부식, 열화 등에 의하여 파손하여 가스 또는 액체가 누출할 우려가 있는 장소

   나. 운전원의 오조작으로 가스 또는 액체가 방출될 우려가 있는 장소

   다. 이상반응으로 고온, 고압이 되어 장치를 파손하여 가스 또는 액체가 분출할 우려가 있는 장소

   라. 강제 환기장치의 고장으로 가스 또는 증기가 외부에서 침임되어 위험 분위기를 생성할 우려가 있는 장소

⚬ 방폭구조의 분류

  1) 압력방폭구조

   가. 용기 내부에 보호기체(질소 등의 불연성 기체)를 압입하여 내부 압력을 유지함으로써 폭발성 가스 또는 증기가 침입하는 것을 방지하는 구조

   나. 대상기기 : 전기기기의 접점류, 개폐기, 변압기, 전동기, 계측기, 조명기구 등 아크 발생 모든 전기기기

   다. 사용장소 : 1종, 2종 장소

  2) 유입방폭구조

   가. 전기기기의 불꽃, 아크 또는 고온이 발생하는 부분을 기름 속에 넣어 기름면 위에 존재하는 폭발성 가스 또는 증기에 인화될 우려가 없도록 한 구조

   나. 대상기기 : 전기기기의 접점류, 개폐기, 변압기, 전동기, 계측기, 조명기구 등 아크 발생 모든 전기기기

   다. 사용장소 : 1종, 2종 장소

  3) 안전증방폭구조

   가. 정상운전 중에 폭발성 가스 또는 증기에 점화원이 될 전기불꽃 및 고온부 등의 발생을 방지하기 위하여 기계적·전기적 구조상 또는 온도 상승에 대해서 특히 안전도를 증가

   나. 대상기기 : 안전증 변압기, 안전증 접촉단자, 안전증 측정계기

   다. 사용장소 : 2종 장소

  4) 본질안전방폭구조

   가. 정상 시 및 사고 시(단선, 단락, 지락 등)에 발생하는 전기불꽃, 아크 또는 고온에 의하여 폭발성 가스 또는 증기에 점화되지 않는 것이 점화시험 등에 의하여 확인된 구조

   나. 대상기기 : 측정 및 제어장치, 미소전력 회로

   다. 사용장소 : 0종, 1종, 2종 장소

  5) 내압방폭구조

   가. 전폐구조로 용기 내부에서 폭발성 가스 또는 증기가 폭발했을 때 용기가 그 압력에 견디며 또한 접합면, 개구부 등을 통해 외부의 폭발성가스에 인화될 우려가 없도록 한 구조

   나. 대상기기 : 전기기기의 접점류, 개폐기, 변압기, 전동기, 계측기, 조명기구 등 아크 발생 모든 전기기기

   다. 사용장소 : 1종, 2종 장소

⚬ 위험장소 분류 및 방폭구조 표시방법

  1) 위험장소 분류

  2) 방폭구조 표시방법

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