● 폭발의 원인
1. 물리적 폭발 (응상폭발)
- 원소 간 화학적 반응 없이 물리적 반응으로 인해 발생하는 폭발
- 기체나 액체의 팽창, 상변화 등 물리현상이 압력 발생의 원인이 되는 것
- 증기 폭발, 수증기 폭발, 블레비, 보일러 폭발
1) 증기폭발(vapor explosion 혹은 rapid phase transition)
- 액체를 급속하게 가열하거나 주변 압력이 감소하는 경우 액체 내부에서 기포가 생성되며 증발하는 비등 현상에 의해 발생하는 폭발
- 비등 현상에 의해 액체가 급격히 기화하면 기체 부피가 증가하게 되는데, 이로 인해 압력이 증가하여 폭발이 발생한다
- 착화가 별도로 필요하지 않으므로 화염 발생은 없으나 가연성 가스가 기화한 경우 가스폭발이 발생할 수도 있다.
- LNG 등의 저온 액화가스가 상온의 물 위에 유출될 때 급격하게 기화되면서 증기폭발이 발생하게 되는데 막비등)의 조건에서는 발생하지 않지만 액과 액의 접촉이 가능한 수면에 강하게 낙하시키면 액화가스가 비점 이상으로 과열한계 온도까지 과열되어 순간적으로 돌 비가 생겨 증기폭발을 일으킨다.
2) 수증기 폭발(steam explosion)
- 물에 의하여 증기 폭발이 발생하는 경우로 고온 물질이 물속에 투입되거나(열이동형 증기폭발) 대기압보다 높은 압력에서 과열된 물이 순간적으로 대기압으로 방출되어 평형상태가 파괴되는 경우(평형파괴형 증기폭발) 발생한다
- 평형파 괴형 증기폭발은 보일러 관체가 파손되는 경우 발생하기도 한다.
3) 비등 액체 팽창증기폭발 = 과열액체 증기폭발 (BLEVE, Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)
- 고압 액화가스를 담고 있는 가스용기가 파괴된 경우 용기 내 액체가 급격히 기화하면서 발생하는 물리적 폭발
- 비등액체 팽창 증기 폭발이나 평형파괴형 증기 폭발과 같은 물리적 폭발로 인하여 액화가스 저장탱크가 파열되면 내부 가열된 액화가스가 급속히 유출되면서 화구(fireball)를 형성하게 되고 화학적 폭발로 전이될 수 있다
- 인화성 가연성 액체 저장탱크 지역에 화재발생 시 화재열에 의한 저장 탱크의 온도상승과 탱크의 파열로 인한 폭발
- 과열상태의 탱크에서 내부의 액화가스가 분출되어 착화되었을 때 폭발하는 현상
- 옥외의 가스 저장탱크지역의 화재발생시 저장탱크의 외부가 가열되어 탱크 내 액체 부분은 급격히 증발하고 가스 부분은 온도 상승과 비례하여 탱크 내 압력의 급격한 상승을 초래하게 된다.
- 액화가스탱크에서 액체가 비등하며 내부 압력이 높아지면 용기가 파열되는 현상
- 인화성 액체 탱크가 가열되어 폭발하기 전에 또한 10분 경과하기 전에 냉각조치를 하지 않으면 폭발이 발생할 수 있다.
(1) BLEVE의 발생조건
㉠ 가연물이 비점 이상 가열될 것
㉡ 가연성 가스가 밀폐계 내에 존재할 것
㉢ 기계적 강도 이상의 압력이 형성될 것
㉣ 내용물이 대기 중으로 방출될 것
㉤ 온도 상승으로 인한 탱크 파열
(2) 발생 메커니즘
① 액온상승
- 화재로 인해 외부로부터 열이 공급되면 탱크 내부 기체 팽창, 압력 상승
② 연상피괴
- 부피팽창에 따른 압력을 탱크 인장강도가 견디지 못하고 균열 발생
③ 액격현상
- 용기 내 급 비등
- 균열에 의해 탱크 내부 압력 저하되어 탱크 내 기액평형 파괴되어 급격한 부피 팽창
④ 취성파괴 (증기 폭발)
- 부피팽창에 의한 탱크 파괴되어 폭발한다
⑤ Fire ball로 전이
- 폭발이 점화원이 되어 탱크 내부 가연물에 점화되어 Fire ball 형성
Fire-ball-BLEVE에 의해 발생된 화염은 최초엔 지표면 부근에서 발생하여 거대하게 성장하는데, 반구형의 형태를 형성한 후 부력에 의해 상승하면서 버섯모양으로 변하는데 이 화염을 Fire-ball이라 한다.
(3) BLEVE 대책
㉠ 온도를 낮추는 대책
- 방액제를 경사지게 (1.5° 이상) 하여 화염이 직접 탱크에 접하지 않도록 함
- 화염으로부터 탱크로의 입열억제 - 탱크 외벽 단열 조치, 탱크 지하설치 등
- 고정식 살수설비 설치 - 현재 가장 많이 사용
㉡ 용기의 강도를 강화시키는 대책
- 탱크 내의 압력 감압 - 폭발 억제장치 설치
- 열전도도가 좋은 물질 설치 - 폭발방지장치 설치
- 용기의 내압강도 유지 및 파괴 방지 - 경년 부식에 의한 내압강도 고려
- 용기의 외력에 의한 파괴 방지 - 타물체에 의한 기계적 충돌 방지
2. 화학적 폭발 (기상 폭발)
- 화학적 반응에 의해 폭발이 발생
- 물체의 연소, 분해, 중합 등의 화학반응으로 압력이 상승하는 것
- 화학적 폭발의 종류
가스폭발 - 증기운 폭발
분해폭발 - 아세틸렌, 과산화물, 다이너마이트, 산화에틸렌
분진폭발 - 석탄, 알루미늄 분진, 금속분, 전분, 밀가루
분무폭발 - 윤활유
고체폭발 - 화약류
중합폭발 - 염화비닐, 초산비닐, 시안화수소, 산화에틸렌 등
1) 가스폭발(gas explosion)
- 기체가 빠르게 반응할 때 반응열에 의하여 주변 기체가 팽창하면서 발생시킨 열과 압력으로 인하여 발생한 폭발 현상
- 도시나 화학공장에서 가장 많이 발생하는 폭발재해 중 하나
- 가연성가스가 폭발범위 내의 농도로 공기나 조연성가스 중에 존재할 때 점화원에 의해 폭발하는 현상
- 주로 가연성 가스와 지연성 가스 혼합기체에서 발생한다
- 주변 환경 개폐 정도, 장애물 밀도와 같은 지리적 조건뿐만 아니라 환기 정도, 발화 시간, 연료 반응성, 주변 온도 등 다양한 요인에 따라 정도가 달라지므로 가스 폭발 영향 평가 시 다양한 조건에 대한 고려가 필요하다
- 다량의 가연성 가스 또는 기화하기 쉬운 가연성 액체가 지표면에 유출되어 다량의 혼합기체가 형성되어 폭발이 일어나는 증기운 폭발이 대표적인 예
2) 증기운 폭발(VCE, vapor cloud explosion or unconfined vapor cloud explosion)
- 가스 폭발의 일종
- 지표면에 유출된 가연성 가스나 기화하기 쉬운 가연성 액체가 분산과 확산을 통해 증기운을 형성하고, 그 증기운이 점화하여 발생하는 폭발
= 개방된 대기 중에 다량의 가연성 액체 또는 가스가 유출되어 발생된 증기가 공기와 혼합하여 발화원에 의해 폭발하는 현상
- 증기운 크기에 따라 피해 정도가 달라지며, 화학공 정에서 가장 위험하고 파괴적인 폭발이다
- 주변에 장애물이 존재하는 경우, 장애물 주변에 난류가 발생한다. 이로 인해 연소 비율, 그리고 난류와 유속이 증가한다. 이러한 증폭 피드백이 진행되면서 폭발에 의 한 피해 역시 증가한다. 난류 외에도 증기운 농도에 따라 화염 속도가 달라진다.
(1) 증기운 폭발 발생과정 및 위험성
① 인화성 또는 가연성 액체 저장탱크에서 가스가 누설되어 급격히 증발
증발된 가스와 공기와 혼합하여 증기운 형성(실제로는 압축가스가 팽창하거나 휘발성 액체가 증발할 때 증기운 형성)
③ 형성된 증기운이 주위 점화원으로부터 점화
④ 폭연에서 폭굉 과정을 거쳐 UVCE를 일으킴
⑤ Fire Ball로 발전
(2) 증기운 폭발 형성 조건
① 방출되는 물질이 가연성일 것
② 발화 전에 충분한 증기운을 형성할 것
③ 충분한 증기운이 연소범위 이내일 것
④ 난류에 의한 빠른 화염전파속도를 가질 것
⑤ UVCE를 일으키기 위해서는 고에너지 상태인 액화 상태이어야 하므로 온도를 낮추 거나 압력을 가압해 주어야 한다.
(3) 증기운 폭발의 방지대책
일반적인 폭발방지대책에는 예방과 방화대책이 있으나 UVCE는 제어나 진압을 통한 특별한 방화대책이 없으므로 예방만이 최선의 대책이다.
① 가연성 물질의 유출을 막음
② 가연성 물질의 재고량 최소화
③ 누설 대비 가스누설 검지기 설치
④ 누설 시 초기단계에서 시스템 자동정지 (자동차단밸브 설치)
⑤ 사례연구를 통한 누출지역 보완 및 종사자 교육홍보
3) 분무폭발(mist explosion)
- 가연성 액체가 공기중에 누출되어 가스-공기와의 부유 상태 혼합물을 형성하여 발생하는 폭발
- 공기 중에 분출된 가연성 액체의 미세한 액적이 무상으로 되어 공기 중에 있을 때 점화원에 의해 착화되어 일어나는 폭발현상
- 분무(mist)는 일반적인 인화점보다 낮은 온도에서 폭발 가능하며, 고압의 유압설비가 일부 파손되어 분출하는 경우 발생한다.
- 분무 폭발 에 대한 연구가 제한적이고 발생 메커니즘 역시 정확히 규명되지 않았다.
- 유사 현상으로는 박막 폭굉 (film detonation)이 있다. 이것은 압력유, 윤활유가 공기 중에 분무될 때 발생한다.
4) 분진폭발(dust explosion)
- 공기 중에 잘 혼합되어 있는 분진이 에너지를 받아 분해되면서 발생한 열과 압력이 분진운 전체로 전이되어 갑자기 연소, 폭발하는 현상
- 가연성 고체의 미분이 공기 중에 부유하고 있을 때에 어떤 착화원에 의해 폭발하는 현상
- 가스폭발에 비해 연소속도나 폭발 압력이 작으나 연소시간이 길고 발생 에너지가 크기 때문에 파괴력과 연소 정도가 크다.
- 과거 탄광에서 주로 발생하였으나, 최근 곡물과 연료 저장설비나 금속 공정, 식료품 공정, 제약 공정 등 여러 분야에서도 발생한다
- 분진 폭발 요소에는 가연물, 발화, 개폐 정도, 분산, 산소가 있으며, 이를 통틀어 분진 폭발 오각형이라고 부른다
- 분진 폭발을 일으키는 대표적인 물질: 밀가루, 석탄가루, 먼지, 전분, 플라스틱 분말, 금속분 (Al, Mg, Zn, Ti 등) 등이다.
- 분진폭발이 일어나지 않은 물질: 시멘트, 석회석, 탄산칼슘, 생석회, 물과 반응하여 가연성 기체를 발생하지 않는 것
(1) 분진폭발의 조건
- 가연성 분진
- 미분 상태의 분진
- 지연성 가스(공기)
- 점화원 존재
- 밀폐된 공간
- 분진 농도가 폭발 범위 이내인 것
(2) 분진폭발의 영향인자
① 분진의 화학적 조성 및 성질
- 분진의 휘발성이 크고, 발열량이 많고, 회분 함유량이 적고, 열분해가 용이하며, 탄화수소계 기체의 반응속도가 클수록 폭발력이 크다
- 분진의 화학구조에 OH, COOH, NO2 등이 많으면 폭발 위험을 증가시키고, Cl, Br, F 등의 할로겐족 원소가 많으면 폭발 위험을 감소시키는 경향이 있다
② 입자의 크기 및 밀도
- 입자의 비표면적이 클수록 열축적이 용이하여 폭발성이 크다
- 분진의 표면적이 입자 체적에 비하여 클수록 폭발이 용이하다
- 분진의 밀도, 직경이 작을수록 비표면적이 커지므로 폭발성이 크다
S = Φ/ρd (S :비표면적, Φ :형상계수, ρ :입자의 밀도, d :입자의 직경)
③ 분진의 농도
- 분진의 농도가 양론조성농도보다 약간 높을 때, 폭발속도가 최대가 된다
- 최소 폭발 농도는 유기성 분진이 금속성 분진보다 매우 낮다(유기성 분진이 더 위 험함)
④ 입자의 형상 및 표면 상태
- 분진의 입자가 구상 < 침상 < 평편상으로 침상 입자가 비표면적이 커서 더 위험하다
- 입자 표면이 매끄럽고 깨끗할수록 활성이 커서 더 위험하다
⑤ 분진의 온도
- 초기 온도가 높을수록 MIE는 감소되며, 약 1,000℃정도에서 0.088mJ로 수렴된다
⑥ 수분 함유량
- 수분 함유량이 적을수록 폭발성이 급격히 증가된다
- 수분의 영향
㉠ 분진의 부유성 억제
㉡ 폭발 시 발생열을 흡수
㉢ 불활성화(수증기가 가연성 혼합기의 농도를 저하시킴)
㉣ 점화에너지의 흡수
㉤ 정전기 방지(가습)
⑦ 산소농도
- 산소농도가 낮을수록 폭발성은 감소된다
- 불활성가스를 사용하여 산소농도를 낮춘다
(3) 분진폭발의 특징 (VS 가스폭발)
- 발화 에너지와 발생에너지가 크다
- CO 발생량이 많다 : 불완전 연소를 일으키기 쉬우며, 가스 중독 위험이 크다.
- 파괴력이 크다 : 연소 시간이 길고, 발생 에너지가 크기 때문이다.
- 최초 폭발압력이 작다.
- 연소속도가 늦다 : 발화 에너지가 크기 때문이다.
- 폭발압력이 작다.
- 최소발화에너지가 크다.
- 1차 분진폭발의 영향으로 주위의 분진을 날리게 해서 2차, 3차 폭발로 파급하면서 피해가 커진다.
- 심한 그을음, 심한 탄화, 인체에 심한 화상, 탄화수소 양이 많다.
(4) 분진폭발 방지대책
① 물적조건에 의한 예방
㉠ 불활성화(CO2, N2, H2O)
㉡ 부유성 억제(가연물 관리)
㉢ 분진의 퇴적, 비산의 우려가 있는 부분의 제거
② 에너지조건에 의한 예방
㉠ 마찰, 충격 등의 기계적 열원의 제거
㉡ 열면의 제어(전기기기의 방폭화)
㉢ 분진 내의 훈소 여부 감시, 제어
5) 분해폭발
- 분해에 의해 생성된 가스가 열팽창되고 이때 생기는 압력 상승과 이 압력의 방출에 의해 일어나는 폭발 현상으로 분해폭발은 가스폭발의 특수한 경우이다
- 산소에 관계없이 단독으로 발열 분해반응을 하는 물질에 의해 발생하는 폭발
- 대표적 물질: 분해할 때 흡열하나 분해할 때 발열하는 에틸렌, 산화에틸렌, 아세틸렌, 과산화물
6) 불안전 물질 폭발(explosion of explosive material)
- 불안정한 물질이 자체 분 해 반응열이나 외부에서 가해지는 미소 충격이나 가열에 의하여 물질 자체가 발열, 분해되어 폭발하는 현상이다.
- 분자 내에 탄소(혹은 질소) 이중결합 및 삼중결함, 산소결합, 탄소-질소 결합 등 분해 에너지가 큰 결합을 포함하고 있다.
- 고체 자기반응성 물질(solid explosives)이 폭발하는 것을 고체 폭발 이라 한다.
- 고체폭발은 기체상태 혼합물보다 분자 간 거리가 가까워서 물질의 단위 체적당 발열량이 크다. 발열속도가 매우 빨라 가스폭발에 비해 폭발 위력이 대단히 크다.
7) 중합폭발
- 단량체의 중축합반응에 따른 발열량에 의한 폭발
- 대표적 물질: 산화에틸렌, 시안화수소, 염화비닐 등
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