화재·폭발 위험장소에서의 정전기 위험 관리

화재·폭발 위험장소에서의 정전기 위험 관리로서 화재·폭발 발생 조건, 가연성 분위기의 생성 방지, 점화성 방전의 발생 방지에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

화재·폭발 위험장소에서의 정전기 위험 관리

화재·폭발 발생 조건

정전기 장·재해 관점에서의 대부분 화재·폭발은 가연성 혼합 기체가 점화되어 시작하는 연소반응에 의한 화재·폭발이라고 볼 수 있다.

따라서 연소범위 내에 있는 가연성 물질과 지연성 기체의 혼합 분위기와 그 가연성 분위기가 점화되기에 충분한 에너지를 가지는 정전기 방전, 즉 두 가지 요소가 존재할 때 화재·폭발 발생조건이 발생한다.

정전기 관련 화재·폭발은 가연성 분위기의 통제가 어려운 공정에서 점화원의 통제가 불충분한 작업 시 발생하기 때문에, 가연성 분위기 생성을 방지하고 점화능력이 있는 정전기 방전을 방지하는 것이 정전기 화재·폭발 예방을 위한 기본적인 대책이다.

 

 

가연성 분위기의 생성 방지

(1) 일반사항

가연성 분진, 미스트, 가스 등의 가연성 물질과 공기, 산소 등의 지연성 기체와의 혼합물이 폭발 또는 연소되기 위해서는 가연성 물질의 농도가 연소범위에 포함되지 않도록 가연성 물질의 농도를 유지·관리할 수 있으면 화재·폭발을 예방할 수 있다. 그러나 연소범위 내에서도 가연성 물질의 농도가 연소의 최적 범위에서 벗어나면 최소점화에너지는 급격히 증가하고, 화재·폭발 발생 가능성은 급격히 낮아진다. 따라서 가연성 물질의 농도 제어는 화재·폭발 예방대책으로 가장 유효하다.

 

(2) 삼각선도법

가연성 물질이 체류하는 밀폐공간에서 가연성 분위기 생성 방지를 위해 불활성 가스를 첨가하는 방법이 있다. 이때 불활성 가스가 첨가된 혼합기체의 연소범위는 편의적으로 가연성 기체, 지연성 기체(조연성 가스) 및 불활성 기체 즉, 3성분계로 구분하여 다음 <그림 1>과 같이 삼각선도로 나타낼 수 있다.

 

<그림 1> 3성분계의 연소범위를 나타내는 삼각선도

 

<그림 1>에서는 정삼각형 F-N-O 주변 및 내부 각 점을 각 변으로 내린 수직선의 길이를 조성 비율로 하는 혼합물 기체에 대응시키고, 정삼각형의 내부영역은 혼합물 기체의 연소한계를 나타내고 있다.

3성분계 연소범위를 나타내는 삼각선도법의 예를 다음과 같이 설명한다.

첫 번째는 그림 안의 점 G는 가연성 기체, 지연성 기체 및 불활성 기체의 비율을 f : o : n 으로 하는 혼합물 기체를 나타내고 있으며, 그림자 영역은 연소범위를 나타내고 있다. 이때, 산소와 질소의 비율이 1:4인 공기는 그림에서는 A로 표시되고, 당초 점 G로 표시되는 혼합물 기체에 질소를 첨가한 농도는 선분 G-N상에서 N점을 향하여 이동하고, 점 S에서 연소범위를 벗어나게 된다. 이는 연소범위 밖에 있는 가연성 혼합물 기체의 관리·통제 시 주의해야하는 부분으로 공기 중에서 누설 또는 방출 후에도 혼합물 기체의 농도가 연소범위 밖에 존재하도록 관리할 필요가 있다.

두 번째는 그림 안의 U점에 위치하는 혼합물 기체의 농도가 연소범위 밖에 있지만 공기 중에서 방출되어 공기와 혼합되는 경우 선분 U-A상에서 A점을 향하여 이동하고 D점에서는 연소범위에 들어가게 된다. 즉, 방출되기 전에는 연소범위 밖에 있던 혼합물 기체의 농도가 공기 중에서 혼합과정을 통해 점화 위험성이 있는 혼합물 기체의 상태가 된다.

 

 

(3) 포화 증기압

인화성 액체 표면에서의 포화 증기압은 액체의 온도에 의존하는데 액면에서의 포화 증기압이 연소범위에 들어가는 하한의 온도를 하한 인화점, 상한의 온도를 상한 인화점이라고 한다. 통상적으로 연소범위에 들어가는 하한의 온도를 인화점이라고 약칭한다. 여기서 인화성 액체의 사용·취급온도를 하부 인화점 미만으로 유지할 수 있으면 점화를 방지할 수 있다. 또한 상부 인화점 이상의 액체 온도를 유지하는 경우에도 인화성 액체의 증기 농도가 높아서 연소범위를 벗어나서 점화가 되지 않지만, 외기의 유입 또는 증기 누출 등의 결과로 가연성 분위기가 형성될 수 있기 때문에 안전하다고 볼 수 없다.

실온에서 보다 인화점이 낮은 인화성 액체가 충분히 환기되는 개방공간에서 취급·사용되는 경우 해당 영역에서는 인화성 증기의 농도가 연소범위에 도달하지는 않는다. 그러나 환기효과를 고려하는 경우에는 극히 일부 예외를 제외하고는 인화성 액체의 증기가 공기의 상대밀도보다 높을 수 있다는 점을 간과해서는 안 된다.

(4) 가스 농도측정기

가연성 기체 및 인화성 액체의 취급·사용 시 가연성 분위기의 생성 방지를 위한 효과적 수단으로 가연성 혼합물의 농도를 측정하는 방법이 있다. 여기서 가연성 혼합물의 농도를 계측하는 센서(Sensor)로는 반도체식, 기체 열전도식, 전기화학식 센서(Sensor) 등이 보편적이지만, 다음 <그림 2>와 같이 가스검지 소자로 백금 촉매를 사용하여 표면에서의 산화반응 발열량으로부터 가연성 혼합물의 농도를 검출하는 방법이 있다. 이 방법은 접촉 연소식 센서(Sensor)가 가연성 혼합물의 농도도 계측할 수 있는 이점을 가지고 있으며, 탄화수소계의 농도 관리에도 적합하다. 그러나 접촉 연소식 센서(Sensor)는 이황화탄소 등의 일부 기체 측정에는 적합하지 않을 수 있다.

<그림 2> 접촉연소식 가연성 가스 농도측정기

 

 

(6) 스위치 로딩

스위치 로딩(Loading)이란 휘발성이 높은(인화점이 낮은) 인화성 액체를 먼저 충전한 용기에 연속하여 휘발성이 낮은(인화점이 높은) 인화성 액체를 충전하는 작업방식을 말한다. 전형적인 예로는 휘발유를 이송한 탱크로리에 등유와 경유를 로딩하는 경우이다.

스위치 로딩작업의 위험성을 다음 <그림 3>과 같이 도식적으로 나타내었다. 최초 로딩 시 탱크 내부의 농도가 폭발범위를 초과하는 경우라도 고 휘발성의 포화 증기가 스위치로 로딩되는 저 휘발성의 포화 증기로 흡수되기 때문에 탱크 내부 가연성 증기의 농도가 낮아지게 되어 스위치 로딩작업 중에는 탱크 내부의 농도가 폭발범위로 형성될 가능성이 크다. 따라서 스위칭 로딩작업을 위한 조작 전에는 탱크 내부 공간의 고 휘발성 포화증기에 대한 흡입·제거 등의 안전대책을 강구하는 것이 필요하다.

<그림 3> 스위치 로딩 시 용기 내 가스 농도 변화

 

또한, 인화성 물질의 취급·사용 환경조건에 따라 화재·폭발 위험분위기가 생성될 수 있다. 다음 <그림 4>는 항공기 비행 중 환경변화에 따른 연료(등유, 항공유) 탱크 내부의 폭발범위를 나타내고 있다. 즉, 항공기가 이륙하여 주변 기압이 낮아지면 인화성 액체 증기의 상대농도가 증가하기 때문에 비행 고도가 높아질수록 등유의 폭발범위를 형성하는 인화점이 낮아지고 있음을 알 수 있다. 다만, 비행 고도 상승에 따라 주변온도가 낮아질수록 일정시간 경과 후에는 등유의 온도가 폭발 범위에서 벗어나지만, 통상적으로는 탱크 내부 등유의 상대농도가 폭발범위에 포함되지는 않더라도 일시적으로는 폭발범위에 들어갈 수 있음을 알 수 있다.

<그림 4> 항공기 연료탱크 내부 환경변화와 폭발범위

 

 

점화성 방전의 발생 방지

(1) 일반사항

폭발범위에 있는 가연성 혼합 가스에서 최소점화에너지를 초과하는 방전이 발생하더라도 반드시 점화로 이어지지 않는다. 이는 방전에너지의 공간적·시간적 분포 등의 요인이 방전조건에 추가적으로 요구되기 때문이다.

방전 에너지의 총량이 동일하더라도 에너지가 서서히 방전되는 경우와 비교하여 단시간에 일시에 방전되는 경우가 위험성이 높다. 또한, 공간적으로 제한된 영역에 에너지가 집중하는 경우가 그렇지 않은 경우보다 점화 위험성이 높아질 수 있다는 것을 추측할 수 있다. 여기서 정전기 대전에 의한 방전 시 대전전하 총량의 방전으로 일시에 중화되는 경우와 부분적으로 중화되는 경우를 비교할 때, 대전량이 동일하더라도 방전에너지의 총량의 차이가 발생하기 때문에 전자의 경우가 점화 위험성이 높다.

또한, 방전으로 인한 점화 위험성에 영향을 미치는 특성은 대전물체의 형상이나 배치 등의 기하학적 조건, 도전성 또는 전위 등의 전기적 물성과 관련이 있다. 즉, 이러한 연관성이 도체로부터 방전과 부도체로부터 방전, 스파크 방전과 코로나 방전 사이에서의 점화 위험성이 차이가 발생한다.

(2) 방전거리

다음 <그림 5>는 도체로부터 방전과 부도체로부터 방전의 상위(相違)를 나타 낸다. 이 그림은 대전물질(JP-5)의 액면과 금속판으로부터 각각 구 전극(직경 약 25mm)에 방전시킨 경우의 방전 갭(Gap)과 방전에너지의 관계를 조사한 것으로, 동일한 방전 갭(Gap)에서는 금속판으로부터 방전이 절연물질(JP-5)로 부터 방전보다 30배 이상 방전에너지가 크다는 것을 알 수 있다.

<그림 5> 도체와 부도체에서의 방전에너지와 방전거리

 

(3) 전극크기

다음 <그림 6>은 대전된 폴리에틸렌 표면을 향해 접지된 반구형의 금속 전극을 천천히 접근시켰을 때의 방전전류를 나타내고 있다. 전극반경이 1mm 에서 10mm까지 증가시켰을 때 방전전류가 급격히 감소되어 전극반경이 1mm 에서는 코로나(Corona) 방전 형태의 완만한 방전전류가, 10mm이상에서는 1회의 스파크(Spark) 방전전류가 흐르는 것을 나타내고 있다.

<그림 6> 전극의 크기에 따른 방전전류

 

 

 

(4) 폭발범위

다음 <그림 7>은 대전된 플라스틱의 표면에 금속구를 접근시키고 다양한 농도의 헥산 혼합기체에서 방전시켰을 때 점화 확률을 나타내고 있다. 그림에서 세로축은 점화 확률을, 가로축은 헥산 증기의 농도를 나타내고 있다. 그리고 그림에서의 숫자는 금속전극의 직경을, 그림자 영역은 헥산 혼합기체의 폭발범위를 나타내고 있다. 또한 금속전극의 직경이 증가할수록 점화 확률이 높아짐을 그리고 점화가 발생할 수 있는 폭발범위도 확대됨을 알 수 있다.

<그림 7> 절연물체의 점화확률

 

(5) 방전 방지대책

점화 위험성이 높은 방전을 방지하기 위한 대책은 다음과 같다.

첫째, 대전된 도체로부터 방전을 회피하기 위해 도체를 접지한다. 특히, 도체의 정전유도에 의한 전위상승을 방지하기 위하여 접지 및 본딩이 효과적이다.

둘째, 곡률반경이 큰 도체가 고전위로 대전된 물체에 접근하는 경우의 스파크 방전을 방지하기 위하여 대전량이 많지 않을 경우 뾰족한 도체에서의 코로나 방전이 안전하다. 다만, 대전량이 많은 경우에는 코로나 방전도 위험하다.

셋째, 방전에 의한 점화 위험성을 감소하기 위해서는 정전기 발생, 축적 그리고 고전위 발생을 억제하는 것이 효과적이다.

 

Reference : KOSHA 연구보고서 정전기 화재·폭발 원인분석을 통한 안전관리 방안 마련