저장탱크 화재·폭발 위험성

저장탱크의 화재·폭발 위험성 및 그에 따른 화재·폭발사고 유형 등에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

저장탱크 화재·폭발 위험성

화재·폭발사고 유형

저장탱크 등의 인화성액체, 가연성가스 및 인화성액체가스의 화재는 높은 연소열, 빠른 열방출속도, 유동성의 3가지 특성으로 인해 다른 일반화재에 비해 그 위험성이 높으며, 다음과 같은 화재 또는 폭발 중에 한 가지 또는 두 가지 이상이 복합되어 일어날 수 있다.

"비등액체 팽창증기폭발(BLEVE : Boiling liquid expanding vapor explosion)“ 이란 가연성인 위험물질이 용기 또는 배관 내에 비점 이상의 온도 및 압력하에서 액체 상태로 저장․취급되는 경우 외부화재, 부식, 내부압력 초과 및 설비결함 등에 의하여 용기의 파손과 함께 대기 중으로 누출되면 액체상태의 위험물질이 증발되면서 갑자기 증기로 변화되어 외부로 치솟게 되는데 이때에 외부 화재, 스파크, 정전기, 담뱃불 등의 발화원에 의하여 폭발 및 화염을 발생시키는 현상을 말한다.

“화구(Fireball)”란 저장·취급조건에 따라 다르긴 하지만 비등액체 팽창폭발에 의하여 공중에 생성된 공 같은 모양의 화염 덩어리를 말한다.

“증기운 화재( VCE : Vapor cloud explosion)"란 누출된 위험물질이 공기중으로 확산되어 구름형태로 떠다니다가 물질의 폭발하한계 이하로 희석되기 전 발화원을 만나면 화재가 발생하는 것을 말한다. 이 경우 화염의 속도는 음속보다 작으며 무시할 수 있을 정도의 과압이 발생한다.

"플래시 화재, 섬광화재(Flash fire)"란 인화성 또는 가연성 액체나 가스의 표면을 타고 순간적으로 확산되는 분출성 화재를 말한다. 섬광화재는 기상의 가연물이 점화이전 공기 또는 산소와 혼합되어 폭발성 혼합기체 상태에서 점화되는 경우에 발생할 수 있다.

“고압분출 화재(Jet fire)"란 배관, 저장탱크 등에서 연속적으로 누출되는 고압의 위험물질이 누출원 근처의 발화원에 의하여 점화되는 현상을 말하며 이 경우 연속적으로 복사열이 발생된다.

“액면 화재(Pool fire)"란 액체(액화가스 포함)의 위험물질이 누출되어 주변 바닥에 고여 있는 액체가 기화하여 발화원에 의해 점화된 것을 말한다.

 

 

저장탱크의 화재폭발 발생 과정

저장탱크에서 가스 등이 누출되는 경우에 발생할 수 있는 화재·폭발 위험성을 도식적으로 나타낸 것이다.

 

<그림 1> 저장탱크의 화재폭발 위험성 및 사고 유형

 

저장탱크에서 다량의 인화성 액체가 누출되는 경우에는 BLEVE에 의한 Fireball을 형성하며 복사열에 의한 위험성으로 나타나며, 가스 상태로 누출되는 경우에는 Jet 화재 또는 증기운 폭발이 발생할 수 있다.

 

 

LPG 저장탱크의 화재·폭발 위험

탱크 화재에 있어 가장 최악의 경우는 사고탱크가 폭발하고 이어서 탱크지역에 설치된 이웃 탱크들이 연쇄폭발을 일으키는 것이다.

1. LP가스 재해과정

LP가스에 의한 재해과정을 탱크를 예로 들어 설명한 진행도를 아래에 나타냈다.

 

<그림 2> LP가스 재해의 FLOW CHART

 

LP가스에 의한 재해는 파손 또는 조작실수에 의해서 내용물이 유출되어 증기확산(또는 액체류)의 과정을 거쳐 증기운 폭발, Fireball 또는 Pool 화재를 일으키고 최악의 경우 BLEVE(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion, 비등액체팽창증기 폭발)에 도달하여 강한 폭풍과 방사열을 발생시킨다.

 

 

2. 증기운 폭발(BLEVE시의 증기운 폭발 제외)

밀폐된 탱크 또는 배관내의 가연성 가스나 액체가 대기 중으로 급격히 유출되면, 그 파손부위에서 유출되는 가스와 액체가 대기 중의 공기와 혼합하여 가연성 혼합기체가 형성되어 착화원이 주어지면 격렬한 폭발현상을 일으키게 되는데 이를 증기운 폭발이라 하며, 특히 이중에서 밀폐된 공간이 아닌 자유공간에서의 폭발을 UVCE(Unconfined Vapor Cloud Explosion, 자유공간 중기운 폭발)이라고 한다.

 

아래 그림은 유출증기와 공기 혼합물의 조성을 나타낸 것이다.

 

<그림 3> 증기농도의 분포예측도

 

그림에서와 같이 중기농도가 너무 높거나 너무 낮아도 착화되지 않는다. 폭발에너지는 폭발범위내에 있는 중기-공기의 혼화물에 의해서 결정되며 전체 증기량과는 관계가 없다. 물론 폭발범위 하한(LEL 또는 LFL) 이상에 있는 모든 중기는 최초의 폭발현상이 일어난 후에 착화되어 연소하게 되지만 이 때는 비교적 장시간에 걸쳐 에너지가 분출되므로 강력한 폭발효과는 없다. 그럼에도 불구하고 가열된 풍부한 증기운은 자체의 상승력에 의하여 위로 올라가 버섯구름 모양의 Fireball을 발생시킨다. 넓은 폭발범위, 낮은 증기밀도 및 높은 연소열이 Fireball 형성에 영향을 미친다.

 

 

3. Pool 화재

대량 유출이 일어나 최초에 지면으로부터 열을 받아 격렬하게 증발한 LP가스도 시간이 경과함에 따라 점차적으로 평형상태에 이르게 된다. 방유제와 같은 장소에 담겨져 여기에 착화한 것이 Pool 화재이다.

화재의 강도는 단위 시간당 연소량, 즉 연소속도 및 밀도와 밀접한 관계가 있다. 속도가 커지면 영향력도 커진다.

 

4. BLEVE와 Fireball

용기내에 저장되어 있는 LP가스가 외부의 열원(화재 등)에 의하여 가열되면 용기 내의 액체는 비등하고 용기의 내부압력(증기압)이 상승한다. 열에 의해서 용기의 강도가 저하되고 어떤 시점에 이르게 되면 용기는 파괴된다.

용기파손으로 탱크의 내부압력이 대기상태로 감소되면 기상의 고압가스는 급격히 팽창하고, 비동액체는 용기파손시 외부로 분출되어 액체의 온도와 비점 사이의 온도차에 비례하여 급속하게 증발하여 다량의 증기운을 형성한다. 여기에 착화하면 중기운폭발을 일으킴과 동시에 거대한 Fireball을 생성한다. 이와 같이 비등상태의 액화가스가 기화, 팽창하여 폭발하는 현상을 BLEVE이라고 한다.

일반적으로 대부분의 LP가스는 용기파손시 용기 내 액체의 1/3 정도를 순간증발시킬 수 있으며 폭발위력은 1km까지 미치는 것으로 알려지고 있다.

 

Reference : 1. KOSHA 화학물질의 누출특성을 고려한 위험장소 설정기준 개선방안 연구

2. 한국화재보험협회 LPG 저장탱크 화재 폭발

3. KOSHA GUIDE X – 78 – 2018 LNG 및 인화성가스 저장탱크의 위험성평가에 관한 기술지침