열매체유의 위험성 및 안전관리방안

열매체유(Heat transter fluid)는 열전달장치(Heat Transfer System)에서 공정상의 물질을 간접적으로 가열 또는 냉각시키기 위해 사용되는 열 전달매체 중  하나이다.

 

 

 

열매체유의 위험성 및 안전관리방안

열매체유 개요

열매체유는 동일한 목적으로 사용되고 있는 물 또는 스팀에 비해 넓은 운전온도 범위에서 사용 가능할  뿐만  아니라 물을 가열하여 발생된 스팀의 잠열과 압력을 이용하는 시스템과 비교하여 고온에서도 열안정성이 우수하고 부식  방지성이 뛰어나며 무엇보다도 저압에서 고온을 유지할  수  있으므로 고가의 고압  공정장치가 필요하지 않아 설비비를 대폭 절감할  수  있는 장점을 가지고 있어 화학공장 외에도 섬유, 제지, 플라스틱, 의약품 등 다양한 분야의 산업현장에서 널리 사용되고 있다.

그러나 열매체유는 대체로 열 및 산화 안정성이 우수한 물질이지만, 여러 사고 사례에서와 같이 일정 이상의 고온에서 장기간 사용할  경우 열분해 및 산화분해에 의해 서서히 열화되어 성능  저하 및 노화 촉진을 초래할  뿐만  아니라, 장시간에 걸쳐  휘발성 물질이 밀폐된 공간에 누적되는 등 화재·폭발사고의 위험성이 증가할  수  있으므로 유지 및 관리에 각별히 주의하여야  한다.

 

 

열매체유의 일반조건

열매체유는 넓은 온도 범위에서 정밀한 온도 조절이 가능해야  하며, 열 안정성 및 산화 안전성이 우수하여 열화로 인한 탄소 침전물 및 슬러지의 생성을 최소화하여 장기간 사용 가능해야  하고, 무엇보다도 화재·폭발 위험에 대한 안전성 및 신뢰성이 확보되어야  한다. 일반적으로 열매체유의 성능과 안전을 위해 요구되는 조건은 다음과 같다.

첫째, 열 안정성이 좋아야  한다. 

둘째, 산화 안정성이 좋아야  한다.

셋째, 증기압이 낮아야  한다.

넷째, 인화점·자연발화점·비점이 높아야  한다.

다섯째, 점도 및 유동점이 낮아야 한다.

그밖에도 사용온도 범위가 넓고, 인체 접촉  시 눈․피부․호흡장애를 유발할  가능성이 없으며, 누출 시 환경오염이 적어야  한다.

 

 

열매체유의 위험성

열매체유 사용 시 화재·폭발 사고를 야기시키는 가장 기본적인 위험성은 밀폐된 설비 내에서 열매체유를 인화점 이상으로 가열하여 사용하는데 있다.

실제 열매체유를 사용하는 대부분의 사업장에서 열매체유를 인화점 이상의 온도에서 사용하고 있어 열매체유의 착화로 인한 화재·폭발 위험성이 상시 존재한다. 특히 열매체유가 공기 중으로 누출될  경우, 가스  상태의 가연성 증기(Combustible Vapor)로 급격하게 변화하여 화재·폭발 분위기를 형성하게 된다. 열매체유는 인화점이 높아서 공기 중으로 누출되더라도 화재·폭발 위험성이 적을 것으로 인식되기 쉬워 화재·폭발사고 예방에 소홀해질 수 있는데, 인화점이 높을수록 착화의 위험이 줄어들어 화재방지에 유리할 수 있으나 인화점이 높은 것이 이상적이거나 절대적인 것은 아님을 간과해서는 안 된다. 그러나 열매체유를 인화점 이하의 운전조건에서 사용하는 경우에도 열매체유가 고압의 상태로 미세한 크랙(crack) 또는 핀 홀(pin hole)을 통해 누출될 경우, 에어로졸의 형태로 분출되어 인화점 및 발화점보다 낮은 온도에서도 착화될 수 있으므로 이를 예방하기 위한 안전조치 역시 잊어서는 안 된다.

열매체유는 사용온도가 높을수록, 사용기간이 길수록  열분해 및 산화분해로 인해 서서히 열화되어 경질탄화수소 등의 저비점 물질 및 침전물, 슬러지 등의 고비점 물질울  생성하는데, 이는 열매체유의 열안정성 및 열효율  저하, 노화 촉진  등의 원인이 될  뿐만  아니라 화재·폭발 위험성을 증대시켜  예기치 않은 사고를 불러일으킬  수  있다. 특히 저비점 물질은 열매체의 인화점을 낮아지게 할  뿐만 아니라 밀폐된 설비 내에 누적되어 화재·폭발 분위기를 형성하고, 침전물·슬러지 등의 고비점 물질은 안전밸브에 쌓여 정상 작동을 어렵게 하거나 가열로의 튜브  벽에 부착되어 튜브  파열의 원인이 되기도 한다.

그 밖에도, 열매체유로 인한 화재·폭발사고 중  발생이 빈번한 사례로 보온화재 (Insulation Fire)가 있다. 보온화재는 유리섬유(glass fiber)나 규산칼슘(calcium silicate) 등의 보온재로 둘러싸인 배관의 접합부나 크랙(crack)에서 누출된 열매체유가 보온재에 스며들어 넓은 가연면적에서 열에너지를 축척하고 있다가 보온재 덮개(insulation cover)의 이탈이나 파손  시 공기와 만나 화재가 발생하는 사고로, 자연발화점보다 낮은 온도에서도 발화가 발생할 수  있으니 주의해야  한다.

 

 

열매체유의 사고사례

열매체유는 인화점이 높아 공기 중으로 누출되더라도 화재·폭발 위험성이 적을 것으로 인식되기 쉬워  화재·폭발사고 예방에 소홀해 지는 경향이 있다. 그러나 인화점 이상의 운전조건에서 가열된 고온의 열매체유가 공기 중으로 누출될  경우, 가스  상태의 가연성 증기(Combustible Vapor)로 급격하게 변화하여 화재·폭발 분위기를 형성하게 되는데, 이 때 주변  설비의 고온표면, 펌프  등의 전기적 스파크, 각종 렌치·드릴  등의 사용 시 발생하는 기계적 스파크, 정전기 등과 같은 점화원과 반응하여 화재·폭발 사고가 발생하게 된다.

열매체유가 모든  경우에 최고사용온도에서 사용되는 것은 아니지만 대부분의 열매체유가 인화점 이상에서도 사용 가능하도록 제조됨을 알 수 있으며, 실제로 대부분의 산업현장에서 열매체유를 인화점 이상(적게는 19℃에서 최고 287℃ 가량 높음)의 운전조건에서 사용하고 있어 열매체유로 인한 화재·폭발 사고가 빈번하게 발생하고 있는 실정이다.

그러나 열매체유를 인화점 이하의 운전조건에서 사용하는 경우에도 열매체유가 고압의 상태로 미세한 크랙(crack) 또는 핀  홀(pin hole)을 통해 누출될  경우, 에어로졸의 형태로 분출되어 인화점 및 발화점보다 낮은 온도에서도 착화될  수  있으므로 주의가 필요하다.

그 밖에도, 열매체유로 인한 화재·폭발사고 중  발생이 빈번한 사례로 보온화재 (Insulation Fire)를 들 수   있다. 보온화재는 유리섬유(glass fiber)나 규산칼슘 (calcium silicate) 등의 보온재로 둘러싸인 배관의 접합부나 크랙(crack)에서 누출 된 열매체유가 보온재에 스며들어 넓은 가연면적에서 열에너지를 축척하고 있다가 보온재 덮개(insulation cover)의 이탈이나 파손  시 공기와 만나 화재가 발생하는 사고로, 자연발화점보다 낮은 온도에서도 발화가 발생할 수  있으므로 주의해야 한다.

 

 

열매체유의 안전관리방안

열매체유로 인한 화재·폭발사고를 예방하기 위해선 고온의 열매체유가 공기 중으로 누출되지 않도록  관리하는 것이 무엇보다 중요하다. 특히 이송  배관의 접속 부위, 각종 밸브, 용접부, 순환펌프  등 잠재적 누출원에 대한 관리 및 안전조치가 이루어져야  한다. 배관의 접속부위인 플랜지의 체결 불량 및 가스켓·패킹류의 손상, 각종 밸브의 개폐  시 오조작, 순환펌프의 진동에 의한 간격·이완·피로·파괴  발생, 용접부 및 온도계 노즐 부착부 등의 부식 등에 대한 점검 및 유지관리를 통해 열매체의 누출을 사전에 예방하는 것이 필요하다. 누출원이 보온 처리된 경우 열매체유가 보온재에 스며들어 넓은 가연면적에서 열에너지를 축척하여 자연발화되는 보온화재를 예방하기 위해 보온재는 셀룰라 글라스(Cellular glass)와 같이 비흡습성 재질을 사용해야 한다. 안전밸브 등은 탄소침전물 및 슬러지가 쌓여 정상 작동을 방해하지 않도록 정기적인 검사를 통해 이를 예방하여야 하며, 팽창탱크에는 질소 등의 불황성 기체를 주입하여 유입되는 공기로 인해 열매체의 급격한 열화 및 화재·폭발이 발생하지 않도록 조치하여야 한다.

열매체유는 열 안정성 및 산화 안정성이 우수한 물질이지만  일정 이상의 고온에서 장기간 사용할  경우 열분해 및 산화분해로 인해 서서히 열화되어 열매체유의 열안정성 및 열효율  저하, 노화 촉진  등의 원인이 될  뿐만  아니라 화재·폭발 위험성을 증대시켜  예기치 않은 사고를 불러일으킬  수  있으므로 정기적인 검사를 통한 유지·관리가 필요하다. 열매체유의 수명은 운전조건과 사용방법에 따라 달라질 수  있기 때문에 제조사에서 권장하는 교체주기 및 유지보수  기준을 일괄적으로 적용하는 것은 화재·폭발의 잠재적 위험성을 증대시킬  수  있으므로 사업장별로 열매체유를 취급하는 공정조건  및 사용방법에 따른 교체 및 유지·관리 기준을 설정하고 이를 반영하여 열매체유의 성능  및 열화 여부에 대한 정기적인 검사를 실시하여야  한다.

일반적으로 열매체유의 열화여부를 판단하기 위해선 점도, 산가(Acid number), 아세톤  불용성분, 수분함량 등에 대한 분석이 요구된다. 첫째, 점도는 열매체유의 유동성 및 열전달 효율에 영향을 미치는데, 점도가 작아질수록  열전달효율  및 유동성이 좋아지나 점도의 변화는 열매체유가 열화되고 있다는 것을 나타낸다. 시간이 경과함에 따라 폴리페닐계 및 광유의 점도는 증가하고 합성파라핀의 점도는 감소하는 경향이 있다. 둘째, 산가(Acid number)를 측정하면 열매체유의 수화 또는 산화에 의해 산으로 변화되는 정도를 추정할  수  있으며, 산가의 허용 최대치는 파라핀계가 열매체유 1 g당  4.0 ㎎  KOH, 폴리페닐계가 열매체유 1 g당  1.0 ㎎ KOH이다. 셋째, 탄소 및 고체성분과 스케일의 양을 측정함으로써 열매체유의 열화여부를 판단할  수  있으며, 침식을 방지할  수  있는 최대치는 열매체유 100 ml당 50 ㎎이다. 마지막으로 수분은 저비점 물질 및 산의 생성 원인이 되며, 수분함량의 최대치는 합성파라핀이 2000 ppm, 방향족 화합물은 400 ppm이다.

 

Reference : 안전보건공단 산업안전보건연구원, 열매체유의 화재·폭발 위험성평가