Forms of release (누출 형태)

폭발위험장소 구분도 작성 시 폭발위험 범위(d_z)의 모양과 거리를 결정하는 Forms of release (누출 형태)에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

Forms of release (누출 형태)

IEC 60079-10-1:2020의 부속서 B.6 Forms of release (누출 형태)는 누출된 가연성 물질이 대기 중으로 방출될 때의 물리적인 상태와 확산 거동을 정의한다. 누출 구멍의 크기만큼이나 위험 범위(d_z)의 모양과 거리를 결정하는 결정적인 요인이 된다.

 

 

누출 형태 유형

Forms of release (누출 형태)는 가연성 물질이 누출될 때의 물리적 상태와 대기 중에서의 확산 거동에 따라 4가지 주요 유형으로 구분한다.

1. 가스 또는 증기 누출 (Gas or Vapour Release)

가장 전형적인 누출 형태로, 기체 상태의 유체가 대기 중으로 방출되는 경우이다.

• 물리적 특징: 상류 압력이 대기압보다 높으면 고속의 제트(Jet) 형태로 분출된다. 내부 압력에 따라서 고압 누출 (Choked Flow / Sonic Flow) 및 저압 누출 (Subsonic Flow)이 발생한다.
• 확산 기전:제트(Jet) 누출의 경우 초기에는 분출되는 운동 에너지(관성력)에 의해 직선적으로 확산되다가, 점차 주변 공기를 동반 유입(Entrainment)하며 희석된다.
• 영향 인자: 가스의 상대 밀도(부력)가 매우 중요하다. 공기보다 가벼운 가스는 위로 상승하고, 무거운 가스는 지면을 따라 흐른다.

 

2. 액체 누출 (Liquid Release)

인화성 액체가 배관이나 용기에서 새어 나와 바닥에 고이는 형태이다.

• 물리적 특징: 액체 자체가 즉시 폭발하는 것이 아니라, 노출된 액체 표면에서 발생하는 증발(Evaporation)이 가연성 증기운을 형성한다.
• 확산 기전: 액체가 고여 있는 액면의 넓이(Pool area)가 증발량을 결정하는 핵심이다. 바닥의 온도와 풍속이 빠를수록 증발이 활발해진다.
• 위험 범위: 액체가 퍼지는 것을 방지하는 방유제(Dike)나 배수 시설이 위험 범위를 제한하는 중요한 요소가 된다.

 

 

3. 압축 액체로부터의 미스트 누출 (Mist Release)

인화점보다 낮은 온도의 액체라도 높은 압력 하에서 작은 구멍을 통해 누출될 때 발생하는 형태이다.

• 물리적 특징: 액체가 아주 미세한 방울(Aerosol) 형태로 부서지며 비산된다.
• 위험성: 액체 상태일 때는 인화점 이하라서 안전해 보일지라도, 미스트 형태가 되면 표면적이 급격히 넓어져 공기와 혼합될 때 폭발성 분위기를 쉽게 형성한다.
• 위험 범위: 미스트는 기체와 유사하게 행동하지만, 자중에 의해 지면에 떨어지는 속도와 비산 거리를 고려하여 범위를 산정해야 한다.

 

4. 비점 이하 액체의 누출 (Release of Liquid below Boiling Point)

액체의 온도가 대기압 하의 끓는점(Boiling point)보다는 낮지만 인화점보다는 높은 상태로 누출되는 경우이다.

• 물리적 특징: 누출 초기에는 액체 상태를 유지하며 바닥에 고이게 된다.
• 확산 기전: 주변의 열원이나 일사량, 풍속 등에 의해 지속적으로 액면 증발이 일어난다.
• 위험 범위: 액체의 증기압(Vapour pressure)에 따라 증발률이 달라지므로, 온도 조건이 위험 범위 산출의 핵심 변수가 된다.

 

 

가스 또는 증기 누출 시 고압 / 저압 구분 기준(누출 속도 특성) 

가스 또는 증기 누출 시 고압(High Pressure)과 저압(Low Pressure)을 구분하는 공학적 기준은 단순히 특정 압력 수치를 넘느냐가 아니라, 누출 구멍에서 음속 흐름(Choked Flow)이 발생하는지 여부에 달려 있다.

가스의 비열비(γ)에 의해 결정되는 다음의 임계 압력비 공식을 근거로 판단한다.

임계 압력비 공식: Pc / P₁ = [ 2 / (γ + 1) ]^(γ / (γ - 1))

 

1. 고압 누출 (Choked Flow / Sonic Flow)

내부 압력이 외부 대기압에 비해 충분히 높아, 누출되는 가스의 속도가 해당 유체의 음속(Mach 1)에 도달한 상태를 의미한다.

• 판단 기준 (임계 압력비): 내부 절대 압력(P₁)과 외부 대기압(Pa)의 비율이 약 1.7에서 1.9배 이상일 때이다.

     - 일반적인 공정 가스의 경우, 게이지 압력 기준으로 약 0.09 MPa (약 0.9 kg/cm²) 이상이면 고압 누출로 간주한다.

• 거동 특성: 누출 속도가 음속에서 고정(Choked)되므로, 내부 압력이 더 높아져도 속도는 늘어나지 않고 밀도만 증가한다. 강력한 제트(Jet)를 형성하여 주변 공기와의 난류 혼합이 매우 활발하게 일어난다.

 

 

2. 저압 누출 (Subsonic Flow)

내부 압력이 임계 압력비보다 낮아, 누출 속도가 음속 미만인 상태이다.

• 판단 기준 (임계 압력비):  내부 절대 압력이 외부 대기압의 약 1.7배 미만일 때이다.
• 거동 특성: 누출 구멍 전후의 압력 차이가 크지 않아 가스가 팽창하는 에너지가 적으며, 베르누이 원리에 따라 압력 차이에 비례하여 속도가 결정된다. 제트의 힘이 약하고 확산 속도가 상대적으로 느리다. 주변의 환기(Ventilation)나 가스의 부력(Buoyancy) 영향을 크게 받으며, 무거운 가스의 경우 누출원 주변에 정체될 가능성이 높다.

 

<표 1> 고압 누출 vs. 저압 누출

구분	압력 조건 (절대압 기준)	누출 속도	주요 특징
고압 누출	P₁ > 1.9 × Pa (약 0.2 MPa 이상)	음속 (Sonic)	직선적 제트 형성, 초기 희석 빠름
저압 누출	P₁ < 1.7 × Pa (약 0.17 MPa 미만)	아음속 (Subsonic)	환기에 민감, 체류 및 확산 위험

 

 

가스 거동 특성(부력 특성)

가스 또는 증기 누출 시 가연성 가스가 대기 중에서 위로 떠오를지, 수평으로 퍼질지, 아니면 아래로 가라앉을지를 결정하는 거동 특성은 Buoyant(부력), Neutral(중립), Heavy(중량)의 세 가지로 구분한다.

 

1. 가스 거동별 분류 기준 및 특징

가스의 거동은 주로 주변 공기의 밀도(약 1.2 kg/m³)를 기준으로 한 상대 밀도(ρᵣₑₗ)에 의해 결정된다.

 

<표 2> 가스 거동별 분류 기준 및 특징

거동 분류	상대 밀도 (ρᵣₑₗ)	주요 거동 및 확산 형태	대표 물질 예시
Buoyant (부력)	0.8 미만	공기보다 가벼워 상부로 빠르게 상승 및 확산됨	수소(H₂), 메탄(CH₄), 암모니아
Neutral (중립)	0.8 에서 1.2	공기와 밀도가 유사하여 풍향에 따라 수평으로 확산됨	질소(N₂), 일산화탄소(CO), 에탄
Heavy (중량)	1.2 초과	공기보다 무거워 지표면에 깔리며 낮게 체류함	LPG(프로판/부탄), 가솔린 증기

 

2. 가스 거동을 결정하는 공학적 근거

① 분자량 (Molecular Weight) 기반 판정

표준 상태에서 가스의 밀도는 분자량에 비례합니다. 공기의 평균 분자량인 약 28.97 g/mol을 기준으로 비교한다.

• Buoyant: 분자량이 약 23 g/mol 이하인 경우
• Heavy: 분자량이 약 35 g/mol 이상인 경우

② 온도에 의한 밀도 변화 (Thermal Effect)

상온에서 공기보다 가벼운 가스라도, 극저온 액체 상태(예: LNG)로 저장되었다가 누출되면 초기에는 온도가 매우 낮아 밀도가 커집니다. 이 경우 초기에는 Heavy 가스처럼 거동하다가 주변 열을 흡수하여 온도가 올라가면 Buoyant 가스로 변하는 특성을 보인다.

 

③ 리차드슨 수 (Richardson Number, Ri)

공학적으로는 부력과 관성력의 상대적 크기를 나타내는 리차드슨 수를 사용하여 더 정밀하게 판정한다.

• Ri 가 음수: 부력이 지배하여 상승함.
• Ri 가 0 에 가까움: 관성력이 지배하여 풍향대로 흐름.
• Ri 가 양수: 중력이 지배하여 지면에 체류함.

 

 

3. 폭발위험장소 구분 시의 시사점

가스의 거동 특성은 위험 지역의 형상(Shape)을 결정하는 핵심 요소이다.

• Buoyant (부력) 가스:

       - 누출원 상부에 위험 지역이 형성된다.

       - 천장이나 지붕 아래 가스가 갇힐 수 있는 공간(Pocket)에 대한 환기 검토가 필수적이다.

• Heavy (중량) 가스:

       - 가장 위험한 거동으로 지면의 낮은 곳, 트렌치(Trench), 피트(Pit) 등에 고여 장시간 체류할 수 있다.

       - 수평 방향의 이격 거리(dz)가 다른 거동에 비해 매우 길게 형성된다.

 

 

메탄(Methane) 가스 누출 거동 특성 분석

1. 대상 물질의 물리적 상수

• 화학식: CH₄
• 분자량: 약 16.04 g/mol
• 공기의 평균 분자량: 약 28.97 g/mol
• 비열비 (γ): 약 1.31 (15도 기준)
• 상대 밀도 (ρᵣₑₗ): 약 0.55 (공기 = 1.0 기준)

 

2. 거동 특성 판정 및 근거

① 부력 특성 (Buoyancy) : Buoyant Gas

• 판정 근거: 메탄의 상대 밀도는 0.55로, 부력 가스 판단 기준인 0.8 미만에 해당
• 거동 양상: 누출 시 주변 공기보다 가벼우므로 상부 방향으로 빠르게 상승하며 확산된다. 대기 중으로 방출될 경우 하층부에 체류할 가능성이 매우 낮다.

② 누출 속도 특성 (Velocity) : Sonic or Subsonic

• 판정 근거: 임계 압력비(Pc / P₁) 공식을 적용 시 메탄의 비열비(1.31)를 대입하면 임계 압력비는 약 0.54가 산출된다.
• 거동 양상: 배관 내 게이지 압력이 약 0.085 MPa (약 0.87 kg/cm²) 이상인 상태에서 누출될 경우, 누출구에서 음속 흐름(Choked flow)을 형성하는 고압 제트 누출이 발생한다.

③ 누출 형태 (Forms of Release) : Gas Release

• 판정 근거: 상온/상압에서 기체 상태이므로 IEC 60079-10-1 부속서 B.6의 가스 누출(Gas release) 형태를 따른다.
• 거동 양상: 초기에는 누출 압력에 의한 관성력으로 직선 확산되며, 이후 부력에 의해 상향 곡선을 그리며 희석된다.

 

3. 폭발위험장소 구분 시 시사점

• 위험 지역 형성: 누출원을 중심으로 상부 및 측방향으로 위험 지역이 형성된다. 하부 지역은 상대적으로 위험 범위가 좁게 형성된다.
• 정체 구역 주의: 천장 구조물, 지붕 내부, 배관 랙(Rack) 상부 등 가스가 갇힐 수 있는 포켓(Pocket) 영역에 Zone 2 또는 Zone 1이 형성될 가능성이 높으므로 상부 환기 설비가 중요하다.
• 희석 효율: 공기보다 가볍기 때문에 자연 환기(Natural Ventilation) 조건에서 중량 가스보다 희석 효율이 좋아, 동일 누출량 대비 위험 거리(dz)가 짧게 산출되는 경향이 있다.

 

4. 보고서용 요약 문구

본 설비에서 취급하는 메탄(CH₄)은 상대 밀도가 0.55인 부력 가스(Buoyant Gas)로서, 누출 시 대기 중으로 빠르게 상승 확산되는 특성을 가짐. 고압 누출 시 음속 제트를 형성하며 상부 정체 구역에 대한 집중적인 환기 검토가 요구됨. 이에 따라 위험 지역 산정 시 상향 확산 모델을 적용함.

 

 

프로판(Propane) 가스 누출 거동 특성 분석

1. 대상 물질의 물리적 상수

• 화학식: C₃H₈
• 분자량: 약 44.1 g/mol
• 공기의 평균 분자량: 약 28.97 g/mol
• 비열비 (γ): 약 1.13 (15도 기준)
• 상대 밀도 (ρᵣₑₗ): 약 1.52 (공기 = 1.0 기준)

 

2. 거동 특성 판정 및 근거

① 부력 특성 (Buoyancy) : Heavy Gas

• 판정 근거: 프로판의 상대 밀도는 1.52로, 중량 가스 판단 기준인 1.2 초과에 해당
• 거동 양상: 누출 시 주변 공기보다 현저히 무거우므로 하부 방향으로 가라앉으며 지표면을 따라 확산된다. 대기 중으로 방출될 경우 상부로 확산되기보다는 지면 근처에 정체될 가능성이 매우 높다.

② 누출 속도 특성 (Velocity) : Sonic or Subsonic

• 판정 근거: 임계 압력비(Pc / P₁) 공식을 적용 시 프로판의 비열비(1.13)를 대입하면 임계 압력비는 약 0.58이 산출된다.
• 거동 양상: 배관 내 게이지 압력이 약 0.073 MPa (약 0.74 kg/cm²) 이상인 상태에서 누출될 경우, 누출구에서 음속 흐름(Choked flow)을 형성한다.

③ 누출 형태 (Forms of Release) : Gas or Liquid Release

• 판정 근거: 프로판은 가압 상태에서 액체(LPG)로 저장되는 경우가 많으므로, 누출 시 즉각적인 기화가 일어나는 가스 누출 또는 플래시 증발 형태를 띤다.
• 거동 양상: 고압 액체 상태로 누출될 경우 미세한 액적(Mist)이 형성되어 비산되거나, 바닥에 고여 액면 증발을 일으키며 짙은 가스 구름을 형성한다.

 

3. 폭발위험장소 구분 시 시사점

• 위험 지역 형성: 누출원을 중심으로 하부 및 바닥면을 따라 광범위한 위험 지역이 형성된다. 수직 방향보다는 수평 방향의 이격 거리(dz)가 길게 산출된다.
• 정체 구역 주의: 배수구(Drain), 피트(Pit), 트렌치(Trench), 지하실 등 지표면보다 낮은 밀폐 공간에 가스가 고여 장시간 체류할 수 있다. 이러한 저지대는 환기가 불량할 경우 Zone 1로 구분될 가능성이 높다.
• 희석 효율: 공기보다 무거워 자연적인 상승 확산이 일어나지 않으므로, 기계적 환기나 강력한 풍속이 없을 경우 희석 속도가 느리다. 동일 누출량 대비 메탄과 같은 부력 가스보다 위험 범위가 넓게 산출된다.

 

4. 보고서용 요약 문구

본 설비에서 취급하는 프로판(C₃H₈)은 상대 밀도가 1.52인 중량 가스(Heavy Gas)로서, 누출 시 지표면을 따라 낮게 깔리며 확산되는 특성을 가짐. 특히 저지대 및 트렌치 등 환기가 불량한 공간에 체류하여 폭발성 분위기를 형성할 위험이 높음. 이에 따라 위험 지역 산정 시 지면 체류 및 수평 확산 모델을 우선적으로 적용함.

 

 

에탄(C₂H₆) 가스 누출 거동 특성 분석 보고서

1. 대상 물질의 물리적 상수

• 화학식: C₂H₆
• 분자량: 약 30.07 g/mol
• 공기의 평균 분자량: 약 28.97 g/mol
• 비열비 (γ): 약 1.19 (15도 기준)
• 상대 밀도 (ρᵣₑₗ): 약 1.04 (공기 1.0 기준)

 

2. 거동 특성 판정 및 근거

1) 부력 특성 (Buoyancy): Neutrally Buoyant to Slightly Heavy Gas

• 판정 근거: 에탄의 상대 밀도는 약 1.04로 공기와 매우 유사하거나 미세하게 무겁다. 일반적인 부력 가스 기준(0.8 미만)에 해당하지 않으며, 중량 가스 기준(1.2 이상)에도 미치지 않는 중성 부력 특성을 가진다.
• 거동 양상: 누출 초기에는 공기와 섞이며 지표면 근처에 정체되거나 수평으로 확산되는 경향이 있다. 메탄(CH₄)처럼 즉각적인 상부 상승이 일어나지 않으며, 대기 흐름(바람)에 극도로 민감하게 반응하여 이동한다.

2) 누출 속도 특성 (Velocity): Sonic or Subsonic

• 판정 근거: 비열비 1.19를 이용해 임계 압력비를 산출하면 약 0.57이 산출된다.
• 거동 양상: 배관 내 게이지 압력이 약 0.076 MPa 이상일 경우 누출구에서 음속 흐름(Choked flow)을 형성한다. 초기 분출 시에는 부력보다 압력에 의한 관성력이 지배적이며, 이 과정에서 주변 공기를 혼입하며 빠르게 희석된다.

3) 누출 형태 (Forms of Release): Gas Release

• 판정 근거: 상온 및 상압에서 기체 상태이므로 IEC 60079-10-1의 가스 누출 형태를 따른다.
• 거동 양상: 고압 누출 시 물리적 제트를 형성하며, 압력이 소실된 이후에는 공기와 유사한 밀도로 인해 대기 중에 길게 늘어진 가스 구름(Cloud) 형태로 잔류할 가능성이 있다.

 

3. 폭발위험장소 구분 시 시사점

• 위험 지역 형성: 누출원을 중심으로 전 방위적인 확산이 고려되어야 한다. 메탄과 달리 상부로만 확산되지 않으므로 누출원 수평 방향과 하부 일부 구간에 대해서도 위험 범위 설정이 필요하다.
• 정체 구역 주의: 공기보다 미세하게 무거우므로 바닥의 피트(Pit), 트렌치(Trench) 또는 환기가 불량한 하부 구석진 곳에 가스가 체류할 수 있다. 따라서 상부뿐만 아니라 하부 및 사각지대에 대한 가스 감지기 배치가 중요하다.
• 희석 효율: 부력에 의한 자동 배출 효과를 기대하기 어렵기 때문에 강제 환기(Mechanical Ventilation) 설비 설계 시 공기 흐름이 정체되는 구간이 없도록 배치하는 것이 핵심이다.

 

4. 보고서용 요약 문구

본 설비에서 취급하는 에탄(C₂H₆)은 상대 밀도가 1.04인 중성 부력 가스로서, 누출 시 메탄과 달리 즉각적인 상승 확산이 일어나지 않고 지표면 및 수평 방향으로 체류할 가능성이 있음. 고압 누출 시 음속 제트를 형성하며, 대기 혼합 전까지는 하부 밀폐 공간이나 트렌치 등에 정체될 위험이 있으므로 전 방위적인 환기 검토 및 가스 감지 시스템 구축이 요구됨.