위험장소의 형상별 특성

IEC 60079-10-1:2020 표준의 부속서(Annex A)는 누출원의 특성과 주변 환기 조건에 따른 위험장소의 형상을 네 가지 주요 모델(Figure A.2 ~ A.5)로 구분한다.

 

 

 

위험장소의 형상별 특성

IEC 60079-10-1:2020 표준의 부속서(Annex A)는 누출원의 특성과 주변 환기 조건에 따른 위험장소의 형상을 네 가지 주요 모델(Figure A.2 ~ A.5)로 구분한다. 각 형상은 누출 에너지의 크기와 가스의 밀도 특성을 반영한다.

 

 

위험장소 형태별 상세 설명

구분	형상 (Shape)	주요 발생 원인 및 물리적 특성	비고
Figure A.2	구형 (Sphere)	저압의 가스 또는 증기가 사방으로 균일하게 확산되는 경우이다. 누출 속도가 낮아 관성이 작을 때 형성된다.
Figure A.3	수평 방향 확장형 (Horizontal Jet)	고압 가스 누출 시 분사 모멘텀에 의해 특정 방향으로 길게 뻗어나가는 형상이다. r은 분사 방향 거리, rₛ는 측면 반경을 의미한다.
Figure A.4	liquefied under pressure or by refrigeration) with dripping or spillage	가압 액체 또는 냉각된 액화 가스가 누출되어 지면으로 떨어지는 Dripping 상황 또는 대량으로 유출되어 지면에 넓게 퍼지는 Spillage(유출) 상황을 모델링한 것이다.
Figure A.5	원반형 (Pancake/Disc)	인화성 액체 누출로 형성된 액체 풀(Pool)에서 증발이 일어날 때 발생한다. 증기가 공기보다 무거운 경우 지면을 따라 얇고 넓게 퍼지는 특성을 갖는다.
변수 정의		SR: 누출원 r: 추정된 위험거리를 고려하여 정의된 폭발위험장소의 주범위 r', r": 누출거동을 고려하여 정의된 폭발위험장소의 2차 범위  h: 누출원과 지표면 또는 누출원 아래의 표면 사이의 거리

 

 

 

형태별 실제 계산 사례 및 수치 (Case Study)

각 사례는 대기 온도 2.5E+1°C(298 K), 상압 1.01325E+5 Pa 조건을 가정한다.

1. Figure A.3: 고압 천연가스(NG) 배관 핀홀 누출

고압 배관(약 1.0E+6 Pa)의 미세 균열에서 분출되는 가스는 강한 지향성을 갖는다.

• 누출률 (Wᵍ): 5.0E-3 kg/s
• 위험거리 결과:
• r (수평 도달 거리): 3.5 m
• rₛ (측면 반경): 1.2 m
• 설명: 분사 동력에 의해 전방으로 길게 뻗어나가는 원추형에 가까운 형상을 이룬다.

2. Figure A.4: LPG Dripping or Spillage 시나리오

LPG 배관의 미세 균열에서 액적(Droplet) 또는 LPG 탱크의 대량 유출하는 경우이다.

• 세부적인 내용은 다음 포스팅 자료 참조

3. Figure A.5: 톨루엔(Toluene) 액체 풀 증발

저장 탱크 하부 밸브 누출로 인해 지면에 반경 2.0 m의 액체 웅덩이가 형성된 경우이다.

• 누출률 (Wₑ): 1.2E-4 kg/s (증발 조건 기준)
• 위험거리 결과:
• r' (지면 확산 반경): 4.5 m (액체 풀 반경 + 확산 거리)
• h (수직 높이): 1.0 m
• 설명: 인화성 액체의 무거운 증기는 공기보다 무거우므로 수직 상승보다는 지면을 따라 넓게 퍼지는 원판(Pancake) 형태를 유지한다.

 

 

적용 시 고려사항

1. 고압 가스 누출 형상 선정 기준(Sphere vs. Horizontal Jet)

고압 가스(예: 20 MPa) 누출 시 Figure A.3(Horizontal Jet)과 Figure A.2(Sphere)의 적용 기준은 누출의 지향성(Directionality)과 장애물 여부에 따라 결정한다.

• Figure A.3 (Horizontal Jet): 누출구가 개방된 공간을 향하고 있어 분사 모멘텀(Momentum)이 유지되는 경우이다. 고압일수록 가스가 특정 방향으로 길게 뻗어나가므로 수평 도달 거리(r)가 측면 반경(r‘)보다 현저히 길어진다.
• Figure A.2 (Sphere): 누출 지점 바로 앞에 장애물(Wall, Structure)이 있거나, 누출 방향이 고정되지 않고 사방으로 분산될 수 있는 환경일 때 적용한다. 고압 가스라 하더라도 구조물에 부딪혀 운동 에너지가 상실되면 구형에 가까운 형태로 확산된다.

2. 특수 적용 사례

• 수소(H₂) 튜브 트레일러: 고압 누출의 물리적 특성만 고려하면 Figure A.3이 타당하다. 그러나 수소 튜브 트레일러의 플랜지 누출은 다음과 같은 이유로 Figure A.2(구형) 또는 수정된 구형을 관용적으로 적용한다.(현장 여건상 플랜지 주변에 가스 흐름을 방해하는 구조물이 존재하거나 누출 방향이 사방으로 열려 있는지 확인한다. 해당 조건에 맞춰 구형 또는 제트형 중 최종 모델을 확정한다.)

       - 누출 지점의 불확실성: 플랜지 가스켓(Gasket) 파손 시 가스는 원주 방향 중 어느 방향으로든 누출될 수 있다. 특정 방향을 예측할 수 없으므로 보수적인 설계를 위해 전 방향을 포함하는 구형을 채택한다.

       - 부력(Buoyancy)의 영향: 수소는 공기 밀도의 약 7% 수준으로 매우 가볍다. 초기 분사 속도가 줄어드는 시점부터는 강력한 부력에 의해 상부로 급격히 상승한다. Jet 형태를 유지하기보다는 상부로 퍼지는 경향이 강해 구형 모델이 확산 범위를 포괄하기에 적합하다.

• 미세 누출: Wᵍ (가스 누출률) = 1.0E-4 kg/s 이하의 미세 누출은 통상적으로 무시하거나 최소 범위(0.5 m)를 적용

 

IEC 60079-10-1:2020의 수치 해석 모델을 근거로 작성하며, 실제 현장 적용 시 환기 등급(Ventilation Velocity)에 따른 보정 계수를 반드시 적용한다.