Dripping 모델 기반 위험 거리 산정 방법

가압 액체 또는 냉각된 액화 가스가 누출되어 지면으로 떨어지는 Dripping 상황(IEC 60079-10-1:2020 Figure A.4a)에서의 폭발위험장소 설정하는 방법에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

Dripping 모델 기반 위험 거리 산정 방법

개요

IEC 60079-10-1:2020 Figure A.4a는 가압 액체 또는 냉각된 액화 가스가 누출되어 지면으로 떨어지는 상황을 모델링한다.

• Dripping(적하/낙하): 배관, 밸브, 플랜지 등의 누출 지점에서 액체 상태의 인화성 물질이 중력에 의해 아래로 떨어지는 현상을 의미한다.
• 물리적 특성: 제트(Jet)와 달리 운동량이 작아 바닥으로 직접 낙하하며, 지면에 도달한 후 액지(Pool)를 형성한다. 이 액지 표면에서 증발이 일어나며 공기보다 무거운 가스 구름이 지면 근처에 체류하게 된다.

 

Figure A.4a) Gas or vapour (liquefied under pressure or by refrigeration) 

 

 

상황 발생 사례

이 모델은 주로 다음과 같은 공정 시나리오에서 적용한다.

• 액화가스 저장 시설: LPG 또는 암모니아 배관의 미세 균열에서 액적(Droplet)이 떨어지는 경우.
• 냉각 액체 취급: 극저온 액체(LNG 등)가 누출되어 급격히 기화하며 지면에 농축되는 경우.
• 가압 액체 배관: 휘발성이 높은 액체 화합물이 고압 배관에서 누출되어 바닥으로 낙하하는 경우.

 

 

위험 거리(dz) 및 높이(h) 산정식

Dripping 모델은 액체 증발률과 기화된 가스의 확산을 기반으로 위험 범위를 결정한다.

1. 누출 축 방향/수평 거리 (dz)

누출 지점 아래에 형성된 액지(Pool)의 중심으로부터 수평으로 확산되는 최대 거리를 의미한다.

dz = f * √(We / (k * LFLₘₐₛₛ))

• dz (r): 수평 방향 위험 반경 (m)
• We: 액체 표면에서의 증발률 (kg/s). 누출률(Wg)과 다르며, 지면 온도와 액체의 기화 잠열에 의해 결정된다.
• f: 가스 고유 계수. 지면 근처 정체 특성을 고려하여 일반적으로 무거운 가스 기준인 3.2 ~ 3.5를 적용한다.
• k: 안전 계수 (0.25 또는 0.5).
• LFLₘₐₛₛ: 질량 기준 폭발하한계 (kg/m³)

2. 위험 지역 높이 (h)

지면으로부터 가스 구름이 수직으로 형성되는 높이를 의미한다. Dripping 모델은 공기보다 무거운 가스를 상정하므로 높이가 상대적으로 낮다.

h = h₀ + (dz * tan(θₕ))

• h₀: 액지 표면에서의 초기 증기운 높이 (통상 0.5 m 적용)
• θₕ: 수직 확산각. 대기 안정도와 환기 조건에 따라 결정된다.(대부분 중량 가스로서 0° ~ 3°)
• tan(θₕ): 각도에 따른 기울기 값 (예: 3°일 때 약 5.2E-2)

 

 

수직 확산각(θₕ) 실무 적용 기준

Dripping 모델에서 수직 확산각(θₕ)은 지면에 형성된 가스층이 대기 중으로 확산되며 상승하는 각도를 의미한다.

이는 가스의 밀도, 대기의 난류 강도, 그리고 환기 속도에 의해 결정되는 동적인 파라미터이다.

일반적인 위험 지역 구분 시 적용하는 θₕ의 범위는 다음과 같다.

환기 등급	대기 상태	권장 θₕ (Degree)	비고
우수 (Good)	개방 공간	3° ~ 5°	일반적인 옥외 설비 기준
보통 (Fair)	부분 구획 공간	1° ~ 2°	공기 흐름이 제한적인 경우
미흡 (Poor)	밀폐/정체 공간	0° (수평 유지)	지면에 고여서 확산되는 최악 조건

 

- θₕ는 위험 지역의 체적(Volume)을 결정하는 중요한 인자이다. 실무적으로는 가스의 비중이 클수록, 환기 상태가 불량할수록 θₕ를 낮게 설정하여 수평 확산 거리 dz를 강조하고, 환기가 양호한 경우 θₕ를 약간 높여 수직 희석을 반영하는 것이 타당하다.

 

 

적용 사례 (LPG Dripping 시나리오)

1. 조건:

• 누출 물질: 프로판 (C₃H₈, LFLₘₐₛₛ = 3.9E-2 kg/m³)
• 증발률(Wₑ): 1.5E-3 kg/s (지면 낙하 후 기화량)
• 계수: f = 3.5, k = 0.5

2. 1단계: dz 산정

• dz = 3.5 * √(1.5E-3 / (0.5 * 3.9E-2)) = 3.5 * √(7.6923E-2) ≈ 9.71E-1 m (약 1.0 m)

3. 2단계: h 산정

• 표준 모델에 따라 h₀ = 0.5 m를 적용하고 확산각을 무시할 경우, 지면으로부터 약 0.5 m ~ 1.0 m 높이까지 위험 지역으로 설정한다.

 

 

결과 해석

Figure A.4a 모델은 가스가 분출되는 것이 아니라 '고이는' 특성을 가진다. 따라서 제트 모델보다 수평 거리 dz는 짧을 수 있으나, 지면 근처의 체류 시간은 훨씬 길어지므로 환기(Ventilation) 상태에 대한 정밀한 검토가 수반되어야 한다.