폭발의 분류

폭발은 과(過)충전에 의한 용기파열과 같은 물리적 폭발과 급격한 화학반응에 의한 화학적 폭발로 구분할 수 있으며, 화학적 폭발은 반응형태에 따라 균일반응과 전파반응으로 구분된다.

또한 원인물질에 따라 가스폭발, 분진폭발 또는 고체폭발 등으로 나뉘기도 한다.

한편 충격파의 전파속도가 음파(공기 중 330m/s)보다 빠른 경우의 폭굉과 음파보다 느린 경우의 폭연으로 구분한다.

 

 

 

폭발의 분류

 

폭발(Explosion)은 연소의 일종으로 에너지 발생속도가 빠른 것을 의미하며, 화학반응 또는 상 변화에 의해 부피가 팽창하여 압력이 급격히 상승한 후 이 압력이 방출되는 현상을 말한다.   

 

압력파, 폭발파, 충격파

만약 기체 상태에서 폭발이 일어난다면, 그 에너지는 가스가 빠르게 팽창하도록 하여, 주변 가스를 밀어내고, 폭발원으로부터 바깥쪽으로 빠르게 움직이는 압력파(pressure wave)를 발생시킨다. 압력파에는 에너지가 포함되어 있어 주변 환경에 피해를 입힌다. 화학 공장의 경우 폭발로 인한 피해의 대부분은 이 압력파 때문이다. 따라서 폭발의 영향을 이해하기 위해서는 압력파의 동역학을 이해해야 한다.
공기 중에 전파되는 압력파는 강한 바람이 뒤따르기 때문에 폭발파(blast wave)라고 불린다. 압력 전선(pressure front)에 급격한 압력 변화가 있을 경우 충격파(shock wave) 또는 충격 전선(shock front)이 발생한다. TNT 와 같은 폭발성이 높은 물질로부터 충격파가 예상되지만 압력용기의 갑작스러운 파열로 인해 발생할 수도 있다. 대기압에 대한 최대 압력을 피크 과압(peak overpressure)이라고 불린다.     

폭발 시 폭발음, 빛, 충격파* 등을 발생하며 순간적으로 반응이 완료된다.

   * 충격파 : 가스를 통하여 이동하는 압력파의 일종 

 

<그림 1> 폭발의 분류

 

 

폭발형태에 따른 분류

 

● 물리적 폭발

진공용기의 압괴, 과열액체의 급격한 비등에 의한 증기폭발, 용기의 과압과 과충진 등에 의한 용기파열 등을 들 수 있으며 물질의 용해열, 수화열도 물리적 폭발요인이 된다.

● 화학적 폭발

화학반응에 의하여 단시간에 급격한 압력상승을 수반할 때 폭발이 이루어지고, 이러한 화학반응으로는 산화 ․ 분해 ․ 중합 반응 등이 있으며 폭발 시에 많은 양의 열이 발생한다.

 

<표 1> 화학적 폭발의 종류

 

폭발물질에 따른 분류

 

일반적으로 폭발물질의 형태에 따라 분류하며 다음 <표 2>와 같이 가스폭발, 분진폭발, 미스트폭발, 고체 폭발 및 증기폭발 등으로 분류할 수 있다.

 

<표 2> 기인물질에 의한 분류

 

 

폭연과 폭굉

 

● 가연성 가스나 인화성 물질의 증기가 폭발범위 내의 어떤 농도에서 반응(연소)속도가 급격히 증가한 경우로서 음속을 초과하지 않은 경우는 폭연이라 하고 음속을 초과하는 경우는 폭굉이라고 하는데 이 과정에서 발생하는 충격파 등이 큰 파괴력을 지니는 압축파의 형태로 나타난다.

● 이러한 폭굉은 모든 가스에서 나타나는 것이 아니고 특정한 조건에 의하여 발생되는데 음속이하의 반응속도에서도 큰 파괴력을 나타낸다. 대체로 폭굉은 음속의 4～8배(1, 200～2, 700m/sec)정도의 고속 충격파로서 가연성 가스와 공기가 혼합된 넓은 공간에서는 잘 발생되지 않지만 좁고 긴 배관 등에서는 발생하기가 쉽다.

● 폭굉의 형성과정은 다음 <그림 2>와 같으며 폭발에 의하여 생성되는 폭음파는 순간적인 압력발생이나 압력방출에 의하여 공기 중에 압력파를 전달함으로서 발생된다.

 

<그림 2> 폭굉의 형성과정

 

 

● 폭연과 폭굉의 시간에 따른 압력 특성은 다음 <그림 3>과 같다.

 

<그림 3> Pressure vs Time Characteristics

 

◇ 폭연(Deflagration) :
     ☞ 음속 미만의 화염 속도(0.1~10m/s)로 연소하는 화재
     ☞ 충격파를 방출하지 않으면서(열,물질 형태) 급격하게 진행되는 연소

◇ 폭굉(Detonation) :
     ☞ 화염면에서 전파속도가 스스로 가속(초음속)되며 반응성이 급격히 증가하는 폭발현상(>>10 bars)
        →폭발충격파가 미반응 매질 속으로 음속보다 큰 속도로 이동하는 폭발 (1,200~2,700m/s)
     ☞ 충격파가 일어나 반응속도는 연소의 경우보다도 현저하게 증가(충격파와 연소가 결합된 상태)

  ⇒ Fire(에너지 발생속도가 느림) : A slow form of deflagration  

 

Reference : KOSHA 기술자료