KS C IEC 60079-10-1:2015 적용상 문제점

KS C IEC 60079-10-1:2015 규격을 사용하여 폭발위험장소를 구분할 때 발생되는 여러 가지 사항들에 대한 문제점들을 검토한 조필래 한국교통대학교 박사학위 논문을 소개하고자 한다. 

 

 

 

KS C IEC 60079-10-1:2015 적용상 문제점 

 

KS C IEC 60079-10-1:2015 규격 해석 및 적용방법과 관련된 사항으로는 적용범위에 대한 해석 문제, 누출 특성(X)의 하한값 미만에서의 적용 문제, 무시할 수 있는 정도의 범위(negligible extent, NE)의 적용 문제, 누출면적의 선정 문제, 증발률 계산 문제, 환기등급 결정 및 폭발위험장소의 거리 산정 문제, 환기속도와 폭발위험장소의 거리의 상관문제, 소량 취급시설의 폭발위험장소 구분 문제, 국내규격의 제정 및 운영과 관련된 문제를 다룬다. 화학물질 종류 및 특성과 관련해서는 인화점과 관련한 폭발위험장소의 적용 문제, 자연발화성 물질의 폭발위험장소 구분 문제, 혼합물질의 물성치 계산 문제, 가스상 혼합물질의 폭발성 여부 및 폭발하한계 계산 문제를 다룬다. 또한 안전밸브 등의 벤트 주변의 폭발위험장소 구분 문제를 검토하였다.

 

 

1. 적용범위의 해석 문제

KS C IEC 60079-10-1:2015 규격은 공기와 혼합되어 있는 인화성 가스 또는 증기의 존재로 인하여 점화위험이 조성될 우려가 있는 경우에 적용된다. 본 규격의 적용이 제외되는 7가지 경우 중 “저압의 연료가스가 취사, 물의 가열(water heating), 기타 유사한 용도로 사용되는 상업용 및 산업용 기기. 다만, 해당설비가 관련 가스 코드 부합되는 경우에 한함”에 대한 해석과 관련하여 산업현장에서는 정부기관과의 의견 일치가 어려운 점이 있다. 즉, 정부기관에서는 기타 유사한 용도의 개념을 건조 또는 가열 등의 목적으로 사용되는 연료용으로 해석하지 않고 단순히 문자적으로 “물의 가열”과 같은 개념으로 적용하는 경향이 있다. 이에 따라 연료용으로 도시가스를 사용하는 시설 중 온수 보일러 및 스팀 보일러를 제외한 도시가스를 연료로 사용하는 시설에 대해서는 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격에 따라 폭발위험장소를 구분하도록 요구하고 있다.

또한 연료용으로 사용되는 저압가스의 범위를 KS C IEC 60079-10-1:2015의 해설서에서 도시가스사업법 시행규칙 제2조의 정의를 준용하여 저압의 범위를 도시가스는 0.1 MPaG 미만, LPG는 도시가스사업법 시행규칙의 정의에 따라 0.01 MPaG 미만으로 정하고 있다. 그러나 IEC 90079-10-1:2015[2]에서 저압가스를 명확하게 정의하지 않기 때문에 해석상의 논란의 소지가 있다. 따라서 적용범위와 관련해서 검토해야 할 사항은 “기타 유사한 용도”와 “저압의 연료가스”의 의미를 정확히 해야하는 것이다.

 

 

2. 누출 특성 하한값 미만에서의 적용

KS C IEC 60079-10-1:2015 규격을 적용하여 폭발위험장소의 거리를 산정할 때 어려운 점의 하나는 초당 누출량으로 표현되는 누출 특성(X: ㎥/s)이 <그림 1>과 같이 하한값(a, b, c 점) 미만일 때 폭발위험장소를 구분하는 명확한 기준이 없다는 것이다. 그러므로 누출 특성 (X)이 하한값 미만일 때 정부기관에서는 보수적인 관점에서 폭발위험장소의 범위를 최소 1 m 정도를 적용하려는 경향이 있다. 이렇게 적용할 경우에는 연료가스의 배관에 부착된 압력스위치, 긴급차단밸브, 유량계 등의 전기기계기구는 방폭형으로 설치해야 한다.

 

<그림 1> Chart for estimating hazardous area distances.

 

 

3. 무시할 수 있는 정도(negligible extent, NE)

KS C IEC 60079-10-1:2015 규격의 4.3(위험성평가)항의 비고 1에서는 무시할 수 있는 정도(negligible extent, NE)의 예를 제시하고 있다.

즉,“천연가스 운(natural gas cloud)의 평균농도가 폭발하한계(lower flammable limit, LFL)의 50%인 부피가 0.1 ㎥ 또는 밀폐공간의 1.0% (어느 쪽이든 작은 쪽) 이하의 부피를 말한다.”고 제시하고 있다.

그러나 이 규격에서는 LFL의 50%인 부피를 결정하는 방법을 제공하지 않는다.

따라서 소량이 누출될 경우 무시할 수 있는 정도(NE)의 부피를 구하는 것이 어렵기 때문에 비위험장소로 선정하기가 어렵다.

 

 

4. 누출면적의 선정

 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격을 적용할 때 가장 논란이 많은 부분은 누출면적을 적용하는 방법이다. <표 1>에는 3가지 경우에 대해 각각의 누출원별로 누출면적(S, ㎟)에 대한 가이드라인을 제시하고 있다.

 

<표 1> Suggested hole cross sections for secondary grade of releases (from Table B.1 of IEC 60079-10-1:2015)

NOTE 1 Hole cross sections suggested for ring joints, threaded connections, compression joints (e.g.,metallic compression fittings) and rapid joints on small bore piping.

NOTE 2 This item does not refer to full opening of the valve but to various leaks due to malfunction of the valve components.

NOTE 3 Reciprocating Compressors – The frame of compressor and the cylinders are usually not those that leak but the piston rod packings and various pipe connections in the process system.

NOTE 4 Equipment Manufacturer's Data – Cooperation with equipment's manufacturer is required to to assess the effects in case of an expected failure (e.g. the availability of a drawing with details relevant to sealing devices).

NOTE 5 Process Unit Configuration – In certain circumstances (e.g. a preliminary study), an operational analysis to define the maximum accepted release rate of flammable material may compensate lack of equipment manufacturer’s data

NOTE: Other typical values may also be found in national or industry codes relevant to specific applications.

 

 

Case 1은 누출 개구부가 확대되지 않을 경우(for the conditions at which the release opening will not expand)이고,

Case 2는 누출 개구부가 부식 등에 의해 확대될 경우for the conditions at which the release opening may expand, e.g erosion)이다.

그리고 Case 3은 누출 개구부가 심한 고장 등에 의해 확대될 수 있는 경우(for the conditions at which the release opening may expand up to a severe failure, e.g blow out)이다.

 일반적으로 적용할 수 있는 플랜지 개스킷 또는 밸브 스템 패킹 부분에서의 누출 면적은 Case 1에 비해 Case 2가 약 10 배 정도 크고, 각각 Case의 누출원 대상에서도 일정한 범위(예, 0.25~2.5 ㎟)를 가지고 있어 적절한 면적을 선택하는 것이 용이하지 않다.

즉, 이런 누출면적은 밸브 또는 캐스킷의 타입, 밸브 또는 개스킷의 신뢰도 등에 따라 영향을 받기 때문에 적절한 값을 선택하는 것은 어렵다.

보수적으로 누출면적을 크게 잡을 경우 가스상의 물질을 액체로 취급하면서 압력이 높거나 인화성 액체를 비점 이상으로 취급하면서 압력이 높은 운전조건에서는 누출률이 높게 계산된다. 따라서 이런 경우에는 결과적으로 폭발위험장소가 너무 넓게 결정될 수 있다.

 

 

5. 증발률 계산

 인화성 액체가 누출될 때 누출률이 높기 때문에 증발률을 파악해야 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격의 절차를 적용할 수 있다.

KS C IEC 60079-10-1:2015 규격에서 제시된 증발률 계산식은 1987년에 EPA에서 제안한 식을 근거로 계수를 조정하여 제시한 것이다. 그러나 EPA는 1999년에 증발률 계산식을 수정하였으므로 이 계산식의 보완여부를 확인할 필요가 있다.

 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격의 부속서 B.7.3에서 증발 풀(Evaporative pool)에서의 누출률 계산식은 식 (1)과 같다.

 

(1)

여기서, We는 증발률(kg/s), Pv는 증기압(kPa), Uw는 액표면 위의 풍속(m/s), A는 누출면적(㎡)이고, 나머지는 누출률 계산 시에 적용된 것과 같다. 옥외에서의 풍속(Uw)은 <표 2>에서 제시된다. 장애물 없는 지역과 장애물 있는 지역에서 누출물질의 증기비중에 따라 풍속이 제시되며, 액체 Pool의 증발률을 계산하기 위한 속도로 제시된다.

 

<표 2> Indicative outdoor ventilation velocities (from Table C.1 of IEC 60079-10-1:2015)

 

 

이 식은 미국 환경보호청, 미연방비상관리청 및 미국 운수부의 위험분석기술지침의 G.2(estimation of airbone quantity released for liquids)에 제시된 식 (2)를 SI 단위로 환산하여 정리한 것이다. 그러나 실제로 식 (2)를 SI 단위로 환산하면 식 (3)과 같으므로 식 (1)과 비교할 때 계수가 수정된 것으로 보인다.

 

	(2)
	(3)

 

여기서, QR은 액체의 증발률(lbm/min), We는 액체의 증발률(kg/s), Ap는 풀 표면적(ft^2), A는 풀 표면적(㎡), Vp는 온도 T에서의 액체 증기압(mmHg), Pv는 온도 T에서의 액체 증기압(kPa), M은 가스 또는 증기의 몰 질량(kg/kmol), R은 이상 기체상수(8314 J/kmol-K), R0는 이상기체상수(82.05 atm c㎥/g mol-K), T는 기체 또는 액체의 절대온도(K), Uw는 액체 풀 표면의 풍속(m/s)이다. 액체의 증기압은 알려진 자료를 사용하거나, 식 (4)와 같은 Antoine 식을 사용하여 구할 수 있다.

 

(4)

 

여기서, Vp는 증기압(mmHg), T는 온도(℃)이며, A, B, C는 화학물질별 Antoine 계수로 Yaws handbook 등을 통해 다양한 물질의Antoine 계수를 구할 수 있다.

 

 

6. 환기등급 결정 및 폭발위험장소의 거리 산정

 (1) 환기등급 결정

 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격을 적용할 때 환기등급을 파악하기 위해서는 식 (5)의 누출 특성(X)과 환기속도를 사용하여 로그-로그 그래프에서 해당 좌표를 읽어야 한다. 육안으로 로그-로그 그래프를 통해 정확한 위치를 파악하는 것이 어렵다. 즉, 개인적인 오차가 크게 나타날 수 있다. 이 규격에서는 해당 그래프를 그린 기본 자료(수식)를 제공하지 않아 정확한 값을 찾기 어렵다.

(5)

여기서, X는 누출 특성(㎥/s), ρg는 가스(증기)밀도(kg/㎥), k는 폭발 하한계에 관련된 안전계수로 0.5~1.0 사이의 값이다.

 

참고로, 실내에서는 먼저 배경농도(background concentration)는 식 (6) 및 식 (7)에 의해 구해서 판단해야 한다. 

	(6)
	(7)

여기서, C는 공기 교환주기(s^-1)이고, f는 환기효율계수이고, V0는 공간의 체적(㎥)이다.

환기효율계수 f는 노출지역 외부 밀폐공간의 공기가 잘 혼합되고 있는지를 나타내는 척도로 다음과 같다. f가 1인 경우는 배경농도는 기본적으로 균일하며, 배출구는 누출 자체로부터 떨어져 있기 때문에 배출구의 농도는 평균 배경농도를 반영한다. f가 1보다 큰 경우에는 배출구가 누출원과 떨어져 있고 균질하지 못한 혼합으로 인해 룸내의 배경농도는 기울기가 있으며, 배출구의 농도는 평균 배경농도보다 낮다. f의 값은 일부 비균질한 혼합의 경우에는 1.5, 많이 비균질한 혼합의 경우 5 사이의 값을 가질 수 있다.

 

 

(2) 폭발위험장소의 거리 산정

 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격에 따라 폭발위험장소의 거리를 산정하는 방법은 누출률에 따른 누출 특성(X)과 누출형태에 따라 <그림 2> 부속서의 그림 D.1의 그래프를 사용한다. 이 그래프에는 고속 제트, 확산성 제트, 무거운 가스의 확산에 대해 폭발위험장소의 거리가 각각 로그-로그 눈금으로 표시되어 있어 정확한 거리를 확인하는 것이 어렵다. 이 규격에서는 해당 그래프를 그린 기본 자료(수식)를 제공하지 않아 정확한 값을 찾기 어렵다.

 

<그림 2> Chart for estimating hazardous area distances (from Figure D.1 of IEC 60079-10-1:2015).

 

 

7. 환기속도와 폭발위험장소의 거리

 환기속도는 <그림 3>와 같이 환기등급(고환기, 중환기, 저환기)을 평가할 때 적용되고 그 밖에는 적용되지 않는다. 만약 중환기일 경우에 폭발위험장소의 거리는 누출 특성과 누출형태에만 의존된다.

 

<그림 3> Chart for assessing the degree of dilution (from Figure C.1 of IEC 60079-10-1:2015).

 

 폭발위험장소의 범위는 누출률(Wg), 가스의 밀도(ρg), 폭발하한계와 안전계수(0.5~1.0)를 고려하면 누출 특성(X)을 구할 수 있다. 그리고 <그림 3>에서 환기도를 고려하여 환기평가를 하게 되고, 해당 누출물질의 누출형태를 결정하면 최종적으로 <그림 2>를 사용하여 폭발위험장소의 거리를 구하게 된다. 따라서 환기속도는 환기평가 시에만 적용되고 폭발위험장소의 거리에는 영향을 미치지 못한다.

 

 폭발위험장소의 범위 산정에 대한 세부 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/547?category=831711

폭발위험장소 범위의 산정

 

 그러나 상기와 같이 산정을 할 때 누출 특성이 0.1 ㎥/s일 때 환기속도가 약 1.4 m/s를 초과할 때는 고환기가 되고, 환기속도가 1.4 m/s 이하이고 0.0044 m/s 이상일 때는 중환기가 된다. 즉, 1.4 m/s와 0.0044 m/s의 환기속도는 약 318.2 배 정도로 차이가 나지만 폭발위험장소의 거리가 동일한 것은 모순이 있다.

 

 

8. 소량 취급시설의 폭발위험장소 구분

 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격을 실험실 및 분석실 등의 소량으로 위험물질을 취급하는 시설에 대해 적용할 때 구체적인 기준이 없어 적용하는데 어려움이 있다. 따라서 위험물질을 소량 취급하는 시설에 대한 폭발위험장소 구분에 대한 다른 국제적인 기준들을 비교할 필요가 있다. KS C IEC 60079-10-1:2015 규격의 6.2항(누출원)에서 “실험실과 같이 잠재 폭발위험조건이 존재하더라도 누출될 수 있는 인화성 물질의 양이 적은 경우에는 이와 같은 폭발위험장소 구분 절차를 적용하는 것이 부적절할 수 있다. 이러한 경우에는 관련된 특정 요인을 고려하여야 한다.”고 규정하고 있다. 즉, 소량 취급시설에 대한 기본적인 개념을 소개 하지만 명확한 기준을 제시하지 않는다. 다만 이 규격의 부속서 C.4.6항(비산 누출)에서는 다음과 같이 소량 누출일 경우에도 축적될 수 있는 환경에 대해서는 적절한 환기방안을 마련하도록 규정하고 있다. “비산 누출은 압력용기로부터의 가스 또는 증기의 소량 누출(일반적으로 10-7 kg/s ∼ 10-9 kg/s 크기)을 말한다. 이와 같은 소량 누출이라도 환기가 되지 않는 밀폐공간 내에서는 축적될 수 있다. 이러한 비산 누출은 그 과정에서 축적되어 폭발위험을 야기할 수도 있다. 따라서 분석실 및 기밀된 용기(예: 계기용 패널 또는 방수형 용기, 단열된 가열 용기 또는 파이프 설비와 단열재 또는 고압의 가스 라인이 있는 이와 유사품 사이의 밀폐된 공간)와 같이 특별히 설계되는 설비 및 장비는 유의하여야 한다. 이러한 설비는 특정 시간(critical time)만이라도 환기 또는 가스 분산을 위한 장치를 구비하도록 한다. 만약 이것이 현실적으로 불가능한 경우에는 주요 누출원을 용기 외부에 위치하도록 강구한다. 예를 들어, 배관 접속부를 잠재적인 누출원이 될 수 있는 다른 장비와 같이 둘러싼(insulation) 용기 밖에 설치하도록 하는 것이다.”

 

 

9. 국내 규격의 제정과 운영

 고용노동부에서는 2012년에 폭발위험장소 구분과 관련하여 적용하던 고용노동부고시 제1993-19호를 폐지하였다. 그 대신에 글로벌 기준인 IEC 60079-10-1:2012(가스 폭발위험장소 구분) 및 IEC 60079-10-2: 2012(분진 폭발위험장소 구분)를 번역한 KS 규격을 따르도록 조치한 것은 바람직한 결정일 수 있다. 기존 개별 정부부처의 입장에 따라 적용하던 것을 국가 전체 차원에서 글로벌 기준과 맞추었기 때문이다.

 IEC-60079-10-1 규격이 2015년에 개정되면서 관련 KS 규격은 2년이 경과한 2017년도에 개정되었다. 현재 IEC-60079-10-1 규격이 2020년 12월에 개정되었으나 KS 규격은 아직 개정되지 않은 상태에 있다. 또한 IEC-60079-10-2 규격은 2015년에 개정되었으나, KS 규격은 아직 개정되지 않은 상태에 있다. <표 3>은 IEC 규격과 KS 규격 및 KGS code의 제정 및 개정년도를 보여준다.

 

<표 3> History of KS/IEC standards and KGS code for the hazardous area classification of gases and dusts

 

 

KS 규격은 IEC 규격이 개정된 후에 즉시 개정되지 않고 상당한 기간이 지체된다. 이로 인해 산업현장은 이전 규격의 문제점들을 알면서 개정된 IEC 규격을 따르는데 어려움이 있다. 정부기관에서는 KS 규격이 제정되지 않은 이유를 들어 기존 규격의 적용을 요구할 수 있다. 따라서 국내 규격이 곧 바로 개정되지 않아 발생되는 문제들을 바로 잡을 필요가 있다. 또한 KS 규격이 IEC 규격을 따라 제정된 가스폭발위험장소 구분에 관한 기준이므로 인화성 증기, 가연성 증기 및 인화성 가스를 취급하는 모든 설비에 적용되는 국제적인 규격이다. 이런 KS 규격이 있지만 국내에서는 가스시설에 적용하기 위해 별도의 KGS GC101 규격을 산업자원부고시로 제정하였다. KGS GC101의 기본 체계는 IEC 규격에 기반하고 있고, KS C IEC 60079-10-1:2015 규격을 적용할 경우에 특례조항으로 KGS GC101 코드를 만족한다고 언급하고 있지만, 현실은 별도의 또 하나의 규격으로 산업현장에 적용된다. KGS GC101 규격이 2018년에 개정되면서 기존 KS C IEC 60079-10-1:2015를 적용할 때 논란이 될 수 있는 사항을 일부 정리한 것은 바람직한 사항으로 판단된다. 다만, KS 규격이 있는데 또 다른 규격을 만드는 것은 산업현장이 가스관련법규 외에 다른 법규의 적용을 받는 현실을 고려할 때 또 다른 규제의 가능성이 존재한다. 또한 IEC 규격이 2020년에 개정되었으므로 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격과 KGS GC101 규격이 동시에 개정되지 않으면, 동일한 시설에 대해 폭발위험장소를 구분할 때 서로 다른 규격을 적용하는 문제가 대두될 수 있다.

 

Reference : 조필래, 폭발위험장소 구분을 위한 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격 적용에 관한 연구