화학물질과 폭발위험지역 구분

KS C IEC 60079-10-1:2015 규격을 적용할 때 사용되는 화학물질의 물성치는 분자량, 폭발하한계, 인화점, 발화점, 액체밀도, 증기밀도, 비열비, 증기압 등이 있다. 

 

 

 

화학물질과 폭발위험지역 구분

 

KS C IEC 60079-10-1:2015 규격을 적용할 때 사용되는 화학물질의 물성치는 분자량, 폭발하한계, 인화점, 발화점, 액체밀도, 증기밀도, 비열비, 증기압 등이 있다. 화학물질의 종류 및 특성과 관련된 주요 사항은 폭발위험장소의 적용대상과 인화점과의 관계, 자연발화성 물질 취급시설에 대한 폭발위험장소의 적용문제, 혼합물질의 물성치 계산, 가스상 혼합물질의 폭발성 확인 및 폭발하한계의 계산에 대한 것이다.

 

 

인화점과 폭발위험장소 구분 대상

 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격의 3.6.2항에서 인화성 액체(flammable liquid)는 “예측가능한 작동 조건에서 인화성 증기가 생성될 수 있는 액체”로 정의되고 있다. 그리고 해당분자.6.2항의 비고1에서 “예측가능한 작동조건의 한 예는 인화점 인근 또는 인화점 이상의 온도에서 취급되는 인화성 액체를 말한다.”고 정의하고 있어 인화점 이상으로 취급되면 인화성 액체로 구분된다.

 또한 누출률과 관련된 부속서 B.7.1 d)항에서는“폭발 분위기는 인화점이 인화성 액체의 최고 사용온도보다 높다면 존재할 수 없다.”고 규정하고 있다. 따라서 포괄적인 개념을 고려할 때 인화성 액체는 인화점 이상으로 취급되는 가연성 액체로 고려된다. 또한 부속서 G(인화성 미스트)의 G.1항에서도“액체가 인화점 이상의 온도로 취급되는 경우, 이 표준에서 설명하는 통상적인 폭발위험장소 구분 과정을 통해 모든 누출을 다루어야 한다.”고 규정하고 있다. KS C IEC 60079-10-1 규격의 부속서 G(인화성 미스트)에서 가연성 액체 중 인화점 미만으로 취급되더라도 미스트가 발생될 때의 폭발위험장소 구분에 대한 일반적인 사항을 제시하고 있지만, 명확한 기준을 정하지 않고 있다. 부속서 G.6에서“미스트의 경우 가스 및 증기를 위한 발화 기준 및 소산 메커니즘이 다르기 때문에, 부속서 B에서 제시한 폭발위험장소 구분 기준을 적용할 수 없다.”고 제시하고 있다. 따라서 미스트가 발생되는 환경에서의 폭발위험장소 구분은 이 규격의 적용대상이 아니다.

 

 

⊙ 열매체유 취급시설의 폭발위험장소 구분의 문제

 

 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격에 따라 인화점 이상으로 취급되는 설비에 대해 폭발위험장소를 구분하게 될 때 가장 어려운 부분은 열매체유를 취급하는 시설일 것이다. 우리나라의 산업현장은 과거에 거의 대부분 NFPA 497, API RP 505 또는 고용노동부고시 제1993-19호에 따라 폭발위험장소를 구분했기 때문에 인화점이 100 ℃를 초과하는 열매체유 취급시설은 폭발위험장소의 구분대상에서 제외되었다. 산업현장에서 사용되는 열매체유의 인화점과 비점을 고려하여 분석할 필요가 있다.

 <표 1>은 KOSHA GUIDE D-40-2013(열매체유 보일러에 관한 기술지침)에서 제시된 55종의 열매체유의 최고사용온도(maximum operat[1]ing temperature, MOT), 비점 및 인화점을 비교한 것이다. 최고사용온도가 비점 이상인 물질은 23종, 비점 미만인 물질은 27종, 비점이 제시되지 않아 구분할 수 없는 물질이 5종이다. 또한 최고사용온도가 인화점 미만인 물질은 1종이고, 인화점 이상인 물질은 54종이다. 물론 모든 경우에 최고사용온도로 사용되는 것은 아니지만 상당수의 열매체유가 인화점 이상에서 취급되고 있다.

 

<표 1> Comparison between MOTs and boiling points/flash points of heat transfer fluids

 

 

또한 최고사용온도(MOT)보다 50 ℃ 낮은 온도(MOT-50)로 운전될 경우에도 비점보다 높은 온도로 운전되는 경우는 13종에 해당되며, 인화점보다 높은 온도로 운전되는 경우는 51종에 해당된다.

 따라서 대부분의 열매체유는 인화점 근방 또는 인화점 이상으로 취급되는 것으로 고려된다. 그러므로 열매체유와 같은 고인화점인 물질이 인화점 이상으로 취급되는 경우에 대해 폭발위험장소를 구분할 경우 산업현장에서는 상당한 어려움이 예상된다. 왜냐하면 현장에 설치된 열매체유 취급시설은 대부분 비위험장소로 분류되어 있기 때문이다.

 

 

자연발화성 물질 취급지역의 폭발위험장소 구분

 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격에서는 자연발화성 물질(pyrophoric chemicals)을 취급하는 시설에 대한 폭발위험장소를 구분하는 기준을 제시하지 않는다. 자연발화성 물질은 스파크, 화염, 열원 등의 다른 점화원이 없어도 공기 속에서 자연적으로 발화되는 물질이다. 자연발화성 물질의 정의는 UN의 GHS 시스템에서 <표 2>와 같이 정의된다.

 

 <표 2> Classification criteria for pyrophoric gases, liquids and solids

Category	Criteria	Remarks
Pyrophoric gas	Flammable gases that ignite spontaneously in air at a temperature of 54 ℃ or below. 1) Spontaneously ignition for pyrophoric gases is not always immediate, and there may be a delay. 2) In the absence of data on its pyrophoricity, a flammable gas mixture should be classified as a pyrophoric gas if it contains more than 1% (by volume) of pyrophoric component(s).	Table 2.2.1 (1A)
Pyrophoric liquid	The liquid ignites within 5 min when added to an inert carrier and exposed to air, or it ignites or chars a filter paper on contact with air within 5 min.	Table 2.9.1
Pyrophoric solid	The solid ignites within 5 min of coming into contact with air.	Table 2.10.1

 

즉, 자연발화성 가스는 공기 중에서 54 ℃ 이하에서 점화되는 가스를 말한다. 자연발화성 액체는 액체를 불활성 담체에 가해 공기에 접촉시키면 5분 이내에 발화하거나 액체를 적하한 여과지를 공기에 접촉시키면 5분 이내에 여과지가 발화 또는 탄화되는 물질로 정의된다. 그리고 자연발화성 고체는 공기와 접촉하면 5분 이내에 발화하는 고체로 정의된다. 자연발화성 가스 중 공기에 접촉 시에 즉시 발화되지 않고 지연 발화되는 경우도 있다. 어떤 성분 중에 자연발화성 가스가 함유되어 있으나, 자연발화성에 대한 자료가 없을 경우에는 부피 기준으로 1% 이상 함유되어 있을 경우에는 자연발화성 가스로 분류된다. 주요 자연발화성 가스는 Monosilane, Disilane, Dichlorosilane, Diborane, Phosphine, Arsine이 있다.

여기서, 주요 자연발화성 가스 중 Disilane, Dichlorosilane 및 Arsine은 발화점이 54℃를 초과하므로 정의에 따라 자연발화성 가스에서 제외된다.

 

 

 

⊙ 방폭전기설비의 표면온도

 

 방폭전기기계기구의 온도등급은 <표 3>과 같이 전기설비의 최대표면온도에 따라 IEC 60079-0:2017 및 NFPA 70의 Article 500에서는 14개 등급으로 구분하고, NFPA 70의 Article 505에서는 6등급 (T1~T6)으로 구분하고 있다. IEC 60079-10-0 규격도 온도등급이 가장 높은 등급은 T6이며, 최대표면온도는 85 ℃ 이하로 요구된다.

 

 <표 3> Temperature class comparison between zone and division concepts

 

만약 자연발화점이 85 ℃ 미만인 물질이 누출될 경우에는 가장 온도등급이 높은 T6 등급의 방폭전기설비를 적용하더라도 스파크 등의 점화원이 아닌 고온 표면에 의해 점화될 수 있으므로 전기설비를 방폭형으로 설치하는 것은 적절한 대안이 되지 못한다. 또한 주변에 고온표면을 갖는 배관 또는 설비(예를 들어 스팀 배관, hot gas 배관, 고온물질 취급 설비 또는 배관)가 존재하는 경우에는 해당 배관 또는 설비의 모든 노출된 표면을 가스가 접촉되지 않도록 조치하는 것은 현실적으로 매우 어렵다. 따라서 이러한 고온표면을 갖는 설비가 존재하는 공정에서 발화점이 해당 표면의 온도보다 낮은 자연발화성 가스를 취급할 때에는 방폭전기설비를 설치하는 것이 적절한 대안이 될 수 없다. 다만, 자연발화성 가스가 누출되더라도 즉시에 발화되지 않는 경우가 있기 때문에 지연발화의 측면에서는 고온표면을 갖는 설비를 최소한으로 하거나 또는 방폭전기설비를 설치하는 것은 점화원의 수를 제한시키는 이점이 있다.

 

 

혼합물질의 물성치 계산 문제

 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격을 적용하기 위한 물성치는 <표 4>에서 AN과 VCM에 대해 예를 들었다.

화학공정은 혼합상태의 물질을 취급하는 설비가 많기 때문에 대부분의 물성치가 적절히 수정되어야 이 규격을 적용할 수 있다. 혼합물의 물성치는 실험 또는 계산을 통해 물성치를 구해야 한다. 실험을 통해 물성치를 구하는 방법은 현실적으로 적용하기 어렵고, 계산을 통해 구하는 방법도 이 규격에서는 제시되지 않아 어려움이 있다.

 

<표 4> Example of the property of chemicals for IEC 60079-10–1:2015 application 

 

 가스상 혼합물질의 폭발성 여부 및 폭발하한계 계산 문제

 혼합물질 중 가스상 혼합물질인 경우 질소, 이산화탄소 등의 불활성가스가 포함될 경우 이 혼합물질이 폭발성이 있는지 명확하지 않고 폭발하한계를 알 수 없다. 또한 혼합물질 중에 산소가 포함되어 있을 경우에도 폭발성 및 폭발하한계를 확인하기 어렵다. 가스상 혼합물질에 대해 폭발성을 확인하는 방법은 폭발실험을 통해 확인할 수 있지만 현실적으로 간단한 문제는 아니다.

 

  

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