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지한 낭
6 years ago
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1 폭발방지및방호 2003 년 7 월 23 일 서울산업대학교안전공학과李永淳

2 발표순서 I. 폭발이론 II. 폭발방지및방호대책

3 I. 이론적개념 연소의정의 물질이공기또는산소에의해서급격하게산화되어불꽃과열을내는화학반응 연소의 3 요소 가연성물질 산화제 ( 산소, 공기 ) 점화원 ( 발화원 ) 가연물 연소 산소 ( 공기 ) 점화원

4 화재삼각형 Air (O2) Fire Fuel <Fire> When All Sides are Connected. Ignition Source Air (O2) Fuel <No Fire> When Any One Side is Missing. No Fire Ignition Source

5 폭발의정의 화학반응또는상변화에의해부피가팽창하여압력이급격히상승한후이압력이해방되는현상 폭발음, 빛, 고온의폭발생성물방출및파괴현상동반 폭발에의한피해는폭발압력과충격파및비산물에의해발생

6 화재 폭발의용어 연소또는화재물질이산소와결합하여에너지를방출하는화학반응 발화또는점화가연성혼합기체가충분한에너지를가진발화원과접촉함 으로써일어남 발화온도 (AIT) 가연성물질이스스로발화하는온도 인화점 (FP) 액체의표면에서발생한증기농도가연소하한농도가될수 있는최저온도 연소한계 (LFL 과 UFL) 증기와공기의혼합물은증기가일정농도이상에서연소함

7 화재 폭발의용어 폭발 가스가급격히팽창하여압력의이동및충격파를가져오게 하는것 폭연 폭발충격파가음속이하속도로이동하는폭발 폭굉 폭발충격파가음속이상속도로이동하는폭발 밀폐계폭발 용기나건물안의폭발 개방계폭발 개방된상태에서일어나는폭발

8 화재 폭발의용어 비등액체팽창증기폭발 (BLEVE) 비점이상의온도에서액체인상태로들어있는용기파열로인한폭발적인증발현상 분진폭발미세한고체입자의급격한연소로인하여일어나는폭발 충격파가스속을이동하는압력파 과압충격파와같이대상물위에나타나는압력

9 폭발의종류 물리적폭발 기체나액체의상변화 : 증기폭발,BLEVE 평형파탄형 : 고압용기파열 화학적폭발 연소 분해 반응폭주 핵폭발 원자핵의분연및융합과같은핵폭발

10 응상폭발과기상폭발 응상폭발 혼합위험에의한폭발 폭발성화합물의폭발 증기폭발 도선폭발 기상폭발 혼합가스폭발 가스분해폭발 분진폭발

11 압력력진행진행시간압 폭연과폭굉 폭굉 : 화염전파속도가음속보다빠른경우 - 폭속 : 1,000 3,500 m/sec - 정상연소시 : m/sec 폭연 : 화염전파속도가음속보다느린경우 연소 폭굉 불꽃 충격파

12 폭연과폭굉 폭굉의발생메카니즘 충격파는기체의팽창에의하여발생하며, 팽창은반응전후의몰수변화또는열팽창효과에기인함 - 폭굉의압력상승은 10 배이상으로높아짐 충격파압 : 압축되고가열된미연소가스 반응가스화염전파방향미반응가스 반응지역 : 에너지방출, 몰수변화

13 폭연과폭굉 폭굉의메카니즘 열적인메커니즘 : 반응온도에의하여가속 곁사슬메커니즘 : 반응이수적으로급격히증가하여가속 폭굉의유도거리 : 연소가격렬하여폭굉으로발전할때거리 폭발압력의변화 력t2 t3 거리압서울산업대학교서울산업대학교안전공학과안전공학과 t4 t5 t6

14 폭발의조건 ( 화학적폭발 ) 1. 가연성물질이폭발한계내로존재 2. 조연성물질이 MOC 이상존재 3. 점화원

15 가연성물질 연소성물질 연소하는성질을갖는모든물질 인화점이 30 ~100 미만의물질 폭발성물질 대기중의산소없이급속하게기체를발생시킴으로써발열적으로반응하며폭발을일으키는물질예 : 트리니트로톨루엔 (TNT), 질산암모늄

16 가연성가스 산소또는공기와혼합하여점화하면빛과열을발생하며연소하는가스. 가연성가스는폭발한계농도의하한이 10% 이하또는상 하한의차가 20% 이상인가스. 가스명도색 용기충전상태 폭발범위 (%) 검지법 아세틸렌황색용해 2.5 ~ 81 비눗물 메탄회색압축 5 ~ 15 비눗물 프로판회색액화 2.2 ~ 9.5 비눗물취기

17 폭발한계 연소가일어날수있는가스와공기의혼합비율 온도나압력이높게되면폭발한계는확대됨. 가연성가스 폭발한계 (vol %) 하한계상한계 가솔린 프로판 메 탄 수 소

18 액체와증기의연소특성 액체의인화점 (Flash Point) 가연성액체가공기중에서액체표면부근에서인화하는데충분한농도의증기를발생하는최저온도 혼합물의연소한계 LFLmix LFLmix = 1 / (yi /LFLi ) LFLmix UFLmix UFLmix = 1 / (yi /UFLi ) * yi = 성분 i의몰분율

19 액체와증기의연소특성 연소한계에대한온도의영향 연소범위는온도에따라증가함. LFLT = LFL25 [ (T-25)/ 25)/ΔHc ] UFLT = UFL25 [ (T-25)/ 25)/ΔHc ] * ΔHc : Net Heat of Combution [kcal/mol] T : Temperature [ C]

20 액체와증기의연소특성 연소한계에대한압력의영향 - LFL : 압력에따라영향이없음. - UFL : 압력에따라증가함. UFLp = UFL (log P + 1) * UFL : Upper Flammability 1atm P : Pressure [MPa absolute] 연소한계의추정 LFL = 0.55 Cstst UFL = 3.50 Cstst * Cst : Volume % Fuel in Fuel plus Air

21 최소산소농도 (MOC) 최소최소산소산소농도 (MOC) 화염을전파하기위한최소한의산소농도 공기와연료혼합기중연소가능한산소의최소농도대부분탄화수소의 MOC MOC는 10% 10% 정도정도

22 발화원 발화원의종류 1. 기계적발화원 : 충격, 마찰, 단열압축 2. 전기적발화원 : 전기적실수, 정전기 3. 열 적발화원 : 고열표면 4. 자연 발화

23 최소점화에너지 최소점화에너지 (MIE) 가연성물질을발화시키기위해외부로부터가 해주어야하는활성화에너지 가연성가스 최소점화에너지 (10-1 J) 수 소 부 탄 프로판 메 탄 벤 젠 0.200

24 발화온도 (Autoignition, AIT) 발화온도착화원을부여하지않고가연성물질을가열함으로써발화또는폭발하는최저온도 발화지연시간발화하는조건을갖추었다할지라도발화되기까지는시간이소요되는데이를발화지연시간이라함. 발화온도 vs 압력발화온도는압력에반비례함.

25 자연발화 (Autooxidation) 발생한에너지가그계에서제거되지않고열로축적되어발화온도에도달하게됨으로서스스로점화를일으키는현상. 자연발화발생조건 - 축적된열량이큰경우 - 공기와접촉면적이큰경우 - 고온다습한경우 - 보온재에침투된석유제품의경우

26 단열압축 단열압축발화온도를초과하는단열온도로압축되면발화함. 이상기체의단열압축 Tf = Ti T ( Pf P / Pi P ) ^(γ-1)/ 1)/γ Tf : 최종절대온도 * 압축비 > 15 : 발화온도이상 Ti : 처음절대온도 Pf Pi γ : 최종절대압력 : 처음절대압력 : Cp/Cv

27 폭발에영향을주는요인들 주위의온도 폭발성물질의조성 폭발성물질의물리적성질 착화원의성질, 형태, 에너지, 지속시간 공간의형태 밀폐, 개방, 부분개방 가연성물질의양 가연성물질의유동상태 착화지연시간

28 분진폭발 분진폭발의개요 분체와분진 - 분체 : 아주많은고체입자의집합체 - 분진 : 기체중에부유하는미세한고체입자연 ( 煙 ) : 입자직경이 1μm 이하분진 : 입자직경이 1μm 이상 원리가연성분진이공기중에분산되어있고, 점화원이존재할때발생 - 1 차폭발 : 부유된가연성분진이초기 - 2 차폭발 : 표면위에축적된분진의폭발

29 분진폭발 분진폭발의영향인자 화학조성 : COOH, OH, NH2, C=N, N=N 점화에너지 연소열 입자의분리 입자의크기와모양 : 입자의크기가작으면위험 입자의표면적 수분함량 : 수분의함량증가는위험감소 산소의농도 난류의정도

30 분진폭발 분진의종류 알루미늄, 마그네슘, 유황 서울산업대학교서울산업대학교안전공학과안전공학과 싸이크론, 집진기, 분쇄기, 싸이로, 공기수 송건조기등 옥수수, 전분, 사료, 밀가루, 사탕, 어분 회전건조기, 백필터, 버켓엘리베이터등 고무, 플라스틱류, 요소, 포름알데히드 사출기, 분무건조기, 성형기, 집진기, 혼합기등 톱밥, 석탄 싸이크론, 백필터

31 분진폭발 메카니즘과특징 메커니즘본질적으로가스폭발과유사 - 입자표면에열에너지로인하여표면온도상승 - 입자표면의분자가열분해로인하여기체발생 - 공기와혼합하여발화하여화염발생 - 발화전파 특징 - 연소시간이길고, 발생에너지가큼 - 입자가비산하고, 국부적인심한탄화가발생 - 추가폭발로파급됨 - 불완전연소로인한가스중독의위험

32 분진폭발 분진의폭발등급및위험도 폭발등급 - St 0 : 폭발없음 ( Kst = 0 bar m / sec ) - St 1 : 약함 ( Kst = bar m / sec ) - St 2 : 강함 ( Kst = bar m / sec ) - St 3 : 아주강함 ( Kst = Above 300 bar m / sec ) 폭발위험도 석탄 St 1 소맥분 St 1 곡물 St 1 폴리에틸렌 St 1 P V C St 1 에폭시수지 St 1 알루미늄 St 1 - St 3 목분 St 1 - St 2

33 Ⅲ 폭발방지및방호 폭발사고예방원리 1. 연료의제거 연소한계 ( 폭발한계 ) 밖의농도로관리 2. 점화원제거 정전기, 스파크, 고열표면, 충격등관리 3. 산소량조절 불활성가스로치환

34 III. 폭발방지및방호 폭발의대책 혼합가스의폭발범위외의농도상태유지 - 공기중의누설, 누출방지 -밀폐용기내에공기혼합방지 - 환기를실시하여희석시키는방법 불활성물질의사용 - 불활성가스주입 - 불활성분진첨가에의한가연성분진등의폭발방지 - 불활성가스첨가에의한분해폭발방지

35 III. 폭발의대책 폭발방지및방호 착화원의관리 - 직화관리 - 고열및고온표면관리 - 충격, 마찰에의한착화원발생방지 전기설비의방폭화 - 내압방폭구조 - 압력방폭구조 - 유입방폭구조 - 안전증방폭구조 - 본질안전방폭구조 - 특수방폭구조

36 III. 폭발방지및방호 폭발의대책 정전기제거 - 정전기발생제어 - 정전기축적방지 - 적정습도유지 - 이온화 가스농도검지 - 육안으로누설부위확인 - 가스검지기사용 - 검지관식농도측정

37 III. 폭발방지및방호 폭발의대책 확산방지대책 - 내압설계적용, 내압방출, 경감설비설치 - 화염방지기설치 - 폭발초기제어장치설치 (ESD) - 설비및장치의격리 (ESV) - 가능한한옥외설치 피해확산방지 - 입지여건고려, 장치등의배치고려 - 위험설비의자동화 - 방호벽설치, 긴급배출설비설치 - 안전장치설치 - 적정한위험물질보유

38 III. 폭발방지및방호 화재및폭발의방지설계 불활성화 (Inerting) 정전기제어 환기 장치및전장류의방폭 스프링쿨러시스템설치 기타화재및폭발방지를위한설계

39 Explosion Protection Explosion Control 1 Venting 2 Containment 3 Suppression

40 Venting Adequate Area Duct Limitations Blow Torch Effect Propagation

41 Containment Scale Margin for Error

42 서울산업대학교서울산업대학교안전공학과안전공학과

46 서울산업대학교서울산업대학교안전공학과안전공학과

47 서울산업대학교서울산업대학교안전공학과안전공학과

48 서울산업대학교서울산업대학교안전공학과안전공학과

49 서울산업대학교서울산업대학교안전공학과안전공학과

50 서울산업대학교서울산업대학교안전공학과안전공학과

51 IV. 폭발피해예측 ( 폭발거동 ) 폭발의영향범위산정 Scaling Law 특정질량의 TNT 가폭발할때어느거리에어느정도의피해를줄수있는가를추정 < 가스의경우 > - WTNT = {(ΔHc * Wc )/ 1,000} * η - WTNT = (ε( H α Wc η ) / 1,000 ΔHc : 연소열 (Kcal/Kg) Wc : 가스등의질량 (Kg) ε : 폭발계수 η : 폭발효율

52 IV. 폭발피해예측 ( 폭발거동 ) 폭발효율 폭발효율 (Explosion Efficiency : %) = ( 실제로방출된에너지 / 이론적인폭발에너지 ) * 이론적인폭발에너지 = 총질량 * 연소열 ( 완전연소가정 ) - 개방계 : 1 10% - 밀폐계 : 25 50% - 화학플랜트 : 2%

53 IV. 폭발피해예측 ( 폭발거동 ) 폭발의영향범위산정 Jarrett Equation 가스등이폭발할때주거지의주택에여러가지상태의피해를주는거리 ( 반경 ) 을예측 - R = (K*W)^(1/3) / [ 1 + (7,000/W)^2 ]^(1/6) R : 폭심으로부터의거리 [L] W : TNT 의질량 [M] K : 피해정도를기술하는상수 [-]

54 IV. 폭발피해예측 ( 폭발거동 ) 비산물손상 Clancy 는파편이비산하는최대수직거 리와의관계를도출. - L = 294 * W^0.236 L : 폭발에의한비산물의최대거리 [L] W : TNT 의질량 [M]

55 IV. 폭발피해예측 ( 폭발거동 ) 과압에기인한폭풍피해 과압 (psig) 손상과압 (psig) 손상 0.03 창유리일부파손 2.3 심각한구조적손상 하한계 0.04 큰소음 3 Steel Frame 빌딩휨 0.15 유리파열압력 3 4 유류저장탱크파열 0.3 심각한손상이발생한확률 95% 5 목재기둥이붕괴, 고막의파열 크고작은창부서짐 5 7 가옥전파 0.7 가옥소파 7 짐실은화물차전복 1 가옥부분파괴 9 짐실은화물차전파 1.3 빌딩강철 Frame 휨 10 빌딩의전파 2 3 비강화콘크리트벽부서짐 300 사망가능성 100%

56 IV. 폭발피해예측 ( 폭발거동 ) Heat Flux 의영향 Heat Flux (Kw/m2) 영향 Heat Flux (Kw/m2) 영향 1 분후부터통증을느끼기시작함 보온된 PVC Cable 이손상됨 15 초후부터통증을느끼기시작함 8 초후부터통증을느끼고, 20 초후에는 2 도화상을입음 화염에계속누출시목재가발화됨 15 2 급건축자재에대한한계점 16 5 초후심하게연소됨 계속노출시목재가발화됨 1 급건축자재에대한한계점

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untitled 화학공장의화재예방에관한기술지침 2007. 11 한국산업안전보건공단 코드개요 o 제정자 : 이하연 o 제 개정경과 - 2007 년 6 월화공안전분야제정위원회심의 - 2007 년 10 월화공안전분야제정위원회재심의 - 2007 년 11 월총괄제정위원회심의 o 관련규격및자료 - NFPA 30(Flammable and combustible liquids code),