복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가
차 례 Ⅰ. 서론 111 1. 개요및목적 111 2. 공정및발생분진 111 3. 평가범위및평가항목 112 Ⅱ. 시험장비및방법 117 1. 열분석 (DSC, TGA) 117 2. 연소특성 (Flammability) 122 3. 자연발화온도 (Auto-ignition Temperature) 124 4. 낙추타격감도 (BAM Fall Hammer) 129 5. 마찰감도 (BAM Friction Tester) 132 6. 입도분석 (Particle Size Analysis) 135 7. 분진폭발특성 (Dust Explosion Characteristics) 138 8. 최소점화에너지 (Minimum Ignition Energy) 143 Ⅲ. 결과및고찰 146 1. 열분석 (DSC, TGA) 146 2. 연소특성 (Flammability) 151 3. 자연발화온도 (Auto-ignition Temperature) 153 4. 낙추타격감도 (BAM Fall Hammer) 156 5. 마찰감도 (BAM Friction Tester) 157 6. 입도분석 (Particle Size Analysis) 158
7. 분진폭발특성 (Dust Explosion Characteristics) 160 8. 최소점화에너지 (Minimum Ignition Energy) 172 Ⅳ. 안전대책 177 1. 분진발생공정에서의화재ㆍ폭발등의위험성평가 177 2. 분진에의한화재ㆍ폭발예방대책 178 3. 분진에의한화재ㆍ폭발방호대책 183 Ⅴ. 요약및결론 185
Ⅰ. 서론 111 Ⅰ. 서론 1. 개요및목적 2008년 5월 ( 주 ) 공장 공정에서발생하는분진에대한폭발위험성에대한평가의뢰가접수되었다. 이에우리화학물질안전보건센터위험성연구팀에서는방문을통해해당사업장이발생분진에대한폭발성여부조차알지못하고공정을운전하고있는것을파악하고, 이에분진폭발등의화학사고를예방하기위하여해당분진의화재 폭발위험성데이터인폭발성, 폭발과압, 폭발지수, 최소점화에너지등을측정할수있는실험장비를활용하여측정된결과를사업장에제공함으로써사업장의안전관리에도움을주고자본위험성평가를실시하였다. 2. 공정및발생분진 본위험성평가에적용된공정은 의구조물인 을제작하는공정으로 은직경 mm, 길이 m, 중량 kg으로써에폭시계열의복합수지및유리섬유를주원료로 Wet Winding" 공법으로제작된다. 해당공정에서의분진발생은 Wet Winding으로성형된 의조립성을확보하기위해 성형체의표면에그라인팅, 컷팅및정밀홀가공과정에서발생한다. 발생된분진은배기덕트를통해싸이클론에서 1차포집된후카트리지필터형 dust collector를거쳐외기로방출된다. 가공과정에서의분진은발생부근에서바로배기덕트로흡입되므로작업장내부로부유되는분진은미미하다고볼수있다. 따라서부유된분진에의한화재 폭발의위험성은
112 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 어느정도의부유된분진의농도가존재하는배기덕트에서부터외기로방출되는 dust collector 사이에서존재한다고볼수있다. Dust Collector의소요동력은 7.5 kw 2 EA이며, Polyester Cartridge Filter 24개를사용하고있다. 본공정에서발생하는분진의구성성분의조성은정확히알수는없으나, 제조원료구성성분및조성은 < 표 1> 과같다. < 표 1> 제조원료구성성분및조성 물질명 조성 (%) 유리섬유 67 에폭시수지 18 에폭시용경화제 14 에폭시용경화촉매 0.3 에폭시용결합제 0.3 카본블랙 0.4 3. 평가범위및평가항목 1) 평가범위연소가가능한분진의안전한취급을위하여해당분진의위험특성을아는것은필수적이라할수있다. 플랜트에서화학물질이기인된화재 폭발은연소성물질의위험특성을충분히알지못하여발생하는경우가자주있다. 안전성에대한데이터는물질의반응거동과발생가능한화재 폭발에대한정보
Ⅰ. 서론 113 를제공해줄수있어, 해당물질을사용하는공정의화학사고예방을위한적절한안전대책수립에필요한다양한데이터를제공하여준다. 분진의위험특성에대한분석은일반적으로퇴적분체 (dust layers) 와부유분체 (dust clouds) 로구별되어진다. 퇴적분진 (dust layers) 에대한위험성평가항목은연소성 (Flammability), Burning Behaviour, 자연발화온도 (Autoignition Temperature), 분해온도 (Decomposition Temperature), 충격과마찰에대한민감성등이있으며, 부유분진 (dust clouds) 에대한위험성평가항목은폭발가능여부 (Explosibility), 최대폭발압력 (Pmax), 분진폭발지수 (Kst), 폭발한하계 (LEL), 최소산소농도 (LOC), 최소점화에너지 (MIE), 최소점화온도 (MIT) 등이있다. 본위험성평가는 가공과정에서발생하는분진에대하여국제표준시험방법을적용한실험장비를활용하여해당분진의화재 폭발특성치에대한자료를제공함으로써사업장에서화학사고예방을위한안전대책을수립하는데도움을주고자하였다. 위험성평가실험에사용되는분진은 가공중발생하는배기덕트내에서포집하여사용하는것이가장이상적이나, 현실적으로덕트내부에서포집하기가어려워싸이클론에서 1차포집된분진 ( 복합제가공분진-1) 과 dust collector에서포집된분진 ( 복합제가공분진-2) 을샘플링하여화재 폭발특성치에대한실험을실시하였다. 2) 평가항목본위험성평가에사용된분진은공정중싸이클론과 dust collector에서샘플링한시료를사용하였으며, 임의로싸이클론에서샘플링된분진을 복합제가공분진-1 로, dust collector에서샘플링된분진을 복합제가공분진-2 로명명하고아래와같은분진의화재 폭발위험성시험 평가를실시하였다. [ 그림 1] 과같이복합제가공분진 1의경우상대적으로입도가크고시료끼리뭉쳐져있으며, 복합제가공분진의경우에는미세한입자분포를가지고있
114 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 고시료끼리서로뭉쳐져있지않다. 복합제가공분진 -1 복합제가공분진 -2 [ 그림 1] 복합제가공분진 -1, 복합제가공분진 -2 의시료형태 (1) 열분석시험 (DSC, TGA) - 분해온도측정시험등시차주사열량계 (DSC) 와열중량분석기를이용하여복합제가공분진의분해온도등을측정하여열안전성을평가하고, 그결과를바탕으로향후진행되는화재폭발특성시험의가이드라인을제시하고자하였다. (2) 복합재가공분진의연소특성 (Flammability) 시험사업장으로부터제공받은복합제가공분진의연소성을알아보기위한것으로, 외부착화원 (Gas Flame, 니크롬열선 ) 을사용한접촉시험에서관찰된현상에기초하여분진의연소가능성여부및연소형태에따라 Burning Class Number로분류되어진다. (3) 자연발화온도측정시험 (Auto-ignition Temperature) 퇴적분진 (dust layer) 이자연발화할수있는가장낮은온도를측정하는시
Ⅰ. 서론 115 험으로서, 퇴적분체를다루는공정의상한온도설정에필요한자료를제공하여줄수있다. (4) 낙추타격감도 (BAM Fall Hammer) 퇴적분진 (dust layer) 이충격에의하여폭발및분해반응이일어날수있는지알아보는시험으로서, 해당분진을사용하는공정에서의충격에대한위험성및운송또는보관상의위험성을판단하는데필요한자료를제공하여준다. (5) 마찰감도 (BAM Friction Tester) 퇴적분진 (dust layer) 이마찰에의하여폭발및분해반응이일어날수있는지알아보는시험으로서, 해당분진을사용하는공정에서의마찰에대한위험성및운송또는보관상의위험성을판단하는데필요한자료를제공하여준다. (6) 입도분석 (Particle Size Analysis) 분진의입도분포는분진의폭발특성및화염전파특성에큰영향을주는인자이므로해당분진의입도특성에따른분진폭발특성치를파악하고그위험성을논하기위하여측정이필요하다. (7) 분진폭발특성 (Dust Explosion Characteristics) 부유분진 (dust clouds) 의폭발특성치는아래와같이최대폭발압력 (Pmax) 등 5개항목에대하여실시하였으며, 본시험 평가로서해당부유분진의폭발가능여부를알수있다. 또한 Pmax와 Kst 값으로폭발강도를알수있는자료를제공하여줌으로써분진폭발시피해를최소화할수있는방호장치 ( 폭발압력방산구, 폭발억제장치등 ) 설계시필요한데이터를제공하여줄수있으며, 폭발하한계로부터분진폭발의감도를제시하여줌으로써착화위험성의지표로활용될수있다.
116 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 폭발방지를위한불활성화에필요한데이터인최소산소농도 (LOC) 에대해서는본공정에서적용하기어려움으로실험을실시하지않았다. 가 ) 분진폭발거동 Screening test 나 ) 폭발가능여부 (Explosibility) 시험다 ) 최대폭발압력 (Pmax) 라 ) 분진폭발지수 (Kst) 마 ) 폭발하한계 (LEL) (8) 최소점화에너지 (MIE ; Minimum Ignition Energy) 부유분진이점화되기위하여필요한최소의에너지를측정하는시험으로서, 측정된최소점화에너지는정전기등의각종점화원으로부터착화위험성을나타내는지표로활용될수있으며, 폭발방지를위하여적절한안전대책수립및방호장치선택시에필요한데이터를제공하여준다.
Ⅱ. 시험장비및방법 117 Ⅱ. 시험장비및방법 1. 열분석 (DSC, TGA) 열분석이란물질의물리적변수 (physical parameter) 를온도의함수로나타내는분석방법이다. 즉물질의온도를일정하게변화시킴에따라나타나는열적특성변화를분석하는것이다. 이때어떤물리적변수의변화를볼것인가에따라여러가지방법들이있는데대표적인방법들은 < 표 2> 와같으며본시험평가에서는 DSC와 TGA를이용한열분석을실시하였다. < 표 2> 열분석측정방법의종류 측정법관측량기호단위 DTA(Differential thermal analysis) 온도차 ΔT K DSC(Differential scanning calorimetry) 열흐름 Δq Joule/s=Watt TGA(Thermo gravimetric analyzer) 중량 g(%) g TMA(Thermo mechanical analysis) 길이 ΔL(%) m 1) 시차주사열량계 (DSC ; Differential scanning calorimetry) (1) 시험장비가 ) 장비명및제조사 - 장비명 : TA2000 - 제조사 : TA Instrument( 미국 )
118 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 [ 그림 2] DSC(Differential scanning calorimetry) 나 ) 장비구성및사양 - Standard DSC cell < 표 3> Standard DSC cell 사양 항목 Spec. Temperature range 실온 ~ 500 Sample size Sample volume Pressure 0.5 ~ 100 mg 10 mm3 대기압 ~ 266 Pa(2 torr) Temperature repeatability ± 0.1 Calorimetric sensitivity 3 μw - DSC module 2910 : DSC cell을작동시키기위한기반으로 TA 프로그램과케이블로연결되어있음.
Ⅱ. 시험장비및방법 119 (2) 시험방법 DSC( 시차주사열량계 ) 는시료와불활성기준물질을동일한온도프로그램에따라변화시키면서시료로부터발생되는열유속차이 (difference in heat flow) 를측정한다. 열유속 (Heat flow) 은전도된전력 (Transmitted power) 에상당하며와트 (W; Watt) 나밀리와트 (mw) 단위로측정된다. 열유속이나전도전력을시간으로미분하면에너지량으로환산되며 mw s나 mj로표시된다. 전도된에너지는시료의엔탈피 (Enthalpy) 변화에상당한다. 즉, 시료가에너지를흡수하면엔탈피변화는흡열 (Endothermic) 이며에너지를방출하면발열 (Exothermic) 이라한다. DSC는엔탈피변화와전이에의해발생되는열적거동에대한다양한정보를제공하며비열, 열적효과, 유리전이 (Glass transition, Tg), 화학반응, 녹는점거동등과같은물리적변화량을구할수있다. 가 ) 적용대상 : 금속재료, 유무기재료, 고분자재료, 식품등나 ) 시험조건 ( 변수 ) : 측정온도범위는실온에서 500 의범위이기때문에끓는점이낮은물질은시료준비과정에서휘발되므로측정이불가하며, 또한측정가능한시료의양은 0.5 ~ 100 mg으로매우소량이기때문에불균일혼합물의경우측정결과의재현성에영향을줄수있다. 다 ) 시험절차 : 시료물질의양을 1 ~ 5 mg 정도분취하여시료용기 (pan) 에넣고성형기 (Encapsulating press) 를사용하여용기를밀봉한후, 시료와기준물질을각각가열로에놓고공기분위기 ( 유량 50 ~ 60 ml /min) 에서승온속도 5 /min으로하여 30 ~ 500 온도범위에서측정한다. 2) 열중량분석기 (TGA ; Thermo gravimetric analyzer) (1) 시험장비
120 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 가 ) 장비명및제조사 - 장비명 : SDT2960 Simultaneous TGA-DTA - 제조사 : TA Instrument( 미국 ) [ 그림 3] TGA(Thermo gravimetric analyzer) 나 ) 장비구성및사양 - SDT 2960 module : SDT 2960 module은기준물질 (Reference) 과시료의무게를측정하는부분, 온도와시료의환경을조절하기위한가열로, 전기 / 기계구성품등을감싸는캐비넷으로구성되어있다. < 표 4> TGA 사양항목 Spec. Temperature range 실온 ~ 800 Weighing capacity 200 mg Balance sensitivity 0.1 μg Balance accuracy ± 1 % Sample cup volume 110 μl
Ⅱ. 시험장비및방법 121 (2) 시험방법 TGA( 열중량분석기 ) 는시료에온도프로그램을가하여시료의질량변화를시간이나온도의함수로써측정한다. 재료의질량손실은증발 (Vaporization) 이나가스상산물을생성하는화학반응에의해발생된다. TGA 실험시재료는가스상분위기에민감하여사용된 Purge gas가불활성 (N 2, He, Ar) 이아닌경우, 시료는가스 (O 2, air) 와반응하여나타난거동을관찰할수있다. 질량변화는감도있는전자저울 (Electronic balance) 에의해연속적으로측정된다. 가 ) 적용대상 : 온도증가에따라무게변화가생기는반응즉, 산화나가스가방출되는열분해와같은반응이일어나는물질. 나 ) 시험조건 ( 변수 ) : 측정온도범위는실온에서 800 의범위이기때문에끓는점이낮은물질은시료준비과정에서휘발되므로측정이불가하고, 또한측정가능한시료의최대량은 200 mg으로매우소량이기때문에불균일혼합물의경우측정결과의재현성에영향을줄수있다. 다 ) 시험절차 : 시료물질의양을 10 ~ 20 mg 정도분취하여시료용기 (Cup) 에넣고시료와기준물질을각각저울에올려놓은후, 공기분위기 ( 유량 50 ~ 60 ml /min) 에서승온속도 10 /min으로하여 30 ~ 700 온도범위에서측정한다.
122 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 2. 연소특성 (Flammability) 퇴적분진층의연소성은외부점화원 (Gas Flame, 니크롬열선등 ) 에의하여해당분진의퇴적층이점화될수있는지를알아보는시험이다. 만약퇴적분진층이연소성시험에서점화가이루어지면해당분진은연소가능한물질로고려되어진다. 1) 시험장비 본시험을수행하기위한특별한장치는필요하지않고, 세라믹판과서로다른외부점화원 (Gas Flame, 니크롬열선, 성냥등 ) 이필요하다. [ 그림 4] Testing the flammability of dust deposits sith different ignition sources
Ⅱ. 시험장비및방법 123 2) 시험방법시험에사용되는분진은세라믹판위에폭 2 cm, 길이 4cm의퇴적층을만든후서로다른점화원을퇴적분진층에접촉하였을때분진의점화여부를관찰한다. 본시험에서점화가이루어지면연소가능한물질로분류되며, 연소형태에따라 < 표 5> 와같이 Burning Class Number 로분류되어진다. < 표 5> Test results determine the burning class of a dust layer 1) No ignition Test Result Class 1 Brief ignition, Rapid extinction No spreading of fire 2 Localized combustion of glowing with practically no spreading Glowing without sparks(smoldering) or slow decomposition without flames 3 4 Burning with flame or spark generation Fire spreads 5 Very rapid combustion with flame propagation or rapid decomposition without flame 6 1) VDI(Verein Deustche Ingenieure) 2263, Part 1: Dust Fire and Dust Explosions, Hazards - Assessment - Protective Measuress, Test Methods for the Determination of the Safety Characteristics of Dust
124 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 3. 자연발화온도 (Auto-ignition Temperature) 자연발화는공기중의물질이화염, 불꽃등의점화원과직접적인접촉없이주위로부터충분한에너지를받아서스스로점화되는현상을말하며, 자연발화점은자연발화현상이일어날수있는최저온도를말한다. 일반적으로자연발화의발생메커니즘은열발화이론에서출발하며, 물질의온도를상승시키는열원의종류에따라서자연발화 (Spontaneous ignition), 자동발화 (Auto ignition), 자기발화 (Pyrophoric ignition) 으로구분되기는하나, 일반적으로화재폭발특성과관련된자연발화는외부에서열원을공급하면서물질의최저발화온도를측정하는자동발화를의미한다. 2) 1) 시험장비본장비는 NF T 20-036(1985) 시험규격을준용하는측정장비로써규정된크기 (8 cm3 ) 의시료컵 (Cube) 에담겨진시료를온도가조절되는노 (Furnace) 에놓고, 노의온도를올려가면서해당시료의자연발화여부를결정한다. (1) 장비명및제조사가 ) 장비명 : ZPA-3 Semiautomatic autoignition tester 나 ) 제작사 : Petrotest( 독일 ) 2) 기본적으로자연발화는물질내부의발열속도가물질외부로의방열속도를추월하여물질내부에축적된에너지가해당물질의산화반응 ( 발화반응 ) 을위한활성화에너지를초과하는경우발생된다. 내부발열의메커니즘에따라서자연발화 (Spontaneous ignition: 상온에서물질내부에열이축적되어발생 ), 자동발화 (Auto ignition: 착화원없이물질을가열하면서열이축적되어발화 ), 자기발화 (Pyrophoric ignition: 자기반응성물질이공기중수분이나산소와반응한후그반응열에의해서열이축적되어발화 ) 로구분된다.
Ⅱ. 시험장비및방법 125 (2) 구성및역할가 ) Main Controller : 노의온도조절및기록, 측정을위한프로그램선정및 Control parameter 설정나 ) 오븐 : Controller에서결정된가열속도에의해서전기로를가열함으로써실제적으로샘플이투입되는내부 Flask를가열, 온도센서및발화감지센서의설치다 ) 자동샘플투입기 : 고점도물질의사전가열 (Pre-heating), 설정된프로그램에서지정된샘플의자동공급. Convection Oven 타입으로최대 90 까지 Pre-heating 가능하나, 반응이나상변화등본래의샘플상태에영향을줄수있는경우는사전가열을실시하지않는다. [ 그림 5] ZPA-3 Semiautomatic autoignition tester
126 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 (3) 시험중주의사항가 ) ZPA-3를이용하여자연발화점을측정하는경우, 주변의환경에의해서도영향을받기때문에시험중에는후드등의동작을정지시켜야한다. 나 ) 유독성열분해가스가발생될수있기때문에사전에유해성정보를확인하여적절한보호구를착용해야한다. 다 ) 고체 ( 분체 ) 시료의자연발화점은 1) 시험장비에서도언급하였듯이일정크기의 Cube에시료를투입하여측정하는데, 시료컵은노와의열전달을용이하고컵내시료와산소의접촉을용이하게하기위하여체 (Mesh) 로제작되어있다. 라 ) 따라서승온과정중에서충분한휘발성성분이발생되기전에상변화 ( 용융 ) 가일어나면해당시료가 Cube로부터이탈되어측정이불가하므로사전에 TGA 등의열분석결과를수행할필요가있다. 2) 시험방법자연발화점은물질의고유적인성질이아니며, 측정하고자하는시료의성상, 산소농도, 시험장치내의용기크기및가열속도등의다양한인자에의해서값이변화될수있다. 본시험평가에서는 NF T 20-036(1985) 규격을적용하여자연발화점을측정한다. (1) 시험규격 : NF T 20-036(1985) "Chemical products for industrial use determination of the relative temperature of the spontaneous flammability of solids"
Ⅱ. 시험장비및방법 127 (2) 적용대상 : 폭발성물질이아닌고체혹은분체. ( 공기중에서산소와결합하여자연적으로발화되는물질은적용제외 ) (3) 조건및주의사항 : 기본적으로고체의자연발화점은시료의입도및성상에의해서도영향을받기때문에시험을수행할시에는의뢰된형태그대로의시료를사용하여야하며임의로가공을하지않는다. 또한 1)-(3) 에서언급한바와같이시험대상시료는망 (Mesh, 45 μm ) 으로제작된시료컵에담겨지기때문에시료의입자크기가작거나, 측정범위에서흐름성이발생되어시료컵으로부터이탈가능성이있는시료는시험적용여부를사전에판단해야한다. (4) 시험절차가 ) TGA 및 DSC등의열분석결과를토대로하여예상발화점 (E-IP) 값을추정한다. 나 ) 입력된 E-IP를목표값으로분당 0.5 /min 속도가열하여샘플온도가 400 를초과하는시점에서의노 (Furnace) 의온도를해당시료의자연발화점으로결정한다. [ 그림 6] 참조 다 ) 기본적으로하나의시료에대해서 3단계의시험을수행하며, 각시험결과는 < 표 6> 의반복허용차를만족하여야한다. < 표 6> 자연발화점반복허용편차 측정된 AIT값 반복허용차 ( ) 300 미만 5 300 이상 10
128 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 온도 샘플온도 노 (Furnace) 온도 샘플온도 =400 오븐온도 =350 시료의 AIT =350 시간 [ 그림 6] 고체자연발화점의결정 (5) 결과평가반복성최대허용편차에들어오는 3회의측정값에대하여통계적절차를거친후소수점이하첫째자리로절삭하여해당시료의최종자연발화점으로결정.
Ⅱ. 시험장비및방법 129 4. 낙추타격감도 (BAM Fall Hammer) 낙하추의충격에대한고형물과액체물질의민감성을결정하고당해물질이시험된형태로서운송또는보관상의위험성을판단하는데이용한다. 1) 시험장비 (1) 장비명및제조사가 ) 장비명 : BAM Fall Hammer, 782-0000 나 ) 제조사 : R&P(Reichel & Partner 社, 독일 ) b. 5 kg 낙하추 a. 장비전체모습 c. Centering disk [ 그림 7] 낙추타격감도시험기
130 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 (2) 구성및역할가 ) Retaining & Releasing Device [ 그림 9] a-1 : 낙하추를정해진높이에고정시키고낙하시키는장치나 ) 낙하추 (Drop Weight) [ 그림 9] a-2 : 1 kg, 5 kg, 10 kg 3 종의낙하추다 ) Big anvil & Centering Disk [ 그림 9] a-3 : 시료를위치시키고, 낙하시폭발이발생하는장치 (3) 시험중주의사항가 ) 폭발생성물에폭로될가능성이있어 Vent 장치및 Safety Guard를설치하여안전에유의해야한다. 나 ) 충격에민감한화약류는시료보관및채취시폭발가능성이있어조심스럽게다루어야한다. 2) 시험방법시료를 40 mm3채취하여강철실린더와가이드링사이의홈통에넣은다음낙하추 (10 kg) 에따라낙하높이 (400 mm ) 를정한다음시료에충격에너지를가하여폭발여부를관측한다. (1) 시험규격 : NF T 20-038 PART 2 Mechanical Sensitivity Test(IMPACT) (2) 적용대상 : 액체또는고체인폭발성물질 (3) 시험조건 : 대기압, 상온의실험실에서수행한다.
Ⅱ. 시험장비및방법 131 (4) 시험절차가 ) 고형물질은시험전반드시건조시키고가루로된물질은눈금 0.5 mm의체로체질하고, 단단한물질은분쇄하여눈금 0.5 mm이하의체로체질한다. 나 ) 분말형태의물질은 40 mm3용량의스푼으로시료를채취하고액체형태의물질은 40 mm3의피펫을이용한다. 다 ) 채취한시료를강철실린더와가이드링사이의홈통에넣는다. 라 ) 충격장치를중앙에위치시키고낙하높이 400 mm, 낙하추 10 kg을설정하고낙하추를떨어뜨린다. 마 ) 시험은최대 6회실시하여 1회폭발여부를관측하여폭발이면 +, 폭발이아니면 - 로판정한다. (5) 결과및판정 최소 6회의연속된시험으로부터 1회의 + 결과가나오면충격에대해해당물질은폭발성물질로판정한다.
132 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 5. 마찰감도 (BAM Friction Tester) 마찰충격에대한물질의민감성을측정하고당해무질이시험된형태로서운송또는보관상의위험성을판단하는데이용한다. 1) 시험장비 (1) 장비명및제조사가 ) 장비명 : BAM Friction Tester, 781-0000 나 ) 제조사 : R&P(Reichel & Partner 社, 독일 ) [ 그림 8] 마찰감도시험기 (2) 구성및역할가 ) Friction Tester : 마찰시험기는주철을기반으로구성되고, 그위에마찰장치를적절하게놓는다. 자기제핀과자기제
Ⅱ. 시험장비및방법 133 플레이트가있으며플레이트는두개의가이드로움직이는운반대에위치한다. 운반대는전기모터, 연결막대, 기어장치가연결되고, 플레이트는핀의 10 mm아래에서앞뒤로움직여마찰부하를줄수있도록되어있다. 나 ) 포셀린플레이트와핀 : 평탄형의플레이트 (25 15 5 mm ) 와핀 ( 지름 10 mm, 길이 15 mm ) 은공업용자기제로만들어졌으며, 각표면은 1회씩사용할수있다. 다 ) 추 : 마찰충격에따라 9종류의추를사용하며다양한높이의놋츠에걸어 0.5 ~ 36 kg 까지설정할수있다. (3) 시험중주의사항가 ) 폭발생성물에폭로될가능성이있어 Vent 장치및 Safety Guard를설치하여안전에유의해야한다. 나 ) 충격에민감한화약류는시료보관및채취시폭발가능성이있어조심스럽게다루어야한다. 2) 시험방법 시료를 10 mm3채취하여자기제플레이트와핀사이에넣어마찰에너지에따른추를설정한다음자기제플레이트를움직여폭발여부를관측한다. (1) 시험규격 : NF T 20-038 PART 3 Mechanical Sensitivity Test(FRICTION) (2) 적용대상 : 고체인폭발성물질 (3) 시험조건 : 대기압, 상온의실험실에서수행한다.
134 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 (4) 시험절차가 ) 고형물질은시험전반드시건조시키고가루로된물질은눈금 0.5 mm의체로체질하고, 단단한물질은분쇄하여눈금 0.5 mm이하의체로체질한다. 나 ) 분말형태의물질은 10 mm3용량의스푼으로시료를채취하여사용한다. 다 ) 채취한시료를자기제플레이트위에핀의아래와앞쪽에놓는다. 즉, 플레이트가움직일때마찰에노출될수있을만큼충분한양의시료가앞쪽에있어야한다. 라 ) 추를적재용암에위치시키고시작버튼을눌러마찰 (360 N) 을가한다. 마 ) 시험은최대 6회실시하여 1회폭발여부를관측한여폭발이면 +, 폭발이아니면 - 로판정한다. (5) 결과및판정 최소 6회의연속된시험으로부터 1회의 + 결과가나오면기계적마찰에대해해당물질은폭발성물질로판정한다.
Ⅱ. 시험장비및방법 135 6. 입도분석 (Particle Size Analysis) 입도분석기는일정한부피의에멀젼 (Emulsion) 이나분말 (powder) 상태의시료에대하여입도및입도분포를측정하는분석장비이다.. 상업적으로생산되어사용하고있는입도분석기는분석원리에따라현미경법, 침강법, 광산란법 (Laser scattering) 등크게세분류로나눌수있다. 또한시료의분산상태에따라습식과건식으로나눌수있는데습식은물, 알코올과같은액상의매질에측정하고자하는물질을분산시켜분석하는방법이며건식은압축공기혹은진공으로가루형태의시료를날리면서측정하는방법이다. 본시험에사용된시험장비 LS 13320은광산란법에적합하도록설계되어있으며습식방식으로시료를투입한다. 광산란법은시료입자들에의해산란된빛의패턴을측정하여입자크기및분포를측정하는방법이다. 시료를투입하여적정한농도의시료가순환하는 cell에레이저가투사되면이레이저는입자에의해표면에서산란되게되고, 수십개의검출기 ( 각각의검출기는고유의각도값을가짐 ) 가산란되는레이저의빛의각도를측정하게되며이를통해입자의크기및분포를측정하게된다. 1) 시험장비 본시험장비는 ISO-13320-1의 Laser Scattering Method에적합하도록설계되었으며습식방법으로시료를투입하도록되어있다. (1) 장비명가 ) 장비명 : LS 13 320 Laser Diffraction Particle Size Analyzer 나 ) 제조사 : Beckman Counter
136 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 [ 그림 9] 입도분석장치 (2) 장비구성및사양가 ) 장비구성 : 렌즈, 검출기등이내부에장착된본체와습식시료투입부로구성되어있다. 나 ) 측정가능한입도범위 : 0.04 ~ 1000 μm (3) 시험중주의사항 물, 알코올등의시료분산매선택시시료가녹지않는액체로선택하여야한다. 2) 시험방법 (1) 시험규격 : KS A ISO 11357-1 ( 입자크기분석 - 레이저회절법 - 제 1 부 : 일반원리 ) (2) 시험절차가 ) 시료의준비 : 시료를굴절률을알고있는분산용액체에분산시킨다. 필요할경우 sonicator를사용한다.
Ⅱ. 시험장비및방법 137 나 ) 시험순서 : Software program의실행순서를선택하여실행시키면세척, bubble 제거, blank 측정등의과정을거친후, 시료를투입하면입도측정이시작된다. 이때투입되는시료의농도는 obscuration 8~12 % 내에있어야한다. (3) 결과평가총 3회측정하여재현성최대허용편차에들어오는결과값에대하여통계적처리절차를거쳐최종입도값으로결정한다. 재현성허용편차는 < 표 7>, < 표 8> 와같다 < 표 7> 입도의재현성 (Reproducibility) 최대허용편차 - 10 μm이상의시료 입도평균값 최대허용편차 x 10 5 % x 50 3 % x 90 5 % < 표 8> 입도의재현성 (Reproducibility) 최대허용편차 - 10 μm이하의시료 입도평균값 최대허용편차 x 10 10 % x 50 6 % x 90 10 %
138 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 7. 분진폭발특성 (Dust Explosion Characteristics) 연소성분진 (Combustible dust) 이공정에서가공되어지거나취급되어질때에는언제든지폭발의위험성이존재한다. 분진폭발위험성의정도는분진의유형과가공방법에따라다르다. 분진폭발위험성평가및폭발예방기술은아래에서기술될시험평가에의한결과에의해결정되어진다. 부유분진의폭발특성치는폭발성여부 (Explosivity), 최대폭발압력 (Pmax), 분진폭발지수 (Kst), 폭발하한계 (LEL), 최소산소농도 (LOC) 등이있다. 분진폭발특성치산출을위한국제표준의실험장비는 1 m 3 와 20-L Apparatus의두가지장비가있으며, 최근에는편리하고비용이적게드는 20-L Apparatus를많이사용하고있는추세이다. 또한분진폭발의특성치의일부를사전시험 (Screening Test) 할수있는장비로서 Modified Hartmann Apparatus도사용되어지고있다. 1) 시험장비 (1) Modified Hartmann Apparatus 본장비는분진 / 공기혼합물의폭발거동의정성적인사전시험을위한장비이다. 분진을원통형의유리튜브 (1.2 L) 에넣고약 10 J의연속적인전기적에너지를가한후압축공기 (7 bar) 로해당분진을부유시켜폭발성등을관찰한다. 가 ) 장비명 : Modified Hartmann apparatus 나 ) 제작사 : Kuhner( 스위스 )
Ⅱ. 시험장비및방법 139 [ 그림 10] Modified Hartmann Apparatus (2) Siwek 20-L Apparatus 본시험장비는분진 / 공기혼합물의폭발파라미터를밀폐된 20 L의구형용기로측정하는장비이다. 장비에서측정할수있는폭발파라미터로는 dust explosibility, low explosion limit(lel), Maximum explosion overpressure Pmax, Maximum explosion constant Kmax(Kst), limiting oxygen concentration(loc) 이다. 분진분사압력은 20 bar, 점화지연시간은 60 ms로설정되어있으며, 10 kj의화약점화기를사용하여일정한에너지로분진이점화되도록하여각시험의점화원조건을일정하게하는효과를가지게한다. 폭발성, 최대폭발압력, 최대압력상승속도 (Kst 결정에사용됨 ), 폭발하한계등은점화전후의분체유동과난류의영향을받기때문에압축공기로분진을분산하는방법을사용하고있는분진폭발시험에서는분산후에다소의점화지연시간 ( 국제표준을적용 ) 을두어분진운에점화조작을실시하여야한다. 일반적으로난류의크기가클수록폭발의강도는증가한다.
140 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 가 ) 장비명 : Siwek 20-L Apparatus 나 ) 제작사 : Kuhner( 스위스 ) 다 ) 운전압력 : 0 ~ 30 bar 라 ) 장비의구성 - 20-L-sphere - Control unit KSEP 310 - Measurement and Control System KSEP 332 - Pressure Measure System - Software [ 그림 11] Siwek 20-L Apparatus 2) 시험방법 (1) 분진폭발거동 Screening Test 분진폭발거동의사전 Screening Test 는 Modified Hartmann Apparatus 로측
Ⅱ. 시험장비및방법 141 정되며, 대략적인분진폭발등급, 폭발하한계및폭발성여부등을알수있다. 분진을장비의원통형유리튜브바닥에넣고점화원 (continuous spark : 약 10 J) 을발생시킨후분진을압축공기를이용하여부유시키면서분진의점화여부를관찰한다. 시험은넓은농도범위 (30 ~ 1,000 g/m 3 ) 에서반복적으로시행하여야한다. 만약분진에점화가이루어지거나시험장비의경첩으로이루어진커버가열리면 Positive Reaction 으로기록되어지며, Indicating Instrument 가 1을지시하는분진폭발은실제 St l(dust explosion class) 분진으로간주된다. 하지만 St 0과 St 2 분진의판명을위해서는추가적으로 20-L Apparatus를활용한실험이수행되어져야한다. 또한본시험으로폭발성분진의폭발하한계 (LEL) 를대략적으로측정할수도있다. 하지만 NO REACTION" 이발생하였다고해당분진이비폭발성분진으로간주되어서는안되며, 추가적으로 20-L Apparatus 실험장치로추가실험을실시하여야한다. (2) 폭발성 (Explosivity), 최대폭발압력 (Pmax), 폭발하한계 (LEL), 최대압력상승속도 [(dp/dt)max] - Kst 산출, 부유분진의폭발성, 최대폭발압력, Kst를산출하기위한최대압력상승속도, 폭발하한계는 Siwek 20-L Apparatus로측정되어진다. 일정농도의분진을 6 리터의분진저장컨테이너에넣고 20 bar의공기를불어넣어분진컨테이너에서혼합시키고밸브를순간적으로열어분진-공기혼합물을 20 리터의구형용기내에부유, 분산시킨후, 두전극사이로전압을인가하여화학점화기 (Chemical Igniters) 에의한해당농도에서의분진-공기혼합물의폭발여부및폭발시발생하는압력을관찰하고분진폭발에따른최대압력상승속도와최대압력을측정하는것이다. 화학점화기는 10 kj을사용하며, 점화지연시간은 60 ms로설정하여실험을실시한다. 다양한분진농도범위의반복실험을통하여
142 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 폭발성, Pmax, (dp/dt)max, LEL 등의폭발파라미터을측정한다. 분진폭발특성시험에적용된국제규격의시험방법은 < 표 9> 와같다. < 표 9> 분진폭발특성시험에적용된시험규격 시험항목 Pmax (dp/dt)max LEL 시험규격 EN 14034-1 Determination of explosion characteristics of dust clouds-part 1 : Determination of the maximum explosion pressure Pmax of dust clouds EN 14034-2 Determination of explosion characteristics of dust clouds-part 2 : Determination of the maximum rate of explosion pressure rise (dp/dt)max of dust clouds EN 14034-3 Determination of explosion characteristics of dust clouds-part 3 : Determination of the lower explosion limit LEL of dust clouds
Ⅱ. 시험장비및방법 143 8. 최소점화에너지 (Minimum Ignition Energy) 분진가공공정의위험성평가를위해서는최소점화에너지에대한이해는필수적이다. 이값은분진폭발등의위험성예방수단의범위와비용을결정할수있게해준다. 최소점화에너지 MIE는상온상압에서분진 / 공기혼합물을점화시킬수있는가장낮은 Capacitor 방전에너지로설명되어질수있다. 부유분진의 MIE를측정하기위한장비는전세계적으로다양한장비가사용되고있으나, 스위스의 Kuhner 사에서제작된 MIKE 3으로측정하는것이표준화되어있다. MIE는일반적으로분진이점화되지않는가장높은에너지와점화시킬수있는가장낮은에너지의범위로서표현되어진다 (No ignition < MIE < Ignition). MIE 측정값에영향을주는인자는인덕턴스 (Inductance in the discharge circuit), 난류의강도 (Turbulence, ignition delay time), 입도분포, 농도, 온도, 수분함량등이있다. 일반적으로 MIE는인덕턴스존재하에서얻어지나정전기방전에의한위험성평가를위해서는인덕턴스가없는상태에서 MIE 를측정되어져야한다. 즉, 최소점화에너지 MIE는인덕턴스가존재할때일반적으로더작다. 또한 MIE 측정은분진이점화될수있는최적의농도와난류의강도를고려하여야하기때문에각변수를변화를주면서반복시험을실시하여야한다. 1) 시험장비본시험장비는부유분진 ( 분진 / 공기혼합물 ) 의점화에필요한최소의에너지를측정하는장비이다. 폭발용기는 1.2 L 용기의강화유리재질인 Hartmann 튜브를사용하고있다. 튜브에서의분진분사시스템은시료가공기중에부유, 분산되도록고안된버섯모양의형태를이루고있다. 7 bar의압축공기를사용
144 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 하여분산된분진을폭발용기튜브의두전극사이의스파크를사용하여착화되는유리관실린더내부에서의화염전파모습을통하여폭발여부를판정할수가있다. 분진 / 공기혼합물은분진조건에따라서는 10 mj보다낮은값에서도 MIE 값을갖는데, MIKE 3의측정범위는더낮은에너지값에서도측정가능하도록되어있다. 본 MIKE 3에서는 Hartmann 튜브와캐퍼시터방전기구를바로연결할수있게되어있으며, 고압유니트와폭발용기는같은장치내에구성되어있는장치일체형으로구성되어있다. 가 ) 장비명 : MIKE 3 나 ) 제작사 : Kuhner( 스위스 ) 다 ) Energy Range : 1 mj ~ 1,000 mj 라 ) With an inductance in the discharge circuit : L = 1 mh ~ 2 mh 마 ) Without an inductance in the discharge circuit : L 0.025 mh [ 그림 12] 최소점화에너지측정장치 (MIKE 3)
Ⅱ. 시험장비및방법 145 2) 시험방법일정농도의분진을튜브에넣고압축공기로분사시켜해당분진을점화시킬수있을정도의에너지를가하여점화를확인한후해당농도에서 10회이상점화가이루어지지않을때까지에너지를줄여주면서실험을반복한다. 이와같은실험을점화가일어나지않는최소농도와최대농도가관측될때까지반복하여해당물질의최소점화에너지범위를측정한다. 또한최소점화에너지는난류의강도에영향을받으므로다양한점화지연시간으로위와같은실험을실시하여야정확한최소점화에너지범위를측정할있다. 최소점화에너지측정시험에적용된국제규격의시험방법은 EN 13821(2002) 이다. - 시험규격 : EN 13821 : 2002 Potentially explosive atmospheres - Explosion prevention and protection - Determination of minimum ignition energy of dust/air mixtures
146 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 Ⅲ. 결과및고찰 1. 열분석 (DSC, TGA) 대상시료에대하여시차주사열량계 (DSC) 분석및열중량분석 (TGA) 를실시하였으며시험조건및결과는 < 표 10>, < 표 11>, < 표 12> 와같다. 1) 시험조건 < 표 10> DSC 및 TGA 시험조건 항목시료명시험분위기승온속도시료량 DSC TGA 복합재가공분진-1 Air flow 5 /min 0.9 mg 복합재가공분진-2 Air flow 5 /min 1.1 mg 복합재가공분진-1 Air flow 10 /min 3.8 mg 복합재가공분진-2 Air flow 10 /min 3.3 mg 2) 시험결과 (1) 결과요약 < 표 11> DSC 시험결과 시료명 1차발열측정값 2차발열측정값 T O ( ) T P ( ) ㅿH(J/g) T O ( ) T P ( ) ㅿH(J/g) 복합재가공분진-1 198.0 219.7 27.0 275.1 343.6 265.4 복합재가공분진-2 184.5 210.8 63.1 260.5 342.7 500.1 T o : 발열개시온도 / T p : 발열최대온도 / ㅿH : 발열량
Ⅲ. 결과및고찰 147 < 표 12> TGA 시험결과 시료명 중량변화개시온도 ( ) 중량변화구간 ( ) 중량감소율 (%) 비고 복합재가공분진 -1 256.5 256.5 ~ 547.0 16.1 가열범위 복합재가공분진 -2 241.9 241.9 ~ 548.2 43.9 (30 ~600 ) (2) 결과및고찰가 ) DSC 가열속도 5 /min, 가열온도범위 30~400 로측정한결과, 복합재가공분진-1과 2, 모두 2개의발열구간으로나눌수있는데복합재가공분진-2의경우, 1과비교하여발열개시온도가더낮은온도 ( 약 10~15 ) 에서나타나며발열량은약 2배정도증가하였다. 이는 1에비해 2의시료내수지함유량이상대적으로크기때문에나타나는현상으로추정된다. 또한 TGA 결과와비교하였을때두시료모두 1차발열 (184~250 ) 구간에서중량변화를수반하지않는것으로보아첨가된경화제로인해경화 (curing) 가일어나면서발열을보이는것으로추정할수있으며 2차발열은고분자사슬의분해로인한발열현상으로보인다. 나 ) TGA 가열속도 10 /min, 가열온도범위 30~600 로측정한결과, 복합재가공분진-1과 2, 모두 2단계에걸쳐중량감소가일어나는데 2의경우 1과비교하여중량변화개시온도가약 15 더낮은온도에서나타났으며, 첫번째구간 ( 발열개시온도~ 380 ) 은고분자사슬의분해로인한중량감소로추정되며이
148 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 후탄소가산화되면서 548 까지중량이감소한것으로판단된다. 중량감소율을비교했을때, 각각의시료내수지및첨가제등의함유량이복합재가공분진-1은 16 %, 복합재가공분진-2는 44 % 이며 2가 1보다 2배이상많은비율을차지하고있는것으로추정할수있다.
Ⅲ. 결과및고찰 149 [ 그림 13] 복합재가공분진 -1 의 DSC 결과 [ 그림 14] 복합재가공분진 -2 의 DSC 결과
150 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 [ 그림 15] 복합재가공분진 -1 의 TGA 결과 [ 그림 16] 복합재가공분진 -2 의 TGA 결과
Ⅲ. 결과및고찰 151 2. 연소특성 (Flammability) 1) 결과요약연소특성시험의시험장치및방법에서언급한바와같이복합제가공분진의연소특성을관찰하기위해 Gas Flame 및니크롬열선 (1,000 이상 ) 의점화원을사용하여실험을실시하였다. 연소특성시험중정성적으로관찰된내용은 < 표 13> 과같다. < 표 13> 연소특성시험결과 시료명 복합재가공분진 -1 복합재가공분진 -2 연소형태 - 부분적으로화염이없는연소가발생하였으며, 연소의확장은없었음. - 점화원접촉후 (10~15 초 ) 화염이발생하며연소하였음 Burning Class at room temp. 3 5 2) 결과및고찰 (1) 복합재가공분진-1 시료의구성성분중상대적으로입도가큰유리섬유의비율이높아분진의열분해에따른가연성혼합기의발생이적어화염이전파하지못하고연소유지가어려워부분적으로화염이없는연소가발생하는것으로판단되며, 연소가이루어지는부분은에폭시계열의복합수지성분으로추정된다. 또한유리섬유는 400 를넘어변형이시작되며 700 이상에서용융이시작되어복합수지성분과혼합함으로서연소진행을방해하는
152 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 자용을하기때문에연소유지가어려운것으로추정된다. 정성적인 < 표 5> 의 burning class로구분을한다면화염의전파가형성되지않는 class 3에해당되는것으로사료된다. (2) 복합재가공분진-2 시료는구성성분중상대적으로입도가작은에폭시계열의복합수지로구성된것으로판단되며, 점화원접촉얼마후화염이발생하며연소되는현상이관찰되었다. 이는정성적인 < 표 5> 의 burning class로구분을한다면 class 5에해당되는것으로사료된다. 복합제가공분진-2는외부점화원에노출될경우상당한연소성을가지고있다고할수있다.
Ⅲ. 결과및고찰 153 3. 자연발화점 (Autoignition Temperature) 1) 결과요약시험에사용된시료는 의 제조과정에서발생되는분진처리공정에서채취한것으로, 유리섬유와에폭시계열수지혼합물로구성되어있다. 두가지시료에대하여자연발화점을측정하였으며, 그결과는 < 표 14> 와같다. < 표 14> 시험대상시료별자연발화점측정결과 시료명샘플채취장소외관상특징 복합재가공분진-2와비교하여복합재사이클론하단상대적으로큰입도를가지고있음. 가공분진-1 Dust box 시료끼리뭉쳐진덩어리가있음. 미세한입자분포를가지고있음. 복합재 Dust Collector 복합재가공분진-1과달리시료끼리가공분진-2 하단 dust box 뭉쳐진덩어리없음. AIT 측정값 [ ] 측정불가 283.4 2) 결과및고찰 (1) 복합재가공분진-1 가 ) 시료구성성분중상대적으로입도가큰유리섬유의비율이높은것으로추정되며, 이로인하여자연발화현상은관찰되지않음. 나 ) 시험전후시료외관비교는 [ 그림 17] 과같다
154 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 시험후 시험전 에폭시추정물질 유리섬유추정물질 시험후시험전 [ 그림 17] 복합재가공분진 -1 의시험전후시료형태 (2) 복합재가공분진-2 가 ) 총 3회의시험을실시하였으며결과는 < 표 15> 과같다. < 표 15> 복합재가공분진-2의자연발화측정결과 1회 2회 3회 평균 투입량 [g] 2.3956 2.4082 2.2915 2.3651 측정값 [ ] 285.4 281.5 283.4 283.4 wt. loss[%] 38.0 38.9 39.1 38.7
Ⅲ. 결과및고찰 155 시험결과, [ 그림 18] 과같이표면이갈색으로변색된형태로시료내연소가능성분이열분해에의해발화된것으로보이나, 내부는표면과다른성상을보인다. 그러나평균질량손실및연소전후시료의색변화로부터시료내가연성물질은모두발화에의해서소실된것으로추정된다. 시험후시험전 [ 그림 18] 복합재가공분진 -2 의시험전후시료형태
156 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 4. 낙추타격감도 (BAM Fall Hammer) 시험장치및방법에서언급한바와같이시험규격 (NF T 20-038 Part2) 에따라낙추타격감도시험기를이용하여측정하였다. 낙하추 10 kg, 낙하높이 40 cm에서최소 6회시험하여 1회이상폭발이일어나면 +, 폭발이일어나지않으면 - 로결과를표기한다. 표준물질 (1,3-dinitrobenzene) 로사전시험하여폭발여부를관측하고복합재가공분진-1과복합재가공분진-2의시험결과는 < 표 16> 과같이폭발이일어나지않았다. < 표 16> 낙추타격감도시험결과예시 표준물질복합제가공분진 -1 복합제가공분진 -2 정면 내부 분리안됨 현상폭음, 폭연현상없음현상없음 결과 + - -
Ⅲ. 결과및고찰 157 5. 마찰감도 (BAM Friction Tester) 시험장치및방법에서언급한바와같이시험규격 (NF T 20-038 Part3) 에따라마찰감도시험기를이용하여측정하였다. 353 N( 추번호 : 9번, 추위치 : Ⅵ) 의하중으로마찰에너지를가하여 6회중 1회이상폭발이일어나면 +, 폭발이일어나지않으면 - 로결과를표기한다. 표준물질 (1,3-dinitrobenzene) 로사전에시험하여폭발여부를관측하고복합재가공분진-1과복합재가공분진-2의시험결과는 < 표 17> 과같이폭발이일어나지않았다. < 표 17> 마찰감도시험결과예시 a. 폭발성물질 b. 표준물질복합재가공분진 -1, 2 정면 현상 불꽃발생 불꽃발생 현상없음 결과 + + - a. 폭발성물질의경우마찰에민감한물질로표준물질보다불꽃과연소가크게일어나 plate의연소흔적이크게나타남.
158 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 6. 입도분석 (Particle Size Analysis) 대상시료에대하여레이저회절법을이용한입도분석장비를사용하여분석을실시하였으며결과는다음과같다. 1) 시험결과복합재가공분진-1의측정결과, multimodal의형태로편차가매우크게나왔으며이는레이저회절법의특성상비구형입자의경우정확한결과를얻기힘들기때문에본시험결과에서제외하였다. 복합재가공분진-2는 0.2~50 μm범위의입도분포를가지며, 시험결과를 < 표 18> 에나타내었다. [ 그림 20] 에서표면적을기준으로계산된입도분포의중간값이 [ 그림 19] 에비해입자크기가더작은쪽으로이동한것으로보아이는표면적이큰작은입자들이분진내에다량포함되어있는것으로추정된다. < 표 18> 복합재가공분진 -2 의시험결과 단위 X 10 X 50 X 90 D median 부피 (volume) 기준 1.261 7.133 26.98 7.133 [ μm ] 표면적 (surface area) 기준 0.547 1.503 8.069 1.503 x 10 : 10 % 의누적분포의입자크기 x 50 : 50 % 의누적분포의입자크기 x 90 : 90 % 의누적분포의입자크기 D median : 중간입자지름
Ⅲ. 결과및고찰 159 [ 그림 19] 복합재가공분진 -2 의부피기준입도및누적분포 [ 그림 20] 복합재가공분진 -2 의표면적기준입도및누적분포
160 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 7. 분진폭발특성 (Dust Explosion Characteristics) 1) 결과요약 가공공정에서발생하는복합제가공분진-1과복합제가공분진-2에대하여시험장치및방법에서언급한바와같이폭발거동 Screening test, 폭발가능여부, 최대폭발압력, 분진폭발지수, 폭발하한계에대하여실험을실시하였으며, 그결과에대한요약은 < 표 19>, < 표 20> 와같다. < 표 19> 복합재가공분진 -1 의시험결과 시험항목시험결과시험장비비고 분진폭발거동 Screening Test - 폭발등급 : St 1 modified Hartmann - 폭발한계 : (30 ~ 100) g/m 3 Apparatus 폭발성확인 폭발가능여부 (Esplosibility) - 50 g/m 3 이상의농도에서는점화원에의한폭발성이있음 Siwek 20-L Apparatus 최대폭발압력 (Pamx) - 3.4 bar Siwek 20-L Apparatus 분진폭발지수 (Kst) - 60 m bar/s Siwek 20-L Apparatus (dp/dt)max : 222 bar/s 폭발등급 : St 1 폭발하한계 (LEL) - 50 g/m 3 Siwek 20-L Apparatus
Ⅲ. 결과및고찰 161 < 표 20> 복합재가공분진 -2 의시험결과 시험항목시험결과관련시험장비비고 분진폭발거동 Screening Test - 폭발등급 : St 1 Modified Hartmann - 폭발한계 : (30 ~ 100) g/m 3 Apparatus 폭발성확인 폭발가능여부 (Esplosibility) - 30 g/m 3 이상의농도에서는점화원에의한폭발성이있음 Siwek 20-L Apparatus 최대폭발압력 (Pamx) - 5.8 bar Siwek 20-L Apparatus 분진폭발지수 (Kst) - 154 m bar/s Siwek 20-L Apparatus (dp/dt)max : 569 bar/s 폭발등급 : St 1 폭발하한계 (LEL) - 30 g/m 3 Siwek 20-L Apparatus 2) 결과및고찰 (1) 분진폭발거동 Screening Test 사업장에서제공받은복합제가공분진-1, 2에대하여 Modified Hartmann Apparatus로사전분진폭발거동시험을다양한분진농도에서실시하였다. 그결과는 < 표 21> 에나타난것처럼해당분진은폭발이가능한물질이며, 분진폭발하한계는 (30 ~ 100) g/m 3 사이에존재하는것으로나타났다. 육안으로관찰한결과복합제가공분진-2에서좀더강력한화염이발생하였다. 이는시료내에에폭시계열의수지함량에따른것으로사료된다. 하지만두분진모두폭발등급은 St 1으로분류되어폭발등급확인을위한추가시험을수행할필요는없지만보다
162 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 정확한데이터를위하여 Siwek 20-L Apparatus로추가시험을실시하였다. < 표 21> 복합제가공분진 -1, 2 의분진폭발거동 Screening Test 결과 농도시험결과 ( 폭발유무 ) 폭발등급비고 30 g/m 3 비폭발 - 100 g/m 3 폭발 St 1 200 g/m 3 폭발 St 1 500 g/m 3 폭발 St 1 1,000 g/m 3 폭발 St 1 폭발등급에대한설명은분진폭발지수 (Kst) 에대한결과및고찰에서설명됨. (2) 폭발가능여부 (Explosibility) 복합제가공분진-1,2는분진폭발특성에대한시험결과를종합하여볼때폭발하한계 (LEL) 농도 (50 g/m 3, 30 g/m 3 ) 이상에서는폭발강도의차이는존재하만최소점화에너지이상의점화원이존재할경우분진폭발을일으킬수있는물질로판명됐다. (3) 최대폭발압력 (Pmax) 분진의최대폭발압력 (Pmax) 을측정하기위해, Siwek 20-L Apparatus를이용하여다양한농도에서발생되는폭발압력을측정하였다. 실험적인연구결과에의하면, 최대폭발압력은측정용기의부피가 20 L 이상인경우폭발용기의체적에영향을
Ⅲ. 결과및고찰 163 받지않고일정한것으로밝혀졌다. 즉, 해당분진이폭발시발생시킬수있는최대압력은폭발이이루어지는용기의부피가 20 L 이상이라면항상같은값이측정되어진다는것을의미한다. 복합제가공분진-1, 2의다양한농도에서실시된폭발압력 (Pm) 측정결과를 < 표 23>, < 표 24> 의분진폭발특성시험결과에에나타내었으며, [ 그림 21], [ 그림 22] 에측정결과를그래프로표현하였다. [ 그림 21] 복합재가공분진 -1 의최대폭발압력측정결과 [ 그림 22] 복합재가공분진 -2 의최대폭발압력측정결과
164 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 표와그림에서알수있듯이복합제가공분진-1의최대폭발압력은 1,000 g/m 3 의농도에서 3.4 bar로나타났으며, 복합제가공분진-2의최대폭발압력은 500 g/m 3 의농도에서 5.8 bar로나타났다. 복합제가공분진-2가 1보다더낮은농도에서더높은최대폭발압력을나타내고있다. 이는연소성분진인에폭시계열의복합수지의함량에의한것으로사료된다. 즉, 복합재가공분진-1의성분은비연소성분진인유리섬유의함량이더많이포함되어있고, 복합제가공분진-2의성분은연소성분진인에폭시계열의복합수지의함량이더많이포함되어있어각분진의최대폭발압력의차이가발생하는것으로판단된다. [ 그림 23], [ 그림 24] 는복합제가공분진-1, 2가최대폭발압력을발생시킬때농도에서의폭발압력파형을나타낸그림이다. [ 그림 23] 복합재가공분진 -1 의폭발압력파형 (1,000 g/m 3 ) - 화학점화기에의한폭발압력을보정하지않는폭발압력파형임.
Ⅲ. 결과및고찰 165 [ 그림 24] 복합재가공분진 -2 의폭발압력파형 (500 g/m 3 ) - 화학점화기에의한폭발압력을보정하지않는폭발압력파형임. (4) 분진폭발지수 (Kst) 분진폭발지수 Kst는분진의폭발강도의척도로서, 각분진의폭발에의한위험성은 Kst 값으로표준화되어비교된다. Kst 값은폭발용기용적에의존하는실험치인최대폭발압력상승속도 [(dp/dt)max] 에의하여 Cubic law인다음의식으로계산되어진다. Kst = (dp/dt)max V 1/3 [bar m/s] 최대폭발압력상승속도는 Pmax와달리폭발용기의용적에따라값이달라진다. 일반적으로용기가증가할수록 (dp/dt)max 값은감소한다. Kst 값은폭발용기의용적이 20 L이상이면일정한분진 / 공기혼합물에대하여폭발용기용적에관계없이일정하다는것이많은실험으로부터입증되고있다.
166 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 Kst 값의주된용도는폭발압력의경감을위한폭발방산구의설계와자동폭발억제장치의방호대책을강구하는데중요한데이터로활용된다. 분진폭발지수인 Kst 값에따라폭발등급은 < 표 22> 와같이세개의등급으로나눠진다. < 표 22> 분진폭발등급 폭발등급 Kst [bar m/s] 폭발의특징 St 1 > 0 to 200 폭발에의한위험성이약한분진 St 2 > 200 to 300 폭발에의한위험성이큰분진 St 3 > 300 폭발에의한위험성이매우큰분진 복합제가공분진-1. 2의최대폭발압력상승속도 [(dp/dt)max] 를측정하기위하여 Siwek 20-L Apparatus를이용하여다양한농도에서발생하는 (dp/dt)max를측정하였으며, 그결과를 < 표 23>, < 표 24> 에나타내었다. 표에서알수있듯이복합제가공분진-1의최대폭발압력상승속도는 Pmax가관측된농도와동일하게 1,000 g/m 3 에서 222 bar/s로나타났으며, 복합제가공분진-2의경우에는 750g/m 3 의농도에서 569 bar/s로나타났다. 복합제가공분진-1의최대폭발압력상승속도가발생된농도에서의폭발압력파형은 [ 그림 23] 이며, 복합제가공분진-2의최대폭발압력상승속도가발생된농도에서의폭발압력파형은 [ 그림 25] 에나타내었다. 최대폭발압력상승속도로부터계산된 Kst 값은복합제가공분진-1의경우 60 m bar/s이며, 복합제가공분진-2는 154 m bar/s이다. 이는 < 표 22> 의폭발등급으로구분하면모두 St 1
Ⅲ. 결과및고찰 167 으로분류되어진다. 복합제가공분진-1, 2의최대폭발압력상승속도및 Kst 값이다른이유는 Pmax에서와같이분진폭발을일으킬수있는에폭시계열의복합수지함량에의하여결정되어지는것으로사료된다. [ 그림 25] 복합재가공분진 -2 의폭발압력파형 (750 g/m 3 ) - 화학점화기에의한폭발압력을보정하지않는폭발압력파형임. (5) 폭발하한계 (LEL) 복합제가공분진-1, 2의폭발하한계 (LEL) 를측정하기위해 Siwek 20-L Apparatus를이용하여다양한농도에서폭발유무실험을실시하였다. 시험규격 (EN 14034-3) 에의하면분진이폭발용기내에서부유분진의폭발유무판정은 chemical igniter에의한폭발압력을보정한순수분진에의한폭발압력의값 (Pm) 이 0.1 bar[ 또는보정되지않은압력 (Pex) 1.5 bar 이상 ] 이상이되어야해당분진의농도에서폭발이일어났다고판정한다. 또
168 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 한실험치에의한폭발하한계의농도는폭발이발생하지않은가장높은농도를 LEL로나타낸다. 각분진에대한시험결과 (Pm 값 ) 는 < 표 23>, < 표 24> 에나타내었다. 표에서알수있듯이복합제가공분진-1의폭발하한계는 50 g/m 3 이며, 복합제가공분진-2의폭발하한계역시시험규격 (EN 14034-3) 판정기준으로 30 g/m 3 이다. 각분진에대한폭발하한계의차이는타분진폭발특성에대한시험결과와마찬가지로연소성분진인에폭시계열의복합수지함량에의한것으로사료된다. [ 그림 26], [ 그림 27] 은복합제가공분진-1에대하여폭발하한전후의농도에서폭발유무시험시발생한폭발압력파형을나타낸것이며, [ 그림 28], [ 그림 29] 는복합제가공분진-2에대하여폭발하한전후의농도에서폭발유무시험시발생한폭발압력파형을나타낸것이다. 즉, 각분진에대한 [ 그림 26], [ 그림 28] 은폭발로판정이되어지지않기때문에 (Pex가 1.5 bar 이하임 ) 분진폭발에의한압력파형이아니고점화원으로사용된 chemical igniter에의해서발생된압력파형으로해석되어진다.
Ⅲ. 결과및고찰 169 [ 그림 26] 복합재가공분진 -1 의폭발압력파형 (60 g/m 3 ) ] 화학점화기에의한폭발압력을보정하지않는폭발압력파형임 ] - 폭발 [ 그림 27] 복합재가공분진 -1 의폭발압력파형 (50 g/m 3 ) [ 화학점화기에의한폭발압력을보정하지않는폭발압력파형임 ] - 비폭발
170 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 [ 그림 28] 복합재가공분진 -2 의폭발압력파형 (50 g/m 3 ) [ 화학점화기에의한폭발압력을보정하지않는폭발압력파형임 ] - 폭발 [ 그림 29] 복합재가공분진 -2 의폭발압력파형 (30 g/m 3 ) [ 화학점화기에의한폭발압력을보정하지않는폭발압력파형임 ] - 비폭발
Ⅲ. 결과및고찰 171 Conc. (g/m 3 ) < 표 23> 복합제가공분진 -1 의분진폭발특성시험결과 Pm(bar) 3) dp/dt (bar/s) t1 4) (ms) tv 5) (ms) IE 6) (kj) 50 0.0 0 76 60 10 60 0.6 169 118 60 10 125 1.0 186 101 60 10 250 1.2 20 152 59 10 500 1.8 26 96 59 10 750 2.8 173 64 60 10 1,000 3.4 222 55 59 10 1,250 3.0 195 50 59 10 Conc. (g/m 3 ) < 표 24> 복합제가공분진 -2 의분진폭발특성시험결과 Pm(bar) dp/dt (bar/s) t1 (ms) tv (ms) 30 0.0 0 70 59 10 50 0.3 10 86 59 10 60 1.8 150 98 60 10 80 2.0 29 75 60 10 125 4.1 228 50 59 10 250 4.6 299 39 59 10 500 5.8 472 41 59 10 750 5.6 569 26 59 10 1000 5.3 373 38 60 10 IE (kj) 3) Pm : 해당분진농도에서폭발할때발생하는폭발압력으로화학점화기에의한폭발압력을보정한값 4) t1 : 폭발로인하여분진이연소되는시간 5) tv : 연소지연시간 6) IE : 분진폭발을일으키기위하여점화원으로사용된 chemical igniter 의에너지
172 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 8. 최소점화에너지 (Minimum Ignition Energy) 1) 결과요약복합재가공분진-1, 2에대하여최소점화에너지를시험장치및방법에서언급한바와같이 MIKE 3을이용하여측정한시험결과에대한요약을 < 표 25> 에나타내었다. < 표 25> 최소점화에너지시험결과 시료명최소점화에너지비고 복합재가공분진 -1 300 ~ 1,000 mj 인덕턴스 (L) : 0 복합재가공분진 -2 10 ~ 30 mj 인덕턴스 (L) : 0 2) 결과및고찰복합재가공분진-1, 2를점화시킬수있는최소점화에너지를측정하기위하여다양한농도및점화지연시간 (tv) 으로시험을실시한결과를 < 표 27>, < 표 28> 에나타내었으며, < 그림 30>, < 그림 31> 에시험결과를그래프로표현하였다. 본시험은해당공정의정전기에의한위험성을평가하기위하여인덕턴스가없는상태 (L = 0) 에서최소점화에너지를측정하였다. 표와그림에서알수있듯이복합제가공분진-1의최소점화에너지는 300 mj < MIE < 1,000 mj이며, 복합제가공분진-2는 10 mj < MIE <30 mj로측정되었다. 두시료의최소점화에너지범위의차이는분진폭발특성에서와같이연소성분진인에폭시계열의복합수지함량에의한것으로사료된다. 복합제가공분진-2의경우, 900 mg/1.2l, tv 90, 점화에너지 (IE) 30 mj에서
Ⅲ. 결과및고찰 173 2차례에걸쳐점화가능성에대해서시험을실시하였는데첫번째는점화가이루어졌으며두번째에는점화가이루어지지않았다. 이는 30 mj의에너지에서도농도등의정밀한조건이맞으면점화가이루어질수있다는것을의미한다. 안전상의목적으로복합제가공분진-2의최소점화에너지는 30 mj이하로판단하여야한다. VDI 2263 Part6에서는최소점화에너지가 10 mj 이상이면 < 표 26> 과같이해당분진은 Nomal ignition sensitivity로분류되어진다. 또한일반적으로 Dust separation 공정에서사용되는분진이 Normal ignition sensitivity일경우분진폭발을방지하기위하여실질적인점화원제거 (Avoiding effective ignition sources) 만으로도어느정도충분한효과가있다고서술하고있다. < 표 26> 분진의최소점화에너지에따른점화민감도 최소점화에너지 분류 비고 MIE 10 mj normal ignition sensitivity 인덕턴스 (L) : 0 3 mj MIE < 10 mj particularly ignition sensitive 인덕턴스 (L) : 0 MIE < 3 mj extremely ignition sensitive 인덕턴스 (L) : 0
174 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 < 표 27> 복합제가공분진 -1 의최소점화에너지시험결과 Conc. (mg/1.2 L) IE (mj) tv (ms) Inductance(L) (mh) ignition at 7) (I, NI) 3,600 300 120 0 NI(10) 3,600 1,000 120 0 I(1) 3,000 300 120 0 NI(10) 3,000 1,000 120 0 I(1) 2,400 1,000 120 0 NI(10) 1,800 1,000 120 0 NI(10) 1,500 1,000 120 0 NI(10) 1,200 1,000 120 0 NI(10) 1,200 300 120 0 NI(10) 1,200 100 120 0 NI(10) 900 100 120 0 NI(10) 3,000 300 90 0 NI(10) 3,000 1,000 90 0 I(3) 2,400 1,000 90 0 I(2) 2,400 300 90 0 NI(10) 1,800 300 90 0 NI(10) 1,800 1,000 90 0 NI(10) 1,500 1,000 90 0 NI(10) 3,600 1,000 60 0 NI(10) 3,000 1,000 60 0 NI(10) 2,400 1,000 60 0 NI(10) 2,400 300 60 0 NI(10) 3,600 300 150 0 NI(10) 3,600 1,000 150 0 I(1) 3,000 300 150 0 NI(10) 3,000 1,000 150 0 I(5) 2,400 1,000 150 0 NI(10) 7) I : Ignition, NI : No ignition 을뜻하며, I( ) 안의숫자는몇번째시험에서점화가이루어졌음을뜻하고 NI(10) 는 10 회의측정결과점화가이루어지지않음을뜻함.
Ⅲ. 결과및고찰 175 < 표 28> 복합제가공분진 -2 의최소점화에너지시험결과 Conc. (mg/1.2 L) IE (mj) tv (ms) Inductance(L) (mh) ignition at (I, NI) 900 100 120 0 I(1) 600 100 120 0 I(4) 300 100 120 0 NI(10) 900 30 120 0 NI(10) 1,200 100 120 0 I(3) 1,500 100 120 0 I(2) 1,800 100 120 0 I(1) 2,400 100 120 0 I(1) 3,000 100 120 0 I(5) 3,600 100 120 0 I(2) 1,200 30 120 0 NI(10) 1,500 30 120 0 NI(10) 1,800 30 120 0 NI(10) 2,400 30 120 0 NI(10) 3,000 30 120 0 NI(10) 3,600 30 120 0 NI(10) 600 30 120 0 NI(10) 4,200 100 120 0 I(7) 900 30 90 0 I(6) 1,200 30 90 0 NI(10) 600 30 90 0 NI(10) 900 10 90 0 NI(10) 1,200 30 90 0 NI(10) 1,200 10 90 0 NI(10) 1,800 30 90 0 NI(10) 1,500 30 90 0 NI(10) 900 30 90 0 NI(10) 900 30 150 0 NI(10) 900 100 150 0 I(7) 1,200 100 150 0 I(6) 1,200 30 150 0 NI(10) 1,500 100 150 0 I(2) 1,500 30 150 0 NI(10) 1,800 100 150 0 I(1) 1,800 30 150 0 NI(10)
176 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 [ 그림 30] 복합재가공분진 -1 의최소점화에너지측정결과 ( : 비폭발, : 폭발 ) [ 그림 31] 복합재가공분진 -2 의최소점화에너지측정결과 ( : 비폭발, : 폭발 )
Ⅳ. 안전대책 177 Ⅳ. 안전대책 사업장으로부터제공받은복합제가공분진-1, 2의화재 폭발특성시험평가결과및 KOSHA CODE, VDI 등의관련자료를바탕으로해당공정의위험성평가와안전대책을제시하였다. 1. 분진발생공정에서화재 폭발등의위험성평가 해당공정에서발생된분진을사이클론 ( 복합제가공분진-1) 과 dust collector ( 복합제가공분진-2) 에서샘플링하여화재 폭발특성관련시험평가를실시하였다. 복합제가공분진-1의경우, 시험평가결과를반영하여볼때해당공정운전조건에서는분해위험성, 충격또는마찰에의한위험성, 고온에의한자연발화, 화염에의한연소위험성은희박한것으로사료된다. 하지만부유된분진에서는최소점화에너지 (300 mj < MIE < 1,000 mj) 이상의에너지를가진점화원과폭발하한이상의농도가존재할경우폭발할수있다. 복합제가공분진-2의경우, 시험평가결과를반영하여볼때해당공정운전조건에서는분해위험성, 충격또는마찰에의한위험성, 고온에의한자연발화 (Autoignition) 의위험성은희박하다고할수있으나, 열축적에의한자연발화 (Spontaneous ignition) 의위험성및화염에의한화재위험성은존재한다고할수있다. 또한부유분진의경우최소점화에너지 (10 mj < MIE < 30 mj) 의에너지를가진점화원과폭발하한이상의분진농도가존재할경우폭발의위험성이존재한다고할수있다. 해당공정에서부유분진에대한폭발의강도및위험성은복합제가공분진-2 로평가되어져야한다. 왜냐하면복합제가공분진-1의경우폭발의강도및민
178 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 감도를결정하는에폭시계열의복합수지성분함량이공정내에존재하는부유분진이포함하는양보다적기때문이다. 본분진발생공정에서폭발에의한위험성은부유분진이존재하는배기덕트에서부터외기로방출되는 dust collector 사이에서존재한다고할수있다. 퇴적분체가존재하는 dust collector 하단의경우, 오랜기간방치할경우열축적에의한자연발화로인한화재위험성및그로인한부유분진을폭발시킬수있는점화원을제공할수도있다. 또한자연발화온도 (Autoignition Temp.) 및열분석시험결과로볼때, 또다른퇴적분체가존재하는사이클론의하단의경우오랜기간방치할경우열축적에의한화재의위험성은적다고할수있으나열축적에의한온도상승등은부유분진을폭발시킬수있는점화원으로작용할수있다고사료된다. 2. 분진에의한화재 폭발예방대책 해당분진의최소점화에너지는 10 mj 이상인것으로측정되었으며, 이는앞에서언급한바와같이 Normal ignition sensitivity한경우이다. 이경우에는점화원의제거만으로도분진폭발방지를위한어느정도충분한효과가있다고할수있다. 본공정에서존재할수있는점화원으로는가장먼저정전기방전을말할수있으며, dust collector 내부에설치되어있는전기기계기구 ( 배기 Blower 등 ) 에의한불꽃및과열, 퇴적분체의열축적에의한온도상승등에따른자연발화등을말할수있다. 1) 정전기방전 먼저, 집진설비에서발생할수있는정전기방전의종류에는 corona discharge, brush discharge, spark discharge, propagating brush discharge,
Ⅳ. 안전대책 179 conical pile discharge가있다. 실제로 spark discharge, propagating brush discharge의방전에너지는복합제가공분진의최소점화에너지보다큰정전기를방전시킬수있어분진폭발의점화원이될수있다. [ 그림 32] 는집진장치에서발생되는정전기방전의예시를보여주고있다. Brush discharge [ 3mJ] Spark discharge [ 1J] propagating brush discharge 10J [ 그림 32] 집진장치에서의정전기방전예시 이러한정전기방전을제거하기위해서는분진이접촉되는부분은금속재질로접지및본딩을하여야하며, 이때누설저항은 10 6 Ω이하로, 접지저항은 1 kω이하로관리되어야한다 8). 또한대전방지를위한전용의접지극은 100 Ω 이하로준하여시공하도록한다 9). 접지선의경우, 부식이되는재료를사용하게되면정전또는제전방진기능이저하되는문제점이발생하므로부식이되지않는재료인지확인이필요하며, 용이하게단선되지않는기계적강도가충분히큰절연피복전선을사용하도록한다. 집진기 filter의재질은도전성섬유를가공한것을사용하여야하며대전전하밀도가가급적 4 μc/m 2 이하가되는것을사용하도록한다 10). 또한필터 8) KOSHA CODE D - 40-2000 집진설비분진폭발방지기술지침 9) 일본후생노동성산업안전연구소 : 집진기및관련기기에서의분진폭발방지기술지침 NIIS-TR-No.36(1999) 10) 일본후생노동성산업안전연구소 : 정전기안전지침 RIIS-TR-87-1(1988)
180 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 media와집진기본체와의도전성을확보하여야한다.( 접지저항 1 kω이하 ) 당해사업장의경우위와같이분진이접촉하는모든구간이도전성이확보된금속제로구성되어있는지, 접지및본딩등이위에서설명한바와같이이루어졌는지, dust collector에사용되는필터가도전성섬유로가공된것을사용하고있고본체와도전성이확보되어있는지다시한번확인할필요가있는것으로판단된다. [ 그림 33] 은해당사업장의절삭부의집진배관이통합되는부분을보여주고있는데금속제가아닌 PVC 계열의배관을사용하고있는것을알수있다. 이는금속제재질로교체하여도전을확보하여야하며, 모든연결부위에플랜지등을사용할경우 seal 재료에의한절연을방지하기위하여각연결배관과의본딩을실시하여전기적접속을확보하도록하여야한다. [ 그림 34] 는 dust collector의외부를보여주고있으며, 이역시절연물질로연결된부위에본딩이이루어지지않은것으로보인다. 접지및본딩시주의할점은선의연결부위가절연물질로코팅및페인트되어있는부분에실시하면도전성이확보가안된다는것을참고하여야하며, 또한각설비의내부 ( 덕트배관등 ) 가절연물로코팅또는페인트되어서도안된다. [ 그림 33] 절삭부의집진배관이통합되는부분
Ⅳ. 안전대책 181 [ 그림 34] DUST COLLECTOR 의외부 2) 전기기계기구에의한불꽃및과열집진설비내부에설치된전기기계기구에의한불꽃및과열은분진폭발을일으킬수있는점화원이될수있다. 따라서집진장치내부에전기기계기구및계측 제어용의기기센서류를삽입할경우방폭용으로해야한다. 또한송풍기용전동기역시방폭용으로하여야하며과부하방지장치를설치하여과열에의한분진의점화를방지하여야한다 11). 해당사업장의경우 dust collector 내부에설치된전기기계기구는배기 blower 및 PULSE V/V가있는것으로판단된다. 이는필터상부에위치하고있어분진의농도는거의미약하다고할수있으나, 필터를통과한미세분진이존재할가능성을배제할수없다. 또한분진이미세할수록점화민감도및강도는더커지는것이일반적이다. 따라서 dust collector에내부에설치된모든전기기계기구및배선은방폭형으로설치되어야한다. 본사업장의경우도 11) KOSHA CODE D - 40-2000 집진설비분진폭발방지기술지침
182 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 면상으로설치된제품이방폭형인지를확인할근거가없으므로실제사업장에서방폭형여부를확인할필요가있다. 3) 퇴적분체의열축적에의한자연발화퇴적분체의열축적에의한자연발화는화재로연결될수있으며, 또한분진폭발을일으킬수있는점화원으로작용할수있다. 따라서퇴적분체가존재하여열축적에의한자연발화가발생할우려가있는경우에는온도계를설치하여온도상태를감시할수있어야한다. 또한주기적인분진제거등이필요하다. 일반적으로집진공정에서분진이퇴적될우려가있는곳은배관덕트배부, 집진장치 ( 사이클론, 필터형 dust collector 하부등 ) 하부등이다. 특히, 배관덕트내에서분진의퇴적은집진장치내폭발이발생해압력을방산시킬경우, 배관내의분진이분출, 비산등으로 2차폭발이생길수있다. 배관덕트내에분진의퇴적을막기위해서는집진장치까지의배관길이를최단거리로하고배관의휨, 늘어짐, U자형및굴곡부가생기지않는구조로하여야하며, 분진퇴적, 분진충돌에의한마모및대전을고려한적절한풍속이유지될수있는관경이야한다. 또한분진퇴적이나마모가생기기쉬운곳은정기점검을위한점검구를설치하고밸브배관의부분적교환및해체가용이한구조로해야한다 12). 해당공정에서분진의퇴적이이루어질수있는곳은사이클론하부, dust collector 하부, 덕트배관으로볼수있다. 우선 dust collector의하부에있는분진은자연발화시험결과로볼때충분히열축적에의한자연발화위험을배제할수없으므로내부에온도계설치로온도상태감시및정기적인분진제거가요구된다. 또한사이클론하단의분진의경우열축적에의한자연발화의화재위험성은적다고하나온도상승등으로인한분진폭발의점화원을제공 12) KOSHA CODE D - 40-2000 집진설비분진폭발방지기술지침
Ⅳ. 안전대책 183 할수있으므로이역시온도계설치및주기적인분진제거가요구된다고사료된다. 사업장방문에서조사한것으로는덕트배관의길이등은적절한것으로여겨졌으나사업장에서는다시한번적절한풍속이유지되는지, 불필요한굴곡등이존재하는지확인할필요성이있다. 3. 분진에의한화재 폭발방호대책 만약분진폭발이발생하였을경우피해를최소화하기위한방안으로는많은유형의설비등이있으나, 여기에서는해당공정에적합한 2가지방호대책에대하여설명하였다. 해당공정에서폭발의위험성이가장많이존재하는곳은 dust collector로여겨지며, 따라서 dust collector 내부에서분진폭발로인한압력상승시발생한압력을외부로분출시켜피해를최소화하여야한다. 즉폭발방산구를적절하게설계하여설치하여야한다. 사업장에서는시험평가의결과로나온분진폭발지수 (Kst) 값및설비재질의특성값을고려하여폭발방산구를설계하여설치되어있는지확인할필요가있다 13). dust collector에서분진폭발이발생하였을경우덕트배관을통하여사업장내부로전파되는것을방지하기위하여화염전파방지시스템을외부에서내부로연결되는배관내에설치를고려할필요가있다. [ 그림 35] 는덕트배관내에설치가능한화염전파방지시스템의종류중하나를보여주고있다. 13) 분진폭발압력방산구의설계지침 (KOSHA CODE-D-34-1999) 에면적계산등의자세한내용이수록되어있음 (WWW. KOSHA.NET 에서관련자료열람가능 )
184 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 [ 그림 35] 화염전파방지시스템의예 (Rotary air lock) 참고자료 - KOSHA CODE D - 6-2002 : 분진폭발방지에관한기술지침 - KOSHA CODE D - 11-2001 : 폭발억제장치의설치에관한기술지침 - KOSHA CODE D - 34-1999 : 분진폭발압력방산구의설계지침 - KOSHA CODE D - 40-2000 : 집진설비분진폭발방지기술지침
Ⅳ. 요약및결론 185 Ⅳ. 요약및결론 본위험성평가는 을제작하는공정에서발생하는분진의화재및폭발사고예방을목적으로복합제가공분진의자연발화온도, 폭발특성, 최소점화에너지, 열분석등의위험특성을실험적으로조사한것으로, 얻어진결과는다음과같다. 1. 복합재가공분진-1, 2에대하여열분석시험결과분해온도는각각 275.1, 260.5 로측정되었으며, 이때발생하는발열량은 265.4 J/g, 500.1 J/g이었다. 복합제가공분진-2가더낮은온도에서분해되며발열량도많이발생하였다. 2. 각분진에대한연소특성은복합제가공분진-2의경우화염을발생하며연소하였으며, 복합제가공분진 2의경우부분적으로화염이없는연소가발생하였으며연소의확장은없었다 3. 자연발화온도측정결과복합제가공분진-1은측정이불가하였으며, 복합제가공분진-2는 283.4 로측정되었다. 4. 복합제가공분진-1, 2에모두에대하여충격이나마찰에의한연소및폭발의위험성은없었다. 5. 습식입도분석기를사용하여각분진의입도분포를측정한결과복합제가공분진-2의평균체적입경은 7.133 μm의값을얻었으며, 입도분포는 1.261 μm ~ 26.98 μm의범위를나타내었다.
186 Part3. 복합재가공분진의화재ㆍ폭발위험성평가 6. 분진폭발특성시험결과복합제가공분진-1,2 모두폭발할수있는물질로판명되었으며, 복합제가공분진-2가보다폭발강도가더크고폭발하한농도역시더낮은것으로나타났다. 7. 최소점화에너지측정결과복합제가공분진-1은 300 mj ~ 1,000 mj로, 복합제가공분진-2는 10 mj ~ 30 mj로측정되었다. 복합제가공분진이더낮은최소점화에너지를갖고있었다. 이상과같이복합제가공분진의화재폭발예방을위하여시험평가를실시한결과복합제가공분진-2가 1보다화재폭발의위험성이더높은것으로나타났다. 그이유는복합제가공분진-2에연소성분진인에폭시계열의복합수지가더많이포함되어있기때문인것으로사료되어진다. 따라서사업장에서는복합제가공분진-2의시험평가데이터를활용하여야하며, 본평가보고서에서제시한안전대책을포함한사업장특성에적합한화재폭발예방대책이요구되어진다.