화재가 불러오는 또 다른 위험, 폭발!

 

 

1. 폭발의 정의

 

폭발을 명확히 정의하는 것은 어려우나 ｢압력의 급격한 발생 또는 해방의 결과로서 굉음을 발생하며 파괴하기도 하고, 팽창하기도 하는 것｣, ｢화학변화에 동반해 일어나는 압력의 급격한 상승현상으로 파괴 작용을 수반하는 현상｣ 등으로 설명할 수 있다.

 

 

 

2. 폭발반응의 원인

 

빛, 소리 및 충격 압력을 수반하여 순간적으로 완료되는 화학변화를 폭발 반응이라 하며 기체상태의 엔탈피(Enthalpy) 변화가 폭발반응과 압력상승의 원인이다. 폭발반응은 다음과 같은 경우에 발생한다.

 

가. 발열화학 반응 시에 발생난다.

나. 강력한 에너지에 의한 급속가열 시 발생한다. 예를 들어, 부탄가스통이 가열로 인해 폭발하는 것과 같다.

다. 액체에서 기체 상태로의 변화를 증발, 고체에서 기체 상태로의 변화를 승화라고 하는데 이처럼 응축상태에서 기상으로 변화(상변화)할 때 발생한다.

 

 

 

3. 폭발의 성립 조건

 

가연성가스, 증기 및 분진의 폭발현상을 일으키기 위한 조건이란 다음 3가지다.

 

가. 공기(또는 산소공급원)가 존재할 것.

나. 가연성 가스, 증기 또는 분진이 양적 특정조건(폭발 범위, 연소범위)에 있어서 공기(산소)와 잘 혼합되어 있을 것.

다. 혼합가스 및 분진을 발화시킬 수 있는 최소 점화원(Energy)이 있어야 한다.

 

 

 

4. 폭발의 한계

 

가연성 가스와 공기(또는 산소)의 혼합물에서 가연성 가스의 농도가 너무 낮거나 너무 높을 경우 화염의 전파가 일어나지 않는 농도가 있다. 농도가 낮을 경우를 폭발 하한계, 높을 경우를 폭발 상한계라 한다. 그 사이를 폭발범위라고 하고 연소한계 또는 가연한계 라고도 한다.

 

 

 

5. 폭발의 영향

 

폭발의 영향은 4가지로 구분할 수 있으며, 압력, 비산, 열 그리고 지진이다.

 

가. 압력

폭발압력은 물질의 급격한 연소반응과 발열반응에 의한 급격하게 증가하는 기체 때문에 생긴다. 기체는 발화지점으로부터 빠른 속도로 확산되며, 이때 양압(positive pressure)과 음압(negative pressure)이 열의 방향을 따라서 생성된다. 공기가 폭발지점으로부터 밖으로 나가려고 하는 것은 양압의 영향이며, 발화지점으로 향하는 공기는 음압의 영향이다. 발화지점 밖으로 나가려는 양압은 음압보다 힘이 세며, 대부분의 압력 피해를 일으키는 주된 원인이다. 음압은 낮은 기압상태로 양압이 빠르게 밖으로 나가려는 성질 때문에 생긴다.

 

나. 비산(飛散)

비산은 압력의 결과로 나타나는데 압력이 클수록 비산 범위도 넓어진다. 구조물과 용기 등은 부서지거나 쪼개져서 멀리까지 날아가 또 다른 손상을 일으키거나 그 물체에 의해 사상자가 발생할 수도 있다. 물체의 재질과 압력에 따라 크거나 작은 입자 등으로 비산되는데 그 비산물은 전력선이나 주택, 상가 등 다른 외물(外物)에 직접적인 타격을 주어 폭발이 발생한 지점으로부터 범위를 벗어나 또 다른 재해를 발생시키는 것이다.

 

다. 열(Heat)

연소폭발은 폭발과 동시에 주변으로 많은 열을 방출시키고 에너지가 크기 때문에 근처의 다른 물질을 연소시키기도 하고 인명피해를 일으킬 수도 있다. 열을 동반한 폭발은 화재와 폭발 중 어느 것이 선행된 것인지 판단하기 곤란할 때가 많지만 보통은 폭발과 동시에 화재를 수반하는 경우가 많다. 열은 특히 화학적 폭발일 경우 더욱 많은 열을 발생시키는데, 폭굉은 매우 짧은 시간에 높은 온도를 발생시키지만 폭연은 낮은 열을 가지고 오랫동안 지속되는 특징이 있다.

 

라. 지진

폭발압력이 최고조로 팽창되어 더 이상 버틸 수 없는 상황에 이르게 되면 폭발지점을 중심으로 형성된 압력에 의해 구조물이 흔들리거나 균열이 발생하고 상황이 더욱 악화되면 붕괴에 이르게 될 것이다. 이때 폭발압력으로 인한 진동이나 충격은 직접적으로 건물에 손상을 불러오지만 진동현상이 땅으로 전달되면 주변에 취약한 다른 건물로 그 영향이 미칠 수 있게 된다. 특히 지면을 통해 진동이 전달되기 때문에 가스관로 또는 파이프라인, 탱크와 연결된 배관 등에 영향을 미치게 된다.

 

 

 

6. 가연성 가스의 폭발

 

* 증기운 폭발 (Unconfined Vapor Cloud Explosion, UVCE)

 

대기 중에 대량의 가연성 가스가 유출되거나 대량의 가연성 액체가 유출되면 그것으로부터 발생하는 증기가 공기와 혼합해서 가연성 혼합 기체를 형성하고 발화원에 의하여 발생하는 폭발을 증기운폭발이라고 한다. 개방된 대기 중에서 발생하기 때문에 자유 공간 중의 증기운 폭발(UVCE: Unconfined Vapor Cloud Explosion)이라고 한다. 증기운 폭발은 유출한 물질의 저장 상태, 압력 그리고 온도의 영향을 받으며, 다음과 같은 과정에 의해 발생한다.

 

‣ 상온, 대기압에서 액체이며 인화점이 상온보다 낮은 물질(가솔린) : 유출한 액체는 지면으로부터 열이 공급되면 액면에서 연속적으로 증기를 발생하여 주위에 확산된다.

‣ 상온, 가압 하에서 액화되어 있는 물질(LPG, 액화부탄) 또는 그 물질의 비점 이상의 온도에 있지만 가압되어서 액화된 물질(반응기 내의 벤젠, 핵산) : 고압 하에서 기상과 액상의 평형상태에 있는 물질이 대기 중으로 유출되는 경우, 유출된 액체의 온도는 비점까지 낮아지며 순간적으로 기화한다. 플래시 증발(flash evaporation) 이라고도 한다.

‣ 대기압 하에서 저온으로 하여 액화된 물질(LNG) : LNG 와 같이 아주 낮은 온도에 있는 저온 액화가스가 유출되면 지면 및 주위의 열에 의하여 급속한 비등을 일으킨다. 지면의 온도가 저하되면 증발속도는 저하되지만 단시간에 대량의 가연성 증기운이 생긴다.

 

위의 각 경우에 의하여 증기운이 발생하면 다음과 같은 현상이 발생할 수 있다.

· 발화하지 않고 누출한 가스나 증기가 재해를 일으키지 않고 확산한다.

· 가스, 증기의 유출과 동시에 화재가 발생하지만, 폭발로 전이되는 경우도 있다.

· 대량의 증기운 발생한 후 화재로 화염의 속도가 빨라져서 폭풍이 발생한다.

· 화염속도가 음속을 넘으면 폭굉이 되어서 더욱 강한 폭풍을 일으키게 된다.

 

이러한 대량의 가연성 물질 유출 사고는 대부분 폭발을 발생시킨다. 다량 누출된 가연성 증기는 발화하기 전에 공기와 잘 혼합되어 양론비에 가까운 조성의 가연성 혼합기체를 형성하며 이러한 경우 폭굉으로 전이될 가능성이 크다.

 

 

* BLEVE

 

프로판 등 액화가스탱크의 외부에서 화재가 나면 탱크가 가열되어 내부의 높은 증기압이 형성되고 그 증기압이 탱크의 내압을 초과하게 되면 결국 탱크는 파열에 이르게 된다. 탱크의 파열과정을 살펴보면 탱크 내부는 액상부(액체 상태의 가연물과 존재하는 부분)와 기상부(기체 상태의 가연물이 존재하는 부분)로 구분된다. 파열이 발생하는 지점은 탱크의 기상부 와 면하는 부분인데, 액상부와 면하는 탱크는 외부로부터 화염에 가열되어도 그 열이 내부의 액상으로 효과적으로 전달되어 탱크를 구성하는 재료의 온도는 느리게 상승하나, 기상부와 면하는 지점은 낮은 기체의 열전도율로 인해 열을 효과적으로 전달하지 못하고 국부적으로 온도가 크게 상승하며 탱크를 구성하는 재료는 인장강도의 저하가 발생한다. 한편, 탱크 내 부의 액체는 비등하여 기화되어 탱크 내부의 압력은 상승하게 되며, 내압이 인장강도를 상회하면 국부적인 파열이 발생한다. 파열이 발생하면 탱크내부에 액화된 상태로 저장되어 있던 가스는 빠르게 기화하면서 파열 지점을 통해 외부로 확산한다. 확산한 가스는 주변의 공기와 혼합되어 폭발성 혼합기를 형성하고 존재하는 화염을 착화에너지로 하여 다시 폭발하게 된다. 이를 BLEVE(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)라고 한다.

 

 

* Fire Ball

 

대량의 증발한 가연성 액체가 갑자기 연소할 때 생기는 구상의 불꽃을 말한다. BLEVE 발생 시 탱크 외부로 방출된 증발기체가 주위의 공기와 혼합하여 방출 시의 고압으로 인하여 탱크 상부로 버섯모양의 증기운을 형성하여 상승. 이때 증발된 기체가 주위의 공기와 혼합하여 가연범위 내에 들어오면서 점화원이 있을 때 대형의 버섯모양의 화염을 형성. 이를 Fire Ball이라 하며, Fire Ball의 경우는 그 복사열로 인한 피해가 심각하여 매우 위험하다.

 

 

 

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