상대습도가 내압방폭구조의 폭발기준압력 결정에 미치는 영향 연구

Abstract

산업의 발전과 함께 다양한 인화성 물질(가스, 증기, 미스트, 분진, 섬유)을 다루는 공정이 증가하고 이에 따른 화재·폭발의 위험은 높아지고 있다. 근원적으로 화재·폭발의 위험을 줄이기 위해서는 인화성 물질을 인화성이 없거나 낮은 물질로 대체하고 사용하는 인화성 물질을 통제(인화성 물질의 양을 줄이고 누출을 억제 또는 최소화하고 누출된 물질을 수거 및 격리)하여 폭발성 분위기가 조성되는 장소를 적게 하고 남아 있는 폭발성 분위기의 존재 가능성에 따라 폭발위험장소를 구분하여 기계·기구를 설계, 선정, 설치, 유지보수 해야 한다. 또한 폭발 발생 시 폭발을 완화(폭발 전파 방지, 폭발압력을 경감, 억제, 노출된 인원을 최소화)시켜 피해를 최소화해야 한다. 폭발위험장소에 전기기기를 설치·사용하는 경우에는 전기기기가 점화원이 되지 않도록 방폭구조를 적용해야 한다. 방폭구조에는 내압, 압력, 안전증, 본질안전, 몰드, 비점화 방폭구조 등 다양한 구조가 적용된다. 내압방폭구조(flameproof enclosure “d”)는 가장 오래되고 안전인증품의 약 40 %를 차지할 정도로 많이 사용되는 방폭구조로서 내압방폭용기의 내부에는 인화성 가스·증기가 존재할 수 있고 내부폭발이 발생해도 용기가 압력에 견디고 기기 주위의 폭발성 분위기로 폭발이 전파되지 않아야 하는 개념이다. 폭발압력은 내압방폭용기의 기계적 강도 설계 및 인증시험 시 내압시험의 기준압력으로 사용되는 중요한 값이다. 폭발압력에 영향을 미치는 요인에는 인화성가스의 농도, 초기온도, 초기압력, 점화원의 위치, 점화에너지, 장애물의 유무 및 형상, 용기의 크기 및 기하학적 형태, 습도 등이 있고 이와 관련된 다수의 선행연구가 있었지만 내압방폭용기의 폭발기준압력의 결정 시 습도의 영향에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 또한, IEC 60079-1: 2017 (15.2절)에는 폭발압력(기준압력) 결정시험을 위한 시료의 구성, 시험절차, 측정된 압력 값의 필터링 방법, 초기압력, 점화위치, 폭발혼합가스의 조성비, 시험횟수, 사용 주위온도가 -20 ℃이하인 기기의 시험방법이 명시되어 있으나 습도가 폭발혼합가스의 폭발압력에 영향을 끼침에도 습도기준은 제시되어 있지 않다. 따라서 가스·증기의 물질 특성을 분류하는 국제기준 ISO/IEC 80079-20-1과 유럽기준 EN 13673-1과 같이 폭발압력시험 시 공기의 습도기준을 명확히 하기 위한 연구가 필요하다. 시험장치는 가스혼합장치, 가습장치, 폭발압력 측정장치로 구성되어 원통형 폭발용기 중앙에서 점화를 시키고 용기의 외벽에 설치된 압력센서로 폭발압력을 측정하였다. 방폭 기기그룹에 따라 IIC(수소, 아세틸렌), IIB(에틸렌), IIA(프로판), I(메탄) 각각의 인화성가스를 공기와 혼합하였다. 폭발혼합가스의 상대습도를 건조한 상태에서 상대습도 80 %까지 10 %단계로 조절하여 폭발시험을 수행하였다. 상온, 대기압(1 atm)에서 수소(31 vol. %)-, 아세틸렌(14 vol. %)-, 에틸렌(8 vol. %)-, 프로판(4.6 vol. %)-, 메탄(9.8 vol. %)-공기 혼합가스의 폭발압력은 상대습도가 증가할수록 폭발압력이 감소하는 경향을 보였다. 특히, 본 연구의 결과에서 수소-공기 혼합가스는 상대습도의 임계값이 10 %로 나타났고, 아세틸렌-공기 혼합가스는 상대습도의 임계값이 20 %로 파악되었다. 또한 분산분석의 결과에 따르면 에틸렌-, 프로판-공기 혼합가스는 상대습도가 10 %에서 20 %로 증가할 때 폭발압력 평균의 차이가 크게 나타났고 메탄-공기 혼합가스는 0 %와 10 %에서 폭발압력 평균의 차이가 없는 것으로 분석되었고 20 %이상에서는 폭발이 일어나지 않았다. 이와 같이 폭발특성에 있어 습도의 증가는 물 분자에서 생성된 라디칼을 증가시키고 폭발용기 내 반응물의 라디칼 농도를 감소시키고 더욱이 수증기의 열용량이 커서 일정한 용기의 체적에서 더 많은 열을 흡수하여 압력을 감소시킨 결과이다. 본 연구는 실험을 통한 실증적 연구로 폭발혼합물의 상대습도를 10 %이상 높아지면 폭발압력은 크게 낮아지거나 점화되지 않을 수 있음을 확인한 유의미한 결과를 도출하였다. 따라서 내압방폭용기의 폭발압력시험은 상대습도를 통제하고 모니터링 하는 것이 권장된다. 이를 위해 인화성가스는 표준가스를 사용하고 압축공기는 드라이어와 황산(H2SO4), 수산화칼륨(KOH), 염화칼슘(CaCl2), 실리카 겔(Silca gel; SiO2·nH2O) 등의 제습제, 습도계를 설치하여 10 %이하로 상대습도를 관리하는 것이 필요하다. 본 연구는 학술적측면과 실무적 측면에서 의의가 있다. 첫째, 학술적으로 내압방폭구조의 폭발시험에 사용되는 폭발혼합농도로 실증하고 그 임계값을 제시하여 이를 기초로 다양한 스케일의 용기 및 형태에 대해 기초자료로 활용 가능할 것이다. 둘째, 폭발압력에 영향을 미치는 상대습도의 임계값을 도출하고 실제 인증에 적용가능한 측면에서 실무적 의의가 있다고 사료된다.