증기운 폭발(UVCE)

 증기 운 폭발의 다량의 가연성 가스가 급격히 방출되어 증기가 분산되어 공기와 혼합되면서 증기 운을 형성, 증기의 점화로 발생하거나 폭연을 일으키며 Vapor Cloud Explosion이나 Flash Fire를 발생

 

(1) 누출 시 증기 운 형성 과정에 따른 가스의 분류

 1) Class 1 (LNG, 저온 에탄)
  - 대기압에서 저온 액화된 물질로 저장 온도가 주위 온도보다 낮음
  - 이러한 가스가 유출되면, 주위의 열에 의해 급속히 기화하며, 이에 따라 주위의 온도가 냉각되면 증발 속도가 둔화

 2) Class 2 (LPG, 부탄)
  - 상온에서 가압하여 액화시킨 가스
  - 이러한 가스가 누출 시, 압력이 저하되어 순간적으로 증발 이를 Flashing이라 함

 3) Class 3 (벤젠, 헥산)
  - 그 물질의 비점 이상의 온도(상온보다는 높은 온도)에 있지만, 가압으로 액화시킨 가스
  - 임계 압력은 주위 압력보다 높고, 비점은 주위 온도보다 낮은 상태
  - 누출 시 열전달 및 확산이 증발을 제한

 4) Class 4 (액화 사이클로헥세인)
  - 주위 온도보다 높은 온도에 있으며, 압력을 가하여 액화시킨 가스
  - 누출 시, 순간적인 증발(Flashing)을 일으킴

 

(2) 증기 운 폭발의 메커니즘

 1) 가연성 가스의 누출 : 저장 탱크의 파손, 밸브 손상 등의 원인으로 가연성 가스가 누출

 2) 대량의 증기 운 형성
  - 기화된 가스가 확산하면서 공기와 혼합으로 매우 큰 가연성 혼합기인 증기 운을 형성

  - 기화된 증기가 공기보다 무거울수록 증기 운 형성이 쉬울 것

  - 만일 증기 운 형성 이전에 발화되면, 보통 Flash Fire를 일으킴

 

 3) 발화에 의한 증기 운 폭발

  - 예 혼합된 증기 운에 점화원이 가해져서 발화, 충분한 크기의 증기 운이 이미 형성되어 있으므로 화염속도가 매우 빨라 폭풍을 발생

  - 전파 속도가 매우 빨라지게 되면 폭굉으로 전이

  - 가열된 증기 운은 자체 상승력에 의해 Fire Ball을 형성

 

 4) 증기 운의 발생 조건
  ㄱ. 방출되는 가스가 가연성일 것
  ㄴ. 압력, 온도가 폭발에 적합하도록 높을 것
  ㄷ. 발화전에 충분한 크기의 증기 운이 형성되어 확산할 것
  ㄹ. 발생한 증기 운이 폭발 범위 내의 농도일 것
  ㅂ. 난류성이 충분하여 연소 속도가 높을 것
  ㅅ. Flash Fire에서 증기 운으로 전이되기 위한 조건
  - 가연성 물질이 최소 요구 질량 이상일 것(즉, 충분히 누출되어 있을 것)
  - 보통 1~15ton 정도이며, 밀폐 공간에서는 30kg의 적은 양으로도 가능

 5) 증기 운 영향인자
  - 방출된 물질의 양 : 많이 방출될수록 위험성
  - 증발한 물질의 분율 : 증발량이 많을수록 위험 
  - 증기 운의 점화 확률
  - 발화 직전 증기 운의 이동 거리
  - 증기 운이 점화될 때까지의 시간
  - 폭발한계 이상의 농도
  - 폭발 효율
  - 점화원의 위치

 

 6) 증기 운 예방 대책
  - 가연성, 가스의 유출 방지 : 탱크 파손이나 접속 부 불량 등을 방지하는 것으로, 저장 탱크의 손상 부분 점검, 주위 차량 등의 접근 제한 등
  - 가스 누설이 경보장치를 설치
  - 누설 시, 자동으로 저장 가스를 이송시키는 인터로크 등 안전설계를 반영

 

(3) 증기 운 모델링 기법

  - 증기 운 모델링의 주요 인자

  1. 가연성 물질의 질량 분율

  2. 가연성 물질의 폭발 효율

  3. 증기 운 형성지역의 고립 정도

  4. 증기 운 모델링이란 3가지 주요 인자를 바탕으로 압력을 평가하여 피해를 예측

 

 ㄱ. TNT 당량 모델

  - 폭발에 대한 예측에 가장 많이 사용되는 모델링 기법

  - 이것은 TNT와 가연성 물질의 비율에 의해 폭발 에너지를 평가하는 것

  

  ㄴ. 폭발 효율의 결정
  - TNT 모델에서 가장 중요하고, 신중히 결정할 인자는 폭발 효율
  - 폭발 효율 계산식
    (실제 방출되는 폭발 에너지 / 이론적으로 계산된 폭발 에너지) * 100
  - 폭발 지점에서 특정 위치에서의 폭발압력의 계산(스케일링 법칙)

 

  ㄷ. TNO 멜 티 에너지 모델
  - 이 모델은 폭연으로 인한 연소를 기초로 한 Blast 모델링으로 가정하여 폭발을 평가하는 모델
  - 폭발이 폭굉보다는 폭연으로 발생한다는 것을 가정한 모델이므로, 폭굉은 쉽게 발생하지 않고 폭발이 한 곳에서 시작되어 연쇄 폭발하는 것이 아닌 한 부분에서만 폭발하는 단일 폭발의 개념으로 접근
  - 이 모델은 TNT 당량 모델에서는 가연성 물질의 질량 분율시 폭발에 큰 영향을 미치는 것과 달리, 발생 장소의 고립 정도가 폭발 에너지에 더 많은 영향을 미침

 

  ㄹ. 피해 규모 예측
  - 폭발에 의한 피해는 복사열의 피해도 있지만, 주로 폭발 시에 발생하는 과 압력에 의한 피해로 그 규모를 나타냄
  - 많은 실험과 사고 조사를 통하여 통계화된 폭발과 압력에 대한 피해 규모를 분류한 표에 의하여 피해 규모를 예측할 수 있음( 즉, 모델링 기법에 의하여 과 압력을 산출하여 표에 대조적으로 예측)

 

순간 측면과 압력	피해 결과
10	거의 모든 빌딩이 완전 붕괴
5	철근 콘크리트를 제외한 빌딩이 완전 붕괴
3	오일 저장 탱크가 파열되고 벽돌 건설이 손상
1	벽돌벽의 부분적 붕괴, 일반 가정집 파괴
0.15	유리창이 깨지는 정도

 초기 사고에서 폭발 고압력에 의한 일반적인 영향만이 있는 것이 아니라, 건물 붕괴에 의한 주위의 연쇄 붕괴, 폭발의 연쇄 반응 등에 의해 더 큰 손실을 가져옴