증기운 폭발 (VCE, UVCE) , 화구 (Fire Ball)

증기운 폭발 (VCE, UVCE)

다량의 가연성 가스나 인화성 액체가 외부로 누출될 경우 해당 가스 또는 인화성 액체의 증기가 대기 중의 공기와 혼합하여 폭발성을 가진 증기운(Vapor Cloud)을 형성하고, 이때 점화원에 의해 점화할 경우 화구(Fire ball)를 형성하며 폭발하는 형태를 증기운 폭발(VCE, Vapor Cloud Explosion)(UVCE, Unconfined Vapor Cloud Explosion)이라고 한다.

 

증기운 폭발은 가연성의 혼합가스 상태인 증기운에서 발생하는 폭발로 밀폐된 공간에서 발생된다. 또한 물질의 양이 많고, 연소 속도가 빨라 개방된 공간에서 발생하는 증기운 폭발을 자유공간 증기운 폭발 UVCE(Unconfined Vapor Cloud Explosion)라고 한다.

 

증기운 폭발이라는 것은 말 그대로 증기로 된 운(雲)의 폭발을 말한다. 가연성의 혼합가스의 양이 많아 구름의 형태로 존재하는 상태에서 외부 점화원의 존재로 폭발이 발생하는 것이다. 가연성 가스 또는 인화성 액체가 구름의 형태로 존재하기 위해서는 다량의 가연성 가스 또는 인화성 액체가 누출되어야 한다.

 

증기운 폭발은 주로 화재에 의한 재해 형태를 보이고 있으며, 주변 공정 및 시설물에도 막대한 피해를 준다. 따라서 가연성가스나 인화성 액체를 다량 취급하는 화학공정이나 가스 저장시설 등은 증기운 폭발이 발생하지 않도록 지속적인 관리가 필요하다.

 

증기운 폭발의 특징

① 증기운은 증기운 상태로의 크기가 커질수록 표면적이 넓어지기 때문에 착화 확률이 높아지게 된다.

② 증기운 폭발이 발생하게 되면 주로 폭발로 인한 피해보다는 화재에 의한 재해 형태를 보인다.

③ 가연성 증기가 난류형태로 발생한 경우 공기와의 혼합이 더욱 잘 되어 폭발의 충격이 더욱 커지게 된다.

④ 증기운 폭발의 충격파는 최대 약 1 atm정도이며, 폭발 효율이 낮다.

 

 

증기운 폭발의 발생 메커니즘

Fig.1 증기운폭발 메커니즘

① 가연성 가스 또는 인화성 액체 등이 누출된다.

② 누출된 가스 또는 인화성 액체의 증기는 공기와 혼합하여 증기운을 형성한다.

③ 외부의 점화원에 의해 연소가 시작된다.

④ 연소되는 증기운은 급속도로 연소가 진행되는 Flash 화재의 형태가 되며, 연소속도가 빨라 과압을 형성하며 폭발이 발생한다.

 

증기운 폭발의 예방법

① 가연성가스 또는 인화성 액체의 누출이 발생하지 않도록 지속적으로 관리한다.

② 가연성가스 또는 인화성 액체의 재고를 최소화시킨다.

③ 가스누설감지기 또는 인화성 액체의 누액 감지기 등을 설치하여 초기 누출 시 대응할 수 있도록 한다.

④ 긴급 차단장치를 설치하여 누출이 감지되면 즉시 공급이 차단되도록 한다.

 

화구 (Fire Ball)

화구(Fire Ball)는 가연성의 증기운이 발생하여 증기운 폭발(VCE)에 의한 폭발 발생 시 에너지 양이 많을 경우 Fire Ball을 형성하게 되며, 복사열에 의해 피해를 발생시킨다. 화구가 발생될 경우 화구 하부로 공기가 유입되며, 온도가 상승됨에 따라 밀도가 감소하여 위로 상승하는 특징을 가지고 있다.

 

화구(Fire Ball) 발생 메커니즘

Fig.2 Fire Ball 메커니즘

① 인화성 물질 탱크 또는 배관설비에서 물질이 누출되어 화재가 발생한다.

② 화재로 인해 다량의 가연성 증기운을 형성하게 되며, 화재가 확산한다.

③ 화염이 반구를 형성하고, 밀도가 감소함에 따라 화염이 상부로 상승하며 화구를 형성한다.

④ 화구의 밀도는 더욱 감소하게 되어 상승하게 되고, 하부로 부터는 공기가 유입되어 지속적으로 연소된다.

 

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화재 및 폭발과 관련된 사항은 아래 링크에서 참고하면 된다.

 

Boil Over , Slop Over , Forth Over 의 개념

분출 화재 (Jet Fire) 와 액면 화재 (Pool Fire) 의 개념

비등 액체 팽창 증기 폭발 (BLEVE, Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)

폭굉 현상 (Detonation Phenomenon) 과 폭굉 유도 거리

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