o 관련규격 및 자료
- NFPA 68 : Explosion protection by deflagration venting(2007)
- 한국화재보험협회 KFS 720 : 폭발벤팅 기준
o 관련법령, 규칙, 고시 등
- 「산업안전보건기준에 관한 규칙」 제232조(폭발 또는 화재 등의 예방)
가스폭발 예방을 위한 폭연 방출구 설치에 관한 기술지침(D-49-2012)
<목 차>
1. 목적
2. 적용범위
3. 정의
4. 폭연 방출구 설계에 관한 일반사항
5. 가스 혼합물 밀폐공간에 설치하는 방출구 면적 설계
6. 배관 등에 설치하는 폭연 방출구 설계
7. 폭연 방출구의 종류와 설치
1. 목적
이 지침은「산업안전보건법」 제23조(안전상의 조치) 및「산업안전보건기준에 관한 규칙」 제232조(폭발 또는 화재 등의 예방)에 따라, 가연성 가스의 폭발로 인한 피해를 최소화 하는데 필요한 폭연 방출구의 설치 방법에 관한 지침을 정하는데 목적이 있다.
2. 적용범위
(1) 이 지침은 용기 등 밀폐공간에서 가연성 가스 또는 증기의 폭연(Deflagration) 발생 시 연소가스와 압력을 신속히 밀폐공간 외부로 방출시킴으로써 폭굉(Detonation)을 예방하고, 이로 인한 구조물과 설비의 피해를 최소화 하기 위하여 설치하는 폭연 방출구의 설계 및 설치 방법에 적용한다.
(2) 이 지침은 다음의 경우에는 적용하지 아니한다.
(가) 폭약 등의 폭굉(Detonation)
(나) 가연성 가스(증기 포함)의 개방공간에서의 폭연
(다) 폭주반응용 비상벤트와 압력용기 및 저장탱크 등에 설치된 압력방출 장치
(라) 외부 화재 또는 다른 가열장치에 노출된 용기를 보호하기 위한 장치
3. 정의
(1) 이 지침에서 사용하는 용어의 뜻은 다음과 같다.
(가) "폭연(Deflagration)"이란 밀폐공간에서 연소속도가 음속보다 느리게 전파하는 폭발을 말한다.
(나) “폭굉(Detonation)”이란 밀폐공간에서 연소속도가 음속보다 빠르게 전파하는 폭발을 말한다.
(다) “폭연지수(Deflagration Index, K)"란 밀폐 설비(체적,V)내에서 연소로 인하여 상승되는 최고 압력상승율(dP/dt)max로부터 계산되며, 가연성 가스 및 인화성 액체(증기)의 폭연지수는 KG로 나타낸다.
(라) “밀폐공간(Enclosure)”이란 전체가 밀폐되거나 또는 부분적으로 밀폐된 공간(체적)을 가진 밀폐 작업장, 용기, 탱크, 배관 및 덕트 내부 공간 등을 말한다.
(마) “폭연 방출구(Deflagration vent)”란 폭연 발생 시 연소가스와 압력을 밀폐공간으로부터 안전한 외부로 신속히 방출시키기 위하여 설치하는 개방된 통기문, 폐쇄된 창문 및 판넬 등을 말한다. (이하 “방출구”라 한다)
(바) “복합 혼합물(Hybrid mixture)”이란 인화성 가스와 가연성 분진의 혼합물을 말한다. 인화성 가스는 해당 가스가 폭발하한계의 10% 이상 포함된 것을 말한다.
(사) “최대압력(Maximum pressure, Pmax)”이란 인화성 가스 또는 혼합물이 밀폐공간에서 폭연이 발생한 경우 최대로 상승할 수 있는 압력을 말한다.
(아) “감쇄압력(Reduced pressure, Pred)”이란 밀폐공간으로부터 폭연이 방출되는 동안 밀폐공간에 생성될 수 있는 최대 압력을 말한다.
(자) “방출구 개방압력(Static activation pressure, Pstat)”이란 압력이 서서히(압력증가율이 10 kPa/min 이하) 증가할 때 방출구 뚜껑이 열리는 압력을 말한다.
(차) “저강도 밀폐공간(Low strength enclosure)”이란 10 kPa(0.1 bar)이하의 압력을 견딜 수 있는 밀폐공간을 말한다.
(타) “고강도 밀폐공간(High strength enclosure)”이란 10 kPa(0.1 bar)를 초과하는 압력을 견딜 수 있는 밀폐공간을 말한다.
(2) 그밖에 용어의 뜻은 이 지침에서 규정하는 경우를 제외하고는「산업안전보건법」 , 같은 법 시행령, 같은 법 시행규칙 및 「산업안전보건기준에 관한 규칙」에서 정하는 바에 따른다.
4. 폭연 방출구 설계에 관한 일반사항
4.1 기본 개념
(1) 폭연지수(K)는 밀폐공간(체적,V)에서 연소 시 생성되는 최고 압력상승률로 부터 식(1)과 같이 계산된다. 폭연지수와 최대압력(Pmax)은 방출구 크기 설계에 활용된다.
K = ( dP/dt )max·V1/3-------------------------------------------- (1)
여기서,
K : 폭연지수 [bar·m/sec]
(dP/dt)max : 최고압력상승률(Maximum rate of pressure)[bar/sec]
V : 용기 체적[㎥]
(2) 폭연지수(K)는 가스인 경우에 KG, 분진인 경우에 Kst라 표기하며, 가장 정확한 값은 실험에 의하여 결정된다.(<별표 1> 참조)
(3) 가스의 폭연지수 KG의 경우는 실험에 의한 값이며, 실험값이 없는 경우에는 프로판의 KG값 100 bar·m/sec)를 기준으로 하여 기본연소속도(Su, Fundamental burning velocity)로부터 유추한다. (각 주요물질의 기본연소속도는 <별표 2> 참조)
4.2 혼합물의 폭연지수
(1) 방출구 설치 시 적용하는 가스 혼합물의 폭연지수(KG)는 혼합물 조성의 폭연지수 중에 가장 큰 폭연지수를 적용한다.
(2) 복합 혼합물에 방출구를 설치하는 경우에는 혼합물 중 분진의 폭연지수(Kst) 실험값을 적용한다. 실험값이 없을 경우에는 프로판의 연소 특성치를 활용하여 Pmax = 10 bar, Kst는 500 bar·m/sec를 적용한다.
4.3 밀폐공간의 강도 설계
4.3.1 밀폐공간 설계의 압력설정 기준
(1) 감쇄압력(Pred)은 취급 밀폐공간 재질의 극한강도(Ultimate stress, 변형이 일어나지 않는 허용 강도)의 2/3를 초과하지 않아야 한다.
(2) 변형이 허용되지 않을 경우에 감쇄압력(Pred)은 취급 밀폐공간의 항복응력(Yield strength)의 2/3를 초과하지 않아야 한다.
(3) 밀폐공간의 설계는 압력용기 설계 규정 등을 활용하며, 계산에 따라 최고 허용압력(Pmawp, Maximum allowable working pressure)으로 설계한다.
(가) 파열되지는 않으나, 영구변형으로 허용 가능한 밀폐공간을 위한 Pred와 Pmawp는 식(2)로 나타낸다.
Pred ≤ (2/3)·Fu· Pmawp-------------------------------------------- (2)
(나) 영구변형으로도 허용이 가능하지 않는 밀폐공간을 위한 Pred와 Pmawp는 식(3)으로 나타낸다.
Pred ≤ (2/3)·Fy·Pmawp-------------------------------------------- (3)
여기서
Pred = 방출되는 동안 밀폐공간(용기)에 생성되는 최대 압력(bar)
Fu = 압력용기설계 기준에서 용기의 최고 강도와 용기의 허용강도 비율
Pmawp = 압력용기설계 기준에 따른 용기의 설계압력(bar)
Fy= 압력용기설계 기준에서 용기 제작 재료의 허용강도와 항복응력의 비율
(다) 주철과 같이 부서지기 쉬운 재질의 경우에는 특별한 보강을 하여야 한다. 보강조치를 하지 않을 경우, 최고허용설계 강도는 극한강도의 25%를 초과해서는 아니된다.
4.3.2 벽 또는 지붕으로의 방출
(1) 벽이나 지붕으로 방출할 경우에는 작업자나 그 밖의 기계․ 설비 등 물적인 손상이 없도록 설치하여야 한다.
(2) 방출구로 허용되는 지붕은 허용 압력에서 열리도록 가벼워야 하며, 눈이나 얼음 등에도 불구하고 잘 열릴 수 있도록 관리하여야 한다.
4.4 밀폐공간의 길이와 직경비 및 방출 변수
(1) 일반적으로 폭연은 밀폐공간의 말단에서 방출되도록 설계하여야 하나, 최적의 효과적인 방출구 면적 산출은 밀폐공간의 전 범위에 확산되는 Pred에 의하여 결정한다.
(2) 방출구는 밀폐공간의 길이에 따라 하나 이상으로 분산하여 설치할 수 있으며, 크기(면적)는 밀폐공간의 길이(L)와 직경(D)의 비(L/D)에 따라 결정한다.
4.5 방출구 뚜껑(Closure)의 개방
(1) 방출구 뚜껑은 쉽게 열리도록 하여야 한다.
(2) 방출구 뚜껑은 뚜껑의 내외부 부식, 충전물의 축적, 눈이나 얼음 등에도 불구하고 잘 열릴 수 있도록 관리하여야 한다.
(3) 공정내 또는 공정과 연결된 밀폐공간에 설치하는 방출구 뚜껑은 공정에 사용하는 물질 특성에 따라 부식에 강한 재질을 선정하여야 한다.
(4) 방출구 뚜껑은 방출구로부터 내용물 및 압력이 쉽게 방출될 수 있도록 내․ 외부를 청결하게 관리하여야 한다.
(5) 옥외에 설치하는 방출구의 뚜껑 및 덕트는 빗물이나 그 밖의 부스러기 등이 들어 올 수 있으므로 수평으로 설치해서는 아니 된다. 다만, 빗물이 들어오지 못하도록 뚜껑 및 덕트 상부에 보호막을 설치한 경우에는 그러하지 아니하다.
(6) 방출구 뚜껑은 방출구 개방압력(Pstat)이나 제조자가 정한 압력범위 내에서 열리도록 하여야 한다.
(7) 방출구 뚜껑은 개방압력 이하의 변동 압력에서 열려서는 아니 된다.
4.6 폭연의 영향
(1) 폭연으로 방출구가 열리는 동안에는 설비 내용물과 압력이 구조물, 설비 및 인명에 대하여 피해를 주지 않도록 안전한 외부로 직접 유도하여야 한다.
(2) 방출구는 공기가 유입되는 장소와 떨어진 곳에 설치하여야 하며, 그 이격거리는 화구(Fireball)가 생성되는 길이 이상이 되도록 설계하여야 한다. 화구길이의 계산은 식(10)과 같다.
(3) 방출구는 사무실 건물 및 작업장으로부터 화구길이 이상으로 떨어진 곳에 설치 하여야 한다. 다만, 위험성 평가 결과 전문가의 판단에 따라 그 거리를 줄일 수 있다.
(4) 사무실 건물 및 작업장으로부터 화구길이 이상으로 떨어진 곳에 방출구 설치가 불가능하거나 그 거리를 최소화하기 위해 방호판(Deflector)을 다음 각 호와 같이 설치한다. 화염길이가 길 경우 방호판을 설치하여도 효과가 없기 때문에 밀폐용기의 체적이 20 ㎥이하인 경우에만 설치한다.
(가) 방호판의 크기(직경)는 가능한 한 방출구 크기(직경)의 1.75배로 한다.
(나) 방호판은 그림 1과 같이 방출구 각도와 45～60°의 기울기를 갖도록 설치한다.
(다) 방호판 설치는 방출구로부터 방출구 직경(D)의 1.5D 거리에 설치한다.
(라) 방호판은 폭발 시 감쇄압력(Pred)으로 계산되는 방출압력에 견디어야 한다.
4.7 방출용 덕트
(1) 건물내부의 밀폐공간에 설치된 방출구의 경우, 방출구로부터 옥외까지 유도하도록 방출용 덕트를 설치하여야 한다.
(2) 방출용 덕트의 크기(직경)는 방출구 크기(직경) 이상으로 설계하여야 한다.
(3) 덕트는 불연성 재질로 제작하여야 하며, Pred 강도에 견디어야 한다.
(4) 덕트 길이가 길거나 위험성 평가를 실시한 후 필요하면 방출용 덕트 내에 화염 방지기를 설치한다.
<그림 1> 용기에 설치된 방출구에 방호판 설치 설계
** 이하 내용은 "첨부자료" 참조
[ 첨부자료 ] 가스폭발 예방을 위한 폭연 방출구 설치에 관한 기술지침(D-49-2012)
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