[화재감식평가산업기사] 폭발, 폭발압력파 효과

1. 다음 그래프의 해당하는 압력 상태를 쓰시오.(2015)

A : 정압(+) 단계 

B : 부압(-) 단계

 

2. 다음 보기는 폭발의 성립 요건에 대한 설명이다. 빈칸의 내용을 쓰시오. (2018)

① ( 밀폐된 공간 )이 존재하여야 된다.
② 가연성 가스, 증기 또는 분진이 ( 폭발범위 ) 내에 있어야 한다.
③ ( 점화원 )이 있어야 한다.

 

3. 다음에서 설명하는 폭발의 종류를 쓰시오. (2019)

① 저장탱크에서 유출된 가스가 대기 중의 공기와 혼합하여 구름을 형성하고 떠다니다가 점화원(점화스파크, 고온표면 등)을 만나면 발생할 수 있는 격렬한 폭발현상 : 증기운 폭발 

② 용융금속의 슬러그(Slug)와 같은 고온물질이 물속에 투입되었을 때 순간적으로 급격하게 비등하여 상변화에 따른 폭발현상 : 수증기폭발 

 

4. 건축물 폭발현장의 [조건]을 참고하여 다음 물음에 답하시오, 고압 스팀보일러에서 물리적 폭발 발생을 입증하기 위한 흔적과 이유를 쓰시오(2017)

[조건]
건축물 지하실에 LNG를 연료로 하는 고압 스팀보일러가 설치되어 작동 중 지하실에 폭발사고가 발생하였다.

① 흔적 : 유리창의 파손, 배관의 파열, 관체의 파열 등

② 이유 : 고온 · 고압의 밀폐된 보일러 용기에서 관체의 부식, 피로, 균열 등에 의한 내압의 감소 또는 과열에 의한 내압의 상승에 의해서 관체, 전열관 등의 압출, 팽출, 파열이 원인이다.

 

---

● 폭발

다양한 원인으로 인하여 갑작스럽게 압력이 증가하여 주변 기체 부피가 증가하는 현상

 

1) 물리적 폭발 

물리적 폭발은 원소간 화학적 반응 없이 물리적 반응으로 인해 발생하는 폭발이다

물리적 폭발은 증기 폭발(vapor explosion 혹은 rapid phase transition), 수증기 폭발(steam explosion), 비등 액체 팽창증기폭발(BLEVE, Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)로 분류된다

 

① 증기 폭발

- 액체를 급속하게 가열하거나 주변 압력이 감소하는 경우 액체 내부에서 기포가 생성 되며 증발하는 비등현상에 의해 발생하는 폭발

- 증기 폭발이라는 용어가 정확한 의미를 충분히 전달하지 못하기 때문에 미국에서는 RPT (Rapid Phase Transition, 급속 상변화)라고 표기 하는 경우도 있다.

- 비등현상에 의해 액체가 급격히 기화하면 기체 부피가 증가하게 되는데, 이로 인해 압력이 증가하여 폭발이 발생한다. - 폭발 과정 중에 착화가 별도로 필요하지 않으므로 화염 발생은 없으나 가연성가스가 기화한 경우 가스폭발이 발생할 수도 있다.

 

② 수증기 폭발

- 물에 의하여 증기 폭발이 발생하는 경우

- 고온물질이 물속에 투입되거나(열이동형 증기폭발) 대기압보다 높은 압력에서 과열된 물이 순간적으로 대기압으로 방출되어 평형상태가 파괴되는 경우(평형파괴형 증기폭발) 발생한다.

- 평형파 괴형 증기폭발은 보일러 관체가 파손되는 경우 발생하기도 한다

 

③ 비등액체 팽창증기폭발(BLEVE)

- 고압 액화가스를 담고 있는 가스용기가 파괴된 경우 용기 내 액체가 급격히 기화하면서 발생하는 물리적 폭발

- 화구나 가스 폭발 등 화학적 폭발로 이어지는 경우가 많다.

- 비등액체 팽창 증기 폭발이나 평형파괴형 증기 폭발과 같은 물리적 폭발로 인하여 액화가스 저장탱크가 파열되면 내부 가열된 액화가스가 급속히 유출되면서 화구(fireball)를 형성한다.

- 압력파, 화구, 용기 파손, 내부 액체 인화 등의 원인이 된다.

 

2) 화학적 폭발

화학적 폭발은 화학적 반응에 의해 폭발이 발생 하는 경우로 가스 폭발(gas explosion), 증기운 폭 발(vapor cloud explosion or unconfined vapor cloud explosion), 분무 폭발(mist explosion), 분 진 폭발(dust explosion), 불안전 물질 폭발(explosion of explosive material)이 여기에 속한다.

 

① 가스폭발

- 기체가 빠르게 반응할 때 반응열 에 의하여 주변 기체가 팽창하면서 발생시킨 열과 압력으로 인하여 발생한 폭발 현상

- 도시나 화 학공장에서 가장 많이 발생하는 폭발재해 중 하나로 주로 가연성 가스와 지연성 가스 혼합기체에서 발생한다.

- 가스 폭발이 주변에 미치는 영향은 주변 환경 개폐 정도(confinement), 장애물 밀도 (obstacle density)와 같은 지리적 조건뿐만 아니라 환기 정도(ventilation), 발화 시간(ignition), 연료 반응성(fuel reactivity), 주변 온도(temperature) 등 다양한 요인에 따라 정도가 달라지므로 가스 폭발 영향 평가시 다양한 조건에 대한 고려가 필요하다.

 

② 증기운 폭발(VCE or UVCE)

- 가스 폭발의 일종 으로 지표면에 유출된 가연성 가스나 기화하기 쉬운 가연성 액체가 분산과 확산을 통해 증기운을 형 성하고, 그 증기운이 점화하여 발생하는 폭발

- 증기운 크기에 따라 피해 정도가 달라지며, 화학공정에서 가장 위험하고 파괴적인 폭발이다.

- 주변에 장애물(obstacle)이 존재하는 경우, 장애물 주변에 난류(turbulence)가 발생한다. 이로 인해 연소 비율, 그리고 난류와 유속이 증가한다. 이러한 증폭피드백(positive feedback)이 진행되면서 폭발에 의한 피해 역시 증가한다.

- 난류 외에도 증기운 농도에 따라 화염속도(flame velocity)가 달라진다.

 

③ 분무 폭발

- 가연성 액체가 공기중에 누출되어 가스-공기와의 부유 상태 혼합물을 형성하여 발생하는 폭발

- 분무(mist)는 일반적인 인화점보다 낮은 온도에서 폭발 가능하며, 고압의 유압설비가 일부 파손되어 분출하는 경우 발생한다.

- 분무 폭발에 대한 연구가 제한적이고 발생 메커니즘 역시 정 확히 규명되지 않았다.

- 유사 현상으로는 박막 폭굉 (film detonation)이 있다.

 

④ 분진 폭발

- 공기 중에 잘 혼합되어 있는 분진 이 에너지를 받아 분해되면서 발생한 열과 압력이 분진운 전체로 전이되어 갑자기 연소 ․ 폭발하는 현상

- 분진 폭발은 과거 탄광에서 주로 발생하였으나, 최근 곡물과 연료 저장설비나 금속공정, 식료품 공정, 제약 공정 등 여러 분야 에서도 발생한다.

- 분진 폭발 요소에는 가연물 (fuel), 발화(ignition), 개폐정도(confinement), 분산(dispersion), 산소(oxygen)가 있으며, 이를 통 틀어 분진 폭발 오각형(dust explosion pentagon) 이라고 부른다.

- 가스폭발에 비해 연소속도나 폭발 압력이 작으나 연소시간이 길고 발생에너지가 크기 때문에 파괴력과 연소정도가 크다.

- 분진 폭발 발생 시 분출가스로 인해 분진이 여러 방향으로 비산하 면서 다른 화염전파기구를 형성하는데, 이런 경우 2 차, 3차 분진폭발이 발생하기 때문에 폭발 피해가 증가한다.

 

⑤ 불안정 물질 폭발

- 불안정한 물질이 자체 분 해 반응열이나 외부에서 가해지는 미소 충격이나 가열에 의하여 물질 자체가 발열, 분해되어 폭발하는 현상이다.

- 분자 내에 탄소(혹은 질소) 이중결합 및 삼중결함, 산소결합, 탄소-질소 결합 등 분해 에 너지가 큰 결합을 포함하고 있다.

- 고체 자기반응성 물질(solid explosives)이 폭발하는 것을 고체 폭발 이라 한다.

- 고체폭발은 기체상태 혼합물보다 분자 간 거리가 가까워서 물질의 단위 체적당 발열량이 크다.

- 발열속도가 매우 빨라 가스폭발에 비해 폭발 위력이 대단히 크다.

 

●폭발효과

폭발의 형태에는 기계적 폭발, 화학적 폭발, 전기폭발, 핵폭발이 있으며, 폭발효과에는 폭발압력파효과, 파편효과, 열효과 및 지진효과가 있다.

 

1. 폭발압력파 효과

물질이 폭발하면 다량의 가스를 생성하고, 이들 가스는 높은 속도로 팽창하여 폭발의 발 생지점으로부터 바깥쪽으로 움직인다. 가스에 의해 움직인 공기는 주로 폭발과 관련 있는 손상 및 부상을 일으키는 압력파를 생성하고, 폭발압력파는 폭발의 발생지점에서 힘의 방 향에 따른 양압단계와 부압단계의 두 가지 국면에서 일어난다.

 

1) 양압단계(Positive Phase) 팽창가스가 사고 발생장소로부터 멀리 움직이는 폭발 압력파 부분이며, 보통 부압단계보 다 더 강력하고 압력손상의 대부분을 차지하고 있다. 부압단계는 확산단계(가스/증기) 폭 발의 후기 폭발조사나 증거로 감지할 수 없을 수도 있다.(그림 2참조)

2) 부압단계(Negative Phase)

양압단계의 급속한 팽창이 폭발 발생지점으로부터 바깥으로 움직일 때 주변을 에워싼 공기를 밀어내고, 압축․가열한다. 주위압력에 비해 상대적으로 낮은 공기 압력상태가 발생지점 중심부에 생기며, 양압단계가 사라질 때 생성된 부압단계인 낮은 공기 압력조 건을 평형상태로 만들기 위해 공기는 발생지점으로 역류한다. 부압단계는 2차적인 손상을 일으킬 수 있고, 발생지역 쪽으로 물증을 이동시켜 발생지 역을 숨길 수 있다. 부압단계는 보통 현저하게 적은 힘이지만 양압단계에 의해 이미 약 해진 구조물을 무너지게 할 수 있다.

 

 

 

 

출처:

https://www.koreascience.or.kr/

https://www.kfpa.or.kr/