폭연과 폭굉, 그리고 폭굉 유도거리(DID)를 알아보자

폭연과 폭굉이란 무엇인가?

가. 폭연(Deflagration)

폭연이란 연소부분에서 미연소부분으로의 화염 전파가 전도, 대류, 복사에 의해 완만하게 전달되는 것을 말한다. 화염 전파시의 압력은 완만한 충격파로 전해지며, 충격파의 압력은 정압으로 표현된다. 압력면 뒤에 반응면이 음속보다 느리게 따라온다. 그래서 화염의 전파속도는 음속보다 느린 0.1 ~ 10m/s에 해당한다. 육안으로 봤을 때 폭발적인 속도는 아니지만 빠른 속도의 화염 전파로 인식이 된다.

 

나. 폭굉(Detonation)

폭굉이란 급격한 폭발을 의미한다. 연소부분에서 미연소부분으로의 화염 전파가 압축파가 중첩이 되면서 충격파로 순식간에 전달되는 것을 말한다. 충격파의 압력은 정압 + 동압이며, 화염의 전파속도가 음속보다 빠른 1,000 ~ 3,500m/s에 해당한다. 이때 온도의 상승은 열에 의한 전파라기 보다는 충격파의 압력에 기인한다. 이때 충격파의 압력은 약 100Mpa로서 폭연의 10배 이상에 해당한다. 육안으로 봤을 때 갑작스런 폭발현상이 순식간에 연속으로 발생하는 것으로 인식된다.

 

폭연 현상인 경우의 그래프

폭연과 폭굉의 구분

폭연과 폭굉을 구분할 때 다음과 같은 인자로서 구분할 수 있다.

① 화염 전파속도의 차이 : 폭연에서의 화염 전파속도는 0.1 ~ 10m/s로 음속보다 느리지만 폭굉은 1,000 ~ 3,500m/s로 음속보다 빠르다.

② 폭발반응 전파 원인의 차이 : 폭연은 전도, 대류, 복사에 의해 화염반응이 미연소부분으로 전파된다. 폭굉은 충격파의 압력으로 인해 폭발반응이 전파된다.

③ 충격파 압력의 차이 : 폭연에서의 충격파의 압력은 정압이지만, 폭굉에서는 정압과 동압이 합쳐져 초압에 비해 10배 이상으로 상승한다.

④ 화염면에서 연속 또는 불연속의 차이 : 폭연은 압력의 Peak가 완만하여 화염면에서 온도, 압력, 밀도 등이 연속적으로 전파된다. 폭굉은 압력의 Peak가 매우 뾰족하여 화염면에서 온도, 압력, 밀도 등이 불연속적으로 나타난다.

⑤ 연소형태 : 폭연은 가연성가스가 공기(산소) 중에 노출되면서 연소범위를 이루어 화재가 발생하는 확산연소의 형태를 보인다. 폭굉은 가연성가스가 공기(산소)와 폭발에 최적화된 농도로 미리 혼합되어 있는 상태에서 점화될 때 나타나는 예혼합연소의 형태를 보인다. 그만큼 빠르다는 것을 의미한다.

⑥ 폭발환경 : 폭연은 주로 개방된 환경에서 이루어지는 형태임에 비해, 폭굉은 밀폐된 상태의 환경에서 주로 발생한다.

 

폭굉 현상을 나타내는 그래프

폭연이 폭굉으로 전이되는 메카니즘

 

화재가 폭굉으로 연결되는 메카니즘

점화원에 의해 화재가 발생하면 미연소부분으로의 화염전파가 시작되는데 이 화염전파에 의해 연소파가 형성이 된다. 그리고 연소파에 의해 화염의 전방에서는 압축파가 발생한다. 이러한 압축파는 연이어 발생하는 압축파와 중첩되면서 더 강한 충격파로 전이된다. 충격파는 단열 압축을 수반하게 되는데 이로 인해 온도가 발화점 이상으로 상승하게 되어 발화를 촉진하고, 그 충격파가 배후에 연소를 수반하면서 엄청난 폭굉파를 형성한다.

폭굉 유도거리(DID)

가. 폭굉 유도거리란

화재 이후 완만하게 진행되던 연소가 폭굉으로 발전할 때까지의 거리를 폭굉 유도거리(Detonation Induction Distance)라고 한다. 즉, 착화에서부터 폭굉파가 발생하는데 소요되는 거리를 말한다. 폭굉에 이르게 되는 시간적 의미라기보다는 설비 및 배관에서의 물리적 거리를 의미한다. 폭굉 유도거리는 길수록 유리하다. 만약 폭굉 유도거리가 짧아진다면 해당 설비는 순식간에 폭굉으로 전이되어 큰 피해를 발생시킬 수 있다는 것을 말해주기 때문이다.

 

나. 폭굉 유도거리가 짧아지는 원인

① 연소속도가 큰 혼합가스일수록

② 관속에 장애물이 있을 때

③ 배관의 지름이 작을 때

④ 배관의 상용 압력이 고압일 때

⑤ 점화원의 에너지가 강할수록

 

 

폭굉으로 전이되는 것을 방지하려면

가. 화염방지기(Flame Arrestor)를 설치한다.

배관의 시작 부분 또는 분기부분 입구에 화염방지기를 설치하여 배관 내에서 전파되고 있는 화염이 배관의 미연소부분으로 넘어가지 않도록 한다. 화염방지기는 외부에서 발생한 화염이 배관 내부로 전이되지 않도록 하는 의미와, 배관 내에서 발생한 화염이 다음 설비 또는 배관으로 전이되지 않도록 하는 두 가지 의미를 동시에 가지고 있다.

 

나. 파열판(Rupture Disc)을 설치한다.

안전밸브를 대체할 수 있는 방호조치로서 판 입구측의 압력이 설정압력에 도달하면 디스크가 파열되면서 유체가 분출되도록 하는 파열판을 설치한다. 화염이 충격파로 전이되어 용기 또는 배관 내부에 과압이 발생한 경우 파열판을 통해 압력이 배출되게 하여 다음 부분으로의 연소를 방지한다.

 

다. 불활성화 조치를 한다.

폭굉이 발생하기 위한 조건으로 길고 좁은 밀폐된 공간(용기, 배관, 덕트) 내에 가연성 가스가 압력 상태로 존재할 때 가장 문제가 된다. 그러므로 폭굉으로의 전이가 우려되는 부분에는 불활성 소화약제를 준비하여 일정 부분에서 불꽃, 화염, 압력 등이 발생하면 그 다음 구간에서 불활성 소화약제가 분출되게 하여 순식간에 배관 등을 폭발농도 이하로 불활성화 조치하여 폭발이 폭굉으로 이어지지 않도록 한다.

 

라. 긴급차단장치를 설치한다.

불활성화 조치와 유사한 방법으로 배관 또는 덕트를 긴급하게 차단하는 방법을 사용한다. 일정 부분에서 화염 또는 상용압력 이상의 압력이 감지되면 다음 부분을 긴급하게 차단하는 장치를 설치하여 폭굉으로 전이되는 것을 방지한다.

 

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