Fire Ball 현상이 발생하는 원리

전쟁영화를 보면 폭탄이 떨어진 다음 폭발하는 모양을 유심히 지켜보면 알게 되는 것이 있다. 불꽃놀이처럼 옆으로 화염과 파편이 퍼져 나가는 형태와, 큰 폭탄이 터졌을 때 화염이 버섯구름처럼 붉게 타오르며 올라가는 형태가 있다. 두 번째 형태를 Fire Ball이라고 하는데 이번 글에서는 Fire Ball이 발생하는 원리에 대해 알아보자.

Fire Ball에 대해 알아보자.

가. Fire Ball이란

가연성 증기가 공기와 혼합하여 폭발범위에 있을 때 점화원에 의해 급격하게 연소할 때 발생하는 대형 화염을 말한다. 가연성 증기는 연소하면서 밀도가 가벼워진다. 그래서 부력에 따라 상승하면서 주변의 공기를 빨아들이게 된다. 따라서 화염이 동그란 공 모양을 이루면서 계속 상승하는 현상을 보여준다. 이 현상은 가연성 가스가 모두 소진될 때까지 지속된다.

 

나. Fire Ball은 왜 동그란 공(Ball) 모양일까?

가연성 증기가 연소하기 위해서는 적당한 양의 공기가 필요하다. 가장 효과적으로 연소하는 방법은 전체의 표면적에서 공기를 흡입하여 연소범위 내에 들어가는 것이다. 그래서 공기를 효과적으로 빨아들이기 위해 표면적이 가장 넓은 공 모양이 되는 것이다.

 

화염이 상승하면서 Fire Ball이 형성된다. (출처 : 국민일보)

Fire Ball의 발생

가. BLEVE(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)

앞 글에서 BLEVE는 비등액체팽창 증기폭발이라고 설명했다. 탱크의 외벽면에 균열이 가는 1차 폭발에 이어, 탱크가 압력을 이기지 못하고 완전히 터져나가는 2차 폭발이 될 때 가연성 가스가 급격하게 쏟아져 나오는 현상이다.

이렇게 급격하게 분출된 가연성 가스는 주위의 산소와 혼합되어 연소범위에 이르게 된다. 이때 외부의 화염에 의해 점화원이 존재하면 연소가 시작 되는데, 가연성 가스의 양이 워낙 많아 폭발적인 연소를 하게 된다. 이때 발생하는 공 모양의 화염이 Fire Ball이다.

 

나. UVCE(Unconfined Vapor Cloud Explosion)

UVCE는 개방된 범위에서의 증기운 폭발이라고 한다. 그냥 줄여서 증기운 폭발현상이라고 부른다. 가연성 가스가 누설되는 경우 탱크나 배관 주위에 머무르면서 커다란 증기 구름 덩어리를 형성한다. 이미 외부로 누출 되었으므로 산소와 결합하여 폭발범위를 형성하게 되는데 이때 점화원이 존재하면 폭발적으로 연소하게 되어 증기운 폭발이라고 부른다.

이 경우에도 가연성 증기 때문에 급격한 연소현상을 보이면서 부력을 가지고 위로 상승하게 되는데, 그 모양이 동그란 공 모양으로 형성되는 Fire Ball의 형상을 이룬다. UVCE는 폭발적인 가연성 가스의 누출이 아닌 지속적인 누출에 의한 응집 현상에서 기인한다는 점에서 BLEVE와 다르다.

 

UVCL에서 Fire Ball 발생

Fire Ball 형성에 영향을 주는 요인

가. 가연성 가스의 양

누출된 가스가 많을수록 Fire Ball이 형성될 가능성이 높다. 그래서 가연성 액화가스를 저장하는 탱크에서 BLEVE 현상이 발생한 이후에 Fire Ball이 조건 반사 형태로 형성되는 이유이기도 하다.

 

나. 넓은 연소범위

연소범위가 넓은 가연성 기체 일수록 Fire Ball이 형성되기 쉽다. 주변의 공기와 혼합될 수 있는 범위가 넓기 때문에 유리하게 된다.

 

다. 점화원의 강도

폭굉(Detonation)의 경우와 마찬가지로 점화원의 강도가 클수록 Fire Ball이 형성될 확률이 높다.

 

라. 유증기 비중

UVCE에서는 배관이나 탱크에서 누출된 후 증기운을 형성하기 위해 바닥에 체류하여야 한다. 그러므로 유증기의 비중이 높을수록 바닥에 체류할 수 있어서 증기운을 형성하기 쉽다. 따라서 유증기의 비중이 높을수록 Fire Ball이 형성될 가능성이 높다.

 

 

BLEVE와 Fire Ball의 차이점

BLEVE와 Fire Ball의 차이점

BLEVE와 Fire Ball은 모두 폭발현상이라는 공통점이 있지만 상호간의 차이를 살펴보자. 시간적 순서로 두 가지를 비교했을 때 BLEVE가 먼저 발생하고 쏟아져 나온 가연성 가스에 의해 이어서 Fire Ball이 형성된다. BLEVE는 탱크 내부 압력 상승에 의한 물리적 폭발 현상이다. 그래서 화염을 수반하지 않고 그 폭발 압력에 의해 피해가 발생한다.

그러나 Fire Ball은 가연성 가스가 공기와 혼합된 상태에서 점화원이 존재하면 발생하는 현상이다. 따라서 화염을 수반하는 화학적 폭발 현상이므로 복사열에 의해 주변이 피해를 받게 된다.

 

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