우레탄폼 시공의 위험요인 분석 (접합용기 폭발, 가연물 화재)

 

우레탄폼 뿜칠 시공작업의 위험성

 1  사고사례

• 서울 종로 미술관 신축공사 화재 (2012.8.13 사망 4, 부상 9) 
• 부산 냉동창고 신축공사 화재 (1998.10.29 사망27, 부상 16) 
• 이천 물류 냉동창고 신축공사 화재 (2008.1.7 사망 40, 부상 10) 
• 서울 구로 오피스텔 신축공사 화재 (2007.3.17 사망1, 부상 60) 
• 거제 조선소 카고홀드에서 화기작업 중 화재 (2015.11.10 사망1, 부상6)

 2  우레탄폼 개요

• 건축물에 사용되는 우레탄폼의 종류는 단열재 등으로 미리 성형 제조한 우레탄폼 단열판, 벽체 및 지붕재로 사용하기 위해 제조한 복합재질 샌드위치 패널, 현장에서 직접 시공하는 스프레이 우레탄폼 등이 있음.
• 용도 : 주로 단열재의 용도로 건설현장의 외장재, 조선소 내장재 등 많은 곳에서 사용
• 특성 : 한번 불이 붙으면 폭열을 일으키며 연소, 특히 1,000℃ 이상 되는 용접불티는 우레탄 속으로 파고 들어가 서서히 연소하고 일정 시간이 경과되어 발화되면 급속히 확산

• 반응 메커니즘
- 폴리우레탄 발포체는 성형할 때 고분자의 상태에 따라 여러 가지로 분류하나, 동상적으로 반응성이 아주 빠른 두 액상 원료 [diisocyanate:A 액]와 [polyol:B 액]를 혼합시켜 기체(CO2) 발생 및 고분자화 반응 진행 시 급격히 점도가 상승하며, 발열반응에 의해 체적 평창으로 발포체가 형성
- 폴리우레탄 폼의 생성원리는 히드록실 말단기의 고분자 체와 디이소시아네이트가 수가교에 의한 탄성체 생성 반응에 따라 가교 망상화 반응을 일으켜 분자를 거대화 시킴과 동시에 이때에 발생하는 가스에 의해 팽창하여 구형 또는 반구형 또는 다각형의 세포상 조직체가되고 경화시켜 폴리우레탄 폼이 된다. 발포 반응의 주류는 이소시아네이트 기(基)와 물의 반응이나 여러가지가 개발되고 있다.

 

• 발화 시의 특징
- 우레탄폼은 할로겐 화합물로써 인(Phosphate)을 첨가시킬 경우 난연성을 띠기는 하나 불연성은 아니며, 한번 불이 붙으면, 폭열을 일으키면서 연소하는 특성이 있음. 특히 1,000℃ 이상 되는 용접불티가 발포 우레탄에 떨어지면 우레탄 속으로 파고 들어가 서서히 연소하고 일정 시간이 경과되어 발화되면 급속히 확산되는 특성이 있음
- 우레탄폼 발화 초기에는 흰 연기를 내며 분해반응을 일으키다 발포체가 녹아 타면서 검은 연기를 내뿜으며 급격히 확산되고, 우레탄 표면의 피막으로 인해 소화약제 침두가 어려워 일반 화재보다 화재 진화가 어려움
- 우레탄폼 연소 시 발생하는 연기에는 염화수소(HC), 황화수소(HS), 이산화질소(NO), 일산화탄소(CO), 이산화황(SO), 시안화수소(HCN) 등의 유독가스가 포함되어 있어 근로자들이 유독가스를 흡입할 경우 치사 원인으로 작용함 

• 화재 예방
- 화기 작업은 단시간 및 다른 작업과 동시에 이루어지고, 소규모 업체가 도급을 받아 직업을 하고 있어 안전 수칙이 제대로 지켜지지 않고 있으며, 건축물의 완공 후 하자 보수 시 인화성물질 제거 및 불티비산방지 조치 등을 소홀히 할 경우
화재로 이어짐.
-그러므로 화재에 적응성이 뛰어나고 시공이 편리한 난연성 단열재 사용이 절대적으로 필요함.
- 폴리우레탄폼을 고난연성 재질로 변경하여 화기작업에 따른 불티 또는 용단물 등에 폴리우레탄폼이 쉽게 착화되지 않도록 하는 등의 화재예방을 위한 대책 수립이 필요함.
- 준불연 이상의 단열재를 사용할 경우 초기 시공비는 스티로폼에 비해 높으나, 유지·보수 작업 시 용접·용단으로 인한 화재 발생 위험을 고려하면 준불연 단열재를 사용하는 것이 화재 발생으로 인한 재산 손실을 막을 수 있음. 
- 한국 우레탄 협회에 따르면 폴리우레탄은 415℃가 넘어야 발화가 되고, 화염이 있을 경우는 310℃ 이상에서 연소가 시작됨다. 이는 목재(참나무발화점 450℃, 인화점 260℃)의 발화성질과 유사한 것으로 폴리우레탄폼 자체의 화재 위험성은 높지 않다고 한다. 

스프레이 캔 우레탄폼 시공작업의 위험성

 1  사고사례

2020.12.1.(화) 경기도 군포시 소재 아파트 발코니 창호 교체 공사 현장에서 전기난로를 사용하여 우레탄 폼 용기를 녹이던 중 가열된 우레탄 폼 용기가 폭발하면서 화재가 발생하여 작업자 2명을 포함, 모두 4명이 사망하고 7명이 부상

출처 : KOSHA *우레탄 폼 용기가열 중 화재폭발 위험경보(ALERT)

화재발생 요인   - 실내보온 및 우레탄 폼 용기를 녹일 목적으로 거실에 전기난로를 켜둔 상태에서 근접하여 우레탄 폼 용기(캔) 등  가연성 자재를 다수 적재   - 난로의 열에 의해 데워진 우레탄 폼 용기가 내부 충진가스의 압력이 증가 하면서 팽창하여 변형 및 파열   ☞ 용기에서 새어나온 가스가 난로의 열에 의해 착화 및 우레탄 폼 용기 연쇄폭발(추정)  우레탄 폼 용기 특징 및 문제점  우레탄 폼 용기의 일반적인 특징   - 주재료인 우레탄 용제 및 용제를 분사 시키기 위한 고압가스(프로판, 부탄 등)가 충진되어 있음   ☞ 충진가스는 열에 의해 팽창되어 압력 상승  사용 시 문제점   - 동절기 기온 저하로 인해 충전가스의 압력이 낮은 경우 분사가 원활하지 않음   ☞ 용기를 뜨거운 물에 담그거나 난로 열을 이용하여 압력을 높이는 행위 다반사   1. 난로, 열풍기 등 화기부근 적치금지  2. 온도가 40℃이상인 장소에서 보관금지   - 상온에 보관하고, 용기에 직접 열을 가하는 행위 금지   - 동절기 공사 시 불연재질의 보온가방 등 활용  3. 사용 후 용기 내 잔류가스 제거  동절기 우레탄 폼 충진 작업 시 용기에 직접 열을 가하는 행위는 화재·폭발 사고로 이어질 수 있습니다.  <작업자에 대한 사용방법 교육 철저~!!!>

※ 출처 : KOSHA 우레탄 폼 용기가열 중 화재폭발 위험경보(ALERT)




 2  충진 가스의 위험성

캔 타입의 우레탄 폼은 취급이 간편하여 창호 시공을 할 때에 창틀 우레탄폼을 주로 사용한다. 우레탄폼 물질 자체는 압력이 없기 때문에 주로 액화가스를 충진하여 액화가스와 함께 우레탄폼이 분출되는 형태로 취급이 된다.  

사진 출처 : http://www.ntrexgo.com/archives/4793

충진가스는 액화석유가스, DME, HFC 등을 주로 사용하며 적절한 조성으로 혼합된 형태로 주로 사용된다. 대부분의 충진가스는 인화성물질이며 열을 가하면 압력이 올라가게 되는 인화성 가스이다. 시중에 판매되는 우레탄폼 캔의 내용을 살펴보니 시공 시 사용온도를 -5~30°C 로 제한하고 있다. 영하 5도 이하에서는 충진가스가 충분히 기화되지 않아 폴리우레탄의 배출이 용이하지 않을 것이다. 반대로 30°C로 제한하는 이유는 고온에서는 충진가스의 압력이 상승하여 일정압력으로 설계된 캔 용기가 압력을 견디지 못하여 파열될 것이기 때문이다.  


✅ 충진가스의 종류

충진가스	Hydrocarbons (프로판, 부탄 등)	DME (Dimethyl Ether)	HFC (Hydro Fluoro Carbon)	Compressed Gases
인화성	Flammable	Flammable	Flammable  Non-Flammable	Non-Flammable
독성	Low	Low	Low	Low

충진가스가 폴리우레탄을 압력으로 배출

✅ 충진용기의 안전성 확인

에어로졸 용기의 용기의 안전성은 KGS CODE - AC311고압가스용 납붙임 또는 접합용기 제조의 시설ㆍ기술ㆍ검사 기준에서 다루고 있다. 

 제품표시-용기 
규칙 별표 24제1호에 따라 용기제조자 또는 수입자는 용기에 다음 사항을 표시한다. 다만, (6)부터 (10)까지는 이동식부탄연소기용 접합용기에 한정하고, (11)은 가정용 에어졸 용기에 한정한다. 
(1) 용기제조업자의 명칭 또는 약호
(2) 충전하는 가스의 명칭
(3) 내용적(기호 : V, 단위 : L)
(4) 충전량(g)
(5) 제조년월일 또는 로트번호 
(6) 용기의 장착·보관방법에 관한 사항
(7) 사용방법에 관한 주의사항
(8) 경고 문안은 용기면적의 20분의 1이상의 면적에 바탕색과 보색인 글씨로 다음의 예와 같다. <개정
(9) 사용상 주의사항에 관한 경고 그림은 용기면적의 35분의 1이상(직결식 이동식 부탄연소기용 용기의 경우 40분의 1이상)의 면적으로 다음의 예와 같이 한다. 
(10) 권장사용기간 : 3년 
(11) 그 밖의 필요한 사항 

 용기 내압시험압력 

고압가스의 종류	압력(단위 : ㎫)	고압가스의 종류	압력(단위 : ㎫)
압축가스	최고충전압력수치의 3분의5배	액화에틸렌	22.1
액화후레온13	20.6	액화탄산가스	19.6 (소화기용인 것은 24.5)
액화아산화질소	19.6	액화에탄	19.6
액화6불화황	19.6	액화4불화에틸렌	13.7
액화크세논	12.7	액화염화수소	12.7
액화브롬화수소	6.7	액화황화수소	5.2
액화후레온 13B1	4.3	액화후레온 502	3.0
액화프로필렌	3.0	액화암모니아	2.9
액화후레온22	2.9	액화프로판	2.5
액화후레온 115	2.5	액화염소	2.2
액화싸이크로프로판	2.1	액화후레온 500	2.2
액화후레온 12	1.8	액화후레온 152	1.8
액화메틸에테르	1.8	액화염화에탄	1.6
액화아황산가스	1.2	액화염화비닐	1.2
액화모노메틸아민	1.0	액화부타디엔	1.0
액화산화에틸렌	1.0	액화부탄	0.9
액화후레온 C318	0.9	액화부틸렌	0.8
액화트리메틸아민	0.6	액화후레온 114	0.5
액화시안화수소	0.6	그밖의 가스	48℃에서 압력수치의 3분의 5배

✅ Heating의 위험성

겨울철의 낮은 기온의 이유로 폴리우레탄폼, 부탄가스 등의 접합용기를 Heating을 하여 용기가 파열되거나 폭발되는 사고가 가끔씩 일어난다. 대부분의 충진가스는 인화성물질이므로 증기압을 가지고 있다. 

충진가스 많이 사용되고 있는 DME물질은 KGS AC311 CODE상 내압시험압력이 1.8MPa이다. 아래의 그래프에서 보듯이 340K (67℃)에서 증기압력이 1.8MPa을 초과하게 되어 내압시험압력 이상이 되어 접합용기가 파열하거나 폭발할 수 있다.

  

이러한 이유로 용기 제작사에서 최고사용온도를 제시하는 이유이다. 스팀이나 전기난로, 토치 등으로 접합용기를 가열하면 폭발할수 있다는 것을 명심해야 한다. 

 

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