| 고압, 고농도 산소의 위험성! OEA (Oxygen-Enriched Atmospheres) |
화재는 연소의 메카니즘입니다. 우리가 일반적으로 알고 있는 연소의 3요소는 산소, 점화원, 가연물입니다. 최소점화에너지 이상의 점화원과 에너지가 가해져야만 연소가 일어납니다. 가스의 경우 폭발범위 내의 가스 농도가 형성이 되어야 연소가 일어난다. 라는 이론은 화재 이론에서 자주 다루는 주제입니다. 그러나 고농도의 산소 분위기에서는 극미량의 가연물 조건에서도 연소가 일어나며, 고농도 산소 분위기는 화염전파 속도가 매우 빠른 것으로 알려져있습니다. 고농도의 산소를 취급하는 병원, 학교, 연구실, 산업체의 안전관리자는 이 위험성을 알고 시설관리에 임해야 할것이며, 가스 취급자에게 고농도 산소의 위험성을 알리고 전파해야 할 것입니다. 또한 가스안전 전문가들은 산소사고와 관련한 위험성에 대한 인식이 부족하다고 보고 있다.
OEA (Oxygen-Enriched Atmospheres) 정의
| OEA 정의 | 조직 | 참고 |
| 21 % | NFPA (National Fire Protection Association) | NFPA 53, "산소가 풍부한 환경에서 사용되는 재료, 장비 및 시스템에 대한 권장 관행" 은 일반적인 OEA 위험을 다룹니다. * NFPA 99, "건강 및 의료 시설 코드"와 같은 기타 NFPA 표준은 더 높은 OEA 임계 값을 지정합니다. |
| 22 % | 산업안전보건청 (OSHA) | OSHA 29 CFR 1915.11 은 OEA 조건을 밀폐 및 밀폐 공간 및 조선소 고용의 기타 위험한 대기에 대해 부피 기준으로 22 % 이상의 산소를 포함하는 상태로 취급합니다. |
| 23.5 % | 압축가스협회 (CGA) | CGA G-4.1, 2009,“ 산소 서비스를위한 청소 장비 ” (섹션 1, 참고 2); CGA P-39 (2015), " 산소가 풍부한 대기에 대한 지침" GA P-45-2018,“ 산소 및 산소가 풍부한 대기의 화재 위험; " 및 CGA PS-13-2007," 장비의 특수 세척이 필요한 임계 산소-혼합 농도의 정의는 OEA를 해수면에서 부피 기준 산소 23.5 %로 정의합니다. |
| 23.5 % | 유럽산업가스협회 (EIGA) | EIGA IGC Doc 33/18, " 산소 서비스를위한 장비 세척 " 및 EIGA IGC Doc 04/18 (문서 04/09 개정), " 산소 및 산소가 풍부한 분위기의 화재 위험 " OEA를 해수면에서 부피 기준으로 23.5 %로 정의합니다. |
| 23.5 % | 국제 표준화기구 (ISO) | ISO 10156 : 2017,“ 가스 실린더 – 가스 및 가스 혼합물 – 실린더 밸브 출구 선택을위한 화재 가능성 및 산화 능력 결정 .” OEA는 부피 기준 산소 23.5 % 이상으로 정의합니다. |
| 23.5 % | NFPA (National Fire Protection Association) | NFPA 99 (2018),“ 건강 및 의료 시설 코드 ” 및 NFPA 99B (2018), " 저압 시설 표준 ". OEA는 산소 농도가 부피 기준으로 23.5 %를 초과하는 대기로 정의합니다. |
| 23.5 % | 산업 안전 보건 청 (OSHA) | OSHA 29 CFR 1910.146 은 OEA 조건을 허가가 필요한 밀폐 공간에 대해 부피 기준으로 23.5 % 이상의 산소가있는 조건으로 정의합니다. |
| 25 % | 국제 해양 계약자 협회 (IMCA) | IMCA D 031 – 2003 년 5 월, "산소 서비스를위한 세척 : 시설 및 절차 설정" 및 IMCA D 048 – 2017 년 1 월, " Nitrox를 사용한 수면 공급 다이빙 작업에 대한 지침 " OEA를 부피 기준 산소 25 % 이상으로 정의합니다. |
| 25 % | 미군 | MIL-STD-1300D (SH) 2007 년 6 월, "선상 산소, 헬륨, 헬륨-산소, 질소 및 수소 시스템의 정밀 세척 및 테스트". OEA 조건을 부피 기준 산소 25 % 이상으로 처리합니다. |
| 25 % | ASTM 국제 | ASTM G-126 (2016) :“ 산소가 풍부한 대기에서 물질의 호환성 및 감도와 관련된 용어 ” 는 OEA를 25 몰 % 이상의 산소를 포함하는 유체 혼합물로 정의합니다. |
| 40 % | 국립 해양 대기 청 (NOAA) | NOAA 다이빙 수동 체적 40 % 이상의 산소를 가진 것과 같은 조건을 취급 OEA. |
| 40 % | 산업 안전 보건 청 (OSHA) | OSHA 29 CFR 1910.430 (i) (2) 는 OEA 조건을 배꼽을 제외한 상업용 다이빙 장비 / 작동에 대해 부피 기준으로 40 % 이상의 산소가있는 조건으로 정의합니다. |
| 50 % | 국제 다이빙 계약자 협회 (ADCI) | Consensus Standard 6 은 호스 어셈블리에 대한 OEA를 50 % 이상으로 정의합니다. |
1 산소농도 vs 화염전파속도 (Fire Hazards in Oxygen-Enriched Atmospheres)
산소 농도가 높을수록 화염전파 속도는 빠르다!
압력이 높은 분위기 일수록 화염전파 속도가 빠르다!
위 그래프는 과산소 분위기의 화재 위험성을 알려주고 있다. 출처는 Report of Committee on Fire Hazards in Oxygen-Enriched Atmospheres, George J. Frankel, OhaiT'nmn Grumman Aero~psos Corp., Bethpage, L.I., New York 11714 논문 내용에서 확인을 하였다. 100% 농도의 산소 가스는 화재가 매우 쉽게 날 수 있다. 결국 금속의 연소(Burning) 또는 용해(Melting)를 초래하므로 윤활유를 사용하기 전에는 반드시 승인을 얻어야 한다.
2 고압, 고농도 산소 화재시 화염온도의 급상승
공기 중 조건에서와 달리 고농도, 고압력 산소 조건에서는 극미량의 가연물질만 있어도 화재ㆍ폭발이 발생할 수 있으며, 이때는 연소속도가 높아 순식간에 배관 등을 녹일 수 있는 온도까지 연소온도가 상승하게 됩니다.
문헌에서 제공하는 물성치는 표준조건에 따라 측정된 값인 반면 과산소조건에서는 기존 물성과 다른 양상을 보이는 경우가 많으며, 특히 연소반응에 있어서는 높은 연소속도ㆍ연소효율로 → 높은 연소온도ㆍ폭굉가능성이 증가되어 대규모 화재ㆍ폭발사고로 이어지는 경우가 많습니다.
대기 중 또는 산소 시스템 내 산소농도와 압력이 높아질수록 다음과 같은 현상이 발생된다.
• 연소반응 또는 화재가 보다 맹렬하게 발생한다.
• 발화온도가 더 낮아지고, 연소반응에 필요한 에너지가 보다 작아진다.
• 화염온도가 더 높아지고, 화염의 파괴적인 능력이 보다 커진다.
• 산소는 압력이 높을수록 점화온도를 낮추고, 연소속도(Combustion rate)를 증가시키는 등 물질의 성질에 영향을 미친다. 가압된 산소 시스템은 해당 운전 조건에 대해 재료 및 설비가 승인된 설계에 적합하게 제작된 경우에만 허용된다.
• 고압 산소 배관의 규격 (유럽산업 가스협회 가이드)
150℃까지는 카본스틸 재질이 적용가능 하며, 200℃까지는 스테인리스 스틸이나 비철금속류 사용가능 함
※ EIGA Oxygen pipeline and piping systems(DOC13/20)참조
3 유지류에 의한 고농도 산소 화재 (나일론 재질 + OEA 화재)
모든 물질은 산소 농도가 높을 때 더 쉽게 발화되고 연소되며, 비금속은 특히 높은 농도 산소로 인한 화재 위험에 취약합니다. 비금속재질의 배관 연결설비의 SEAT부 재료로 사용되는 나일론은 이러한 조건에서 인화성이 있으며 표준 압축 호흡 공기를 사용하는 실린더 밸브에서도 유사한 화재가 보고 되었습니다. 40% 미만의 산소를 사용하는 알루미늄 및 탄소강 압축기 블록, 알루미늄 바디 필터 타워, 주유소 패널 밸브 및 조절기 등의 설비에서 화재가 발생한 것으로 알려져 있습니다. 산소 관련 설비의 연결구에 탄화물이 코팅되어 유지류에 의한 화재가 발생하는 것이 원인이며 이는 장비의 적절한 청소를 통해 화재 예방이 가능합니다.
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| 나일론 + 고농도 산소 화재 사진 | 나일론 + 고농도 산소 화재 사진 |
• 오일(Oil) 및 그리스(Grease)의 유지류는 고농도 산소 존재 하에서는 아주 쉽게 점화되고, 또한 폭발적으로 연소되기 때문에 산소와 접촉할 우려가 있는 부분에는 탄화수소계열 오일 및 그리스를 윤활유로 사용하지 않아야 한다.
• 유지류는 탄화계열의 물질로 노출된 대기중의 공기가 아닌 산소용기에 저장된 약 99% 이상의 압축 산소와 용기나 배관 내부의 유지류와 접촉 혼합되면 급격한 연소현상으로 폭발하게 된다.
• 산업용 및 의료용가스인 산소에 의한 사고는 대부분 충전과정(급속충전)이나 사용중 밸브조작, 마찰열, 유지류 부착, 패킹 재질 등이 주요원인으로 파악되고 있다.
4 OEA 화재 폭발 사고사례
국내 고압 산소 사고 사례를 분석해 보면 다음의 네가지 정도로 요약이 된다.
1. 산소 배관에 설치된 중간 밸브를 개방하는 순간 산소압력 조절기 및 산소배관 내부에서 폭발이 발생한 사례
2. 충전작업자가 유지류가 묻은 장갑을 착용한 채로 산소충전을 하고자 충전 메인 밸브를 개방 중 메인 밸브의 노후로 스핀들 사이로 노출된 고압산소가 장갑에 묻은 유지류와 접촉하면서 화재가 발생하는 경우
3.산소제조 공장에서 정비보수 작업 중 차단되어 있던 밸브를개방하는 순간 화재가 발생한 경우
4. 과산소 조건인 배관을 휴대용 연삭기로 절단하던 중 화재가 발생한 경우
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| 산소배관은 떨어져 나가고 질소배관까지 녹은 상태 | 산소 화재사고로 녹아버린 배관 |
• 1996.8.15 전남 여수시 석유화학공장에서 시운전 중에 압축기 후단에 설치된 차단밸브와스트레이너 사이의 잔류한 기름이 산소와 반응으로 폭발하여 근로자 1명 부상 *파견법, 산안법, 중대재해법
• 1999.8.5 충북 충주시 소재 가스충전소에서 충전 용기 내에 혼재되어 있던 유지류와 산소가 반응하면서 산소용기가 폭발하여 근로자 1명 사망, 1명 부상
• 2004년 9월 대구에서 발생한 산소용기 폭발사고는 쇼케이스(업소용 냉장고)를 수리하던 중 냉매 배관내 이물질을 산소로 불어내는 과정에서 응축기내 유지류와 산소가 산화반응을 해 발생했다. 같은 달 대구의 주택에서도 에어컨 배관을 청소하기 위해 산소와 프레온을 주입하다 폭발사고
• 2006년 6월에는 대구 달성군에서 에어콘 수리를 하던 중 냉매 설비내에 남아 있던 유지류 성분과 고압의 산소가 화학반응을 일으켜 폭발하면서 실외기와 냉매배관이 파손됐다.
• 2006년 9월 전남 화순의 충전시설에서 산소 충전 중 가스 누출로 인한 방재작업과정에서 충전바이스와 용기체결부위에 묻어있던 유지류가 산화 및 발화해 폭발
• 2009년 7월 전남 광양시 소재 산단에서 과산소(저압 고농도산소) 조건인 배관을 휴대용 연삭기로절단하던 중 화재 발생으로 근로자 1명 사망
• 2010년 6월 경기 평택에서 냉동차량 수리작업장에서 가스누출여부의 확인과정에서 질소로 퍼지작업을 해야 함에도 불구하고 산소로 기밀시험을 하던 중 냉동기 내부의 압축기 유분과의 반응으로 폭발사고가 발생
• 2011년 9월에는 서울 중구에서 대형용기에서 소형용기로 불법 이‧충전하는 과정에서 인근에 묻어있던 유지류와의 화학반응으로 인해 폭발 및 화재사고
• 2014년 5월 충북 음성의 산업용가스 충전소에서 산소를 충전하는 도중 밸브와 배관이 유지류로 추정되는 물질로 인해 폭발사고
• 2014년 7월 전남 광양시 소재 산소공장에서 감압밸브 조작 중에 산소배관 내부에 잔류하고 있던 유지분이 고압산소에 의해 발화된 후 배관 화재로 확대되어 작업 중이던 근로자 3명이 사망
• 2019년 1월 김해 장비제조공장 액화산소 폭발사고
• 2020년 11월 전남 광양시 소재 산소공장에서 정비 중 차단되어 있던 밸브를 개방하는 순간 원인 미상의 화재 발생으로 작업 중이던 근로자 3명 사망
• 2020년 10월 러시아 코로나치료 병원 액체산소 탱크 폭발 화재
5 취급 주의사항
• 산소가스의 위험성을 극복하기 위해서는 산소 분위기 중에서 발화원인이 되는 급속한 밸브조작으로 안한 압축열의 온도상승과 배관에서 미립자의 마찰이나 충돌에 의한 열의 발생을 억제하고, 또한 기기의 마찰이나 충돌로 인한 열 및 전기아크나 정전기에 의한 발화를 억제하여야 한다.
• 밸브 조작 시 주의 가능한 밸브의 개폐는 천천히 하고 압력차가 있는 경우에는 바이패스를 설치해서 압력차를 최소화한 다음 밸브 개방하고, 관내 유속에 따라서는 재질이 연소될 위험이 있으므로 유속과 압력을 고려하여 재질 선정
• OEA 산소 배관에 사용되는 재질의 선정 : 특히 고압산소 설비에 사용되는 유기 재료의 선정은 매우 중요하며 문헌에 알려진 산소분위기 중 자연발화온도는 PTFE는 400~480℃, PCTFE는 350~400℃, 나일론 66은 200~300℃, 불소고무는 250~350℃, 합성고무는 130~400℃로 되어 있다.
• 유지류와의 접촉 차단 : 깨끗한 재료 사용, 시공시의 먼지혼입 방지, 시공 후 철저한 청소로 잔존 이물질이나 구성 부분재료의 이물질제거 등은 마찰로 인한 발화 가능성을 줄일 수 있다. 또한 정기적인 배관 내 청소나 이물질 제거를 위한 필터설치를 권유하고 있다. 그러나 필터 자체도 이물질의 포집으로 발화 위험성이 있으므로 적절한 재질의 선택이 필요하다.
• 가스배관, 냉장고, 에어컨 등의 기밀시험, 청소, 수리 시에는 불활성가스인 질소(N2)를 사용해야 하며 산소배관의 경우도 사염화탄소(CCl4) 등의 용제로 세척한 후 사용
• 작업‧사용자에 대한 안전교육 및 사용 계도 강력 시행
참고자료
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