BLEVE & FIRE BALL EXPLOSION

▶개요
Fire Ball은 BLEVE(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion, 비등액체 팽창증기폭발)에 의한 인화성 증기가 확산하여 공기와의 혼합이 폭발범위에 이르렀을 때 커다란 공의 형태로 폭발하는 것이다. 즉, 액화가스의 탱크가 파열하면 Flash 증발을 일으켜서 가연성의 기-액 혼합물이 대량 분출된다. 이것이 발생하면 지면에서 반구상의 화염이 되어 이것이 부력으로 상승하는 동시에 주변의 공기를 빨아들여 화염은 공 모양으로 되고 더욱 상승하여 버섯모양의 화염을 만든다. Fire Ball은 큰 복사열을 방출하므로 주위의 인명 및 재산에 피해를 줄 수 있다. 발생 Mechanism은 2가지로 나누어 질 수 있다.

▶발생 Mechanism(단계)
[1단계]
① 액체가 들어있는 탱크의 주위에서 화재가 발생한다. 
② 화재에 의한 열에 의하여 탱크의 벽이 가열된다. 
③ 액위 이하의 탱크벽은 액에 의하여 냉각되나, 액의 온도는 올라가고 탱크 내의 압력이 증가된다. 
④ 화염이 열을 제거시킬 액은 없고 증기만 존재하는 탱크의 벽이나 천정에 도달하면, 화염과 접촉하는 부위의 금속의 온도는 상승하여 그의 구조적 강도를 잃게 된다. 
⑤ 탱크는 파열되고 그 내용물은 폭발적으로 증발한다. 
만약 액체가 가연성이고 BLEVE의 원인이 화재에 기인한 것이라면 탱크가 파열될 때 정화될 것이다. 불연성 물질의 저장탱크는 BLEVE 발생 후 다른 2차적인 위험이 계속 일어나지 않으나 인화성액체 저장탱크는 BLEVE와 동시에 Fire Ball이 형성되므로 그 위험성이 증대된다 

[2단계]
① 1단계 폭발 후 Fire Ball형성 한다. 1단계 폭발에 의해 확산 및 열에너지를 얻은 증기운(Vapor Cloud)이 Fire Ball을 형성하여 2단계 폭발을 일으킨다.
② 가연성 증기가 외부 연소화재의 열을 흡수하여 Fire Ball을 형성한 후 폭발을 일으킨다.

 

 

증기운 발생 형태
발화하지 않고 누출한 가스나 증기가 재해를 일으키지 않고 확산	ex) 상온, 상압에서 액체이며 인화점이 상온보다 낮은 경우: 가솔린 등
가스 증기 유출과 동시 발화	ex) 상온, 가압하에서 액화(액화 프로판, 부탄), 대기압하 저온액화 (LNG)
발화전 공기와 잘 혼합된 양론비 조성 혼합기체 형성	폭굉 발생 가능성

▶ BLEVE의 위험성
1) 탱크내 체적의 200배 정도로 증대되어 압력이 급격하게 증가하므로 탱크에 설치된 안전장치(Relief Valve, Rupture Disk, Vent Stack)가 아무리 잘되어 있어도 소용없다. 
2) 불연성 물질의 저장탱크(예 : 물탱크)는 BLEVE 발생 후 다른 2차적인 위험조건이 계속 일어나지 않으나, 인화성 액체 저장탱크는 BLEVE와 동시에 Fire Ball이 형성되므로 위험성이 증대된다. 
3) BLEVE는 복사열이 피해를 가중시키는 중요요소이다. 

▶ Fire Ball의 특징
가스 저장탱크의 대표적인 중대재해는 UVCE와 BLEVE이다. UVCE와 BLEVE에서는 가열된 풍부한 증기운이 자체의 상승력에 의하여 위로 올라가 버섯구름 모양의 불기둥(Fire Ball)을 발생시키며 그 폭발위력은 수㎞까지 미치는 것으로 알려지고 있다.
1) UVCE (Unconfined Vapor Cloud Explosion)
저장탱크에서 유출된 가스가 대기중의 공기와 혼합하여 구름을 형성하고 떠다니다가 점화원(점화스파크, 기계 마찰열, 고온표면 등)을 만나면 발생할 수 있는 격렬한 폭발사고이며, 이를 증기운폭발이라 한다. 이 중 밀폐된 공간이 아닌 자유공간에서의 폭발을 UVCE(자유공간 증기운폭발)라고 하며, 심한 위험성은 폭발압이다.
2) BLEVE(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)
가스 저장탱크지역의 화재발생 시 저장탱크가 가열되어 탱크내 액체부분은 급격히 증발(비등)하고, 가스부분은 온도상승과 비례하여 탱크내 압력의 급격한 상승을 초래하게 된다. 탱크가 계속 가열되면 용기강도는 저하되고 내부압력은 상승하여 어느 시점이 되면 저장탱크의 설계압력을 초과하게 되고 탱크가 파괴되어 급격한 폭발현상을 일으키는 형태이다. 인화성 액체저장탱크는 화재 시 BLEVE 억제를 위한 탱크의 냉각조치(물분무장치 등)를 취급하지 않으면 화재 발생 10여분 경과 후 통상적으로 BLEVE가 발생한다.

▶ Fire Ball 형성에 영향을 미치는 요인
1) 넓은 폭발 범위
2) 낮은 증기 밀도
3) 높은 연소열
4) 유출되는 형태에 따라 증기-공기 혼합물의 조성이 결정되며 이 조성은 Fire Ball의 형성에 결정적인 영향을 미친다.

▶ BLEVE 예방법
① 방액제를 경사지게 하여 화염이 직접 탱크에 접하지 않도록 한다.
② 탱크 내의 압력을 감시시킨다.
탱크 내의 압력을 내리게 되면 탱크강판의 응력을 파괴치 아래로 떨어지게 하는 효과를 얻을 수 있다.
③ 화염으로부터 탱크로의 입열을 억제시킨다.
탱크 외벽의 단열조치, 탱크의 지하설치, 물에 의한 탱크표면의 냉각장치 설치 및 가스의 이송조치  등의 방법이 있다. 단열에 의해서 화염으로부터 탱크로 들어가는 입열을 제한한다면 탱크강파의 온도상승을 감소시키고 단열에 의해 탱크 내부에서의 증기발생을 감소시킨다. 탱크로의 입열을 억제하는 방법으로 탱크를 흙으로 덮는 방법이 있으며, 이 방법에는 탱크를 지상에 설치하고 흙을 쌓아 탱크를 덮는 방법과 탱크를 지하에 설치하는 방법이 탱크를 지하에 설치하는 방법이 있다. 한편 탱크표면에 수막을 설치하거나 탱크 외벽에 물을 분무하는데 냉각시켜야 할 주요부위는 탱크 내부의 액체(액화가스)에 의해 보호되지 않는 기상부이다.
④ 폭발 방지장치
동자부 고시에 의해 주거상업지역에 설치된 10통 이상의 LPG 저장탱크에 열전달물질(열전도도가 큰 알루미늄 합금박판)을 설치하도록 되어있다. 폭발 방지장치는 탱크 내벽에 열전도도가 좋은 물질을 설치하여 탱크가 화염에 노출되어 있을 때 탱크 기상부 강판으로 흡수되는 열을 탱크 내의 액상가스로 신속히 전달시킴으로써 탱크 기상부 강판의 온도를 파괴점 이하로 유지하여 BLEVE 발생을 방지한다.
⑤ 용기의 내압 강도 유지 : 용기금속재료의 경년 부식에 의한 내압강도 부족을 고려한 충분한 부식여유 두께가 필요하다.
⑥ 용기의 외력에 의한 파괴의 방지 : 타물질에 의한 기계적 충돌을 방지한다.

▶ Bleve & Fire Ball 영상모음

 

 

1