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2004-03-31 |
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첨부파일이 없습니다. |
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제 목 |
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4. 화재 폭발과 관련된 정전기 대전 |
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제 목 : 화재 폭발과 관련된 정전기 대전
가. 導體의 帶電
導體는 接地를 하면 帶電電位가 大地와 거의 等電位가 되므로 點火性
放電이 발생하는 것은 없다. 그러나 過去에 발생한 靜電氣災害
(火災 및 爆發)를 분석하여 보면 災害原因이 導體의 帶電이 아닌
가하고 推定되는 것이 적지 않다.
이것은 導體의 가운데 接地가 곤란한 것이 있거나 導體가 帶電하면
앞에서 서술되어 있듯이 放電 Energy가 크고 點火性 放電이 될
확률이 높은 放電이 발생하기 때문이다.
이렇게 導體는 接地라는 비교적 간단한 방법으로 帶電防止가
가능하지만, 接地되어 있지 않고 絶緣되어 있으면 點火 爆發에
結付되기 쉬운 아주 위험한 帶電物體가 된다.
따라서, 여기서는 災害事例를 참고하여 어떠한 導體의 帶電이
點火爆發에 결부되기 쉬운가에 대해 알아본다.
1) 움직이는 導體의 帶電
可搬形의 金屬製物體, 또는 回轉하고 있는 金屬製物體 등 움직이고
있는 導體들은 常時 接地할 수 없는 것이 많아, 쉽게 災害에
結付될 수 있는 帶電物體가 된다.
例를 들면 絶緣性 Hose 앞에 設置된 金屬製 Pipe, Nozzle 등이
液體의 噴霧 등에 사용되면, 液體와의 摩擦에 의하여 여기에
靜電氣가 帶電하므로 點火性 放電이 발생하는 수가 있다.
또 絶緣物로 된 容器 위에 接地되지 않은 金屬製 Lot, Hopper 등을
사용하여 液體나 粉體 등을 投入하면 金屬製 Lot 등이 點火性
放電을 일으키는 帶電物體가 될 수 있다.
한편, 回轉하고 있는 Roller와 같이 金屬製物體가 Bearing의
潤滑油에 의하여 大地에서 絶緣되거나, 또는 攪拌機와 같은
金屬製物體가 Motor와 絶緣材를 통하여 결합되고 이것이
大地로부터 絶緣될 경우 이 回轉物體에는 靜電氣가 帶電하고
點火性 放電을 일으키는 수가 있다.
이렇게 移動하거나 回轉하는 導體는 接地되어 있지 않거나
接地가 不完全하면 靜電氣의 발생이 많을 때나 周圍의 溫度가
낮을 때는 帶電量이 많게 되고, 이에 따라 點火 爆發에 이를
가능성이 높은 帶電物體가 된다.
또한, 이렇게 常時 接地되지 않는 導體는 接地하는 時機를
잘못하면 이것에 의하여 點火性 放電을 일으키는 수가 있다.
즉, 이 導體가 帶電하고 있는 상태에서 接地를 하면 이때에
Energy가 큰 放電이 발생하게 되므로, 여하간 絶緣되어 있는
導體는 點火源이 될 確率이 높다.
例를 들면, 液體, 粉體 등을 運搬하거나 移替할 때에 사용되는
金屬製의 可搬形 容器 등은 接地하여 사용해야 하는데, 만약
接地하는 것을 잊고 作業 도중에 接地를 하면 이미 取扱중인
容器에 靜電氣가 帶電되어 있을 수 있으므로 接地를 하는 것에
의하여 點火性 放電이 일어난다.
이상과 같이 常時 接地할 수 없는 導體는 接地가 안 되어 있거나
不安定 하면, 또는 接地 時機를 잘못하면 點火 爆發로 연결되는
帶電物體가 된다.
특히, 導體의 경우는 可搬形과 같이 비교적 작은 것에서도 이것이
帶電하면 點火로 연결될 確率이 높은 帶電物體가 되므로 注意할
필요가 있다.
2) 靜電誘導를 받는 導體
導體가 大地에서 絶緣되고 이것이 帶電物體의 근처에 있거나
高電界 가운데에 있으면 導體는 靜電誘導를 받는다.
이 결과, 導體는 帶電物體와 等價가 되어 點火性 放電을 일으킬
수가 있다. 즉, 點火爆發로 結付되기 쉬운 帶電物體와 等價가
되는 것이다. 災害事例의 가운데 導體가 이러한 靜電誘導를
받아 災害가 發生했다고 推定되는 것이 적지 않다.
[그림1] 液體의 帶電에 의하여 靜電誘導를 받는 金屬製 容器
例를 들면 金屬製 容器의 가운데 液體를 充電하면 金屬製 容器가
帶電하지 않더라도 液體에 靜電氣가 帶電하면 金屬製容器는
靜電誘導를 받는다.
金屬製 容器의 內面에는 靜電誘導에 의하여 液體의 電荷와
逆極性의 誘導電荷가 그 外面에는 同極性의 誘導電荷가 나타난다.
그 결과 金屬製 容器의 外面과 接地體 사이에서 靜電氣 放電이
發生하는데, 이 放電은 導體에서의 放電이므로 點火性 放電이
된다.
이렇게 導體가 大地에서 絶緣되고 있으면, 이것이 帶電物體에서
靜電誘導를 받고, 이에 따라 點火 爆發이 유발되고 있다.
구체적인 例로서는 導體가 Drum이고 이것에 Filter 통하여 樹脂를
充電할 때 Drum통에서 放電이 발생하여 火災가 발생한 事例가
있다.
이것은 (그림2)에도 나타냈듯이 Drum통을 설치한 計量器의 表面에
樹脂가 떨어져 이것이 쌓여 차례로 絶緣被膜을 형성했거나 또는
災害時에 사용한 Drum桶이 새 것으로 여기에 칠해져 있는 塗料가
絶緣物인 까닭에 Drum桶이 絶緣狀熊가 된 것이 원인이다.
즉, Drum桶이 帶電한 樹脂에서 靜電誘導를 받고 Drum桶과 Pipe
사이에서 放電이 발생하여 일어난 火災이며, Drum桶이 接地器具에
의하여 확실하게 接地되어 있으면 災害에 이르지 않았다고 推定되는
事例이다.
[그림2] 樹脂의 充電에 의한 Drum桶이 帶電 (靜電誘導)
한편, 災害原因으로 結付되기 쉬운 靜電誘導로는 고무바퀴에
의하여 絶緣된 金屬製의 無蓋貨車(Flatcar)도 같다.
즉, 帶電物體를 無蓋貨車에 쌓아 넣으면 無蓋貨車가 靜電誘導를
받고 이것이 點火爆發로 結付되는 帶電을 하게 된다.
이 경우는 고무만이 無蓋貨車를 絶緣하는 원인이라는 한정할 수
없고 床材가 鹽化 Vinyl과 같은 타일바닥이면 <表1>에도 나와
있듯이 漏泄抵抗이 크고 이것에 의하여 絶緣되므로 無蓋貨車는
靜電誘導를 받는다.
따라서 帶電物體를 취급하는 金屬製 容器, 無蓋貨車 등은
확실하게 接地가 되는 對策을 마련하지 않으면 이것이 靜電誘導를
받아서 點火 爆發로 연결되는 帶電物體가 될 수 있다.
<표1> 各種 마루(床)의 漏泄抵抗
┌──────────────┬──────────────┐
│ 마루材의 名稱 │ 漏泄 抵抗 [Ω] │
├──────────────┼──────────────┤
│ 導電性 테라조 │ 10^5 ∼ 10^7 │
│ 導電性 고무 │ 10^4 ∼ 10^8 │
│ Concrete │ 10^4 ∼ 10^9 │
│ 導電性 Vinyl │ 10^5 ∼ 10^10 │
│ Paint칠 바닥 │ 10^7 ∼ 10^11 │
│ 고무 │ 10^9 ∼ 10^12 │
│ 大材, 大材合板 │ 10^10 ∼ 10^8 │
│ Asphalt │ 10^11 ∼ 10^8 │
│ Vinyl │ 10^12 ∼ 10^15 │
└──────────────┴──────────────┘
그 외의 靜電誘導의 例로서는 靜電塗裝 등과 같이 帶電한 塗料가
絶緣된 導體에 付着한 경우 絶緣物의 일부에 導體가 사용되어 있고
絶緣物의 Hose가 帶電한 경우 등 導體와 帶電物體가 일체가 되어
있어 導體가 靜電誘導를 받는 경우가 있다.
이 경우는 결과적으로 導體의 帶電이 되는 것도 있지만, 여하간에
導體에서 點火性 放電이 발생하여 災害로 연결되고 있다.
靜電塗裝에는 被塗裝物體를 支持하는 臺, 器具 등이 塗裝되고,
이들의 表面에 絶緣被膜이 생겨 이로 인하여 被塗裝物體가 絶緣되면
靜電誘導가 발생한다.
이렇게 導體의 接地가 不安全하면 導體는 靜電誘導를 받아 災害로
연결되는 帶電物體가 되는 것이다.
나. 人體의 帶電
요즘은 衣服에 化學纖維가 사용되고 신발 바닥에 合成고무 등
絶緣性이 좋은 것들이 많이 사용되고 있어, 以前보다 많은 靜電氣가
人體에 帶電되기가 쉽다.
또한, 人體는 일종을 導體이므로 放電이 발생하면 이것은 點火
爆發로 연결될 확률이 높은 放電이 된다.
이는 災害分析에 의해서도 명확하고 火災·爆發 災害의 15% 정도는
그 원인이 人體帶電에 있다고 推定된다.
이렇게 人體는 點火 爆發로 연결되기 쉬운 帶電物體이고, 이는
착용하고 있는 의복의 帶電이 原因중의 하나이며, 人體가 신발,
마루 등에 의하여 大地에서 絶緣되고 있으면 人體에 큰 靜電氣가
帶電하기 때문이다.
人體가 의복을 입은 상태에서 人體 이외의 物體에 접촉하면 이들과의
摩擦에 의하여 人體에는 數千 V의 靜電氣가 帶電한다.
물론 이 人體帶電은 着用하고 있는 衣服의 素材, 環境條件, 動作
등에 의해서도 변하는 것이고, 이 실험결과도 확정적인 帶電量은
아니다.
그러나 이 實驗이 實驗者의 靜電容量 220 pF인 것을 고려하면, 이
人體帶電은 可燃性 物質의 點火源이 충분히 될 수 있다는 사실을
나타내고 있다.
즉, 이 실험결과와 같이 단순히 Sofa에서 일어서는 動作만으로도
摩擦에 의하여 人體에는 0001
가 帶電하고 水素와 같이
點火 Energy가 작은 可燃性 物質은 물론 Propane, Hexane 등
보통의 可燃性物質도 點火시킬 수 있는 帶電物體가 될 수 있다.
또한, 이 실험결과와 같이 일반적으로는 濕度가 낮게 되면 帶電量이
증대하는 경향이고, 乾燥한 겨울철에는 防寒服 등의 帶電으로 人體가
帶電體가 되는 수가 많다.
한편, 人體帶電은 人體와 地 物體와의 摩擦에만 한정하지 않고,
着用하고 있는 衣服類의 摩擦에 의해서도 이 衣服들에 靜電氣가
帶電되어 결과적으로 人體가 帶電하게 된다.
즉, 衣服類의 摩擦에 의해서 正(+), 負(-)의 電荷가 帶電할 때
속옷에 가까이 있는 電荷는 대부분이 人體로 이동하므로 人體에
靜電氣가 帶電하게 된다.
또, 衣服에 帶電하고 있는 電荷가 人體로 移動하지 않는 경우에도
人體가 絶緣되고 있으면 人體가 이 電荷에 의하여 靜電誘導를 받아
帶電하게 된다.
Carpet, 鹽化 Vinyl 등이 깔린 바닥을 보행하면 이 바닥과 신발과의
摩擦에 의하여 신발에 靜電氣가 帶電하는데, 이 경우도 신발에
帶電하고 있는 轉荷에 의하여 人體는 靜電誘導를 받는다.
그 결과 人體는 帶電物體와 等價가 되므로 人體의 일부분, 즉 손가락
등이 接地體에 接近하면 人體에 誘導帶電되어 있는 電荷가 放電하여
人體가 電擊을 받게 되거나 이 放電이 點火源이 되거나 한다.
이것은 감겨진 Film, 자루에 채워진 粉體 등의 帶電物體에 人體가
접근하는 경우도 마찬가지이고, 人體가 絶緣되어 있으면 靜電誘導를
받아 人體는 帶電物體와 等價가 된다.
그밖에 人體의 帶電으로는 Ion, 帶電한 Mist, 粉塵, 粒子 등이
人體에 부착하고 이것에 의하여 人體가 帶電物體가 되는 수도
있다.
粉塵을 취급하고 있는 現場, 또는 塗裝을 하는 現場에서는 帶電한
粉塵, Mist 등이 人體에 부착하여 人體가 帶電하게 되며, 또한
付着하고 있는 粉塵을 空氣로 除去하여 떨어뜨리면 이때 剝離帶電에
의하여 人體가 帶電하게 된다. 剝離帶電으로 인한 人體帶電으로는
衣服의 脫衣도 마찬가지이고, 이것에 의해서 人體 및 벗어논 衣服에도
點火源이 되는 많은 量의 電荷가 帶電헐 수 있다.
따라서, 可燃性 物質이 존재하는 장소에는 衣服을 脫衣하지 않도록
해야 한다. 이것은 脫衣하지 않고서도 단추를 빼놓고 있으면 脫衣와
같이 上衣가 속에 입은 다른 옷에서 떨어질 때 剝離帶電이 일어나서
點火性 放電이 발생할 수도 있다.
다. 固體의 帶電
高分子物質로 만든 Film, 고무 등은 固有抵抗이 크므로 많은 電荷가
帶電하여 點火爆發의 원인이 되는 수가 있다.
여기서는 이렇게 固有抵抗이 큰 絶緣物이 어떠한 경우에 點火 爆發로
연결되는 帶電物體가 되는지에 대하여 전형적인 것을 알아보기로
한다.
1) 摩擦帶電
異質의 두 固體 物體가 (1) 接觸(Contact)할 때, (2) 接觸하여 서로
摩擦(Rubbing)할 때, (3) 接觸되어 있다가 分離(Separation)할 때는
電荷가 발생하게 된다.
즉, 接觸된 物體간에 電子의 移動이 일어나, 電子를 내보낸 物體는
陽電氣로 帶電되고, 전자를 받아드린 物體는 陰電氣로 帶電된다.
이와 같은 帶電을 摩擦帶電(Tribocharging) 또는 接觸帶電
(Contact Charging)이라고 하며, 이 때 發生되는 電氣를 摩擦電氣
(Triboelectricity)라고 한다.
이러한 摩擦帶電은 固有抵抗이 큰 固體 物質에서 잘 일어나는데,
이는 생성된 電荷가 대부분 緩和되지 않고 固體내에서 移動도
하지 않으므로, 摩擦이 繼續 反復되는 것에 의하여 점점 蓄積되어
帶電量이 많아지게 된다.
그 결과 電荷密度가 10^-5 C/㎡ 정도가 되면, 點火源이 되는 放電을
일으키는 帶電物體가 된다.
物體가 帶電되는 樣相은 Faraday가 처음 제시한바 있는 帶電序例
(Troboelectric Series)에 의하여 결정된다.
<표2>는 대표적인 物質들이 帶電序例을 나타내고 있다.
이 序例에서 서로 멀리 떨어진 물질간일수록 靜電荷가 많이
발생하며, 序例의 위쪽의 物質이 電子를 잃게 되어 陽(+)으로
帶電되고 아래쪽의 物質이 電子를 얻어 陰(-)으로 帶電된다.
예를 들면, 머리털[毛髮]과 PVC가 비벼지는 경우가 Nylon과 綿이
비벼지는 경우보다 靜電氣가 더 많이 發生하게 된다.
<표2> 物體의 帶電序例 (Triboelectric Series)
┌───────────────┬──────────────┐
│ 物 質 │ 帶電 極性 │
├───────────────┼──────────────┤
│ 石綿 (Asbestos) │ 陽極 (+) │
│ Acetate │ │
│ 창유리 (Window Glass) │ │
│ 手髮 │ │
│ Nylon │ │
│ 羊毛 (Wool) │ │
│ 납 (鉛: Lead) │ │
│ 石英 (Silica) │ │
│ 絹 (Silk) │ │
│ Aluminum │ │
│ 종이 (Pulp, Paper) │ │
│ Polyurethane │ │
│ 綿 (Cotton) │ │
│ 大材 (Wood) │ │
│ 鋼鐵 (Steel) │ │
│ Ebonite │ │
│ 天然고무 (Natural Rubber) │ │
│ Epoxy Glass │ │
│ Nickel, 銅(Copper),銀(Silver)│ │
│ 黃銅(Brass), Stainless Steel │ │
│ 硫黃 (Sulphur) │ │
│ 合成고무 │ │
│ Acrylic │ │
│ Polyester │ │
│ Ployethylene │ │
│ PVC (Vinyl) │ │
│ TEFLON │ │
│ Silicone Rubber │ 陰極 (-) │
└───────────────┴──────────────┘
종이같이 얇은 物體는 서로 密着되어 있다가 떨어지게 되면 表面에
있는 電荷의 分離가 일어나 靜電氣가 발생하게 된다.
이와 같은 것을 摩擦 帶電에 對應하여 剝離 帶電이라고도 한다.
例를 들면, Film, 종이 등을 Roller에 의하여 驅動하는 Roller의
壓力이 크게 됨에 따라, 또는 驅動速度가 크게 됨에 따라
點火性放電이 가능한 電荷密度로 帶電한다.
일반적으로 帶電 電荷密度의 飽和値는 表面 固有抵抗과 관계가 있고
表面 固有抵抗이 큰 것일수록 點火源이 되기 쉬운 큰 帶電을 한다.
따라서, 이를 回避하기 위해서는 物體의 表面 固有抵抗을 작게
하든가, 驅動速度를 느리게 하든가, 또는 帶電하고 있는 電荷를
除電하든가 하는 對策을 실시하여야 한다.
그러나, 이러한 대책을 실시하여도 點火 爆發에 연결되는 帶電을
하는 것이다.
[그림3] Roller에 의한 Film의 帶電의 例
첫째는 驅動工程의 경우, 보통의 驅動狀態는 아닌, 張力調整用의
Roller가 동작하는 경우, 또는 Film, 종이 등에 이음매가 있는
경우에는 보통 때보다 10배 정도 많은 電荷가 발생한다.
이렇게 조건을 急變하면 帶電量이 크게 되므로 이러한 條件變更의
頻度가 높으면 點火 爆發로 연결되는 電荷가 帶電한다.
이것은 運轉條件의 변경에 한정되지만 않고, 材料의 변경 등도
마찬가지로서, 이러한 때는 點火 爆發로 연결되는 큰 電荷가
帶電하게 된다.
한편, 驅動條件, 材料 등의 변경은 아니고 驅動하고 있는 Film,
종이 등이 찢기거나 이것들이 Roller에 감겨 들어가는 異常狀態가
발생하면, 이러한 경우에도 帶電電荷가 보통 때보다도 많게 되는 수가
있다.
또, Film 등의 驅動은 아니지만 表面을 硏磨하는 工程에서도 硏磨劑
중에 異物質이 混入된 때, 큰 帶電이 되어 點火 爆發에 結付된
災害事例가 있다.
이상과 같이 點火 爆發에 結付되는 摩擦帶電은 驅動工程에서나
硏磨工程에서나 보통 때와는 條件이 달라진 때이다.
따라서, 條件의 變化가 豫測되는 경우에는 그 條件에 따라서 어느
정도의 電荷가 발생하는가를 미리 調査하여 두는 것이 바람직하다.
0002
2) 剝離帶電
密着하고 있는 Film, Tape, 板 등이 剝離될 때에는 큰 電荷密度의
帶電만이 아니라, 일반적으로 剝離할 때에는 放電을 동반하고 있어,
點火 爆發에 바로 연결되는 수가 있다.
즉, 剝離帶電은 앞에서 설명한 衣服의 脫衣도 그렇지만 이 경우는
點火 爆發에 연결될 확률이 높은 電荷密度인 10^-5 C/㎡ 이상의
電荷가 帶電한다.
따라서, 일반적으로 單位詩間當의 剝離 面積을 작게 하든가,
成型工程에서는 導電率이 큰 離型劑를 사용하고, 表面抵抗을 작게
하는 對策이 강구해야 한다.
그러나, 表面抵抗을 작게 하는 것이 어떠한 경우에나 有效하다고는
할 수 없고, 연속적으로 剝離하고 있을 때는 蓄積이 됐다가 큰 放電이
발생하는 수도 있다.
이렇게 剝離帶電은 帶電防止對策의 수립이 곤란한 것도 있어
點火源이 되기 쉬우며, 過去의 災害事例에서도 이러한 剝離帶電에
의한 火災·爆發 災害가 報告되고 있다.
다시 말하면, 剝離 帶電은 帶電防止對策만으로는 災害를 防止할 수
없는 帶電으로서 다음과 같은 剝離가 點火 爆發로 연결되기 쉬운
帶電을 일으키고 있다.
(1) 剛體와 剛體의 剝離 같이 剝離面積과 速度가 큰 剝離.
예를 들면, 유리板과 Plastic板과의 剝離 등.
(2) 密着力이 큰 物體의 剝離. 예를 들면, 接着 Tape, 反應容器
壁面에 부착한 樹脂의 剝離 등.
(3) 剛體와 얇은 被膜, Film 등과 速度가 큰 剝離. 예를 들면,
유리板에 密着하고 있는 Film을 일시에 剝離하는 경우.
(4) 미끄러운 表面이 密着하고 있는 것의 剝離. 예를 들면, Ceramics
表面에 密着하고 있는 얇은 Film, 또는 Plastic 表面에 密着하고
있는 고무의 剝離 등.
그 외의 剝離 帶電의 例로서, 풀(Paste)狀의 接着劑 등을 Film에
塗布하는 경우, (그림4)에 보여지고 있듯이 이것이 Roller의 表面을
통하여 흘러 나오면 接着材料 등이 Roller에서 떨어지고 Film의
表面에 付着할 때에 剝離帶電을 일으킨다. 이 경우는 帶電한
接着材가 Film에 塗布되므로 결과적으로는 Film이 帶電된다.
이러한 剝離帶電은 印刷工程에서도 일어나고, 잉크에 의해서도 큰
電荷가 帶電하고 있을 수가 있다.
즉, Film 등의 帶電보다도 이것에 塗布된 接着材, 잉크 등의
剝離帶電이 크고, 이것에 의하여 Film도 電荷密度가 큰 帶電物體가
되는 수가 있다.
따라서, 이러한 塗布工程에서는 塗布材의 剝離帶電에 대해서
留意할 필요가 있다.
[그림4] 塗布工程에 대한 接着材 등의 剝離에 의한 Film의 帶電
그밖에 固體物質의 帶電 Mechanism으로 誘導帶電(Induction
Charging)을 들 수 있는데, 이는 帶電되어 있지 않은 物體가 帶電體에
의한 電氣場에 露出되면 電荷의 分極이 일어나 가까운 쪽에는 反對
極性이 電荷가, 먼 쪽에는 같은 極性이 電荷가 모이게 되어 일어나는
現象이다.
이 때 物體가 絶緣되어 있거나, 어느 한 쪽에서 接地 等에 의하여
電荷를 끌어내면 이 物體는 帶電體가 된다.
라. 粉體의 帶電
粉塵이나 粉體 등은 일반적으로 浮遊狀態가 되는 수가 많으므로,
金屬 粉塵과 같이 固有抵抗의 작은 것들도 큰 帶電을 한다.
또한, 固有抵抗이 작은 金屬粉塵에서도 그 表面은 酸化膜 등에
의하여 表面抵抗이 커질 수도 있고, 일반적으로는 固有抵抗에
관계없이 帶電한다.
단지, 粒徑이 10μm 면적보다 크면 보통 粉體는 대개의 경우 點火
Energy가 크므로, 粉體의 帶電이 원인이 되어 발생하는 點火 爆發의
確率은 작다.
그러나, 粉體의 粒徑이 작든지, 이것이 可燃性 液體의 蒸氣, Gas를
포함하고 있으면 數百 μJ 정도의 Energy에 의하여 點火하므로
粉體의 帶電이 點火 爆發로 연결된다.
따라서, 여기서는 過去의 災害事例를 參考하여 點火 爆發로 연결되는
粉體의 帶電에 대해서 考察하고자 한다.
1) 摩擦帶電
粉體가 Pipe 속을 흐르거나 Hopper에서 投入되거나 하면 이들과의
摩擦에 의하여 粉體에 靜電氣가 帶電한다.
그러나, 帶電이 되더라도 보통은 空間에서 흩어지거나 하므로
電荷密度가 큰 帶電物體에는 되지 않고, 點火 爆發에 結付되는
경우도 많지 않다.
그러나, 摩擦에 의해서 帶電한 粉體가 일정한 空間에 갇혀 密閉되는
環境에서 취급되면 電荷密度가 크게 되어 點火 爆發로 연결되는
帶電物體가 될 수 있다.
例를 들면, 粉體가 Filter Bag에 의하여 制限된 空間내에서
流動하면, 粉體는 Filter Bag과의 摩擦에 의하여 帶電하고,
流動時間과 더불어 帶電量이 增加한다.
또, 이러한 취급에서는 摩擦 帶電만이 아니고 Filter Bag에
부착한 粉體가 떨어질 때의 剝離에 의해서도 큰 帶電을 한다.
그 결과 空間內의 粉體 電荷密度가 큰 帶電物體가 된다.
이 例와 같이 粉體가 제한된 空間內에서 多量으로 취급되면
電荷密度가 큰 帶電雲을 형성하여 Filter Bag에 振動을 줄 때
또는 Filter Bag이 찢어지거나 한 부분에 多量의 粉體가 동시에
集中될 때 點火 爆發에 結付되는 放電이 발생한다.
그리고, 粉體의 帶電은 Filter Bag내의 것만이 아니고 이것을
통과한 粉體가 큰 帶電을 할 수도 있다.
이 粉體의 帶電量은 10^-6 C/g 정도가 될 수도 있는데, 보통은
통과하는 粉體의 量이 적으므로 문제가 되지는 않는다.
그러나, 裝置의 構造에 따라서 또는 Blower의 故障 등에 의하여
이러한 粉體가 Duct를 포함하여 일정한 空間에 모이게 되면
點火源이 되는 帶電雲을 형성한다.
한편, 粉體가 Hopper, Shutter 등을 통하여 容器, 袋, 反應爐 등에
投入되면 이 때의 摩擦에 의해서도 粉體가 帶電하여 이것이 일정한
空間內에 모이므로 點火 爆發로 연결되는 帶電物體가 된다.
단, 이러한 경우에도 Shutter를 鹽化 Vinyl의 Pipe로 변경한 때,
또는 粉體의 投入중에 反應爐의 攪拌機가 停止한 때, 또는 보통
때와는 다른 條件의 변경이 있었던 때에 火災·爆發 災害가
발생했다.
그리고 어떤 災害事例에서는 1000kg의 粉體를 Flexible Container
Bag에 채우듯이 多量의 帶電 粉體를일정한 容積內에 모여져서
이것이 帶電物體가 되어 點火 爆發로 연결된 경우가 있다.
2) 破壤 帶電
粒俓이 큰 粉體, 또는 固體를 Hammer Ball Sander 등으로 粉碎하면
이때의 破壤, 摩擦에 의하여 粉碎된 粉體에 靜電氣가 帶電한다.
例를 들면, 고무, 硫黃, 樹脂 등을 粉碎하면 이것들에 靜電氣기
帶電하고, 粉碎工程을 거친 粉體는 체 등에서 막힘이 일어나는 경우가
있다.
過去에 發生한 災害에서도 硫黃의 粉碎에서는 破壤 帶電에 의하여
粉塵 爆發이 發生한 바 있어, 硫黃의 境遇는 粉碎하는 것만으로도
點火 爆發로 연결되는 電荷量으로 帶電되는 수가 많다.
따라서 이 境遇에는 炭酸 Gas 등의 不活性 Gas를 使用하지 않으면
災害를 防止할 수 없는 경우도 있다.
단지, 粉碎하는 硫黃에 水分을 가하여 주면 粉碎에 의한 破壤
帶電이 작게 되어 硫黃의 點火 爆發을 防止할 수가 있다.
이렇게 粉碎에 의한 破壤 帶電에서는 그것만에 의해서도 點火
爆發로 結付되는 帶電을 하는 경우가 많다.
특히 濕度가 낮게 되면 帶電하고 있는 電荷가 漏泄되지 않으므로
帶電量이 增大함과 더불어 乾燥한 粉體는 작은 Energy에 의해서도
點火되므로, 災害로 結付될 確率이 높아진다.
[그림5] 硏摩工程에 의한 帶電粉塵의 發生
한편, 粉碎에 의한 破壤帶電과 비슷한 것으로서 固體의 表面을
硏摩하면 이것에 의하여 粉體가 生成되는데, 여기에 靜電氣가
帶電될 수가 있다.
예를 들면 Paraffin 膜이 塗布되고 있는 Plate의 表面을 Sand
Paper로 硏摩하면 이것에 의하여 帶電한 Paraffin의 粉體가
多量으로 發生한다.
이 粉體를 挽氣 Hood를 통하여 排氣할때, Paraffin의 塗膜이
두껍다든지, 또는 硏摩하는 壓力이 크면 Plate가 연구기에
접촉할 때, 單位時間當의 硏摩量이 크게 되어 一時에 多量의
帶電物體가 發生한다.
그 結果, 排氣가 충분하지 못하면 發生한 粉體가 硏磨機의 周邊에
帶電雲을 形成하여 이것이 點火 爆發에 結付되는 帶電物體가 되는
수가 있다. 또한 이러한 경우는 塗布面에 異物質이 混在하고 있으면,
이것을 硏摩할 때에 帶電量이 큰 粉體가 發生하거나 機械的 불꽃이
發生하여 이것에 의해서도 點火 爆發이 일어난다.
이 밖에 粉體의 帶電으로는 照射帶電(Ion Beam Charging)을 들 수
있다. 이는 Ion이나 電子, Alpha 粒子들의 Beam이나, 紫外線, X-Ray,
Gamma 線과 같은 電磁波 (Electromagnetic Radiation)가 粉體의
粒子나 空氣 分子와 衝突할때 放出되는 自由電子가 주변의 粉體粒子나
空氣分子와 結合하여 帶電을 시키는 현상이다.
마. 液體의 帶電
液體는 可燃性일 경우 帶電物體가 됨에 0003
더불어 그 蒸氣는 작은
Energy에 의해서도 點火하는 爆發性 混合氣體로서, 이 液體의
帶電은 매우 危險한 일이 된다. 過去에 發生한 火災·爆發 災害에서도
70%는 可燃性 液體의 蒸氣에 點火된 것으로서 그 點火源이 모두
帶電된 液體에서의 放電 Energy는 아니지만 液體의 帶電에는 세심한
留意를 해야 한다.
또한, 液體는 같은 것이더라도 그 取扱이 다르면 帶電量이 크게
달라지고 點火 爆發로 연결되는 帶電物體가 될 수 있다.
따라서 여기서는 어떠한 取扱과 어떠한 條件일 때 點火 爆發로
연결되는 帶電物體가 되는지에 대해서 알아보기로 한다.
1) 流動 帶電
導電率의 작은 液體가 容器내에서 攪拌하거나 配管內를 流動하면
容器 또는 配管과의 摩擦에 의하여 液體에 電荷가 帶電한다.
配管내를 流動할 때의 帶電은 液體의 導電率, 流速, 配管 直徑 등에
依存한다. 例를 들면 流速이 크면 液體에 點火·爆發에 結付되는
電荷의 帶電이 잘 일어난다.
따라서 液體가 點火 爆發에 結付되는 帶電이 되지 않도록 流速을
制限하거나 帶電防止劑를 添加하여 導電率을 향상시키는 등의
여러 가지 對策이 강구되어야 한다.
이렇게 液體의 取扱에 있어서는 災害防止를 위한 여러 가지 對策이
實施되어야 하고, 取扱方法 등도 잘 敎育되어져야 한다.
만약 帶電現象에 대한 基本的인 意味를 잘 알고 있지 못하면
예기하지 않은 일이 發生할 때, 靜電氣 對策은 제대로 실행도
되지 않게 되어 그 結果 液體가 點火 爆發로 연결되는 帶電이
발생하게 된다.
예를 들면, 配管보다 直徑이 작은 Hose를 어떠한 事情으로 配管의
端未 接續했음에도 불구하고 Hose內의 流速을 考慮하지 않고
配管內의 通常 流速의 制限만으로 Pump를 運轉하면, Hose의
距離가 짧아서 이 部分의 流速이 크므로 帶電量이 증가하여,
結果的으로 帶電密度가 큰 液體를 Tank 등에 充電하는 것이 된다.
이러한 경우는 또 直徑이 작은 Hose內의 流速만이 問題가 아니라
配管에 直徑이 다른 部分이 있으면 거기에서 液體의 흐름이
흩트려져 이것에 의해서도 電荷의 發生이 促進된다. 이것은
配管에 설치되어 있는 Pump, 流量計, Valve 등도 마찬가지로서,
이 部分에서 液體의 흐름이 흩트려지므로 보통은 이 部分에
配管部分보다 더 큰 帶電이 일어나게 된다.
掖體의 帶電은 配管 內面의 거칠음에도 影響을 받아 이것이
Flexible Pipe 등과 같이 內面이 平滑하지 않으면 역시 接觸面積과
摩擦이 크게 되어 이 部分에서 內面의 平滑한 配管 部分보다 많은
電荷가 發生한다. 따라서, 流量計를 新設하거나 配管系의 變更 등에
의하여 配管, Valve 등을 增設하면, 또는 液體가 흐르는 中에
Pump, Valve 등의 部分에서 空氣가 들어가고 液體의 흐름이
흩트려지면 보통 때보다 많은 電荷가 液體에 帶電되어 點火 爆發에
結付된다.
한편, 液體의 帶電은 配管系의 流動 帶電 외에 Filter에 의한
帶電이 크고, 이것이 點火 爆發에 結付되기 쉽다. 특히, 근래에는
高分子物質을 素材로 한 Micro Filter가 使用되어 Filter의 性能은
向上되었지만 이것이 반대로 靜電氣의 發生을 促進시켜서 帶電量이
增大하고 있다.
例를 들면 液體가 Filter를 通過하면 이에 의해서는 配管內의
流動帶電과 비교하여 10∼1OO 倍의 電荷가 發生한다. 또한, 帶電量이
클 때에는 Filter內에서 放電이 發生하는 경우도 있다.
이렇게 Filter에 의해서 많은 電荷가 帶電하여 이러한 液體가 Tank에
充電되면 Tank의 液面 電位는 數十 kV 程度의 電位가 되어 點火
爆發로 연결되는 帶電物體가 된다.
따라서 過去의 災害事例에서도 Filter의 帶電에 起因됐다고 推定되는
것이 있어, Filter의 素材를 變更했음에도 불구하고 流量 등의
流送 條件은 바뀌기 전과 다름없이, 帶電量을 確認하지 않고
흘려보내면 災害에 이를 수가 있다.
그밖에, 點火 爆發에 結付되기 쉬운 帶電으로서는 液體를 攪拌
또는 2種 以上의 液體를 混合할 때 일어나는 帶電을 들 수 있다.
이것은 液體가 攪拌 날개와 容器의 內面과 摩擦하는 것에 의하여
帶電하는 것인데, 攪拌, 混合에서는 氣泡, 異物質이 들어가거나
Colloid 등이 있으면 이것이 帶電을 促進시킨다.
그리고 이것들이 攪拌날개의 軸이든가, 또는 容器內壁의 圓周상에
모이면 이것이 電荷密度와 큰 帶電物體를 形咸하여 이로 因한
災害가 發生하는 수가 있다. 이것은 輸送 등에 의하여 液體가
振動한 경우도 같고 液體 中에 異物質이 있으면 이것이 振動에
의하여 帶電한 후 容器 한 부분에 모여 電荷密度가 큰
電荷物體를 形成한다.
따라서, 大型容器에 의한 輪送 등에서 容器 사이사이에 칸막이 板이
없으면 電荷密度가 큰 部分이 廣範圍에 걸쳐 生成되어 點火 爆發에
結付되는 帶電物體가 되기 쉽다.
2) 噴出·衝突 帶電
液體가 Nozzle, Pipe 등을 통하여 空間에 噴出되면 液體에는
이것들과의 衝突 및 摩擦에 의하여 電荷가 생성된다. 또한, 噴出한
液體의 一部는 흔히 미세한 飛散 泡沫이 되어 空間에 浮遊하여
帶電雲을 形成한다. 이 帶電雲도 點小 爆發에 結付되기 쉬운
帶電物體의 하나로서 一般的으로는 帶電 Mist의 浮遊하는 空間이
크면, 電荷量도 크게 되므로 災害의 原因이 되는 수가 많다.
이러한 帶電은 液體가 構造物에 衝突할 때도 같다. 즉, 液體가
衝突에 의하여 帶電함과 더불어 이때에 飛散 泡沫이 帶電雲을
形成하여 點火 爆發에 結付되는 帶電物體가 된다.
이렇게 液體는 噴出과 衝突에 의하여 帶電하고, 또한 이때에
飛散한 Mist가 帶電雲을 形成한다. 이 帶電雲은 空間에 形成되므로
導電率이 큰 물(水)과 같은 液體에서도 點火 爆發에 結付되는
帶電物禮가 된다. 例를 들면, 大型 Tanker의 船艙을 海水로
청소할 때, 海水가 놓은 壓力으로 Nozzle에서 噴射되면 이 海水는
帶電 Mist가 되어 船艙內에 廣範圍 한 帶電雲을 形成한다.
또한, 船艙의 壁에 衝突한 海水도 Mist가 되어 帶電雲을 형성한다.
이 帶電雲은 實驗에 의하면 船艙內의 突起 部分 등에 큰 電界를
만드는 것이 確認되었고, 앞에서와 같은 帶電雲에서 點火性
방전이 發生하여 Tanker가 爆發하게 되는 災害를 일으키고 있다.
또한, 이러한 Tanker의 淸掃에서는 船艙內의 天井 등에 付着하고
있던 海水가 落下하면서 큰 것은 길이가 3Ocm 程度가 되는
Slug라는 水柱 (물기둥)가 된다. 이 Slug는 落下時의 剝離에
의해서, 또 帶電雲 가운데를 落下하므로 이것이 電荷密度가 큰
帶電을 하는 외에 帶電雲에서 靜電誘導도 받아 큰 帶電物體가 된다.
그 結果, 이것이 接地體에 接近하면 點火性 放電이 發生하고,
이에 따라 爆發이 일어날 수 있다. 한편, 液體를 Tank 등에 充電
또는 移替를 할 때, 充電用의 Pipe를 Tank의 바닥까지 내리지 말고
Tank의 上部 또는 中途 空間에서 液體를 充電하면 바닥에서의
充電과 比較하여 많은 電荷가 發生하고 點火 爆發에 結付되는 수
가 있다.
이 實驗結果와 같이 空間에서 液體를 充電하면 液體에는 많은
電荷가 帶電하고, 그만큼 點火源이 되기 쉬운 것을 보여주고
있다. 따라서, 災害事例에서도 液體가 空間에 噴出할 때, 配管의
Flange 部分에서 噴出할 때, 또는 Nozzle에서 高壓 水蒸氣를
噴射하고, Gas 등의 Purge를 할 때 등 液體를 空間에 噴射한 境遇에
災害를 誘發하는 일이 많다.
특히 水蒸氣는 靜電氣가 帶電하기 쉽고, 空間에 噴出한 境遇는
帶電雲을 形成하므로 이것이 點火 爆發에 結付되는 帶電物體가 된다.
또한, 液體는 導電率이 큰 것에서도 이것이 構造物에서 剝離하여
液滴이 되어 空間을 落下하면, 直徑 1mm 가량의 液滴에
10^-9∼lO^-8 C 程度의 電荷가 帶電된다.
따라서, 多數의 液滴이 空間을 落下하면 電荷密度가 큰 帶電雲을
形成하고, 點火 爆發에 結付되는 帶電物體가 된다.
특히, 이러한 液滴 3㎥ 程度 以上의 넓은 空間을 落下하면,
廣範圍한 帶電雲이 形成되므로 災害와 결부되는 帶電物體가 된다.
그밖에 點火 爆發에 結付되기 쉬운 噴出 帶電으로서 液化 Gas의
噴出도 들 수 있으며 이때에 完全하게 Gas化 하지 않은 液適이
포함되어 있으면, 이것이 摩擦에 의하여 큰 帶電을 하게 된다.
또한, 이 境遇는 液化 Gas가 噴出한 空間에 안개(霧) 또는
氷片이 생겨나 이것이 帶電하여 噴出한 液適과 더불어 帶電雲을
形成한다. 過去의 災害事例를 보면, 液化炭酸 Gas의 噴出에 의하여
Dry Ice의 帶電雲이 생겨나 이것이 Gasoline (揮發油) 蒸氣의
點火源이 되어 發生한 災害가 있다.
이 以外에도 液化 Gas의 噴出에서는 Bombe(圓筒容器)의 바닥에
있던 물이 液體 Gas와 더불어 噴出할 때, 또는 Gas化가 충분히
되지 않은 채 液適이 많이 噴出될 때에 帶電雲을 형성하여 點火
爆發을 일으키고 있다.
따라서, 液化 Gas의 噴出에서도 이것이 異物質이 混入하든가,
Gas化가 충분하지 않으면 點火 爆發에 結付되0004
는 帶電物體를
形成하기 쉽다.
자료출처: 한국산업안전공단 |
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