[국내논문]가연성 금속분진 폭발시 저장 및 포집용 구조물에 대한 3차원 유한요소 해석 3-Dimensional Finite Element Analysis for Collecting Structure of Combustible Metal Dust During Explosion원문보기
최근 산업구조가 미래 첨단산업 위주로 전환되면서 자동차를 비롯한 항공기, 휴대폰, 전자기기 등 다양한 산업분야의 제품에 Al, Mg, Li, Zn과 같은 가연성 금속의 사용량이 크게 증가하고 있으며 이러한 가연성 금속의 가공과 정에서 발생하는 금속분진에 의한 폭발 사고 또한 증가하고 있다. 금속분진에 의한 폭발사고는 가연성 금속분진을 포집 및 저장하는 국소배기설비의 공기정화장치에서 대부분 발생함에 따라 공기정화장치내 폭발 발생시 폭발압력에 의한 공기정화장치 구조물의 변형과 파열형태를 단순 예측이 아닌 유한요소해석(FEA)법에 의해 기술적으로 분석 및 제시하고자 본 연구를 수행하였다.
최근 산업구조가 미래 첨단산업 위주로 전환되면서 자동차를 비롯한 항공기, 휴대폰, 전자기기 등 다양한 산업분야의 제품에 Al, Mg, Li, Zn과 같은 가연성 금속의 사용량이 크게 증가하고 있으며 이러한 가연성 금속의 가공과 정에서 발생하는 금속분진에 의한 폭발 사고 또한 증가하고 있다. 금속분진에 의한 폭발사고는 가연성 금속분진을 포집 및 저장하는 국소배기설비의 공기정화장치에서 대부분 발생함에 따라 공기정화장치내 폭발 발생시 폭발압력에 의한 공기정화장치 구조물의 변형과 파열형태를 단순 예측이 아닌 유한요소해석(FEA)법에 의해 기술적으로 분석 및 제시하고자 본 연구를 수행하였다.
Due to the latest industrial flow comes mainly switch to high-tech industries, combustible metals as Al, Mg, Li, Zn more require to use for the aircraft, car, cell phones, electronics and others. As a result, Increasing the processing of combustible metals due to increase in amount of combustible me...
Due to the latest industrial flow comes mainly switch to high-tech industries, combustible metals as Al, Mg, Li, Zn more require to use for the aircraft, car, cell phones, electronics and others. As a result, Increasing the processing of combustible metals due to increase in amount of combustible metals giving rise dust explosions also. Most Explosions caused by combustible metal dust, occurred in air cleaning device of local exhaust ventilation to capture and store the combustible dust. Therefore, this study was conducted to present and analyze technically that deformation and rupture shape of air cleaning device structure by Finite Element Analysis(FEA) rather than a simple prediction, in case of explosion occurs in an air cleaning device.
Due to the latest industrial flow comes mainly switch to high-tech industries, combustible metals as Al, Mg, Li, Zn more require to use for the aircraft, car, cell phones, electronics and others. As a result, Increasing the processing of combustible metals due to increase in amount of combustible metals giving rise dust explosions also. Most Explosions caused by combustible metal dust, occurred in air cleaning device of local exhaust ventilation to capture and store the combustible dust. Therefore, this study was conducted to present and analyze technically that deformation and rupture shape of air cleaning device structure by Finite Element Analysis(FEA) rather than a simple prediction, in case of explosion occurs in an air cleaning device.
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문제 정의
그리고 전체 폭발사고의 50%인 8건이 금속의 연마 및 표면처리시 발생되는 금속 분진을 포집 및 저장하는 국소배기설비의 공기정화장치에서 발생하였다[4,5]. 따라서, 국소배기설비 중 공기정화장치 내에서 폭발이 발생할 경우 폭발압력에 의한 구조물의 변형과 파열형태를 단순예측이 아닌 기술적으로 명확하게 분석하고자 유한요소해석을 실시하였다.
제안 방법
Box Type 구조물에서 폭발이 발생할 경우, 폭발압력에 따른 변형(deformation)과 응력(stress) 분포는 제작형태에 따라 정육면체(Cube)와 직육면체(Rectangle)로 구분하여 분석하였다.
Box Type과 Cylinder Type 두 가지 형태의 구조물을 선정하여 내부에서 폭발이 발생할 경우, 폭발압력에 의한 구조물의 변형(deformation)과 응력(stress)분포를 분석하였다.
Cylider Type 구조물의 경우, 폭발압력에 따른 변형(deformation)과 응력(stress) 분포는 제작형태에 따라 Fig. 4의 C와 D로 구분하여 해석하였다.
시뮬레이션의 폭발압력은 분진폭발 사고사례중 가장 많은 사고를 발생시킨 Al을 대상으로 공기정화장치 구조물을 충분히 파열시킬 수 있는 압력과 실험을 통해 제시된 최대폭발압력(9.8bar, 평균입경 25μm)을 고려하여 10bar로 선정하였다[6].
데이터처리
이에 Box와 Cylinder Type 두 가지 형태의 구조물을 대상으로 유한요소해석을 실시하였으며 해석을 위한 Tool은 ANSYS Ver. 12를 사용하였다. 그리고 시뮬레이션 조건은 일반적으로 현장에서 설치되는 구조물의 사양을 고려하여 다음과 같이 선정하였다.
성능/효과
공기정화장치 구조물의 형태에 따른 유한요소해석(FEA) 결과 Box Type의 구조물에서 정육면체(Cube)의 경우, 각 6개의 면 중심부에서 가장 큰 변형이 발생하였으며 파열이 예상되는 최대응력발생지점은 각 6개의 면의 접합부로 나타났다. 그리고 직사각형(Rectangle)의 경우 각 6개의 면 중 면적이 넓은 수직 4개의 면 중심부에서 가장 큰 변형이 발생하였으며 파열 지점은 면적이 넓은 수직 4면의 접합부로 나타났다.
구조물의 크기에 따라 폭발시 폭발압력에 의한 구조물의 변형 차이는 있겠으나 정육면체 구조물은 각 면의 중심부에서 폭발압력에 의한 변형이 가장 크게 발생하는 것으로 분석되었다. 또한, 정육면체 구조물의 응력분포는 시뮬레이션 결과 Fig .
그리고 직사각형(Rectangle)의 경우 각 6개의 면 중 면적이 넓은 수직 4개의 면 중심부에서 가장 큰 변형이 발생하였으며 파열 지점은 면적이 넓은 수직 4면의 접합부로 나타났다. 끝으로 원통형의 경우는 높이에 상관없이 상하부 경판 중심점에서 가장 큰 변형이 발생 하였으며 파열 예상지점은 경판과 쉘(shell)의 접합 지점으로 분석되었다.
따라서, 정육면체 구조물은 각 면의 접합부 중간지점에서 폭발시 압력에 의한 응력(Stress)이 가장 크며 용기가 파열될 경우 이 부분에서 발생될 것으로 분석 되었다.
따라서, 직육면체 구조물의 경우 6개의 면 중 상 · 하부 2개 면을 제외한 수직 4개 면의 접합지점에서 폭발시 압력에 의한 응력(Stress, MPa)이 가장 크며 용기가 파열될 경우 이 부분에서 발생될 것으로 분석되었다.
49mm의 부풀어 오름이 발생하였으며 B형은 6개의 면 중 면적이 가장 큰 2개의 면 중심부로 41,200mm의 부풀어 오름이 발생하였다. 직육면체 구조물 또한, 구조물의 크기에 따라 폭발압력에 의한 변형 크기의 차이는 있겠으나 정육면체 저장용기와는 달리 6개의 면 중 면적이 넓은 중심부 지점에서 변형이 가장 많이 발생하는 것으로 분석되었다.
직육면체 구조물의 응력분포는 시뮬레이션 결과 A형이 Fig. 9, B형이 Fig. 10과 같이 나타났으며 최대응력 발생지점은 정육면체 구조물과는 다르게 A, B형 모두 6개의 면 중 상 · 하부 2개면을 제외한 수직 4개 면의 접합지점 이었으며 각 지점의 최대응력은 A형 4,040MPa, B형 25,741MPa로 나타났다.
후속연구
끝으로, 본연구의 결과를 통해 공기정화장치 구조물의 변형과 파열형태를 단순예측이 아닌 유한요소해석(FEA)에 의해 기술적으로 분석․제시함에 따라 국소배기설비의 설계 및 설치시 공기정화장치의 설치위치와 제작형태 그리고 폭발방산구 위치 선정 등 안전대책 수립을 위한 자료로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
분진폭발이 발생될 수 있는 상황의 예는?
분진폭발이란 제한된 공간에 존재하는 가연성 분진이 공기 중 부유된 상태에서 점화원에 의해 점화될 경우 급격히 연소되면서 발생되는 사고를 말하며 이는 주로 식료품, 목재, 금속, 플라스틱, 석탄, 곡물 등의 저장 및 취급시 발생하고 있다[1].
분진폭발이 일어나는 일반적인 과정은?
일반적으로 분진은 개방된 공간에서 분진운이 형성되어 점화원에 의해 점화될 경우 플래시 화재가 발생되며 제한된 공간에서 점화될 경우에는 발생된 연소열로 인해 급격한 압력상승과 분진의 화염전파 그리고 높은 열과 반응들로 인해 폭발이 된다[2].
분진폭발이란?
분진폭발이란 제한된 공간에 존재하는 가연성 분진이 공기 중 부유된 상태에서 점화원에 의해 점화될 경우 급격히 연소되면서 발생되는 사고를 말하며 이는 주로 식료품, 목재, 금속, 플라스틱, 석탄, 곡물 등의 저장 및 취급시 발생하고 있다[1].
참고문헌 (6)
R. K. Eckhoff, "Dust Explosion in the Process Industries", $3^{rd}ed$ ., Gulf Professional Publishing, USA (2003)
Tasneem Abbasi, S.A.Abbasi, " Dust explosion -Case, cause, consequence, and control", Journal of Hazardous Materials, 140, 7-144, (2007)
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