[논문]화약 폭발에 의한 탄화수소계 연료의 분산매질 형성에 관한 연구

유재헌

doi:10.14346/jkosos.2016.31.2.33

문제 정의

따라서 본 논문에서는 타 연료 대비 정보가 부족한 heptane의 분산 특성 데이터를 확보하고자 하였다. 이를 위해 화약을 이용하여 연료 분산을 인위적으로 발생시키는 연구를 수행하였으며, 분산화약의 밀도, 약량에 따른 액체연료의 분산형태, 반경, 속도 등에 대한 데이터를 시험을 통해 획득하였다.
7 g/cc, 질량 145 g의 중약량 조건을 기준으로 하고 화약의 상태방정식은 CHEETAH code¹⁹⁾ 결과를 적용하였다. 또한 외부 용기는 20개의 홈을 내어 노치가공의 효과를 확인하고자 하였으며, 해석의 정확도를 높이고자 격자의 간격은 원주방향으로 동일한 크기를 유지하고자 하였다.
추가로 시험 수행사전에 상용 코드인 AUTODYN을 활용하여 기폭 초기용기의 파열 형태 및 속도에 대한 해석을 수행함으로써 용기에 의한 액체연료의 불안정한 분산을 최대한 배제하고 분산화약의 영향만을 고려하고자 하였다. 또한, 획득한 정보 중 연료 분산 반경을 활용하여 초기연료 분산 시 인화원이 떨어져 있어야 하는 최소한의 위험반경을 산정하고자 하였다.
서론에 언급한 본 연구의 주요 목적인 분산화약의 충전 밀도와 약량에 따른 액체 연료의 분산 패턴을 확인하기 위한 시험을 진행하였다. 참고로 시험에 사용된 분산화약량이 100~200 g 수준으로 실내/소규모 시설에서의 시험은 부적합하며, 근처에 장애물이 없는 개활지에서의 시험이 요구된다.
앞서 분석한 분산화약량, 밀도별 속도 및 분산 면적결과와 더불어 위험 반경을 산정하기 위해 연료 분산매질의 최대 반경을 확인하고자 하였다. 액체 연료가 폭발하면 강력한 압력과 화염을 발생시켜, 근접한 위치에 인화성 물질이 있을 경우 연쇄 폭발의 가능성을 가지고 있으므로 다양한 액체 연료에 대한 위험반경 및 피해거리 연구가 수행되어야 하고²¹⁾ 관련 데이터를 구축하고 있어야 한다.
분산화약량에 따른 분산 특성을 분석하기 위해 약량을 3종으로 구분하여 시험을 진행하였다. 약량을 증가시켰지만 용기는 모두 동일하게 제작하여 크기에 따른 변화를 상쇄하고자 하였다.
이를 위해 화약을 이용하여 연료 분산을 인위적으로 발생시키는 연구를 수행하였으며, 분산화약의 밀도, 약량에 따른 액체연료의 분산형태, 반경, 속도 등에 대한 데이터를 시험을 통해 획득하였다. 추가로 시험 수행사전에 상용 코드인 AUTODYN을 활용하여 기폭 초기용기의 파열 형태 및 속도에 대한 해석을 수행함으로써 용기에 의한 액체연료의 불안정한 분산을 최대한 배제하고 분산화약의 영향만을 고려하고자 하였다. 또한, 획득한 정보 중 연료 분산 반경을 활용하여 초기연료 분산 시 인화원이 떨어져 있어야 하는 최소한의 위험반경을 산정하고자 하였다.

가설 설정

1. 액체 연료인 heptane과 민감제를 혼합한다.

제안 방법

1/ 50000 sec 고속카메라를 통해 동일 조건에서의 액체 연료분산 속도를 산정하였다.
Apparao는 propylene oxide와 ethylene oxide를 이용하여 액체연료의 분산 및 기폭시험을 수행하였으며, 고속카메라를 통해 시간별로 분산 속도, 면적 등 정량화된 데이터를 획득하였다⁹⁾. 또한 용기의 종횡비를 변수로 한 시험을 통해 세로/가로 비율이 낮을수록 용기의 파열이 일정하고 분산이 균일하게 이루어짐을 확인하였다¹⁰⁾.
내부에는 설계안대로 분산화약인 NQ를 이용하였으며, 물성데이터는 밀도 0.7 g/cc, 질량 145 g의 중약량 조건을 기준으로 하고 화약의 상태방정식은 CHEETAH code19) 결과를 적용하였다.
그러나 본 연구는 분산화약의 영향만을 분석하고자 하였으므로 용기에 의해 연료의 분산이 고르게 이루어지지 않는 등의 문제점은 사전에 제거하여야 한다. 따라서 시험에 착수하기 전 용기가 일정하게 파열되어 초기 연료의 분산이 잘 이루어지는지 ANSYS의 프로그램 중 화약의 폭발 해석이 가능하며 LNG 등 기체 연료 폭발 등의 해석 사례가 있는¹⁸⁾ AUTODYN을 활용하여 초기 기폭 후 용기 파열에 대한 해석을 수행하였다.
4.2 분산화약 밀도 변화에 따른 액체연료 분산

분산화약 밀도에 따른 분산 형태 변화를 확인하기 위해 분산화약의 약량은 일정하게 유지하고 화약의 밀도를 3종으로 구분하여 시험을 진행하였다.
4.1 분산화약량 변화에 따른 액체 연료 분산

분산화약량에 따른 분산 특성을 분석하기 위해 약량을 3종으로 구분하여 시험을 진행하였다. 약량을 증가시켰지만 용기는 모두 동일하게 제작하여 크기에 따른 변화를 상쇄하고자 하였다.
분산화약의 밀도와 약량 변화 조건을 만족시키기 위해 밀도는 0.7 g/cc을 기준으로 하여 고밀도 0.9 g/cc, 저밀도 0.5 g/cc 총 3세 가지의 밀도를 적용하였으며, 약량의 효과를 확인하기 위해 기준 약량 145 g을 기준으로 고약량 185 g, 저약량 105 g 총 3종을 기준으로 시험하였다. Table 3을 통해 구체적인 시험 사양을 확인할 수 있다.
분산화약이 충전된 용기 내 액체연료의 분산과정을 체계적으로 분석하기 위해 용기 파열의 사전 해석 및 분산화약의 약량/밀도를 변수로 한 시험을 수행하였다.
약량별 분산의 형태, 확산 속도, 분산 면적 등을 정확하게 구별하기 위해 영상분석 소프트웨어를 사용하였다. 소프트웨어 내 특정 색을 추적하는 알고리즘이 탑재되어 있어, 사진의 연료분산 궤적을 시간마다 기록/저장하고 이를 누적하여 약량 별 액체 연료 분산의 확산 속도, 단면적을 산출하였다.
가로 방향의 막대는 3 m~6 m까지 1 m 간격으로, 그 이후 12 m까지는 2 m 간격으로 설치되었으며, 세로 방향은 3 m 간격으로 3개의 막대가 설치되었다. 시험 결과를 분석하기 위해 전방에는 고속카메라를 2 종류로 배치하여 초기용기의 파열 및 분산 패턴을 1/2000, 1/50000 sec까지 세분화하여 계측하였으며, 상공에는 카메라가 장착된 멀티콥터를 운용하여 폭발 시 연료 분산을 상부에서 관찰할 수 있도록 하였다.
7처럼 특정시점의 고속카메라 영상 사진만으로는 연료분산 형태를 정량적으로 분석할 수 없다. 약량별 분산의 형태, 확산 속도, 분산 면적 등을 정확하게 구별하기 위해 영상분석 소프트웨어를 사용하였다. 소프트웨어 내 특정 색을 추적하는 알고리즘이 탑재되어 있어, 사진의 연료분산 궤적을 시간마다 기록/저장하고 이를 누적하여 약량 별 액체 연료 분산의 확산 속도, 단면적을 산출하였다.
용기의 전체 크기는 20 kg 정도의 액체 연료가 저장 될 수 있는 공간을 고려하여, 높이 500 mm, 직경 300 mm 수준으로 제작되었으며, 재질은 SCM 계열의 steel을 적용하였다. 용기 상-하부에는 마개가 부착되어 있는데, 하부는 용접으로 처리하였고, 상부는 분산 화약과 액체연료를 주입하기 위해 플랜지 형태로 설계하여 필요 시 개방이 가능하도록 하였다. 용기의 내부 구성은 중앙에 분산화약이 충전되고, 화약 외부에 액체연료가 주입되는 형태이다.
따라서 본 논문에서는 타 연료 대비 정보가 부족한 heptane의 분산 특성 데이터를 확보하고자 하였다. 이를 위해 화약을 이용하여 연료 분산을 인위적으로 발생시키는 연구를 수행하였으며, 분산화약의 밀도, 약량에 따른 액체연료의 분산형태, 반경, 속도 등에 대한 데이터를 시험을 통해 획득하였다. 추가로 시험 수행사전에 상용 코드인 AUTODYN을 활용하여 기폭 초기용기의 파열 형태 및 속도에 대한 해석을 수행함으로써 용기에 의한 액체연료의 불안정한 분산을 최대한 배제하고 분산화약의 영향만을 고려하고자 하였다.
용기의 내부 구성은 중앙에 분산화약이 충전되고, 화약 외부에 액체연료가 주입되는 형태이다. 충전된 분산화약의 위치를 고정시키기 위해 내부에 tube형 폭관을 별도 제작 하였고, 화약 폭발시 용기의 균일한 파열과 연료의 고른 분산을 위해 외벽에는 18˚간격으로 홈을 내는 노치 가공을 하였다. 용기의 두께와 홈 가공의 비는 3:2로 하여 작업 후 남은 살 두께가 전체의 1/3이 되도록 하였다.

대상 데이터

참고로 시험에 사용된 분산화약량이 100~200 g 수준으로 실내/소규모 시설에서의 시험은 부적합하며, 근처에 장애물이 없는 개활지에서의 시험이 요구된다. 따라서 본 시험은 가로, 세로 각각 100 m 정도 여유가 있는 개활지에서 진행하였다.
액체 연료로는 서론에 제시한 heptane을 사용하였으며, nitro 종류의 민감제를 일부 첨가하였다.
2로 확인할 수 있다. 용기의 전체 크기는 20 kg 정도의 액체 연료가 저장 될 수 있는 공간을 고려하여, 높이 500 mm, 직경 300 mm 수준으로 제작되었으며, 재질은 SCM 계열의 steel을 적용하였다. 용기 상-하부에는 마개가 부착되어 있는데, 하부는 용접으로 처리하였고, 상부는 분산 화약과 액체연료를 주입하기 위해 플랜지 형태로 설계하여 필요 시 개방이 가능하도록 하였다.

성능/효과

1/ 50000 sec 고속카메라를 통해 동일 조건에서의 액체 연료분산 속도를 산정하였다. 0.1 msec 단위로 계측하기에는 용기 파열 변화가 1 mm 내외 수준으로 굉장히 작아 속도 측정에 오차가 발생할 수 있어 0.5 msec/1.0 msec 두 구간 사이에서의 용기파열 변화를 확인하였으며, 결과는 약 93 m/s로 추정되었다. 해석 결과의 평균값인 112.
5 ㎛으로 감소하면 2차 기폭에 필요한 화약량은 45%감소하는 것으로 보고하였다.²⁰⁾ 따라서 상기 실험 조건 내에서는 분산화약량이 많을수록 액적의 크기가 줄어들어 2차 기폭에 필요한 에너지가 줄어들고, detonability가 향상될 것으로 보인다.
결과에 따르면 분산 반경은 6.4 m~9 m 수준으로 분포하고 있으며, 약량/밀도에 의해 변화되는 뚜렷한 경향은 없으나 저밀도/저약량 조건은 분산 반경이 넓은 것을 확인할 수 있다. 분산반경은 전체 분산 형상을 대변할 수 있는 면적과는 달리 가로방향의 최대 분산 거리만을 계측한 값으로 전체적인 경향성을 반영하기 어려울 수 있다.
2 sec에 가까워지면서 세 조건 모두 비슷한 단면적 크기를 보인다. 결과적으로 초기 분산속도는 세 조건이 모두 다르더라도 단면적의 넓이 즉, 분산 면적은 유사해진다.
다음으로 단면적의 변화 추이를 보면 100 msec까지는 고약량이 가장 큰 단면적을 가지나, 그 이후에는 중약량(145 g)의 단면적이 가장 크며, 0.2 sec에 가까워지면서 세 조건 모두 비슷한 단면적 크기를 보인다. 결과적으로 초기 분산속도는 세 조건이 모두 다르더라도 단면적의 넓이 즉, 분산 면적은 유사해진다.
한편 분산화약의 밀도의 변화에 따라 분산특성의 차이는 확인하였으나 분산 화약량을 변수로 시험을 수행하였을 때보다 변화의 폭이 적었다. 마지막으로 인화성물질의 연쇄 폭발을 방지하기 위해 최소한 거리를 두어야 할 위험 반경을 산정하고자 하였으며, 반경 범위는 최소 6.3 m 최대 9 m까지로 분석되었다.
시험 결과에 따르면 분산 면적은 약량 조건과 상관없이 유사하고, 분산 초기속도는 약량이 클수록 증가하므로 약량이 증가하면 액적의 크기는 작아지게 된다. 밀도를 변수로 하면 초기 분산속도는 유사하나 공기저항에 의한 속도 변화가 조건별로 서로 다른 결과를 보였으며 저, 중밀도 조건이 연료가 상대적으로 넓게 분포되었다.
단면적 분석 데이터도 속도와 마찬가지로 초기에는 저밀도 조건이, 중간 시점에는 중밀도 조건이 가장 빠른 것을 확인할 수 있다. 분석 종료 시점인 0.2 sec에 도달하였을 때 저밀도, 중밀도의 면적 대비, 고밀도 조건의 분산 단면적이 약 16% 적게 분포됨을 확인 할 수 있다. Table 5는 CHEETAH code¹⁹⁾로 계산된 밀도에 따른 nitroguanidine의 C-J 조건이다.
시험 결과에 따르면 고약량 조건은 액체연료의 초기 분산 속도가 가장 빠르나 25 msec이후 분산 속도가 급격히 감소하는 것을 확인하였으며, 반면 저약량의 경우에는 초기 분산속도는 낮으나, 분산 속도가 감소하지 않고 빠른 속도를 상대적으로 오랫동안 유지하였다. 한편 분산화약의 밀도의 변화에 따라 분산특성의 차이는 확인하였으나 분산 화약량을 변수로 시험을 수행하였을 때보다 변화의 폭이 적었다.
액체 연료의 속도, 면적, 반경 등 분산형태는 분산화약의 약량과 밀도에 의해 영향을 받는다는 것을 시험 결과를 통해 확인할 수 있다. 면적이나 반경은 공기 중에 분포하고 있는 연료의 농도와 관련이 있고, 분산 속도는 액적의 크기를 대변해 주는 값이 된다.
Bronsky는 hexyl nitrate(HN), ethyl hexyl nitrate(EHN), nitromethane, nitropropane 등을 제안하여 이를 분석하였으며¹³⁾, Lu는 액체 액적을 생성/분사하는충격관 장비를 갖추고 heptane, kerosine을 기폭 시키는 실험을 진행하였다¹⁴⁾. 연료의 점성, 민감제 첨가 유무를 변수로 하여 연구를 수행하였는데, 점도가 높을수록 연료의 비산거리는 넓어지나, 폭발시키기 위해 높은 점화에너지가 필요하며, 민감제의 첨가량이 많아지면 폭발하기 쉬운 환경이 조성되는 것을 확인하였다.
정량적으로 분석된 결과에 따르면, 분산화약량의 차이에 비해 분산속도, 면적의 변화는 상대적으로 적으며, 특정 시간구간에서는 오히려 저약량의 분산속도가 더 빠른 경우도 있는 것을 볼 수 있다. 이는 액체 연료의 분산도를 단순하게 폭발속도, 폭발압력으로 결정할 수 없다는 것을 의미한다.
종합하면, 연료가 조기점화하지 않는 가정 하에 분산화약의 약량이 많고, 밀도가 낮을수록 액체연료의 기화가 용이하고 액적이 넓게 분포하여 폭발하기 유리한 환경이 조성될 가능성이 높은 것으로 판단된다.
0 msec 두 구간 사이에서의 용기파열 변화를 확인하였으며, 결과는 약 93 m/s로 추정되었다. 해석 결과의 평균값인 112.6 m/s와 비교하였을때 약 20%정도의 오차이므로, 해석을 통하여 시험 사전에 용기 파열속도, 초기 연료 분산 패턴을 예측할 수 있을 것으로 보인다. 또한 시간에 따라 용기의 방출 속도가 일정한 수준을 유지하고 있으므로 시간에 따라 균일하게 액체 연료가 방출될 것임을 예측할 수 있다.
분산화약이 충전된 용기 내 액체연료의 분산과정을 체계적으로 분석하기 위해 용기 파열의 사전 해석 및 분산화약의 약량/밀도를 변수로 한 시험을 수행하였다. 해석을 통해 용기 외부에 일정한 간격으로 홈을 내는 노치가공을 하면 상대적으로 가공된 부위가 먼저 파열되므로 파열되는 형상이 노치의 간격대로 일정하다는 결과를 얻었으며, 이로 인해 액체도 어느 한 방향으로 편향되지 않고 노치의 파열 형상에 따라 일정한 형태를 지니며 분산할 수 있는 가능성을 사전에 확인할 수 있었다.

후속연구

본 연구는 액체연료의 분산 메커니즘에 집중되어 수행되었지만 추가적인 연구를 통하여 분산매질의 폭발조건을 인위적으로 조성하고 센서를 이용하여 시간, 위치 별 압력과 온도를 계측하여 데이터를 획득할 경우, 액체 연료의 폭발 사고를 모사해볼 수 있어 압력, 온도 기준의 인적 피해를 예측하고 인화 물질에 대한 위험 반경을 설정할 수 있을 것으로 기대된다.

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