다양한 산업분야의 첨단제품들의 기능향상이나 디자인 등을 위해 알루미늄이나 마그네슘과 같은 가연성 금속의 사용량이 증가하고 있으며, 이러한 금속의 가공공정의 증가로 인한 금속분진이 발생할 가능성이 증가되며 이는 금속분진으로 인한 폭발사고의 증가로 이어지고 있다. 금속분진에 의한 폭발의 경우 고체 및 열분해에 의해 발생된 증기의 혼합 상태에서의 연소라는 점에서 실험적인 해석이 가스폭발이나 증기운 연소에 비해 매우 복잡하기 때문에 국내 외적으로 분진폭발에 대한 연구가 현재로서는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 가연성 금속분진의 폭발에 대한 리스크 분석을 위한 기반구조를 마련하고, 이러한 기반을 토대로 효율적인 분석방법을 제시하기 위해 분진폭발에 대한 폭발이론과 특성에 대하여 정리 및 제시하였으며, 금속성분진 별 폭발특성을 데이터베이스화 하여 분진폭발에 대한 리스크 분석과 연구에 사용할 수 있는 기반을 마련하였다.
다양한 산업분야의 첨단제품들의 기능향상이나 디자인 등을 위해 알루미늄이나 마그네슘과 같은 가연성 금속의 사용량이 증가하고 있으며, 이러한 금속의 가공공정의 증가로 인한 금속분진이 발생할 가능성이 증가되며 이는 금속분진으로 인한 폭발사고의 증가로 이어지고 있다. 금속분진에 의한 폭발의 경우 고체 및 열분해에 의해 발생된 증기의 혼합 상태에서의 연소라는 점에서 실험적인 해석이 가스폭발이나 증기운 연소에 비해 매우 복잡하기 때문에 국내 외적으로 분진폭발에 대한 연구가 현재로서는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 가연성 금속분진의 폭발에 대한 리스크 분석을 위한 기반구조를 마련하고, 이러한 기반을 토대로 효율적인 분석방법을 제시하기 위해 분진폭발에 대한 폭발이론과 특성에 대하여 정리 및 제시하였으며, 금속성분진 별 폭발특성을 데이터베이스화 하여 분진폭발에 대한 리스크 분석과 연구에 사용할 수 있는 기반을 마련하였다.
Recent years have witnessed the increased usage of flammable metals, such as aluminum or magnesium, in wide range of high-tech industries. These metals are indispensable for the improvement of physical properties of materials as well as the design capability of the final product. During the process,...
Recent years have witnessed the increased usage of flammable metals, such as aluminum or magnesium, in wide range of high-tech industries. These metals are indispensable for the improvement of physical properties of materials as well as the design capability of the final product. During the process, unwanted metal dusts could be released to the environment. This can lead to an occupational health and safety issues. Due to their flammable nature, more serious problem of an explosion can happen in extreme cases. The explosion is the combustion of tiny solid particles and vapor mixture, caused by pyrolysis. This complex composition makes engineering analysis more difficult, compared to simple gas explosions or vapor cloud combustions. The study was conducted to assess this light metal dust explosion in an effort to provide the bases for a risk assessment. Dust explosion characteristics of each material was carefully evaluated and an appropriate analysis tool was developed. A comprehensive database was also constructed and utilized for the calibration of the developed response model and the verification for its accuracy. Subsequently, guidelines were provided to prevent dust explosions that could occur in top-notch industrial processes.
Recent years have witnessed the increased usage of flammable metals, such as aluminum or magnesium, in wide range of high-tech industries. These metals are indispensable for the improvement of physical properties of materials as well as the design capability of the final product. During the process, unwanted metal dusts could be released to the environment. This can lead to an occupational health and safety issues. Due to their flammable nature, more serious problem of an explosion can happen in extreme cases. The explosion is the combustion of tiny solid particles and vapor mixture, caused by pyrolysis. This complex composition makes engineering analysis more difficult, compared to simple gas explosions or vapor cloud combustions. The study was conducted to assess this light metal dust explosion in an effort to provide the bases for a risk assessment. Dust explosion characteristics of each material was carefully evaluated and an appropriate analysis tool was developed. A comprehensive database was also constructed and utilized for the calibration of the developed response model and the verification for its accuracy. Subsequently, guidelines were provided to prevent dust explosions that could occur in top-notch industrial processes.
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문제 정의
본 논문에서는 가연성 금속분진의 폭발특성에 대한 데이터를 수집 및 정리함으로써 금속분진의 리스크 분석의 기반이 될 수 있는 데이터베이스를 수집 및 구축하였다.
본 연구는 가연성 금속분진의 폭발한 리스크를 분석하기 위한 기반구조를 마련하고, 이를 토대로 효율적인 분진폭발의 분석방법을 제시하고자 수행하였다.
본 연구에서는 가연성 금속분진에 의한 폭발위험을 효율적으로 분석하기 위해, 분진폭발에 대한 이론과 특성을 정리 및 제시하였으며, 금속분진이 발생할 수 있는 설비에 대한 효율적인 리스크 분석을 위해 분진폭발특성 데이터베이스를 구축하였고, 폭발로 인하여 발생할 수 있는 분진포집시설의 파열압력계산식 및 폭발피해영향을 분석할 수 있는 방법을 제시하였다.
제안 방법
가연성 금속분진의 폭발특성에 대하여 문헌데이터와 실험데이터를 수집 및 정리하여 데이터베이스를 구축하였으며, Table 4와 Fig 4와 같은 데이터베이스 구성기준 및 구성도를 이용하였다.
따라서, 폭발시 구조물의 파열가능 압력을 예측하기 위하여 재료의 두께에 대한 용접부 공률 반경비를 반영한 응력집중계수(λ)를 적용하여 폭발시 파열압력 계산식을 도출하였다.
본 논문에서 제시한 수식들과 데이터베이스를 토대로 사례연구를 수행하였다. 대상공정은 자동차부품을 생산하는 공장의 가연성 금속분체를 이용한 도장 공정으로, 부품의 표면에 알루미늄 분체를 고압 분사한 후 180 ℃의 온도로 가열함으로써 분말이 제품표면에 녹아들어 피막을 형성하도록 하는 공정이다.
본 연구에서는 폭발시 발생되는 과압의 영향을 나타내기 위해 분진별 최대폭발압력 값을 이용하여 해당 분진의 폭발에너지를 산정하고 산정된 에너지를 TNT 양(kg)로 환산하여 거리에 따른 피해영향을 나타내었다. 폭발시 발생되는 에너지를 산정하기 위해 Baum(1985) 식을 활용하였으며 폭발에너지 식은 다음과 같다.
분진의 최대폭발압력과 설비의 파열가능 압력을 예측 비교분석 함으로써, 효율적인 리스크 분석과 안전계획 수립을 위한 근거로 활용할 수 있는 관계식을 제시하였으며, 해당 식은 가연성 분진을 포집 및 저장 할 수 있는 장치의 일반적인 제작형태인 Box Type과 Cylinder Type으로 구분하였다.
이론/모형
일반적으로 폭발로 인한 인적․물적 피해의 영향정도를 정량적으로 평가 분석하는데 있어서 가장 적절하게 활용할 수 있는 것은 확률단위(Probit)방법으로 폭발시 초래되는 과압 또는 임펄스(Impulse)의 함수인 Probit 계산식을 이용하며 식은 다음과 같다.
본 연구에서는 폭발시 발생되는 과압의 영향을 나타내기 위해 분진별 최대폭발압력 값을 이용하여 해당 분진의 폭발에너지를 산정하고 산정된 에너지를 TNT 양(kg)로 환산하여 거리에 따른 피해영향을 나타내었다. 폭발시 발생되는 에너지를 산정하기 위해 Baum(1985) 식을 활용하였으며 폭발에너지 식은 다음과 같다.
성능/효과
분체도장 공정의 공기정화장치에서 폭발이 발생할 경우, 폭발압력은 공기정화장치를 충분히 파열시킬 수 있었으며, 최대 227m 내에 위치한 시설물과 외부 근로자에게 피해를 미치는 것으로 나타났다.
후속연구
이러한 분석과 예측기법을 통해, 가연성 금속분진을 포집 및 저정하는 설비의 제작 또는 설치 시 생산공정 라인과 작업자 이동반경 그리고 사무실 위치 등과 같은 현장 내 변수를 고려하여 안전대책을 수립함으로써 안전수준을 향상시킬 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
알루미늄, 마그네슘, 리튬, 아연 및 HDPE와 같은 고분자 사용으로 인해 나타나는 문제는 무엇인가?
이러한 물질들은 가공과정과 고분자를 형성하기 위한 원료 배합과정에서 다량의 분진이 형성될 수 있으며, 밀폐된 공간에서 형성된 분진들은 미상의 점화원에 의하여 점화가 이루어질 경우, 공기 중에 부유된 분진들이 연쇄적으로 연소되어 폭발로 전개될 수 있다, 이러한 현상을 분진폭발이라 한다.
분진이란 무엇인가?
고체를 세분화하면 작은 입자가 되며, 연소공학과 분체공학에서는 미립자, 미분체라고 한다. 안전공학에서는 이를 분진이라 한다.
분진폭발에 영향을 미치는 주요 인자는 무엇인가?
분진폭발에 영향을 미치는 주요 인자로는 분진의 화학적 성질, 입자의 크기, 분진의 농도, 산소농도, 분진운의 확산상태, 난류 등이 있으며 아래의 Table 1 과 같이 분류할 수 있다 [8].
참고문헌 (11)
R. K. Eckhoff, "Dust Explosion in the Process Industries", 3rd ed., Gulf Professional Publishing, USA, (2003)
한우섭 외 4명 "집진배관 내에서의 분진의 발화 특성 및 폭발방지 연구", 산업안전보건연구원 보고서, (2009)
한우섭 외 5명 "중대사고 예방을 위한 공정위험 물질 및 반응공정 위험성평가 연구", 산업안전 보건연구원 연구보고서, (2007)
최영상, "분진폭발의 현상과 방지대책에 관한 고찰", 소방논문 제 5집, (2001)
C.Proust, A few fundamental aspect about ignition and flame propagation in dust clouds", J. Loss Prevent. Process Ind. 19, pp.104-120, (2005)
R.K.Eckhoff, "Differences and similarities of gas and dust explosion a critical evaluation of the European 'ATEX' directives in relation to dusts", J.Loss Prevent, Process Ind. 19, pp553-560, (2006)
Tasneem Abbasi, S.A.Abbasi, "Dust explosion-case, cause, consequence, and control", Journal of Hazardous Materials, 140, pp7-144, (2007)
Jang, C. B., Yong. J, W., Baek. J. B., Kwon, H. M., , Ko., J. W., "3-Dimensional Finite Element Analysis for Collecting Structure of Combustible Metal Dust During Explosion", KIGAS, 15(5), PP.19-24, (2011)
CCPS, "Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis", AIChEM, New York, (2000)
V.J. Clancey, "Diagnostic Features of Explosion Damage", Sixth International Meeting of Forensic Sciences, (1972)
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