내압방폭(Flameproof, Ex d구조)

내압방폭(Flameproof, Ex d구조)은 방폭구조 중 가장 먼저 발달된 개념이고, 오늘날에도 널리 사용되는 방폭 구조입니다. 내압방폭은 폭발자체를 방지하는 다른 방폭구조의 개념과는 달리 박스내부에서 폭발이 일어날 수 있다고 가정합니다. 대신 폭발할때 생기는 압력 등을 견디고, 동시에 폭발한 가스가 박스외부에 있는 혼합성 기체로 전이되는 것을 막도록 제품을 설계하는 것입니다.
이 개념은 주로 박스(Enclosure)의 형태로 구현하기 때문에 박스내부에 다른 제품들은 넣을 수 있다는 장점이 있습니다. 폭발방지 메카니즘이 적용되지 않은 일반 비방폭제품도 내압방폭 박스 내부에 장착할 수 있다는 뜻입니다.
특정기능을 하는 제품을 위험지역내에서 사용해야하는데, 그에 해당하는 방폭제품이 없다거나 방폭제품이 있어도 지나치게 비싼 경우라면, 그 특정 제품을 내압방폭박스내에 넣어 사용할 수 있습니다. 이는 다른 방폭구조로는 해결이 안되는 것을 내압방폭 구조로는 해결할 수 있다는 뜻입니다. 이것이 내압방폭의 큰 장점입니다. 하지만 가격이 비싸고, 현장 설치 후의 유지보수도 어렵다는 단점이 있습니다.

내압방폭의 핵심개념인 화염통로(Flamepath)

위험지역을 가정해봅니다. 박스외부에 폭발성 혼합기체가 항상 있습니다. 박스를 사용하면 열이 발생하고, 사용하지 않으면 식기도 합니다. 박스가 외부에 설치되어 있으면 새벽과 한낮의 기온차이도 있습니다. 박스표면의 온도도 높아졌다 낮아졌다를 반복하면서 박스 내부의 온도와 기압도 오르락내리락하게 됩니다.
박스는 마치 숨을 쉬듯 미세한 틈사이로 박스외부의 폭발성 혼합기체를 서서히 흡입, 배출하게 됩니다. 이렇게 박스내부로 유입된 폭발성 혼합기체가 폭발가능한 농도에까지 이르고, 박스내부에서 스파크 등이 발생한다면? 폭발이 일어날 수 있습니다. 하지만 내압방폭은 이를 용인합니다.
박스 내부에 폭발이 발생하면 높은 압력(폭발력)이 생깁니다. 내압방폭 박스는 이런 압력에도 견딜 수 있게 충분히 두껍게 제작됩니다. 그래서 비싸고 무겁습니다. 재질도 알루미늄이나 stainless steel로 한정되어 있습니다. GRP같은 재질로는 제작이 안됩니다.
폭발할때 생긴 고압, 고온의 기체는 박스내부에 영원히 머무는 것이 아니라, 화염통로(flamepath)라는 박스 접합면(본체와 커버사이의 틈) 등에 만들어진 미세한 누출 통로를 따라 박스외부로 빠져나가도록 설계됩니다. Flamepath을 통과하면서 폭발기체의 팽창속도는 떨어지고 온도는 충분히 식도록(cool down) 설계됩니다. 그래야 박스 외부에 존재하는 폭발성 혼합기체와 연쇄반응으로 일어나는 2차폭발을 막을 수 있기 때문입니다. 이 flamepath가 내압방폭의 핵심 개념입니다.
Flamepath는 내압방폭박스의 본체와 닫혀진 덮개(Cover)사이의 틈새나 조인트의 나사산 부분에 만들어집니다. Flamepath의 길이는 같은 박스내에서도 측정지점마다 다를수 있어 박스내부와 박스외부사이에 가장 짧은 거리로 측정합니다. Flamepath의 폭(gap)은 본체와 덮개사이에 맞닿는 부분의 미세한 벌어진 부분의 거리를 말합니다. Flamepath의 길이는 박스내부의 폭발가스의 열을 식힐 수 있는 충분한 거리가 되도록 설계되고, flamepath의 폭은 폭발한 가스를 가두면서 동시에 조금씩 빠져나가도록 하는데 초점을 두게 됩니다.
Flamepath의 길이와 폭은 결국 연관될 수 밖에 없는데, 가스등급별로 이 상관관계를 측정한 값으로 MESG(Maximum Experimental Safe Gaps)라는 것이 있습니다. Flamepath의 길이를 25mm로 고정해놓고 가스등급별로 적정 Flamepath의 두께(gap)가 어떻게 되는지를 실험실 환경에서 측정한 값입니다. IIC등급은 0.5mm 이하, IIB등급은 0.5~0.9mm, IIA등급은 0.9mm 이상으로 그 값이 정해져 있습니다. Enclosure용량이 클수록 위험하므로 MESG값은 작아지고, Flamepath가 길수록 위험도가 낮아지므로 MESG값은 커집니다.

내압방폭의 구조의 종류

Flamepath는 본체와 덮개Cover가 결합되는 방식에 따라 3가지 형태로 구현됩니다. 가장 일반적인 Flanged Joints(왼쪽 첫번째 그림,면접합)와 Spigot joints(두번째 그림,마개접합), 그리고 Threaded joints(세번째 그림,나사접합) 입니다. 왼쪽의 각 그림은 각각을 구현한 제품 사진과 오른쪽에 파란색 실선으로 flamepath를 표현한 것입니다.
flanged joint의 flamepath는 직선, Spigot Joint는 직각, Threaded Joint는 나사산을 따라 원형의 flamepath를 만듭니다. Threaded Joint 방식은 thread 자체가 flamepath의 역할을 하기 때문에 thread의 pitch가 화염통로의 폭(gap)이 되고, 몇 번의 나사산이 결합되었는지(최소 5번이상)가 화염통로의 길이를 결정합니다.
이들중 어떤 방식의 박스를 현장에 적용할 것인지는 주로 가스그룹과 박스의 크기에 따라 결정됩니다. Flanged Joint 방식은 가스그룹 중 IIB등급에, Spigot Joint와 Threaded Joint는 IIC가스그룹에 많이 적용됩니다. Flanged Joint 방식이 가장 일반적이며, 이와함께 박스의 크기도 중요한데, 박스내의 혼합기계의 양에 따라 폭발력이 달라지기 때문에 당연한 결과라 하겠습니다.
내압방폭박스와 관련된 또다른 주요 이슈는 발열입니다. 내압방폭박스는 모터(motor)나 스위치판넬(switchgear)에 많이 사용되는데, 그중 스위치판넬은 열이 크게 발생하지 않기 때문에 온도등급은 보통 T5, T6등급을 만족합니다. 그러나 모터의 경우는 다릅니다. 모터에서 열이 많이 발생하기 때문입니다. 따라서 허용제한온도를 넘기지 않기 위해서는 내압방폭의 정격출력은 일반 모터에 비해 낮습니다.
또한 발열 관련하여 앞서 내압방폭박스내부에는 사용자의 필요에 따라 비방폭 특정제품을 장착할 수 있다했는데, 이 특정제품에서 많은 열이 발생되어 문제가 생길 수도 있습니다. 해서 내압방폭박스 제조사에서는 사용자가 특정제품을 장착할 경우에는 반드시 그 제품사양을 사전고지하도록 합니다. 제조사는 사전고지된 특정제품이 작동하는 조건을 모두 고려하여 내압방폭박스의 전체 온도등급을 정하고 Certificate를 부착하는 등의 과정을 거칩니다.

자료출처: Eaton사의 Ex Digest