이번 글에서는 카테고리 표시 다음으로 적혀있는 장비 카테고리 표시에 대해 살펴보겠습니다. 장비카테고리(Equipment Category)의 분류는 세가지 인데, M(광산업의 메탄가스), G(Gas), D(Dust) 입니다. 광산용 장비가 아니라면 흔히 보게되는 방폭형 장비에는 G 또는 D가 표시되어 있습니다. 첫번째 그림에서는 GD가 나란히 표시되어 있는데 이는 Gas와 Dust 모두에 적용되며, 각각에 맞는 방폭구조를 가지고 있다는 뜻입니다.
가스와 분진으로 나눠서 표시하는 이유는 방폭형 장비를 각 위험물질별 특성에 맞게 설계, 설치, 운영해야 하기 때문입니다. 가연성 가스가 있는 곳과 인화성 분진은 서로 성격이 다르니 그에 맞는 장비를 사용해야 한다는 뜻입니다. 하지만 실무에서는 가스용 방폭인증이 있는 제품들은 대부분 분진용 방폭인증도 있기 때문에 큰 의미가 없습니다. 물론 가스방폭인증은 있지만 분진방폭인증은 없는 제품도 있고, 분진방폭만 있는 제품은 있기는 합니다.(R.STAHL사의 7040 모델 등)

'가스(기체)와 분진(고체)은 있는데, 액체에 해당하는 방폭은 왜 없을까?'라고 생각할 수도 있습니다. 액체는 액체 그 자체가 아닌 주로 증기(Vapour)의 형태로 가스와 함께 다룹니다. 이때에 사용되는 것이 바로 인화점(flash point)라는 개념입니다. 당연한 이야기지만 액체는 온도가 올라감에 따라 기체로 증발되는 부분이 있고 이를 증기라고 합니다. 가연성 액체에 화염을 접근시켰을 경우에 연소가 일어나기 위해서는 충분한 만큼의 증기가 있어야 하는데, 그 필요한 만큼의 증기를 발생시킬 수 있는 최저온도를 인화점이라고 합니다. 방폭에서 기준이 되는 인화점은 37.8 도로, 인화점이 37.8 도보다 낮다면 가연성 액체(Flammable Liquid)라고 하고, 37.8도 보다 높으면 인화성 액체(Combustible Liquid)라고 합니다.

폭발의 3요소

폭발사고는 어떻게 방지할 수 있을까요? 먼저 폭발이 어떻게 일어나는지를 알아야 합니다. 폭발은 폭발에 필요한 세가지 요소가 모두 있어야 일어나는데, 두번째 그림과 같이 폭발 삼각형(Fire triangle)으로 표현되는 폭발의 3요소는 첫번째 산소(Oxygen)와 두번쨰 발화원(ignition source, 아크, 스파크, 또는 뜨거운 표면온도 등), 세번째 가연성물질 연료(Fuel, 가스나 증기 등의 형태로 존재)입니다. 폭발은 이 세가지가 동시에 존재해야 하고, 세가지 중 하나라도 빠지면 폭발은 일어나지 않습니다.
3요소 중 산소는 어디에나 존재한다고 할 수 있습니다. 공기에 21%는 산소이니까요. 만일 특정지역의 공기중 산소량이 21%보다 더 많은 상태라면? 발화에 필요한 에너지의 크기가 줄어듭니다. 폭발력은 배가되고. 폭발성 인화성 기체의 인화범위(Flammable/Explosion Range. LEL과 UEL사이의 값)가 넓어집니다. 즉, 폭발이 더 쉬워집니다. 아무튼 산소는 어디에나 존재합니다.
또 다른 요소인 발화원도 비교적 쉽게 찾을 수 있습니다. 스파크, 아크, 열, 화염, 낙뢰, 정전기 등, 현장에서는 다양한 모습으로 존재합니다. 전등을 켤 때 사용하는 전기스위치도 사용시 스파크(spark)를 일으킵니다. 작업장내의 오랜 사용으로 뜨거워진 모터, 각종 전선 등, 제품이 이상이 생기면 언제든지 발화원이 될 수 있습니다.
세번째 요소인 연료도 화학공장이나 정유시설내에서는 언제든 존재할 가능성이 있습니다. 가스나 분진 등 다양한 형태로 존재하면서 폭발시 연료의 역할을 합니다. 따라서 이런 곳은 조금만 방심하면 바로 폭발사고로 이어지는 위험지역(Harzadous Area)라고 말씀드린바 있습니다.

분진폭발 5요소도 있습니다. 기존의 폭발 3요소인 산소, 분진연료(Combustible dust), 발화원에, 부유분진(분진이 공기중에 떠다니고 있을 것)과 한정된 공간(공장내부 등)내에 있을 것이라는 2가지 조건을 추가한 것입니다. 분진이 계속 공기중에 있어야 한다(suspended in air)는 뜻은 분진이 쌓일 정도로 일정한 분진 밀도가 있어야 한다는 뜻이고, 한정된 공간에 있어야 한다는 것은 분진 폭발이 일어날때의 충분한 압력을 유지되어야 한다는 뜻입니다.
사실 가스폭발은 알려진 현상이지만 분진폭발은 생소한 현상입니다. 그러나 석탄가루나 금속파편가구는 물론이고 곡물가루(grain), 섬유(linen), 설탕(sugar) 등에 이르기까지 미세한 크기(finely ground)로 분진이 공기중에 떠다니는 공장내부 등에서는 일정한 조건(최소폭발농도, MEC, Minimum Explosive Concentration)에 도달하면, 발화원에 따라 바로 분진 폭발이 일어날 수 있습니다.
석탄분쇄기나 곡물운송용 컨베이어벨트, 저장창고(사일로) 같은 곳을 가정해보죠. 이런 곳에서는 항상 먼지나 분진이 쌓이게 됩니다. 가스와 달리 먼지는 흩어지지 않고 그대로 남아있으며 겹겹이 쌓이게 됩니다. 쌓인 먼지 아래에는 모터와 같이 열을 발생시키는 장비가 있을 수 있고 모터에서 발생한 열은 표면에 쌓인 먼지로 인해 공기중으로 방출되지 못해 점점 더 뜨거워집니다. 보온효과로 온도가 급격히 상승합니다.
발화가 일어나면? 먼지층은 연료 공급원으로 역할을 바꿉니다. 충분한 농도의 분진가루가 있고 발화원인 열이 발생하여 장비 위에 있던 분진에 불이 붙으면 주변에서 흩날리는 먼지가루들(dust cloud)이 연쇄적으로 반응하면서 폭발로 이어집니다. 분진 폭발은 1차적으로 폭발하는 힘에 의해 주변 물질의 파괴가 일어나지만, 2차 폭발 즉 근처에 떠다니던 분진들이 주변대기로 확장되면서 발생하는 상당한 에너지에 의해 더 큰 폭발이 일어납니다. 1차폭발에 비해 2차 폭발의 위력이 훨씬 더 큰 것으로 알려져있습니다.
지난 2013년 17명의 사상자를 낸 여수국가산업단지내 대림산업 화학공장의 폭발사고의 원인도 폭발 사고의 분진탱크속에 잔존해있던 다량의 분말이였습니다. 전기 장비의 작동중에 발생하는 스파크의 대부분은 주변의 먼지가루를 발화시킬 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있음에도 분말의 존재를 무시한 작업자의 부주의로 귀중한 목숨을 잃은 것으로 알려졌습니다.
분진폭발을 방지하기 위해서는 분질폭발의 5요소가 동시에 일어나지 않도록 해야 합니다. 분진폭발의 5요소중 산소와 한정된 공간이라는 요소는 현장 여건상 제거하기 쉽지 않을테니, 나머지 요소들을 제거하여 분진폭발을 방지해야 합니다. 환기와 작업장 청소가 잘되어도 위험성이 줄어들겠지요.
분진방폭 구조로는 박스(Enclosure)를 이용하여 폭발을 방지하는 방법(Ex tD에서 Ex ta,tb,tc로 변경)이 가장 폭넓게 사용되고 있습니다. 이 경우 박스(enclosure)의 표면온도에 제한을 두며(나중에 T등급 관련 글에서 좀 더자세히 설명합니다), 최소한의 IP등급을 설정해 분진이 박스 내부로 유입되는 것을 막는 방법입니다. ATEX 규정의 Category 1과 2 (Zone 0 지역과 Zone 1 지역)에서는 IP6X, Category 3 (Zone 2 지역)에서는 IP5X가 최소요구조건입니다.

가스와 분진의 종류

가스와 분진 관련, 비슷한 용어가 많아 혼동하기 쉽습니다. 각 종류를 물질의 정의와 함께 분류해보면 아래와 같습니다.

참고자료: R.STAHL Marking of explosion-protected equipment(2010). Eaton사 Ex Digest (2004), WiKi Pedia, Chalmit사 Technical Instruction