자연발화온도(auto ignition temperature)?

이번 글의 주제인 온도등급을 쉽게 이해하기 위해서는 자연발화온도(auto ignition temperature)를 알아야 합니다. 이를 위해 경유 자동차에서 사용하는 디젤연료처럼 가연성 기체(공기와 연료의 혼합기체)를 가정해봅니다. 가연성 기체는 온도를 차츰 높여가면 외부로부터 불꽃이나 화염이 가까이 접근하지 않더라도 압축열에 의해 결국 스스로 발화하게 됩니다. 이때 발화하기 시작하는 온도를 자연발화(가능)온도(auto ignition temperature)라고 합니다.
이제 전기장치를 가정해봅니다. 전기장치를 작동시키면 장치 내부에서는 열이 발생하고, 그 열은 결국 전기장치의 표면에 전달됩니다. 더구나 장치가 정상작동상태가 아닌 비정상작동상태라면 발열정도는 더욱 심해질 것입니다. 그런데, 그 장비주변이 가연성 기체가 있는 위험지역이고, 장비의 표면온도가 주변의 혼합공기의 자연발화온도보다 높아진다면 어떻게 될까요? 뜨거운 장비의 발열작용로 주변 가연성 기체의 온도가 점점 올라가게 되고, 심한 경우 뜨거운 표면온도를 가진 장비는 스파크와 같은 발화원이 되어 폭발로 이어질 수 있습니다.
따라서 전기장치의 최대표면온도는 기본적으로 그 장치를 둘러싼 주변공기(대기)의 자연발화온도(최저점화온도)보다는 반드시 낮아야 합니다. 장비가 정상작동중일때는 물론 비정상적인 상태라 하더라도 자연발화온도를 넘어서는 안됩니다. 가연성 기체가 비정상 작동상태라고 봐주지는 않을테니까요. 첫번째 그림의 윗부분은 주요 기체의 자연발화온도를 나타내고 아래부분은 T온도등급의 온도기준을 나타냅니다. 수소는 자연발화온도가 약500°C 이상으로 안정적인 반면, 마취제로도 사용된다는 다이에틸에테르의 혼합기체는 자연발화온도가 겨우 175°C로 불과해 매우 위험한 편입니다. (물론 실제 발화온도는 기체의 농도나 장비의 생김새, 주변 환기상태 등에 따라 달라지므로 그림상의 온도값은 통상 최소 발화값을 나타낸다고 보시면 됩니다)

두번째 그림의 빨간색 표시부분은 장비에 표시된 T온도 등급입니다. T5는 기체의 온도등급표시이고, T95°C는 분진의 온도등급 표시입니다. (T온도등급에 대한 표는 이 글의 아래부분에 정리한 표를 참고하세요) 기체의 경우 온도등급을 T글씨 다음에 숫자(5)로 표시하고, 분진의 경우 허용된 최대 표면온도를 T95°C와 같이 직접 온도(95)로 표시합니다.
기체에 자연발화온도가 있듯이 분진에도 자연발화온도가 있습니다. 설탕가루는 약 460°C, 목재가루는 약 340°C와 같이 분진의 자연발화온도는 통상 기체보다는 높은 온도를 나타냅니다.
하지만 분진의 자연발화온도는 분진이라는 특성에 따른 변수가 있습니다. 가령 분진이 장비의 표면에 쌓여있는 형태(layer)라면 Layer Ignition Temperature라고 하여, 5mm정도 두께의 분진에서 뜨거워진 표면에 의해 발화되는 온도를 말합니다. 만일 분진이 공기중에 떠다니는 형태(Cloud)라면 Cloud Ignition Temperature라고 하여 기체와 같이 부유중에 자연발화되는 온도를 의미합니다. 다시말해 분진의 형태에 따라 자연발화온도가 달라집니다. 따라서, 분진은 그 형태별로 각기 다른 결정방법에 따라 자연발화온도를 정하고, 형태별로 정해진 두 온도중에서 더 낮은 값을 기준으로하여 최종 장비의 허용표면온도를 정합니다. 특히 주의할 점은 장비위에 쌓여있는 분진인데, 5mm 이상의 두께를 가진 분진이라면 두께가 증가할수록 장비의 허용가능한 표면온도가 기하급수적으로 낮아진다는 점입니다. 이는 설치되는 장비에 대한 현장의 장비 상태 관리가 중요하다는 점을 시사합니다. 방폭형 장비에 쌓여있는 먼지를 제거하십시요.

여기서 뜬금없는 퀴즈. T온도등급 중 T1이 더 높은 등급일까요? 아니면 T6가 더 높은 등급일까요? T등급을 처음 접하는 분들은 T1등급이 더 높은 등급이라고 착각하기 쉽습니다. 이는 T1등급의 장치는 대기온도가 450°C까지 올라가는 지역에서도 사용가능하고, T6등급은 불과 85°C정도밖에 안된다고 오해하기 때문일 것입니다.
하지만 T등급에서 말하는 온도는 앞에서 말씀드렸듯이 장비 주변의 대기온도가 아닌 장비의 표면온도입니다. T1등급이 450°C로 허용되는 표면온도가 가장 높고, T6등급은 85°C로 허용되는 표면온도가 가장 낮습니다. 방폭장비의 경우, 온도가 주요 발화원중에 하나이므로 장비가 뜨거울수록 좋을 것이 없습니다. 따라서 T1등급이 가장 낮은 등급이고 T6등급이 가장 높은 등급입니다. T6등급을 가진 장비는 모든 등급에서 사용가능하고 T3등급인 장치는 T1이나 T2등급에도 사용할 수 있습니다. 예를들어 에탄올(ethanol)의 자연발화온도는 363도입니다. T2등급의 최대(허용)표면온도가 300도이므로 이는 T2등급이상의 T2, T3, T4, T5, T6등급의 장비를 사용하면 됩니다. 등유(Kerosene)의 경우는 자연발화온도가 210도이니 T3등급(최대허용표면온도 200도)이상의 장비를 사용하면 됩니다.

온도등급 및 대기온도

실무에서의 장비의 T온도등급은 거의 T6등급을 만족하인 경우가 많습니다. Junction Box의 경우에도 보통 T4등급이상을 만족하면 되는 경우가 많고, 대부분의 장비는 이를 만족합니다. T4등급(135도)이면 잘 사용되지 않는 carbon disulfide를 제외하고는 거의 대부분의 산업용가스의 요구조건을 만족하는 수준입니다. 해서 T등급은 오히려 대기온도(Ambient Temperature)와 관련이 있는 경우가 많은데, 대기온도 조건을 맞추기 위해 T등급을 조정하여 표시하기도 합니다.
가령, 방폭 전기장치는 T6등급을 기준으로 대기온도가 -20℃에서 40℃사이인 곳에서 사용되는 것을 기준으로 설계합니다. 때문에 T6등급의 장비는 특별한 언급이 없는한 대기온도를 -20℃에서 40℃사이라고 간주합니다. 만일 이와 다른 온도범위에서 사용될 경우에는 제조사는 인증서(Certificate)에 이를 명시해야 합니다. 인증서에 특별한 온도(가령, -35℃≤Ta≤55℃)를 표시하거나 인증번호의 끝자리 글자가 'X'인 형태로 표시(써티 내용에 안전한 사용을 위한 특별 조건을 명시하는 써티)해야 합니다.
세번째 그림에서는 빨간박스로는 T등급과 파란박스로는 대기온도(T.amb : Ambient Temperature)를 표시하였습니다. 원래 이 장비는 T6등급을 기준으로는 -20도에서 40도로 표시가능하지만 장비가 설치되는 지역의 대기온도가 -50도에서 55도 이므로 T등급을 T6가 아닌 T5등급으로 낮춰 표시하였습니다. 중동지역과 같이 대기 온도 자체가 높게 올라가는 곳이라면 그에 따라 장비표면의 온도도 올라갈 수 밖에 없기 때문입니다. 이런 경우에는 장비의 표면온도가 올라가는 것을 어느정도 낮추기 위해 차양판(sun hood)를 설치조건에 넣기도 합니다.
한가지 더 알아둘 점은 T등급을 결정하는 최대표면온도에서의 표면은 반드시 장치의 외부표면이 아니라 화염성 가스와 접촉할 가능성이 있는 부분을 기준으로 결정된다는 점입니다. 따라서, 내압방폭(Ex d)과 압력방폭(Ex p)구조의 경우는 장치의 외부를 기준으로 결정하고 안전증방폭(Ex e)의 경우에는 장치에서 가장 뜨거운 부분은 장치 내부의 표면을 기준으로 합니다. 좀더 상세하게는 Ex d, Ex m, Ex q, Ex nR, dust proof enclosure는 장치의 외부를 기준으로 하고, 나머지는 방폭구조는 장비의 내부를 측정합니다.

이렇게 온도등급의 결정하게 되면, 방폭장비의 기본적인 결정은 마무리되는 셈입니다. 즉, 방폭장비의 선정시에는 첫째, 가연성물질(flammable material)이 있을 확률(probability)과 빈도(frequency) 및 지속여부(duration)를 고려해서 위험정도를 평가하고 그에 따라 위험지역을 분류(Zoning)합니다. 그다음에 위험지역에 발생할 수 있는 가스(Gas)와 분진(Dust)의 성격에 따라 가스그룹 및 세부그룹을 지정하고, 마지막으로 현장의 온도조건을 고려하여 T온도등급을 결정하면, 특정지역에 사용할 방폭용 장비에 대한 기본 설계가 되는 셈입니다.

온도 등급에 따른 가스그룹의 분류표

자료출처 : Eaton사의 Ex Digest ; Basic concepts for explosion protection (BARTEC)