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번역 이승훈 서울지방경찰청 과학수사계 화재폭발조사팀

1. 개요

2007. 5. 17. 09:00 에 Valley Center, Kansas 지역에 있는 Barton Solvents Wichita 공장에서 화재와 폭발이 발생하였다. 11명의 주민과 1명의 소방대원이 치료를 받아야 할 정도로 부상을 당했다. 이 사고로 인하여 Valley Center에서 약 6,000명이 대피하였으며 Barton사의 탱크단지가 파괴되고 큰 손실이 발생하였다. 미국 화학안전위원회는 조사를 통하여 ‘Varnish Makers and Painters(VM&P)’ naphtha가 담겨 있던 지상 저장 탱크의 내부에서 최초로 폭발이 발생한 것으로 결론지었다. VM&P naphtha는 international Fire Protection Association (NFPA) Class IB 등급의 인화성 액체로 탱크 내부에서 혼합기를 형성할 수 있으며 전기 전도도가 낮기 때문에 위험한 수준의 정전기를 축적할 수 있다.

화재안전위원회는 기업들이 인화성 액체에 축적된 정전기의 위험성에 대하여 인식하고 Barton에서의 사고와 같은 폭발과 화재에 대하여 추가적인 경각심을 일깨우기 위해서 이 사례를 연구하여 발표하였다.

2. 사고의 요약

탱크 단지의 감독자가 탱크로리의 마지막 격실로부터 VM&P naphtha를 15,000갤런 용량의 지상 저장탱크에 이송을 시작하자마자 폭발이 발생하였다.

폭발로 인하여 VM&P 탱크는 불이 붙은 액체에서 화염과 검은색 연기를 날리면서 공중으로 날아올랐고 약 130feet 떨어진 곳에 떨어졌다. 몇 마일 떨어진 곳에서도 이 폭발음이 들렸고 파이어볼을 목격할 수 있었다. 잠시 후 2회 이상의 탱크 폭발이 추가적으로 발생하여 탱크가 파열되고 탱크 내에 있던 내용물들이 누출되어 탱크 단지를 둘러싸고 있는 유출봉쇄 구획 내부에 집중된 화세를 강화시켰다. 화재에 의해서 다른 탱크의 내용물들도 과압상태가 되거나 연소되었다. 직경 10-12feet 가량 철제 탱크의 헤드부분과 안전밸브, 파이프, 강철 부품들이 날아가서 근처의 지역에 떨어졌다. 탱크의 위쪽은 약 300feet를 비행하여 이동식 주택을 충격하였다. 진공/압력 밸브는 약400feet를 날아가서 근처의 사업장에 떨어졌다.

3. 인화성액체와 정전기

가연성 혼합기는 정전기와 같은 점화원이 있게 되면 폭발이 발생한다. 보통 상온에서 가솔린을 보관중인 인화성 액체 저장 탱크에는 탱크 내에 혼합기가 존재하게 될 수 있지만 이것은 연소범위 상한계 이상으로 연료가 풍부하고 산소가 부족한 상태이므로 정전기와 같은 점화원에 착화되지 않는다. 그러나 VM&P naphtha 및 그 외의 NFPA Class IB Flammables 들은 상온에서 가연성 혼합기를 형성할 수 있다.

파이프와 밸브 그리고 필터에 액체가 유동하면 정전기가 생성된다. 또 물이나 공기를 유동시키거나, 첨벙거리거나 휘젓는 경우에도 정전기가 축적될 수 있으며 탱크 바닥의 침전물이 부유하는 경우에도 발생할 수 있다. VM&P naphtha 및 다른 인화성 물질은 전기적으로 부도체이기 때문에 정전기가 축적되고 정전기 축적은 탱크 내부에서 위험한 방전이 발생할 수 있다.

4. 주요 조사결과

화학안전위원회는 탱크 내부에서 폭발이 발생할 수 있는 몇개의 환경들에 대하여 다음과 같이 판단하였다.
- 탱크의 위쪽에 가연성 혼합기가 형성되었다.
- 주유할 때 공기가 파이프를 따라서 이동하였으며 침전물과 물에 의해서 VM&P naphtha 탱크 내부에 빠르게 정전기가 축적되었다.
- 탱크 내부에는 플로트와 헐겁게 연결되어 전기적으로 분리된 수위 측정 장치가 있었으며 주유하는 동안 이곳에서 스파크가 발생하였다.
- 이 사고와 관련된 VM&P naphtha의 MSDS는 폭발 위험을 적절하게 다루지 못하였다.

가. VM&P naphtha의 인화성
화학안전위원회는 당시 사고에서 탱크 내부에 가연성 혼합기가 형성되었는지를 확인하기 위해서 VM&P naphtha을 검사하였으며, 실험 결과 약 25℃(VM&P naphtha를 취급하던 사고 당시의 온도) 탱크의 상부에는 가연성 혼합기의 형성이 매우 용이한 상태였으며, 정전기 방전으로 인한 에너지는 이 가연성 혼합기에 점화원으로 충분히 작용 가능하였다.

나. 탱크 수위 측정용 플로트의 디자인
Barton 주식회사에서 사용중이던 수위 측정 기구는 플로트와 테입의 연결부위가 느슨하였으며 이로 인하여 접지가 충분하지 않았고 스파크가 발생할 수 있는 잠제적인 위험이 발생하였다. 화학안전 위원회는 펌프를 이용한 이송이 이루어지는 동안 난류와 기포가 정전기를 빠르게 축적시키고 플로트와 느슨하게 연결된 늘어진 측정 테입은 연결부가 전기적으로 분리되어 스파크 방전을 발생시켰다.

다. 펌핑 중인 액체의 정전기 축적
Barton사는 탱크로리의 구분된 3개의 격실로부터 VM&P naphtha 탱크로 펌핑하여 VM&P naphtha을 이송하였다. 탱크로리의 격실을 바꾸고 호스를 재연결하는 과정에 파이프에 에어포켓이 만들어졌으며 이 에어포켓이 탱크 안으로 유입되었다. 관련 연구(Walmsley, 1996) 들은 전기적으로 부도체인 액체가 탱크 저장소로 이송되면서 정전기가 빠르게 축적된다는 것을 밝힌바 있다. 이 사례의 경우 정전기의 축적은 에어포켓과 탱크 내부에 있는 물, 침전물의 부유로 인해 더욱 가중되었다. 게다가 VM&P 탱크는 폭발당시 약 30%정도만 채워져 있었는데 이것은 주유 중 예상할 수 있는 최고의 정전압이 생산될 수 있는 상태인 것으로 판단된다.

라. 예방조치
naphtha, toluene, benzen, heptane 등과 같이 전기적으로 부도체인 인화성 액체를 이송, 저장, 취급하는 회사들은 Barton에서와 같은 사고를 막기 위해서는 다음과 같은 추가적인 예방조치가 요구된다.

• - 추가적인 안전 지침서가 필요하다.
• - 공기로 채워질 수 있는 탱크의 위쪽 공간에 불활성 가스를 채워 넣는다.
• - 탱크 수위 플로트의 연결이 헐거워졌을 때에는 수체하거나 보수한다.
• - 정전기를 제거하기 위한 요소들을 삽입한다.
• - 이송되는 액체의 유속을 줄인다.

(1) 제조자 안전 수칙

일반적으로 MSDS는 전기 전도도 대한 실험 자료 또는 관찰되어야 하는 필요한 추가적 예방조치들을 제공하지 않으며 일반적으로 정전기 및 저장 탱크 증기 - 공기 혼합물의 유해성에 관한 관련 합의된 지침을 언급하지도 않는다.

그러므로 폭발에 대한 잠재적인 위험성을 제거하기 위해서는 MSDS 외 추가적인 예방조치가 필요하며 인화성 액체를 이송하기 위해서는 액체의 제조사 또는 검증된 전문가에게 인화성 액체가 전기적인 부도체(정전기의 축적)인지 여부 및 탱크 내부에 가연성 혼합기를 만들 수 있는지 등에 대하여 자문구해야 한다.

(2) 탱크의 상부 공간에 불연성, 불활성 가스를 주입

질소와 같은 불활성 가스를 사용하는 것은 탱크 상부 공간에서 정전기의 점화로 인한 연소가 지속되지 않게 하므로 폭발과 같은 점화사고의 잠재적 위험성을 줄이는 데에 효과적이다. 그러나 이것은 탱크 내부에 산소부족 환경을 제공하기 때문에 전형적인 일반적인 탱크의 관리 및 유지보수 작업에 높은 주의가 요구된다.

(3) 탱크 수위 플로트의 헐거운 연결의 보수 또는 교체

가연성 혼합기가 포함된 탱크에서 전기적으로 연결이 헐거운 수위 측정 플로트를 사용하는 기업에서는 다음 조치 중 한개 또는 한 개 이상의 사항을 취해야 한다.
- 탱크 상부공간에 불활성을 유지하기 위해서 적절한 가스를 사용해야 한다.
- 탱크 내부에서 정전기에 의한 방전이 발생하지 않도록 플로트를 이용한 수위 측정 장치를 감독하고 교체해야 한다.
- 본딩과 접지가 충분하도록 디자인이 수정되어야 한다.([그림 5] 참조)

| 그림 5 | Tank level float bonding wire

- 이송 중인 액체의 유속을 감소시킨다.
- 정전기가 방전될 수 있는 간극이 발생하지 않도록 플로트에 연결된 테입이 느슨해지지 않도록 한다.

(4) 정전기 제거를 위한 첨가물

제전을 위한(전기 전도도를 높이는) 첨가물은 액체의 전기 전도도를 높여서 정전기의 축적을 감소시킨다. 기업에서는 첨가물을 사용할 때 이러한 첨가물이 특정 액체에 적절하며 효과적인지 확인하기 위해서 인화성 액체의 제조사들과 연락하여 확인해야 한다.

(5) 유속의 감소

가연성 혼합기를 만들 수 있는 부도체인 인화성 액체는 정전기에 의한 점화 가능성을 최소화하기 위해서 낮은 유속으로 이송되어야한다는 것을 다양한 지침서에서 제안하고 있다.