보일오버(Boil Over)의 특이점

대부분 잘 알고 있는 유류탱크 화재시 매우 위험한 현상중 하나인 보일오버(Boil Over)의 특이점에 대해 조금 더 자세히 알아보겠습니다.

참고자료 : '핫존 온도 예측 및 끓어오르기까지의 확장 속도 예측', 오타니 히데오, 일본 요코하마 국립대학교 안전관리학과 교수

 

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그림1 보일오버의 메커니즘

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그림2 보일오버 발생

[진행과정]
•탱크 화재 시 열 전달의 특징은 오일이 위에서부터 가열되어, 대류가 거의 발생하지 않고 연소면에서 탱크 바닥으로의 열전달은 열전도에 의해서만 이루어지므로 열전달 속도가 매우 느림.
•그림1처럼 오일중 가벼운 것은 가스가 되어 액체 표면에 떠서 연소되는 반면, 증류에 의해 남은 무거운 부분은 뜨거운 오일이 되어 Hot Zone을 형성합니다.
•연소가 진행될 수록 Hot Zone의 두께가 증가하고, 마지막으로 Hot Zone은 탱크 바닥에 쌓인 수층에 도달하고 물이 격렬하게 끓어 뜨거운 기름을 날려 버립니다. 이때 Hot Zone의 온도는 120도씨를 넘어야 함. 120도씨 일 때 Hot Zone의 최대확장속도는 1 m/h.
•그림2처럼 부풀어 오른 뜨거운 기름은 수증기가 많이 포함된 거품과 비슷한데, 때로는 거품이 수백 미터나 날아가고, 타는 기름이 인근 사람에게 덮쳐 매우 위험한 상황이 되기도 합니다.

[보일오버가 발생할 수 있는 조건]
•원유뿐만 아니라 다른 가연성 액체도 조건을 충족하면 발생가능성이 있으나, 연료가 여러 성분으로 구성되어 있고 비등 온도가 넓은 경우에 발생 가능성이 높음.
•대부분의 경우 연료 점도가 상대적으로 높기 때문에 기포가 쉽게 발생함.
•순수 가연성 액체인 휘발유, 중유 등 그리고 끓는점 온도 범위가 좁은 액체나 연료의 경우, 연소 표면 바로 밑의 고온 유층이 얇아 고온유층의 하강 속도는 연소 속도와 거의 같고 느리다. 따라서 보일오버가 발생하더라도 밀어낼 기름의 양이 적어 위험하지 않다.
•핫존 온도는 120℃ 이상이어야 함.

[소화 및 냉각 후 탱크 내 온도 프로파일]
•화재 진압 후 탱크 상부의 오일 온도는 고온 영역이 되고 하부의 오일은 120℃ 이하로 유지되어 바닥의 물층과 접촉하게 되는데, 상부의 고온 오일에 의해 저온의 오일과 물이 가열되지만 오일이 위에서부터 가열되어 하부의 오일층보다 밀도가 낮아 대류 열 전달이 일어나지 않을 수 있음. 따라서 매우 느린 열전도에 의한 열 전달이 주로 이루어져 탱크 내 균일한 오일 온도에 도달하는 데 오랜 시간이 걸림.

[냉각]
•대형 탱크(직경 80m)에 화재가 발생하여 진화된 경우, 기름을 냉각시키는 것이 쉽지 않고 냉각에 오랜 시간이 소요되며, 유속이 6~8m/s인 바람으로만 냉각하는 경우, 계산 결과 진화된 후 600시간이 지나면 기름 온도가 약 140 deg.C로 감소하는것으로 나타남. 이 결과는 진화된 후 기름을 냉각시키는 데 약 1개월이 소요되고 탱크의 재점화를 방지하기 위한 보호가 필요하다는 것을 의미함.

[소화 후 다시 끓어오를 가능성]
•보일오버 전에 화재가 진압되더라도 탱크 내에 핫존이 존재하고 있음. 대형 원유 탱크에 대한 시뮬레이션 결과, 그 가능성은 거의 제로에 가깝지만 소형 탱크의 경우 소화 후 보일오버가 발생할 수 있음.