비등액체팽창증기폭발(BLEVE)

왜 배우는가: BLEVE는 LPG 저장 용기와 탱크로리 사고에서 피해 범위를 넓히는 대표 현상이므로 가스 안전 실무에서 먼저 이해해야 한다. 정의, 발생 원인, 발생 단계는 시험에서 반복해서 출제되어 왔으므로 용어 답안과 논술 답안 모두에 쓰인다.

출제 이력: 제120회 2교시 2번, 제113회 2교시 2번, 제96회 1교시 13번, 제92회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

BLEVE는 끓는점 이상으로 과열된 가압 액체를 담은 용기가 파열되어 액체가 순간적으로 비등·팽창하는 폭발이다.

답안의 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓰고, 이어서 과열·감압·파열·증기 팽창의 네 요소를 순서대로 서술한다. 네 요소 중 하나라도 빠지면 BLEVE의 설명이 되지 않으므로, 답안은 용기가 온전한 상태에서 출발해 파열 이후의 현상으로 끝나는 흐름으로 쓴다. 정의에 쓰인 가압 액체는 압력을 받아 액체 상태로 유지되는 물질을 뜻하며, LPG처럼 상온에서 기체인 물질을 압축하여 액화시킨 것이 대표적이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 과열: 대기압에서의 끓는점보다 높은 온도에 도달했으나 아직 끓지 않은 상태이다.
• 포화압력: 특정 온도에서 액체와 증기가 평형을 이루는 압력이며, 용기 내부 압력이 이 값보다 낮아지면 액체가 끓기 시작한다.
• 감압: 용기가 파손되어 내부 압력이 대기압 쪽으로 급격히 떨어지는 현상이다.
• 순간비등: 과열된 액체가 감압과 동시에 짧은 시간에 대량으로 증기로 바뀌는 현상이다.
• 파열: 내부 압력이 강철 용기 벽의 강도를 넘어 용기가 깨지는 것이다.
• 증기 팽창: 생성된 증기가 짧은 시간에 큰 부피로 늘어나면서 압력파를 만들고 용기 조각을 날려 보내는 것이다.
• 화구(fireball): 방출된 가연성 증기가 점화되어 형성되는 구형의 화염이다.
• 가연성 증기: 탄화수소나 알코올처럼 공기와 섞여 연소하는 증기로, 화구 형성의 전제가 된다.

2. 개념 풀이

BLEVE의 정식 정의는 대기압에서의 끓는점보다 충분히 높은 온도에 도달한 가압 액체를 담은 압력 탱크가 파열되면서 발생하는 폭발이다. 액체의 끓는점은 압력이 높을수록 올라가므로, 용기가 온전한 동안에는 내부 액체가 높은 온도에서도 액체 상태를 유지한다.

원리는 이 관계를 반대로 적용하는 데 있다. 용기가 파손되면 내부 압력이 급격히 떨어지고 끓는점도 함께 낮아진다. 그 결과 과열된 액체의 상당 부분이 짧은 시간에 동시에 증기로 바뀌며, 이 증기가 팽창하면서 폭발이 일어난다. BLEVE의 에너지원은 연소열이 아니라 과열 액체가 가진 열과 압력이다. 따라서 BLEVE의 본질은 화학 반응이 아니라 물리적 상변화에 따른 폭발이다.

감압의 속도도 결과를 가른다. 용기가 서서히 열리면 액체는 서서히 증발하여 폭발로 이어지지 않는다. 반면 파열처럼 감압이 순간적으로 일어나면 과열 액체 전체가 한꺼번에 비등하여 폭발적 비등이 된다. 이 점에서 BLEVE는 단순 누출과 구분된다.

과열 상태의 액체가 모두 BLEVE를 일으키는 것은 아니다. 대기압에서 물은 100℃에서 끓는다. 고압 밀폐 용기 속 물은 이 온도를 넘어도 끓지 않는다. 이렇게 과열된 물이 용기 밖으로 방출되더라도 증기 기포의 균일 핵생성이 불가능하므로 BLEVE로 이어지지 않는다. 이처럼 과열 한계를 넘어서야 액체가 순간적으로 끓어 폭발적 비등이 일어난다.

BLEVE가 일어나는 최소 온도에 대해서는 학계에서 합의된 값이 없다. Robert Reid는 유체의 임계온도를 이용해 과열 한계 온도를 예측하는 식을 제안했지만, 과열 한계와 스피노달 곡선의 직접적인 대응 관계는 실험적으로 증명되지 않았다. 따라서 답안에서는 특정 온도를 BLEVE의 발생 기준으로 단정하지 않고, 과열 상태에서 파열로 급격한 감압이 생기는 조건으로 서술하는 것이 정확하다.

실제 사고에서는 용기가 파손되는 방식이 팽창 양상을 좌우한다. 압력파나 액체 내부의 불균일한 온도 분포가 생기면 예측 온도보다 낮은 온도에서도 BLEVE가 일어날 수 있다. 즉 과열 온도는 발생 가능성을 가늠하는 지표이며, 파열 방식과 함께 봐야 한다.

BLEVE가 반드시 화재를 동반하는 것은 아니다. 증기가 불연성이면 폭발만 일어나고, 가연성 증기이면 점화원과 만나 화구를 형성하여 추가 피해가 커진다. 따라서 BLEVE를 화재 사고의 한 종류로만 이해하는 것은 틀린 생각이며, 폭발과 화재를 구분해 서술해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

BLEVE가 주목받게 된 배경은 액화가스의 저장과 운송 방식에 있다. LPG는 상온에서 기체인 물질을 압력을 가해 액체로 만들어 용기에 담는 것이 일반적이므로, 용기 안에는 높은 압력과 과열 가능성이 함께 존재한다. 외부 화재로 용기가 가열되면 내부 액체가 과열되어 BLEVE의 조건이 갖춰진다.

산업이 커지면서 대량 저장 시설과 탱크로리, 철도 탱크차가 늘어났고, 한 번의 용기 파열이 주변 설비로 번지는 피해 규모도 커졌다. 역사적으로 큰 사고가 반복되면서 이 현상은 별도의 안전 연구 주제가 되었다. 1984년 멕시코 산후안이슈아테펙의 LPG 저장 터미널에서는 연속된 BLEVE로 500명 이상이 사망했다. 이 사고는 가장 치명적인 산업 재해 중 하나로 꼽힌다.