액체의 대전현상 저항률 대책방안에 대하여 알아보겠습니다. 액체는 마찰, 충돌, 분사 등의 물리적 자극을 받으면 정전기를 발생시킬 수 있다. 이를 액체의 대전이라 하며, 특히 절연유나 연료류 등 비전도성 액체에서 많이 발생한다. 액체의 전기적 특성은 ‘비저항(저항율, resistivity)’으로 나타내며, 단위는 Ω·m(또는 Ω·cm)을 사용한다. 대전된 액체는 정전기 방전에 의한 화재 위험이 크므로, 이를 방지하기 위해 접지, 도전성 재질의 배관 사용, 유속 제한 등의 대책이 필요하다.
1. 액체의 대전현상
1.1 액체의 대전 발생 원리
액체의 대전은 주로 마찰, 분사, 충돌, 유속 차이, 혼합 등 물리적 작용에 의해 전하가 분리되어 발생한다. 이 현상은 특히 절연성 액체(예: 가솔린, 등유, 절연유)에서 쉽게 발생한다.
- 접촉 전하 이중층(EDL) 형성 : 액체가 고체 표면이나 이종 액체와 접촉하면 계면에 양이온과 음이온이 분리되어 전위차 발생.
- 유동에 의한 분리 : 전하 이중층이 유동에 따라 끊어지면서 정전기 발생.
- 비전도성 액체일수록 전하가 축적되기 쉬워 대전 강도가 커진다.
1.2 위험성
1.2.1 정전기 방전의 점화 위험
- 방전 에너지가 인화성 가스·증기·액체의 점화에너지를 초과하면 점화 가능성 존재
- 예) 가솔린의 점화에너지 ≈ 0.2 mJ, 정전기 방전 에너지는 수 mJ까지 발생 가능
- 비전도성 액체일수록 정전기가 소산되지 않고 축적되어 고전위 형성
- 액체 혼합, 이송, 분무, 여과, 적하 등 유속이 큰 공정에서 높은 대전 발생
1.2.2 누전 및 기기 오작동 위험
- 정전기 방전이 센서, 제어회로, 계측기기 등에 오작동 유발
- 특히 인화성 가스 감지기, 유량계, PLC 등 민감한 설비에 치명적 영향을 줄 수 있음
1.2.3 산업별 사례
| 산업 분야 | 정전기 사고 사례 |
|---|---|
| 석유화학 | 탱크 내 액면 하강 시 방전 발생 → 화재 |
| 반도체 | 정밀 장비 오작동 → 품질 저하 및 생산 중단 |
| 제약 | 분말 혼합기 내 대전 → 폭발사고 보고 사례 다수 |
| 도장 | 스프레이 분무 시 정전기 축적 → 화재 발생 가능 |
1.2.4 정전기 방전 에너지 공식 및 요소 정리
정전기 방전 에너지 계산 공식
W = (1 / 2) × C × V²| 항목 | 의미 | 단위 | 비고 |
|---|---|---|---|
| W | 방전 에너지 | J (줄, Joule) | 1 J = 1000 mJ (밀리줄) |
| C | 정전용량 | F (패럿, Farad) | 일반적으로 pF~nF 수준 |
| V | 전압 (전위차) | V (볼트, Volt) | 1,000 V 이상도 가능 |
- 방전 에너지가 0.1 mJ 이상이면 가연성 증기의 점화 가능성이 있음
- 일반 작업 환경에서 사람은 약 3,000~5,000V의 정전기를 느낄 수 있음
(그러나 500V 이하도 민감한 전자기기에 피해를 줌)
1.3 방지 대책 및 저감 기술
액체의 대전에 의한 사고를 방지하기 위해 다음과 같은 기술적·관리적 대책이 요구된다.
| 대책 구분 | 주요 내용 |
|---|---|
| 접지 및 본딩 | 금속 배관, 저장탱크 등을 접지하여 전하 축적 방지 |
| 도전성 재질 사용 | 호스 및 파이프를 정전기 방지형으로 제작 |
| 유속 제한 | 액체의 유속을 1m/s 이하(가연성 액체)로 제한 |
| 정전기 제거장치 | 이온화 장치, 정전기 중화봉 등 설치 |
| 습도 유지 | 공기 중 습도를 높여 대전 방지 (상대습도 65% 이상 권장) |
2. 저항률
2.1 정의 및 기본 개념
저항률(ρ, Resistivity)은 물질 고유의 전기 전도 저항 특성을 나타내는 값으로, 전류의 흐름을 얼마나 방해하는가를 나타낸다. 단위는 Ω·m 또는 Ω·cm이다.
R = ρ⋅L/A
| 기호 | 항목명 | 의미 | 단위 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| R | 전기저항 (Resistance) | 전류의 흐름을 방해하는 정도 | Ω | 측정값 |
| ρ | 저항률 (Resistivity) | 물질 고유의 전기저항 특성 | Ω·m | 상수(재료 고유 값) |
| L | 길이 (Length) | 전류가 흐르는 도체의 길이 | m | 측정 조건에 따라 변화 |
| A | 단면적 (Area) | 도체의 단면적 | m² | 일반적으로 원형, 사각형 등 |
2.2 저항률에 영향을 주는 요인
저항률은 일정하지 않으며, 환경조건과 물질 상태에 따라 변할 수 있다. 대표적인 영향 인자는 다음과 같다.
2.2.1 온도
- 대부분의 금속은 온도가 높아질수록 저항률이 증가함 (양의 온도계수)
- 반면, 반도체는 온도가 높아지면 저항률이 감소함
2.2.2 불순물 및 결정구조
- 도핑(불순물 첨가) 정도에 따라 반도체의 저항률은 수십 배까지 변동
- 결정격자의 결함이나 불균일 구조는 전자 이동을 방해함
2.2.3 액체나 가스의 경우
- 이온 농도, 점도, 온도 등에 따라 저항률이 결정되며,
- 예: 증류수는 절연체 수준이나, 전해질이 섞이면 도체화됨
2.3 저항률과 화재안전 – 석유화학 산업 적용 사례
저항률은 화재안전 및 전기안전 분야에서 중요한 위험예측 지표로 활용된다.
2.3.1 적용배경 및 위험성
석유화학 플랜트에서는 정제유, 벤젠, 헥산, 톨루엔 등 비전도성 액체를 다량 취급하며, 이들은 저항률이 10⁹~10¹⁴ Ω·cm 이상으로 매우 높아 정전기 축적 위험이 크다. 고속 이송, 여과, 혼합, 분사 등 공정 중 정전기 발생 → 방전 → 가연성 증기 점화 → 폭발로 이어질 수 있어 화재안전 설계에 저항률 고려는 필수이다.
2.3.2 실제 사고 사례
| 사례 | 내용 |
|---|---|
| 사우디 정유소 탱크 화재 (2012) | 디젤 탱크 하부에서 액면 강하로 인한 정전기 발생 → 방전 → 벤젠 증기 점화 → 대형 화재 |
| 미국 텍사스 공정탑 사고 (2005) | 이송관 내 톨루엔 정전기 축적 → 정전기 스파크 발생 → 유증 폭발로 15명 사망 |
| 국내 某 석유화학단지 (2016) | 탈수공정 내 액적 분사 시 정전기 발생, 배관 접지 불량 → 화재로 생산중단 피해 |
2.3.3 저항률 기반 화재 예방 대책
| 대책구분 | 세부내용 |
|---|---|
| 정전기 제어 설계 | 액체 유속을 1 m/s 이하로 제한, 정전기 발생 최소화 |
| 접지 및 본딩 | 저장탱크, 파이프, 여과기 등 모든 전도성 설비를 저항 접지망에 접속 |
| 도전성 자재 사용 | 플라스틱 호스 대신 내부에 도전성 삽입선을 포함한 정전기 차폐 호스 사용 |
| 저항률 관리 기준 | 〈NFPA 77〉: 저항률이 10⁸ Ω·cm 이상인 액체는 반드시 접지, 본딩, 유속제어 필요 |
| 습도관리 | 플랜트 실내 상대습도 60% 이상 유지로 정전기 발생 저감 |
2.3.4 정전기 및 저항률 관련 주요 기준 및 자료
| 기준명 | 설명 | 링크 |
|---|---|---|
| NFPA 77(Recommended Practice on Static Electricity) | 정전기 발생 및 방지에 대한 권고사항을 담은 NFPA 표준. 정전기 발생 액체의 저항률 기준, 접지 요구사항 등을 상세히 규정. | NFPA 77 – NFPA 공식 사이트 |
| IEC TS 60079-32-1:2013+AMD1:2017 CSV(Explosive Atmospheres – Electrostatic Hazards Guidance) | 국제표준. 가연성 분위기에서 정전기 위험에 대한 평가, 설계, 운영 지침 포함. | IEC TS 60079-32-1 – IEC 공식 웹스토어 |
| 정전기재해 예방을 위한 기술상의 지침(고용노동부 고시 제2020-51호) | 국내 사업장 정전기 예방을 위한 기술적 방안 제시. 도전성 구분, 저항률 기준, 도전성 매트 등 실제 적용 사례 포함. | 정전기재해 예방을 위한 기술상의 지침 – 고용노동부 |
| 정전기 재해예방에 관한 기술지침(KOSHA GUIDE E-188-2021) | 정전기로 인해 인화성 액체의 증기, 인화성 가스 또는 가연성 분진에 의한 화재·폭발 방지를 위한 정전기의 위험성을 인식하고 관리를 통한 대책을 세움. | 정전기 재해예방에 관한 기술지침 – KOSHA |
| 정전기 오염방지에 관한 기술지침(KOSHA GUIDE E-179-2020) | 폭발위험장소에서의 정전기 오염(Contamination)으로 인한 ESD(정전기 방전) 방지를 위한 기술지침. | 정전기 오염방지에 관한 기술지침 – KOSHA |
| 가스충전소 및 주유소에서의 정전기 재해방지에 관한 기술지침(KOSHA GUIDE E-13-2012) | 가연성 가스를 취급하는 장소에서 정전기로 인한 화재·폭발을 예방하기 위한 기술지침. | 가스충전소 및 주유소에서의 정전기 재해방지에 관한 기술지침 – KOSHA |
3. 대책방안
3.1 설비 및 공정설계 측면의 대책
액체의 대전은 물리적 흐름에서 필연적으로 발생하므로, 대전 자체를 억제하는 설계보다는 정전기 축적을 방지하는 설계가 핵심이다.
3.1.1 유속제한
- NFPA 77 기준 : 비전도성 가연성 액체의 유속은 1.0 m/s 이하, 탱크 유입 시 0.5 m/s 이하로 제한
- 액적 분리 및 전하 분포 억제 효과
액체 유동 중 정전기 대전은 마찰, 층류·난류 경계, 액적 분리에 의해 발생하며, 이로 인해 전위차가 생기고 방전 시 화재·폭발 위험이 증가한다. 이때 유속과 정전기 대전 사이의 상관관계를 수식화한 것이 Shon–Bustion 관계식이다.
Shon–Bustion 관계식
Q = k ⋅ ρ ⋅ vn
| 기호 | 의미 | 단위 |
|---|---|---|
| Q | 단위 시간당 대전 전하량 | C/s (쿨롱/초) |
| k | 계수 (유체 특성 상수) | – |
| ρ | 액체의 비저항 | Ω·m |
| v | 액체의 유속 | m/s |
| n | 실험계수 (대체로 1~2) | – |
유속이 증가할수록 대전량이 비선형적으로 증가함을 보여준다.
3.2 정전기 축적 방지를 위한 접지 및 본딩 대책
3.2.1 접지(Grounding)
- 탱크, 파이프라인, 밸브, 펌프, 호스 등 모든 전도성 설비를 저항값 10 Ω 이하로 접지
- 이송 전후, 정전기 측정기로 0 V 이하 확인
3.2.2 본딩(Bonding)
- 이송 또는 분사 등 이질 장비 간 접촉 시 전위차 발생을 방지하기 위한 전기적 연결
- 드럼 ↔ 이송호스 ↔ 펌프 ↔ 탱크 모두 등전위 본딩선 연결
3.2.3 휴대기기 방전
- 작업자는 정전기 중화패드 접촉 후 작업
- 인화성 액체 인근 작업 시 정전기 방지복, 전도성 안전화 착용
3.3 환경 및 운영 관리 대책
물리적 설비만큼이나 운영환경의 관리와 작업자 행위 통제도 중요하다.
3.3.1 공정관리
- 이송 전후 탱크 내 액면 안정화 대기시간 확보 (정전기 자연 방전)
- 분사, 여과, 혼합 등 고에너지 작업은 안전구역 내에서 수행
3.3.2 습도 유지
- 정전기는 건조한 환경에서 더 쉽게 발생
- 작업장 상대습도 60~70% 이상 유지 권장
3.3.3 화재·폭발 방호 조치
- 정전기 발생 가능 구역은 방폭구역으로 지정
- 위험 지역 내 무선기기, 핸드폰, 카메라 등 반입 금지
- 인화성 가스 탐지기 및 차압/누설 감지 설비 설치