[분체도장 적용] 분체도장에서 발생할 수 있는 분진폭발과 분진화재에 대해서

도료는 도장하기 전의 상태에 따라서 액체도료와 분체도료로 구분을 할 수 있습니다. 주로 솔벤트로 사용되는 VOC(Volatile Organic Compounds, 휘발성유기화합물)가 포함된 액체도료에 대해서는 화재와 폭발의 위험성에 대해서 많이 인지를 하고, 현장의 관리자와 작업자 모두 위험을 대비하여 안전을 준수하고 있습니다.

그러나, 분체도장을 하는 작업장에서는 액체도료 작업장과 다르게 화재에 대해 무감각한 편이 다소 있습니다. 그러한 가장 큰 이유는 아마도 VOC가 없기 때문에 불이 잘 붙지 않는다는 인식이 크다고 생각합니다.

대부분의 분체도료는 분체상태에서도 불이 잘 붙지 않고, 도막상태에서 난연도료를 만족하는 물성을 가지고 있습니다. 따라서 분체도료 또는 분체도장은 화재나 폭발에 안전하다고 생각하기 쉽습니다. 그럼에도 불구하고 분체도료는 생산이나 작업 중에 발생하는 분진에 의해서 분진폭발이나 화재가 발생할 수 있는 위험이 있습니다.

도장부스 주변의 쌓인 분진

분진폭발이란?

영화나 만화 등에서 밀가루를 이용해서 분진폭발을 일으키는 장면을 보신 적이 있을 것이라 생각합니다. 분진폭발이란, 공기 중에 분진이 일정한 상태에서 점화(ignition)되어 가스처럼 폭발이 일어나는 현상입니다. 여기서 분진은 밀가루, 플라스틱분진과 같은 유기물뿐 아니라, 알루미늄파우더, 징크파우더 등과 같은 무기물도 포함됩니다.

그럼 분진폭발에 대해 더 자세히 알아보기 전에 ‘화재’에 대해서 간단히 알아보겠습니다.

불의 3요소

산업안전교육이나 화재안전교육에 필수로 나오는 것이 바로 ‘불의 3요소’입니다. 화재가 발생할 수 있는 3가지 조건으로 모두 만족해야 되는 필요조건입니다.

[산소(air/oxygen), 연료(fuel), 열(heat)]

위 불의 3요소 중에 한가지만 차단하면 불이 발생하지 않습니다. 아무리 뜨거워도 산소가 없으면 불이 안나고, 산소와 열이 있어도 불에 탈 물체(연료)가 없으면 화재가 발생하지 않습니다.

발화의 3요소

분진폭발 5요소

분진폭발은 개념적으로 ‘불의 3요소’와 더불어 2가지 요소를 더 고려하여 ‘분진폭발 5요소’로 분진폭발이 발생하는 상태를 간단히 나타냅니다.

산소(air, oxygen), 열(heat), 분진연료(combustible dust), 부유분진(dispersion of dust), 한정된 공간(confinement of dust)

간단히 5요소에 대해서 설명을 드리면, 분진연료는 공기 중에 떠다니는 분진 자체를, 부유분진은 분진이 공기 중에 떠다녀야 된다는 것을 의미하고, 한정된 공간은 폭발이 일어날 때의 압력이 충분히 유지되도록 닫힌 공간이 되어야 된다는 뜻으로 블라스팅샵(blasting shop), 스프레이부스(spray booth), 공장 내부, 창고, 사일로, 탄광 등이 포함되며, 밀폐의 개념은 아닙니다.

물론 불의 3요소와 마찬가지로 분진폭발의 5요소에서도 한가지 요소만 제거돼도 폭발은 일어나지 않습니다.

분진화재와 분진폭발과 분체도장 환경

그럼 분진폭발의 5요소 중에 분체도장시 해당되는 것이 어떤 것이 있는지를 참고하여 화재와 분진폭발로부터 안전한 분체도장 환경에 대해서 알아보겠습니다.

열(Ignition source, heat/spark)

분체도료를 스프레이하면서 가장 많이 보게 되는 현상이 스파크(spark)입니다. 특히 도장건(스프레이건)과 피도물이 가깝게 붙으면, 딱딱 소리와 함께 스파크가 발생하는 것을 볼 수 있습니다. 스파크가 발생하는 원인은 너무 가까운 건과 피도물의 거리도 영향을 미치지만, 근본적으로 접지(grounding)의 문제라 볼 수 있습니다.

도장을 계속하다 보면, 피도물을 지지하는 지그(jig)에 도료가 많이 쌓이게 되어 피도물에서 지그를 통해서 전기가 통하지 않는 경우가 생깁니다. 또한 스프레이부스나 장비 등에 적절한 접지가 안된 경우도 있습니다. 공장 바닥은 대부분 유지관리가 용이하도록 도장을 하는 경우가 많은데, 그런 바닥에 설비가 올라가게 되면, 반드시 접지를 통해서 전기가 땅(ground)으로 통할 수 있게 해줘야 됩니다.

따라서 안전한 도장환경을 위해서 지그에 쌓인 도료를 주기적으로 박리해주고, 주기적으로 접지상태를 확인해야 됩니다.

또한, 정전기에 의한 스파크를 방지하기 위해서 출입하는 사람도 통전이 되는 안전화와 장갑을 이용해야 됩니다.

접지는 도장품질에도 영향을 미치기 때문에 안전과 품질을 위해서 반드시 신경을 써야 될 부분입니다.

도장기기 접지(grounding)

링크: 분체도장시 적절한 접지를 확인하는 방법

기본적으로 스프레이부스 내부 조명은 방폭설계가 되어있습니다. 하지만, 피도물의 형상이나 작업성을 높이기 위해서 조명을 추가로 설치하는 경우가 있는데, 이때, 방폭설계가 적용된 제품을 사용하는 것이 좋습니다. 주기적으로 적절한 청소와 접지상태를 확인도 필요하겠습니다.

분진연료(combustible dust), 부유분진(dispersion of dust)

분진은 ‘KS C IEC 60079 폭발성 분위기(Explosive atmospheres)’에 따르면, 

‘공기 중 부유할 수 있으며, 자중에 의해 침적될 수 있는 공칭크기 500 micron이하의 미세한 고체 입자로 공기 중 연소 및 발염할 수 있고, 대기압 정상 온도에서 공기와 폭발성 혼합기체를 형성할 수 있다.’

라고 정의하고 있습니다.

분체도료 자체는 기본적으로 화재에 안전하지만, 아토마이징(atomizing)에서 공기와 혼합이 되어 분진화 되면 화재 위험이 증가합니다. 따라서 분체도장에서는 분체도료가 분진연료에 해당됩니다.

여기서 어떤 분진이 공기 중에 얼마나 있으면 분진폭발이나 화재를 이르킬 만한 양이 될까라는 의문이 생깁니다.

보통의 유기물 분진의 경우는 10~50 g/㎥ 정도의 분진구름(dust cloud)가 형성되면 폭발의 위험이 크다고 하며, 분체도료의 경우 일반적으로 최소폭발농도를 30g/㎥으로 보고 있습니다.

분진연료(combustible dust), 부유분진(dispersion of dust)

분진의 폭발성을 테스트는 여러 규격과 방법이 있습니다. 여기서는 기본적인 테스트 규격을 소개하도록 하겠습니다.

• 분진 최소폭발농도(MEC, Minimum Explosible Concentration): ASTM E1515 Standard Test Method for Minimum Explosible Concentration of Combustible Dusts
• 분진구름의 최소점화온도(MIT, Minimum Ignition Temperature): ASTM E1491 Standard Test Method for Minimum Autoignition Temperature of Dust Clouds
• 분진구름의 최소점화에너지(Minimum Ignition Energy): ASTM E2019 ASTM E2019-03(2019) Standard Test Method for Minimum Ignition Energy of a Dust Cloud in Air
• 한계산소농도(LOC, Limiting Oxidant Concentration, LOC이하의 산소농도에서는 폭발이 일어나지 않음): EN 14034-4 Determination of Explosion Characteristics of Dust Clouds – Part 4: Determination of the Limiting Oxygen Concentration(LOC) of Dust Clouds
• LEL(Lower Explosion Limit): ISO 8130-4 Coating powders Part 4: Calulation of lower explosion limit

위에 용어도 복잡하고, 내용도 모르는 테스트이고, 분체도료나 화학제품을 생산하는 공장의 HSE담당자가 아니면 알기 어려운 내용이라 생각됩니다. 하지만, 여기서 중점은 분체도료가 일정 농도가 되면 폭발과 화재의 위험성이 증가한다는 것입니다.

한정된 공간(confinement of dust)

분진폭발의 요소를 모두 갖추고 있는 공간이 스프레이룸 또는 스프레이부스입니다. 실제로 분체도장을 하는 스프레이부스에서 화재나 폭발이 발생하는 사례가 많이 있습니다.

큰 폭발은 아니더라도, 스파크로 인해 ‘펑’하고 터지거나, 부스내에 불이 나는 경우가 종종 있습니다.

다시 언급하지만, 기본적으로 스프레이부스는 위에서 언급했듯이 적절한 접지를 통해서 스파크의 발생을 제로(zero)화 해야 되며 출입하는 인원은 정전기 발생을 방지할 수 있는 PPE를 착용해야 됩니다.

또한, 스프레이룸 또는 스프레이부스는 반드시 적절한 집진이 이루어지도록 설계되고 운영되어야 합니다.

분진폭발 또는 폭발의 특징 중 하나는 폭발이 일어나는 농도의 구간이 있다는 것입니다.
예를 들어서 가스토치에 불을 붙이고 보면, 가스가 나와서 연소가 되는 구간이 있는 것을 알 수 있습니다. 가스가 일정 농도 이상이면 불이 붙지 않고, 공기와 어느 정도 섞여서 일정 농도 이하가 되어야 불이 붙는다는 것을 알 수 있습니다. 반대로 가스가 있어도 너무 농도가 낮으면, 불이 붙지 않습니다.

분체도장을 하면서 분진폭발을 막기 위해서는 도장시 발생하는 분진이 MEC에 도달하지 않도록, 적절한 집진 또는 환기(Ventilation)을 통해서 스프레이룸과 스프레이부스내의 분진농도를 MEC이하로 관리하는 것이 중요합니다. 부스내 적절한 집진을 위해서는 건의 갯수와 최대 토출량, 집진타입 등을 여러 요소를 고려해서 설계하는 것이 좋습니다.

예를 들어, 단일컬러를 사용하는 도장부스의 경우에 주기적인 관리가 부족한 경우가 많습니다. 부스내에 도료가 쌓이고, 많은 양의 도료가 공기 중에 부유하고, 집진이 제대로 작동하지 않을 경우, 분진폭발이 가능한 농도에 도달할 수 있습니다.

부유된 분진뿐만 아니라 설비표면에 쌓인 분진도 발화의 위험이 있기 때문에 스프레이룸, 스프레이부스의 주기적 청소는 안전과 도장품질을 위해서 필요한 요소입니다.

분진폭발이 일어나는 장소 중에 우리가 예상치 못한 곳이 있습니다. 바로 집진기와 그에 연결되어 있는 덕트의 내부입니다. 스프레이부스에서 오버스프레이된 도료를 모으는 집진기의 내부는 분진으로 가득 찬 환경입니다. 따라서 집진기의 접지상태를 주기적으로 확인하고, 내부에 쌓인 분진을 주기적으로 청소하는 것도 중요합니다. 또한 폭발이 일어날 것을 대비해서 방폭설계가 되어있는지 확인하는 것도 도장설비를 새로 구성하거나, 보수할 때 고려해야 될 것입니다.

이상으로 분체도장에 관련된 위험 중 하나인 분진폭발에 대해서 아주 간단하게 알아보았습니다. 분체도장은 액체도장에 비해서 화재나 폭발 위험이 현저하게 낮습니다. 하지만, 작은 가능성도 배제하기 위해서 현장에서 분진폭발이나 분진화재의 위험요소를 확인하고 제거하여 더욱 안전한 분체도장 환경을 누리시기 바랍니다.