1. 서 론
부탄가스는 이동성, 경제성, 간편한 사용성 등의 장점으로 인해 도시가스 공급이 어려운 야외 취사 환경뿐만 아니라, 가정 내 주⋅보조 가열기구 등 다양한 용도에 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 연료는 주로 일회용 접합형 부탄용기에 저장되며, 해당 용기의 폭발 위험성은 오랜 기간 지속적으로 제기되어 왔다. 실제로 사용 중 부주의, 과열, 구조적 결함 등으로 인한 폭발 사고가 매년 다수 발생하고 있으며, 일부는 화재 및 인명 피해로 이어지는 사례도 보고되고 있다(1).
부탄가스는 고압의 가연성 가스로, 저장 및 사용 중 비정상적인 조건이 형성될 경우 치명적인 폭발 사고로 이어질 수 있다. 이에 따라 일정 수준 이상의 내압 성능을 갖춘 용기만이 유통될 수 있도록, 내구성 시험과 안전성 인증이 법적으로 의무화되어 있다. 예를 들어, 용기는 가스 작동 압력의 1.5~1.8배에서도 파열이나 변형이 없어야 하며, 수압 1.3 MPa에서 30 s 이상 누설이나 구조적 이상 없이 견디는 성능이 요구된다(2).
부탄용기의 안전성을 강화하기 위한 조치로, 2023년 1월 1일부터는 국내에서 판매되는 모든 부탄용기에 폭발방지장치(pressure relief device, PRD)의 장착이 의무화되었다(3). 이 장치는 내부 압력이 비정상적으로 상승할 경우 가스를 외부로 방출함으로써 폭발을 예방하는 기능을 수행하며, 대표적인 구조로는 스프링식, countersink release vent (RV) 방식, rim vent release (RVR) 방식 등이 있다. 이 중 RVR 방식은 용기 상부 경판 가장자리에 설정된 스코어(score) 부위를 통해 가스를 배출하는 구조로, 기존 용기와의 구조적 호환성이 높고 생산 공정이 단순해 현재 가장 널리 사용되고 있다(4).
그러나 실제 사용 환경에서는 폭발방지장치가 정상적으로 작동하지 않고 용기가 파열되는 사례가 보고되고 있으며, 특히 가열 위치, 보관 자세 등 외부 조건에 따라 예외적인 파손 양상이 나타나고 있다(5). 이러한 현상은 단순한 내압 상승에 따른 일반적인 파열 메커니즘으로는 설명하기 어려우며, 폭발방지장치의 작동 실패 또는 구조적 취약성에 기인한 비정형적 파손 기전이 존재할 가능성을 시사한다.
본 연구에서는 다양한 실험 조건하에서 부탄용기의 파손 양상을 체계적으로 분석함으로써, 실제 사고에서 발생할 수 있는 예외적 폭발 양상의 원인을 규명하고자 하였다. 이를 위해 보관 자세(정립, 도립, 와립), 가열 위치(기체부, 액체부, 하부경판), 충전량(100%, 30%)을 변수로 설정하여 반복적인 가열 실험을 수행하였다. 본 연구 결과는 향후 화재 및 폭발 사고 감정 시 발화지 추정 및 파손 원인 분석의 기초 자료로 활용될 수 있으며, 부탄용기의 안전 설계 기준 재정립에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
2. 재료 및 방법
2.1 실험 대상
본 연구에 사용된 시료는 국내에서 시판 중인 일회용 접합형 부탄용기로, 상부 경판에는 rim vent release (RVR) 방식의 폭발방지장치가 탑재되어 있다. 해당 용기는 철제 캔으로 제작되었으며, 공칭 용량은 약 250 g, 외경은 약 65 mm, 높이는 약 200 mm, 두께는 약 0.4 mm이다. 모든 용기는 ｢고압가스 안전관리법 시행규칙｣에 명시된 제조 및 검사 기준에 적합하며, 폭발방지장치는 내부 압력이1.38~1.72 MPa 범위에 도달할 경우 작동하도록 설계되어 있다. 실험에서는 부탄 충전률을 기준으로 100% 및 30%의 두 조건을 설정하였으며, 액화부탄의 주입은 정밀 저울을 이용해 ±2 g 이내의 오차 범위 내에서 수행되었다.
2.2 실험 변수 및 설계
본 실험에서는 폭발방지장치의 작동 여부 및 용기의 파손 양상에 영향을 줄 수 있는 네 가지 요인을 독립 변수로 설정하고, 모든 조건 조합에 대해 3회 이상의 반복 실험을 실시하였다. 특히 기체와 액체의 열적 특성 차이와 이에 따른 폭발방지장치(RVR)의 작동 여부를 평가하는 데 초점을 맞추었으며, 부탄 용기 내부의 기상부와 액상부의 비율 변화가 열⋅압력 거동에 미치는 영향을 검증하기 위해 용기를 완전히 충전한 상태(충전률 100%)와 기상부가 충분히 확대되는 부분 충전 상태(충전률 30%)를 비교 대상으로 설정하였다. 100% 충전 조건은 최대 내부압력 상태에서의 RVR 작동 특성을 확인하기 위한 기준 조건이며, 30% 충전 조건은 기상부 부피가 크게 증가하면서도 액상이 충분히 남아 있어 가열 과정에서 액상 증발⋅기상 팽창⋅압력 상승의 상호작용과 그에 따른 구조적 파손 양상 변화를 명확히 관찰할 수 있는 부분 충전 조건으로 선택하였다(Figure 1).
Figure 1
Angle-adjustable fixture for positioning butane canisters. To upright, inverted, and horizontal orientations, butane canisters were secured to the test bench using an angle-adjustable clamp. Comparative tests were conducted using clamps made of rubber and cork. While the rubber lost its clamping force at high temperatures, the cork underwent thermal deformation but maintained its holding strength.
2.3 가열 장치 및 조건
열원으로는 부탄 토치를 사용하였으며, 토치의 출력은 100%로 고정하였다. 가열 조건을 달리하기 위해 열원(토치)과 용기 사이의 거리를 5 cm (고열 유입 조건)와 20 cm (저열 유입 조건)으로 각각 설정하였다. 본 연구에서의 거리는 열유속을 직접 측정한 것이 아닌, 가열 강도를 상대적으로 조절하기 위한 변수임을 밝힌다. 열원이 용기의 특정 부위에만 국소적으로 작용하도록 실험대와 열차단막을 구성하였으며, 토치는 고정 지그에 장착되어 각도 및 위치가 일관되게 유지되도록 하였다.
2.4 실험 환경 및 관측 방법
모든 실험은 실내 방폭 공간에서 진행되었으며, 부탄용기는 실험대에 클램프를 이용해 고정하였다. 고무 및 코르크 재질의 각도 조절 클램프를 활용하여 정립, 도립, 와립 자세를 구현하였다. 가열 중 및 폭발 발생 시 용기의 변형 및 파손 양상은 고속 카메라를 이용해 촬영하였으며, 열전대를 부착하여 실시간 온도 상승 데이터를 확보하였다. 가열 후 관찰 항목은 다음과 같다(Figure 2):
Figure 2
Experimental setup and safety measures within the indoor explosion-proof chamber. All experiments were conducted inside a protective wire mesh enclosure to prevent flame spread and fragment dispersion. Butane canisters were fixed in upright, inverted, and horizontal orientations on the test bench using an angle-adjustable clamp. The fuel canister of the heat source (butane torch) was placed behind a separate shield to prevent direct flame exposure. Temperature changes during heating were measured using thermocouples, while deformation and rupture behavior of the canisters were recorded with a high-speed camera. All experiments were monitored in real-time via an external display screen.
3. 결 과
3.1. 정상 정립 상태에서의 가열 실험 결과
부탄용기를 정상 정립 상태(수직 방향으로 세워 고정된 상태)에서 가열한 결과, 가열 위치에 따라 파손 양상 및 폭발방지장치(rim vent release, RVR)의 작동 여부에 뚜렷한 차이가 나타났다(Figure 3). 본 실험에서는 용기의 충전량(100%, 30%)과 가열 위치(상단 기체부, 하단 액체부)를 변수로 설정하고, 각 조건에 대해 5회의 반복 실험을 수행하였다(Table 1).
Figure 3
Heating experiment results for 100% filled butane canisters in the upright orientation. Depending on whether the upper or lower part of the canister was heated, differences were observed in failure patterns, activation of the RVR, and deformation of the bottom end plate. Upper heating primarily resulted in top-end rupture, whereas lower heating tended to trigger RVR activation.
Table 1
Heating Results of Butane Canisters in Upright Orientation (Torch 100%, 5 cm Distance)
100% 충전된 용기의 경우, 상단(기체부)을 가열했을 때 5건 중 4건에서 상부 경판이 파열되었고, 1건에서만 RVR이 작동하여 내부 압력이 해소되는 양상이 관찰되었다. 반면, 하단(액체부)을 가열한 조건에서는 전 실험에서 RVR이 정상 작동하였고, 이로 인해 구조적 파손 없이 과압이 효과적으로 방출되었다.
30% 충전된 조건에서도 유사한 경향이 확인되었다. 상단 가열 시에는 모든 실험(5/5)에서 상부 경판 파열이 발생하였으며, 하단 가열 시에는 전건에서 RVR이 작동하여 파손 없이 내부 압력이 해소되었다. 충전량의 차이에도 불구하고, 가열 위치에 따른 파손 양상은 유사하게 나타났으며, 특히 상단 가열 시에는 충전률과 무관하게 구조적 파열이 빈번하게 발생하였다.
이러한 결과는 RVR의 작동 여부가 충전량보다는 가열 위치에 더 큰 영향을 받음을 시사하며, 특히 기체부의 국소 가열은 국부적인 압력 상승과 열응력 집중으로 인해 구조적 파손을 유발할 가능성이 높음을 의미한다.
3.2 도립 상태에서의 가열 실험 결과
부탄용기를 도립 상태(용기를 뒤집은 채 수직으로 고정)로 배치한 후 상단 및 하단을 각각 가열한 결과, 기상 및 액상 부탄의 위치가 정립 상태와 반전됨에 따라 파손 양상에도 뚜렷한 차이가 나타났다. 특히 동일한 충전 조건에서도 가열 위치에 따른 파손 형태 및 RVR의 작동 여부가 달라지는 경향이 확인되었다(Table 2).
Table 2
Heating Results of Butane Canisters in Inverted Orientation (Torch 100%, 5 cm Distance)
100% 충전된 용기의 경우, 도립 상태에서 상단(실질적으로 하부에 위치한 액체부)을 가열했을 때 모든 실험(5/5)에서 하부 경판이 파열되었다. 이는 열이 액체부에 직접 전달되면서 급격한 압력 상승이 발생하고, 구조적으로 취약한 하부 경판 부위에 응력이 집중된 결과로 해석된다. 반면 하단(실질적인 기체부)을 가열한 조건에서는 4건에서 상부 경판 파열이, 1건에서는 RVR 작동이 관찰되었다. 이는 정립 상태에서 기체부를 가열했을 때와 유사한 경향으로, 기체부 국소 가열에 따른 불균일한 열응력과 압력 집중이 파열을 유도한 것으로 판단된다(Figure 4).
Figure 4
Heating experiment results for 100% and 30% filled butane canisters in the inverted orientation with upper heating. Differences were observed in failure patterns, activation of the RVR, and deformation of the bottom end plate during heating. At 100% filling, bottom-end rupture occurred, while at 30% filling, both bottom-end rupture and sidewall damage were observed.
30% 충전된 조건에서도 유사한 결과가 도출되었다. 도립 상태에서 상단(액체부)을 가열한 실험 5건 중 4건에서 하부 경판 파열이, 1건에서 측면 손상이 발생하였다. 이는 액체 부탄의 양이 적더라도 국소 가열로 인해 압력 상승이 특정 부위에 집중되며 파손을 유발할 수 있음을 보여준다. 하단(기체부) 가열 시에는 3건에서 상부 경판 파열이, 2건에서 RVR 작동이 확인되었다. 이 결과는 기체부 가열이 반드시 RVR 작동으로 이어지지 않으며, 일정 조건에서는 구조적 파열이 RVR 작동보다 우선적으로 발생할 수 있음을 시사한다(Figure 5).
Figure 5
Heating experiment results for 100% and 30% filled butane canisters in the inverted orientation with lower heating. Differences were observed in failure patterns, activation of the RVR, and deformation of the bottom end plate during heating. At 100% filling, top-end rupture occurred, while at 30% filling, both top-end rupture and RVR activation were observed.
전반적으로 도립 상태에서는 기상 및 액상의 위치 반전에 따라, 동일한 열원 조건에서도 내부 압력 분포 및 응력 집중 부위가 달라지고, 이에 따라 파손 위치 또한 반전되는 경향을 나타냈다. 기체부 가열 시 국부 파열, 액체부 가열 시 RVR 작동 또는 하부 경판 파열이라는 양상은 정립 상태와 구조적으로 대칭적인 결과로 볼 수 있다. 그러나 일부 실험에서는 RVR의 작동 실패 또는 작동 지연으로 인해 구조 파손이 먼저 발생하는 비정상적인 양상이 반복적으로 관찰되었으며, 이는 향후 안전성 검토에 중요한 고려 요소로 작용할 수 있다.
3.3 와립 상태에서의 가열 실험 결과
부탄용기를 수평으로 눕힌 상태(와립)로 배치한 후, 파손 양상을 분석하고자 실험을 수행하였다. 동일한 수평 배치 조건 내에서도 열 집중 부위와 구조적 취약성 간의 상호작용을 정밀하게 분석하기 위하여, 상단, 하단, 그리고 하부 경판 부위를 각각 분리하여 가열하였다.
가열 위치에 따른 파손 양상은 정립 및 도립 상태에서 나타난 결과들과 뚜렷하게 구분되는 비정형적 특성을 보였다(Table 3). 수평 자세에서는 기체 및 액체 부탄이 중력에 따라 비대칭적으로 분포하게 되며, 이로 인해 경판 이외의 측면 부위에서의 파손 발생 빈도가 높아지는 경향이 관찰되었다.
Table 3
Heating Results of Butane Canisters in Horizontal Orientation (Torch 100%, 5 cm Distance)
100% 충전된 용기의 경우, 상단을 가열한 3건 중 2건에서 측면 파손이 발생하였고, 1건에서는 RVR이 정상적으로 작동하였다. 이는 가열 위치가 액체부와 직접 접촉하지 않더라도 국소 가열로 인해 구조적으로 약한 측면에 열응력과 압력이 집중된 결과로 해석된다. 반면 하단 및 하부 경판 부위를 가열한 6건에서는 모두 RVR이 작동하였으며, 구조적 파손은 관찰되지 않았다(Figure 6). 이는 액체부에 직접 열이 가해졌을 때, 내부 압력 상승이 RVR 작동 임계치를 안정적으로 초과하여 폭발 없이 압력 해소가 가능했음을 의미한다.
Figure 6
Heating experiment results for 100% filled butane canisters in the horizontal position. In this experiment, butane canisters placed in the horizontal orientation were heated at the upper part, lower part, and bottom end plate. Depending on the heating location, differences were observed in failure modes, activation of the RVR, and deformation of the bottom end plate. Sidewall damage was observed when heating the upper part, RVR activation occurred when heating the lower part, and sidewall damage was again observed when heating the bottom end plate.
30% 충전된 용기에서는 보다 다양한 파손 양상이 확인되었다. 상단 가열 조건에서는 2건의 상부 경판 파열과 1건의 RVR 작동이 관찰되었고, 하부 경판 주변을 가열한 경우에는 하부 경판 파열1건, 상부 경판 파열1건, RVR 작동1건이 각각 발생하였다(Figure 7). 이는 낮은 충전률 조건에서는 RVR 작동 임계치에 도달하기 어려워 구조적 파손이 상대적으로 빈번히 선행될 수 있음을 시사한다.
Figure 7
Heating experiment results for 30% filled butane canisters in the horizontal position. In this experiment, butane canisters placed in the horizontal orientation with 30% filling were heated at the upper part, lower part, and bottom end plate. The failure modes, activation of the RVR, and deformation of the bottom end plate varied depending on the heating location. RVR activation was observed during upper heating, top-end rupture occurred during lower heating, and both top and bottom ruptures were observed during bottom end plate heating.
이와 같은 결과는 와립 상태에서의 가열 조건이 용기 내부의 열전달, 압력 분포, 그리고 응력 집중의 양상을 복잡하게 변화시킨다는 점을 보여준다. 특히 일반적으로 파손이 잘 발생하지 않는 측면이나 경판 주변과 같은 부위에서도, 열원의 위치와 국소 구조적 취약성이 결합될 경우 파손이 유도될 수 있음을 확인하였다. 이는 실제 사고 상황에서 와립 상태의 용기가 다양한 비정형적 파손 양상을 보일 수 있음을 시사하며, 향후 용기 설계 및 안전성 평가에서의 고려 요소로 작용할 수 있다.
3.4 가열 거리에 따른 파손 결과
가열 거리와 용기의 구조 손상 여부가 파손 양상에 미치는 영향을 확인하기 위해, 손상이 가해진 부탄용기를 빠른 가열(열원-용기 거리 5 cm) 및 느린 가열(열원-용기 거리 20 cm) 조건에서 각각 실험하였다. 실험은 정립, 도립, 와립의 세 가지 자세에서 진행되었으며, 충전량(100%, 30%)에 따라 파손 위치와 RVR의 작동 여부를 비교하였다(Figure 8, Table 4).
Figure 8
Comparison of failure patterns according to filling amount, heating rate, and orientation of butane canisters. Experiments were conducted on structurally damaged butane canisters placed in three orientations—upright, inverted, and horizontal—under two heating conditions: rapid heating (5 cm from heat source) and slow heating (20 cm from heat source). The rupture location and activation of the RVR device varied depending on the filling amount (100% or 30%). Notably, at lower filling levels and faster heating rates, structural failure tended to occur prior to RVR activation. Additionally, the structurally vulnerable areas differed depending on the canister’s orientation. In inverted and horizontal positions, irregular sidewall damage was observed more frequently.
Table 4
Heating Results of Butane Canisters in Upright Orientation with Different Heating Distance
정립 상태에서는 충전량에 따른 경향 차이가 뚜렷하게 나타났다. 100% 충전된 용기의 경우, 가열 거리와 관계없이 모든 실험에서 RVR이 정상 작동하여 내부 압력이 효과적으로 해소되었다. 반면, 30% 충전된 용기에서는 빠르게 가열했을 때 RVR 개방은 2건에 그쳤으며, 나머지는 측면 파손 2건, 하부 경판 파열 1건으로 구성되어 일관된 경향을 보이지 않았다. 느린 가열의 경우에는 5건 모두에서 상부 경판 파열이 발생하여 명확한 양상이 확인되었다. 이는 충전량이 낮을수록 급격한 압력 상승 시 구조적 파손이 RVR 작동보다 선행될 가능성이 높으며, 느린 가열에서는 열이 고르게 전달되어 구조적으로 취약한 부위가 반복적으로 파손된다는 점을 시사한다.
도립 상태에서는 정립 상태와는 상이한 경향이 나타났다. 100% 충전된 용기를 빠른 가열(열원-용기 거리 5 cm) 조건에서 실험한 경우, 4건에서 상부 경판 파열, 1건에서 RVR 개방이 발생하였고, 느린 가열(열원-용기 거리 20 cm) 조건에서는 전 건에서 RVR이 정상 작동하였다. 이는 도립 시 구조적으로 상부가 상대적으로 더 취약하게 작용할 수 있음을 보여준다. 30% 충전된 용기의 경우, 빠른 가열 조건에서는 상부 파열 2건, 측면 파손 3건이 발생하였고, 느린 가열 조건에서는 모든 실험에서 상부 경판 파열이 발생하였다. 특히 빠른 가열 조건에서 비정형적인 측면 손상이 증가한 것은 구조 손상과 급격한 압력 상승이 복합적으로 작용한 결과로 해석된다.
와립 상태에서도 유사한 경향이 확인되었다. 100% 충전된 용기는 빠르게 가열했을 때 전 건에서 RVR이 개방되었고, 느린 가열 조건에서도 5건 중 4건은 RVR이 작동하고 1건에서는 상부 파열이 발생하였다. 반면, 30% 충전된 용기의 경우 빠른 가열 시 상부 파열 3건, 측면 파손 2건이 발생하였으며, 느린 가열 시에는 RVR 개방 1건을 제외한 4건에서 상부 경판 파열이 발생하였다. 이는 와립 상태에서도 정립 및 도립 상태와 마찬가지로, 충전량이 낮고 가열 조건이 급격할수록(열원-용기 거리가 짧을수록) RVR 작동에 앞서 구조 손상이 우선 발생할 수 있음을 보여준다.
4. 논 의
본 연구에서는 RVR 방식의 폭발방지장치를 장착한 일회용 부탄용기를 대상으로, 보관 자세(정립, 도립, 와립), 가열 위치(기체부, 액체부, 하부 경판 등), 가열 거리(열원-용기 거리), 충전량(100%, 30%) 및 구조적 손상 유무가 폭발 양상에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 다양한 조건에서 반복 실험을 수행한 결과, 부탄용기의 파손 여부 및 RVR의 작동 성공 여부는 단순한 내압 상승뿐만 아니라 열전달 특성, 기체/액체의 내부 재배치, 구조적 응력 분포, 폭발방지장치의 위치 및 설계적 한계 등 복합적인 요인의 영향을 받는 것으로 확인되었다. 다음은 각 주요 결과에 대한 기전적 해석이다.
4.1 정립 상태에서의 기체부 가열과 상부 경판 파열 기전
정립 상태에서 용기의 상단 기체부를 국소적으로 가열한 경우, 열이 상부 경판에 집중되면서 해당 부위 금속이 국소적으로 팽창하고 기계적 강도가 약화된다. 기체 온도가 상승함에 따라 내부 압력도 증가하지만, 기체는 열전도율이 낮고 비열이 작아 열이 전체 용기로 빠르게 확산되지 못한다(6). 이로 인해 하부 액체는 충분히 가열되지 않고, 내부 전체 압력은 RVR 작동 임계치(약 1.38~1.72 MPa)에 도달하지 못한다. 결과적으로 RVR은 작동하지 않으며, 열응력과 압력 집중이 중첩되는 상부 경판이 가장 먼저 파열되는 현상이 반복적으로 관찰되었다(7).
4.2 도립 상태에서의 하부 경판 파열과 RVR 미작동
도립 상태에서는 기체와 액체의 위치가 반전되어 하단이 기체부, 상단이 액체부가 된다. 이때 하단 기체부를 가열하면, 정립 상태와 유사하게 국소적인 열응력과 압력 집중이 하부 경판에 작용하여 파열이 발생한다. 특히 도립 상태에서는 RVR이 액체에 잠긴 위치에 있을 가능성이 높아, 기체 배출 통로가 확보되지 않아 작동이 제한된다(8). 또한 열원이 경판과 가까운 하부에 집중되는 반면, RVR은 상부에 위치하므로 작동 임계치에 도달하는 데 시간이 지연된다. 이로 인해 RVR이 작동하지 못하고, 하부 경판이 파열되는 결과가 주로 나타났다. 충전량이 높을수록 기체 공간이 줄어들고 압력 완충 능력이 저하되어 파열 가능성은 더욱 증가한다.
4.3 도립 상태에서 액체부 가열 시 상부 파열과 RVR 작동 실패
도립된 용기의 상단 액체부를 가열한 경우, 액상 부탄은 높은 열전도율을 가지므로 열이 비교적 고르게 확산되며 용기 전체의 압력이 상승한다. 이 경우 이론적으로는 RVR이 작동하여 압력을 해소해야 하지만, RVR이 액체층에 잠긴 경우 기체 배출이 원활하지 않아 작동이 제한될 수 있다. 실험에서도 RVR이 작동하지 않고, 압력이 구조적으로 취약한 상부 경판에 집중되어 파열이 발생하는 양상이 확인되었다. 이는 RVR이 기체 상태에서의 작동을 전제로 설계되었음을 고려할 때, 액체 내에서의 작동 신뢰도에 한계가 있음을 보여주며, 구조적 보완의 필요성을 시사한다.
4.4 충전률이 낮은 경우의RVR 작동 실패와 구조적 파손 증가
충전률은 압력 완충 특성에 중대한 영향을 미친다. 100% 충전된 용기의 경우, 내부 압력 상승이 비교적 완만하게 진행되어 RVR이 안정적으로 작동하였다. 반면 30% 충전된 용기는 기체 공간이 넓어지면서 열 흡수 및 압력 분포가 비균일해지고, 기체부의 온도와 압력이 급격히 상승할 경우 RVR 작동 조건이 충족되지 않거나, 작동 이전에 국소적인 구조 파손이 먼저 발생하는 사례가 많았다(7). 이는 충전률이 낮을수록 폭발방지장치의 작동 신뢰도가 저하되고, 기체부 중심의 열응력에 의한 손상 가능성이 높아짐을 시사한다.
4.5 가열 거리에 따른 파손 양상의 차이
빠르게 가열한 경우(열원-용기 거리 5 cm)에는 국소적인 온도 상승이 급격하게 이루어지며, 전체 내부 압력이 상승하기 이전에 특정 부위에서 열응력과 압력 집중이 발생하여 측면 파손이나 상부 경판 파열 등 비정형적 손상으로 이어지는 경우가 많았다. 특히 30% 충전된 용기에서는 이러한 가열 거리 조건에서 RVR의 작동 실패와 함께 구조적 파손이 빈번하게 관찰되었다.
반면 느린 가열(열원-용기 거리 20 cm)의 경우 열이 비교적 균일하게 전달되어 내부 압력이 서서히 상승하였고, RVR 작동 임계점에 도달하기까지 충분한 시간적 여유가 확보되었다. 그 결과, 충전량이 높은 용기에서는 RVR이 안정적으로 작동하였으며, 충전량이 낮은 용기에서도 일관되게 상부 경판 파열이 발생하는 경향을 보였다. 이는 열응력이 분산되고 에너지가 구조적으로 취약한 상부에 누적되어 반복적인 손상으로 이어졌기 때문으로 해석된다.
5. 결 론
본 연구는 RVR 방식의 폭발방지장치를 장착한 일회용 부탄용기를 대상으로, 보관 자세(정립, 도립, 와립), 가열 위치(기체부, 액체부, 하부경판), 가열 거리(열원-용기 거리), 충전량(100%, 30%), 구조 손상 유무가 폭발 및 파손 양상에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 다양한 조건 하에서의 반복 실험을 통해, 부탄용기의 파손은 단순한 내압 상승의 결과가 아니라 기계적 응력, 열전달 특성, 구조적 취약성, RVR 작동 위치 등 복합적인 요인이 상호작용한 결과임을 확인하였다.
첫째, 부탄용기의 자세와 가열 위치는 파손 양상에 직접적인 영향을 미치는 핵심 요소임이 확인되었다. 정립 상태에서는 기체부를 국소 가열할 경우 전체 압력이 RVR 작동 임계점에 도달하기 전에 열응력 집중으로 상부 경판 파열이 발생하였으며, 액체부 가열 시에는 액상 부탄의 열전도성으로 인해 RVR이 안정적으로 작동하였다. 도립 상태에서는 기체부가 하부로 이동함에 따라 하단 가열 시 하부 경판 파손이 빈번히 나타났고, 액체에 잠긴 RVR은 작동 실패 가능성이 높아 상부 파열로 이어지는 경우가 확인되었다. 와립 상태에서는 전반적으로 RVR 작동률이 높아 비교적 안정적이었으나, 열 집중이 발생하면 측면 손상이나 국소 파열이 발생할 수 있음을 보여주었다.
둘째, 가열 조건(열원-용기 거리)은 RVR 작동 여부와 파손 위치를 결정하는 주요 요인으로 작용하였다. 빠른 가열(5 cm 거리)에서는 열이 국소적으로 집중되어 RVR 개방보다 구조적 파손이 선행하는 경우가 많았으며, 특히 30% 충전 상태에서는 비정형적인 측면 파손과 상부 파열이 반복적으로 관찰되었다. 반면 느린 가열(20 cm 거리)은 열이 비교적 균일하게 전달되어 RVR 정상 작동 가능성이 높아졌고, 상부 경판 파열 양상으로 일정하게 수렴하였다.
셋째, 이러한 실험 결과는 현행 부탄용기의 안전성 평가에서 RVR의 단순 장착 여부나 작동 압력 기준만으로는 실제 사고 양상을 충분히 설명할 수 없음을 시사한다. 오히려 용기 자세, 충전량, 가열 거리, 구조 손상 유무 등 복합 요인을 반영한 안전 설계와 사고 원인 분석 체계가 필요하다. 특히 RVR이 액체에 잠긴 환경에서는 작동이 제한될 수 있다는 점과 국소 가열에 의한 구조 파손 가능성이 실제보다 과소평가되어 있음을 고려할 때, 향후 부탄용기 설계에서는 RVR 위치 안정성 개선과 구조적 취약부 보강이 필수적이다.
향후 연구에서는 열원의 종류(예: 화염 외 전기히터), 보다 정량적 온도⋅압력 측정, 용기 재질 및 두께 변화가 미치는 영향, 실제 사용 환경 기반의 시나리오 시험 설계 등이 요구되며, 이를 보완하기 위해 수치해석 기반의 시뮬레이션 연구 또한 필요하다. 이러한 후속 연구는 부탄용기의 실질적 안전성을 보다 정밀하게 평가하고 개선하는 데 기여할 것으로 기대된다.
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