보일러 폭발

섬네일|right|1888년 12월 22일 오슬로 근처 스트룀멘역에서 발생한 보일러 폭발의 여파. 증기 기관차 한 대가 공중으로 솟아올라 다른 기관차 지붕에 떨어졌지만, 두 기관차의 승무원은 모두 부상 없이 탈출했다
보일러 폭발()은 보일러의 재앙적 실패이다.

보일러 폭발에는 두 가지 종류가 있다. 한 가지 유형은 증기 및 물 부분의 압력 부품 고장이다. 안전 밸브 고장, 보일러의 중요한 부품의 부식, 낮은 수위 등 다양한 원인이 있을 수 있다. 랩 조인트 가장자리를 따라 발생하는 부식은 초기 보일러 폭발의 흔한 원인이었다. 증기 기관차 보일러에서는 초기 시행착오를 통해 지식이 축적되면서 폭발적인 상황과 그에 따른 폭발로 인한 손상은 불가피했다. 그러나 개선된 설계와 유지보수는 19세기 말까지 보일러 폭발 수를 현저히 감소시켰다. 20세기에도 계속해서 개선이 이루어졌다. 육상 보일러의 경우, 빅토리아 시대에는 정지형 증기 보일러에서 압력 시스템의 폭발이 정기적으로 발생했지만, 현재는 제공되는 다양한 안전 장치와 정부 및 산업 요구사항에 따른 정기적인 검사로 인해 매우 드물게 발생한다.

두 번째 종류는 노 내의 연료/공기 폭발이며, 이는 더 정확하게는 화실 폭발이라고 할 수 있다. 고체 연료 연소 보일러에서의 화실 폭발은 드물지만, 가스 또는 석유 연소 보일러에서의 화실 폭발은 여전히 잠재적인 위험 요소이다.

 원리 
 보일러 증기 폭발 
많은 쉘형 보일러는 대량의 액체 물을 담고 있으며, 이 물은 대기압에서의 끓는물보다 더 높은 온도와 압력(엔탈피)으로 가열된다. 정상 작동 중에는 액체 물이 중력 때문에 보일러 바닥에 남아 있고, 증기 기포는 액체 물을 통해 상승하여 사용을 위해 상단에 모이며, 포화 압력에 도달하면 끓는 것이 멈춘다. 압력이 일부 방출되면 다시 끓는 것이 시작되는 식이다.

증기가 정상적으로 방출되면, 예를 들어 스로틀 밸브를 열면, 물의 거품 작용은 적당한 수준을 유지하고 비교적 건조한 증기가 용기의 가장 높은 지점에서 추출될 수 있다.

증기가 더 빨리 방출되면, 그 결과로 더 격렬한 끓는 작용이 일어나 미세한 물방울 스프레이를 "습증기"로 위로 뿜어내어 하류의 배관, 엔진, 터빈 및 기타 장비에 손상을 입힐 수 있다.

보일러 용기의 큰 균열 또는 기타 개구부가 내부 압력을 갑자기 급격하게 떨어뜨리면, 물에 남아있는 열에너지가 더 많은 액체를 증기 기포로 순간 증발시켜 나머지 액체를 빠르게 밀어낸다. 탈출하는 증기와 물의 잠재 에너지는 이제 엔진에서 그랬던 것처럼 일로 전환되며, 파열 주변의 재료를 벗겨내고, 이전에 지지대에 의해 고정되거나 원래의 원통형 모양으로 자립했던 판의 모양을 심하게 왜곡할 만큼 충분한 힘을 발휘한다. 증기와 물의 급격한 방출은 매우 강력한 폭발을 일으키고 주변 재산이나 인력에 큰 피해를 줄 수 있다. 이러한 유형의 고장은 비등액체 팽창 증기 폭발 (BLEVE)로 분류된다.

급속히 팽창하는 증기 기포는 또한 보일러 내부의 물 덩어리를 개구부 방향으로 놀라운 속도로 던져 작업을 수행할 수 있다. 빠르게 움직이는 물 덩어리는 엄청난 운동 에너지를 가지고 있으며, 보일러 외피와 충돌하면 격렬한 파괴 효과를 초래한다. 이는 원래의 파열을 크게 확대하거나 외피를 두 조각으로 찢을 수 있다.

많은 배관공, 소방관, 증기 배관공들은 "워터 해머"라고 불리는 이 현상을 알고 있다. 고속으로 증기 라인을 통과하는 수 온스짜리 물 덩어리가 90도 엘보를 강타하면 정상적인 정적 압력의 몇 배를 견딜 수 있는 이음쇠가 즉시 파손될 수 있다. 따라서 보일러 내부에서 같은 속도로 움직이는 수백 또는 수천 파운드의 물이 튜브 시트를 쉽게 날려버리고, 화실을 무너뜨리며, 심지어 무거운 대포가 포탄을 발사할 때의 반동처럼 물이 보일러를 빠져나갈 때의 반작용으로 보일러 전체를 놀라운 거리까지 날려버릴 수 있다는 것을 이해할 수 있다.

SL-1 실험용 원자로 사고에 대한 몇몇 기록들은 압력 용기에 대한 수격 현상의 믿을 수 없을 정도로 강력한 효과를 생생하게 묘사했다.

에서 작동하는 증기 기관차는 약 의 온도와 의 비엔탈피를 갖는다. 표준 압력 포화수의 비엔탈피는 겨우 이므로, 두 비엔탈피의 차이인 가 폭발 시 방출되는 총 에너지이다. 따라서 고압 및 고온 상태에서 최대 의 물을 담을 수 있는 대형 기관차의 경우, 이 폭발은 약 의 TNT와 맞먹는 이론적인 에너지 방출량을 가진다.

 화실 폭발 
화실 폭발의 경우, 일반적으로 버너 화염 소실 후에 발생한다. 석유 증기, 천연가스, 프로판, 석탄 또는 기타 연료가 연소실 내부에 축적될 수 있다. 이는 용기가 뜨거울 때 특히 우려되는데, 연료는 온도 때문에 빠르게 휘발될 것이다. 하부 폭발 한계 (LEL)에 도달하면, 어떤 점화원이라도 증기 폭발을 일으킬 것이다.

화실 내부의 연료 폭발은 가압된 보일러 튜브와 내부 쉘을 손상시킬 수 있으며, 잠재적으로 구조적 고장, 증기 또는 물 누출, 그리고/또는 2차 보일러 쉘 고장 및 증기 폭발을 유발할 수 있다.

사소한 화실 "폭발"의 흔한 형태는 "두드림(drumming)"으로 알려져 있으며 어떤 종류의 연료로도 발생할 수 있다. 불의 정상적인 "포효" 대신, 화격자 아래와 화실문을 통해 규칙적인 "쿵" 소리와 불꽃이 번쩍이는 것은 이용 가능한 통풍 수준에 대한 부적절한 공기/연료 혼합으로 인해 연료의 연소가 일련의 급속한 폭발을 통해 진행되고 있음을 나타낸다. 이것은 보통 기관차형 보일러에는 손상을 일으키지 않지만, 계속 방치하면 벽돌 보일러 설비에 균열을 일으킬 수 있다.

 그루빙 
초기 기관차 보일러의 판은 단순한 랩 조인트로 연결되었다. 이 방법은 보일러 주위를 도는 환형 조인트에는 만족스러웠지만, 보일러 길이를 따라 이어지는 세로 조인트에서는 판의 겹침이 보일러 단면을 이상적인 원형에서 벗어나게 했다. 압력을 받으면 보일러는 가능한 한 원형 단면을 이루려고 변형되었다. 이중 두께의 겹침이 주변 금속보다 강했기 때문에 보일러 압력의 변화로 인한 반복적인 굽힘과 이완은 조인트 길이를 따라 내부 균열 또는 홈(깊은 구멍)을 유발했다. 이 균열은 내부 부식의 시작점이 되어 고장을 가속화할 수 있었다. 결국, 물 아래에 조인트가 위치하지 않도록 충분한 크기의 판을 사용하면 이러한 내부 부식을 줄일 수 있다는 것이 밝혀졌다. 결국 단순한 랩 이음은 이러한 결함이 없는 단일 또는 이중 버트-스트랩 이음으로 대체되었다.

화실의 지속적인 팽창 및 수축으로 인해 스테이볼트 끝이 화실 판에 들어가는 부분에서 유사한 형태의 "응력 부식"이 발생할 수 있으며, 이는 열악한 수질로 인해 가속화된다. 종종 "목조임(necking)"이라고 불리는 이러한 유형의 부식은 스테이볼트의 강도를 감소시켜 정상 압력에서 화실을 지지할 수 없게 만들 수 있다.

그루빙(깊고 국부적인 구멍)은 수위선 근처에서도 발생하는데, 특히 탈기되지 않거나 산소 제거제가 처리되지 않은 물을 공급받는 보일러에서 두드러진다. 모든 "천연" 수원에는 용해된 공기가 포함되어 있으며, 이 공기는 물이 가열될 때 가스로 방출된다. 공기(산소 포함)는 수면 근처에 층을 이루어 축적되어 해당 지역의 보일러 판의 부식을 크게 가속화한다.

 화실 
구리 또는 강철로 만들어진 기관차 화실의 복잡한 형태는 내부 벽이 내부 거더와 외부 벽에 부착된 스테이에 의해 지지될 때만 내부 벽에 가해지는 증기 압력을 견딜 수 있다. 이들은 피로(내부 및 외부 벽이 화재 열에 따라 다른 속도로 팽창하기 때문), 부식, 또는 화재에 노출된 스테이 헤드가 타버리면서 약화되어 고장 날 수 있다. 스테이가 고장 나면 화실이 안쪽으로 폭발한다. 이를 방지하기 위해 정기적인 내부 및 외부 육안 검사가 실시된다. 잘 관리된 화실이라도 보일러 수위가 화실 상판(크라운 시트)이 노출될 정도로 충분히 낮아지면 폭발적으로 고장 날 수 있다. 이는 언덕 정상을 넘어갈 때 발생할 수 있는데, 물이 보일러 앞쪽으로 흐르면서 화실 크라운 시트가 노출될 수 있기 때문이다. 기관차 폭발의 대부분은 이러한 크라운 시트 노출로 인한 화실 폭발이다.

 원인 
섬네일|right|1896년 텍사스 크래시 앳 크러시에서 두 대의 증기 기관차가 홍보를 위해 충돌했다. 두 보일러 모두 폭발하여 두 명이 사망하고 파편이 군중에게 날아가 더 많은 부상자가 발생했다.
보일러 폭발의 원인은 다양하며, 부적절한 수처리로 인한 스케일 생성과 플레이트 과열, 낮은 수위, 고장난 안전 밸브, 심지어는 보일러 폭발을 유발할 수 있는 충분히 심각한 화로 폭발 등이 있다. 산업 혁명 초기부터 보일러 작동자의 부주의 또는 부적절한 취급으로 인한 부적절한 훈련이 폭발의 빈번한 원인이었다. 19세기 말과 20세기 초, 미국, 영국, 유럽의 다양한 자료에 따르면 보일러 검사 기록은 보일러 폭발의 가장 빈번한 원인이 다른 모든 원인보다 2배에서 5배 이상 높은 단순한 녹으로 인한 보일러 약화였음을 보여주었다.

재료 과학, 검사 기준 및 품질 관리가 급성장하는 보일러 제조 산업을 따라잡기 전에는 상당수의 보일러 폭발이 설계 불량, 조잡한 작업, 품질이 낮은 재료의 미발견 결함에 직접적으로 기인했다. 재료 및 설계 결함으로 인한 미국 보일러 고장의 놀라운 빈도는 1884년 최초의 보일러 시험 규격을 제정한 ASME와 같은 국제 공학 표준 기구의 관심을 끌었다. 1905년 3월 10일 매사추세츠주 브록턴에서 발생한 그로버 신발 공장 재해를 일으킨 보일러 폭발로 58명이 사망하고 150명이 부상했으며, 이로 인해 매사추세츠주는 1908년에 최초의 보일러법을 제정하게 되었다.

여러 서면 자료에서 보일러 폭발의 원인에 대한 간결한 설명을 제공한다:

그리고:

 초기 원인 조사 
기계 동력에 사용된 정지형 증기 기관은 산업 혁명 기간에 처음으로 중요성을 얻었으며, 초기에는 다양한 원인으로 인한 많은 보일러 폭발이 발생했다. 이 문제의 첫 번째 조사자 중 한 명은 윌리엄 페어베언으로, 그는 이러한 폭발로 인한 손실을 다루는 최초의 보험 회사 설립을 도왔다. 그는 또한 보일러와 같은 원통형 압력 용기의 둘레 응력이 세로 응력의 두 배라는 것을 실험적으로 입증했다. 이러한 조사는 그와 다른 사람들이 보일러를 약화시키는 응력집중의 중요성을 설명하는 데 도움이 되었다.

노후화와 부적절한 취급이 보일러 폭발의 가장 흔한 원인일 가능성이 높지만, 재앙적인 보일러 고장의 실제 메커니즘은 20세기 초 미국 보일러 검사관들에 의해 광범위한 실험이 수행될 때까지 잘 문서화되지 않았다. 다양한 수단을 통해 보일러를 폭발시키려는 여러 시도가 있었지만, 가장 흥미로운 실험 중 하나는 특정 상황에서 보일러의 갑작스러운 개구부가 증기를 너무 빨리 방출하게 할 경우, 워터 해머가 전체 압력 용기의 파괴를 일으킬 수 있다는 것을 보여주었다.

그러나 보일러 폭발에서 워터 해머의 파괴적인 메커니즘은 그보다 훨씬 이전에 이해되었으며, D. K. 클라크는 1860년 2월 10일자 Mechanics Magazine 편집자들에게 보낸 편지에서 다음과 같은 내용을 이렇게 썼다.

보일러 폭발은 침몰하는 선박에서 뜨거운 보일러가 차가운 바닷물에 닿아 뜨거운 금속이 갑자기 냉각되어 균열을 일으킬 때 흔히 발생한다. 예를 들어, 호가 U-보트에 의해 어뢰 공격을 받았을 때, 어뢰와 그로 인한 보일러 폭발로 인해 배는 2분 만에 침몰하여, 승무원 53명 중 푼림만이 유일한 생존자로 남았다.

 기관차에서 
보일러 폭발은 (기관차형) 연관 보일러에서 특히 위험하다. 화실 상단(크라운 시트)은 항상 일정량의 물로 덮여 있어야 하며, 그렇지 않으면 화염의 열로 인해 크라운 시트 또는 크라운 보일러 스테이가 정상 작동 압력에서도 파손될 정도로 약화될 수 있기 때문이다.

이것은 1995년 펜실베이니아주 가드너스 근처에서 발생한 게티즈버그 철도 화실 폭발의 원인이었다. 낮은 수위로 인해 크라운 시트 앞부분이 과열되어 일반적인 크라운 스테이가 시트를 뚫고 지나가면서 전체 보일러 압력 하의 많은 양의 증기와 물이 화실로 방출되었다. 크라운 시트 설계에는 여러 개의 교대로 배치된 버튼 헤드 안전 스테이가 포함되어 있어 크라운 시트의 고장을 처음 5~6줄의 기존 스테이에 국한시켜 전체 크라운 시트의 붕괴를 막았다.

이러한 종류의 고장은 철도 엔진에만 국한되지 않으며, 기관차형 보일러는 트랙션 엔진, 휴대용 엔진, 광업 또는 벌목용 스키드 엔진, 제재소 및 공장용 고정 엔진, 난방용, 그리고 다른 공정에 증기를 공급하는 패키지 보일러로 사용되어 왔다. 모든 응용 분야에서 적절한 수위 유지는 안전한 작동을 위해 필수적이다.

섬네일|1850년경 철도 기관차 보일러 폭발 후의 모습
휴이슨(1983)은 영국 보일러 폭발에 대한 종합적인 설명을 제공하며, 1815년부터 1962년까지 137건을 나열했다. 이 중 122건이 19세기였고 20세기에는 단 15건이었다는 점은 주목할 만하다.

보일러 폭발은 일반적으로 두 가지 범주로 나뉜다. 첫 번째는 보일러 본체 자체가 약화/손상 또는 과도한 내부 압력으로 인해 파손되어 넓은 지역에 증기가 갑자기 방출되는 것이다. 응력 부식 균열은 랩 조인트에서 흔한 초기 보일러 폭발의 원인이었으며, 아마도 가성 취성으로 인해 발생했을 것이다. 보일러에 사용되는 물은 종종 엄격하게 관리되지 않았으며, 산성일 경우 연철 보일러 판을 부식시킬 수 있었다. 갈바닉 부식은 구리와 철이 접촉하는 곳에서 추가적인 문제였다. 보일러 판은 최대 400미터까지 날아갈 수 있었다(휴이슨, 롤트). 두 번째 유형은 인접한 보일러에서 발생하는 증기 압력으로 인해 화실이 붕괴되어 화염과 뜨거운 가스가 운전실로 방출되는 것이다. 개선된 설계와 유지보수는 첫 번째 유형을 거의 완전히 제거했지만, 기관사와 소방수가 보일러 수위를 유지하지 못하면 두 번째 유형은 항상 발생할 수 있다.

화실은 일반적으로 구리로 만들어졌지만, 나중의 기관차에는 강철 화실이 있었다. 화실은 스테이(수많은 작은 지지대)에 의해 보일러의 외부 부분에 고정되었다. 완전한 증기 압력과 접촉하는 화실의 부분은 과열 및 약화를 막기 위해 항상 물로 덮여 있어야 한다. 화실 붕괴의 일반적인 원인은 보일러 수위가 너무 낮아져 화실 상단(크라운 시트)이 노출되고 과열되는 것이다. 이는 소방수가 수위를 유지하지 못했거나 수위 표시기(게이지 글라스)가 고장 났을 때 발생한다. 덜 흔한 원인은 부식 또는 부적절한 재료로 인한 다수의 스테이 파손이다.

20세기 동안 영국에서는 보일러 본체 고장 2건과 화실 붕괴 13건이 발생했다. 보일러 본체 고장은 1909년 카디프와 1921년 벅스턴에서 발생했으며, 둘 다 안전 밸브의 잘못된 조립으로 인해 보일러가 설계 압력을 초과하여 발생했다. 13건의 화실 붕괴 중 4건은 스테이 파손, 1건은 화실에 스케일 축적, 나머지는 낮은 수위로 인한 것이었다.

 증기선 보일러 
섬네일|1830년 테네시주 멤피스에서 발생한 증기선 폭발
호는 1858년 6월 13일 테네시주 멤피스 근처의 쉽 아일랜드에서 미시시피 강에서 보일러 폭발을 겪고 침몰한 옆바퀴 증기선이었다. 탑승객 450명 중 250명 이상이 사망했으며, 그중에는 작가 마크 트웨인의 남동생 헨리 클레멘스도 포함되어 있었다.

1860년대 초 샌페드로 항구에 정박하던 대형 해안 증기선에 승객과 화물을 운송하는 데 사용된 소형 증기선인 호는 1863년 4월 27일 캘리포니아 윌밍턴 근처 로스앤젤레스항의 샌페드로 만에서 보일러가 격렬하게 폭발하는 재난을 겪었다. 이 사고로 53명 이상의 탑승객 중 26명이 사망하고 많은 사람이 부상당했다.

증기선 설타나호는 1865년 4월 27일 폭발로 파괴되어 미국 역사상 가장 큰 해양 재난을 초래했다. 이 배의 보일러 4개 중 3개가 폭발하고 설타나호는 테네시주 멤피스에서 멀지 않은 곳에서 불에 타 침몰하면서 약 1,549명의 승객이 사망한 것으로 추정된다. 원인은 한 보일러 외피의 부실한 수리 때문으로 밝혀졌으며, 그 패치가 고장 나면서 그 보일러의 잔해가 다른 두 보일러를 파열시켰다.

또 다른 미국 남북 전쟁 증기선 폭발은 1865년 1월 27일 제9 인디애나 포병대 소속 병사들을 태우고 가던 증기선 이클립스호였다. 한 공식 기록은 10명이 사망하고 68명이 부상했다고 보고했으며, 나중에 보고서에서는 27명이 사망하고 78명이 부상했다고 언급했다. 폭스의 연대별 손실 보고서는 29명이 사망했다고 보고했다.

캐나다의 PS 와우부노호 보일러는 1879년 마지막 항해에서 폭발했을 수 있지만, 침몰 원인은 여전히 알려지지 않았다. 부주의한 관리 또는 폭풍 속에서 좌초되는 동안 조지언만의 차가운 물과의 접촉으로 인해 폭발이 발생했을 수 있다.

 현대 보일러 
현대 보일러는 여유 펌프, 밸브, 수위 모니터, 연료 차단 장치, 자동 제어 장치 및 압력 안전 밸브를 사용하여 설계되었다. 또한, 시공은 관련 기관에서 정한 엄격한 엔지니어링 지침을 준수해야 한다. NBIC, ASME 및 기타 기관은 상세한 표준을 발행하여 안전한 보일러 설계를 보장하려고 노력한다. 그 결과 재앙적인 사고 발생 가능성이 낮은 보일러 장치가 탄생했다.

또한 안전성을 향상시키는 것은 "패키지 보일러"의 사용 증가이다. 이들은 공장에서 제작된 후 완성된 유닛으로 작업 현장으로 배송되는 보일러이다. 이들은 일반적으로 현장에서 튜브별로 조립되는 보일러보다 더 좋은 품질과 더 적은 문제를 가지고 있다. 패키지 보일러는 설치를 완료하기 위해 최종 연결 (전기, 연통, 응축수 라인 등)만 하면 된다.

 주요 안전 개발 

 주요 사고 

 같이 보기 
 퓨즈 플러그
 존 힉 (정치인)
 철도 사고 목록

 내용주 

 참고 문헌 
 
 
 

 각주 

 추가 자료 
 Bartrip, P. W. J. "The state and the steam boiler in Britain". International review of social history 25, 1980, 77–105. Government intervention and the role of interest groups in 19th century Britain in regard to stationary boilers.
 Winship, I. R. "The decline in locomotive boiler explosions in Britain 1850–1900". Transactions – Newcomen Society 60, 1988–89, 73–94. Technical and other factors that reduced the incidence of explosions.

 외부 링크 
 

분류:보일러