특수가스 취급기술 및 유지관리 실무 (1)

목차

1. 가스의 분류 및 정의

2. 가스의 유해성 분류 및 제품별 특징

3. 특수가스 실린더의 보관 및 사용

4. 독성을 가진 금속 수소화물

5. 특수가스 저장 및 공급시설의 안전관리

6. 독성가스 제독설비

1. 가스의 분류 및 정의

일반적으로 가스를 상업적으로 분류할 때, 산업용 가스와 특수가스로 구분한다. 산업용 가스는 대기 중의 주요 구성 성분인 산소, 질소, 아르곤 및 미량 구성 요소인 이산화탄소, 헬륨, 수소 등을 의미하며, 특수가스는 일상 대기 중에서 존재하나 구성비율이 매우 희박한 가스(네온, 제논, 크립톤등), 일상 자연환경에서는 존재하지 않는 삼불화질소, 실란 등과, 자연 상태에서는 존재하지 않는 특정 구성비율을 가진 가스와, 초고순도로 정제된 산업용 가스들로 구성되어 있다.

특히 반도체와 LCD 제조 공정 등, 전자 산업용으로 사용되는 특수가스들을 일반적으로 Electronics Specialty Gas (EGS)라 부르며, 이들 전자산업용 특수 가스는 매우 높은 순도의 품질을 요구되고 있다.

또한 용기 내의 가스 제품의 물리적 성상에 따라, 액화 압축가스와 비 액화 압축가스로도 분류한다. 가스를 취급할 때, 용기 내의 제품 성상은 가스의 사용 및 관리, 누출 시 비상대응 방안을 선택하는 데 매우 중요한 요소로 작용하게 된다.

일반적으로 사용되는 용기 내에 액상 부분이 존재하면 액화 압축가스로, 용기 내에 가스만 존재하는 경우에는 비 액화 압축가스로 이해하면 된다. 이들 물질들에 대한 취급 사용법 및 누출 시 대응 방안에 대해서는 나중에 다시 살펴보기로 한다.

고압가스안전관리법 시행규칙 제2조에 의한 특수 고압가스에 대한 정의는 다음과 같다. "압축모노실란, 압축디보테인, 액화알진, 포스핀, 셀렌화수소, 게르만, 디실란 그밖에 반도체의 세정 등 지식경제부 장관이 인정하는 특수한 용도에 사용되는 고압가스를 말한다."

2. 가스의 유해성 분류 및 제품별 특징

가스를 포함하여 화학물질의 유해성을 알기 위해서는, 미국 교통부 유해성 분류(Department Of Transportation HAZARD CLASSES, 이하 DOT유해성 분류)의 체계를 이해하면, 취급하고자 하는 물질들에 대한 유해성을 인식하는 데 도움이 된다. 가스 물질에 대한 DOT 유해성 분류는 크게 5가지로 나뉘어 생각할 수 있다.

미국교통부 유해성 표지 분류

2-1. 불연성 가스는, 말 그대로 연소가 되지 않는 가스를 의미하며, 대표적으로 질소, 헬륨 등의 산업용 가스와 제논, 크립톤, 육불화황 등의 특수가스가 불연성 특징을 가지고 있다. 불연성 가스의 마크는 위 그림과 같이 초록색의 다이아몬드 모양의 라벨로 표기된다.

이들 가스는 매우 안정적이며 쉽게 접할 수 있는 물질들이어서, 사용자가 취급하기에 가장 안전하다고 인식하기 쉬운 제품들이다. 하지만, 취급 및 사용 시 가장 큰 위험성을 지닌 가스로 취급되어야 한다.

이들 물질은 "Lowest Hazard but Highest Risk (유해성은 가장 낮지만, 가장 위험한 가스)"로 인식되어야 한다는 의미이다. 불연성 가스는 무취 무미 비자극성 특징을 가지고 있으므로, 실내에서 가스 누출이 발생한 경우, 적절한 환기와 감지기를 통한 작업자 보호가 이뤄지지 않는 다면, 산소 결핍 환경이 유발되어 치명적인 결과를 유발할 수 있다.

따라서 이들 가스와 관련된 사고는 죽느냐 사느냐의 문제이므로, 이들 가스를 실내에서 취급하고 있는 사업장에서는 반드시 환기와 산소농도 감지를 통한 작업자 보호가 이뤄져야 한다.

■ 산소 결핍 환경에서의 인체 영향

19.5% 최소 작업 가능 수치

15~19.5% 작업 능률 감소, 호흡 곤란

12~14% 맥박, 호흡 속도 증가 및 판단력 감소

10~12% 호흡, 맥박이 더욱 빨라짐, 판단력 저하, 입술이 파래짐

8~10% 정신 혼미, 의식 불명, 구토

6~8% 8분 이상 노출 시 100% 사망, 6분에서 50% 사망, 4~5분 노출 시 회복 가능

4% 40초 내 의식불명, 사망 유발

또한, 용기 내에 저장된 가스는 높은 에너지를 가지고 있으므로, 용기 전도로 인한 밸브 파손이 발생하게 되면, 위험한 상황을 초래할 수 있다. 따라서 용기를 사용하지 않는 경우에는, 반드시 밸브 보호용 캡을 설치하여 보관해야 하며, 사용 중의 용기는 반드시 전도를 방지하기 위하여 적절하게 묶여 있어야 한다.

실린더 압력 유해성 경고 포스터

2-2. 가연성 (Flammable)

가연성 가스는 불연성 가스가 가지는 유해성(질식과 압력)에 추가적으로 가연적인 성질을 가지고 있다. 가연성 가스 누출 발생한 후 점화가 일어나지 않는 다면, 불연성 가스와 동일한 질식 유해성을 유발할 수 있으므로, 이들 가스의 누출 발생 시에도 산소 농도를 확인해야 하는 것은 매우 중요한 안전 요소로 인식해야 한다.

가연성 가스의 유해성을 인식할 때의 주요 인자로는, 대기 중에서의 연소범위, 자연발화 온도, 비중 세 가지가 있다.

연소 범위는 대기 중의 공기와 가스가 혼합되었을 때, 연소가 가능한 범위를 의미하는 것으로, 연소 하한계와 연소 상한계로 구성된다. 자연발화 온도는 점화원 없이, 외기의 온도에 의하여 전달된 에너지 만으로도 충분히 연소가 일어나는 온도를 의미한다.

실란, 포스핀과 같은 자연발화 가스(Pyrophoric Gas)는 자연발화 온도가 상온보다 낮은 가스들로, 이들 가스는 일상 상태에서 대기 중에 노출되면 점화원 없이도 연소가 발생하게 된다. 비중은 이들 가스를 취급 및 저장하는 장소의 누출 감지기 설치에 고려해야 하는 인자로서, 무거운 가스는 누출 잠재원에 인근하여 바닥 쪽에, 가벼운 가스는 상부 쪽에 누출 감지기를 설치해야 한다.

이들 가스의 연소 위험성을 제어하기 위해서는, 가연성 가스 사용 및 보관 지역의 전기시설들은 규정에 적합한 방폭 시설들들을 이용해야 한다. 또한 적절한 개인보호구(방염복, 가죽장갑, 안전 안경, 안면 보호대 등)를 착용하여, 이들 유해성으로부터 작업자를 적극적으로 보호하도록 해야 한다.

2-3. 산화성 (Oxidizer)

산화성 가스란, 주변 물질의 연소 및 반응을 촉진하는 특징을 가진 가스로서, 대표적으로 산소, 삼불화질소, 아산화질소, 불소 등이 있다. 산화성 가스의 유해성은, 이들 가스의 농도가 높아지면 급격하게 연소성과 반응성을 폭발적으로 증가시키는 데 있다.

일반적으로 산소 농도가 23.5%를 초과하는 환경부터 산소농도 과잉환경으로 부르고 있으며, 이들 산화제 농도가 높아진 상태에서는 가연성 가스들의 연소범위는 일반 대기 중에서의 범위보다 넓어지게 되며, 또한 자연발화 온도도 낮아지게 되어, 화재가 발생할 우려가 상당히 높아진다.

평소에는 연소가 잘 되지 않는 금속성 물질도, 산화성 물질의 농도가 높은 곳에서는 연소가 잘 일어날 수 있다. 따라서 산화성 가스를 이용하는 시설 및 배관은 이들 물질과의 적합성(Compatibility) 여부를 사전에 확인해야 하며, 또한 산화성 가스를 취급하는 장소에서의 비정상적인 점화원의 특징을 알고 있어야 한다. 비정상적인 점화원에 대하여 살펴보면, 일반적으로 화재가 발생하기 위해서는 연료, 산화제, 점화원이 있어야 한다. 하지만, 산화성 물질을 이용하는 장소에서는 이미, 높은 농도의 산화제와 연료가 기본적으로 제공되어 지므로, 연소를 일으킬 수 있는 점화원의 관리는 매우 필요하다. 산화제를 사용하는 장소에서는 연소성이 높아지기 때문에 매우 낮은 착화 에너지만으로도 쉽게 연소가 폭발적으로 발생할 수 있다.

일상 상태에서는 충분한 점화 에너지를 공급할 수 없는 낮은 에너지가 발생하는 비정상 점화원으로는, 가스 유속에 의한 불순물 부딪힘 현상, 유체와 배관재질 내부와의 마찰력, 유체의 부피가 급속히 줄어들어 높은 에너지를 유발하는 단열 압축 현상, 오염물질과의 접촉 등이 있다.

Particle Impingement는, 유체의 빠른 속도로 인하여 배관 내부에 떠다니던 고형물이 배관 내부의 특정부위를 타격하면서 발생하는 에너지가 점화를 일으키는 현상을 얘기한다. 따라서 이러한 현상을 예방하기 위해서는 유체의 흐름 속도를 적절히 제어하고, 산화성 가스를 사용하는 장비 내부의 불순물을 초기에 제거하는 절차가 필연적이다.

유체와 배관 내부의 마찰력에 의한 유해성을 제어하기 위해서는, 마찰력을 줄일 수 있는 적절한 재질의 배관 선정과 유체 흐름 속도 제어를 통하여 가능하다. 단열 압축에 의한 점화는, 유체의 흐름을 천천히 열고 닫는 형태의 밸브가 아닌 곳에서 발생한다. 순간적으로 밸브가 오픈되면, 고압의 유체는 매우 빠른 속도로 배관 내부를 흘러가게 되며, 배관의 막혀있는 부위에서 단열 압축이 유발되어, 밸브 시트와 개스킷 등에서 점화가 발생하는 현상을 의미한다. 따라서 이러한 현상 유발을 예방하기 위해서는 밸브 작동 시, 천천히 열고 닫아야 하며, 급격히 열고 닫힐 수 있는 볼밸브는 산화성 가스 시스템에서는 사용하지 않도록 한다. 마지막으로 오염물질에 의한 점화는, 산화성 가스를 사용하는 시스템에서 쉽게 발생할 수 있는 화재 예로서, 오일 등으로 오염된 부위에 산화성 가스가 흘러가면서 착화가 발생하는 것을 의미한다. 따라서 이를 예방하기 위해서는, 장비를 사용하기 전에 배관 내부의 오일 및 불순물을 제거하기 위한 세정 작업을 거쳐야 한다.

올일 오염된 배관 파손 사례

2-4. 부식성 (Corrosive)

부식성 가스는 작업자 신체와 장비에 부식을 유발하는 가스 물질로서, 불화수소, 삼불화붕소, 염소 등이 여기에 속한다. 일반적으로 일차 유해성으로 부식성을 가지고 있기보다는, 제품의 2차 유해성 성질로 대부분 분류되고 있다. 일반적으로 용기 내 저장된 가스는, 무수 상태이므로 부식성을 지니고 있지 않다. 즉, 가스가 용기로부터 인출되어, 대기 중의 수분과 만나는 시점부터 부식에 의한 유해성은 발생한다고 보면 된다. 따라서, 부식성 가스를 사용하는 장비는 사용 전 수분을 제거하고 통제하는 것이 무엇보다도 중요하다. 그리고 부식성 가스를 사용하는 장비의 재질들은 반드시 취급, 사용하는 가스 물질에 적합한 것으로 선택하여 사용해야 하며, 개인보호구를 선정하여 사용할 때로, 물질별 반응성 여부를 반드시 고려해야 한다. 대부분의 부식성 가스는 독성을 지니고 있음을 또한 주지해야 한다. 대개 부식성 가스를 분류할 때, 산성 계열의 가스와 염기성 계열의 가스로 분류한다.

산성 및 염기성 가스 종류

산성 계열의 가스는 누출 시, 대기 중의 수분과 결함 하여 산성 물질을 형성하고, 반대로 염기성 계열의 가스는 염기성 물질을 형성하게 된다. 따라서, 이들 가스 누출이 발생한 장소에는, 누출되는 가스를 차단한 이후에도, 형성된 산성 또는 염기성 물질로 오염이 발생할 수 있으며, 이들 오염된 물질은 약산성 또는 약알칼리성 물질로 중화시켜, 오염된 부위를 제어해야만, 2차 상해 발생을 예방할 수 있다.

이러한 활동들에 대해서는 추후 언급 예정인 비상대응 방 안에서 좀 더 세밀히 살펴보기로 한다. 부식성 가스의 유해성으로부터 작업자를 보호하기 위해서는 반드시, 적합한 재질로 구성된 개인보호구를 착용해야 하며, 이들 가스로 인한 누출로 인한 작업자 노출 위험을 대비하여 이들 가스사용장소에는 안전 샤워기와 눈 세척 시설을 설치해 두어야 한다.

2-5. 독성 (Toxic)

독성이란, 생명체에 나쁜 영향을 주는 것을 의미한다. 일반적으로 독성물질이 인체에 나쁜 영향을 미치는 경로는, 흡입, 흡수, 섭취 등의 형태로 유발되며, 가스상 독성물질로 인한 중독현상은 대부분 흡입에 의하여 발생하게 된다. 독성을 나타내는 인자로는 여러 종류가 사용되고 있는데, 물질 안전보건자료 또는 제품에 부착된 용기 라벨 등을 통해서 확인이 가능하다.

하지만, 대부분의 작업자들은 약어로 표기되는 독성 값 인자들에 대한 이해가 낮아, 실제 작업현장에서 물질 안전보건 자료 등을 통한 독성물질 유해성 정도를 파악하는 데 어려움이 많은 것을 목격하고 있다. 따라서, 독성물질의 유해성을 나타내는 인자들에 대하여 우선 살펴보도록 하자.

■ TLV-TWA (Threshold Limit Value-Time Weighted Average)

독성물질 노출 허용기준에 대한 인자로, ACGIH(american Conference of Governmental & Industrial Hygienists, 미국 산업위생 전문가 회의에서 매년 채택하여 발표하는 권장(Recommend)하는 노출 허용기준 값이다. 이는 근로자가 유해요인에 노출되는 경우, 노출 기준 이하 수준에서는 거의 모든 근로자에게 건강상 나쁜 영향을 미치지 아니하는 기준을 의미히며, 하루 근무 시간 동안의 평균값으로 노출 허용기준을 정하고 있다. 즉, 순간적으로 TLV-TWA보다 훨씬 높은 값에 노출되었다고 하더라도, 나머지 시간 동안 사무업무 또는 휴식 등을 통하여, 근무시간 8시간 동안의 평균 노출값이, TLV-TWA 이하이면, 안전하리라고 추정하는 값이다.

■ PEL-TLV (Permissible Exposure Limits-Time Weighted Average)

TLV-TEA와 동일한 의미를 지니는 용어로, 미국 산업안전보건청(OSHA)에서 법적 노출 허용기준(Law)으로 정한 값이다. 따라서 TLV값과 PEL의 차이는 법적 구속력 차이로 이해하면 된다.

■ TLV-Ceiling 또는 TLV(C) : 최고 노출 허용기준이라 불리며, 작업자가 개인보호구 착용 없이는 노출되지 말하야하는 기준 값을 의미한다. 이는 순간적으로 고농도에 노출되더라도, 하루 근무시간 동안의 평균 노출값이 낮으면 기준적으로 문제가 없는 TLV-TEA의 취약점을 보완하기 위한 인자이다. 즉, 개인보호구 착용 없이 순간 노출될 수 있는 최고 농도 값을 제시한다.

■ PEL-Ceiling : TLV-Ceiling과 동일한 의미를 가지며, 미국 산업안전보건청(OSHA)에서 제시한 기준이다.

■ LC50(반수 치사 농도값) : 화학물질을 단기 노출시켜, 시험 동물군의 50%가 2주 이내 죽는 농도를 의미한다. 일반적으로 1시간 정도 단기 노출시키고, 10마리 흰색 시험용 쥐를, 2주간 관찰하여 결정한다. 미국과 유렵, 한국의 유해 하학 물질 관리법, 산업안전보건법에서 독성물질(가스 포함) 분류 기준으로 활용한다. 현재 국내 고압가스 안전관리법상에서의 독성가스 분류 기준으로 활용되고 있다.

■ IDLH (Immediately Dangerous to Life and Health) : 즉시 인체에 나쁜 영향을 나타낼 수 있는 농도 값이나, 다른 사람의 도움 없이 30분간 대피할 수 있으며, 노출된 가스로 인한 영구적인 장애는 발생하지 않는 값을 의미한다.

위에서 언급한 독성 기준 개념은, 독성가스 누출 사고 발생 시 개인보호구를 선정하는 데 중요한 인자로 작용한다. 예를 들면, TLV-Ceiling 값을 초과하는 환경에서는, 관련 작업자는 반드시 적절한 호흡기 보호구(방독면 또는 공기호흡기)를 착용해야 한다. 하지만, IDLH 값을 초과하는 환경이 되면, 호흡기 보호구 중에서 방독면 착용은 금지시켜야 한다. 노출된 지역에서 작업자가 착용한 방독면은, 외부 공기에 포함된 독성물질을 흡착 또는 여과하여 제거하는 방식을 채택하고 있으므로, 흡착 능력이 다해 지게 되면, 순간적으로 IDLH 농도 값을 초과하는 독성물질이 작업자에게 노출될 수 있기 때문이다. 독성을 나타내는 인자별 수치를 비교하면 다음과 같다.

일산화탄소 노출허용기준 인자 별 수치

독성을 나타내는 인자들에 대하여 살펴보았다. 그렇다면, 독성가스 라벨이 붙은 물질은 위험하며, 독성가스로 분류되지 않은 물질들은 인체에 나쁜 영향을 주지 않는지에 대해서도 살펴보자. 독성 가스 분류는, 일반적으로 상기에서 언급한 LC50 등의 값을 기준으로 정해진다. 국내의 고압가스안전 관리법 상에는 LC50이 500ppm 이하인 가스를 독성가스로 분류하고 있다. 따라서 LC50이 5001ppm인 가스에 적용해 본다면, 이 물질은 독성 가스가 아닌 것으로 분류된다. 따라서 이들 가스를 포함하는 용기에는 독성을 나타내는 라벨은 부착되어 있지 않다. 하지만, 이러한 물질도 여전히 인체에 유해한 성질을 가지고 있는 것으로 모두가 예상할 수 있다. 따라서 일상 작업에서 취급하는 가스 용기에 독성을 나타내는 라벨이 부착되어 있지 않더라도, 해당 물질이 어떤 유해성이 있는지는 반드시 물질 안전보건 자료 등을 통하여 살펴보아야 한다.

미국 및 유럽 등 대부분의 국가에서도 독성가스는 반수 치사 농도값(LC50)을 이용하여 분류하고 있다. 독성가스에 작업자가 노출된 경우에는, 여러 형태로 나쁜 영향이 발생할 수 있는데, 이를 분류하면 다음과 같다.

■ 국소 對 전이 영향 (LOCAL VS. REMOTE EFFECTS) : 노출된 부위에만 영향을 주는 것을 국소 영향으로 분류하며, 흡입된 가스가 혈액을 타고 이동하여, 특정 신체 기관에 영향을 주는 것을 전이 형향이라고 부른다.

■ 즉시 對 지연 (IMMEDIATE VS. DELAYED) : 최초 노출 시 또는 짧은 시간 경과 후, 즉시 나타나는 영향으로, 일반적으로 즉시 영향은 쉽게 치료가 가능한 것으로 알려져 있다. 지연 증상은 노출 후 일정 시간이 흐른 후에 증상이 나타나는 것으로, 반복적인 노출의 영향일 수 도 있다. 지연되어 나타나는 증상은 쉽게 치료가 되지 않는 경우가 많다.

■ 급성 對 만성 (ACUTE VS. CHRONIC) : 한 번의 노출로도 발생되는 중독 증상을 급성이라고 분류되며, 대부분은 즉각적인 영향을 가지고 있으나, 일부는 지연되어 증상이 발생할 수 있다. 이와 반하여 만성 영향은 반복 노출로 발생하는 독성 증상을 얘기한다. 따라서 독성 가스의 유해성을 식별할 때는, 노출 허용기준뿐만 아니라, 이들 가스에 노출된 경우 발생할 수 있는 영향에 대한 주의 깊은 학습이, 해당 물질을 취급하기 이전에 충분히 실시되어야 한다.

이러한 독성물질들의 누출로 인한, 상해 및 사고를 예방하기 위해서는 적절한 환기와 지속적인 모니터링, 그리고 적합한 개인보호구의 착용이 실시되어야 한다. 대부분의 독성가스는 독성가스는 독성에 대한 유해성뿐만 아니라, 가연성 또는 부식성 등과 같은 복합적인 유해성을 가지고 있으므로 주의해야 한다.