이번에는 가스용접에 대해 정리를 해보고자 한다.
용접은 산업현장에서 매우 흔하게 사용되는 접합기술이다. 용접의 종류와 방법에 대해서는 매우 광범위하기 때문에 여기서는 가스용접 위주로 언급하고자 한다.
용접(welding)은 2개 이상의 금속을 하나로 이어붙이는 것을 말한다.
그 종류는 크게 3가지로 구분이 된다.
1. 융접(Fusion welding)
우리가 흔히 말하는 용접이 융접에 해당한다. 모재와 용가재를 녹여 새로운 융합금속을 만들어 접합시키는 방법이다.
GTAW, GMAW, SAW, SMAW, 가스용접 등이 여기에 해당한다.
2. 압접(Pressure welding)
용가재없이 모재에 강한 압력을 주어 접합하는 방법이다. 전기저항용접이 여기에 해당한다.
3. 납땜(brazing, soldering)
과학시간에 납땜을 해본 기억이 있을 것이다. 납땜은 모재는 녹이지 않고 용가재만 녹여 모재를 접합시키는 방법이다. 온도에 따라서 450도 이상을 brazing, 450도 미만을 soldering이라고 한다.
간단히 용접의 종류에 대해 알아보았다.
세부적으로 용접의 기술에 대해 들어가게 되면 매우 복잡하고 머리가 아프기 때문에 안전관리에 필요한 용접 지식에 대해서만 다루기로 하자.
1. 가스용접이란
가스용접은 가연성가스인 Hydrocarbon 가스와 조연성가스인 산소를 활용하여 높은 열을 발생시키고 그 열로 실시하는 용접방법이다. 사용되는 가스는 일반적으로 LPG와 아세틸렌이다.
LPG는 용접뿐만 아니라 실생활에도 많이 사용되므로 친숙하지만 아세틸렌은 사용되는 곳이 산업현장으로 한정되다보니 일반인들에게는 친숙하지 않을 것이다.
따라서, 오늘은 아세틸렌에 대해서만 조금 더 알아보도록 하자.
1) 아세틸렌의 제조
아세틸렌은 화학기호 C2H2이다. 탄소2개와 수소2개로 이루어진 탄화수소이다. 아세틸렌은 칼슘카바이드(카바이드라고도 함)와 물을 섞어 만드는데 그 화학식은 다음과 같다.
CaC2 + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2 + 발열에너지 (약 33kcal)
칼슘카바이드와 물을 섞으면 아세틸렌이 가스상태로 나오게 되고, 수산화칼슘이 부산물로 형성되며 약 33kcal의 에너지가 발생하게 된다.
이 때 발생한 아세틸렌가스를 모아서 우리가 흔히 사용하는 용기에 넣어 사용하게 되는 것이다.
(물론 건조, 분리 등의 후처리 과정이 추가로 있으며 탄화수소를 분해하여 제조하는 방법도 있다.)
2) 아세틸렌의 특성
아세틸렌은 폭발성이 매우 높은 물질이다.
(1) 연소범위 : 2.5~100%
(2) 자연발화 : 406~408°C
* 500°C가 넘으면 폭발의 위험이 있다.
(3) 2기압 이상 압축시 분해폭발 가능
* 산업안전보건기준에 관한 규칙에 따르면 127kPag 이하에서 사용하도록 요구
(4) 매우 높은 용해성이 있어 1기압 상태에서 물의 1배, 아세톤의 25배 만큼 용해됨
위 내용만 보면 이렇게 위험한 물질을 왜 사용하나 싶을 것이다. 아세틸렌은 연소시 발열량이 매우 높다. 따라서 3,000°C 이상의 고온을 만들어낼 수 있어 용접에 사용하기 매우 좋다. 다만, 위에 기술된 대로 위험성도 높기 때문에 산업용으로만 사용되고 가정용으로는 사용되지 않는다.
3) 아세틸렌 용기
아세틸렌은 그냥 사용하면 매우 위험하기 때문에 압력용기 내에 규조토와 같은 다공성물질을 채우고 그 내부에 아세톤을 침투시켜 아세틸렌을 용해시킨다. 15bar의 높은 압력상태에서는 아세틸렌이 더 많이 용해되기 때문에 50리터짜리 한 통에 약 6,800리터의 아세틸렌이 용해되어 있다.
아세틸렌은 그 자체로 위험하지만 아세톤에 용해될 경우 고압에서도 안정성을 유지하게 되며 내부에 있는 다공성물질이 압력을 고르게 분산시켜 폭발 위험이 줄어들게 된다.
2. 가스용접 시 위험성
위에 이미 언급한대로 탄화수소가스를 활용한 가스용접의 경우 폭발과 화재의 위험이 있다. 구체적으로 어떤 위험성이 있는지 그 대책과 함께 살펴보자.
1) 가스용접 시 일반적인 위험성
| 구분 | 원인 | 대책 |
| 화재 | 불티 비산 | 불티비산방지조치, 적합한 소화기 설치 |
| 방치된 가연물에 발화 | 가연물 제거조치, 가연물에 방염조치 | |
| 불붙이개 방치 | 점화용 라이터만 사용, 미인가 불붙이개 사용금지 | |
| 폭발 | 가스 누출 | 한국산업표준의 호스연결재료 사용 |
| 가연성증기의 폭발 | 환기, 잔여가스 여부 확인 | |
| 역화 | 역화방지기(안전기) 설치 및 정기적 점검 | |
| 화상 | 불티에 노출 | 용접용 작업복, 앞치마, 장갑, 각반 착용 |
| 모재 접촉 | 모재는 냉각된 후에 접촉 | |
| 질식 | 밀폐공간에서 가스 누출 | 산소, 가스농도 측정 및 밀폐공간 감시인 배치 |
위에 기술한 일반적인 위험성의 경우 가스용접뿐만 아니라 아크용접에서도 사용될 수 있으므로 잘 알아두도록 하자.
2) 역류, 인화, 역화
가스용접에서 주로 나오는 용어중에 역화, 역류 그리고 인화가 있다. 온갖 서적에 저마다의 문구로 기입되어 있는데, 여기서 확실히 정리해보자.
(1) 역류
역류는 영어로 Contra flow이다. 말그대로 거꾸로 흐르는 것이다.
가스용접시 산소와 탄화수소가스를 이용하여 불꽃을 일으키는데 산소의 압력이 가스압력에 비해 약 10배가량 높다. 따라서 손잡이 부분의 혼합실에서 가스와 산소가 합쳐져서 토치 끝으로 나와 불꽃이 형성되는데 토치 끝단이 막혀서 흐름이 원활하지 않을 경우 높은 압력의 산소가 상대적으로 낮은 압력의 가스쪽으로 흐르게 되는 것이다.
더 쉽게 말하자면, 고압상태의 산소는 저압인 대기쪽으로 나가기 위해 토치로 흘러야 하는데 토치 끝이 막혀서 막다른 길이 되면 더 낮은 압력쪽인 가스쪽으로 흘러가 버리게 되는 것으로 보면 된다.
- 원인 : 토치 끝단이 막힐 경우 (숯과 같은 이물질에 의할수도 있고 열변형에 의해 막혔을 수도 있음)
- 해결 : 토치를 뚫어주거나 토치를 교체
(2) 인화
인화는 영어로 Flashback이다. 인화는 팁 끝이 순간적으로 막히거나 용접시 모재에 부딪혀 잠시 토치 끝단이 막히거나 할 경우에 토치 끝에서 형성되어야 할 불꽃이 혼합실쪽으로 밀려들어가는 현상을 말한다. 그래서 인화가 일어나면 손잡이가 뜨거워진다. 손잡이 쪽에 혼합실이 있기 때문이다. 이 인화가 발생되고도 토치가 계속 막혀 있을 경우 역화가 발생하게 되므로 인화현상이 발생했을 때 바로 조치를 해야 한다.
- 원인 : 토치 끝단이 순간적으로 막힐 경우
- 해결 : 토치를 클리너를 이용해 청소하거나 물에 넣어 냉각시켜 뚫어준다.
(3) 역화
역화는 영어로 Backfire이다. 인화가 계속 되면 혼합실까지 밀려온 불꽃이 저압상태인 가스쪽으로 흘러들어가게 된다. 높은 온도의 불꽃이 가스쪽으로 흘러가면 어떻게 되겠는가? 당연히 폭발할 수 있으므로 역화는 역류나 인화와는 차원이 다른 위험성이다. 따라서, 가스용접에서는 역화방지기(산업안전보건기준에 관한 규칙에서는 ‘안전기’)를 필수로 장착해야 한다.
- 원인 : 토치 끝단이 막힐 경우
- 해결 : 토치를 클리너로 청소하거나 토치를 교체
정리해보면 역류는 고압의 산소가 저압인 가스쪽으로 흘러들어가는 것이고, 인화는 불꽃이 혼합실로 밀려들어가는 것이며 역화는 불꽃이 가스용기쪽으로 역으로 밀려들어가는 것이다. 모두 원인은 동일하다. 팁 끝단이 막혀서. 팁 끝단이 막힌 이유야 이물질이나 변형에 의한 것 또는 일시적으로 용접 토치와 용접자재가 부딪혀서 등 다양하다. 원인이 명확하니 해결방안도 명확하다. 팁을 뚫어주는 방법 또는 팁 자체를 교체하는 것이다.
3. 가스용접 시 안전대책
1) 안전기와 체크밸브를 반드시 장착
KOSHA GUIDE 중 하나인 <용접용단 작업시 화재예방에 관한 기술지침 (F-1-2023)>에 나타난 전형적인 가스용접의 모습이다.
위 그림대로 토치와 인접한 호스에는 체크밸브를 달아서 역류를 방지하고, 압력조절기 앞쪽에는 안전기(역화방지기)를 장착하여 역화를 방지해야 한다.
이와 관련하여 산업안전보건기준에 관한 규칙에는 다음과 같이 요구하고 있다.
제289조(안전기의 설치) ① 사업주는 아세틸렌 용접장치의 취관마다 안전기를 설치하여야 한다. 다만, 주관 및 취관에 가장 가까운 분기관(分岐管)마다 안전기를 부착한 경우에는 그러하지 아니하다.
제293조(가스집합용접장치의 배관) 사업주는 가스집합용접장치(이동식을 포함한다)의 배관을 하는 경우에는 다음 각 호의 사항을 준수하여야 한다.
1. 플랜지ㆍ밸브ㆍ콕 등의 접합부에는 개스킷을 사용하고 접합면을 상호 밀착시키는 등의 조치를 할 것
2. 주관 및 분기관에는 안전기를 설치할 것. 이 경우 하나의 취관에 2개 이상의 안전기를 설치하여야 한다.
아세틸렌 용접장치의 취관마다 안전기를 설치하고 가스집합용접장치의 경우 취관에 2개 이상의 안전기를 설치하도록 요구하고 있다.
왜 이렇게 구분하고 있는지 이해는 되지 않지만 LPG 등의 가스집합용접장치든 아세틸렌 용접장치든 각 호스마다 2개 이상의 안전기를 장착한다면 매우 안전하게 용접을 할 수 있다.
2) 안전기 상태를 반드시 정기적으로 점검
안전기는 한 번 설치하면 영구히 사용할 수 있는 것이 아니다. 사용 시 여러 조건에 의해 역류, 역화가 발생하므로 최소 1개월에 한번은 안전기의 상태를 확인할 필요가 있다.
안전기를 떼어내어 단면을 확인하고 단면에 검게 그을린 흔적이 있는 경우 역화방지 성능을 상실했다고 보아 반드시 교체해야 한다.
(안전기가 개당 몇만원 하지 않으니 자주 교체해도 금전적으로 무리가 없다고 판단된다.)
안전기는 한국가스안전공사의 인증이나 산업안전보건공단의 인증을 획득한 제품만 사용하자
안전기는 매우 중요하니 작동방식에 대해서는 다른 포스팅에서 다뤄야겠다.
여기까지 가스용접의 특징과 위험성 그리고 안전대책에 대해서 알아보았다.
산업현장에서 두루두루 사용되는 가스용접이므로 안전하게 사용될 수 있도록 안전관리에 만전을 기해야겠다.
[핵심 내용정리]
1. 아세틸렌은 폭발성이 높은 물질이나 용접에 이로운 특징이 있다.
2. 가스용접 시 안전기와 체크밸브를 부착하여 안전을 도모해야 한다.
3. 역류는 산소가 가스쪽으로 흐르는 것, 인화는 불꽃이 혼합실로 밀려들어가는 것, 역화는 인화가 계속되어 불꽃이 가스쪽으로 흐르는 것으로 모두 안전기(역화방지기)를 설치하면 예방할 수 있다.
4. 안전기(역화방지기)는 정기적으로 검사하고 필요시 교체해야 한다.