삼불화질소(NF3) 충전장 퍼지판넬 조작 중 가스누출 화재

재해개요

2020년 2월 2일(일) 04:15경 OOO사업장 삼불화질소(NF3) 충전장에서 재해자가 튜브트레일러에 충전된 NF3 가스를 빈 트레일러로 보내는 가스 균압 이송작업 후 배관에 잔류된 가스를 제거하기 위해 퍼지(purge)판넬의 밸브를 조작하던 중 트레일러의 튜브에서 누출된 NF3 가스가 고압으로 방출되면서 화재가 발생, 얼굴 및 손 등에 화상을 입은 사고임.

 

 

 

사고발생과정 및 물질

■ 사고발생과정

- 튜브트레일러 충전장에서 재해자는 기 충전된 트레일러 튜브에 대한 고압 가스용기 재검사 전 튜브를 비우기 위해 빈 튜브트레일러로 압력차를 통한 가스 균압 이송작업을 실시함.

- 트레일러 튜브 압력이 균일하게 될 때까지 가스를 이송한 후, 튜브를 연결하기 위해 체결하였던 배관 내부에 잔류된 NF3가스를 제거하기 위해 헬륨가스로 퍼지 작업 전 트레일러튜브밸브들을 모두 차단하였으나, 이중 한 개의 밸브가 완전히 차단되지 못했음.

- 이후 퍼지 작업 시 트레일러 연결배관 내에 잔류된 NF3 가스를 벤트배관으로 배출시키기 위해 퍼지판넬의 밸브를 조작하던 중 튜브에서 누출된 NF3가 고압으로 급속히 방출되면서, 판넬로부터 화염분출과 함께 화재로 확대되어 사고가 발생함.

 

■ 사고발생물질 : 삼불화질소(NF3)

물질명	CAS No.	분자량	폭발범위	LC50 (ppm)	TWA (ppm)	가스밀도 (공기=1)
NF3	7783-54-2	71.002	해당없음	6700 (Rat, 1시간 흡입)	10	2.5

 

※ 삼불화질소(NF3) 용도 및 특징

- 반도체 에칭이나 반도체 및 액정 표시장치(LCD) 공정장비 내 챔버를 세정하는 특수 가스

- 무색의 산화성가스이며 상온에서는 안정함.

- 산소보다 강력한 산화성이 있는 조연성가스임.(Oxypotential ; NF3=1.6 / O2=1)

 

※ 삼불화질소(NF3) 화재위험성

- 300℃ 이상의 고온에서 NF3는 대부분의 물질과 활발하게 반응하며, 주위의 고분자 물질이나 금속들과 반응하여 반응열이 발생함.

- NF3의 압력이 높아짐에 따라 가연성 물질의 발화온도는 낮아짐.

- 열이나 전기 등에 노출될 경우 폭발성을 지니고 가연성물질 뿐만 아니라 금속도 점화시키며, 특히 고온에서 금속과 격렬하게 반응하는 특성이 있음.

 

※ 삼불화질소(NF3) 연소에 영향을 미치는 요인

- 단열압축(Adiabatic compression)

NF3의 갑작스런 압력증가는 급격한 온도의 증가를 초래함. 급격한 온도 상승은 NF3와 접촉해 있는 물질과의 온도교환(냉각)에 필요한 충분한 시간이 부족하기 때문에 고온의 NF3는 분해되어 더 격렬하게 반응하는 물질로 되거나 비금속물질의 자연발화*를 일으켜 금속의 연소로 확대될 수 있음.

* 갑작스런 가스압력 증가로 온도가 급속하게 높아지며, 열의 출입이 없는 단열과정임. 예를 들어 밸브의 급속 개방으로 고압의 가스가 투입되어 밸브 출구측이 급격히 가압될 때 단열압축이 발생할 수 있음

- 고체입자 혼입

NF3와 함께 빠른 속도로 유동하는 고체입자(solid particle)는 플라스틱과 고분자화합물 같은 민감한 물질의 자연발화를 초래할 수 있음.

 

- 배관 내 흐름

배관의 과도한 굴곡 및 급격한 흐름방향 변화 또는 유동마찰(flow friction)로 인해 발생하는 열에 의해 NF3와 접촉해 있는 물질(금속 포함)의 자연발화온도에 도달하여 발화가 일어날 수 있음.

 

- 기계적 충격

유량조절장치(밸브 등)의 급격한 조작은 국부적인 가열을 초래하며, 플라스틱과 고분자화합물 같은 민감한 물질의 자연발화를 초래할 수 있음

 

 

사고발생원인

1) 단열압축에 의한 온도상승으로 발화 후 화재

- 급속한 밸브 개방으로 기계적 충격이 일어나 국부적으로 열이 생성될 수 있으며, 단열압축으로 밸브 출구측의 압력상승이 급격한 온도 상승을 야기하였음

- 또한, 고농도의 NF3가 고압으로 방출되면서 비금속 재질의 배관 부속품이 먼저 발화되어 금속(스테인레스) 재질의 연소를 초래*하였으며, 금속 연소의 전파가 화재로 확대된 것으로 추정됨.

* Kindling effect : 플라스틱, 폴리머 및 윤활제 등 금속보다 자동발화온도(AIT)가 낮은 물질의 연소로 금속 연소가 시작되는 현상이며, 5 bar미만의 NF3 압력에서도 스테인레스강과 탄소강의 금속 연소가 전파될 수 있음.

 

 

예방대책

1) 안전작업절차 보완 및 개선

- 사전 위험성평가를 통해 NF3 취급, 제거 및 퍼지 시 위험요소를 확인하고, 이를 작업절차에 반영한 수정 및 보완이 이행되어야 함.

 

2) 근로자 교육훈련 강화

- 이번 사고와 관련하여 실시한 위험성평가 및 작업절차 보완내용에 대한 교육이 실시되어야 하며, 작업절차 숙달 및 이상 상황 발생 시 대응능력향상을 위한 훈련도 병행되어야 함.

 

3) 현장설비 개선

- 급속한 개방이 가능한 Ball valve를 Slow motion type 밸브로 교체

- 트레일러 튜브밸브 자동 원격 개폐장치(권장사항)

Lesson Learned

이 사고 사례에서 얻을 수 있는 주요 교훈은 다음과 같습니다. 본 사고는 2020년 2월 2일 OOO사업장에서 삼불화질소(NF3) 가스를 충전하는 과정에서 발생한 화재로, 재해자가 가스 균압 이송작업 중 누출된 NF3 가스로 인해 화재가 발생했습니다. 이 사건은 밸브 차단 소홀과 잘못된 가스 처리 절차, 안전장치 미비 등으로 인해 발생했습니다.

이 사례를 통해 안전작업절차의 중요성을 알 수 있습니다. 가스 처리 작업 시에는 사전 위험성 평가와 함께 모든 밸브 차단 여부를 확인해야 합니다. 또한, 현장 설비 개선이 필요합니다. 급속한 밸브 개방을 방지하기 위해 Slow motion type 밸브로 교체하고, 자동 원격 개폐장치를 도입함으로써 유사한 사고를 예방할 수 있습니다. 이러한 교훈을 바탕으로 향후 안전성을 강화해야 할 것입니다.