신진연구자칼럼

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 5, 2015 … 587

서론

공정안전이란 화학물질 혹은 에너지의 예기치 않

은(unexpected) 누출이 발생했을 때 그로 인한 독성가

스, 화재, 폭발이 발생하여 인체 및 재산손실이 일어

나게 될 것을 예방하고 완화하는 것을 다루는 전반적

인 기술에 대한 것이다.

그 중에서 본 연구자는 주로 화학플랜트에서 각

플랜트 자체의 위치 선정(siting) 혹은 유닛과 화학플

랜트의 각 종 facility의 배치 (layout)를 공정안전을 고

려하여 최적화 하는 연구를 박사과정 중에 하였고 회

사에 들어가서는 process safety engineer로서 주로 영

향성 및 위험성 평가에 대한 시뮬레이션 및 실무를

담당하였다.

여기서는 본 연구자가 미국 화학 회사에서의 연구

중 저널에 발표된 자료를 바탕으로 그와 관련된 안전

관리 및 철학에 대해서 공유할 수 있을 만한 글을 써

보려고 한다.

본 연구자가 4년간 근무했던 Air Products &

chemicals Inc.(이하 AP)는 산소, 질소, 수소 등의 산업

용 가스를 위주로 각종 케미컬들을 많이 생산하는 회

사이다. AP는 산업용 가스로서 산소와 질소등을 생산

할 때 Air Separation Unit(ASU)의 기술, 즉 cryogenic

기술을 많이 이용하고 또한 폭발성 물질들을 많이 생

산하므로 공정 안전관리 측면에서 많은 노력을 해 온

회사이다. 70년이라는 긴 회사 역사만큼이나 많은 사

고도 함께 발생했던 것이 회사가 안전관리에서 프론

티어적인 역할을 하게끔 하였던 것도 사실이다. 그

러한 것을 반증하듯이 AP는 미국 화학공학회와 많

은 연관을 가지고 있으며 Process Safety 부서의 Global

director였던 Shakeel Kadri씨가 AIChE의 Center for

Chemical Process Safety(CCPS)의 Executive director로

가기도 했다.

일반적으로 화학 공정 안전에서 안전관리 분야는

좀 더 매니지먼트 적인 측면에서 많이 접근되어 왔고

그것이 옳다고 생각한다. OSHA(Occupational Safety

and Health Administration)에서 1990년대에 만들어

도입한 PSM(Process Safety Management) 의 14개 요

소 중 공정 위험성 평가(Process Hazard Analysis)에서

facility siting study 라는 것이 있는데, 이는 공장 내의

컨트롤 룸이나, 공장 지역 자체의 위치 선정을 비롯

하여 저장탱크나 반응기가 어느 곳에 배치되어야 사

대규모 수소 지하배관망의

안전성 평가를 위한 실험 및 연구

정승호

아주대학교 환경안전공학과 조교수

processsafety@ajou.ac.kr

2001년 서울대학교 화학생물공학부 학사

2006년 서울대학교 화학생물공학부 석사

2010년 Texas A&M University 화학공학과 박사

2010년 Mary K O’Connor Process Safety Center RA

2010년 Air Products & chemicals Inc.

2014년 아주대학교 환경안전공학과 조교수

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고 발생 시 그 피해를 최소화할 수 있는지에 대한 폭

발의 blast 계산 등을 하는 것이다. 물론 이것은 한 예

일 뿐이고 위험물질을 많이 다루는 화학회사이다 보

니 수많은 위험성 평가를 하게 되는데 그 중에서 가

장 ‘연구’와 관련이 있고 또한 가장 규모가 컸던 루이

지애나로부 텍사스 휴스턴까지 걸프만의 200 마일 길

이의 수소 지하 배관망 위험성 평가에 대해서 써보려

고 한다.

회사에서 프로젝트 비용이 수 억불 이상이 소요되

는 총 연장 200마일 이상의 수소 지하 배관 공사를 할

때 정량적 위험성 평가를 수행하고 나서 건설에 들어

가게 되었고 그 때의 전반적인 의사결정 과정들의 모

습이 인상 깊었다.

본론

1) 정량적 위험성 평가

정량적 위험성 평가(Quantitative Risk Assessment,

이하 QRA)란 리스크를 정량화하여 평가하고 리스크

를 우리가 원하는 수준 아래로 낮추기 위하여 수행하

게 된다.

그림 (1)에서 보는 것처럼 먼저 발생할 수 있는 사

고들 혹은 위험들을 identify하고 그 위험이 발생했을

시의 영향성과 그 위험이 발생하게 되는 사고의 빈도

(frequency) 를 평가한 뒤 리스크 계산하고 모든 리스

크들을 총합한 값이 너무 높아 어떤 기준치(그 기준

치는 회사가 정한 어떤 값일 수도 있고 FN 커브의 어

떤 라인일 수도 있음)에 부합하지 않을 때 재평가하

게 된다. 리스크를 낮추는 방법은 크게 두 방향으로

첫 번째는 사고의 영향성을 줄이기 위하여 완화 장치

나 기법을 사용하는, mitigation이고, 두 번째는 부식

에 강한 재료를 사용하거나, 인터락 시스템 등을 이

용하여 사고의 빈도를 낮추는 prevention이다.

만약 수소 지하배관망 200마일에 대한 정량적 위

험성 평가를 예로 든다면 identify hazard는 어떤 문제

로 인하여 지하배관의 수소의 누출 시 생기는 가장

높은 확률로 생겨나는 제트화재를 설정하게 되고 사

고빈도는 각 배관의 크기와 두께 깊이에 따라 달라지

는데 DNV 리포트와 OGP(Oil And Gas Producer) 및

CCPS(Center for Chemical Process Safety) 등의 기관에

서 제시한 값들을 이용하여 rupture 혹은 leak # / (km

x year)를 이용할 수 있다.

수소 지하배관의 누출 시 제트화재가 발생하여 복

사열이 주변에 영향을 미치게 되는 쪽이 consequence

그림 1. QRA의 간략한 도식

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analysis 파트이다. 결과는 주변 인명에 대한 heat

radiation 부상, 사망 혹은 건물에 대한 피해가 될 수

도 있다. 영향성을 평가할 때는 주로 모델링을 이용

하게 되는데 예를 들어 200마일 수소 지하배관의 한

지점에서 문제가 발생하여 그 주변의 사람들에게 피

해를 주는 것을 'N'으로 계산하고 위에서 결정한 사

고 빈도값과 결합한 리스크를 합한다. 그 리스크가

클 경우에 사망자 수인 ‘N'을 줄이기 위한 mitigation

방법 중 가장 효과적인 것은 지하배관망 공사를 시작

하기 전이었으므로 ‘N'을 크게 만드는 지역을 피해서

route를 설정하는 것이다. 만약 그 route를 피할 수 없

다면 인구가 밀집한 지역을 통과하는 배관의 양 끝단

에 Automatic shut-off 밸브를 설치하여 문제 발생 시

자동적으로 수소를 양쪽에서 차단하여 누출 지속 시

간을 줄여주는 방법이 있을 수 있다. 한편 사고의 빈

도를 줄여주는 preventive 측면에서는 배관의 두께를

더 두껍게 하여 corrosion이나 erosion에 의한 누출을

줄이거나 배관의 깊이를 깊게 하는 방법들이 있을 수

있다.

그런데 이 프로젝트의 제트화재에 대한 영향성 평

가에서 문제가 되는 것은 수소 배관의 크기이다. 대용

량의 수소를 빠르게 운송하는 것을 목표로 하다 보니

배관 크기가 무려 6‘’, 12‘’, 18‘’의 크기에 60 barg 이상의

압력으로 지하배관을 설치하게 되었다. 영향성 평가

를 함에 있어서 그와 유사한 상황과 그에 맞는 스케일

의 제트화재의 실험 결과는 찾기가 더 어려웠다.

때 문 에 회 사 에 서 는 많 은 비 용 을 들 여 서

DNVGL(구 GL Industry, Advantica)에 실험을 의뢰해

직접 제트화재로부터 나오는 주변의 복사열을 측정

하게 되었다. 아쉽게도 필자가 입사하기 전에 실험은

끝나서 직접 눈으로 보는 경험은 하지 못했지만 다행

히도 위험성 평가를 할 때 팀에 들어가게 되어 분석

등 이후의 연구에 참여할 수 있었다.

일반적으로 수소는 정유 및 화학 산업에서 매우

많이 쓰이고 있으며 무공해 대체 에너지원으로서도

잠재성이 크다. 그 쓰임이 늘어남에 따라 미국에서

수소의 대규모 이송을 위해 트레일러보다는 더 안전

하고 안정되게 석유화학업계에 수소를 공급할 수 있

는 지하배관망이 선호되어 그에 대한 리스크를 적절

하게 평가하기 위해서 실제로 배관이 파열시 가장 일

어날 확률이 높은 제트화재의 사고결과(consequence)

에 대한 정확한 모델이 요구되어서 직접 실험하게 된

것이다.

본 실험 및 연구는 수소지하배관의 파열로부터 발

생한 제트화재를 대표할 수 있는 적합한 모델을 정하

기 위한 실험과 그 모델링 작업으로 이루어져 있다.

먼저 3/4인치와 2인치 배관으로부터의 수평으로 누

출되는 제트화재에 대한 실험을 수행한 후 어느 정도

모델과 테스트 장소, 실험 설계 등에 대해 신뢰성을

확보하였다. 그 실험들에 대한 자세한 내용은 본 칼

럼에서는 생략하기로 한다. 그 후에 최종적으로 토양

의 성질을 바꾸어가면서, 100% topsoil과 sand/top soil

혼합으로 바꾸어 지하에 매설된 60 bar 압력하의 6인

치 배관을 의도적으로 파열 후 점화하는 방식으로 복

사열을 측정하였다. 배관의 깊이는 지면 아래 1 m 로

설치하고 배관은 163 m3 수소 탱크에 연결하였다.

실험에서 각종 측정값들은 0 ~ 5초 사이의 Period1

과 25에서 30초사이의 Period2 로 나뉘어 측정 및 분

석되었다.

2) 실험 결과

Flame length

비디오 카메라와 IR 카메라를 이용하여 화염의 길

이를 측정하였으나 uncertainty가 있어 정확하게 측정

그림 2. topsoil 실험 후 생겨난 crater 와 배관이 파손된 모습 (test1).

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하기는 어려웠다. 그림 4와 같이 어느 시점에서는 100

m 길이의 화염이 관측되기도 하였다.

복사열

최대 복사열에 대한 값들을 정리하였고 그림 5에

서 나타난 바와 같다. radiometer들이 지표면에서 1 m

높이에서 복사열을 측정하였고 일반적으로 35 kW/

m2의 값이 사람이 100% 사망하게 되는 값의 기준 값

으로 차후에 리스크 평가에서 이용되었다. 바람의 방

향은 서북서방향이었으며 바람의 속도는 대체적으로

4~6 m/s였다.

대기의 transmissivity를 고려한 열방출 분율

(Fraciton of heat radiated, 이하 F)은 0.26 및 0.28로 측

정이 되었다.

Crater 크기

실험 시 최초에 점화가 되었을 때 단순히 화재의

형태로만 나오는 것이 아니라 약간의 폭발과압이 측

정되었고 이는 crater를 깊이 1.82 m, 길이 4.9 m의 크

기를 형성하게 하였다. 본 실험의 목적은 제트화재였

으나 실질적으로 초반에 고압의 수소가 땅을 밀고 나

올 때에는 폭발현상도 있었다. 형성된 크레이터 및

파손된 배관의 모습은 그림 2와 같다.

제트화재 모델링

이 실험은 DNVGL 사의 PHAST ver. 6.54를 이용

하여 맞춰 보았다. PHAST를 이용하게 된 이유는 업

계에서 상용프로그램으로 널리 쓰이고 있어서이기도

하지만 Phast-Risk를 이용하여 200마일에 달하는 수

많은 지점들에 대한 리스크 평가를 하기에 용이하다

는 점이 크게 작용했다. 먼저 PHAST의 long pipeline

모델을 이용하여 누출 속도를 계산을 하고 내장되어

있는 제트화재 모델과 비교해보는 작업을 수행하였

다. 주로 다음과 같은 3개의 파라미터들을 조절하여

최종적으로 이 상황에 맞는 값들을 설정하여 실험값

을 PHAST에 의한 예측 값과 합리적인 오차 범위 내

로 맞추려 하였다.

1. 파열된 관으로부터의 가스 누출속도 조절 파라

미터

2. 열 방출 분율(Fraction of heat radiated)

3. 지하로부터 누출될 시의 제트화재 각도

먼저 가스 누출속도 조절 파라미터는 프로그램

내의 impinged 모델을 이용하게 되면 조절인자 0.25

가 jet velocity에 적용되게 되는데 이는 가스 속도와

그림 3. 수소 지하배관으로부터의 제트화재

그림 4. 화염의 길이 (Test 1)

그림 5. 최대 복사열 측정치

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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 5, 2015 … 591

expanded diameter에 영향을 주게 된다. 이론적으로는

지하배관의 파열 시 양 쪽에서 가스가 나오게 되어

서로 간섭하는 상호작용을 설명하고 크레이터로부터

부딪혀서 나오게 되는 속도를 반영하는 것이다.

E = F*m*Hcomb/A 식 (1)

에서 F는 열 방출 분율, m은 누출속도 (kg/s),

Hcomb은 연료의 연소에너지(J/kg) 그리고 A는 제트

화염의 표면 면적(m2)이다. Chamberlain에 의하면 F는

가스의 post expansion 속도, vj(m/s)와 다음과 같은 연

관성을 가진다.

F = 0.21exp(-0.00323)+0.11 식 (2)

여러 문헌에 기록되어 일반적으로 수소의 F 값은

0.1~0.17 사이의 다양한 값들로 보고되어 있으나 실

험에서 관측된 값은 그보다 높았다. 그 이유들로는

실제 제트화재와 약간 다른 형태의 화재라는 것과 초

반에 분산된 흙, 모래 등이 차폐효과를 일으켜 더 많

은 복사열이 지상으로 반사되게끔 한 것 등이다.

지하로부터 누출된 각도는 관측할 때 경향성을 보

여주지는 않았지만 나중에 리스크평가를 위한 모델

링에서는 45도 각도로 나오고 바람의 방향과 누출 각

도가 일치하는 것으로 하여 지면에 더 가깝게 함으로

써 보수적인 복사열을 계산할 수 있도록 추후에 가정

하게 되었다.

실험값과 PHAST 모델링과의 비교

누출 속도(kg/s)는 대체적으로 잘 맞았고 화염

의 길이는 실험 초기의 Period1에서는 잘 맞았으나

Period2에서는 약간의 under-prediction이 있었다. 화

염의 길이를 비교할 때 이미 PHAST에서 가스 누출

속도 조절인자, 0.25를 적용하였고 복사열이 높고 길

이가 긴 제트화재가 발생하는 Period1에서 잘 맞는 것

으로 보아 조절인자의 적용은 잘 되었다고 볼 수 있

다. 제트화재 실험에서 결과적으로 중요한 것이 복사

열의 측정치와 모델에서의 예측된 값과의 비교였는

데 그림 6에서 보듯이 10 kW/m2 이하 값에서는 잘 맞

거나 over-prediction이 있었으나 그 이상의 값에서는

under-prediction이 있었다. 그러나 Test 1의 Period1을

제외하고는 Test 2의 전체를 포함하여 대부분의 실험

관측치보다 예측치가 under-prediction을 하는 경향을

보이는데 이는 conservative한 접근을 중시하는 공정

안전 리스크관리에서 문제가 발생할 수 있으므로 식

(2)에서 계산된 값을 쓰지 않고 예측치를 측정치에 최

대한 근사하도록 조정을 한 값을 이용하였다. 그림 7

은 그 새로운 F 값들을 이용하여 높은 복사열 수치에

근접하도록 상한한 것이다.

그림 6. 복사열 측정치와 예측치의 비교 (위: Test 1 아래: Test 2).

그림 7. 관측치와 F를 보정한 후의 예측치와의 비교(위: Test 1 아래: Test 2).

592 … NICE, 제33권 제5호, 2015

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결론

PHAST 6.54의 vertical cone 제트화재 모델의 하나

인 Chamberlain 식들을 이용하여 수소의 지하배관 누

출 시 제트화재로부터 나오는 복사열을 관측한 값들

과 비교했을 때 under-prediction이 있었다. 모델링이

잘못된 것이 아니고 지하 1 m로부터 나오는 파열된

배관 양방향으로부터 쏟아져 나온 수소의 제트화재

와 Chamberlain이 자신의 제트화재 및 Flare 실험을 토

대로 만든 식과는 상황이 다른 것으로 어느 정도 예

상이 되었던 일이었다. 회사에서는 Phast-Risk 프로그

램을 이용하여 리스크 평가 및 관리를 하였으므로 그

프로그램 내의 제트 화재 식 중 최대한 잘 맞는 것에

파라미터를 수정하여 under-prediction하는 일은 없도

록 하였다. 가스 속도 조절 인자인 0.25와 계산된 값

보다 높은 열 방출 분율(F) 0.26~0.28 값이 조절된 값

들이다.

매우 큰 스케일의 실험을 통해 얻은 값들은 이 지

하배관이 지나가는 200 마일의 지점들에 대한 리스크

평가를 수행하여 위험도를 낮출 수 있는 배관의 루

트 설정과 고비용의 Automatic shut-off 밸브들을 설

치하는 등의 의사 결정을 하는데 많은 도움을 주었

다. 일련의 실험들과 리스크 평가 작업을 수행하던

중에 2010 년에 미국 캘리포니아 주 샌프란시스코 공

항에서 불과 3.2km 떨어진 산브루노 시에서 30인치

의 natural gas 라인이 파열하여 8명이 죽고 35채 이상

의 가옥이 파손되는 등 큰 인명, 재산 피해를 발생시

킨 사고가 났다. 때문에 진행 중이던 본 연구 및 리스

크평가 절차가 더욱 각광을 받았고 실제로 산브루노

사고도 이 모델링 방법들과 유사하게 계산해 본 결과

사망자와 피해반경을 잘 예측한다는 것을 보이기도

하였다.

결론적으로 미국 회사에서 많은 비용을 들여 직

접 안전과 관련된 실험을 수행하고 그것을 바탕으로

리스크 평가 및 관리를 하고 각종 학회 등을 통해 발

표도 하는 등으로 ‘안전’관리를 철저히 하는 회사라

는 이미지를 만들어 간다는 점이 인상 깊었다. 이와

유사한 예로는 본 연구자가 Texas A&M 대학교에서

Mary K O'Connor Process Safety Center에서 박사학위

를 하던 시절 BP (British Petroleum) 사에서 학교에서

수행하는 LNG 확산과 액면 화재 연구를 위해 LNG

탱크로리를 실험 장소 근처에 상주시켜 놓고 LNG를

무료로 거의 무한에 가깝게 공급해 주었던 것들도 인

상 깊었던 일들 중의 하나이다.

이와 같이 우리나라 회사들에서도 실질적으로 ‘안

전’에 관련된 연구와 실험에 지원을 하고 또 직접 참

여함으로써 공공의 안전을 도모하고 회사의 평판을

함께 상승시키는 데에 신경을 많이 썼으면 하는 바람

이다.

참고 문헌

1. G. A. Chamberlain, Chem. Eng. Res Des., 65, 299 (1987).

2. E. Lutostansky, L. Creitz, S. Jung, J. Shork, D. Worthington and Y. Xu, Process Safety Progress, 32, 212 (2013).

3. D. Miller, S. Jung and E. Lutostansky, Process Safety Progress, 34, 141 (2014).