매설배관은 내부 또는 외부의 결함으로 인하여 leak나 rupture가 발생 할 수 있으며, 가스가 누출 시 큰 사고가 발생할 수 있기 때문에 정량적 위험성평가를 통한 분석이 필요하다. 하지만 현재 매설배관에 대한 위험성 평가시 매설을 고려하지 않거나, 매설 깊이를 고려하지 않고 무조건 배관압력의 1/10으로 가정하는 OGP기준을 사용하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 여러 기관의 매설배관 ETA분석자료를 통하여 발생가능 사고 중 Jet fire의 사고피해영향을 분석하였으며, Jet fire의 복사열 계산에 있어서 배관의 매설깊이 인자를 고려한 매설모델을 수립하였다. 사례연구는 New Jersey의 Edison지역에서 발생한 사고를 이용하여 본 모델과 OGP모델을 비교 분석하였다. 연구결과 화염원으로부터 10m거리를 기준으로 매설모델의 복사열 값이 OGP모델에 비해 실제 사례와 비슷한 값을 얻을 수 있었다.
매설배관은 내부 또는 외부의 결함으로 인하여 leak나 rupture가 발생 할 수 있으며, 가스가 누출 시 큰 사고가 발생할 수 있기 때문에 정량적 위험성평가를 통한 분석이 필요하다. 하지만 현재 매설배관에 대한 위험성 평가시 매설을 고려하지 않거나, 매설 깊이를 고려하지 않고 무조건 배관압력의 1/10으로 가정하는 OGP기준을 사용하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 여러 기관의 매설배관 ETA분석자료를 통하여 발생가능 사고 중 Jet fire의 사고피해영향을 분석하였으며, Jet fire의 복사열 계산에 있어서 배관의 매설깊이 인자를 고려한 매설모델을 수립하였다. 사례연구는 New Jersey의 Edison지역에서 발생한 사고를 이용하여 본 모델과 OGP모델을 비교 분석하였다. 연구결과 화염원으로부터 10m거리를 기준으로 매설모델의 복사열 값이 OGP모델에 비해 실제 사례와 비슷한 값을 얻을 수 있었다.
Buried pipe system is subject to leak or rupture due to internal and external defects with age. Especially, if the pipeline is designed for pressurized gas, the leak can wreak a devastating on its surrounding area. The current method of setting up underground gas pipeline is based on OGP criteria of...
Buried pipe system is subject to leak or rupture due to internal and external defects with age. Especially, if the pipeline is designed for pressurized gas, the leak can wreak a devastating on its surrounding area. The current method of setting up underground gas pipeline is based on OGP criteria of applying one tenth of the inner pipe pressure. The criteria is applied irrespective of their burial depth or pipe's properties. At times, even the whole safety measures are totally ignored. Considering the magnitude of possible damage from a gas leakage, a precise analytical tool for the risk assessment is urgently needed. The study was conducted to assess possible scenarios of gas accidents and to develop a computer model to minimize the damage. The data from ETA was analyzed intensively, and the model was developed. The model is capable of predicting jet fire influence area with comprehensive input parameters, such as burial depth. The model was calibrated and verified by the historic accident data from Edison Township, New Jersey, the United States. The statistical model was also developed to compare the results of the model in this study and the existing OGP model. They were in good agreement with respect to damage predictions, such as radiation heat coming from 10 meters away from the heat source of gas flame.
Buried pipe system is subject to leak or rupture due to internal and external defects with age. Especially, if the pipeline is designed for pressurized gas, the leak can wreak a devastating on its surrounding area. The current method of setting up underground gas pipeline is based on OGP criteria of applying one tenth of the inner pipe pressure. The criteria is applied irrespective of their burial depth or pipe's properties. At times, even the whole safety measures are totally ignored. Considering the magnitude of possible damage from a gas leakage, a precise analytical tool for the risk assessment is urgently needed. The study was conducted to assess possible scenarios of gas accidents and to develop a computer model to minimize the damage. The data from ETA was analyzed intensively, and the model was developed. The model is capable of predicting jet fire influence area with comprehensive input parameters, such as burial depth. The model was calibrated and verified by the historic accident data from Edison Township, New Jersey, the United States. The statistical model was also developed to compare the results of the model in this study and the existing OGP model. They were in good agreement with respect to damage predictions, such as radiation heat coming from 10 meters away from the heat source of gas flame.
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문제 정의
Crater fire는 매설된 시설에서 발생하는 고유한 화염형상이지만 매설을 고려하지 않는다면 jet fire와 유사한 화염형상을 보이게 된다. 따라서 본 연구에서는 Rupture로 인한 Jet fire발생을 고려하였으며, 복사열에 의한 피해를 분석하였다.
그러나 국내 도시 가스 배관의 경우 대체적으로 개방된 지역에 설치되었을 뿐 아니라, 도시가스의 밀도가 공기보다 가볍기 때문에 대기 중으로의 확산이 쉬워 폭발을 일어나기 쉽지 않다. 따라서 본 연구에서는 매설배관에서의 rupture에 의해 가스가 방출되는 경우 중 jet fire에 대한 사고영향을 평가하였다.
본 연구에서는 매설배관의 Consequence Analysis 진행시 매설깊이를 고려한 매설모델과 누출압력을 1/10로 가정하는 OGP모델을 비교해보고자 한다. 국내 도시가스 매설배관의 압력과 매설깊이를 기준으로 사고영향분석을 실시하였다.
본 연구에서는 배관의 매설깊이를 고려한 매설모델을 수립하여, OGP모델과의 복사열을 비교 연구 하였다. 모델비교를 위한 시나리오 선정으로는 먼저 BSI PD8010과 IGEM TD2를 통하여 배관에서의 사고 시나리오를 분석하였으며, 이 중 Rupture를 통한 jet fire 사고 시나리오를 선정하였다.
제안 방법
IGEM TD2와 BSI PD8010에서 제시하고 있는 사고유형을 분석하였다. 제시된 사고 유형으로는 Pool fire, Crater fire, Fireball, Jet fire, Explosion이 존재하나 도시가스용 매설배관을 적용하여 메탄이 공기 보다 가볍기 때문에 체적이 되지 않는다.
Lift-off Distance는 누출공으로부터 jet fire까지의 거리를 말하며, 본 연구에서는 매설배관의 지중깊이를 고려하여 재설정하였으며, 이를 통하여 View factor에서의 복사열 값을 재계산 하였다. 본 연구를 통해 계산된 매설깊이를 고려한 결과에 대해서는 이하 ‘매설모델’이라 지칭하도록 하겠다.
최종적인 화염 형상으로는 fireball, crater fire, jet fire로 분석되었다. PD8010은 영국 BSI(Bri-tish Standards Institution)에서 발행한 가스산업시설의 안전기준으로 ETA를 통하여 여러 사고유형에 대하여 분석하였다. 이 기관에서는 leak/rupture, Release obstructed, Immediate ignition, delayed local ignition, delayed remote ignition의 다섯 단계로 구분하고 있으며, 최종사고유형으로는 IGEM TD2 와 마찬가지로 fireball, crater fire와 jet fire로 제시하고 있다.
국내 도시가스 매설배관의 압력과 매설깊이를 기준으로 사고영향분석을 실시하였다. PHAST 6.5의Discharge 모델을 통하여 누출량을 계산하였으며, 결과는 다음과 같다.
Rupture를 통하여 가스가 누출되는 누출량을 산정하였으며, 누출된 가스가 점화되어 발생하는 jet fire의 형상을 나타내어 주변에 영향을 미치는 복사열을 도출하였다.
IGEM에서는 TD2라는 지침을 통해 매설가스배관에서의 안전기준을 발행하였으며 ETA기법을 통하여 발생할 수 있는 사고에 대하여 제시하고 있다. leak/rupture, ignition, immediate ignition의 세 단계로 구분하여 최종사고유형을 분석하였다. 최종적인 화염 형상으로는 fireball, crater fire, jet fire로 분석되었다.
본 연구에서는 매설배관의 Consequence Analysis 진행시 매설깊이를 고려한 매설모델과 누출압력을 1/10로 가정하는 OGP모델을 비교해보고자 한다. 국내 도시가스 매설배관의 압력과 매설깊이를 기준으로 사고영향분석을 실시하였다. PHAST 6.
또한, 그 외의 정량적 위험성평가 방법으로는 배관의 매설을 고려하고 있지 않아, 정확한 사고피해 영향을 파악하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 매설깊이를 고려한 매설모델을 수립하여 Jet fire의 복사열을 계산하였으며, 사례연구를 통한 OGP모델과 의 jet fire의 복사열을 비교 및 분석하였다.
제시된 사고 유형으로는 Pool fire, Crater fire, Fireball, Jet fire, Explosion이 존재하나 도시가스용 매설배관을 적용하여 메탄이 공기 보다 가볍기 때문에 체적이 되지 않는다. 따라서 폭발의 가능성은 배제하였으며, Pool fire는 지중에서 지상으로 확산 시 LFL(Lower Flammable Limit)이하의 값을 갖게 되어 배제하였다. Crater fire는 매설된 시설에서 발생하는 고유한 화염형상이지만 매설을 고려하지 않는다면 jet fire와 유사한 화염형상을 보이게 된다.
1MPa이상, 1MPa미만을 뜻한다. 따라서본 연구에서는 0.1MPa, 0.5MPa, 0.9MPa 총 세 가지 압력으로 구분하여 연구를 진행하였으며, 지상배관을 가정한 경우와 OGP기준을 적용한 매설배관 두 경우를 비교하였다. 계산 결과 도출된 누출유량은 아래 Table 4와 같다.
본 연구에서는 배관의 매설깊이를 고려한 매설모델을 수립하여, OGP모델과의 복사열을 비교 연구 하였다. 모델비교를 위한 시나리오 선정으로는 먼저 BSI PD8010과 IGEM TD2를 통하여 배관에서의 사고 시나리오를 분석하였으며, 이 중 Rupture를 통한 jet fire 사고 시나리오를 선정하였다.
선정한 사고유형과 그 결과 값을 실제 사고사례와 비교분석하기 위해, New Jersey의 Edison에서 1994 년 3월에 발생한 사고를 기반으로 하여 시나리오를 선정하고, 매설모델과 OGP모델을 이용하여 Jet fire 발생 시 나타나는 복사열량을 비교하고자 한다. 분석에 사용한 시나리오의 정보는 Table 6과 같다.
점화원으로부터 10m거리를 기준으로 매설깊이 인자에 변화를 주어 매설모델과 OGP모델의 복사열을 비교 분석하였으며, 매설모델과 OGP모델이 나타내는 차이는 Fig. 10과 같이 분석되었다. OGP모델을 통해 도출한 값은 깊이의 정도에 관계없이 복사열 값이 일정하게 계산되었으며, 매설모델의 경우, 배관의 깊이에 따라 jet fire의 복사열 값이 다르게 계산됨을 알 수 있었다.
KGS식은 leak와 rupture에서 복사열 강도가 실제값보다 더욱 높게 나타나는 경향이 존재하며, TNO의 경우 화염표면에서 발생한 복사열과 대상이 받는 복사열의 관계를 정의하기 위해 상당히 많은 요인을 고려한다. 하지만 CCPS모델은 한점에서 복사열이 방출된다고 가정하는 point source 모델을 사용하기 때문에 비교적 간단한 뷰펙터를 사용하며 누출방향에 따른 복사열을 산정할 수 있다는 장점을 지니고 있어 본 연구에서는 CCPS모델을 선정하였다.
이론/모형
최종적인 누출량은 식(3)을 통하여 계산 할 수 있다. 누출공의 크기는 CCPS의 기준의 FBR(Full Bore Rupture)로 계산하였다.
OGP에서 제시하고 있는 복사열이 미치는 영향으로는 특정 복사열이 미치는 영향은 35kW/m2에서 100%, 25kW/m2에서 50%, 6kW/m2에서 1%의 사망확률을 제시한다. 본 연구는 CCPS의 Jet fire 모델을 사용하여 복사열을 도출하였으며, 연구 결과는 다음과 같다.
매설가스배관의 경우, 지중에 위치하여 지하수 또는 토양 내 습기로 인한 부식 및 외부충격 으로 인한 배관 파열이 발생할 수 있으며, 누출로 인한 화재나 폭발을 일으킬 수 있다. 본 연구에서는 여러 기관에서 제안하는 ETA(Event Tree Analysis)기법을 이용하여 분석하였다.
잠재위험을 파악하는 초기단계의 정성적 위험성 평가 방법으로는 HAZOP(HAZard & OPerability), Checklist, ETA(Event Tree Analysis), FTA(Fault Tree Analysis) 등이 존재하며, 본 연구에서는 ETA를 이용하여 잠재위험을 파악하였다.
성능/효과
10과 같이 분석되었다. OGP모델을 통해 도출한 값은 깊이의 정도에 관계없이 복사열 값이 일정하게 계산되었으며, 매설모델의 경우, 배관의 깊이에 따라 jet fire의 복사열 값이 다르게 계산됨을 알 수 있었다.
중저압 매설가스배관에서 발생하는 jet fire로 인한 지배적인 위험은 복사열에 의한 피해이다. OGP에서 제시하고 있는 복사열이 미치는 영향으로는 특정 복사열이 미치는 영향은 35kW/m2에서 100%, 25kW/m2에서 50%, 6kW/m2에서 1%의 사망확률을 제시한다. 본 연구는 CCPS의 Jet fire 모델을 사용하여 복사열을 도출하였으며, 연구 결과는 다음과 같다.
본 연구에서 수립한 매설모델의 경우, 배관의 매설깊이에 따라 jet fire의 복사열 값에 변화가 생겼으며, 현재 사용되는 도시가스배관(0.6~1.2m 매설)에서는 매설깊이가 깊을수록 화염의 view point와 가까워져 복사열 값이 상승하는 결과가 도출되었다.
사고사례 시나리오를 적용하여 분석 한 결과, 복사열은 Fig. 12와 같이 도출되었으며, 배관압력의 1/10을 적용하는 OGP모델의 경우, 실제 사고에서 발생된 복사열보다 비교적 낮은 복사열이 계산되었고, 깊이인자를 고려한 매설모델의 경우, 실제 사고에서 발생된 복사열과 유사한 값이 계산되었다.
사고사례분석을 통한 매설모델과 OGP모델의 결과를 비교 분석하였으며, OGP모델보다 매설모델의 복사열이 실제 사고사례의 복사열과 유사하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다.
후속연구
따라서, 지하에 매설되어있는 배관에서 발생될 수 있는 jet fire의 복사열을 매설깊이 인자를 고려한 매설모델을 이용하여 계산한다면, 매설배관의 jet fire 시나리오에 대한 효과적인 위험성평가를 수행할 수 있을 것으로 분석된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
매설배관의 피해 특징은?
매설배관의 경우 부식 또는 외부충격에 의해 발생 되는 가스 누출로 인한 폭발 사고 발생 시 재산 및 인명피해가 큰 특징을 지니고 있다. 현재 매설배관의 위험성평가에는 배관의 단위 길이 당 위험도가 동일한 것으로 가정하고 평가를 수행하고 있으며, 가스배관의 매설깊이, 배관 압력 등의 차이를 고려하지 않고 있다.
매설배관의 위험성평가는 어떤 기준으로 진행하는가?
매설배관의 경우 부식 또는 외부충격에 의해 발생 되는 가스 누출로 인한 폭발 사고 발생 시 재산 및 인명피해가 큰 특징을 지니고 있다. 현재 매설배관의 위험성평가에는 배관의 단위 길이 당 위험도가 동일한 것으로 가정하고 평가를 수행하고 있으며, 가스배관의 매설깊이, 배관 압력 등의 차이를 고려하지 않고 있다.
OGP에서 제안하는 매설배관의 위험성평가는 어떠한가?
현재 OGP(The International Association of Oil & Gas Producers)에서 제안하는 매설배관에 대한 위험성평가는 배관압력의 1/10인 지상배관으로 가정하여 계산하는 방법이 존재하나, 매설깊이, 화염의 높이 등을 고려하지 않아 오차가 크며, 결과 값에 대한 신뢰성이 부족한 실정이다[5].
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Lee, H. C., Ryoo, J., Kim, T. O., "Selection of Release Scenario and Consequence Analysis for Gas Explosion by Pipe Release", Journal of the Korean Institute of Gas, 10(4), 52-62, (2006)
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Prank P. Lees, Lee's Prevention In the Process Industries(3rd), Elsevier, (2004)
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