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문제 정의
- 사례연구에서는 고압가스 사용시설 중 LPG 사용시설에 대한 공정도면과 각종 운전조건 자료를 토대로 연구를 수행하였다. 액화석유가스는 고압가스 중에서 가장 일반적으로 사용되고 있는 물질이면서 인화성, 폭발성으로 인해 많은 사고가 발생하고 있다.
가설 설정
- a) Pressure safety valve(PSV) fails to open on demand.
- 또한 HAZOP 검토결과 나타날 수 있는 결과분석(Consequence analysis)은 이 연구에서는 3가지 시나리오에 적용하지 않았다. 결과분석은 동일한 조건으로 가정 하였으며, 빈도분석(Frequency analysis) 적용된 기본사상으로 안전밸브의 결함, 충전시 압력게이지 결함, 충전시 운전자실수, 차단밸브의 결함, 운전자실수 등으로 나타냈다. 기본사상의 확률값을 AndGate, Or Gate에 따라 중간사상 발생확률을 계산하는 과정을 거쳐 각 Case를 사례연구에 적용하여 과압으로인한 누출값을 얻었다.
제안 방법
- 고압가스 사용시설의 안전밸브 설치에 대한 3가지 시나리오를 선정하여 휴먼에러를 포함한 유해위험요인(Hazard)을 파악한 후 안전밸브 설치유형별 리스크를분석(Risk analysis)하고자 하였다. 3가지 시나리오에 대한 정성적 평가로 HAZOP, 정량적 평가로 FTA를 선택하여 위험성을 평가하고 위험(Risk)에 따라 검사의 주기, 방법 등을 위험 정도가 높은 설비에 초점을 맞추어 유지, 보수 관리함으로써 최소의 비용으로 설비의 안전을 확보하고 가동률을 향상시키고자 하였다. 먼저 HAZOP Study를 통해 고압가스 시설의 유해위험요인(Hazard)을 파악하였고, FTA(Fault Tree Analysis)를 통해 유해위험요인(Hazard)과 관련된 사건의 발생과정을 분석하였다.
- 지금까지 고압가스사용시설에 설치된 안전밸브 유형별 발생 가능한 사고들에 대하여 정성적, 정량적 분석을 통해 사고확률을 검토하였으며 국내 안전밸브 설치 기준 및 외국의 설치기준을 비교하여 그에 따른 안전특성과 안전성 향상 방향을 모색하였다. 3가지 유형의 사례를 HAZOP과 FTA 통해 비교․분석하였다.
- LPG사용시설의 가스누출 가능성을 정상사상으로 설정하여 HAZOP을 통해 파악된 결과를 바탕으로 기본사상(basic event)에적용하여 가스누출 가능성을 FT도화 하였다. FT분석에는 고압가스사용시설에서 내의 안전밸브 설치 유형별 시나리오를 적용했다. 기본사상의 고장률이 정의가 되면 And Gate, Or Gate를 따라 중간사상의 발생확률을 다음과 같이 계산하고, 게이트에 대하여는 And gate의 계산은 식 (1)에, Or gate의 계산은 식 (2)에 나타내었다16,20).
- 5와 같이 FTA를 수행하였다. LPG사용시설의 가스누출 가능성을 정상사상으로 설정하여 HAZOP을 통해 파악된 결과를 바탕으로 기본사상(basic event)에적용하여 가스누출 가능성을 FT도화 하였다. FT분석에는 고압가스사용시설에서 내의 안전밸브 설치 유형별 시나리오를 적용했다.
- Table 4는 FTA에 적용한 고장율 데이터 제시하고 있으며, 안전밸브의 “Fails to Open on Demand”과 “Failure to Reclose Once Open” 2가지 고장에 대한 고장확률을 적용하여 FTA를 분석․비교하였다.
- 5에서 제시하였다. 각 시나오리별 HAZOP 기법을 적용한 결과는 압력의 공정변수와 가이드워드인 more, less를 적용하였다. 저장탱크의 충전 중 또는 외부의 영향에 의해 과압이 발생할 때의 이탈을 가정하였으며, 3가지 Case에서 안전밸브의 자체결함으로 인한 저장용기의 파열 또는 휴먼 에러에 의한 과압이 발생하는 것을 비교 분석하였다.
- 고압가스 사용시설의 리스크분석 절차는 Fig. 3에서 제시된 바와 같이 평가대상을 선정하고 자료수집, 사고시나리오 구성, 사고발생 빈도순으로 수행하였다. 평가 대상 선정은 LPG저장탱크를 중심으로 사례연구를 하였고, 각종 자료집은 사용시설 운전에 관한 지침서, 설비명세서, 참고문헌 등을 바탕으로 수집되었다.
- 따라서 리스크 분석 시 고압가스 사용시설 내 안전밸브 설치유형별로 휴먼에러가 발생할 수 있는 가능성을 검토할 필요가 있다. 고압가스 사용시설의 안전밸브 설치에 대한 3가지 시나리오를 선정하여 휴먼에러를 포함한 유해위험요인(Hazard)을 파악한 후 안전밸브 설치유형별 리스크를분석(Risk analysis)하고자 하였다. 3가지 시나리오에 대한 정성적 평가로 HAZOP, 정량적 평가로 FTA를 선택하여 위험성을 평가하고 위험(Risk)에 따라 검사의 주기, 방법 등을 위험 정도가 높은 설비에 초점을 맞추어 유지, 보수 관리함으로써 최소의 비용으로 설비의 안전을 확보하고 가동률을 향상시키고자 하였다.
- 분석결과를 요약하면 Table 5와 같다. 국내기준을 비교하여 설치유형에 따른 법규준수, 안전사고발생 가능성, 정기검사의 용이성,비용발생 등의 장․단점을 도출하였다. 또한, 선행 연구를 살펴본 바에 의하면 노르웨이의 해양 석유 산업에서 사용되는 PSV에 대한 점검주기를 설정하였다.
- 결과분석은 동일한 조건으로 가정 하였으며, 빈도분석(Frequency analysis) 적용된 기본사상으로 안전밸브의 결함, 충전시 압력게이지 결함, 충전시 운전자실수, 차단밸브의 결함, 운전자실수 등으로 나타냈다. 기본사상의 확률값을 AndGate, Or Gate에 따라 중간사상 발생확률을 계산하는 과정을 거쳐 각 Case를 사례연구에 적용하여 과압으로인한 누출값을 얻었다. Case A는 2.
- HAZOP을 통해 파악된 유해위험요인들 중 안전밸브와 관련해서는 과압으로 인한 누출 및 폭발사고를 고려할 수 있다. 따라서 FTA를 통해 과압으로 인한 사고가 발생하는 과정을 검토하여 3가지 시나리오를 도출하였으며 시나리오별 사고발생확률을 분석하였다.
- 시나리오에 적용된 FTA는 과압에 의한 누출을 중점으로 계산되었다. 또한 HAZOP 검토결과 나타날 수 있는 결과분석(Consequence analysis)은 이 연구에서는 3가지 시나리오에 적용하지 않았다. 결과분석은 동일한 조건으로 가정 하였으며, 빈도분석(Frequency analysis) 적용된 기본사상으로 안전밸브의 결함, 충전시 압력게이지 결함, 충전시 운전자실수, 차단밸브의 결함, 운전자실수 등으로 나타냈다.
- 먼저 HAZOP Study를 통해 고압가스 시설의 유해위험요인(Hazard)을 파악하였고, FTA(Fault Tree Analysis)를 통해 유해위험요인(Hazard)과 관련된 사건의 발생과정을 분석하였다. 또한, HAZOP Study를 통해 찾아낸 각 시나리오의 유해위험요인(Hazard)이 사고로 전이될 수 있는 사고 발생확률을 산정하기 위하여 정량적 위험성 평가방법인 FTA를 수행하여 고압가스 사용시설에 내 설치된 안전밸브 설치유형별 Case를 리스크 비교․분석하였다.
- 리스크분석에 필요한 시나리오는 Fig. 4와 같이 고압가스 사용시설의 저장탱크에 『산업안전보건법』기준에 맞는 안전밸브 설치(Case A), 고압가스 사용시설의 저장탱크에 『고압가스안전관리법』에 따른 안전밸브와 안전밸브 전단에 차단밸브를 설치(Case B), 『산업안전보건법』에서 차단밸브를 설치할 경우 복수방식으로 안전밸브를 설치(Case C) 등 3가지 시나리오를 선정하여 리스크를 분석하였다.
- 3가지 시나리오에 대한 정성적 평가로 HAZOP, 정량적 평가로 FTA를 선택하여 위험성을 평가하고 위험(Risk)에 따라 검사의 주기, 방법 등을 위험 정도가 높은 설비에 초점을 맞추어 유지, 보수 관리함으로써 최소의 비용으로 설비의 안전을 확보하고 가동률을 향상시키고자 하였다. 먼저 HAZOP Study를 통해 고압가스 시설의 유해위험요인(Hazard)을 파악하였고, FTA(Fault Tree Analysis)를 통해 유해위험요인(Hazard)과 관련된 사건의 발생과정을 분석하였다. 또한, HAZOP Study를 통해 찾아낸 각 시나리오의 유해위험요인(Hazard)이 사고로 전이될 수 있는 사고 발생확률을 산정하기 위하여 정량적 위험성 평가방법인 FTA를 수행하여 고압가스 사용시설에 내 설치된 안전밸브 설치유형별 Case를 리스크 비교․분석하였다.
- 따라서 Case B의 경우에는 안전밸브 전단에 설치된 차단밸브를 제거하거나 반드시 차단밸브 핸들을 체인으로 고정시켜 특별한 지시가 없이는 조작할 수 없도록 하는 조치(Car Sealed Open)가 필요한 것으로 분석되었다. 복수 방식으로 설치된 Case C에서는 차단밸브가 동시에 닫힐 경우나 또는 안전밸브 가 동시에 고장 날 경우 과압 축적으로 인한 저장용기 폭발의 가능성을 분석했다. 또한 Case A의 경우에는 안전밸브 기능이 정상작동 할 경우 과압으로 인한 저장용기의 폭발을 방지를 할 수 있다.
- 평가 대상 선정은 LPG저장탱크를 중심으로 사례연구를 하였고, 각종 자료집은 사용시설 운전에 관한 지침서, 설비명세서, 참고문헌 등을 바탕으로 수집되었다. 사고시나리오선정 단계에서는 과압으로 인한 저장탱크의 폭발가능성을 중점으로 3가지 시나리오를 선정하여 HAZOP을 통해 정성적으로 도출하였다. 이후 FTA를 통해 사고가능성에 대한 리스크를 FT도로 도식화 하였으며 각 시나리오별 사고확률을 계산하였다.
- 안전밸브 결함이 원인일 경우 가능한 조치사항으로 정기적인 검사, 과압 축적시 고압을 알려주는 알람기능을 추가하는 결과를 얻었다. 또한 Case B 경우에는 과압 발생시 안전밸브 자체결함 뿐만 아니라 안전밸브 전단에 차단밸브 설치로 인한 운전상의 휴먼에러, 차단밸브 자체결함으로 인하여 저장탱크의 과압 축적이 발생하거나 안전밸브 기능을 상실하는 결과를 초래하였다.
- 외국의 고압가스 사용시설 안전밸브 설치기준을 검토하기 위하여 ISO 4126(Safety devices for protection against excessive pressure)의 Part1(Safety valves)과 Part6(Application, selection and installation of bursting disc safety devices), BS 6759 Part3(Specifications for Safety Valves for Process Fluids), NFPA 58(Specifications for Safety Valves for Process Fluids), API RP 520(Sizing,Selection, and Installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries)을 살펴보았다. 검토결과, Table 2에서 보는 바와 같이 모든 규정에서 안전밸브를 설치하도록 요구하고 있었다.
- 2에서 보듯이 LPG사용시설의 저장용기(Storage Tank), 기화기(Vaporizer-1, 2), 압력계, 밸브, 안전밸브 등 각종설비로 구성되어 있다. 이중 고압가스용기를 중심으로 안전밸브 설치유형별 리스크분석을 실시하였다. 고압가스 사용시설에서 저장된 물질은 LPG(propane, butane)이며, 저장압력은 0.
- 사고시나리오선정 단계에서는 과압으로 인한 저장탱크의 폭발가능성을 중점으로 3가지 시나리오를 선정하여 HAZOP을 통해 정성적으로 도출하였다. 이후 FTA를 통해 사고가능성에 대한 리스크를 FT도로 도식화 하였으며 각 시나리오별 사고확률을 계산하였다. 사고확률계산 Data 수집에는 미국 화학공정안전센터(CCPS)의 ‘Guidelines for process equipment reliability data with data tables’ 문헌과 사업장에서 보유하고 있는 확률데이터를 적용하였다.
- 각 시나오리별 HAZOP 기법을 적용한 결과는 압력의 공정변수와 가이드워드인 more, less를 적용하였다. 저장탱크의 충전 중 또는 외부의 영향에 의해 과압이 발생할 때의 이탈을 가정하였으며, 3가지 Case에서 안전밸브의 자체결함으로 인한 저장용기의 파열 또는 휴먼 에러에 의한 과압이 발생하는 것을 비교 분석하였다.
- 지금까지 고압가스사용시설에 설치된 안전밸브 유형별 발생 가능한 사고들에 대하여 정성적, 정량적 분석을 통해 사고확률을 검토하였으며 국내 안전밸브 설치 기준 및 외국의 설치기준을 비교하여 그에 따른 안전특성과 안전성 향상 방향을 모색하였다. 3가지 유형의 사례를 HAZOP과 FTA 통해 비교․분석하였다.
대상 데이터
- 사고확률계산 Data 수집에는 미국 화학공정안전센터(CCPS)의 ‘Guidelines for process equipment reliability data with data tables’ 문헌과 사업장에서 보유하고 있는 확률데이터를 적용하였다.
- 2는 사례연구 필요한 사용시설의 도면을 보여준다. 사례 검토 점선에 표시된 부분을 대상공정으로 탱크로리(tank lorry)로부터 받은 LPG를 사용시설 저장탱크에 저장한 후, 대상설비로 가스를 공급하는 장치들이며, Fig. 2에서 보듯이 LPG사용시설의 저장용기(Storage Tank), 기화기(Vaporizer-1, 2), 압력계, 밸브, 안전밸브 등 각종설비로 구성되어 있다. 이중 고압가스용기를 중심으로 안전밸브 설치유형별 리스크분석을 실시하였다.
- 정상사상이 발생할 확률계산에는 미국 화학공정안전센터(CCPS)의 ‘Guidelines for process equipment reliability data with data tables’ 문헌과 사업장에서 보유하고 있는 확률 데이터를 적용하였다.
- 3에서 제시된 바와 같이 평가대상을 선정하고 자료수집, 사고시나리오 구성, 사고발생 빈도순으로 수행하였다. 평가 대상 선정은 LPG저장탱크를 중심으로 사례연구를 하였고, 각종 자료집은 사용시설 운전에 관한 지침서, 설비명세서, 참고문헌 등을 바탕으로 수집되었다. 사고시나리오선정 단계에서는 과압으로 인한 저장탱크의 폭발가능성을 중점으로 3가지 시나리오를 선정하여 HAZOP을 통해 정성적으로 도출하였다.
이론/모형
- 고압가스 사용시설 내 안전밸브 설치 유형별 리스크를 비교분석하기 위하여 HAZOP(Hazard and Operability Studies)과 FTA(Fault Tree Analysis)방법을 적용하였다. 대상공정의 유해위험요인(hazard)을 파악하기 위한 목적으로 수행한 HAZOP은 공장설계의 목적으로부터 이탈에 따른 위험성과 운전상의 문제점을 확인하기 위한 체계적인 접근방식이다.
성능/효과
- 종합적인 분석 결과에 따른 설치 유형별 법규준수, 저장용기보호, 사고발생 확률값 순으로 살펴보면 Case B > Case A > Case C 순으로 나타났다. FT도로 분석된 결과에는 저장용기를 보호하기 위해 설치되는 안전밸브의 설치유형에 따라 사고발생확률 차이를 보였다. FTA에는 저장용기에 부착된 기기의 자체결함 뿐만 아니라 운전자의 실수에 대한 확률값을 대입하여 분석한 결과 Case B의 사례가 2.
- HAZOP을 통해 유해위험요인을 파악하여 고압가스 사용설비에 일어날 수 있는 사건을 파악하고 필요한 조치를 할 수 있었다. 파악된 사고시나리오를 바탕으로 Fig.
- 분석 결과에 따라 Case B의 설치유형은 안전성 확보를 위해 차단밸브 설치금지 또는 시건장치 의무화 규제가 필요한 것으로 판단된다. 또한 안전밸브의 고장과 작업자 실수로부터 고압가스사용시설 보호에는 Case C 가장 적은 확률값을 보이며 산업현장의 안전성 확보에 효과적으로 적용 될 것으로 판단된다.
- 또한 Case C의 경우 산업안전보건법에 의해 차단밸브를 설치하여 사용할 경우 병렬 방식의 설치유형을 의무화 하고 있다. 종합적인 분석 결과에 따른 설치 유형별 법규준수, 저장용기보호, 사고발생 확률값 순으로 살펴보면 Case B > Case A > Case C 순으로 나타났다. FT도로 분석된 결과에는 저장용기를 보호하기 위해 설치되는 안전밸브의 설치유형에 따라 사고발생확률 차이를 보였다.
후속연구
- 특히 HAZOP 분석을 할 때에는 개인 요인과 조직요인에 의하여 발생하는 휴먼에러의 종류를 누락오류, 실행오류, 과잉행위, 순차오류, 시간오류 등으로 구분하여 검토하고 있다. 따라서 리스크 분석 시 고압가스 사용시설 내 안전밸브 설치유형별로 휴먼에러가 발생할 수 있는 가능성을 검토할 필요가 있다. 고압가스 사용시설의 안전밸브 설치에 대한 3가지 시나리오를 선정하여 휴먼에러를 포함한 유해위험요인(Hazard)을 파악한 후 안전밸브 설치유형별 리스크를분석(Risk analysis)하고자 하였다.
- 따라서 위험기반검사를 수행함으로써 설비의 사용조건 및 상태에 따라서 적절한 위험 관리를 수행할 수 있고, 설비를 효율적으로 운전하고, 과도한 검사를 지양하여 인적·물적 자원의 효율적인 운영이 가능할 수 있게 될 것이다
- 향후 이 연구에서 적용하지 못했던 결과분석(Consequence analysis) 및 리스크 계산을 통해 고압가스 시설에 설치되는 안전밸브 유형에 따른 구체적인 리스크분석이 필요하다. 또한 이 연구를 통해 고압가스 사용시설의 안전밸브의 합리적인 설치 기준을 마련하고 고압가스 특성상 폭발 및 화재와 같은 심각한 중대사고로부터 산업현장의 안정성 제고 효과를 기대할 수 있을 것이다.
- 향후 이 연구에서 적용하지 못했던 결과분석(Consequence analysis) 및 리스크 계산을 통해 고압가스 시설에 설치되는 안전밸브 유형에 따른 구체적인 리스크분석이 필요하다. 또한 이 연구를 통해 고압가스 사용시설의 안전밸브의 합리적인 설치 기준을 마련하고 고압가스 특성상 폭발 및 화재와 같은 심각한 중대사고로부터 산업현장의 안정성 제고 효과를 기대할 수 있을 것이다.
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