[논문]해양플랜트 폭발사고 위험도 평가/관리를 위한 실증시험기법에 관한 연구

김봉주; 하연철; 서정관

doi:10.3744/snak.2018.55.3.215

해양플랜트 폭발사고 위험도 평가/관리를 위한 실증시험기법에 관한 연구
A Research on the Verification Test Procedure for Quantitative Explosion Risk Assessment and Management of Offshore Installations 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.55 no.3, 2018년, pp.215 - 221

김봉주 (부산대학교 선박해양플랜트기술연구원) , 하연철 (부산대학교 선박해양플랜트기술연구원) , 서정관 (부산대학교 선박해양플랜트기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The structural design of offshore installations against explosions has been required to protect vital areas (e.g. control room, worker's area etc.) and minimize the damage from explosion accidents. Because the explosion accident will not only result in significant casualties and economic losses, but also cause serious pollution and damage to surrounding environment and coastal marine ecosystems. Over the past two decades, an incredible efforts was made to develop reliable methods to reduce and manage the explosion risk. Among the methods Quantitative Risk Assessment and Management (QRA&M) is the one of cutting-edge technologies. The explosion risk can be quantitatively assessed by the product of explosion frequency based on probability calculation and consequence analyzed using computer simulations, namely Computational Fluid Dynamics (CFD) and Finite Element Analysis (FEA). However to obtain reliable consequence analysis results by CFD and FEA, uncertainties associate with modeling and simulation are needed to be identified and validated by comparison with experimental data. Therefore, large-scaled explosion test procedure is developed in this study. And developed test procedure can be helpful to obtain precious test data for the validation of consequence analysis using computer simulations, and subsequently allow better assessment and management of explosion risks.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 상기 (2)에서 언급된 폭발하중의 특성을 파악하기 위해 수행되는 CFD해석에 대한 모델링 및 해석결과의 불확실성 검증을 위한 실증시험에 관한 연구로써 실증시험을 위해 필요한 시험설비의 구성과 신뢰성 있는 실증시험 결과를 얻기 위한 시험 절차 및 시험기법 개발에 그 목적이 있다 (Bea & Paik, 2018).
본 연구에서 개발 정립된 해양플랜트 폭발사고 위험도 평가/ 관리를 위한 실증시험 절차를 검증하기 위해 폭발 실증시험을 진행하였다. 실증시험에는 액화석유가스(LPG)를 사용하였으며 구성 성분은 Table 1과 같다.
본 연구에서는 해양플랜트 폭발사고 위험도 평가/관리를 위한 실증시험기법에 관한 연구로써 실증시험을 위해 필요한 시험설 비의 구성과 신뢰성 있는 실증시험 결과를 얻기 위한 시험절차를 개발하였다. 특히 폭발 실증시험에서 발생할 수 있는 각종 안전 사고를 방지하기 위해 점검해야할 안전점검 사항들을 도출하였으며 이를 반영한 시험절차를 확립하였다.

제안 방법

6 의 가스구름지그 내부의 가스 농도를 폭발 시나리오의 가스 농도와 일치시키는 단계이다. PC기반의 제어시스템과 가스 농도조절 장치를 활용하여 작업자가 PC에서 설정한 가스 농도와 가스구름 지그 내부의 가스 농도가 일치하도록 가스제어패널에 설치된 전자식 밸브를 제어하여 블로어를 통해 가스를 주입한다.
실재 실증시험에서는 적외선 카메라방식의 가스감지기를 활용하여 가스밸브 및 가스구름지그의 밀폐용 비닐막에서 가스 누출이 없는지 그리고 폭발 후 잔류 가스의 유무를 확인하였다. 가스구름지그 내부의 가스 농도는 5개의 시나리오 모두 3.45%가 되도록 설정하였으며 블로어의 가동시간을 10분으로 설정하여 내부 순환이 충분히 되어 균일한 가스 농도가 되도록 하였다. 사용된 가스 농도 센서는 블로어 내부에 한 개(20% 농도까지 측정), 그리고 가스구름지그 내부에 한 개(5% 농도까지 측정), 총 두 개의 검교정된 센서를 사용하였다.
가스구름지그 주변에는 폭발하중의 특성을 계측할 수 있도록 Fig. 6과 같이 압력 센서를 고정 치구와 함께 폭발시험모형의 주요설비에 해당하는 형상 구조물 또는 원형파이프 지지부재에 설치할 수 있도록 준비를 하였으며 가스구름지그 내부에는 전기 스파크를 발생시켜 가스구름을 폭발시킬 점화원과 내부 가스 농도를 측정할 수 있는 가스 농도계를 추가로 설치하였다.
개발된 시험절차의 적용성 검증을 위해 20×15×10 m 크기의 대형 폭발시험모형을 사용하여 4×4×3 m 크기의 가스구름 내부에 구조밀집도의 영향을 고려한 총 5개의 시나리오에 대한 폭발 실증시험을 수행하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
그리고 가스구름지그 내부에는 더미 파이프를 층층이 쌓을 수있도록 하여 가스구름 주변의 구조밀집도(structural congestion) 변화에 따른 가스폭발 압력의 변화를 관찰할 수 있도록 하였다. 이러한 방법은 MERGE 프로젝트에서 실험적 연구를 수행한 바가 있고 (Mercx, 1994), 구조밀집도 등가모델을 활용한 폭발하중 예측을 위한 CFD 해석에도 활용되고 있다 (Hansen et al.
Process Deck와 Mezzanine Deck에는 실증시험 대상 해양플랜트 모듈의 기하학적 형상이 제작/설치된다. 본 연구에서는 LNG FPSO의 상부구조 중 Fractionation 모듈의 초기 공정설계를 바탕으로 실제 크기의 80%에 해당하는 실재 크기와 유사한 생산설비의 기하학적 형상이 제작/설치되었다.
실증시험은 개발된 절차에 따라 진행되었으며 작업자가 어려움 없이 안전하게 실험을 모두 마칠 수가 있었다. 실재 실증시험에서는 적외선 카메라방식의 가스감지기를 활용하여 가스밸브 및 가스구름지그의 밀폐용 비닐막에서 가스 누출이 없는지 그리고 폭발 후 잔류 가스의 유무를 확인하였다. 가스구름지그 내부의 가스 농도는 5개의 시나리오 모두 3.
7은 본 연구에서 개발 정립된 해양플랜트 폭발사고 위험도 평가/관리를 위한 실증시험 절차를 도식적으로 보여주고 있다. 총 3회의 안전점검(check safety)단계와 가스 농도 확인 (check gas concentration)단계, 폭발을 위한 점화(ignition)단계 그리고 점화 실패 등으로 폭발이 발생하지 않았을 경우 시험을 중단하는 비상정지단계(emergency stop)단계로 나누어져있다.
본 연구에서는 해양플랜트 폭발사고 위험도 평가/관리를 위한 실증시험기법에 관한 연구로써 실증시험을 위해 필요한 시험설 비의 구성과 신뢰성 있는 실증시험 결과를 얻기 위한 시험절차를 개발하였다. 특히 폭발 실증시험에서 발생할 수 있는 각종 안전 사고를 방지하기 위해 점검해야할 안전점검 사항들을 도출하였으며 이를 반영한 시험절차를 확립하였다.
폭발하중의 특성을 파악하기 위해 수행되는 CFD 해석에서 가스구름은 일반적으로 가스구름의 위치와 크기를 고려하여 균일한 가스 농도를 갖는 직육면체 모양의 등가 가스구름 형태로 모델링되므로 본 연구에서는 균일한 가스 농도를 갖는 직육면체 형태의 가스구름을 구현할 수 있도록 Fig. 6과 같이 직육면체 프레 임에 약 0.1 mm의 얇은 비닐막을 사용하여 밀폐된 직육면체 공간에 균일한 농도의 가스구름을 만들 수 있도록 지그(이하, 가스 구름지그라 함)를 제작하였다. 선정된 폭발 시나리오의 가스구름 크기와 위치에 맞게 가스구름지그를 제작하여 설치하면 가스 농도만이 제어변수로 남게 되므로 가스 농도조절장치와 블로어를 제어/모니터링하여 실증시험을 수행할 수 있다.

대상 데이터

10은 폭발하중을 측정하기 위해 설치된 압력 센서들의 위치를 보여주고 있다. 가스구름 주변에 큰 폭발압력이 예상되는 위치를 선정하였으며 Process Deck의 높이 방향으로 4개의 수평면상에 폭발시험모형의 주요설비에 해당하는 형상 구조물에 설치하였다. 설치된 압력 센서의 주요사양은 최대측정범위는 3.
, 2010). 본 연구에서는 가스구름 주변의 구조밀집도 변화에 따른 폭발 압력 변화를 고찰할 수 있도록 Table 2와 같이 더미 파이프의 개수에 따라 총 5개의 시나리오를 선정하였다. Fig.
45%가 되도록 설정하였으며 블로어의 가동시간을 10분으로 설정하여 내부 순환이 충분히 되어 균일한 가스 농도가 되도록 하였다. 사용된 가스 농도 센서는 블로어 내부에 한 개(20% 농도까지 측정), 그리고 가스구름지그 내부에 한 개(5% 농도까지 측정), 총 두 개의 검교정된 센서를 사용하였다.
본 연구에서 개발 정립된 해양플랜트 폭발사고 위험도 평가/ 관리를 위한 실증시험 절차를 검증하기 위해 폭발 실증시험을 진행하였다. 실증시험에는 액화석유가스(LPG)를 사용하였으며 구성 성분은 Table 1과 같다. 가스구름지그는 가로, 세로, 높이가 각각 4 m, 4 m, 3 m이고 Fig.
야외시험장은 250×180 m 면적의 야외 시험공간으로 그 중앙 부에 27×22 m의 철근 콘크리트 기초가 있어 해양플랜트 상부구조 형상의 폭발시험모형을 설치할 수 있다. 폭발시험모형은 Fig. 4에서 보는 바와 같이 현재 해양플랜트 산업현장에서 설계/제작 되고 있는 구조형태로 제작되었으며 전체 크기가 길이 20 m, 폭 15 m, 높이 10 m로써 총 3개의 갑판(deck) 구조와 이를 지지하는 원형파이프 부재들로 구성되어 있다. 3개의 갑판 중 가운데 Mezzanine Deck는 Grating 구조로 그리고 상하의 Upper Deck 와 Process Deck는 강판구조로 되어 있다.
해양플랜트 폭발사고 위험도 평가/관리를 위한 실증시험설비의 구성은 야외시험장, 폭발시험모형, 가스공급설비, 제어실로 구성되어 있다.

성능/효과

12는 실증시험에서 측정된 최대 압력을 위치별로 보여주고 있다. Fig. 11에서 확인한 바와 같이 구조밀집도가 높은 시나리오에서 높은 최대 압력이 측정되었으며 Case I과 Case II의 경우는 최대 압력 증가가 미비하나 Case V의 경우는 Case IV에 비해 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 더미 파이프의 개수가 증가할수록 점화위치와의 거리가 가까워져서 이로 인한 상호작용의 영향으로 보여지며 추후 별도의 논문에서 CFD 해석 기법 등을 활용하여 검증할 예정이다 (Bauwens et al.
11은 실증시험에서 얻은 대표적인 폭발하중 특성을 보여주고 있다. MP1과 MP12위치에 설치된 압력 센서의 측정결과를 살펴보면 구조밀집도(structural congestion)가 증가할수록 폭발로 인해 발생하는 최대 압력(peak pressure)이 증가하고 최대 압력에 도달하였다가 감소하는 시간이 짧아짐을 확인할 수 있다.
가스구름 내부의 구조밀집도가 증가할수록 폭발로 인해 발생하는 최대 압력이 증가하고 최대 압력에 도달하였다가 감소하는 시간이 짧아짐을 실증시험에서 확인할 수 있었다.
가스구름 내부의 구조밀집도와 최대 폭발압력은 정비례 관계로 증가하지 않고 조건에 따라 급격하게 증가함을 실증시험에서 확인할 수 있었다.
실증시험은 개발된 절차에 따라 진행되었으며 작업자가 어려움 없이 안전하게 실험을 모두 마칠 수가 있었다. 실재 실증시험에서는 적외선 카메라방식의 가스감지기를 활용하여 가스밸브 및 가스구름지그의 밀폐용 비닐막에서 가스 누출이 없는지 그리고 폭발 후 잔류 가스의 유무를 확인하였다.

후속연구

가스구름 내부의 구조밀집도와 점화원의 위치에 따른 폭발 하중특성에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
개발된 시험절차는 폭발하중의 특성을 파악하기 위해 수행되는 CFD해석에 대한 모델링 및 해석결과의 불확실성 검증에 활용될 수 있는 실증시험 DB 구축에 유용하게 활용될 수 있을 것이라 판단된다.
11에서 확인한 바와 같이 구조밀집도가 높은 시나리오에서 높은 최대 압력이 측정되었으며 Case I과 Case II의 경우는 최대 압력 증가가 미비하나 Case V의 경우는 Case IV에 비해 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 더미 파이프의 개수가 증가할수록 점화위치와의 거리가 가까워져서 이로 인한 상호작용의 영향으로 보여지며 추후 별도의 논문에서 CFD 해석 기법 등을 활용하여 검증할 예정이다 (Bauwens et al., 2010; Pefersen & Middha, 2012).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해양플 랜트 설비에서의 사고는 어떤 피해를 초래하는가?	해저에 매장된 원유, 가스 등을 탐사, 시추, 생산하는 해양플 랜트 설비에서 발생할 수 있는 각종 사고는 인명, 재산, 환경에 심각한 피해를 초래한다. 그 중에서 다양한 공정설비가 밀집되어 설치, 운영되고 있는 상부구조(topsides)에서 발생하는 가연성물 질의 누출 및 폭발화재 사고는 매우 심각한 위험요소로 인식되고 있다.
	전산유체역학 및 유한요소해석 기법 외에 해양플랜트 폭발사고 위험도 평가/관리를 위한 실증시험설비가 필요한 이유는 무엇인가?	그러나 전산유체역학 및 유한요소해석 기법의 적용은 실재 폭발사고의 복잡한 거동을 해석할 수 있는 최선의 방법이지만 모델링 및 해석결과의 불확실성에 대한 검증이 필요하다 (Paik et al., 2014).
	해양플랜트의 상부구조(topsides)의 어떤 사고가 위험요소로 인식되는가?	해저에 매장된 원유, 가스 등을 탐사, 시추, 생산하는 해양플 랜트 설비에서 발생할 수 있는 각종 사고는 인명, 재산, 환경에 심각한 피해를 초래한다. 그 중에서 다양한 공정설비가 밀집되어 설치, 운영되고 있는 상부구조(topsides)에서 발생하는 가연성물 질의 누출 및 폭발화재 사고는 매우 심각한 위험요소로 인식되고 있다. 이러한 해양플랜트 폭발화재 사고에 대한 안전설계기법은 1988년 북해에서 발생한 Piper Alpha 사고를 계기로 Fig.

참고문헌 (11)

Al-Hassan T. & Johnson D.M., 1998. Gas explosions in large scale offshore module geometries: overpressures, mitigation and repeatability. The International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering: Lisbon, Portugal.
Bae, M.H. & Paik, J.K., 2018. Effects of structural congestion and surrounding obstacles on the overpressure loads in explosions: experiment and CFD simulations. Ships and Offshore Structures, 13(2), pp.165-180.

상세보기
Bauwens C.R., Chaffee J. & Dorofeev S., 2010. Effect of ignition location, vent size, and obstacles on vented explosion overpressures in propane-air mixture. Composites Science and Technology, 182, pp.1915-1932.
Gexcon AS, 2017. CFD Validation. (Updated 13, 10, 2017), Available at: URL: http://www.gexcon.com/flacs-software/article/cfd-validation [Accessed 01 December 2017]
Hansen, O.R., Hinze P., Engel D. & Davis S., 2010. Using computational fluid dynamics (CFD) for blast wave predictions. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 23, pp. 885-906

상세보기
Mercx, W.P.M., 1994. Modelling and experimental research into gas explosions. Overall report of the MERGE project, CEC contract: STEP-CT-0111 (SSMA). Belgium: European Commission.
Paik, J.K. & Czujko, J., 2011. Explosion and fire engineering of FPSO (EFEF JIP), Definition of design fire loads. FABIG Newsletter, 58, pp. 15-28.
Paik, J.K., Czujko, J., Kim, B.J., Seo, J.K., Ryu, H.S., Ha. Y.C., Janiszewski, P. & Musial, B., 2011. Quantitative assessment of hydrocarbon explosion and fire risks in offshore installations. Marine Structures, 24, pp. 73-96.

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Paik, J.K., Czujko, J., Kim, S.J., Lee, J.C., Kim, B.J., Seo, J.K. & Ha, Y.C., 2014. A new procedure for the nonlinear structural response analysis of offshore installations in explosions. Proceedings of Society of Naval Architects and Marine Engineers Maritime Convention, TX, USA, 22-24 October 2014.
Pefersen, H.H. & Middha, P., 2012. Modelling of vented gas explosions in the CFD tool FLACS. Transactions of Chemical Engineering, 26, pp.357-362.
Selby, C. & Burgan, B., 1998. Blast and fire engineering for topside structures, phase 2, final summary report. Steel Construction Institute Publication No. 253. UK: Steel Construction Institute.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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