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문제 정의
- 물론 산업재해통계 분석 시에는 용접, 절단, 중량물 취급, 인화성물질 취급과 같은 유해·위험작업이 동시 다발적으로 수행되는 조선업 특성을 고려해야 한다는 의견이 있는 것이 사실이다. 따라서 본 연구에서는 2017년 선박 탱크 내부 도장 작업 중 발생한 화재·폭발사고에 대한 원인 조사를 통해서 한국 조선 현장의 현재에 대해서 검토하고 산업재해 예방을 위한 방안을 제시하고자 한다.
- 현장 조사 결과 사고 당시 인근에서 화기 작업이 없었고, Sprayer를 제외한 물리적 스파크를 야기할만한 작업도구가 없었던 것으로 확인 되었다. 따라서 스프레이 작업 간에 발생하는 정전기나 작업등이 점화원으로 작용하였을 가능성에 대해서 검토하였다. 먼저 스프레이 펌프의 대지저항 측정결과는 관련 기준을 충족하는 수준이었고, 사고 당시 상대습도 또한 높은(66%) 수준으로 정전기에 의한 폭발 가능성은 낮은 것으로 나타났다.
제안 방법
- C14, C15, C21사고요인에 대한 적정성 검토를 통하여 작업등이 점화원으로 작용할 수 있었는지에 대해 검토하였다.
- 물질안전보건자료에 대한 신뢰도와 보다 정확한 사고원인을 추정하기 위해서 인화점과 자연발화점에 대한 실험을 진행하였다. 인화점은 Fig.
- 사고 당시 탱크의 구성 부재와 철재 Plate에 대한영향을 고려하기 위해서 철재 Plate 전체 10 mm 두께로 3차원 모델링을 실시하였다. Grid는 철재 Plate에 대한 Porosity가 없도록 하기 위해서 XYZ 방향에 대해 5 mm로 정의하였으며, 이에 따른 Control volume은 168 x 98 x 250 (xyz) 수준이었다.
- 설치된 환기설비가 탱크내부에서 발생하는 유기용제를 적절히 처리할 수 있었는지에 대해 검토하기 위해 기존에 검증된 기술기준과 실험을 통하여 탱크 내부 환기상태에 대해 검토하였다.
- 작업등이 점화원으로 작용 가능한가에 대해서 검토하기 위해서 사고 당시 설치된 방폭등 4기에 대해 전선 접촉부에 대해서 육안검사를 실시한 결과, 아크흔을 확인할 수 없었으며, 자연발화 가능성에 대해 검토하기 위해서 FLIR사의 TI400열화상 카메라를 이용한 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 2017년 8월 경남의 한 조선소 탱크 내부에서 도장작업 중 발생한 폭발사고에 대해서 조사하였다. 조사과정에서 인화점 측정, 열화상 분석, 환기설비분석, 폭발 CFD해석 등을 이용하여 검토한 결과 도장 작업 중 Spray loss와 도막 건조과정에서 발생하는 인화성 증기가 환기설비의 용량부족, 파손된 덕트의 사용으로 인하여 탱크내부에 누적되며 가연물로 작용하였던 것으로 나타났다.
- 본 연구의 대상 사고사례는 2017년 경남 소재 조선소 안벽에서 건조 중이었던 유조선 잔유저장탱크(Residual oil tank)에서 도장작업 중이던 근로자 4명이 화재·폭발로 인하여 질식 사망한 사고이다.
- 사고 당시 사용한 도료는 주제(Paint)와 경화제 (Curing agent)로 구성되어 있으며, 2017년 7월 5일 개정되어 배포된 한국어판 물질안전보건자료와 제조사에서 제공한 자료를 기반으로 환산한 물성과 조성은 Table 3, Table 4와 같았다.
이론/모형
- 사고전개 과정은 Fig. 1에서와 같이 ECFC방법으로 정리하였고, 사고 당시 상황은 Fig. 2와 같이 도식화 하였다.
- 인화점은 Fig. 8과 같이 태그밀폐식 인화점시험기(TAG4, Petrotest Co.)를 사용하였으며, 측정 방법은 KS M 2010[6]에서 규정된 실험방법을 준용하여 실시하였다.
- 도장면 손상부위와 폭발시뮬레이션 결과와 비교를 위해서 FLACS code를 이용하였다. FLACS code는 Cartesian grid 기반의 유한체적법을 이용하여 가스확산, 화재․폭발 해석을 위해 널리 이용되고 있는 수치해석 방법으로 Hansen[10]에 의해 검증된 바 있으며, 그 외에도 많은 사람들에 의해서 검증되었다.
- 자연발화점은 측정장치(ZPA-3, Petrotest Co.)를이용하여 DIN 51794[7]에서 규정된 실험방법을 준용하였다. 이는 일정온도의 물체 표면에 시료를 접촉시켜서 발화여부를 평가하는 정온법 중에서 접촉법에 의한 실험 방법으로 Fig.
- Grid는 철재 Plate에 대한 Porosity가 없도록 하기 위해서 XYZ 방향에 대해 5 mm로 정의하였으며, 이에 따른 Control volume은 168 x 98 x 250 (xyz) 수준이었다. 증기 조성은 제조사에서 제공한 인화성액체 조성에 Acitivity coefficient를 이용한 Modified Rault의 법칙에 따라 산출하였으며, 관련 Physical properties를 재정립하여 적용하였다. 또한 사고 당시 인화성 증기의 농도에 대해서 정확히 산출할 수 없는 제한 때문에 Equivalent ratio는 0.
성능/효과
- 21가지 Case에 대한 CFD해석 결과와 2차 도장 Damage AA ∼ FF까지의 특성에 대해서 비교 검토한 결과 Equivalent ratio(ER)는 0.6, 점화원은 No.2light인 경우에 모든 도장 Damage 특성을 충족시킬 수 있는 것으로 나타났다. AA, BB, CC, DD, EE 특성은 ER 0.
- 결과적으로 도장면에서 증발된 증기와 스프레이 과정에서 Loss로 발생한 증기의 비중이 (2.0 – 3.0로 추정) 공기보다 무겁고, 환기설비 구조상 상부에서 유입된 공기가 하부로 배출되는 형태였으며, 탱크 하부로 갈수록 환기 조건이 악화되는 형태였으므로, 탱크 하부에서부터 상부로 인화성 증기의 농도가 점차적으로 낮아지는 형태로 누적되었을 것으로 추정되었다.
- 결과적으로 폭발이 발생하기 전에 작업등에 손상이 발생하였거나 방폭 성능상의 문제로 인하여 내부로 가스가 유입되었고, 램프 온도로 인한 자연발화로 폭발이 발생하였다고 보는 것이 가장 타당한 것으로 나타났다. 또한 No.
- 도료에 사용된 유기용제의 인화점이 사고 당시 기온보다 낮았고, 그 이외에 가스폭발을 일으킬 만한 물질이 없었으므로 스프레이 도중 발생하는 Loss(Rule of thumb으로 탱크 도장 시에는 약 30%의 Loss적용[5])와 도장면에서 발생한 인화성 증기에 의해서 폭발이 발생하였던 것으로 추정되었다.
- 따라서 스프레이 작업 간에 발생하는 정전기나 작업등이 점화원으로 작용하였을 가능성에 대해서 검토하였다. 먼저 스프레이 펌프의 대지저항 측정결과는 관련 기준을 충족하는 수준이었고, 사고 당시 상대습도 또한 높은(66%) 수준으로 정전기에 의한 폭발 가능성은 낮은 것으로 나타났다.
- 5 ℃로 측정된 반면, 도료의 유기용제의 자연발화점은 최저 415 ℃로 측정되어 내부로 가스가 유입되어야만 점화원으로 작용할 수 있는 것으로 나타났다. 실제 사용된 작업등은 형식인증 받은 제품과는 많은 차이점이 있는 것으로 나타나, 그 방폭 성능(기밀성능)에 대해서는 보장할 수 없는 상태였으며, 사고 장소 외의 작업등에 대해 조사한 결과 글로브가 깨진 채로 사용되고 있는 작업등을 다수 확인 할 수 있었다.
- 2017년 8월 경남의 한 조선소 탱크 내부에서 도장작업 중 발생한 폭발사고에 대해서 조사하였다. 조사과정에서 인화점 측정, 열화상 분석, 환기설비분석, 폭발 CFD해석 등을 이용하여 검토한 결과 도장 작업 중 Spray loss와 도막 건조과정에서 발생하는 인화성 증기가 환기설비의 용량부족, 파손된 덕트의 사용으로 인하여 탱크내부에 누적되며 가연물로 작용하였던 것으로 나타났다. 점화원으로는 방폭성능 미인증 전기등의 글로브 균열 또는 기밀성능 실패로 인하여 가스가 유입되면서 점화원으로 작용하였던 것으로 보는 것이 타당한 것으로 나타났다.
- 폭발 시뮬레이션 결과 Equivalent ratio 0.6 수준 혹은 그 이하의 인화성 증기가 Tank bottom에서부터 1st deck 상부 20 cm 까지 형성되어 있었던 것으로 분석 되었다. 1st deck 상부 50 cm 높이에서의 시뮬레이션 결과 과도한 thermal damage로 인하여 AA damage를 확인할 수 없었다.
- 물론 앞서 언급한 두 가지 형태로 발생한 인화성 증기량보다 환기 조건이 뛰어나다면 탱크 내부는 폭발분위기를 형성할 수 없었을 것이다. 하지만 사고 당시 설치된 환기 조건에 대해서 검토한 결과 기본적으로 8.87 ACH 수준의 낮은 환기조건이었고, 탱크 하부로 갈수록 평균 공기연령이 급격히 낮아져 5 ACH(675 s, mean age of air) 수준까지 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 LEL의 25%이하로 유지하기 위환 환기조건 산출 결과보다 낮게 나타나 발생하는 인화성 증기량을 적절히 해소할 수 있는 수준은 아니었던 것으로 검토되었다.
- 현장 조사 결과 사고 당시 인근에서 화기 작업이 없었고, Sprayer를 제외한 물리적 스파크를 야기할만한 작업도구가 없었던 것으로 확인 되었다. 따라서 스프레이 작업 간에 발생하는 정전기나 작업등이 점화원으로 작용하였을 가능성에 대해서 검토하였다.
후속연구
- 물론 그와 더불어 주목할 만한 재해율 감소라는 성과도 이루어냈다. 하지만 이번 사고조사를 통해서 알 수 있듯이 환기설비 적용 기준에 대한 연구, 방폭 설비 관리체계 구축이 된다면 폭발사고예방과 더불어 조선업 재해율을 크게 줄일 수 있을 것이라고 판단한다.
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