[논문]3D 스캔과 CFD를 활용한 LPG 폭발사고의 누출량 산정에 관한 연구

조완수; 김의수

doi:10.14346/jkosos.2018.33.3.1

3D 스캔과 CFD를 활용한 LPG 폭발사고의 누출량 산정에 관한 연구
A Study on Calculation of Leakage for LPG Explosion Accident using 3D Scan and CFD 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.33 no.3, 2018년, pp.1 - 7

조완수 (한국가스안전공사 재난관리처) , 김의수 (한국교통대학교 산업경영안전공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, various engineering approaches have been widely used in the accident investigation field to identify the cause of the accident and to predict damage by accident. Computational analysis is the most commonly used method of accident investigation technique. This technique is mainly used to identify the mechanism of the accident generation and to determine the cause when it is difficult to reproduce the situation at the time of the accident or when it is impossible to perform a reproduction experiment. In this study, The gas explosion analysis for LPG explosion accident generated by defect of the blocking action was performed to determine the accident object, gas leakage amount and predicted the damage caused by the accident using 3D laser scanner and FLACS program. We can quantify the explosive power by LPG gas accident and predict the gas leakage amount, damage by accident and evaluate the stability of the structure through this study. In the future, This method can be widely used in the field of gas safety by improving the reliability and validity of the analysis.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이에 본 연구에서는 막음 조치 불량으로 최근에 발생된 상가 주택의 LPG 폭발 사고를 바탕으로 Fig. 1에서 나타낸 바와 같이, 실제 사고 현장의 3D 형상 재구성을 위해 3차원 광대역 레이저 스캐너를 사용하여 폭발 대상 및 주변을 모델링하고 가스의 확산과 폭발, 화연과 충격파의 전달 해석 등에 장점을 가지고 있는 폭발 피해 예측 전용 해석 프로그램인 FLACS를 활용하여 폭발 위력 해석을 수행함으로써 가스 폭발 사고 발생 시 누출량을 산정할 수 있는 기술을 확보하고 정확한 가스 사고 원인 분석에 활용하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 대형 인적 및 물적 피해를 잠재하고 있는 가스폭발사고의 주요 대상물인 LP가스에 대해막음 조치 불량으로 실제 발생된 상가 주택의 폭발 사고를 바탕으로 3차원 광대역 레이저 스캐너를 사용하여 폭발 대상 및 주변을 모델링하고 폭발 피해 예측 전용해석 프로그램인 FLACS를 활용하여 폭발 위력 해석을 수행함으로써 피해 영향 비교분석을 통한 가스 누출량을 산정하였다. 가연성가스는 폭발범위가 존재하고 폭발한계 내에 있는 가스에 점화원이 작용하면 언제든지 연소반응을 일으켜 폭발이 발생할 수 있으므로 가스폭발 사고조사의 핵심은 가스가 누출된 개소와 누출량을 얼마나 정확히 산정하는 데 있다.

대상 데이터

본 연구에 적용된 가스누출에 의한 폭발사고는 상가주택 내 LPG 사용배관에 막음조치가 되어 있지 않아 LP가스가 누출되어 발생하였고 이로 인해 상가 내 1명과 행인 2명이 부상을 입는 인적피해를 초래하였으며 상가주택은 복구가 불가할 정도로 손상이 매우 심하고 인근 상가건물 2개동과 40∼50 m떨어진 상가건물 3개동의 건물일부와 유리창이 파손될 정도의 폭발 위력을 나타내었으며 사고현장 및 피해상황 등을 Fig. 2에 나타내었다. 최근에는 사고 재구성을 위해 다양한 첨단장비를 이용하여 실제 사고 현장을 재현하는 기법이 많이 사용되고 있으며, 본 연구에서는 폭발이 발생한 상가주택과 그 주변에 대하여 현장 3D 형상 재구성을 위해 3차원 광대역 레이저 스캐너를 사용하였다⁸⁾.

데이터처리

3D 스캔을 활용한 현장 재구성 방법의 또 다른 특징은 스캔 데이터를 통해 폭발 후 사고 대상 건물의 변형률을 분석하면 폭발이 발생한 중심, 즉 폭심의 위치를 파악할 수 있다는 것이다. 본 연구에서 다루는 폭발 사고의 폭심위치를 파악하기 위해 사고건물의 정면 및 1층 천정의 스캔 데이터를 Cyclonee 프로그램을 활용⁹⁾여 편집을 실시하였고 결과 데이터를 변형률 도출이 가능한 3D Reshaper 프로그램을 이용하여 사고 건물전체의 변형률을 분석하였다¹⁰⁾. Fig.

성능/효과

3은 1층 천정의 변형을 보여주는 데이터로 문방구 및 식당이 약 4 cm 치솟은 반면 목재사무실 천정은 34~38 cm의 변형을 나타내었다. 상기 변형률 결과를 종합해볼 때, 폭심은 목재사무실에서 발생했다는 것을 파악할 수 있었다.
그 결과를 Case 및 게이지별로 구분하여 Table 5에 나타내었다. 실제 사고로 인해 관찰된 피해 영향과 폭발 해석 결과를 통한 영향을 비교분석한 결과, Case2의 경우가 가장 근접한 폭발압력 및 피해정도를 나타낸다고 판단되고 이에 해당하는 LP가스 누출량을 약 4% 정도 가정하면 그 양은 약 8.06 kg 정도로 사료되며, 8.06 kg정도의 누출량은 실제 유량계를 활용하여 테스트 한 결과 약 1.54시간 정도 LP가스가 누출된 것으로 추정된다.
15 kPa로 나타났다. 폭발 시 사고건물 내부 유체의 최대 흐름속도는 Fig. 9에 나타낸 바와 같이, Case1의 경우 약 24.57 m/s, Case2는 약 41.82 m/s, Case3일 때는 약 24.15 m/s로 폭속의 경우도 Case2가 가장 큰 것을 알 수 있다. 해석 수행의 신뢰성 확보및 폭발사고로 인한 피해 영향을 판단하기 위해 FLACS 해석을 통해 산출된 폭발과압과 Table 4에 제시된 KOSHA GUIDE P-102-2012의 폭발 과압의 영향 판단표를 비교, 검토 하였다¹¹⁾.

후속연구

동일한 가스의 누출이라 하더라도 가스폭발사고는 건물 밀폐 및 개방정도, 혼합산소비, 누출체적, 건물벽체 재질 등에 따라 폭발위력이 큰 차이를 나타내므로 이에 관한 면밀한 분석도 필요하다. 이에 본 연구는 LP가스 사고에 대한 위력을 상용 프로그램을 통하여 정량함으로써 향후 가스폭발 사고 원인 분석에 활용하여 위력 평가를 통한 가스 누설량 추정 및 구조물 안정성 평가 등을 수행할 수 있을 것으로 판단되며 향후 추가적인 연구를 통해 해석 신뢰성과 타당성을 향상시킴으로써 가스 안전 분야에 광범위하게 유용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	한국가스안전공사 가스 사고 통계자료에서 LP 가스로 인한 피해 비율은 얼마인가?	한국가스안전공사 가스 사고 통계 자료를 참조해보면 전체 가스 사고 유형 중 가스폭발이 약 36%로 가장 높은 비율을 차지하고 있으며 그 중 LP 가스로 인한 피해는 67%에 달한다1). 이러한 가스폭발사고의 주요 원인은 배관 및 호스 체결 불량 및 균열, 가스 기구 결함 등에 의한 가스 누설에 의한 폭발사고가 대부분을 차지하고 있으며 물적 및 인적 피해는 점차 줄어들고 있으나 아직도 전체 안전사고 중 높은 비율을 차지하고 있다.
	가스폭발사고의 폭발 위력 차이를 일으키는 요인은 무엇인가?	이러한 가스폭발사고의 주요 원인은 배관 및 호스 체결 불량 및 균열, 가스 기구 결함 등에 의한 가스 누설에 의한 폭발사고가 대부분을 차지하고 있으며 물적 및 인적 피해는 점차 줄어들고 있으나 아직도 전체 안전사고 중 높은 비율을 차지하고 있다. 가스폭발사고는 가스 종류, 가스 누설량, 혼합산소비, 누설 체적, 건물 벽체 재질 등에 따라 폭발 위력이 큰 차이를 나타내며, 기존 연구에서는 가스 자체폭발 특성에 대한 연구가 주를 이루어왔다2-5).
	가스 사고 유형 중 가스폭발의 주요 원인은 무엇인가?	한국가스안전공사 가스 사고 통계 자료를 참조해보면 전체 가스 사고 유형 중 가스폭발이 약 36%로 가장 높은 비율을 차지하고 있으며 그 중 LP 가스로 인한 피해는 67%에 달한다1). 이러한 가스폭발사고의 주요 원인은 배관 및 호스 체결 불량 및 균열, 가스 기구 결함 등에 의한 가스 누설에 의한 폭발사고가 대부분을 차지하고 있으며 물적 및 인적 피해는 점차 줄어들고 있으나 아직도 전체 안전사고 중 높은 비율을 차지하고 있다. 가스폭발사고는 가스 종류, 가스 누설량, 혼합산소비, 누설 체적, 건물 벽체 재질 등에 따라 폭발 위력이 큰 차이를 나타내며, 기존 연구에서는 가스 자체폭발 특성에 대한 연구가 주를 이루어왔다2-5).

참고문헌 (11)

Annual Gas Accident Statistics, Gas Accident Almanac, Korea Gas Safety Corporation, pp. 27-32, 2016.
J. I. Bae, Y. S. Kim, Y. C. Seo and C. S. Shin, "Explosion Characteristics of Nonhomogeneous LPG-Air Mixtures", Journal of KIIS, Vol. 8, No. 4, pp. 114-119, 1993.
J. W. Choi, D. H. Lee, T. G. Kim, W. C. Min, W. S. Lim and B. S. Choi, "A Study on the Explosion Phenomenon and Flame Propagation of LP Gas", KIGAS, Vol. 11, No. 2, pp. 65-69, 2007.
J. W. Choi, I. S. Lee and S. T. Park, "The Explosion Characteristics of City Gas on the Chang of Oxygen Concentration and Pressure", KIGAS, Vol. 9, No. 1, pp. 38-43, 2005.
K. h. Oh, H. Kim, S. S. Kim, Y. D. Jo, J. W. Jo and S. K. Oh, "A Study on the Vented Gas Explosion Characteristics of Indoor Leakage of the LPG", KIGAS, Vol. 3, No. 3, pp. 51-57, 1999.
E. S. Kim, J. H. Sim, J. P. Kim and N. K. Park, "The Study on Evaluation of Human Body Injury by Explosion of Portable Butane Gas Range", J. Korean Soc. Saf., Vol. 31, No. 3, pp. 60-67, 2016.

원문보기 상세보기
E. S. Kim, J. H. Kim and M. G. Kim, "Forensic Engineering Study on the Explosion Accident Investigation of the Centrifugal Casting Machine Using ADINA FSI", J. Korean Soc. Saf., Vol. 26, No. 4, pp. 27-33, 2011.
E. S. Kim, J. H. Kim, J. H. Sim, J. P. Kim, J. M.. Koh and N. K. Park, "A Forensic Engineering Study on Evaluation of Explosive Pressure and Velocity for LNG Explosion Accident using AUTODYN", J. Korean Soc. Saf., Vol. 30, No. 4, pp. 56-63, 2015.
"Cyclone Ver,9.1.5 Leica Geosystems", 2017.
"3D Reshaper Ver 17.0.06.24515 HEXAGON", 2017.
"Technical Guidance on Accident Damage Prediction Techniques" KOSHA GUIDE P-102-2012, Korea Occupational Safety & Health Agency, 2012.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증