[논문]지하매설 고압 가연성 가스 배관의 누출시나리오에 따른 피해 영향 거리

김혜영; 정승호

doi:10.14346/jkosos.2018.33.3.33

지하매설 고압 가연성 가스 배관의 누출시나리오에 따른 피해 영향 거리
Investigation on Damage Effect Distance for High Pressure underground Flammable Gas Pipelines 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.33 no.3, 2018년, pp.33 - 38

김혜영 (아주대학교 환경안전공학과) , 정승호 (아주대학교 환경안전공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Defects in piping caused by corrosion or external impact of underground piping can lead to high risk of rupture of the piping due to high pressure. Flammable gas can be immediately ignited when discharged from piping, causing a jetfire. The damage of the radiant heat not only threatens the health of the workers who work in the industry but also the health of the people living in the neighboring residential areas. It is important to prevent and prepare before an accident occurs. In this study, three types of flammable gas underground piping accident scenarios were investigated, and the ranges of influence were determined using Phast ver7.2. and finally regression models were formulated to predict the ranges using excel and Matlab.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

long pipeline model과 line rupture 및 user defined source를 병행하여 사용하였는데 이는 거리에 따른 마찰의 영향성을 제외하고 보수적인 누출량을 산출해내기 위함과 동시에 내부직경과 압력에 따른 식으로 정리하고자 함이다.
본 논문에서는 매설배관 정량적 위험성 평가 절차 중 사고 영향분석을 연구하였으며, 이는 화재 또는 폭발로 인한 피해를 분석하는 방법이다⁴⁾.
이 논문에서는 우리나라에서 사용량과 사고빈도가 가장 높은 가연성 가스인 메탄, 프로판 그리고 특별관리지정물질 중 인화성이 높은 부타디엔 3가지의 물질에 대한 영향 범위를 도출하였다. 추후 연구를 통해 다양한 물질에 대한 영향 범위를 산출하고 수식을 도출 한다면 전문적인 위험성 평가를 하기 어려운 사업장에서 지하매설배관 설치 전/후로 영향 범위를 쉽게 예측하여 비상대피계획수립에 도움을 줄 것을 기대한다.
그리고 이 결과값들을 Excel과 Matlab을 이용하여 가연성 가스 물질들의 간단한 수식을 도출해 냈다. 이 연구의 목적은 가연성 지하매설배관 지역 혹은 대상 가연성 가스 취급사업장에서 누출․폭발 사고 시 근로자 및 인근 주민에게 미칠 수 있는 영향을 예측하고 피해를 최소화 할 수 있는 비상 대응을 수립하는데 도움을 주는 것이다.

가설 설정

가장 위험반경이 넓은 경우를 계산하기 위해 보수적인 시나리오를 가정하였다. 배관은 완전히 파열된 상태를 고려하였고, 즉시 발화되는 점을 고려해⁹⁾ jetfire 시나리오로 선정하였다.
본 연구에서는 Table 5, 6, 7과 같이 파이프라인의 두 끝에는 저장고가 달려있으며 지속적인 연료공급이 가능한 것을 가정하였으며 파이프 누출은 두 끝이 있는 직경 3~16 inch 파이프의 중간지점의 (500 km) 완전 파열로 모델링되었다. 본 논문에서는 일반적으로 지하 배관 영향 범위 도출 실험에 사용되는 매설 깊이인 1m에서 누출된 것을 가정하여 누출 시 배관 주변으로 생기는 crater의 영향과 보수적인 접근을 위하여 45°로 제트화재 방향을 기울여 지면 쪽에 가깝게 시뮬레이션 하였다¹³⁾.
위험 영향 범위를 산출하기 위해서 다양한 모듈을 바탕으로 화재, 폭발, 누출 현상을 모사할 수 있는 DNV-GL 사의 Phast 프로그램을 사용하여 지하매설배관의 중간지점에서 완전히 파열되어 jetfire로 이어졌을 경우를 가정하였다. 또한, 지하매설배관인 점을 고려하기 위하여 jetfire의 각도(기울기 - 45^∘)와 속도(Phast의 속도 보정 계수값인 0.
즉, 파이프라인에서의 방출 유량 값은 short pipeline rupture model을 사용하여 구하였으며 양쪽누출 가정하여 그 값에 2배를 하였다. 그 값은 long pipeline model의 누출률을 보정하는데 사용되었다.

제안 방법

배관은 완전히 파열된 상태를 고려하였고, 즉시 발화되는 점을 고려해⁹⁾ jetfire 시나리오로 선정하였다. 기상조건은 Table 3, 4와 같이 purple book¹⁰⁾의 기상조건을 참고하여 sensitive analysis를 통해 그중 가장 영향 범위가 보수적인 9 m/s - D 기상조건을 선택하였다.
4 kW/m², 치사율 100%인 35 kW/m²별로 도출하였다. 도출한 영향범위 값을 수식화를 통해 각각 물질별로 수식을 정리하였다.
가장 위험반경이 넓은 경우를 계산하기 위해 보수적인 시나리오를 가정하였다. 배관은 완전히 파열된 상태를 고려하였고, 즉시 발화되는 점을 고려해⁹⁾ jetfire 시나리오로 선정하였다. 기상조건은 Table 3, 4와 같이 purple book¹⁰⁾의 기상조건을 참고하여 sensitive analysis를 통해 그중 가장 영향 범위가 보수적인 9 m/s - D 기상조건을 선택하였다.
본 논문에서는 일반적으로 지하 배관 영향 범위 도출 실험에 사용되는 매설 깊이인 1m에서 누출된 것을 가정하여 누출 시 배관 주변으로 생기는 crater의 영향과 보수적인 접근을 위하여 45°로 제트화재 방향을 기울여 지면 쪽에 가깝게 시뮬레이션 하였다13).
본 연구에서는 Fig. 3과 같이 가스별 사용량과 사고 빈도가 높은 프로판, 메탄, 그리고 특별관리물질 중 인화성이 높은 부타디엔 3가지 물질의 위험 범위를 Phast ver7.2로 도출했으며 고압가스 배관의 지름(직경), 운전압력에 따른 누출로 인한 화재, 폭발 시 피해 범위를 예측하고 부타디엔, 메탄, 프로판에 대하여 누출원의 크기, 운전압력에 따른 피해 범위의 상관관계를 제시하였다.
본 연구에서는 영향 범위 산정을 위해 DNV_GL사의 Phast(Process industries Hazard Analysis Software Tool) 프로그램을 이용하여 가스별 사용량과 사고빈도²⁾가 가장 높은 프로판, 메탄 그리고 특별관리물질 중 인화성이 높은 부타디엔 지하매설배관에서 예기치 못한 누출로 인해 사고가 났을 때 배관의 직경과 압력을 변수로 각각의 경우를 고려하여 그에 따른 복사열에 대한 위험 영향 거리를 계산하였다. 그리고 이 결과값들을 Excel과 Matlab을 이용하여 가연성 가스 물질들의 간단한 수식을 도출해 냈다.
본 연구에서는 지하매설 고압 가연성 배관의 누출로 인한 제트화재 발생 시 피해 범위를 물질(butadiene, Methane, Propane), 크기(직경), 운전압력에 따른 상관관계를 수식으로 도출하였다.
영향 거리 산출 기준은 jetfire의 영향 거리를 기준으로 하였으며 영향 거리는 5 kW/m², 19.4 kW/m², 35 kW/m²에서의 값을 측정하였다.

데이터처리

가 가장 높은 프로판, 메탄 그리고 특별관리물질 중 인화성이 높은 부타디엔 지하매설배관에서 예기치 못한 누출로 인해 사고가 났을 때 배관의 직경과 압력을 변수로 각각의 경우를 고려하여 그에 따른 복사열에 대한 위험 영향 거리를 계산하였다. 그리고 이 결과값들을 Excel과 Matlab을 이용하여 가연성 가스 물질들의 간단한 수식을 도출해 냈다. 이 연구의 목적은 가연성 지하매설배관 지역 혹은 대상 가연성 가스 취급사업장에서 누출․폭발 사고 시 근로자 및 인근 주민에게 미칠 수 있는 영향을 예측하고 피해를 최소화 할 수 있는 비상 대응을 수립하는데 도움을 주는 것이다.

이론/모형

Phast의 long pipeline model은 Fannelop과 Rhyming의 연구.¹²⁾를 기반으로 한다. 이 모델은 배관 길이 대 직경 비율이 300보다 훨씬 큰 경우에 적용할 수 있다.

성능/효과

각각의 물질(butadiene, Methane, Propane)에 따른 피해 영향 거리를 화학물질안전원의 장외영향평가 끝점 거리인 5 kW/m2, 치사율 50%인 19.4 kW/m2, 치사율 100%인 35 kW/m2 별로 도출하였다.
그 결과 Phast 프로그램값과 수식화를 통해 도출된 식의 영향 범위값의 R² 값이 0.997~1로 매우 일치함을 보였다. 본 연구에서 도출한 수식을 통하여 지하 배관 공정에서의 운전압력, 온도, 배관구경을 사용 지하배관의 실정에 맞게 입력하여 간단한 방법으로 영향 범위를 예측할 수 있으며 새로운 조건의 지하매설고압배관을 설치할 때 사고 전 대비 성격의 정량적 위험성 평가 도구로 사용할 수 있다.
997~1로 매우 일치함을 보였다. 본 연구에서 도출한 수식을 통하여 지하 배관 공정에서의 운전압력, 온도, 배관구경을 사용 지하배관의 실정에 맞게 입력하여 간단한 방법으로 영향 범위를 예측할 수 있으며 새로운 조건의 지하매설고압배관을 설치할 때 사고 전 대비 성격의 정량적 위험성 평가 도구로 사용할 수 있다. 또한, 사고 시 수식만으로 빠르게 피해 영향 범위를 판단할 수 있다.

후속연구

이 논문에서는 우리나라에서 사용량과 사고빈도가 가장 높은 가연성 가스인 메탄, 프로판 그리고 특별관리지정물질 중 인화성이 높은 부타디엔 3가지의 물질에 대한 영향 범위를 도출하였다. 추후 연구를 통해 다양한 물질에 대한 영향 범위를 산출하고 수식을 도출 한다면 전문적인 위험성 평가를 하기 어려운 사업장에서 지하매설배관 설치 전/후로 영향 범위를 쉽게 예측하여 비상대피계획수립에 도움을 줄 것을 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	위험 영향 범위 도출 수식의 의의는 무엇인가?	997~1로 매우 일치함을 보였다. 본 연구에서 도출한 수식을 통하여 지하 배관 공정에서의 운전압력, 온도, 배관구경을 사용 지하배관의 실정에 맞게 입력하여 간단한 방법으로 영향 범위를 예측할 수 있으며 새로운 조건의 지하매설고압배관을 설치할 때 사고 전 대비 성격의 정량적 위험성 평가 도구로 사용할 수 있다. 또한, 사고 시 수식만으로 빠르게 피해 영향 범위를 판단할 수 있다.
	파이프라인의 손상 원인은 무엇인가?	우선으로 사고를 미리 방지하기 위해서 가장 먼저 수행되어야 하는 절차는 HAZOP, Check-list, FMECA 등과 같은 정성적인 위험성 평가 방법으로서 잠재적인 위험요소를 찾아내어 확인, 분석하고 그 이후에 위험을 제거하거나 통제하는 것이다. 파이프라인의 손상은 타공사로 인한 외부손상, 부식, 노화와 같은 다양한 잠재적 원인으로 인해 발생할 수 있다. 파이프라인의 파손으로 인한 화재, 폭발 등은 인근 사람, 재산 및 환경 에 심각한 피해를 준다.
	NFPA 704란 무엇인가?	NFPA(National Fire Protect Association, 미국 화재 예방 협회)에서 발표한 NFPA 704(안전과 비상대응을 위해 물질의 위험성을 쉽고 빠르게 식별할 수 있도록 만든 다이아 몬드 표식, Standard System for the Identification of the Hazards of Materials for Emergency Response)의 기준에 따르면 부타디엔, 메탄. 프로판은 아래의 Table 2와 같이 인화성 4등급의 물질로 매우 위험한 가연성 물질이다.

참고문헌 (13)

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상세보기
KOSHA, Material Safety Data Sheet, 1,3-butadiene, Methane, Propane
NFPA 704, Standard System for the Identification of the Hazards of Materials for Emergency Response, 2017.
Y. D. Jo, K. S. Park and B. J. Ahn, "Risk Assessment for High-pressured Natural Gas Pipeline in Urban Area, The Sustainable City III: Urban Regeneration and Sustainability. UK: WIT Press", 2004.
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