[논문]화학물질 저장 탱크와 방류벽 사이의 공간 부족 개선을 위한 누출 방지판의 안정성 평가 기준

이은별; 곽솔림; 최영보

doi:10.14346/jkosos.2018.33.5.42

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The Chemical Controls Act strictly regulates for the chemical companies to establish sufficient space between the liquid chemical tank and dike, but facilities already installed suffer from the space shortage between the tank and dike. Installing leakage preventing plates on the dike is considered a...

The Chemical Controls Act strictly regulates for the chemical companies to establish sufficient space between the liquid chemical tank and dike, but facilities already installed suffer from the space shortage between the tank and dike. Installing leakage preventing plates on the dike is considered as one of the economic solutions that can alleviate the space deficiency. However, there is no technical and reasonable criterion for the safety evaluation of the leakage preventing plate on the dike. In order to address this problem, we provide generalized and verified calculating equations that give maximum height and horizontal distance of leakage trajectories. Through the proposed equations, proper heights of the leakage preventing plates on the dike can be easily determined. In this study, new calculating methods are also developed to determine the impact force of the liquid to the leakage preventing plates. In addition, we performed the reactivity experiments between four corrosive liquid chemicals and two stainless steel materials that are candidate substances for the construction of the leakage preventing plate. The results of this study is expected to be applicable as a guideline in the design of safe dike and its leakage preventing plates.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Calculation scheme for the leakage liquid from the vertical cylindrical tank operating at ambient pressure.
그림 Fig. 2. Experimental set-up for the water leakage from vertical cylinder.
그림 Fig. 3. Calculation scheme for the impact forces of leakage liquid from the vertical cylindrical tank.
그림 Fig. 4. Trajectories of leakage liquid from the tank with 3 m of liquid level height : (a) c_d = 1 and (b) c_d = 0.61.
표 Table 1. Leakage velocities according to different liquid level heights, ratios of hole height to liquid level height and discharge coefficients
그림 Fig. 5. Maximum ratio of the hole height to liquid level height for the highest leakage trajectory.
그림 Fig. 6. Relation between the maximum heights and horizontal distance of the leakage trajectories for different liquid level heights : (a) c_d = 1 and (b) c_d = 0.61.
그림 Fig. 7. Trajectories of leakage liquid from the tank with c_d = 1 and a = 0.1.
그림 Fig. 8. Photos of the leakage experiments for different ratio(a) of the hole height to liquid level height : (a) a = 0.89 and (b) a = 0.56.
표 Table 2. Comparison of measured and calculated horizontal distances of leakage trajectories
표 Table 3. Properties of chemicals with high risk for leakage accident
그림 Fig. 9. Photos of (A) SUS304 and (B) SUS316 in 35 wt% HCl solution after the immersion of (a) 1 hour and (b) 5 hour.
그림 Fig. 10. Photos of (A) SUS304 and (B) SUS316 in 35 wt% H2O2 solution after the immersion of (a) 1 hour and (b) 5 hour.
표 Table 4. Impact forces of leaked liquid according to different areas of leakage hole, liquid level heights, and densities

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이러한 문제점을 극복하면서, 다양한 상황에 적용될 수 있는 Data를 제공할 수 있는 방법을 모색하였다. 먼저 취급량이 많고, 부식성이 강하며, 인체에 유해한 영향을 끼칠 수 있는 물질들을 선정했다.
아울러 누출 속도식을 운동량 방정식에 대입하여, 누출구의 크기 등에 따른 충격력을 계산함으로써, 누출 방지판의 내충격성을 평가하는데 필요한 기준을 제시하고자 했다. 그리고 누출 방지판의 제작에 적용되기 쉬운 2 종류의 스테인리스강(SUS304 및 SUS316)과 4 종류의 부식성 액체 화학물질 사이의 반응성 실험을 통해, 재질 선정의 유의점을 도출했다.

가설 설정

1)에서,액면높이가 누출궤적에 미치는 영향을 계산한 결과이다. 누출속도가 빠르면, 탱크로부터 1~2 m의 거리 안에서 유체의 누출 궤적은 지면에 거의 수평한 것을 알 수 있다. 또한, 액면 높이가 5 m를 넘으면, 탱크로부터 2 m이내에 0.
본 연구에서는 이러한 상황을 고려하여, 액체가 지면에 수평한 방향으로 누출되며, 누출 중 탱크 내부의 압력 변화가 없고 누출속도가 일정하다고 가정했다. 또한 탱크에서 수평 방향으로 누출된 액체는 바람 등의 대기 영향을 받지 않고, 자유 낙하한다고 가정했다.
본 연구에서는 이러한 상황을 고려하여, 액체가 지면에 수평한 방향으로 누출되며, 누출 중 탱크 내부의 압력 변화가 없고 누출속도가 일정하다고 가정했다. 또한 탱크에서 수평 방향으로 누출된 액체는 바람 등의 대기 영향을 받지 않고, 자유 낙하한다고 가정했다.
한편 2018년 1월, 화학물질관리법에 근거한 유해화학물질 취급시설 설치 및 관리 기준(이하 ‘취급시설 기준’)이 개정되면서, 방류벽과 관련한 사업장의 어려움이 더욱 커졌다. 사업장의 규모나 화학물질 취급량에 관계없이, 최소 1.5 m 이상의 이격거리, 시설 용량 110% 이상의 방류벽 용량, 0.5 m 이상의 방류벽 높이 등과 같은 엄격한 설치 기준이 일괄적으로 적용된 것이다. 또한 기존에 설치하여 운영되고 있는 방류벽의 개선도 의무화되어, 중소기업을 중심으로 많은 사업장들이 방류벽의 설치를 포함한 취급시설 기준의 이행에 큰 부담을 느끼고 있으며⁶⁾, 유해화학물질 취급시설 설치 기준이 사업장 규모나 화학물질 취급량을 고려하지 않고 획일적으로 적용되고 있다고 비판하고 있다⁷⁾.

제안 방법

아울러 누출 속도식을 운동량 방정식에 대입하여, 누출구의 크기 등에 따른 충격력을 계산함으로써, 누출 방지판의 내충격성을 평가하는데 필요한 기준을 제시하고자 했다. 그리고 누출 방지판의 제작에 적용되기 쉬운 2 종류의 스테인리스강(SUS304 및 SUS316)과 4 종류의 부식성 액체 화학물질 사이의 반응성 실험을 통해, 재질 선정의 유의점을 도출했다.
본 연구에서 새롭게 제안한 누출 궤적식은 누출구의 높이와 같은 구체적인 사고 시나리오를 특정하지 않아도, 다양한 탱크 크기와 액면 높이에 대해 계산이 가능하므로, 활용도가 우수하다. 또한 본 연구에서는 아크릴 탱크를 이용한 실험을 통해 누출궤적식의타당성을 검증하였다.
본 연구는 원통형 상압 액체저장 탱크에서 누출 사고가 발생했을 때, 누출되는 액체궤적의 최대 높이 및 최대 수평거리를 손쉽게 계산할 수 있는 식을 제안하고, 실제 누출 실험을 통해 타당성을 검증하였다. 이 계산식은 액면 높이에 대한 누출구 높이의 비율을 변수로 사용했기 때문에, 구체적인 누출 시나리오를 가정하지 않아도 다양한 상황에 대한 계산이 용이하다.
비압축성 액체에 관한 기계적 에너지 수지식 (1)을 이용하여, Fig. 1과 같은 원통형 수직 상압 탱크에서 누출되는 액체의 누출속도를 계산했다.
아울러 본 연구는 탱크에서 누출된 액체가 방류벽 또는 누출 방지판에 가할 수 있는 충격력을 계산하였다. 누출 액체의 충격력은 누출구 크기, 액체 밀도 및 액면 높이에 비례하며, 최대 약 50 ~ 2000 N까지 커질 수 있기 때문에, 누출 방지판은 내충격성이 우수한 구조로 설치하는 것이 매우 중요하다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 연구에서는 원통형 상압 수직 탱크에서 누출되는 액체궤적의 최대높이와 최대수평도달 거리를 계산할 수 있는 식을 도출하였다. 본 연구에서 새롭게 제안한 누출 궤적식은 누출구의 높이와 같은 구체적인 사고 시나리오를 특정하지 않아도, 다양한 탱크 크기와 액면 높이에 대해 계산이 가능하므로, 활용도가 우수하다.

대상 데이터

구체적으로, SUS304 또는 SUS316으로 이루어진 원기둥 형태의 시편(높이 1 cm, 직경 1 cm)을 준비했다. 시편 표면에 존재하는 유분이나 기타 불순물을 세척하여 제거했다.
누출 방지판 제작에 적용될 수 있는 스테인리스강과 부식성 액체 화학물질의 반응성 실험에서, 70 wt% 질산과 98 wt% 황산에 침지한 SUS304 및 SUS316 시편은 눈에 띄는 변화를 나타내지 않았다. 질산 및 황산에 대한 SUS304와 SUS316 소재의 부식 속도가 0.
본 연구에서는 SUS304 및 SUS316 시편과 4종류의 부식성 액체화합물 사이의 반응성을 실험하였다. 부식성 액체 화학물질로는 사업장에서 사용량이 많고 누출사고가 빈번하게 발생하는 35 wt% 염산(Hydrochloric acid), 70 wt% 질산(Nitric acid), 98 wt% 황산(Sulfuric acid) 및 35 wt% 과산화수소(Hydrogen peroxide)를 선정하였다.
본 연구에서는 SUS304 및 SUS316 시편과 4종류의 부식성 액체화합물 사이의 반응성을 실험하였다. 부식성 액체 화학물질로는 사업장에서 사용량이 많고 누출사고가 빈번하게 발생하는 35 wt% 염산(Hydrochloric acid), 70 wt% 질산(Nitric acid), 98 wt% 황산(Sulfuric acid) 및 35 wt% 과산화수소(Hydrogen peroxide)를 선정하였다.

데이터처리

이때, 누출궤적을 쉽게 관찰하기 위해 보라색 물감을 녹인 물을 사용했다. 지면으로부터 0.5 m ~ 0.8 m 높이에 형성한 구멍(직경 약 5 cm)을 개방하여, 각각의 구멍에서 누출되는 물의 궤적을 측정하고, 이를 누출궤적식의 계산값과 비교했다.

성능/효과

10을 참조하면, 35 wt% 과산화수소(H2O2) 수용액에 시편을 침지하면, 많은 기포가 발생하는 것을 관찰할 수 있다. SUS304와 SUS316 모두에서 기포가 관찰되었으며, 시간이 지날수록 기포의 양이 증가하였고, 그 속도는 SUS304 시편에서 더 빠르게 나타났다.
또한 화학 관련 현장에서 많이 사용되어 누출 방지판의 제작에 사용하기 쉬운 SUS304와 SUS316의 스테인리스강은 염산 및 과산화수소와 반응할 수 있다는 것을 실험하였다. 따라서 염산 및 과산화수소저장 탱크의 누출 방지판은 소재를 신중하게 선택하여 제작하는 것이 필요하다.
본 연구에서 도출한 누출궤적의 최대 높이 및 최대수평거리를 이용하면, 탱크와 방류벽 사이의 적정 이격겨리 및 방류벽의 필요 높이를 판단할 수 있다. 특히 탱크와 방류벽의 이격거리 부족에 대한 대안의 수단으로 적용되는 누출 방지판의 적정 높이를 판단할 때, 누출궤적의 최대높이를 이용할 수 있다.
본 연구의 누출궤적식에 의하면, 누출구 높이가 액면 높이의 절반일 때, 누출된 액체가 수평방향으로 가장 멀리 도달할 수 있다. 또한 누출궤적의 최대높이는 탱크로부터의 수평 이동거리에 반비례하는 1차 함수 형태이며, 기울기는 -1/배출계수(c_d), y 절편은 액면 높이이다.

후속연구

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 연구에서는 원통형 상압 수직 탱크에서 누출되는 액체궤적의 최대높이와 최대수평도달 거리를 계산할 수 있는 식을 도출하였다. 본 연구에서 새롭게 제안한 누출 궤적식은 누출구의 높이와 같은 구체적인 사고 시나리오를 특정하지 않아도, 다양한 탱크 크기와 액면 높이에 대해 계산이 가능하므로, 활용도가 우수하다. 또한 본 연구에서는 아크릴 탱크를 이용한 실험을 통해 누출궤적식의타당성을 검증하였다.
이와 같이 본 연구의 결과는 액체 저장 탱크의 방류 벽 및 누출 방지판의 안전성 및 적절성을 판단하는 공학적 기준과 자료로써 널리 활용될 수 있을 것이다. 하지만, 실제 산업계에서는 다양한 형태의 탱크가 운영되고 있기 때문에 수직형 탱크 외에도 원형, 구형 등보다 다양한 탱크에 적용할 수 있는 공학적 기준이 마련되도록 추가적인 연구가 필요하다.
이와 같이 본 연구의 결과는 액체 저장 탱크의 방류 벽 및 누출 방지판의 안전성 및 적절성을 판단하는 공학적 기준과 자료로써 널리 활용될 수 있을 것이다. 하지만, 실제 산업계에서는 다양한 형태의 탱크가 운영되고 있기 때문에 수직형 탱크 외에도 원형, 구형 등보다 다양한 탱크에 적용할 수 있는 공학적 기준이 마련되도록 추가적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방류벽이란 무엇인가?	방류벽은 화학물질 누출사고의 피해를 줄이기 위해 사용되는 가장 대표적인 안전시설의 하나이다. 방류벽의 주요 기능은 탱크에서 누출되는 액체 화학물질을 가두어 외부로 확산되지 못하게 하는 것이므로1), 누출된 액체 화학물질을 효과적으로 가둘 수 있는 용량과 재질의 방류벽을 설치하는 것이 중요하다.
	방류벽의 설치 기준을 철저히 준수하는 것이 힘든 이유는 무엇인가?	그런데 좁은 공간에 다수의 시설이 밀집된 국내 사업장의 현실을 고려하면, 방류벽의 설치 기준을 철저하게 준수하는 것이 쉽지 않다. 특히 방류벽과 탱크 사이에 충분한 이격거리를 확보하기 위해서는 넓은 부지가 전제되어야 하고, 심한 경우 기존 시설의 이전도 고려해야하기 때문에 사업장의 부담이 매우 크다. 아울러 대부분의 방류벽 설치 기준에서 요구하는 1.
	방류벽의 주요 기능은 무엇인가?	방류벽은 화학물질 누출사고의 피해를 줄이기 위해 사용되는 가장 대표적인 안전시설의 하나이다. 방류벽의 주요 기능은 탱크에서 누출되는 액체 화학물질을 가두어 외부로 확산되지 못하게 하는 것이므로1), 누출된 액체 화학물질을 효과적으로 가둘 수 있는 용량과 재질의 방류벽을 설치하는 것이 중요하다. 또한 액체의 분출 거리 등을 고려하여 방류벽과 탱크 사이에 충분한 공간을 두는 것이 효과적이다2)

참고문헌 (10)

U. S. Committee on Energy and Commerce, "Safe Aboveground Storage Tanks", Washington DC, U.S. Government Printing Office, 1994.
Michigan Department of Environmental Quality, "Guide to Understanding Secondary Containment Requirements in Michigan", 1994.
Y. M. Kawg, J. M. Oak, S. Y. Yoon and S. H. Jung, "A Study on the Safety Distance of Benzene and Acrylonitrile Releases in Sccordance with Dike and Hole Size", Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 22, No. 1, pp. 18-25, 2018.
Y. S. Jeong, I. S. Woo and J. W. Lim, "Risk Management for Ammonia Unloading and Storage Tank Facility", Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 21, No. 1, pp. 95-103, 2017.
C. H. Shin, J. H. Park and J. H. Yoon, "Analysis on the Risk of the Impermeable Concrete Bottom of Dikes for Nitric Acid Storage Tanks", J. Korean Soc. Saf., Vol. 31, No. 3, pp. 53-59, 2016.

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"Burden of Laws Related to Chemical Substances in SMEs, Institutional Improvement Needed", Dongyangnews, 2015.08, http://www.dynews.co.kr/news/articleView.html?idxno272490
"SMEs, Make a Realistic Improvement on Chemical Laws", Yonhapnews, 2017.06, http://www.yonhapnews.co.kr/bulletin/2017/06/20/ 0200000000AKR20170620084 800030.HTML
"Implementation of a Safety Assessment of Hazardous Chemical Facilities Based on Field Conditions", Policy Briefing, 2018.01, http://www.korea.kr/briefing/pressReleaseView.do?newsId156246480
M. H. Park, K. Y. Kim, J. H. Jang, H. C. Kim, H. S. Moon, J. B. Jeon, D. G. Nam, K. Y. Sohn and B. J. Kim, "Influence of Heat Treatment on Mechanical Properties for Cold Worked 304 Austenitic Stainless Steel", Korean Journal of Metals and Materials, Vol. 56, No. 7, pp. 490-498, 2018.

상세보기
Ministry of Environment, The Result of Chemical Release, 2015, http://icis.me.go.kr/prtr/main.do.

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