[논문]신뢰도 데이터베이스 기반 부식성 화학물질 취급공정의 안전설계

추창엽; 백종배

doi:10.14346/jkosos.2018.33.5.141

신뢰도 데이터베이스 기반 부식성 화학물질 취급공정의 안전설계
The Safety Design of Corrosive Chemical Handling Process based on Reliability Database 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.33 no.5, 2018년, pp.141 - 149

추창엽 (한국교통대학교 안전공학과) , 백종배 (한국교통대학교 안전공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In a PCB factory, there is a corrosive chemical substance supply system that can causes major leakage accidents. These accidents can give rise to shut down the factory and do residents damage that cause enormous loss of properties. To mitigate these risks, it is necessary to provide a chemical disaster prevention system. Moreover, after considering the situation and environment of the production site, it is of great importance to build an optimal chemical accident prevention system by reflecting risk reduction measures from the point of process design and by assessing quantitative risk based on reliability data. However, because there was no established database of the reliability about facilities and equipment that can be used in the domestic, the business site and consulting organization had being used the reliability data such as USA CCPS(Center for Chemical Process Safety). In these days, Korean institutes are studying on reliability data utilization method of quantitative risk assessment for preventing chemical accidents and domestic utilization algorithms and storage bed of reliability data. This study presents samples of reliability database about the chemical substance supply system that constructed from the history data such as failure, maintenance for 10 years at a PCB factory. Also, this work proposes the safety design criteria for supply facilities of corrosive chemical substance by assessing quantitative risk on the basis of the reliability data.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Example of corrosive chemical supplying facility.
표 Table 1. Outline of chemical handling facility
표 Table 2. HAZOP (Hazard & Operability) study case
표 Table 3. Initiating events (Typical Frequency Values) for LOPA
표 Table 4. Failures : Piping system rupture
표 Table 5. Failures : VESSELS Leakage
그림 Fig. 2. Safety instrumented functions versus safety instrumented systems.
그림 Fig. 3. Risk graph.
표 Table 6. Reliability database of foreign countries
표 Table 7. Equipment failure model
그림 Fig. 4. Process equipment reliability data : data sources, data flow, and data use.
그림 Fig. 5. Weibull distribution statistical analysis of failure data.
표 Table 8. Reliability data
그림 Fig. 6. Comparing reliability data FTA.
그림 Fig. 7. Applies SIL3 to a hydrochloric acid supply system.
표 Table 9. SIL Analysis worksheets
표 Table 10. The Reliability (Failure) data of SIF (About hydrochloric acid supply system)
그림 Fig. 8. Applies SIL3 to SIF (Verifying Safety Improvement by FTA).
표 Table 11. SIL Probability of failure on demand (Definitions IEC 61508-1, 2000)
표 Table 12. Comparison of FTA results

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이번 연구에서는 국내 PCB제조 사업장 1개소에서 10년 동안의 고장, 정비, 보수 이력 데이터를 집계하고 축약한 결과를 설비 등의 신뢰도 데이터베이스 샘플로 구축하였다. 구축된 신뢰도 데이터를 기반으로 정량적 위험성평가를 수행하고 안전성을 향상시키기 위한 안전설계 기준을 제시하고자 한다.
이 연구를 통해 사업장 자체 RDB를 분석, 구축하였고 부식성 화학물질 취급공정에 대하여 자체 RDB와 OGP RDB를 이용하여 FTA진행하였다. 자체 RDB에 의한 FTA 평가 결과 신뢰도가 낮게 평가됨에 따라 염산공급시스템의 SIS에 대한 신뢰성을 향상시키기 위한 안전설계 기준을 연구하였다. 부식성 화학물질 취급공정 및 PCB공정 전반에 대하여 신규설계 및 변경관리 시점에서 신뢰도 향상을 위해 SIS에 신뢰도 데이터베이스에 기반한 SIL을 적용하도록 제안하고 그 결과와 운영상의 주의사항은 다음과 같다.

제안 방법

SIL Analysis worksheets를 사용하여 인적안전 SIL등급, 환경피해 SIL등급, 재산피해 SIL등급 중 가장 높은 SIL등급을 산정하여 요구수준 SIL등급을 Table 9와 같이 선정하였다.(환경피해 SIL등급이 가장 높음) 염산공급 시스템의 안전성을 향상시키기 위해 SIF(Fig. 7)의 Sensor에 1oo2, Logic solver에 1oo1, Final element에 1oo1 SIL을 적용하였다.
Fig. 4⁵⁾와 같이 10년 동안의 고장, 정비이력을 데이터를 Oracle서버에서 집계하여 원본 데이터를 분류하고 검토하였다. 분류된 데이터는 CCPS TAXONOMY^3,5) 에 따라 개체수, 구성요소, 고장건수, 운전시간, 운전요구 건수 등을 분석, 분류하여 데이터로 정렬하였다.
PFD_avg 계산에는 RBD(Reliability Block Diagram), FTA (Fault Tree Analysis), Markov Chain의 3 가지 방법론이 있지만 응용의 편리성을 고려하여 이 연구에서는 RBD 방법론을 사용하였고 SIL3를 충족하는지 FTA로 확인하였다. Table 10과 같이 각 PFD_avg는 ICE61508의 1oo1 및 1oo2 신뢰성 블록 다이어그램을 사용하여 계산하였다.
SIF에 SIL3 적용 후 안전성 개선여부를 확인하기 위하여 SIS에 대하여 Total SIS’s PFDavg를 식2을 적용하여 FTA로 확인하였다.
자체 RDB에 의한 FTA 평가 결과 신뢰도가 낮게 평가됨에 따라 염산공급시스템의 SIS에 대한 신뢰성을 향상시키기 위한 안전설계 기준을 연구하였다. 부식성 화학물질 취급공정 및 PCB공정 전반에 대하여 신규설계 및 변경관리 시점에서 신뢰도 향상을 위해 SIS에 신뢰도 데이터베이스에 기반한 SIL을 적용하도록 제안하고 그 결과와 운영상의 주의사항은 다음과 같다.
4⁵⁾와 같이 10년 동안의 고장, 정비이력을 데이터를 Oracle서버에서 집계하여 원본 데이터를 분류하고 검토하였다. 분류된 데이터는 CCPS TAXONOMY^3,5) 에 따라 개체수, 구성요소, 고장건수, 운전시간, 운전요구 건수 등을 분석, 분류하여 데이터로 정렬하였다. 이렇게 분류된 데이터를 활용하여 고장률을 계산했다.
염산 35%는 증기압(Vapor pressure)이 105.3 mmHg @ 25℃로 누출시 대기확산 범위가 넓어 위험성이 높기 때문에 옥외 염산 공급시스템에 대하여 FTA를 진행하였다. 사업장 자체 HCl Level Sensor 고장률 데이터와 CCPS 데이터 중 Valve 고장률 데이터를 활용하여 옥외 염산공급 시스템(Fig.
이 연구를 통해 사업장 자체 RDB를 분석, 구축하였고 부식성 화학물질 취급공정에 대하여 자체 RDB와 OGP RDB를 이용하여 FTA진행하였다. 자체 RDB에 의한 FTA 평가 결과 신뢰도가 낮게 평가됨에 따라 염산공급시스템의 SIS에 대한 신뢰성을 향상시키기 위한 안전설계 기준을 연구하였다.
이 연구에서 사용 된 고장 모델은 IEEE 간행물 및 IPRDS의 고장 모델을 기반으로 하였으며, Table 7^3,6)과 같이 장비 유형, 고장의 심각성 및 고장 유형을 분류하였다.
분류된 데이터는 CCPS TAXONOMY^3,5) 에 따라 개체수, 구성요소, 고장건수, 운전시간, 운전요구 건수 등을 분석, 분류하여 데이터로 정렬하였다. 이렇게 분류된 데이터를 활용하여 고장률을 계산했다. 고장률도 중요하지만 고장발생시 수리에 걸리는 시간은 생산성 및 안전에도 중요한 영향을 미칠 수 있기 때문에 CCPS 신뢰도 데이터 Table에 수리시간을 추가로 넣어 데이터 Table을 마련하였다.
이러한 실정을 반영하여 최근 들어 국내 여러 전문기관에서 ‘화학 사고 예방을 위한 정량적 위험성평가의 신뢰도 활용방안²⁾’과 ‘신뢰도 데이터의 국내 활용가능 알고리즘 및 데이터 Storage Bed개발³⁾’에 관한 연구가 진행되고 있다. 이번 연구에서는 국내 PCB제조 사업장 1개소에서 10년 동안의 고장, 정비, 보수 이력 데이터를 집계하고 축약한 결과를 설비 등의 신뢰도 데이터베이스 샘플로 구축하였다. 구축된 신뢰도 데이터를 기반으로 정량적 위험성평가를 수행하고 안전성을 향상시키기 위한 안전설계 기준을 제시하고자 한다.

데이터처리

계산 먼저 Weibull분포 고장률 함수를 구하기 위해 Minitab을 이용하여 운전시간에 대한 통계량을 Fig. 5와 같이 분석하였다. 운전시간이 증가함에 따라 PDF와 생존확률이 감소하고 위험함수가 증가하는 Weibull 분포임을 확인할 수 있다.

이론/모형

Table 10과 같이 각 PFD_avg는 ICE61508의 1oo1 및 1oo2 신뢰성 블록 다이어그램을 사용하여 계산하였다. 또한 보다 정교한 SIL 계산을 위해 PFD_avg 공식에 CCF (Common Cause Failure) 및 PTC(Proof Test Coverage)를 포함하였다^12-14).

성능/효과

2) 자체 RDB Table 8의 Sensor와 Table 10의 Level Transmitter의 PFD를 비교하면 SIL3 적용 Sensor의 PFD 가 낮은 나타났다.
3) 1), 2)항에 의하여 SIS의 SIF계통을 설계할 때에는 Sensors, Logic Solvers, Final Elements에 대한 SIL Level 을 사전에 검토하고 적용하여 안전성을 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
4) 연구 대상 사업장과 같이 여러 종류의 화학물질 공급 시스템을 운영하는 사업장에서는 먼저 Failure severity에 따른 Taxonomy Table을 마련하고, SIS 중 Severity가 높은 부분부터 신뢰도를 향상시키기 위해 SIF 셋트 별로 SIL Level 적용 할 경우 점진적으로 안전성을 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
OGP & CCPS 고장률 데이터를 활용한 결과는 5.00E-4로 평가되어 사업장 자체신뢰도 데이터에 의한 FTA 결과가 Fig. 6과 같이 안전성이 낮은 것으로 평가되었다.
5와 같이 분석하였다. 운전시간이 증가함에 따라 PDF와 생존확률이 감소하고 위험함수가 증가하는 Weibull 분포임을 확인할 수 있다.
특히, 구미에 소재한 ○공장에서 발생한 불화수소(HF) 누출사고는 사망 5명, 진료의뢰 12,000여명, 농작물 피해 약 212 ha 등 막대한 피해를 끼친 사례로 화학사고에 대한 사회적, 경제적 경각심을 일깨우게 하는 계기가 되었다. 전기, 전자, 섬유, 화학, 건설 등 각종 산업의 발달과 함께 화학물질이 주는 산업적 편익에 의해 사용량은 증가하고 있으며 화학사고 발생현황을 살펴보면 그에 따른 리스크 또한 증가하고 있는 것으로 나타났다. 이렇게 다양한 산업분야에서 화학물질을 응용하고 있기 때문에 화학물질 취급량이 증가 할수록 화학사고로 인한 인명과 재산피해와 더불어 환경에도 악영향을 가져올 수 있는 리스크는 확률적으로 증가 할 수밖에 없다는 것은 모두가 공감하고 있는 현실이다.
확인결과 Total SIS’s PFDavg는 1.50E-04로 평가되며 Table 11의 SIL3을 만족하는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

위험성 평가 도구는 작업활동에 대한 4M위험성평가, 화학물질 공급 및 취급계통에 대한 HAZOP, What if Check list, KORA, FTA 등을 활용하고 있다. 옥외 화학물질 공급계통에 대하여 HAZOP을 이용한 정성적 위험성평가 결과 Table 2와 같이 화학물질 Leak, Over Flow, 역류 등의 위험성이 있으며 옥외화학물질 저장탱크 중 염산에 대한 KORA 등의 정량적 위험성평가 결과, 최악의 시나리오와 대안의 사고 시나리오는 취급시설의 중심으로 부터 각각의 영향범위는 258 m, 71 m로 평가되어 피해영향을 감소시키기 위한 안전대책을 강구할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PCB(Printed Circuit Board) 제조공정은 크게 몇 가지 공정으로 구분되는가?	PCB(Printed Circuit Board) 제조공정은 크게 12개의 공정으로 구분되는데 그 중 Inner Layer Imaging, Cu Plating, Au Plating, Out Layer Imaging, SM 등 7개 공정 에서 염산과 같은 부식성 화학물질을 다량 사용하여 전처리, 현상, 에칭, 도금 등의 작업을 진행한다. 공정 에 화학물질이 공급되는 계통은 Fig.
	화학사고로 인한 인명과 재산피해와 더불어 환경에도 악영향을 가져올 수 있는 리스크에 대처하기 위해 무엇이 시행되고 있는가?	이렇게 다양한 산업분야에서 화학물질을 응용하고 있기 때문에 화학물질 취급량이 증가 할수록 화학사고로 인한 인명과 재산피해와 더불어 환경에도 악영향을 가져올 수 있는 리스크는 확률적으로 증가 할 수밖에 없다는 것은 모두가 공감하고 있는 현실이다. 이러한 화학사 고의 영향으로 인해 2015년부터 화학물질관리법이 시행되었고 유해화학물질을 일정량 이상 취급하는 사업장은 장외영향평가서(ORA, Off-site Risk Assessment)를 작성하고 사고대비물질을 지정수량 이상 취급하는 경우에는 위해관리계획서(RMP, Risk Management Plan)를 제출하여야 한다. ORA, RMP는 취급시설의 안전성을 설계 단계부터 확보하고 사고 시에도 신속하게 대응하 는 방안을 마련하여 인근주민과 주변 환경의 피해를 최소로 줄이는 것을 목표로 진행되고 있다. ORA, RMP 진행시 정량적 위험성 평가는 KORA(Korea off-site risk assessment supporting tool) 등의 프로그램에 의해서 일 괄적으로 진행되고 있기 때문에 정량적 위험성 평가에 사용되는 신뢰도데이터는 외국의 자료를 활용하고 있는 실정이다.
	부식성 물질 공급계통의 주요위험 요인은 무엇인가?	부식성 물질 공급계통에 대한 위험성평가 결과 주요위험 요인은 저장량, 고온/고압의 운전조건, 독성에 대한 누출영향 등으로 평가된다. 위험성 평가 도구는 작업활동에 대한 4M위험성평가, 화학물질 공급 및 취급계통에 대한 HAZOP, What if Check list, KORA, FTA 등을 활용하고 있다.

참고문헌 (15)

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J. H. Park, The Improvement of SIL Calculation Methodology, International Conference on Probabilistic Safety Assessment and Management, pp. 11-15, 2016.
Guideline on Determining the Safety Integrity Level(SIL) in the Control System, p. 8, 2015.

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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