[논문]불산수용액 누출사고에 대한 초기대응 단계별 영향

최재식; 최재우; 심주용; 이무철

doi:10.9713/kcer.2021.59.1.68

불산수용액 누출사고에 대한 초기대응 단계별 영향
Effects of Initial Responses in Steps for the Release Accidents of Hydrofluoric Acid 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.59 no.1, 2021년, pp.68 - 76

최재식 (서울과학기술대학교 일반대학원 안전공학과) , 최재우 ((주)아스프) , 심주용 (서울과학기술대학교 일반대학원 안전공학과) , 이무철 (서울과학기술대학교 일반대학원 안전공학과)

초록
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화학 및 석유화학 공장과 같은 공정산업에서 위험물질이 누출할 때 초기대응의 중요성은 항상 강조되어 왔다. 그러나 이러한 화학물질의 누출동안 단계별 초기대응에 따른 피해예측에 대한 정량적 분석에 대한 연구는 그 동안 미흡하였다. 이에 본 연구에서는 불산 누출사고 동안에 초기대응의 영향을 조사하고자 하였고, 이를 위해 불산농도 범위에 따른 피해예측 영향거리를 산정할 수 있는 간이식을 우선 도출하였다. 그리고 시스템 다이내믹스 기법을 활용하여 초기 대응 단계의 인과지도를 작성하였고, 인과지도에 도출한 간이식을 적용하여 다양한 초기대응 시나리오에 따른 피해예측 영향거리를 분석하였다. 연구결과, 최대피해영향거리와 비교할 때'누출발견 후 초기조치 시작시간'인 경우 최대 약 87%, '누출부위 차단조치'는 약 59%, '전문진압팀 도착시간'이후 조치는 약 50% 감소율을 보였다. 이 연구결과는 불산 취급 사업장에서의 초기대응 지침의 기초자료로 활용하는데 도움이 될 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

As hazardous chemicals are releasing in process industries such as chemical & petro-chemical plants, the importance of initial responses has been always emphasized. However, little attention of quantitative analysis of the consequence by different initial responses during releasing of the chemicals has been done. The main objective of current paper is to investigate the effects of initial responses for the release accidents of hydrofluoric acid. For this, a simplified equation that can easily calculate the effect distance by varying concentrations of hydrofluoric acid was firstly deduced. In addition, a causal loops for the initial response steps using the system dynamics technique was constructed during release of 50% hydrofluoric acid. The effect distances according to different scenarios of the initial actions were also quantitatively analyzed by applying the simplified equation to the causal map. As a result, the highest reduction rate on the maximum effect distance was obtained with 'start time of action after leak detection' being about 87% while the lowest was 'arrival time of professional response team' being about 50%, as expected. It is expected that the results gained from the current study can be helpful as of basics of the initial response to the workplace, dealing with the hydrofluoric acid.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. The conditions of worst-case scenario considered in this study
표 Table 2. Initial response items
그림 Fig. 1. Causal loop diagrams of initial responses during releasing of hydrofluoric acid.
표 Table 3. Components applied to causal loops diagram
표 Table 4. Initial value or function for the simulation of SD model
그림 Fig. 2. Effect distances by various concentrations of hydrofluoric acid at given pool areas.
표 Table 5. Results of released mass and effect distance by varying concentrations of hydrofluoric acid at given pool areas
표 Table 6. Results of K and B factors at given concentrations of hydrofluoric acid
표 Table 7. Comparison of the effect distance obtained by both simplified equation and simplified table
표 Table 8. Simplified equation of the impact distance according to the area of each concentration
그림 Fig. 3. Variations of released mass, pool area and effect distance obtained from the scenario 1: (a) Released mass, (b) Pool area and (c) Effect distance.
그림 Fig. 4. Variations of released mass, pool area and effect distance obtained from the scenarios 2: (a) Released mass, (b) Pool area and (c) Effect distance.
그림 Fig. 5. Variations of released mass, pool area and effect distance obtained from the scenarios 3: (a) Released mass, (b) Pool area and (c) Effect distance.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 불산 취급 사업장에서 불산 누출 사고시 초기대응에따른 피해영향을 정략적으로 분석하고자 하였다. 이를 위해 우선적으로 불산농도에 따른 피해예측 영향거리를 간편하게 산정할 수 있는 간이식을 도출하였다.
이 논문은 주저자의 석사학위 논문인 “시스템 다이내믹스 기법을이용한 구미 불산 누출사고 피해에 대한 초기대응 영향에 관한 연구”(서울과학기술대학교, 2018)의 일부내용을 수정·보완하여 작성한 것이다.
이에 본 연구에서는 불산농도에 따른 피해예측 범위를 손쉽게 산출할 수 있는 간이식을 도출하여 제시하고, 시스템 다이내믹스 기법을 활용하여 불산 누출 사고시 초기대응 단계의 인과지도를 작성하고, 인과지도에 도출한 간이식을 적용하여 초기대응 시나리오별 피해예측 영향거리를 정량적으로 분석하여 불산취급 사업장에서의 초기대응 지침의 기초자료로 활용하는데 도움을 주고자 한다.

가설 설정

따라서 누출발생 후 초기조치시작 시간 15분 이내를 가정하여 ‘1 분후 즉시조치’, ‘5분 후 조치 ’, ‘10분후 조치’에 따른 위험거리 변화, 유해화학물질 취급사업장의 화학사고 대응매뉴얼의 초기대응 항목에 누출을 가장 많이 억제 시킬 수 있는 n1(누출부위 차단조치)만을 적용하여 ‘완벽하게 조치’, ‘50%만 조치’, ‘조치실패’와 전문진압팀의 투입시간은 도착시간 ‘10분으로 기준으로 가정하며’, ‘10분보다 빠른 5분’, ‘10분 보다 늦은 20분’에 따른 위험거리 변화로 시나리오를 선정하였다.
본 연구에서는 50% 불산농도가 누출될 때를 고려하여 다음과 같이 3가지의 초기대응 시나리오를 가정하였다.
본 연구에서는 불산농도에 따른 피해 영향범위 분석을 위해 시골 지형 조건으로 최악의 시나리오를 가정하여 ALOHA 프로그램 (version 5.6.3)을 사용하였으며, 평가조건은 Table 1과 같다. 불산

제안 방법

·Scenario-1: 50% 불산농도 누출시, 누출 발견후 조치시작 시간으로 설정하여 ‘1분후 조치’, ‘5분후 조치’, ‘10분후 조치’로 분석하였다. ·Scenario-2: 누출사고 시 누출량을 제일 많이 제어시킬 수 있는 초기조치인 n1(Leak block)을 Scenario-2로 설정하여 ‘100% 조치’, ‘50% 조치’, ‘조치실패’를 고려하였다.
분석하였다. ·Scenario-2: 누출사고 시 누출량을 제일 많이 제어시킬 수 있는 초기조치인 n1(Leak block)을 Scenario-2로 설정하여 ‘100% 조치’, ‘50% 조치’, ‘조치실패’를 고려하였다.
마지막으로 이동식 저장 탱크인 탱크로리의 연결부에서 누출이 일어나 이동식 저장 탱크 주변 트랜치설비로 화학물질이 유입되는 경우이다. 그러나, 누출사고 발생 시 최악의 시나리오는 안전설비인 방유제나 트렌치가 설치되지 않은 개방된 공간에서의 액체의 증발이므로 이 논문에서는 안전설비를 고려하지 않은 액표면에서의 증발을 적용하였다.
1과 Table 3에 나타낸 변수 간 관계 및 변수들의초기값을 나타낸 것이고, 대응시간은 유해화학물질 취급사업장의화학사고 대응매뉴얼에서의 대응성공 시간인 60분으로 설정하였다. 또한, 50%불산농도를 고려한 간이식과 누출량 및 풀면적을 적용하였다. 각 시나리오별 피해영향거리 예측은 Vensim 프로그램으로분석하였다.
이를 위해 우선적으로 불산농도에 따른 피해예측 영향거리를 간편하게 산정할 수 있는 간이식을 도출하였다. 또한, 시스템 다이내믹스 기법을 활용하여 초기대응과 피해영향거리간의 인과지도 모형을 작성하였고, 50% 불산 누출시 피해영향거리 예측 간이식을 인과지도 모형에 적용하여 초기대응 시나리오에 따른 피해영향거리를 분석하였다. 본연구를 통해 얻어진 핵심 결과를 제시하면 다음과 같다.
본 연구에서 누출사고시 초기대응 항목을 도출하기 위해 유해화학물질 화학사고의 대응 매뉴얼[14]의 초기대응 단계와 불산 취급공정의 기술지침[15]의 비상대응계획을 참조하여 누출부위 차단, 밸브격리, 펌프정지, 살수설비, 국소 배기장치, 중화, 맨홀주위 차단, 집수설비 우회로 구성하였고, 이를 Table 2에 나타내었다. Table 2에 나타낸 항목에 부합하는 피드백 루프로 이루어진 인과지도를 Fig.
불산 누출사고시 초기대응에 다른 피해영향거리를 정량적으로분석하고자, Fig. 1과 같이 작성된 인과지도에 50% 불산농도 누출에 대한 영향거리 예측 간이식, D_E=2.2×e^(0.059×C)×A^0.50을 적용하였고, 분석한 결과는 다음과 같다.
따라서 불산농도에 따른 피해예측 범위 간이식 도출 방법은 정유경 등[8, 9]이 염산수용액 및 암모니아수 농도에 따른 피해예측 간이식 도출에 적용한 방법을 이용하였다. 불산 제조공정의 저장 탱크 등에서 불산이 누출하여 형성되는 액표면적을 1m²~800m²(17 개 구간)으로 제한하여 불산농도별 피해영향거리를 분석하였다. 불산농도 및 액표면적별 피해영향거리 상관관계를 분석하고, 정유경 등[8, 9]이 제시한 상관관계 약 0.
불산 제조공정의 저장 탱크 등에서 불산이 누출하여 형성되는 액표면적을 1m²~800m²(17 개 구간)으로 제한하여 불산농도별 피해영향거리를 분석하였다. 불산농도 및 액표면적별 피해영향거리 상관관계를 분석하고, 정유경 등[8, 9]이 제시한 상관관계 약 0.99 이상을 보이는 추세선을 바탕으로 간이식을 도출하였다.
그러나 Table 5에 제시한 액표면적과 불산농도에 따른 영향거리는 액표면적 조건을 17개로 제한하였기에 문제점이 있고, 이 문제는 정유경 등[8, 9]이 언급한 문제와 동일하다. 이 문제를 보완하고자 본 연구에서도 정유경 등[8, 9]이 제시한 방법을 이용하여 결과값을 Fig. 2와 같이 다시 표현하여 내삽 등을 바탕으로 결과값을 추정하였다.
피해영향을 정략적으로 분석하고자 하였다. 이를 위해 우선적으로 불산농도에 따른 피해예측 영향거리를 간편하게 산정할 수 있는 간이식을 도출하였다. 또한, 시스템 다이내믹스 기법을 활용하여 초기대응과 피해영향거리간의 인과지도 모형을 작성하였고, 50% 불산 누출시 피해영향거리 예측 간이식을 인과지도 모형에 적용하여 초기대응 시나리오에 따른 피해영향거리를 분석하였다.
이에 본 연구에서는 불산 누출로 형성되는 액표면적을 17개로 구분하여 Table 1에 제시한 평가조건으로 ALOHA를 이용하여 피해 영향 거리를 산정하였다. Table 5는 ALOHA 프로그램을 이용하여 1m²에서 800m²까지 17개의 액표면적에 따른 서로 다른 7개의 불산농도(40%~70%, 5% 단위간격)별 피해영향거리와 액표면적별 누출량에 대한 간이 산정표 결과이다.

대상 데이터

“2012년도 유독물 영업자 등의 실적보고” 자료 [11]에 따르면, 259개의 전체 사업장중 50% ~ 60% 범위의 불산농도를 취급하는 사업장이 가장 많았고, 그 다음은 60% ~ 70% 범위이었다. 본 연구에서의 불산의 농도범위는 미국환경청에서 범용적으로 사용하는 피해예측 프로그램인 ALOHA에서 이용 가능한 불산농도범위 40% ~ 70%를 고려하여 연구대상 불산농도 범위를 40% 에서 70%로 한정하였다. 본 연구에서 고려한 끝점거리에서의 농도 기준은 미국산업위생협회(American Industrial Hygiene Association, AIHA)[13]가 제시한 비상대응계획수립지침서의 ERPG-2로 하였으며, 이는 “거의 모든 사람이 1시간 동안 노출되어도 보호조치 불능의 중상을 유발하거나 회복 불가능 또는 심각한 건강상의 영향이 나타나지 않는 공기 중의 최대 농도”[13]이며, 불산농도에 따른 ERPG-2는 보고되지 않아, 여기서는 불화수소의 ERPG-2 농도인 20 ppm을 고려하였다.

데이터처리

또한, 50%불산농도를 고려한 간이식과 누출량 및 풀면적을 적용하였다. 각 시나리오별 피해영향거리 예측은 Vensim 프로그램으로분석하였다.

이론/모형

따라서 불산농도에 따른 피해예측 범위 간이식 도출 방법은 정유경 등[8, 9]이 염산수용액 및 암모니아수 농도에 따른 피해예측 간이식 도출에 적용한 방법을 이용하였다. 불산 제조공정의 저장 탱크 등에서 불산이 누출하여 형성되는 액표면적을 1m²~800m²(17 개 구간)으로 제한하여 불산농도별 피해영향거리를 분석하였다.
본 연구에서의 불산의 농도범위는 미국환경청에서 범용적으로 사용하는 피해예측 프로그램인 ALOHA에서 이용 가능한 불산농도범위 40% ~ 70%를 고려하여 연구대상 불산농도 범위를 40% 에서 70%로 한정하였다. 본 연구에서 고려한 끝점거리에서의 농도 기준은 미국산업위생협회(American Industrial Hygiene Association, AIHA)[13]가 제시한 비상대응계획수립지침서의 ERPG-2로 하였으며, 이는 “거의 모든 사람이 1시간 동안 노출되어도 보호조치 불능의 중상을 유발하거나 회복 불가능 또는 심각한 건강상의 영향이 나타나지 않는 공기 중의 최대 농도”[13]이며, 불산농도에 따른 ERPG-2는 보고되지 않아, 여기서는 불화수소의 ERPG-2 농도인 20 ppm을 고려하였다.

성능/효과

Table 7은 도출된 간이식을 이용하여 산정한 결과와 Table 5의 간이 산정표를 통해 얻어진 결과와 비교하여 신뢰성을 검증한 결과를 나타낸 것이다. 검증결과, 불산농도 40%~70% 범위에서의 상대편차는 0.99%~2.83%의 범위를 가지는 것으로 나타났고, 이 결과는 간이식과 산정표를 상호보완하여 이용할 수 있다고 제시한 정유경[8, 9]의 결과와 일치한다.
피해영향거리는 불산 농도 및 액면크기에 민감하였다. 그리고 간이식 및 간이 산정표 결과 사이의 상대표준편차는 불산농도에 따라 0.99%~2.83% 범위를 가지는 것으로 나타났으며, 이 결과는 간이식과 산정표를 상호보완적으로 사용할 수 있다는 기존연구의 결과와 일치한다. 본 연구에서 고려한 3가지 초기대응 시나리오에서 시나리오 1 ‘누출발견 후 조치시작 시간’에서 피해영향거리 감소율은 최대피해 영향 거리에 비해 약 87.
83% 범위를 가지는 것으로 나타났으며, 이 결과는 간이식과 산정표를 상호보완적으로 사용할 수 있다는 기존연구의 결과와 일치한다. 본 연구에서 고려한 3가지 초기대응 시나리오에서 시나리오 1 ‘누출발견 후 조치시작 시간’에서 피해영향거리 감소율은 최대피해 영향 거리에 비해 약 87.1%, 시나리오 2 ‘누출부위 차단조치’의 경우 작업자의 조치 수행능력에 따라 약 59%, 시나리오 3 ‘전문진압팀 도착시간’은 진압팀의 현장 도착시간에 따라 약 50% 가 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구는 불산농도(40%에서 70% 까지)에 따른 피해예측 영향거리를 관련 사업장에서 쉽게 산정하는데 도움을 줄 수 있고, 불산 누출사고시 사업장에서 초기대응 지침의 기초자료로 이용하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구의 ALOHA 예측 프로그램으로 도출된 불산농도 40~70% 까지의 피해영향거리를 살펴보면 풀 면적(m²)과 농도가 높을 수록피해 영향 거리가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 불산 50% 이상의 농도부터 피해영향거리가 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 불산농도에 따른 피해예측 범위 간이식 도출 방법은 정유경 등[8, 9]이 염산수용액 및 암모니아수 농도에 따른 피해예측 간이식 도출에 적용한 방법을 이용하였다.
3~5에 나타나 있다. 즉, 시스템 다이내믹스에서 적용한 변수들이 불산누출사고 발생시 피해영향의 크기를 결정하는데 중요한 인자로 작용하는 것을 확인할 수 있다. Table 3의 변수 중 독성기준은 미국 EPA의 RMP Guide (비상 대응계획)의 ERPG-2이며, 이것은 거의 모든 사람이 1시간 동안 노출되어도 보호조치 불능의 중상을 유발하거나 회복 불가능 또는 심각한 건강상의 영향이 나타나지 않는 공기 중의 최대 농도이다.

후속연구

1%, 시나리오 2 ‘누출부위 차단조치’의 경우 작업자의 조치 수행능력에 따라 약 59%, 시나리오 3 ‘전문진압팀 도착시간’은 진압팀의 현장 도착시간에 따라 약 50% 가 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구는 불산농도(40%에서 70% 까지)에 따른 피해예측 영향거리를 관련 사업장에서 쉽게 산정하는데 도움을 줄 수 있고, 불산 누출사고시 사업장에서 초기대응 지침의 기초자료로 이용하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

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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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