Generally Accepted HAZOP Rules in the Process Industry

HAZOP 스터디는 process industry에서 위험인지를 위해 폭넓게 사용되어지는 기법으로서 이를 수행하기 위한 절차는 routine하지만, HAZOP에 대한 이해도나 수행시 잘못 접근하는 사례도 많아 이에 대해 아래와 같이 다양한 case에 대해 살펴보았다.

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시나리오에 대한 cause, consequence 그리고 safeguard를 identifying하는데 chairman을 포함한 모든 참석자들의 이해도가 제각각 다를 경우, 위험성 평가의 취지가 훼손되거나 방향성마저 왜곡될 수 있어서 여러 상황들에 대한 고민을 통해 공정내 위험을 최소화하도록 해야 한다.

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오늘날 사용되고 있는 HAZOP 스터디 방법은 40여년전 영국의 ICI (Imperial Chemical Industries)에 의해 develop되어 hazard를 identifying하는데 이용되어 왔다. 하지만 어떻게 hazard를 identifying하여 사고를 방지할 수 있을지가 관건이며, 현재 수행중인 HAZOP study가 원래 만들어졌던 당시의 취지에 부합하며 중요한 사항을 놓치지는 않았는지 면민히 볼 필요가 있다.

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ICI가 개발했던 HAZOP study는 6단계가 있었으며 그 내용은 아래와 같다. 1단계는 concept stage에서의 hazard study로서 HSE와 관련된 정보들을 review한다. 이를 위해 유사 공장의 이전 사고를 review하고, chemical과 관련된 위험 정보를 수집하며 법적인 사항을 확인 및 HSE 기준을 제시한다. 2단계는 FEED stage로서 PFD와 basic 정보가 있으며 공정내 주요 위험 요소를 발견하고 leak에 대한 mechanism을 review하고 가급적 설계변경을 하여 위험을 제거하며 기준에 부합하도록 protective measure를 specify한다.

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3단계는 design 단계에서의 hazard study로서, 여러 절차서 및 상세 도면이 준비되어 가장 잘 수행할 수 있으며 process parameter와 여러 guideword를 이용하여 final design이나 method를 review한다. deviation에 따른 hazard를 인지하고 그 결과에 대해 검토하며 safeguard유무를 확인한다. 아울러 운전뿐만 아니라 maintenance측면에서도 예상되는 시나리오를 분석한다. ICI의 3단계 hazard study가 HAZOP으로 알려져 있지만 그 scope나 depth가 많이 줄어들었다.

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4단계 hazard study는 건설 마지막 단계에서 진행되며 이 때는 설치된 hardware가 설계의도대로 설치되어 있는지 확인하며 이전단계에서의 hazard study결과가 제대로 반영이 되어 있으며 운전 및 비상조치에 대한 절차를 check한다.

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5단계는 precom시의 hazard study로서 start-up 운전을 하기 위한 조직을 준비하고 training, function test, cleaning, purging 시의 safety issue를 review한다. 아울러 설계기준이나 법규 준수 여부를 확인한다. 6단계는 초기 운전시의 hazard study이며 초기 몇 달 동안 운전시의 safety issue를 review하며 이전 5단계까지의 outstanding issue들을 확인한다.

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HAZOP study의 단계적 절차

공정설계가 거의 마무리되고 P&ID가 available해지면 HAZOP study를 할 수 있으며 일반적인 절차는 아래와 같다.

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먼저 P&ID상 node를 define하고, 관련된 설계 의도를 공유하여 HAZOP team member가 공정에 대해 익숙하도록 한다. 이후 공정변수와 가이드워드를 조합하여 node에 적용하여 deviation을 만든다. 이후 이에 대한 원인을 해당 node안에서 찾고 이로 인해 해당 node뿐 아니라 node 밖의 공정에 미치는 영향을 분석한다.

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다음으로 기존 monitoring device나 safeguard가 있는지 확인하고 만약 충분치 않다면 빈도를 줄이거나 결과를 완화하기 위한 action를 identify한다. 이 과정에서 놓칠 수 있거나 잘 못 적용될 수 있는 사례들을 정리하였다.

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1. human error가 원인이 될 수 있는지?

일반적으로 HAZOP의 전제조건이 운전원들은 valve 개폐 등 운전에 대한 훈련을 충분히 받은 것으로 간주하지만, stress가 있거나 start-up시, plant upset 조건 혹은 equipment의 빈번한 change-over시 운전원 실수를 유발할 수 있어서 human error는 HAZOP study에서 cause로서 간주될 수 있다.

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2. operating procedure는 safeguard로 간주되는지?

단순한 운전 절차보다는 자동적으로 대응할 수 있는 safeguard를 찾거나 고려해야 한다. 모든 시나리오에 대해 operating procedure를 safeguard로 기록하기 보다는 적절한 safeguard가 없을 경우에 한해서 operating procedure를 safeguard로 적용한다.

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3. double jeopardy

2개의 무관한 event가 동시에 일어나는 것으로, HAZOP study에서는 일반적으로 double jeopardy 상황을 고려하지 않지만 case by case로 검토해볼 수 있다. 예를 들어 간헐적으로 product header가 offline되어 정비원이 blind plate를 넣거나 제거할 경우 upstream valve를 열어 isolated header가 고압에 노출될 수 있다. 이로 인해 운전조건과 다루는 물질에 따라 큰 사고로 이어질 수 있어서 double jeopardy를 완전히 무시하는 대신 case by case로 고려할 필요가 있다.

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4. check valve가 safeguard인지?

pressure rating change로 인해 역류 발생시 과압 및 rupture를 야기한다면 check valve는 이 때 safeguard로 간주하기 어렵다. 주기적으로 유지관리가 제대로 되어 있지 않았다면 check valve가 closed position일 때 leakage가 일어날 수 있어서 tight shut off device는 아니다. 가끔, 역류의 가능성을 줄이기 위해 type이 다른 2개의 check valve를 설치하지만 이것도 과압이나 integrity threat가 아닌 역류로 인해 contamination을 야기할 경우에 유효하다. 만약 check valve가 고압으로부터 저압을 보호하기 위해 설치된 거라면 check valve는 별 도움이 되지 못하며 이러한 경우 역류를 인지 (control valve 차압을 측정)하거나 저압시스템에서 고압을 인지하면 shut down valve를 close해야 한다.

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5. PSV passing이 원인이 되는지?

PSV의 passing은 일어날 수 있고 leakage가 되며 그에 반비례하여 배관을 통한 유량 감소를 예상할 수 있다. 하지만 PSV, blow down valve, SIS등은 사고가 일어나기 전 마지막으로 보호를 할 수 있는 수단이므로, 시나리오가 전개되는데 이들 마지막 보호수단이 실패하는 것은 HAZOP 시나리오의 원인으로 고려하지 않는다.

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6. Control Loop failure

control loop fail은 유효한 HAZOP의 원인이지만 부분적인지 전면적인지는 명확하지 않을 수 있다. 가령, transmitter와 control valve가 동시에 fail된다는 것에 대해 논란이 있으며 이는 double jeopardy이다. control loop fail이 HAZOP study에서 원인으로 간주되면 이는 완벽한 loop failure이며 loop는 이미 dead되고 component의 어떠한 것도 작동하지 않는 것으로 고려한다. 이는 어디에서 임의의 failure가 일어나 control loop fail로 야기했는지 알 수 없기 때문이며 주로 transmitter에서 develop될 수 있고 cable이나 I/O card, power supply 혹은 PLC 자체, software bug, solenoid valve, actuator, valve의 결함일 수 있다. 그래서 일반적으로 transmitter나 control valve가 아닌 control loop의 완벽한 failure를 HAZOP study의 원인으로 간주한다.

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7. DBB (Double Block and Bleed)가 positive isolation인지?

DBB valve가 hazardous하거나 flammable material을 다루는 설비의 적절한 positive isolation으로 고려될 수도 있지만, bleed valve가 plugged될 수 있어서 충분히 안전하다고 볼수 없으므로 isolation의 가장 확실한 방법은 spectacle blind를 설치하는 것이다.

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8. process design을 safeguard로 고려될 수 있는지?

process vessel이 overflow될 경우 액체가 vapor line을 통해 compressor inlet으로 흘러가 손상을 줄 수 있다. 이에 대해 process vessel과 compressor사이에 KO drum을 설치하여 high level alarm, high high level trip에 따라 compressor를 보호할 수 있다. 하지만 이 또한 overflow되는 액체의 양과 KO drum sizing의 영향을 받아서 액체 양이 많고 반면 KO drum size가 작다면 금방 overflow되며 level high alarm이나 trip은 compressor의 safe shutdown을 warrant할 수 없게 된다. 이 경우라면 KO drum과 instrumented control을 design safeguard로 간주할 수 없다.

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9. maintenance error가 cause로 고려될 수 있는지?

check valve를 반대방향으로 설치하거나 maintenance이후 valve를 잘못 조작하여 반대위치에서 LO 혹은 LC로 놓이거나, maintenance를 위해 제거된 orifice plate나 blind plate가 재설치되지 않을 수 있다.

보통은 maintenance error를 HAZOP의 유용한 cause로 고려하지는 않으며 만약, maintenance이후 RO를 재설치하지 않았다면 과량의 유량이 흘러 매우 위험한 상황이 될 수 있다. 이러한 시나리오를 HAZOP시 논의한다면 flange에 RO를 tack welding하여 maintenance시에 잘못 설치되지 않도록 한다.

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10. alarm이 safeguard로 고려될 수 있는지?

process deviation이 발생하면 먼저 control을 통해 set point에 유지하려고 trial을 하며 이를 첫번째 layer라고 한다. 하지만 외란의 정도가 심하거나 emergency상황이 발생하여 control만으로는 공정변수를 limit내 유지할 수 없게 된다. 두번째 layer가 alarm이며 이를 통해 운전원이 상황을 인지하여 조치를 하게 된다. alarm에 대해 credit을 부여하기 위해서는 제일 중요한 부분이 운전원이 action을 취하는데 걸리는 시간이며, 다음 layer가 발효되기 전 혹은 사고가 일어나지 않도록 충분한 시간이 필요하다. HAZOP을 수행하면서 새롭게 alarm을 부여하기도 하는데 막상 emergency상황에서는 많은 alarm들로 인해 운전에 대한 분석 및 적절한 조치를 하는데 많은 alarm들은 도움이 되지 못할 수도 있다.

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11. manual fire fighting system이 safeguard로 고려될 수 있는지?

flammable material이 leak되어 화재 폭발을 야기할 경우 major hazard로 간주하며 small fire event는 일반적으로 고려하지 않는다. 화재의 특성이나 규모에 따라 manual fire fighting에 대한 credit을 부여할 수도 있다. small fire는 leak시 detector coverage와 wind velocity와 같은 요소때문에 감지하기 어렵고 manual fire fighting으로 어느 정도 damage를 제한하는지 예측하기 어렵기 때문에 이를 safeguard로 고려하기 위해서는 case by case로 판단해야 한다.

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12. control valve fail은 cause로 볼 수 있는지?

control valve는 stuck되어 open 혹은 close되거나 IA fail로 인해 open 혹은 close되는 등 다양한 방법을 통해 fail될 수 있다. 비록 control valve의 fail action이 FC이더라도 system내 control failure에 의해 어떠한 방향으로도 작동될 수 있기 때문에 open, close 모두 고려해야 한다.

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13. equipment or instrument type에 대한 권고

HAZOP 미팅간 설비 및 계기 type에 대한 장단점을 논할 수 있지만 자칫 많은 시간이 소비될 수 있고 또한 제한된 시간내에 best design option에 도달되지 않을수도 있어서 필요한 경우 design 관련된 issue는 parking lot이라는 별도의 list를 만들어 추후 company와 contractor간 discussion을 하도록 한다.

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14. 설계관련하여 cause로서 적용 가능한지?

예를 들어 3" drain line, 6" vent line, 3m tank diameter 등 설계 관련된 사항을 cause로 고려하지는 않는다. HAZOP study동안에 일반적으로 design 및 계산과 관련된 사항에 대해 관여하지는 않으며 다만 knowledge based HAZOP이라는 별도의 session에서는 설계조건 등을 검증함에 의해 company의 설계기준을 충족하는지 design checklist등을 통해 살펴볼 수 있다.

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15. HAZOP meeting에 참석하지 않은 discipline에 recommendation을 부여할 수 있는지?

참석자 전원의 동의하에 recommendation을 기록하며 참석치 않은 사람이나 부서의 책임을 기록시에는 사전에 협의가 필요하다.

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16. HAZOP workshop이후 wosksheet 수정이 가능한지?

모든 woskwheet 기록은 원칙상 참석자 전원의 이견이 없는 상태에서 작성하므로 오타수정이나 tag number 수정등은 가능하지만 내용 자체의 변경은 일반적으로 허용하지 않으며, 특정 주제에 대해 clarify가 필요하면 추후 HAZOP action closeout sheet에 responce를 남길 수 있다.

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17. performance monitoing에 사용되는 계장 시스템을 recommend할 수 있는지?

HAZOP의 주요 기능이 주어진 설계에 대해 위험 요소를 발견하고 이를 완화시킬 수 있는 safeguard가 있는지 확인 및 없다면 새롭게 추가하는 과정이므로 performance monitoring과 같은 주체는 직접적으로 다루지는 않고 다만 Parking Lot Item list에 등재하여 별도로 논의되도록 한다.

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18. standby equipment가 safeguard로 고려될 수 있는지?

운전중인 펌프가 fail되고 stand by pump가 자동으로 running하여 production loss를 방지한다면 이를 failing pump에 대한 safeguard로 간주할 수 있다. safeguard는 정의상 시나리오가 원치 않은 상황으로 진전되지 않도록 하기 위한 설계나 절차 barrier이며, 이는 예방적인 (preventive) safeguard와 완화적인 (mitigative) safeguard의 2가지 종류가 있다. 예방적 차원은 사고가 일어나지 않도록 하는 목적이고 완화적 차원은 사고의 크기를 줄이기 위해 고려된 방법이다.

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pump가 fail되지 않도록 하는 방법으로는, 가령 single seal 대신 double seal을 사용하는 것이며 재질이나 pump type등도 영향을 준다. 설계적 측면의 NPSHA가 NPSHR보다 커야 fail을 방지하고 power outage로 인한 fail을 방지하기 위해 alternate power supply를 고려한다. 이는 모두 pump의 availability를 위한 예방적 차원의 safeguard이다.

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하지만 펌프가 어떠한 이유로 fail되고 standby pump가 available하지 않을 경우 production loss가 발생할 수 있다. 이 때 자동으로 standby pump가 기동하기나 매우 짧은 시간내에 manual로 기동을 하여 prouduction loss를 방지한다면 이는 pump fail은 예방하지 못했지만 fail로 인한 사고의 크기를 줄이거나 없앨 수 있어서 이를 완화적 safeguard라고 한다. 따라서 가능한 완화적 safeguard보다는 예방적 safeguard를 설계에 고려하는 것이 좀더 안전한 설계가 될 수 있다.

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19. 정전은 node에 국한하는지 아니면 plant wide로 고려하는지?

개별 node에서 powre fail을 검토하여 문제점 여부를 확인하고 이에 대한 safeguard 유무도 check하며 필요시 중요도에 따라 다른 power source도 고려한다.

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20. 요구되는 펌프 운전 대수 이상으로 운전할 경우도 시나리오에 고려하는지?

이 경우 배관 size 및 back pressure에 따라 후단 압력이 크게 증가할 수 있다. 그 결과 원치 않은 상황으로 전개될 경우 이를 예방하기 위해 적절한 방법을 고려해야 한다. 일반적으로 동시 운전 case도 HAZOP study에서 cause로서 고려할 수 있다.

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21. FW system도 HAZOP 스터디에 포함하는지?

FW system은 일반적으로 NFPA 기준에 따라 설계되므로 대부분의 참석자들이 이 standard에 익숙하지 않아 NFPA code 전문가의 참석이 반드시 필요하다. process pump의 경우 min flow이하에서 운전할 경우 pump 보호를 위해 여러 가지 protection을 고려할 수 있지만, fire water pump의 경우 pump를 보호하기 보다 plant내 화재를 진압해야 하므로 설계 concept이 다를 수 있어서 recommendation을 고려할 경우 주의가 필요하며 반드시 전문가의 review가 필요하다.

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22. recommendation의 우선순위를 결정하기 위해 risk ranking을 부여해야 하는지?​

원인에 대한 빈도과 결과에 대한 강도를 고려하여 risk ranking을 부여하는 추세이며, 어떤 회사에서는 risk ranking을 2번 부여하는데 첫번째는 기존 safeguard를 고려하지 않고 부여하며 두번째는 기존 safeguard를 고려하여 ranking을 부여한다. 하지만 safeguard를 고려하여 한번만 risk ranking을 할 경우 추가적인 safeguard가 필요한지 결정할 수 있어서 더 유익할 수 있다. 예를 들어 기존 safeguard를 적용하여 risk ranking을 수행시 결과적으로 low risk가 나온다면 추가적인 safeguard가 필요없음이 clear하게 된다.

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23. P&ID와 무관한 safety issue에 대해 논할 수 있는지?

기본적으로 P&ID node에 국한하여 진행하며 다만 maintenance, layout, control room, substation등 다른 safety issue에 대해서는 논하기를 꺼려할 수 있다. 왜냐하면 이에 대한 많은 recommendation들은 시공이나 commissioning 혹은 운전시에 적용할 수 있는 내용들이므로 그 때까지 close out을 할 수 없을 수 있기 때문이다. 이에 대한 대안으로 Parking Lot Item list에 기록하여 company로 하여금 내용 확인후 필요시 company risk resister에 등록하여 관리하도록 한다.

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24. vent and drain

high point vent와 low point drain에 대한 논의는 isometric drawing이 완료되거나 3D model이 될 경우 적절하므로 HAZOP meeting에서는 hold처리하여 추후 3D model review시 검토하라고 remark처리한다.

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25. P&ID 수정

수정할 사항이 적다면 HAZOP worksheet에 기록이 가능하지만 그 내용이 많거나 wording으로 표현하기 에 복잡하다면 P&ID를 주관하는 엔지니어를 참석시켜 HAZOP meeting시 논의된 사항을 P&ID에 red marking하고 추후 HAZOP report에 첨부한다. 변경 사항이 critical하다면 별도의 MOC가 필요할 수도 있다.

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26. contractor scope밖의 safety issue

가끔 인지된 safety issue와 solution이 contractor scope밖인 경우가 있다. 특히 revamping의 경우 기존 공장에서의 safety issue가 많이 제기될 수 있으며 이는 contractor scope이 아니므로 만약 worksheet에 포함시 action주체가 company임에 따라 제대로 close out이 안될 수 있어서 contractor의 progress에 문제가 될 수 있다. 따라서 이러한 issue들은 Parking Lot Item list에 등재하여 company에서 관리하도록 한다.

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27. HAZOP Meeting Administration

team leader는 HAZOP전에 관련된 document들을 review하여 철저히 준비한다. greenfield의 경우 leader가 node를 marking하지만 brownfield에 대해서는 기존 공장과의 tie-in 등으로 인해 공정엔지니어와 협의하여 node marking을 한다. node marking이후 참석자들에게 공유하며 HAZOP시작전 opening session을 위해 leader는 safety moment, meeting agenda, HAZOP methodology를 준비한다. 공정엔지니어는 PFD를 이용하여 공정에 대한 간략한 설명을 준비한다. 첫째날에는 각 discipline에서 참석한 사람들이 처음 만나는 자리이며 상황이 어색하여 진도가 느릴 수밖에 없다. 따라서 leader는 더욱 격려하고 분위기를 유연하게 만들 필요가 있다.

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team leader는 HAZOP methodology를 따라 진행하며 기술적 토의에 직접 개입하지 않고 중립적이어야 하며 필요시 이견에 대해 조정 역할을 할 수 있다. 시작시간과 휴식시간 등 시간관리를 철저히 한다. 특히 young engineer를 보내어 training차원을 겸할 목적에 대해 team leader는 의견을 제시하여 책임있는 엔지니어의 참석을 요청할 수 있다. 미팅을 하기 전 필요한 정보는 먼저 요청을 해야 효율적인 회의가 되며 불필요한 time loss를 방지할 수 있다.

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미팅을 하면서 책임 소재로 다투는 경우가 많다. 즉, 계약상 없는 내용이 추가되므로서 contractor의 burden이 증가되어 결국 cost 및 schedule impact이 될 수 있어서 contractor에서는 이를 방어하기 위해 많은 시간이 소비되므로 responsibility관련은 나중에 별도로 협의하는 것으로 company와 contractor의 책임자간의 합의가 필요하다. 어떤 경우에는 hazardous outcome이 아닌데도 모든 시나리오를 다 기록하기도 하지만 이 경우 불필요한 시간 낭비뿐만 아니라 집중도가 떨어질 수 있어서 hazardous event를 야기하는 시나리오에 대해서만 기록해야 한다.

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규모가 큰 프로젝트의 경우 시간 절약을 위해 각각의 unit에 대해 동시에 HAZOP이 진행될 수 있으며 이 경우 interface간의 위험 인지 및 safeguard 확인을 놓칠 수 있다. 따라서 HAZOP 말미에 interface issue들에 대해 별도 회의를 하여 정리를 해야 한다. 이를 위해 개별 session에서 raise되었던 interface issue에 대해 dedicated HAZOP team에 전달하여 finalizing하도록 한다.

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multiple train HAZOP의 경우 하나의 train에 대해 review하며 recommendation은 다른 train에도 동일하게 적용됨을 report에 언급할 수 있고, 다른 방법은 하나의 train이 끝나면 tag number를 변경하여 모든 train에 대한 worksheet를 작성할 수 있다. 운전모드가 다른 경우 P&ID상에는 다르게 marked-up해야한다. 예를 들어 흡착과 재생의 경우 완전히 다른 mode이므로 별도로 review해야 한다.

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HAZOP의 성공요소는 참석자들의 집중력과 개개인의 경험, 팀리더의 일관성있는 진행이며, HAZOP Study의 quality는 여러 요소에 영향을 받는다. 먼저 team leader의 준비성이 중요하다. 즉, workshop시작전에 관련 document (project design basis, process description, PFD, P&ID, Cause & Effect diagrams, MSDS, piping spec, MSD, philosophy documents (Operating & Control, Isolation, Active & Passive Fire Protection, Maintenance etc.), plot plan 등)를 review하여 공정 및 전반적인 상황을 파악해야 한다. 다음으로 참석자들의 참여의지이다. 즉, 일부 참석자만 적극적으로 의견개진할 경우 양질의 결과가 나오지 않을 수 있으므로 각자의 역할에 충실하고 경험에 기반한 내용들을 적극적으로 공유하여 worksheet의 quality를 높이도록 해야 한다.

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회의실을 contractor office내에서 하게 될 경우 엔지니어들의 다른 급한 일들로 인해 자리를 자주 비우게 될 수 있어서 집중력이나 회의의 흐름을 방해할 수 있어서 주의가 요구되며 다만, 미팅간 필요로 하는 정보를 쉽게 얻을 수 있고 각 discipline의 전문가로부터 의견을 쉽게 구할 수 있어서 일반적으로 contractor officie에서 HAZOP meeting을 수행하게 된다. scribe의 역할에 따라 기록의 quality와 미팅의 기간에 영향을 줄 수도 있으며 scribe는 HAZOP 미팅에서 사용되는 기술적 용어에 익숙해야 한다.

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HAZOP study기간은 사전에 leader와 company간 충분히 협의하여 결정하며 O&G project기준으로 roughly 하루에 4~5장의 P&ID를 review하는 기준으로 소요 날짜를 예상할 수 있다. (복잡도에 따라 factoring가능)

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기록시에는 명확하고 짧게 작성하여 오해의 소지가 없도록 해야 한다. 만약 "manual valve의 오작동으로 인한 닫힘"이라고 cause에 적혀 있다면 회의에 참석하지 않은 사람들은 어떤 valve인지 알수 없게 된다. 따라서 tag number를 부여하거나 혹은 주변의 tagged item을 이용하여 upstream 혹은 downstream에 있는 valve로 표기하면 좀더 이해하는데 도움이 된다. 또한 recommendation wording은 self explanatory이어야 하며, 내용을 이해하기 위해 HAZOP worksheet를 참조할 필요를 없게 만드는 것이 중요하다. 예를 들어 "absorber (C-101) 20" overhead line에 있는 PT-403에 low pressure alarm을 추가하라"고 하면 매우 clear하게 된다.

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References

1. Hazard Identification for Projects, Plants, Equipment and Processes, ICI, Doc. No. SHE‐016 Rev A, 1999.

2. Process Safety, Health & Environment Guide 13, ICI, Part 0 to Part 6, 1997

3. HAZOP and HAZAN, 3rd edition, T. Kletz, IChemE.

 

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