개요
BP Toledo Refinery. Simplified schematic of the parts of the refinery involved in the September 20, 2022, incident. (Credit: CSB)
2022년 9월 20일, 오하이오 정유공장내에서 flammable vapor cloud가 퍼져 주변의 점화원에 의해 flash fire가 일어났다. 운전원의 밸브 오조작으로 flammable liquid인 납사가 압력용기로부터 약 23,000파운드의 양이 유출되어 vapor cloud가 형성되었다.
이 압력용기는 furnace나 boiler에 기체 연료를 공급하는 설비로 정상 운전조건에서는 fuel gas가 존재하며 액체는 거의 없는 상태로 운전하지만, 이 날은 upstream tower의 overflow된 납사가 coker gas plant의 vapor bypass line을 경유하여 fuel gas mix drum vessel로 직접 유입이 되어 액체 납사 overfilling을 야기하였다.
Simplified drawing of the BP Toledo Refinery Fuel Gas Mix Drum and associated level instrumentation.c (Credit: CSB)
board operator가 closed bypass valve를 열어 vapor만 존재하는 vessel로 bypass line을 통해 upstream tower의 overflow되는 liquid naphtha를 보내어 직접적인 사고 원인이 되었다.
Water overfill in Coker Gas Plant Absorber Stripper Tower and flow increase to NHT Feed Surge Drum (green arrows). (Credit: CSB)
Overflow path from Coker Gas Plant to Fuel Gas Mix Drum (orange arrows).a(Credit: CSB)
사고 당일 아침 발생한 leak로 인해 다른 정유공장 unit들은 shut down되었고 이로 인해 crude tower overhead accumulator의 액체가 coker gas plant를 bypassing하여 fuel gas mix drum으로 유입되었다.
이 drum은 당연히 overfilling되어 furnace나 boiler로 공급되는 fuel gas 배관을 액체 납사로 채워 결국 furnace에서 대형 사고를 방지하기 위한 조치로, 이 drum의 drain valve를 열어 납사를 ground로 release하였다.
Summary of overflow from the Crude 1 Overhead Accumulator Drum to the Absorber Stripper Tower in the Coker Gas Plant, and on to the Fuel Gas Mix Drum and downstream furnaces and boilers. (Credit: CSB)
Fuel Gas Mix Drum during overfill and attempted emptying. Liquid exit locations are shown in blue. (Credit: CSB)
Fuel Gas Mix Drum post-incident. (Credit: BP with annotations by CSB)
BP Toledo Refinery Fuel Gas Mix Drum. Valves circled in green were opened to drain and release naphtha. (Credit: CSB)
Absorber Stripper Tower safeguards identified in the 2020 Coker Gas Plant PHA, shown in red. (Credit: CSB)
Safety Issues
Liquid Overflow Prevention
비록 BP Toledo Refinery에서는 HAZOP study를 통해 liquid overflow 시나리오에 대해 검토를 하였지만 initiating event를 방지하기 위한 충분한 safeguard를 갖고 있지 않았다. 어떤 경우에는 process upset에 대응하도록 operator intervention에 의존하는 경우도 있었다.
Absorber Stripper Tower로부터 overflow되어 Fuel Gas Mix Drum으로 liquid naphtha가 유입되는 시나리오에 대해 identified safeguard로서 운전원 개입에 의존했지만, 실패할 경우에 대한 잠재적인 hazard에 대해 적절한 고려를 하지 않았으며 또한 관련된 절차나 운전원 교육이 없었다.
비록 위와 같은 시나리오에서 furnace 보호용 SIS나 PSV가 safeguard로 고려되었지만 fuel gas system으로 liquid overflow를 방지하는데에는 효과적이지 못했다.
Abnormal Situation Management
control에 문제가 생겨 공정 disturbance가 일어나 결국 운전원에게 정신적 스트레스를 야기할 수 있다. 만약 이러한 상황에 대한 관리가 제대로 되지 않는다면 더 심각한 사고로 이어지게 된다.
Alarm Flood
board운전원은 10분동안 평균 10번 이상의 alarm을 인지하였으며 이는 운전원이 대응할 수 있는 수준 이상의 상황이었다. 사고 당일 아침 6시 50분에서 저녁 6시 50분 사이 3712번의 alarm이 기록되었다.
만약 alarm으로 운전원의 overload가 심하지 않았다면 Coker Gas Plant Absorber Stripper Tower로부터 납사가 overflowing되어 Coker Gas Plant bypass배관을 통해 Fuel Gas Mix Drum으로 유입되는 것을 인지하여 이를 stop하므로서 사고를 방지하거나 완화시켰을 것이다.
Learning from Incidents
이는 2005년 텍사스 BP 정유공장의 폭발사고와 유사하며 이 때의 lesson learned를 이해하고 적용했더라면 이러한 사고는 예방되었을 것이다.
Cause
첫번째 원인으로는 Fuel Gas Mix Drum상의 flange를 제거하고 valve를 열어 인화성 물질인 납사를 ground로 release하므로서 vapor cloud로 인한 flash fire의 직접적인 원인을 제공하였다.
이러한 사고로 이어지기 위한 이전 단계의 원인들로는 tower와 vessel의 overflow에 대한 효과적인 safeguard가 없었으며 사고를 예방하기 위해 단순히 운전원의 개입에 의존하였다. 이러한 비정상적인 상황에 대해 대응하도록 적절한 절차서가 준비되지 않았으며, 지나친 알람설정으로 냉철한 판단을 하는데 걸림돌이 되었으며 (operator panic) 이전 유사 사고사례를 활용하지 못했다.
Toledo Refinery Fuel Gas Mix Drum with modifications made after the September 20, 2022, incident. (Credit: CSB)
Recommendations
high level 및 overflow 시나리오에서의 safeguard를 revise하여 단순히 운전원 개입에 의존하지 않고 liquid overfill을 방지하기 위한 engineering control을 이용한 preventive safeguard를 고려함.
API 협회에서는 API RP 556를 revise하여 vessel overflow와 관련된 공정의 위험을 포함하도록 하였다. overflow시의 예상되는 영향, 설계기준 및 sizing기준, overfilling방지를 위한 hgh level을 감지하기 위한 계기 설계 기준을 반영하도록 하였다. 아울러 overflow로 인한 vapor cloud형성, overflow를 감지하는 계기, overflow 시나리오에 대한 위험성 평가 기준, overflow를 방지하기 위한 safeguard와 운전원 교육 등을 포함하였다.
아울러 ANSI/ISA 18.2-2016을 revise하여 alarm목적을 언급하고, 단일 alarm flood event를 위한 alarm flood performance에 대해 평가할 수 있도록 하였다. 각 alarm의 지속시간, alarm 개수, 각 flood에서의 peak alarm rate 등을 포함하도록 하였다.
Failed ¾-inch branch fitting from the BP Toledo Refinery. (Credit: CSB)
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