고압배관 폭발화재 (KOSHA)

제목 : 고압배관 폭발화재

업종 : 석유정제업

기인물 : 고압배관

피해정도 : 중상1명, 재산피해 150억원

재해유형 : 화재

날짜 : 1991년 02월

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1. 재해발생 개요

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1991년 2월 14일 ○○공장 중질유 분해시설내 Air Cooler와 고압분리기(high pressure separator) 사이의 고압배관이 폭발하면서 화재가 발생한 재해임.

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2. 재해발생설비 내용

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가. 운전상태

설계조건: 227도, 205kg/cm2/FV

정상운전: 54도, 194kg/cm2

실제운전: 53.43도, 193.13kg/cm2 (DCS 운전기록 data)

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나. 배관설비사양

1) 배 관(PIPE)

가) 크 기(size) : 14＂ Sch 160

나) 재 질(Mat’l) : ASTM A-106 Gr.B Seamless

2) 엘보우(ELBOW)

DITTO, BUT ASTM 9234 WPB STD RADIUS

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3. 재해진행과정

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│ o 재료, Stress                       │

│ o 진동                                   │

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│ 배관의 피로(Fatigue) 현상   │

│ 파열(Crack)                          │

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│ 급격한 압력 방출과 수소      │

│ 폭발                                      │

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│ 누출유(油)에 인화 화재확산 │

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4. 재해원인

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가. 직접원인

1) 배관의 피로현상에 의한 파열

Two phase flow 배관에서 일반적으로 피로현상은 진동을 수반함으로써 설계시 Thermal shock을 고려하여 배관 Loop 고려 및 지지대(Support)가 Sliding 되도록 반영하지만, 진동에 의한 Stress는 고려되지 않았다. 따라서 진동에 의한 초기파열 엘보우(Elbow)에서 피로현상(Fatigue)이 발생되어 Crack이 형성, 순간적으로 진동 Peak가 발생, 이 부분에서 수소가 누출되어 폭발함으로써 폭발압력에 의하여 파열되었을 가능성이 높다. ==> 공정상 문제가 없는 기준에서 two phase 배관 길이의 최소화가 되도록 하고 TMS를 적용하여 control valve 후단이나 reducer/elbow 주변 piping의 두께 관리가 중요함.

 

2) 엘보우(Elbow) 재료 결함

가) 엘보우(Elbow) 사양

(1) 형 태 : 90°· 14＂ seamless sch 160, ASTM A-234 wpb std. radius, bw

(2) 제 작 : 국내

나) 재 질(material)

재료시험성적서에 의하여 정상으로 확인되었으나, 시험시 전수시험을 실시하지 않고 임의 시료채취에 의하여 분석되고 제작·시공시 열간작업에 의한 재료의 결함 가능성이 있다.

다) 두 께(Thickness)

파열 엘보우의 두께는 ANSI B 16.9의 규정에 의하여 31.23㎜로 측정되어 허용한계치에 있으므로 두께에 의한 원인으로 추정은 곤란함.

라) 경 도(Hardness)

파열된 배관에 대하여 경도측정 결과, 파열된 Elbow보다 정상 Elbow가 낮아서 재료가 서로 상이할 가능성이 있다.

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나. 간접요인

1) 배관 지지대(Pipe Support) 현장 용접후 열처리 미비

파열 엘보우(Elbow)에 대한 Support를 현장 용접으로 설치한 후에 잔류 응력을 제거하기 위한 열처리가 미실시됨. 그러나 엘보우 두께는 12㎜로 두껍고, Fillet용접으로 시공되어 용접시 엘보우 자체 조직에 변형 가능성은 있을 수 있지만 본 사고의 직접적인 가능성은 적다.

2) 배관설계 압력설정 미비

배관의 설계압력의 설정은 배관에 직접 연결된 용기의 설계압력 이상으로 하는 것이 일반적이다. 따라서 고압분리기의 운전압력이 195㎏/㎠G이므로 ASTM Sec Ⅷ에 의하면 설계압력은 215㎏/㎠G

이상으로 하여야 하나 205㎏/㎠G로 설계됨. 본 사고후 조사결과 배관 두께는 여유가 있으며 재질 ASTM

A-106, Gr.B의 Yield Stress 35,000 Psi를 고려하면 설계압력 설정미비가 간접적인 사고원인이 되었을 가능성이 있다. ==> 설계압력은 최고 운전압력에 최소 10% 마진을 적용하여 어떠한 운전조건에서도 설계압력을 초과하지 않도록 여러 운전 case를 고려해야 함.

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5. 동종재해 예방대책

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가. 기술적 대책

1) 안전설계·제작·설치 및 검사 기준확립

화학공장의 안전성 확보를 위해서는 장치 및 설비에 대한 안전설계, 제작설치 기준이 정립되고 이를 관련 업계에 전파, 보급되어야 할 것이다.

현재 국내에서는 외국의 기준(ASME, NEC, JIS, ANSI, DIN등)에 따라 대부분의 화학장치 및 설비가 설계, 제작되고 있는 실정이며, 미국의 OSHA나 일본의 안전보건 지침서와 같은 사업장의 안전보건기준은 실제로 적용 또는 반영되지 못하고 있는 실정이다. 따라서 장기적으로 외국의 전문적인 안전기준을 검토하여 국내실정에 맞게 기준이 보완 정립되어 이를 관련업계에 교육 홍보함으로써 자발적인 화학공장의 안전이 정착하여 지속되도록 하여야 함. ==> 자사의 기준을 확정하여 설계 spec 및 안전관리 spec을 작성, 유지, 관리 및 필요시 update해야 함.

2) 위험설비검사 강화

위험장치 제작, 시공과정에서 제작검사, 완성검사, 성능검사 및 정기검사를 강화토록 함.

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나. 관리적 대책

1) 설계시의 사업주 확인

설계시에 보통 사업주가 기술사항을 전적으로 설계회사에 위임하는 것이 보통이나 설계회사라 할지라도 실수가 있을 수 있으므로 사업추진시 사업주는 항시 설계회사에 대하여 의문사항을 제시하여 설계회사가 충분한 검토후 설계가 될 수 있도록 적극적인 사업주의 관심과 참여가 요구됨. ==> 사업주의 기술적 역량 강화 및 managing이 필요한 대목임​.

2) 운전관리 철저

작업자가 현장 운전 관리시에 운전조건 이상유무 이외에 기기상의 진동등의 변동유무를 함께 관리하여 이상 발견시 즉시 조치하도록 함.

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다. 교육적 대책

화학설비의 안전을 확보하기 위해서는 개인적인 지식 및 판단력의 향상과 함께 적합한 팀 행동이 요구되며 이를위해 지휘 연락체제를 확립함과 동시에 각각의 책임분담을 실현하기 위해 적정한 내용에 대한 교육훈련을 일정한 기간마다 반복하여 운전자에게 실시함과 동시에 작업상 훈련을 철저히 하고 기능의 향상을 도모해야 한다. 이를 위해

- 화합물 및 화학반응에 관한 지식

- 화학설비등의 구조 및 취급방법에 관한 지식

- 화학설비등의 운전 및 보전방법에 관한 지식

- 작업규정

- 재해사례

- 관계법령

등을 작업자에게 교육토록 한다.

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Lesson Learned...

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미국 PHMSA (Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration)에 따르면 지난 20여년 동안 pipeline을 통한 300여건의 치명적 사고 및 1300여명의 인명피해가 있었다고 한다. 이에 따라 사고 원인을 조사한 결과 크게 5가지 카테고리로 분류하였다. 즉, Corrosion, excavation damage, incorrect operation, equipment failure, natural force damage이다.

 

부식은 재질 선정과도 관련이 되며 결국 잘못 선정하거나 관리를 할 경우 leak나 rupture를 야기할 수 있다. 외부 coating이 적용되지 않을 경우 시간이 지나면서 부식에 더 쉽게 노출되었으며 이로 인한 손상에 따라 화재 폭발의 원인이 되었다.

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또 다른 원인인 굴착과정에서 배관의 손상에 따라 leak가 되는 경우로서 굴착 전에 항상 지하에 매설된 배관이나 설비가 없음을 최신 도면을 통해 확인후 진행해야 한다. 배관의 파열은 아니더라도 외부 coating이 벗져질 수도 있으므로 터파기를 수행하는 사람이나 관리자는 이러한 작업상의 문제점들을 없애기 위해 철저한 안전관리가 요구된다.

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운전자의 사소한 실수가 큰 사고로 이어질 수 있음을 명심하여 적절한 운전 매뉴얼에 따른 운전을 하도록 해야 한다. 부적절한 훈련 및 경험의 미숙은 공장내 risk를 키울 수 있으므로 최고 관리자는 이러한 점을 강조하여 주기적 훈련 및 설비 및 물질의 위험성 그리고 안전설계에 대한 교육을 지속해야 한다. 부적절한 운전 및 관리의 예로는 미숙한 밸브 조작, tank의 overfilling, 설비의 과압, 지하매설물에 대한 도면관리 부실 등이다.

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설비의 결함도 중요한 원인이며 시스템을 구성하는 component들이 원래 기능을 수행하지 못하여 사고로 이어질 수 있다. 예를 들어 탱크의 액위 제어 오류로 overfilling을 야기하거나 압력 제어 오류로 시스템의 과압을 야기하거나 펌프나 컴프레서의 오작동으로 액체나 기체 이송에 문제를 야기하여 과압을 포함한 여러 가지 운전상 문제들을 야기할 수 있다. 그 밖에 유량계나 flange, gasket, coupling, hose connection 등 여러 fitting류의 결함에 따라 leak 내지 rupture로 이어질 수 있다.

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이외에도 자연적 현상에 의해서 문제를 야기할 수 있다. 토네이도나 허리케인, 지진, 홍수 등에 의해 pipeline이 손상되어 재난으로 이어질 수 있다.

 

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