석유화학안전기술향상세미나 화학공장의화재폭발사고조사 강미진 (MJKang@seoultech.ac.kr) 매경안전환경연구원연구위원
차례 화학공장의화재/ 폭발사고위험 화재 / 폭발의특성 사고조사절차 사고원인및경로분석 Case Study 결론 2
건조공정에서폭발 출처 : KOSHA 중대사고조사보고서 (2011) 3
건조공정에서폭발 건조기폭발 2011 년 8 월 0 일 ( 토 ) 경북구미소재 00 합섬 1 공장기술연구소에서 UHMPE 를이용한초고 강력폴리에틸렌섬유제조공정을시험운전중 Heptane 건조설비 (Drying chamber) 에서폭발 화재발생 기술연구소소속직원 7 명이사상 ( 사망 5 명, 부상 2 명 ), 건물벽체, 추출및건조기관련설비전파 4
개방계증기운폭발 출처 : KOSHA 중대사고조사보고서 (2011) 5
개방계증기운폭발 증기운폭발 2011 년 8 월 17 일 울산광역시남구현대 00( 주 ) 울산공장 PS(Polystyrene) 제조공정에서 정기보수후시운전중에 2차중합조의반응폭주로인한압력상승으로파열판파열 파열판토출배관으로다량의유증기분출 증기운형성, 증기운폭발과화재발생 전공정으로전파되어근로자 7명과원부재료를납품하기위해방문한탱크로리기사 1명부상, PS제조공정반파 6
밀폐계증기운폭발 출처 : CSB 사고조사보고서 (2006) 7
밀폐계증기운폭발 VCE in Danvers 2006. 11. Massachusetts, Danvers, 잉크및페인트제조회사구조물내부에서폭발 12,000 ft2 파손, 인근주민 300 명이상대피 주민 10 명입원, 주택 24 채파손 8
화학공장의화재 / 폭발위험 6.00% 재해형태별재해자비율 5.00% 4.00% 3.00% 2.00% 1.00% 0.00% 1990 1991 1992 1993 1994 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 화재 / 폭발전체화재 / 폭발제조업화재 / 폭발화학제조업 자료출처 : 산업재해분석, 고용노동부 (2010) 9
화학공장의화재 / 폭발위험 30.00% 재해형태별사망자비율 25.00% 20.00% 15.00% 10.00% 5.00% 0.00% 1990 1991 1992 1993 1994 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 화재 / 폭발전체화재 / 폭발제조업화재 / 폭발화학제조업 자료출처 : 산업재해분석, 고용노동부 (2010) 10
화재 / 폭발사고조사의중요성 화재/ 폭발사고의피해규모및범위의심각성 사고원인을파악함으로써재발방지에기여 화학공장의화재 / 폭발위험 대부분인화성물질취급고온 / 고압의운전조건형성 화재및폭발의위험요인을모두내포하고있음. 11
화재 / 폭발이란, 화재란, 열과빛을수반하는산화반응 ( 연소 ) 연소 / 화재 : 물질이산소와결합하여에너지를방출하는화학반응 폭발이란, 순간적으로에너지를방출하여주위공기의밀도, 압력, 속도가불연속적으로변하는상태 12
화재와폭발의차이 에너지방출속도의차이 화재 : 느린속도로에너지가방출 폭발 :10-6 초단위로에너지방출, 충격파를동반 피해영향의차이 화재 : 복사열에의한피해 폭발 : 과압및파편에의한피해, 복사열에의한피해 ( 연소반응에의한 폭발인경우 ) 13
화재의특징 화재모델의종류 액면화재 (Pool fire) 제트화재 (Jet fire) 플래쉬화재 (Flash fire) 화재 ( 연소 ) 의 3 요소 연료 : 인화성물질 산화제 : 공기또는산소 점화에너지 : 열또는화염등 14
폭발의특징 폭발모델의종류 가압용기폭발모델 BLEVE: Boiling Liquid Expanded Vapor Explosion VCE: Vapor Cloud Explosion 분진폭발등 폭발의요소 용기내압력의상승 용기취약부위발생 화재요소의빠른조합 ( 반응 ) 15
화재 / 폭발의위험요인 인화성물질취급 각종원료, 연료, 제품, 중간생성물로써존재하는인화성물질의취급 산소접촉 인화성물질과공기의접촉 설비외부로노출, 설비내부로공기유입 산화성물질 ( 산화제 ) 과접촉등 점화원관리 높은에너지와접촉 : 화염, 스파크, 고온의설비등 설비내부의고압형성 설계오류, 운전오류, 설비의파손등 16
화재 / 폭발사고조사 조사의목적 사고의원인을찾아개선대책을수립함으로써유사혹은동일한사고를예방하고자함. 사고원인분석결과및대책의분류 기술상개선 : 설비및운전절차등에대한기술적합리성개선 안전교육향상 : 관리자및근로자의안전의식철저 관리시스템개선 : 운전, 점검, 보수, 안전작업등에대한관리절차개선 인적오류, 설비오류등모든오류에대한근원적대책은관리시스 템의개선으로얻어질수있음. 17
조사절차 사고조사계획수립 현장조사시주요사항 현장보존및빠른조사착수현장사진및동영상촬영사고조사반구성관련자료및증거의수집목격자확보및정보수집현장조사 권고사항마련 보고서작성 사고의형태가다르더라도사고조사사절차및현장조사는유사한절차와원칙으로수행 18
사고조사 사고조사반사구성 사고발생공정을잘알고있는공정담당자 도급업체가관련된설비 / 공정인경우, 해당도급업체의담당자포함 사고조사, 분석에대한기술과경험이있는기술자 사고조사에지식과경험이있는외부전문가 현장자료및정보의수집 사고원인을파악하기위해필요시재현시험실시 목격자, 책임자, 피해자등의증언 주변 CCTV 등방범설비를통한정보확보 운전상황기록물등확보 19
화재 / 폭발사고의현장조사 발화부 ( 폭심부 ) 판단 화재 / 폭발현장에서최초발생위치를파악하여야함. 화학공장에서최초발생위치는종종이상상태발생설비에서떨어진곳에위치. BP Texas Explosion Trouble 발생설비 ISOM tower 인화성물질누출설비 Splitter 폭발지점 인근트럭 국내울산 VCE Trouble 발생설비 중합조 인화성물질누출설비 싸이클론하부 20
화재 / 폭발사고의현장조사 발화부 ( 폭발중심부 ) 판단 화재 / 폭발현장에서최초발생위치를파악하여야함. 발화부 ( 폭발중심부 ) 에서화재 / 폭발의원인도출 연소의상승성, 불꽃, 연기, 열에의한흔적, 연소확대방향, 최초목격상 황, 최근접소화행적, 자동화재탐지설비, 보안설비등에의한판단 발화원결정 나화, 고온의표면, 단열압축, 자연발화, 정전기, 전기, 복사열, 충격마 찰등의여러가지가능한점화원중에서결정 21
발화부의판단 (1) 구조물내부에서의화재일경우, 연소의상승성 V-pattern, U-pattern 등관측 pattern 하부가발화부 불꽃, 연기의흔적 불꽃에의해가연물이깨끗이연소된경우및연기등에포함된매연등에의한흔적관찰 흔적의주변이발화부 열에의한흔적 변색, 탄화심도, 용융, 박리, 하소현상 발화부 연소확대방향 소락, 만곡, 넘어짐, 뒤집힘등 발화부 22
발화부의판단 (2) 최초목격상황, 최근접소화행적 냄새, 소리, 불꽃및연기등최초목격상황, 화재각지후소화기구, 소화전등을사용하여소화하고자한행적 자동화재탐지설비 화재감지기, 발신기등에의해최초화재발생구역판단 CCTV, 보안설비 방범등의목적으로설치된설비로발화부판단 23
폭발중심부의판단 폭발과압에의한영향 Positive phase : 폭발중심부에서바깥으로충격파전달 Negative phase : 파편등증거들이폭발중심부를향함. 24
BP Texas Explosion 출처 : CSB 사고조사보고서 (2007) 25
출처 : CSB 사고조사보고서 (2006) 26
출처 : CSB 사고조사보고서 (2006) 27
사고원인분석 사고발생장소파악 구조물내부, 각종설비의밀집지역, 장애물이거의없는외부등 사고형태파악 액면화재, 제트화재, 플래쉬화재, VCE, 가압용기폭발등 주요피해형태 : 복사열, 과압, 파편등 사고시기및기인물질 / 설비파악 정상운전, 비상운전, S/D, S/U, 위험작업등 물질의특성과설비의사양 ( 운전 / 설계압력 / 온도등 ) 28
사고경로의파악 잠재위험요인이사고로전개되는경로의역순으로파악 사고설비에관련된위험성평가서활용 Deviation 의발생원인, Safeguards 의실패여부등 사고형태에따라 FTA 를통한사고원인분석 화재 / 폭발사고가발생한장소에따라분류 점화원및점화시기파악 설비의이상현상이발생하였을것으로예측되는시점과상황파악 사고와관련된방호계층파악 방호계층의 ( 보호 ) 단계역순으로파악 29
화재의경로 예시 Accident Fire Fire or Explosion? Explosion No Confined? Yes Next 설계오류 (Safety measures fail) 누출감지 / 조치실패 (Alarm system fail) 구조물내부의환기설비, 감지설비, 소화설비, 방폭관리등에대한적절한안전설계부재 운전오류 (BPCS fail) / 설비결함 (Design fail) 30
폭발의경로 예시 Explosion No Vessel rupture? Yes No Confined? Yes No External fire? Yes 누출감지 / 조치실패 (Alarm system fail) 설계오류 (Safety measures fail) 압력방출실패 (Relief fail) 과압감지 / 조치실패 (Alarm system fail) 설계오류 (Safety measures fail) 운전오류 (BPCS fail) / 설비결함 (Design fail) 운전오류 (BPCS fail) / 설비결함 (Design fail) 31
사고경로의파악 화재/ 폭발의특징을고려할때, 인화성물질의누출 공기와접촉 점화원과접촉 점화시기에따라, 누출공간에따라화재 / 폭발분류 설비내부과압형성 압력방출실패 용기파열 사고발생경로를차단하기위한기존의안전조치 공정제어시스템, 이상경보시스템, 조치시스템등 안전조치의실패인가, 안전조치의부재인가? 32
Case Study - Korea 2011. 8. 울산증기운폭발 폭발위치 ( 폭발의중심부 ) 는? 폭발기인물질은? 점화원은? 폭발기인물질의누출시나리오는? 33
VCE in Korea 폭발위치 : 싸이클론하부 폭발기인물질 : 유증기 폭발기인물질 (SM/EB?) 이밝혀지면, 누출지점 ( 설비 ) 은? 점화원 점화원이밝혀지면, 점화원관리 / 폭발위험지역관리가적절했는가? 누출시나리오 누출지점과누출물질을조합하여누출시나리오구성 폭발에너지를통해누출시나리오확인 34
VCE in Korea - 누출시나리오 중합조파열판파열 파열판토출배관이싸이클론으로연결 설계의문제점 파열판은왜열렸나? 압력상승 파열판개방 온도상승 조치실패 반응억제제 긴급배출실패 EB 투입실패 35
VCE in Korea - 누출시나리오 온도상승의원인은? EB 투입실패원인은? 반응폭주, 응축기 failure 이상반응 ( 부반응 ) 응축기실패의원인은? 응축기용량부족 CW valve 개방여부 CW pump 성공여부 배관이상 ( 막힘 ) 여부 Pump failure Valve failure 투입시기설계오류 36
VCE in Korea - 누출시나리오 온도상승 반응폭주 응축실패 Side-reaction CW valve failure CW supply pump failure Pipe/tube failure CW line 에 air pocket 발생 37
VCE in Korea - 누출시나리오 EB 투입실패 Action failure Pump failure 감지실패 자동 / 수동투입실패 설비자체의실패 압력차이실패 투입시기, 방법의오류 토출압력설계오류 38
VCE in Korea 사고원인분석결과 응축기에대한시운전전점검불충분 CW line 에 air pocket 중합조온도상승시 EB 투입 투입시기늦음 투입 pump 설계오류 토출압력은중합조이상상태 ( 압력상승 ) 시 투입이가능하도록설계되었어야함. 점화원관리불충분 폭발위험지역파악과관리가불충분 39
Case Study Danvers VCE 사고조사를사를통한원인파악 폭발재구성 피해규모파악활용 : 피해형태로부터과압을예측하고, 거리와과압으 로부터기인물질에따른폭발에너지산출 누출시나리오재구성 구역별로설비마다예상할수있는누출시나리오구성 40
Case Study Danvers VCE 설비의특징에따라누출시나리오구성 저장탱크에서인화성증기 (heptane) 누출 제품탱크에서인화성증기누출 증기발생시나리오구성, 증기의구조물내부축적시나리오구성 구조물내부로인화성가스 (NG) 유입 가스배관배치도평가, 가스공급시스템평가등 폭발에너지를기준으로가장근접한인화성물질파악 Heptane 41
Case Study Danvers VCE 점화원파악 Interview, 파편등의증거물에근거하여파악 온도에따라가동 / 중지하는 fan 으로추정 출처 : CSB 사고조사보고서 (2006) 42
결론 사고시나리오의재구성 사고원인과발생경로를파악하기위해 사고피해의범위, 형태, 작업상황등을분석 복사열이나과압, 파편의피해규모와거리 화재 / 폭발에너지산출 기인물질로추정할수있는물질에대한누출량산출 누출시나리오재구성 사고의시작지점인근의설비에서누출시나리오구성 점화원파악 증거 /Interview 등을통해가능한점화원파악 최종시나리오구성 사고결과와비교하여구성 43
결론 사고조사결과의활용 사고조사의사의목적은재발방지이므로, 사고시나리오를재구성함으로써, 사고원인과발생경로를명 확히파악하여, 원인을제거하거나, 발생경로를차단할수있는적절한수준 의안전조치를수립, 관리하여야함. 원인이나발생경로에공통점을가질수있는모든요소에대한위험성평가재검토가실시되어야함. 44
석유화학안전기술향상세미나 감사합니다. Q&A