[특별기획(Ⅱ)] 배관망 정량적 위험평가 기술

336…NICE, 제28권 제3호, 2010

배관망 정량적 위험평가 기술

조 영 도

한국가스안전공사 시스템 연구팀, [email protected]

특·별·기·획(Ⅱ)

서론

1994년 12월에 발생한 서울 아현동 정압기지 가스 폭발사고와 1995년도 부산에서 발생한 고압배관 (2MPa)의 파열사고 이후에 불안한 가스안전관리체 계의 개선방안 일환으로 이듬해인 1996년 3월 도시가 스사업법 시행규칙이 개정되어 일반도시가스사업자 의 배관은 최고사용압력이 중압 이하(1MPa 이하)로 공급하도록 규정되었다. 최근에 도시가스사의 집단에 너지 사업권을 확보하거나, 일정규모 이하의 집단에 너지사업자의 경우 도시가스의 고압 배관 사용을 허 용하였다. 즉 일반도시가스사업자가 고압을 사용하지 못할 경우에는 1MPa 미만의 압력을 다시 고압으로 승압하기 위한 설비들을 추가로 투자하여야 하는 부 담이 있으며, 대구경의 배관을 설치하는 등의 불편함 이 있다. 이러한 불편함을 해소하기 위하여 도시가스 사가 고압배관을 설치할 경우 정량적 위험평가를 하 게하고 이에 따라서 안전조치를 하도록 규제가 2008 년 3월에 완화 되었다.

국내 고압 도시가스 배관에 대한 위험과 국내법규 를 살펴보면 다음과 같다. 고압가스배관에서 사고가 발생할 경우 피해규모는 미국 뉴멕시코 칼스버드 Pecos 강 부근에서 2000년 8월 19일 발생한 사고와 같이 비록 배관구경 760mm, 운전압력 4.7MP이지만, 사고현장에서 약 200m 떨어진 근처 캠핑 장소에서 12 명이 사망하고, 캠핑차량 3대 파손, 근처 가스배관 횡 단용 두개의 다리가 심각한 파손을 입었으며, 재산손 실 998,296달러에 달하는 등 막대한 피해를 동반하게 된다. 그러나 국내의 기존 법규에 의하면, 매설고압배 관의 경우 도심지에 설치할 수 있을 뿐만 아니라, 학

교와 병원 등과 같이 사고 발생할 경우 대피가 어려운 시설도 배관과 이격 거리를 1.5미터만 두게 되면 설치 가 가능하게 되어 있다. 따라서 기존 제도를 보완하기 위하여 도시가스사 배관의 경우는 정량적 위험을 평 가를 의무적으로 수행하도록 2008년도 개정 되었지만, 가스공사 소유배관의 경우는 아직 보완되지 않은 상 태이므로 도심지에 고압배관의 사용제한 또는 정량적 위험 평가제도 도입이 향후 필요한 실정이다.

정량적 위험평가의 경우, 국내에서는 석유화학시설 등에서는 많이 적용되고 있으나, 고압배관의 경우에

그림 1. 사고현장 사진(2000년, 뉴멕시코, 미국).

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 28, No. 3, 2010…337 는 경험이 적은 실정이다. 또한 석유화학시설의 경우

에는 하나의 점으로 가정하여 위험을 계산할 수 있으 나, 배관이 경우에는 관로를 따라 어디서 사고가 발생 할 지 알 수 없으므로 배관길이를 적분하여 위험을 계 산해야 한다는 어려움이 있다. 이에 따라, 본고에서는 고압배관에 대한 안전성을 평가하기 위하여, 고압배 관에서 가스누출속도 예측방법, 사고발생빈도 예측방 법 및 사고피해영향 평가 방법, 개인적 위험과 사회적 위험의 계산, 위험기준(Risk Criteria)에 대하여 본 연 구팀에서 지금까지 추진하여 정립한 결과에 대하여 살펴보기로 한다.

가스누출속도

배관에 홀 발생 또는 완전 파손 될 경우 초기 가스 누출속도는 미국화학공학회에서 제시한 누출원 모델 을 이용하여 쉽게 구할 수 있다. 그러나 배관의 결함 에 의하여 가스누출의 경우 가스누출속도는 처음에는 매우 높고 시간에 따라 점점 감소되어 배관에 의한 압 력손실을 고려한 정상상태의 가스누출 속도에 결국 도달하게 된다. 도시가스배관 사고로부터 발생하는 사고 시나리오는 화재와 폭발을 생각할 수 있다. 두 사고시나리오에 대하여 피해범위를 분석하여 보면, 고압가스배관에 있어서는 화재에 대한 피해범위가 폭 발 피해보다 항상 크다. 따라서 고압배관에 대한 위험 평가에서는 화재만 고려하면 되는 것으로 밝혀졌다.

화재로 인한 사람의 사망확률과 관련된 유효 가스누 출속도는 점화되는 시점에 의존한다. 사망확률은 유 효 가스누출속도로 인한 정상상태의 화재로서 순간적 인 제트 화재로 근사적으로 해석함으로써 예측할 수 있다. 일반적으로 계산을 쉽게 하기 위하여 유효 가스 누출속도는 초기 가스누속도의 분율로 나타낸다. 영 국의 A.D. Little Ltd.에서 영국의 배관의 위험에 대 한 연구에서는, 유효계수를 0.25로 하고 있지만, 대부 분 위험평가에서 좀 더 보수적으로 0.3을 사용하고 있 다. 천연가스의 물성 값을 대입하여 유효 가스누출속 도 예측식을 나타내면 다음과 같다.

Q

= 1.783×10

A× α

× p

×0.3 (1)

Qi : 사고 시나리오 i에 의한 유효가스누출속도 (kg/s)

i : 사고 시나리오(소누출, 중누출, 대누출) α

: 사고 시나리오 i에 의한 배관 구멍의 면적과

배관 단면적과의 비율 A : 배관의 단면적(㎡)

P : 운전압력(N/㎡)

상기의 식은 가스공급소로부터 약 2km 떨어진 위 치에서 사고가 발생할 경우에 적용되는 식으로 대부 분의 가스배관에 적용 가능한 식이고 또한 배관이 환 상 망으로 되어 있는 경우에도 가스공급소로부터 일 정 위치 떨어진 위치에서 사고발생 할 때 적용 가능한 식이다.

사고발생빈도

특정구간의 사고발생빈도는 토양조건, 코팅상태, 설 계조건, 방식조건, 배관의 수명, 매설심도, 내압시험, 순찰, 안전관리자 교육 등에 따라 변하나, EGIG의 자 료에 따르면, 기본사고 빈도 중 가장 많은 영향을 주 는 것은 타공사에 의한 사고이며, 또한 BG Transco 의 보고서에 따르면, 타공사에 의한 사고발생빈도에 가장 영향을 많이 주는 인자는 매설심도, 인구밀도, 배 관두께, 타공사 예방조치 등이다.

정량적 위험평가에서는 일반적으로 모든 변수들을 고려하는 것이 어려우므로 중요변수들에 대해서만 검 토하며, 그 주요변수가 사고발생빈도에 영향을 미치 는 정도는 사고통계 자료에서 구한다. 이 때 많이 사 용하는 데이터베이스는 EGIG(the European Gas Pipeline Incidents Data Group), UKOPA(United Kingdom Onshore Pipeline Operators’Association), NTSB(National Transportation Safety Board), CONCAWE(CONservation of Clean Air and Water in Europe) 등이 있다.

배관의 정량적 위험평가에서 타 공사에 의한 위험 이 전체 위험의 약 75% 이상을 차지하고, 나머지 원

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인은 각각 15% 미만을 차지하고 있으므로 계산을 단 순화하기 위하여 EGIG의 사고발생빈도 자료와 BG Transco의 타공사에 의한 사고발생빈도 분석방법을 사용할 수 있다.

타 공사 활동에 의한 피해의 범위는 배관 직경, 매 설심도, 배관 두께, 인구밀도와 사고방지방안 등과 같 은 몇 가지 요소에 의존하는 것으로 알려져 있다. 이 에 대하여 영국 수송배관의 사고데이터베이스를 근거 로 사고발생빈도를 계산하는 방법이 최근에 제시되었 다. 이 방법은 배관건전성관리프로그램인 PIPIN (Pipeline integrity model)에 적용되고 있다.

사고피해범위

도시가스 배관망에서 가스누출 사고가 발생하는 경 우 피해는 복사열에 의한 것이다. 사망확률은 미국화 학공학회 CCPS(Center for Chemical Process Safety)의 Chemical Process Quantitative Risk Analysis(2000년)에는 복사열의 영향으로 인한 사람 의 치명성에 대하여 제시한 식을 이용할 수 있다. 화 재에 노출 지속시간은 주위 환경사항에 따라 많이 달 라지므로 위험을 평가하기 위한 어떤 명확한 규칙을 정하는 것은 사실상 불가능하다. 그러나 Rausch는 도 심지역내의 사람에 대한 노출시간으로서 30초를 제시 하고 있다. 그러므로 천연가스의 제트화염으로부터 특정 위치에서의 사망에 대한 probit 함수는 다음의 식으로서 보수적으로 기술할 수 있다. 실온에서 천연 가스의 연소열은 5.002×10^-7J/kg, 대기투과도는 1로 가정하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

(2) 여기서 Q는 유효가스누출속도이고, r은 화재로부터 특정 지역까지 떨어진 반경이다. 식 (2)를 이용하여 도출한 천연가스 유효누출속도와 99%, 50%, 1% 사 망거리의 관계는 다음 식과 같다.

(3) 위식을 이용하여 1% 사망을 일으킬 수 있는 피해 거리를 계산 할 수 있으며, 고압배관의 경우 이 피해 거리는 수백미터에 이르고 또한 이때 가스유효 누출 속도는 초당 수톤에 이르는 것을 알 수 있다.

정량적 위험평가

정량적 위험평가에서 위험을 나타내는 데는 크게 두 가지가 있다. 즉 개인적 위험과 사회적 위험이다.

개인적 위험은 특정지점에 있는 사람이 배관의 사고 로부터 사망할 확률로 [그림 2]와 같이 모든 사고 시 나리오에 의한 사망확률과 이에 대한 배관의 사고발 생빈도를 배관을 따라 적분하여 예측할 수 있다.

그러나 계산을 간략화하기 위하여 특정지점과 배관 의 사고지점과의 거리가 식 (3)으로부터 구한 99%

사망확률 이내의 거리에 있다면 사망 확률을 100%, 99%에서 50% 사이에 있다면 86%, 1%에서 50% 사 이에 있다면 15.6%로 간주하여 계산할 수 있다. 이와 특·별·기·획(Ⅱ)

시공결함 7.6×10^-5 2.8×10^-5 6.6×10^-6 부식 7.9×10^-5 2.4×10^-6 8.1×10^-7 지반이동 1.0×10^-5 1.1×10^-5 1.4×10^-5 기타 4.0×10^-5 1.4×10^-5 5.4×10^-7 표 1. 사고원인과 사고 시나리오에 따른 사고발생 빈도

(EGIG, 1993)

사고원인 사고 시나리오에 따른 사고발생빈도(1/year·km)

소누출 중누출 대누출

그림 2. 개인적 위험 계산 방법(h : 배관과 특정지점과의 수직거리(m), r : 사고지점과 특정지점까지의 거리(m), R : 피해범위).

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 28, No. 3, 2010…339 같이 계산한 사망 확률과 3절에서 언급한 사고발생

빈도를 곱하여 개인적 위험을 구할 수 있다.

사회적 위험은 사회적인 관점에서 정의되는 위험 으로 인적 위험보다 더 중요하게 고려된다. 즉 여러 명의 사망을 동반할 수 있는 사고가 일어날 확률이 어 떻게 되는지 나타내는 위험이다. 일반적으로 누적빈 도와 사고로 인해 발생되는 예상 사망자수로 표현된 다. 어떠한 가상 사고에 의한 예상 사망자의 수는 위 험지역 내의 인구밀도와 사망확률의 곱을 면적으로 적분함으로써 계산될 수 있다. 불연속적인 위험 인자 를 고려하기 위해서, 배관은 작은 구역으로 구분하여 야 하고, 계산된 결과에 영향을 주지 않을 만큼 충분 히 작아야 한다.

고압배관의 위험의 판단기준

위험의 해석은 개인적 위험(Individual Risk)과 사 회적 위험(Societal Risk)으로 하고, 허용에 대한 국내 위험판단기준(Risk Criteria)은 [그림 3, 4]와 같다.

배관의 위험을 평가한 결과 허용영역에 해당하는 경우에는 별도의 개선이 필요 없이 배관 설치가 허용 되고, 조건부허용영역에 해당하는 경우에는 배관의 설치는 허용하되, 위험을 낮추기 위한 개선사항을 이 행하여야 하는 것으로 하고 있다. 즉 배관의 설치 위 치로 개인적 위험이 10^-6/year되는 지점까지 사람이

없고, 사망자수와 사고발생빈도 곱이 10^-4명/year 이 하이면 기존의 규정에 따라서 배관을 설치하면 되고, 만약 개인적 위험이 10^-4/year 이상이거나 사망자수와 사고발생빈도 곱이 10^-2명/year 이상이면 배관의 설치 가 허용되지 않음을 나타낸다.

결언

정량적 위험평가는 최근 배관의 안전관리에서 효 율적으로 위험수준을 낮추기 위하여 선진국 여러 나 라에서 사용하고 있는 방법이다. 그러나 위험평가방 법이 복잡하고 전문 컨설팅업체에 의존하고 평가결과 가 평가 주체에 따라서 상이한 결과를 도출 할 수 있 는 문제점을 가지고 있었다. 본 연구팀에서는 이러한 문제점을 해결하고 평가결과의 일관성을 유지하고 쉽 게 계산할 수 있도록 가스누출 속도를 계산하기 위한 모델, 개인적 위험평가 방법, 사회적 위험 평가방법, 그리고 위험 허용 기준을 정립하였다. 지금까지 다행 히 국내에서는 고압배관의 사고가 발생하지 않았지만, 향후 배관의 노후화에 따른 여러 가지 문제점으로 인 하여 대형사고가 발생할 가능성을 배재할 수 없다. 따 라서 도심의 가스배관 사고로 인한 대형 사고를 예방 하고 또한 피해를 최소화하기 위하여 지금까지 개발 한 기술을 적용하여 현행제도의 보완이 필요한 것으 로 사료된다.

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그림 3. 개인적 위험의 판단기준. 그림 4. 사회적 위험의 판단기준.