연구 보고서
중장기적인 정책연구과제와 대안을 포괄적인 시각에서 이론적 · 실중적 분석을 통해 제시함으로써 연구원의 설립목표를 가장 잘 실행하고있는 보고서입니다.
화학물질의 폭발사고 피해예측 및 적용방안 연구
- 연구책임자
- 한우섭, 한인수, 최이락
- 수 행 연 도
- 2015년
- 핵 심 단 어
- 주 요 내 용
- , 1. 연구제목 : 화학물질의 폭발사고 피해예측 및 적용방안 연구 2. 연구 필요성 및 목적 화학물질에 의한 폭발사고를 저감하기 위해서는 사고발생 전에 피해 최소화를 위한 예방대책을 충분히 검토해야 한다. 그러므로 화학사고와 같은 비정상상태에 따른 화재, 폭발, 누출, 확산 등에 의한 화재폭발사고 피해예측까지 고려하는 종합적인 안전대책이 필요하다. 또한 화학사고의 예방대책에는 폭발에 따른 사전 피해 예측자료나 신속한 폭발사고피해에 대한 추정자료를 통하여 이에 근거한 안전대책 수립이 요구된다. 이를 위해서는 화학물질의 정량적 위험성에 대한 실험적 자료를 활용하여 해당 물질의 화재폭발사고 피해예측을 통한 폭발사고영향평가 자료를 확보하는 것이 중요하다. 화학물질은 안전보건상 산업안전보건법에서 위험물질로 규정하고 있으며, 위험물질은 모두 7종(폭발성 물질 및 유기과산화물, 물반응성 물질 및 인화성 고체, 산화성 액체 및 산화성 고체, 인화성 액체, 인화성 가스, 부식성 물질, 급성 독성 물질)으로 분류하고 있다. 특히 이러한 위험물질 중에서 인화성 가스에 의한 화재폭발사고는 다양한 산업분야에서 가스가 사용된 이후로 계속하여 발생하고 있다. 가스폭발사고에 의한 피해는 대부분 심각한 결과를 초래하기 때문에 폭발사고 방지대책을 검토하기 위해서는 폭발특성, 폭발 발생과정을 상세히 조사하는 것이 필요하지만, 그 밖에도 폭발피해에 대한 예측 등의 적용방안이 이루어진다면 피해 저감이나 사고발생 억제를 위한 대책강구에 활용할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 실험에 기초한 폭발모델로서 지금까지 가장 많이 사용되고 있는 계산모델의 결과를 비교, 분석하여 그 적용성을 검토하였다. 가스폭발 시의 피해예측에 가장 많이 사용되고 있는 TNT Equivalent method을 비롯하여 가스폭발의 특성인 폭연 폭발의 강도를 표현할 수 있는 TNO Multi-Energy method, 그리고 화염전파속도(Flame expansion speed) 예측을 위한 Baker-Strehlow method를 사용하여 가스 누출 시의 폭발시나리오에 따른 피해예측결과를 검토하였다. 그리고 폭발시뮬레이션 결과와 비교하기 위해 메탄가스 폭발 시의 화염전파특성을 실험적으로 조사하였다. 구체적인 실험내용은 메탄-공기혼합기 농도에 따른 폭발압력과 화염온도를 조사하고, 메탄의 연소가스 조성을 고려한 화염온도의 계산 및 밀폐 공간 내의 메탄 가스폭발 시의 화염전파속도를 검토하였다. 메탄가스 폭발사고에 의한 피해 시뮬레이션으로서 VEXDAM(Vapor Explosion Damage Assessment Model)을 활용하여 지형 조건, 건물 형태, 건물 재료의 구조적 취약성을 고려한 3차원 공간의 폭발에서 인명손실과 설비피해 확률을 예측하였으며, 이러한 결과들을 근거로 폭발피해영향평가 결과의 활용과 적용성 방안을 제시하였다. 3. 연구내용 및 방법 (1) 연구내용 및 범위 - 화학물질에 의한 폭발사고사례조사 및 분석 - 화학물질의 위험성 해석 및 피해평가방법 조사 - 평가 대상 화학물질의 폭발특성값에 대한 실험적 검토 - 사업장과 유사한 3차원 공간에서의 폭발피해영향 조사 - 화재폭발 피해평가법 활용방법 검토 (2) 연구방법 - 국내 화학사고사례의 폭발원인물질 및 피해조사 - 사고 시나리오에 따른 폭발과압영향 및 피해위험영역 조사 - 폭발사고 피해평가모델 및 정량적 실험자료를 활용하여 실규모 3차원 공간을 가정한 건물, 시설, 장치를 고려한 폭발과압을 평가하고 인적 및 물적피해 영향을 조사 - 폭발피해 영향평가 결과의 활용 및 적용성 방안의 제시 4. 연구결과 (1) 메탄가스의 농도변화에 따른 폭발압력을 조사한 결과 9.6 vol%에서 0.861MPa로서 최대가 되었다. (2) 최대폭발압력 도달시간은 농도에 따라 변화하는데 이론적 화학양론농도(Cst)인 9.47 vol% 부근에서 가장 작았으며 Cst를 기준으로 그 이하 또는 이상의 농도에서는 증가하였다. (3) 메탄 농도에 대한 폭발압력과 최대폭발압력 도달시간은 반비례 관계인 것을 실험결과를 통해 확인할 수 있었다. (4) 메탄의 연소반응에 있어서 11종(CO2, H2O, O2, N2, CO, H2, O, OH, H, NO, N)의 연소가스를 고려한 화학반응식을 제시하고 단열화염온도를 계산한 결과 최대 화염온도는 이론혼합비(9.4 vol%)보다 높은 농도인 9.5 vol%에서 2018.75℃의 값이 얻어졌다. (5) 메탄가스의 폭발시에 생성되는 연소가스의 몰분율을 가스농도에 따라 계산한 결과, 농도로 증가할수록 산소(O2)가 급격히 감소하고 CO가 반대로 증가하여 불완전연소가 급증하는 것을 알 수 있었으며 연소반응에 관여하지 않는 N2는 가스농도에 관계없이 일정하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. (6) 메탄 폭발시의 초기압력이 단열화염온도에 미치는 영향을 추정한 결과 초기압력이 10 atm까지 증가할수록 단열화염온도도 증가하였으나 10 atm 이상에서는 농도에 관계없이 이러한 경향은 감소하였다. (7) 초기압력 조건이 메탄의 화염온도에 미치는 영향을 계산한 결과 이론혼합비에서 초기 압력에 의한 영향이 가장 크며 이론혼합비보다 농도가 증가하거나 감소하는 경우에는 영향이 감소하고 있다. 특히 이론혼합비 이외의 농도에서는 초기압력이 10 atm이상이 되면 단열화염온도에의 영향이 무시될 정도로 작았다. (8) 메탄의 농도 변화에 따른 폭발압력(Pm)을 추정하기 위해서 단열화염온도 및 각 분자종의 몰분율(Mole fraction)를 고려한 Pm = {(∑niRT) / V0}의 식을 이용하여 계산한 결과 메탄 농도 8∼12 vol%에서 폭발압력의 실험값은 계산값과 거의 일치하였지만 그 이외의 폭발한계농도에서는 큰 오차를 나타냈다. (9) 동일 폭발사고시나리오에 대하여 TNT Equivalent model, TNO MultiEnergy model, Baker-Strehlow model의 계산결과를 분석한 결과 250 m 이상의 거리에서는 각 모델 간의 차이가 거의 없음을 확인할 수 있다. (10) 200 m 이하의 거리에서 폭발과압은 Multi-Energy model과 Baker Strehlow model의 결과는 0.24∼0.25 bar로서 거의 같았으며, Equivalent TNT Mass model의 결과는 0.06 bar로서 실제보다 과소평가 되고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 계산 결과를 실제 사고피해 상황과 비교, 검토하면 모델의 적용 및 활용성 향상이 가능할 것으로 판단된다. (11) 메탄 누출에 의한 폭발피해영향평가를 3차원 공간을 가정한 사업장을 대상으로 실시하여 폭발과압에 의한 폭심으로부터의 거리에 따른 건물 및 사람에 대한 피해확률분석을 실시하였으며 이러한 결과를 통하여 사고조사 및 안전대책에 활용할 수 있음을 확인하였다. 5. 활용방안 및 기대성과 (1) 화학물질의 화재폭발 피해예측평가 정보를 제공하여 동종 화학사고 예방에 기여 (2) 화재폭발 피해평가의 정량적인 위험성 정보를 통한 공정시설 및 근로자의 안전 확보 (3) 화학사고의 피해예측 및 화학물질의 폭발위험성 조사를 위한 기초자료 제공 6. 중심어 화학물질, 가스폭발, 폭발압력, 화염온도, 화염속도, 폭발시뮬레이션(Chemical materials, Gas explosion, Explosion pressure, Flame temperature, Flame velocity, Explosion simulation) 7. 참고문헌 및 연락처 가. 참고문헌 - AIChE : Guidelines for Consequence Analysis of Chemical Releases(2000). - Brasie W.C. and Simpson D.W., "Guidelines for Estimating Damage from - Chemical Explosions", Symp. on Loss Prevention in Process Industries, 63rd AIChE Meeting, St. Louis, Missouri, USA. (1968) - Berg van den A.C., "The Multi-Energy Method. A Framework for Vapour Cloud Explosion Blast Prediction", J. Hazard. Mater. 12:1-10,(1985). - Berg van den A.C, and Lannoy A., "Methods for Vapor Cloud Explosion Blast Modelling", J. Hazard. Mater. 34:151-171, (1993). - Berg van den A.C., Voort van der M.M., Weerheijm J., and Versloot N.H.A., "Expansion-controlled Evaporation: A Safe Approach to BLEVE Blast", J. Loss Prev. Proc. Industr. 17:397-405, (2004). CCPS AIChE：Guidelines for Vapor Cloud Explosion, Pressure Vessel - Burst, BLEVE and Flash Fire Hazards Second Edition (2010). - Eggen, J.B.M.M., Development of Guidance for the Application of the Multi-energy Method, TNO Prins Maurits Laboratory, The Netherlands, (1998). - Mercx, W.P.M., Van den Berg, A.C., Hayhurst, C.J., Robertson, N.J. - Moran, K.C., Developments in vapour cloud explosion blast modelling, J. Hazard, 71, 301-319 (2000). - Turner, T. and Sari, A., Vapor Cloud Explosion Prediction Methods - Comparison of TNO Multi-Energy (ME) and Baker-Strehlow-Tang (BST) Models in Terms of Vulnerability of Structural Damage Caused by an Explosion. Structures Congress, 177-188 (2012). 나. 연락처 연구책임자：화학물질센터 한우섭 연구위원 연구원 담당자：산업안전보건연구원 화학물질센터 한우섭 연구위원
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