제목 : 중질유 분해공장 폭발사고
속보번호: 안전제99-1호
날짜 : 1999년 05월
업종 : 화학제품제조업
기인물 : 순환오일배관
재해유형 : 폭발
피해정도 : 화상4명
공정 : 중질유 분해
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│중질유 분해공장 폭발사고│
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1. 사고개요
1999. 5. ○○ 14:08경 울산시 남구 소재 ○○(주) 중질유 분해공장의 순환오일
배관에서 고압오일이 분출되면서 배관이 파괴되어 대형폭발사고가 발생하여 4
명이 화상을 당하고, 약 1,000억원(추정)의 재산손실을 입음.
2. 사고공정 및 기인물
가. 사고 공정
o 사고공정 : 중질유 분해공장
- 중질유(Vacuum Gas Oil)을 수첨 분해반응(hydrocracking)시키어 고부가가
치를 갖는 디젤, 케로신, 납사 등의 경질유를 생산하는 공장임.
· 중질유 처리능력 : 30,000바렐/일
· 운전조건 : 175kg/㎠·G, 400℃
· 기술제공사 : 미국의 Unocal
· 설계제공자 : 일본의 지요다 엔지니어링
o 사고설비
- 중질유분해공장 중 수소를 첨가하여 중질유를 분해시키는 반응기(UC-R2103)
에 미분해된 중질유를 순환펌프(UC-P2103)을 이용하여 열교환기(UC-E2103)로
이송시키는 배관(8〃-P-20036-FA12-H125)에서 사고가 발생되었음.
※ 사고부위 개략도 참조.
나. 기인물
o 사고 배관 운전조건
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┃구분 │설계조건│사고시 운전조건 │정상운전범위┃
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┃압력(㎏/㎠G)│260 │180 │191∼177 ┃
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┃온도(℃) │370 │343 │355∼354 ┃
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o 사고배관 규격 : 탄소강(Carbon Steel : A53 Gr.B)
- 8〃 × sch 160(공칭외경 : 219.1㎜, 공칭두께 : 23.01㎜)
3. 사고 원인
o 중질유에 함유된 수소(H2), 황화수소(H2S) 등의 수소이온(H+)이 배관의 금속
(Fe)과 반응하여 금속내부로 침투하여
o 수소부풀림현상(Hydrogen Blistering) 때문에 배관의 금속내부에 기포(Blister)
가 발생하게 되었으며, 이에 따라 배관의 강도, 경도 등 기계적 성질이 취약하
게 되었음.
※ 탄소강(Carbon Steel)이 200℃(400oF), 7㎏/㎠(100Psi)이상의 환경에서 사용될
경우에는 탄소강 속의 탄화철(Iron Carbide : Fe3C)이 수소와 반응하므로 재질에
치명적인 파괴를 가져오는 고온수소 취성(High Temperature Hydrogen Attack)이
발생함
※ 재순환 오일내에 함유된 황화수소(H2S)가 철(Fe)과 반응하여 발생하는 수소이온
이 금속내부로 침투하여 금속의 결함이나 판상(Lamination)등에 모여 수소분자로
되고 이때 발생하는 가스 압력에 의하여 금속에 기포(Blister)가 발생됨. (수소
이온 발생 메카니즘 : H2S+Fe→FeS+2H+)
o 따라서 고온(380℃), 고압(200㎏/㎠)하에서 운전되는 사고 배관은 이상과 같은
수소취성등에 의하여 균열이 발생하고 열화에 의한 임계점을 초과하여 내용
물 누출에 의한 폭발·화재가 발생한 것으로 판단됨.
※ 중질유 분해설비는 80년대부터 상업화된 공정으로써 국내에서는 80년대말과
90년대초에 도입하여 운전되고 있음.
o 배관 관리상 사고 배관내의 순환오일에 수소나 황화수소가 유입되지 않는 것
으로 파악, 일반 등급으로 분류하여 배관검사(보온제거필요)를 그동안 소홀히
함.
- 사고배관의 재질 설계는 일본의 지요다엔지니어링사에서 수행하였으며,
- 기본설계서 상에는 순환오일 배관내에 수소가 존재한다는 내용이 없음.
※ 사고발생회사에서 제시하는 자료에는 오일내에 황화수소(H2S) 또는 수소(H2)가
없다고 되어있으나 파손된 배관 내·외부의 수소 부풀림 현상으로 볼 때 재순환
오일내에 황화수소와 수소가 함유되어 있었거나 Start-up시에 사고부위가 상당
시간동안 수소분위기에 있었음.
4. 동종 재해 예방 대책
o 수소취성 분위기 제거
- 순환오일(Recycle Vacuum Gas Oil) 에 대한 성분을 정기적으로 분석하여하
여 수소취성을 일으키는 수소, 황화수소 등의 물질이 Oil내에 함유되는 것을
예방하여야 함.
- Start-up시에는 수소분위기 형성은 하지 않도록하여 운전절차를 개선하도록 함.
o 설치된 배관에 대한 재질 재검토
- 중질유 공정 설비를 최초 설치시에는 수소 및 황화수소에 대한 영향을 고려
하지 않은 채 배관 재질을 선정하여 설치하였으나 운전 또는 시운전시 수소
및 황화수소의 침입으로 인한 수소 취성의 영향을 받아 사고가 발생하였으
므로 기존 배관에 대한 재질을 재검토하여 개선할 필요가 있음
※ 고온.고압 및 수소분위기에서는 최소한 킬드강을 사용하는 것이 일반적임.
o 배관검사 강화
- 고온·고압의 탄소 배관에 대하여 정기적인 외관검사 및 배관 두께 변 화를
확인함으로써 탄소강에 장기적으로 진행되는 배관 취화현상을 사 전에 발
견하여 조치하도록 함.
o 배관관리 절차서 수정
- 중질유 등이 고압으로 유지되는 배관에 대해서는 관리 등급을 상향 조정하여
정기 보수시에 철저히 점검이 가능하도록 회사의 배관관 절차서를 수정
하도록 함.
5. 붙임
가. 사고부위 개략도
[그림 1 ]
나. Hydrogen Blistering의 정의 및 원리
- (UOP, CORROSION and FOULING Management)
※ 수소 브리스터링(Hydrogen Blistering)의 정의 및 원리
- 수소 브리스터링이란 금속 내부에 수소이온이 침투해서 축적된 결과로
금속에 심한 변형을 일으키는 현상임
수소브리스터링은 황화수소(H2S)가 존재하는 유정이나 수첨탈황장치,
가스흡수탑의 응축기 등의 특히 저합금강의 석유정제장치에 생기기 쉽고
산세정처리나 전해조의 수소입고에 따라서도 발생함
수소브리스터링은 수소원자가 어떤 환경에서 강중에 침입, 확산하고
비금속 개재물(MnS, Al2O3, SiO2등)의 주변 틈에 수소분자(H2)로 석출한
경우에 발생하며 수소이온이 강중에 계속 들어가면 이 수소 분자의 압력은
높게 되고 최종적으로「브리스터링」을 형성함.
이 브리스터링은 계속 성장해서 돌출부 주변에 있는 금속 모제는 역상
변형하고 결국 발생된 브리스터링은 모제의 외형두께를 감소시키지는
않으나 재료의 변형을 초래하여 파괴시킬수 있음.
[그림 2 ]
※ 수소침식(Hydrogen Attack)
- 수소침식은 강중의 탄화물(Fe3C)이 수소에 따라서 환원되고 메탄가스 (CH4)를
발생하고 주로 입계가 침식하는 현상임
수소침식은 석유화학공업의 수소첨가공정에서 장시간 고온·고압의 수소에
도출된 탄소강이나 저합금강에 생기기 쉬우며, 수소침식을 받으면 금속의
강도 및 탄성이 저하됨
다. 사고현장 관련사진
[그림 3 ]
폭발로 인한 화재가 발생한 ○○(주)의 HOU공장
[그림 4 ]
배관 내부에 수소브리스터링이 발생된 상태
[그림 5 ]
배관 용접부의 외부에서 발생된 크랙이 진행된 상태
[그림 6 ]
폭발에 의해 파손된 배관
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