LPG 탱크로리 수송중 위험성 평가에 관한 연구

이재준*, 김명철*, 홍인기*, 백종배*, 고재욱**

충주산업대학교 안전공학과*,

광운대학교 공과대학 화학공학과**

A Study of Risk Assessment in LPG Transportation by Tanklorry

Jae-Jun Lee*,Myung-Chul Kim*,In-Gie Hong*,Jong-Bea Baek*,Jae-Wook Ko**

Department of Safety Engineering, Chung-ju National University*,

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University**

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서론

LPG는 공기보다 무거워 누설되면 지면에 깔리고 바람이 불때는 먼 거리까지 이동할 수 있고, 오목한 곳에 체류하여 폭발성 혼합가스를 형성하는 경향이 강하며 또한 폭발하한계가 낮아 위험성이 매우 크다. 이러한 잠재위험은 LPG를 생산, 저장, 사용하는 곳뿐만 아니라 수송중에도 간과할 수 없다. LPG는 특히 탱크로리를 이용하여 수송하는데 LPG탱크로리가 도로 수송중 사고가 발생, LPG가 누출하여 화재 및 폭발로 이어진다면 인근 지역의 인명피해뿐만 아니라 주위환경에도 치명적인 영향을 끼칠 수 있다. 만약 LPG탱크로리가 인구 밀집지역 통과시 사고가 발생한다면 그 주변에 미치는 영향은 도시 외곽지역 및 인구밀도가 희박한 지역에 위치한 LPG 생산, 저장시설에서 발생한 사고보다 크게 나타날 수가 있다.

이에 따라 LPG 탱크로리가 도로 주행중 LPG가 누출 가능한 잠재위험을 확인하고, 누출하여 폭발하였을 때 폭발의 강도를 정량적으로 해석하여 위험성을 부각시키고 수송 중 안전성을 확보하기 위한 종합적이고 체계적인 이론을 제시하고자 하였다.

위험성평가 방법

위험 확인 단계에서 LPG 탱크로리 수송중 내재하고 있는 위험요소를 찾아내고 그와 관련된 여러 가지 상황을 평가하는 것은 매우 중요하며 정량적 분석의 기본이 된다.

먼저 HAZOP study를 이용하여 LPG 운반중 아무 이상없이 목적지까지 도달할 수 있는지, 아니면 내부 또는 외부의 영향에 의해 어떻게 일탈(deviation)현상이 발생할 것인지에 대한 잠재위험성을 찾아내어 기록하고, 그의 원인을 파악한다. HAZOP study를 통해 확인된 잠재위험중 높은 사상들로 FTA를 구축하여 LPG 누출발생 빈도를 연역적이고 정량적인 예측·해석을 하였다. 각 기본사상의 고장률 데이터를 이용하여 LPG 누출(top event)의 발생확률을 계산하여 그 결과를 분석·검토하여 LPG탱크로리 수송중 누출의 잠재위험을 확인하고 발생빈도를 산정하였다. 그리고 FTA의 정상사건인 LPG 탱크로리 수송중 누출 빈도값을 ETA 초기사건으로 놓고서 이에 따라 발생되는 사건들을 확인하였다.

다음으로 강도분석 모델을 이용하여 위험의 크기를 계산하였다. LPG가 누출하여 점화원을 만나 폭발하였을 경우 그 위력이 얼마의 강도를 가지며 인명 및 주변에 미치는 영향은 어느 정도인지 정량적으로 해석하였다.

마지막으로 LPG탱크로리 수송중 최대한 안전하게 수송할 수 있는 대책을 마련하고 사고가 발생하였다 하더라도 피해거리 및 영향범위에 따른 인명피해를 최소한으로 줄일 수 있는 대책방안을 모색하였다.

사고 시나리오

위험성 산정에 있어서 C시에서 보유하고 있는 LPG 탱크로리의 경우를 적용했으며 LPG탱크로리가 서울 방향의 도로에서 C시의 남쪽에 위치한 가스 충전소까지 도달하는 경우를 가정했다. C시에서 보유하고 있는 LPG탱크로리는 10ton 용량 3대, 12ton 용량 1대, 15ton 용량 3대, 20ton 용량 1대로 총 8대이다. 그리고 탱크로리가 목적지까지 도달하기 위한 경로는 세 경로가 있다. 이들 세 가지 경우를 모두 적용하여 위험성을 비교, 평가하였다.

1) 잠재위험 확인

HAZOP study를 통해 LPG 탱크로리의 도로 수송중 잠재 위험을 확인했다. 그 결과 LPG가 대량 누출될 일탈현상(deviation)은 운전자 실수, 자동차 충돌, 자동차 고장 등에 의한 큰 교통사고가 발생하여 tank 등이 rupture되는 경우이다. 그 결과를 FTA를 구축하여 정량적으로 해석한 결과 LPG 탱크로리 도로 수송중 LPG가 누출될 빈도값은 1.2×10-2/yr로 나타났다. FTA의 정상사건인 LPG 탱크로리 수송중 누출 가능성을 ETA 초기 사건으로 놓고서 이에 따라 발생되는 사건들의 순서를 확인한 결과 UVCE가 4.86×10-3/yr로 가장 크게 나타났으며, Flash fire, BLEVE 순으로 나타났다. 그래서 본 사례연구에서는 발생빈도가 가장 높은 UVCE를 토대로 강도분석을 했으며 개인적·사회적 위험성 산정에 적용시켰다.

2) 강도 분석

UVCE의 가장 일반적인 TNT 모델을 이용하여 LPG탱크로리에서 누출된 LPG의 양을 TNT의 양으로 환산하고 그 값을 과압력에 따른 환산거리를 구해 실제 거리를 계산하였다.

[eqn: W = { eta M { E}_{c } } over {{ E}_{cTNT } }]                                        ··· (1)

여기서,	W	= equivalent mass of TNT(kg or lb)
	M	= mass of flammable material released(kg)
	□	= empirical explosion yield(or efficiency)(0.03)
	Ec	= lower heat of combustion of flammable gas(46350kJ/kg)
	EcTNT	= heat of combustion of TNT(4437∼4765kJ/kg)

[eqn: R = Z { W}^{1/3 }]                                           ··· (2)

여기서,	R	= distance
	Z	= scaled distance

영국의 보건안전기구 고문위원회(Health and Safety Commission Advisory Committee)에 의하면 0.5psi의 과압력을 90% 유리창 파괴, 0.7psi를 주거용 건물의 규제 한도, 5psi를 50% 외벽 붕괴 및 벽면 내부에 금이 가고 15psi를 완전 붕괴 한계로 검토하였다. 또한 UN산하기구 IAEA에서는 overpressure인 경우 4.41psi를 100% 사상의 한계로 검토하였다. 따라서 본 연구에서는 위에 설명한 영국의 보건안전기구 고문위원회와 IAEA에서 규정한 overpressure에 대한 영향을 적용하여 실제 영향거리를 구했다. 이 절차에 의하여 계산한 치사율 및 파괴율에 따른 과압력과 피해거리의 결과는 다음과 같다.

표 1. LPG 탱크로리의 UVCE에 대한 피해거리                 (단위 : m)

영 향	overpressure (psi)	LPG 탱크로리 용량
		10ton	12ton	15ton	20ton
A B C D E	0.5 0.7 4.41 5 15	346 259 69 65 36	367 276 73 69 38	396 297 79 74 41	436 327 87 82 45
A : 90 % 유리창 파괴 B : 주거용 건물의 제한 한계 C : 100 % 사망 D : 50 % 건물 외벽 붕괴 및 내부에 금이 감 E : 건물 완전 붕괴

3) 개인적 위험성과 사회적 위험성

개인적 위험성은 사고 발생 확률, 피해 범위 등을 이용하여 계산한다. 그리고, 바람이 불지 않는 것으로 가정하면 사고의 피해 각도 □는 360°가 되므로 이 경우 앞에서 구한 UVCE 발생 경우의 빈도 4.86×10-3/yr을 식[eqn: { f}_{i,d } &=]        [eqn: { f}_{i }( { theta }_{i }/360)]에 대입하면 fi,d = fi가 된다. 그러므로 어느 한 지점에서 UVCE가 일어날 빈도[eqn: { f}_{i,d }] 는 [eqn: 4.86 TIMES { 10}^{-3 } /yr]이 된다.

다음 단계는 식[eqn: { IRC}_{i } = { f}_{i } + { IRC}_{i-1 }]를 이용하여 영향 범위 반경을 나타내기 위해 가장 큰 피해거리와 다음으로 큰 피해거리를 갖는 경우의 개인적 위험성을 누적분 형태로 빈도를 산출하는데, 여기서 또다른 사고는 없는 것으로 간주했기 때문에 IRCi-1 는 0이 된다.

그러므로 IRCi = fi,d 가 되어 사고 결과 경우의 범위에서의 개인적 위험수치와 어느 한 지점에서 UVCE가 일어날 빈도는 같다.

□ 제 Ⅰ경로                  □ 제 Ⅱ경로                  □ 제 Ⅲ경로

그림 1. 20ton LPG 탱크로리가 각 경로를 통과할 경우의 개인적 위험

그러므로 20 ton LPG 탱크로리가 도로를 통해 운행중 UVCE가 발생했을 경우 그 폭발 장소에서 436m 떨어진 곳까지 유리창이 90% 깨질 확률, 폭발한 장소에서 반경 87m 내부에 있는 사람 100% 사망할 확률, 그리고 45m 안에서 건물이 완전히 붕괴될 확률은 4.86 × 10-3/yr로 산정되었다.

그리고 20ton 탱크로리가 각각의 경로를 경유하여 주행할 경우 목적지까지 이동에 따른 개인적 위험을 도식화하였다.

사회적 위험성은 20ton LPG 탱크로리가 목적지까지 각각의 경유할 경우 각 경로당 사망자수로 나타났다. 계산의 편리를 위해서 각 경로를 다섯 구간으로 나누어 피해 면적을 구해 인구밀도당 사망자수를 계산하였다.

□ 각 경로별 사망자 분포도                         □ 각 경로별 위험 강도

그림 2. 각 경로별 위험성 분포 현황

결론

시나리오에 따른 정량적 위험성 평가 결과가 Ⅰ＠Ⅱ＠Ⅲ순으로 나타났다. 제 Ⅰ경로가 제 Ⅱ경로보다 그리고 제 Ⅱ경로가 제 Ⅲ경로보다 인구밀도가 적기 때문에 더 안전하게 정량적으로 평가되었다. 따라서 탱크로리를 이용한 LPG의 수송이라는 목적을 같이하는 3가지의 경로이지만 각각의 경로가 갖는 위험성을 정량적으로 평가하여 봄으로써 가장 안전한 경로를 채택할 수 있는 과학적인 기반을 조성하였다. 아울러 이러한 정량적 위험성 평가 방법들이 안전 문화 선진화를 조기 정착시키는데 많은 응용이 있을 것으로 기대된다.

참고문헌

1. Crowl, D. A. and J. E. Louvar, Chemical Process Safety ; Fundamental with Application,       Prentice-Hall, New Jersey, 1990. pp.263∼367, 413∼477.

2. Guideline for Chemical Process Quantitative Risk Analysis, AICHE-CCPS, New York,           1989.

3. 고재욱·노상규·김진곤, 석유화학단지의 위험성평가 및 주변지역의 토지이용 안전계획, 한국과       학재단, 1993.

4. 백종배, 화학공정에서의 정량적 위험성 평가를 위한 기반구조 구축에 관한 연구, 1995.