염산 배관 누출사고

수처리제 제조 공정에서 염산 혼합물(염산 35 %과 수산화알루미늄 혼합물) 이송 시 염산 누출에 대한 사고사례에서 그 교훈을 얻고자 한다.

 

 

 

염산 배관 누출사고

사고 개요

폴리염화알루미늄(수처리제) 제조공정에서 작업자가 혼합물 이송배관의 막힘을 해소하고자 밸브를 조작하는 과정에서 밸브 인근의 플래지 접속부가 파열·탈락하여 염산 혼합물(염산 35 %과 수산화알루미늄 혼합물)이 누출되어 작업자가 다침

 

<그림 1> 사고 발생 설비(혼합공정)

 

 

사고 원인 분석

사고 발생 형태 및 공정 조건, 사고 발생 설비의 재질 및 시공방법 등을 검토한 결과, 혼합물 이송배관의 사용기간 동안 발생한 응력(Stress)으로 배관 및 접속부에 피로(Fatigue)가 누적되어 약해진 상태로 운전되고 있었으며, 사고 당일 배관의 막힘 해소를 위해 반복된 플러싱 작업 중 발생한 응력으로 배관과 플랜지 융착부가 파손되어 접속부가 파열·탈락되면서 가압된 염산 혼합물이 분출된 것이 사고의 원인으로 추정됨

 

 

사고발생 원인

■ 이송배관의 재질 및 시공방법 선정 미흡
» 배관의 재질 선정 시 이송되는 물질의 특성과 압력 등 운전조건을 고려하여 적합한 재질과 시공방법을 선정하여야 하나 이를 고려하지 않고 배관을 선정하였고, 해당 배관은 접착제의 도포 과정 없이 융착용접으로 시공되어 지속적으로 가하여진 압력에 의해 배관의 접속부위가 상대적으로 취약해졌다.
• 또한, 혼합조 내 수산화알루미늄과 염산(35 %) 혼합물의 이송배관의 설치 형태에 따라 발생된 진동(vibration) 현상에 의한 응력(stress)이 배관과 플랜지 융착부위의 손상을 유발하였고 이로 인해 누출 사고가 발생하였다.

 

■ 공정설비의 점검 및 정비관리 미흡
» 혼합조에 설치되어 있는 안전밸브는 명판훼손으로 명세 확인이 불가하며 부식과 관리소홀로 인해 동작에 신뢰성이 우려되었고, 전문기관의 안전밸브 동작여부 확인 결과 적정한 동작성이 나타나지 않음이 확인되었으며, 이는 공정 배관계에 부정적인 영향을 주었을 수 있다.
» 혼합물의 슬러지화에 따른 배관 막힘, 이상 압력 및 진동 발생 시 점검 및 정비 관리를 소홀히 하였으며 이로 인해 배관 접속부 등의 손상이 누적됨에 따라 누출 사고가 발생하였다.

 

■ 공정설비에 투입되는 압축공기 공급 상태 부적절
» 혼합기 정상운전 압력은 1.5~2 kgf/cm2이나 공기압축기를 통해 생성된 압축공기(7 kgf/cm2)를 감압밸브나 조정기(Regulator)를 통하지 않고 직접 공급함으로써 혼합기는 과압상태로 운전될 수 있는 상황이었다.
» 이때 플러싱 등 작업과정에서 급하게 밸브를 조작할 경우 햄머링 현상 등에 의해 충격파가 발생하여 배관 접속부에 손상이 누적됨에 따라 누출 사고가 발생하였다.

 

 

사고예방 대책

■ 진동 저감 구조, 적합한 재질 및 시공방법으로 공정설비 개선

■ 공정 설비의 점검 및 정비 관리 철저

■ 공정 설비에 투입되는 압축공기의 적정압력 유지

 

 

추가 유용 정보

■ 염산 취급 설비의 재질선정 시 일반적 기준(출처 : 화학물질안전원, 염산 취급시설 안전관리 안내서 발췌)

• 설비

▷  염산 취급 설비는 산업재해로 널리 사용되는 탄소강(Carbon Steel), 스테인레스강(Stainless Steel), 니켈강(Nickel),
구리강(Copper) 등은 염산에 대한 부식성이 높아 배관 및 밸브로 사용 시 부식성을 우선 고려되어야 하기 때문에 내식성 재료로 내부 코팅된 배관 또는 내식성 재료의 배관을 사용하여야 한다.
• 배관
▷ 염산 배관에는 주로 내열성, 내마모성, 절연성, 부식성 등이 우수한 불소수지계열(PTFE, PVDF, ETFE, PFA, FEP 등)로 내부 코팅된 탄소강 또는 FRP(Fiber Rsinforced Plastic)가 사용되고 있다.
▷ 염산 배관의 플라스틱 재질로는 부식성, 전기절연성, 가공성 등이 우수한 PE(Polyethylene), C-PVC(Chloronated Poly-vinyl-chloride) 등의 재질도 산업계에서 널리 사용되고 있다.

※ 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 재질은 장기간 사용 시 경화되어 갈라지는 문제로 인해 농도(20%)가 높은 염산을 사용 시에는 사고의 위험성이 증가 한다.

 

■ 염산 배관의 시공방법

압력이 부가되는 플라스틱 배관의 일반적인 시공방법은 접착제 도포 후 접속부(용접부위)에 융착용접 실시

 

 

■ 워터 햄머링(Hammering)에 의한 상승압력 검토 (The Joukowsky Method)

 

<그림 2> 워터 햄머링 검토 조건

 

▶압력상승 추정결과

 

▶ 사고가 발생한 배관계에서는 밸브의 폐쇄속도에 따라 약 4.65~33.1 kgf/cm2 정도의 압력이 발생할 수 있었을 것으로 검토됨

※ 위 결과는 해당공정의 운전상황에 여러 가정을 포함하여 발생할 수 있는 최대압력을 검토한 것으로 반드시 당시의 상황을 정확히 모사하는 것은 아님. 최고 발생압력인 33.1 kgf/cm2를 발생시키기 위해서는 0.005 초 이하의 대단히 짧은 폐쇄시간이 요구되므로 해당공정에서는 완폐쇄의 경우 발생할 수 있는 4.65 kgf/cm2 이상의 압력이 발생하기는 어려웠을 것으로 판단됨

 

 

■ 혼합작업 반응기로의 이송 안전운전절차서

- 투입 후 혼합이 완료되면 집진기로 연결된 배관을 잠그고 2층으로 이송할 반응기쪽 밸브를 열어둔다.
- 에어밸브를 천천히 열어 2층 반응기로 혼합액을 이송한다.
- 혼합액이 반응기 교반기 날개까지 이송되면 반응기의 교반기를 가동한다.
- 혼합액 이송이 완료되면 에어밸브를 잠근 후 이송을 중지한다.
- 혼합조 압력이 0.2 Mpa 이하로 내려오면 집진기쪽 밸브를 열어 남은 에어를 배출해준다.
- 반응기로의 이송 밸브를 잠근다.

 

Reference : KOSHA 2023 화학사고 사례연구