As well as Contaminants 원인 분석 및 대책

HAZOP(Hazard and Operability Study) 분석에서 '부가(As well as)' 가이드 워드에 해당하는 오염(Contaminants)은 설계된 유체 외에 원치 않는 성분이 추가로 포함된 상태를 의미하며, 이는 공정 안전과 제품 품질에 치명적인 영향을 미친다.

 

 

 

As well as Contaminants 원인 분석 및 대책

'부가(As well as)'는 설계된 유체 외에 원치 않는 성분이 추가로 포함된 상태를 의미하며, 이는 공정 안전과 제품 품질에 치명적인 영향을 미친다.

 

 

부가(As well as) 이탈 종류 및 발생 기전

1. 다상 흐름 (Multi-phase Flow)

단상(Single Phase)으로 설계된 라인에 다른 상(Phase)이 함께 흐르는 상태이다.

• 발생 기전: 액체 라인에 기체가 혼입되는 가스 혼입(Gas Entrainment)이나, 증기 라인에 액적이 섞이는 액체 월(Liquid Carry-over)이 대표적이다.
• 공정 영향: 유체 밀도의 변화로 인해 제어 밸브의 유량 계수 Cv 계산 오류가 발생하고, 배관 내 수격 현상(Water Hammer)을 유발한다.

2. 동시 이송 (Simultaneous Transfer)

한 라인을 통해 한 종류의 유체만 흘러야 함에도 불구하고, 시스템 연결 오류로 두 종류 이상의 유체가 동시에 이송되는 상태이다.

• 발생 기전: 상호 연결 시스템(Interconnected Systems)에서 밸브 조작 실수로 서로 다른 탱크의 원료가 하나의 헤더로 동시 유입될 때 발생한다.
• 공정 영향: 반응기 내 원료 비가 설계치를 초과하여 반응 속도가 규정 이상 가속되는 등 공정 폭주 위험이 있다.

3. 동시 공정 단계 수행 (Simultaneous Process Steps)

배치(Batch) 공정에서 특정 단계가 완료되기 전 다음 단계가 중첩되어 시작되는 상태이다.

• 발생 기전: 제어 로직(Logic)의 오류나 운전원의 수동 조작 실수로 인해 가열(Heating)과 냉각(Cooling)이 동시에 이루어지는 경우이다.
• 공정 영향: 에너지 낭비는 물론, 급격한 온도 구배 발생으로 인한 장치의 열충격(Thermal Shock) 및 균열을 초래한다.

 

 

원인별 상세 메커니즘 및 영향 (Detailed Mechanisms and Consequences)

가이드 워드 '부가(As well as)'의 주요 이탈인 오염(Contaminants) 발생 원인과 대책을 분석한다.

원인 (Causes)	상세 설명 (Description)	공정 영향 (Consequences)
열교환기 튜브 누설 (Leaking Exchanger Tubes)	튜브 부식이나 진동으로 인한 파손으로 냉각수나 스팀이 공정 유체에 혼입되는 현상이다.	유체 조성 변화 및 수분 유입에 의한 촉매 비활성화
차단 밸브 누설 (Leaking Isolation Valves)	시트(Seat) 마모로 인해 폐쇄된 상태에서도 이종 유체가 유입되는 현상이다.	교차 오염(Cross-contamination) 및 예기치 못한 화학 반응
시스템 오작동 (Incorrect Operation)	운전원의 밸브 조작 실수나 퍼지(Purge) 절차 미준수로 발생한다.	비정상적인 유체 혼합 및 공정 폭주 위험
상호 연결 시스템 (Interconnected Systems)	공유 헤더(Header)나 유틸리티 라인을 통해 다른 공정의 유체가 역류하는 현상이다.	불순물 확산 및 전 공정 오염
부적절한 첨가제 (Wrong Additives)	설계된 종류와 다른 첨가제가 주입되거나 주입량이 과다한 경우이다.	거품 발생(Foaming), 침전물 형성 및 제품 불량
공기 유입 (Ingress of Air)	가동 중지(Shutdown) 또는 재가동(Start-up) 시 부압 형성으로 외부 공기가 침투하는 현상이다.	산소 유입에 의한 폭발 분위기 형성 및 산화 부식
고도 변화 및 유속 (Elevation & Velocities)	배관의 높낮이 변화와 유속 변화로 인해 정체 구역에 불순물이 퇴적되거나 재비산되는 현상이다.	슬러지 유입 및 하류 필터 폐쇄
고압 시스템 유입 (Ingress from HP System)	고압의 스팀, 연료, 윤활유, 부식 생성물이 저압 공정으로 강제 유입되는 현상이다.	장치 파손 및 독성 물질 혼입
가스 혼입 (Gas Entrainment)	액체 흐름 내에 공기나 불활성 기체가 포집되어 함께 흐르는 현상이다.	펌프 효율 저하 및 유량 제어 오차 발생
원료 불순물 (Feed Stream Impurities)	유입 원료 자체에 수은(Hg), 황화수소(H₂S), 이산화탄소(CO₂) 등이 포함된 경우이다.	장치 부식 및 환경 배출 기준 초과

 

 

주요 메커니즘 상세 및 시각화 (Detailed Mechanism and Visualization)

1. 고압 시스템 유입 및 외부 물질 침투

• 시스템 압력이 설계치를 초과하거나 봉유(Seal Oil) 압력이 공정 압력보다 높을 때, 윤활유나 부식 생성물이 공정 내부로 유입된다. 특히 부식 생성물은 고체 입자로 존재하여 밸브 시트를 손상시킨다.

2. 공기 유입 (Start-up / Shutdown)

• 장치 내 압력이 대기압보다 낮아지는 진공 상태가 형성되면, 플랜지나 가스켓의 미세한 틈을 통해 산소(O₂)가 유입된다. 유입된 산소 농도가 연소 하한계(LFL)를 초과할 경우 화재 위험이 급증한다.

 

 

위험 방지 및 관리 대책 (Risk Prevention and Management Measures)

1. 물리적 차단 및 감시 (Isolation and Monitoring):

• 이종 유체 유입 가능성이 있는 곳에 이중 차단 및 배출(Double Block and Bleed) 밸브를 설치한다.
• 열교환기 및 중요 배관에 부식 감시 센서(Corrosion Coupon)를 설치하여 마모율을 1.0 x 10⁻¹ mm/y 이내로 관리한다.

2. 운전 절차 및 정제 (Operational Procedures and Purification):

• 가동 전 질소(N₂)를 이용한 퍼지 절차를 명문화하여 산소 농도를 규정된 농도(예: 1.0 x 10¹ ppm) 이하로 유지한다.
• 원료 유입단에 수은 제거 유닛(MRU)이나 탈황 설비(Desulfurizer)를 설치하여 불순물을 사전에 제거한다.

3. 설계 최적화 (Design Optimization):

• 배관 설계 시 데드 레그 (Dead Leg)를 최소화하고 유속을 1.5 m/s 이상으로 유지하여 불순물 퇴적을 방지한다.
• 수분 유입이 치명적인 공정에는 노점(Dew Point) 측정기를 설치하여 실시간으로 수분 함량을 감시한다.

데드 레그 (Dead Leg) 설계 기준은 다음 포스팅 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1706

데드 레그 (Dead Leg) 설계 기준

 

4. 안전 인터록 (Safety Interlock): 

• 두 원료가 동시에 유입되지 않도록 밸브 간에 기계적 또는 전기적 인터록(Interlock)을 설정한다.

5. 상 분리 장치 강화: 

• 기체 유입 가능성이 높은 곳에 기액 분리기(Separator)를 설치하고, 액위가 하한치(Low Level) 이하로 떨어지면 하류 펌프를 정지시키는 보호 로직을 구성한다.

6. 운전 시퀀스 검증: 

• 배치 공정의 경우 각 단계 사이의 대기 시간(Dwell Time)을 설정하고, 이전 단계의 완료 신호가 확인되어야만 다음 단계 밸브가 열리도록 설계한다.

 

 

HAZOP 인과관계 분석표 (HAZOP Analysis Table for 'As well as')

이탈 (Deviation)	원인 (Causes)	영향 (Consequences)
다상 흐름 (Multi-phase Flow)	분리기 액위 제어 실패, 압력 급락에 의한 비등(Flashing)	펌프 손상, 유량계 오작동, 배관 진동 상승
동시 이송 (Simultaneous Transfer)	차단 밸브 누설, 제어 시스템 로직 오류	원치 않는 화학 반응, 대규모 제품 불량(Off-spec)
중첩 단계 (Simultaneous Steps)	시퀀스(Sequence) 제어기 고장, 타이머 설정 오류	불완전 반응, 압력 안전 밸브(PSV) 작동 가능성