인화성 액체 누출 HAZOP

상압탱크(Atmospheric Storage Tank)에서 펌프(Pump)를 이용하여 인화성 액체(Flammable Liquid)를 이송하는 공정에 대한 위험 및 운전성 검토(Hazard and Operability Studies, HAZOP) 결과를 공유하고자 한다.

 

 

 

인화성 액체 누출 HAZOP

HAZOP 분석 결과

1. 노드(Node) 설정 및 공정 개요

• 노드 정의: 상압탱크에서 펌프 흡입측(Suction)을 거쳐 토출측(Discharge) 후단 밸브까지의 배관 구간.
• 설계 의도 (Design Intent): 인화성 액체를 정해진 유량(Flow Rate) Fₐ 및 압력(Pressure) Pₐ로 안전하게 후단 공정으로 이송한다.

 

 

2. HAZOP 분석 결과 요약 (Worksheet)

 

이탈 (Deviation)	원인 (Cause)	결과 (Consequence)	안전조치 (Safeguards)
유량 없음 (No Flow)	1. 저장탱크 저액위(Low Level) Lₗ 2. 펌프 모터 고장 또는 전원 차단 3. 흡입측 밸브 오조작(닫힘)	1. 펌프 공동현상(Cavitation) 발생 및 씰(Seal) 손상 2. 펌프 공회전으로 인한 과열 및 화재 위험	1. 탱크 저액위 차단 연동(LSL Interlock) 2. 펌프 토출측 유량 저지시 알람(FAL) 3. 펌프 공회전 방지 장치 설치
유량 적음 (Less Flow)	1. 펌프 임펠러(Impeller) 마모 2. 스트레이너(Strainer) 이물질 폐쇄 3. 토출측 일부 폐쇄	1. 공정 효율 저하 및 후단 유량 부족 2. 펌프 진동 및 소음 발생에 따른 설비 열화	1. 스트레이너 전후단 차압계 설치 2. 정기적인 펌프 성능 점검 및 유지보수
압력 높음 (More Pressure)	1. 토출측 밸브 차단(Dead Head 운전) 2. 배관 내부 스케일 축적 및 폐쇄	1. 배관 및 플랜지 연결부 파손 2. 인화성 액체 외부 누출 및 화재·폭발	1. 펌프 토출측 압력계 및 고압 알람(PAH) 2. 안전밸브(PSV) 설치 및 토출물 탱크 환원
역류 (Reverse Flow)	1. 펌프 정지 시 체크밸브(Check Valve) 고장 2. 후단 고압 공정의 압력 역전	1. 펌프 역회전으로 인한 파손 2. 인화성 액체의 탱크 과충진 및 월류	1. 펌프 토출단 체크밸브 설치 및 기밀 점검 2. 긴급 차단 밸브(EBV) 연동

 

 

3. 추가 이탈 검토: 유량 과다 (More Flow)

① 유량 과다 (More Flow)의 주요 위험성

1) 후단 설비의 과충진 (Overfilling) 및 월류

• 이송되는 목적지인 수전 탱크(Receiving Tank)의 설계 유입 속도를 초과할 경우, 액위 제어 루프(Level Control Loop)가 대응하지 못해 액체가 외부로 넘치는 월류 현상이 발생한다.
• 위험 결과: 인화성 액체의 대량 외부 유출 및 대기 중 유증기 확산에 의한 화재·폭발 위험.

2) 정전기 발생 가속화

• 배관 내 유속 vₐ가 설계 기준(보통 7 m/s 이하, 도전성 낮은 경우 1 m/s 이하)을 초과하면 유체와 벽면 사이의 마찰력이 급증하여 정전기 발생량이 기하급수적으로 증가한다.
• 위험 결과: 수전 탱크 내부에서 방전(Discharge)이 발생하여 점화원(Ignition Source)으로 작용한다.

3) 펌프 공동현상 (Cavitation) 유발

• 유량이 증가하면 펌프 흡입측 배관의 마찰 손실 수두 Hբ가 유속의 제곱에 비례하여 증가한다. 이로 인해 가용 흡입 양정(NPSHₐ)이 급격히 감소한다.
• 위험 결과: NPSHₐ < NPSHᵣ 조건이 형성되어 공동현상이 발생하고, 펌프의 기계적 씰(Seal)이 파손되어 누출로 이어진다.

4) 수격 작용 (Water Hammer) 위험

• 과다 유량 상태에서 긴급 차단 밸브(EBV)나 공정 밸브가 갑격히 닫힐 경우, 유체의 운동 에너지가 압력 에너지로 변하며 배관에 강한 충격을 준다.
• 위험 결과: 배관 지지대(Support) 파손, 플랜지 누설 또는 배관 파열.

 

 

② 유량 과다의 주요 원인 (Causes)

• 제어 밸브 (Control Valve) 고장: 유량 제어 밸브(FCV)가 전개(Full Open) 상태로 고착된 경우.
• 운전원 조작 실수: 우회 배관(Bypass Line) 밸브를 과다하게 개방하거나 후단 공정 밸브를 잘못 조작한 경우.
• 펌프 임펠러 교체: 설계 용량보다 큰 임펠러를 잘못 장착하여 설계 유량 Fₐ를 초과하는 경우.

 

 

③ 안전 대책 (Safeguards)

1) 계장 및 제어 보완

• 고유량 알람 및 차단 (FSH/FSHH): 유량계에서 설계치 이상의 유량이 감지될 경우 운전원에게 알람을 송출하고, 심각할 경우 펌프 전원을 차단(Interlock)한다.
• 수전 탱크 고액위 차단 (LSHH): 공급측 유량과 관계없이 수전 탱크의 액위가 위험 수준에 도달하면 유입 밸브를 즉시 차단한다.

2) 설계적 조치

• 유량 제한 오리피스 (Restriction Orifice, RO): 배관 내에 물리적인 오리피스를 설치하여 시스템이 허용하는 최대 유량 이상으로 흐르지 않도록 제한한다.
• 정전기 완화 구간 (Relaxation Section): 고속 유동 후 정전기가 소멸될 수 있도록 수전 탱크 전단에 충분한 직관 거리나 완화 시간을 확보한다.

 

 

주요 위험요소 (Hazardous Factors)

인화성 액체 이송 공정에서 발생할 수 있는 물리적·화학적 위험은 다음과 같다.

1. 공동현상 (Cavitation) 및 펌프 손상

• 펌프 흡입측의 압력이 액체의 증기압(Vapor Pressure) Pᵥ보다 낮아질 경우 기포가 발생한다. 이 기포가 고압의 토출측에서 응축되며 충격을 주어 임펠러를 손상시킨다.
• 물리적 결과: 펌프 씰(Seal) 파손에 의한 인화성 액체 외부 유출.

2. 과압 (Overpressure) 및 배관 파열

• 토출측 밸브가 닫힌 상태에서 펌프가 계속 가동되는 체절 운전(Shut-off Operation) 시, 유체의 온도가 상승하고 압력이 급격히 증가한다.
• 물리적 결과: 배관 연결부(Flange) 또는 씰 피로 파괴로 인한 대량 누출.

3. 정전기 (Static Electricity) 점화

• 인화성 액체가 배관 내에서 고속으로 흐를 때 유체와 벽면 사이의 마찰로 인해 정전기가 축적된다.
• 물리적 결과: 탱크 내 유증기(Vapor) 영역에서 방전 발생 시 화재 및 폭발(Explosion).

 

 

계층별 안전대책 (Layer of Protection)

위험을 제어하기 위해 설계, 제어, 방호 계층으로 구분하여 대책을 수립한다.

1. 설계 및 공정 제어 대책 (Basic Process Control System)

• 액위 연동 차단 (Level Interlock): 탱크의 저액위 도달 시 펌프를 자동으로 정지시켜 공회전을 방지한다.
• 최소 유량 라인 (Minimum Flow Line): 토출측 밸브가 닫히더라도 일정 유량을 탱크로 순환시켜 펌프 과열을 방지한다.
• 압력 모니터링: 펌프 토출단에 압력계를 설치하고, 고압 발생 시 알람(PAH)을 송출한다.

2. 물리적 방호 대책 (Safety Instrumented System)

• 안전밸브 (Pressure Safety Valve, PSV): 설계 압력 초과 시 유체를 안전한 곳이나 저장탱크로 방전한다.
• 체크밸브 (Check Valve): 펌프 정지 시 유체의 역류(Reverse Flow)를 방지하여 탱크 월류(Overflow) 및 펌프 역회전을 차단한다.
• 접지 및 본딩 (Earthing & Bonding): 탱크, 펌프, 배관 전체를 등전위화하여 정전기 축적을 방지한다.

3. 사고 확산 방지 대책 (Mitigation)

• 가스 감지기 (Gas Detector): 누출 발생 시 인화성 가스 농도를 감지하여 조기 경보 및 환기 설비를 가동한다.
• 방유제 (Dike): 탱크 또는 펌프 파손 시 유출된 액체가 외부로 확산되지 않도록 차단벽을 설치한다.
• 긴급 차단 밸브 (Emergency Isolation Valve, EIV): 화재 발생 시 원격에서 연료 공급원을 차단한다.

 

 

권고 사항 (Recommendations)

• LOPA(Layer of Protection Analysis): 인화성 액체의 특성을 고려하여 SIL(Safety Integrity Level) 등급이 필요한 차단 시스템을 검토한다.
• 누출 감지: 펌프 주변에 가스 감지기(Gas Detector)를 설치하여 인화성 증기 누출 시 조기 경보 체계를 구축한다.
• 정전기 방지: 펌프 및 이송 배관에 접지(Earthing) 및 본딩(Bonding) 상태를 정기적으로 확인하여 점화원을 차단한다.