산소(O2)배관 시스템 설계

흔히 말하는 산소는 생산 공정에서 중요한 관리 요소가 아니다. 유틸리티(Utility)일 뿐 전혀 생산량 증대에는 영향을 미치지 않는다고 생각한다. 또한 대기 중에 넘치는 공기를 원료로 만들기에 산소 내면에 있는 무서운 폭발력을 알지 못한 채 별로 위험하지 않을 거라고 생각하기가 쉽다.

 

 

 

산소(O2)배관 시스템 설계

 

산소배관의 취급 시 문제점

 

산소 관련 설비 및 배관 사고의 근본 원인은 해당 사업장에서 고압산소를 수십 년간 취급해 왔지만 산소배관과 밸브 취급 작업의 위험성에 대해 정확히 알지 못하고 있다는 사실이다.

이러한 배경에는 해당 산소공장을 설계했던 외국의 원천기술사와 산소산업 관련 단체에서 보유하고 있는 산소배관과 밸브 취급작업 시 화재·폭발 메카니즘 등에 대한 정보를 해당 사업장에서는 공유하기 어려운 환경이라는 것이 깔려있다.

따라서 그러한 기술 자료를 공유할 필요가 있어 다음과 같이 KOSHA에서 배포한 자료를 중심을 공유하고자 한다.

산소배관 취급 위험성 인식 부족

파티클의 충돌(particle impact), 단열압축(adiabatic compression), 유분(oil) 등에 의한 화재 발생 위험이나 산소 배관 밸브 조작 시 위험성과 이에 대한 예방대책은 EIGA*, AIGA**, 원천기술사 등 산소 관련 산업에서는 이미 통용되고 있는 내용들이나 국내 산소공장 보유 사업장은 관련 자료 확보나 내용 인지가 부족한 실정이다.

* European Industrial Gases Association, **Asia Industrial Gases Association

산소 사고를 예방할 수 있는 규정 부족

근로자의 안전을 위해 존재하는 산업안전보건법에서 조차 산소의 위험을 알리고 사고 예방을 위한 관련 조항은 단 2개이다. 산소밸브를 천천히 열어라! 환기를 위해 산소를 사용하지 마라! 가 전부이다. ‘14년 사고 이후 산소공장의 현실을 파악하고 외국 관련 기술 지침, 규격 등을 참고하여 전문가들에 의해 매뉴얼이 마련되었어야 하나 현재까지도 작성되지 못하고 있다.

원천 기술력의 부족

턴키(Turn-Key) 형태의 공장 설립으로 인해 원천기술사에서 자료를 제공하지 않아 설계사상 등 안전운전에 매우 중요한 자료들이 확보되지 않은 것이 가장 큰 문제이다. 일부는 운전매뉴얼도 영문으로 가지고 있다. 원청에서 이러한 기술자료를 확보하지 못하고 있으니 공장 운전을 위탁받은 외부업체도 운전만 할 뿐 예상치 못한 돌발 상황에 대한 대처는 하지 못하는 것이 현실이다. 왜 그렇게 설계되었는지도 모른 채 오랜 기간 운전하다 설비가 노후화되어 정비 작업 시 사고가 반복하여 발생되고 있다.

산소에 대한 전문가 부족

기술자료 부족, 규제 법령 부재, 기업 이윤과 무관한 공정 이라는 인식 등의 이유로 회사에서는 산소에 대한 전문가를 육성하지 않고 있다. 대부분의 사고가 산소의 전문적인 특성을 알지 못한 채 안일한 생각으로 작업을 수행하다 발생하고 있다.

 

 

산소배관 설계 시 대책

산소배관 취급 위험성 인식 확대 및 관련 자료 확보

EIGA 등 산소 관련 산업에서는 이미 통용되고 산소 배관 설계기준이나 밸브 조작 시 위험성 및 대책 관련 자료를 우선적으로 확보하고 운전매뉴얼, 작업표준 등 사내 관련 지침에 반영하는 것이 필요하다.

차단밸브 전·후단 균압 배관설치

고압 산소 배관에서 밸브의 급속한 개방에 따른 위험성을 인지하지 못하고, 단순히 고압의 경우 밸브가 쉽게 열리지 않으니 천천히 열어야 한다고만 알고 있는 데, 고압 산소배관 차단밸브가 있는 곳에는 다음과 같이 균압배관과 압력계를 설치하여야 한다.

 

- 균압배관 및 균압밸브는 난류생성 가능성을 고려하여 허용재질선정 - 균압배관의 지름(d)은 주배관의 지름(D)의 1/4을 초과하지 말고 최대 3인치를 초과하지 말 것 - 균압여부 확인 후 차단밸브를 조작할 수 있도록 전·후단에 압력계(pressure gauge) 설치 - 균압배관 또는 우회배관을 설치하는 경우에는 이물질 유입을 방지하기 위해 측방향이나 상방향으로 설치

그러나 기존의 산소 배관에 대해서는 현실적으로 전면 공사하는 것이 어려운 바 그동안에는 ①차단밸브 개방 전에 밸브 후단에 질소를 가압하여 질소 분위기를 형성하고, 배압을 제공하여 차압을 최대한 줄여주는 작업이 필요할 것이다. ②또한 차단밸브 전·후단 압력을 확인하면서 밸브를 천천히 열어 유속을 낮게 유지하는 게 필요하다.

 

 

적합한 차단밸브 타입 선정

차단밸브는 완전 폐쇄 또는 완전 개방 위치에서 작동해야 하며 스로틀링(Throttling)모드에서 사용을 지양(유량 또는 압력 제어 밸브 제외)해야 한다. 볼 또는 플러그 밸브는 빠르게 개폐가 가능하며 밸브 후단 측 난류가 형성되는 곳에 단열압축에 의해 온도가 상승이 가능하다. 빠른 개폐를 방지하기 위해 기어 작동기(Gear Operator)를 장착하여 사용하여야 한다.

산소 배관 재질 선정

최근에 설치된 공장과 예전에 설치된 공장이라도 난류 형성을 야기할 수 있는 엘보(Elbow)류에는 스테인리스스틸을 사용하였지만, 대부분의 공장은 탄소강을 사용하고 있었다. 일부 스테인리스스틸로 설치된 공장도 외부 환경에 부식을 방지하기 위해 설치한 것으로 알고 있는 등 탄소 배관 부식에 따른 금속 입자가 가연물이면서 점화원이 된다는 것을 잘 알고 있지 못하였다.

따라서 향후 신설 또는 변경되는 배관에 대해서는 배관 내 허용 유속 이상의 산소 흐름을 형성되는 경우 화재·폭발에 취약한 일반탄소강 재질의 배관을 사용하지 말고 스테인리스스틸을 선정·사용하여야 한다.

그러나 기존의 산소 배관에 대해서는 현실적으로 전면 공사하는 것이 어려운 바 그동안에는 정기적인 배관의 두께 측정을 통해 적정 두께를 초과한 것은 교체를 실시하여야 한다. 먼저 난류흐름을 유발할 수 있는 구간(밸브, elbow, reducer, 가지배관 등)은 스테인리스강 등 적합한 재질로 교체가 필요하다.

그리고 배관을 교체하는 경우에는 다음의 표와 그림을 참고하여 재질을 선정하여야 한다.

 

<표> 배관의 재질에 따른 두께와 압력의 변화 추이

 

 

<그림> 고압산소 배관의 유속 제한

- (예시) 운전압력이 10 Mpa 압력일 때 약 5 m/s 유속 이하인 경우에는 탄소강 재질 사용 가능

 

Reference : KOSHA 기술자료(중대사고 이슈 리포트)