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산업안전

누출원 모델링에 관한 기술지침(P-92-2023)

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o 관련규격

   - 미국 CCPS의 "Guidelines for consequence analysis of chemical release"

   - 미국 AIChE의 "Consequence Assessment and Mitigation"

o 관련법규

   - 산업안전보건법 시행규칙 제50조(공정안전보고서의 세부내용 등)


누출원 모델링에 관한 기술지침(P-92-2023)

 

 

1. 목적

2. 적용범위

3. 정의

4. 누출원인 및 상태

5. 누출원의 면적

6. 화학설비에서 누출되는 경우

7. 배관에서 누출되는 경우


 

1. 목적
이 지침은 공정위험성 평가시 화재․ 폭발, 누출과 같은 사고시의 피해정도 및 피해범위 등을 정량적으로 산정하고 피해최소화 대책 등을 수립하는데 필요한 누출량 등을 산정하는데 필요한 사항을 제시하는데 그 목적이 있다.


2. 적용범위
이 지침은 산업안전보건기준에 관한 규칙 별표1의 위험물질 중 인화성액체, 인화성고체, 인화성 가스 및 가연성 가스 및 급성독성물질을 취급하는 화학설비 및 그 부속설비에 대한 사고피해예측에 적용한다.

3. 정의

(1) 이 지침에서 사용하는 용어의 정의는 다음과 같다.

(가) "누출원 모델링(Source term modeling)" 이라 함은 화재·폭발·누출 등에 의한 사고시의 피해예측에 필요한 입력자료, 즉 누출량(또는 누출 속도), 누출되는 기간 및 누출되는 위험물질의 상태 등을 예측하는 방법을 말한다.

(나) "용기 등" 이라 함은 산업안전보건기준에 관한 규칙 별표7의 화학설비 및 그 부속설비를 말한다.

(다) "배관" 이라 함은 산업안전보건기준에 관한 규칙 별표7 제2호의 화학설비의 부속설비 중 "가" 항의 설비를 말한다.

(라) "포화액체(Saturated liquid)" 라 함은 취급·저장온도에서 그 물질의 포화증기압 하에서 취급·저장되는 액체를 말한다.

(마) "과냉각 액체(Subcooled liquid)" 라 함은 취급·저장온도에서 그 물질의 포화 증기압 이상으로 취급·저장되는 액체를 말한다.

(2) 그 밖에 이 지침에서 사용하는 용어의 정의는 특별한 규정이 있는 경우를 제외하고는 산업안전보건법, 같은 법 시행령, 같은 법 시행규칙 및 산업안전보건기준에 관한 규칙에서 정하는 바에 따른다.

4. 누출원인 및 상태

4.1 누출 원인

위험물질의 누출을 야기시키는 원인은 다음과 같다.

(1) 용기 등의 균열 또는 파손

(2) 오조작에 의한 밸브의 열림

(3) 비상 배출(Emergency vent)

4.2 누출 상태

위험물질이 용기 등으로부터 누출될 때 누출되는 위험물질의 상태는 다음과 같다.

(1) 가스 또는 증기(Vapor)

(2) 액체

(3) 액체-증기(Two phase flashing liquid-vapor)

5. 누출원의 면적

누출량을 산정하기 위한 누출원의 면적은 다음과 같이 산정하거나 가정한다.

(1) 이송 또는 압축설비를 제외한 화학설비의 균열 또는 파손에 의한 경우: 그 화학설비에서 취급·저장하는 위험물질이 10분 동안에 모두 누출될 수 있는 구멍(Hole)의 면적

(2) 배관의 균열 및 파열에 의한 경우

가. 배관의 호칭지름이 50㎜ 미만인 경우 : 배관의 단면적

나. 배관의 호칭지름이 50㎜ 이상 100㎜ 이하인 경우 : 50㎜ 배관의 단면적

다. 배관의 호칭지름이 100㎜를 초과하는 경우 : 배관 단면적의 20%

(3) 이송 또는 압축설비의 균열 또는 파손에 의한 경우 : 흡인측 배관의 크기에 따라 전항에서 규정하는 면적

(4) 오조작에 의하여 밸브가 열린 경우 : 그 밸브의 구멍(Full bore)의 면적

(5) 비상 배출인 경우 : 비상 배출관의 내경에 의한 면적

6. 화학설비에서 누출되는 경우

6.1 가스 또는 증기 상태로 누출되는 경우(계산 예는 <붙임 1>참조)

6.1.1 임계흐름압력비 (PCF/P1) 산정

여기서, PCF : 임계흐름압력(㎏f/㎠, lbf/㎠)

             P 1 : 화학설비의 운전압력(㎏f/㎠, lbf/㎠)

                    γ : 비열계수 (CP/CV)

6.1.2 누출량 산정

(1) 누출속도가 음속 이상 (Pa /P1≤PCF/P1)인 경우

여기서, Pa : 대기압력(㎏/㎠, lbf/ft2)

            Q : 누출량(㎏/sec, lb/sec)

          CD : 누출계수(무차원)

           gc : 중력상수(9.8 ㎏·m/㎏f·sec2, 32.2 lb·ft/lbf·sec2)

        MW : 분자량(㎏/㎏-mole, lb/lb-mole)

            A : 누출원 면적(㎡, ft2)

          T1 : 화학설비의 운전온도(K, R)

           R : 가스 상수(847 m·㎏f/㎏-mole․K, 1,545 ft․lbf/lb-mole․R)

<표 1> 누출계수

누출지점의 형태 흐름의 상태 누출계수(CD)
벤츄리메터/노즐 - 0.05~0.99
오리피스/구멍
 
 
음속미만 0.61~067
음속이상, Pa/P1≃PCF/P1 0.75
음속이상, P1≫Pa 0.84

※ CD가 불확실한 경우에는 CD=1로 가정

(2) 누출속도가 음속 미만 (Pa /P1 > PCF/P1)인 경우

6.2 액체 상태로 누출되는 경우(계산 예는 <붙임 2> 참조)

여기서, ρL : 누출되는 위험물질의 밀도(㎏/㎥, lb/ft3)

             g : 중력가속도(9.8 m/sec2, 32.2ft/sec2)

             h : 누출지점과 화학설비 내의 액체 높이 차(m, ft)

6.3 액체-증기 상태로 누출되는 경우

6.3.1 일반사항

(1) 2상 유체의 누출은 액체가 누출되면서 압력의 차에 의하여 액체가 증기 상태로 플래쉬(Flash)되어 일어난다.

(2) 2상 유체의 누출은 다음과 같은 위험물질이 누출되는 경우로 분류한다.

    가) 포화 액체(Saturated liquid)

          - 평형(Equilibrium) : 누출되는 지점이 화학설비 외부로부터 0.1 m 이상인 경우

          - 비평형(Nonequilibrium) : 누출되는 지점이 화학설비 외부로부터 0.1 m 이내인 경우

   나) 과냉각 액체(Subcooled liquid)

(3) 2상 유체의 누출시에 생성되는 증기의 비율(Flash fraction)은 다음과 같이 계산한다.

여기서, fv : 생성되는 증기 비율(Flash fraction)

        CPL : 액체의 평균 정압 비열(㎉/㎏․K, Btu/lb․R)

          Tb : 대기압하에서의 액체의 비점(K, R)

        ΔHV : 평균 증발 잠열(㎉/㎏, Btu/lb)

6.3.2 평형 포화액체가 누출되는 경우(계산 예는 <붙임 3> 참조)

여기서, ΔHV : 운전온도에서의 증발 잠열(㎉/㎏, Btu/lb)

                 ρG : 운전압력에서의 증기 밀도(㎏/㎥, lb/ft3)

                K : 상수(427 m․㎏f/㎉, 778 ft․lbf/Btu)

            CPL : 운전온도에서의 액체의 비열(㎉/㎏․K, Btu/lb․R)

6.3.3 비평형 포화액체가 누출되는 경우(계산 예는 <붙임 4> 참조)

여기서,

LP : 화학설비의 외면으로부터 누출되는 지점까지의 배관길이(m, ft) 단, 0.1 m 미만

Le : 실험 상수(0.1 m, 0.33ft)

6.3.4 과냉각 액체가 누출되는 경우(계산 예는<붙임 5> 참조)

여기서, Pv : 운전온도에서 증기압(㎏f/㎠, lbf/ft2)

           QS : LP≥0.1m 인 경우에는 식(6)에 의한 Q

           LP<0.1m 인 경우에는 식(7)항에 의한 Q

7. 배관에서 누출되는 경우

7.1 가스 또는 증기 상태로 누출되는 경우(계산 예는 <붙임 6> 참조)

7.1.1 마찰계수 산정

(1) 배관의 거칠기 계수(Roughness factor)가 0을 초과하는 경우

여기서, f : 마찰계수(무차원)

             ε : 배관의 거칠기 계수(m, ft)

         D : 배관의 내경(m, ft)

<표 2> 거칠기 계수

배관 제질 단위
m ft
주철관(Cast Iron)
아연도 강관
일반 강관
단철관(Wrought Iron)
압연 튜브(Drawn Tube)
유리관
프라스틱관
2.6×10^-4
1.5×10^-4
4.6×10^-5
4.6×10^-5
1.5×10^-6
0
0
8.5×10^-4
4.9×10^-4
1.5×10^-4
1.5×10^-4
4.9×10^-6
0
0

 

(2) 배관의 거칠기 계수가 0인 경우

f = 0

7.1.2 마하번호 산정

다음 식을 이용하여 시행착오 방법으로 마하번호를 산정한다.

여기서, Ma : 마하번호(무차원)

            LP : 화학설비의 외면으로부터 파손된 부위까지의 배관길이(m, ft)

             D : 배관의 내경(m, ft)

7.1.3 임계흐름 압력비 산정

여기서, P1 : 배관내의 운전압력(㎏f/㎠, lbf/ft2)

         PCF : 임계흐름압력(㎏f/㎠, lbf/ft2)

7.1.4 가스누출온도(Gas release temperature) 산정

다음 식을 이용하여 시행착오 방법으로 가스누출온도를 산정한다.

여기서, T : 가스누출온도(K, R)

7.1.5 누출량 산정

(1) 가스의 유속이 음속 이상 (Pa /P1≤PCF/P1)인 경우

(2) 가스의 유속이 음속미만 (P1/Pa > PCF/P1)인 경우

7.2 액체상태로 누출되는 경우(계산 예는 <붙임 7> 참조)

7.2.1 마찰계수 산정

여기서, Re : 레이놀드 수(Reynold's number)(무차원)

             μL : 액체의 점도(㎏/㎝․sec, lb/ft․sec)

7.2.2 누출량 산정

(1) 층류(Laminar flow)인 경우 (Re f ≤ 180)

(2) 난류(Turbulent flow)인 경우 (Re f ≥ 525)

7.3 액체-증기로 누출되는 경우(계산 예는 <붙임 8> 참조)

7.3.1 포화액체인 경우

여기서, F : 유량감소계수(Flow reduction factor)(무차원)

<표 3> 유량감소계수

LP/D 유량감소계수(F)
0
50
100
200
400
1
0.85
0.75
0.65
0.55

 

7.3.2 과냉각 액체인 경우

식(9)을 이용하여 LP가 0.1 m 이상인 경우로 누출량을 산정한다


이하 자료는 첨부된 " 누출원 모델링에 관한 기술지침" 참조

 

<붙임 1> 압력용기로부터 가스누출 계산 예

<붙임 2> 압력용기로부터 액체누출 계산 예

<붙임 3> 압력용기로부터 평형 포화액체 누출 계산 예

<붙임 4> 압력용기로부터 비평형 포화액체 누출 계산 예

<붙임 5> 과냉각 액체 누출량 계산 예

<붙임 6> 배관으로부터 가스누출 계산 예

<붙임 7> 배관으로부터 액체누출 계산 예

<붙임 8> 배관으로부터 2상의 액체-증기누출 계산 예

 

 


안전보건기술지침 개정 이력


□ 개정일 : 2023. 8. 24.
○ 개정자 : 안전보건공단 전문기술실 오상규
○ 개정사유 : 산업안전보건법 관련 법령조항 삭제
○ 주요 개정내용
   - (1. 목적) 산업안전보건법 제 49조의2, 같은 법 시행령 제 33조의 7, 같은 법 시행규칙 제130조의 2의 규정에 의하여” 법령 조항 삭제


[첨부자료] 누출원 모델링에 관한 기술지침(P-92-2023)

P-92-2023 누출원 모델링에 관한 기술지침.pdf
0.22MB

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