누출원 모델링에 관한 기술지침(P-92-2023)

 

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)

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누출원 모델링에 관한 기술지침(P-92-2023)

 

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1. 목적

2. 적용범위

3. 정의

4. 누출원인 및 상태

5. 누출원의 면적

6. 화학설비에서 누출되는 경우

7. 배관에서 누출되는 경우

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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.

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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.

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4. 누출원인 및 상태

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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)

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4.2 누출 상태

위험물질이 용기 등으로부터 누출될 때 누출되는 위험물질의 상태는 다음과 같다.

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(1) 가스 또는 증기(Vapor)

(2) 액체

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

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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

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6. 화학설비에서 누출되는 경우

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

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6.1.1 임계흐름압력비 (PCF/P1) 산정

여기서, PCF : 임계흐름압력(㎏f/㎠, lbf/㎠)

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

                    γ : 비열계수 (CP/CV)

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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)

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<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

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(2) 누출속도가 음속 미만 (Pa /P1 > PCF/P1)인 경우

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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)

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6.3 액체-증기 상태로 누출되는 경우

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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)

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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)

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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)

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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

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7. 배관에서 누출되는 경우

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

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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)

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<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

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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)

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7.1.3 임계흐름 압력비 산정

여기서, P1 : 배관내의 운전압력(㎏f/㎠, lbf/ft2)

         PCF : 임계흐름압력(㎏f/㎠, lbf/ft2)

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7.1.4 가스누출온도(Gas release temperature) 산정

다음 식을 이용하여 시행착오 방법으로 가스누출온도를 산정한다.

여기서, T : 가스누출온도(K, R)

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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

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7.2 액체상태로 누출되는 경우(계산 예는 <붙임 7> 참조)

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7.2.1 마찰계수 산정

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

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

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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)

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7.3.1 포화액체인 경우

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

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<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

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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

 

 

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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

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[첨부자료] 누출원 모델링에 관한 기술지침(P-92-2023)

P-92-2023 누출원 모델링에 관한 기술지침.pdf

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