Consequence Analysis 2009. 4. 30 한국산업안전보건공단 호남권 중대산업사고예방센터.

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1 Consequence Analysis 한국산업안전보건공단 호남권 중대산업사고예방센터

2 목 차 위험성평가 개요 누출모델링 확산모델링 화재모델링 폭발모델링 영향모델링 최악의 누출시나리오 선정

3 참 고 KOSHA 전문화교육 : 사고결과분석(CA) KOSHA Code P-9-1999(사고피해영향 평가기법)
참 고 KOSHA 전문화교육 : 사고결과분석(CA) KOSHA Code P (사고피해영향 평가기법) KOSHA Code P (누출원 모델링에 관한 기술지침) KOSHA Code P (사고피해예측기법) KOSHA Code P (최악의 누출시나리오 선정 지침) KOSHA Code P (화학공장의 피해최소화대책에 관한 기술지침)

4 위험성평가 개요 위험 : 사람, 재산 또는 환경에 나쁜 영향을 미치는 물리, 화학적 인자
위험요소 : 위험을 초래하게 되는 여러가지 요소(위험물질, 운전조건 등) 공정의 위험요소를 규명하고 평가하는 것은 사고나 재해의 특성을 파악하고 발생 빈도나 재해 결과까지 예측하여위험으로부터 안전을 확보하기 위한 기초적인 작업 위험성평가 방법 - Hazard Identification Methods - Hazard Assessment Methods

5 정성적 위험성평가 개요 : 어떤 위험요소가 존재하는지 찾아내는 방법 (Hazard Identification) 종류
- 위험과 운전분석(HAZOP) - 예비위험분석(PHA) - 체크리스트기법(Checklist) - 상대위험순위결정기법(Relative Ranking) - 이상위험도분석(FMECA) - 사고예상질문분석(What-if) 등

6 정량적 위험성평가 개요 : 사고 발생 빈도 또는 사고 발생 결과 예측 (Hazard Assessment) 종류
- 사건수 분석(Event Tree Analysis) - 결함수 분석(Fault Tree Analysis) - 원인결과 분석(Cause & Consequence Analysis) - 피해결과 예측(CA) 등

7 위험성평가 절차 잠재위험 확인 사고빈도분석 사고결과분석 위험도 계산 위험도 관리 HAZOP, Checklist등
FTA, ETA 등 사고결과분석 과압, 복사열 등 위험도 계산 위험도 관리

8 위험도 Risk Matrix Frequency Severity 1 2 3 4 A B C D 2B - 24 SCE
2C SCE 2A SCE

9 피해예측(Consequence Analysis)
개요 : 위험물질이 대기중으로 누출되어 화재나 폭발 혹은 독성물질에 의하여 인체나 건물에 미칠 수 있는 피해 예측 모델링 - 누출모델링(Source Modeling) - 확산모델링(Dispersion Modeling) - 화재모델링(Fire Modeling) - 폭발모델링(Explosion Modeling) - 영향모델링(Effect Modeling)

10 피해예측(Consequence Analysis)
방법 (1) 수계산(전자계산기) (2) Excel (3) 프로그램 - K-CARM - PHAST - SAFER Trace 등

11 누출 모델링 ※ 참고 : KOSHACode P-14-2000(누출원 모델링에 관한 기술지침)
누출물질의 상에 따라 액체 누출, 증기 누출 및 2상 누출(액체-증기)로 구분 - 액체나 2상 누출 : 누출후의 액면화재 모델이나 확산 모델의 자료를 위한 고여있는 액체의 크기와 증발속도 추산 - 증기나 2상 누출 : 제트화재 모델이나 확산 모델의 자료를 위한 증기운의 크기, 밀도, 온도 등 산출 누출량 산출 모델 - 순간누출 : 한정된 기간동안 누출(누출량 : 저장량이나 취급량) - 연속누출 : 연속적으로 누출(누출량 : 누출물질의 상에 따른 모델식 참조) ※ 참고 : KOSHACode P (누출원 모델링에 관한 기술지침)

12 누출구의 면적 이송 또는 압축설비를 제외한 화학설비의 균열 또는 파손
- 위험물질이 10분 동안 모두 누출될 수 있는 구멍(Hole)의 면적 배관의 균열 및 파열 - 배관의 호칭지름이 50mm 미만 : 배관의 단면적 - 배관의 호칭지름이 50mm 이상 100mm 이하 : 50mm 배관의 단면적 - 배관의 호칭지름이 100mm 초과 : 배관 단면적의 20% 이송 또는 압축설비의 균열 또는 파손 - 흡입측 배관의 크기에 따라 결정 오조작에 의하여 밸브가 열린 경우 - 그 밸브의 구멍 면적 비상배출인 경우 - 비상 배출관의 내경의 면적

13 화학설비(용기)에서 누출 1. 가스 또는 증기 상태 누출 임계흐름압력비 산정 Where, P : 임계흐름압력(kg/cm2·A)
Ps : 운전압력(kg/cm2·A) r : 비열비(Cp/Cv) 누출속도 음속 이상 : Pa/Ps ≤ (P/Ps)CR(임계흐름압력비) – 대기압 영향 무 Where, CD : 누출계수(무차원) Pa : 대기압력(kg/cm2·A) Ts : 운전온도(K)

14 화학설비(용기)에서 누출 2. 액체 상태 누출 누출속도 음속 미만 : Pa/Ps > (P/Ps)CR
Where, Pa : 대기압((kg/cm2·A) 2. 액체 상태 누출 Where, ρl : 누출물질의 밀도(kg/m3) h : 누출지점과 화학설비 내의 액체 높이(m)

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

16 화학설비(용기)에서 누출 3. 액체-증기 상태 누출 포화액체 – 평형 : 누출되는 지점이 화학설비 외부로부터 0.1m 이상
Where, △Hv : 운전온도에서 증발 잠열(kcal/kg) K : 상수(427m·kgf/kcal) Cpl : 운전온도에서의 액체의 비열(kcal/kg∙K) Lp : 화학설비외면으로부터 누출점까지의 배관길이(m) Le : 실험상수(0.1m)

17 화학설비(용기)에서 누출 과냉각 액체(Subcooled Liquid) Where, Pv : 운전온도에서 증기압(kg/cm2)
Lp ≥ 0.1m, Qs => s Lp < 0.1m, Qs => ※ 포화액체 : 취급, 저장온도에서 그 물질의 포화증기압 하에서 취급, 저장되는 액체 과냉액체 : 츼급, 저장온도에서 그 물질의 포화증기압 이상으로 취급, 저장되는 액체

18 물질의 상태 액체 포화 또는 과냉액체 Ps : 저장압력 Pv : 저장온도에서의 포화압력 Pa : 대기압 가스 또는 증기

19 배관에서 누출 1. 가스 또는 증기 상태 누출 1-1. 마찰계수 산정 배관의 거칠기 계수(ε) > 0
마찰계수 산정 배관의 거칠기 계수(ε) > 0 배관의 거칠기 계수(ε) = 0 Where, fP : 마찰계수 D : 배관의 내경(m,ft)

20 아연도금 강관(Galvanized Iron) 일반 강관(Commercial Steel)
배관에서 누출 <표> 거칠기 계수(ε) 배관 재질 거칠기 계수(ε) m Ft 주철관(Cast Iron) 2.6*10-4 8.5*10-4 아연도금 강관(Galvanized Iron) 1.5*10-4 4.9*10-4 일반 강관(Commercial Steel) 4.6*10-5 단철관(Wrought Iron) 압연 튜브(Drawn Tube) 1.5*10-6 4.9*10-6 유리관(Glass) 플라스틱관(Plastic)

21 배관에서 누출 1-2. 마하번호 산정(Ma) 시행착오법 : 마하번호(Ma) 1-3. 임계흐름압력비 산정

22 배관에서 누출 1-4. 누출량 산정 누출속도 음속 이상 : Pa/Ps ≤ (P/Ps)CR(임계흐름압력비)
시행착오법 : 가스누출온도(T)

23 배관에서 누출 2. 액체 상태 누출 2-1. 마찰계수 산정 Where, Re : 레이놀드 수(무차원)
μl : 점도(kg/m·s) 2-2. 누출량 산정 층류인 경우 : ≤ 180 난류인 경우 : ≥ 525

24 배관에서 누출 3. 액체-증기상태 누출 포화 액체 Where, F : 유량감소 계수(무차원)
과냉각 액체(화학설비의 과냉각액체 중 Lp가 0.1m 이상) Qs =>

25 배관에서 누출 <표> 유량감소계수(F) Lp/D F 1 50 0.85 100 0.75 200 0.65 400
1 50 0.85 100 0.75 200 0.65 400 0.55

26 예제 – 용기에서 가스 누출(1) 문1) 길이가 12.5m 이고 지름이 2.6m인 액체염소 이송용 철도차량에 설치된 38mm의 안전밸브가 열리는 경우에 안전밸브로부터 누출되는 양은? <취급조건> - 사고당시(안전밸브가 열릴 때)의 저장량 : 용량의 ½정도 - 취급온도 : 21℃ - 취급압력 : 7.39kg/cm2(포화상태) <염소의 물성> - 비열계수(r) : 1.324 - 분자량(MW) : 70.9 - 상압에서 비점 : -34℃ - 취급조건에서 액체 밀도 : 1,405kg/m3 - 취급조건에서 가스 밀도 : 21.6kg/m3 - 취급조건에서 증발잠열 : 60.6kcal/kg - 취급조건에서 엔탈피 : 130kcal/kg - 평균액체비열 : 0.24kcal/kg

27 예제 – 용기에서 가스 누출(2)

28 예제 – 용기에서 가스 누출(3)

29 예제 – 용기에서 가스 누출(4)

30 예제 – 용기에서 가스 누출(5)

31 예제 – 용기에서 액체 누출(1) 문1) 길이가 12.5m 이고 지름이 2.6m인 액체염소 이송용 철도차량의 바닥에 38mm 크기의 파열이 생긴 경우에 누출된 양은? <취급조건> - 사고당시의 저장량 : 용량의 ½정도 - 취급온도 : 21℃ - 취급압력 : 7.39kg/cm2(포화상태)

32 예제 – 용기에서 액체 누출(2)

33 예제 – 용기에서 액체 누출(3)

34 예제 – 용기에서 평형 포화액체 누출(1) 문1) 높이가 3.7m 이고 지름이 2.6m인 염소저장용 압력용기의 바닥에 설치된 38mm 배관이 압력용기 외벽으로부터 0.15m되는 지점에서 파열된 경우 누출된 양은? <취급조건> - 사고당시의 저장량 : 용량의 ½정도 - 취급온도 : 21℃ - 취급압력 : 7.39kg/cm2(포화상태) ※ 누출되는 지점이 압력용기 외면으로부터 0.15m이므로 평형 포화액체

35 예제 – 용기에서 평형 포화액체 누출(2)

36 예제 – 용기에서 평형 포화액체 누출(Excel)

37 확산모델링 연속누출과 순간누출 1-1. 도달시간의 산정 ※ 참고 : KOSHA Code P-31-2001(사고피해예측기법)
ttr : 일정지점에의 도단시간(s) X : 누출원으로부터의 거리 u : 바람의 속도(m/s) z : 누출높이 zR : 통상높이(10m) u(zR) : zR 높이에서 측정한 바람속도 ※ 참고 : KOSHA Code P (사고피해예측기법)

38 확산모델링 1-2. 연속누출과 순간누출의 분류 연속누출 : td ≥ ttr 순간누출 : td < ttr
where, td : 누출된 시간 표 – 안전도 등급에 따른 지수 p 안전도 등급 p 시골 도시 A 0.07 0.15 B C 0.10 0.20 D 0.25 E 0.35 0.30 F 0.55

39 확산모델링 2. 가벼운가스와 무거운가스 2-1. 영향 - 가벼운가스 : 대기의 난류 영향, 바람의 흐름이 변화없음
- 무거운가스 : 중력에 의하여 유도되는 흐름, 바람의 흐름이 변화 2-2. 적용기준 (1) 연속누출 - 무거운가스 : Rio ≥ 0.003 - 가벼운가스 : Rio < 0.003

40 확산모델링 (2) 순간누출 - 무거운가스 : Rio ≥ 0.04 - 가벼운가스 : Rio < 0.04
Where, Rio : 리차든수(Richardson Number) ρr : 누출되는 물질의 비중(kg/m3) ρa : 대기 온도에서 공기의 비중(kg/m3) u10 : 지상으로부터 10m 높이에서의 바람의 속도(m/s) Vv : 체적누출속도(m3/s) V : 누출량(m3) (2) 순간누출 - 무거운가스 : Rio ≥ 0.04 - 가벼운가스 : Rio < 0.04

41 확산모델링 3. 모델식 - 가우시안 플럼(Gaussian Plume) : 가벼운 가스의 연속 누출
- 가우시안 퍼프(Gaussian Puff) : 가벼운 가스의 순간 누출 - 무거운 가스 : HMP, BM모델

42 화재 모델링 액면화재(Pool Fire) 고압분출화재(Jet Fire) 증기운화재(Flash Fire)
화구(Fire Ball) ※ 참고 : KOSHA Code P (사고피해예측기법)

43 액면화재(Pool Fire) 인화성 액체가 저장탱크, 배관에서 유출되어 Pool이 형성되고 연소하한계 농도 이상에서 점화원을 만나 화재 발생

44 TNO 액면화재모델링 개요 - 저장탱크 또는 배관에서 인화성 물질이 누출되어 그 물질이 액면을 형성하여 화재를 일으킨 경우 적용 - 수직실린더로 설명 전제조건 - 연소시 생성되는 이산화탄소 및 먼지에 의한 투과도 감소 무시 - 지상에서의 액표면 화재에 적용 - 산소가 충분히 공급되는 것으로 가정 - 액표면적이 일정한 것으로 가정 - 완전연소로 가정 Xc R Lf Lf : 불꽃의 길이 R : 반경 Xc : 화염중심부터 대상물까지 거리

45 TNO 액면화재모델링 1-1.누출량 산출

46 TNO 액면화재모델링 1-2. 연소속도(증발속도) 연소속도란 액표면에서 단위면적당 증발량(표 3-1)
(1) 액체의 비점이 대기온도보다 높은 경우 식 (3-1) (2) 액체의 비점이 대기온도보다 낮은 경우 식 (3-2)

47 TNO 액면화재모델링 1-3. 불꽃의 길이 불꽃이 기울어진 경우 식 (3-3) 불꽃이 수직인 경우 식 (3-4)
Xc R Lf 불꽃이 수직인 경우 식 (3-4) Where, ρa : 공기의 밀도(kg/m3)

48 TNO 액면화재모델링 1-4. 불꽃의 기울기 산출 COSθ = 1, U ≤ 1인 경우
COSθ = 1/SQRT(U), U > 1인 경우 Where, ρv : 정상비점온도에서 액면증기의 밀도(kg/m3)

49 TNO 액면화재모델링 1-5. 표면방출플럭스(E)  = 전체복사열의 비율(표 3) S = 액표면적 R = 액표면의 반지름
식 (3-5)  = 전체복사열의 비율(표 3) S = 액표면적 R = 액표면의 반지름 Lf = 불꽃의 길이

50 <표-3> 전체복사열의 비율 ※ 일반 탄화수소의 경우 0.35로 한다 물질명 액표면의 지름(mm/in) β
메탄올(Methanol) 80/3 150/6 1200/48 0.162 0.165 0.170 액화천연가스(LNG) 1500/60 3000/120 6000/240 부탄(Butane) 300/12 450/18 750/30 0.199 0.205 0.269 휘발유(Gasoline) 벤젠(Benzene) 0.35 0.345 0.36 ※ 일반 탄화수소의 경우 0.35로 한다

51 TNO 액면화재모델링 액표면적 계산 확산방지조치가 되어있지 않은 경우
S = 액표면적(m2) q = 누출량(kg)  = 밀도(g/cm3) 확산방지조치(방유제)가 되어있는 경우 다음 수치중 작은 수치 선정 - 방유제의 내부면적 - 위에서 계산한 수치 ※ 참고 : KOSHA Code P (최악의 누출 시나리오 선정 지침)

52 TNO 액면화재모델링 1-6. 지형시계인자(Geometric View Factor) - 화염에 대하여 노출된 물체의 위치와 방향, 화염 모양의 영향 고려 수직지형시계인자(Fv) - 불꽃이 수직인 경우 => 식 (3-6) - 불꽃이 기울어진 경우 => 식 (3-7)

53 TNO 액면화재모델링 수평지형시계인자(Fh) - 불꽃이 수직인 경우 => 식 (3-8)
- 불꽃이 수직인 경우 => 식 (3-8) - 불꽃이 기울어진 경우 => 식 (3-9) 최대 지형시계인자(F) 산출 식 (3-10)

54 TNO 액면화재모델링 1-7. 투과도(Transmissivity) - 노출된 물체와 화재 사이에 대기에 의해 흡수되거나 반사되지 않는 열 - 노출된 물체와 화재 사이의 공기 중 수중기의 양에 의존 식 (3-11) RH = 상대습도 PW = 물의 증기압 (N/m2) Xs= 불꽃으로부터 떨어진 거리(m)

55 불꽃으로부터 떨어진 거리(m) If Θ=0 a t θ 90-θ c b 90°
a=불꽃의 길이 b=화염반경 c=화염중심에서 거리 t= 90°로 그었을때 거리 Xs=화염표면에서 대상물까지 거리 θ 90° 90-θ b c t a

56 a=불꽃의 길이 b=화염반경 c=화염중심에서 거리 t= 90°로 그었을때 거리 Xs=화염표면에서 대상물까지 거리
If Θ>0 and a < c×sin θ = c×t/c = t a=불꽃의 길이 b=화염반경 c=화염중심에서 거리 t= 90°로 그었을때 거리 Xs=화염표면에서 대상물까지 거리 θ 90° 90-θ c t a d Xs b

57 If Θ>0 and a >= c×sin θ = c×t/c = t
a=불꽃의 길이 b=화염반경 c=화염중심에서 거리 t= 90°로 그었을때 거리 Xs=화염표면에서 대상물까지 거리 b c θ 90° 90-θ t a d

58 1-8. 복사열량(Q) 식 (3-12)  = 투과도 F = 최대지형시계인자 E = 표면방출플럭스

59 예제 – 액면화재(1) 문1) 높이가 10m, 지름이 10m인 메탄올탱크의 토출배관 부위에서 2in 크기로 파열이 발생하였을 때 누출된량과 거리에 따른 복사열은? <취급조건> - 사고당시 저장량 : 액위는 80% - 취급조건 : 상압, 상온 - 방유제 크기 : 20m * 20m <메탄올의 물성> - 연소열 : 19,580kJ/kg - 비중 : 0.79 - 비열 : 2.47kJ/kg∙K - 증발잠열 : 1,100kJ/kg∙K - 증기비중 : 1.11 - 비점 : 64.5℃

60 예제 – 액면화재(2)

61 예제 – 액면화재(3)

62 예제 – 액면화재(4)

63 예제 – 액면화재(5)

64 예제 – 액면화재(6)

65 예제 – 액면화재(7)

66 예제 – 액면화재(8)

67 예제 – 액면화재(9)

68 예제 – 액면화재(10)

69 예제 – 액면화재(11)

70 예제 – 액면화재(12)

71 고압분출화재(Jet Fire) 압축 혹은 액화상태의 가스가 저장탱크나 배관에서 유출되면, 누출지점에서 gas jet를 형성하게 되고, 주위공기와 혼합되면서 점화원을 만나 화재 발생

72 API 고압분출화재(Jet Fire) 개요
- 압축가스 및 액화가스가 저장탱크 또는 배관의 일정한 구멍을 통하여 고압으로 분출되면서 화재를 일으킨다. 전제조건 - 분출속도 일정 - 수직으로 누출 - 완전연소 - 생성된 이산화탄소 및 검댕에 의하여 투과도에 영향 - 고압분출화재에 의하여 모든 열이 방출

73 API 고압분출화재(Jet Fire) 2-1. 총 방사열량 Qt : 총 방사열량(kw) W : 분출속도(kg/s)
Hc : 연소열량(kJ/kg)

74 API 고압분출화재(Jet Fire) RH = 상대습도 PW = 물의 증기압(N/m2) Xs= 불꽃으로부터 떨어진 거리(m)
2-2. 투과도 RH = 상대습도 PW = 물의 증기압(N/m2) Xs= 불꽃으로부터 떨어진 거리(m) 2-3. 복사열 비율(β) 수소인 경우 : 0.15 메탄인 경우 : 0.2 기타 탄화수소인 경우 : 0.3 β = – V(분출속도)

75 API 고압분출화재(Jet Fire) 2-4. 불꽃의 중심점 산출(간단한 계산을 위해 생략 가능) 2-4-1. 분출음속
Vs : 분출음속(m/s) r : 비열계수(Cp/Cv) Ms : 누출되는 물질의 분자량 Ts : 분출물질의 온도

76 API 고압분출화재(Jet Fire) 2-4-2. 분출마하수(Jet Mach Number) 산출 Ma : 분출마하수(무차원)
Ps : 분출압력(kN/m2) d : 누출부위의 지름(m) 분출속도(Exit velocity) 산출 v : 분출속도(m/s)

77 API 고압분출화재(Jet Fire) 2-4-4. 폭발하한농도(CLP) 변수의 산출 CL: 폭발하한농도변수(무차원)
u : 분출되는 높이에서 바람속도(m/s) d : 누출부위의 지름(m) 추력변수(Thrust Parameter, djR) 산출 djR : 추력변수(m[kg/kgmol]1/2) Ta : 공기의 온도(K)

78 API 고압분출화재(Jet Fire) 2-4-6. 누출중심으로부터 영향거리 산출
폭발하한농도변수와 추력변수를 이용하여 다음 그림에서 중심점간의 수평거리(Xc, m)와 수직거리(Yc, m) 산출 그림 – 수평거리(m)

79 API 고압분출화재(Jet Fire) 그림 – 수직거리(m)

80 API 고압분출화재(Jet Fire) 2-5. 불꽃의 중심점으로부터 영향거리 산출 D : 불꽃의 중심점으로부터 영향거리(m)
L : 누출중심으로부터의 일정거리(m) h : 누출원의 높이(m) 2-6. 일정거리에서의 복사열량 산출 Q : 일정거리에서의 복사열량(kw/m2) D : 불꽃의 중심점으로부터 영향거리(m) 또는 관심거리 ※ 계산을 간단히 하기 위해 D계산을 생략하고 L을 사용

81 API 고압분출화재(Jet Fire) D h Yc Xc L

82 예 : 고압분출화재(Jet Fire-1) 예) 프로판 레일카의 증기공간에 1.5in의 구멍에 파열이 생겨 프로판 가스가 수직방향으로 4.5kg/see로 방출되었다. 프로판은 즉시 인화하여 Jet Fire를 형성하였다. 파열은 지상위 약 3m 지점이다. 파열의 6.1m와 61m 거리에서 열플럭스를 추정하시오? <취급조건> - 상대습도 : 90% - 취급조건 : 온도 21℃, 압력 8.4kg/cm2(포화상태) - 주위풍속 : 4.5m/s <프로판의 물성> - 연소열 : 46,013kJ/kg - 비열계수 : 1.13 - 분자량 : 44kg/kgmol

83 예 : 고압분출화재(Jet Fire-2)

84 예 : 고압분출화재(Jet Fire-3)

85 화구(Fire Ball) 비등액체팽창증기폭발(BLEVE)에 의하여 생성된 공같은 모양의 화염 덩어리

86 화구(Fireball) 3-1. 화구의 크기 Where, D : 화구의 지름(m)
M : 파열시 내부에 저장 또는 취급중인 물질의 양(kg) 3-2. 화염의 지속시간(t) M < 30,000kg M >= 30,000kg

87 화구(Fireball) 3-3. 화구 중심의 높이(H = m) 3-4. 대기투과도 Where, τa : 대기열전도도(무차원)
Pw : 물의 포화수증기압 RH : 상대습도(0~1) Xs : 화구 표면에서부터 피해지점까지의 거리(m) L : 화구 중심에서부터 피해 지점까지의 수평거리(m)

88 화구(Fireball) 3-5. 표면 방사에너지 Where, E : 표면 방사에너지(kJ/m2∙s)
- 0.3(압력방출장치의 설정압력 미만에서 파열) - 0.4(압력방출장치의 설정압력 이상에서 파열) Hc : 순 연소열(kJ/kg)

89 화구(Fireball) 3-6. 시계인자(View Factor, Fv) 3-6-1. L >= D/2
3-7. 복사열(Q = kw/m2)

90 예 : 화구(Fireball-1) 예) 100 톤 용량의 LPG 탱크의 액위가 50%인 상태에서 누출사고가 일어나 대형 비등액체 팽창폭발/화구가 발생하였다. 이 경우 폭발지점부터 300m 떨어진 지역에서의 복사열량을 계산하라. <조건> - 상대습도 : 60% - 온도 : 25℃ - LPG의 순연소열 : 46,350kJ/kg

91 예 : 화구(Fireball-2)

92 예 : 화구(Fireball-3)

93 예 : 화구(Fireball-4)

94 예 : 화구(Fireball-5)

95 폭발 모델링 물리적 폭발 모델링 비등액체팽창증기폭발(BLEVE) 모델링 증기운폭발(VCE) 모델링 분진폭발
폭발파편에 의한 피해예측

96 비등액체팽창증기운폭발(BLEVE) 비점 이상의 압력으로 유지되는 액체가 들어있는 탱크 파열시 발생
※ 비등액체 팽창증기 폭발의 진행과정 1. 액체가 들어 있는 탱크 주위에서 화재 발생 2. 화재로 인한 열에 의해 탱크의 벽이 가열됨 3. 액위 이하의 탱크 벽은 액에 의해 냉각되나,액의 온도는 올라가고 탱크내의 압력이 증가 4. 화염의 열을 제거시킬 액이 없고 증기만 존재하는 탱크의 벽이나 천장에 도달하면, 화염에 접촉하는 부위의 금속온도가 상승하여 그 구조적 강도를 잃음 5. 탱크가 파열되고 그 내용물은 폭발 적으로 증가

97 비등액체팽창증기폭발(BLEVE) 추정방법
1. 등온팽창모델 : 용기의 증기공간에 가스의 팽창이 주로 생기는 과압이 확실하다고 가정하고 물리적 폭발 모델 2. 등온팽창모델 : 과열액체의 플래슁이 생기는 과압이 확실하다는 가정 3. 단열팽창모델 : TNT 상당 질량

98 비등액체팽창증기폭발(BLEVE) 등온팽창모델 : 과열액체의 플래슁이 생기는 과압 Where, W = TNT 당량질량(lbm)
nv = 플래쉬되는 증기의 몰수 R = 가스상수, 1.987BTU/lbmol∙R T1 = 과열액체의 초기농도(R) P1 = 과열액체의 초기압력(lbm) P2 = 팽창된 증기의 최종압력(psia) 5*10-4 = 환산인자(TNT lbm = 2,000BTU)

99 증기운폭발(VCE) 저온 액화가스의 저장탱크나 고압의 가연성 액체용기가 파괴되어 다량의 가연성 증기가 상당량 대기중으로 급격히 방출되어 증기운이 형성되고 착화원을 만나 폭발하는 형태

100 증기운폭발(VCE) TNO 상관관계 모델 TNT 등가 모델(TNT Equivalency Model) TNO 다에너지 모델
where, W = TNT의 상당질량(lbm) η = 폭발계수 M = 누출된 가연성물질의 질량(lbm) Hc = 가연성물질의 순연소열(BTU/lbm) HcTNT = TNT의 연소열, 2000(BTU/lbm) TNO 다에너지 모델

101 증기운폭발(VCE) TNT 등가 모델(TNT Equivalency Model) 1. 가연성증기의 질량(M)
- 확산모델링 : UFL과 LFL에 일치하는 증기운 경계 - UFL과 LFL 경계내의 증기운부피 추정 - 평균밀도와 증기운부피를 곱한다. 2. 연소열 결정 3. 폭발계수 결정 4. TNT 상당질량 결정 5. 거리에 따른 폭발 과압 결정

102 영향 모델링 열복사 영향(Thermal Radiation Effects) 폭발과압 영향(Explosion Effects)
독성 영향(Toxic Effects) 37.5 kw/m2 : 장치 및 설비가 손상됨 12.5 kw/m2 : 목재 또는 플라스틱 튜브의 착화를 유도하는 데 충분한 최소의 에너지 4kw/m2 : 20초 내에 보호되지 않으면 통증을 느끼며 피부가 부풀어 오른다. 0.07 bar : 모든 유리창이 부서지며 일부 창틀이 파손 0.21 bar : 건축물의 철 구조물이 손상되며 기초에서 이탈 0.7 bar : 대부분의 건축물이 파손되며 중장비가 파손 ※ 참고 KOSHA Code P (사고피해영향 평가기법)

103 열복사 영향 TNO Probit(Probability Unit) 모델 1. 1도 화상의 경우
Pr = ln(t·Q4/3) 2. 2도 화상의 경우 Pr = ln(t·Q4/3) 3. 화재 사망의 경우 Pr = ln(t·Q4/3) 여기서, Pr = 확률값(Probit 값) t = 노출강도(sec) Q = 복사열 강도(w/m2) ∴ Probit => Probability(%) from (표 2)

104 폭발과압 영향 아이젠버그(Eisenberg) 계산식 ∴ Probit => Probability(%) from (표 2)
1. 폐출혈로 인한 사망 Pr = ln(Ps) 2. 고막 파열 여기서, Ps = 피크과압(N/m2) ∴ Probit => Probability(%) from (표 2)

105 <표-2> 확률값(프로빗값)으로부터 백분율로 환산
▼  백분율(%) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 60 70 80 90 - 3.72 4.16 4.48 4.75 5.00 5.25 5.52 5.84 6.28 2.67 3.77 4.19 4.50 4.77 5.03 5.28 5.55 5.88 6.34 2.95 3.82 4.23 4.53 4.80 5.05 5.31 5.58 5.92 6.41 3.12 3.87 4.26 4.56 4.82 5.08 5.33 5.61 5.95 6.48 3.25 3.92 4.29 4.59 4.85 5.10 5.36 5.64 5.99 6.55 3.36 3.96 4.33 4.61 4.87 5.13 5.39 5.67 6.04 6.64 3.45 4.01 4.36 4.64 4.90 5.15 5.41 5.71 6.08 6.75 3.52 4.05 4.39 4.67 4.92 5.18 5.44 5.74 6.13 6.88 3.59 4.08 4.42 4.69 4.95 5.20 5.47 5.77 6.18 7.05 3.66 4.12 4.45 4.72 4.97 5.23 5.50 5.81 6.23 7.33 99 7.37 7.41 7.46 7.51 7.58 7.65 7.88 8.09

106 최악의 누출시나리오 선정 용어 - 끝점 : 끝점 농도, 과압 또는 복사열 등의 수치에 도달하는 지점
- 최악의 누출 시나리오 : 누출, 화재 또는 폭발을 일으킨 지점으로부터 끝점의 거리가 가장 먼 가상사고 - 임의의 누출 시나리오 : 최악의 누출 시나리오 이외에 사업장에서 임으로 선정한 가상 사고 - 냉동액체 : 상온, 상압하에서 가스인 물질을 냉동에 의하여 액체상태로 만든 것 끝점 1) 독성물질 - 끝점농도에 도달하는 지점 2) 가연성가스 및 인화성물질 - 폭발 : 0.07kg/cm2의 과압이 걸리는 지점 - 화재 : 40초 동안 5kw/m2의 복사열에 노출되는 지점 - 누출 : 폭발하한 농도(LEL)에 이르는 지점 ※ 참고 : KOSHA Code P (최악의 누출시나리오 선정지침)

107 최악의 누출시나리오 선정 풍속 : 1.5m/s 대기안정도 : F(매우안정) 대기온도 : 지난 3년간 낮동안의 최대 온도
습도 : 지난 3년간 낮동안의 평균 습도 누출원의 높이 : 지표면 지표면의 굴곡상태 : 도시지형(URBAN) 누출물질의 온도 - 냉동액체 : 운전온도 - 기타 : 낮 시간의 최고 온도 또는 운전온도 중 큰 수치 최악의 누출량 : 다음 수치중 큰 값 - 단일 용기내에서 저장, 취급하는 최대량 - 단일 배관계에서 보유하고 있는 최대량

108 최악의 누출시나리오 선정 시나리오 1) 독성물질 – 가스
가) 대기온도에서 가스인 물질을 가스상태 또는 압력을 가하여 액체상태로 저장, 취급하는 경우 - 건물밖 : 최악의 누출량이 10분 동안 확산 - 건물내부 : 최악의 누출량의 55%가 10분 동안 확산 나) 냉동액체 - 확산방지조치 미실시 : 최악의 누출량이 10분동안 누출 - 확산방지조치 실시 : 액체층의 표면으로부터 그 물질의 비점에서 증발되는 속도 2) 독성물질 – 액체 - 최악의 누출량이 동시에 누출되어 액체층 형성 3) 가연상가스 및 인화성물질 : - 증기운폭발(누출량의 10% 폭발 – 폭발계수 10%)

109 감사합니다.