누출원 모델링에 관한 기술지침(KOSHA GUIDE) - 2012.07

 

P - 92 - 2012 누출원 모델링에 관한 기술지침(KOSHA GUIDE) - 2012.07

1. 목적

이 지침은 산업안전보건법 제49조의 2, 같은 법 시행령 제33조의 7, 같은 법 시행규칙 제130조의 2의 규정에 의하여 공정위험성 평가시 화재․폭발, 누출과 같은 사고시의 피해정도 및 피해범위 등을 정량적으로 산정하고 피해최소화 대책 등을 수립하는데 필요한 누출량 등을 산정하는 기준을 정하는데 그 목적이 있다.

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

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

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

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(4)"포화액체(Saturated liquid)"라 함은 취급․저장온도에서 그 물질의 포화 증기압 하에서 취급․저장되는 액체를 말한다.

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

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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)

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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)

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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

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(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%

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(3) 이송 또는 압축설비의 균열 또는 파손에 의한 경우

흡인측 배관의 크기에 따라 전항에서 규정하는 면적

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(4) 오조작에 의하여 밸브가 열린 경우

그 밸브의 구멍(Full bore)의 면적

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(5) 비상 배출인 경우

비상 배출관의 내경에 의한 면적

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6. 화학설비에서 누출되는 경우

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

6.1.1 임계흐름압력비 ( P CF /P 1 ) 산정

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6.1.2 누출량 산정

(1) 누출속도가 음속 이상 ( P a /P 1≤P CF/P 1 )인 경우

<표 1> 누출계수

※ CD가 불확실한 경우에는 CD=1로 가정

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(2) 누출속도가 음속 미만 ( P a /P 1 > P CF/P 1 )인 경우

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6.2 액체 상태로 누출되는 경우(계산 예는 <붙임 2> 참조)

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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.

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(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)

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

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

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

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6.3.4 과냉각 액체가 누출되는 경우(계산 예는<붙임 5> 참조)

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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)

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<표 2> 거칠기 계수

(2) 배관의 거칠기 계수가 0인 경우

f = 0

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7.1.2 마하번호 산정

다음 식을 이용하여 시행착오 방법으로 마하번호를 산정한다.

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7.1.3 임계흐름 압력비 산정

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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 ( P a /P 1≤P CF/P 1 )인 경우

(2) 가스의 유속이 음속미만 ( P 1 /P a > P CF/P 1 )인 경우

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7.2 액체상태로 누출되는 경우(계산 예는 <붙임 7> 참조)

7.2.1 마찰계수 산정

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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)

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7.3 액체-증기로 누출되는 경우(계산 예는 <붙임 8> 참조)

7.3.1 포화액체인 경우

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<표 3> 유량감소계수

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7.3.2 과냉각 액체인 경우

식(9)을 이용하여 L P가 0.1 m 이상인 경우로 누출량을 산정한다.

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