【중대산업사고속보】

     제목 : 수소압축기 조작판넬 폭발사고
  속보번호: CCPS-0414
     날짜 : 2004년 9월
   기인물 : 수소압축기
 재해유형 : 폭발
 피해정도 : 사망 1명

                      【수소압축기 조작판넬 폭발사고】

1. 사고개요

   2004. 9. 20(월), 08:05경에 ○○(주) 울산  합성수지공장 P.P공정내 수소 Compressor용
   압력방폭구조의 판넬에서 Compressor 가동을 위한 작업을 수행중 Compressor 인입측에
   설치된 질소 Purge 라인을 통해 수소가 전기판넬로 유입되어 내부에서 폭발분위기를 형성
   하여 판넬 내의 전기 스파크로 인해 폭발이 발생하여 판넬앞에서 작업하던 작업자 2명이
   판넬 덮개에 맞아 현장에서 사망한 사고임.

2. 사고물질의 특성

  ○ 물리적 반응
               

  ○ 화학적 반응
    - 연소반응식 : 2H2 + O2 → 2H2O
    - H2의 폭발하한 : 4.0%(Vol.)
    - 최소산소농도(Minimum Oxygen Concentration; M.O.C) 계산 :
      MOC = 1/2*4% = 2%(Vol.)

    * 폭발이 발생하기 위해서는 최소산소농도가 체적기준으로 2%가 필요함.

3. 사고발생공정 및 운전상황

  가. 사고발생 주변 공정흐름도
               

  나. 사고설비

    ○ 압력방폭구조의 전기판넬(수소 압축기(PPC-3702C)용)

       - 외곽 사이즈 : 1,000*1,000*600 (mm3)
       - 설계압력 : 500mmH2O
       - 사용재질 : STS304
       - 과압방지장치의 설정압력 : 250mmH2O
       - 전기판넬 내의 압력경보설정치
       - 고압경보 : 300mmH2O
       - 저압경보 : 30mmH2O
       - 압력방폭구조 판넬 덮개
         · 사이즈 : 3t*1,000*1,000 (mm)
         · 무  게 : 약 60kg(부착물 포함)
       - 방폭전기기계기구 성능검정 여부 : 성능검정 미실시

    ○ 압력방폭구조용 질소공급설비

       - 메인 공급압력 및 배관 사이즈 : 7kg/cm2 * 1/2“
       - 1차 압력조절기(RV1) 설정압력 : 3kg/cm2
       - 2차 압력조절기(RV3)의 설정압력 : 100mmH2O(정상운전용)
        · 정상운전시 최소 유입 질소유량 : 14Nℓ/min
       - 2차 압력조절기(RV2)의 설정압력 : 320mmH2O(내부치환용)
       - 내부치환시 최소 유입 유량 : 380Nℓ/min

  다. 사고당시의 운전상태

    ○ 사고발생된 판넬과 관련된 PPC-3702C 수소 압축기를 가동중지하고, PPC-3702B 수소
       압축기로 변경 운전함.

    ○ PPC-3702C 압축기는 정비계획에 따라 내부 밸브 2개를 교체하기 위해 압축기 실린더
       블록과 연결된 플레어 라인상에 블라인드(Blind)를 삽입하고, 역류방지를 위해 실린더
       블록 부위에 연결된 Purge 라인은 차단하고, 압축기 인입측의 퍼지 라인을 통해 질소
       (7kg/㎠)로 가압하여 퍼지를 실시함.
    ※ 이 때 퍼지를 완료한 후 Purge 라인상의 차단밸브(3개소)를 모두 개방상태로 두었거나,
       누설되는 밸브 1개를 차단하였을 가능성이 있음.(앞의 수소유입경로 추정 항목을 참조)

    ○ P.P 제품 변경을 위해 기존 사용하던 압축기(PPC-3702B) 대신 PPC-3702C(사고발생 판넬
       의 압축기)로 변경운전을 위한 준비작업을 수행함.
    ※ PPC-3702C 압축기 운전을 위해서는 해당 판넬 내부가 양압이 유지되어야 하므로 양압용
       질소 라인상의 모든 밸브를 개방하여 질소를 공급함. 이 때 압축기 인입측 퍼지 라인을
       통해 Leak 된 수소가 기존 질소라인의 질소와 함께 전기 판넬로 유입되기 시작하여 시간
       이 경과함에 따라 판넬 내부의 수소농도가 증가함.

    ○ 압축기 인입측 퍼지 라인을 통해 유입된 수소가 폭발하한농도인 4%(Vol.) 이상까지 도달
       하여 폭발분위기를 형성함.(사고발생후 약 7시간 지난 후 질소 공급배관에서 분석한
       수소농도는 5.5%로 파악됨)

  라. 사고관련설비의 피해상태 확인

    ○ 현장의 파손된 용기, 펌프, 배관 등의 형상을 조사결과 사고 현장에 남아있는 설비중
       반응기(V-506/507)는 외부충격으로 찌그러졌을뿐 반응기 내부폭발의 흔적은 없었음.

    ○ 중간생성물저장조(V-509) 및 제품저장조(V-511)는 액면계 LI-501 및 LI-505가 부착된
       채 현장에 전도되어 있었음.

4. 사고원인 분석

  가) 원인추정

    1) 수소에 의한 폭발가능성

     (가) 연소 3요소에 기초한 가능성 검토
         압축기 인입측 부분에 연결된 퍼지 라인의 체크 밸브 등의 누설에 의해 수소가
         판넬 내부의 양압용으로 설치된 질소 라인으로 역류되어 판넬 내부에 폭발 분위기
         를 형성한 상태에서 전기 스위치 등을 조작하여 폭발이 발생할 가능성으로 연소
         물질, 점화원, 산소유입에 대한 사항을 항목별로 검토한 결과는 아래와 같다.

         ① 연소물질(수소)
         폭발의 원인이 된 수소는 압축기 인입측(압력 34~35 kg/cm2, 99.9%의 수소) 퍼지
         라인을 통해 체크밸브 2개의 누설, 차단밸브 1개 누설 및 차단밸브 2개 개방 또는
         불확실한 잠금 등으로 인해 압력방폭구조의 판넬 내부의 양압용으로 사용하는 질소
         라인으로 역류하여 판넬 내부에 체류하여 폭발농도를 형성함.

      ※ 사고 발생후 15:00 및 17:20경에 체크밸브 2개 및 차단밸브 2개를 지난 질소 퍼지
         라인에서 성분 분석한 결과 각각 수소농도가 5.4% 및 2.84%로 나타나 수소의 유입
         사실이 확인됨.

        (17:20분경에 분석한 결과 농도가 낮은 원인으로는 1차 샘플링시 밸브 개방에 의한
         농도 저하 등에 의한 것으로 추정됨)

         ② 점화원
         전기판넬이 압력방폭구조이므로, 판넬 내부의 전기설비는 대부분 비방폭형이기
         때문에 판넬 내에서 접점을 갖는 스위치 등의 작동시 스파크가 발생됨.

         ③ 산소의 유입(추정)
         9월 15일(수) 수소 압축기(PPC-3702C) 인입측의 밸브 2개를 교체하기 위해 압축기
         인입측 퍼지 라인을 통해 질소 퍼지를 실시할 때 퍼지 시간 단축 등을 위해 인접한
         지점의 전기판넬 양압용 질소 라인의 밸브를 차단할 가능성이 있으며, 이 경우에
         판넬 내에 잔류하고 있던 질소는 판넬의 예비 노즐 또는 전선관 인입부 등의 개방부
         를 통해 빠져 나가고 대신 판넬 내부에 대기중의 산소가 유입할 수 있고, 압축기
         (PPC-3702C)를 재가동하는 9월 20일(월) 아침까지 그 상태를 유지하였을 가능성이
         있음.

     (나) 현장에 나타난 결과에 기초한 가능성 검토
        ① 판넬 덮개(무게 약 60kg)가 폭발압에 의해 비산되어 수평으로 3.7m 지점의 설비
        에 심한 충격흔적을 남겼고,

        ② 충격흔적지점을 판넬의 원래 위치와 비교하면 수직방향으로는 각도상 약 1.4°
        아래(3.7m 지점에서 약 6cm 아래)로 거의 수평에 가깝게 비산하였고, 또한 판넬
        외부에 덮개를 여닫기 위해 부착한 장석에 의해 비산 방향이 거의 바뀌지 않은
        채(약 3° 정도만 장석 설치지점으로 치우침) 장석을 파손시키면서 비산되었고,

        ③ 전기판넬의 벽면 6면중 형강에 의해 견고하게 지지된 밑면에는 약간의 굽힘현상
        이 있는 반면 나머지 모든 면에는 순간적인 과압에 의한 과도한 벌어짐 현상발생
        및 내부의 브라켓의 Tag 용접부가 대부분 파손되었고,

        ④ 덮개를 체결하고 있던 볼트(M5*12개, STS304 재질) 모두 및 외부 장석까지
        동시에 파단되었고,

        ⑤ 판넬 하부의 양측 강판을 지지하던 체결볼트가 폭발시의 과압에 의하여 대부분
        전단파괴된 점 등을 고려할 때 조작판넬 내부에 폭발이 발생한 것 외에는 설명할 수
        없음.

     (다) 폭발모델 프로그램 수행 결과에 의한 가능성 검토

        전기판넬 내부에서 폭발이 일어날 경우 얼마나 큰 과압이 발생될 수 있는지를 아래의
        조건에서 피해예측 프로그램을 이용하여 예측한 결과 폭발이 최초 발생된 지점에서
        반경 0.2m되는 지점의 압력은 7kg/cm2으로 나타나 내부수소 폭발의 가능성을 뒷받침함.
               

      [내부 폭발압력 계산]

    · 내부 체적 : 0.6㎥ (1000*1000*600)
    · 수소 농도 : 5.4%(배관에서 분석한 농도를 기준으로 적용함)
    · 수소 체류량 : 0.028㎥(안전밸브 설정압력 250mmH2O를 기준으로 계산함)
    · 프로그램 종류: Safer
    · 폭발모델 : 밀폐계 폭발
    · 실시결과 : 반경 0.2m 지점에서 폭발압력 7kg/cm2

     (라) 발생소음수준에 기초한 가능성 검토

         사고발생시 소음발생 수준은 약 100m 이상 떨어진 제어실 및 약 200m 정도 떨어진
         안전과 사무실까지 크게 들릴 정도여서 폭발음을 듣고 직원들이 달려간 사실을 고려
         할 때 사고발생장소와 제어실 사이에 송풍기 및 압축기 등 고소음설비가 위치하고
         또한 거리가 멀기 때문에 폭발에 의한 소음으로만 설명될 수 있음.

    2) 질소 과압에 의한 폭발가능성

       사고가 일어난 압력방폭구조의 판넬은 양압용으로 공급하는 질소가 압력조절기 2개에
       의해 1차 7kg/㎠에서 3kg/㎠로, 2차 3kg/㎠에서 100mmH2O로 감압되어 판넬 내부가
       100mmH2O 이상이 되도록 유지하는 구조이나, 판넬 내부 양압이 유지되지 않을 경우
       현장에서 2차 감압밸브를 개방하게 되면 최대 3kg/㎠의 질소가 판넬에 공급되어 내부
       에 과압이 걸려 판넬이 파열될 가능성도 있으나 아래와 같은 사유로 가능성이 희박한
       것으로 사료됨.

     (가) 판넬 자체의 제작 상태에 기초한 가능성 검토
         판넬의 덮개 체결 볼트(M5*P0.8*12) 12개가 동시에 파단될 때까지 판넬이 기밀을
         유지하고, 안전밸브가 고장나서 작동이 되지 않는다는 가정 아래 판넬 내부에 얼마
         의 압력이 걸리는지를 계산하면 아래와 같이 약 1.05kg/cm2로 나타나지만, 이 경우
         는 다음과 같은 사유로 배제될 수 있다.

        [내부 압력 계산]

      · 체결 볼트 : M5*P0.8*12개 (골지름 d=4.134 mm)
      · 볼트(STS304재질)의 인장강도(S) : 53 kg/㎟
      · 판넬 내부 가스 작용면적(A)  : 90*90(cm*cm)
      · 볼트 동시 파단당시의 내부압력 : P (kg/cm2)

       ※ 계산식 : 내부압력*작용면적=볼트의 인장강도*볼트 단면적*12개
          P*90*90 = 53*3.14/4*(4.134*4.134)*12
          상기식에서 내부압력 P를 구하면,
          P = 1.05 kg/cm2 이다.

        ① 판넬은 500mmH2O 기준으로 설계되었기 때문에 플랜지면의 체결볼트 사이의 간격
        및 플랜지 두께 때문에 1/2“ 질소 라인을 통해 서서히 가압시에는 볼트 사이의 플랜지
        면이 벌어지고, 판넬 하부의 전선관 인입부의 틈새 등을 통한 누설로 인해 도무지 높은
        압력을 얻을 수 없다.

        ② 과압방지장치가 250mmH2O로 설정되어 있어 과압방지장치가 정상작동시 1/2“ 사이즈
        의 질소 공급라인을 통한 질소 가압으로는 해당압력에 도달하기가 어렵다.

        ③ 또한 사고발생 후에도 예비전선관에 기밀유지용으로 부착한 테이프가 남아 있었는데,
        서서히 가압할 경우 테이프는 탈락되는 것이 정상이기 때문에 가능성이 없다.

        ④ 기타 폭발시 검토했던 현상들이 모두 해당없는 증거로 작용된다.

      (나) 현장에 나타난 사실에 기초한 가능성 검토

        ① 볼트의 파단은 동시에 파단되지 않고 체결상태에 따라 강도적으로 약한 볼트가
        우선적으로 파단되기 때문에 몇 개의 볼트가 파단되면 내부의 압력이 대부분 해소되기
        때문에 판넬 덮개가 멀리 비래하기가 어렵고, 또한 볼트가 모두 파단되더라도 외부에
        있는 장석 때문에 판넬의 비래방향은 장석이 설치된 방향쪽으로 비래하거나, 장석에
        의해 매달려 있을 가능성이 높은 데 실제로는 거의 정면으로 비래하여 가능성이 거의
        없다.

        ② 압력이 서서히 가해져 파단되는 현상이 있을 경우 과압방지장치가 작동하면서 동시
        에 덮개 체결볼트가 파단되는 현상은 확률적으로 발생하기가 거의 어렵다.

        ③ 과압방지장치가 완전히 손상(파손)된 상태로 남아 있는 상황을 고려하면 급격한
        과압이 발생된 사실을 뒷받침한다.

  나)  결 론

      상기 이유로 인하여 조작판넬 내부에 수소가 유입되어 폭발분위기를 형성한 상태에서
      스위치 조작시 발생한 전기스파크가 점화원으로 작용하여 폭발이 일어난 것으로 판단됨.

5. 사고방지 대책

   가. 공정안전보고서의 변경요소관리 등 철저

      - 공정안전보고서의 변경요소관리에 해당되는 작업에 대해서는 변경요소관리, 위험성평가,
        공정안전보고서에 자료 추가 등록, 안전운전절차서 작성, 근로자 교육, 가동전 점검 등
        을 철저히 수행하여야 함

   나. 질소 배관 및 조작판넬 등 수정

      - 압축기 인입측 퍼지용 질소 배관상의 블라인드는 차단밸브 후단에 설치하여 블라인드를
        운전중에 설치되도록 하고, 조작 판넬의 양압유지용 질소 배관과 분리하여 설치하는
        것이 필요하며, 또한 질소 라인 대신 다른 압축기의 경우처럼 계장용 공기를 공급하는
        방안 검토도 필요하며,

      - H2 Compressor 실린더 블록 Purge 질소배관상에 차단밸브를 설치하여 필요시에 사용할
        수 있도록 하여 항상 조작판넬 양압유지용 질소는 공급될 수 있도록 수정이 필요하고,

      - 조작판넬 상부에는 브리더 밸브(설정압력: 200mmH2O)를 설치하여 판넬 내부치환 작업시
        질소 및 분진 등을 배출할 수 있도록 하는 방안이 권장됨.

  다. 방폭전기기계기구의 성능검정 실시

      - 폭발위험장소내에 설치하는 전기기계기구는 성능검정을 받아 합격한 제품을 설치하여야
        함.

  라. 설비유지관리 및 작업전 점검 강화

      - 압축기 등 설비를 수리·보수 후 가동 전에 압축기 및 각종 밸브 개방 또는 잠긴 상태,
        각종 계기 관련 부속설비에 대해서 이상유무 및 주기적인 누설여부 등에 대한 점검 강화
        가 필요함

  마. 사고원인을 파악할 수 있는 기록장치 설치

      - 사고발생전에 일어난 상황을 주조정실에서 파악하여 조치하는데 필요함 사후에 원인파악
        에 도움이 되는 설비의 운전 상태를 기록할 수 있는 기록장치 설치가 필요함.

□ 관련사진
               

(사진2 폭발 후 충돌로 손상된 판넬 덮개)