염산 탱크로리 운송 중 누출에 따른 신속 방재방안 연구

Research on Rapid Disaster Prevention Measures due to Leakage During Transport of Hydrochloric Acid Tank Lorry

Abstract

연구목적: 유해화학물질인 염산수용액 운송 탱크로리 누출사고 발생 시 신속하게 누출을 차단하고, 효과적으로 방재작업을 진행하여 누출로 인한 피해를 최소화하는 최적의 방안을 찾고자 하는 데 있다. 연구방법: 염산에 대한 전반적인 특성과 운송 도중 발생했었던 사고사례를 사고 유형별, 원인별로 정리하고, 염산 탱크로리의 누출 상황을 가정하여 실험할 수 있는 소형 탱크를 만들어 누출 상황과 비슷한 환경을 구성하여 여러 가지 방법으로 누출 차단 방법을 실험하여 정리하고자 한다. 연구결과: 실험을 통하여 효과적인 누출 차단 방법을 확인하였다. 누출사고 발생 시 신속하게 차단하는 방안을 정리하여, 사고현장에서 적용할 수 있는 최적의 방재방안을 제시하고자 한다. 결론: 누출 차단은 접착테이프와 자석을 조합하여 사용하는 편이 차단에 효과적인 것으로 확인됐다. 사업장 비상 출동팀 및 제품 운송기사들에게 누출 차단 장비를 적절하게 선택하여 대응하도록 반복 훈련하면 신속한 대응이 가능하다. 향후 다양한 누출 차단 방안에 관한 추가적인 연구의 진행이 필요하다.

Purpose: The purpose is to find the optimal way to quickly block the leak in the event of a leak accident in a tank lorry transporting hydrochloric acid aqueous solution, a hazardous chemical, and to carry out effective disaster prevention work to minimize damage caused by the leak. Method: We organized the overall characteristics of hydrochloric acid and accidents that occurred during transportation by accident type and cause, and created a small tank that can be tested assuming a leak situation in a hydrochloric acid tanker, creating an environment similar to the leak situation, and leaking in various ways. I would like to experiment and organize blocking methods. Result: Through experiments, an effective leak blocking method was confirmed. We would like to summarize measures to quickly block a leak in the event of a leak and present the optimal disaster prevention plan that can be applied at the accident site. Conclusion: It has been confirmed that using a combination of adhesive tape and magnets is more effective in blocking leaks. Rapid response is possible by repeatedly training business emergency response teams and product transporters to appropriately select and respond to leak-blocking equipment. Additional research on various leak prevention methods is needed in the future.

서론

연구 배경 및 필요성

유해화학물질 누출에 따른 영향에 관한 연구가 대부분 학문적 기술을 바탕으로 정성적 및 정량적 평가를 통하여 누출된 물질의 확산범위를 확인하고, 산출된 값을 기준으로 사고 발생 시 피해 영향 범위별 농도 값을 기준으로 주민들의 대피 여부를 결정한다. 여러 기관에서 실험 및 분석을 통하여 얻은 자료를 기준으로 위험의 종류 및 건강 유해성 및 위험성, 피해 영향 범위가 어디까지 인지를 알아보는 연구논문들이 주류를 이루고 있다. 이러한 연구자료들은 산업 현장에서 실제로 발생하는 다양한 유해화학물질 누출사고에 대하여 신속하게 피해 범위를 확정하여 주민들을 피해반경 밖으로 대피시키기 위한 자료로 활용하고 있다. 유해화학물질의 운송 중 누출사고는 장소나 시간이 특정되어 있지 않기 때문에 사고 발생 시에 신속하게 대응하여 누출 차단 및 방재방안을 연구하는 것이 필요하며 본 논문에서는 이러한 연구를 통하여 시민피해와 환경오염을 최소화하는 방안에 관하여 연구해 보고자 하였다.

연구 목적

모든 설비는 장기간 사용하다 보면 노후화되고 내구력이 떨어지거나 제작 시 결함으로 인하여 제 기능을 할 수 없게 되면 누출되는 사고가 발생하게 된다. 그러나 대부분 우리의 주변 환경은 사고가 발생하지 않게 관리해야 된다는 원론적인 견해가 주류를 이루고 있다. 물론 사고 발생을 완벽하게 예방하여 없앨 수 있다면 그것보다 좋은 것은 없을 것이다. 하지만 내·외부의 다양한 변수로 인하여 사고는 언제 어디서든지 발생할 수 있으므로 제품 운송 중 비상 상황 발생 시 신속하게 대응하여 인명 및 환경오염 등의 2차 피해를 최소화하고 인근 주민의 신속한 생활 정상화가 필요하다. 비상 대응에 대한 실질적인 문제에 대해서는 해당 주무 부처와 지자체 등에서 표준, 실무, 행동 매뉴얼 등을 작성해 활용하고 있으나 이는 다양하고 예기치 못한 현장 상황에 맞게 즉각 대응하기에는 많은 어려움이 있고, 이에 따라 재난 대응 주관 정부 기관 등에서 현장에 출동하여 상황을 파악한 후 대응이 이루어지고 있다. 현재 전국 7개소의 화학재난합동방재센터가 설치되어 화학 재난사고 발생 즉시 전문적인 대응을 하고 있으나 일부 지역은 출동 거리가 멀어 장시간(평균 약 46분) 소요되는 게 현실이다. 또한 화학재난합동방재센터에서는 국내에서 유통되는 모든 유해화학물질의 운송 중 사고에 대해서 신속하고 적절하게 대응하기에는 한계가 있으며, 모든 방재작업을 관 주도로 대응하기 어려운 실정으로 이번 연구에서는 염산 제품 운송 중 누출사고 발생 시 신속 차단 대응 방안을 연구하여 제시하고자 한다.

본론

연구의 범위 및 내용

이번 연구에서는 유해화학물질 중의 하나인 염산수용액에 대한 농도별 물리화학적 특성에 대해 Table 1에 정리하였다. 또한 2015년부터 2022년까지 국내 전체 화학사고 발생 현황을 발생 원인별로 Table 2 및 Fig. 1을 정리하였으며, 전체 화학사고 발생 건수 대비 운송사고 발생 현황에 대하여 Fig. 2를 이용하여 살펴보고 이중 사고대비물질인 염산수용액 탱크로리의 운송 중에 발생했었던 사고사례를 통하여 사고들을 정리하였다. 사고원인들을 살펴보고 이에 대한 적절한 방재방안을 수립하는 방안에 대해서 찾아보고자 하였다.

Table 1. Physical and chemical properties of hydrochloric acid

Table 2. Statistics by cause of chemical accidents (2015-2022)

Fig. 1. Number of chemical accidents by cause

Fig. 2. Number of transportation accidents compared to total accidents

제품 운송 탱크로리 개요

탱크로리 내부는 운송 중 액체의 쏠림을 방지하기 위한 방파판이 설치되어 있고 내부에 4,000ℓ이하마다 3.2 ㎜ 이상의 강철판 또는 이와 동등 이상의 강도·내열성 및 내식성이 있는 금속성의 것으로 칸막이를 설치하게 되어있다. 이것은 사고 발생시 칸막이로 구분된 구역의 차단밸브를 막아서 탱크 몸체나 배관 등으로 누출이 발생하였을 때 누출량을 최소화할 수 있도록 한 것이다. Fig. 3의 탱크로리 도면을 살펴보면 구분된 탱크로리 1칸의 용량은 3~5톤 정도여서 화관법에 따라서 설치되는 탱크로리 상·하차 설비의 누출 방지턱, 트렌치 또는 집수조의 법적 용량도 운송 탱크로리 용량 또는 칸막이로 구분된 용량 중 가장 큰 부분 용량의 1/4 이상이 되도록 규정되어 있다. 이는 탱크로리의 운송 중 차량에 핀홀이 발생하였을 경우 신속하게 차단 밸브를 닫아 누출량을 최소화하기 위한 것이고, 차량이 전복되어 칸막이 차단밸브를 차단할 충분한 여력이 없는 경우에는 탱크로리에 적재된 전체용량을 기준으로 사고대응을 해야 한다.

Fig. 3. Tank lorry drawing

탱크로리 위치별 수두 압력 정리

차량에 설치된 탱크 내의 수두 압력은 탱크 내부의 액체 수위(높이)와 액체의 밀도에 의해 결정할 수 있으므로 이는 식 (1)을 이용하여 압력을 구할 수 있다. 여기에서는 탱크로리의 누출 위치를 Fig. 3의 P1~P4로 선정하여 수두 압력 값을 산출하였다.

수두 압력(P) = ρ·g·h       (1)

P : 수두 압력 (㎩)

ρ : 액체의 밀도 (kg/㎥)

g : 중력가속도 (㎨)

h : 액체의 높이(m)

Table 1의 염산수용액의 물리·화학적 특성을 참조하여 염산 35%의 비중 1.178을 적용하고, Fig. 3의 Tank lorry drawing에서 탱크로리 도면을 보면 높이(h)가 1,460mm이고 제품을 주입하는 높이를 최대 1,400mm(1.4m)으로 가정하여 탱크로리의 수두 압력 P1~P3를 계산하였다.

P1 = 1,178 × 9.81 × 1.4 = 16,178Pa = 0.016178kPa = 0.16178bar = 1,617.8mmH2O = 0.1617kg_f/cm² (최하단)

P2 = 1,178 × 9.81 × 1.00 = 11,556Pa = 0.011556kPa = 0.11556bar = 1,155.6mmH2O = 0.11556kg_f/cm² (1/3 지점)

P3 = 1,178 × 9.81 × 0.5 = 5,778Pa = 0.005778kPa = 0.05778bar = 577,8mmH2O = 0.05778kg_f/cm² (2/3 지점)

P4는 탱크로리 최하단 또는 상·하차용 배관이나 밸브에서 누출되는 위치는 P1과 동일하다고 가정한다.

운송 중 염산 탱크로리 사고 사례 분석

Table 2에서 보면 화학물질 운송사고가 132건 중 염산 탱크로리 운송사고 건수는 29건이 발생 되었고, Table 3에서는 운송 중 발생했었던 국내 염산 탱크로리 사고사례 31건을 정리하였다. 이중 화학물질안전원 화학물질종합정보시스템 사고자료 29건과 그 외 2건의 사고사례를 Table 3에서 보면 사고원인에 따라 설비(배관) 노후 20건, 작업자 부주의 7건, 교통사고 4건으로 나타났으며, 최근에는 작업자 부주의보다 노후된 설비의 핀홀이나 균열 발생으로 인한 누출사고가 많은 부분을 차지한 것을 확인할 수 있었다. Fig. 4에 첨부된 사고 관련 사진과 사고사례 또한 기업의 보안 문제와 민감한 사안이 될 수 있어서 많은 사고조사자료를 자세히 수집 분석하는 데에는 한계가 있었다.

Table 3. Hydrochloric acid transportation tank lorry accident status by cause (2015-2022)

Fig. 4. Photo related to transport vehicle leakage accident

연구 방법 및 결과

탱크 누출을 가정하고 식 (1) 을 이용하여 계산한 P1~P3에 해당하는 압력을 가할 수 있는 실제 테스트 설비를 만든 후 다양한 조건에서 누출되는 상황을 실험을 통하여 확인하여 신속한 누출 차단 방안을 찾고자 하였다. 현장 실험에서는 사고 대비 물질이며 유독성 물질인 염산을 이용하여 실제 실험을 진행하면 환경문제 발생 및 실험참가자의 안전보건 상 문제가 발생할 소지가 커Fig. 4와 같이 물을 이용한 실험용 장비를 제작하여 염산 탱크로리의 누출 상황과 비슷한 조건을 만들어 실험 연구를 진행하고자 하였고 실제 염산 탱크는 STS 304+고무라이닝이나 철(SS400)+고무라이닝 제품이 주류를 이루고 있다. 이번 연구에서는 철(SS400) +고무라이닝 된 탱크로리의 누출사고에 대응하기 위한 연구이나 실험용 고무라이닝 탱크를 제작하기 어렵고 또한 라이닝 고무에 의한 압력 간섭을 제거하고 실험하는 조건이 더 높은 누출 압력을 적용할 수 있어서 여기에서는 내부에 고무라이닝이 되지 않는 소형 탱크(드럼)를 이용하는 실험임을 밝힌다.

누출 차단 방재 장비 정리

1. 누출 방지 백(래칫 버클+슬링벨트+환봉고리+압력 백) : 환봉고리와 슬링벨트를 고정한 후 압력 패드를 끼워 넣은 후 패드에 압력을 가하여 부풀려서 누출 부분을 막는 방법으로 활용할 수 있는 부분이 상당히 제한적이다. Fig. 4. <Leak stop work 1> <Leak stop work 2>

2. 쐐기 : 염산에 의한 부식으로 구멍이 생겨 누출되면 신속하게 구멍을 막아 누출 차단을 할 수 있으나 누출구멍 주변의 철판이 더욱얇아져 있을 가능성이 커쐐기를 이용하여 구멍을 막으면 누출구멍을 더 크게 하여 누출량이 확대될 수 있어 주의가 요구된다. Fig. 4. <Block leak hole 2>

3. 접착(방수)테이프 : 염화수소 가스만 나온다면 구멍을 막은 후 접착테이프로 신속한 차단이 가능하다. 액체가 누출되는 경우 접착 면에 수분이 있어서 완벽하게 차단되지는 않는 문제점이 발생 될 수 있다. 자석이 붙지 않는 재질로 제작된 탱크로리에 더 효과적으로 사용할 수 있다.

4. 강력자석+연질 고무판(개스킷, 라텍스 장갑 또는 화학 장갑,) : 액체가 누출되면 얇은 연질 고무판을 덧댄 후에 강력자석을 사용하여 누출 부위를 신속하게 차단하는 것이 가능하나 부식성 물질인 염산이 외부로 누출되면 탱크로리 외부에 부식이 생겨서 표면이 매끄럽지 않고 울퉁불퉁해져 완벽한 차단이 불가능하다. 외부가 자석이 붙지 않는 스테인리스 재질로 제작된 탱크로리에는 적용할 수 없다는 단점이 있다.

실험 결과 정리

Fig. 5에서 설정된 수두 압력 1,800 ㎜H₂O 하에서 누출구멍(6㎜)에서 일정 시간 동안 누출된 물의 양을 각각 확인하여 정리하였다. 자석은 강력자석 지름16㎜와 25㎜ 두 종류와 개스킷은 화학물질 보호용 라텍스 장갑, 내산 장갑, 일반 라텍스 장갑, 고무판(1㎜), 연질 테프론 판(1㎜), 접착(방수)테이프+자석을 사용하여 누출 차단 실험을 진행하였다. 누출 홀 상부 쪽에서부터 개스킷을 덧대고 위쪽 부분과 양 측면을 동시에 누른 상태에서 위쪽부터 자석을 붙여야 작업자의 얼굴쪽으로 누출액이 튀는 것을 최소화할 수 있었다. 접착테이프와 자석을 함께 사용하여 차단하는 방법이 누출량이 적고 시간을 최소화할 수 있었다. 또한 개스킷의 두께 및 자석의 크기에 따라서 누출량의 변화가 컸으며, 측정은 1분~7분간 실시하여 1분 기준 누출 양으로 환산한 후 Table 4에 실험 결과를 정리하였다.

Fig. 5. Leakage blocking test outline diagram

Table 4. Leakage amount by leakage prevention methods

결론

염산 탱크로리의 외관은 Fig. 3에서 알 수 있듯이 타원형 수평 탱크이다. 탱크 좌우 측면은 개방된 구조이고 하부 차체에 탱크를 고정한 후 배관과펌프 등이 연결되어있어 공간이 협소하다고 할 수 있다. 누출이 이러한 구석진 부분에서 발생하거나 설비가 연결된 플랜지 부위에서 발생 된다면 즉시 대응하여 완벽하게 누출을 차단하기에는 많은 어려움이 발생한다. 탱크로리 내부 압력은 염화수소 가스에 의한 낮은 증기압과 탱크로리 내부에 채워져 있는 염산의 수위에 의해서 결정되기 때문에 최대압력(P1)이 1,700 ㎜H₂O 이하로 압력이 존재한다.

1) Fig. 6과 Fig.7의 누출 차단 실험 결과 탱크의 몸체가 곡면인 경우 개스킷의 두께 및 자석의 크기에 따라서 누출량의 편차가 많음을 Table 4를 통하여 알 수 있었다.

Fig. 6. Photos of leakage experiment by blocking method

Fig. 7. Waterproof tape leak blocking experiment

2) 자석을 부착하는 순서도 누출 홀에 개스킷을 대고 위쪽과 양측 면을 누른 상태에서 위쪽부터 자석을 붙여야 작업자 얼굴쪽으로 누출액이 튀는 것을 최소화할 수 있었다.

3) 접착테이프와 자석을 조합한 방안에서는 누출량이 거의 발생하지 않았으며 차단 작업 시간도 최소시간 소요되었다.

4) 누출사고 시 방재 장비를 적절하게 선정하고 비상 출동팀과 제품 운송기사들에게 평상시에 지속해서 교육과훈련을 반복하는 것이 운송 중 누출사고 발생 시에 피해를 최소화하는 방법이라고 판단된다. 이에 추가로 더 다양한 방법의 누출 상황에 따른 차단 방법들에 대해서 실험해 보고 이러한 방법들을 2~3개를 복합적으로 적용하여 더효율적인 방재방안을 도출하기 위한 추가적인 연구가 필요하다.