지진 발생 시 산업단지 내 화학물질 누출에 따른 혼합 반응 위험성 예측에 관한 연구
A Study on the Mixed Reaction Risk due to Chemical Leakage in Industrial Complex in Case of Earthquake
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최근 국내에서도 지진으로 인한 피해가 발생하면서 화학공장 등 유해위험 설비가 파손될 경우 화재⋅폭발 또는 위험물질 누출 등 2차적인 피해로 이어져 인근 지역사회에 큰 피해를 미칠 수도 있다. 본 연구에서는 온산국가산업단지 내에서 취급하는 화학물질을 기준으로 지진 발생 시 야기되는 혼합물질의 위험도를 추정하기 위하여 사업장 간의 거리와 물질의 피해영향거리를 기준으로 혼합 가능성을 판별하였다. 또한, 물질 간의 반응성을 예측하기 위해 CRW 4.0 프로그램을 이용하여 화학물질 혼합에 따른 37종의 Potential Gases를 확인할 수 있었고, NFPA 등급 기준으로 16종 물질에 대하여 위험 순위를 도출하였다. 그 결과, Hydrogen Cyanide, Hydrogen Fluoride 등과 같은 고위험 물질이 확인되었고, 사업장별 생성되는 Potential Gases를 확인하여 위험도가 높은 사업장 피해 최소화를 위한 대응방안을 제시하고자 하였다.
Trans Abstract
Recently, damage caused by the earthquake occurred domestically, and destruction of harmful hazardous facilities such as chemical plants can cause secondary damage such as fire, explosion, leakage of hazardous substances, and can cause serious damage to local communities. In this study, we estimated the risk of mixed substances caused by earthquakes based on hazardous materials in the On-san National Industrial Complex, based of the distances between factories, damage distance of materials the possibility of mixing was determined. Also, In order to predict the reactivity between the materials, 37 kinds of Potential Gases according to the chemical mixture could be identified using the CRW 4.0 program, risk factors for 16 kinds of materials were derived as NFPA rating standards. As a result, high-risk materials such as Hydrogen Cyanide and Hydrogen Fluoride were identified, and to propose countermeasures to minimize the risk of high-risk factories by checking the Potential Gases generated by each factories.
1. 서론
우리나라는 환태평양 지진대 주변에 위치해 있어서 일본 등 주변국에 비하여 상대적으로 지진에 안전한 국가로 여겨져 왔으나(Korea Occupational Safety and Health Agency, 2016), 2016년도 기상청 통계에 따르면, 규모 2.0이상의 지진은 254회, 규모 5.0 이상의 지진은 3회 발생하였다. 1999년 디지털 관측이후의 평균 지진 발생 횟수가 51회/년이라는 것을 감안한다면 우리나라도 더 이상 지진으로부터 안전하지 못할 수도 있다.
우리나라는 양상단층대, 울산단층대 및 일광단층대를 따라서 53개 지점의 활성단층(active faults)이 존재한다(Kim et al., 2011). 특히, 활성단층대가 집중되어 있는 울산지역의 경우 대규모 산단이 조성되어 있고, 471개 업체에서 138종, 3,445만 톤의 유독물이 취급되고 있으며, 이는 국내 사용량의 1/3 이상을 차지할 정도로 상대적 잠재위험도가 높은 도시이다.
울산의 경우 국내의 지진설계에 대한 인식이 부족하였던 ’60~’70년대에 도시가 만들어져서, 내진설계법령이 적용되어 있지 않고, 산업단지 조성이 50년 이상 경과하여 노후된 설비에 의한 누출사고 등 다양한 위험원이 상존하고 있으므로 지진 발생 시 안전대책 마련이 요구된다. 또한, 해양과학기술원에서 수행한 영남권 단층들에 대한 연구결과 경주 지진을 유발한 것으로 추정되는 양산단층과 바로 인근의 일광단층이 활성단층일 가능성이 있다는 것 이다. 온산국가산업단지는 활성단층의 가능성이 있는 일광단층과 약 5 Km밖에 이격되지 않아서 상대적으로 잠재위험도가 높은 지역이다. 이러한 사유들로 인하여 울산지역에 대하여 많은 재해 방지 대책들이 연구되어 왔고, 안전예산도 2016년 대비 126% 증가하여 확보하는 등의 지진 발생에 대비한 안전 정책들이 마련되고 있다.
사업장 지진에 의한 피해사례를 살펴보면 2011년 3월 11일 일본의 토호쿠 지진이 발생하여 3,324개의 산업시설이 손상되었고(Dobashi, 2014), 쓰나미(tsunami), 건물붕괴, 화재, 지반침하, 원전 폭발 및 방사능 유출 등 재난을 발생시켜 약 16,000명의 인명피해와 345조원 이상의 재산피해를 발생시켰다(Impact forecasting, 2012; Kawata, 2011).
지진과 같은 자연재해로 지표가 갈라지거나 지하 및 지상 구조물 붕괴, 도로와 교량 유실, 해일 등과 같은 지진 자체에 의한 직접적 피해를 1차 재해라고 하며, 이러한 1차 재해로 인해 유해화학물질 유출, 화재, 폭발 등의 기술적 재난 발생으로 인적, 물적 피해를 주는 재난을 가리켜 NaTech(Natural Disaster Triggered Technological Disaster)라고 한다. NaTech재난은 자연재난의 불가항력의 영향과 복잡한 기술적 시스템에 생기는 문제의 상승적 결합으로 인해 발생하는 연쇄적, 복합적 재난을 의미한다(Oh, 2013).
선행연구로 Lee et al.(2013)은 튜닝포크모델을 이용하여 국내 LNG 저장탱크를 대상으로 구조해석모델링 하였고, 또한 HAZUS에서 제시한 액체저장탱크 손상한계상태를 이용하여 구조해석에 의한 해석적 지진취약도함수를 개발하였다. Nam(2017)은 복합재난에 대한 정의와 사례를 분석하였고, 복합재난관리체계 구축에 필요한 정책 방향을 제시하였다. 그러나 지진 발생으로 화학물질을 취급하는 설비들이 파손되었을 때의 피해예측에 관한 연구는 전무한 상태이다. 또한, 지진발생으로 다량의 화학물질이 연쇄적으로 누출될 경우 화학물질들 간의 혼합 반응을 통해 이차적으로 위험성이 높은 물질이 생성됨으로써, 연속재난으로 이어져 인명 및 재산피해가 발생할 수 있는 가능성이 매우 높기 때문에 이에 대한 연구가 필요하다고 판단되었다.
본 연구에서는 울산광역시 온산국가산업단지를 선정하여 사업장별 취급 화학물질을 기준으로 혼합 가능성을 판별하고, 국제표준화기구(ISO)에서 채택된 원칙에 따른 반응 위험성을 추정하는 미국 NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)와 EPA에서 개발한 CRW(Chemical Reactivity Worksheet) 4.0 프로그램(Lee, 2015)을 사용하여 물질들 간의 반응성을 고찰하였으며, 이에 따른 위험도를 구분하고 심각성을 제시해 피해 최소화를 위한 대응방안을 제시하였다.
2. 연구방법
본 연구에서는 지진 발생으로 화학물질을 취급하는 설비들이 파손되었을 때 다량의 화학물질이 연쇄적으로 누출될 경우 화학물질 간의 혼합 반응을 통해 생성된 화학물질을 분석하였다. 누출사고 발생 가능성이 있는 지역과 취급물질을 선정하기 위해 2016년 경주 지진을 발생시킨 것으로 추정되는 양산단층, 일광단층 인근 산업단지를 산업입지정보시스템(ILIS, Industrial Land Information System)과 화학물질조사결과 정보공개시스템(CDR, Chemical Data Reporting Opening System)을 활용하여 선정하였다. 화학물질 누출 시 물질별 피해영향거리를 산정하기 위해서는 미국 환경보호청(EPA, Environmental Protection Agency)과 미국 해양대기관리청(NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration)에서 개발한 ALOHA, DNV GL사에서 개발한 PHAST, 화학물질안전원에서 개발한 KORA 등 다양한 모델링 프로그램들이 있지만, 위와 같은 모델링 프로그램은 취급온도, 운전압력, 용량 등 물질별 취급 조건들이 필요하기 때문에 화학물질안전원에서 발간한 유해물질 비상대응 핸드북의 물질별 초기이격, 방호활동거리표를 활용하여 적용하였다. 누출된 물질의 혼합 가능성은 CRW 4.0 프로그램을 활용하여 누출 및 이차적으로 생성된 Potential Gases의 위험도를 확인하였다. 최종적으로, 예측된 Potential Gases를 NFPA 기준으로 물질을 구분하여 위험순위를 도출하였고, 위험순위에 따른 개선방안 및 추가적인 방호시설과 구호제품의 필요성을 제시하였다.
2.1 산업단지 및 업체선정
국가산업단지 내에서 유해화학물질을 취급하는 설비는 항상 위험요인이 항상 내재되어 있으며, 사고 발생 시 재난의 확산범위를 파악하는데 많은 인력과 시간이 소요된다(Song, 2017). 온산국가산업단지 내에는 279개의 화학물질 취급 사업장이 밀집되어 있고, 사업장 간 안전거리가 충분하게 확보되어 있지 않아서, 화학물질 누출 등에 의한 피해가 주변에 확산될 가능성이 높다.
지역내 대상 사업장과 대상 화학물질을 선정함에 있어서, 화학물질조사결과 정보공개 시스템(CDR)에서 정보가 공개되어 있는 140여개 사업장을 일차 대상으로 연구를 진행하였으며, 이들 사업장에서는 524종의 화학물질이 사용되고 있었다. 지진이라는 자연재해 조건 하에서 온산국가산업단지 내에서 취급하고 있는 모든 화학물질 혼합에 대한 반응성을 예측하기 보다는, 최종적으로 대규모 누출사고를 전제로 하여 사용량 5,000 ton/year 이상 사용하는 물질로 제한함으로써 45개 사업장(Fig. 1), 87개 물질(Table 1)을 연구대상으로 선정하였다.
Factories Information in On-san National Industrial Complex
List of Chemicals Used
2.2 대상 사업장 및 화학물질의 혼합 가능성
온산국가산업단지 내 5,000 ton/year 이상 화학물질을 사용하는 45개 사업장 간의 거리는 사업장 주소의 위도와 경도를 이용하여 산정하였고, 사업장에서 사용하는 화학물질 87개 혼합가능성에 대한 거리는 유해물질 비상대응 핸드북의 초기이격거리, 방호활동거리(낮/밤)를 이용하여 판별하였다(Kim et al., 2014). 초기이격거리, 방호활동거리에 대한 값이 확인되지 않는 화학물질의 경우에는 0km로 설계하였다.
2.3 혼합후, 생성되는 Potential Gases의 예측
화학물질의 혼합에 따른 반응 위험성을 예측하는 것은 미국 NOAA 및 EPA에서 개발한 CRW 4.0 프로그램을 활용하였다. CRW 4.0 데이터 시트에는 화학물질의 CAS번호와 UN번호, 화학식, NEPA 등급, DOT(Department of Transportation) 위험표지, 반응성 그룹, 반응성 경고, 해당물질의 설명과 반응성 개요 등이 표시된다(Lee, 2016). 본 연구에서는 ‘화학물질조사결과 정보공개 시스템’을 이용하여 사용하는 화학물질을 파악하였으며, 결과는 X, N, C, Y, SR로 표현 하였다. ‘X’의 값은 물질 혼합 시 반응 없음, ‘N’의 값은 혼합되었을 때 위험성이 예측되는 물질로 추정, ‘Y’의 경우 두 물질을 혼합하여 보관해도 특별히 예측되는 위험성이 없다는 것이다. ‘C’의 경우 특정한 조건하에서 반응위험성이 예측되는 것으로 정확한 위험성을 예측할 수는 없지만 특별히 주의할 필요가 있으며, ‘SR’의 경우에는 중합과 같은 잠재적으로 자기 반응성이 있는 물질이다(Lee, 2015). 지진 발생으로 인한 온산국가산업단지 내 45개 사업장에서 사용하는 87개의 화학물질 혼합에 따른 반응위험성을 예측하였고, 입력한 데이터에 대한 CRW 4.0 프로그램을 실행시켜 얻은 반응
위험성에 대한 혼화성 차트, 즉 반응성 매트릭스 데이터 시트는 Fig. 2와 같다.
Reactive Matrix by Mixing of Chemical Materials
본 연구에서는 화학물질 혼합에 의하여 생성된Potential Gases는 총 37종으로 도출되었으며 Table 2에 나타내었다. 또한, 데이터 시트 결과, 화학물질(Chlorine) 혼합에 따른 반응위험성이 예측되는 경우(N) 에 대한 반응위험성 정보의 대표적인 예를 Table 3에 나타내었다.
The Expected Materials for the Reaction
Summary of Reaction Hazard Due to Mixing of Chemicals (example)
2.4 Potential Gases의 위험도 등급결정
대상 사업장에서 화학물질 누출로 인하여 생성된 Potential Gases의 위험등급을 결정하기 위하여 Fig. 3의 NFPA (National Fire Protection Association)등급을 이용하였다. NFPA내 건강 위험성, 화재 위험성, 반응 위험성 등급 지수 합이 12~9이면 A, 8~5 이면 B, 4~1이면 C로 정하였고, Potential Gases의 NFPA 항목별 최고 지수 값이 4이면 1등급, 3이면 2등급을 부여하였다.
NFPA Rating Explanation Guide
위험도 등급을 부여하기 위하여 생성된 37종의 Potential Gases 중 16개 물질은 NFPA 등급을 확인할 수 있었고, NFPA 등급을 확인할 수 없는 21개의 물질은 위험도가 낮다고 판단하여 본 연구에서 제외하였다. 그 결과 Potential Gases 생성반응에 관여하는 화학물질의 수와 이로 인하여 Potential Gases가 생성될 수 있는 경우의 수는 Table 4에 제시한 바와 같고, 대체적으로 위험등급이 높은 물질이 생성된 것을 확인할 수 있었으며, 특수위험성이 있는 산화성 물질 또한 확인할 수 있었다.
The Group of Chemicals for which Dangerous Reactions are Expected
생성된 16개 Potential Gases에 대한 NFPA 지수 값은 Table 5에 제시하였으며, 각개 지수 값의 총합을 산정하여 위험도를 구분해본 결과 A그룹 1종, B그룹 5종, C그룹 10종으로, 또한 NFPA내 최고 지수 값 기준으로 위험도 등급을 나누었을 때 1등급 7종, 2등급 9종으로 구분되었다.
Materials Classification by Rating Number
3. 연구결과
3.1 초기 이격거리 기준 사업장별 위험물질 생성 및 구분 등급
초기 이격거리 기준에 따른 결과값은 Table 6과 같다. 물질 간 반응하여 Potential Gases가 생성된 사업장은 17개로 도출되었으며, Potential Gases가 생성될 수 있는 경우의 수가 많은 사업장은 #10(18개 반응), #35(13개 반응), #19(8개 반응) 순으로 확인 되었다. Potential Gases가 많이 발생하는 사업장은 #10(12종), #35(10종), #30(5종) 순으로 확인 되었다. 물질 간 반응하여 생성되는 물질은 NO2(C-2)가 12개 사업장에서 가장 많이 생성되고 있으며, 그 다음으로는 H2(C-1) 9개 사업장, SO2(C-2) 9개 사업장 순으로 생성 되고 있었다. 고위험 물질인 HCN은 #10, #35, #43 등 3개
Reference Material Generation and Classification Class by Initial Isolation Distance
사업장에서 생성되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 고위험 물질로 구분한 A그룹 및 1등급에 해당하는 Potential Gases가 생성되는 사업장은 #10(A그룹: 1, 1등급: 4), #35(A그룹: 1, 1등급: 3), #43(A그룹: 1종, 1등급: 2종)으로 #10, #35, #43번 사업장이 위험도가 높은 것으로 확인되었다.
3.2 방호 이격거리 기준 사업장별 위험물질 생성 및 구분 등급
방호 이격거리 기준에 따른 결과 값을 낮과 밤으로 구분하여 Table 7에 나타내었다. 누출된 물질 간 반응하여 37개 사업장에서 Potential Gases가 생성되었으며, Potential Gases가 생성될 수 있는 경우의 수가 많은 사업장은 낮 기준 #35(129개 반응), #10(128개 반응), #9(99개 반응), 밤 기준 #10(166개 반응), #35(161개 반응), #9(144개 반응) 순으로 확인 되었다.
Reference Material Generation and Classification Class by Protective Action Distance
생성 물질은 초기 이격거리 기준과 동일하게 NO2, H2, SO2가 가장 많이 생성되지만, 고위험 물질로 구분되는 HCN은 방호이격거리 낮과 밤이 동일하게 11개 사업장에서 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라 고위험 물질에 해당하는 A그룹 및 1등급에 해당하여 위험도가 높은 사업장은 방호이격거리(낮) 기준 #35, #10, #9, #30, #19, #25, #12, #15, #27, #43, #31번 사업장으로 확인 되었으며, 방호이격거리(밤)도 낮과 동일하게 나타나 위의 11개 사업장이 위험도가 높은 사업장으로 확인 되었다.
3.3 Potential Gases에 대한 위험 우선순위
본 연구에서는 Potential Gases에 대한 NFPA등급 지수 합 A그룹, B그룹, C그룹 및 항목별 최고 지수 값 1등급, 2등급으로 두 가지 기준의 위험도 등급을 활용하여 위험 순위를 도출하였으며, 이에 따른 개선 우선순위를 Table 8과 같이 나타내었다. 또한, 설정한 우선순위에 따라 A-1 1종, B-1 4종, B-2 1종, C-1 2종, C-2 9종으로 구분되었다. Fig. 4는 방호이격거리 기준으로 생성된 Potential Gases의 예시를 나타낸 것이다. 지진 발생 시 사업장에서 누출된 7종의 화학물질(Fig. 4 내의 상단 표)로부터 혼합에 의하여 10가지 반응이 일어날 수 있으며, 이로 인하여 생성 가능한 Potential Gases는 Fig. 4 내의 하단 표와 같이 13종이 되는 일례를 보여주고 있다. 방호거리가 매우 큰 A 사업장을 적정 관리할 수 있다면, 위험도 등급 B-1, C-2에 해당하는 물질에 대하여 피해규모를 확연히 감소시킬 수 있음을 보여준다. 또한, F 사업장과 G 사업장에 의하여 생성되는 HCN은 위험도 등급 A-1, 고위험 물질에 해당하므로 두 사업장에 대해서도 적정관리를 한다면 피해를 감소시킬 수 있음을 보여주고 있다.
Rank of Risk of Potential Gases in According to Hazard Rank in NFPA
Results on Protective Action Distance Reference Material Generation in Night (Examples)
3.4 위험 우선순위에 대한 개선방안
NFPA 기준으로 구분할 수 있는 16종의 Potential Gases에 대한 위험도 등급과 이를 활용한 위험순위를 도출하였으며, 이를 근거로 위험순위를 활용한 개선방안을 제시하고자 한다.
첫째, 지진 발생 시 위험성이 있는 Potential Gases의 누출을 최소화하기 위해, 현재 노후 된 사업장의 배관 및 물질의 저장 탱크, 사용설비에 대해서는 우선순위를 설정하여 단계별 내진설계가 필요하다.
둘째, 지진 발생 시 발생위험물질에 대응하기 위하여 위험유형별(건강 위험성 / 화재 위험성 / 반응 위험성 / 특수 위험성)로 기준등급을 세분화하여 기존의 반응물질뿐만 아니라 생성물질의 발생 가능성이 있는 해당 지역에 추가적인 방호시설 및 구호제품 구비가 필요하다.
셋째, 지진 발생 시 화학사고가 발생하는 지역에 설치된 방호시설 및 구호제품을 효과적으로 이용할 수 있도록 피해영향범위에 따른 대응 매뉴얼 개발이 필요하다.
4. 결론
본 연구는 지진활성대에 인접한 온산국가산업단지에서, 지진이라는 재해를 가정하여 야기된 화학물질 누출로 인한 혼합 가능성 유무 및 혼합 후 발생된 37종의 Potential Gases의 종류 및 위해를 예측한 것으로서, 연구결과 다음과 같은 결론에 도달하였다.
초기 이격거리 기준에 따른 물질 간 반응하여 Potential Gases가 생성된 사업장은 17개로 도출되었으며, 총 12종의 Potential Gases가 생성되었다. 방호 이격거리 기준에 따른 Potential Gases가 생성된 사업장은 37개로 도출되었으며, 총 16종의 Potential Gases가 생성되었다. 이러한 결과를 바탕으로 생성된 Potential Gases의 위험도 등급을 도출하였으며, A-1 1종, B-1 4종, C-1 2종, C-2 9종으로 구분되었다. 이 중 고위험 물질에 해당하는 A-1 등급의 Potential Gases를 생성하는 사업장은 초기 이격거리 기준 3개, 방호 이격거리기준 11개로 확인되었다.
예측된 Potential Gases에 대하여 물질들의 위험도와 위험순위에 따른 단계적인 배관교체와 내진설계에 대한 개선방안 및 추가적인 방호시설과 구호제품의 필요성을 제시하였다.
또한, 본 연구에서는 연간 사용량 5,000 ton/year 이상 사용하는 화학물질 기준으로 제한하여 진행하였으나, 소량으로 취급되는 화학물질에 대해서도 반응물이 어떤 위험성을 가졌는지에 대한 조사가 필요할 것이다. 또한, 위험물질로 구분되어 있지 않은 화학물질의 경우에도 누출 시 물질 간 반응을 통하여 위험성이 높은 물질이 생성될 가능성이 있기 때문에 어떤 위험성을 가졌는지 반응물질로 생성된 Potential Gases간의 2차적인 혼합 가능성을 확인하는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 더불어 재난이라는 특수한 상황인 만큼 온도나 습도와 같은 기후적 변수와 외부적 요인으로 다양한 변수가 적용되는 경우의 상황도 고려가 필요하다.
본 연구는 지진 발생 시 화학물질 취급시설, 보관창고 등 구조물에서 유출 및 누출된 화학물질에 대한 혼합 가능성을 확인하였다. 하지만, 각 지역 산업단지별로 취급하는 화학물질이 다르고 다양한 만큼 온산국가산업단지에 한정되는 것이 아니라 지역 특성을 고려하여 화학물질을 취급하는 다수의 산업단지 내에 잠재되어 있는 위험성에 대한 연구가 필요하다고 판단된다. 또한, 화학물질 취급시설에 대한 내진 보강은 많은 예산과 시간이 필요하기 때문에 지속적인 연구를 통하여 위험순위를 설정하고 단계적으로 시행하는 등 지진 관련 대책에 대한 참고자료로 활용 가능할 것이다.