도시가스 배관의 효율적 안전관리를 위한 위험성 평가 프로그램 개발

김태욱, 성준식

(주) 삼천리 기술연구소

Development of Risk Assesment Program for Effective Safe Managment

in City Gas pipelines

Tae Wook Kim, Jun Sik Sung, Yang Seok Kim

Technical Research Institute, Samchully Co., LTD.

1. 서론

국민의 에너지원인 LNG는 1980년대초부터 보급되기 시작하여서, 1999년말 현재 717만 가구가 사용하고 있다. 이 LNG는 인도네시아등에서 액화천연가스상태로 보급되며, 한국가스공사의 인천과 평택의 인수기지를 통해서 액화상태인 가스를 기화시켜서 배관을 통해, 일반도시가스업자인 각 시도별 해당도시가스사를 통해서 보급되고 있다. 현재, 가스산업에 사용되는 배관을 구분한다면, 그 기능에 따라서 수송용 배관과 공급용 배관으로 구별되며,  고압(10 - 70kg/cm2) 으로 수송되는 한국가스공사의 수송용 배관과 일반도시가스사업자인 도시가스회사가 중압(4kg/cm2)이하로 소유하고 있는 공급용 배관으로 나눌 수 있다. 도시가스 배관의 경우는 일반적인 화학플랜트 배관에 비해서, 운송유체가 부식성이 없으나, 지중에 매설되어 있어서, 배관검사 및 진단이 어려운 것이 사실이다. 무엇보다 도심지역에 공급됨으로 인해서, 도심의 타지하매설물인 전철 및 전력선등과 같은 여러 시설물의 굴착공사 및 전기적 간섭과 자연적인 부식, 차량하중 및 응력 등으로 인한 사고시 큰 사고피해를 가져올 수 있다. 실제로 가스배관의 경우는 지하매설 배관의 파손으로 인하여 가스가 누출하였을 경우 물적인 피해뿐만이 아니라 소중한 인명을 앗아가는 대형 재난으로 발전할 수 있게 되므로 신뢰성 있게 안전성을 유지하는 방법이 개발되어야 한다.1

대체적으로, 매설배관에 대한 문제의식을 갖게 된 국가들은 매설배관을 장기간 사용한 나라일수록 안전관리 시스템들이 잘 구축되어 있는데, 미국이나 캐나다를 들 수가 있다. 그러나, 배관의 관리시스템과 토양 및 주변환경의 차이로 인해서, 이런 국가들의 시스템들을 그대로 모방하여 사용해도 효과적인 성과를 거두기가 어려운 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 국내의 도시가스 실정에 맞는 매설배관의 위험성 평가 알고리즘을 개발하여 국내 도시가스업계의 안전관리에 활용가능한 프로그램을 제시하였다.

2. 이론(가스배관시설의 위험성 평가 프로그램)

일반적으로 위험성 평가를 처음으로 도입한 산업은 항공우주, 원자력 산업이었으며, 이것이 1980년대에 화학플랜트부분에 적용하기 시작하였고, 1990년대에는 산업시설의 각 분야에 적용되기에 이르렀다.

일반적으로 화학플랜트에서 사용되는  위험성 평가는 아래의 3개의 질문에 대한 대답을 하는 것이라고 설명할 수 있다.2

-. 무엇이 잘못될 수 있는가? (손상요인)

-. 그러한 손상으로 인한 손상결과는? (손상결과)

-. 잘못될 사건의 발생 가능성은? (사고발생확률)

이런 위험성은 분석방법에 따라, HAZOP 등과 같은 정성적인 분석법과 FTA 등과 같은 정량적인 분석방법으로 나누어지고 있다. 그런데, 일반적인 화학플랜트에서의 배관은 공정조건의 변화가 거의 없고 시설이 지극히 단순한 배관계에 대해서 기존의 위험성평가 기법을 적용하는 것은 적절하지 않다. 이러한 배관자체의 특성과 적절한 위험성평가 방법의 미비로, 대부분의 위험성평가에서 모든 배관은 단위 길이당 위험도가 동일하다고 가정하고 있다. 특히, 현재 국가안전관리 강화정책은 단순히 매설배관의 경과년도에 따라 정성적으로 노후배관 및 위험성을 구분하고 있으나, 위험요인을 찾고 그 원인을 제거하여 안전성을 향상시키는 방법이 제시되지 못하고 관리기준만 강화하고 있는 실정이다.

그러나, 실제 가스산업의 배관시설은 부식환경, 운전조건, 배관의 두께, 용접개소 등과 같은 구조적인 차이로 인해서 당연히 위험성이 다르게 존재할 뿐만 아니라, 도심지역의 잦은 굴착공사로 인한 사고도 빈번하므로, 이를 고려한 위험성평가 접근방법이 필요하다.  그래서, 이런 고려사항들을 바탕으로 국내외의 가스시설에 대한 위험성평가가 개발되어 왔다. 아래 Table.1 에 그 세부내용을 나타내었다.

Table 1. Risk assessment classification and application example for pipelines

구 분	내 용	국외 프로그램 모델 및 주관사3,4	국내 프로그램 모델 및 주관사
Scoring Model	배관위험성에 대한 여러 인자별로 상대적인 점수를 부여하여 위험성을 평가하는 방법이며, 정성적인 성격과 정량적인 성격을 띰.	ㅑㅑIiiaia■ IAP(Bass- Trigon (美)) ■ Pipeline Risk Model (TransCanada Pipeline)	■ SPC(한국가스 안전공사) ■ PRIME(개발중, 한국가스공사)
사고영향 평가모델	위험성을 정량적으로 표현하는 방법이며, 가스사고 발생후의 가스의 확산 및 폭발에 대한 해석을 수행하여 위험성을 평가하는 방법으로 여러 가지 기법들이 개발되어 있다.	■ PIPESAFE (BG社(英)) ■TRANSPIRE (BG 社(英))	■ TRiMS(한국 가스안전공사)
손상확률 자료모델	배관의 위험요인과 배관손상확률을 복합적으로 적용하여, 배관의 위험성을 나타내는 방법이다.	■PIMOS(GRI&Wood ward Clyde社(美)) ■ Corrosion Model (BG社(英))	■ TRiMS(한국 가스안전공사)

위험성 평가를 수행하는 국내외 기관들의 현황을 살펴볼 때, 사고 이후 영향평가모델과 같은 기법은 도시가스社와 같이 인구 밀집지역에 배관이 대부분 매설되어 있는 현실을 감안할 때, 적합한 방법은 아니다. 또한 손상확률모델을 사용할 경우, 우리나라의 실정상, 가스사고에 대한 충분한 조사 및 자료가 미흡하고, 외국의 사례를 적용하는 것은 환경적 차이로 인해서, 적절하지 않다.

따라서, 본 연구팀은 도시가스사에 적합한 위험성평가 방법은 Scoring model과 같이 정성적인 위험성을 수치화하는 방법으로 위험성 평가에 접근하였다. 이런 방법을 적용할 때, 위험성은 다음과 같이 표현할 수 있다.

위험성 = f(손상위험인자들(Failure risk factor)

= [eqn: SUM ({인자별 판정값}_{i} TIMES {인자별 가중치값}_{i})]                 (1)

매설배관의 대략적인 구성인자들과 주위환경을 간략히 Figure 1 에 보였다.

Figure 1 와 같이 배관내 일반적으로 존재할 수 있는 시설물들로서, 공급유량과 압력을 조절하는 정압기, 배관의 개폐를 담당하는 밸브, 배관 부식방지를 위한 전기방식T/B등을 나타내었다. 그리고, 주변에서 발생할 수 있는 요소들은 기매설되어 있는 지중전력선 및 전철과 같은 간섭시설물과 시설물의 굴착공사인 타공사로 구성되어 있다. 이들 구성요소를 기초로 하여서, 배관의 상황 및 주변인자의 상황을 파악하여, 프로그램을 구성하였다.

Figure. 1. The facilites of buried pipeline.

3. 도시가스배관의 위험성평가 프로그램 개발

위의 식(1)과 Figure 1를 기초로 정성적인 배관의 위험성을 정량적인 점수값으로 나타낸다. 먼저, 기본적인 개념으로 이 위험성 평가기법에서는 점수가 높아질수록 위험성이 증가하는 것으로 정의한다. 또한 그 인자들의 구성은 Figure 2. 에 나타내었다.

Figure 2.  The composition of factors.     Figure 3. The screen of between

program and GIS

Figure 2.에서 보는것처럼, 본 기법이 다양한 개별인자들의 합으로 위험성을 판단하기 때문에, 자칫 위험상태임에도 불구하고, 점수가 위험Level이하일 경우, 위험지역으로 관리가 안 될 수 있기 때문에, 부식을 야기할 수 있는 상황 유지관리 위험지역에 관련된 일부인자(5가지)에 대하여 Key 인자 개념도입하여, 위험성을 판단하도록 하였다. 구성인자의 수는 총 63개인자(부식 - 23, 설계 및 시공 - 11, 유지관리 - 29)로 구성되어 있으며, 점수는 위험차이를 세분하기 위해 500점으로 하였고, 위험정도를 5단계로 구분하였다. 이런과정을 거쳐서 개발한 프로그램은 폴리에틸렌 피복강관에 적용가능하도록 하였고, Visual Basic으로 구성되었으며, Figure 3. 처럼 GIS(Geographic Information System)와 연계하였다.

개발된 프로그램은 손상위험인자들의 구성과 손상점수계산, 계산결과를 분석하여 위험도를 조회하는 기능과 위험별로 비용/효과를 고려한 손상보완대책 유지관리 기능을 갖도록 구성되어 있으며, 위험인자 및 Key인자의 편집이 가능하도록 하였다.

4. 사례연구

본 논문에서 제안된 기법으로 (주) 삼천리의 일부배관을 시험굴착하여, 위험점수별로 위험성을 파악하였다. 위험성을 파악하는 방법으로는 배관 용접부위에 대한 방사선 투과검사와 초음파 두께 측정을 하였고, 희생양극을 보유하고 있는 일부 배관에 대해서는 희생양극을 수거하여, 희생양극 소모량을 파악하였다. Figure 4.와 Figure 5.은 굴착검사한 배관의 모습이다. 굴착검사 결과, 대부분의 배관이 아직은 양호하게 나왔으며 점수별로 위험성을 레벨화할 수 있었다.

Figure 4. Excavated Pipe.  Figure 5. Excavated Sacrifice Anode

5. 결론

본 논문에서는 도시가스 배관의 효율적인 안전관리를 위한 위험성평가 프로그램 개발을 위해서 Scoring 모델을 도입하여, 정성적인 위험성을 준정량적인 수치로 표현하였다. 이를 통해서 배관을 위험별로 구분할 수 있었고, 매설배관의 안전경영의 기본적인 도구를 마련하였다.

6. 감사

본 연구는 과학기술부의 인위재해방재기술사업의 지원에 의해 이루어졌으므로 이에 감사드립니다.

7. 참고문헌

1. 이억섭, □산업설비의 수명평가기술□, 성균관대학교 산업설비 안전성 평가 연구센터기술분석 보고서, SAFE 97-3, p99, 1997.

2. 김연종, 안상현, 조현춘, □가스시설의 위험성평가 기법 및 적절한 기법의 선택을 위한 고려사항□, 화학공업과 기술, Vol. 14, No. 4, 1996.

3. GRI, □Natural Gas Pipeline Risk Management, Volume IV-Indentification of Risk Management Methodologies" GRI Report-95/0228. 4, 1995.

4. Bruce D. Beighle and Mike P. Gloven, "Relative Risk Assessment The

Competitive Advantage", Bass-Trigon Software, www.bass-trigon.com., 1998.