지하배관의 위험성 서열화 분석

조 현춘, 김 석현, 김 병덕*

주식회사 유피테크, 한국가스안전공사*

Risk Ranking Analysis for the underground pipelines

H. C. Cho, S. H. Kim, B. D. Kim*

United Pacific Technology, Inc., Korea Gas Safety Corp.*

서론

Hazard and Operability, Failure Mode and Effects Analysis, Fault Tree, Event Tree등과 같은 안전성평가 방법들은 공정조건과 시설이 단순한 배관에 대해서 적용하는 것은 적절하지 않다. 적절한 안전성평가 방법의 미비로, 대부분의 위험성 평가에서 모든 배관은 단위 길이당 위험도가 동일하다고 가정하여 왔다. 그러나 배관들은 두께, 직경 등과 같은 구조적인 차이가 있을 수 있고, 운전조건, 부식환경, 나이, 제3공사에 의한 손상가능성과 같은 주변환경이 다를 수 있기 때문에 당연히 위험성도 다르다. 본 논문에서는 전체배관을 특성에 따라 여러 구간으로 나누고,  구간별로 위험성을 서열화 할 수 있는 새로운 방법을 사용하였으며 □Scoring Pipeline Checklist (SPC)"라고 명명하였다. 그리고 도입한 평가방법의 적절성을 평가하기 위해 도시가스사 배관 중에서 20개의 모델배관을 선정하여 직접 적용하였다.

Scoring Pipeline-checklist(SPC) 기법의 구성

SPC법은 그림-1과 같이 Thomas model과 Scoring 시스템이라는 2개의 요소로 구성되어 있다. Thomas 모델[1]은 배관 또는 압력용기의 파손이 내적 요인과 어떠한 관계가 있는가를 밝히는 실험적인 모델로 지금까지는 원자력업계에 사용되던 기법이었으나, 최근에는 화학공정 기기에 대해 적용을 하고 있다. 이 모델은 용기 또는 배관의 모양, 크기, 재질, 두께, (배관의 경우에는 용접 부위의 숫자, 용접의 형식)등을 고려하고, 보수, 검사 효과도 모델의 일부로 포함한다. Scoring 시스템[2]은 Thomas 모델을 통해서 구해진 배관의 기본 누출빈도값에 대해 외부적인 누출유발 요인들의 효과를 점수로 환산하여 가중치를 부여한다. 이 Scoring 시스템은 분석대상이 되는 배관의 특성을 반영하여 수정/개발해야 하는 부분 이다. 이를 위해서는 배관이 처한 환경특성, 즉 외부요인들을 결정해야 한다. 이 외부요인은 적용하고자 하는 배관시스템의 특성에 따라 약간씩 달라질 수 있지만 부식, 제 3자에 의한 손상, 용접/시험, 설계요인, 운전/보수와 같이 5가지로 분류하는 것이 일반적이다. 이들 각각의 외부요인들은 여러 개의 세부항목으로 구성된다. 5가지 외부요인과 세부항목들의 종류와 가중치는 누출사고 원인분석결과와 배관유지관리를 담당하는 기술자의 경험을 바탕으로 결정해야 한다. 이때 5가지 외부요인 가중치의 합은 100이 되도록 한다. 표-1은 본 논문에서 적용한 각 항목별 가중치 결과이다. 이 표에서 부식요인을 예로 들어 살펴보면, 누출사고중에 부식에 의한 것이 전체의 50% 정도를 차지함을 의미한다. 편차 값은 배관구간의 특성에 따라(예 코팅층의 조건, 배관의 나이 등) Score값이 30에서 70까지 변할 수 있음을 나타낸다. 이 평가시스템에서는 Score의 값이 낮을 수록 배관의 상태가 양호함을 나타낸다. 그리고 5가지 외부요인의 Score합이 100보다 크면, 전반적인 조건이 평균보다 열악한 상태를, 100보다 작으면 평균보다 양호한 상태임을 의미한다.

도시가스사의 지하배관 적용 결과

각 항목의 가중치평균과 편차는 외국의 자료와 모델사의 3년간 배관누출사고 분석결과를 근거로 하여 배관담당 엔지니어와의 토의를 통해 결정하였으며 결과는 표-1과 같다. 개발된 안전성평가 프로그램의 타당성을 확인할 수 있도록 하기 위해, 노후배관, 부식이 발생하여 누설경험이 있는 배관,  배관관리 담당자가 양호하다고 생각하는 배관, 좋지 않은 상태라고 생각하는 배관, 그리고 현재 배관주변에서 공사가 진행중인 배관, 도심이 아닌 비거주지 지역에 위치한 배관, 무작위로 추출한 배관 등을 포함하였다.

가. Score 평가 결과

모델배관에 대해 SPC법을 적용하여 위험성을 평가한 결과중 중요 요인인 부식과 5개 요인의 합은 그림-2(a),(b)와 같다. 20개 모델배관의 부식위험성 Score값이 허용범위(30 -70)에 골고루 분포하는 것으로 보아  설정한 평가기준이 실제배관의 상대적인 부식위험성을 잘 서열화해서 나타낼 수 있도록 설계되었음을 알 수 있다. 그리고 5개 요인을 합한 전체 요인을 합한 종합적인 위험성의 서열이 부식의 그것과 비슷한 것은 배관의 위험성이 주로 부식에 의한 것임을 의미한다.

나 Thomas 모델을 포함한 SPC법에 의한 평가결과

Score 값은 배관의 길이를 포함한 여러 치수들에 무관한 환경요인에 관련된 값인 반면 기본누출빈도는 배관의 길이를 포함한 다른 치수들에 비례한다. 따라서 Score 값이 상대적으로 낮은 배관구간(상대적으로 위험성이 낮은 배관)도 배관길이가 훨씬 더 크다면 누출발생빈도가 더 높은 값을 가질 수 있다. 표-2는 SPC기법을 사용하여 주어진 배관구간에서 정량적인 누출빈도 값을 계산한 결과이다. 여기서 기본누출빈도를 계산할 때 필요한 자료로 외국의 공용자료(Generic data)인 5.9E-05 회/년/km를 사용하였다. 여기서 총 Score 값이 100보다 크면 기본 누출빈도 보다 실제(환경요인을 고려한) 누출빈도가 더 크다는 것을 의미하며 100보다 작으면 실제 누출빈도가 기본누출 빈도보다 작다는 것을 의미한다.

다. 배관위험성 서열화 결과의 응용

배관 위험성 서열화분석 결과중 하나인 Score값을 이용하며 효과적인 배관관리전략을 수립할 수 있다. 만약 배관을 보유한 회사가 모든 배관에 대해 부식 Score 값을 50점 이하로 관리하고자 한다면 그림-2에서 No-2 부터 No-3번까지 8개 배관구간의 점수를 낮출 수 있는 조치를 취해야 한다. 예를 들어, No-2 배관구간의 Score를 원하는 값 이하로 낮추기 위해 가능한 조치방법들은 표-3과 같다. 4가지 가능한 방법 중에서 현재의 예산상태나 법규적 제약요인(도로굴착허가)등을 고려하여 가장 적절한 방법을 적용할 수 있다. 그리고 필요한 경우는 2가지 이상을 조합하므로 써 훨씬 더 효과적인 결과를 얻을 수 있다.

결론

지하배관을 여러 구간으로 나누고, 각 구간별로 위험성을 서열화 할 수 있는 새로운 방법 SPC법을 사용하여 지하배관의 위험성을 평가하였다. 이 평가법을 도입하므로 써 배관 담당자의 감으로 판단하던 배관의 위험성을 일정한 기준에 근거하여 숫자로 비교 평가할 수 있었다. 직접 도시가스사의 배관에 대해 적용한 결과, 배관구간들의 상대적인 위험성 크기를 정량적으로 비교할 수 있었으며 이로부터 기법이 실제적용에 유용하다는 사실을 알 수 있었다. 그리고 Score값을 이용하여 전체 배관의 적절한 위험도 관리기준을 설정하고 이 기준을 만족시킬 수 있는 구체적인 대책을 효과적으로 세울 수 있었다.

참고문헌

[1] H.M.Thomas; "Pipe and Vessel failure Probability" in Reliability Engineering 2, pp 83-124, (1981)

[2] Private Communication

표-1: 모델사배관 위험성평가 모델에서 적용한 항목별 가중치

누출사고 요인	평가모델에서 적용한 가중치	가스누출 이력자료 분석결과
부식 제3공사 용접/시험 설계 운전/보수	50 ±20 25 ±15 15 ±10 4 ±3 6 ±4	50(최대:72, 최소:15%) 30(최대:60, 최소:12) 20(최대25, 최소:15) 0 0

표-2: 모델배관에 대한 정량적 위험성(누출빈도)평가 결과

배관 번호	배관칫수(Dimension)				부식		제3자		(용접+설계+운전)		총계
	직경/ 두께 (mm)	용접 갯수	배관 길이 (m)	기본 누출 빈도 회/1년	Score	누출빈도 회/1년 (년/1회)	Score	누출 빈도 (회/1년)	Score	누출빈도 (회/1년)	Score	누출빈도 (회/1년)
1	200/5.8	55	500	2.7E-02	60	1.6E-02	19	5.0E-03	20	5.3E-03	98	2.6E-02
2	200/5.8	114	1020	5.5E-02	70	3.9E-02	21	1.2E-02	17	9.4E-03	108	6.0E-02
5	300/7	100	900	4.6E-02	63	2.9E-02	19	8.8E-03	20	9.3E-03	102	4.7E-02
6	400/7.9	150	1350	7.0E-02	44	3.1E-02	21	1.5E-02	17	1.2E-02	82	5.7E-02
8	400/7.9	145	1300	6.7E-02	32	2.1E-02	20	1.3E-02	17	1.1E-02	69	4.6E-02
9	300/7	95	850	4.3E-02	30	1.3E-02	21	9.1E-03	18	7.6E-03	69	3.0E-02
12	500/7.9	234	2100	1.3E-01	47	5.7E-02	19	2.4E-02	18	2.2E-02	84	1.0E-01
13	150/9.7	56	500	3.1E-02	46	1.4E-02	20	6.1E-03	17	5.1E-03	83	2.5E-02
17	400/7.9	140	1250	6.4E-02	30	1.9E-02	14	9.0E-03	17	1.1E-02	61	3.9E-02

표5-9 배관관리 대책(부식 항목)수립 예

대책안 세부항목	허용 최고값	현재 상태	대책-1 (강제배류기 설치 후)	대책-2 (배관 교체 후)	대책-3 (코팅 검사 실시 후)	대책-3 (Pig를 사용한 배관 부식검사)
1. 환경 2. 토양특성 3.매설년도 4. 타 금속 배관 5. AC- 전철 6. DC- 전철 7. 코팅 조건 8. 코팅 검사 9. 음극방식 10. Pig 사용 11. 순찰 점수(Score)	3 10 15 5 5 10 20 4 20 10 4	3 10 7 5 5 0 0 0 0 0 4 70	3 10 7 5 5 8 0 0 20 0 4 44	3 10 15 5 5 0 20 0 0 0 4 46	3 10 7 5 5 0 15 4 0 0 4 53	3 10 7 5 5 0 9 0 0 10 4 53

그림-1: SPC(Scoring Pipeline-cheklist)기법의 구성

그림-2 (a) : 모델배관 부식 위험성평가 결과(Score)

그림-2 (b) : 모델배관 위험성평가 결과 (Score)