화학설비의 부식 위험성평가에 관한 기술지침(KOSHA GUIDE P-168-2021) - 1장
1. 목적
이 지침은 화학설비에서 발생되는 손상메커니즘을 확인하고, 관리하여 설비의 건 전성을 유지하기 위한 부식 위험성평가에 필요한 사항을 제시하는데 그 목적이 있 다.
2. 적용범위
이 지침은 다음과 같은 경우에 부식성 유체를 사용하거나 부식을 일으키는 환경에 있는 화학설비에 대하여 적용한다.
(1) 화학설비에 대한 부식 관리문서(Corrosion control document, CCD)를 작성할 경우
(2) 화학설비의 부식관리에 대한 우선순위를 결정하기 위한 자료를 개발할 경우
(3) 위험기반검사(Risk based inspection, RBI)와 같은 정량적 평가방법을 사용하지 않 고 화학설비의 부식 위험성을 확인하고자 할 경우
(4) 화학설비의 건전성 모니터링(Integrity operating window, IOW)을 수행할 경우
3. 정의
(1) 이 지침에서 사용되는 용어의 정의는 다음과 같다.
(가) “손상메커니즘 (Damage mechanisms, DM)”이라 함은 부식성 유체 또는 환경 에 기인하여 재질의 퇴화를 나타내는 현상을 말한다.
(나) “부식 검토구간 (Corrosion loop)”이라 함은 부식의 경향이 유사한 구간을 연결 해 놓은 구간을 말하며, 부식 그룹 또는 부식 회로(Corrosion circuit)라고 하기 도 한다.
(다) “부식 관리문서 (Corrosion control document, CCD)”라 함은 부식을 관리하기 위해 작성된 문서를 말하며, 재질 선정, 부식 위험성, 부식 모니터링 등에 대한 내용을 포함한다.
(라) “부식 검토문서 (Corrosion review document)”라 함은 부식 검토구간에서 공정 조건(정상운전, 운전 시작 및 종료)을 고려하여 잠재적 또는 활성화 된 손상메 커니즘을 확인하고 정리한 문서를 말한다.
(마) “부식 위험지도 (Corrosion risk map)”라 함은 부식 검토구간에서 잠재적인 손 상메커니즘에 대해 부식으로 인한 위험성평가를 수행하고, 위험등급을 PFD
(Process flow diagram) 등에 표시한 도면을 말한다.
(바) “건전성 모니터링 (Integrity operating window, IOW)”이라 함은 공정에서 미 리 정해진 시간동안 설정된 범위에서 벗어날 경우 장비의 무결성에 영향을 미 칠 수 있는 공정변수(매개변수)의 한계를 두어 모니터링 하는 것을 말한다.
(사) “위험기반검사 (Risk based inspection, RBI)”라 함은 설비의 고장발생 가능성 과 고장피해 크기의 곱에 의해 결정되는 위험도에 의해 검사의 우선순위를 결 정하는 방법을 말한다.
(아) “고장발생 가능성 (Likelihood of failure, LOF)”이라 함은 잠재적 손상메커니즘 으로 인한 설비의 고장이 발생할 가능성을 말한다.
(자) “고장피해 크기 (Consequence of failure, COF)”라 함은 설비의 고장으로 인한 사고결과를 말하며, 인명, 환경, 독성, 조업 중단 등의 손실을 의미한다.
(차) “위험도 (Risk)”라 함은 고장발생 가능성(LOF)과 고장피해 크기(COF)의 곱
(Matrix)을 말한다.
(카) “재질선정 도면(Material selection diagram, MSD)”이라 함은 선정된 재질의 종류, 부식 허용여유 등을 공정 흐름도(PFD)에 나타낸 도면을 말한다.
(2) 기타 이 지침에서 사용하는 용어의 정의는 특별한 규정이 있는 경우를 제외하고는 「산업안전보건법」, 같은 법 시행령, 같은 법 시행규칙 및 「산업안전보건기준에 관한 규칙」에서 정의하는 바에 의한다.
4. 화학설비의 부식 위험성평가 절차
4.1 일반사항
(1) 부식 위험성평가는 일반적으로 다음의 절차에 따라 진행한다.
(가) 부식 위험성평가 팀 구성
(나) 부식 위험성평가 대상선정
(다) 부식 검토구간 작성
(라) 부식 검토문서 작성
(마) 부식 검토구간에 대한 위험성평가
(바) 부식 위험지도 작성
(2) 부식 위험성평가는 위험기반검사를 수행하기 전 또는 후에 수행할 수 있다.
(3) 부식 관리문서(CCD)를 작성하였거나 위험기반검사(RBI)에서 부식에 대한 위험성 평가를 수행한 경우에는 CCD 또는 RBI에서 얻어진 위험도(Risk)를 그대로 사용 할 수 있다.
4.2 부식 위험성평가 팀 구성 및 역할
(1) 부식 위험성평가 팀은 팀리더, 설비 검사원, 부식·재질 엔지니어, 공정 엔지니어, 운전원, 위험성평가 전문가로 구성하는 것을 권장한다.
(2) 위험성평가 팀의 구성원은 다음과 같은 역할을 수행한다.
(가) 팀리더
① 위험설비의 운전 또는 검사에 충분한 경험과 지식
② 평가팀을 조직화
③ 추진 진도관리 및 수집된 자료에 대한 정확도 검증
④ 임의의 가정치에 대한 논리 확보 및 문서화
⑤ 자료 수집 또는 가정치 설정을 자문하는 전문가 확보
⑥ 추진보고서 작성 및 보급
⑦ 위험도 감소계획의 실행여부 확인 등
(나) 설비 검사원
① 설비상태 및 운전조건에 대한 자료 확보
② 재료 또는 부식 전문가와 함께 설비상태를 예측
③ 설비 검사 및 부식 전문가와 함께 과거의 검사효과 평가
④ 추진결과의 검사계획서를 이행
(다) 부식·재질 엔지니어
① 손상 또는 파손 메커니즘의 형태와 적용방법에 대한 평가
② 현재의 설비상태에 대한 평가
③ 현재 상태와 예측치의 차이 발생 시 그 이유 규명
④ 재질 변경, 부식방지 물질 추가, 코팅 추가 등 사고발생 가능성 감소방안 제시
(라) 공정 엔지니어
① 위험설비의 운전조건, 유체조성, 독성 및 인화성 등 공정 기술정보 제공
② 공정조건 변경 등을 통해 위험도 감소방안 제시 및 평가
(마) 운전원
① 운전변수들이 규정된 운전범위 내에서 운전되고 있는지를 확인
② 검사원으로부터 제공된 검사결과 또는 설비상태에 적합하도록 정비, 교체 등 에 대한 평가책임과 결정된 정비방안을 수행
(바) 위험성평가 전문가
① 분석에 필요한 자료를 이용하여 위험성을 분석 및 평가
② 자료 종류 및 정확도, 가정치 등의 결정
4.3 부식 위험성평가 대상선정
(1) 부식 위험성평가는 부식이 심각하지 않은 공정에서 부식이 심각한 공정의 순으로 진행한다.
(2) 부식이 심각한 공정을 우선적으로 수행할 경우 처음 수행하는 팀의 경우 숙련도가 낮아 많은 오류로 인해 반복작업의 빈도가 증가하기 때문에 심각하지 않은 공정을 평가하여 숙련도를 익힌 후 심각한 공정으로 옮겨갈 것을 권장한다.
(3) 부식 위험성평가 대상은 공정상의 고정설비, 배관, 회전기계를 대상으로 한다. 즉, 부식이 발생 가능한 설비는 모두 대상으로 한다.
(4) 열교환기(Heat exchanger) 및 공기냉각기(Air cooler)의 경우 유체가 접촉하는 부 분에 따라 나타나는 부식의 형태가 달라지기 때문에 이를 사전에 파악하여 평가하 여야 한다.
4.4 부식 검토구간 작성
(1) <그림 1>의 예시에서와 같이 일반적으로 부식 검토구간은 PFD(Process Flow Diagram) 등에 칼라펜으로 표기한다.
(2) 부식 검토구간의 번호는 사업장에 따라 부여하는 것이 원칙이나, 없을 경우에는 “공 장명-공정번호-CL(Corrosion loop)번호-서비스명”과 같이 사용할 것을 권장한다.
(3) 설비의 형태를 파악하고 각 부분의 부식 경향이 상이할 경우 세부적으로 구분하여 평가하여야 한다.
(4) 열교환기는 쉘(Shell), 튜브번들(Tube bundle), 채널(Channel)과 같이 서비스가 달 라 재질이 달라지는 경우가 많기 때문에 구분하여 검토하여야 하고, 공기냉각기의 경우 플로팅 헤더(Floating header), 튜브, 후면헤더(Rear header)로 구분하며, 탑 (Column)류는 TOP, MIDDLE, BOTTOM과 같이 구분하고, 상압저장탱크는 Floor, Course, Roof와 같이 구분하여 평가하여야 한다.
4.5 부식 검토문서 작성
(1) 부식 검토문서는 작성된 부식 검토구간 단위로 분석하여야 한다.
(2) 부식 검토문서에는 다음의 내용을 포함하여야 한다.
(가) UNIT 번호
(나) 부식 검토구간 번호 및 설명(간략)
(다) 공정 설명
(라) 부식 검토구간 내 설비 및 배관 목록
(마) 설비 및 배관의 재질 및 부식 허용여유
(바) 잠재적 부식 설명 및 손상메커니즘
(사) 구간(From/To)
(아) 핵심 공정변수(부식에 영향을 주는 변수 설정)
(자) 부식물질(S, N, H2S, Cl, NH3, HCN, H2O, H2, CO2 등)의 농도
(차) 물리적 변수(총산가(Total acid number), 운전온도, 운전압력, 유속)
(카) 기타 참고사항(용접 후 열처리(Post weld heat treatment, PHWT), Impact test 등)
(타) 잠재적 부식률
4.6 부식 검토구간에 대한 위험성평가
4.6.1 LOF 평가
(1) LOF는 설비 또는 배관에서 발생될 수 있는 손상메커니즘을 기준으로 평가한다.
(2) 손상메커니즘의 형태는 일반적으로 잘 알려진 API RP 571을 기준으로 <표 1>에 서와 같이 내부부식(Internal corrosion), 외부부식(External corrosion), 응력 부식균 열(Stress corrosion cracking, SCC), 고온 수소 침식(High temperature hydrogen attack, HTHA), 취성(Embrittlement), 기계적 및 열적 손상으로 분류한다.
<표 1> LOF 평가를 위한 손상메커니즘 구분
| 분류 | 손상메커니즘 형태 | 손상메커니즘 예시 |
| Wall thinning mechanism | Internal corrosion/ erosion | - Amine - Ammonium bisulfide - Ammonium chloride - Sulfidation - Naphthenic acid - High temp. H2/H2S - HCl - Cooling water - MIC(Microbiologically influenced corrosion) - Sour water - H2SO4 - Carbonic acid - Erosion - Phosphoric acid - HF acid - CO2 |
| External corrosion | - Atmospheric - CUI(corrosion under insulation) carbon/Low alloy steels - Soil interface |
|
| Environmental damage | Stress corrosion cracking (SCC) | - Polythionic acid - Chloride - Amine - Caustic - Wet H2S - Carbonate |
| External SCC | - External ClSCC - External CUI ClSCC |
|
| High temperature hydrogen attack(HTHA) | - HTHA | |
| Metallurgical damage | Embrittlement | - Brittle fracture - 474 ℃(885 ℉) - Sigma phase - Temper embrittlement - Graphitization - Carburization/Decarb |
| Mechanical damage | Mechanical/thermal damage | - Thermal fatigue - Mechanical fatigue - Thermal shock - Creep - Refractory damage |
(1) 내부부식의 평가기준은 부식율과 부식 허용여유이고, 부식률에 따른 판단기준은 <표 2>와 같다. 다만, 부식 허용여유 값을 설계수명보다 큰 값을 사용하였을 경우 와 내부에 코팅이 된 경우에는 내부부식에 대한 평가등급을 한 단계 감소시킨다. <표 2> 내부부식 평가를 위한 가이드
| 등급 | 탄소강 / 저합금강 | 스테인리스강 / 고합금강 |
| None (0) | 부식률 < 0.0508 mm/yr (2 mpy) |
부식률 < 0.0127 mm/yr (0.5 mpy) |
| Low (1) | 0.0508 mm/yr (2 mpy) ≤ 부식률 < 0.127 mm/yr (5 mpy) |
0.0127 mm/yr (0.5 mpy) ≤ 부식률 < 0.0508 mm/yr (2 mpy) |
| Medium (2) | 0.127 mm/yr (5 mpy) ≤ 부식률 < 0.381 mm/yr (15 mpy) |
0.0508 mm/yr (2 mpy) ≤ 부식률 < 0.127 mm/yr (5 mpy) |
| High (3) | 0.381 mm/yr (15 mpy) ≤ 부식률 |
0.127 mm/yr (5 mpy) ≤ 부식률 |
(2) 외부부식의 형태는 보온재가 있는 경우와 없는 경우를 고려하여 <표 3>의 운전온 도를 기준으로 평가하며, 탄소강 및 저합금강의 재질에 대해 적용한다.
<표 3> 외부부식 평가를 위한 가이드
| 등급 | 보온재 없음 | 보온재 있음 |
| None (0) | 98 ℃ <운전온도 또는 운전온도 ≤ -12 ℃ |
176 ℃ < 운전온도 또는 운전온도 ≤ -12 ℃ |
| Low (1) | -12 ℃ < 운전온도 ≤ 4 ℃ 또는 30 ℃ ≤ 운전온도 ≤ 98 ℃ |
-12 ℃ < 운전온도 ≤ 4 ℃ 또는 110 ℃ ≤ 운전온도 ≤ 176 ℃ |
| Medium (2) | 4 ℃ < 운전온도 < 30 ℃ | 4 ℃ < 운전온도 < 37 ℃ 또는 98 ℃ < 운전온도 < 110 ℃ |
| High (3) | Soil interface | 37 ℃ ≤ 운전온도 ≤ 98 ℃ 또는 Soil interface |
(3) <표 1>에 명시된 손상메커니즘 형태에서 내부부식과 외부부식을 제외한 SCC, HTHA, 취성, 기계적 및 열적 손상에 대해서는 <표 4>를 기준으로 LOF를 평가한 다([부록 1] 참조). 다만, <표 4>에 의해 평가가 어려운 경우에는 정성적으로
None (0), Low (1), Medium (2), High (3)를 사용한다.
<표 4> 기타 손상메커니즘의 LOF 평가를 위한 가이드
| 손상메커니즘 형태 | 가이드라인 |
| SCC | API RP 581의 가이드라인에 따라 민감도를 평가하고, 민감도 가 없을 경우 API 571 기준에 근거하여 평가 |
| HTHA | API RP 581의 가이드라인에 따라 민감도를 평가하고, 민감도 가 없을 경우 API 571 기준(Nelson curves)에 근거하여 평가 |
| Metallurgical damage | API RP 581의 가이드라인에 따라 민감도를 평가하고, 민감도 가 없을 경우 API 571 기준에 근거하여 평가 |
| Mechanical damage | API RP 581의 가이드라인에 따라 민감도를 평가하고, 민감도 가 없을 경우 API 571 기준에 근거하여 평가 |
(4) LOF 등급 결정을 위하여 각 손상메커니즘별로 평가된 인자를 고려하여 다음에서 와 같이 모든 인자의 합을 산출한다.
Total DM factor = Internal corrosion factor + External corrosion factor
+ SCC factor + HTHA factor + Metallurgical factor
+ Mechanical factor
(5) 각 손상메커니즘의 인자를 합한 Total DM factor는 <표 5>에 의하여 LOF 등급 으로 환산한다.
<표 5> LOF 등급 결정
| LOF 인자 합 | LOF 등급 |
| 0과 1 | 1 (Low) |
| 2 | 2 |
| 3 | 3 |
| 4 | 4 |
| 5 이상 | 5 (High) |
4.6.2 COF 평가
(1) COF는 가연성, 독성, 환경영향, 조업중단을 고려하여 평가한다.
(2) 가연성 평가는 가연성 물질을 포함하는 경우 화재 및 폭발의 위험성을 다음의 순 으로 평가한다.
(가) 인벤토리 크기(Inventory size) 인자는 <표 6>에서와 같이 배관의 경우 직경을 기준으로 평가하고, 설비의 경우는 재고량을 기준으로 평가한다. <표 6> 인벤토리 크기 인자
| 인벤토리 크기 | 배관 직경 (inch) |
설비 보유량 (m3) |
인벤토리 크기 인자 |
| 적음 (Small) | 직경 ≤ 4 | 보유량 ≤ 2 | 0 |
| 보통 (Medium) | 4 < 직경 ≤ 12 | 2 < 보유량 ≤ 18 | 1 |
| 많음 (Large) | 12 < 직경 | 18 < 보유량 | 2 |
(나) 유체특성 인자는 <표 7>에서와 같이 서비스 유체의 특성을 고려하여 평가한 다.
<표 7> 유체특성 인자
| 유체 | 유체 특성 인자 |
| 비가연성(즉, 스팀, 물, 공기) | 0 |
| 무거운 탄화수소(즉, 원유, 진공 잔사유 등) | 1 |
| 중간 탄화수소 (즉, 나프타, 디젤 등) | 2 |
| 가벼운 탄화수소 (즉, 수소, 프로판, 부탄 등) | 2 |
(다) 휘발(Flash) 인자는: <표 8>에서와 같이 초기 기상인 경우와 운전온도가 끓는 점 이상 또는 이하일 경우를 고려하여 평가한다.
<표 8> 휘발 인자
| 유체상태 | 휘발 인자 |
| 비가연성 | 0 |
| 초기 증기상태 | 1 |
| 액체상태 운전온도 ≥ 끓는점 온도 | 1 |
| 액체상태 운전온도 < 끓는점 온도 | 0 |
(라) 자연발화(Auto-ignition) 인자는 <표 9>에서와 같이 운전온도와 자연발화온도 를 동시에 고려하여 평가한다.
<표 9> 자연발화 인자
| 유체온도 | 자연발화 인자 |
| 운전온도 ≥ 유체의 자연발화온도 | 1 |
| 운전온도 < 유체의 자연발화온도 | 0 |
(마) 압력 인자는 <표 10>에서와 같이 운전압력(Operating pressure)의 범위를 고려 하여 평가한다.
<표 10> 압력 인자
| 운전압력 범위 | 압력 인자 |
| 운전압력 ≥ 150 psig (10.546 kg/cm2) | 1 |
| 운전압력 < 150 psig (10.546 kg/cm2) | 0 |
(바) 가연성 COF 등급은 <표 6> 내지 <표 10>에서 결정된 가연성 인자의 합을 기 준으로 <표 11>에 따라 결정한다.
<표 11> 가연성에 대한 COF 등급
| 가연성 인자의 합 | 가연성 COF 등급 |
| 0과 1 | A (Low) |
| 2 | B |
| 3 | C |
| 4 | D |
| 5 이상 | E (High) |
(3) 독성물질을 포함하는 경우 누출 후 독성물질은 주변의 인명에게 독성영향을 줄 수 있기 때문에 서비스 내에 독성물질의 량과 총 독성물질의 량을 고려하여야 하며, 독성 평가는 다음의 순으로 평가한다.
(가) 독성 함유량 인자는 <표 12>에서와 같이 서비스 내에 포함된 독성물질의 량으 로 평가한다.
<표 12> 독성 함유량(%) 인자
| 독성 햠유량(%) | 독성 함유량 인자 |
| 없음 | None |
| 함유량 < 1% | Low |
| 1% ≤ 함유량 < 5% | Moderate |
| 5% ≤ 함유량 < 50% | High |
| 50% ≤ 함유량 | Extreme |
(나) 인벤토리 크기 인자는 가연성 평가에서 사용되었던 <표 6>의 기준에 근거하여 평가한다.
(다) 독성에 대한 COF 등급은 독성물질 함유량과 인벤토리 크기를 고려하여 <표 14>의 기준에 의해 결정한다.
<표 13> 독성에 대한 COF 등급
| 독성 COF 등급 | 독성 함유량 인자 | 인벤토리 크기 인자 |
| A (Low) | None | Any |
| Low | Small | |
| B | Low | Medium |
| Moderate | Small | |
| C | Low | Large |
| Moderate | Medium | |
| High | Small | |
| D | Moderate | Large |
| High | Medium | |
| Extreme | Small | |
| E (High) | High | Large |
| Extreme | Medium or Large |
(4) 환경영향에 대한 COF 등급은 <표 14>와 같이 평가자의 정성적 판단기준에 근거 하여 결정하여야 한다.
<표 14> 환경에 대한 COF 등급
| 환경영향 COF 등급 | 평가기준 |
| A (Low) | 미미한 환경 영향 |
| 작지만 보고해야할 누출 | |
| B | 즉각적인 복원이 가능한 현장 누출 |
| 보통 또는 중간 규모의 유출 | |
| 전체 반전에 필요한 경미한 완화 노력 | |
| C | 장기간 공해와 오염이 있는 현장 누출 |
| 현장에 대량 유출 | |
| 즉각적인 복원이 가능한 외부 누출 | |
| D | 장기간 공해와 오염이 있는 외부 누출 |
| E (High) | 회복 불가능한 손실이나 완화 불가능 |
| 지역의 영구적인 사용 손실 |
(5) 사고발생 시 생산 및 조업 중단 손실에 대한 COF 등급은 평가는 <표 15>와 같이 평가자의 정성적 판단기준에 근거하여 결정하여야 한다.
<표 15> 조업중단 손실에 대한 COF 등급
| 조업중단 손실 COF 등급 | 평가기준 |
| A (Low) | 운전정지 없음 |
| 처리량에 거의 영향을 미치지 않음 | |
| B | 짧은 기간 동안 처리량 감소 |
| C | 짧은 기간 동안 운전정지 |
| 처리량 감소 연장 | |
| D | 운전정지 연장 |
| E (High) | 장기간 운전정지 |
| 여러 공정 운전정지 |
(6) COF 등급은 다음과 같이 결정한다.
(가) 4.6.2에서 평가된 가연성, 독성, 환경 및 조업 중단에 대한 각각의 COF 등급으 로 최종 COF 등급을 결정한다.
(나) 최종 COF 등급은 가연성, 독성, 환경 및 조업 중단에서 얻어진 COF 등급 중에 서 가장 높은 COF 등급을 사용한다.
4.6.3 위험등급 행렬
(1) 위험등급 행렬은 가장 일반적으로 널리 통용되는 5X5의 위험도 행렬을 사용할 것 을 권장한다.
(2) API 581에서 권장하는 5X5 위험도 행렬은 <그림 2>와 같다.
4.7 부식 위험지도 작성
(1) 위험성평가를 수행한 후 <그림 3>과 같이 PFD 등의 부식 검토구간에 대해 Low,
Medium, Medium-High, High의 색을 다르게 표시한다.
(2) 부식 위험지도는 공정에서 부식으로 인한 위험을 가장 쉽게 확인할 수 있도록 하 는 장점을 가지고 있다.
(3) API RP 571에서는 공정에서 발생할 수 있는 잠재적 손상메커니즘을 PFD 또는
MSD(Material selection diagram)에 나타내도록 권장하고 있으며, 이것은 해당공 정의 어떤 구간에서 잠재적 손상메커니즘이 발생할 수 있는지를 확인하는데 도움 을 줄 수 있다.
(4) API RP 571에서 권장하는 잠재적인 손상메커니즘을 PFD에 나타낸 예를 <그림 4>에 나타내었다.
