※ 다음 단답형 5문제를 모두 답하시오. (각 5점)
[문제 1] 폭발성가스 분위기가 조성되거나 조성될 우려가 있는 폭발위험장소의 종류 3가지를 설명하시오.
답안
문제 개요 및 개념 설명
폭발위험장소(Hazardous Area)란 인화성 가스나 증기가 공기 중에 누출되어 폭발 가능한 농도의 분위기를 형성할 우려가 있는 장소를 말한다.
이러한 장소에서는 전기 스파크나 고온 표면이 점화원이 되어 대형 폭발 사고로 이어질 수 있으므로, 위험 분위기의 생성 빈도와 지속 시간에 따라 등급(Zone)을 나누어 관리한다. 이 등급에 따라 설치할 수 있는 방폭 전기 기기의 종류가 결정된다. 한국산업표준(KS) 및 KOSHA Guide에서는 가스 폭발위험장소를 0종, 1종, 2종 장소로 구분한다.
풀이 (폭발위험장소 종류 3가지)
- 0종 장소 (Zone 0)
- 키워드: 연속적, 장기간, 빈번
- 해설: 폭발성 가스 분위기가 '연속적'으로 또는 '장기간' 동안, 혹은 '빈번'하게 존재하는 장소를 말한다. 주로 인화성 액체가 들어있는 저장 탱크의 내부나 파이프라인 내부 등이 이에 해당한다. 위험도가 가장 높은 구역이다.
- 1종 장소 (Zone 1)
- 키워드: 정상 작동 중, 주기적, 때때로
- 해설: '정상 작동 중'에 폭발성 가스 분위기가 생성될 가능성이 있는 장소를 말한다. 예를 들어, 운전 중 주기적으로 가스를 방출하는 벤트(Vent) 주변, 점검이나 수리 작업을 위해 덮개를 열 때 가스가 방출될 수 있는 구역, 1차 누출 등급의 누출원 주변 등이 해당한다.
- 2종 장소 (Zone 2)
- 키워드: 정상 작동 중 아님, 단기간, 이상 상태
- 해설: '정상 작동 중'에는 폭발성 가스 분위기가 생성될 가능성이 없거나, 만약 생성되더라도 그 빈도가 희박하고 '단기간' 동안만 지속되는 장소를 말한다. 가스켓이나 플랜지의 파손, 오동작 등 이상 상태에서만 가스가 누출될 수 있는 구역이 이에 해당한다.
참고자료
문제가 가스가 아닌 '분진'으로 변형되거나, 위험장소 설정의 기준이 되는 '누출등급'과의 관계를 묻는 문제로 변형될 수 있다.
- 분진 폭발위험장소의 분류 (가스와 대응)
- 20종 장소 (Zone 20): 가연성 분진 분위기가 연속적, 장기간, 빈번하게 존재. (가스의 0종에 대응)
- 21종 장소 (Zone 21): 정상 작동 중 가연성 분진 분위기가 생성될 가능성이 있음. (가스의 1종에 대응)
- 22종 장소 (Zone 22): 정상 작동 중 생성 가능성이 희박하거나, 생성되어도 단기간 존재. (가스의 2종에 대응)
- 위험장소 결정의 3요소
위험장소의 등급(Zone)은 단순히 누출원의 등급만으로 결정되는 것이 아니라, 환기 조건이 결합되어 결정된다.- 누출등급: 연속 등급, 1차 등급, 2차 등급
- 환기등급: 고(High), 중(Medium), 저(Low)
- 환기 유효성: 우수(Good), 양호(Fair), 미흡(Poor)
- 예를 들어, '연속 등급' 누출원이더라도 환기가 매우 잘 되는(고희석, 우수) 경우에는 0종 장소가 아닌 1종, 심지어 2종 장소가 될 수도 있다(물론 예외적이며 신중한 검토 필요). 반대로 환기가 '미흡'하면 2차 누출원이라도 위험장소 범위가 넓어지거나 등급이 상향될 수 있다.
- 정상 작동(Normal Operation)의 정의
- 설비가 설계된 정격 범위 내에서 운전되는 상태.
- 통상적인 시동 및 정지 과정.
- 일상적인 유지보수 및 점검 작업.
- 고장, 파손, 오작동 등은 정상 작동에 포함되지 않는다.
KOSHA 가이드
- KOSHA Guide E-150-2021 (가스 폭발위험장소의 설정에 관한 기술지침)
[문제 2] 부식의 종류 중 응력부식에 대한 방지법 5가지를 쓰시오.
답안
문제 개요 및 개념 설명
응력부식균열(SCC, Stress Corrosion Cracking)은 재료, 환경, 응력이라는 3가지 요인이 복합적으로 작용하여 발생하는 파괴 현상이다.
단순히 부식성이 강한 환경이나 강한 힘(응력)만으로는 발생하지 않으며, 특정 재료가 특정 부식 환경에서 인장 응력을 받을 때 급격한 취성 파괴를 일으킨다.
따라서 방지 대책은 이 3가지 요인(재료적 요인, 환경적 요인, 역학적 요인) 중 하나 이상을 제거하거나 완화하는 방향으로 수립된다.
풀이 (응력부식 방지법 5가지)
- 응력 제거 열처리 (Stress Relief Annealing)
- 키워드: 잔류 응력 제거, 소둔
- 해설: 용접, 가공, 조립 과정에서 발생한 잔류 인장응력을 제거하기 위해 후열처리(PWHT)나 소둔(Annealing) 처리를 실시한다. 응력 요인을 제거하는 가장 대표적인 방법이다.
- 표면 압축 응력 부여 (Shot Peening)
- 키워드: 쇼트 피닝, 압축 응력
- 해설: 금속 표면에 쇼트 볼(Shot Ball)을 투사하는 쇼트 피닝(Shot Peening) 등의 가공을 통해 표면에 압축 잔류응력을 형성시킨다. 이는 표면에 작용하는 인장응력을 상쇄시켜 균열 발생을 억제한다.
- 환경 제어 및 부식 인자 제거
- 키워드: 탈기, 염소 이온 제거
- 해설: 부식을 유발하는 환경 요인을 제거한다. 예를 들어, 오스테나이트계 스테인리스강의 경우 염소 이온($Cl^-$)을 제거하거나, 보일러 급수에서 용존 산소를 제거(탈기)하여 부식 환경을 완화한다.
- 내식성 재료의 선정 및 변경
- 키워드: 재질 변경, 페라이트계
- 해설: 해당 환경에서 응력부식균열 감수성이 낮은 재료로 변경한다. 예를 들어, 염화물 수용액 환경에서는 오스테나이트계 스테인리스강(304, 316 등) 대신 듀플렉스(Duplex)강이나 페라이트계 스테인리스강, 티타늄 등을 사용한다.
- 음극 방식 (Cathodic Protection)
- 키워드: 외부 전원, 희생 양극
- 해설: 금속의 전위를 부식 면역 영역이나 부동태 영역으로 낮추어 부식을 억제하는 전기화학적 방법이다. 단, 과도한 음극 방식은 수소 취성을 유발할 수 있으므로 주의해야 한다.
- 부식 억제제 사용 - (추가 답안)
- 키워드: Inhibitor, 피막 형성
- 해설: 환경 제어가 어려운 경우, 부식 억제제(Inhibitor)를 첨가하여 금속 표면에 보호 피막을 형성하거나 부식 반응을 억제한다.
- 구조적 설계 개선 - (추가 답안)
- 키워드: 틈새 방지, 응력 집중 완화
- 해설: 국부적인 응력 집중이 발생하지 않도록 설비를 설계하고, 부식성 물질이 농축될 수 있는 틈새(Crevice) 구조를 피한다.
참고자료
응력부식균열 문제는 원인 3요소나 대표적인 발생 사례(조합)를 묻는 문제로 자주 변형된다.
- 응력부식균열(SCC) 발생의 3대 요인
- 재료(Material): 금속의 조성, 조직, 열처리 상태 등 감수성
- 환경(Environment): 특정 부식제(염화물, 암모니아, 수산화물 등), 온도
- 응력(Stress): 인장 응력(잔류 응력 + 운전 응력)
- 대표적인 금속과 SCC 유발 환경의 조합 (암기 필수)
- 오스테나이트계 스테인리스강(STS 304 등): 염화물($Cl^-$), 가성소다($NaOH$)
- 탄소강(Carbon Steel): 질산염($NO_3^-$), 수산화나트륨($NaOH$, 가성취화), 탄산염
- 황동(Brass): 암모니아($NH_3$, 시즌 크래킹)
- 고장력 알루미늄 합금: 해수, 염화물
- 알칼리 취성 (Caustic Embrittlement)
- 탄소강이 고농도의 알칼리(NaOH) 수용액에서 고온, 인장응력을 받을 때 발생하는 응력부식균열의 일종이다. 보일러 관 등에서 발생하기 쉽다.
KOSHA 가이드
- KOSHA Guide M-106-2012 (화학설비의 부식 손상 및 방지대책에 관한 기술지침) 4.2 응력부식균열(SCC)
[문제 3] 산업안전보건기준에 관한 규칙상 위험물을 저장 • 취급하는 화학설비 및 그 부속 설비를 설치하는 경우에는 폭발이나 화재에 따른 피해를 줄일 수 있도록 설비 및 시설 간에 충분한 안전거리를 정하고 있다. 다음 (가) ~ (마)에 들어갈 내용을 쓰시오.
| 구분 | 안전거리 |
|---|---|
| 1. 단위공정시설 및 설비로부터 다른 단위공정시설 및 설비의 사이 | 설비의 바깥 면으로부터 ( 가 )미터 이상 |
| 2. 플레어스택으로부터 단위공정시설 및 설비, 위험물질 저장탱크 또는 위험물질 하역설비의 사이 | 플레어스택으로부터 ( 나 ) 20미터 이상. 다만, 단위공정시설 등이 불연재로 시공된 지붕 아래에 설치된 경우에는 그러하지 아니하다. |
| 3. 위험물질 저장탱크로부터 ( 다 ) 및 설비, 보일러 또는 가열로의 사이 | 저장탱크의 ( 라 )으로부터 20미터 이상. 다만, 저장탱크의 방호벽, 원격조종화설비 또는 살수설비를 설치한 경우에는 그러하지 아니하다. |
| 4. 사무실 • 연구실 • 실험실 • 정비실 또는 식당으로부터 단위공정시설 및 설비, 위험물질 저장탱크, 위험물질 하역설비, 보일러 또는 가열로의 사이 | 사무실 등의 바깥 면으로부터 20미터 이상. 다만, ( 마 )인 경우 또는 사무실 등의 벽을 방호구조로 설치한 경우에는 그러하지 아니하다. |
답안
문제 개요 및 개념 설명
이 문제는 산업안전보건기준에 관한 규칙 제271조(안전거리)에 관한 내용이다.
화학설비는 화재나 폭발 발생 시 인접한 다른 설비로 사고가 전파되는 '도미노 효과(Domino Effect)'를 방지하기 위해 물리적인 이격거리를 유지해야 한다.
법령에서는 설비의 종류(단위공정, 플레어스택, 저장탱크, 사무실)에 따라 최소한의 이격거리를 규정하고 있으며, 방호벽이나 살수설비 등 안전 조치를 한 경우에 대한 예외 조항도 두고 있다. 이 빈칸 채우기 문제는 해당 조항의 핵심 수치와 대상을 암기하고 있는지 묻는 것이다.
풀이
(가): 10
(나): 반경
(다): 단위공정시설
(라): 바깥 면
(마): 사무실 등이 공정제어실
해설
- 단위공정시설 및 설비로부터 다른 단위공정시설 및 설비의 사이: 설비의 바깥 면으로부터 10미터 이상
- 플레어스택으로부터 단위공정시설 및 설비, 위험물질 저장탱크 또는 위험물질 하역설비의 사이: 플레어스택으로부터 반경 20미터 이상
- 위험물질 저장탱크로부터 단위공정시설 및 설비, 보일러 또는 가열로의 사이: 저장탱크의 바깥 면으로부터 20미터 이상
- 사무실 등으로부터... 사이: 사무실 등이 공정제어실인 경우 또는 사무실 등의 벽을 방호구조로 설치한 경우에는 그러하지 아니하다.
참고자료
이 문제는 안전거리의 수치뿐만 아니라 '단서 조항(예외 사항)'을 묻는 문제로 자주 변형된다. 또한 KOSHA Guide 기준의 세부 거리를 묻는 경우도 대비해야 한다.
- 안전거리 적용의 예외 조건 (암기 필수)
안전거리를 유지하지 않아도 되는 예외 조건은 설비별로 다르다.- 플레어스택 관련 예외: 단위공정시설 등이 '불연재로 시공된 지붕 아래'에 설치된 경우
- 저장탱크 관련 예외: 저장탱크에 '방호벽', '원격조종형 소화설비' 또는 '살수설비(Water Spray System)'를 설치한 경우
- 사무실 관련 예외: 사무실 등이 '공정제어실'인 경우 또는 사무실 등의 벽을 '방호구조'로 설치한 경우, 또는 '난방용 보일러실'인 경우
- KOSHA Guide 상의 안전거리 (참고)
법령은 최소 기준이며, KOSHA Guide는 더 구체적인 거리를 제시한다. 특히 '화학설비 배치에 관한 기술지침'에서는 다음과 같은 구체적 수치를 권장한다.- 1시간 이상 내화조치한 공정제어실: 고위험 공정설비로부터 15m 이상
- 내화조치 하지 않은 본부 건물: 고위험 공정설비로부터 60m 이상
- 점화원(가열로 등)과 가연성 가스 누출원(압축기 등) 사이: 15m 이상
- 단위공정시설의 정의
- 탑류, 반응기, 열교환기, 펌프, 압축기 및 이들에 연결된 배관 등으로 구성된 일관된 공정 단위를 말한다.
- 단순히 배관만 연결된 것이 아니라 물리적, 화학적 처리가 이루어지는 설비 군집을 의미한다.
법령 및 KOSHA 가이드
- 산업안전보건기준에 관한 규칙 제271조(안전거리)
- KOSHA Guide P-166-2020 (화학공정의 안전설계에 관한 기술지침) 4.3 안전거리
- KOSHA Guide D-10-2023 (화학설비 배치에 관한 기술지침)
[문제 4] 화학공장에서 위험물질의 누출 시 대기분산에 영향을 미치는 매개변수(인자) 5가지만 쓰시오.
답안
문제 개요 및 개념 설명
화학공장에서 유해화학물질이 누출되었을 때, 이 물질이 대기 중으로 퍼져나가는 현상을 '대기확산(Atmospheric Dispersion)'이라 한다. 누출된 가스의 농도가 어느 지점에서 얼마나 높게 형성되는지는 피해 예측(CA, Consequence Analysis)의 핵심이다.
이 확산 거동은 크게 '기상 조건(Meteorological Conditions)'과 '누출원 조건(Source Terms)', 그리고 '지형 조건(Terrain)'에 의해 결정된다. 이 문제는 확산 모델(Gaussian Model 등)에 입력되는 주요 변수들이 무엇이며, 각 변수가 확산에 어떤 영향을 미치는지 묻는 것이다.
풀이 (영향 인자 5가지)
- 풍속 (Wind Speed)
- 키워드: 이송 속도, 희석 효과
- 해설: 바람은 누출된 가스를 바람 불어가는 쪽(풍하측)으로 이동시키는(이송) 동시에, 주변 공기와 섞어 농도를 낮추는(희석) 역할을 한다. 일반적으로 풍속이 빠를수록 확산과 희석이 잘 되어 오염물질의 농도는 낮아진다.
- 대기 안정도 (Atmospheric Stability)
- 키워드: 수직 혼합, 난류 강도, Pasquill 등급
- 해설: 대기가 수직 방향으로 얼마나 잘 섞이는지를 나타내는 지표다. 대기가 불안정(Unstable)할수록 상하 혼합이 활발하여 확산이 잘 되고(농도 감소), 안정(Stable)할수록 혼합이 억제되어 오염물질이 지표면에 체류하므로 멀리까지 고농도로 이동한다.
- 지표면 거칠기 (Surface Roughness)
- 키워드: 기계적 난류, 지형지물
- 해설: 확산 경로상의 건물, 나무, 지형의 굴곡 정도를 말한다. 지표면이 거칠수록 마찰에 의해 기계적 난류(Turbulence)가 발생하여 가스와 공기의 혼합을 촉진시키므로 확산이 잘 된다. (예: 도심지가 평야보다 확산이 잘 됨)
- 누출 높이 (Release Height)
- 키워드: 지표면 도달 거리, 착지 농도
- 해설: 오염물질이 방출되는 높이다. 굴뚝 등 높은 곳에서 방출되면 가스가 지표면에 도달하기 전에 충분히 확산·희석될 시간이 확보되므로 지표면의 오염 농도는 낮아진다. 반면 지표면 누출은 즉시 인체에 영향을 준다.
- 가스의 부력 및 밀도 (Buoyancy & Density)
- 키워드: 공기보다 무거운 가스(Heavy Gas), 플룸 상승(Plume Rise)
- 해설: 누출된 가스의 밀도가 공기보다 가벼우면 위로 상승하여 지상 농도가 낮아지지만, 염소나 LPG처럼 공기보다 무거운 가스(Heavy Gas)는 지표면을 따라 낮게 깔리며 이동하므로 확산이 잘 안 되고 위험도가 매우 높다. 또한 가스의 온도가 높으면 부력에 의해 상승한다.
참고자료
이 문제는 파스킬(Pasquill) 안정도 등급의 세부 내용이나, 가우시안 확산 모델의 기본 가정을 묻는 문제로 변형될 수 있다.
- 파스킬(Pasquill) 대기 안정도 등급 (A ~ F)
- A 등급 (매우 불안정): 햇빛이 강하고 바람이 약한 날. 대류가 활발하여 확산이 매우 잘 됨.
- D 등급 (중립): 흐린 날이나 바람이 강한 날. 낮과 밤의 구분 없이 적용. 일반적인 피해 예측 시 보수적인 기준으로 자주 사용됨(D class, 5m/s 등).
- F 등급 (매우 안정): 맑은 날 밤, 바람이 약할 때. 지표면 냉각으로 역전층이 형성되어 확산이 거의 안 됨. 오염물질이 멀리까지 고농도로 이동하는 최악의 조건.
- 가우시안 플룸 모델(Gaussian Plume Model)
- 연속적인 점오염원에서 방출된 가스가 바람에 날려갈 때, 농도 분포가 수직 및 수평 방향으로 정규분포(Gaussian Distribution)를 따른다고 가정하는 모델.
- 주요 가정: 오염물질의 방출률 일정, 풍속 일정, 지형은 평탄, 확산 계수는 거리에 따라 변화 등.
- 한계: 공기보다 무거운 가스(Heavy Gas)의 초기 거동(Slumping)을 정확히 모사하지 못함. (따라서 Heavy Gas 모델 별도 사용 필요)
- 역전층 (Inversion Layer)
- 고도가 높아질수록 기온이 낮아져야 정상인데, 반대로 기온이 높아지는 구간.
- 대기가 매우 안정하여 수직 확산이 차단됨(뚜껑 역할). 오염물질이 갇혀 고농도 스모그를 유발함.
KOSHA 가이드
- KOSHA Guide P-107-2020 (사고피해예측 기법에 관한 기술지침)
- KOSHA Guide P-84-2012 (사고시나리오 선정 및 위험성평가에 관한 기술지침)
[문제 5] 위험성평가기법의 종류이다. 다음 물음에 답하시오.
| ○ 체크리스트기법(Checklist) | ○ 사건수 분석법(ETA) |
| ○ 결함수 분석법(FTA) | ○ 사고예상 질문분석법(What-if) |
1) 정성적 평가기법을 보기에서 골라 모두 쓰시오.
2) 정량적 평가기법을 보기에서 골라 모두 쓰시오.
답안
문제 개요 및 개념 설명
위험성평가(Risk Assessment) 기법은 평가의 목적과 산출되는 결과의 형태에 따라 크게 '정성적(Qualitative) 평가기법'과 '정량적(Quantitative) 평가기법'으로 나뉜다.
- 정성적 평가: 위험요인의 도출, 사고의 발생 형태, 결과의 심각성 등을 '말이나 문장'으로 서술하여 분석하는 기법이다. 정확한 수치 계산보다는 잠재 위험을 빠짐없이 찾아내는 데 주력한다.
- 정량적 평가: 사고 발생 확률이나 피해 크기를 '수치(확률, 빈도, 돈, 사망자 수 등)'로 계산하여 분석하는 기법이다. 데이터와 통계가 필요하며, 객관적인 비교가 가능하다.
이 문제는 제시된 4가지 기법의 특성을 파악하여 두 카테고리로 정확히 분류할 수 있는지를 묻는 것이다.
풀이
- 정성적 평가기법
- 체크리스트기법(Checklist)
- 사고예상 질문분석법(What-if)
- 정량적 평가기법
- 사건수 분석법(ETA)
- 결함수 분석법(FTA)
- 상세 해설 (키워드 중심)
- 체크리스트기법 (Checklist)
- 키워드: 점검 항목 나열, 경험 의존, 누락 방지
- 해설: 공정이나 설비의 오류, 결함 상태 등을 확인하기 위해 미리 작성된 항목(List)에 따라 하나씩 점검하는 가장 기초적인 정성적 기법이다. 평가자의 경험에 따라 결과가 달라질 수 있다.
- 사고예상 질문분석법 (What-if)
- 키워드: 브레인스토밍, 만약에, 잠재위험 도출
- 해설: "만약 ~라면 어떤 일이 일어날까?"라는 질문을 통해 예상되는 사고의 결과와 원인을 브레인스토밍 방식으로 도출하는 정성적 기법이다. 특별한 형식이 없어 유연하지만, 평가 팀의 능력에 의존도가 높다.
- 사건수 분석법 (ETA, Event Tree Analysis)
- 키워드: 귀납적, 초기사건, 성공/실패, 빈도 계산
- 해설: 특정 초기사건(Initiating Event)이 발생했을 때, 안전장치의 작동 성공/실패 여부에 따라 결과가 어떻게 갈라지는지 나뭇가지 형태로 분석한다. 각 경로의 확률을 곱하여 최종 사고 빈도를 계산할 수 있는 정량적 기법이다.
- 결함수 분석법 (FTA, Fault Tree Analysis)
- 키워드: 연역적, 정상사건(Top Event), 논리 게이트, 확률 계산
- 해설: 사고(결과)를 맨 위에 두고 그 원인을 논리회로(AND, OR)를 이용해 역추적하는 기법이다. 기본사건의 확률을 대입하여 시스템 전체의 고장 확률을 계산하는 가장 대표적인 정량적 기법이다.
- 체크리스트기법 (Checklist)
참고자료
시험에서 보기가 바뀌거나 기법의 논리적 특성(귀납/연역)을 묻는 문제로 확장될 수 있다.
- 주요 위험성평가 기법의 분류 (암기 권장)
- 정성적 기법: 체크리스트(Checklist), 사고예상 질문분석법(What-if), 위험과 운전분석(HAZOP), 예비위험분석(PHA), 고장형태 및 영향분석(FMEA, *RPN 계산 시 반정량적 성격 있음), 상대위험순위결정(Dow Index, Mond Index)
- 정량적 기법: 결함수 분석(FTA), 사건수 분석(ETA), 원인결과분석(CCA)
- 귀납적 vs 연역적 기법 구분
- 귀납적(Inductive): 원인 → 결과 (Bottom-Up). 예: ETA, FMEA
- 연역적(Deductive): 결과 → 원인 (Top-Down). 예: FTA
- HAZOP (위험과 운전 분석)
- 화학공장에서 가장 많이 쓰이는 기법으로, '가이드워드(Guide words)'와 '공정변수'를 조합하여 이탈(Deviation)을 찾아내는 정성적 기법이다. (보기에 자주 등장함)
- LOPA (방호계층분석)
- 정성적 기법(HAZOP 등)과 정량적 기법의 중간 단계인 '반정량적(Semi-quantitative)' 기법으로 분류된다. 사고 빈도와 심각도를 등급화하여 평가한다.
KOSHA 가이드
- KOSHA Guide P-1-2023 (화학공장의 위험성평가 수행에 관한 기술지침)
- KOSHA Guide P-4-2022 (결함수분석(FTA) 기법에 관한 기술지침)
- KOSHA Guide P-76-2023 (사건수분석(ETA) 기법에 관한 기술지침)
※ 다음 논술형 2문제를 모두 답하시오. (각 25점)
[문제 6] 상온, 상압의 공기 중 프로판에 관하여 다음 물음에 답하시오. (단, 공기 중의 산소 농도는 21vol.%이고, 폭발하한계는 Jones의 식으로 계산한다.)
1) 프로판의 완전연소반응식을 쓰시오.
2) 화학양론비($C_{st}$), 폭발하한계, 최소산소농도(MOC)를 순서에 따라 모두 계산 하시오.
답안
문제 개요 및 개념 설명
이 문제는 연소공학의 가장 기초적이면서도 중요한 탄화수소의 연소 특성을 계산하는 문제다.
주어진 프로판($C_{3}H_{8}$)이 공기 중에서 완전 연소할 때의 화학양론적 농도(Stoichiometric Concentration, $C_{st}$)를 먼저 구하고, 이를 바탕으로 존스의 식(Jones's Law)을 적용하여 폭발하한계(LEL)를 추산하며, 최종적으로 화염 전파에 필요한 최소산소농도(MOC)를 산출하는 과정을 묻는다.
풀이
- 프로판의 완전연소반응식
- 키워드: 탄소와 수소의 산화, 계수 맞추기
- 해설: 프로판 1몰이 산소와 반응하여 이산화탄소와 물을 생성하는 반응식이다.
$C_{3}H_{8} + 5O_{2} \rightarrow 3CO_{2} + 4H_{2}O$
(탄소 3개 $\rightarrow$ $3CO_{2}$, 수소 8개 $\rightarrow$ $4H_{2}O$, 필요한 산소는 $3\times2 + 4\times1 = 10$개 이므로 $5O_{2}$)
- 계산 (순서대로)
- 화학양론비 ($C_{st}$)
- 공식: $C_{st} = \frac{100}{1 + \frac{n}{0.21}}$ (여기서 $n$은 연료 1몰당 필요한 산소 몰수)
- 풀이:
위 반응식에서 산소 몰수 $n = 5$ 이다.
$C_{st} = \frac{100}{1 + \frac{5}{0.21}} = \frac{100}{1 + 23.8095} = \frac{100}{24.8095} \approx 4.0307...$ - 정답: 약 4.03 vol%
- 폭발하한계 (LEL)
- 공식: $LEL = C_{st} \times 0.55$ (Jones의 식)
- 풀이:
$LEL = 4.03 \times 0.55 = 2.2165$ - 정답: 약 2.22 vol% (소수점 둘째 자리 반올림 기준)
- 최소산소농도 (MOC, Minimum Oxygen Concentration)
- 공식: $MOC = LEL \times n$ (또는 $MOC = C_{st} \times 0.55 \times n$)
- 개념: 폭발하한계(LEL) 상태에서의 산소 농도를 의미하며, 이 농도 이하에서는 화염이 전파되지 않는다.
- 풀이:
$MOC = 2.22 \times 5 = 11.1$ - 정답: 11.1 vol%
- 화학양론비 ($C_{st}$)
참고자료
시험에서 가스 종류가 부탄, 에탄 등으로 바뀌거나 폭발상한계(UEL)를 묻는 경우를 대비하여 일반식을 숙지해야 한다.
- 탄화수소($C_{m}H_{n}$)의 완전연소 일반식
- $C_{m}H_{n} + (m + \frac{n}{4})O_{2} \rightarrow mCO_{2} + \frac{n}{2}H_{2}O$
- 산소 몰수($O_{2}$) 계산 예시:
- 메탄($CH_{4}$): $1 + 4/4 = 2$몰
- 에탄($C_{2}H_{6}$): $2 + 6/4 = 3.5$몰
- 부탄($C_{4}H_{10}$): $4 + 10/4 = 6.5$몰
- Jones의 식을 이용한 폭발상한계(UEL) 추산
- 폭발하한계(LEL) $\approx 0.55 \times C_{st}$
- 폭발상한계(UEL) $\approx 3.50 \times C_{st}$
- MOC와 불활성화(Inerting)
- 계산된 MOC(약 10
11%)는 이론값이며, 실제 현장에서는 안전율을 고려하여 MOC보다 약 4% 낮게(보통 56% 이하) 산소 농도를 관리하거나, MOC의 60% 수준으로 관리한다. (NFPA 69 기준 등)
- 계산된 MOC(약 10
KOSHA 가이드
- KOSHA Guide P-82-2020 (연소성 가스 및 증기 혼합물의 폭발한계 산정에 관한 기술지침)
- KOSHA Guide P-136-2023 (인화성 가스 또는 증기에 의한 폭발위험장소의 설정에 관한 기술지침) 부록
[문제 7] 산업안전보건기준에 관한 규칙상 화학설비 및 특수화학설비에 관하여 다음 물음에 답하시오.
1) 화학설비의 종류 중 6가지만 쓰시오.
2) 특수화학설비 내부의 이상 상태를 조기에 파악하기 위하여 필요한 계측장치의 종류 3가지를 쓰시오.
3) 사업주가 화학설비와 그 부속설비의 개조 • 수리 및 청소 등을 위하여 해당 설비를 분해하거나 해당 설비의 내부에서 작업을 하는 경우에 준수하여야 할 사항 3가지를 쓰시오.
답안
문제 개요 및 개념 설명
이 문제는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」에서 규정하는 '화학설비의 정의'와 사고 위험이 높은 '특수화학설비'의 안전장치, 그리고 설비의 유지보수 작업 시 준수해야 할 관리적 사항을 묻는 것이다.
화학공정의 안전 관리는 대상 설비가 법적인 '화학설비'에 해당하는지, 그중에서도 위험도가 높은 '특수화학설비'인지 구분하는 것에서 시작한다. 또한, 사고가 빈번한 설비 개방 및 내부 작업 시의 법적 준수 사항은 실무적으로 매우 중요하다.
풀이
- 화학설비의 종류 중 6가지만 쓰시오.
산업안전보건기준에 관한 규칙 [별표 7] 제1호에 규정된 화학설비의 종류는 다음과 같다. (아래 중 6가지를 쓰면 정답)- 반응기ㆍ혼합조 등 화학물질 반응 또는 혼합장치
- 증류탑ㆍ흡수탑ㆍ추출탑ㆍ감압탑 등 화학물질 분리장치
- 저장탱크ㆍ계량탱크ㆍ호퍼ㆍ사일로 등 화학물질 저장설비 또는 계량설비
- 응축기ㆍ냉각기ㆍ가열기ㆍ증발기 등 열교환기류
- 고로 등 점화기를 직접 사용하는 열교환기류
- 캘린더(calender)ㆍ혼합기ㆍ발포기ㆍ인쇄기ㆍ압출기 등 화학제품 가공설비
- 펌프류ㆍ압축기ㆍ이젝터(ejector) 등의 화학물질 이송 또는 압축설비
(분쇄기, 분체분리기 등 분체 취급 장치도 포함됨)
- 특수화학설비 내부의 이상 상태를 조기에 파악하기 위하여 필요한 계측장치의 종류 3가지를 쓰시오.
산업안전보건기준에 관한 규칙 제273조(계측장치 등의 설치)에 따라 특수화학설비에 설치해야 하는 계측장치는 다음 3가지다.- 온도계
- 유량계
- 압력계
- 사업주가 화학설비와 그 부속설비의 개조 • 수리 및 청소 등을 위하여 해당 설비를 분해하거나 해당 설비의 내부에서 작업을 하는 경우에 준수하여야 할 사항 3가지를 쓰시오.
산업안전보건기준에 관한 규칙 제278조(개조ㆍ수리 등)에 규정된 준수사항 3가지다.- 키워드: 작업책임자, 누출 방지, 출입 금지
- 해설:
- 작업책임자를 정하여 해당 작업을 지휘하도록 할 것
- 작업장소에 위험물 등이 누출되거나 고온의 수증기가 새어나오지 않도록 할 것
- 작업장소에는 작업에 필요한 근로자 외의 사람의 출입을 금지시킬 것
참고자료
문제가 '특수화학설비의 정의'를 묻거나, 유지보수 작업 시 '격리 조치(맹판 설치 등)'에 대해 묻는 문제로 변형될 수 있다.
- 특수화학설비의 종류 (규칙 제273조 및 별표 9)
계측장치를 설치해야 하는 '특수화학설비'는 위험물을 기준량 이상 취급하는 설비로서 다음 각 호의 설비를 말한다.- 발열반응이 일어나는 반응장치
- 증류ㆍ정류ㆍ증발ㆍ추출 등 분리를 하는 장치
- 가열시켜 주는 물질의 온도가 가열되는 위험물질의 분해온도 또는 발화점보다 높은 상태에서 운전되는 설비
- 반응폭주 등 이상 화학반응에 의하여 위험물질이 발생할 우려가 있는 설비
- 온도가 섭씨 350도 이상이거나 게이지 압력이 980킬로파스칼 이상인 상태에서 운전되는 설비
- 가열로 또는 가열기
- 밸브 등의 개폐장치 관리 (규칙 제277조)
화학설비의 내부 작업을 위해 배관 등을 분리할 때는 다음의 조치를 해야 한다.- 밸브나 콕을 잠그고 잠금장치 및 꼬리표(Tag)를 부착할 것
- 맹판(Blind flange) 등을 설치하여 배관을 확실하게 차단할 것
법령 및 KOSHA 가이드
- 산업안전보건기준에 관한 규칙 제273조(계측장치 등의 설치)
- 산업안전보건기준에 관한 규칙 제278조(개조ㆍ수리 등)
- 산업안전보건기준에 관한 규칙 [별표 7] 화학설비 및 그 부속설비의 종류
- KOSHA Guide P-12-2021 (공정제어설비의 설치 및 관리에 관한 기술지침)
※ 다음 논술형 2문제 중 1문제를 선택하여 답하시오. (각 25점)
[문제 8] 사업장 위험성평가에 관한 지침에 관하여 다음 물음에 답하시오.
1) 위험성평가의 정의를 쓰시오.
2) 위험성 추정의 정의를 쓰시오.
3) 정기평가는 최소평가 후 매년 정기적으로 실시한다. 이 경우 고려하여야 할 사항 4가지를 쓰시오.
4) 상시근로자수 19명인 사업장(총 공사금액 10억원의 건설공사)의 사업주가 위험성 평가를 수행할 때 실시 절차 5가지를 쓰시오.
답안
문제 개요 및 개념 설명
위험성평가(Risk Assessment)는 사업주가 주체가 되어 사업장의 유해·위험요인을 파악하고, 해당 요인에 의한 부상 또는 질병의 발생 가능성(빈도)과 중대성(강도)을 추정·결정하여 감소 대책을 수립·실행하는 일련의 과정이다.
산업안전보건법 제36조 및 고용노동부 고시(사업장 위험성평가에 관한 지침)에 근거를 두며, 최근 2023년 5월 고시 개정을 통해 근로자 참여가 대폭 확대되고 평가 방법이 다양화(체크리스트, OPS 등)되는 등 현장 중심으로 개편되었다. 이 문제는 위험성평가의 정의와 절차, 그리고 정기평가 시 고려사항을 묻는 법령 및 실무 중심의 문제다.
풀이
- 위험성평가의 정의
- 키워드: 유해·위험요인 파악, 위험성 결정, 감소대책 수립·실행
- 해설: 사업주가 스스로 업무에 기인하거나 관련된 유해ㆍ위험요인을 파악하고 해당 유해ㆍ위험요인의 위험성 수준을 결정하여, 위험성을 낮추기 위한 적절한 조치를 마련하고 실행하는 과정을 말한다.
- 위험성 추정의 정의
- 키워드: 가능성(빈도), 중대성(강도), 조합, 크기 산출
- 해설: 유해ㆍ위험요인별로 부상 또는 질병이 발생할 가능성(빈도)과 중대성(강도)을 조합하여 위험성의 크기를 산출하는 것을 말한다.
(참고: 2023년 고시 개정으로 '위험성 추정' 절차는 '위험성 결정' 단계에 통합되거나 생략 가능해졌으나, 공학적/이론적 정의는 위와 같다.)
- 정기평가는 최소평가 후 매년 정기적으로 실시한다. 이 경우 고려하여야 할 사항 4가지
- 키워드: 기계·기구 노후화, 근로자 교체, 신규 지식·정보, 과거 결과 및 사고사례
- 해설: (고시 제15조 제2항)
- 기계ㆍ기구, 설비 등의 노후화 및 고장 등에 관한 사항
- 근로자의 교체 등에 따른 안전ㆍ보건상의 영향에 관한 사항
- 새로운 지식 및 안전ㆍ보건 정보에 관한 사항
- 과거의 위험성평가 결과 및 사고사례(아차사고 포함) 분석에 관한 사항
- 상시근로자수 19명인 사업장(총 공사금액 10억원의 건설공사)의 사업주가 위험성 평가를 수행할 때 실시 절차 5가지
- 키워드: 사전준비, 파악, 결정, 대책수립·실행, 공유·기록
- 해설: 2023년 개정된 고시에 따른 표준 절차는 다음과 같다. (기존의 '추정' 단계는 '결정'에 포함되거나 생략 가능)
- 평가의 사전준비(계획 수립, 자료 수집 등)
- 유해ㆍ위험요인 파악
- 위험성 결정(허용 가능 여부 판단)
- 위험성 감소대책 수립 및 실행
- 위험성평가 결과의 공유 및 기록
참고자료
이 문제는 위험성평가의 '실시 시기(수시/정기)' 구분이나 '근로자 참여', 또는 소규모 사업장에 허용된 '간편 기법'에 대한 문제로 변형될 가능성이 높다.
- 위험성평가의 실시 시기 (3가지)
- 최초평가: 사업장 성립 후 1개월 이내(건설물 완공 등) 착수.
- 수시평가: 기계·기구 설비의 신규 도입, 변경, 건설물 설치·이전, 사고 발생 시 등 사유 발생 시 실시.
- 정기평가: 최초평가 후 매년 1회 이상 정기적으로 실시. (단, 상시·수시평가를 실시한 경우 정기평가 면제 가능 조항 있음)
- 소규모 사업장(5인 이상 50인 미만 등)을 위한 간편 평가 기법 (3가지)
- 위험성 수준 3단계(3 Level) 판단법: 상/중/하로 구분.
- 체크리스트(Checklist)법: 확인 사항을 목록화하여 O/X로 판단.
- 핵심요인 기술법(OPS, One Point Sheet): 핵심 위험요인과 대책을 한 장에 서술.
- 문제의 19명 사업장은 위 기법들을 적법하게 사용할 수 있다.
- 근로자의 참여 (필수 사항)
- 다음의 경우 근로자를 참여시켜야 한다.
- 유해·위험요인의 파악
- 위험성 결정
- 위험성 감소대책의 수립 및 실행
- 위험성 감소대책 실행 여부의 확인
- 다음의 경우 근로자를 참여시켜야 한다.
법령 및 KOSHA 가이드
- 고용노동부 고시 제2023-19호 (사업장 위험성평가에 관한 지침)
- KOSHA Guide P-1-2023 (화학공장의 위험성평가 수행에 관한 기술지침)
[문제 9] 마그네슘 분말에 관하여 다음 물음에 답하시오.
1) 대표적인 위험성 4가지만 쓰시오.
2) 화재 시 사용 가능한 소화약제 4가지만 쓰시오.
3) 화재 시 적응성이 없는 소화약제 3가지만 쓰시오.
답안
문제 개요 및 개념 설명
마그네슘(Magnesium, Mg)은 알칼리 토금속에 속하는 원소로, 특히 분말 형태일 경우 높은 반응성 때문에 '물반응성 물질 및 인화성 고체'로 분류된다 (산업안전보건기준에 관한 규칙 [별표 1]).
분말 형태는 비표면적(단위 질량당 표면적)이 매우 넓어 연소나 폭발 위험이 크며, 물이나 이산화탄소와 반응하여 수소나 일산화탄소 같은 가연성 가스를 발생시키므로 일반적인 소화 방법으로는 진화가 불가능하거나 오히려 폭발을 유발한다. 따라서 마그네슘 화재는 'D급 화재(금속화재)'로 분류되며, 전용 소화 약제 사용이 필수적이다.
풀이
- 대표적인 위험성 4가지
- 키워드: 폭발, 발화, 물반응, 유독가스
- 해설:
- 분진 폭발 위험: 미세 분말이 공기 중에 부유할 경우 점화원에 의해 격렬한 분진 폭발(Dust Explosion)을 일으킬 수 있다.
- 자연 발화 위험: 마그네슘은 비교적 낮은 온도에서 발화하며, 미세 분말은 공기 중 산소와 빠르게 반응하여 자연 발화 위험이 있다.
- 물과 반응하여 수소 가스 발생: 마그네슘은 물과 접촉하면 발열과 함께 인화성 가스인 수소($H_2$) 가스를 발생시켜 폭발 위험을 높인다. ($Mg + 2H_{2}O \rightarrow Mg(OH){2} + H{2}$)
- 강한 빛과 열 발생: 연소 시 매우 강한 열과 눈부신 흰 빛을 방출하여 2차 화상 및 시력 손상을 유발한다.
- 화재 시 사용 가능한 소화약제 4가지
마그네슘 화재는 D급 화재용 소화약제를 사용해야 한다.- 키워드: 마른 모래, 금속 화재용 분말, 염화나트륨, 흑연
- 해설:
- 마른 모래 (Dry Sand): 산소 공급을 차단하고 열을 흡수하여 연소를 억제한다.
- 금속 화재용 분말 소화약제 (D급 소화기): 탄산나트륨(Sodium Carbonate)계 또는 염화나트륨(Sodium Chloride, NaCl)계 등의 특수 분말 소화약제로 질식 소화한다.
- 염화나트륨 분말 (NaCl): 마그네슘 표면에 용융되어 산소를 차단하는 피막을 형성한다.
- 흑연 분말 (Graphite): 역시 산소 차단 및 냉각 효과를 통해 소화한다.
- 화재 시 적응성이 없는 소화약제 3가지
마그네슘이 반응하여 가연성 가스를 발생시키거나 폭발 위험을 높이는 약제들이다.- 키워드: 물, 이산화탄소, 포말(거품), 할로겐 화합물
- 해설:
- 물/수계 소화약제: 마그네슘과 반응하여 수소 가스를 발생시키고 반응열로 폭발 위험을 높인다.
- 이산화탄소($CO_2$): 고온의 마그네슘과 반응하여 일산화탄소($CO$)와 탄소(Carbon)를 생성하며, 이 과정에서 화재가 더욱 격렬해진다. ($2Mg + CO_{2} \rightarrow 2MgO + C$)
- 포말(Foam) 소화약제: 주성분이 물이므로, 물과 마찬가지로 마그네슘과 반응하여 수소를 발생시킨다. (할로겐화물 소화약제도 마그네슘과 반응하여 폭발할 수 있으므로 적응성 없음)
참고자료
마그네슘 외에 다른 금속 화재(나트륨, 칼륨 등)와의 비교, 또는 물반응성 물질의 보관 및 취급 수칙을 묻는 문제로 변형될 수 있다.
- 물반응성 물질의 저장 및 취급 (산업안전보건기준에 관한 규칙 제269조)
- 물질에 따라 물 또는 산과 반응하여 위험성이 있는 물질에 대해서는 물과 격리하여 저장한다.
- 불연성 용기에 밀봉하여 저장한다.
- 저장소 주변에는 물, 소화용수 등의 침투 방지를 위한 설비를 설치한다.
- 마그네슘의 최소착화에너지 (MIE)
- 마그네슘 분진은 대부분의 유기물 분진보다 최소착화에너지(MIE)가 매우 낮아, 정전기 스파크 등 아주 작은 점화원으로도 쉽게 발화한다.
- 알칼리 금속과의 차이점 (나트륨/칼륨)
- 나트륨(Na)과 칼륨(K)은 물과 반응하여 수소와 열을 발생시키는 점은 마그네슘과 같으나, 물보다 밀도가 낮아 물 위에 떠서 격렬하게 반응한다는 특징이 있다. 이들 화재에도 물, $CO_2$ 소화약제는 금지된다.
KOSHA 가이드
- KOSHA Guide P-82-2020 (연소성 가스 및 증기 혼합물의 폭발한계 산정에 관한 기술지침) - 소화약제 및 위험성 판단은 일반적인 화공안전 상식과 연계됨
- KOSHA Guide D-38-2018 (위험물 등의 취급에 관한 기술지침)
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