원문 : J. Dunjó, V. Fthenakis, J.A. Vílchez, J. Arnaldos, “Hazard and operability(HAZOP) analysis, A literature review”, Journal of Hazardous Materials, 173, 2010, pp.19~32

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1. 서론

 

○ 장치산업을 비롯해 복잡한 산업시스템을 안전하게 설계하고 운전하기 위해서는 근본적으로 위험요소를 분석해야 한다. 위험한 상태를 분석하기 위해서는 다양한 기술이 사용될 수 있으며, 다양한 분야의 전문가들은 정밀하고 조직적으로 이들 기술을 적용하여야 한다.

 

○ 위험공정분석(Process Hazard Analysis, PHA) 평가는 영국 보건안전실험실 보고서와 함께 2권의 보편적인 PHA 관련도서를 참조하였다. 검토대상은 PHA 기술과 위험요소 및 운전성(Hazard and Operability, HAZOP) 분석으로 여기에 수반된 지식수준과 방법론의 개선 가능성을 검토하였다.

 

○ 초창기 HAZOP 연구는 위험성이 높은 물질을 취급하는 시설에 상존하는 위험가능성을 분석하기 위해 등장하였다. 그 목적은 독성물질 방출, 폭발 그리고 화재와 같은 대형사고 원인을 제거하는 것이었다. 그러나 세월이 경과하면서 HAZOP은 위험성뿐만 아니라 운전문제도 성공적으로 해결하였기 때문에 그 적용범위가 타 설비로 쉽게 확대되었다.

 

2. 발행된 문헌

 

○ 검토범위

 

– 최근의 경향을 확인하기 위해 HAZOP 연구를 다룬 기존의 많은 문헌을 검토하였다. 발간된 166개 논문에서 주요한 아이디어를 종합하고, 그룹으로 분류하였으며, 다음에 그들의 특징을 전개하였다.

 

– 대부분의 HAZOP 연구는 점점 더 높은 온도와 압력과 함께 더 복잡하고 정교한 공정으로 운전되는 화학공장의 안전을 개선하기 위해 수행되고 있다.

 

– HAZOP 개선을 위해 다양한 기술 분야의 활용뿐만 아니라 전문가 시스템개발에 의한 HAZOP 자동화까지 진척되었다.

 

○ HAZOP의 진화

 

– HAZOP 연구는 1960년대 중반에 영국 ICI사가 정립한 비판적 검토(critical examination) 기술에서 진화되었다. HAZOP은 설계수치에서 벗어난 수준을 분석하기 위한 준비과정으로 실시되고 있다.

 

– 지난 30년 동안 수많은 지침과 책자가 등장했고, HAZOP을 장치산업에 적용할 수 있게 Knowlton 등 여러 학자가 기여했다. 많은 연구로 HAZOP은 진화하고 세계적으로 핵심기술로 인식되었으며, 환경 안전과 건강유해도의 평가에도 그 효율성이 증명되었다.

 

3. HAZOP 연구영역

 

○ 타 PHA와 HAZOP 비교

 

– Suokas는 HAZOP, AEA(Action Error Analysis), WSA(Work Safety Analysis), MORT(Management Oversight and Risk Tree)의 4방법의 영역을 비교한 결과 HAZOP 연구영역은 주로 물리적인 하부조직(subsystem)에서 발생하는 차이에 집중하고, 적게는 인위적인 하부조직에 집중하지만 관리보조시스템에 대한 설명이 부족하다고 했다.

 

– Hoepffner는 PHA 기술인 FTA(Fault Tree Analysis), FMEA(Failure Modes and Effects Analysis) 특징을 HAZOP과 비교한 결과 HAZOP은 두 방법의 중간 수준인 것으로 조사되었다.

 

– Montague는 HAZOP, FRR(Facility Risk Review)와 QRA(Quantitative Risk Analysis)를 비교해서 올바른 방법을 선택하는 일은 중요하지 않으며, 관리자는 상이한 접근방법에서 얻은 결과를 파악해서 객관적인 판단을 해야 한다고 단정했다.

 

○ HAZOP 영역의 확대

 

– HAZOP 영역을 확대하려는 노력이 있었다. 특정한 시스템에 적용시키거나 이러한 시스템의 특징을 분석하기 위해서는 HAZOP과 다른 PHA 기술을 결합시키거나 변경시킬 필요가 있었다.

 

– 위험성 분석영역 확대

․ HAZOP과 FMEA의 구조와 실행을 비교하면 양 기술이 유사하게 작용하는 것을 확인할 수 있다. HAZOP의 위험분석 단계에서는 제정된 색인어와 설계수치로부터 차이를 유발하는 변수에 의존하지만, FMEA는 특정 기기의 고장형태를 고려한다.

․ Trammel과 Davis는 효율 극대화를 위해 HAZOP과 FMEA방법론을 결합해 반도체 생산 공정의 설계약점을 분석하고, 시스템 가동시간을 증가시키는 목적으로 혼성 PHA 방법론을 도입했다.

 

– 정량화 : 수많은 학자들이 HAZOP 용도를 위험분석에서 위험영향평가까지 확대해왔다. Bendixen과 O'Neill은 HAZOP와 FTA가 이러한 용도에 가장 적합한 PHA 기술의 결합이라고 간주하였다.

 

– 인적 요인

․ 조작에 따른 리스크의 50~80%는 인위적인 실수라는 사실은 인적 요인의 중요성을 말해준다.

․ 배치프로세스(batch process)는 많은 인력이 투입되므로 연속공정과는 다르게 취급해야 한다. 그러나 자동화된 배치프로세스는 위험분석에서 고려할 수 있는 어떤 유연성을 확보할 수 있다.

 

– 특이 HAZOP 개선 : 개별 PHA는 상이한 목적과 용도범위를 고려해야 한다. 특별한 안전 분석은 화재, 폭발, 독성물질 방출과 같은 주요 위험공정을 발견하는 것에만 집중할 수 있다.

 

○ HAZOP 경험공유

 

– 본 원고에서는 공개된 문헌에 수록된 많은 정보를 검토하였으며, 이러한 정보는 실무경험을 토대로 한다.

 

– 프로그램타입 전자시스템을 위한 HAZOP : 안전이 필요한 시스템을 조절하거나 운영할 필요가 있는 산업에서는 컴퓨터 속도와 유연성 때문에 소프트웨어 이용이 증가하고 있다.

 

– 소프트웨어 안전평가

․ Andow는 컴퓨터로 조정되는 공장의 HAZOP 절차에 대한 최초 지침을 개발하고, 통상적인 HAZOP 구조와 유사한 구조를 사용하도록 추천했다.

․ Yang과 Jung은 컴퓨터로 조정되는 공정에 관련되는 위험을 분석하기 위해 새로운 모형표현(modeling representation)을 정형화했다.

 

○ 안전보전수준(Safety Integrity Level, SIL) 목표지정

 

– 장치산업에서는 급속한 자동화에 안전보전시스템(Safety Integrity System, SIS)을 적용하기 위해 목표 SIL 지정에 필요한 새로운 조건을 준비해왔다.

 

– Summers는 대다수의 장치산업에서 사용되는 보편적인 6개 PHA를 검토한 뒤에 HAZOP이 위험성을 완화시키는 목표에 가장 필요한 기준을 제공하므로, HAZOP 연구가 흥미 있는 과제라고 강조하였다.

 

○ HAZOP 자동화의 전문가시스템

 

– HAZOP 자동화를 지향하는 전문가시스템 개발은 HAZOP 과제와 관련된 연구 분야에서 가장 폭넓게 진행되었다. HAZOP은 어렵고, 장시간이 소요되며 노동집약적인 분야이기 때문에 많은 연구자가 이러한 문제를 해결하기 위해 전문가시스템의 개발을 시도해왔다.

 

– HAZOP 연구에서 고려해야 할 가장 중요한 인자는 모든 분석을 수행하기 위해 필요한 시간이다. Freeman 등은 전문가시스템을 이용한 최초의 HAZOP 연구를 계획하였고, HAZOP 연구에 소요되는 기간과 인력(work-hours)의 산출방법을 제시했다.

 

– Kang 등은 3개의 지식베이스인 단위, 조직 및 재료로 구성되는 전문가시스템, 즉 셸 G2로 자동 위험분석시스템(AHA)을 개발하고 정형화하였다.

 

– Khan과 Abbasi도 HAZOP 자동화에 많은 연구결과를 발표했다. 그들의 최초 연구에서는 종전 HAZOP을 분석해서 HAZOP 효율성과 신뢰성에 영향을 주는 여러 종류의 인자를 분류하였다. 그들은 종전 HAZOP 구조가 신속하고 효율적이며 신뢰할 수 있는 결과를 도출할 수 있도록 개선되어야 한다고 주장했다.

 

– 최근 Bragatto 등은󰡒IRIS󰡓라는 견본 소프트웨어 툴로써 장치산업의 전 과정 HAZOP을 분석하기 위해 제품수명주기관리(Product Life- cycle Management, PLM) 시스템을 통합하였다.

 

○ 동적 시뮬레이션으로 보완된 HAZOP

 

– 근래에 안전과 관련된 연구에서는 공정모사(process simulation)를 적용하고 있다. 위험도 분석기법과 공정모사 특징을 결합시키면 안전성시험에 필요한 매우 귀중한 결과를 얻을 수 있다.

 

– Eisenberg 등은 교육적인 용도 및 작업자 교육을 위해 HAZOP을 공정안전 교육에 도입하였다. HAZOP을 동적 시뮬레이션과 결합시키면 교육생에게 비상사태의 결과를 확인시킬 수 있다.

 

– Labovsky 등은 HAZOP 분석을 수학적 모델접근으로 통합했다. 그들은 처음으로 화학반응장치에 방법론을 도입했고, 이 결합이 장치의 가동기간뿐만 아니라 모든 설계단계에서 필요한 툴이라고 강조했다.

 

4. 결론

 

○ 이 원고는 HAZOP의 주요 연구 분야를 분류하기 위해 관련된 모든 문헌을 수집해서 검토하였으며, HAZOP 방법론의 현재 상태도 포함하였다. 최초 발행된 1974년부터 현재까지 165개 논문을 대상으로 HAZOP 연구를 중점적으로 검토하였다.

 

○ HAZOP을 연구한 논문의 80%는 다음 3개 분야와 관련이 있었다. HAZOP 경험의 공유와 관련된 논문이 18%를 차지하였고, 프로그램타입의 전자시스템을 위한 HAZOP과 관련된 논문은 22%이었으며, HAZOP 자동화 관련 전문가 시스템을 다룬 논문은 40%이었다.

 

○ 검토결과에 의하면 HAZOP은 공정의 안전․리스크관리 프로그램을 구성하는 토대가 되며, PHA 방법 중에서도 가장 많이 연구되었다.

 

○ 최근의 HAZOP 현황과 위험성 분석결과에 따르면 다음과 같은 분야에 더 많은 연구가 필요한 것으로 확인되었다.

 

– 사람에 의해 수행되는 HAZOP은 분석자 선입견, 경험, 지식 그리고 창의력의 영향을 받게 된다.

 

– 위험요소분석은 전형적인 공정 차이는 물론 인간 실수로 유발된 초기 현상에 집중한다면 관련된 인위적인 문제도 파악할 수 있다.

 

– 컨트롤 설비의 고장을 유발하였던 잠재적인 이유를 발견한다면 개선방안도 수립할 수 있었다.

 

– HAZOP 분석을 표준화하는 대부분의 연구는 자동화를 수행하기 위한 목적으로 진행되어 왔다.

 

◃전문가 제언▹

 

○ 석유화학을 위시해 여러 장치산업에서는 원료로부터 제품을 생산하는 과정에서 고온, 고압의 반응조건을 촉매로 완화시킬 수 있지만 극한의 조건 때문에 위험성, 독성물질의 누출, 발화 등 비상상태가 다양하게 발생할 수 있다.

 

○ 장치산업에서 시작된 위험요소 및 운전성(HAZOP) 분석은 기존 공장에서도 검토할 수 있지만, 완벽하게 대처하기 위해서는 설계단계부터 도입하여야 한다. 최근에는 인적, 물적 피해 외에 돌발적인 환경오염도 추가되고 있다.

 

○ 1960년도 중반 영국의 ICI사가 장치산업 검토기술에서 시작된 HAZOP 기법은 장치산업이외 제철, 제련소, 반도체산업 등 극한의 조건을 도입하거나 독성물질을 사용하는 현장에도 도입되어 초기 목표인 물적, 인적피해를 예방하고 추가로 운전성도 개선하고 있다.

 

○ 종전의 HAZOP 기법은 축적된 경험이 없기 때문에 어렵고, 장시간이 소요되며, 노동집약적이었다. 이 문제를 해결하기 위해 최근에는 전문가 시스템에 의해 HAZOP을 자동화하고 있다. 또한 HAZOP 기법에 공정모사를 결합해서 안전성시험에 매우 귀중한 결과를 입수하였다.

 

○ HAZOP 기법은 공정위험성(PHA)을 평가하는 우수한 평가방법이지만 위험도 분석법(FMEA), 결함수 분석(FTA)과 같은 타 PHA를 병용해서 그 효율성을 배가시킬 수 있다.

 

○ 1984년 인도 Bhopal시 Union Carbide사 비료공장에서 유출된 Methy- liso-cyanate 보팔참사, 1986년 구소련 Chernobyl 원전의 방사능 유출로 많은 인명피해와 함께 재산상의 손실도 막대하였다. 규모가 작지만 국내에서도 이러한 독성물질의 유출사고가 그치지 않고 있다.

 

○ 최근에는 국내 대기업이 장치산업에 HAZOP 기법을 도입하고 있지만, 독성물질을 사용하는 중소기업이 전국에 산재하므로 이러한 업체도 HAZOP 기법을 도입하도록 유도하는 대책이 필요하다고 본다.