슬라이드 밸브를 닫았는데, 공기는 어디로 갔을까요?: 허스키 슈피리어 정유공장 FCC 폭발

30초 요약

• 조사기관 분석 무엇이 2018년 4월 26일 오전 9시 58분경, 미국 위스콘신주 허스키 슈피리어 정유공장(Husky Superior Refinery)에서 FCC(유동접촉분해, Fluid Catalytic Cracking) 공정을 정기보수로 정지하던 중 가스회수 설비의 흡수탑 2기가 폭발했습니다.
• 피해 작업자 36명이 다쳤고, 금속 파편이 최대 약 366 m(1,200 ft)까지 날아가 아스팔트 탱크를 뚫었습니다. 흘러나온 아스팔트 약 2,700 m³(17,000 배럴)에 불이 붙었고, 주민 2,507명이 대피했습니다. 재산 피해는 약 5억 5천만 달러로 추산됐습니다.
• 왜 정지 중 재생기(regenerator)의 공기가 반응기·주분류탑을 거쳐 탄화수소가 있는 설비로 들어갔습니다. 공기와 탄화수소를 갈라 두는 안전장치(반응기 스팀 배리어, 주분류탑 가스 퍼지)가 갖춰지지 않았고, 닫았다고 믿은 슬라이드 밸브는 마모로 틈이 나 있었습니다.
• 편집부 해설 우리 현장에 정상 운전보다 정지·기동 같은 비정상 운전에서 무엇이 공기와 가연물을 갈라 놓고 있는지, 그 장치를 어떻게 확인하는지 다시 물어야 합니다.

사고 경위

조사기관 분석 허스키 슈피리어 정유공장은 약 5년마다 정기보수(turnaround)를 했습니다. 2018년에는 4월 23일 알킬화 공정부터 순서대로 정지를 시작했고, 4월 26일 아침 FCC 공정 차례가 왔습니다. 당시 공장에는 직원과 협력업체 인원 약 800–900명이 있었습니다. 미국 화학안전조사위원회(CSB, U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board)는 이 회사가 사고 170일 전인 2017년 11월 공장을 인수했다고 기록했습니다.

오전 5시 30분경 운전원은 전기집진기(ESP)를 먼저 껐습니다. 2015년 미국 캘리포니아 엑손모빌 토런스 정유공장에서 전기집진기가 폭발한 사고의 교훈을 반영한 조치였습니다. 5시 40분경 원료 공급을 끊었고, 5시 45분 재생 촉매 슬라이드 밸브, 5시 48분 사용 촉매 슬라이드 밸브를 닫는 신호를 보냈습니다.

제어실 화면은 사용 촉매 슬라이드 밸브가 2% 열려 있다고 표시했습니다. 현장 운전원이 6시 5분경 손으로 닫고, 다른 운전원이 핸드휠로 더 조였습니다. 6시 16분에는 반응기 촉매 액위가 0으로 표시됐습니다. 이후 운전원은 회사 절차서에 따라 재생기 압력을 반응기보다 높게 유지했습니다. 오전 9시 10분 전후 약 15분을 빼면, 재생기 압력은 반응기보다 최소 약 21 kPa(3 psi), 때로는 약 69 kPa(10 psi) 높았습니다.

오전 9시 58분경 가스회수설비(GasCon, gas concentration unit)의 1차 흡수탑과 스펀지 흡수탑이 폭발했습니다. 공정 데이터에는 직전까지 급격한 압력·온도 변화가 남지 않았습니다. 폭발은 약 1.6 km(1 mile) 떨어진 건물까지 흔들었고, 100개가 넘는 금속 파편이 최대 약 366 m까지 날아갔습니다. 협력업체 휴식 시간이어서 상당수 인원이 이미 방폭 건물 안이나 공정 밖에 있었습니다.

파편 하나가 폭발 지점에서 약 61 m(200 ft) 떨어진 아스팔트 저장탱크(Tank 101)를 뚫었습니다. 약 160–171 °C(320–340 °F)로 보관하던 아스팔트가 방류벽을 넘어 FCC·상압증류 공정 구역으로 퍼졌고, 두께가 최대 약 20–25 cm(8–10 in)에 이르렀습니다. 대응팀은 뜨거운 기름에 물을 뿌리면 격렬하게 증발할 수 있어 살수를 망설였습니다. 정오 무렵 탱크 안에서 불이 시작돼 바닥의 아스팔트로 번졌습니다.

시 당국은 오후 1시경 첫 대피 안내를 냈고, 1시 35분 대피 범위를 북쪽 약 3.2 km, 동·서 약 4.8 km, 남쪽 약 16 km로 넓혔습니다. 2,507명이 대피했고, 인접한 미네소타주 덜루스시는 오후 8시 옥내대피 권고를 냈습니다. 큰 아스팔트 화재는 오후 7시 직전 꺼졌고, 남은 불도 자정 전 진화됐습니다. 대피·옥내대피 명령은 다음 날 오전 6시 해제됐습니다.

기술 원리와 관리 판단

설비·공정 원리

편집부 해설 FCC는 무거운 기름을 가솔린·경유 같은 가벼운 제품으로 쪼개는 공정입니다. 가루 촉매가 공기를 머금으면 액체처럼 흐르는데, 이 촉매가 반응기와 재생기 사이를 계속 돕니다. 반응기에서는 촉매가 가연성 탄화수소와 만나고, 재생기에서는 촉매 표면의 코크를 공기로 태웁니다. 즉 한 덩어리로 이어진 설비 안에 공기와 가연물이 함께 있는 드문 공정입니다.

조사기관 분석 정상 운전 때 둘을 가르는 것은 정밀하게 조절된 압력 균형뿐입니다. 정지할 때는 반응기에 스팀을 넣어 반응기 압력을 재생기(공기 쪽)와 주분류탑(탄화수소 쪽)보다 높게 만듭니다. 이렇게 하면 스팀이 양쪽으로 밀려 나가는 '스팀 배리어(steam barrier)'가 생깁니다. 기술 라이선서(UOP)의 일반 운전 매뉴얼은 정지 때 재생기 압력을 반응기보다 약 14 kPa(2 psi) 낮게 두라고 안내했습니다.

슬라이드 밸브는 원판을 미끄러뜨려 촉매 흐름을 조절하는 게이트형 밸브입니다. 고온 열팽창 때문에 새 밸브도 완전히 닫힌 상태에서 약 1.0–1.5 mm(0.04–0.06 in)의 틈이 있도록 설계됩니다. CSB는 정유업계 대부분이 이 밸브를 공기와 탄화수소를 확실히 끊는 차단장치로 보지 않는다고 설명했습니다.

편집부 해설 자연발화성 물질(pyrophoric material)은 황화철처럼 마른 상태로 산소를 만나면 스스로 불이 붙는 퇴적물입니다. 황 성분이 있는 탄화수소를 다루는 철강 설비 안에 흔히 생깁니다. 이번 사고에서는 공기가 들어간 설비 안에 이미 점화원이 있었던 셈입니다.

원인 (방호계층별)

조사기관 분석 CSB가 정리한 직접 원인은 재생기 안의 공기가 반응기와 주분류탑을 지나 가스회수설비까지 흘러간 것입니다. 산소가 1차·스펀지 흡수탑에 쌓여 가연성 혼합기를 만들었고, 같은 산소가 설비 안의 자연발화성 물질과 반응해 점화원이 됐습니다.

CSB는 회사의 FCC 절차서가 1960년 설계 이후 라이선서 지침과 어긋나 있었다고 밝혔습니다. 또 적어도 사고 전 25년 동안 공정 엔지니어·라이선서·외부 전문가가 이 절차서를 기술적으로 검토하지 않았다고 기록했습니다. 운전 부서가 매년 절차서를 재인증했지만, 그 검토가 기술적 오류를 걸러내지는 못했습니다.

2018년 정지에는 처음으로 증기상 화학세정이 도입됐고, 설비를 대기로 배출하지 않도록 절차가 바뀌었습니다. CSB는 이 변경과 산소 퍼지 단계의 부재가 겹쳐 산소가 쌓이기 더 쉬운 조건이 됐는데, 회사가 이를 알아채지 못했다고 분석했습니다.

사고는 CSB가 2015년 토런스 FCC 사고 보고서를 낸 지 1년이 안 돼 일어났습니다. 직원들은 토런스에서 탄화수소가 공기 쪽으로 역류했다는 점은 알았지만, 반대 방향, 즉 공기가 탄화수소 쪽으로 들어갈 수 있다는 점은 연결하지 못했다고 CSB는 기록했습니다.

편집부 해설 이 원인 분석은 개인의 판단 실수를 가리키지 않습니다. 절차서, 교육, 위험성 평가, 설비 관리가 모두 같은 빈틈을 공유했다는 것이 CSB 분석의 핵심입니다.

피해가 커진 이유

조사기관 분석 첫째, 깨지는 강재. 폭발한 두 흡수탑은 지금은 새 설비에 권장하지 않는 강재로 만들어졌습니다. CSB는 인성이 좋은 신형 강재였다면 지퍼처럼 찢어지며(연성 파괴) 파편이 훨씬 적었을 것으로 봤습니다.

둘째, 배치. 뚫린 아스팔트 탱크는 약 61 m 거리였지만, 불화수소(HF) 저장탱크는 약 46 m(150 ft)로 더 가까웠습니다. 불화수소는 유출되지 않았지만, 시의 대피 결정은 연기와 함께 불화수소 유출 가능성을 근거로 했습니다. CSB는 정유사들, 특히 HF 알킬화 공정이 있는 곳이 이 보고서를 검토해야 한다고 강조했습니다.

셋째, 2차 위험에 대한 준비. 뜨거운 아스팔트에 물을 뿌릴지 결정하기 어려웠고, 대응팀은 모래와 방제붐으로 확산을 막으려 했습니다. CSB는 탱크 안의 자연발화성 물질이 뚫린 구멍으로 들어온 공기와 만나 아스팔트에 불을 붙였을 가능성이 높다고 봤습니다.

반응기 압력을 양쪽보다 높게 유지하면 스팀이 공기 쪽과 탄화수소 쪽으로 밀려 나가며, 교육용 모형의 AIR는 공기, STEAM은 스팀, HYDROCARBONS는 탄화수소입니다.

피해를 줄인 요소도 있었습니다. 이 공장은 2013년부터 정기보수 때 협력업체에 방폭 사무실을 쓰도록 요구했고, 제어실도 보강돼 있었습니다. 폭발이 협력업체 휴식 시간과 겹친 점도 인명피해를 줄였습니다.

폭발 파편이 닿을 수 있는 거리 안에 무엇이 있는지 배치도에서 먼저 확인합니다.

우리 현장 확인 질문

압력 관계와 안전장치는 라이선서·개조 이력에 따라 다를 수 있으므로 각 공장 라이선서 자료와 공정 엔지니어 판단을 기준으로 합니다.

국내 현장 적용

조사기관 분석 허스키 사고 당시에도 블라인드 삽입 전 여러 작업자가 FCC 구역에 출입해 있었습니다.

편집부 해설 국내 정유공장의 RFCC(잔사유 유동접촉분해) 공정도 촉매 순환·재생 구조를 공유합니다. 정기보수 정지는 운전 경험이 쌓이는 빈도가 낮아, 절차서와 교육이 사실상 유일한 기억 장치가 됩니다. 정지 직전 절차서 검토 회의에서 '공기 쪽과 탄화수소 쪽을 무엇이 가르고 있는가'를 단계별로 묻는 방식이 실무적으로 도움이 됩니다.

작업허가 관점에서는, 정지 중인 공정 구역에 비계·계장·세정 준비 인원이 들어가는 시점이 핵심입니다. 블라인드 삽입 전 출입 인원과 작업 범위를 어떻게 제한할지 미리 정해 둘 필요가 있습니다.