이 글의 목적은 화학공장에서 위험물안전관리법을 충족하는 위험물 설비 설계 기준을 체계적으로 정리하여, 탱크·배관·환기·소화설비·계측제어를 설계하는 실무자가 바로 활용할 수 있는 가이드를 제공하는 것이다.
1. 화학공장과 위험물안전관리법 적용 범위 이해
화학공장은 원료 저장, 반응, 증류, 혼합, 충전 등 여러 공정을 통하여 제4류 인화성 액체, 제2류 가연성 고체, 제3류 자연발화성 물질 및 금수성 물질, 제5류 자 Reactive 물질 등 다양한 위험물을 취급하는 시설이다.
위험물안전관리법에서는 이러한 시설 중 일정 지정수량 이상을 취급하는 설비를 제조소, 저장소, 취급소 등으로 정의하고 각각 위치·구조 및 설비 기준을 별표 형태로 규정하고 있다. 특히 제조소는 화학반응, 가열, 증류 등 공정 설비가 포함되는 경우가 많아 탱크저장소보다 복합적인 설계가 필요하다.
따라서 화학공장 설계 단계에서 각 설비가 위험물제조소, 옥내·옥외탱크저장소, 옥외저장소, 이송취급소 등에 해당하는지를 먼저 분류하고, 해당 별표 기준에 따라 세부 설계를 수행하여야 한다.
2. 화학공장 위험물 설비 설계 프로세스 개요
실무에서는 다음과 같은 흐름으로 위험물 설비 설계를 진행하는 것이 효율적이다.
| 단계 | 주요 내용 | 주요 산출물 |
|---|---|---|
| 1단계 | 제품·원료 물질 리스트업 및 위험물 분류, 지정수량 검토 | 위험물 분류표, 지정수량 대비 취급수량 표 |
| 2단계 | 제조소, 저장소, 취급소 등 법적 시설 유형 결정 | 시설별 구분도, 시설 유형 매트릭스 |
| 3단계 | 배치계획 및 안전거리·보유공지 계획 | 평면 배치도, 안전거리 검토서 |
| 4단계 | 탱크·배관·펌프·밸브 등 공정설비 구조 설계 | 배관·계장도(P&ID), 구조도, 상세도 |
| 5단계 | 환기·채광·전기·방폭·계측제어 설계 | 전기·계장 설계도, 방폭구역 도면 |
| 6단계 | 소화설비·경보설비·누출검지설비 설계 | 소방설비 도면, 성능계산서 |
| 7단계 | 관련 규정 적합성 검토 및 소방서 협의 자료 작성 | 법령 적합성 체크리스트, 협의용 보고서 |
주의 : 착공 이후에 위험물 시설 유형이나 지정수량 산정 오류가 발견되면 배치 변경, 탱크 용량 축소, 추가 방유제 설치 등 대규모 설계 변경이 발생하므로, 1·2단계에서 위험물 분류와 시설 유형 검토를 충분히 수행하여야 한다.
3. 위치 및 안전거리 설계의 핵심 포인트
3.1 제조소와 주변 시설 간 안전거리
위험물제조소의 위치는 주거시설, 학교·병원·극장 등 다수인이 이용하는 시설, 기타 공장·창고 등 주변 건축물로부터 일정 안전거리를 두도록 규정하고 있다. 예를 들어 일반 주거용 건축물과의 거리는 10m 이상, 학교·병원·극장 등 다중이용시설과의 거리는 30m 이상으로 규정되어 있으며, 특정 조건에 따라 더 큰 안전거리가 요구될 수 있다.
안전거리 검토 시에는 단순 수평 직선거리뿐 아니라 지형, 방화벽 설치 여부, 탱크 용량, 위험물 종류 등을 함께 고려하여야 하며, 필요 시 방화벽을 설치해 실질적인 안전거리를 확보하는 설계도 함께 검토한다.
3.2 보유공지 및 진입로 계획
제조소 주변에는 외곽울타리, 건축물, 방유제 등과의 사이에 화재 확산을 지연하고 소방활동 공간을 확보하기 위한 보유공지를 확보하여야 한다. 보유공지 폭은 시설 종류, 위험물 류별, 탱크 용량 등에 따라 다르나 통상 수 미터 이상의 폭을 요구하며, 제6류 산화성 고체 등 일부 위험물의 경우 별도의 완화 기준이 존재한다.
또한 소방차 진입로는 탱크, 반응기, 충전설비 등 주요 위험설비에 인접하도록 계획하고, 소방차 회차 공간과 소화전 접근성을 함께 고려하여 배치하여야 한다.
3.3 피뢰침·전기설비 위치
화학공장에는 탱크상부, 공정 타워, 배관랙 등 높이가 높은 강구조물이 많으므로 적절한 피뢰설비 설계가 필수이다. 다만 법령에서는 주변 상황에 비추어 안전상 지장이 없다고 인정되는 경우 피뢰침 설치를 생략할 수 있는 여지를 두고 있으므로, 다른 접지 설비와의 관계, 인근 구조물, 낙뢰 이력 등을 종합 검토하여 설계한다.
4. 위험물 탱크 설계 기준과 방유제 용량 산정
4.1 옥외 위험물취급탱크 설계 원칙
위험물제조소 옥외에 설치하는 위험물취급탱크는 옥외탱크저장소 기준을 상당 부분 준용하도록 규정되어 있다. 주요 원칙은 다음과 같다.
- 탱크 재질은 취급하는 위험물의 화학적 특성과 온도·압력 조건에 적합한 강재 또는 기타 승인된 재질로 할 것
- 탱크 지지 구조는 지진, 풍하중, 액면 변동에 따른 진동 등을 고려하여 구조 계산을 수행할 것
- 탱크 상부에는 통기관, 안전밸브, 레벨계, 온도계 등을 설치하고, 과압·진공에 따른 손상을 방지할 것
- 탱크 주변에는 누출·유출 시 확산을 억제하는 방유제 또는 배수 시스템을 설치할 것
4.2 방유제 용량 산정 공식
액체위험물을 취급하는 옥외 위험물취급탱크 주위에는 방유제를 설치해야 하며, 방유제 용량은 다음 기준에 따른다.
- 단일 탱크: 방유제 용량 ≥ 해당 탱크 용량의 50%
- 다수 탱크: 방유제 용량 ≥ 최대 용량 탱크의 50% + 나머지 탱크 용량 합계의 10%
설계 계산을 이해하기 쉽게 정리하면 다음과 같다.
V_max = 가장 큰 탱크 용적 [m³] V_etc = 나머지 탱크 용적의 합 [m³] V_dike = 방유제 내용적 [m³]
단일 탱크:
V_dike ≥ 0.5 × V_max
복수 탱크:
V_dike ≥ 0.5 × V_max + 0.1 × V_etc
방유제 내용적을 산정할 때는 방유제 내부의 탱크 기초, 간막이 둑, 배관 체적 등을 제외한 실제 유체 수용 용적으로 계산하여야 하므로, 구조 상세도와 평면도를 기반으로 입체적인 체적 산정이 필요하다.
4.3 옥내 위험물취급탱크와 방유턱
제조소 옥내에 설치하는 위험물취급탱크는 옥내탱크저장소 기준을 준용하며, 탱크전용실 구조, 벽체 내화성능, 천장 높이, 탱크 상호 간 거리 등을 만족하여야 한다. 또한 누출 위험에 대비하여 탱크 주위에 방유턱을 설치하거나 바닥 단차, 집수로 등을 설치하여 누출된 위험물이 실 외부로 유출되지 않도록 해야 한다. 이때 방유턱 등은 실제 수납하는 위험물 전체량을 수용할 수 있도록 설계하는 것이 원칙이다.
5. 배관·펌프·밸브 설계 기준
5.1 배관 재질 및 두께 선정
위험물 배관은 취급 온도·압력·부식성을 고려하여 배관 재질과 두께를 결정해야 한다. 일반적으로 탄소강, 스테인리스강, 합금강 등이 사용되며, 산·알칼리·유기용제 등 매질 특성에 따라 내부식 재질을 선택한다.
배관 두께는 설계압력, 온도, 부식여유, 기계적 하중 등을 고려한 배관 설계 기준(예: KS, ASME B31.3 등)에 따라 산정하며, 법령에서는 최소 두께를 별도로 지정하거나 강도를 유지할 수 있는 구조를 요구하고 있다.
5.2 배관 경로 및 지지 방식
- 배관은 가능한 한 짧고 직선으로 계획하되, 밸브 조작과 점검이 용이하도록 배치할 것
- 불필요한 고·저점 형성으로 기체 포켓, 액체 고임 등이 발생하지 않도록 할 것
- 배관랙 상의 배관은 열팽창을 고려하여 루프, 익스팬션 조인트 등을 적절히 설계할 것
- 진동이 큰 펌프 출구 배관은 초기 설계 단계에서 충분한 지지·앵커 계획을 반영할 것
5.3 밸브·펌프·스위치 위치
위험물을 이송하는 펌프, 밸브, 스위치 등은 화재 예방과 비상조작 측면에서 안전한 위치에 설치해야 한다. 법령에서는 전동기, 펌프, 밸브, 스위치 등을 화재예방상 지장이 없는 위치에 설치하도록 규정하고 있으며, 방폭구역과 비방폭구역의 경계를 고려하여 전기기기를 배치하는 것이 중요하다.
주의 : 긴급차단이 필요한 배관에는 수동밸브만 설치하는 경우가 여전히 많으나, 옥외탱크와 공정 사이의 주요 이송라인에는 원격 조작 가능한 긴급차단밸브(ESD 밸브)를 설치하는 것이 바람직하다. 화재 시 인명 피해를 최소화하기 위해서는 밸브 조작 위치를 안전구역에 확보하는 설계가 필수이다.
6. 환기·채광·방폭구역 및 전기설비 설계
6.1 환기 설비 기준
위험물을 취급하는 건축물에는 채광·조명·환기 설비를 설치해야 하며, 특히 가연성 증기·가스 체류를 방지하기 위한 환기설비가 중요하다. 관련 기준에서는 자연배기 방식을 원칙으로 하고, 급기구 설치 개수, 위치(바닥에 가까운 낮은 위치), 면적 등을 규정하고 있다.
화학공장에서는 법정 최소 기준을 만족하는 것에 그치지 말고, 공정 특성에 따라 다음 사항을 추가로 고려하는 것이 좋다.
- 저지대(피트, 지하실)에는 비중이 공기보다 무거운 증기가 체류하지 않도록 강제 환기를 병행할 것
- 국소배기 후드, 캡쳐 후드 등을 사용하여 누출 가능 지점을 직접 포집할 것
- 배기구의 배출 방향, 위치를 고려하여 재유입(re-circulation)과 인근 취급설비로의 확산을 방지할 것
6.2 방폭구역 설정과 전기설비
가연성 증기·가스가 발생하거나 체류할 우려가 있는 구역은 방폭구역으로 설정하고, 구역 등급에 따라 방폭형 전기기기를 적용해야 한다. 설계 시에는 법령 및 관련 방폭 기준(KS, IEC 등)을 참고하여 위험도에 따른 구역 설정을 수행하고, 조명등·콘센트·모터·계측기기 등은 해당 구역 등급에 적합한 방폭 구조로 선택한다.
스위치, 차단기 등 스파크 발생 우려가 큰 기기는 원칙적으로 위험구역 외부에 설치하고, 필요 시 인터록·원격조작 방식을 도입하여 운전 편의성과 안전성을 동시에 확보한다.
7. 소화설비·경보설비 및 누출 검지 설비 설계
7.1 탱크용 소화설비(포소화·물분무)
위험물 탱크에는 포소화설비, 물분무설비 등을 설치하여 유류화재를 효과적으로 제어할 수 있도록 해야 한다. 「위험물시설 및 제품의 성능 등에 관한 규칙」 및 관련 고시에서는 고정포 방출구, 포수용액 방사량, 방사시간 등 성능 기준을 규정하고 있으며, 이에 따라 설계 유량·압력 산정을 수행한다.
실무적으로는 탱크 크라운 화재, 탱크 옆면 화재, 방유제 내 유류화재 등 시나리오별로 필요한 포·물분무 방사밀도를 검토하고, 포소화설비와 물분무소화설비를 조합하여 설계하는 사례가 많다.
7.2 제조소 내 소화설비 구성
- 옥내·옥외 소화전, 호스릴, 수동 소화기 등 기본 소화설비 배치
- 포소화설비, 물분무소화설비, 이산화탄소·할로겐화합물계 소화설비 등 특수 소화설비 적용 검토
- 소화수원(소화수조, 수원 연계), 펌프 용량, 배관 직경, 압력 손실 계산
- 소화설비 제어반, 감시반, 경보 연동 로직 설계
7.3 화재·가스 누출 검지 및 경보
위험물 제조소에는 자동화재탐지설비, 가스누설경보기, 비상경보설비 등을 설치하여 초기 이상을 감지하고 신속히 경보를 발령할 수 있어야 한다. 특히 인화성 가스·증기 누출이 우려되는 공간에는 가스누설 감지기를 설치하고, 차단밸브·환기팬과의 연동을 통해 자동 대응 시스템을 구성하는 것이 바람직하다.
주의 : 감지기 설치 후 실제 누출 지점과 감지기의 위치가 맞지 않아 경보가 늦거나 작동하지 않는 사례가 많다. 설계 단계에서 예상 누출 포인트, 공기 흐름, 구조물 배치 등을 고려하여 감지기 위치를 충분히 시뮬레이션해야 한다.
8. 계측·제어 및 안전계장(SIS) 설계
8.1 기본 계측 항목
위험물 설비에는 최소한 다음과 같은 계측 항목을 설치하는 것이 일반적이다.
- 탱크 레벨계(연속식 + 고·저 레벨 스위치)
- 탱크 내 압력계, 압력 스위치
- 공정 라인 온도계, 유량계
- 펌프 운전 상태, 밸브 개폐 상태 감시
- 누출 감지, 가스 농도, 화재 감지 신호
8.2 안전계장 시스템(SIS) 구성
대형 화학공장에서는 화재·폭발 리스크를 낮추기 위해 안전계장 시스템(SIS)을 설계하는 경우가 많다. 위험물안전관리법 자체는 세부적인 SIS 설계 기준을 직접 규정하지는 않지만, 위험물 제조소의 구조·설비 기준과 세부기준 고시는 안전한 운전정지 및 차단 설비의 필요성을 여러 조항에서 언급하고 있다.
SIS 설계 시에는 다음 사항을 고려한다.
- 위험 분석(HAZOP, LOPA 등)을 통한 요구 안전무결성 수준(SIL) 설정
- 고·고 레벨, 고·고 압력, 과온도, 폭발 위험 농도 도달 시 자동 차단 로직 설계
- ESD 밸브, 펌프 정지, 환기팬 가동/정지, 소화설비 기동 등의 인터록 구성
- DCS(기본제어)와 SIS(안전제어)의 분리 및 이중화 방안
9. 설계 단계별 위험물 설비 체크리스트
아래 표는 화학공장 설계 단계에서 위험물안전관리법 관점으로 반드시 검토해야 할 핵심 항목을 요약한 것이다.
| 구분 | 점검 항목 | 주요 확인 내용 |
|---|---|---|
| 위험물 분류 | 위험물 류·품명·지정수량 검토 | 모든 원료·제품·부산물에 대해 위험물 해당 여부와 지정수량 대비 취급수량을 정리하였는가 |
| 시설 유형 | 제조소·저장소·취급소 구분 | 각 설비가 어느 유형에 해당하는지 명확히 구분하고, 중복 또는 누락 없이 등록·허가 대상이 정리되었는가 |
| 배치 계획 | 안전거리·보유공지 | 주변 건축물과의 거리, 방화벽 설치 여부, 소방차 진입로 등을 고려해 안전거리를 충족하는가 |
| 탱크 설계 | 방유제·방유턱 용량 | 탱크 용량과 법정 기준에 따라 방유제·방유턱 용량을 산정하고, 구조체 체적을 제외한 실제 내용적을 확보하였는가 |
| 배관·밸브 | 재질·두께·긴급차단 | 배관 재질·두께가 공정조건에 적합하며, 주요 배관에는 원격조작 가능한 긴급차단밸브를 설치하였는가 |
| 환기·방폭 | 환기 용량·방폭구역 설정 | 자연·강제환기 설비가 충분하고, 방폭구역 설정에 따라 전기기기를 적절히 선정하였는가 |
| 소화·경보 | 소화설비·경보 연동 | 탱크·공정 설비에 적합한 소화설비를 설치하고, 감지·경보·차단 설비와의 연동이 설계되었는가 |
| 계측제어 | 계측 항목·SIS 구성 | 레벨·압력·온도·누출 감지 등 필수 계측을 반영하고, 필요한 경우 SIS를 구성하였는가 |
| 허가·협의 | 소방서 협의 자료 | 도면, 계산서, 체크리스트를 체계적으로 정리하여 소방기관 협의 및 인·허가에 필요한 자료를 준비하였는가 |
10. 화학공장 위험물 설비 설계 시 자주 발생하는 오류와 개선 팁
10.1 방유제 용량 부족 및 형상 불량
여러 탱크를 하나의 방유제 안에 설치할 때, 최대 탱크 용량의 50%만 고려하고 나머지 탱크의 10%를 누락하는 경우가 자주 발생한다. 또한 방유제 내부에 펌프 베이스, 배관 트렌치, 계측기 기초 등이 다수 설치되어 실제 유효 체적이 줄어드는 문제도 빈번하다.
주의 : 방유제 설계 시 3차원 모델 또는 상세 단면도를 활용하여 실제 유효 체적을 확인하고, 여유율을 충분히 확보하는 것이 좋다. 특히 증설·개보수 시 기존 방유제에 탱크를 추가하는 경우, 용량 재산정을 통해 기준 충족 여부를 반드시 검토해야 한다.
10.2 환기설비 과소 설계
법정 최소 급·배기구 수량만을 만족하도록 설계하여, 실제 운전 시 용제 냄새가 심하거나 가연성 증기 농도가 높게 나타나는 사례가 있다. 이는 화재·폭발뿐 아니라 작업자 건강에도 직접적인 영향을 미친다.
개선 방안으로는 공정별 예상 배출량을 기반으로 환기량을 산정하고, 필요 시 강제환기팬을 병행하며, 작업자 호흡권 근처의 공기질을 기준으로 설계하는 접근이 필요하다.
10.3 방폭구역 및 전기기기 부적합
관로·밸브 등 실제 누출 가능 지점은 방폭구역으로 지정하지 않은 채, 탱크 주변만 방폭으로 처리하는 설계 오류가 많다. 그 결과, 누출이 더 자주 발생하는 플랜지·밸브 부근에는 일반 기기가 설치되어 점화원이 되는 경우가 발생할 수 있다.
설계 시에는 누출 빈도와 누출량을 고려한 위험도 평가를 통해 방폭구역을 설정하고, 구역 내 전기기기는 등급에 적합한 방폭 구조를 선택해야 한다.
10.4 계측·제어 인터록 미흡
탱크 과충전, 과압, 펌프 공회전 등은 대부분 계측·제어 인터록으로 예방할 수 있음에도, 최소한의 계측만 설치해 운영에 의존하는 경우가 많다. 특히 야간이나 무인운전 시간대에는 위험이 더 커진다.
위험도가 높은 설비에는 레벨·압력·유량 인터록을 통해 펌프 정지, 밸브 폐쇄, 경보 발령이 자동으로 이루어지도록 설계하고, 정기적으로 인터록 기능 시험을 수행해야 한다.
FAQ
Q1. 화학공장에서 모든 탱크가 위험물탱크 기준을 따라야 하는가?
A1. 법령상 위험물에 해당하지 않는 물질을 저장하는 탱크는 위험물탱크 기준의 직접 적용 대상은 아니다. 그러나 실제 설계에서는 화재·환경 위험을 고려하여 비위험물 탱크에도 방유제, 누출 검지, 환기설비 등을 유사 수준으로 적용하는 것이 일반적이다. 또한 동일 방유제 내에 위험물탱크와 비위험물탱크가 혼재하는 경우에는 전체를 위험물탱크로 보고 설계하는 편이 안전하다.
Q2. 지정수량 미만이라면 위험물안전관리법을 고려하지 않아도 되는가?
A2. 지정수량 미만일 경우 법령상 제조소·저장소 허가 대상에서 제외될 수 있으나, 이는 전적으로 규제에서 제외된다는 의미가 아니다. 소방시설법, 산업안전보건 관련 기준, 환경법 등 다른 규제가 적용될 수 있고, 사고 시 피해 규모는 여전히 클 수 있다. 따라서 설계 시에는 지정수량과 관계없이 위험성 기반으로 적정 수준의 안전 설계를 적용하는 것이 바람직하다.
Q3. 기존 공장에 탱크를 증설할 때 가장 먼저 검토해야 할 사항은 무엇인가?
A3. 우선 기존 제조소의 허가 용량과 지정수량 대비 취급수량을 재정리하고, 증설 후 전체 취급수량이 어떤 시설 유형 및 기준에 해당하는지 검토해야 한다. 그 다음 방유제 용량, 안전거리, 보유공지, 소화설비 성능(펌프 용량, 수원 용량 등)이 증설 후에도 기준을 만족하는지 확인한다. 필요 시 방유제 증설, 방화벽 설치, 소화펌프 증용 등을 설계에 반영해야 한다.
Q4. 이송배관을 지하 매설로 설계할 때 주의할 점은?
A4. 지하 매설 배관은 누출 시 외부에서 인지하기 어려우므로, 위험물안전관리법에서는 매설 전·후 압력시험, 누설시험, 보호관 적용, 부식 방지, 누출 검지 방식 등을 규정하고 있다. 설계 시에는 배관 재질·피복·캐쏘딕 보호 등 부식 방지 대책과 함께, 누출 시 지하수·토양 오염을 최소화할 수 있는 배수·집수 설비를 함께 설계해야 한다.
Q5. 소방서 협의 시 설계자가 준비해 두면 좋은 자료는?
A5. 기본적으로 위험물 분류표, 지정수량 대비 취급수량 계산서, 시설 유형별 배치도, 탱크·방유제 설계 계산서, 환기·소화설비 성능 계산서, 계측·제어 인터록 개요, 법령 기준 체크리스트 등을 정리해 두면 협의가 수월하다. 특히 방유제 용량, 안전거리, 소화수원·펌프 용량처럼 쟁점이 되기 쉬운 항목은 간단한 설명 메모와 함께 도식화하여 제출하는 것이 도움이 된다.