▲ 질소용기 내부 이물질 확인 모습 (좌측 : 질소용기에 접속된 필터, 우측 : 필터 입구에 존재한 이물질)

2002∼2019년까지 134건 발생

압축기 사고 37건, 충전호스 31건

안전기술 확보 위한 성과 축적해야

 

기후변화에 대응하기 위한 세계 각국의 탄소중립 의지가 그 어느 때보다도 강하고 추진전략도 구체화되고 있다. 그 중 수소에너지에 대한 관심 또한 고조되고 있으며 수소연료 차량을 중심으로 세계 각국에서 인프라 구축이 진행되어 왔다. 일본의 경우 세계 수소시장을 선도하고자 하는 의지로 수소연료전지 로드맵을 수립하는 등 적극적으로 대응해 오고 있다.

일본 고압가스보안협회(KHK) 자료에 따르면, 일본의 압축수소 충전소는 총 187개소이며, 2002년부터 2019년까지 발생했던 수소충전소 관련 사고는 총 134건이다. 이 중 압축기에서의 사고가 37건으로 가장 많았고, 다음으로 충전 호스에서 31건, 디스펜서(충전호스 제외)에서 29건, 축압기에서 25건의 사고가 있었다. 이들 사고 중 압축기와 충전호스에서 발생한 사고와 분석 사례를 소개한다.

실링구조 2중화로 압축기 가동시간 늘려

먼저, 압축기 부분에서 발생한 사고다.

2018년 10월 24일과 10월 31일 나고야시에 있는 한 수소충전소에서 두 차례에 걸쳐 사고가 발생했다. 차량에 수소 충전 후 압축기 패키지 내에 설치된 가스누출검지경보설비에서 경보가 울려 압축기 제조사와 함께 휴대용 가스검지기를 사용하여 누출 부위를 특정하는 작업을 실시한 결과, 첫 번째 누출 시에는 압축기의 5단 실린더 헤드에서 169ppm 누출, 두 번째 누출 시에는 압축기 3단 실린더 헤드에서 128ppm의 누출을 확인하였다.

해당 압축기는 다단식(5단) 왕복동식 압축기로, 운용개시 후 약 2년 6개월이 경과하였고, 2017년 12월에 5단 실린더 헤드에서 한 차례 수소누출이 발생한 바 있어 이때 5단 실린더 헤드의 O링을 교체하고 가스누출검지경보설비 검지 레벨을 높여(경보설정값 변경1480ppm→100ppm) 감시체제를 강화하였다.

이 사고의 원인을 분석한 결과, 5단 실린더 헤드에서의 누출은 압력맥동에 의한 O링의 뒤틀림 때문으로, 3단 실린더 헤드에서의 누출은 충전소 운용 개시 후 O링의 교체없이 내용 가동시간을 초과하여 사용하였기 때문으로 분석되었다.

이 사고에 대한 우선적인 조치로 해당 O링을 새 제품으로 교체했고, 향후 O링 교체 주기도 누출이 발생한 가동시간보다 짧은 시간(5단 헤드는 200시간, 3단 헤드는 500시간)에 압축기의 분해점검·정비를 실시해 교체하도록 했다.

향후 재발 방지를 위해 5단 실린더 헤드의 헤드 아래에 위치한 어댑터를 분할하고, 실링 구조를 2중화하는 구조변경을 검토하였고, 이를 통해 압축기 가동시간이 650시간을 초과해도 누출이 발생하지 않는 유의미한 성과를 거두었다.

가스안전기기 활용도 중요

압축수소 충전소에서는 사고예방을 위해 조기에 누출을 검지하여 대응하는 것이 중요할 것이다. 미량누설을 고압가스 사고로 다룰 것인지 여부는 검토가 필요하겠지만 현장에서 감시체제를 강화하는 의미에서 미량의 누출이 검지되었을 때에도 적절히 대응하는 것이 중요하다 하겠다. 이와 더불어 가스누출검지경보설비를 적절한 곳에 설치하고, 필요에 따라 휴대용검지기를 활용하는 등 감시체제를 강화하여, 조기에 누출을 검지할 수 있도록 하는 노력이 필요하다.

또한, 압축수소충전소에서 사용되는 실링재가 아직 개발 중에 있는 등 기술적으로 쉽게 해결되지 않은 원인에 의한 사고가 많다. 따라서, 제조 및 사용단계 모두 이를 인식하고 사고 및 이상 상황 발생 정보나 최신 기술정보 등을 수소충전소 관계자 모두가 공유하여 사고를 미연에 방지할 수 있도록 활용할 필요가 있다. 우선적으로 취할 수 있는 조치를 취하면서 제조자-사용자가 협력하여 감시체제를 강화하는 등 현장에서 대응 가능한 부분을 대응해 가는 것이 중요한 시기이다.

두 번째 사고는 충전호스에서 발생한 사고다.

▲ 디스펜서 짧은측 충전호스 (사고 후 촬영)

이 사고는 아이치현의 한 충전소에서 2018년 8월에 발생한 것으로, 충전호스에서 발생한 사고로는 매우 드물게 누출이 아닌, 파열·파손으로 분류된 사고이다. 차량에 충전을 시작하고 4분 정도 경과 후(충전호스 압력 79MPa일 때)에 보통 때와는 다른 ‘쉬-’ 하는 가스누출소리가 나기 시작했고, 충전종료 때 ‘펑’하는 파열음이 있었다. 현장확인 결과, 충전호스 중 짧은 쪽 긴급이탈 커플러측 이음부로부터 약 4cm의 위치에 충전호스 표피(외층)가 갈라져 있는 것이 확인되었다.

질소용기 내 금속 이물질은 호스 손상

사고원인은 정기자율검사 시 분해정비를 실시하면서 충전노즐에 질소용기를 접속하여 질소 블로우를 하는 과정에서 사용된 질소용기 내에 금속편 등의 이물질이 다수 존재하고 있는 것이 확인된 바, 이때 용기의 이물질이 혼입되어 충전호스 내층 안쪽면에 충돌하면서 손상을 입혀 균열을 발생시킨 것으로 추정되었다.

이때 발생한 충전호스의 디스펜서측 내층의 미세균열에서 수소가 누출되었고 누출된 수소는 보강층을 따라서 표피(외층) 아래로 흘러들어 충전호스의 긴급이탈커플러측 연결구 근처에서 외층이 파열에 이른 것이다.

외층이 파열에 이른 원인은 충전호스에는 투과된 수소가스를 외층 밖으로 방출하는 미세한 구멍이 만들어져 있는데, 내층의 미세균열로부터 누출된 수소가스량이 평소 사용 시의 투과가스량 보다도 매우 많았기 때문에 누출된 가스가 외층 미세구멍에서 방출되지 못하고 보강층과 외층사이에 체류하여 압력상승에 의해 외층이 파열된 것이다.

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