파이프라인의 안전성 관리 – 성장과 위협

파이프라인을 안전하고 신뢰할 수 있게 운영하는 능력은 가스 및 기타 유체의 안전한 운송에 필수적이다.

전 세계 120개국에 2,175,000 마일의 파이프라인이 있으며, 파이프라인 및 가스 저널(Pipeline & Gas Journal)의 2017년 전 세계 건설 보고서에 따르면, 83,000 마일에 달하는 신규 파이프라인 설치가 계획되어 있다. 한 예로, 중앙아시아 투르크메니스탄의 가스전과 상하이 및 홍콩의 중국 도시를 연결하는 웨스트-이스트 가스 파이프라인 프로젝트는 전 세계에서 가장 긴 육상 파이프라인으로 2,485 마일(4,000km)에 달한다.

오늘날 파이프라인의 효과적으로 활용하는데 있어 가장 위협되는 요소 중 하나는 부식이다. 2016년 NACE(부식 공학 협회) 영향1)연구에 따르면 부식 문제로 소모되는 비용은 전 세계적으로 2조 5천억 달러로 추산되며, 파이프라인의 노화로 이는 더욱 악화될 것이다. 2017년 5월 리서치 앤 마켓(업계 분석가) 보고서에 따르면, 2015년 전 세계 석유 및 가스 파이프라인의 67%가 20년이 넘었다.

본고를 통해 파이프라인의 내부 부식과 그로 인한 문제점에 대해 살펴보고자 한다. 현존 기술들의 장단점, 새로운 혁신 기술들, 특히 Field Signature Method(FSM™) 에 기반한 비간섭적 부식 모니터링에 대해 알아본다.

내부 부식의 원인과 추적의 어려움

파이프라인 내부에서 발생하는 부식은 사고를 일으키는 주요 원인이다. 내부 부식을 발생시키는 원인은 다양한데 유체가 가진 부식성, 유속, 수분 축적, 이산화탄소나 황화수소 또는 기타 파이프라인 불순물 등이 있다.

내부 부식 문제에 대한 논의는 쉽지 않다. 첫째, 멀리 떨어져 있는 파이프라인의 넓은 영역에 발생하는 부식을 비용 효율적으로 모니터링하는 것은 어려운 일이다. 여기에는 통신, 전력, 운송 및 물류 관련 문제뿐만 아니라 일반적인 부식 모니터링 기술은 연속적으로 배관에 설치된 상태에서 사용될 수 없다는 문제가 있다.

둘째, 금속 표면의 좁은 영역에 나타나는 국부 부식과 훨씬 넓은 영역에 균일하게 분산되는 전면 부식을 식별할 필요가 있다. 국부 부식과 잠재적 누수를 발생시키는 무기산, 염분, 이산화탄소, 황화 수소 및 기타 구성요소도 종종 추적하기 힘들다.
그렇다면, 멀리 떨어진 파이프라인의 광범위한 영역에 발생하는 부식을 추적할 수 있는 방법은 무엇이 있을까?

인라인 검사(ILI, In-Line Inspection)

ILI에는 초음파 검사, 자기유량 검사, 메탈 손실 도구 및 피깅(Pigging)과 같은 다양한 도구와 기술이 포함된다.

스마트 피그(Smart pigs)는 여전히 널리 사용되고 있다. 크랙, 균열, 침식 및 기타 다른 문제를 확인하고 파이프의 두께를 측정하는 고도로 조정된 센서가 사용되며, 응력 균열, 전면 부식과 피팅의 부식을 감지하는데 핵심적인 역할을 하고 있다. 피깅 시스템 자동화의 성장은 경제적, 환경적인 면에서 이득을 가져왔는데, 이는 이전의 수동 피깅 시스템과 비교했을 때 현장에서 필요한 인원이 적기 때문이다.

그러나 ILI 기술은 각종 관련 도구를 설치하고, 다양한 요구 사양에 맞도록 파이프라인 환경을 설정해야 한다는 고유한 문제를 수반하고 있다. 또한, 멀리 떨어진 지역과 지하에 설치된 파이프라인의 하부 부분에는 설치하기가 쉽지 않다.

또한, 많은 경우에 하나의 파이프라인을 이용해 소비자와 도시 등에 석유를 공급하기 때문에 ILI 기술을 사용할 경우 공급 중단 상황이 발생할 수밖에 없다.

마지막으로, 비용 및 물류 문제가 있다. 넓은 지역과 거리가 먼 지역을 모니터링해야 하는 경우에 특히 그렇다. 장비 가격이 비쌀 뿐만 아니라, 설치에 많은 인건비가 소요되는 스마트 피그는 상당한 초기 투자 비용과 운송비를 발생할 수 있다. 각 피그는 평균적으로 몇 마일 밖 정도만 감시할 수 있기 때문에 피그를 여러 개 작동시켜야 하며(파이프라인 별로 피킹이 필요한 횟수도 다름, 어떤 부분은 일 단위로 실시되어야 하나, 어떤 부분은 주 단위로 실시), 스마트 피깅 작업의 총 비용은 1마일당 35,0 00 달러에 달한다.

직접 평가(Direct Assessment)

또 다른 옵션으로 외부 부식 직접 평가(ECDA, External Corrosion Direct Assessment), 내부 부식 직접 평가(ICDA, Internal Corrosion Direct Assessment), 응력 부식 직접 평가(SCCDA, Stress Corrosion Direct Assessment)로 구성된 직접 평가가 있으며, 상세한 ILI 기반의 검사를 보완하도록 설계되었다.

예를 들어, ICDA의 목표는 파이프라인을 따라 부식 가능성의 우선 순위를 정하고, 그러한 손상(예 : 물이 축적되는 곳)에 가장 취약한 위치를 파악하고, 탐색 및 검토하는 것이며, 그 다음 결과를 전체 파이프라인의 무결성을 평가하는 기초로 사용한다. 과거 데이터 수집, 검사 단계에서의 필드 데이터와 파이프라인 모델링을 수행하는 데 도움이 되는 운영 데이터도 이 평가에 포함된다.

오늘 날에는 직접 평가(Direct Assessment)가 대중적인데, 특히 피그를 사용할 수 없는 소구경, 곡관 및 연결 부분과 피그가 막힐 수 있는 저유량 파이프라인에 그러하다. 내부 부식의 경우, NACE는 내부 부식 가능성과 관련한 파이프라인의 무결성에 대한 요구로 건조 가스, 습식 가스 및 액체 제품 파이프 라인에 대한 내부 부식 직접 평가(ICDA, Internal Corrosion Direct Assessment) 방법을 승인하고 있다.

그러나 직접 평가는 운영 비용이 상당히 높다는 점, 커버하는 파이프라인이 매우 짧다는 점, 굴착 위치는 운영자의 주관적 선택에 달려 있다는 점, 분산된(Discrete) 데이터 포인트를 사용하는 점 등이 한계점이 있다.

분산 데이터 포인트를 사용함으로 인해 파이프라인 중에서 선택된 일부 영역의 검사 데이터가 전체 파이프라인의 안정성을 특성화하고 유량 모델링, 정확한 측량, 부식 예측 능력에 크게 의존할 수밖에 없다. 넓은 지역의 파이프라인에서는 이것이 상당한 위험을 초래할 수 있다.

비십입식, 온라인 부식 모니터링
필요의 긴급성

이러한 맥락에서 인라인 검사와 직접 평가의 상대적인 장점을 평가했을 때, 건정성 평가의 다른 형태로 비삽입식, 온라인 부식 모니터링과 필드 서명 방법(FSM, Field Signa ture Method)이 있다.

FSM은 파이프, 파이프라인 또는 선박의 모니터링 섹션을 통한 전류 공급을 기반으로 한다. 인가된 전류는 전기장을 설정하고, 외부 파이프 벽에 설치된 센싱 핀 사이의 전압 강하 값을 모니터링한다.

초기 측정 시에 외부 파이프 벽에 설치된 모든 센싱 핀 사이의 전압 강하를 측정하여 기준값인 필드 서명(Field Signature) 값을 정의한다. 이후의 측정은 필드 서명과 비교되는데, 전면 부식의 경우에는 모든 핀 사이의 전압 강하가 균일하게 증가되며, 국부 부식의 경우에는 일부 핀 사이의 센싱 핀 값만 증가한다.

여기에서 주목해야 할 것은 센싱 핀 사이를 측정한다는 점인데, 이는 센싱 핀이 있는 포인트뿐 아니라 센싱 핀 사이를 포함한 전체 모니터링 영역을 측정한다는 것을 의미한다. 특히 국부 부식을 모니터링할 때 중요하다.

FSM은 메탈이 손상되는 추이를 효과적으로 관리하기 위해 데이터를 이용해 시간별 메탈 손상율을 보여주며, 3D 형태로 모니터링하고 있는 영역의 부식 분포를 보여준다. 전면 부식의 경우 FSM 일반적인 민감도는 파이프 두께의 0.1%로, 대략 10~20 마이크로미터 정도이다.

에머슨은 이 기술을 활용하여 Roxar FSM Log 48 Area Corrosion Monitor™를 개발하여, 최소의 인력으로 멀리 떨어진 넓은 지역의 파이프라인에 대한 영구적이고 경제적인 온라인 부식 및 침식 모니터링을 제공한다.

새로운 FSM 모니터는 단층 촬영 기술로 전면 부식은 물론 국부 부식도 확인하며, 불필요한 파이프 교체 및 과도한 화학 억제제 주입을 방지할 수 있다. 마일당 4백 5십만 달러에 달하는 파이프라인 건설을 고려했을 때, 상당한 비용 절감 효과를 가져온다.

포괄적인 온라인 파이프라인의 상태 정보를 갖추고 있는 운영자는 피그 런, 건전성 탐색 및 정수압 테스트의 실행 시기와 방법을 좀 더 잘 결정하고, 파이프라인 가용성 및 운송 능력을 향상시킨다. 이와 같은 데이터 기반의 예방적 유지 관리로 비계획적 및 계획적 다운타임과 관련한 검사 비용이 절감된다.

더불어, 피그 기술에 따라 다르지만 모니터는 1개에 10 km에 불과한 일반적인 스마트 피그보다 소유 비용이 적으며, 직접 평가와 항공 감시 비용을 크게 줄인다. 모니터는 피그 런을 최적화할 수 있다. 예를 들어, 피그가 곡관, 밸브 제한 장치, 축적된 오염 물질로 움직임이 제한되는 부분에 함께 운영한다.

모니터는 또한 개발되지 않았거나 지하의 육상 파이프 라인 세그먼트에 새로 장착할 수 있다. 셀룰러 통신 및 태양광발전 기능이 있어 멀리 떨어진 지역에도 자가 작동하고, 여러 파이프라인 세그먼트에 더 많은 데이터 포인트를 활용할 수 있다. 다수의 모니터를 파이프라인에 설치할 수 있어 파이프라인의 안전성 확보를 위한 피깅의 필요성이 최소화되고 운송 용량은 증가시킨다.

파이프라인 누수의 70%는 육안 검사로만 식별되는데2), Roxar FSM Log 48 Area Corrosion Monitor™는 향후 디지털화 전략의 중요한 부분이 될 뿐 아니라, 실제 조치에 도움이 되는 정보를 지속적으로 전송하는 지능형 장치 네트워크인 산업 사물인터넷(IIoT)의 핵심 요소로 자리잡을 수 있다.

결 론

넓은 지역의 파이프라인에 비삽입형, 온라인 부식 모니터링을 적용할 경우 가장 큰 혜택은 파이프라인 안전성 관련 규제 준수다. Roxar FSM Log 48 Area Corrosion Monitor는 효과적인 부식 모니터링을 제공할 뿐 아니라 피깅(Pigging) 및 직접 평가(Direct Assessment)와 같은 다른 부식 모니터링 방법도 적용이 가능하다. 이로서 운영자가 멀리 떨어진 외진 지역에서도 정확한 부식 및 침식 모니터링을 수행하고 파이프라인의 용량과 유량 효율성을 높이는 반면, 리스크와 운영관리비를 줄일 수 있다. 또한, 비용 효율적인 데이터 기반의 파이프라인 안전성 관리로 확신을 가지고 운영할 수 있다.