1. 사고 개요
2021년 1월 28일, 미국 조지아주 게인즈빌(Gainesville)에 위치한 Foundation Food Group의 식품 가공공장에서 액체질소 누출 사고가 발생했다.
해당 공장은 조리된 닭고기 제품을 급속 냉동하기 위해 액체질소(Liquid Nitrogen)를 사용하는 침지식 냉동설비(Immersion Freezer)를 운영하고 있었다.
사고 당일 냉동설비의 유지관리 작업 중 액체질소 제어장치가 정상적으로 작동하지 않으면서 대량의 액체질소가 설비 밖으로 넘쳐 흘렀다.
누출된 액체질소는 빠르게 기화하여 질소가스로 변했고, 기계식 환기설비가 없는 반밀폐 공간에 축적되면서 산소결핍 환경을 형성했다.
당시 설비 내부에서 작업하던 유지관리 작업자 2명이 질식으로 사망했으며, 이후 동료를 구조하기 위해 위험 공간에 진입한 작업자 4명도 추가로 사망했다.
최종적으로 6명이 사망하고 3명의 공장 직원과 1명의 소방대원이 산소결핍으로 중상을 입었다.
사고 개요
| 구분 | 내용 |
| 사고 발생일 | 2021년 1월 28일 |
| 사고 장소 | Foundation Food Group, Gainesville, Georgia, USA |
| 사고 유형 | 액체질소 누출 및 산소결핍 |
| 주요 설비 | Liquid Nitrogen Immersion Freezer |
| 사망자 | 6명 |
| 중상자 | 공장 직원 3명, 소방대원 1명 |
| 조사기관 | U.S. Chemical Safety Board (CSB) |
이번 사고는 폭발이나 화재가 발생하지 않았음에도 불구하고, 무색·무취의 질소가스가 산소를 밀어내면서 다수의 사망자를 발생시킨 사고다.
사고 이후 CSB는 최종 조사보고서를 발표하고 설비 설계, 산소농도 감지, 비상대응 및 안전관리 체계의 문제점을 지적했다.
2. 관련 설비 및 사고 발생 과정
2.1 액체질소를 이용한 냉동설비
Foundation Food Group은 조리된 닭고기 제품을 급속 냉동하기 위해 액체질소를 사용했다.
해당 공정에는 Immersion Freezer와 Spiral Freezer가 연결된 침지식 나선형 냉동설비가 적용되었다.
공정은 크게 두 단계로 구성된다.
- Immersion Freezer
- 조리된 닭고기 제품을 액체질소 욕조에 통과시켜 1차 냉각 및 부분 냉동한다.
- 액체질소의 온도는 약 -196℃이다.
- Spiral Freezer
- 1차 냉각된 제품을 나선형 컨베이어로 이동시킨다.
- 기화된 질소가스가 내부에서 순환하면서 제품을 추가 냉동한다.
액체질소는 냉동설비 내부에서 기화하며, 발생한 질소가스는 별도의 배기설비를 통해 건물 외부로 배출되는 구조였다.
2.2 액체질소 수위 제어장치(Bubbler Tube)
이번 사고의 직접적인 원인은 Immersion Freezer 내부의 액체질소 수위 측정장치인 Bubbler Tube의 변형이었다.
Bubbler Tube는 액체질소의 수위를 측정하는 장치로, 일정한 유량의 질소가스를 튜브 내부로 공급하고 액체에 잠긴 튜브의 압력 변화를 측정하여 액위를 계산한다.
측정된 액위 정보는 제어시스템으로 전달되며, 이를 통해 액체질소 공급 밸브를 조절한다.
해당 설비에는 다음과 같은 제어 및 보호 기능이 적용되어 있었다.
- 액체질소 수위 측정 및 자동 제어
- 설정된 고수위에 도달했을 때 공급을 차단하는 High-Level Safety Interlock
- 액체질소 공급 제어밸브 및 비상 차단밸브
그러나 두 기능 모두 동일한 Bubbler Tube의 측정값을 입력으로 사용하고 있었다.
즉, 액위 제어장치와 고수위 안전 인터록이 독립적인 센서로 구성되지 않은 구조였다.
2.3 사고 발생 원인 및 진행 과정
사고 당일 생산라인은 오전 8시 14분경 생산을 중단하고 냉동설비 유지관리 작업을 진행했다.
이 과정에서 Bubbler Tube가 변형되었을 가능성이 높은 것으로 CSB는 판단했다.
CSB는 튜브가 정확히 어떤 작업에 의해 변형되었는지까지는 확정하지 못했다.
하지만 튜브 끝단이 액체질소의 Overflow 높이보다 위쪽으로 올라가면서 실제 액위가 측정되지 않는 상태가 되었다.
제어시스템은 설비 내부에 액체질소가 없는 것으로 판단했고, 액체질소 공급밸브를 계속 개방했다.
동시에 동일한 측정값을 사용하는 High-Level Safety Interlock도 정상적으로 작동하지 못했다.
결과적으로 액체질소 공급이 계속되면서 냉동설비 내부의 액체질소가 넘쳐 흘렀다.
누출된 액체질소는 기화하여 주변 공간에 축적되었으며, 질소가스가 공기 중 산소를 밀어내면서 산소결핍 환경을 만들었다.
2.4 사고 진행의 주요 단계
- 생산 중단 후 유지관리 작업 시작
- Bubbler Tube 변형
- 액체질소 수위 측정 오류 발생
- 액체질소 공급밸브 지속 개방
- High-Level Safety Interlock 작동 실패
- 액체질소가 냉동설비 밖으로 Overflow
- 기화된 질소가스가 실내에 축적
- 산소결핍으로 작업자 질식
- 동료 구조 과정에서 추가 인명 피해 발생
CSB는 액체질소의 실제 누출량을 확정하지 못했지만 최대 약 6,300갤런(약 23,850L)까지 방출되었을 가능성이 있다고 분석했다.
3. 사고의 주요 원인 및 문제점
3.1 단일 고장점(Single Point of Failure)
이번 사고의 핵심적인 설비 설계 문제는 하나의 Bubbler Tube가 액위 제어와 고수위 안전 인터록에 동시에 사용되었다는 점이다.
정상적인 상태에서는 하나의 측정장치로 두 가지 기능을 수행할 수 있지만, 해당 측정장치가 고장 나면 두 기능이 동시에 무력화될 수 있다.
실제로 Bubbler Tube가 변형되자 액체질소의 수위를 정상적으로 측정하지 못했고, 고수위 차단 기능도 작동하지 않았다.
또한 설비 제작 과정에서 Bubbler Tube를 고정하는 지지 클램프 2개 중 1개가 누락되어 있었다.
이러한 설계 및 제작상의 문제로 인해 하나의 부품 변형이 설비 전체의 보호기능 상실로 이어졌다.
설계상 교훈
- 주요 계측장치의 단일 고장 가능성 검토
- 제어시스템과 안전 인터록의 독립성 확보
- 중요 계측장치의 기계적 보호 및 고정 상태 확인
- 설비 제작 및 설치 단계의 품질검사 강화
3.2 산소농도 감지 및 경보장치 미설치
액체질소는 기화하면서 대량의 질소가스를 발생시킨다.
질소 자체는 독성이 없지만, 공기 중 산소를 밀어내면 인체에 치명적인 산소결핍 환경을 형성한다.
특히 질소는 무색·무취이므로 사람이 냄새나 색으로 누출을 인지하기 어렵다.
해당 냉동설비가 설치된 공간에는 산소농도를 지속적으로 측정하는 Atmospheric Monitoring System이 설치되어 있지 않았다.
따라서 산소농도가 위험 수준으로 낮아지더라도 작업자에게 이를 알리는 경보장치가 없었다.
CSB는 산소결핍 위험이 존재하는 공간에 산소농도 감지장치와 시각·청각 경보장치를 설치하는 것이 중요하다고 지적했다.
설계상 교훈
- 질소 및 기타 질식성 가스 사용 공간의 위험성 평가
- 산소농도 감지기 설치 위치 검토
- 위험 수준 도달 시 시각 및 청각 경보 연동
- 필요시 감지 신호와 설비 비상정지 시스템 연계
3.3 비상대응 및 구조체계의 실패
이번 사고에서 인명 피해가 확대된 주요 원인 중 하나는 비상대응 체계의 부재였다.
최초 누출 당시 설비 내부에서 작업하던 작업자 2명이 질식했다.
이후 다른 작업자가 쓰러진 동료들을 발견했고, 이를 구조하기 위해 여러 작업자가 해당 공간으로 진입했다.
그러나 현장 작업자들은 질소가스가 산소결핍 환경을 형성한다는 사실과 해당 공간에 진입하는 것이 얼마나 위험한지 충분히 인지하지 못했다.
CSB 조사에 따르면 최소 14명의 직원이 사고 현장이나 인접 공간으로 접근하거나 진입했으며, 이 과정에서 추가로 4명이 사망하고 3명이 중상을 입었다.
회사는 액체질소 누출 사고에 대한 구체적인 비상대응 절차를 마련하지 않았고, 직원들에게 관련 교육과 훈련도 제공하지 않았다.
설계 및 안전관리상 교훈
- 위험물질 누출 시 접근금지 및 대피 절차 수립
- 비상상황 발생 시 경보 및 전파체계 확보
- 구조 작업은 적절한 교육과 보호장비를 갖춘 전문 대응인력이 수행
- 비상구 및 대피동선의 적정성 검토
- 외부 소방 및 구조기관과의 사전 협조체계 구축
3.4 공정안전관리(PSM) 및 설비 운영관리 미흡
CSB는 해당 사업장에 체계적인 Process Safety Management System이 부족했다고 지적했다.
주요 문제는 다음과 같다.
- 냉동설비의 공정 위험성 평가 미흡
- 액체질소 누출에 대한 위험성 검토 부족
- 설비 유지관리 절차 및 작업 기준 미흡
- 설비 변경 및 유지관리 과정의 관리체계 부족
- 작업자에 대한 질소 질식 위험 교육 부족
- 제조사와 사용자 간 안전관리 책임 및 정보 공유 미흡
특히 설비 제조사인 Messer는 액체질소 사용 시 산소농도 감지장치의 필요성을 사용자에게 여러 차례 안내했지만, 실제 설비가 운영되는 공간에는 해당 장치가 설치되지 않았다.
설비 공급자와 운영자 사이에서 위험성에 대한 정보가 전달되었음에도 실질적인 개선으로 연결되지 못한 것이다.
4. 건축설계 관점에서 검토해야 할 사항
이번 사고는 설비 자체의 고장으로 시작되었지만, 건축물의 공간 구성과 환기 조건이 사고의 피해를 확대했다는 점에서 건축설계와도 밀접한 관련이 있다.
4.1 위험설비 설치 공간의 위치 및 배치
사고가 발생한 냉동설비 공간은 주변 바닥보다 약 5ft(약 1.5m) 낮게 형성된 부분이 있었으며, 두 방향은 주변 공간보다 낮은 위치에 배치되어 있었다.
또한 해당 공간은 벽과 출입구로 구획되어 있었고, 기계식 환기설비도 설치되어 있지 않았다.
CSB는 이러한 공간적 특성으로 인해 기화된 질소가스가 외부로 쉽게 배출되지 못하고 공간 내부에 축적되었다고 분석했다.
따라서 플랜트 건축설계에서는 위험가스 및 질식성 가스를 사용하는 설비의 설치 위치를 검토할 때 다음 사항을 고려해야 한다.
- 지하 및 반지하 공간 등 저지대 공간의 설치 여부
- 주변 공간과 바닥 높이 차이
- 벽체 및 출입구에 의한 공간 폐쇄 정도
- 외부로 연결되는 개구부 및 환기 경로
- 누출 시 인접 작업공간으로의 확산 가능성
특히 액체질소와 같이 기화 시 대량의 가스를 발생시키는 물질을 사용하는 경우에는 설비 주변의 공간 형태와 환기 조건을 함께 검토해야 한다.
4.2 환기 및 배기설비 검토
해당 공간에는 냉동설비 자체의 배기장치가 설치되어 있었지만, 실내 전체를 대상으로 하는 HVAC 또는 산업용 환기설비는 설치되어 있지 않았다.
설비 내부에서 정상적으로 발생하는 질소가스를 배출하는 것과 설비 외부로 누출된 질소가스를 제거하는 것은 서로 다른 문제다.
정상 운전 시 설비 배기장치가 작동하더라도 설비 파손이나 Overflow 상황에서는 실내에 질소가스가 축적될 수 있다.
따라서 건축 및 기계설계 단계에서 다음 사항을 검토해야 한다.
- 정상 운전 시 설비 배기량 및 보충공기(Make-up Air) 확보
- 비정상 누출 상황에서의 환기 및 배출 경로
- 공간의 높이, 깊이 및 개구부 배치
- 환기설비의 비상 운전 조건
- 배출가스가 다른 작업공간으로 유입되지 않도록 하는 배기 위치
환기설비의 용량과 배치 방법은 누출 시나리오 및 위험성 평가 결과를 바탕으로 결정해야 한다.
4.3 산소농도 감지기 및 경보장치 설치 공간
산소결핍 위험이 있는 공간에는 산소농도 감지장치의 설치 여부를 검토해야 한다.
건축설계자는 감지기의 종류와 제어방식을 직접 결정하는 주관 분야가 아닐 수 있지만, 다음 사항은 설비 및 계장 분야와 협의해야 한다.
- 산소농도 감지기의 설치 위치
- 감지기 점검 및 교체를 위한 접근 공간
- 경보장치의 설치 위치 및 가시성
- 경보 발생 시 작업자가 쉽게 인지할 수 있는지 여부
- 감지 및 경보설비의 전원과 배선 경로
- 비상정지 버튼 및 차단장치의 접근성
특히 산소농도 감지기와 경보장치는 설치 자체뿐 아니라 유지관리와 시험이 가능하도록 공간을 확보하는 것이 중요하다.
4.4 비상 대피 동선 및 출입구 계획
이번 사고는 최초 누출 이후 동료를 구조하려던 작업자들이 추가로 사망했다는 점에서 비상대피와 접근통제의 중요성을 보여준다.
위험물질을 사용하는 설비 주변의 건축설계에서는 일반적인 피난동선 외에도 위험물질 누출 시나리오를 고려해야 한다.
- 위험공간에서 외부로 연결되는 대피 경로 확보
- 위험지역을 통과하지 않는 대체 대피 경로 검토
- 출입구 및 비상구의 위치와 접근성
- 출입구 주변의 경보 및 위험표지 설치
- 비상상황에서 외부인이 위험공간에 진입하지 않도록 하는 출입통제
또한 비상정지 버튼이나 차단장치는 위험공간 내부에만 설치하지 않고, 위험지역에 진입하지 않고도 조작할 수 있는 위치를 검토해야 한다.
4.5 유지관리 공간 및 설비 접근성
이번 사고는 생산 중단 후 유지관리 작업을 수행하는 과정에서 시작되었다.
따라서 설비의 정상 운전뿐 아니라 점검, 정비, 부품 교체 등의 유지관리 작업 조건도 설계 단계에서 고려해야 한다.
- 설비 상부 및 측면 점검 공간 확보
- 계측장치 및 배관의 접근성
- 유지관리 작업 시 작업자 안전 확보
- 정비 중 위험물질 공급 차단 및 격리 가능 여부
- 설비 주변의 작업공간과 대피 경로 간 간섭 검토
특히 유지관리 작업 중 설비의 보호장치가 무력화되지 않도록 설비 및 계장 분야와의 협의가 필요하다.
5. 사고를 통해 확인해야 할 설계 실무상의 교훈
이번 사고는 단순한 설비 고장으로만 설명할 수 없다.
설비의 단일 계측장치가 고장 났을 때 이를 보완할 독립적인 보호장치가 없었고, 질소가스 누출에 대비한 산소농도 감지와 경보체계도 없었다.
또한 위험물질이 누출될 수 있는 공간의 환기 조건과 비상대응 절차도 충분히 검토되지 않았다.
건축설계자는 모든 공정 위험을 직접 분석하거나 안전계장 시스템을 설계하는 역할을 담당하지는 않는다.
그러나 공정 및 안전 분야에서 제공하는 위험성 평가 결과를 건축설계에 반영하고, 위험물질 누출 시 건축물의 공간 구성과 배치가 피해를 확대하지 않도록 검토해야 한다.
플랜트 건축설계 실무 Tip
- 질소, 이산화탄소 등 질식성 가스를 사용하는 설비의 위치를 확인한다.
- 반지하, Pit, 저지대 및 반밀폐 공간에 위험설비가 배치되는지 검토한다.
- 설비 자체의 배기설비와 실내 전체의 환기설비를 구분하여 검토한다.
- 산소농도 감지기와 경보장치의 설치 및 유지관리 공간을 확보한다.
- 위험물질 누출 시 대피할 수 있는 출입구와 비상동선을 검토한다.
- 설비 유지관리 및 비상정지 작업을 위한 접근 공간을 확보한다.
6. 결론
Foundation Food Group의 액체질소 누출 사고는 액체질소 수위 측정장치의 변형이라는 작은 설비 이상이 대량의 질소가스 누출로 이어지고, 결국 6명의 사망자를 발생시킨 사고다.
사고의 직접적인 원인은 Bubbler Tube의 변형으로 인한 액위 제어 및 안전 인터록 기능의 상실이었다.
그러나 인명 피해가 확대된 배경에는 산소농도 감지 및 경보장치의 부재, 불충분한 환기 조건, 비상대응 체계의 미흡 등이 복합적으로 작용했다.
이번 사고는 플랜트 설계에서 설비 자체의 정상 운전 조건뿐 아니라 설비 고장, 위험물질 누출, 비정상 운전 및 비상상황까지 고려해야 한다는 점을 보여준다.
특히 건축설계에서는 위험설비의 배치, 공간의 개방성, 환기 및 대피동선 등을 공정 및 안전 분야와 함께 검토해야 한다.
정상적인 운전 조건을 만족하는 설계와 비정상 상황에서도 인명 피해를 최소화할 수 있는 설계는 구분되어야 한다.
원본 영상
CSB 공식 영상: Fatal Fog – Liquid Nitrogen Release at Foundation Food Group
참고자료
- U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board (CSB), Fatal Liquid Nitrogen Release at Foundation Food Group, Final Investigation Report, December 2023.
- CSB, Fatal Fog: Liquid Nitrogen Release at Foundation Food Group, Safety Video, August 25, 2026.
- OSHA, Six employees are killed in liquid nitrogen release, Accident Report.
- 공식 조사보고서 : https://www.csb.gov/assets/1/6/ffg_investigation_report_publication_copy.pdf
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