설비보전과 고장률 곡선

왜 배우는가: 설비보전과 고장률 곡선은 설비관리 기술사 시험에서 보전 방식의 정의, 고장 시점별 구분, 욕조곡선의 해석을 한 주제로 묻는 기본 개념이다. 실무에서는 설비의 고장 특성에 맞춰 보전 주기와 대책을 정하는 근거가 되므로 여러 교시에 걸쳐 함께 묻는 주제이다.

출제 이력: 제133회 3교시 4번, 제121회 4교시 1번, 제97회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

설비보전은 설비의 기능을 유지하도록 점검·정비·수리를 체계적으로 수행하는 활동이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 설비보전: 설비의 고장을 예방하고 고장 후에는 복구하여 가동 상태를 유지하는 활동 전체를 가리킨다.
• 예방보전(PM): 고장이 나기 전에 정기 검사와 정비로 고장 가능성을 줄이는 보전 방식이다.
• 사후보전(CM): 고장이 발생한 뒤에 수리하거나 교체하여 설비를 복구하는 보전 방식이다.
• 보전예방(MP): 설계 단계부터 보전 부담이 적은 설비를 만드는 활동이다.
• 고장률 곡선: 사용 시간에 따른 고장률 변화를 나타낸 곡선이다.
• 초기고장기: 가동 초기에 결함이 드러나 고장률이 떨어지는 구간이다.
• 우발고장기: 고장률이 낮고 일정하게 유지되는 구간이다.
• 마모고장기: 마모와 열화가 누적되어 고장률이 높아지는 구간이다.

2. 개념 풀이

설비보전은 설비의 고장을 줄이고 고장이 난 설비를 빠르게 복구하여 생산 설비가 요구된 기능을 계속 수행하도록 하는 활동이다. 설비가 멈추면 생산이 중단되고 제품 품질과 납기에 영향을 주므로, 설비보전은 보전 비용과 고장 손실의 균형을 맞추는 관리 활동으로 이해해야 한다. 고장 시점을 기준으로 보면 보전 방식은 고장 전에 실시하는 예방보전(PM)과 고장 후에 실시하는 사후보전(CM)으로 나뉜다.

예방보전은 정기적인 설비 검사와 설비 정비 업무로 크게 나뉘며, 점검, 윤활, 청소, 부품 교체 같은 기본 활동으로 구성된다. 검사 주기를 짧게 하면 수리 횟수가 늘어 사전 보수가 많이 발생하지만, 돌발고장이 날 기회는 줄어든다. 예방보전의 총비용은 생산정지에 의한 손실과 보전비용의 합으로 나타낸다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$C_{PM} = L_{stop} + C_{m}$

여기서 C_{PM}은 예방보전의 총비용, L_{stop}은 생산정지에 의한 손실, C_{m}은 보전비용이다. 검사 주기는 이 두 항의 합이 최소가 되도록 정하는 것이 원리이다.

사후보전은 고장이 발생한 뒤 수리하거나 교체하여 설비를 복구하는 활동이다. 검사와 정비 비용이 들지 않는 대신 설비가 멈추는 손실이 크고, 고장 난 부품이 다른 부품까지 손상시킬 수 있다는 단점이 있다. 따라서 사후보전은 고장이 생산에 미치는 영향이 작은 설비에 한정하여 적용하는 것이 합리적이다.

보전예방은 신뢰성이 높은 설비를 설계·제작하는 활동이다. 설계 단계에서 보전을 요하지 않는 설비를 만들면 보전 부담 자체가 줄어든다. 설비보전의 목적이 예방보전과 사후보전 같은 보전활동에만 있지 않은 이유이다. 보전예방은 신뢰도와 보전도를 설계 단계에서 높여 설비의 가동률을 높이는 활동이다.

고장률 곡선은 설비나 제품이 사용 시간에 따라 고장을 일으키는 비율을 그린 곡선이다. 고장률 h(t)는 시간 t까지 작동한 설비 중 단위 시간당 고장이 발생하는 비율을 뜻한다. 곡선의 모양이 욕조 단면과 닮아 bathtub curve라고 부르며, 한국어로는 욕조곡선이라고 한다. 곡선이 세 구간으로 나뉘는 이유는 고장 원인이 시간에 따라 바뀌기 때문이다. 가동 초기에는 결함, 중간에는 우연, 후기에는 마모가 주된 원인이 된다.

고장률 곡선은 초기고장기, 우발고장기, 마모고장기의 세 구간으로 나뉜다.

초기고장기는 설비를 가동한 직후의 구간으로, 고장률이 감소형을 보인다. 제조 결함과 조립 불량, 운반 중 손상 같은 원인이 가동 초기에 드러나면서 고장이 몰리고, 결함 있는 개체가 걸러지면 고장률이 떨어진다. 따라서 초기고장은 품질 관리와 번인 시험(burn-in)으로 줄인다.

우발고장기는 고장률이 낮고 일정형을 보이는 구간이다. 고장의 원인이 특정 부품의 노화가 아니라 우연히 작용하는 외부 요인과 과부하에 있으므로, 고장이 사용 시간과 무관하게 일정한 비율로 일어난다. 이 구간의 고장은 사용 조건을 관리하고 점검을 통한 예방 정비로 줄이는 것이 기본이다.

마모고장기는 부품의 마모, 열화, 노화가 누적되어 고장률이 증가형으로 바뀌는 구간이다. 이 구간에서는 고장 빈도가 높아지므로 부품 교체와 오버홀, 정기 정비로 대응한다. 곡선의 오른쪽 상승부가 이 구간에 해당한다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

• 신뢰도: 시스템과 설비가 규정된 조건에서 규정된 기간 동안 규정된 기능을 수행하는 확률이다.
• 보전도: 고장 후 규정된 조건에서 수리할 때 규정된 시간 안에 수리가 완료되는 확률이다.
• 가동률: 설비가 실제로 가동할 수 있는 시간이 전체 계획 시간에서 차지하는 비율이다.
• 사전보수: 검사에서 고장 징후가 확인되어 고장 전에 미리 실시하는 수리이다.