화학설비 고장률 분석

왜 배우는가: 화학설비는 장치 수명 동안 고장이 반복되며, 고장률을 정량화하지 못하면 정비주기·안전장치 신뢰도·위험성평가 빈도를 근거 있게 정할 수 없다. 기술사 시험에서는 MTBF·MTTF의 정의와 고장률 산출 절차가 1교시 용어와 2~4교시 논술에 반복해 출제된다.

출제 이력: 제119회 1교시 4번, 제114회 4교시 6번, 제102회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

화학설비 고장률 분석은 설비의 고장 자료를 수집·정리해 고장률과 MTBF·MTTF를 산출하고, 이를 정비·안전 의사결정에 쓰는 정량적 신뢰성 분석이다.

• 핵심 키워드: 고장률, MTBF, MTTF, 가동률, 고장 분포, 욕조곡선, FMEA, 보전예방(MP)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 설비가 얼마나 자주, 얼마나 오래 멈추는지를 숫자로 적어 두고 그 숫자를 근거로 정비 계획을 세우는 일이다. 고장이 한 번 나면 그 시각과 원인을 기록하고, 여러 설비의 기록을 모아 평균을 낸다.

정식 정의로는 고장률(failure rate)이 설비 사용시간에 대해 고장이 발생하는 비율이다. 고장률을 생애시간 축에 그린 선도를 고장률 곡선이라 하며, 모양이 욕조와 닮아 욕조곡선(bathtub curve)이라 부른다. 곡선은 초기고장기간, 우발고장기간, 마모고장기간의 세 구간으로 나뉜다.

평균고장간격(MTBF, Mean Time Between Failures)은 수리가 가능한 설비가 고장과 고장 사이에 정상 가동하는 평균 시간이다. 수리 후 다시 쓰는 설비에 적용하며, 고장 간 가동시간의 평균으로 계산한다.

평균고장시간(MTTF, Mean Time To Failure)은 수리하지 않고 버리는 부품이나 복구가 불가능한 설비가 처음 고장 날 때까지의 평균 시간이다. 두 용어는 고장률이 일정한 우발고장기간에서는 역수 관계로 같은 값을 가진다.

$\lambda = \frac{\text{고장 건수}}{\text{총 가동시간}}\quad(\lambda: \text{고장률, 건/시간})$

$\text{MTBF} = \frac{1}{\lambda}\quad(\text{고장률이 일정할 때})$

고장률 곡선의 각 구간은 원인이 다르다. 초기고장기간은 설계·제작·설치 결함이, 우발고장기간은 예측하기 어려운 무작위 외력이, 마모고장기간은 노후·부식·피로가 주된 원인이다.

가동률(Operating Rate)은 필요할 때 설비를 정상 사용할 수 있는 상태의 비율로, 이상적으로는 100%이다. 준비교체 등으로 100%는 어렵지만, 고장으로 인한 저하는 관리해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

설비보전은 점검·수리 같은 보전활동만으로는 충분하지 않다. 설계 단계에서부터 고장이 적은 설비를 만드는 보전예방(MP, Maintenance Prevention) 활동이 필요해졌다. 보전예방은 신뢰도와 보전도를 설계에 반영해 가동률을 높이는 일이다.

신뢰도(reliability)는 시스템이 규정된 조건에서 규정된 기간 동안 규정된 기능을 수행할 확률이다. 보전도(maintainability)는 고장 후 규정된 조건에서 규정된 시간 안에 수리가 완료될 확률이다. 두 값을 정량화하려면 고장 자료가 있어야 하므로 고장률 분석이 출발점이 된다.

고장 방치의 손실은 크다. 생산수량 저하(한계이익×생산저하 수량), 품질저하 손실, 투입원단위 증가에 따른 비용 증가, 납기지연 손실, 안전 및 사기 저하가 대표적이다. 화학설비에서는 고장이 곧 누출·화재·폭발 같은 공정안전 사고로 이어질 수 있어, 고장률 분석은 안전 관리의 기초 자료가 된다.