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Ball 밸브 성능과 신뢰성 분석

일일 보고서 2024년 09월 20일
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목차

  1. 요약
  2. 고장률 산출의 기본 이해
  3. 신규 Ball 밸브를 위한 부품 고장률 산출 방법론
  4. FMEDA 양식의 구성 및 활용법
  5. SIL 2 요구사항 충족을 위한 전략
  6. 신뢰성 평가에서 고장률 계산 방식
  7. 결론

1. 요약

  • 본 리포트는 신규 Ball 밸브의 SIL 2(안전 무결성 수준 2)를 만족하는 고장률 산출 방법과 신뢰성 평가를 다룹니다. FMEDA(Failure Modes, Effects and Diagnostic Analysis) 양식을 활용하여 각 부품의 고장 모드, 원인, 영향 등을 체계적으로 분석하고, 이를 통해 고장률을 산출합니다. 과거 데이터 분석법, 신뢰성 공학 기법, 시뮬레이션 기법을 사용하여 신규 Ball 밸브의 신뢰성과 안전성을 평가하였습니다. 이 리포트는 SIL 2를 충족하기 위한 데이터를 기반으로 하여 Ball 밸브의 신뢰성을 보장하는 중요한 기초자료를 제공합니다.

2. 고장률 산출의 기본 이해

  • 2-1. 고장률의 정의 및 중요성

  • 고장률은 공학 시스템이나 소자가 얼마나 자주 고장이 나는지를 의미하며, 이는 종종 그리스 문자 λ로 표현됩니다. 고장률은 신뢰성 공학 분야에서 중요한 요소로, 시간당 고장수로 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, 고장률 분석에서 Weibull 분포를 사용하는 경우, 특정 시간 t까지 고장나지 않을 확률인 신뢰도(R(t))를 기준으로 고장률을 결정하는 것이 중요합니다. 고장률이 높을수록 시스템의 신뢰성에 부정적인 영향을 미치기 때문에, 이를 이해하고 관리하는 것이 필수적입니다.

  • 2-2. 고장률 산출 방법론 개요

  • 고장률 산출에 있어 신뢰성 공학은 효과적인 시험 전략을 통해 모든 부품이 적절한 환경에서 시험되어야 한다고 강조합니다. 신뢰성 절차를 통해 요구되는 다양한 분석, 계획, 고장 보고라는 요소들을 포함하며, 이를 기반으로 고장률을 산출합니다. DFR(Design For Reliability)이라는 설계 원칙은 제품을 신뢰성 있게 설계하기 위한 방법론으로, 시스템의 신뢰성 요구사항을 초기에 정해 신뢰성을 극대화하는 것을 목표로 합니다. 중복 설계나 부품 안전률 등을 고려하여 고장 확률을 최소화하려는 시도를 하며, 이러한 기법들은 시스템의 신뢰성을 크게 증가시키는 데 기여합니다.

3. 신규 Ball 밸브를 위한 부품 고장률 산출 방법론

  • 3-1. 과거 데이터 분석법

  • 과거 데이터 분석법은 고장률 산출에 있어 중요한 기법으로, 역사적인 데이터를 기반으로 부품의 고장률을 예측하는 방법입니다. 이는 신뢰성 공학의 기본 원칙 중 하나로, 시스템의 신뢰성을 높이는 데 기여합니다. 예를 들어, Park 등의 연구에서는 국외 전동차 LCC 연구 동향을 분석하여 고장률을 추정하였습니다. 유사한 방식으로, Kim 등의 연구는 철도 차량 유지 보수 비용을 계산하기 위해 유지 보수 정보 양식을 활용하였으며, 해당 차량에 대한 전 주기 유지 보수 비용을 산출하였습니다. 이와 같은 데이터 기반 접근 방식은 FMEDA 형태로 고장 모드와 원인을 실증적으로 분석하는 데 필수적입니다.

  • 3-2. 신뢰성 공학 기법

  • 신뢰성 공학 기법은 부품의 신뢰성을 높이기 위한 다양한 방법론을 포함합니다. 신뢰성 절차 요구사항에 따르면, 신뢰성 공학은 시스템 개발, 시험, 생산 및 운용 중의 문서화 과정에서 다양한 절차가 필요합니다. 예를 들어, DFR(Design For Reliability) 기법은 신뢰성이 요구되는 시스템의 설계를 위한 기본 방침으로, 설계 단계부터 신뢰성을 포함해야 한다고 주장합니다. 또한, RBD(Reliability Block Diagram)과 FTA(Fault Tree Analysis)는 하위 시스템과 전체 시스템의 신뢰성을 분석하는데 사용되는 전통적인 방법입니다. 이러한 기법들은 고장률 예측뿐만 아니라 시스템의 신뢰성 및 가용성을 평가하는 데에도 유용합니다.

  • 3-3. 시뮬레이션 기법

  • 시뮬레이션 기법은 고장률 및 신뢰성을 분석하기 위한 강력한 도구로 활용됩니다. Kwon et al.(2019)의 연구와 같이, 고장을 순간적인 사건이 아니라 고장 원인이 발생한 후 기능을 잃기까지의 과정을 파악하여 위험평가에 중점을 두는 방법이 있습니다. P-F간격 모델은 성능 저하 과정을 설명하며, 이를 통해 각 성능변수와 대용변수 간의 관계를 규명하여 고장률을 보다 정교하게 산출할 수 있습니다. 이와 같은 접근법은 산업 현장에서의 고장률 분석과 더불어, 실제 시스템의 동작을 모사하여 신뢰성을 평가하는 데 필수적입니다.

4. FMEDA 양식의 구성 및 활용법

  • 4-1. FMEDA 양식 기본 구조

  • FMEDA(Failure Modes, Effects and Diagnostic Analysis) 양식은 고장 모드, 고장 원인, 고장 영향 및 진단 방법을 구조적으로 분석하는 도구입니다. 이 양식은 시스템의 각 부품이 어떻게 실패할 수 있는지를 파악하고, 이로 인해 전체 시스템에 미치는 영향을 평가합니다. FMEDA의 기본 구조는 다음과 같습니다: 1. 부품 및 시스템의 식별 2. 고장 모드: 각 부품이 실패할 수 있는 다양한 방법을 기술합니다. 3. 고장 원인: 각 고장 모드에 대한 원인을 분석합니다. 4. 고장 영향: 고장 모드가 발생했을 때 전체 시스템에 미치는 영향을 평가합니다. 5. 진단 방법: 고장 모드를 진단하기 위한 방법론을 설정합니다.

  • 4-2. 고장 모드 분석과 진단 방법

  • 고장 모드 분석은 시스템의 각 부품이 어떤 방식으로 고장날 수 있는지를 식별하는 과정입니다. 이는 성공적인 신뢰성 평가의 기초가 됩니다. 고장 모드는 다음과 같은 요소로 구성됩니다: 1. 고장 모드 목록화: 각 부품의 고장 방식에 대한 목록을 작성합니다. 2. 고장 영향 평가: 각 고장 모드가 시스템에 미치는 영향의 심각성을 평가합니다. 3. 고장 원인 분석: 각 고장 모드의 원인을 규명합니다. 진단 방법으로는 다음과 같은 방법들이 사용됩니다: - 자가 진단: 시스템이 스스로 고장을 인식하고 보고하는 방법 - 주기적인 점검: 정기적으로 부품의 상태를 확인하는 방법 - 테스트와 시험: 고장 유발 시나리오를 통해 부품의 신뢰성을 검증하는 방법.

  • 4-3. 신뢰성 및 안전성 평가 방법

  • 신뢰성 평가 방법은 시스템이 고장 없이 작동할 확률을 결정하는 과정을 포함합니다. 일반적인 신뢰성 평가 방법은 다음과 같습니다: 1. 고장률 분석: 특정 시간 동안 발생한 고장 수를 기반으로 시스템의 고장률을 산출합니다. 예를 들어, 특정 기계의 고장률이 시간당 0.008일 경우, 주어진 시간 내에 고장 발생 확률을 계산할 수 있습니다. 2. 통계적 방법: 다양한 통계적 기법을 사용하여 신뢰성을 평가합니다. 이를 통해 평균 고장 시간, 고장 패턴 등을 분석할 수 있습니다. 3. 시뮬레이션: 다양한 시나리오를 기반으로 시스템의 성능을 예측하고 검증하는 과정을 포함합니다. 또한, 고장 모드에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 시스템의 신뢰성과 안전성을 평가할 수 있습니다. 전체적으로, FMEDA 양식을 활용한 신뢰성 및 안전성 평가는 부품별로 세밀하게 수행되어야 합니다.

5. SIL 2 요구사항 충족을 위한 전략

  • 5-1. 부품 고장률 집계 및 시스템 총 고장률 계산

  • 유럽에서는 LCC(수명주기 비용)에 관한 사항이 계약 요건의 하나로 요구되고 있습니다. Park 외(2018)의 연구에서는 국외 전동차 LCC 연구 동향 및 국제 규격에 대한 전략이 제시되었으며, Chun 외(2018)는 입환 기관차에 대한 LCC 분석을 통해 기존 기관차의 수명 연장 결정 및 경제성 분석을 수행하였습니다. 최근 산업 관련 논문들은 RAMS(신뢰성, 가용성, 유지보수성) 및 LCC에 대한 연구가 다수 진행되고 있으며, 신규 부품 개발 사업은 필수적인 절차로 인식되고 있습니다. 신뢰성 분석을 위해 각 부품에 대한 상세 부품 명세서를 수집하고 동작 환경, 온도, 품질 수준, 전기적 특성, 기계적 특성 등을 파악하는 과정이 필요합니다. 고장률 산출은 부품 제조사에서 제공하는 데이터 시트 및 유사 제품의 수명 자료를 검토하며, 자료가 부족한 경우 EPRD, NPRD와 같은 데이터북을 활용합니다.

  • 5-2. 위험 분석 및 안전 통계적 기법 활용

  • Kwon 외(2019)는 고장을 순간적인 사건이 아니라 고장이 발생한 후 고유 기능을 수행할 수 없는 상태에 이르기까지의 과정으로 정의하였으며, 위험 평가에 중점을 두고 있습니다. 산업현장에서는 고장이 시작되었음을 알 수 있는 잠재고장과 실제 고장 간의 시간적인 차이를 고려하여 P-F 간격을 표현하는 성능 저하 모델이 많이 활용되고 있습니다. 또한, 신뢰성 블록도(RBD)를 통해 각 하위 시스템 및 전체 시스템의 신뢰도 분석을 수행합니다. RBD는 기능 블록도를 기준으로 하여 정상적으로 동작해야 하는 하드웨어 블록의 연결 관계를 나타내며, 시스템에서의 독립된 부품들의 신뢰성을 평가하는 데 중요한 역할을 합니다.

6. 신뢰성 평가에서 고장률 계산 방식

  • 6-1. 시간당 고장 수 계산

  • 고장률은 공학 시스템이나 소자가 얼마나 자주 고장이 나는지를 의미하며, 이는 종종 시간당 고장수로 표현됩니다. 신뢰성 공학에서는 이를 그리스 문자 λ로 나타냅니다.

  • 6-2. 신뢰도 함수와 고장률의 관계

  • 신뢰도는 특정 시간까지 고장나지 않을 확률로 정의됩니다. 이 신뢰도 함수 R(t)는 고장률을 이해하는 데 필수적입니다. 고장률은 주어진 조건 t에서 t+△t 사이라 부품이 고장날 확률로 표현되며, 이는 고장률 Z(t)로 나타낼 수 있습니다.

  • 6-3. 웨이불 분포를 통한 고장률 예측

  • 웨이불 분포를 이용한 고장률 예측에서, 고장률 Z(t)는 특정한 분포 파라미터를 기반으로 설명됩니다. β 값의 크기에 따라 고장률의 특성이 달라지며, β가 1일 경우 고장률은 일정하고, β가 1보다 클 경우 시간이 지남에 따라 증가하게 됩니다.

  • 6-4. 다양한 데이터 활용

  • 신뢰성 공학에서는 다양한 데이터를 활용하여 부품의 신뢰성을 평가합니다. 역사적 데이터를 통해 고장률 예측을 수행하고, 고장 모드 및 그 영향을 진단함으로써 시스템의 전체적인 신뢰성을 향상시키는데 기여합니다.

7. 결론

  • 이 리포트는 신규 Ball 밸브의 SIL 2 만족을 위해 고장률 산출 및 신뢰성 평가 방법을 소개하고 분석하였습니다. FMEDA 양식은 고장 모드와 원인을 진단하는 데 중요한 역할을 했으며, 이를 통해 시스템의 신뢰성을 체계적으로 평가하였습니다. 고장률 산출 방법으로는 과거 데이터 분석, 신뢰성 공학, 시뮬레이션 기법이 사용되었습니다. 이러한 접근 방식들은 신규 Ball 밸브의 지속적인 안전성과 신뢰성을 보장하기 위한 효과적인 수단으로 평가됩니다. 그러나 추가적인 실질적 적용과 미래 연구가 필요하다는 한계가 있으며, 이를 통해 신뢰성 공학 및 안전 시스템 분야에 기여할 수 있는 전망이 밝습니다.

8. 용어집

  • 8-1. SIL (Safety Integrity Level) [개념]

  • SIL(안전 무결성 수준)은 시스템의 기능적 안전성을 평가하는 지표로, 신뢰성을 기준으로 여러 수준으로 나뉜다. SIL 2는 중간 수준의 안전 요구 사항을 나타내며, 이는 시스템의 고장률을 낮춰 높은 안전성을 유지해야 함을 의미한다.

  • 8-2. FMEDA (Failure Modes, Effects and Diagnostic Analysis) [분석 기법]

  • FMEDA는 시스템의 고장 모드, 그 영향, 그리고 진단 방법을 분석하는 기법으로, 신뢰성 평가와 안전성 보장을 위해 사용된다. 이를 통해 각 부품의 고장률을 체계적으로 분석하고 시스템 전반의 신뢰성을 평가할 수 있다.

  • 8-3. 웨이불 분포 (Weibull Distribution) [통계 모델]

  • 웨이불 분포는 고장률 분석에 자주 사용되는 통계 모델로, 부품의 마모와 고장 메커니즘을 설명하는 데 유용하다. 시간에 따른 고장률의 변화를 예측하여 부품의 수명 예측에 사용된다.

9. 출처 문서