종합적 고장 분석: 설비 손실 방지 및 비용 절감

산업 현장에서 설비 부품과 어셈블리, 구조물의 고장은 인명 손실, 비계획적 가동 중단, 유지보수 및 수리 비용 증가, 손해 배상 분쟁을 초래할 수 있습니다.

고장으로 인한 문제의 미래 재발을 방지하기 위해서는 각 고장에 대해 조사를 수행하는 것이 필수적입니다. 고장에 대한 조사를 수행하는 것을 고장 분석이라고 합니다.

고장 분석은 데이터를 수집하고 분석하는 과정으로, 설비 부품과 어셈블리, 구조물의 원치 않는 기능 상실이나 고장으로 이어진 원인이나 요인을 결정하기 위해 수행됩니다. 이는 물리적 조사를 포함하는 다단계 과정입니다. 고장 분석의 일반적인 범위는 고장 메커니즘과 가장 가능한 고장 원인을 찾는 것입니다. 고장 메커니즘은 일반적으로 특정 고장 모드로 이어지는 야금학적, 화학적, 기계적, 마찰학적 과정으로 설명됩니다.

고장의 원인

설비 부품과 어셈블리, 구조물의 고장은 엔지니어링, 설계, 제조, 운영의 연속적 공정 체인에서 약한 고리를 만드는 일종의 실수 결과로 발생합니다. 고장의 원인은 다음 중 하나 이상일 수 있습니다.

• 설계 결함
• 재료 결함
• 가공 및 제조 중 결함
• 조립 또는 설치 결함
• 설계 외 또는 의도하지 않은 운전 조건
• 유지보수 결함(방치, 절차 등)
• 부적절한 운영

고장 분석 주요 단계

고장 분석 수행 시 주요 단계는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 고장 분석 주요 단계

고장 분석의 주요 원칙은 대상 부품이나 어셈블리에서 수령 상태 그대로의 증거와 필요한 정보를 보존하고, 그 상태를 변경하는 어떤 작업도 하기 전에 이를 포착하는 것입니다. 또한 고장 분석 중에는 덜 파괴적인 것부터 더 파괴적인 순서로 시험을 수행해야 합니다.

고장 분석은 고장에 관련된 부품의 이력에 관한 정보 수집으로 시작합니다. 예를 들어 (i) 관련 공정, (ii) 용도, (iii) 재료 유형, 사양, 형상, 치수, 가공 기술, (iv) 설계 파라미터, (v) 운전 조건, (vi) 유지보수 이력, (vii) 고장 이전 사건 순서, (viii) 고장 빈도 및 국소적 성격 여부 등입니다.

고장 현장 검사는 고장 분석을 돕는 매우 중요한 단계입니다. 고장 현장에서 고장 난 부품 상태를 철저히 검사하면 많은 정보를 얻을 수 있습니다. 현장 검사 시 균열 위치, 파단 특성, 천공, 침전물, 벽 두께 감소, 처짐, 분리된 조각 등의 특징에 주의를 기울여야 합니다. 또한 가능하면 고장 이전 비정상적 조건에 대해 목격자로부터 가능한 많은 정보를 얻어야 합니다. 일부 경우 고장 난 부품의 육안 검사로 다른 방법으로는 얻을 수 없는 정보를 드러낼 수 있습니다.

육안 검사 중 기계와 주변 환경, 고장 난 부품과 맞물리는 부품을 촬영하는 것이 중요합니다. 고장 난 부품의 사진 기록은 현장을 떠난 후 미래 참조와 추가 검사를 위해 항상 필요합니다. 고장 난 부품의 모든 특징을 촬영하는 것이 중요합니다.

문제를 명확히 정의하는 것은 고장 분석의 필수적인 부분입니다. 얻은 정보의 깊이, 현장 검사, 고장 분석을 수행하는 사람의 기술과 판단이 문제 정의에 도움이 됩니다. 예를 들어 문제는 야금학적, 기계적, 환경적 또는 이들의 조합으로 정의될 수 있습니다. 또한 현장 관련 담당자와의 논의와 육안 검사를 통해 고장 분석 수행자는 다양한 가능성을 좁힐 수 있습니다. 또한 고장이 이전 고장 사례와 유사할 수 있습니다.

현장 검사 중 정의된 문제로서 고장의 가능성 있는 원인에 기반하여 실험 프로그램을 개발하여 고장 원인을 결정합니다. 선택된 실험의 성격과 수는 고장 원인을 식별하는 데 이바지해야 합니다. 선택된 실험을 수행하는 데 필요한 시료는 고장 난 부품의 가능한 모든 특징을 대표하도록 신중하게 채취해야 합니다. 부품에서 분리된 침전물이나 조각은 귀중한 정보를 제공할 수 있습니다. 가능할 때마다 건전한 구간에서 채취한 시료와 실제 사용되지 않은 시료도 비교 목적으로 수집해야 합니다.

고장 분석 연구에 사용되는 조사 도구는 일반적으로 두 가지 유형입니다: (i) 현장에서 사용할 수 있는 도구, (ii) 실험실 도구.

사양에 대한 재료 검증은 고장 분석의 중요한 구성 요소입니다. 이를 위해 화학 분석과 거시 조직 및 미세 조직 분석이 수행됩니다. 또한 충분한 재료가 있는 경우 인장 강도, 충격 인성 등을 알아보기 위해 기계적 시험을 수행하여 고장 난 부품의 특성을 평가합니다. 많은 경우 표면 경도와 미세 경도 시험이 기계적 강도 평가를 위해 수행됩니다. 이 시험들은 고장 난 부품에서 수행되어 사양과의 결과 준수 여부를 확인합니다.

응력 분석, 파괴 역학, 부식 고장 분석은 고장 분석 조사에서 매우 가치 있는 활동입니다. 이 분석들은 사용된 재료가 그 용도 요구 사항을 충족하기 위한 올바른 선택이었는지에 대한 정보를 고장 조사자에게 제공합니다.

가해진 하중이나 압력, 부품의 형상과 크기 같은 운전 조건을 알면 부품에 발생한 주응력을 계산할 수 있습니다. 최대 주응력과 용도에 사용된 재료 강도를 비교하면 고장 조사자에게 해당 용도에 대한 재료 적합성과 설계 파라미터가 운전 중 엄격히 준수되었는지에 대한 중요한 정보를 제공합니다.

파괴 역학 원리를 사용한 분석은 고장 조사자에게 파단 시 고장 난 부품에서 발생한 응력이 설계 응력과 어떤 관계인지에 대한 귀중한 정보를 제공합니다. 특히 취성 메커니즘에 의한 균열 전파의 경우에 그렇습니다.

피로로 인한 고장의 경우, 피로 메커니즘에 의한 파단 이전 사이클 수를 결정하는 것이 중요합니다. 피로 스트라이이션 간격 측정 기반 방법은 스트라이이션이 파단면에서 명확히 보일 때 보통 편리합니다.

고장에 관련된 재료의 거시 조직(일반 배율 10배)과 미세 조직을 신중하고 철저히 검사하면 중요한 단서를 제공할 수 있습니다. 가능하면 고장 난 부품에서 채취한 시료의 구조적 특징을 건전한 구간에서 채취한 대표 시료와 실제 사용되지 않은 시료와 비교해야 합니다. 또한 장비 제조업체의 재료 사용에 관한 구체적 권장 사항을 참조해야 합니다.

거시 조직 검사는 파단 경로와 그 기원 위치(내부 표면 또는 외부 표면)에 대한 정보를 제공할 수 있습니다.

미세 조직 검사를 위한 적절한 기술 선택은 필요한 정보 유형에 따라 달라집니다. 그러나 광학 현미경은 일반적으로 입자 크기와 모양, 제2상 석출물과 그 분포, 미세 균열과 그 위치 같은 전체 미세 조직 특징을 알기 위해 처음에 사용됩니다. 비정상적으로 큰 입자 크기는 재료가 과도하게 높은 온도에 노출되었음을 나타냅니다. 입자 모양과 어닐링 쌍정 모양은 가공 경화량에 대한 정보를 제공합니다. 입자 신장은 재료가 심하게 가공 경화되었음을 나타냅니다. 굽은 쌍정 계계는 재료가 소성 변형되었음을 나타냅니다. 입자 내 미세 슬립 선도 재료의 소성 변형을 나타냅니다. 미세 조직에서 제2상 석출물이 보이면 그 성질과 형태를 조사해야 합니다.

미세 조직 특징 검사 중 미세 균열 존재에 주의를 기울여야 합니다. 예를 들어 입계 균열은 크리프 변형이나 제2상 석출물에 의한 입계 취화로 인해 발생할 수 있습니다.

육안 검사로 파단 특성에 대한 많은 정보를 얻을 수 있지만, 파단면의 미세 조직을 주사 전자 현미경으로 검사하여 파단을 일으킨 메커니즘을 알아야 합니다. 파단은 갑작스러운 과부하 또는 균열 전파로 인한 파단으로 발생할 수 있습니다. 균열 전파는 다른 메커니즘으로 일어날 수 있습니다. 따라서 파단면 형태를 알아야 파단을 일으킨 메커니즘을 찾을 수 있습니다.

육안 검사 중 부식 침전물이 발견되면 침전물의 성질을 결정해야 합니다. 침전물은 산화물, 황화물, 염화물, 탄화물 등이 될 수 있습니다. 부식 침전물의 경우 운전 환경의 성질과 그 환경에 대한 재료의 내식성을 알아야 합니다.

고장 분석을 수행하는 사람이 고장 모드와 고장 원인을 구별하는 것은 매우 중요합니다. 때때로 이 두 용어가 혼용되어 큰 혼란을 초래합니다. 미래 고장을 방지하려면 고장 원인을 식별하는 것이 필수적입니다. 예를 들어 고장 모드는 고장 난 부품의 불충분한 표면 경도이지만, 고장 원인은 잘못된 재료 선택이나 부적절한 운전 조건과 관련될 수 있습니다.

고장 분석의 다양한 단계에서 얻은 전체 데이터의 정확하고 상세한 해석은 고장 분석에 중요합니다. 이것이 없으면 고장의 정확한 원인을 찾기 위해 필요한 적절한 추론을 도출할 수 없습니다. 고장 분석 중 원인을 잘못 결정하면 미래 고장 예방에 도움이 되지 않는 잘못된 시정 조치로 이어집니다.

고장 분석 조사는 상세한 보고서 없이는 완료되지 않습니다. 보고서에는 미래 고장 예방을 위한 일련의 권장사항이 포함되어야 합니다. 권장사항은 조사 결과와 일관되어야 합니다. 또한 권장사항은 단기 해결책과 장기 해결책을 모두 제공할 수 있습니다.