FMEA 분석절차

일반적으로 10단계의 절차를 따른다.

1. 제품과, 그 기능적 최소 운용요구조건의 정의 
2. 기능적 신뢰도 블록 다이어그램, 기타 다이어그램 또는 수학적 모형의 개발과 설명 
3. 분석 수행상의 기본원칙과 그에 상응하는 문서양식의 설정 
4. 고장모드, 그들의 원인과 영향, 상대적인 중요성, 그리고 그 연쇄들의 구명 
5. 고장검출과 격리규정 및 방법의 구명 
6. 특히 바람직하지 않은 사건에 대한 설계 및 운용규정의 구명 
7. 사건 치명도 (event criticality) 의 결정 
8. 고장확률의 평가   
9. 필요한 경우, 고려되어야 하는 특정조합의 다중고장에 대한 탐색 
10. 권장사항 

구체적 내용을 소개한다.

(1) 분석과제 정의 및 분석준비 

가장 먼저 이루어져야 할 것은, FMEA 에 포함되어야 할 구체적인 항목과, 그것들이 분석되어야 할 조건들을 규정하는 일로서, 적절한 분석수준과 분석의 경계 조건들을 정의하는 것을 말한다.  다음의 절차를 수행한다. 

• 제품을 효율적으로 다룰 수 있게 어셈블리로 분할한다. 
• 제품과 어셈블리의 기능 다이어그램, 구성도, 도면 등을 검토하여 그들의 연관관계를 결정한다. 
• 분석되어야 할 각 어셈블리에 대하여 완벽한 구성부품목록을 준비한다. 

(2) 분석의 실시 

분석 수행시 가장 중요한 것은, 치명적인 상호작용과 숨겨져 있는 제품 설계상의 상호작용을 도출하기 위하여 분석자가 부품의 구조와 기능에 관하여 충분한 지식을 가지고 있어야 한다는 점이다. 

FMEA 는 결함수 분석 (Fault Tree Analysis) 과 같이 제품 구성요소간의 상세한 기능적 연관관계나 종속성에 관한 정보를 제공하지는 않으므로 이 부족한 상세사항은 분석팀의 경험과 지식으로 보충되어야 한다. 분야 전문가를 포함한 여러 분야의 전문가들의 협력에 의하여 학제간 연구 (multidisciplinary study) 로 이루어져야 한다. 

그러므로, 최소한 분석 팀에는 다음의 전문가가 반드시 참여하여야 한다. 

• 제품의 설계와 운용을 잘 아는 제품 공학자나 사용 전문가 
• 전기적 제어설계, 논리, 사용장비 등을 잘 아는 제어 전문가 

 

직접 수행되는 구체적인 분석내용은 다음과 같다. 

• 제품에 영향을 미치는 운용상의 또는 환경적인 스트레스를 설정한다. 
• 공학적 도면이나 기능 다이어그램의 분석으로부터 구성요소에 영향을 미칠 수 있는 중요한 고장 메커니즘을 결정한다. 
• 모든 구성부품의 고장모드를 판명한다. 
• 운용, 스트레스, 인적반응조치, 사건들의 조합에 있어서 고장이나 손상의 가능성을 증가시키는 특별한 기간이 있는지, 구성부품에 영향을 미치는 각 조건들을 나열한다. 
• 위험성 범주를 평가한다. 
• 위험성을 제거하거나 최소화하기 위한 예방대책 또는 사후대책을 나열한다. 

 

작업의 결과는 표 1과 같은 형태로 문서화한다.  

표1. 분석결과 문서화 예

• 항목번호는 도면이나 블록 다이어그램에서 식별할 수 있는 식별기호를 나타낸다. 
• 장비특성에는 장비유형, 운용모드, 기타 고장모드와 효과에 영향을 미칠 수 있는 기능 특성, 예를 들어 고온, 고압, 부식 등을 기입한다. 
• 고장모드에는 장비특성과 관련된 부품의 모든 고장모드를 나열한다. 이 때 각각의 고장은 제품 내의 다른 고장들과 관계없이 독립적으로 발생한다고 가정한다. 
• 고장원인을 나열하는 이유는, 고장 시나리오를 함축적으로 서술함으로써 고장의 성질을 명확히 하기 위한 것이다. 

고장영향에는 고장위치에 미치는 부품고장의 직접적인 효과와, 다른 장비나 전체 제품에 영향을 줄 것으로 예상되는 결과를 모두 기입한다. 특히 제품의 사고를 예방하기 위해서는, 제품 설계내에 존재하는 안전방호장치가 정상적으로 작동하지 않는다고 가정하고, 그 결과 예견될 수 있는 최악의 상황을 염두에 두고 영향을 평가한다. 

고장검출방법은 고장모드를 어떻게 검출할 것인가 하는 방법을 말한다. 

시정조치에는 해당 고장모드와 관련된 효과의 발생 가능성을 감소시킬 수 있는 모든 사후조치를 나열한다. 만약 제품의 자동제어기능이 별다른 손실없이 고장의 영향을 흡수해 버릴 수 있다면 이 사실도 기입되어야 한다. 

FMEA 에서는, 피해규모의 경중에 차이없이 제품 기능 상실을 초래하는 고장들의 위중함이 모두 같다고 가정되지만, 실제로 고장이 제품에 미치는 영향은 서로 다르기 때문에 집중적으로 관리할 필요성이 대두되기 때문에, 이를 위해 제품 기능에 미치는 치명성을 언급하는 공란을 추가하거나 비고란을 추가하여 이에 대한 사항을 기록한다. 표 1의 치명도는 바로 이러한 목적을 위해 이용된다. 

(3) 분석결과의 정리 및 심층 분석 

이상의 분석이 끝나면 해당 구성요소의 고장이 각 제품 수준에 미치는 대략적인 영향을 파악할 수 있다. 그러나 좀 더 정확하고 비교가 가능한 척도를 얻기 위하여 고장확률을 계산할 수 있다. 구체적인 내용은 다음과 같다. 

• 각 구성부품의 고장발생확률을 기입한다. 
• 하부 어셈블리, 어셈블리, 제품의 고장확률을 계산한다. 
• 구성부품의 치명도를 계산하는 등 분석을 계속하고, 고장이 임무수행에 가져올 수 있는 영향을 분석한다. 

FMEA (Failure Modes and Effects Analysis) 개념

FMEA 는 What If 분석을 좀 더 체계화한 것이다. 즉, 만약 무슨 일이 벌어진다면 어떻게 될까 (what happens if ) ?" 라는 질문을 염두에 두어 하나의 재료, 부품, 장비 등이 고장났을 경우 그것이 전체 제품이나 사용자, 혹은 제품기능에 어떠한 영향을 미치는가, 생각의 범위를 점차 넓혀가면서 상위수준으로 분석하여 가는 것이다.

그러므로 이 기법은 전형적인 귀납적 분석방법이며 상향성 (bottom-up), 정성적인 위험성 분석기법의 대표라고 할 수 있다. 특히 결함과, 다음 상위 수준의 기능적 제품에 미치는 영향과 메커니즘을 연구하는 데 적합하다.

IEC 812 는 이 기법의 목적을 다음과 같이 밝히고 있다.

• 원인이 무엇이든 제품 기능적 구조의 다양한 수준에서, 각각의 규정된 품목의 고장모드가 초래할 수 있는 사건의 영향과 연쇄를 평가한다. 
• 각 고장모드가 제품의 정상적 기능이나 성능, 또는 관련된 과정의 신뢰도나 안전성에 미치는 중요성이나 치명도를 결정한다. 
• 판명된 고장모드를 검출성 (detectability), 진단성 (diagnosability), 시험성 (testability), 교체성 (replaceability), 보상 및 운용성, 기타 적절한 특성에 따라 분류한다. 
• 자료의 가용여부에 따라 중요도와 고장확률을 추정한다.  

시기적으로, 이 분석은 제품 구상, 계획, 정의단계에서 시행될 수는 있으나 제품의 구성과 기능에 관계된 구체적이고도 많은 자료를 필요로 하기 때문에 그 효과가 한정적이어서, 주로 제품 설계단계와 개발단계에서 이루어지는 것이 일반적이다.

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HAZOP 의 분석 순서

1) 목적 및 분석범위의 설정 
분석목적과 범위를 결정한다. 지나치게 많은 분석 대상은 많은 노력을 필요로 하기 때문에, 보통은 위험성이 높다고 판단되는 부분을 선정하여 분석을 집중하는 것이 보통이다.

2) 분석 팀의 구성 
분석 팀은 학제간 연구가 가능하여야 한다. 이것은 최초 ICI 사에서 규정한 HAZOP 의 정의에서도 분명히 규정하고 있는 사항이다. 그러므로 분석 팀은 전문가들이 참여하여야 하고, 아울러 관리가능하여야 하기 때문에 대체로 57 인 정도로 유지하는 것이 중요하지만, 작은 제품의 경우에는 경험많은 전문가 23 인으로도 가능하다.

분석팀의 구성원이 분석에 전념할 수 있도록 하기 위해서는 기록이나 보고서 작성을 위한 인원을 추가할 수 있다.

3) 예비조사 
예비작업은 일반적으로 다음과 같이 진행된다.

• 필요한 자료의 획득 
• 획득된 자료를 적절한 형태로 전환하거나 분석하기 위한 절차의 수립 
• 회의일정의 계획 

HAZOP 을 실시하기 위해서는 사전에 대상 제품에 대하여 충분히 숙지하고 있어야 한다. 또한 제품변수를 파악하고 그 결과를 예측하기 위해서는 제품설계도, 사용절차, 공정 흐름도 등 상세한 공정설명과 관계자료를 확보하고 있어야 한다. 이 때 확보되고 검토되어야 하는 자료들은 다음과 같다.

• P&IDs 
• 제품설계도 
• 제품흐름도 
• 선형 다이어그램 
• 제품설명 
• 사용설명서/절차 
• 제품재료정보 및 규격 
• 필요시 논리 다이어그램 추가 

4) 난상토론의 실시 

팀 구성원들이 함께 모여 난상토론을 한다. 난상토론 (brainstorming) 의 주된 장점은 팀 구성원들의 다양한 전문지식과 의견교환을 통하여 창조력과 상상력을 자극하여 다양한 아이디어를 만들어낸다는 점이다. 

이 때, 분석 및 검토대상은 보통 연구 절점 (study node) 이라고 부르는 제품변수들의 일탈이 조사될 제품 구조 및 기능상의 위치를 말한다. 일탈 (deviation) 이란 지침어를 체계적으로 적용시킴으로써 의도된 기능으로부터 벗어나는 상황을 가리킨다. 

안내 단어 (guide word) 란 HAZOP 만이 가지고 있는 독특한 기법으로, 난상토론을 통해 쉽게 일탈을 발견할 수 있도록, 의도된 기능을 정성화 또는 정량화하는 데 사용되는 간단한 용어들을 말한다. 각 안내 단어는 공정변수들과 적절히 결합될 수 있으며 연구절점, 제품의 일부, 사용단계 등 어떤 대상점에 대해서도 활용될 수 있다. 예를 들어 표 1과 같은 결합이 가능하다는 뜻이다. 

표 1. 안내 단어와 일탈  

공정변수들의 종류와 성격에 따라 많은 안내 단어들이 만들어질 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 예를 들어 온도의 경우에는 적정온도 이상 혹은 이하의 두 가지만 있을 뿐이다. 반면 어떤 변수들에 대해서는 이 안내 단어들이 적절하지 않을 수도 있으므로 약간의 수정을 가하여 활용하기도 한다.

5) 분석결과의 기록 
난상토론을 통하여 얻어지는 결과는 다음과 같다.

• 발견된 위험원 또는 제품 사용상의 문제 
• 안전성 향상을 위해 수행되어야 하는 설계 및 사용절차의 수정사항 
• 미진한 분석결과를 보완하기 위하여 수행되어야 하는 심층분석 

이 결과는 표2와 같은 양식으로 문서화한다.

표2. 분석결과 기록 양식의 예