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TPM 활동 이론 및 실무 소개

 

시간기준 예방보전(TBM)방식의 보전주기설정에 대한 방안


㈜ATPM컨설팅/한국TPM연구소 대표/공학박사·기술사·지도사  권오운  


★     목  차    ★

1. 설비예방보전의 개념 

설비보전은 보전분류상 「보전=예방보전【정기보전(TBM + IR) + CBM】+ BM + CM」으로 요약될 수 있다. 구체적으로 설명하면 설비보전은 다음의 3항목으로 구성된다. 

① 설비고장을 미연에 방지하기 위한 예방보전(PM, Preventive  Maintenance), 즉 ㉮ 설비 및 기기의 최적보전주기와 기기구성부품의 최적교환주기를 이론값, 실적값 또는 경험값에 의거 설정하여 보전주기가 되면 무조건 수리하는 시간기준보전(TBM, Time-Based  Maintenance)과 설비를 정기적으로 분해·검사하고 불량인 것은 교환하는 분해점검형보전(IR, Inspection  & Repair)으로 구성된, 즉 적정주기를 정하고 주기에 따라 수리·교환하는 정기보전과, ㉯ 설비진단기술을 활용한  설비상태에 의거한 보전(CBM, Condition-Based Maintenance) 즉 예지보전 등을 포함한 보전

② 설비 및 기기가 기능저하 또는 기능정지한 후에 정비하는 것으로 설비고장 후 사후에 보전하는 것이 경제적인 보전인 사후보전(BM, Breakdown  Maintenance)

③ 현존설비의 설계 및 설치상의 불합리점을 개선하는 개량보전(CM, Corrective  Maintenance)

설비보전 구성에서 볼 때 보전은 크게 고장나기 전의 예방보전과 고장이 난 후의 사후보전으로 구성되며, 개량보전은 예방보전시나 사후보전시나 모두 발생될 수 있는 보전 성격을 지닌다.

한편 보전업무 구분상「보전=점검+정비」로 되고 점검 중 일상점검은 설비사용자에 의해, 정기점검은 전문보전요원에 의해 수행된다. 그리고 점검은 설비를 분해하지 않고 이상유무를 파악하는 것이고, 정비는 설비점검 후 이상발견시나 혹은 정기정비주기에 따른 설비의 분해를 수반하는 보전을 가리키는 데, 정비에 대해 구체적인 업무의 순서대로 보면「정비=분해+청소+검사+수리 혹은 교환+조립+설치정도검사+시운전」으로 구성된다고 볼 수 있다.

정비도 역시 소정비를 주축으로 한 일상정비는 설비사용자가, 중·대정비를 주축으로 하는 정기정비는 전문보전요원에 의해 수행되는 것이다.

그리고 설비는 다음 <도표 1>과 같이 구성되는데, 단위설비나 보기(보조기계)는 수리해서 사용가능하므로 TPM실무에서는 평균수명인 MTBF의 표준편차를 일일이 구하기 어려우므로 경험에 의거하여 편의상 MTBF보다 짧은 주기(예, MTBF×0.8)에 보전주기를 정하여 보전을 실시하며, 부품은 마모부품인 베어링, 임펠러, 벨트 등에 대해서는 MTTF(고장시까지의 평균시간)를 구해서 MTTF보다 짧은 주기(예, MTTF×0.8)에 교환주기를 정해 실시하고 있다.

여기서 마모부품인 경우는 어느 정도 교환주기 예측이 가능하나, 여러 부품들로 구성된 단위설비나 보조기계의 보전주기를 MTBF에 근거하여 평균수명 μ(MTBF) 수치보다 짧은, 엄밀하게는 보전주기( )가 μ에서 표준편차 σ의 3배를 뺀 값보다 작은 ≤ ( μ-3σ) 되도록 설정하여 관리하는 데는 어려움이 있는 실정이다.

<도표 1> 설비의 레벨 구성도

한편 라인(혹은 세부공정)이나 복잡한 설비를 대상으로 한 보전주기에 대해서는 보전주기가 1년이상인 정기Overhaul주기를 정해 보전하는 경우가 있는데 이때의 Overhaul주기는 ① 생산량, ② 작동횟수, ③ 작동시간, ④ 메이커 추천 Overhaul주기, ⑤ 단위설비 레벨의 MTBF 등을 고려하여 TBO(Time Between Overhaul)을 설정·관리하고 있다.

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2. 시간기준 예방보전(TBM)방식의 보전주기결정 개념 및 한계

종래부터 정기적인 예방보전을 실시해 오고 있는데, 이 방식에서는 보전 대상이 되는 설비의 고장률 λ(i)가 시간과 함께 증가하는 IFR(Increase Failure Rate)형이라는 것을 전제로 하고 있다.

결국 <도표 2>의 설비의 Bath-tub곡선에 있어서, 예방보전(TBM)이 유효한 것은 마모고장기간(그림 중의 L점으로부터 우측)이고, 그 이외에서는 예방보전(TBM)이 무의미하게 되는 것이다.

<도표 2> 설비의 욕조(Bath-Tub)곡선

즉, 종래의 텍스트에서는 다음과 같이 되어 있다.

① 초기고장기간 : 설비의 신 설치시 또는 복구직후는 높은 고장률을 나타내지만, 점차로 안정되어 일정치를 나타내게끔 된다. 이 사이는 디버깅과 스크리닝이 유효하다.

② 우발고장기간 : 고장률이 일정해서, 이 기간은 고장의 타이밍·원인에 의해 랜덤의 예방보전(TBM)은 무의미하나 사용 및 예지보전을 잘 하도록 유의한다.

③ 마모고장기간 : 마모와 피로가 진행되어 고장률이 상승하기 시작한다. 이 기간은 예방보전이 효과적이다.

그러나 최근의 연구에 의해, 대부분의 플랜트 생산설비의 고장율은 시간에 의존하지 않고 일정하며, 고장률 이 <도표 2>처럼 시간과 함께 증가하여 IFR형을 나타내는 설비는 일부에 지나지 않는다고 한다.

미국의 한 항공회사의 기계 및 기계 부품의 고장률의 시간에 대한 특성조사에 의하면, 고장률이 시간과 함께 증가하는 것은 11%에 지나지 않고, 고장률이 일정한 약 89%를 차지하고 있는 것으로 나타났었다.

또, 복잡한 기계일수록 고장률이 시간에 대해서 일정수치를 나타낸다는 것이 신뢰성공학에서 증명되어 있다. 따라서,「TBM은 원리적으로 복잡한 기계의 보전에 적합하지 않다.」고 한다.

<도표 3>은 TBM에 있어서의 고장률과 고장의 빈도분포〔엄밀하게는 고장밀도함수 f(t)를 나타내고 있다. 그림에서 보는 바와 같이, 고전적인 예방보전(TBM)에서는, 전체의 2%가 고장나는 시간을 예방보전 타이밍으로 하고 있다. 그렇게 하면  2%의 설비는 예방보전이 실시되기 전(결국 가동 중)에 고장나는 것이 된다.

또, 이 예방보전의 실시에 의해 다른 대부분의 가동중의 보조기계가 초기불량영역으로 되어 고장률이 일시적으로 상승한다. 한편, 남은 98%의 보조기계는 아직 충분히 수명을 남겨 놓고 있음에도 불구하고 예지보전에 의해 교체되어 버리는 경우도 발생한다. 이처럼, TBM에 있어서는 보전의 타이밍에 대한 검토가 중요하다,

<도표3> 시간기준 예방보전(TBM)의 보전주기

예방보전에 의해 고장률을 충분히 작은 값으로 하기 위해서는 평균수명에서 표준편차의 3배 이상을 뺀 짧은 주기로 보전을 하지 않으면 안된다.

 <도표4>에 의하면, 고장밀도함수 f(t)가 정규분포일 때, 정규분포로부터 알 수 있는 것처럼, 평균수명으로부터 3σ(이 경우 σ=1)만큼 짧은 t=2이전에서 예방보전하면 고장율은 거의 0이 된다는 것을 알게 된다.

신뢰성이론에 의하면, 시간기준 예방보전(TBM)에 있어서 고장, 혹은 고장률을 거의 0으로 하기 위해서는, 예방보전주기 를,

.....................(1)

     여기에서,   : 예방보전주기

                    : 보전대상설비의 평균수명(MTBF)

                    : 보전대상설비의 수명의 표준편차

로 하지 않으면 안된다.

그러나, 설비의 수명데이터의 분포(표준편차 σ)는 품질관리 데이터 등과 비교하여 현격하게 크기 때문에, (1)식을 만족하는 예방보전주기 는 상당히 짧은 주기가 되어 버린다.

<도표 4> 예방보전(TBM)의 주기 와 고장률의 관계

이처럼, 시간기준 예방보전(TBM)방식은 본질적으로 극복곤란한 문제가 있다. 아래에 TBM의 본질적인 문제점을 나타냈다.

① 예방보전을 해도, 항상「어느 정도의 고장」은 발생한다.                     

② 예방보전에 의해 일시적으로 고장률이 상승한다.                            

③ 예방보전주기 가 통계적으로 결정되기 때문에, 오버메인터넌스가 될 확률이 크다.

④ 복잡한 기계에는 효과가 적다 : 적용할 수 있는 기계(마모 열화형)의 비율이 적다. → 약 10%

⑤ 정기적인 예방보전에 의해 가동성(Availability)을 저해한다.

이것을 근본적으로 해결하기 위해서는, 서두에서 본 상태기준 예방보전방식 혹은 예지보전(CBM)방식과의 병용이 필요하게 된다.

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3. 설비의 최적수리(정비)주기 결정의 이론 및 방법

① 설비의 보전비와 열화손실비와의 합계를 최소로 하는 것이 가장 경제적인 방법이다.

② 단위기간당의 열화손실비는 시간(또는 처리량)의 증대와 더불어 증대한다.

③ 단위기간당의 보전비는 수리주기(시간 또는 처리량)를 길게 하면 할 수록 감소한다.

④ 이 두 가지 비용곡선의 합계 곡선으로부터 최소비용점을 구할 수 있으며, 이는 <도표 5>와 같다.

⑤ 최소비용점까지의 주기로 수리하는 것이 가장 경제적이며, 이를 최적수리주기라고 한다.

<도표 5>의 (a)도표에 있어서 최적수리(정비)주기를 구해 보기로 한다.

이 식의 물리적 의미는 <도표 5>의 (a)도표에 있어서 사선부분이 바로 a원이 되는 점 가 구하는 최적수리(정비)주기이다.

<도표 5> 최적수리주기 도표

열화손실비가 직선으로 증가할 경우, 열화손실곡선은 <도표 5>의 (b)도표에 있어서

         단, m : 월평균 수리비

위에서와 같은 요령으로 유도하면 수리주기 는 다음과 같이 구해진다.

      

여기서, a=100만원/회, m=50만원/월이라고 하면, =2개월이 된다.

위에서 취급한 예는 기능저하형의 경우인데, 기능정지형의 경우에는 고장부품의 대체법에 의하여 비용이 다르며, 대체방법이 문제가 된다. 대체방법의 대표적인 예로서는 개별대체법과 일제대체법이 있으며, 일반적으로 이 두 극단 예의 중간에 최적해가 있는 것이 보통이다.

▶최적수리(정비)주기의 계산사례

K화학공장에 있는 반응탑이 과거의 자료에 의하면 <도표 6>과 같이 사용기간이 길어짐에 따라 생산량이 저하되어 가고 있다.

<도표 6> K화학공장의 반응탑 자료

년수

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

생산량
저하

0톤

500

1,000

1,500

2,000

3,000

4,000

5,000

7,000

10,000

이 생산량의 저하라는 성능열화에 의한 매기의 손실은 톤당 한계이익(공헌이익)을 2,000원이라고 하면 등가환산의 결과 <도표 7>의 ⑦열과 같이 된다. 단, 이자율은 반기에 10%이다.

보전비는 수리비, 검사비, 수리를 위한 정지손실비, 수리 후 안정생산까지의 회복손실비 등을 포함하고 있으나, 이 경우에는 1회당 보전비로서 공사비와 정지손실비를 합하여 10,000,000원(9,000,000원+1,000,000원)이 소요된다고 하면 연수에 따른 매기의 보전비는 <도표 7>의 ⑧열과 같이 된다. <도표 8>은 이 예제의 최적수리주기 도표를 나타내 주고 있다.

<도표 7> 등가환산의 결과표

<도표 8> 최적수리주기 도표

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4. 설비의 최적검사(점검)주기 결정의 공식 및 방법

도표에 의한 최적설비검사(점검)주기의 결정방법의 한 예를 소개하기로 한다. 지금

    A : 1회의 검사(점검)에 소요되는 비용

    B : 장해때문에 생기는 단위기간당 손실(단위기간 1일, 1월, 1년 등)

    r : 단위기간당 장해발생도수

    T : 최적검사(점검)주기

라 하고, C(손실계수=B/A)로 할 때 최적검사(점검)주기는 다음과 같이 된다.

     

<도표 9>는 상기 식을 근거로 최적검사(점검)주기를 구하는 도표이다. 예를 들어 H설비에 있어서 일상검사(점검)비용이 125원, 1일 중 고장이 나서 정지되어 있으면 그 손실은 5,000원, 고장발생은 1일당 0.2건(5일간 1회 정도)이라고 할 때, 일상검사(점검)의 최적주기를 구하면,

     A=125원, B=5,000원, r=0.2, C=5,000/125=40이므로

     

즉, 반일에 1회 검사(점검)하는 것이 가장 바람직하다.

<도표 9> 최적검사(점검)주기를 구하는 도표

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5. 부품의 최적교체주기 설정사례 

다음에 제시된 <도표 10>의 사례는 TPM실무에서 사용되고 있는 것으로서,  JY사의 설비의 마모부품에 대한 교환주기를 정하기 위해 부품의 교환주기로서 MTTF(고장시까지의 평균시간)를 구하고 여기에서 약간 짧게한 MTTF×0.8로 실적교체주기(A)를 구한 후, 이론(메이커 추천)주기(B), 그리고 경험교체주기(C)를 <도표 11> 조정Factor계수에 의거하여 구한 후 이 A, B, C 세 가지(또는 일부분만도 가능) 주기를 산술평균하여 구한 부품의 최적교체주기를 구한 것을 보였다.

<도표 10> 부품의 최적교체주기 설정표(사례)

<도표 11> 조정 Factor계수

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