결함수 분석 기법(P-84-2012)

ㅇ 관련규격

    - 국제노동기구(ILO)협약 174호 중대산업사고예방 실무지침

    - 미국 CCPS : Guidelines for engineering process quantitative risk analysis

    - 한국원자력연구소 : 원자력 발전소의 확률론적 안전성평가를 위한 계통 분석절차서​

ㅇ 관련법규․ 규칙․ 고시 등

    - 산업안전보건법 제49조의2 (공정안전보고서의 제출 등)

    - 산업안전보건법 시행령 제33조의6 (공정안전보고서의 내용)

    - 산업안전보건법 시행규칙 제130조의2 (공정안전보고서의 세부내용)

    - 노동부고시 "공정안전보고서의 제출·심사·확인 및 이행상태평가 등에 관한 규정"

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결함수 분석 기법(P-84-2012)

 

 

1. 목 적

2. 적용범위

3. 용어의 정의

4. 대상항목

5. 적용시기

6. 팀의 구성

7. 필요한 자료

8. 평가절차

9. 보고서 작성 및 후속조치

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1. 목 적

이 지침은 산업안전보건법(이하 “법"이라 한다) 제49조의 2(공정안전보고서의 제출 등) 동법 시행령 제33조의 6(공정안전보고서의 내용) 및 동법 시행규칙 제130조의 2(공정안전보고서의 세부내용 등) 규정에 의해 사업주가 작성해야할 공정위험성평가서의 원활한 작성을 위하여 시행규칙에서 허용하고 있는 결함수 분석 기법(FTA,Fault tree analysis)에 대한 지침을 정하는데 목적이 있다.

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2. 적용범위

이 지침은 사고의 원인이 되는 장치의 이상이나 고장의 다양한 조합 및 작업자실수 원인을 규명하는 방법으로서 설계 또는 운전단계에 있는 공정위험성평가시 사고의 발생빈도와 예상 사고시나리오를 추정하는데 적용한다.

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3. 용어의 정의

(1) 이 지침에서 사용되는 용어의 정의는 다음과 같다.

(가) “정상사상(Top event)”이라 함은 재해의 위험도를 고려하여 결함수 분석을 하기로 결정한 사고나  결과를 말한다.

(나) “기본사상(Basic event)”이라 함은 더 이상 원인을 독립적으로 전개할 수 없는 기본적인 사고의  원인으로서 기기의 기계적 고장, 보수와 시험 이용불능 및 작업자 실수사상 등을 말한다.

(다) “중간사상(Intermediate event)”이라 함은 정상사상과 기본사상 중간에 전개되는 사상을 말한다.

(라) “결함수(Fault tree)기호”라 함은 결함에 대한 각각의 원인을 기호로서 연결하는 표현수단을 말한다.

(마) “컷세트(Cutset)"라 함은 정상사상을 발생시키는 기본사상의 집합을 말한다.

(바) “최소컷세트(Minimal cutset)” 라 함은 정상사상을 발생시키는 기본사상의 최소집합을 말한다.

(사) “계통분석(System analysis)”이라 함은 계통의 기능상실을 초래하는 모든 사상 조합을 체계적으로 분석하고 그 발생가능성을 평가하는

작업을 말한다.

(아) “고장률(Failure rate)”이라 함은 설비가 시간당 또는 작동 횟수 당 고장이 발생하는 확률을 말한다.

(자) “이용불능도(Unavailability)”라 함은 주어진 시간에 설비가 보수 등의 이유로 인하여 이용할 수 없는 가능성을 말한다.

(2) 기타 이 지침에서 사용하는 용어의 정의는 특별한 규정이 있는 경우를 제외하고는 법, 동법 시행령, 동법 시행규칙 및 산업안전보건기준에 관한  규칙에서 정하는 바에 따른다.

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4. 대상항목

결함수 분석 기법의 적용대상은 다음과 같다.

(1) 공정수준(Process level)에 대한 위험성평가

(2) 계통수준(System level)에 대한 위험성평가

(3) 구간수준(Node level)에 대한 위험성평가

(4) 단락수준(Segment level)에 대한 위험성평가

(5) 기기수준(Component level)에 대한 위험성평가

(6) 작업자실수 및 일반원인고장에 대한 분석

(7) 기타 결함수 분석 기법의 적용이 가능한 항목

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5. 적용시기

(1) 결함수 분석 기법은 현재 설계 또는 건설 중인 공장에 대하여는 공정의 개발단계나 초기 시운전 단계에 적용하며, 기존 공장에 대하여는 공정  또는 운전절차의 변경이나 개선이 필요한 경우 등에 적용한다.

(2) 결함수 분석 기법의 적용 시기는 다음과 같다.

(가) 공정개발 단계

(나) 설계 및 건설 단계

(다) 시운전 단계

(라) 운전 단계

(마) 공정 및 운전절차의 수정 또는 변경시

(바) 예상되는 사고나 사고원인 조사시

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6. 팀의 구성

결함수 분석에 필요한 인원은 공정의 수와 크기에 비례하나 팀의 구성에는 해당공정 및 설비에 경험이 있는 다음과 같은 전문가가 필요하다.

(1) 팀 리더

(2) 결함수 분석 전문가

(3) 공정운전 기술자

(4) 공정설계 기술자

(5) 검사 및 정비 기술자

(6) 비상계획 및 안전관리자

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7. 필요한 자료

결함수 분석에 필요한 자료는 다음과 같다.

(1) 단위 기기 및 설비에 대한 고장율

(2) 단위 기기 및 설비에 대한 이용불능도

(3) 작업자 실수관련자료

(4) 일반원인 고장확률자료(Common cause failure probability)

(5) 공정배관계장도(P&ID)

(6) 안전운전절차

(7) 설계개념 및 공정설명서

(8) 주요기계장치 기본설계자료(Equipment data sheet)

(9) 설계개념을 포함한 제어시스템 및 계통설명서

(10) 경보 및 자동운전정지 설정치 목록

(11) 배치도(Plot plan) 및 기기배치도(Equipment layout drawing)

(12) 배관재료 등 표준 및 사양서

(13) 안전밸브의 설정치 및 용량 산출자료

(14) 물질안전보건자료

(15) 공정흐름도(PFD) 및 물질수지(Material balance)

(16) 유틸리티 사양서

(17) 정비절차서

(18) 운전자의 책무

(19) 비상조치계획

(20) 기타 결함수 분석에 필요한 서류

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8. 평가절차

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8.1 분석절차

(1) 결함수 분석은 분석대상 공정이 이용불능상태가 되는 모든 경우를 논리적 도형으로 표현한다.

(2) 공정의 기능상실을 정상사상으로 정의하고 그러한 정상사상이 발생할 수 있는 원인과 경로를 연역적으로 분석한다.

(3) 공정 또는 기기의 기능실패 상태를 확인하고 계통의 환경 및 운전조건 등을 고려하여 기능상실을 초래하는 모든 사상과 그 발생원인을

도식적 논리로 분석한다.

(4) 결함수 분석의 세부절차는 <그림 1>과 같다.

<그림 1> 결함수 분석세부절차

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8.2 결함수 기호

결함수 분석에 사용되는 주요기호는 <표 1>과 같으며 기본사상 및 기호 명명 요령은 <붙임 1>을 참조한다.

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<표 1> 결함수에서 사용되는 일반적인 기호

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8.3 정량화

결함수 분석에서 정량화 단계는 입력된 모든 기본 사상들의 이용불능도 계산에 필요한 고장율, 작동시간 등의 관련정보를 입력하는 것과 정상사상, 이용불능도의 계산 및 결과해석을 수행하는 것을 말한다.

8.3.1 신뢰도 자료

결함수 분석에 사용되는 기본사상의 고장율, 이용불능도 등의 신뢰도 자료는 다음의 이용가능한 자료중에서 신뢰성이 높은 것을 선택하여 사용한다.

(1) 해당공정의 운전, 정비 자료로 부터 계산한 신뢰도 자료

(2) 화학설비 신뢰도 자료(한국산업안전보건공단, K-RDB)

(3) 국내․ 외 신뢰도 자료

(4) 설비 제작자가 제공하는 신뢰도 자료

(5) 기타 객관적으로 증명이 가능한 설비 신뢰도 자료

8.3.2 기본사상의 정량화 방법

결함수 분석에 필요한 기본사상의 정량화 방법은 다음과 같으며 <붙임 2>의 계산 예를 참고한다.

(1) 기계적 고장(Hardware failures)으로 인한 이용불능도

기계적 고장은 대기 중 기동실패나 운전 중 작동실패로서 다음과 같이 분류한다.

(가) 대기중 기동실패(Standby failure)

대기상태에 있는 기기가 작동 요구시 기동이 실패하는 경우나 기동은 했지만 지속적으로 기능을 수행하지 못하는 경우로서 식 (1) 내지 식 (3)에 의하여 계산한다.

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예) Fail to Start, Fail to Open/Close

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① 시간당 고장률로서의 대기중인 기기의 기동실패 확률

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qc​= ½λsT T ······················································································· (1)

​

여기서, qc : 기기의 평균 이용불능도

λ​s : 시간당고장율(고장/시간)

TT : 시험주기(시간)

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② 요구시 고장확률로서의 대기중인 기기의 기동실패 확률

qc= qd ······························································································ (2)

​

여기서, qc : 기기의 평균 이용불능도

qd : 요구시 고장확률

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③ 시간당 고장률과 요구시 고장확률을 모두 포함하는 경우의 대기중인 기기의 기동실패 확률

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qc= qd+ ½λ​sTT ·············································································· (3)

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(나) 운전중 작동실패(Running failure)

운전중인 기기가 일정시간동안 계속 작동하지 못하는 작동중 실패확률은 식 (4)와 같다.

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예 ; Fail to run, Transfer closed

qc= λoTM ​························································································ (4)

여기서, qc : 작동실패확률

λo : 운전중 시간당 고장률(고장/시간)

TM : 작동시간(Mission time)

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(2) 보수정지로 인한 이용불능도(Maintenance outage unavailability)

기기의 보수정지로 인한 이용불능도는 시험, 예방보수, 수리 등으로 인하여 사용할 수 없는 상황을 의미하며 다음과 같이 분류한다.

(가) 주기적인 시험과 계획예방 보수로 인한 계획 보수정지

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qSM = fM(τM/TT) ··········································································· (5)

 

여기서, qSM : 계획보수로 인한 기기의 이용불능도

fM : 시험주기동안에 발생 가능한 보수빈도

τM : 평균 기기보수 정지시간(시간)

TT : 시험주기(Test period, 시간)

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(나) 고장기기의 수리로 인한 비계획 보수정지

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qRM= fR(τR/TT) ·········································································· (6)

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여기서, qRM : 비계획 보수로 인한 기기의 이용불능도

fR : 시험주기동안에 발생가능한 보수빈도

τR : 평균기기 보수시간(시간)

TT : 시험주기(시간)

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(3) 시험으로 인한 이용불능도(Test outage unavailability)

특정기기의 시험절차로 인하여 그 기능을 수행하지 못하는 경우로서 식 (7)로 구한다.

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qt = τt/TT ························································································ (7)

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여기서, qt : 시험보수정지로 인한 평균 이용불능도

τt : 평균시험시간(시간)

TT : 시험주기(시간)

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(4) 작업자 실수확률(Human error probability)

작업자에 대한 인간신뢰도 분석은 사고경위 전개과정에서 발생가능한 모든 실수를 파악하여 이를 모델링하고 정량화 한다.

(5) 공통원인 고장확률(Common cause failure probability)

중복설계는 계통의 신뢰도를 향상시키기 위한 것이나 이 중복설계의 효과를 감소시키는 것이 공통원인 고장으로서 유사한 환경에서 운전되는 동일 기기는 모두 일반원인고장의 대상이 될 수 있다.

8.3.3 결함수분석의 정량화 절차

결함수 분석의 정량화는 정상사상에 대하여 구성된 결함수를 정량적으로 분석하여 이용불능도를 계산하는 단계로서 다음과 같이 수행한다.

(1) 구성된 결함수로부터 정상사상을 유발시키는 사상들의 조합을 부울대수(Boolean algebra)로 표현한다.

(2) 부울대수를 풀어 정상사상을 유발시키는 기본 사상들의 조합인 최소컷세트(Minimal cutsets)를 구한다.

(3) 각각의 최소컷세트에 포함된 기본사상의 확률값을 대입하여 최소컷세트에 대한 확률값을 구한다.

(4) 정상사상을 유발시키는 모든 최소컷세트에 대한 발생확률을 더하여 정상사상에 대한 확률을 산출한다.

(5) 각 기본사상이 정상사상에 미치는 중요도 분석을 수행하여 기본사상의 중요도를 계산한다.

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8.4 기록

(1) 각각의 조치권고사항은 신중히 고려되어야 하고 만약 시행하도록 받아 들여진다면 실제로 조치가 될 수 있도록 최종 보고서에 포함하여  보고한다.

(2) 조치를 해야할 결과들의 위험정도와 결함수분석 결과로 산출된 이들이 발생 가능한 빈도를 조합하여 특정한 권고사항을 작성한다.

(3) 후속조치를 담당하는 다른팀이 이해할 수 있도록 다음과 같은 자료들을 권고사항에 포함시켜 전달한다.

(가) 팀이 검토하였던 정상사상의 선정 과정

(나) 팀에 의해 파악된 결과

(다) 팀이 제안한 변경의 요지

(라) 변경대상 또는 권고되는 검토사항

(4) 모든 권고사항은 다음과 같은 사항을 고려하여 작성한다.

(가) 무슨 조치가 필요한가?

(나) 어디에 이 조치가 필요한가?

(다) 왜 이 조치가 시행되어야 하나?

(5) 기록은 한글과 영문을 혼용할 수 있다.

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9. 보고서 작성 및 후속조치

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9.1 보고서 작성

9.1.1 문서화

결함수 분석을 수행한 결과로서 다음과 같은 내용을 문서화하여 보고서를 작성한다.

(1) 개요

(가) 공정 및 설비의 개요

(나) 공정의 위험특성

(다) 정상사상의 설명 및 선정배경

(라) 팀 리더 및 구성원의 인적사항(<별지 양식 1> 참조)

(2) 결함수 분석 내용

(가) 평가방법

(나) 기본가정사항

(다) 공정설명 및 주요 운전조건

(라) 결함수 분석도(Fault tree analysis diagram)

(마) 게이트(Gate) 정보표(<별지 양식 2> 참조)

(바) 기본사상(Basic event)정보표(<별지 양식 3> 참조)

(3) 정량화 결과 및 해석

(가) 최소컷세트 계산결과표(<별지 양식 4> 참조)

(나) 예상사고 시나리오(<별지 양식 5> 참조)

(다) 위험성평가결과 조치계획(<별지 양식 6> 참조)

(4) 개선후의 결함수 분석내용

(가) 개선후 결함수 분석도

(나) 게이트(Gate) 정보표(<별지 양식 2> 참조)

(다) 기본사상(Basic event) 정보표(<별지 양식 3> 참조)

(라) 최소컷세트 계산결과표(<별지 양식 4> 참조)

(마) 개선후의 예상사고시나리오(<별지 양식 5> 참조)

9.1.2 참고자료

결함수 분석시 사용하였던 기술자료의 사본과 팀 리더가 사용했던 주요기기가 표시된 공정배관계장도를 위험성평가 서류에 함께 철하고, 검토보고서의 후속조치, 재설계 서류, 부기적인 권고사항 등 권고사항을 제시하기 위해 작성된 모든 작업서류도 모아 함께 철한다.

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9.2 개선권고사항의 후속조치

9.2.1 후속조치의 우선순위

결함수 분석결과 최소컷세트가 하나의 기본사상으로 구성되어 있는 경우에는 반드시 개선권고사항에 대한 후속조치를 취해야 하며 나머지 개선권고사항에 대한 내용은 다음의 우선순위에 따라 적절한 조치를 강구하도록 한다.

(1) 발생확률

(2) 최소컷세트에 포함되는 기본사상의 빈도

9.2.2 감사

경영자는 공정안전관리 담당부서에게 평가결과 보고서의 내용들이 적절하게 추진되고 있는지를 감사하도록 한다.

9.2.3 책임부서의 지정

후속조치의 책임부서는 회사의 특성에 따라 정비부, 기술부, 사업부 등에서 각각 시행할 수 있도록 책임부서를 지정하여야 한다.

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<별지 양식 1> 팀 리더 및 구성원 인적사항(예)

<별지 양식 2> 게이트(Gate) 정보표(예)

<별지 양식 3> 기본사상(Basic event) 정보표(예)

<별지 양식 4> 최소컷세트(Minimal cutsets) 계산결과표(예)

<별지 양식 5> 예상사고 시나리오(예)

<별지 양식 6> 위험성평가결과 조치계획(예)

<붙임 1> 기본사상 및 게이트 명명 요령

<붙임 2> 신뢰도 계산방법(예)

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** 상세내용은 "첨부자료" 참고

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첨부자료 : "결함수 분석 기법(P-84-2012)"

P-84-2012 결함수 분석 기법.pdf

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