2015 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2015S089

고장물리기반의 고장분석

박수중*† 추돈호** 정태오* 전서탁* 고재현*

Soo Choong Park*†, Don Ho Choo**, Tae O Jung*, Seo Tak Jeon*, Jae Hyun Ko*

Abstract

We should do a scientific and systematic failure analysis in case of an accidents caused by accidents. This procedure is necessary to prevent recurrent failure and determine the cause of the failure. Failure of components is losing the functions required in the part by the stress on the environment and components due to changes in the physical & chemical qualities called deterioration.

In this paper, we propose a method and procedure of failure analysis for the failuer physics view. Failuer physics is an analysis technique to prevent failure through the physical failure.

Keywords : Accident investigation,

초 록

철도의 부품고장으로 인한 사고발생시 과학적이고 체계적인 고장분석이 반드시 수행되어야

한다. 이는 고장원인을 규명하여 고장재발을 방지하기 위하여 꼭 필요한 절차이다. 부품의

고장은 부품이 사용되는 환경과 부품에 가해지는 응력(Stress)에 의하여 열화 되어 즉 화학적

물리적 성질이 변화되어 부품에 요구되는 기능의 달성을 잃게 되는 것이다.

본 논문은 고장물리 관점에서의 고장분석 방법과 절차를 제시하고자 한다. 고장물리는

고장원인과 고장메커니즘, 고장위치 및 고장모드를 발생시키는 과학적인 원리를 이용해

규명하고 고장의 근본원인과 고장의 영향을 분석 하는 방법으로 고장을 방지하는 방법을

제시할 수 있는 고장분석 기법이다.

주요어: 고장분석, 고장물리, 고장메커니즘

† 교신저자: 서울메트로 철도사업처 SE팀 (금속재료기술사) hakusuing@seoulmetro.co.kr

* 서울메트로 신사업수행센터

** 서울메트로 안전조사처 처장

1. 서 론

고장이란, 아이템(부품, 유닛, 시스템 등의 총칭)이 사용되는 환경에서 받는

시트레스(역학적, 열적, 화학적, 전자기적 등)에 의해 열화되어 즉 화학적 물리적 성질이

변화되어 아이템이 요구되는 기능의 달성 능력을 잃게 되는 것이다. 화학적 변화의 경우

부식으로 나타나게 되고, 물리적 변화는 변형 또는 결함의 발생, 파손의 형태로 나타난다. 즉

고장이란 환경에 의한 스트레스, 아이템이 가지고 있는 잠재적 원인과 스트레스의 결합,

아이템의 물리화학적 변화, 아이템의 기능상실로 이어지는 인과 관계를 가진다.

고장의 인관 관계를 블랙박스화 하고, 발생 타이밍에만 착안하여 고장현상을 체계화 하는

것이 신뢰성공학이다. 하지만 이를 위해서는 현장의 고장데이터에 대한 수집과 분석이

필요한데, 신뢰성이 향상되고 고장이 감소할수록 이러한 데이터의 수집이 곤란해진다. 이것이

바로 이른바 수와 시간의 벽이라 불리는 문제이다. 이 문제를 해결하기 위해, 신뢰성

공학분야에서도 블랙박스를 열고, 고장 메커니즘의 물리 화학적 추구의 중요성이 인식되어,

고장 물리라 불리는 분야가 발달 되기 시작하였다.

2. 본 론

2.1 고장물리 이론

일반적으로 시스템의 구조는 계층적으로 파악되므로, 이 계층에 따라 고장의 인과관계를

정리할 수 있다. 부품에는 여러 가지 스트레스가 작용하며, 이에 의해 열화가 발생한다.

열화는 구성요소의 형상, 표면의 상태, 강도 등의 속성변화를 수반한다. 이에 의해 상위계층

아이템의 기능이 변화된다. 이러한 기능의 변화는 차 상위 계 층으로 전파된다. 각 계층에게

요구되는 기능 레벨이 있으며, 이를 만족시키지 못하는 상태가 고장이다.

(A)고장의 인과관계 (B) 고장의 진척패턴

Fig. 1 고장물리에서의 고장의 인과 관계 및 고장의 진척패턴

스트레스는 재료역학에서는 응력을 의미하지만, 고장물리 및 신뢰성에서는 열화를

야기시키는 역학적, 열적, 화학적, 전자기적 등의 요인을 뜻한다. 잠재적 고장원인은 부품이

가지고 있는 자신의 속성으로 사용조건과 설계상의 사용 소재 선택 및 구조적인 요인에

기인한다. 고장메카니즘은 고장을 일으키는 기계적, 전기적, 화학적 혹은 물리적 스트레스와

잠재적 고장원인이 결합하여 특정 고장형태를 일으키는 과정으로, 스트레스의 종류 부품의

속성 등에 의하여 다양한 형태로 나타나게 된다. Table1 은 고장메카니즘의 분류 예이다.

Table 1 고장메커니즘

구분 스트레스 세부 분류 고장메커니즘형태 부품의 속성

물리적

스트레스

열(temperature)

습도(humidiy)

방사선(nuclear)

특성치변화, 특성치불안정

열피로

중성자 조사약화

재료의 특성

공정으로 인한 특성

열처리로 인한 특성

표면특성

접촉방법으로 인한 특성

모양과 형식에 의한 특성

조립형태에 의한 특성

조립의 품질특성

기계적

스트레스

진동(vibration)

압력(pressure)

충격(shock)

마찰(abrasion)

피로

파손, 균열, 결함

변형

마모

화학적

스트레스

이온(ionizing)

부식(corrosion)

전면부식, 국부부식, 공식,

입계부식, 갈바닉부식,

부식피로

전자기파

스트레스 전자파간섭(EMI) 특성치불안정

전기적

스트레스

과전압(over voltage)

과전류(over current)

써지(surge & spike)

정전기

(electrostatic

discharge)

단선

단락

특성치변화

특성치불안정

2.2 고장물리에 의한 고장분석 절차

Fig. 2 고장분석절차

고장물리에 의한 고장분석의 목적은 첫째 시스템이 사용함에 따라 발생가능성이 있는

열화와, 이에 의해 야기될 수 있는 고장을 예측하여 고장을 예방하는 것이다. 두번째는

발생한 고장에 대한 운전조건에 의한 가해지는 스트레스와 고장 메커니즘(열화 메커니즘)을

정확하게 파악하여 아이템의 속성변화가 아이템의 기능에 어떠한 변화를 발생가, 또 이것이

다른 아이템에 어떠한 영향을 끼치는가에 대한 해석하여 고장원인을 규명하고 고장재발을

방지하는 것이다. Fig2.는 고장분석절차를 개괄적으로 표현했다.

2.3 고장물리기반의 고장분석 사례 (삼성역 탈선사고 사례)

2.3.1 현장조사

합정역을 출발한 전동차가 잠실역 방향으로 가던중 건대입구역에 도착한 오전 7 시 11

세번째 객차에서 연기발생, 서울대입구역까지 운행 오전 7 시 50 분 같은 역에서 승객들을

모두 하차 역내 유치, 오전 10 시 10 분께 전동차를 군자차량기지로 회송조치 중 전동차를

후진시키는 과정에서 견인전동기(TM)탈락으로 탈선이 발생하였다. 탈선발생으로 인명

피해는 발생하지 않았으나 2 호선 본선 5 시간운행중단이라는 결과를 초래했다.

Fig. 3 손상상태

부품의 손상은 차륜찰상발생, 기어헹거 절손, 기어커플링 탈락, TM 브라켓 절손,

TM 하부취부볼트 탈락등 이 발생했다. 현장 및 차량기지에서 수거된 부품의 손상상태 및

절손부의 파단면을 살펴보면 Fig.4 는 차륜의 찰상사진으로 매우 폭넓은 찰상폭과 매우 깊은

찰상깊이를 보여준다. 이는 보안제동 불안해로인해 차륜이 끌려가면서 발생한 찰상으로

사료된다. 이것으로 보아 최초 건대입구에서 발생한 대차 쪽에서 발생한 연기는

차륜찰상으로 인한 것으로 판단되어지며 찰상 상태로 보아 매우 긴 시간 동안 마모가 발생한

것으로 판단된다.

Fig. 4 차륜찰상 Fig. 5 기어헹거 파손상태 Fig. 6 기어헹거안전핀 파손상태

Fig.5 및 Fig.6.는 기어헹거 절손 파단면 사진 및 기어헹거안전핀 절손 파단면사진으로

전형적인 취성파괴 단면사진으로, 높은 변형률 속도나, 응력속도에의해 취성 파괴를 일으킨

것으로 사료되며, 이는 부품에 순간적인 커다란 충격적인 응력이 가해질 경우 소성변형의

시간적 여유 없이 급작스럽게 변형이 유발 전위이동에 따르는 충분한 시간을 갖지 못하여

국부적 순간적 취성파괴를 일으키는 것이다.

2.3.2 고장메커니즘검토

가. 피로파괴

사용하중 이내에서 금속이 반복 또는 교번응력(交番應力)에 의해 피로크랙(Crack) 발생,

성장, 파단에 이르는 과정을 피로파괴라고 한다. 이것은 단일하중의 파단 응력보다 적은 응력

하에서 파단이 일어나므로 특히 주의해야 한다. 피로 파괴의 특성은 반복응력에 의한

피로균열의 진행과 균열의 성장에 따른 단면감소에 의해 아주 작은 응력에서도 갑작스런

취성파괴(脆性破壞)를 일으킨다.

(A) 피로손상단면 (B) 피로손상조직 (C) 피로손상조직 (D) 피로손상조직

Fig. 7 피로파괴

Fig. 7 의 (A)는 전형적인 피로파괴 파단면 특징인 균열면 여닫힘으로 생기는 평활한 균열

전파지역에서 파괴시작점으로부터 내부로 진행되는 일련의 원형자국(beach mark)이 선명하게

나타나 있는 피로에 의한 손상사례이다. 피로파괴의 원인은 Fig. 7 의 (B)의 주사전자현미경

사진을 살펴보면 피로균열 파단면 사진 위 부분과 균열시작점을 유심히 살펴보면 표면 쪽에

미세한 흠이 보인다. 이 흠이 피로 균열의 시작점으로 하여 균열이 성장 진행 하여 파단에

이른 것이다.

나. 결함에 의한 취성파괴

사용조건을 초과하지 않는 변형 속도나 응력속도 내에서도 취성 파괴가 일어나곤 하는데

이는 제조과정 즉 주조 및 단조과정에서 발생한 결함 또는 용접과정에서 발생한 결함에 의해

분품이 사용 응력을 견딜 수 있는 단면적이 결함에 의해 감소되어 발생한다.

(A) 결함에의한 손상 단면 (B) Crack MT (C) Crack 주사전자현미경

Fig. 8 결함에 기인한 취성파괴

Fig.8 은 제작과정에서 발생한 균열이 원인이 되어 운행 중 발생한 일회성 충격 하중을

견디지 못하고 발생한 손상사례이다.

다. 취성파괴

소재자체에 내재하는 취성파괴 유발요인으로는 결정립크기, 석출강화 요인 및 결정학적인

취화 요건과 같은 것이 있다. 일반적으로 조대한 결정립은 미세한 경정립 구조에 비하여

균열의 전파를 억제하는 균열 팁의 둔화효과가 적어 파괴인성을 저하시키며, 결국 취성파괴를

유발 할 수 있다.

사용조건을 초과하는 높은 변형률 속도나, 응력속도는 취성 파괴를 일으킬 수 있는 요인이

된다. 이는 부품에 순간적인 커다란 충격적인 응력이 가해질 경우 소성변형의 시간적 여유

없이 급작스럽게 변형이 유발될 경우 균열이 발생하기 쉬운 이유로 설명할 수 있다. 즉

사용부품에 가해지는 높은 변형 속도나 응력속도는 부품의 전위이동에 따르는 충분한 시간을

갖지 못하므로 파괴를 일으키는 것이다.

Fig. 9 단일 응력에 의한 취성파괴

Fig.9 는 제작과정에서 나사도입부의 가공 잘못에 의한 노치(notch)발생이 원인이 되어

운행 중 발생한 일회성 충격하중에 견디지 못하고 절손된 손상사례이다.

2.3.3 비파괴검사 (MT)

기어헹거 및 기어헹거 안전핀에 대한 형광자분탐상 결과 기어헹거의 경우 크렉이 발견되지

않았으며, 이는 기어헹거의 순간적 충격에 의한 절손임을 다시 한번 증명해준다. 기어헹거

안전핀의 자분탐상 결과 안전핀 파단면 근처에 크렉이 보이는데 이는 기어헹거 절손에 따른

기어박스 노우즈부위의한 타격에 의해 발생한 것으로 사료된다.

Fig. 10 기어헹거 MT Fig. 11 기어헹거안전핀 MT

2.3.4 파괴검사 (금속조직검사)

(A) 기어헹거 금속조직(국 1) (B) 기어헹거 금속조직(국 2) (C) 기어헹거 금속조직(일본)

Fig. 12 기어헹거 금속조직

위 금속현미경 조직사진은 국산 기어헹거 및 일본산 기어헹거의 마이크로금속조직을

비교한것으로 국산 기어행거의 경우가 조직이 조금 조대한 것으로 보이며 펄라이트 조직 분포

및 페라이트 조직 분포로 보아 탄소함량이 거의 동일한 것으로 사료된다. 위의 조직분석

결과를 보아 금속성분의 이상이나, 금속조직의 조대에 기인 한 것이 아님을 알 수 있다.

즉 기어헹거의 자체속성 형상이나 성분 조직의 원인이 아니라 다른 유닛의 손상에 의한

1 회성 큰 하중이나 충격에 의해 손상이 발생 하였음을 알 수 있다.

2.3.5 고장원인 및 대책

고장물리에 기반한 고장 조사결과 1 차원인은 보안제동 불완해에 따른 차륜이 회전하진

못하고 끌려가면서 발생한 찰상으로 사료된다. 2 차원인은 이것에 더하여 기관사의 무리한

운행에 따른 손상된 차륜이 회전하면서 발생한 충격에 의하여 기어헹거 절손이다. 이후

부품의 파손에 따른 연쇄 작용에 의하여 기어헹거 절손에 따른 기어박스가 내려 앉으면서

기어헹거안전핀을 타격하고 기어헹거안전핀 절손, 기어커필링 탈락, TM 상부브라켓절손,

TM 하부볼트 탈락, TM 탈락, 탈선으로 이어진 것이다.

3. 결 론

고장이란 환경에 의한 스트레스, 아이템이 가지고 있는 잠재적 원인과 스트레스의 결합,

아이템의 물리화학적 변화, 아이템의 기능상실로 이어지는 인과 관계를 가진다. 고장물리적

고장분석은 고장의 인관 관계를 파악하여 고장메커니즘 및 고장원인을 밝혀 고장의 재발

방지를 하는 일련의 과정이다. 고장물리기반의 고장분석은 이른바 수와 시간의 벽이라 불리는

문제에서 벗어날 수 있으며, 고장의 근본원인을 밝혀 제거 또는 개선하여 궁극적인 신뢰성

향상 및 신뢰성 성장을 기대할 수 있다.

본고에서 철도 시스템분야의 고장물리기반의 고장분석 절차를 제안하고, 그 절차에 따라

고장조사 사례를 살펴 보았다. 향후 연구 과제로서는 고장에 대한 신뢰성 방법과 고장물리적

방법의 통합과 융합이다.

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