손상 원인 분석을 통한 원인 규명과 품질 개선

손상 원인 분석의 목적과 중요성

가혹한 야전 환경에서 장기간 운용되는 무기체계는 균열, 파손, 누유, 마모 등과 같은 다양한 품질 문제가 생긴다. 이러한 문제는 부품 교체나 수리를 통해 일시적으로 해소할 수 있지만, 만약 동일하거나 유사한 문제가 반복적으로 발생한다면 좀 더 근본적인 해결 방안이 필요하다. 따라서 무기체계 손상을 하나의 결과로만 보는 것이 아니라 손상에 이르게 된 과정을 탐색함으로써 근본 원인을 찾아내어 개선하는 과정이 필요하다.

손상 원인 분석은 제품이 기능을 상실하게 된 원인을 규명하기 위한 조사 과정을 말하며, 손상의 원인은 크게 설계, 제조 및 설치, 운용, 재료와 관련된 요인으로 구분될 수 있다. 분석 과정에서는 현장 조사와 손상 형태 관찰을 시작으로 재료 시험, 미세조직 분석, 전산 해석 등 필요한 방법을 적용한다. 이를 통해 조사 및 분석 결과를 종합하여 손상을 가장 합리적으로 설명할 수 있는 원인을 규명한다. 특히 체계 구성이 복잡할수록 손상이 단일 원인보다는 여러 요인의 복합적인 작용에 의해 발생할 수 있으므로, 개별 현상만으로 원인을 판단하기보다는 체계적인 손상 원인 분석을 통해 단계적으로 접근하는 것이 중요하다.

손상 원인 분석의 절차

재료공학 분야의 전문기관인 ASM International(구 American Society for Metals)에서 발간하는 ASM Handbook Vol. 11: Failure Analysis and Prevention에서는 손상을 충분히 이해하고 가능한 원인을 식별한 후, 수집된 정보와 분석 결과를 바탕으로 각 추정 원인의 가능성을 평가하여 근본 원인으로 수렴하는 체계적인 접근법을 제시한다. 또한 근본 원인이 확인된 이후에는 도출된 개선 방안을 검토 및 선정하고, 개선 방안이 실제로 효과가 있는지 확인하도록 하고 있다. 이러한 과정은 관찰된 손상 형태만을 근거로 원인을 성급하게 단정하는 것을 방지하고, 객관적인 증거를 바탕으로 원인을 규명하기 위한 것이다.

손상 원인 분석에서는 먼저 조사의 목적과 범위를 명확히 하고 발생한 손상의 상태와 특성을 충분히 파악해야 한다. 손상 위치와 형상, 손상의 진행 양상, 변형이나 마모 상태, 부식 흔적 등을 조사하여 손상 모드와 손상 메커니즘을 검토한다. 또한 손상 전후의 운용 상태와 주변 환경을 확인하고, 운전 기록, 정비 이력, 설계도면, 규격서 등과 같은 관련된 자료를 확보한다. 필요시 운용부대나 정비부대 관계자와의 인터뷰를 통해 손상 발생 당시의 운용 및 정비 상태와 관련된 정보를 추가로 수집한다.

다음으로 관찰된 손상 현상과 확보된 정보를 바탕으로 가능한 원인을 도출한다. 이때 특정 원인을 미리 정해 놓고 분석을 진행하기보다는 설계, 재료, 제작, 운용 및 환경 등 여러 가능성을 함께 검토한다. 예를 들어 구조물에서 피로균열이 확인되었다고 하더라도 반복하중만을 근본 원인으로 판단해서는 안 된다. 국부적인 응력집중, 재료 특성, 표면 상태, 제작결함, 비정상적인 하중과 사용환경 등이 균열 발생에 영향을 미칠 수 있으므로 이를 유발한 조건을 검토해야 한다.

이러한 원인가설을 체계적으로 정리하는 데 활용할 수 있는 방법은 고장트리(Fault Tree)를 작성하는 것이다. 고장트리는 최상단에 조사 대상의 손상 현상을 작성하고, 이를 일으킬 수 있는 원인을 가지 형태로 연결 및 작성한다. 이후 각 원인이 발생할 수 있는 이유를 다시 질문하며 세부 원인으로 확장한다. 예를 들어 ‘체결부 분리’를 최상단에 두었다면 볼트 파단, 나사산 손상 등을 하위 원인으로 검토하고, 볼트 파단은 다시 과도한 하중이나 피로손상 등의 가능성으로 나눌 수 있다. 이때 최상단에는 확인된 현상을 기재하고, 하위 항목에는 검증해야 할 사항을 정리한다.

필요하다면 AND와 OR 조건으로 고장트리를 작성할 수 있다. 하위 조건 중 어느 하나만으로 상위 현상이 발생할 수 있다면 OR 조건으로, 여러 조건이 함께 충족되어야 발생한다면 AND 조건으로 연결한다. 이를 통해 어떤 조건이 단독으로 또는 복합적으로 손상을 일으키는지 나타낼 수 있다.

고장트리에 정리한 원인은 재료시험, 파면 및 미세조직 분석, 전산해석과 필요한 경우 실물시험 등을 통해 평가한다. 각 원인이 실제로 작용했다면 어떤 증거가 나타나야 하는지 검토하고, 이를 확인할 수 있는 조사 방법을 선정하며 검증함으로써 가능한 원인의 범위를 좁혀 나가며 조사과정 중 새로운 원인이 드러나면 트리를 수정할 수도 있다.

근본 원인이 확인된 이후에는 해당 원인을 제거하거나 영향을 줄일 수 있는 개선조치를 수립한다. 예를 들어 피로균열의 근본원인이 정상 운용하중에도 불구하고 불연속부의 응력집중으로 재료의 피로강도 대비 안전여유가 부족한 것이 확인되었다면 형상 변경이나 구조 보강을 고려할 수 있으며, 제작공정으로 인한 표면 결함이 원인이라면 공정관리 방법이나 검사 방법을 개선할 수 있다. 이후 시험이나 해석을 통해 개선 전후의 응력수준, 내구수명 또는 손상 발생 여부를 비교하여 개선 효과를 확인한다. 이를 실제 손상 원인 분석에 적용하면 [손상 현상 확인 → 가능한 원인 도출 → 증거 수집 및 시험 및 해석 → 각 원인의 가능성 평가 → 근본 원인 도출 → 개선조치 수립 및 효과 확인]의 흐름으로 정리할 수 있다.

손상원인분석의 사례 : de Havilland Comet 사고

민수 분야에서 손상원인분석이 품질개선으로 이어진 사례로 영국 de Havilland Comet 여객기(이하 Comet) 사고를 들 수 있다. 1954년 1월 Comet이 운항 중 추락하는 사고가 발생하였으나, 초기 조사에서는 정확한 사고 원인을 규명하지 못하였다. 이후 일부 개조를 거쳐 운항을 재개하였으나 같은 해 4월 유사한 사고가 다시 발생하면서 Comet의 운항은 중단되었고, 영국 Royal Aircraft Establishment(RAE)를 중심으로 대규모 사고조사와 실증시험이 수행되었다.

사고 원인을 확인하기 위해 실제 Comet 압력동체를 대형 수조에 설치하고 동체 내부와 외부를 물로 채운 상태에서 내부 압력을 반복적으로 변화시켜 실제 비행 중의 객실 가압 사이클을 모사하였다. 시험 결과 최초 파손은 전방 비상탈출구 모서리 부근에서 발생하였으며, 해당 부위에서는 반복하중에 의해 피로균열이 발생하고 성장한 흔적이 확인되었다. 이러한 결과는 사고 원인을 압력동체의 피로파괴 측면에서 검토하는 중요한 근거가 되었다.

추가적인 조사에서는 압력동체의 개구부 및 리벳홀과 같은 형상 불연속부에서 국부적인 응력집중이 발생하고, 반복적인 객실 가압하중이 작용하면서 피로균열이 발생할 수 있음이 확인되었다. 수조시험에서 최초 파손이 발생한 위치와 실제 사고기의 잔해들을 분석한 결과 두 경우 모두 압력동체의 개구부 주변에서 반복가압에 따른 피로균열이 발생하고 성장하였다는 공통적인 손상 메커니즘이 확인되었다. 이를 통해 반복적인 객실 가압에 따른 압력동체의 피로파괴가 사고의 주요 원인으로 규명되었다.

그림 5. 압력사이클 실험을 위한 대형수조, 피로균열로 인한 개구부 파괴(출처 : Ministry of Transport and Civil Aviation, 1955)

사고 조사 결과는 동체 설계와 동체 시험법의 개선으로 이어지게 되었다. 객실 창문과 주변 구조를 재설계하고 국부적인 응력 집중을 줄이기 위한 구조 보강과 재료 변경 등의 개선 조치를 추진하였다. 또한 기존 피로 시험 방법의 한계가 확인됨에 따라, 이후 개정된 영국 감항 기준 BCAR D3-7에서는 강도 시험에 사용하지 않은 별도의 완전한 압력 동체를 이용하여 반복 하중 피로 시험을 수행하도록 요구한다.

무기체계 품질 개선 활용

무기체계는 일반 상용품과 달리 고온, 진동, 충격, 염수 등 가혹한 환경에서 운용되는 경우가 많기 때문에 고장 및 손상에 취약하며, 무기체계 손상이 국가 안보에 직접적인 영향을 미칠 수 있기 때문에 높은 수준의 신뢰성과 품질 확보가 요구된다. 따라서 야전 부대에서 발생한 손상을 단순한 고장으로만 취급하기보다는 원인을 체계적으로 규명하고 그 결과를 환류시키는 것이 중요하다.

또한 하나의 손상 사례를 통해 확인된 원인과 개선 방안은 동일 또는 유사한 구조와 운용 환경을 갖는 다른 무기체계에도 적용될 수 있다. 따라서 손상 원인 분석 결과를 유사 체계와 품목으로 확장시키고 필요한 경우 관련 규격과 기준에 반영한다면, 개별 손상의 재발 방지를 넘어 무기체계 전반의 신뢰성과 품질을 향상시키는 효과로 이어질 수 있을 것으로 기대한다.