[산업안전지도사] 화공안전 2차 2020년도 기출

※ 다음 단답형 5문제를 모두 답하시오. (각 5점)

[문제 1] 부식에 영향을 미치는 인자(요인) 5가지를 쓰시오.

답안

문제 개요 및 개념 설명

부식(Corrosion)이란 금속이 주위 환경(수분, 산소, 화학물질 등)과 화학적 또는 전기화학적 반응을 일으켜 소모되거나 성질이 변하는 현상을 말한다.
화학공장에서는 배관, 저장탱크, 반응기 등이 다양한 화학물질과 고온·고압 환경에 노출되므로 부식 관리가 필수적이다. 이 문제는 부식의 속도를 가속화하거나 억제하는 주요 변수(인자)들이 무엇인지 묻는 것으로, 설비의 수명을 예측하고 방식 대책을 수립하는 데 있어 가장 기초가 되는 지식이다.

풀이 (부식 영향 인자 5가지)

부식 반응은 복합적인 요인에 의해 결정되나, 주요 영향 인자는 다음과 같다.

1. 온도 (Temperature)
   • 키워드: 반응속도 증가, 활성화 에너지
   • 해설: 일반적으로 온도가 상승하면 화학 반응 속도가 빨라져 부식 속도가 증가한다. 대략 온도가 10℃ 상승할 때마다 부식 속도는 2배 정도 빨라지는 경향이 있다. 단, 온도가 높아져 용존 산소가 제거되는 경우 등 특수한 상황에서는 오히려 부식이 감소할 수도 있다.
2. 유속 (Flow Velocity)
   • 키워드: 부식 생성물 제거, 보호 피막 파괴(Erosion-Corrosion)
   • 해설: 유체의 속도가 빨라지면 금속 표면의 부식 생성물이나 방식 피막(보호막)이 물리적으로 제거되어 새로운 금속면이 노출되므로 부식이 가속화된다. 이를 침식 부식(Erosion-Corrosion)이라 한다. 반대로 정체된 유체(Stagnant)에서는 틈새 부식이나 공식이 발생하기 쉽다.
3. 용존 산소 및 산화제 농도 (Dissolved Oxygen & Oxidizers)
   • 키워드: 감극 작용, 부동태 피막
   • 해설: 중성이나 알칼리성 수용액에서 용존 산소 농도가 높으면 환원 반응(산소 소비)이 촉진되어 부식 속도가 증가한다. 그러나 스테인리스강과 같은 금속은 산화제 농도가 높으면 표면에 치밀한 산화 피막(부동태 피막)을 형성하여 부식이 억제되기도 한다.
4. pH (수소이온 농도)
   • 키워드: 산성도, 수소 가스 발생
   • 해설: 일반적으로 pH가 낮을수록(산성일수록) 수소 이온 농도가 높아져 수소 발생 반응과 함께 금속의 용해가 촉진되어 부식이 빨라진다. 철(Fe)의 경우 pH 4~10 범위에서는 부식 속도가 일정하지만, pH 4 이하에서는 급격히 증가한다.
5. 이종 금속의 접촉 (Galvanic Coupling)
   • 키워드: 전위차, 갈바닉 부식
   • 해설: 전위가 다른 두 금속이 접촉하여 전해질 속에 있으면, 전위가 낮은(비한, Anodic) 금속이 양극이 되어 부식이 촉진되고, 전위가 높은(귀한, Cathodic) 금속은 부식이 억제된다. 전위차가 클수록, 양극의 면적이 작을수록 부식 속도는 빨라진다.
6. 응력 (Stress) - 추가 답안 가능
   • 키워드: 인장응력, SCC
   • 해설: 금속에 인장응력이 작용하는 부분은 에너지가 높은 상태가 되어 부식에 취약해진다. 특정 환경과 인장응력이 결합하면 응력부식균열(SCC)이 발생한다.

참고자료

문제가 '환경적 요인'과 '재료적 요인'을 구분하여 묻거나, 특정 부식 현상에 대해 묻는 경우를 대비해야 한다.

1. 부식 영향 인자의 분류
   • 환경적 인자: 온도, 유속, pH, 용존산소, 습도, 불순물 등
   • 금속(재료)적 인자: 금속의 종류(이온화 경향), 표면 상태, 열처리 유무, 가공 경화, 결정 입계 등
   • 설계/구조적 인자: 이종 금속 접촉, 틈새 구조(Crevice), 응력 집중 등
2. 부동태(Passivity) 현상
   • 정의: 특정 환경(주로 산화성 환경)에서 금속 표면에 얇고 치밀한 산화 피막이 형성되어 부식 반응이 급격히 억제되는 현상.
   • 해당 금속: 스테인리스강(Cr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 등.
   • 특징: 염소 이온(Cl-) 등 할로겐족 원소는 이 부동태 피막을 국부적으로 파괴하여 공식(Pitting)을 유발한다.
3. 부식 방지 대책 3가지 (기본)
   • 피복에 의한 방법: 도장, 라이닝, 도금 등
   • 전기화학적 방법: 음극방식(희생양극법, 외부전원법)
   • 환경 처리 방법: 탈기(산소제거), 부식억제제(Inhibitor) 투입

KOSHA 가이드

• KOSHA Guide M-106-2012 (화학설비의 부식 손상 및 방지대책에 관한 기술지침)
• KOSHA Guide M-60-2020 (화학설비 자재선정에 관한 기술지침)

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[문제 2] 폭발의 거동에 영향을 미치는 인자(요인) 5가지를 쓰시오.

답안

문제 개요 및 개념 설명

'폭발의 거동(Explosion Behavior)'이란 가연성 물질이 착화된 후 화염이 전파되면서 발생하는 압력 상승 속도, 최대 폭발 압력, 화염 전파 속도 등의 진행 특성을 말한다.
폭발이 단순한 연소(Deflagration)로 끝날지, 파괴적인 폭굉(Detonation)으로 전이될지, 또는 그 위력이 얼마나 클지를 결정하는 것은 단순한 물질의 종류뿐만 아니라 환경적, 물리적 변수에 크게 의존한다. 이 문제는 폭발 사고 시 피해 예측이나 방폭 설계 시 고려해야 할 핵심 변수들을 묻는 것이다.

풀이 (영향 인자 5가지)

KOSHA Guide P-102(화학공정의 폭발거동 예측에 관한 기술지침) 등에서 제시하는 주요 변수는 다음과 같다.

1. 연료의 농도 (Concentration)
   • 키워드: 양론농도, 반응속도
   • 해설: 가연성 물질과 산소의 혼합 비율이 화학양론적 농도(Stoichiometric concentration)에 가까울수록 반응 속도가 가장 빠르고 폭발 압력과 압력 상승 속도가 최대가 된다. 농도가 폭발 한계(LFL, UFL) 근처일수록 폭발 위력은 감소한다.
2. 난류 (Turbulence)
   • 키워드: 화염 표면적 증가, 연소 속도 가속
   • 해설: 배관 내의 장애물, 팬(Fan), 또는 가스의 흐름 등으로 인해 난류가 발생하면 화염의 표면적이 급격히 증가하고 미연소 가스와 화염의 혼합이 촉진된다. 이는 연소 속도를 획기적으로 증가시켜 폭발 압력 상승 속도를 높이고, 폭굉으로의 전이(DDT)를 유발하는 주된 원인이 된다.
3. 초기 압력 및 온도 (Initial Pressure & Temperature)
   • 키워드: 밀도, 총 에너지량
   •  해설:
     • 초기 압력: 밀폐 공간에서 초기 압력이 높을수록 가스의 밀도가 높아져 단위 부피당 반응 가능한 에너지량이 증가하므로, 최대 폭발 압력은 초기 압력에 비례하여 증가한다.
     • 초기 온도: 초기 온도가 높으면 반응성은 커지지만 기체의 밀도가 낮아져 최대 폭발 압력 자체는 다소 감소하는 경향이 있다. (단, 발화 지연 시간은 단축됨)
4. 밀폐도 및 용기의 형상 (Confinement & Geometry)
   • 키워드: 압력 축적, L/D 비(장경비)
   • 해설: 개방된 공간(Open system)에서는 연소 가스가 팽창하며 압력이 해소되지만, 밀폐된 공간(Closed system)에서는 압력이 축적된다. 특히 배관처럼 장경비(L/D)가 큰 용기에서는 화염 전파 가속이 쉽게 일어나 폭굉으로 발전하기 쉽다.
5. 점화원의 위치 및 에너지 (Ignition Source)
   • 키워드: 중심 착화, 에너지 크기
   • 해설: 용기의 중심에서 착화될 때 화염이 구형으로 전파되어 열 손실이 적고 압력 상승이 가장 빠르다. 벽면 근처 착화는 열 손실로 인해 위력이 다소 감소한다. 또한 점화 에너지가 클수록 초기 화염 핵의 성장이 빨라 폭발 거동이 격렬해진다.

참고자료

문제가 가스 폭발이 아닌 분진 폭발로 변형되거나, 폭발 위력 계산 문제(세제곱근 법칙)로 나올 경우를 대비해야 한다.

1. 분진 폭발(Dust Explosion)에만 적용되는 특수 영향 인자
   • 입자의 크기(Particle Size): 입자가 작을수록 표면적이 커져 반응 속도가 빠르고 폭발 압력 상승 속도가 증가한다.
   • 수분 함량(Moisture): 수분이 많을수록 입자의 응집력을 높이고 열을 흡수하여 폭발성을 감소시킨다.
   • 휘발분(Volatile Matter): 휘발분 함량이 높을수록 폭발하기 쉽다.
2. 폭발 위력의 척도와 세제곱근 법칙 (Cubic Root Law)
   • 내용: 동일한 가연성 물질이라도 용기의 크기가 커지면 폭발 압력 상승 속도가 달라진다. 이를 표준화하기 위해 사용하는 식이 세제곱근 법칙이다.
   • 공식: $(dP/dt)_{max} \times V^{1/3} = K$
     • $(dP/dt)_{max}$: 최대 압력 상승 속도 (bar/s)
     • $V$: 용기의 부피 ($m^3$)
     • $K$: 폭발 지수 ($K_G$: 가스, $K_{St}$: 분진) (bar·m/s)
   • 의미: 용기 부피가 커지면 냉각 효과 감소 등으로 폭발 위력이 커질 것 같지만, 실제로는 화염 전파 거리가 길어져 $(dP/dt)$ 자체는 감소하는 경향이 있어, 이를 보정한 $K$값을 물질 고유 상수로 사용한다.
3. 폭연(Deflagration)과 폭굉(Detonation)의 구분
   • 폭연: 연소 파의 전파 속도가 음속보다 느림 (수 m/s ~ 수백 m/s). 압력 파면이 화염면보다 앞서 나감.
   • 폭굉: 연소 파의 전파 속도가 음속보다 빠름 (수천 m/s). 충격파와 반응면이 결합되어 진행. 압력 상승이 불연속적이고 파괴력이 큼.

KOSHA 가이드

• KOSHA Guide P-102-2021 (화학공정의 폭발거동 예측에 관한 기술지침) 5. 폭발거동에 영향을 주는 변수
• KOSHA Guide P-107-2020 (사고피해예측 기법에 관한 기술지침)

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[문제 3] 산업안전보건기준에 관한 규칙상 과압에 따른 폭발을 방지하기 위하여, 안전밸브 또는 파열판을 설치해야 하는 설비 5가지를 쓰시오.

답안

문제 개요 및 개념 설명

화학설비는 내부 물질의 화학반응, 가열, 기계적 압축 등으로 인해 설계압력을 초과하는 과압(Overpressure)이 발생할 위험이 상존한다. 이러한 과압으로 인한 설비의 파열이나 폭발을 방지하기 위해, 설정된 압력에 도달하면 자동으로 유체를 배출하여 압력을 낮추는 장치가 안전밸브(Safety Valve) 또는 파열판(Rupture Disc)이다.

이 문제는 산업안전보건기준에 관한 규칙 제261조에 명시된 '반드시 안전밸브 등을 설치해야 하는 대상 설비'를 묻는 것으로, 화공안전 분야의 가장 기초적이면서도 필수적인 법적 준수 사항이다.

풀이 (설치 대상 5가지)

법령에 규정된 설치 대상은 다음과 같다. 특히 펌프와 배관의 경우 괄호 안의 '조건'까지 정확히 서술해야 정답으로 인정된다.

1. 압력용기
   • 키워드: 유해·위험기계
   • 해설: 산업안전보건법 시행령 제43조 제1항에 따른 유해ㆍ위험기계등 중 압력용기(안전인증 대상 등)
2. 정변위 압축기
   • 키워드: 용적형, 압력 상승
   • 해설: 피스톤이나 스크류 등으로 가스를 물리적으로 압축하여 토출하는 정변위 압축기(Positive Displacement Compressor)
3. 정변위 펌프 (조건 필수)
   • 키워드: 토출측 차단밸브
   • 해설: 정변위 펌프(토출축에 차단밸브가 설치된 것만 해당한다). 토출측이 막혔을 때 압력이 무한대로 상승하는 것을 방지하기 위함이다.
4. 배관 (조건 필수)
   • 키워드: 2개 밸브 차단, 열팽창
   • 해설: 배관(2개 이상의 밸브에 의하여 차단되어 대기온도 상승으로 인한 열팽창에 의하여 파열될 우려가 있는 것으로 한정한다)
5. 그 밖의 화학설비 및 부속설비
   • 키워드: 최고사용압력 초과
   • 해설: 안력용기 외에 해당 설비의 최고사용압력을 초과할 우려가 있는 화학설비 및 그 부속설비

참고자료

이 문제는 대상 설비를 묻는 것에서 나아가, '파열판을 설치해야 하는 경우'나 '안전밸브와 파열판을 직렬로 설치해야 하는 경우'로 변형되어 출제될 확률이 매우 높다.

1. 안전밸브 대신 파열판을 설치할 수 있는 경우 (제262조)
   안전밸브는 다시 닫힐 수 있지만, 파열판은 일회용이다. 다음의 경우에는 파열판을 우선 고려한다.
   • 반응 폭주 등 급격한 압력 상승 우려가 있는 경우 (안전밸브의 응답속도가 못 따라갈 때)
   • 급성 독성물질의 누출로 인하여 주위의 작업환경을 오염시킬 우려가 있는 경우 (안전밸브의 미세한 누출 방지)
   • 운전 중 안전밸브에 이상 물질이 누적되어 안전밸브가 작동되지 아니할 우려가 있는 경우 (고착 방지)
2. 안전밸브와 파열판을 직렬로 설치해야 하는 경우 (제263조)
   이중 안전장치가 필요한 경우다.
   • 부식성 유체로부터 안전밸브를 보호하기 위한 경우 (파열판을 안전밸브 전단에 설치)
   • 독성 물질 등 유해 가스가 전혀 누출되지 않도록 해야 하는 경우
3. 정변위(Positive Displacement) vs 터보(Turbo) 기계의 차이
   • 정변위 기계(왕복동, 로터리 등): 토출측을 폐쇄하고 운전하면 압력이 파손될 때까지 상승하므로 안전밸브 필수.
   • 터보 기계(원심 펌프 등): 토출측을 폐쇄해도 체절압력(Shut-off Pressure) 이상으로 압력이 상승하지 않으므로, 설계압력이 체절압력보다 높다면 안전밸브가 필수는 아님.

법령 및 KOSHA 가이드

• 산업안전보건기준에 관한 규칙 제261조(안전밸브 등의 설치)
• KOSHA Guide D-18-2020 (안전밸브 등의 배출용량 산정 및 설치 등에 관한 기술지침)

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[문제 4] 산업안전보건기준에 관한 규칙상 계측장치(온도계, 유량계, 압력계 등)를 설치해야 하는 특수화학설비 5가지를 쓰시오. (단, 위험물은 기준량 이상으로 제조하거나 취급하고 있다.)

답안

문제 개요 및 개념 설명

화학공정에서 재해는 온도, 압력, 유량 등의 운전 변수가 설계 범위를 벗어날 때 주로 발생한다. 따라서 산업안전보건기준에 관한 규칙 제273조는 사고 발생 시 피해가 큰 '특수화학설비'에 대해 계측장치 설치를 의무화하고 있다.

이 문제는 법령 [별표 9]에서 정의하는 '특수화학설비'의 종류를 묻는 것이다. 특수화학설비는 일반적인 화학설비보다 위험도가 높은 설비로, 계측장치뿐만 아니라 자동경보장치, 긴급차단장치, 예비동력원 등의 설치 대상이 되므로 반드시 암기해야 하는 핵심 분류다.

풀이 (특수화학설비 종류 5가지)

산업안전보건기준에 관한 규칙 [별표 9]에 명시된 특수화학설비 중 대표적인 5가지는 다음과 같다.

1. 발열반응이 일어나는 반응장치
   • 키워드: 반응폭주, 발열
   • 해설: 화학반응 시 열이 발생하는 설비로, 냉각 실패 시 반응폭주로 이어질 위험이 있는 장치다.
2. 증류ㆍ정류ㆍ증발ㆍ추출 등 분리를 하는 장치
   • 키워드: 분리 공정, 상변화
   • 해설: 끓는점 차이 등을 이용하여 물질을 분리하는 장치로, 가열과 압력이 수반되므로 위험하다.
3. 가열시켜 주는 물질의 온도가 가열되는 위험물질의 분해온도 또는 발화점보다 높은 상태에서 운전되는 설비
   • 키워드: 가열매체 온도, 분해·발화점 초과
   • 해설: 열교환기 등에서 열을 공급하는 매체(스팀, 열매유 등)의 온도가 내부 위험물의 위험 온도보다 높아, 누출 시 즉시 화재나 폭발로 이어질 수 있는 설비다.
4. 가열로 또는 가열기
   • 키워드: 직접 가열, 화염
   • 해설: 위험물질을 직접 가열하는 설비로 화재 위험이 매우 높다.
5. 반응폭주 등 이상 화학반응에 의하여 위험물질이 발생할 우려가 있는 설비
   • 키워드: 이상 반응, 2차 위험물 생성
   • 해설: 정상 운전이 아닌 이상 반응 시 유독가스나 폭발성 가스 등 위험물질이 새로 생성될 수 있는 설비다.
6. 온도가 섭씨 350도 이상이거나 게이지 압력이 980킬로파스칼 이상인 상태에서 운전되는 설비 - (추가 답안 가능)
   • 키워드: 고온, 고압
   • 해설: 물리적인 운전 조건 자체가 가혹하여 파열 시 피해가 큰 설비다.

참고자료

이 문제는 특수화학설비의 종류를 묻는 것에서 확장하여, 해당 설비에 설치해야 하는 다른 안전장치나 구체적인 계측 항목을 묻는 문제로 변형될 수 있다.

1. 특수화학설비에 설치해야 하는 안전장치 3종 세트
   특수화학설비는 계측장치 외에 다음의 장치들도 설치해야 한다. (규칙 제274조, 제275조, 제276조)
   • 자동경보장치: 계측된 값이 설정 범위를 벗어났을 때 알람을 울리는 장치 (감지기 및 경보장치)
   • 긴급차단장치: 이상 상태 발생 시 원료 공급을 차단하여 반응을 멈추는 장치
   • 예비동력원: 정전 시에도 제어 시스템과 안전장치가 작동하도록 하는 비상 전원
2. 계측장치의 구체적인 종류 (무엇을 측정하는가)
   규칙 제273조에 따라 다음 항목을 계측할 수 있는 장치를 설치해야 한다.
   • 온도계: 반응기 내부 또는 가열 매체의 온도
   • 압력계: 용기 내부의 압력
   • 유량계: 원료나 냉각수의 투입량
3. 계측장치 설치 제외 기준 (단서 조항)
   • 문제의 조건과 달리 "취급하는 위험물질의 양이 규정된 기준량 미만인 경우"에는 설치하지 아니할 수 있다.

법령 및 KOSHA 가이드

• 산업안전보건기준에 관한 규칙 제273조(계측장치 등의 설치)
• 산업안전보건기준에 관한 규칙 [별표 9] 특수화학설비
• KOSHA Guide D-18-2020 (화학설비의 계측장치 설치에 관한 기술지침)
• KOSHA Guide P-12-2021 (공정제어설비의 설치 및 관리에 관한 기술지침)

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[문제 5] 화학공정의 화재 • 폭발 방지 설계를 위하여 예방 및 피해 최소화 전략을 사용한다. 이 전략에 대한 구체적인 방법 5가지를 쓰시오.

답안

문제 개요 및 개념 설명

화학공정의 안전 설계는 크게 '예방(Prevention)'과 '피해 최소화(Mitigation)'의 두 단계로 구분된다.

• 예방 전략: 화재의 3요소(가연물, 산소, 점화원)가 공존하지 못하게 하거나, 반응 조건을 제어하여 사고 자체의 발생 확률을 낮추는 것이다.
• 피해 최소화 전략: 사고가 발생했을 때 설비의 파손이나 인명 피해를 줄이기 위해 폭발 압력을 배출하거나 화염 전파를 차단하는 것이다.
  이 문제는 이 두 가지 전략을 구체적인 공학적 기술로 어떻게 구현하는지를 묻는다.

풀이 (구체적 방법 5가지)

1. 근원적 안전설계 (Inherent Safety Design)
   • 키워드: 제거, 대체, 최소화
   • 해설: 위험한 물질이나 공정을 아예 사용하지 않거나, 위험도가 낮은 물질로 대체하거나, 저장량을 최소화하여 위험의 근원을 제거하는 가장 기초적이고 효과적인 전략이다. (예: 유기용제를 수용성 용제로 대체, 고압 공정을 저압 공정으로 변경)
2. 불활성화 (Inerting)
   • 키워드: 산소 농도 제어, LOC, 퍼지(Purge)
   • 해설: 용기 내부에 질소(N2), 이산화탄소(CO2) 등 불활성 가스를 주입하여 산소 농도를 최소산소농도(LOC, Limiting Oxygen Concentration) 이하로 낮춤으로써 연소 반응이 일어날 수 없도록 하는 방법이다.
3. 환기 및 배기 (Ventilation)
   • 키워드: 가연물 농도 제어, 폭발하한계(LFL)
   • 해설: 가연성 가스나 증기가 누출되더라도 공기 중 농도가 폭발하한계(LFL)의 25% 이하가 되도록 강제 또는 자연 환기 설비를 통해 희석하고 외부로 배출하여 폭발 분위기 형성을 방지하는 방법이다.
4. 점화원 관리 및 방폭 전기설비 (Ignition Control)
   • 키워드: 정전기 제거, 방폭구조
   • 해설: 정전기 제거를 위한 접지(Bonding/Grounding), 전기 스파크 방지를 위한 방폭 전기 기계ㆍ기구 사용, 화기 작업 통제 등을 통해 점화 에너지를 제공하지 않도록 관리하는 방법이다.
5. 폭발 방호 설비 (Explosion Protection System)
   • 키워드: 폭발 봉쇄, 폭발 방산, 폭발 억제
   • 해설: 폭발이 시작되었을 때 피해를 줄이는 설비로, 용기를 튼튼하게 하여 압력을 견디게 하는 '폭발 봉쇄', 파열판 등을 통해 압력을 외부로 배출하는 '폭발 방산(Venting)', 소화 약제를 급속 분사하여 화염을 끄는 '폭발 억제(Suppression)' 등이 포함된다.

참고자료

이 문제는 '근원적 안전'의 세부 원칙을 묻거나, '폭발 방호 장치'의 종류를 구체적으로 묻는 문제로 변형될 수 있다.

1. 근원적 안전(Inherent Safety)의 4가지 원칙 (Trevor Kletz)
   • 최소화(Minimization/Intensification): 위험물질의 저장량이나 사용량을 줄임.
   • 대체(Substitution): 덜 위험한 물질이나 공정으로 바꿈.
   • 완화(Moderation/Attenuation): 운전 조건을 고온/고압에서 저온/저압으로 낮추거나 희석함.
   • 단순화(Simplification): 복잡한 설비를 단순하게 하여 오류 가능성을 줄임.
2. 폭발 방호(Mitigation) 설비의 3대 기법
   • 폭발 방산(Explosion Venting): 파열판이나 폭발 문을 설치하여 초기 폭발 압력을 외부로 방출, 설비 파괴를 막음. (가장 일반적)
   • 폭발 억제(Explosion Suppression): 압력 감지기가 초기 폭발을 감지하면 수 밀리초(ms) 내에 소화제를 분사하여 화염 성장을 멈춤.
   • 폭발 격리/차단(Explosion Isolation): 배관을 통해 폭발이 다른 설비로 전파되는 것을 고속 차단 밸브 등으로 막음.
3. 최소산소농도(LOC, Limiting Oxygen Concentration)
   • 정의: 가연성 혼합가스에 질소 등 불활성 가스를 첨가할 때, 화염이 전파될 수 있는 최소한의 산소 농도.
   • 기준: 일반적으로 유기 가스의 경우 약 1011 vol% 수준이며, 안전율을 고려하여 실제 운전 시에는 LOC보다 약 24% 낮게 관리한다.

KOSHA 가이드

• KOSHA Guide P-166-2020 (화학공정의 안전설계에 관한 기술지침)
• KOSHA Guide P-121-2020 (화학설비의 화재·폭발 예방에 관한 기술지침)
• KOSHA Guide D-52-2020 (화학공장의 화재 및 폭발 예방에 관한 기술지침)

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※ 다음 논술형 2문제를 모두 답하시오. (각 25점)

[문제 6] 메탄($CH_{4}$), 에탄($C_{2}H_{6}$), 공기가 4 : 1 : 95의 부피비로 혼합된 혼합가스를 사용하고 있다. 다음 물음에 답하시오.

1) Jones의 법칙을 이용하여 메탄과 에탄가스의 폭발하한계(LEL)를 각각 계산하시오.
2) 이 혼합가스의 폭발하한계(LEL)를 계산하시오.
3) 이 혼합가스의 가연성 여부에 대하여 판단하시오. (단, 폭발상한계(UEL)는 폭발하한계(LEL)의 2배 이상이라고 가정한다.)

답안

문제 개요 및 개념 설명

이 문제는 연소 공학의 기초가 되는 폭발한계(Explosion Limit)를 이론적인 식을 통해 추산하고, 혼합 가스의 위험성을 판정하는 능력을 묻는 것이다.

1) 존스의 식(Jones's Law): 탄화수소계 가스의 폭발하한계(LEL)가 화학양론적 농도($C_{st}$)의 약 0.55배라는 경험식이다. 이를 통해 실험값이 없을 때 대략적인 LEL을 추정할 수 있다. ($LEL \fallingdotseq 0.55 \times C_{st}$)
2) 르샤틀리에 법칙(Le Chatelier's Law): 두 가지 이상의 가연성 가스가 혼합되었을 때, 전체 혼합가스의 폭발한계를 각 성분의 폭발한계와 혼합 비율을 이용하여 구하는 법칙이다.
3) 가연성 여부 판정: 현재 공기 중 혼합가스의 농도가 계산된 폭발하한계(LEL) 이상이고 폭발상한계(UEL) 이하인 경우 폭발 분위기가 형성된 것으로 판정한다.

풀이

1. Jones의 법칙을 이용한 메탄과 에탄가스의 폭발하한계(LEL) 계산
   • 화학양론적 농도($C_{st}$) 계산 공식
     • $C_{st} = \frac{100}{1 + \frac{n}{0.21}}$ (단, $n$은 완전연소에 필요한 산소의 몰수)
   • 메탄($CH_{4}$)의 LEL 계산
     • 완전연소 반응식: $CH_{4} + 2O_{2} \rightarrow CO_{2} + 2H_{2}O$
     • 필요 산소 몰수($n$): 2
     • $C_{st} = \frac{100}{1 + \frac{2}{0.21}} = \frac{100}{1 + 9.524} \approx 9.50 %$
     • $LEL = 0.55 \times C_{st} = 0.55 \times 9.50 = 5.23 %$
   • 에탄($C_{2}H_{6}$)의 LEL 계산
     • 완전연소 반응식: $C_{2}H_{6} + 3.5O_{2} \rightarrow 2CO_{2} + 3H_{2}O$
     • 필요 산소 몰수($n$): 3.5
     • $C_{st} = \frac{100}{1 + \frac{3.5}{0.21}} = \frac{100}{1 + 16.667} \approx 5.66 %$
     • $LEL = 0.55 \times C_{st} = 0.55 \times 5.66 = 3.11 %$
   • [정답]
     • 메탄의 LEL: 5.23%
     • 에탄의 LEL: 3.11%
2. 이 혼합가스의 폭발하한계(LEL) 계산
   • 가연성 가스 내 성분비 산정 (공기 제외)
     • 전체 가연성 가스 부피비 = 메탄(4) + 에탄(1) = 5
     • 메탄의 체적분율($V_{1}$) = $4/5 \times 100 = 80 %$
     • 에탄의 체적분율($V_{2}$) = $1/5 \times 100 = 20 %$
   • 르샤틀리에 법칙 적용
     • $LEL_{mix} = \frac{100}{\frac{V_{1}}{LEL_{1}} + \frac{V_{2}}{LEL_{2}}}$
     • $LEL_{mix} = \frac{100}{\frac{80}{5.23} + \frac{20}{3.11}}$
     • $LEL_{mix} = \frac{100}{15.296 + 6.431} = \frac{100}{21.727} \approx 4.60 %$
   • [정답]
     • 혼합가스의 LEL: 4.60%
3. 이 혼합가스의 가연성 여부 판단
   • 현재 혼합가스의 실제 농도($C_{act}$) 계산
     • 전체 가스 부피 = 메탄(4) + 에탄(1) + 공기(95) = 100
     • 가연성 가스 총량 = 4 + 1 = 5
     • 실제 농도($C_{act}$) = $\frac{5}{100} \times 100 = 5 %$
   • 판정
     • 계산된 혼합가스의 폭발하한계($LEL_{mix}$) = 4.60%
     • 현재 가연성 가스의 농도 = 5.00%
     • 판정 기준: $LEL \leq 농도 \leq UEL$ 인 경우 가연성(폭발) 영역임.
     • 결과: 현재 농도(5.00%)가 폭발하한계(4.60%)를 초과하였으므로 가연성 분위기가 형성되었다. (단, 문제 조건에 따라 UEL은 충분히 높다고 가정함)
   • [정답]
     • 가연성 가스의 농도(5%)가 혼합가스의 폭발하한계(4.60%)보다 높으므로 가연성(폭발) 위험이 있다.

참고자료

시험에서 가스 종류가 프로판, 부탄으로 바뀌거나 폭발상한계(UEL)를 묻는 문제로 변형될 수 있다.

1. 존스의 식(Jones's Law) 확장
   • 폭발하한계(LEL) $\approx 0.55 \times C_{st}$
   • 폭발상한계(UEL) $\approx 3.50 \times C_{st}$ (상한계 계산 시 계수는 3.5 사용)
2. 완전연소 반응식의 일반항 (탄화수소 $C_{m}H_{n}$)
   • $C_{m}H_{n} + (m + \frac{n}{4})O_{2} \rightarrow mCO_{2} + \frac{n}{2}H_{2}O$
   • 산소 몰수($O_{2}$)를 구할 때 사용한다.
     • 프로판($C_{3}H_{8}$): $3 + 8/4 = 5$몰
     • 부탄($C_{4}H_{10}$): $4 + 10/4 = 6.5$몰
3. 르샤틀리에 법칙의 다른 형태 (몰분율 사용 시)
   • $L_{mix} = \frac{1}{\sum_{i=1}^{n} \frac{y_{i}}{L_{i}}}$
   • 여기서 $y_{i}$는 전체 혼합물 중 해당 가연성 가스의 몰분율이 아니라, '가연성 가스 혼합물' 내에서의 몰분율임에 주의해야 한다.

KOSHA 가이드

• KOSHA Guide P-136-2023 (인화성 가스 또는 증기에 의한 폭발위험장소의 설정에 관한 기술지침) 부록 2. 가연성 가스 또는 증기의 특성
• KOSHA Guide P-82-2020 (연소성 가스 및 증기 혼합물의 폭발한계 산정에 관한 기술지침)

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[문제 7] 간단한 운전과 운전분석기법(HAZOP)의 수행 사례로서 연속적 공정으로 인산과 암모니아가 반응하여 제2인산암모늄(DAP)이 생성된다. 이 DAP 생성을 위하여, 가이드워드와 이탈을 참조해서 연속공정의 원인에 대한 결과를 쓰시오. (단, 밸브 A는 인산공급 배관, 밸브 B는 암모니아공급 배관이다.)

가이드워드	이탈	원인	결과
① No	No flow	• 밸브 A가 닫힘 • 인산공급 고갈 • 파이프의 막힘 또는 파열
② Less	Less flow	• 밸브 A가 부분적으로 닫힘 • 파이프에서의 부분적인 누출이나 막힘
③ More	More flow	• 인산펌프의 일시적인 과부하 • 계측기의 오작동
④ Part of	Part of flow	• 판매자가 잘못된 물질이나 잘못된 농도의 제품을 제공 • 인산공급탱크 충전시 실수
< 표: DAP 생성을 위한 연속공정 >

답안

문제 개요 및 개념 설명

이 문제는 화학공정의 위험성평가 기법 중 가장 대표적인 '위험과 운전 분석(HAZOP, Hazard and Operability Study)'의 실제 적용 능력을 묻는 것이다.
HAZOP은 공정에 존재하는 잠재적인 위험과 운전상의 문제점을 찾아내기 위해 '가이드워드(Guide word)'와공정 변수(Parameter)'를 조합하여 '이탈(Deviation)'을 정의하고, 그 원인과 결과를 분석하는 기법이다.

제시된 공정은 인산($H_{3}PO_{4}$)과 암모니아($NH_{3}$)가 반응하여 제2인산암모늄(DAP)을 생성하는 중화 반응 공정이다.

• 반응식: $H_{3}PO_{4} + 2NH_{3} \rightarrow (NH_{4}){2}HPO{4}$
• 문제 상황: 인산 공급 라인(밸브 A)측의 문제로 인해 유량의 변화(No, Less, More, Part of)가 발생했을 때, 반응기 내부 및 후단 공정에 미치는 영향을 묻고 있다.

풀이 (결과 작성)

제시된 원인들은 모두 '인산(Valve A) 공급' 측면에서의 문제상황이다. 따라서 결과는 인산 부족(상대적 암모니아 과잉) 또는 인산 과잉에 따른 현상을 서술해야 한다.

1. No Flow (인산 공급 중단)
   • 키워드: 반응 중단, 미반응 암모니아 유출, 환경 오염
   • 해설: 인산 공급이 완전히 차단되므로 중화 반응이 중단되어 생산이 멈춘다. 밸브 B(암모니아)가 닫히지 않는다면 미반응 암모니아 가스가 반응기 내부에 축적되거나 대기로 방출되어 독성 가스 누출 사고 및 환경 오염을 유발한다.
2. Less Flow (인산 공급 부족 / 유량 감소)
   • 키워드: 미반응 암모니아 잔류, 제품 불량(조성비 이탈), 암모니아 냄새
   • 해설: 인산 양이 정량보다 적게 투입되므로 암모니아가 과잉 상태가 된다. 이로 인해 미반응 암모니아가 제품에 섞이거나 배기 라인으로 유출될 수 있으며, 생성된 DAP의 pH가 높아지는 등 제품 사양(Spec)을 만족하지 못하는 불량품이 생산된다.
3. More Flow (인산 공급 과다 / 유량 증가)
   • 키워드: 미반응 인산 잔류, 설비 부식, 원료 손실
   • 해설: 인산이 정량보다 많이 투입되므로 암모니아가 부족하여 미반응 인산이 제품에 남게 된다. 산성도가 높은 인산이 잔류하므로 반응기 및 후단 설비, 배관 등의 부식을 초래할 수 있으며, 고가의 원료인 인산이 낭비된다. 또한 제품이 산성(Acidic)을 띠는 불량이 발생한다.
4. Part of (성분 이탈 / 불순물 혼입)
   • 키워드: 불순물 반응, 품질 저하, 촉매 피독(해당 시)
   • 해설: 인산의 농도가 잘못되었거나 다른 물질이 섞여 들어온 경우다. 예상치 못한 부반응(Side reaction)이 발생하거나, 불순물로 인해 제품의 순도나 색상이 변질되어 품질이 저하된다. 만약 불순물이 부식성 물질이라면 설비 손상을 줄 수 있다.

참고자료

문제가 암모니아 배관(Valve B) 기준으로 바뀌거나, 다른 가이드워드(Reverse, As Well As 등)가 나올 경우를 대비한 자료다.

1. 암모니아(Valve B) 공급 이상 시 결과 (반대 상황)
   • No/Less Flow (암모니아 부족): 미반응 인산 잔류, 설비 부식(산성 분위기), 수율 저하.
   • More Flow (암모니아 과잉): 미반응 암모니아 유출(독성, 악취), 압력 상승 우려.
2. 주요 가이드워드(Guide Word) 및 변형 의미
   • As Well As (성질상의 증가): 의도한 설계 외에 다른 변수가 부가되는 것 (예: 공정 유체에 오염물질, 공기, 물 등이 함께 들어감). 'Part of'와 혼동하기 쉬우나 'Part of'는 성분의 일부가 결핍되거나 비율이 틀린 것이고, 'As Well As'는 없어야 할 것이 '추가'로 있는 상황임.
   • Reverse (반대): 설계 의도와 정반대 방향 (예: 펌프 정지로 인한 역류, 역반응). 체크밸브 고장 시 주로 발생.
   • Other Than (기타): 완전한 대체 (예: 밸브 A가 열려야 하는데 밸브 C가 열림, 운전 순서가 바뀜).
3. HAZOP 분석 결과에 따른 조치계획(Safeguard & Action) 예시
   • 암모니아 과잉 유입 방지를 위해 pH 미터 또는 유량계와 연동된 암모니아 공급 차단 인터록(Interlock) 설치.
   • 반응기 후단에 스크러버(Scrubber)를 설치하여 미반응 암모니아 제거.
   • 인산/암모니아 배관에 역류방지 밸브(Check Valve) 설치.

KOSHA 가이드

• KOSHA Guide P-82-2020 (연속공정의 위험과 운전분석(HAZOP)기법에 관한 기술지침)
• KOSHA Guide P-1-2023 (화학공장의 위험성평가 수행에 관한 기술지침)

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※ 다음 논술형 2문제 중 1문제를 선택하여 답하시오. (각 25점)

[문제 8] 수소설비에서 발생 가능한 수소손상에 대하여 다음을 설명하시오.

1) 수소손상의 특징
2) 수소손상의 종류
3) 수소취성의 방지대책

답안

문제 개요 및 개념 설명

수소손상(Hydrogen Damage)이란 금속 재료가 수소와 접촉하여 기계적 성질이 저하되거나 파괴되는 현상을 통칭한다.
수소 분자($H_{2}$)는 크기가 커서 금속 내부로 들어가지 못하지만, 고온·고압 환경이나 부식 반응 등에 의해 원자 상태의 수소($H$)로 해리되면 금속 격자 사이로 쉽게 침투한다. 침투한 수소는 금속 내부에서 다시 분자로 재결합하여 높은 압력을 형성하거나, 금속 내 탄소와 반응하여 메탄가스를 생성함으로써 금속을 취약하게 만든다. 정유 및 석유화학 공정에서 설비 파열을 일으키는 주요 원인이므로 정확한 메커니즘 이해가 필요하다.

풀이

1. 수소손상의 특징
   • 키워드: 연성 저하, 지연 파괴, 사전 징후 없음
   •  해설:
     • 연성 및 인성 저하: 수소가 침투하면 금속의 연성(늘어나는 성질)과 인성(충격을 흡수하는 성질)이 급격히 떨어져, 작은 충격에도 쉽게 깨지는 취성(Brittleness) 파괴가 일어난다.
     • 지연 파괴(Delayed Failure): 일정 하중이 걸린 상태에서 즉시 파괴되지 않고 시간이 경과한 후에 갑자기 파괴되는 현상이 나타난다.
     • 무징후성: 외부에서 육안으로 식별할 수 있는 부식 생성물이나 두께 감소가 거의 없이 내부에서 균열이 진행되므로 사전에 감지하기 어렵다.
2. 수소손상의 종류
   수소손상은 발생 환경(온도)과 메커니즘에 따라 크게 3가지로 분류한다.
   • 고온수소침식 (HTHA, High Temperature Hydrogen Attack)
     • 키워드: 고온·고압, 탈탄 반응, 메탄 가스, 영구적 손상
     • 해설: 섭씨 200도 이상의 고온, 고압 수소 환경에서 침투한 수소가 강(Steel) 내부의 탄소($C$)와 반응하여 메탄 가스($CH_{4}$)를 생성한다. ($Fe_{3}C + 4H \rightarrow 3Fe + CH_{4}$). 생성된 메탄 가스는 입계에 축적되어 압력을 높여 균열을 발생시키고, 강은 탄소를 잃어버려(탈탄) 강도가 저하된다. 이는 영구적인 손상으로 열처리로 회복되지 않는다.
   • 수소취성 (HE, Hydrogen Embrittlement)
     • 키워드: 상온·저온, 격자 내 확산, 가역적 손상(일부)
     • 해설: 주로 상온 또는 저온에서 원자 수소가 금속 격자 틈에 들어가 금속의 결합력을 약화시키는 현상이다. 고장력강이나 용접 열영향부 등 경도가 높은 부위에서 잘 발생한다. 수소를 제거(Baking)하면 성질이 회복되는 가역적 특성이 있다.
   • 수소부풀음 (Hydrogen Blistering)
     • 키워드: 비금속 개재물, 공동(Void) 압력, 표면 팽창
     • 해설: 습한 황화수소($H_{2}S$) 환경 등에서 침투한 수소 원자가 금속 내부의 빈 공간(Void)이나 비금속 개재물 사이에서 수소 분자($H_{2}$)로 재결합하며 부피가 팽창, 그 압력으로 금속 표면이 물집처럼 부풀어 오르는 현상이다.
3. 수소취성의 방지대책
   • 키워드: 재료 선정, 용접 관리, 열처리(PWHT), 응력 제거
   •  해설:
     • 재료적 대책: 수소침식 저항성이 강한 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등이 함유된 합금강을 사용하거나 오스테나이트계 스테인리스강을 사용한다. (고온수소침식의 경우 넬슨 선도 참조)
     • 용접 시공 관리: 저수소계 용접봉을 사용하고, 용접봉을 건조해 수분(수소원)을 제거한다.
     • 후열처리(PWHT): 용접 후 잔류응력을 제거하고, 침투한 수소를 외부로 방출시키기 위해 후열처리를 실시한다. (탈수소 처리)
     • 환경적 대책: 부식억제제(Inhibitor)를 사용하여 부식 반응에 의한 수소 발생을 억제한다.

참고자료

시험에서 '고온수소침식(HTHA)'만을 단독으로 묻거나, 이를 방지하기 위한 설계 기준인 '넬슨 선도'에 대해 물을 수 있다.

1. 넬슨 선도 (Nelson Curve)
   • 정의: 고온·고압의 수소 환경에서 탄소강 및 저합금강을 사용할 때, 수소침식(HTHA)이 발생하지 않는 안전 운전 영역(온도와 수소 분압의 한계)을 나타낸 그래프다. (API RP 941 기준)
   • 활용: 가로축은 수소 분압, 세로축은 온도로 구성된다. 운전 조건이 곡선의 아래쪽에 위치해야 안전하다.
   • 재료별 특성: 탄소강 < 1.25Cr-0.5Mo강 < 2.25Cr-1Mo강 순으로 곡선이 오른쪽 위에 위치하여 내수소성이 강하다. 즉, 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo) 함량이 높을수록 안정한 탄화물을 형성하여 수소침식을 막는다.
2. 베이킹(Baking) 처리
   • 수소취성을 방지하기 위해 도금이나 산세척 후, 또는 용접 직후에 섭씨 200도~300도 정도에서 가열하여 침투한 수소를 금속 밖으로 방출시키는 작업을 말한다.
3. 황화물 응력부식균열 (SSC, Sulfide Stress Cracking)
   • 수소손상의 일종으로, 습한 황화수소($H_{2}S$) 환경에서 부식으로 발생한 수소와 인장응력이 결합하여 발생하는 균열이다. 경도가 높은 재료일수록 민감하므로 경도를 HRC 22 이하로 관리하는 것이 핵심 대책이다. (NACE MR0175 기준)

KOSHA 가이드

• KOSHA Guide M-106-2012 (화학설비의 부식 손상 및 방지대책에 관한 기술지침) 4.10 수소손상
• KOSHA Guide D-28-2013 (수소가스 분위기에서 사용되는 재료 선정에 관한 기술지침)

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[문제 9] 다음은 화학 반응기의 안전시스템에 관한 것이다. 이 시스템이 고압상태에 도달할 경우에 대한 전체 고장률, 고장확률, 신뢰도 및 평균고장간격(MTBF)을 구하시오. (단, 기간은 1년으로 한다.)

○ 고압경보시스템: 반응압력에 도달하게 되면 작업자에게 알리는 고압경보기이다. 이 경보기는 경보지시계와 연결된 반응기내의 압력스위치(#1)로 구성되어 있다. ○ 자동고압반응시스템: 위험압력보다 높을 경우 자동적으로 반응기의 작동을 중지시킨다. 이 시스템은 경보시스템보다 고압일 경우 작동되며, 반응기주입라인(feed line)내에 있는 솔레노이드밸브와 연결된 압력스위치(#2)로 구성되어 있다. 이 자동화시스템은 위험한 압력이 발생했을 경우 반응물의 유입을 차단하게 된다. ○ 경보시스템과 주입구 차단시스템은 병렬로 연결되어 있다.
구성요소	고장률(고장횟수/년) $\mu$	신뢰도 R = $e^{-\mu t}$	고장확률 P = 1 - R
1. 압력스위치 2. 경보등 지시계 3. 압력스위치 4. 솔레노이드밸브	0.14 0.004 0.14 0.42	0.87 0.96 0.87 0.66	0.13 0.04 0.13 0.34

답안

문제 개요 및 개념 설명

이 문제는 화학공정의 안전장치(Safety Instrument System)에 대한 신뢰도(Reliability)를 계산하는 문제다. 시스템은 경보 시스템(Alarm)과 차단 시스템(Trip)이라는 두 개의 독립적인 방호 계층(Layer of Protection)으로 구성되어 있다.

핵심 개념은 다음과 같다.

• 직렬 연결(Series): 구성 요소 중 하나만 고장 나도 해당 시스템이 작동하지 않는 구조다. (신뢰도 = 각 요소 신뢰도의 곱)
• 병렬 연결(Parallel): 구성 요소 중 하나가 고장 나더라도 다른 요소가 작동하면 시스템이 유지되는 구조다. (고장확률 = 각 요소 고장확률의 곱)
• 문제의 구조:
  1) 고압경보시스템(Loop 1): 압력스위치 #1 + 경보지시계 -> 직렬구조
  2) 자동고압반응시스템(Loop 2): 압력스위치 #2 + 솔레노이드밸브 -> 직렬구조
  3) 전체 시스템: Loop 1과 Loop 2가 고압 상황에서 안전 기능을 수행하기 위해 병렬(Redundancy)로 연결됨.

*참고: 문제 표에서 경보등 지시계의 고장률(0.004)과 신뢰도(0.96)/고장확률(0.04) 간의 수치적 불일치($e^{-0.004} \approx 0.996$)가 있으나, 통상적으로 계산된 결과값인 신뢰도(R)와 고장확률(P) 열의 수치가 문제 의도에 부합하므로 표에 제시된 R과 P값을 기준으로 풀이한다.

풀이

1. 각 서브 시스템(Loop)의 신뢰도 및 고장확률 계산 (직렬 연결)
   • 고압경보시스템 (Loop A)
     • 구성: 압력스위치 #1, 경보등 지시계
     • 신뢰도($R_A$): 두 부품이 모두 정상이어야 작동함.
       $R_A = R_{switch1} \times R_{indicator} = 0.87 \times 0.96 = 0.8352$
     • 고장확률($P_A$): $1 - R_A$
       $P_A = 1 - 0.8352 = 0.1648$
   • 자동고압반응시스템 (Loop B)
     • 구성: 압력스위치 #2, 솔레노이드 밸브
     • 신뢰도($R_B$): 두 부품이 모두 정상이어야 작동함.
       $R_B = R_{switch2} \times R_{valve} = 0.87 \times 0.66 = 0.5742$
     • 고장확률($P_B$): $1 - R_B$
       $P_B = 1 - 0.5742 = 0.4258$
2. 전체 시스템의 위험 계산 (병렬 연결)
   문제에서 경보시스템과 차단시스템은 병렬로 연결되어 있다. 즉, 두 시스템이 '동시에' 고장 날 때만 전체 시스템이 실패한다.
   • 전체 고장확률 ($P_{sys}$)
     • 공식: $P_{sys} = P_A \times P_B$
     • 계산: $0.1648 \times 0.4258 = 0.07017184$
     • 답: 약 0.0702 (또는 7.02%)
   • 전체 신뢰도 ($R_{sys}$)
     • 공식: $R_{sys} = 1 - P_{sys}$
     • 계산: $1 - 0.07017184 = 0.92982816$
     • 답: 약 0.9298 (또는 92.98%)
   • 전체 고장률 ($\lambda_{sys}$)
     • 공식: $R(t) = e^{-\lambda t}$ 이므로 $\lambda = -\frac{\ln(R)}{t}$
     • 조건: $t = 1$년
     • 계산: $\lambda = -\ln(0.92982816) \approx 0.07275...$
     • 답: 약 0.0728 (건/년)
   • 평균고장간격 (MTBF, Mean Time Between Failure)
     • 공식: $MTBF = \frac{1}{\lambda}$
     • 계산: $\frac{1}{0.07275} \approx 13.745...$
     • 답: 약 13.75 년

[최종 정답 요약]

• 전체 고장률($\mu$): 0.0728 (건/년)
• 고장확률($P$): 0.0702
• 신뢰도($R$): 0.9298
• 평균고장간격(MTBF): 13.75년

참고자료

이 문제는 시스템의 구조(직렬/병렬)가 바뀌거나 계산 대상이 변경되어 출제될 수 있다.

1. 직렬 시스템의 계산 공식 (모두 작동해야 성공)
   • 시스템 신뢰도: $R_{sys} = R_1 \times R_2 \times ... \times R_n$
   • 시스템 고장률: $\lambda_{sys} = \lambda_1 + \lambda_2 + ... + \lambda_n$ (단, 지수분포 따를 때)
   • MTBF: $1 / \lambda_{sys}$
2. 병렬 시스템의 계산 공식 (하나만 작동해도 성공)
   • 시스템 고장확률: $P_{sys} = P_1 \times P_2 \times ... \times P_n$ (또는 $F_{sys}$)
   • 시스템 신뢰도: $R_{sys} = 1 - P_{sys} = 1 - [(1-R_1)(1-R_2)...]$
   • 병렬 시스템의 MTBF는 단순히 고장률의 역수가 아니며, $m$중 $k$개가 작동하는 경우 등 복잡한 식($\frac{1}{\lambda_1} + \frac{1}{\lambda_2} - \frac{1}{\lambda_1+\lambda_2}$)을 따르나, 시험에서는 위 풀이처럼 '등가 고장률'로 환산하여 근사값을 구하거나 신뢰도 자체를 묻는 경우가 많다.
3. 욕조 곡선 (Bathtub Curve)
   • 초기 고장기: 고장률 감소 (디버깅, 번인으로 제거)
   • 우발 고장기: 고장률 일정 (지수분포, 무작위 고장, 시스템의 수명 기간) -> 본 문제의 가정
   • 마모 고장기: 고장률 증가 (노화, 마모)

KOSHA 가이드

• KOSHA Guide P-4-2022 (결함수분석(FTA) 기법에 관한 기술지침)
• KOSHA Guide P-1-2023 (화학공장의 위험성평가 수행에 관한 기술지침)