ARC-RISK-006 risk

SIS Proof Test 및 시험 주기

개정: 2026.06 v1.0

1. 목적

본 코드는 IEC 61511에 따라 SIS(Safety Instrumented System)의 Proof Test(기능 시험) 개념과 Test Interval(TI, 시험 주기)이 PFDavg에 미치는 영향을 정의합니다. Proof Test는 SIS가 설계된 SIL을 지속적으로 유지하기 위한 핵심 운영 활동입니다.

LOPA → SIS 생명주기

LOPA → IPL → PFDavg → Target SIL → SIS 독립성 → Proof Test ← 현재

2. 핵심 용어 정의

용어정의비고
Proof TestSIS의 위험 미검출 고장(Dangerous Undetected Failure)을 발견하기 위해 주기적으로 수행하는 기능 시험IEC 61511 §16
Test Interval (TI)Proof Test 사이의 시간 간격. 통상 1년, 2년 단위TI 증가 → PFDavg 증가
Test Coverage (PTC)Proof Test가 탐지할 수 있는 위험 미검출 고장의 비율 (0~1)100%는 이상적 가정
Dangerous Undetected Failure (λDU)자기 진단(자동 진단)으로 탐지되지 않는 위험 고장률단위: h⁻¹
Dangerous Detected Failure (λDD)자기 진단으로 탐지되는 위험 고장. Proof Test 불필요.단위: h⁻¹
Residual PFDProof Test Coverage가 100% 미만일 때 남는 잔여 PFDPTC < 1인 경우 발생

3. PFDavg와 Test Interval의 관계

3.1 기본 공식 (단일 채널, 완전 시험 가정)

IEC 61508 기준, 단일 채널 1oo1 구성에서 완전 Proof Test(PTC = 100%)를 가정할 때:

PFDavg ≈ (λDU × TI) / 2

λDU : 위험 미검출 고장률 (h⁻¹)
TI  : Test Interval (시간, h)

TI와 PFDavg는 선형 비례

TI를 2배 늘리면 PFDavg도 약 2배 증가합니다. 반대로 TI를 절반으로 줄이면 PFDavg도 절반으로 감소합니다. 시험 주기는 SIL 달성에 직접적인 영향을 미칩니다.

3.2 Proof Test Coverage 반영 공식

실제 현장에서 Proof Test Coverage(PTC)가 100% 미만인 경우, 잔여 PFD를 함께 고려해야 합니다.

PFDavg = PTC × (λDU × TI / 2) + (1 - PTC) × λDU × Tlife

PTC   : Proof Test Coverage (0~1)
Tlife : SIS 설계 수명 (시간, h). 통상 20~25년.

(1 - PTC) × λDU × Tlife 항이 잔여 PFD(Residual PFD)입니다. PTC가 낮을수록 이 항이 커져 전체 PFDavg를 지배합니다.

4. Test Interval 변화에 따른 PFDavg 예시

조건: λDU = 1×10⁻⁶ h⁻¹, PTC = 100% 가정

Test Interval (TI)TI (시간)PFDavgSIL 범위비고
6개월4,380 h2.19 × 10⁻³SIL 2TI 단축 효과
1년 (기준)8,760 h4.38 × 10⁻³SIL 2일반적 기준
2년17,520 h8.76 × 10⁻³SIL 2 (경계)기준 대비 약 2배
4년35,040 h1.75 × 10⁻²SIL 1SIL 등급 하락 가능
10년87,600 h4.38 × 10⁻²SIL 1 이하사실상 SIS 무력화

TI 4년 → SIL 등급 하락 가능

λDU 값과 SIL Target에 따라 TI 연장은 달성 SIL을 낮출 수 있습니다. Proof Test 주기를 설계값보다 늦추는 것은 사실상 SIS 안전 기능을 저하시키는 행위입니다.

5. Proof Test Coverage (PTC)

5.1 PTC 수준별 의미

PTC 수준의미현장 적용 가능성
PTC = 100%모든 위험 미검출 고장을 Proof Test로 발견 가능. 이상적 가정.계산 단순화 목적으로만 사용. 실제 달성 불가.
PTC = 90%90%의 λDU를 시험으로 검출. 잔여 10%는 미검출 잔류.잘 설계된 Proof Test 절차 적용 시 달성 가능.
PTC = 60%60%만 검출. 잔여 40%는 수명 기간 내 잔류.부분 시험(Partial Stroke Test) 위주 시 발생.
PTC < 50%시험 효과 극히 제한. Residual PFD가 전체를 지배.Proof Test 절차 재검토 필요.

5.2 부분 시험(Partial Stroke Test, PST)

차단 밸브(Shutdown Valve)의 Partial Stroke Test는 완전 Proof Test를 대체하지 않습니다.

PST의 역할과 한계

PST가 검출할 수 있는 것
밸브 기계적 고착(Stuck) 여부. 액추에이터 공기 공급 이상. 포지셔너 동작 확인.

PST가 검출하지 못하는 것
완전 폐쇄(Full Stroke) 능력. 시트 누설(Seat Leakage). 완전 차단 시 차압 저항력. 솔레노이드 밸브 완전 동작.

결론
PST는 Proof Test Coverage를 부분적으로 높이는 보조 수단입니다. PST만으로 연간 Proof Test를 대체하는 것은 PTC 과대 계상으로 이어집니다.

6. 실무 예시 — 반응기 고압 SIS

6.1 설계 조건

항목값
SIF 기능반응기 고압 시 긴급 차단 (HPSHH → ESD Valve)
Target SILSIL 2 (LOPA 결과: PFD Target < 10⁻²)
λDU (전체 SIF)5 × 10⁻⁶ h⁻¹
설계 TI1년 (8,760 h)
PTC90%
SIS 설계 수명20년 (175,200 h)

6.2 PFDavg 계산

PFDavg = PTC × (λDU × TI / 2) + (1 - PTC) × λDU × Tlife

       = 0.9 × (5×10⁻⁶ × 8,760 / 2) + 0.1 × 5×10⁻⁶ × 175,200

       = 0.9 × 0.0219 + 0.1 × 0.876

       = 0.01971 + 0.00876

       = 2.85 × 10⁻²

PFDavg 2.85×10⁻² → SIL 1 수준

PTC 90%, TI 1년 조건에서도 Residual PFD의 기여로 인해 PFDavg가 SIL 2 요건(10⁻²)을 초과합니다. TI 단축(6개월) 또는 PTC 향상(95% 이상)이 필요합니다.

6.3 개선 방안 비교

방안변경 내용PFDavgSIL 달성
현재 (기준)TI=1년, PTC=90%2.85 × 10⁻²❌ SIL 1
TI 단축TI=6개월, PTC=90%1.97 × 10⁻²❌ SIL 1 (경계)
PTC 향상TI=1년, PTC=99%5.01 × 10⁻³✅ SIL 2
병행 적용TI=6개월, PTC=99%2.63 × 10⁻³✅ SIL 2 (여유)

PTC 향상이 TI 단축보다 효과적인 경우

Residual PFD가 전체 PFDavg를 지배하는 상황에서는 TI를 줄이는 것보다 Proof Test 절차를 개선하여 PTC를 높이는 것이 더 효과적입니다.

7. 현장 오류 사례

오류 1 — 정기점검 = Proof Test 혼동

연간 정기보수(Turn-Around) 중 수행한 밸브 정비 = Proof Test로 계상

정기보수 중 밸브를 분해·청소한 것은 Proof Test가 아닙니다. Proof Test는 SIS의 안전 기능(Safety Function)이 요구 시 정상 작동하는지를 end-to-end로 확인하는 시험입니다. 센서 → 로직 솔버 → 최종 요소의 전체 경로를 실제 또는 시뮬레이션된 공정 신호로 검증해야 합니다.

오류 2 — SIL 계산에 TI 미반영

λDU 값만으로 SIL 달성 여부 판단

λDU 값이 낮아도 TI가 길면 PFDavg는 SIL 요건을 초과할 수 있습니다. SIL 계산에는 반드시 설계 TI를 반영해야 하며, 실제 운영 중 TI가 설계값을 초과하면 즉시 SIL 재평가가 필요합니다.

오류 3 — PTC 100% 가정으로 계산

"완전 시험을 수행하므로 PTC = 100%"로 SIL 계산

현장에서 PTC 100%는 사실상 달성 불가합니다. 배관 내 잔류 공정물질, 시험 중 생산 중단 제약, 일부 기기의 완전 시험 불가 등으로 항상 잔여 미검출 고장이 존재합니다. PTC는 실제 시험 절차를 분석하여 보수적으로 산정해야 합니다.

오류 4 — PST를 Proof Test로 계상

매월 수행하는 Partial Stroke Test = 연간 Proof Test 대체

PST는 완전 Proof Test의 보조 수단입니다. PST 빈도가 높아도 Full Stroke 능력과 시트 누설은 검증되지 않습니다. PST를 Proof Test로 계상하면 실제 PTC보다 높게 가정하여 PFDavg를 과소 계산하게 됩니다.

8. ArchSafe 실무 체크리스트

SIS Proof Test 운영 체크리스트

  • ☐ SIL 계산 시 설계 TI가 명확히 정의되어 있는가
  • ☐ Proof Test 절차서가 문서화되어 있는가 (센서→로직→최종 요소 전 구간)
  • ☐ PTC가 실제 시험 절차를 기반으로 산정되었는가 (100% 가정 금지)
  • ☐ PST와 완전 Proof Test의 역할이 명확히 구분되어 있는가
  • ☐ Proof Test 수행 기록이 보관되고 있는가 (감사 추적 가능)
  • ☐ 실제 TI가 설계 TI를 초과한 적이 있는가 (있다면 SIL 재평가 필요)
  • ☐ Residual PFD가 PFDavg 계산에 포함되어 있는가
  • ☐ TI 변경 시 MOC(변경관리) 절차를 거쳤는가
  • ☐ Proof Test 결과가 SIL 유지 여부 확인에 활용되고 있는가
  • ☐ 다음 Proof Test 일정이 운영 계획에 반영되어 있는가

9. 참고 표준 및 자료

  • IEC 61511-1: 공정 산업 SIS — Proof Test 요건 (§16)
  • IEC 61508-6: Annex B — PFDavg 계산 방법 (Proof Test Coverage 포함)
  • IEC 61511-2: Informative Annex — Proof Test 절차 예시
  • CCPS "Layer of Protection Analysis" — SIS Proof Test 설계 지침
  • 산업안전보건법 PSM 고시 — SIS 기능 시험 기록 보관 요건

관련 문서

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