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기획특집/연재

신칸센의 균열은 왜 발견하지 못했는가?

전문가가 알기 쉽게 해설하는 기술적 배경

  2017년 12월 11일, 하카타(博多 역 13시 33분 발 도쿄(東京) 행「노조미」34호 열차(16량/편성)가 주행 중 이취(異臭)와 이음(異音)이 인정되었기 때문에 JR 도카이(東海)의 차량보수 담당자가 17시 34분경에 나고야(名古屋)역에서 상하점검(床下點檢)을 실시한 바 13호차(앞에서부터 4량 째) 치차상(齒車箱) 부근의 누유(漏油)를 확인하였으며, 더 한층 대차 프레임(틀)의 균열(龜裂) 및 계수(繼手, 커플링)의 변색(變色)을 발견하였다.


    
     이번 대차 균열이 발생한 JR 니시니혼 소속 N700 계 K5 편성


  열차는 나고야(名古屋) 역에서 운행을 중단하고, 대차 프레임의 균열이 매우 위험한 상태이기 때문에 차량기지로 회송하지 않고, 나고야(名古屋) 역 14 번선에 유치하였다. 해당 대차를 현지에서 교환한 후 12월 18일, 차량기지로 회송하였다.


  이 편성은 JR 니시니혼(西日本) 소속의 N700 계 K5 편성으로써 2007년도에 N5 편성으로써 가와사키(川崎) 중공업에서 제작된 것이다. 오카야마(岡山)역에서 JR  니시니혼(西日本)의 차량보수 담당자가 함께 타고 13호 차로 "우웅“하는 소리를 확인했지만 도쿄(東京)의 종합지령소에서는 운전 계속 가능이라고 판단, 결과적으로 JR 도카이(東海)의 나고야(名古屋)역까지 주행했다. 국토교통성의 운수 안전위원회는 '중대사고'로 조사를 개시하여 원인규명이 되어 공표되지만 현시점에서 판명된 사실에 기초해 철도차량에 관련된 기계 전문가의 입장에서 원인과 재발방지에 대해 생각해 보고자 한다.


대차 정기검사에서 균열을 발견할 수 있었는가?


  우선 N700 계 신칸센(新幹線)의 대차구조를 살펴보자.


  대차(臺車)에는 2대 윤축(輪軸, 양쪽 차륜을 차축으로 고정한 것)이 있으며, 차체를 지지함과 동시에 레일을 따라 주행시키는 기능을 가지고 있다. 동력원의 견인전동기도 대차에 장착되어 견인전동기의 회전은 커플링(繼手)을 통해 치차(齒車)에 전해지고, 맞물리는 치차(齒車)에서 감속되어 윤축(輪軸)에 전달된다.


   

  - N700 계 신칸센의 대차 구조와 발생한 균열의 위치


  대차의 골조(骨組, 위에서 내려다 보면 H형)를 대차 프레임(틀)이라 부르고, 사이드비임(側)ㅂ임)과 사이드비임(橫비임)으로 구성되어 있다. 이번 균열은 사이드비임의 아랫쪽, 윤축을 지지하는 축(軸) 스프링의 밑부분 가까운 부분에서 발생하였다.


  이 균열은 사이드비임의 용접부 근방을 기점으로 발생한 전형적인 피로파괴(疲勞破壞)로 갑자기 발생한 것이 아니라 장시간에 균열이 진전(進展)된 것으로 추정할 수 있다. 금속재료의 피로라함은 반복력을 받음에 따라 강도가 낮아짐으로써 피로파괴 여부는 파단면(破斷面)을 관찰하면 알 수 있다. 초기 균열은 극히 미미하여 눈으로 발견하기 어렵지만 옛날 증기기관차처럼 타음검사(打音檢査)(테스트해머로 가볍게 두드리는 소리로 판단)를 하거나 자분탐상(磁紛探傷)[빛나는 자분을 포함한 검사액을 칠해 자력선(磁力線)을 추가해 빛나는 것으로 판단]을 하면 찾을 수 있다.


  게이힌(京浜) 급행의 전기동차를 예를 들면 전반검사(全般檢査) 또는 중요부 검사(重要部檢査)(주행거리 60만 km 또는 4년 마다)하러 공장에 들어가면 상하(床下)는 대차만 반짝반짝 칠해져 나오지만 이것은 도장(塗裝)을 벗겨 자분탐상(磁紛探傷)을 하고 있기 때문이다. 대차의 구조나 과거의 균열발생의 유무로부터 대차 프레임에 충분한 피로강도(疲勞强度)가 있으면 자분탐상(磁紛探傷)은 반드시 실시할 필요는 없다.


  신칸센(新幹線)의 대차(臺車)는 전반검사(全般檢査) 또는 대차검사(臺車檢査)(주행거리 60만 km 또는 1년반 마다)에서 이상 유무를 확인하고 있지만 자분탐상(磁紛探傷)은 실시하고 있는 것일까? 만약 실시하고 있는데 균열을 간과했다고 하면 검사가 유명무실(形骸化)하고 있었을 가능성도 있다.


  도카이도 신칸센(東海道新幹線) 개통 2년 후인 1966년, 고속주행 중에 차축이 부러져 차장(車掌)이 이상 진동을 눈치채어 긴급제동을 걸어 무사히 일없이 끝났다. 차축은 1회전마다(300km/h에서는 1초에 약 30회전) 반복적으로 큰 힘을 받아 대차 프레임보다 훨씬 까다로운 조건으로 사용하고 있다. 차축의 흠은 즉, 중대사고(重大事故)로 이어지기 때문에 전반검사(全般檢査) 또는 대차검사(臺車檢査)에서 초음파 탐상(超音波 探傷)[발신한 초음파의 반사(反射)로 판단]을 철저히 하여 의심스러운 차축은 아낌없이 폐기 처분한다. 차축과 비교하면 대차 프레임은 탐상의 우선도가 낮은 것은 필자도 기계전문가라 이해할 수 있지만 이번 사고를 감안해 검사체제를 재검토할 필요가 있다.


대차 프레임 용접 후 열처리는 적정했는가?


  유튜브 상에서 N700 계 신칸샌의 대차 제작공정(이번의 대차와는 다른 메이커)이 약 15분간 정리해 소개되고 있다. 전항(前項)에서 설명한 자분 탐상작업도 등장한다. 기계가공 공정을 완전하게 생략하고 있는 등 모든 공정을 망라하고 있는 것은 아니지만 신경이 쓰이는 것은 대차측 용접 후의 응력제거 풀림공정(재료조직에 남은 힘을 완화하는 열처리) 공정이 나오지 않는 것이다.


     

 - N 700계 신칸센「노조미」34호 열차의 13호 차 대차에 발생한 균열.


  필자는 이전에 전기동차 전동기의 기구설계를 하고 있었지만 외장부품의 용접부분(정확하게 말하면 용접의 육성(肉盛)에서 조금 떨어진 "2번"이라고 부르는 부분)에 균열로 고생했다. 용접하면 주위의 모재(母材)가 열영향을 받아 표면에 인장응력(引張應力, 재료의 조직을 떼어내려고 하는 힘)이 잔류하는 일이 있다. 전동기 프레임은 강재(鋼材)를 용접하여 만드지만 잔류응력(殘留應力)을 제거하기 위해 원자로에 넣고, 비교적 낮은 온도(600~650°C 정도)로 담금질한다. 배나 다리(橋梁) 등 거대한 구조물은 할 수 없지만 대차 프레임(틀)이라면 가능하다.


  이번에 균열이 생긴 것은 역시 용접의 ”2번“ 부분으로 어느 의미에서 교과서대로 균열발생이다. 대차 프레임의 아랫쪽은 하중에 의해 항상 인장응력(引張應力)이 발생하고, 또 축 스프링의 부착부분은 응력집중(應力集中, 뒤틀린 부분 등에 힘이 모이는 것)하기 쉽고, 거기에 용접 후 인장 잔류응력이 있었다고 하면 재료의 조직에 있어서 악조건이 겹친다. 운수 안전위원회의 조사에서 밝혀졌지만 용접 후 응력제거가 어떻게 이루어졌는지, 균열발생의 메커니즘을 해명하는 데 중요한 요소라고 생각한다.


  더욱이 균열이 발견되기 전에 악취(惡臭)와 소음(騷音)이라는 보고가 있었던 것부터 치차상(齒車箱)이나 커플링(繼手)의 이상(異常)이 균열의 동기라는 보도가 있었지만 그것은 생각하기 어렵다. 역학적으로 그 정도의 일로 망가진다면 대차로써 쓸모가 없다. 필자의 추정에는 우선 균열(龜裂)의 진전(進展)에 의해 사이드비임이 역(逆) ”ヘ“자로 변형(變形), 그 아래의 축상(軸箱)이 대차 중심에서 벗어나는 방향으로 변위(變位), 본래 마주보고 있을 전동기 축(軸)과 치차상(齒車箱)이 레일방향으로 변위한 결과 양자를 연결하는 커플링(繼手)가 휘둘려 파손되어 내부의 그리스가 비산(飛散)한 것으로 생각된다.


악취와 괴음은 일상 다반사


  이번은 고쿠라(小倉) 역 발차 시(운전개시 약 20분 후)로부터 주행 중 차내에서 악취(惡臭)와 소음(騷音)이 몇 번인가 보고된 것 같지만 이러한 보고는 일상다반사(日常茶飯事)로써 거기로부터 심각한 문제를 발견하고 적절히 대처하는 것은 쉽지 않다. 언론이 결과를 보고나서 관계자가 대응하는 것은 오해를 두려워하지 말고 말해 준다면 "남보다 늦게 손을 내미는(後出) 가위바위보"이다.


  일련의 대응에서 문제점을 생각하면 오카야마(岡山) 역으로부터 차량보수 담당자가 함께 타고 13호차에서 "윙하는 소리"를 확인, 그 상황을 도쿄(東京)의 종합지령소의 지령원에게 보고되어도 운전을 계속하라는 판단이 내려져 버린 것이다. 신 오사카(新大阪) 정차 중에 상하점검(床下點檢)을 실시했더라면 정확한 판단을 할 수 있었을 것이다.


  12월 27일에 열린 JR 니시니혼(西日本)의 기자회견에서는 차량보수 담당자의 안전을 위해 상하(床下)를 할까라고 하는 발언이 다른 문의와 겹쳐 지령원이 알아듣지 못한 점, 지령은 점검할 필요가 있으면 차량보수 담당자가 실시한다는 뜻을 명확히 전한다고 인식했던 것으로 밝혀졌다.


  그 배경에는 판단을 서로 의존하기 쉬운 의식이 존재하고 있다.


  필자의 학창시절부터의 친구로써 항공회사의 정비하는 데 30년 이상 근무한 남자가 있다. 그는 "항공기는 고장률이 높기 때문에 타이어 통제부문은 정비사의 의견을 최중시하지만 철도는 고장률이 낮기 때문에 주위의 이해를 얻기 어려운 것이 아닌가"라고 이야기하고 있었다. 또 이번 중대사건은 2개의 철도 사업자에게 걸쳐 있으며, 커뮤니케이션의 벽에 대해서 검증해야 한다.


  이상검지(異常檢知)를 위해 대차에 센서를 달아야 한다는 의견도 있지만 대차 프레임(틀)에 균열이 생길 확률과 그 센서가 고장날 확률을 비교하면 그 목적만의 센서는 의미가 없는 것 같다.


  최근에는 센서 기술이 진보되었기 때문에 온도나 진동 등에서 다양한 대차의 이상(예를 들면 축수의 윤활불량)을 검지하는 것은 가능하고, 이상 가능성의 하나로서 대차 프레임의 균열도 나타내고, 상하점검(床下點檢)을 촉진하는 시스템이 현실적이라고 생각한다.


많은 기술자들이 균열을 본 적이 없다.


  신칸센(新幹線)의 선로규격이나 차량한계의 기초가 되고 있는 것은 전전(戰前)의 탄환열차(彈丸列車) 계획으로 그 루트는 남만주 철도(南滿州 鐵道)이다. 1934년도에 운전개시한 특급열차 "아시아호"는 증기 기관차가 객차 7량을 견인해 다롄(大連) - 신징(新京)[현·창춘(長春)] 간 약 700 km를 최고 시속 120km로 주파했다. 만철(滿鐵)에 근무하던 대선배의 말에 의하면 도중의 봉천(奉天)[현ㆍ선양(瀋陽)] 역에 정차 중 기관차는 물론 모든 객차에도 1명씩(양측 필요하기 때문에 아마 2명) 검사원을 배치해 타음검사(打音檢査)를 실시해 이상이 없으면 시험 해머를 머리 위에 감고, 전원(全員) 테스트 해머가 올린 것을 확인하고, 발차신호를 하였다고 한다.


  이 방법은 철도차량을 구성하는 기계부품의 품질이 낮았을 때 피로파괴(疲勞破壞)가 일어나는 것을 염두에 두고 결정한 방법이다. 현재는 기계부품의 품질이 향상되어 한정된 부품만 정기적으로 검사하면 되며, 일상적인 타음검사(打音檢査)는 불필요하게 되었다. 한편, 기계부품의 균열을 본 적도 없는 기술자가 증가하고 있는 것도 사실이다.


  적어도 차량보수 담당직원은 타음검사(打音檢査) 소리를 판단하는 귀가 필요하고, 그렇지 않으면 센서의 오검지(誤檢知)도 간파할 수 없다. 고도의 검사 시스템을 구축하는 것은 물론 중요하지만 이상(異常)을 꿰뚫어보는 눈과 귀를 키우는 것을 가볍게 생각해서는 안 된다고 생각한다.



     - 資料 : 東洋經濟 新報社, 2017. 12. 28.

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