KR100478528B1 - 와류를이용한튜브검사방법및장치 - Google Patents

Abstract

본 장치는, 내부에 있는 금속과는 자기적 내지 전기적 특성이 다른 박막을 그 외측면에 가지는 금속 튜브(10)의 와류 검사를 가능하게 한다. 상기 장치는, 튜브를 둘러싸는 측정 코일(14)을 가지는 측정 헤드와, 100KHz를 초과하는 고주파 전압으로 상기 코일을 구동하고 상기 코일의 임피던스를 분석하기 위한 수단으로 이루어진다. 상기 헤드는 코일을 둘러싸는 환형 자석(22)과 축방향으로 코일 양측에 배치된 자기 플럭스 가이드(24)를 포함하며, 상기 자기 플럭스 가이드는 상기 자석과 상호 작용하여 상기 코일 내부 및 그 근방에서 최대 강도의 자장을 형성하는 자기 회로를 구성한다.

Description

와류를 이용한 튜브 검사 방법 및 장치{A METHOD AND APPARATUS FOR INSPECTING TUBES BY EDDY CURRENTS}

본 발명은 와류를 이용한 금속 튜브 검사에 관한 것으로, 주로 핵 반응기 제어 클러스터 내에 사용되는 중성자 흡수 재료 내지 핵분열 재료를 함유하는 로드의 클래딩 튜브의 검사에 대해 적용이 가능하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

FR-A-2 585 869호에서 공지된 와류를 이용한 제어 클러스터의 로드 검사 방법은 로드가 관통하도록 되어 있는 코일을 이용하는 것이다. 상기 코일은 고주파 전류에 의해 동력이 공급된다. 코일 단자를 지나는 전압을 분석하고 그 임피던스를 분석함으로써 튜브 마모를 평가하는 것이 가능해진다.

그러한 해결 방법은 상기 튜브가 스테인레스 강으로 만들어진 것과 같이 균질하다는 조건에서는 만족스러운 결과를 가져온다. 그러나, 일반 코일이 사용되고, 튜브의 마모 감소를 목적으로 표면 처리가 실시되어 튜브의 외표면층의 자기적 내지 전기적 특성이 벌크 금속의 것과는 현저하게 다르다면, 상기 방법은 더 이상 신뢰할 수 없게 된다.

이 방법은, 특히 상기 튜브가 강으로 만들어지고, 기지 금속 도전성 보다 약 6배를 초과하는 도전성을 가지는 크롬의 표면층 또는 질소 함유 진공내에서의 방전(이온 질화)에 의해 질소가 농화된 강자성체의 표면층을 두께 10㎛ 내지 수십 ㎛로 가지는 경우에 적용된다.

도 1은 와류로 튜브를 검사하는 구조를 보여주는 이론적인 도면이다.

도 2는 본 발명의 특정 실시예를 구성하는 와류 측정 헤드를 보여준다.

도 3은 흡수성 재료를 포함하는 제어 클러스터 로드의 저부를 도식적으로 나타낸 것으로, 두 개의 다른 간극의 존재를 보여준다.

도 4는 핵 반응기 제어 클러스터내 로드의 클래딩 튜브 검사용 장치내 측정 헤드의 가능한 배치를 보여주는 사시도이다.

본 발명은 특히 종래의 방법 및 장치보다 우수하게 실제적인 요구 조건을 만족시키는 검사 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 위해, 본 발명은, 특히 상기 튜브를 둘러싸는 측정 코일을 가지는 측정 헤드와 100KHz를 초과하는 고주파 전원으로 상기 코일에 전원을 공급하고 상기 코일의 임피던스를 측정하는 수단으로 이루어지는 검사 장치에 있어서, 상기 헤드는 코일을 둘러싸는 적어도 하나의 자석과, 상기 코일 내부 및 그 근방에서 최대 강도의 자장을 발생시키는 자기 회로를 구성하도록 축방향으로 상기 코일의 양측에서 상기 자석과 상호 작용하는 고 금속 투과성의 자기 플럭스 가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 검사 장치를 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 가이드 각각은 자석 단부와 접촉하는 외측부와, 다른 가이드로 수렴하고 상기 코일의 인접부에서 방사 방향으로 코일과 실질적으로 같은 레벨에서 끝나는 내측부를 구비하는 링 형태이다.

일반적으로, 상기 수단은 상기 코일에 100KHz에서 적어도 4KHz의 범위에서 변하는 주파수로 전원 공급될 수 있도록 하는 오실레이터를 포함한다.

다른 측면에서, 본 발명은, 또한 그 외면에 내부에 있는 금속 특성과는 다른 자기적 내지 전기적 특성의 박층을 각각 가지는 자기 튜브를 검사하기 위해 와류를 사용하는 방법으로, 여기에서 상기 튜브를 둘러싸는 코일은, 내부 간극을 감지할 수 있도록 100KHz 내지 500KHz의 범위에 있는 고주파 전압에 의해 전력이 공급되고, 보다 높은 주파수에서, 상기 코일내의 튜브 일부가 상기 박층을 자기적으로 포화시키기에 충분한 강도의 연속 자장하에 동시에 놓이고, 상기 코일 단자를 지나는 전압이 분석되는 검사 방법을 제공한다.

추가적으로, 본 발명은, 또한 단일 측정 패스 내지 2개의 연속 측정 패스 동안에 와류 이용을 가능하게 해, 튜브를 따라서 튜브 및 튜브가 포함하는 재료 사이에 존재하는 간극의 편차를 검사할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 전력 공급 수단은, 제1 주파수로 코일을 구동할 수 있게 설계되어 흡수성 재료 및 튜브 사이의 내부 간극을 검사하고, 4MHz를 초과하는 제2주파수로 코일을 구동할 수 있도록 설계되어 튜브의 기하학적 편차 및 튜브의 균열을 검사할 수 있다.

상기 장치는 특히, 질화되거나 크롬 도금된 표면층을 가지는 외측 강관을 포함하고 흡수성 재료 칼럼(column)을 포함하는 검사 로드(inspecting rod)에 적합하다.

측정 코일은 휘트스톤 브릿지의 브랜치들 중 하나에 종래의 방법대로 배치될 수 있고, 그 다른 브랜치는 표준 튜브의 길이를 둘러싸는 참고 코일(18)을 포함한다. 상기 브릿지의 대각 위치들 중 하나는 고주파 전력 공급 수단과 연결되고, 다른 대각 위치는 증폭기를 거쳐 각기 다른 주파수로 작동하는 두 개의 부하 회로를 공급하는 디멀티플렉서(demultiplexer)로 연결된다.

상술한 특징 및 다른 특징들이 후술하는 실시예에 관한 설명으로부터 더욱 분명해질 것이다. 첨부한 도면에 대한 설명은 다음과 같다.

종래 방법에 의하면, 튜브(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 전혀 결함을 가지지 않은 참고 길이의 튜브 또는 표준 튜브(12)와 상기 튜브(10)를 비교함으로써 와류에 의해 검사된다. 검사되는 상기 튜브(10)는, 고주파 AC로 구동되는 대각 위치를 가지는 휘트스톤 브릿지(16)의 한 브랜치 내에 배치되는 측정 코일(14)을 포함하는 헤드를 따라 이동된다. 상기 브릿지의 다른 브랜치는 표준 길이의 튜브(12)를 둘러싸는 참고 코일(18)을 포함한다. 측정 전압이 상기 브릿지의 다른 대각 위치에서 얻어지고 측정 차동 증폭기(21)로 전송되어 디지탈 출력으로 변환된 후에 컴퓨터 부재(23)에 의해 처리된다.

복수개의 측정 코일이 적당한 연결 회로에 의해 공통 참고 코일을 공유할 수 있다.

박(薄)강 튜브내의 결함을 검사하기 위하여, 브릿지는, 일반적으로 수백 KHz 및 수 MHz의 범위 내에 놓인 주파수의 교류 전압으로 구동된다.

기지 금속과는 다른 특성을 갖는 표면층 또는 필름이 존재하기 때문에 생기는 문제점을 피하기 위해, 측정 헤드는 도 2에 도시된 바와 같은 구조를 갖는다. 코일(14)은 코일 지지체(18) 내의 보호 튜브(16) 주위에 감긴다. 그것은, 절연재로 만들어 질 수 있고 환형 자석(annular magnet)(22)을 포함하는 몸체(20)에 의해 둘러싸인다. 상기 자석의 자기 회로는, 예를 들면 페라이트와 같이 높은 인덕턴스에서도 고자기 투과성을 가지는 재료의 두 플럭스 가이드(24)에 의해 폐쇄된다.

두 가이드 각각은 링 형상이다. 각각은 내측부 및 환형 자석(22)의 단부에 맞닿는 디스크 형상의 외측부를 가진다. 상기 내측부는 다른 가이드로 수렴되고 그 자체가 실질적으로 반경 방향으로 같은 수준을 유지하면서 상기 코일 인접부에 단부가 형성된다. 상기 내측부들 사이에는 갭이 있다. 상기 갭의 폭은 적어도 코일과 같다.

상기 헤드는, 변형되거나 부푼 튜브가 통과하는 경우 코일을 보호하고 상기 튜브를 중앙 정렬시키는 요소를 또한 포함한다.

도 2에 나타낸 경우에, 상기 요소는, 약간 신축성 있는 플라스틱 재료로 만들어지고 스테인레스 강과 같은 경질의 링(28)에 장착되는 두 개의 중앙 정렬 브러쉬(26)를 포함한다. 각 링(28)은, 검사되는 튜브의 공칭 직경보다 약간 큰 직경을 가지는 내부 림(30)을 구비할 수 있어서, 상기 튜브를 정지시킴으로써 튜브의 부푼 영역 때문에 코일이 손상되는 위험을 줄이게 된다.

환형 자석(22) 및 플럭스 가이드(24)는, 표면층을 자기적으로 포화시킬 수 있도록 표면층의 특성에 따라 선택된다. 예를 들면, 상기 튜브가 표면 질화된 스테인레스강으로 만들어지는 경우, 상기 자석 및 상기 가이드는 상기 코일의 인접부에서의 자장이 최대가 되도록 선택된다.

이러한 배치 때문에, 10㎛ 내지 20㎛ 깊이까지 질화된 외측 필름을 가지는 스테인레스강 튜브의 경우, 100KHz 내지 4KHz에 걸치는 광범위한 주파수 밴드에서 조작을 최적화하는 코일을 보존하면서 작은 가동 공간 내로 플럭스를 집중하는 것이 가능하다.

실시예로, 균열 및 비정상 마모를 검사하기 위하여 약 4MHz와 동등한 주파수 f1에서 검사가 행해졌고, 튜브 및 그것이 포함하는 금속 요소 사이의 간극 내에서의 (직경이 현저하게 국부적으로 감소하는 요소의 사용에 기인하는) 급격 편차 또는 부품(swelling)에 기인하는 점진적 편차를 검사하기 위하여 f2=400KHz의 주파수에서 검사가 행해졌다.

상대적으로 낮은 주파수 f2에서 튜브를 시험하기 때문에, 예를 들면 클래딩 튜브(10) 내에 있는 제1 직경의 흡수성 칼럼(32) 및 다른 직경의 흡수성 칼럼(34) 사이에서 변화되는 높이를 검사하는 것이 가능하다(도 3). 와류가 깊이 침투할 수 있을 정도로 낮은 주파수로 구동되는 경우, 측정 튜브의 임피던스는 내부 요소 및 튜브 사이 간극의 함수이다. 상기 둘 사이의 관계는 그 직경이 단계적으로 감소하는 요소를 포함하는 참고 튜브 상에서 미리 측정함으로써 정해질 수 있다. 저주파수에서 얻어지는 신호는, 마모에 기인하거나 클래딩내 결함에 기인하는 출력 신호의 성분과는 달리 90°만큼 상 이동된다.

상기 로드 또는 그와 함께 이동하는 타 로드와 맞닿은 휠(40)을 포함하는 높이 센서는 튜브(10)의 변위를 측정함으로써 탄알 모양 단부(36)로부터 시작하는 길이 방향 결함 위치 및 간극 j1과 간극 j2 사이의 변화하는 높이를 결정하는 데 사용될 수 있다. 두 개의 주파수를 동시에 브릿지(16)에 인가한 후 디멀티플랙서를 이용하여 증폭기로부터의 출력에서 그것들을 분리함으로써 두 주파수 f1 및 f2에서 동시에 튜브가 검사된다.

f1과 f2 사이에 있는 제3 주파수로 측정을 행하는 것도 역시 가능하다. 이미 알려진 형태의 마모 및 결함을 가지는 길이에서 얻어진 참고 시그날과 비교함으로써, 얻어진 시그날이 주파수 f1에서 검사되는 결함의 성질을 결정하는 데 이용될 수 있다.

본 발명은, FR-A-2 585 869호에 기재된 것과 같은 종류의 장치를 사용함으로써 핵반응기 제어 클러스터내 로드의 클래딩 튜브를 검사하는 데 특히 적합하다. 단 두 패스로 단일의 제어 클러스터의 24개 로드를 검사하기 위해서는, 장치가 한번에 12개 로드를 검사하도록 설계될 수 있다. 12개 측정 코일을 포함하는 헤드(14)가 지그(42)에 놓여 있다(도 4), 상기 지그는 튜브의 하나, 둘 또는 세 배의 길이에 걸쳐 지나가게 되는 참고 코일(18)을 수용하는 프레임(44)에 고정되어 있다. 커버(46)는 측정 헤드 내에 삽입되고 튜브가 이동하는 동안에 튜브를 중앙 정렬시키는 관형 연장부를 포함한다. 상기 측정 헤드는, 공칭 위치로부터 편이된 로드를 수용하도록 상기 지그(42)에 대하여 이동할 수 있게 장착된다.

제어 클러스터 중 일단의 12개 로드, 또는 더욱 일반적으로 일단의 n/m개 로드가 (여기에서 n은 클러스터내 로드의 총숫자이고 m은 n의 정수 약수임)가 다음과 같이 분석된다.

시그날 처리 부재는 동시에 처리되는 로드가 있는 만큼의 많은 채널을 가지고, 상기 채널은 초기에 교정(calibration)된다. 그 후, 상기 클러스터가 움직이게 되므로 그 로드의 전체 길이는, 측정 코일이 적어도 제1주파수 f1로 구동되는 동안 측정 코일을 통과하게 된다. 측정 브릿지로부터의 출력 전압이 디지탈화된 값들은, 그것들 중 단지 하나에서 측정된 바와 같이, 로드의 높이와 함께 기록된다. 다른 시간에서 기록된 출력 시그날을 분석함으로써 모든 레벨에서 마모 속도를 결정하고 로드의 어떤 영역이 좀 더 철저하게 검사(예를 들면, 초음파에 의한 검사)될 필요가 있는지를 결정할 수 있다. 그러한 초음파 시험은, 와류로 시험되고 있지 않는 몇몇 로드의 패스위에 배치될 수 있는 이동 측정 헤드를 이용하여 행해질 수 있고, 이 이동 측정 헤드는 소정 레벨로 로드 외주를 그릴 수 있도록 프로브(probe) 캐리어내 로드 주위를 회전할 수 있는 프로브를 포함한다.

다른 실시예에서, 초음파 시험이 와류 시험과 동시에 이루어졌으나, 초음파 시험으로부터 얻어진 시그날은 와류 시험으로 의심스럽다고 지적된 영역에서만 분석되었다.

간극간에 변화하는 레벨이 동시에 또는 개별적으로 결정될 수 있다. 일반적으로, 로드의 단지 일부(주로, 저부)에서 변화하는 위치를 결정하는 것으로 충분하다.

Claims (14)

1. 튜브를 둘러싸는 측정 코일(14)을 가지는 측정 헤드와, 100KHz를 초과하는 고주파 전압으로 상기 코일을 구동하고 상기 코일의 임피던스를 분석하기 위한 수단을 포함하여 이루어지는 금속 튜브(10)의 와류 검사용 장치에 있어서,

   상기 장치는 내부에 있는 금속과는 다른 자기적 또는 전기적 특성을 구비하는 박막을 그 외측면에 가지는 튜브를 검사하기 위한 것이고,

   상기 헤드는, 코일을 둘러싸는 환형 자석(22)과, 축방향으로 코일 양측에 배치되고 상기 자석과 함께 자기회로를 구성하는 고투과성 재료의 자기 플럭스 가이드(24)들을 포함하고,

   상기 가이드들은 서로를 향하면서 코일을 향하여 수렴하여 최대 강도가 상기 코일 내부 및 그 근방에 방사상으로 놓이는 자장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 금속 튜브(10)의 와류 검사용 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가이드(24)들 각각은 상기 자석과 맞닿아 있는 외측부와, 다른 가이드를 향하여 수렴하고 코일의 인접부에서 방사 방향으로 코일과 실질적으로 같은 레벨로 끝나는 내측부를 구비하는 링의 형태인 것을 특징으로 하는 금속 튜브(10)의 와류 검사용 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 헤드는 슬리브 형상이고 그 축단에 상기 헤드내의 튜브를 중앙 정렬하기 위한 브러쉬(26)를 구비하는 것을 특징으로 하는 금속 튜브(10)의 와류 검사용 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 각 브러쉬(26)는 검사되는 튜브의 공칭 직경에 비해 약간 큰 직경의 통공이 뚫려있는 링(28)과 결합되어 부푼 튜브가 삽입되는 것으로부터 상기 코일 및 상기 가이드를 보호하는 것을 특징으로 하는 금속 튜브(10)의 와류 검사용 장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 수단은, 코일을 100KHz 내지 적어도 4MHz의 범위에서 변화하는 주파수로 구동되게 하는 오실레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 튜브(10)의 와류 검사용 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 질화된 표면막을 가지고 흡수성 재료의 칼럼을 포함하는 외측 강 튜브(10)로 이루어진 로드인 핵 반응기 제어 클러스터의 로드를 검사하기 위하여,

   상기 수단은,

   상기 흡수성 재료 및 튜브 사이의 내부 간극을 검사하도록 100KHz 내지 500KHz 범위에 있는 제 1주파수; 및

   상기 튜브내의 기하학적 편차 및 상기 튜브내의 균열을 검사하도록 4MHz를 초과하는 제 2 주파수로 코일을 구동시키기 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 금속 튜브(10)의 와류 검사용 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 수단은 처음의 두 주파수 사이에 있는 제 3 주파수로 코일을 구동시키기 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 금속 튜브(10)의 와류 검사용 장치.
8. 와류를 이용하여, 내부에 있는 금속과는 자기적 내지 전기적 특성이 다른 박막을 그 외측면에 구비하는 금속 튜브를 검사하는 방법으로서,

   금속 튜브 및 그 내용물 사이의 내부 간극을 감지하기 위한 100KHz 내지 500KHz의 범위에 있는 고주파의 제1 전압 및 상기 튜브의 기하학적 편차와 그 균열을 감지하기 위한 4MHz를 초과하는 주파수인 제2 전압에 의해 상기 튜브를 둘러싸고 있는 코일을 구동하며,

   상기 박막을 자기적으로 포화시키기에 충분한 강도를 가지는 직류(DC) 자장을 코일 내에서의 상기 튜브의 부분에 동시에 인가하고,

   코일의 단자를 지나는 전압을 분석하여 그에 대한 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 하는 금속 튜브 검사 방법.
9. 제 3 항에 있어서, 상기 수단은, 코일을 100KHz 내지 적어도 4MHz의 범위에서 변화하는 주파수로 구동되게 하는 오실레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 튜브(10)의 와류 검사용 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 질화된 표면막을 가지고 흡수성 재료의 칼럼을 포함하는 외측 강 튜브(10)로 이루어진 로드인 핵 반응기 제어 클러스터의 로드를 검사하기 위하여,

    상기 수단은,

    상기 흡수성 재료 및 튜브 사이의 내부 간극을 검사하도록 100KHz 내지 500KHz 범위에 있는 제 1 주파수; 및

    상기 튜브내의 기하학적 편차 및 상기 튜브내의 균열을 검사하도록 4MHz를 초과하는 제 2 주파수로 코일을 구동시키기 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 금속 튜브(10)의 와류 검사용 장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 수단은 처음의 두 주파수 사이에 있는 제 3 주파수로 코일을 구동시키기 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 금속 튜브(10)의 와류 검사용 장치.
12. 제 4 항에 있어서, 상기 수단은, 코일을 100KHz 내지 적어도 4MHz의 범위에서 변화하는 주파수로 구동되게 하는 오실레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 튜브(10)의 와류 검사용 장치.
13. 제 12 항에 있어서, 질화된 표면막을 가지고 흡수성 재료의 칼럼을 포함하는 외측 강 튜브(10)로 이루어진 로드인 핵 반응기 제어 클러스터의 로드를 검사하기 위하여,

    상기 수단은,

    상기 흡수성 재료 및 튜브 사이의 내부 간극을 검사하도록 100KHz 내지 500KHz 범위에 있는 제 1 주파수; 및

    상기 튜브내의 기하학적 편차 및 상기 튜브내의 균열을 검사하도록 4MHz를 초과하는 제 2 주파수로 코일을 구동시키기 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 금속 튜브(10)의 와류 검사용 장치.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 수단은 처음의 두 주파수 사이에 있는 제 3 주파수로 코일을 구동시키기 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 금속 튜브(10)의 와류 검사용 장치.