KR100817617B1 - 구조물의 두께와 물성치 검사장치, 검사방법 및 두께감소감시방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대상 구조물의 두께를 빠르고 정확하게 검사할 수 있는 구조물의 두께 검사장치 및 구조물의 두께 검사방법이 제시된다. 본 발명의 두께 검사장치는, 대상 구조물에 충격을 가하여 진동파를 발생시키는 가진유닛과 두 지점에서의 진동파의 가속도를 측정하는 한 쌍의 가속도계 및 측정된 가속도를 통해 진동파 지연시간에 기초한 군속도(group velocity)를 산출하여 두 지점 사이에서 대상 구조물의 두께를 예측하는 수집분석유닛을 포함하여 구성된다. 이에 따라, 본 발명에 의하면, 군속도를 산출하여 대상 구조물의 두께를 빠른 시간 안에 정확하게 예측할 수 있다. 또한 두께를 알 경우에는 역으로 군속도를 측정함으로써 재질의 물성치, 예를 들어 영계수(Young's modulus) 등을 예측할 수 있다.

두께, 군속도, 지연시간, 위그너-빌(Wigner-Ville) 분포, 진동파, 시간-주파수 분석

Description

구조물의 두께와 물성치 검사장치, 검사방법 및 두께감소 감시방법 {Inspection Device, Method for Thickness and Material Properties of Structure and Monitoring Method for Thickness Thinning of the Same}

도 1은 종래 구조물의 두께 검사과정을 나타내는 구성도;

도 2는 일반적인 3차원 쉘 요소를 나타내는 사시도;

도 3은 평판의 두께에 따른 주파수별 군속도의 이론값을 나타내는 그래프;

도 4는 본 발명에 따른 구조물의 두께 검사장치를 개략적으로 나타낸 구성도;

도 5는 본 발명에 따른 구조물의 두께 검사장치에 의해 평판의 두께를 검사하는 과정을 나타내는 구성도;

도 6은 도 5의 두 개의 가속도계에서 측정된 진동파 신호의 위그너-빌 분포에 의한 분석결과를 나타내는 그래프;

도 7은 도 6에 나타난 진동파 신호의 최대값 곡선과 이에 따라 산출된 군속도를 나타내는 그래프;

도 8은 두께가 2 mm인 평판에서 군속도의 이론값과 본 발명의 두께 검사장치에 의해 예측한 실험값을 비교한 그래프;

도 9는 본 발명에 따른 구조물의 두께 검사장치에 의해 원자력발전소에 사용 되는 배관의 두께를 검사하는 과정을 나타내는 사시도;

도 10은 도 9의 배관의 치수와 가속도계의 설치 상태를 나타내는 단면도;

도 11은 도 10의 측정센서 중 어느 하나에서 측정된 진동파 신호의 위그너-빌 분포에 의한 분석결과를 나타내는 그래프;

도 12는 도 11에 나타난 진동파 신호의 최대값 곡선과 이에 따라 산출된 군속도를 나타내는 그래프;

도 13은 도 9의 배관에서 본 발명의 두께 검사장치에 의해 예측한 군속도의 실험값을 나타내는 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 >

110: 가진유닛 130: 가속도계

132: 제1측정센서 134: 제2측정센서

150: 수집분석유닛 210: 대상 구조물

220: 평판 230: 배관

본 발명은 구조물의 두께 검사장치 및 구조물의 두께 검사방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조물의 두께를 빠르고 정확하게 예측할 수 있는 두께 검사장치 및 구조물의 두께 검사방법에 관한 것이다.

원자력 발전소의 플랜트, 특히 원자력 발전소의 터빈 발전기 계통(2차측)에 사용되는 배관의 내부에는 높은 압력과 온도를 가지고 매우 빠른 속도로 유체가 유동한다. 따라서, 이러한 유체의 유동에 의해 부식 또는 마모가 되어 파이프 두께가 얇아지는 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상은 소정의 곡률을 가지는 곡관 형태의 배관에서 두드러지게 나타난다. 그리고 이와 같이 배관의 두께가 얇아지는 현상(감육; thinning)의해, 배관은 내부의 높은 압력과 온도를 이기지 못하고 결국 누수가 발생하게 된다.

실제 2004년 일본에서는 원자력 발전소의 터빈측 배관의 감육에 의해 파열되어 누수가 발생하면서 여러 명의 목숨을 앗아간 사례가 보고된바 있다.

이렇듯 배관의 감육에 의한 피해는 금전 및 시간뿐만 아니라, 사람의 목숨까지 피해를 줄 수 있는 큰 문제를 야기할 수 있기 때문에 배관 감육을 감시하는 것은 매우 중요한 일이다.

배관의 두께를 검사하는 방법으로 모드해석을 통한 방법, 필터를 이용한 방법, 초음파를 이용하는 방법 등이 제안되고 있다. 이 중에서, 초음파를 이용하는 방법은 현재까지 가장 보편적으로 사용되는 방법이다.

도 1을 참조하여, 일반적으로 사용되는 초음파를 이용한 두께 검사장치를 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 초음파를 이용한 두께 검사장치는 초음파 센서(11)와, 초음파 센서(11)의 신호를 인가받아 분석하는 분석기(13)를 포함하여 구성된다.

여기서, 초음파 센서(11)는 비파괴 검사에 일반적으로 사용되는 센서로서, 배관(21)에 설치되어, 초음파 신호를 발생시키고 매질의 변화에 의해 반사된 초음파 신호를 감지한다.

그리고 상기 분석기(13)는 상기 초음파 센서에 의해 측정된 발생신호와 감지신호의 시간차에 의해 대상물의 두께를 측정하게 된다.

한편, 초음파에 의한 두께 측정은 초음파 센서(11)를 일정한 곡률을 가지는 배관(21)에서 외부를 감싸고 있는 보온재(23)를 제거한 후 일정 간격으로 두고 형성된 격자점(grid point)에 대해 행해진다. 그리고, 이와 같이 격자점 하나하나에 대한 두께 정보를 통하여 배관(21)의 감육 정도를 예측하게 된다.

그러나 상술한 종래 구조물의 두께 검사장치와 검사방법은 다음과 같은 문제점이 존재한다.

첫째, 초음파에 의해 배관의 두께를 측정하는 경우, 가로 세로로 잘게 격자를 나눈 후 각 점에 대해 모두 두께를 측정해야 하기 때문에 두께의 검사에 걸리는 시간이 오래 걸리는 문제점이 있다.

둘째, 종래의 검사장치는 가동 중에는 두께 측정이 어려운 문제점이 있다. 이것은 원자력 발전소의 가동하여 내부에 유체가 유동하는 경우에는 초음파 센서의 신호대잡음비(signal to noise ratio)가 현저히 떨어져 두께 검사의 정확도가 현저히 떨어지기 때문이다. 또한, 유체의 유동에 의해 발생하는 진동에 의해, 정밀한 측정이 어려울 뿐만 아니라, 초음파 센서의 견고한 부착이 어려운 문제점도 발생하였다.

셋째, 도 1에서 볼 수 있듯이 두께를 측정하기 위해서는 비교적 넓은 영역의 보온재를 제거해야 하는 문제점이 존재한다.

넷째, 기존의 초음파 방법은 고주파의 굽힘파 신호를 사용하므로 신호의 감쇄가 커서 초음파의 발생지점 부근에서만 두께의 측정이 가능하다.

그리고 초음파를 이용하는 방법 외에 모드해석을 통한 방법, 필터를 이용한 방법 들은 시스템 자체가 복잡하여 실제 적용하기에는 많은 어려움이 존재하였다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 짧은 시간에 간단한 방법에 의해 대상 구조물의 두께를 정확하게 측정할 수 있는 구조물의 두께 검사장치 및 검사방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 내부가 유체가 흐르더라도 정확한 두께 예측이 가능한 구조물의 두께 검사장치 및 검사방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 구조물의 두께를 알 경우에 구조물의 물성치를 측정할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 대상 구조물에 충격을 가하여 진동파를 발생시키는 가진유닛, 상기 대상 구조물의 표면에서 상기 진동파의 진행방향을 따라 일정 간격을 두고 설치되어, 설치된 지점에서 상기 진동파의 가속도를 측정하는 한 쌍의 가속도계 및 상기 측정센서 각각에서 측정된 진동파의 가속도를 통해 두 지점 사이의 진동파 지연시간에 기초한 군속도(group velocity)를 산출하여, 상기 측정센서 사이에서 대상 구조물의 두께를 예측하는 수집분석유닛을 포함하여 구성되는 구조물의 두께 검사장치를 제공한다.

삭제

한편, 상기 대상 구조물은 평판이나 배관, 기타 다양한 형상의 구조물이 될 수 있다. 일 예로서, 상기 대상 구조물은 내부에 유체가 유동하는 유로가 형성된 배관일 수 있으며, 상기 배관은 원자력 발전소의 터빈 발전기 계통에 사용되는 배관이 적용될 수 있다.

상기 수집분석유닛에서, 두 지점 사이의 진동파 지연시간은 시간-주파수 영역에서 산출하는 것이 바람직하다. 시간영역(time domain)에서 두 지점 사이의 시간지연을 측정할 경우, 매질은 분산 특성을 가지고 있기 때문에 거리에 따라서 충격신호가 변형되어 정확하게 시간지연을 찾을 수가 없다. 더욱이 신호를 측정할 때 배경잡음 또는 작동 소음이 함께 측정되어 지기 때문에 시간영역에서 시간지연을 측정한다면 많은 오차가 존재함을 쉽게 알 수 있다. 따라서 본 발명에서는 다차원 해석인 시간-주파수 기법을 이용하여 두 가속도계 간의 시간지연을 측정함으로써 군속도를 예측한다.

여기서, 상기 주파수별 최대값은 상기 대상 구조물의 공진에 의한 신호를 제거한 후에 산출하는 것이 더욱 바람직하다. 그리고 상기 시간-주파수 해석 기법에는 위그너-빌(Wigner-Ville) 분포가 사용될 수 있다. 이와 함께, 상기 구조물의 두께는 신호대잡음비(signal to noise ratio)가 높은 주파수 대역에서의 군속도에 의해 예측하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 구조물의 물성치 검사장치는, 상기 수집분석유닛이 상기 가속도계 각각에서 측정된 진동파의 신호를 인가받아 두 지점 사이의 진동파 지연시간에 기초한 군속도(group velocity)를 산출하고, 산출된 군속도와 구조물의 두께에 기초하여 상기 대상 구조물의 물성치를 예측하도록 구성된다.

본 발명에 따른 구조물의 두께 검사방법은 대상 구조물에 충격을 가하여 진동파를 발생시키는 단계, 상기 대상 구조물의 표면에서 상기 진동파의 진행방향을 따라 일정 간격에 있는 두 지점에서의 상기 진동파 신호를 측정하는 단계, 측정된 진동파의 신호를 인가받아, 두 지점 사이의 진동파 지연시간에 기초한 군속도(group velocity)를 산출하는 단계 및 산출된 군속도에 의해 상기 두 지점 사이에서 대상 구조물의 두께를 예측하는 단계를 포함한다.

군속도를 산출하는 단계에서, 두 지점 사이의 진동파 지연시간은 시간-주파수 해석 기법에 따른 주파수별 최대값에 의해 구하고, 상기 주파수별 최대값은 상기 대상 구조물의 공진에 의한 신호를 제거한 후에 산출하는 것이 바람직하다.

특히, 상기 시간-주파수 해석 기법에는 위그너-빌(Wigner-Ville) 분포가 사용될 수 있다.

그리고 상기 구조물의 두께는 신호대잡음비(signal to noise ratio)가 좋은 주파수 대역에서의 군속도에 의해 예측하는 것이 바람직하다.

이와 함께, 본 발명에 따른 구조물의 물성치 검사방법은, 구조물의 두께를 측정하고, 측정된 구조물의 두께와 산출된 군속도에 기초하여 상기 대상 구조물의 물성치를 예측한다.

한편, 본 발명에 따른 구조물의 두께감소 감시방법은, 대상 구조물에 충격을 가하여 진동파를 발생시키는 단계, 상기 대상 구조물의 표면에서 상기 진동파의 진행방향을 따라 일정 간격을 가진 두 지점에서의 상기 진동파의 신호를 측정하는 단계, 측정된 진동파의 신호를 인가받아 두 지점 사이의 진동파 지연시간에 기초한 군속도(group velocity)를 산출하는 단계 및 산출된 군속도와 기 설정된 기준 군속도와 비교하여 상기 두 지점 사이에서 대상 구조물의 두께감소를 감시하는 단계를 포함하여 구성된다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

먼저, 도 2를 참조하여, 일반적인 쉘(shell) 구조물의 군속도를 산출하는 이론식을 설명하면 다음과 같다.

도 2는 임의의 곡률을 갖는 쉘 (shell) 구조물을 도시하고 있다. 여기서,

방향은 굽힘파의 변위방향,

및

는 각 좌표 방향의 곡률반경,

는 쉘의 두께를 나타낸다. 그리고,

와

는 각각 쉘의 밀도와 탄성계수를 나타낸다.

도 2와 같은 쉘 구조물이 저주파 영역에서의 박판 쉘(

)이고 균일한 재질이라고 가정할 때, 회전 관성 및 전단 변형에 의한 영향을 모두 고려한 파(wave)의 군속도는 다음과 같다:

.

여기서,

는 각속도,

,

이고,

는 포아송 비,

를 나타낸다.

상기 수학식 1에 의해 일반적인 형태의 쉘에서의 군속도를 계산할 수 있다. 특히, 평판의 경우에는 곡률이 없어

이므로

, 실린더 쉘의 경우에는

, 구형 쉘인 경우에는

라는 조건에 의해 상기 수학식 1을 보다 단순화시킬 수 있다.

구조물이 평판의 경우에는,

이고

이므로,

와 같이 단순화 시킬 수 있게 된다.

수학식 1 및 수학식 2에서 볼 수 있듯이, 일반적인 쉘 및 평판에서의 군속도는 두께(h)의 함수임을 알 수 있다. 특히, 평판의 경우에는 평판의 두께(h)가 클수록 이에 비례하여 평판의 군속도도 빨라지는 것을 알 수 있다.

도 3은 평판이 SUS304 재질이고, 가로 세로의 길이가 각각 600mm인 경우, 수 학식 2에 의해 두께에 따른 군속도를 계산한 결과를 도시하고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 평판에서의 군속도는 두께가 증가할수록 빨라지고, 주파수에 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다.

이상의 결과에서와 같이, 구조물의 군속도는 구조물의 두께에 따라 변화하기 때문에, 역으로 일반적인 쉘 형태의 구조물에서의 군속도를 알 수 있다면, 구조물의 두께를 예측할 수 있게 된다.

그리고 구조물의 두께를 측정하고 군속도를 산출하게 되면, 이를 통하여 구조물의 물성치(material properties)를 예측하는 것도 또한 가능하게 된다. 여기서, 구조물의 물성치는 탄성계수나 밀도 등이 될 수 있다.

본 발명은 이와 같이 군속도와 구조물의 두께 사이의 상관관계를 이용하여 구조물의 두께를 검사하는 장치와 방법에 관한 것이다.

도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 구조물의 두께 검사장치의 기본적인 구성과 두께 예측의 원리를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 구조물의 두께 검사장치는, 가진유닛(110), 가속도계(130) 및 수집분석유닛(150)을 포함하여 구성된다.

상기 가진유닛(110)은, 대상 구조물(210)에 충격을 가하여 대상 구조물(210)을 가진함으로써, 진동파를 발생시키는 역할을 수행한다. 가진유닛(110)의 종류에는 제한이 없으며, 본 실시예는, 도 4에 도시된 바와 같이, 가진유닛(110)이 해머(hammer) 형태로 이루진 것을 예시하고 있다.

상기 가속도계(130)는 한 쌍의 측정센서(132,134)로 이루어지며, 대상 구조물(210)의 표면에서 일정 간격을 두고 설치되어 진동파의 가속도를 측정한다. 한편, 가속도계(130)에 의해 진동파의 지연시간을 얻기 위해서, 상기 가속도계(130)는 진동파의 진행방향을 따라 설치되는 것이 바람직하다.

상기 수집분석유닛(150)은, 상기 측정센서(130)에서 측정된 진동파의 신호를 인가받고, 두 지점의 진동파 지연시간에 기초한 군속도(group velocity)를 산출한다.

삭제

진동파 지연시간에 의해 군속도를 산출하는 원리는 다음과 같다.

도 4에 도시된 바와 같이 두 측정센서(132,134) 간의 거리가

인 경우, 두 지점에서의 진동파 지연시간이

로 산출되면, 대상 구조물에서 군속도는,

로 나타낼 수 있다. 즉, 두 진동파의 지연시간을 구하면, 이에 따라 두 지점 사이의 군속도를 산출할 수 있다.

도 5 내지 도 8을 참조하여, 대상 구조물이 평판인 경우 실제로 군속도를 측정하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 5를 참조하여 실제 평판의 두께를 측정하기 위한 장치 설치 상태를 설명한다.

대상 구조물(220)은 SUS304 재질이고, 가로 세로의 길이가 각각 600mm, 두께가 2 mm인 평판이다. 그리고, 두 측정센서(132,134) 간의 거리는 100 mm로 설정되어 있으며, 각각의 측정센서(132,134)는 수집분석유닛(150)에 연결되어 측정된 진동파의 신호를 전달하게 된다.

한편, 도시되지는 않았지만, 가진유닛은 두 측정센서와 일직선이 되는 지점에서 평판에 충격을 가하여 진동파를 발생시킨다.

상기 가진유닛에서 발생한 진동파는 구조물을 따라 전파되며, 진동파의 진행방향을 따라 설치된 가속도계(130)에서의 진동파 신호를 측정하면, 두 지점 사시에서 진동파의 지연시간을 구할 수 있다.

하지만, 쉘 및 평판 구조물에서는 주파수 별로 에너지의 전파 속도가 다른 분산(dispersion) 특성을 가지기 때문에, 시간 및 이동 거리에 따라 전체 파형이 변화한다. 더구나 잡음이 조금이라도 존재하게 되면 시간 영역에서 군속도를 측정하기 매우 어렵게 된다.

따라서, 진동파를 주파수 별로 판단할 수 있는 신호의 시간-주파수 해석 기법에 의해 분석하는 것이 바람직하다.

시간-주파수 해석기법으로는, 대표적으로 STFT(Short Time Fourier Transform), 웨이블렛(Wavelet) 변환 및 위그너-빌 (Wigner-Ville) 분포에 의한 기법을 들 수 있다.

여기서, STFT는 목적에 맞는 적절한 윈도우 함수를 이용하여 시간에 따라 윈도우를 이동해 가면서 퓨리에 변환(Fourier Transform)을 순차적으로 실행함에 의 해 이루어지는 기법으로서, 일반적인 퓨리에 변환과는 달리 시간과 주파수 측면에서 동시에 사건의 발생을 관찰할 수 있는 스펙트럼 분석법이다. 하지만, STFT는 시간, 주파수 분해능이 낮아 과도 신호의 정확한 분석에는 다소 어려움이 있다.

웨이블렛(Wavelet) 변환은 주파수 대역에 따라 다양한 시간-주파수 분해능을 제공하는 해석 기법으로서, 특히 짧은 시간에 급격한 변화를 갖는 신호를 분석하는 데 탁월한 특징이 있다.

한편, 상술한 바와 같이, 퓨리에 변환은 무한대의 시간 창문을 이용하는 반면, STFT와 웨이블렛 변환은 주어진 짧은 구간의 창문을 이용한다. 하지만, 백색 잡음(white noise) 속에 충격파 신호가 묻혀 있다면 퓨리에 변환을 통하여 이 충격파의 신호에 포함된 주파수 성분을 명확히 찾아내기는 어렵다.

이 경우에 주로 사용되는 방법이 자기상관함수의 시간지연에 대한 퓨리에 변환으로 정의되는 위그너-빌(Wigner-Ville) 분포에 의한 기법이다.

상술한 시간-주파수 해석기법 중에서 위그너-빌(Wigner-Ville) 분포에 의한 방법은 높은 시간-주파수 분해능으로 과도적인 비정상 신호 분석에 뛰어난 장점이 있다. 본 실시예에서는 이 중에서 특히 군속도 예측에 적합한 위그너-빌(Wigner-Ville) 분포를 사용하여 분석하였다.

위그너-빌((Wigner-Ville) 분포는 시간 및 주파수 분해능을 독립적으로 향상시킬 수 있는 방법으로서, bilinear TFR(Time Frequency Representation) 의 한 종류이며, 그 정의는 다음과 같다:

.

여기서,

는 시간종속 자기상관함수 (time dependent autocorrelation function),

는 신호의 해석함수,

는

의 퓨리에 변환이다. 한편, 상기 위그너-빌(Wigner-Ville) 분포는 물리적으로는 각 시간별 신호의 에너지에 대한 주파수 분포를 나타낸다.

도 6은 두 측정센서에서 얻은 진동파 신호를 위그너-빌(Wigner-Ville) 분포에 의해 분석한 결과를 나타내고 있다. 여기서, 도 6의 (a)는 가진유닛에 가까운 지점에 설치된 측정센서의 진동파 신호, 도 6의 (b)는 가진유닛에서 먼 지점에 설치된 측정센서의 진동파 신호에 대한 분석결과이다.

도 6의 (a)와 (b) 각각에서, 가운데 위치하는 그래프는 가로축이 시간, 세로축이 주파수로 표현된 진동파 신호를 나타낸 것이다. 그리고, 하측에 위치하는 그래프는 시간영역에서의 진동파 신호를 나타낸 것이고, 좌측에 위치하는 그래프는 주파수 영역에서의 진동파 신호를 나타낸 것이다.

먼저, 도 6의 (a)와 (b)에서, 진동파 신호는 거리에 따라 그 크기가 감소하고 시간이 지연됨을 확인할 수 있다.

다음으로, 도 7을 참조하여, 위그너-빌(Wigner-Ville)분석에 의한 군속도 산출방법을 설명하면 다음과 같다.

도 7의 (a)는, 상기 도 6의 (a)와 (b)의 분석 결과에서, 각 주파수에서의 최대값을 연결한 라인(line)을 도시한 것으로서, 좌측 라인은 가진유닛에 가까운 지점에 설치된 측정센서의 진동파 신호이고, 우측 라인은 가진유닛에서 먼 지점에 설치된 측정센서의 진동파 신호를 나타낸다.

한편, 이와 같이 주파수 별 최대값을 이은 두 개의 라인에 의해, 각각의 주파수에서의 지연시간을 구할 수 있다. 도 7의 (b) 는, 상단의 결과를 통해 얻은 지연시간에 기초하여 산출한 군속도를 도시하고 있다. 도 7의 (b)를 통해, 평판에서의 군속도는 주파수가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보임을 확인할 수 있다.

도 8은, 평판의 두께가 2 mm일 때, 상술한 일련의 과정을 통해 산출한 군속도의 실험값과 이론값을 비교한 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 실험값은 이론값과 매우 유사한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 상술한 평판의 군속도 측정과정은, 배관의 경우에도 적용이 가능하다.

상기 배관은 원자력 발전소, 수력 발전소, 화력 발전소 또는 일반 플랜트 등에 사용되는 다양한 형태가 될 수 있다.

도 9 내지 도 13을 참조하여, 배관 중 특히 원자력 발전소의 터빈 발전기 계통(2차측)에 사용되는 배관을 일 예로 들어 군속도를 측정하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

상술한 바와 같이, 원자력 발전소에 사용되는 배관(230)은 내부에 고온 고압의 유체가 매우 빠른 속도로 유동하고 있으며 소정의 곡률을 가지고 있어, 유체의 유동에 의해 부식과 마모가 이루어져 두께가 얇아지게 된다.

이러한 배관(230)의 두께를 예측하여 배관 감육을 감시하기 위하여, 도 9에 도시된 바와 같이, 가진유닛(110)을 준비하고, 가진유닛(110)에 의해 발생하는 진동파의 진행방향을 따라 두 지점에 가속도계(130)를 설치한다.

그리고 가속도계(130) 각각은 수집분석유닛(150)에 연결되어, 진동파 신호를 전달할 수 있도록 구성한다.

도 10은, 도 9의 배관의 치수와 가속도계의 설치 상태를 나타내는 단면도로서, 본 실시예에서 배관의 높이(H)는 650 mm, 배관의 끝단 사이의 폭(L)은 400 mm, 배관의 내경(d_i)은 35 mm 이다. 그리고 한 쌍의 측정센서간의 거리(

)는 50 mm가 되도록 설치하였다.

그리고, 배관의 두께(h)는 각각 2 mm와 4 mm인 경우로 나누어 측정하였다. 따라서, 배관의 외경(d_o)은 두께(h)가 2 mm인 경우에는 39 mm이고, 두께(h)가 4 mm인 경우에는 43 mm가 된다.

도 11의 (a)은, 두 측정센서 중 가진유닛에 가까운 지점의 측정센서에서 얻은 진동파 신호를 상술한 바와 같은 위그너-빌(Wigner-Ville) 분포에 의해 분석한 결과를 나타내고 있다.

도 11의 (a)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 측정센서에서 얻은 진동파 신호는 충격에 의한 신호뿐만 아니라 센서 및 센서 부착 영향에 따른 공진(resonance)에 의한 신호도 포함되어 있다. 군속도 측정에 필요한 신호는 가진유닛에 의한 충 격 신호이기 때문에 상기 공진 성분을 제거하여야 보다 정밀한 군속도 산출이 가능하다.

도 11의 (b)는, 도 11의 (a)에서 공진에 의한 신호 성분을 제거한 시간-주파수 영역의 결과를 나타낸 것이다.

이와 같이, 가속도계의 신호에는 가진유닛의 충격에 의한 신호뿐만 아니라 공진에 의한 성분이나, 고주파 성분의 노이즈 등 다양한 신호가 포함될 수 있어, 고주파통과필터(High Pass Filter)나 대역통과필터(Band Pass Filter) 등의 적절한 필터를 사용하여 가진유닛의 충격에 의한 신호만 추출하는 과정을 거치는 것이 바람직하다.

도 12의 (a)는, 이와 같은 충격 신호 추출 과정을 거친 후 주파수별 최대값을 연결한 라인을 도시한 것으로서, 좌측 라인은 가진유닛에 가까운 지점, 우측 라인은 가진유닛에서 먼 지점에 설치된 측정센서의 진동파 신호를 나타낸다.

그리고 도 12의 (b)는, 도 12의 (a)에서 얻은 두 개의 라인에 의해 각각의 주파수에서의 지연시간을 구하고, 이에 기초하여 산출한 군속도를 도시하고 있다.

도 13은, 최종적으로, 두께 2 mm인 경우의 주파수별 군속도 분포와, 상술한 바와 같은 과정에 의해 얻은 두께 4 mm인 경우의 주파수별 군속도 분포를 도시한 것이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 배관의 군속도는 주파수에 따라 변하는 특성을 보이고 있으나, 신호대잡음비(Signal to noise ratio; SNR)가 높은 영역에서는 대체적으로 일정한 값을 보이고 있다.

따라서, 군속도의 대표값은 신호대잡음비가 좋은 주파수 대역에서의 군속도에 의해 예측하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 신호대잡음비가 30dB이상인 주파수 대역에서의 군속도의 평균값을 구하여 군속도의 대표값을 정하였다.

상기 주파수 대역에서 배관의 군속도는 두께가2 mm일 때 약 1100 m/sec이고, 두께가 4 mm일 때 약 1600m/sec로 나타나며, 배관의 두께가 증가할수록 배관의 군속도도 증가하는 것을 확인할 수 있다.

하지만, 군속도를 일정 구간의 주파수 대역에서 평균하여 구하는 대신, 어느 특정 주파수 값에서의 값을 대표값으로 하여 군속도를 산출하는 것도 또한 가능하다.

이상의 결과에서와 같이, 배관에서 군속도를 구함으로써 배관의 두께를 예측할 수 있다. 특히, 원자력 발전소에 사용되는 배관의 감육 감시에 적용하는 경우, 감육이 일어나지 않은 상태에서의 군속도를 기준 군속도로 정하여, 측정한 배관의 군속도가 기준 군속도와 일정 값 이상 차이가 나는 경우를 배관의 교체시기로 정할 수 있다.

또는, 안전 기준이 되는 두께를 정하고 이에 따른 군속도를 측정하여 기준 군속도로 정한 후, 측정된 군속도가 이보다 작은 경우를 배관 수명의 한계로 정하는 등의 방법에 의해 배관의 감육을 감시할 수 있게 된다.

지금까지 주로 평판과 배관 형태의 구조물을 대상으로 한 두께 검사장치와 검사방법을 예로 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형상의 구조물에 범용적으로 적용이 가능하다.

이와 함께, 상술한 수학식 1과 수학식 2를 통하여, 군속도를 산출하고, 대상 구조물의 두께를 실제로 측정하게 되면, 이에 기초하여 구조물의 물성치를 예측할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

상기의 구성을 가지는 본 발명에 따른 구조물의 두께 검사장치 및 검사방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 간단한 검사장치에 의해 구조물의 군속도를 산출하고 이에 따라 구조물의 두께를 예측할 수 있도록 구성함으로써, 구조물의 두께를 빠르고 정확하게 예측할 수 있는 이점이 있다.

특히, 원자력 발전소에 사용되는 배관의 감육 적용하여, 감육 정도를 정확하게 판단하여 감육에 따른 위험성을 원천적으로 제거할 수 있는 이점이 있다.

그리고 기존 초음파를 이용한 방법과 비교할 때, 일일이 격자점의 두께를 측정할 필요가 없이, 두 측정센서 사이의 구조물 두께를 예측할 수 있어 두께의 예측에 소요되는 시간을 대폭적으로 단축시킬 수 있게 된다.

둘째, 내부에 유체가 유동하는 배관의 두께를 측정하는 경우, 기기가 가동 중이어서 유체가 유동하고 있는 경우에도, 유체 유동에 의한 진동파와 충격파에 의한 진동파 간의 간섭이 매우 적어, 구조물의 두께를 정확하게 예측할 수 있는 이점이 있다.

셋째, 군속도는 구조물의 두께, 물성치 등의 함수이기 때문에, 구조물의 두께를 아는 경우에는 군속도를 구하여 구조물의 물성치, 예를 들어 재료의 탄성계수 등을 알 수 있는 이점이 있다.

Claims (16)

1. 대상 구조물에 충격을 가하여 진동파를 발생시키는 가진유닛;

   상기 대상 구조물의 표면에서 상기 진동파의 진행방향을 따라 일정 간격을 두고 설치되어, 설치된 지점에서 상기 진동파의 가속도를 측정하는 한 쌍의 가속도계; 및

   상기 가속도계에서 측정된 가속도 신호를 인가받아 두 지점 사이의 진동파 지연시간에 기초한 군속도(group velocity)를 산출하여, 상기 가속도계 사이에서 대상 구조물의 두께를 예측하는 수집분석유닛;

   을 포함하여 구성되는 구조물의 두께 검사장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 대상 구조물은,

   내부에 유체가 유동하는 유로가 형성된 배관인 것을 특징으로 하는 구조물의 두께 검사장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 대상 구조물에 충격을 가하여 진동파를 발생시키는 단계;

    상기 대상 구조물의 표면에서 상기 진동파의 진행방향을 따라 일정 간격에 있는 두 지점에서의 상기 진동파의 가속도를 측정하는 단계;

    상기 측정된 진동파의 가속도를 이용하여 두 지점 사이의 진동파 지연시간에 기초한 군속도(group velocity)를 산출하는 단계; 및

    산출된 군속도에 의해 상기 두 지점 사이에서 대상 구조물의 두께를 예측하는 단계;

    를 포함하는 구조물의 두께 검사방법.
11. 제10항에 있어서,

    군속도를 산출하는 단계에서,

    두 지점 사이의 진동파 지연시간은 시간-주파수 해석 기법에 따른 주파수별 최대값에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 구조물의 두께 검사방법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 주파수별 최대값은 상기 대상 구조물의 공진에 의한 신호를 제거한 후 산출하는 것을 특징으로 하는 구조물의 두께 검사방법.
13. 제11항에 있어서,

    상기 시간-주파수 해석 기법에는 위그너-빌(Wigner-Ville) 분포가 사용되는 것을 특징으로 하는 구조물의 두께 검사방법.
14. 제10항에 있어서,

    상기 대상 구조물의 두께는,

    신호대잡음비(signal to noise ratio)가 좋은 주파수 대역에서의 군속도에 의해 예측하는 것을 특징으로 하는 구조물의 두께 검사방법.
15. 대상 구조물에 충격을 가하여 진동파를 발생시키는 단계;

    상기 대상 구조물의 표면에서 상기 진동파의 진행방향을 따라 일정 간격을 가진 두 지점에서의 상기 진동파의 가속도를 측정하는 단계;

    측정된 진동파의 가속도를 이용하여 두 지점 사이의 진동파 지연시간에 기초한 군속도(group velocity)를 산출하는 단계; 및

    산출된 군속도와 기 설정된 기준 군속도를 비교하여 상기 두 지점 사이에서 대상 구조물의 두께감소를 감시하는 단계;

    를 포함하는 구조물의 두께감소 감시방법.
16. 삭제

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