KR100931718B1 - 튜브 내면 두께 측정 초음파 장치 - Google Patents

튜브 내면 두께 측정 초음파 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보일러 및 열교환기 튜브를 파괴하지 않고 초음파의 매질 투과 특성 및 반사 특성을 이용해서 튜브 내부에 존재하는 스케일의 두께를 측정하기 위한 초음파 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 초음파 측정 장치는 하우징 내부에 장치된 탐촉자에 의해 초음파를 튜브 측으로 입사하여 상기 튜브 내부의 산화스케일 두께를 측정함에 있어서, 상기 탐촉자 전방에 배치되어 초음파를 집속하는 집속렌즈 및 상기 탐촉자, 집속렌즈와 동 축 상에 배치되며 상기 집속된 초음파를 상기 튜브 벽과 수직되는 방향으로 투사하는 반사부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 초음파의 진행 경로를 제어하여 튜브의 내부 표면에 반사파를 집속시키고, 초음파 측정 장치의 하우징 내부에 밀도가 작은 매질을 충진시킴으로써 상기 매질과 강철면 사이의 반사율을 이용하여 산화스케일 두께 측정을 용이하게 하는 효과가 있다.
산화스케일, 탐촉자, 초음파

Description

튜브 내면 두께 측정 초음파 장치{The Apparatus of Scale Thickness using Free Ultrasonic on Tube inside}
본 발명은 보일러 및 열교환기 튜브를 파괴하지 않고 튜브 내부에 존재하는 스케일의 두께를 측정하기 위한 장치로서 초음파의 매질 투과 특성 및 반사 특성을 이용한 측정 장치 및 방법이다.
일반적으로 석유 화학 공업 분야, 화력 발전소 등에서는 유체와 기체의 냉각, 응축, 가열 및 증발 등의 용도로 열 교환기를 사용한다. 상기 열 교환기는 다관식, 공랭식 등 여러 종류가 있으며, 다관식 타입의 열 교환기가 저온, 저압에서 고온, 고압까지 다목적으로 가장 많이 사용되고 있다.
그러나, 상기 다관식 열 교환기 중 내부에 냉각수가 흐르는 튜브는 유체와의 마찰, 유체의 이물질, 스케일, 급수 처리상의 문제 등으로 튜브 내벽이 쉽게 부식 또는 스케일이 부착된다. 따라서 튜브 내부의 부식/스케일 여부 및 부식/스케일 정도를 주기적으로 검사하고 누수를 예방할 필요가 있다.
열 교환기 튜브 내부의 검사 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
먼저, 튜브를 기계적으로 절단한 후 부식 여부 및 부식 정도를 파악하는 파괴적인 시험 방법이 있는데, 이는 발관 자체의 어려움 및 시간, 비용 면에서 비경제적이므로 문제가 있다.
다른 방법은 튜브를 절단하지 않고 부식 여부 및 부식 정도를 측정하는 비파괴적 방법으로써, 내시경 카메라를 이용하는 방법 및 튜브 외벽에서 초음파를 투사하여 측정하는 방법이 있다.
상기 내시경 카메라를 이용하여 내벽의 부식 상태를 측정하는 방법은 튜브의 길이가 제한되고 수집 가능한 정보량의 제한이 있기 때문에 한계가 있다.
따라서, 최근에는 튜브의 외벽에서 초음파를 투사하여 내벽의 부식 상태를 측정하는 방법이 가장 많이 이용되고 있다.
상기 초음파를 이용한 방법은 수직형 또는 사각형 펄스 파를 튜브 내부로 투과시키고 이에 대한 반사파를 측정하여 튜브의 부식 정도를 파악하는 것이다.
그러나, 수직형 펄스 반사법을 이용한 부식 정도 측정 방법의 문제점은 검사 대상 튜브의 곡률로 인하여 빔이 튜브의 외부로 퍼져나가 튜브의 내벽에서 반사되는 음압이 상대적으로 미약하고, 튜브의 두께가 얇을 경우 초음파 측정 장치의 전면에 시간 지연을 주어 근거리 음장을 해소할 수 있는 기구를 별도로 부착해야 한다는 문제가 있다.
또한, 사각형 초음파 측정 장치를 이용한 방법의 문제점은 각도 변화 정도의 한계 및 이동 측정 시 결과의 오차 범위 확대로 인해 이용이 제한된다는 점이다.
도 1은 종래의 초음파 측정 장치에 의한 반사파의 반사율을 도시한 것이다.
일반적으로 비파괴적 초음파 측정 방법은 초음파를 튜브 외벽 위에서 직접 투과시킨 후 반사파를 수신하여 튜브 내벽의 산화스케일 두께를 측정하는 것이다.
초음파의 반사율은 강철(steel)의 음향 임피던스 및 산화스케일(oxide)의 음향 임피던스를 측정하여 아래 식을 이용해서 계산할 수 있다.
Figure 112008016508710-pat00001
(단, Z1: 강철의 음향 임피던스, Z2: 산화스케일의 음향 임피던스)
실험 결과 Z1= 4.68*106 ｇ／㎠·ｓ, Z2= 3.09*106ｇ／㎠·ｓ이고, 강철과 산화스케일 접촉면에서의 반사율을 계산하면 R=0.2046 즉 20.46%가 되고 산화스케일과 공기의 접촉면에서의 반사율은 100%이다.
상기 강철과 산화스케일 접촉면의 반사율로부터 초음파 신호 강도를 계산하면 초음파 신호 강도는 반사율의 제곱에 비례하기 때문에 화면에 출력된 수신 신호 강도는 0.2046의 제곱으로 약 0.04186 즉 4.2%가 된다.
위와 같이, 화면에 출력된 초음파 신호 강도는 투사된 에너지의 약 4.2% 정도로 반사파를 식별하기 곤란할 정도로 작은 비율이다. 따라서, 강철면과 산화스케 일의 접촉면으로부터 반사된 신호를 분리하는 데에 어려움이 따르고 수차례의 측정을 시도해야 하는데, 이는 비용과 시간 측면에서 경제적이지 못하고 정확도가 낮으므로 개선이 요구된다.
따라서 본 발명의 목적은 초음파의 경로를 제어하여 집속율을 극대화시키고, 초음파 측정 장치의 하우징 내부에 주입된 매질과 강철 접촉면의 반사파를 이용하여 산화스케일 두께를 측정할 수 있는 초음파 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 초음파 측정 장치는 하우징 내부에 장치된 탐촉자에 의해 초음파를 튜브 측으로 투사하여 상기 튜브 내부의 산화스케일 두께를 측정함에 있어서, 상기 탐촉자 전방에 배치되어 초음파를 집속하는 집속렌즈 및 상기 탐촉자, 상기 집속렌즈와 동 축 상에 배치되어 상기 집속된 초음파를 상기 튜브 벽과 수직되는 방향으로 투사하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 초음파의 진행 경로를 제어하여 튜브의 내벽에 반사파를 집속시키고, 초음파 측정 장치의 하우징 내부에 강철보다 상대적으로 밀도가 작은 매질을 채움으로써 상기 매질과 강철면 사이의 반사율을 이용하여 산화스케일 두께 측정을 용이하게 하는 효과가 있다.
본 발명에 의한 초음파 측정 장치는 하우징 내부에 장치된 탐촉자에 의해 초음파를 튜브 측으로 투사하여 상기 튜브 내부의 산화스케일 두께를 측정함에 있어서, 상기 탐촉자 전방에 배치되어 초음파를 집속하는 집속렌즈 및 상기 탐촉자, 상기 집속렌즈와 동 축 상에 배치되어 상기 집속된 초음파를 상기 튜브 벽에 수직되는 방향으로 투사하는 반사부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 비파괴적 초음파 측정 방법은 튜브 외벽 표면의 초음파 측정 장치로부터 투사된 초음파에 대한 강철과 산화물 사이의 경계면에서의 반사파를 이용하여 산화스케일 두께를 측정하는 것으로서, 상기 투사파의 극히 일부만이 상기 경계면에서 반사되기 때문에 상기 반사파를 출력할 경우 식별이 곤란한 경우가 많아 측정의 어려움이 따른다.
이를 개선하기 위하여, 튜브 내벽으로 투사되는 초음파의 집속율을 증가시키고 상대적으로 밀도가 작은 매질을 초음파 측정 장치의 하우징 내부에 충진함으로써 상기 매질과 강철면 사이의 반사파를 이용하여 산화스케일의 두께 측정 효율을 높일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 초음파 측정 장치의 일 실시예의 구조도를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 초음파 측정 장치(20)는 하우징(21), 탐촉자(22), 집속렌즈(23) 및 반사부(24)를 구비한다.
본 발명의 하우징(21)은 다양한 형태가 가능한데, 본 실시예에서는 접촉면을 갖는 대략 원기둥 형상으로 하였으며, 본 발명은 상기 실시예에 의해 제한되지 않는다.
상기 하우징(21)은 입체적 형상을 갖고 상기 하우징(21)의 한 면은 튜브(200)의 외벽과 접촉되는데, 상기 접촉면은 튜브(200)에 밀착이 가능하도록 곡면 형태로 제작될 수 있다.
상기 하우징(21) 내부에는 상대적으로 밀도가 작은 매질로 충진하는데 일반적으로 물을 이용하여 충진하여 초음파 측정 장치(20)를 구성한다. 상기 매질을 충진할 때는 내부의 공기층이 원인이 되어 초음파 투과를 방해할 수 있기 때문에, 공기 방울이 발생하지 않아야 주의해야 한다.
즉, 상기 매질은 튜브(200) 외벽으로부터 반사율을 향상시키기 위해서 강철과 밀도 차이가 많이 나는 물질을 사용하여야 하며, 물이 매질로 사용되는 것이 일반적인데, 물은 강철보다 상대적으로 밀도가 작고 강철과 밀도 차이가 커서 본 발명의 목적 달성에 적합하다.
또한, 상기 하우징(21)의 한 면은 튜브(200)의 외벽에 밀착이 가능하도록 곡면 형상으로 제작되는 것이 바람직하며, 상기 하우징(21)이 튜브(200) 외벽에 밀착된 일 실시예가 도 3에 도시되어 있다.
상기 탐촉자(22)는 하우징(21) 내부에 하우징(21)의 중심축을 기준으로 동심으로 지지되고 상기 중심축 방향을 따라 초음파를 발생시켜 매질에 파동을 투사하 고 상기 파동의 반사파를 수신한다.
상기 탐촉자(22)로부터 투사된 파동은 상기 탐촉자(22) 전방의 상기 집속렌즈(23)를 거쳐 상기 반사부(24)로 전해지며, 상기 탐촉자(22), 집속렌즈(23) 및 반사부(24)는 동 축 상에 배치된다.
상기 집속렌즈(23)는 상기 튜브(200)의 내경을 고려하여 상기 튜브(200)의 내벽 산화스케일(210) 표면까지 초음파를 집속시키도록 렌즈의 두께를 선택 제작할 수 있다.
상기 렌즈는 튜브(200)의 내경에 따라 0.8〃, 0.9〃, 1.0〃, 1.1〃, 1.2〃 의 곡률을 가진 오목렌즈를 사용하는데, 일반적으로 화력 발전에 사용되는 과열기의 내경은 10㎜이고 재열기의 내경은 5㎜로 이에 적합한 오목렌즈는 1.2〃 와 0.8〃가 사용된다.
상기 탐촉자(22) 및 집속렌즈(23)를 장치하는 방법은 상기 하우징(21) 내부에 거리 차이를 두고 구성하는 방법과 상기 집속렌즈(23)를 상기 탐촉자(22)에 고정시키는 방법이 있다.
후자에 의할 때, 상기 탐촉자(22) 및 상기 집속렌즈(23)는 커플란트(Couplant)를 매개체로 부착됨으로써 상기 집속렌즈(23) 위치가 고정되어 초점을 일정하게 유지할 수 있고, 초음파 투과율이 높은 상기 커플란트를 매개체로 사용함으로써 외부로 유출되는 초음파 양을 최소화할 수 있다.
상기 집속렌즈(23)에서 집속된 초음파는 상기 반사부(24)로 전달되고, 상기 반사부(24)로 전달된 파동은 진행 경로를 90도 전환하고 튜브 내벽의 특정 지역으로 상기 초음파를 집속시킨다.
또한, 상기 튜브(200) 내벽으로 전달된 초음파의 반사파는 상기 반사부(24)에서 진행 경로를 90도만큼 전환하여 상기 집속렌즈(23)로 전달한다.
여기서, 상기 반사부(24)는 튜브(200) 내벽에 초음파 집속 효율을 향상시키도록 만곡된 오목 반사면을 갖도록 제작될 수 있다.
상기 만곡된 형태의 반사면은 평면인 경우보다 특정 지점으로 파동을 집속시키는 효율을 증가시키고, 특정 지점으로부터 반사되는 반사파를 상기 반사부(24)로 집속시키는 효율도 증가시킨다.
상기 탐촉자(22)는 상기 집속렌즈(23)를 통해 수신된 반사파를 전기적 신호로 변환하여 신호 처리부로 전달하고, 상기 신호 처리부로 전달된 전기적 신호는 반사파가 측정된 위치 및 반사율 관계로 환산되어 출력된다.
도 3은 본 발명의 초음파 측정 장치의 일 실시예의 측면도를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 초음파 측정 장치(30)는 튜브(300) 외벽에 부착될 수 있고, 상기 접촉면은 튜브(300)의 중심축에 대한 동심원 형태의 외벽면과 동일한 곡면 형태로 제작될 수 있다.
또한, 초음파 측정 장치(30)는 중심축 방향을 따라 탐촉자, 집속렌즈 및 반사부가 배치되고(32), 이를 제외한 하우징 내부(31)는 튜브의 재질보다 상대적으로 밀도가 작은 매질로 채워진다.
일 실시예로, 상기 초음파 측정 장치(30)의 중심축 부분 중 한쪽 측면에는 전방에 집속렌즈를 부착한 탐촉자를 장치하고 다른 한쪽 측면에는 반사부를 장치한 후, 하우징(31) 표면의 홀(hole)을 통해 상기 하우징(31) 내부로 물을 충진한다.
상기 초음파 측정 장치(30)로부터 송신된 초음파는 튜브(300) 내부로 투사되고 상기 튜브(300) 내벽의 산화스케일(310) 표면의 특정 지점에 집속된 후 반사되어 상기 초음파 측정 장치(30)로 수신된다.
도시된 바와 같이, 상기 초음파 측정 장치(30)는 투사된 초음파를 산화스케일(310) 표면의 특정 지점으로 집속시킴으로써 상기 특정 지점으로 투사된 초음파 량 및 상기 특정 지점으로부터 반사된 초음파 량을 증가시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 초음파 측정 장치(30)는 종래의 튜브의 곡률로 인한 초음파 빔이 외부로 누설되는 현상을 막을 수 있고 특정 지점에 대한 초음파의 집속율을 증가시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 초음파 측정 장치에 의한 반사파의 반사율을 도시한 것이다.
초음파의 반사율은 앞서 기재한 바와 같이 수학식 1에 의해 계산되고, 상기 음향 임피던스는 매질 밀도와 음속의 곱에 의해 결정된다.
일반적으로 밀도가 비슷한 강철이나 산화물은 초음파의 음향 임피던스 차이 및 반사율 차이가 적기 때문에 이를 초음파 신호 강도로 변환하여 화면상에 출력한 파형으로부터 산화스케일 두께를 구분하기는 어렵다.
본 발명에 의한 초음파 측정 장치의 하우징 내부에는 상대적으로 밀도 및 음향 임피던스가 작은 물질이 매질로 충진됨으로써 상기 매질 및 튜브의 경계면으로 투사된 초음파의 반사율을 높이기 때문에 출력 파형이 명백히 구분되고 산화스케일 두께 측정이 용이하게 된다.
구체적으로 각 물질들의 밀도에 따른 음향 임피던스 값 및 반사율을 살펴보도록 한다.
표 1은 공기, 물, 강철의 밀도, 속도 및 음향 임피던스 값을 나타낸 것이고, 표 2는 공기, 물 및 강철의 각 물질에 대한 반사율을 나타낸 것이다.
물질명 밀도(ｇ／㎤) 속도(㎝／ｓ) 음향 임피던스(ｇ／㎠·ｓ)
공기 0.001 0.33*10-5 0.000033*10-6
물 1.00 1.49*10-6 0.149*10-5
강철 7.8 5.85*105 4.56*106
물질 공기 물
강철 100% 94%
물 99.9% -
공기 - 100%
위의 표를 참조하여, 강철의 음향 임피던스 값은 4.56*106 ｇ／㎠·ｓ이고 물의 음향 임피던스 값은 0.149*10-5 ｇ／㎠·ｓ으로 강철과 물의 음향 임피던스 값의 차이는 강철과 산화물의 음향 임피던스의 차이보다 크다.
일 실시예로 상기 매질로 물을 이용한 경우, 튜브의 일반적 재료인 강철과 상기 강철보다 상대적으로 밀도가 작은 물의 접촉면에서의 초음파 반사율은 94%가 되고, 상기 강철과 산화스케일의 접촉면에서 초음파 반사율은 20.46%이고, 상기 강철이 공기와 접촉하는 면에서 초음파 반사율은 100%이다.
본 발명의 일 실시예에 의할 때, 상기 3종류의 반사파 측정이 가능하고 상대적으로 반사율이 높은 반사파를 이용하여 산화스케일 두께 측정이 훨씬 용이하다.
즉, 강철과 물의 접촉 표면의 초음파 반사율은 94%로 앞서 검토한 강철과 산화물의 접촉 표면의 반사율인 20.46%보다 약 4.6배 큰 값이므로 종래의 초음파 측정 장치의 단점을 보완할 수 있다.
또한, 상기 반사율의 제곱을 하여 초음파 신호 강도로 환산하더라도 88.36%의 반사율을 얻을 수 있기 때문에 튜브의 외벽에서의 반사 파형 및 튜브 내벽에서의 반사 파형을 비교하여 전체 튜브 두께 측정이 가능하고, 산화스케일이 부착되지 않은 튜브 두께를 이용하여 산화스케일 두께 측정이 용이하게 된다.
결과적으로, 본 발명에 의한 초음파 측정 장치를 이용하게 되면 초음파의 집속율과 반사율을 향상시킬 수 있어 산화스케일 두께 측정이 용이하다.
도 1은 종래의 초음파 측정 장치에 의한 반사파의 반사율.
도 2는 본 발명의 초음파 측정 장치의 일 실시예의 구조도.
도 3은 본 발명의 초음파 측정 장치의 일 실시예의 측면도.
도 4는 본 발명의 초음파 측정 장치에 의한 반사파의 반사율.

Claims (5)

  1. 하우징(21) 내부에 장치된 탐촉자(22)에 의해 초음파를 튜브(200) 측으로 투사하여 상기 튜브(200) 내부의 산화스케일(210) 두께를 측정하는 초음파 측정 장치(20)에 있어서,
    상기 탐촉자(22) 전방에 배치되어 초음파를 집속하는 집속렌즈(23);
    상기 탐촉자(22)와 상기 집속렌즈(23) 사이에 삽입되는 커플란트; 및
    상기 탐촉자(22) 및 상기 집속렌즈(23)와 동 축 상에 배치되며 상기 집속된 초음파를 상기 튜브(200) 벽과 수직되는 방향으로 투사되도록 만곡된 오목 반사면이 형성된 반사부(24);를 포함하고,
    상기 하우징(21)은 상기 튜브(200)와 접촉하는 면을 곡면으로 형성하여 상기 튜브(200)에 밀착가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 초음파 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 하우징(21) 내부는 튜브(200) 재료보다 저밀도의 매질로 충진되는 것을 특징으로 하는 초음파 측정 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 저밀도 매질은 물인 것을 특징으로 하는 초음파 측정 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
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