KR101174804B1 - 수명 평가 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 조직의 분석을 통해 해당 설비의 수명을 평가하는 기법에 관한 것으로, 수명 평가 장치에서 탄화물 종류별로 다수의 금속 조직 영상이 입력되면, 다수의 금속 조직 영상을 하나의 금속 조직 영상으로 정합한 후, 탄화물 종류별로 시각적으로 구분하여 표시하고, 탄화물 종류별로 계측된 탄화물 종류별 계측 정보를 제공하고, 제공된 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 탄화물 종류별로 수명 소비율과의 상관관계를 분석한 후, 그 분석 정보를 제공하여 해당 설비의 수명을 평가 및 출력함으로써, 금속 조직 내에 존재하는 탄화물 종류별로 수명 소비율과의 상관관계에 따라 해당 설비의 수명을 정확하게 평가 및 예측할 수 있는 것이다.

Description

수명 평가 장치 및 그 방법{LIFE EVALUATION SYSTEM AND ITS METHOD}
본 발명은 수명 평가 기법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온, 고압 설비의 금속 조직 내에 존재하는 탄화물을 측정하여 비파괴적으로 고온, 고압 설비의 수명을 평가하는데 적합한 수명 평가 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 발전 설비 중에서 예를 들면, 화력 발전소, 화학 플랜트 설비 등은 고온, 고압의 운전 조건에서 장기간 사용되고 있어 경년 열화가 점점 심각한 상태로 진행 중이다.
이러한 설비들은 예기치 않은 파단으로 인해 막대한 인명적, 경제적 및 사회적 손실을 유발하기 때문에, 주기적으로 그 설비에 대한 수명을 평가하여 관리하고 있다.
특히, 위와 같은 설비에 대한 수명을 평가하는 기법으로 예를 들면, 금속 조직 표면 복제법 등이 있으며, 이러한 금속 조직 표면 복제법은 재질의 손상 부분(예를 들면, 탄화물 발생 부분 등)을 플라스틱 필름에 표면 복제하여 현미경을 통해 육안으로 관찰한 후, 그 수명을 평가하는 방식으로, 발전 설비에서 용접성을 높이기 위해 주로 사용되는 저탄소 내열강의 경우 물질 특성의 변화가 적기 때문에, 그 금속 조직의 변화(예를 들면, 탄화물 분포 등)를 관찰하여 금속 조직의 손상 정도를 평가함으로써, 금속 조직의 미세 구조에 대한 미시적인 정보를 이용하여 해당 설비의 수명을 평가할 수 있다.
하지만, 종래의 금속 조직 표면 복제법의 경우 현미경을 통해 육안으로 거시적인 금속 조직의 미세 구조에 대한 변화를 관찰한 후 탄화물 분포에 대한 정성적인 등급으로 평가하고 있기 때문에 관찰자의 숙련도, 관점, 경험 등에 따라 매우 가변적인 문제점이 있고, 최근에는 그 금속 재질의 미세 조직 구조가 매우 조밀하기 때문에 위와 같은 정성적인 등급으로 평가하는데 문제점이 있다.
이에 따라, 본 발명은 금속 조직 내의 분포하는 탄화물 종류별 정보를 시각적으로 구분하여 표시한 후, 구분된 탄화물 종류별 계측 정보에 대응하는 상관관계에 따라 해당 설비의 수명을 평가할 수 있는 수명 평가 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 탄화물 종류별로 분포비, 거리, 입자 크기 및 형상과 LMP(Larson-Miller parameter)와의 상관관계에 따라 해당 설비의 수명을 평가할 수 있는 수명 평가 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 탄화물 종류별로 다수의 금속 조직 영상이 입력되면, 상기 입력된 다수의 금속 조직 영상을 정합한 후, 상기 탄화물 종류별로 계측하는 영상 처리 블록과, 상기 탄화물 종류별로 계측된 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 상기 탄화물 종류별로 분포비, 입자간 거리, 입자 크기 및 입자 형상에 따라 분석하는 정보 분석 블록과, 상기 정보 분석 블록에서의 분석 결과를 이용하여 수명을 평가하는 수명 평가 블록을 포함하는 수명 평가 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 탄화물 종류별로 다수의 금속 조직 영상이 입력되면, 상기 입력된 다수의 금속 조직 영상을 정합한 후, 상기 탄화물 종류별로 계측하는 단계와, 상기 탄화물 종류별로 계측된 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 상기 탄화물 종류별로 분포비, 입자간 거리, 입자 크기 및 입자 형상에 따라 분석하는 단계와, 상기 분석하는 단계의 분석 결과를 이용하여 수명을 평가하는 단계를 포함하는 수명 평가 방법이 제공된다.
본 발명은, 설비의 잔존 수명을 신뢰성 있게 탄화물 종류별로 분석하여 평가함으로써, 설비 담당자가 손쉽게 해당 설비의 수명을 평가하여 효율적이고 경제적인 수명 관리를 수행할 수 있고, 신뢰성 높은 수명 평가 결과를 제공함으로써, 예기치 못한 조기 파단으로 인한 막대한 경제적인 손실과 인명적 피해를 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 종래 평가 방식에 따라 설비의 조기 교체에 따른 불필요한 경제적 손실을 줄일 수 있으며, 해당 발전 설비를 불시에 정지하지 않고 계획적으로 운용함으로써, 발전 설비의 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 금속 조직 내 분포하는 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 설비의 수명을 평가하는데 적합한 수명 평가 장치의 블록 구성도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 탄화물 종류별로 입력된 금속 조직 영상을 이용하여 계측된 탄화물 종류별 계측 정보를 제공하는 영상 처리 블록의 구성도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 탄화물 계측 정보를 이용하여 수명 소비율과의 상관관계를 분석하는데 적합한 정보 분석 블록의 구성도,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 금속 조직 내 분포하는 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 설비의 수명을 평가하는 과정을 도시한 플로우차트,
도 5는 본 발명에 따라 탄화물이 변화하는 것을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명에 따라 M6C 탄화물의 분포비와 수명 소비율과의 상관관계를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따라 탄화물 입자간 거리와 LMP와의 상관관계를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따라 탄화물 입자의 평균 크기와 수명 소비율과의 상관관계를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에 따라 탄화물 입자의 형상 계수와 LMP와의 상관관계를 나타낸 도면.
본 발명은, 수명 평가 장치에서 탄화물 종류별로 다수의 금속 조직 영상이 입력되면, 다수의 금속 조직 영상을 하나의 금속 조직 영상으로 정합한 후, 탄화물 종류별로 시각적으로 구분하여 표시하고, 탄화물 종류별로 계측된 정보를 제공하고, 제공된 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 탄화물 종류별로 수명 소비율과의 상관관계를 분석한 후, 그 분석 정보를 제공하여 해당 설비의 수명을 평가 및 출력한다는 것이며, 이러한 기술적 수단을 통해 종래 기술에서의 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 금속 조직 내 분포하는 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 설비의 수명을 평가하는데 적합한 수명 평가 장치의 블록 구성도로서, 영상 처리 블록(100), 정보 분석 블록(200), 수명 평가 블록(300) 등을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 영상 처리 블록(100)은 금속 조직 영상을 입력시켜 탄화물 종류별로 시각화한 후에 탄화물 종류별로 정량적 계측을 수행하는 것으로, 탄화물 종류별로 다수의 금속 조직 영상이 입력되면, 입력된 다수의 금속 조직 영상을 하나의 금속 조직 영상으로 정합한 후, 각각의 탄화물 종류에 따라 시각적으로 구별될 수 있도록 표시(예를 들면, 다른 색깔 표시 등)한 후, 각각의 탄화물 종류별로 계측하여 탄화물 종류별 계측 정보(예를 들면, 탄화물 종류별로 계측된 입자 개수, 입자 면적, 장축 길이, 단축 길이, 구상화률 등과 같은 탄화물 종류별 기하학적 정보)를 제공한다.
여기에서, 영상 처리 블록(100)은 탄화물의 이미지를 변형시키지 않고, 정량적인 계측을 수행하기 위해 명암, 선명도 등에 대해 RGB 이미지를 0-255 사이의 픽셀값으로 조정함으로써, 금속 조직 영상을 최적화된 영상으로 표시할 수 있으며, 기 설정된 경계값을 이용하여 이미지를 이진화하는 쓰레쉬홀드(threshold) 기능, 이미지의 확대 또는 축소 기능, 이미지화된 영상에 대해 픽셀의 경계를 명확하게 하기 위해 픽셀값 주변의 3*3 영역의 평균값의 가중치를 적용하는 스무드/샤픈(smooth/sharpen) 필터 기능, 활성화된 이미지에서 명확한 경계 표시를 위해 에지 디텍터(edge detector)를 이용한 파인 에지(fine edge) 기능 등을 제공할 수 있다.
또한, 영상 처리 블록(100)은 금속 조직 영상에서 탄화물 종류별로 계측할 수 있는데, 탄화물 종류별로 선택된 영역에 대해 예를 들면, 길이, 각도, 영역 등을 교정된 스케일 또는 픽셀에 따라 계측 및 표시할 수 있고, 동일 작업에 대한 동일 기준을 부여하기 위해 글로벌(global) 기능을 이용하여 동일한 스케일에 따라 계측 및 표시할 수 있으며, 어느 하나의 탄화물 영역을 선택할 경우 해당 금속 조직 영상 내에 나타나는 해당 탄화물에 대한 예를 들면, 입자 개수, 입자 면적, 장축 길이, 단축 길이, 구상화율 등의 각종 기하학적 정보를 계측 및 표시할 수 있고, 이러한 표시는 예를 들면, 텍스트 파일, 그래프 등의 방식으로 수행될 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명에 따라 탄화물이 변화하는 것을 설명하기 위한 도면으로, 도 5를 참조하여 금속 조직 영상이 입력되는 과정에 대해 상세히 설명하면, 고온, 고압의 운전 조건에서 장기간 사용되는 발전 설비에서는 통상적으로 열처리 후의 강의 미세 구조가 탄화물 관점에서 준안정 상태에 있지만, 고온에서 사용할 경우 안정된 상태가 되기 위해 그 미세 구조가 변화하게 되고, 이에 따라 초기의 미세 구조는 열처리 조건(특히, 냉각 속도 등)에 따라 다양하게 변화하게 된다.
예를 들면, 통상의 페라이트-펄라이트 구조를 가진 1Cr0.5Mo 강에서의 초기 탄화물은 M3C인데, 이러한 탄화물은 장시간 고온에 노출될 경우 M2C, M7C3 등의 탄화물이 되고, 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo)의 함유량이 2.25Cr1Mo 강보다 낮기 때문에, 1Cr0.5Mo 강에 M23C6 등과 같은 상위의 탄화물은 형성되지 않는다. 여기에서, M은 금속 종류를 의미하고, C는 탄소를 의미한다.
또한, 노말라이징(nomalizing), 템퍼링(tempering) 등을 수행한 2.25Cr1Mo 강은 미세 조직 내에 M23C6, M2C, M6C 등의 탄화물이 존재하고, 노냉각할 경우 M23C6, M2C, M6C 등의 탄화물이 완전히 과잉 상태가 되는데, 2.25Cr1Mo 강에서의 안정된 탄화물은 M6C로서, 금속 조직이 장시간 고온에 노출되면 초기에 형성된 M3C, M2C 등과 같은 탄화물은 평형 상태가 아니기 때문에, C6C와 같은 평형 상태의 안정된 탄화물로 변화하기 위해 반응이 일어나고, CrMoV 강에서는 노말라이징 후에 최초 발생하는 탄화물은 M3C로서, 이러한 탄화물도 장시간 고온에서 열적 연화 과정을 거치면 M7C3, M6C, M23C6 등과 같은 탄화물로 변화하게 된다.
따라서, 모든 금속은 장시간 고온에 노출되면, 열적 열화 과정을 거치면서 좀 더 안정된 탄화물로 변화하게 되는데, 금속 조직의 미세 구조에서 발생하는 다양한 탄화물에 대해 열화도를 평가함으로써, 재질 열화 과정에 직접 관여하는 특정 탄화물(예를 들면, M6C, M23C6 등)을 선별적으로 추출하여 이들에 대한 각종 계측 정보를 이용하여 수명 소비율과의 상관관계를 분석해야만 한다.
이를 위해 해당 설비에 대해서 선택적인 부식을 통해 탄화물 종류별로 부식 또는 착색시킨 후, 표면을 플라스틱 필름을 이용하여 복제하여 얻은 다수의 금속 조직 영상을 영상 처리 장치(100)로 입력시키게 되는데, 탄화물의 성분에 따라 전기 화학적 전위가 다르기 때문에, 특정 부식액에 다르게 반응하게 되는 것을 이용하여 화학 조성이 각각 다른 용액을 사용하여 추출하고자 하는 탄화물만을 추출(즉, 부식 또는 착색)한 후에, 추출된 탄화물 종류별로 각각 다수의 필름으로 복제한 후, 복제된 다수의 필름들에 대한 주사 전자 현미경(SEM : scanning electron microscope), 광학 현미경(OM : optical microscope) 등을 통해 획득된 다수의 금속 조직 영상을 입력시킬 수 있다.
여기에서, 금속 조직 내에서 탄화물 종류별로 추출하기 위해서 예를 들면, 전해 부식, 자기적 부식, 열적 부식 등의 기법을 이용할 수 있는데, 예를 들면, 에칭용 피크론산 3～5%의 알코올 용액인 피크럴(Picral)을 이용하여 시멘타이트(Fe3C)를 부식시켜 추출할 수 있고, 대략 10 ㎖의 HCl과 대략 1g의 K2S2O5를 이용하여 페라이트(Ferrite)만을 균일한 색상으로 착색시켜 추출할 수 있으며, 대략 2%의 NaOH 수용액에서 4V DC로 전해 부식을 수행하여 오스테나이트 강에서의 수명을 결정하는 델타 페라이트(delta Ferrite)와 시그마 상(sigma Phase)을 부식시켜 추출할 수 있고, 고크롬 강에서는 예를 들면, Vilella 용액, Kalling 용액 등을 이용하여 특정 탄화물을 부식시킬 수 있다.
그리고, 정보 분석 블록(200)은 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 수명 소비율과의 상관관계를 분석하는 것으로, 영상 처리 블록(100)으로부터 탄화물 종류별 계측 정보가 제공되면, 금속 조직 영상을 촬영하는 현미경과 영상 처리의 해상도를 고려한 기 설정된 탄화물 크기 범위에 따라 탄화물 종류별 계측 정보를 필터링하는 통계 처리를 수행하고, 통계 처리된 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 탄화물 종류별로 예를 들면, 분포비와 수명 소비율과의 상관관계, 입자간 거리와 수명 소비율과의 상관관계, 입자 크기와 수명 소비율과의 상관관계, 입자 형상과 수명 소비율과의 상관관계 등을 분석한 후, 그 분석 정보를 제공한다. 여기에서, 각각의 수명 소비율과의 상관관계를 분석하는 자세한 과정은 후술한다.
다음에, 수명 평가 블록(300)은 탄화물 종류별 계측 정보에 따른 수명 소비율과의 상관관계에 대응하는 분석 정보에 따라 설비의 수명을 평가하는 것으로, 정보 분석 블록(200)으로부터 탄화물 종류별 계측 정보에 따른 수명 소비율의 상관관계에 대응하는 분석 정보가 제공되면, 제공된 분석 정보를 이용하여 해당 설비의 수명을 평가하여 출력한다.
따라서, 탄화물 종류별로 다수의 금속 조직 영상이 입력되면, 하나의 금속 조직 영상으로 정합한 후에, 탄화물 종류별로 구분하여 시각적으로 표시하고, 탄화물 종류별로 계측하여 그 탄화물 종류별 계측 정보를 제공하며, 제공된 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 수명 소비율과의 상관관계를 분석한 후에, 그 분석 결과에 따라 해당 설비의 수명을 평가함으로써, 금속 조직 내 나타나는 탄화물 종류에 따라 해당 설비의 수명을 효과적으로 평가할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 수명 평가 장치에서 다수의 금속 조직 영상이 입력되면, 다수의 금속 조직 영상을 하나의 금속 조직 영상으로 정합한 후, 탄화물 종류별로 시각적으로 구분하여 표시하고, 탄화물 종류별로 계측된 탄화물 종류별 계측 정보를 제공하는 영상 처리 블록에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 탄화물 종류별로 입력된 금속 조직 영상을 이용하여 계측된 탄화물 종류별 계측 정보를 제공하는 영상 처리 블록의 구성도로서, 영상 처리 블록(100)은 영상 입력부(102), 영상화부(104), 영상 계측부(106) 등을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 영상 입력부(102)는 탄화물 종류별로 다수의 금속 조직 영상이 입력되면, 입력된 다수의 금속 조직 영상을 영상화부(104)로 전달한다. 여기에서, 다수의 금속 조직 영상은 수명을 평가하고자 하는 설비에 대해 탄화물 종류별로 예를 들면, 전해 부식, 자기적 부식, 열적 부식 등의 기법을 이용하여 부식(또는 착색)시킨 후에, 이를 각각 표면 복제하고, 표면 복제된 각각의 필름을 예를 들면, 주사 전자 현미경(SEM), 광학 현미경(OM) 등을 이용한 금속 조직 영상으로 생성하여 탄화물 종류별로 다수의 금속 조직 영상을 입력시키는 방식으로 수행될 수 있다.
그리고, 영상화부(104)는 다수의 금속 조직 영상을 하나의 금속 조직 영상으로 정합한 후, 각각의 탄화물 종류에 따라 시각적으로 구별될 수 있도록 표시(예를 들면, 다른 색깔 표시 등)한 후, 시각적으로 구별된 하나의 금속 조직 영상을 영상 계측부(106)로 전달한다.
다음에, 영상 계측부(106)는 전달되는 금속 조직 영상에서 각각의 탄화물 종류별로 계측하여 탄화물 종류별 계측 정보(예를 들면, 탄화물 종류별로 계측된 입자 개수, 입자 면적, 장축 길이, 단축 길이, 구상화률 등과 같은 탄화물 종류별 기하학적 정보)를 정보 분석 블록(200)으로 제공한다.
따라서, 영상 처리 블록에서는 수명을 평가하고자 하는 설비를 선택적으로 부식시켜 탄화물 종류별로 다수의 금속 조직 영상이 입력되면, 하나의 금속 조직 영상으로 정합하고, 탄화물 종류별로 시각적으로 구별한 후에, 탄화물 종류별로 각각 계측하여 그 탄화물 종류별 계측 정보를 효과적으로 제공할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 수명 평가 장치에서 탄화물 종류별로 계측된 탄화물 종류별 계측 정보가 제공되면, 탄화물 종류별로 예를 들면, 분포비와 수명 소비율과의 상관관계, 입자간 거리와 수명 소비율과의 상관관계, 입자 크기와 수명 소비율과의 상관관계, 입자 형상과 수명 소비율과의 상관관계 등을 분석한 후, 그 분석 정보를 제공하는 정보 분석 블록에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 탄화물 계측 정보를 이용하여 수명 소비율과의 상관관계를 분석하는데 적합한 정보 분석 블록의 구성도로서, 정보 분석 블록(200)은 통계 처리부(202), 상관관계 분석부(204) 등을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 통계 처리부(202)는 영상 처리 블록(100)으로부터 탄화물 종류별 계측 정보가 제공되면, 금속 조직 영상을 촬영하는 현미경과 영상 처리의 해상도를 고려한 기 설정된 탄화물 크기 범위에 따라 탄화물 종류별 계측 정보를 필터링한 후, 상관관계 분석부(204)로 전달한다.
그리고, 상관관계 분석부(204)는 통계 처리부(202)로부터 필터링된 탄화물 종류별 계측 정보가 전달되면, 탄화물 종류별로 예를 들면, 분포비와 수명 소비율과의 상관관계, 입자간 거리와 수명 소비율과의 상관관계, 입자 크기와 수명 소비율과의 상관관계, 입자 형상과 수명 소비율과의 상관관계 등을 분석한 후, 그 분석 정보를 제공한다.
여기에서, 탄화물 분포비와 수명 소비율과의 상관관계에 대해 상세히 설명하면, 도 5에 도시한 바와 같이 탄화물은 고온에서 열화 과정을 거치면서 안정화된 탄화물(예를 들면, M6C, M23C6 등)로 변하게 되는데, 열화가 진행될수록 안정화된 탄화물 개수는 증가하고, 불안정한 탄화물 개수는 감소하기 때문에, 특정 탄화물(예를 들면, M6C, M23C6 등)의 개수 비율(CF : count fraction)에 따라 해당 발전 설비의 열화도를 고려함과 동시에 설비의 운전 정보를 고려하면, 탄화물 분포비에 따른 수명 소비율(LF : life fraction)은 아래의 수학식 1과 같이 산출할 수 있다.
Figure 112010007861412-pat00001
일 예로서, 도 6은 본 발명에 따라 M6C 탄화물의 분포비와 수명 소비율과의 상관관계를 나타낸 도면으로, M6C 탄화물의 분포비(Relative fraction of M6C carbide)는 수명 소비율(Life Fraction)이 증가함에 따라 완만하게 증가하다가 급격하게 상승하고, 다시 완만하게 증가하는 곡선 형태의 지수함수 값을 가지는 것을 알 수 있다.
그리고, 탄화물 입자간 거리와 수명 소비율과의 상관관계에 대해 상세히 설명하면, 크리프 강도가 요구되는 강은 미세하게 분산된 탄화물 입자에 따른 강도에 의존하는데, 탄화물 입자를 전위의 운동을 방해하는 개념으로 가정할 경우 탄화물간 거리가 증가함에 따라 크리프 강도는 급격히 적어지고, 이러한 현상은 적용된 응력에 비례하여 커지게 되기 때문에, 금속 조직이 열화 과정을 거치면 특정 탄화물 입자간 거리가 증가하게 되며, 특정 탄화물간 거리와 LMP를 고려하여 해당 설비의 수명을 계산할 수 있다.
여기에서, 준안정 상태 탄화물의 성장은 온도와 시간에 의존하는 함수로서, 열화된 탄화물에 대응하여 결정된 상수를 적용하여 탄화물 입자간 거리와 수명 소비율과의 상관관계는 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010007861412-pat00002
여기에서, λ는 탄화물간 거리를 의미하며, λ0는 초기 상태의 탄화물간 거리를 의미하고, C0, β는 상수를 의미한다. 일 예로서, 도 7은 본 발명에 따라 탄화물 입자간 거리와 LMP와의 상관관계를 나타낸 도면으로, 입자간 거리(Interparticle Spacing)는 LMP가 증가함에 따라 거의 변화가 없다가 급격히 상승하는 곡선 형태의 지수함수 값을 가지는 것을 알 수 있다.
또한, 탄화물 입자 크기와 수명 소비율과의 상관관계에 대해 상세히 설명하면, 고온에서 고체 상태 확산이 발생하면 탄화물 입자는 전체적인 표면적을 감소시키기 위해 조대해지는데, 이러한 입자의 조대화는 주어진 면적비에서 입자의 거리가 증가함에 따라 수행된다. 이는 상대적으로 큰 입자가 작은 입자를 포획하여 성장하게 되어 입자의 수가 감소하기 때문인데, 시간에 따른 탄화물의 성장은 탄화물 성장 모델을 이용하여 아래의 수학식 3과 같이 탄화물 입자의 성장 속도(r)를 나타낼 수 있으며, 이러한 관계를 이용하여 탄화물 평균 크기와 LMP를 고려하여 설비의 수명을 평가할 수 있다.
Figure 112010007861412-pat00003
여기에서, k는 상수를 의미하고, t는 사용 시간을 의미한다. 일 예로서, 도 8은 본 발명에 따라 탄화물 입자의 평균 크기와 수명 소비율과의 상관관계를 나타낸 도면으로, 탄화물 평균 크기(Mean Carbide Size)는 수명 소비율(Life Fraction)이 증가함에 따라 완만하게 증가하는 곡선 형태의 함수 값을 가지는 것을 알 수 있다.
다음에, 탄화물 입자 형상과 수명 소비율과의 상관관계에 대해 상세히 설명하면, 자연계의 물리적 현상은 엔탈피(enthalpy, 내부 에너지)가 작아지는 방향으로 반응하고, 엔트로피(entropy, 무질서도)가 커지는 방향으로 반응하는데, 금속 조직 내부의 탄화물의 반응 또한 내부 에너지가 작아지고, 무질서도가 커지는 방향으로 나타날 경우 내부 에너지가 작아지기 위해서 입자들은 응집되어 조대화되고, 입자의 형상이 복잡한 형태에서 단순한 형태로 변하게 된다. 이러한 탄화물 형상을 나타내기 위해 탄화물의 성장에 대해 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010007861412-pat00004
여기에서, x는 탄화물의 가늘고 찌그러짐을 나타내는 파라미터를 의미하고, y는 탄화물 입자 형태의 복잡성을 나타내는 파라미터를 의미하며, A는 측정 영역(㎛2)을 의미하고, D는 장축 길이(㎛)를 의미하며, P는 입자 둘레 길이(㎛)를 의미하는데, 탄화물의 성장은 입자의 찌그러짐(x 값)이 적어지고, 입자의 복잡성(y 값)도 회복되어 가는 방향으로 진행된다.
특히, 두 파라미터 중에서 재질 열화에 상대적으로 더 민감한 y 값을 LMP와 연관시켜 계산하면, 수명 소비율(LF)은 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010007861412-pat00005
여기에서, a0, a1, a2는 상수를 의미한다. 일 예로서, 도 9는 본 발명에 따라 탄화물 입자의 형상 계수와 LMP와의 상관관계를 나타낸 도면으로, y 값(Y Value)는 LMP가 증가함에 따라 완만하게 감소하는 곡선 형태의 2차함수 값을 가짐을 알 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 수학식 1 내지 수학식 5에서 기재된 상수는 초기 표준 열처리를 통해 형성된 탄화물과 열화 과정 이후의 안정화된 탄화물의 종류가 다르기 때문에, 금속 조직 재질별 및 탄화물 종류별로 각각 다른 값을 가질 수 있음은 물론이다.
따라서, 정보 분석 블록에서는 필터링된 탄화물 종류별 계측 정보가 전달되면, 탄화물 종류별로 예를 들면, 분포비와 수명 소비율과의 상관관계, 입자간 거리와 수명 소비율과의 상관관계, 입자 크기와 수명 소비율과의 상관관계, 입자 형상과 수명 소비율과의 상관관계 등을 분석한 후, 그 분석 정보를 효과적으로 제공할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 수명 평가 장치에서 탄화물 종류별로 다수의 금속 조직 영상이 입력되면, 다수의 금속 조직 영상을 하나의 금속 조직 영상으로 정합한 후, 탄화물 종류별로 시각적으로 구분하여 표시하고, 탄화물 종류별로 계측된 탄화물 종류별 계측 정보를 제공하고, 제공된 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 탄화물 종류별로 수명 소비율과의 상관관계를 분석한 후, 그 분석 정보를 제공하여 해당 설비의 수명을 평가 및 출력하는 과정에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 금속 조직 내 분포하는 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 설비의 수명을 평가하는 과정을 도시한 플로우차트이다.
도 4를 참조하면, 영상 처리 블록(100)의 영상 입력부(102)에서는 탄화물 종류별로 다수의 금속 조직 영상이 입력되면, 입력된 다수의 금속 조직 영상을 영상화부(104)로 전달한다(단계402). 여기에서, 다수의 금속 조직 영상은 수명을 평가하고자 하는 발전 설비의 시편을 채취하여 탄화물 종류별로 예를 들면, 전해 부식, 자기적 부식, 열적 부식 등의 기법을 이용하여 부식(또는 착색)시킨 후에, 이를 각각 표면 복제하고, 표면 복제된 각각의 필름을 예를 들면, 주사 전자 현미경(SEM), 광학 현미경(OM) 등을 이용한 금속 조직 영상으로 생성하여 탄화물 종류별로 다수의 금속 조직 영상을 입력시키는 방식으로 수행될 수 있다.
그리고, 영상 처리 블록(100)의 영상화부(104)에서는 다수의 금속 조직 영상을 하나의 금속 조직 영상으로 정합한 후, 각각의 탄화물 종류에 따라 시각적으로 구별될 수 있도록 표시(예를 들면, 다른 색깔 표시 등)한 후, 시각적으로 구별된 하나의 금속 조직 영상을 영상 계측부(106)로 전달한다(단계404).
다음에, 영상 처리 블록(100)의 영상 계측부(106)에서는 전달되는 금속 조직 영상에서 각각의 탄화물 종류별로 계측하여 탄화물 종류별 계측 정보(예를 들면, 탄화물 종류별로 계측된 입자 개수, 입자 면적, 장축 길이, 단축 길이, 구상화률 등과 같은 탄화물 종류별 기하학적 정보)를 정보 분석 블록(200)으로 제공한다(단계406).
그리고, 정보 분석 블록(200)의 통계 처리부(202)에서는 영상 계측부(106)로부터 탄화물 종류별 계측 정보가 제공되면, 금속 조직 영상을 촬영하는 현미경과 영상 처리의 해상도를 고려한 기 설정된 탄화물 크기 범위에 따라 탄화물 종류별 계측 정보를 필터링하는 방식으로 통계 처리한 후, 상관관계 분석부(204)로 전달한다(단계408).
또한, 정보 분석 블록(200)의 상관관계 분석부(204)에서는 통계 처리부(202)로부터 통계 처리된 탄화물 종류별 계측 정보가 전달되면, 탄화물 종류별로 탄화물 분포비와 수명 소비율과의 상관관계를 분석한 후, 그 분석 정보를 수명 평가 블록(300)으로 제공한다(단계410). 여기에서, 탄화물 분포비와 수명 소비율의 경우 탄화물 개수 비율에 따라 설비의 열화도 및 운전 정보를 고려하여 탄화물 분포비에 대한 상기 수명 소비율을 분석할 수 있는데, 도 6에 도시한 바와 같이 수명 소비율(Life Fraction)이 증가함에 따라 탄화물의 분포비(Relative fraction of M6C carbide)가 곡선 형태의 지수함수 값을 나타내는 상관관계가 있음을 알 수 있다.
그리고, 정보 분석 블록(200)의 상관관계 분석부(204)에서는 통계 처리된 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 탄화물 종류별로 탄화물 입자간 거리와 수명 소비율과의 상관관계를 분석한 후, 그 분석 정보를 수명 평가 블록(300)으로 제공한다(단계412). 여기에서, 탄화물 입자간 거리와 수명 소비율의 경우 시간과 온도에 따라 변화하는 입자간 거리에 대한 LMP를 고려하여 수명 소비율을 분석할 수 있는데, 도 7에 도시한 바와 같이 LMP가 증가함에 따라 입자간 거리(Interparticle Spacing)가 곡선 형태의 지수함수 값을 나타내는 상관관계가 있음을 알 수 있다.
또한, 정보 분석 블록(200)의 상관관계 분석부(204)에서는 통계 처리된 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 탄화물 종류별로 탄화물 입자 크기와 수명 소비율과의 상관관계를 분석한 후, 그 분석 정보를 수명 평가 블록(300)으로 제공한다(단계414). 여기에서, 탄화물 입자 크기와 수명 소비율의 경우 시간에 따라 변화하는 탄화물 입자 크기에 대한 입자 평균 크기와 LMP를 고려하여 수명 소비율을 분석할 수 있는데, 도 8에 도시한 바와 같이 수명 소비율(Life Fraction)이 증가함에 따라 탄화물 평균 크기(Mean Carbide Size)가 곡선 형태의 함수 값을 나타내는 상관관계가 있음을 알 수 있다.
그리고, 정보 분석 블록(200)의 상관관계 분석부(204)에서는 통계 처리된 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 탄화물 종류별로 탄화물 입자 형상과 수명 소비율과의 상관관계를 분석한 후, 그 분석 정보를 수명 평가 블록(300)으로 제공한다(단계416). 여기에서, 탄화물 입자 형상과 수명 소비율의 경우 입자의 찌그러짐이 상대적으로 적어지고, 입자의 복잡성도 회복되어 가는 방향으로 진행되는 탄화물 성장에 따른 탄화물 입자 형상과 LMP를 고려하여 수명 소비율을 분석할 수 있는데, 도 9에 도시한 바와 같이LMP가 증가함에 따라 y 값(Y Value)이 곡선 형태의 2차함수 값을 나타내는 상관관계가 있음을 알 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 단계410 내지 단계416의 과정은 단계별로 수행하는 것으로 하여 설명하였으나, 그 순서에 상관없이 순차적으로 또는 동시에 수행될 수 있음은 물론이다.
이어서, 수명 평가 블록(300)에서는 상관관계 분석부(204)로부터 제공되는 탄화물 종류별 분석 정보를 이용하여 해당 발전 설비의 수명을 평가한다(단계418).
따라서, 탄화물 종류별로 다수의 금속 조직 영상이 입력되면, 하나의 금속 조직 영상으로 정합한 후에, 탄화물 종류별로 구분하여 시각적으로 표시하고, 탄화물 종류별로 계측하여 그 탄화물 종류별 계측 정보를 제공하며, 제공된 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 수명 소비율과의 상관관계를 분석한 후에, 그 분석 결과에 따라 해당 설비의 수명을 평가함으로써, 금속 조직 내 나타나는 탄화물 종류에 따라 해당 설비의 수명을 효과적으로 평가할 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시 예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
100 : 영상 처리 블록 102 : 영상 입력부
104 : 영상화부 106 : 영상 계측부
200 : 정보 분석 블록 202 : 통계 처리부
204 : 상관관계 분석부 300 : 수명 평가 블록

Claims (20)

  1. 삭제
  2. 탄화물 종류별로 다수의 금속 조직 영상이 입력되는 영상 입력부와,
    상기 다수의 금속 조직 영상을 하나의 금속 조직 영상으로 정합하는 영상화부와,
    상기 정합된 하나의 금속 조직 영상에서 상기 탄화물 종류별로 계측하는 영상 계측부와,
    상기 탄화물 종류별로 계측된 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 상기 탄화물 종류별로 분포비, 입자간 거리, 입자 크기 및 입자 형상에 따라 분석하는 정보 분석 블록과,
    상기 정보 분석 블록에서의 분석 결과를 이용하여 수명을 평가하는 수명 평가 블록을 포함하는
    수명 평가 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 영상화부는, 쓰레쉬홀드(threshold) 기능, 이미지의 확대 또는 축소 기능, 스무드/샤픈(smooth/sharpen) 필터 기능 및 에지 디텍터(edge detector)를 이용한 파인 에지(fine edge) 기능 중 적어도 하나의 기능을 제공하는
    수명 평가 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 영상 계측부는, 상기 탄화물 종류별로 입자 개수, 입자 면적, 장축 길이, 단축 길이 및 구상화율을 포함하는 기하학적 정보를 계측하는
    수명 평가 장치.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정보 분석 블록은,
    상기 탄화물 종류별 계측 정보에서 기 설정된 탄화물 크기 범위에 따라 통계 처리하는 통계 처리부와,
    통계 처리된 상기 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 상기 탄화물 종류별로 각각 상기 분포비, 입자간 거리, 입자 크기 및 입자 형상과 수명 소비율과의 상관관계를 분석하는 상관관계 분석부를 포함하는
    수명 평가 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 상관관계 분석부는, 탄화물 개수 비율에 따라 설비의 열화도 및 운전 정보에 의거하여 상기 분포비에 대한 상기 수명 소비율을 분석하는
    수명 평가 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 상관관계 분석부는, 시간과 온도에 따라 변화하는 상기 입자간 거리에 대한 LMP(Larson-Miller parameter)에 의거하여 상기 수명 소비율을 분석하는
    수명 평가 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 상관관계 분석부는, 시간에 따라 변화하는 상기 입자 크기에 대한 입자 평균 크기와 LMP에 의거하여 상기 수명 소비율을 분석하는
    수명 평가 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 상관관계 분석부는, 입자의 찌그러짐이 상대적으로 적어지고, 입자의 복잡성도 회복되어 가는 방향으로 진행되는 탄화물 성장에 따른 상기 입자 형상과 LMP에 의거하여 상기 수명 소비율을 분석하는
    수명 평가 장치.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 다수의 금속 조직 영상은, 수명 평가를 위한 설비의 시편을 채취하여 상기 탄화물 종류별로 부식 또는 착색시킨 후에, 표면 복제를 수행하여 상기 다수의 금속 조직 영상으로 생성 및 입력되는
    수명 평가 장치.
  11. 삭제
  12. 탄화물 종류별로 다수의 금속 조직 영상이 입력되면, 상기 다수의 금속 조직 영상을 하나의 금속 조직 영상으로 정합하는 단계와,
    상기 정합된 하나의 금속 조직 영상에서 상기 탄화물 종류별로 계측하는 단계와,
    상기 탄화물 종류별로 계측된 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 상기 탄화물 종류별로 분포비, 입자간 거리, 입자 크기 및 입자 형상에 따라 분석하는 단계와,
    상기 분석하는 단계의 분석 결과를 이용하여 수명을 평가하는 단계를 포함하는
    수명 평가 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 하나의 금속 조직 영상으로 정합하는 단계는, 쓰레쉬홀드(threshold) 기능, 이미지의 확대 또는 축소 기능, 스무드/샤픈(smooth/sharpen) 필터 기능 및 에지 디텍터(edge detector)를 이용한 파인 에지(fine edge) 기능 중 적어도 하나의 기능을 제공하는
    수명 평가 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 탄화물 종류별로 계측하는 단계는, 상기 탄화물 종류별로 입자 개수, 입자 면적, 장축 길이, 단축 길이 및 구상화율을 포함하는 기하학적 정보를 계측하는
    수명 평가 방법.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분석하는 단계는,
    상기 탄화물 종류별 계측 정보에서 기 설정된 탄화물 크기 범위에 따라 통계 처리하는 단계와,
    통계 처리된 상기 탄화물 종류별 계측 정보를 이용하여 상기 탄화물 종류별로 각각 상기 분포비, 입자간 거리, 입자 크기 및 입자 형상과 수명 소비율과의 상관관계를 분석하는 단계를 포함하는
    수명 평가 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 상관관계를 분석하는 단계는, 탄화물 개수 비율에 따라 설비의 열화도 및 운전 정보에 의거하여 상기 분포비에 대한 상기 수명 소비율을 분석하는
    수명 평가 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 상관관계를 분석하는 단계는, 시간과 온도에 따라 변화하는 상기 입자간 거리에 대한 LMP에 의거하여 상기 수명 소비율을 분석하는
    수명 평가 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 상관관계를 분석하는 단계는, 시간에 따라 변화하는 상기 입자 크기에 대한 입자 평균 크기와 LMP에 의거하여 상기 수명 소비율을 분석하는
    수명 평가 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 상관관계를 분석하는 단계는, 입자의 찌그러짐이 상대적으로 적어지고, 입자의 복잡성도 회복되어 가는 방향으로 진행되는 탄화물 성장에 따른 상기 입자 형상과 LMP에 의거하여 상기 수명 소비율을 분석하는
    수명 평가 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 다수의 금속 조직 영상은, 수명 평가를 위한 설비의 시편을 채취하여 상기 탄화물 종류별로 부식 또는 착색시킨 후에, 표면 복제를 수행하여 상기 다수의 금속 조직 영상으로 생성 및 입력되는
    수명 평가 방법.
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JP2002310958A (ja) 2001-04-10 2002-10-23 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 材料寿命の評価システム、及び、その評価方法

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