KR101444078B1 - Nondestructive Testing Apparatus and Method for Penetration Nozzle of Control Rod Drive Mechanism of Reactor Vessel Head - Google Patents

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Abstract

원자로 상부헤드 제어봉 구동장치 비파괴 검사장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 비파괴 검사장치는, 레이저를 원자로 상부헤드와 제어봉 구동장치 관통관 사이의 용접부 및 제어봉 구동장치 관통관 내부로 스캐닝 조사하여 생성되는 초음파를 감지하고, 감지된 초음파를 영상화하되, 특정 영역의 다수 지점에 레이저가 스캐닝 조사되는 동안 초음파를 감지하는 초음파 센서의 위치는 변화가 없고 초음파전파영상화에 기반을 둔 손상가시화를 실시한다. 이에 의해, 검사시간이 현저히 감소하여 점검 시간 단축으로 이어져 직접적 경제적 효과로 나타난다.An apparatus and method for non-destructive inspection of a reactor head control rod drive apparatus are provided. The nondestructive inspection apparatus according to the embodiment of the present invention detects ultrasonic waves generated by scanning a laser to a welding portion between a reactor upper head and a control rod driving device pipe, and a control rod driving device pipe, and images the sensed ultrasonic waves , There is no change in the position of the ultrasonic sensor for detecting the ultrasonic waves while the laser is scanned at a plurality of points in the specific region, and the damage visualization based on the ultrasonic wave imaging is performed. As a result, the inspection time is significantly reduced, leading to a shortening of inspection time, resulting in a direct economic effect.

Description

원자로 상부헤드 제어봉 구동장치 관통관 비파괴 검사장치 및 방법{Nondestructive Testing Apparatus and Method for Penetration Nozzle of Control Rod Drive Mechanism of Reactor Vessel Head}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a non-destructive testing apparatus,

본 발명은 비파괴 검사장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자로 상부헤드에 마련된 제어봉 구동장치 관통관에 관한 비파괴 검사를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a non-destructive inspection apparatus and method, and more particularly, to an apparatus and method for nondestructive inspection of a control rod drive pipe tube provided in a reactor head.

도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 원자로의 제어봉 구동장치(Control Rod Drive Mechanism : CRDM)는 원자로 용기 헤드(reactor vessel head : RVH)와 그에 마련된 다수의 관통관(penetration nozzle)들을 포함한다. 제어봉 구동장치의 관통관들은, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 원자로 상부헤드에 이종 용접을 통해 설치된다.As shown in FIG. 1 (a), a control rod drive mechanism (CRDM) of a reactor includes a reactor vessel head (RVH) and a plurality of penetration nozzles provided therein . As shown in Fig. 1 (b), the pipe tubes of the control rod drive apparatus are installed through the different welding on the reactor head.

하지만, 관통관에는, 장기간 사용을 통해, 크게 두 가지 균열이 발생하게 된다.However, two types of cracks are generated in the pipe tube through long-term use.

첫째, 용접부에 균열이 발생하게 되고 균열의 성장은 상부헤드 내면쪽 용접부로 그리고 용접부 내부로 진전하여 원자로 내부의 압력, 1차 냉각수의 누출을 유발하게 되는데, 이는 도 2에 나타나 있다.First, cracks are generated in the welds, and the growth of cracks propagates into the welds on the inner side of the upper head and the inside of the welds, thereby causing pressure in the reactor and leakage of the primary coolant.

둘째, 용접으로 인한 잔류응력과 원자로내 압력에 의해 관통관 내부에 균열이 발생하게 된다.Second, the residual stress due to welding and the pressure inside the reactor cause cracks in the tube.

이에 따라, 초음파탐상, 와전류탐상, 시각탐상, 침투탐상 기법이 원자로 상부헤드 관통관 내부 혹은 용접부에서의 균열을 검출하기 위해 적용되고 있다.Accordingly, ultrasonic inspection, eddy current inspection, visual inspection, and penetration inspection techniques have been applied to detect cracks in the upper pipe tube of the reactor or welds.

와전류탐상 기술을 이용하여 상부헤드 관통관 내부와 용접부에서의 균열검출기술은 한 지점이 아닌 영역을 검사하기에는 부적절한 것이 현실이다. 또한, 탐촉자의 접촉이 검사지점마다 이루어지기 때문에 탐촉자 접촉상태가 매번 바뀌어 발생하는 오차로 검사결과의 신뢰성이 낮다.It is a reality that the crack detection technique in the inside of the upper head pipe and the weld part using the eddy current flaw detection technique is not suitable for the inspection of the area other than one point. In addition, since the contact of the probe is made at each inspection point, the reliability of the inspection result is low due to an error that occurs when the probe contact state changes each time.

펄스/에코 초음파 탐상기법은 와전류 탐상과 같이 접촉 탐촉자의 이동을 기반으로 한 point-by-point 검사로 동일하게 지점별 탐촉자 접촉상태에 따라 그 검사신뢰도가 현격히 떨어질 수 있다.The pulse / echo ultrasonic inspection technique is a point-by-point inspection based on the movement of a contact probe such as an eddy current probe.

또한, 침투탐상법은 검사 전후 검사면 청소와 침투액 적용 및 가시화에 많은 시간이 필요로 한다는 문제가 있다.
In addition, there is a problem that the penetration testing method requires much time to clean the test surface before and after the test, and to apply and visualize the penetrant.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 레이저 초음파를 이용하여 원자로 상부헤드 제어봉 구동장치를 비파괴 검사하되, 고속 레이저 스캐닝과 스캐닝 중 이동 없이 한 지점에서 센싱을 수행하는 초음파 전파 영상화를 기반으로 한 원자로 상부헤드 제어봉 구동장치 관통관 비파괴 검사장치 및 방법을 제공함에 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for nondestructive inspection of a reactor upper head control rod driving apparatus using laser ultrasonic waves and capable of performing sensing at a point without moving during high speed laser scanning and scanning. And to provide a non-destructive inspection apparatus and method for a pipe upper-head control rod drive pipe for a reactor based on ultrasonic wave propagation imaging performed.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 비파괴 검사장치는, 레이저빔 펄스를 생성하는 Q-스위치 다이오드 펌프 고체상태 레이저(Q-switched diode pumped solid state laser); 상기 레이저에서 생성된 레이저빔 펄스를 원자로 상부헤드와 관통관 용접부 혹은 관통관 내부로 스캐닝 조사하는 LMS(Laser Mirror Scanner); 상기 레이저에 의해 생성된 초음파를 감지하는 초음파 센서; 및 상기 초음파 센서에 의해 감지된 초음파를 영상화하는 이미지 처리 장치;를 포함하고, 상기 LMS에 의해 특정 영역의 다수 지점에 상기 레이저가 스캐닝 조사되는 동안, 상기 초음파 센서의 위치는 동일하다.According to an aspect of the present invention, there is provided a nondestructive inspection apparatus comprising: a Q-switched diode pumped solid state laser for generating a laser beam pulse; An LMS (Laser Mirror Scanner) which irradiates laser beam pulses generated by the laser to an upper head of the reactor, a welded portion of the pipe, or the inside of the pipe; An ultrasonic sensor for detecting ultrasonic waves generated by the laser; And an image processing apparatus for imaging the ultrasonic waves sensed by the ultrasonic sensor. While the laser is scanned at a plurality of points of a specific region by the LMS, the positions of the ultrasonic sensors are the same.

그리고, 상기 LMS는, 상기 원자로 상부헤드에서 관통관이 이종 용접으로 접합된 영역에 상기 레이저를 스캐닝 조사할 수 있다.The LMS can irradiate the laser to the region where the pipe is welded by the different welding at the upper head of the reactor.

또한, 상기 초음파 센서는, 복수일 수 있고 접촉식 초음파 센서 또는 근거리 비접촉식 초음파 센서일 수 있다.The ultrasonic sensor may be a plurality of ultrasonic sensors, or may be a contact ultrasonic sensor or a near-contact non-contact ultrasonic sensor.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴 검사장치는, 상기 초음파 센서를 상기 특정 영역의 주변에 설치하기 위한 로봇 팔;을 더 포함할 수 있다.The nondestructive inspection apparatus according to an embodiment of the present invention may further include a robot arm for installing the ultrasonic sensor in the vicinity of the specific region.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴 검사장치는, 상기 LMS는, 원자로 상부헤드에 마련된 관통관 내부로 상기 레이저를 스캐닝 조사할 수 있다.Further, in the nondestructive inspection apparatus according to an embodiment of the present invention, the LMS can irradiate the laser beam into a pipe tube provided in the upper head of the reactor.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴 검사장치는, 상기 LMS에 의해 스캐닝 조사되는 레이저를 상기 관통관 내부 면으로 반사시키는 LM(Laser Mirror);을 더 포함할 수 있다.The nondestructive inspection apparatus according to an embodiment of the present invention may further include a laser mirror (LM) for reflecting a laser beam scanned by the LMS to the inner surface of the tube.

또한, 상기 이미지 처리 장치는, 다수의 방향에 대해, 인접 스캐닝 신호들을 처리하여 균열을 파악할 수 있다.In addition, the image processing apparatus can process the adjacent scanning signals to grasp the cracks in a plurality of directions.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴 검사장치는, 상기 레이저에 의해 발생한 초음파를 수신하여 상기 이미지 처리 장치로 전달하는 레이저 초음파 수신기;를 더 포함할 수 있다.The nondestructive inspection apparatus according to an embodiment of the present invention may further include a laser ultrasonic receiver for receiving ultrasonic waves generated by the laser and transmitting the ultrasonic waves to the image processing apparatus.

또한 레이저 초음파 수신기는 복수일 수 있다.The laser ultrasound receiver may be plural.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 비파괴 검사방법은, 레이저를 생성하는 단계; 상기 생성단계에서 생성된 레이저를 원자로 상부헤드로 스캐닝 조사하는 단계; 상기 레이저에 의해 생성된 초음파를 감지하는 단계; 및 상기 감지단계에 의해 감지된 초음파를 영상화하는 단계;를 포함하고, 상기 조사 단계에서 특정 영역의 다수 지점에 상기 레이저를 스캐닝 조사하는 동안, 상기 감지단계에서 상기 초음파를 감지하는 초음파 센서의 위치는 고정되어 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a nondestructive inspection method comprising: generating a laser; Scanning the laser generated in the generating step with the upper head of the reactor; Sensing ultrasound generated by the laser; And an imaging step of imaging the ultrasonic waves sensed by the sensing step, wherein during the scanning of the laser at a plurality of points of a specific area in the irradiation step, the position of the ultrasonic sensor for sensing the ultrasonic waves in the sensing step is Is fixed.

그리고, 상기 조사단계는, 상기 원자로 상부헤드에서 관통관이 이종 용접으로 접합된 영역 또는 원자로 상부헤드에 마련된 관통관 내부로 상기 레이저를 스캐닝 조사할 수 있다.
In the irradiating step, the laser may be scanned and irradiated onto the region where the tube is welded by different welding at the upper head of the reactor or inside the tube of the tube provided at the upper head of the reactor.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 마이크로 미터 단위로 초당 수백 지점을 레이저빔을 이용한 자동 스캐닝을 통해 밀도 있는 검사를 수행할 수 있어 포인트 검사가 아닌 영역 검사가 가능하며, 마이크로 균열을 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 스캐닝 동안 센서의 위치가 바뀌지 않고 초음파의 생성이 비접촉으로 이루어지기 때문에 검사신뢰도가 매우 높으며 검사시간이 현저히 감소하여 점검 시간 단축으로 이어져 직접적 경제적 효과로 나타난다.
As described above, according to the embodiments of the present invention, density inspection can be performed through automatic scanning using laser beams at a few hundred points per second per micrometer, so that area inspection can be performed instead of point inspection, The position of the sensor does not change during scanning and the generation of ultrasonic waves is made in a noncontact manner. Therefore, the reliability of the inspection is very high and the inspection time is significantly reduced, leading to a shortening of the inspection time and a direct economic effect.

도 1은 원자로의 제어봉 구동장치를 나타낸 도면,
도 2는 원자로의 제어봉 구동장치 용접부의 균열 발생 및 누출의 설명에 제공되는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 상부헤드 제어봉 구동장치 관통관 용접부 비파괴 검사장치의 설명에 제공되는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비파괴 검사장치의 유효성을 검증하기 위해 제작된 제어봉 구동장치의 실물 모형 및 인공 균열이 나타난 사진,
도 5는 초음파스펙트럼영상화(USI) 및 초음파전파영상화(UWPI) 기법의 설명에 제공되는 도면,
도 6은 균열의 주변에 조사된 레이저 빔에 의한 분산 초음파의 설명에 제공되는 도면,
도 7은 수평/수직 방향에서 인접신호들의 유사성의 설명에 제공되는 도면,
도 8은 인접파 차분 기형파전파영상화 기법의 설명에 제공되는 도면,
도 9는, 도 4에 제시된 실물에 대한 실험 결과를 나타낸 도면, 그리고,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자로 상부헤드 제어봉 구동장치 관통관 내부 비파괴 검사장치의 설명에 제공되는 도면이다.
1 is a view showing a control rod driving apparatus of a nuclear reactor,
FIG. 2 is a view provided for explaining crack occurrence and leakage in a control rod drive weld portion of a nuclear reactor,
3 is a view provided in the explanation of the reactor upper head control rod drive device pipe-tube weld portion nondestructive inspection apparatus according to an embodiment of the present invention,
FIG. 4 is a photograph showing a physical model and artificial cracks of a control rod driving apparatus manufactured to verify the effectiveness of the non-destructive testing apparatus according to an embodiment of the present invention,
FIG. 5 is a block diagram of an embodiment of the present invention provided in the description of ultrasound spectral imaging (USI) and ultrasound propagation imaging (UWPI)
Fig. 6 is a view provided to explain a dispersion ultrasonic wave by a laser beam irradiated to the periphery of a crack, Fig.
FIG. 7 is a diagram provided in the description of the similarity of adjacent signals in the horizontal /
8 is a diagram provided in the description of a near-wave diffraction wave propagation imaging technique,
FIG. 9 is a view showing an experimental result on the real object shown in FIG. 4,
FIG. 10 is a view for explaining a nondestructive inspection apparatus for a nuclear reactor upper head control rod drive pipe in accordance with another embodiment of the present invention.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 상부헤드 제어봉 구동장치 관통관 용접부 비파괴 검사장치의 설명에 제공되는 도면이다. 본 실시예에 따른 '원자로 상부헤드 제어봉 구동장치 관통관 비파괴 검사장치'(이하, '비파괴 검사장치'로 약칭)는 관통관과 상부헤드 사이의 용접부를 점검(overhaul)하기 위한 장치이다.FIG. 3 is a view for explaining a nuclear reactor non-destructive inspection apparatus for a pipe upper head control rod driving apparatus according to an embodiment of the present invention. The 'Nondestructive Inspection Apparatus' (hereinafter abbreviated as 'Nondestructive Inspection Apparatus') is an apparatus for overhauling a weld between a pipe tube and an upper head according to the present embodiment.

이를 위해, 본 실시예에 따른 비파괴 검사장치는 열려진 원자로 상부헤드의 아래에서 고속 자동화 고밀도 레이저 초음파 스캐닝을 실시하고, 발생된 레이저 초음파를 접촉 혹은 근거리 비접촉 센서(Capacitance and piezoelectric air-coupled transducers)를 통해 수집하거나 레이저 초음파 수신기로 원격으로 수집한다.To this end, the nondestructive testing apparatus according to the present embodiment performs a high-speed automated high-density laser ultrasonic scanning under an open reactor upper head, and the generated laser ultrasonic waves are contacted or contacted through capacitive and piezoelectric air-coupled transducers Collect or remotely collect with a laser ultrasonic receiver.

수집 시 하나의 검사영역(다수의 레이저 조사 포인트들이 포함됨)에 대해 초음파 수신은 고정된 지점에서 수행된다. 스캐닝을 통해 수집된 초음파 신호들은 초음파 전파 영상화에 기반을 둔 복수의 영상처리기법을 적용하여 균열을 가시화한다.At the time of collection, ultrasonic reception is performed at a fixed point for one inspection area (including a plurality of laser irradiation points). Ultrasonic signals collected through scanning are visualized by applying multiple image processing techniques based on ultrasonic wave imaging.

도 3의 (a)에는 비파괴 검사장치의 시스템 구성이 도시되어 있다. 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 비파괴 검사장치는, LMS(Laser Mirror Scanner)(110), QL(Q-switched diode-pumped solid state laser)(120), QL 제어기(130), PC(140), 초음파 센서(150) 및 센서 시스템(160)을 포함한다.Fig. 3 (a) shows a system configuration of the nondestructive inspection apparatus. 3, a non-destructive inspection apparatus includes an LMS (Laser Mirror Scanner) 110, a Q-switched diode-pumped solid state laser (QL) 120, a QL controller 130, a PC An ultrasound sensor 150, and a sensor system 160.

원자로 용기의 특성으로 인해, 사람의 직접적인 접근을 피하는 것이 필수적이다. 이를 위해, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 개방된 원자로 용기 헤드의 아래에서 로봇 팔(170)을 사용하여 원자로 용기 헤드의 내부 표면에 초음파 센서(150)를 접촉시킨다. 도 3의 (d)에는 원자로 용기 헤드의 내부 표면에 초음파 센서(150)를 접촉시키기 위한 로봇 팔(170)의 끝 부분에 대한 메커니즘을 상세히 도시하였다.Due to the nature of the reactor vessel, it is essential to avoid direct human access. To this end, the robot arm 170 is used below the opened reactor vessel head as shown in FIG. 3 (b) to bring the ultrasonic sensor 150 into contact with the inner surface of the reactor vessel head. 3 (d) shows in detail the mechanism of the end portion of the robot arm 170 for contacting the ultrasonic sensor 150 with the inner surface of the reactor vessel head.

초음파 센서(150)는 직경이 4mm이고 중심주파수가 350kHz인 증폭기 통합 PZT 센서로 구현가능하며, 초음파 전달률을 높이기 위해, 센서의 보호막에 젤 접촉매질이 사용된다. 초음파 센서(150)는 접촉형 센서 형태 또는 근거리 비접촉형 센서 형태 모두로 구현가능하다.The ultrasonic sensor 150 can be implemented as an amplifier integrated PZT sensor having a diameter of 4 mm and a center frequency of 350 kHz. In order to increase the ultrasonic wave transmission rate, a gel contact medium is used in a protective film of the sensor. The ultrasonic sensor 150 can be implemented in both contact type or near non-contact type sensors.

한편, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 초음파 센서(150)는 초음파 수신기(180)로 대체될 수도 있다. 이 경우는, 로봇 팔(170)이 필요 없다는 점에서 유용하다.3 (c), the ultrasonic sensor 150 may be replaced with the ultrasonic receiver 180. [0034] FIG. This case is useful in that the robot arm 170 is not necessary.

다음, LMS(110)로 이종 용접부의 주변을 고속 레이저 스캐닝한다. 이를 위해, 수백에서 수천 nm의 파장을 갖는 QL(Q-switched diode-pumped solid state laser)(120)이 QL 제어기(130)의 제어에 의해, 8ns 동안 레이저 빔 펄스를 생성하고, 그 동안에 LMS(110)가 동일 간격으로 레이저 빔을 원자로 용기 헤드의 내부 표면에 스캐닝 조사한다.Next, the periphery of the dissimilar welding portion is scanned by the LMS 110 at a high speed laser. To this end, a Q-switched diode-pumped solid state laser (QL) 120 having a wavelength of several hundreds to several thousands of nanometers generates a laser beam pulse for 8 ns under the control of a QL controller 130, 110 scan the laser beam to the inner surface of the reactor vessel head at the same interval.

스캐닝 격자 포인트에 조사된 레이저 빔은 초음파를 발생시킨다.The laser beam irradiated on the scanning grid point generates ultrasonic waves.

LMS(110)에는 레이저 빔의 파장을 동작 파장으로 포함하는 레이저 미러 쌍이 마련되어 있고, 이 미러들은 최대 각속도 수십에서 수백 rad/s를 갖는 2개의 직교하는 갈바노-모터들에 고정되어 있다. 각각의 미러는 위에서 아래로 또는 왼쪽에서 오른쪽으로 ±20도 회전할 수 있다.The LMS 110 is provided with a pair of laser mirrors including the wavelength of the laser beam as the operating wavelength, and these mirrors are fixed to two orthogonal galvanomotors having several hundreds of rad / s at the maximum angular velocity. Each mirror can be rotated ± 20 degrees from top to bottom or from left to right.

QL 제어기(130)의 펄스 반복 주파수(pulse repetition frequency:PRF)와 갈바노 모터들의 움직임을 동기화하여, 레이저 펄스는 각 격자 점에 한 번씩 조사된다. 구체적으로, 도 3의 (e)에 도시된 바와 같이, 레이저 빔이 일정한 간격(Δ)의 폭(LH)과 길이(LV)를 갖는 영역에서 스캔 경로를 따라 각 지점들에 조사된다.The pulse repetition frequency (PRF) of the QL controller 130 is synchronized with the movement of the Galvano motors so that the laser pulses are irradiated once at each lattice point. Specifically, as shown in FIG. 3 (e), the laser beam is irradiated to the respective points along the scan path in the region having the width (L H ) and the length (L V ) of the constant interval (?).

레이저 빔에 의해 각 지점들에서 초음파가 생성되는데, 생성된 초음파는 초음파 센서(150)에 의해 감지되어 센서 시스템(160)에서 신호 처리된 후, 데이터 획득과 이미지 처리를 위해 PC(140)에 저장된다.Ultrasonic waves are generated at the respective points by the laser beam. The generated ultrasonic waves are sensed by the ultrasonic sensor 150, processed by the sensor system 160, and then stored in the PC 140 for data acquisition and image processing do.

본 발명의 실시예에 따른 비파괴 검사장치의 유효성을 검증하기 위해, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 제어봉 구동장치를 실제 크기의 실물 모형으로 제작하였다. 그리고, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 아크 모양의 깊이 있는 균열을 이종 금속 용접의 중앙에 최대 깊이 1.5 mm로, 길이는 15mm, 폭은 0.7mm로 생성하였다.In order to verify the effectiveness of the nondestructive testing apparatus according to the embodiment of the present invention, the control rod driving apparatus was manufactured as a real model of actual size as shown in FIG. 4 (a). As shown in Fig. 4 (b), an arc-shaped depth crack was created at the center of the dissimilar metal welding with a maximum depth of 1.5 mm, a length of 15 mm and a width of 0.7 mm.

다수의 손상 시각화 알고리즘이 본 발명의 실시예에 따른 비파괴 검사장치에 적용될 수 있다. 손상 시각화와 영역화를 위해, UWPI(ultrasonic wave propagation imaging : 초음파 전파 영상화), USI(ultrasonic spectral imaging : 초음파 스펙트럼 영상화), WUPI(wavelet transformed ultrasonic propagation imaging : 웨이블릿 초음파 전파 영상화), AWPI(anomalous wave propagation imaging : anomalous 웨이브 전파 영상을 변환) 및 LWI(local wavelength imaging, 국부초음파파장영상화) 사용가능하다.A plurality of damage visualization algorithms can be applied to the nondestructive inspection apparatus according to the embodiment of the present invention. (UWPI), ultrasonic spectral imaging (USI), wavelet transformed ultrasonic wave propagation imaging (WUPI), and anomalous wave propagation (AWPI) imaging: conversion of anomalous wave propagation images) and local wavelength imaging (LWI).

UWPI 방법은 3D 데이터 구조에서 1D 타임-도메인 신호로 재배열한다. 즉, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 하나의 타임-도메인 웨이브 신호는 N개의 샘플링 포인트들로 표현되고, 하나의 수직 라인에 (Lv/Δ+1) 개의 신호들이 하나의 스프레드 시트에 저장된다.The UWPI method reorders the 3D data structure into a 1D time-domain signal. That is, as shown in FIG. 5A, one time-domain wave signal is represented by N sampling points, and (L v /? + 1) And stored in a sheet.

2D 배열, N×(Lv/Δ+1)은 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 신호들을 배열하여 생성된다. (LH/Δ+1)의 모든 수평 경로 스프레드 시트를 생성한 후에, 이 스프레드 시트은 N×(Lv/Δ+1)×(LH/Δ+1) 구조의 3D 데이터 배열로 재배열된다.The 2D array, N x (L v /? + 1), is generated by arranging the signals as shown in Fig. 5 (d). After generating all the horizontal path spreadsheets of (L H / Δ + 1), this spreadsheet is rearranged into a 3D data array of N × (L v / Δ + 1) × (L H / Δ + 1) .

컬러 스케일에 의해 각 포인트에 대한 신호의 진폭을 표현한 스캐닝한 영역상의 강도 맵을, 도 5의 (f)에 도시된 바와 같이, 시간 축을 따라 절단하여 생성한다. N개의 강도 맵들은 웨이브 전파 영상을 생성함에 있어 N개의 정지 프레임들이 된다.An intensity map on the scanned area representing the amplitude of the signal for each point by the color scale is generated by cutting along the time axis as shown in Fig. 5 (f). The N intensity maps are N stop frames in generating a wave propagation image.

도 5의 (b)는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform: FFT)을 적용하여 1D 타임 도메인 신호로부터 변환된 1D 주파수 도메인 신호이다. USI 기법에서, 이러한 변환 신호는 초음파 스펙트럼 비디오를 생성하는데 사용된다. 이 신호는 UWPI과 같은 방법으로 배열, 절단, 비디오생성 절차를 통해 처리된다.5B is a 1D frequency domain signal converted from a 1D time domain signal by applying a fast Fourier transform (FFT). In the USI scheme, this transformed signal is used to generate ultrasound spectral video. This signal is processed in the same way as UWPI through the arrangement, truncation, and video generation procedures.

USI 비디오의 각 프레임은 컬러 스케일로 스펙트럼 진폭의 공간 분포를 표현한다. 이때, 손상에 의해 유도된 초음파가 주파수 변화를 보일 경우, 각각의 주파수에서 절단된 프레임에서 식별할 수 있기 때문에, 손상 영역은 효과적으로 시각화된다. 또한, 손상 부분을 포함하는 USI에서 발견되는 주파수 성분은 WUPI에 활용 가능하다. 웨이블릿 변환된 1D 타임 도메인 신호는 도 5의 (c)에 제시된 바와 같은 웨이블릿 반응도로부터 선택되는 경우, 중앙 주파수와 손상 관련 주파수가 기본 파와 손상 관련 파의 전파를 각각 시각화하기 위해 선택될 수 있다.Each frame of the USI video represents the spatial distribution of the spectral amplitudes on a color scale. At this time, if the ultrasound induced by the damage shows a frequency change, the damaged area is effectively visualized because it can be identified in the cut frame at each frequency. Also, frequency components found in USI, including damaged parts, are available for WUPI. When the wavelet transformed 1D time domain signal is selected from the wavelet response as shown in FIG. 5C, the center frequency and the damage-related frequency can be selected to visualize the propagation of the fundamental wave and the damage-related wave, respectively.

WUPI 방법은 도 5의 (d) 내지 (f)에 도시된 바와 같은 UWPI의 같은 방법으로, 선택된 주파수와 1D 웨이블릿 변환 신호를 재배열하여 웨이블릿 변환 초음파 전파 비디오를 생성한다.The WUPI method rearranges the selected frequency and the 1D wavelet transform signal in the same manner of UWPI as shown in (d) to (f) of FIG. 5 to generate wavelet-transformed ultrasonic propagation video.

본 발명의 실시예에 따른 비파괴 검사장치는, 영역 손상 평가를 위해, 기존의 AWPI을 수정한 적절한 균열 시각화 방법이 적용된 개선된 AWPI 방법이 적용된다.In the nondestructive inspection apparatus according to the embodiment of the present invention, an improved AWPI method to which an appropriate AWPI-modified appropriate crack visualization method is applied is applied for area damage evaluation.

넓은 영역의 균열을 포함하는 감육, 박리 또는 분리 등의 영역 손상의 경우, 손상 영역 내에 조사된 레이저 빔에 의해 초음파가 생성되면, 고립파(손상 영역에 일정시간 잔류하다 소멸 및 통과하는 2D 스탠딩 웨이브의 한 유형)가 지역 손상 주변에 조사된 레이저에 의한 분산파와 함께 나타난다.In the case of area damage such as thinning, peeling, or separation involving a large area of cracks, if an ultrasonic wave is generated by a laser beam irradiated in the damaged area, an isolated wave (a 2D standing wave Is present along with the scattered waves due to the laser irradiated around the area damage.

도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 초음파가 균열(i 또는 i+1)의 주변에 조사된 레이저 빔에 의해 생성되었을 때, 부분적인 초음파 성분이 균열에서 산란되어 분산파가 된다.As shown in Fig. 6 (a), when the ultrasonic wave is generated by the laser beam irradiated to the periphery of the crack (i or i + 1), the partial ultrasonic component is scattered in the crack to become a dispersed wave.

본 발명의 실시예에서, PWSCC(Primary water stress corrosion crack)와 같이 표면에 인접한 타겟에서의 균열에 대해, 도 6의 (b)에 나타난 바와 같이 균열 내부와 주변에서 발생한 웨이브는 상당한 차이를 보인다.In an embodiment of the present invention, for a crack at a target adjacent to the surface, such as a primary water stress corrosion crack (PWSCC), the waves generated in and around the cracks, as shown in Figure 6 (b), show significant differences.

도 7의 (a)는 원 영역의 (40.0, 34.2), (40.1, 34.2) 및 (40.2, 34.2)에서 획득한 수평 인접 신호들을 나타내었다. 마찬가지로, 도 7의 (b)는 (40.0, 34.2), (40.0, 34.3) 및 (40.0, 34.4)에서 획득한 수직 인접 신호들을 보여준다. 원 표면에 생성된 수평 또는 수직 인접 신호들은 방향에 관계없이, 서로 매우 강한 유사성을 보인다.FIG. 7A shows horizontal adjacent signals obtained from (40.0, 34.2), (40.1, 34.2) and (40.2, 34.2) of the original region. Similarly, FIG. 7B shows the vertical adjacency signals obtained from (40.0, 34.2), (40.0, 34.3) and (40.0, 34.4). Horizontally or vertically adjacent signals generated on the circle surface show very strong similarities with each other regardless of direction.

도 7의 (c)는 인공 균열의 가까운 위치에 배치된 세 가지 수평 인접 점들인 (14.0, 12.3), (14.1, 12.3) 및 (14.2, 12.3)에서 획득된 신호들을 나타나 있다. 이 인접 신호들 역시 매우 강한 유사성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 2mm 레이저 빔은 거의 그 방향에 따라 표면 균열을 스캔하기 때문에, 레이저 빔과 균열 사이의 상호 작용은 상당히 다르지 않고, 이에 따라 인접하여 생성된 신호들은 매우 유사하게 된다.Figure 7 (c) shows the signals obtained at (14.0, 12.3), (14.1, 12.3) and (14.2, 12.3), which are three horizontal adjacent points located close to the artificial crack. It can be seen that these adjacent signals also have very strong similarities. Since the 2mm laser beam scans the surface cracks in almost that direction, the interaction between the laser beam and the cracks is not significantly different, and thus the signals generated in close proximity are very similar.

반면, 레이저 빔은 그의 방향에 거의 수직하게 표면 균열을 스캔하기 때문에, 도 7의 (d)에 도시된 바와 같이, 수직 인접 신호들은 0.1mm의 작은 간격에도 불구하고 상당히 다르다.On the other hand, since the laser beam scans the surface cracks almost perpendicular to its direction, as shown in Fig. 7 (d), the vertically adjacent signals are considerably different despite a small interval of 0.1 mm.

결과적으로, 두 개의 인접 신호들을 선택하는 균열의 지향성을 고려하지 않는 기존의 AWPI 알고리즘은 처리 방향에 평행한 균열을 시각화에 실패할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 비파괴 검사장치에서는, 두 방향 인접 신호들을 처리하는 양방향 AWPI을 제안한다.As a result, existing AWPI algorithms that do not take into account the directionality of cracks that select two adjacent signals may fail to visualize cracks parallel to the processing direction. Accordingly, the nondestructive testing apparatus according to the embodiment of the present invention proposes a bidirectional AWPI for processing two-directional adjacent signals.

AWPI 알고리즘은 각기 다른 도착 시간을 갖는 두 신호를 매칭할 수 있는 신호 처리 과정을 포함한다.The AWPI algorithm includes signal processing that can match two signals with different arrival times.

이동할 샘플링 포인트의 개수를 결정할 때, 감산 신호 s(N)i-s(N±l)i+1가 최소 RMS 값을 가질 때, 이동할 샘플링 포인트들의 개수를 결정하면, 도착 시간 매칭은 두 신호들을 스캔하여 두 번째 신호의 시간 축을 이동함으로서 가능하다.When determining the number of sampling points to be moved, if the number of sampling points to be moved is determined when the subtraction signal s (N) i -s (N + 1) i + 1 has the minimum RMS value, It is possible to scan and move the time axis of the second signal.

Figure 112013018800522-pat00001
Figure 112013018800522-pat00001

여기서, i은 이동량, T와 N은 신호 획득 동안의 샘플링 간격과 데이터 포인트들의 개수를 나타낸다. 이동 시간은 l(T/N)[sec.]로 표현된다. lmax(T/N) < t < T-lmax(T/N)에서 계산된 sRMS가 최소인 경우, 첫 번째 신호 S(N)i 및 두 번째 신호 s(N)i+1가 매치하는 것으로 간주한다.Here, i represents the movement amount, and T and N represent the sampling interval and the number of data points during signal acquisition. The travel time is expressed as l (T / N) [sec.]. The first signal S (N) i and the second signal s (N) i + 1 are matched if s RMS calculated at l max (T / N) <t <T max I think.

따라서, 원 영역에서 획득된 두 개의 인접 파들이 유사한 경우에는 그들의 차를 최소화하기 위해 시간 포인트 조절을 하기 전이라도(하지만, 타임 포인트 조절 후라도 손상 지역에서 획득된 두 개의 인접 파들이 다르다면), 차 신호는 여전히 가시적인 잔여 성분을 포함한다. 잔여 파의 성질은 입사파, 분산파 및/또는 고립파의 잔여 성분을 발생시키는 손상 유형에 따라 달라진다.Thus, if two adjacent waves obtained in the original region are similar, even if the time point adjustment is made to minimize their difference (but the two adjacent waves obtained in the damaged region are different even after the time point adjustment) The signal still contains visible residual components. The nature of the residual wave depends on the type of damage that generates the incident wave, the dispersive wave and / or the residual component of the isolated wave.

도 8의 (a)에는 표면 균열의 (14.0, 12.3)에서의 첫 번째 신호와 (14.1, 12.3)에서의 두 번째 신호를 사용하여 수평 인접 파의 차가 나타나 있다. 수평 인접 파와 그에 평행한 균열 방향의 높은 유사성으로 인해, 차 신호에는 입사 파의 낮은 잔류 성분이 나타난다. 따라서, 수평 인접 파의 차들에 의한 AWPI는 입사파를 제외한 기형파(anomalous wave) 성분들의 가시성을 높이는데 실패할 수 있으며, 이는 도 9의 (d)에 나타나 있다.8A shows the difference between horizontal adjacent waves using the first signal at (14.0, 12.3) and the second signal at (14.1, 12.3) of the surface cracks. Due to the high similarity of the horizontal adjoining wave and its parallel crack direction, a low residual component of the incident wave appears in the difference signal. Therefore, AWPI due to the horizontal adjacent wave differences may fail to enhance the visibility of the anomalous wave components except the incident wave, which is shown in FIG. 9 (d).

한편, 도 8의 (b)에는 (14.0, 12.3)에서의 첫 번째 신호와 (14.0, 12.4)에서의 두 번째 신호를 이용하여 수직 인접 파를 차감한 결과를 나타내었는데, 도 8의 (a)에 나타난 신호들과 동일한 간격을 갖는 신호들일지라도 높은 진폭을 갖는 입사 파의 높은 잔여 성분을 보여준다.8B shows a result obtained by subtracting the vertical adjacent wave using the first signal at (14.0, 12.3) and the second signal at (14.0, 12.4). FIG. Shows the high residual component of the incident wave having a high amplitude even though the signals have the same interval as the signals shown in FIG.

도 8의 (c)에 도시된 수직 인접 파들의 차감 결과는 표면 균열 위치와 무관한 (40.0, 34.2)와 (40.0, 34.3)에서의 신호들을 이용하여 계산되었다. 도 8의 (b)에 도시된 바와 같은 수직 인접 파들로 처리하는 경우도, 마찬가지로 타임 포인트 조절 및 차감에 의해 잔여 성분이 완전히 제거되었다.The subtraction results of the vertically adjacent waves shown in FIG. 8 (c) were calculated using the signals at (40.0, 34.2) and (40.0, 34.3) independent of the surface crack position. In the case of processing with vertically adjacent waves as shown in FIG. 8 (b), the remaining components were completely removed by time point adjustment and subtraction.

따라서, 균열 방향은 실제 응용 프로그램에서 알 수 없으므로, 임의의 방향 균열을 간과하지 않기 위해서는 양방향 AWPI이 필요하다.Therefore, since the crack direction is not known in actual application programs, bidirectional AWPI is required in order not to overlook any directional cracks.

도 9는 도 4에 제시된 실물에 대한 실험 결과를 나타낸 도면이다. 도 9에 도시된 바에 따르면, UWPI, USI, WUPI에 비해, AWPI 기법의 성능이 더 우수함을 확인할 수 있다.FIG. 9 is a diagram showing an experimental result on the real object shown in FIG. 9, the performance of the AWPI scheme is superior to that of UWPI, USI, and WUPI.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사장치의 설명에 제공되는 도면이다. 본 실시예에 따른 비파괴 검사장치는, 관통관 내부를 점검하기 위한 장치라는 점에서, 도 3에 도시된 비파괴 검사장치와 차이가 있다.FIG. 10 is a view of a non-destructive inspection apparatus according to another embodiment of the present invention. The nondestructive inspection apparatus according to the present embodiment is different from the nondestructive inspection apparatus shown in Fig. 3 in that it is an apparatus for inspecting the inside of a pipe.

이를 위해, 본 실시예에 따른 비파괴 검사장치의 LMS(110)은 관통관 내부에 레이저를 스캐닝 조사한다. 또한, 본 실시예에 따른 비파괴 검사장치에 추가적으로 구비되는 LM(Laser Mirror)(190)은 LMS(110)에 의해 스캐닝 조사되는 레이저를 관통관 내부 면으로 반사시킨다.To this end, the LMS 110 of the nondestructive inspection apparatus according to the present embodiment scans and irradiates a laser inside the tube. In addition, the LM (Laser Mirror) 190, which is additionally provided in the nondestructive inspection apparatus according to the present embodiment, reflects the laser beam scanned by the LMS 110 to the inner surface of the tube.

이 밖의 다른 구성들에 대한 설명은 도 3 및 그에 대한 상세한 설명으로부터 유추가능하므로 생략한다.The description of other configurations is omitted because it is inferred from FIG. 3 and the detailed description thereof.

또한 원자로 하부헤드 관통노즐의 경우도 유사한 구성으로 검사가능하기때문에 생략한다.Also, the lower head penetration nozzle of the reactor can be inspected with a similar configuration, so it is omitted.

그리고, 위 실시예들에서, 초음파 센서(150)와 레이저 초음파 수신기(180)는 하나로 구현한 것을 상정하였으나 이는 설명의 편의를 위한 예시적인 것에 불과하다. 이들의 개수는 다수개로 구현할 수 있다.In the above embodiments, it is assumed that the ultrasonic sensor 150 and the laser ultrasonic receiver 180 are implemented as a single unit, but this is merely an example for convenience of explanation. The number of these can be realized by a plurality of.

그리고, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention.

110 : LMS(Laser Mirror Scanner)
120 : QL(Q-switched diode-pumped solid state laser)
130 : QL 제어기 140 : PC
150 : 초음파 센서 160 : 센서 시스템
170 : 로봇 팔 180 : 레이저 초음파 수신기
190 : LM(Laser Mirror)
110: Laser Mirror Scanner (LMS)
120: Q-switched diode-pumped solid state laser (QL)
130: QL controller 140: PC
150: ultrasonic sensor 160: sensor system
170: Robotic arm 180: Laser ultrasonic receiver
190: Laser Mirror (LM)

Claims (10)

비파괴 검사장치에 있어서,
연속파 레이저를 Q-스위칭하여, 레이저빔 펄스를 생성하는 레이저;
상기 레이저에서 생성된 레이저빔 펄스를 스캐닝 조사하는 LMS(Laser Mirror Scanner);
상기 레이저에 의해 생성된 초음파를 감지하는 초음파 센서;
상기 초음파 센서에 의해 감지된 초음파를 영상화하는 이미지 처리 장치;
상기 초음파 센서를 특정 위치에 설치하기 위한 로봇 팔; 및
상기 LMS에 의해 스캐닝 조사되는 레이저를 관통관 내에서 반사시키는 LM(Laser Mirror);를 포함하고,
상기 LMS가 원자로 상부헤드와 제어봉 구동장치 관통관 사이의 이종 용접부에 상기 레이저를 스캐닝 조사하면, 상기 로봇 팔에 의해 상기 이종 용접부에 설치된 상기 초음파 센서가 초음파를 감지하고,
상기 LMS가 상기 원자로 상부헤드에 마련된 제어봉 구동장치 관통관 내부로 상기 레이저를 조사하면, 상기 LM이 상기 레이저를 상기 관통관 내부 면으로 스캐닝 조사시키고, 상기 초음파 센서가 초음파를 감지하고,
상기 이미지 처리 장치는, 다수의 방향에 대해 인접 초음파들을 처리하여 균열을 파악하며,
상기 비파괴 검사장치는,
인접한 초음파들의 차가 최소가 되도록, 상기 레이저빔 펄스의 스캐닝 간격 및 시간을 조절하는 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴 검사장치.
In the nondestructive test apparatus,
A laser for Q-switching a continuous wave laser to generate a laser beam pulse;
An LMS (Laser Mirror Scanner) for scanning the laser beam pulses generated by the laser;
An ultrasonic sensor for detecting ultrasonic waves generated by the laser;
An image processing device for imaging the ultrasonic wave sensed by the ultrasonic sensor;
A robot arm for installing the ultrasonic sensor at a specific position; And
And a LM (Laser Mirror) that reflects the laser scanned and irradiated by the LMS in a pipe tube,
When the LMS scans the laser to a different weld between the upper reactor head and the control rod drive pipe, the ultrasonic sensor installed on the dissimilar welding part detects the ultrasonic wave by the robot arm,
When the LMS irradiates the laser to the inside of a control rod drive pipe tube provided in the upper head of the reactor, the LM scans the laser to the inner surface of the pipe tube, and the ultrasonic sensor senses the ultrasonic wave,
The image processing apparatus processes adjacent ultrasonic waves in a plurality of directions to grasp a crack,
The nondestructive inspection apparatus includes:
Further comprising a controller for adjusting a scanning interval and a time of the laser beam pulses so that a difference between adjacent ultrasonic waves is minimized.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 초음파 센서는,
접촉식 초음파 센서 또는 비접촉식 초음파 센서인 것을 특징으로 하는 비파괴 검사장치.
The method according to claim 1,
The ultrasonic sensor includes:
A contact type ultrasonic sensor or a non-contact type ultrasonic sensor.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 레이저에 의해 발생한 초음파를 수신하여 상기 이미지 처리 장치로 전달하는 레이저 초음파 수신기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴 검사장치.
The method according to claim 1,
And a laser ultrasonic receiver for receiving ultrasonic waves generated by the laser and transmitting the ultrasonic waves to the image processing apparatus.
레이저를 생성하는 단계;
상기 생성단계에서 생성된 레이저를 조사하는 단계;
상기 레이저에 의해 생성된 초음파를 감지하는 단계; 및
상기 감지단계에 의해 감지된 초음파를 영상화하는 단계;를 포함하고,
상기 조사 단계에서 특정 영역의 다수 지점에 상기 레이저를 스캐닝 조사하는 동안, 상기 감지단계에서 상기 초음파를 감지하는 초음파 센서의 위치는 고정되어 있고,
상기 조사단계에서 원자로 상부헤드와 제어봉 구동장치 관통관 사이의 이종 용접부에 상기 레이저가 스캐닝 조사되면, 상기 감지 단계는 로봇 팔에 의해 상기 이종 용접부에 설치된 초음파 센서가 관통관, 용접부 및 상부헤드 일부를 차례로 통과한 초음파를 감지하고,
상기 조사단계에서 상기 원자로 상부헤드에 마련된 제어봉 구동장치 관통관 내부로 상기 레이저가 조사되면 LM(Laser Mirror)이 상기 레이저를 상기 관통관 내부 면으로 스캐닝 조사시키며,
상기 영상화 단계는,
다수의 방향에 대해 인접 초음파들을 처리하여 균열을 파악하는 단계;를 포함하고,
상기 조사하는 단계는,
인접한 초음파들의 차가 최소가 되도록, 상기 레이저빔 펄스의 스캐닝 간격 및 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 비파괴 검사방법.
Generating a laser;
Irradiating the laser generated in the generating step;
Sensing ultrasound generated by the laser; And
And imaging the ultrasound sensed by the sensing step,
Wherein the position of the ultrasonic sensor for sensing the ultrasonic waves in the sensing step is fixed while scanning the laser to a plurality of points of the specific region in the irradiation step,
In the irradiating step, when the laser beam is scanned and irradiated onto a different weld between the upper head of the reactor and the control rod drive pipe, the ultrasonic sensor installed on the dissimilar welded part by the robot arm detects a part of the pipe, The ultrasound waves, in turn,
Wherein when the laser is irradiated into the control tube drive pipe tube provided in the upper head of the reactor in the irradiating step, a laser mirror (LM) irradiates the laser onto the inner surface of the tube,
Wherein the imaging step comprises:
And processing the adjacent ultrasonic waves in a plurality of directions to grasp the cracks,
Wherein said examining comprises:
Wherein the scanning interval and time of the laser beam pulses are adjusted so that a difference between adjacent ultrasonic waves is minimized.
삭제delete
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비파괴검사학회지 논문(2012년) *
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