KR101538908B1 - 레이저 초음파 및 전단간섭계가 통합된 원전 배관의 안전 진단시스템 - Google Patents

Abstract

레이저 초음파 및 전단간섭계가 통합된 원전 배관의 안전 진단시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원전 배관의 안전 진단시스템은 피검사체 상에 조사되어 초음파를 발생시키는 펄스 레이저광을 발진하는 펄스 레이저 발진기; 펄스 레이저광이 피검사체 상에 조사되기 전에 펄스 레이저광을 제1 레이저광과 제2 레이저광으로 분할하는 제1 광분할부; 피검사체로부터 반사된 상기 제1 레이저광을 수광하여 전단간섭계를 통해 피검사체의 변형 정보를 획득하는 CCD 카메라부; 제2 레이저광이 조사된 영역과 동일한 영역에 초음파 검출을 위한 연속파 레이저광을 발진하는 연속파 레이저 발진기; 피검사체로부터 반사된 제2 레이저광과 연속파 레이저광을 간섭시켜 생기는 광량 변화에 의거하여 피검사체의 내부를 전파한 초음파를 검출하는 레이저 간섭계부; 및 CCD 카메라부로부터 획득한 피검사체의 변형 정보와 레이저 간섭계부로부터 획득한 초음파 정보를 토대로 상기 피검사체의 결함 위치, 크기, 깊이를 측정하는 정보처리부를 포함한다.

Description

레이저 초음파 및 전단간섭계가 통합된 원전 배관의 안전 진단시스템{SAFETY MONITORING SYSTEM OF NUCLEAR EQUIPMENT WITH INTERGRATING SYSTEM OF LASER ULTRASONIC AND SHEAROGRAPHY}

본 발명은 원전 배관의 안전 진단시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원전 배관에서 감육 및 부식에 의해 발생하는 내부 결함의 위치, 크기, 깊이를 비접촉 및 비파괴 방법으로 정량적 측정함으로써 원전 배관의 안전을 선제적으로 진단가능한 원전 배관의 안전 진단시스템에 관한 것이다.

원자력 산업에서 이용되는 모든 구조물과 기기 부품들은 다양한 결함에 의해 영향을 받는다. 이러한 결함은 조립 과정에서 생성될 수도 있고, 재료에서 하나의 단품으로 제작될 시에 불순물 용입 등의 원인으로 인해 발생할 수도 있으며, 구조물 및 기기의 사용에 따른 마모, 부식, 일정한 하중에 의해 발생할 수도 있다. 존재하는 결함이 구조물 및 기기(내지 원전 배관)의 파손에 이르게 될 경우에 그로 인해 발생하는 파급력은 이미 2011년 일본에서 발생한 원자력 발전소의 사고 사례로부터 충분히 인지되어 있다. 원전 기기, 원전 배관의 점검 및 관리 기술이 계속해서 연구되는 이유다.

원전 기기의 고온 환경, 방사선 위험, 복잡한 형상 등과 같은 특성은 원전 배관의 신뢰성 평가 및 수명 평가시 난해한 요소로 작용한다. 기존에는 초음파/와전류 탐상, 스트레인 게이지 등이 이용되었으나, 이들은 접촉식 검사로 원전 기기의 상술한 특성상 큰 제약이 있었다. 게다가 최근에는 고기능 재료의 출현으로 검사하고자 하는 결함의 크기가 점차 작아지는 바, 초음파의 주파수가 높아지고 있다. 높은 주파수의 비접촉식 원격 센서와 같은 초음파 기술이 요구되는 이유다.

이와 같은 초음파 기술의 대표적인 예로는 고출력 펄스 레이저를 이용하여 초음파 신호를 발생시키고, 안정화된 레이저를 이용하여 초음파 신호를 측정하는 비접촉식 레이저 초음파 기술을 들 수 있다. 비접촉식 레이저 초음파 기술은 신호 발생 및 측정을 레이저로 실행함으로써 중간 매개가 필요 없는 비접촉 계측 방법일 뿐만 아니라, 작업 거리 유지에도 유연성을 갖추고 있어 원격 검사가 가능하다. 따라서 원전 배관과 같이 접근이 어려운 열악한 환경이나, 고온 환경에서의 물체 검사에 보다 유리하다는 장점이 있다.

따라서 원전 배관의 결함 진단에 있어 상술한 비접촉식 레이저 초음파 기술에 대한 관심이 높아지고 있으며, 세부 성능을 향상시키고자 하는 연구가 많이 진행되는 실정이다.

비특허문헌 1: 홍경민 외 3인, "배관부 감육 손상의 비파괴 평가를 위한 레이저 초음파 기술 적용", Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 33, No. 4: 361-367, 2013 (2013.07.26.)

본 발명은 단일 레이저를 사용하여 초음파 수신 및 전단간섭계(sherography) 이미지 검출을 수행할 수 있는 레이저 초음파 및 전단간섭계가 통합된 원전 배관의 안전 진단시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 피검사체 상에 조사되어 초음파를 발생시키는 펄스 레이저광을 발진하는 펄스 레이저 발진기; 상기 펄스 레이저광이 상기 피검사체 상에 조사되기 전에 상기 펄스 레이저광을 제1 레이저광과 제2 레이저광으로 분할하는 제1 광분할부; 상기 피검사체로부터 반사된 상기 제1 레이저광을 수광하여 전단간섭계를 통해 상기 피검사체의 변형 정보를 획득하는 CCD 카메라부; 상기 제2 레이저광이 조사된 영역과 동일한 영역에 초음파 검출을 위한 연속파 레이저광을 발진하는 연속파 레이저 발진기; 상기 피검사체로부터 반사된 상기 제2 레이저광과 상기 연속파 레이저광을 간섭시켜 생기는 광량 변화에 의거하여 상기 피검사체의 내부를 전파한 초음파를 검출하는 레이저 간섭계부; 및 상기 CCD 카메라부로부터 획득한 상기 피검사체의 변형 정보와 상기 레이저 간섭계부로부터 획득한 초음파 정보를 토대로 상기 피검사체의 결함 위치, 크기, 깊이를 측정하는 정보처리부를 포함하는 원전 배관의 안전 진단 시스템이 제공될 수 있다.

이 때, 상기 피검사체로부터 반사된 상기 제1 레이저광은 제2 광분할부에 의해 두 개의 서로 다른 경로로 분할되어 각각 전단거울 및 위상이동거울에 조사된 후 다시 반사되어 CCD 카메라의 맺힐 수 있다.

또한, 상기 레이저 간섭계부는 공초점 패브리-페럿 간섭계(Confocal Fabry-Perot Interferometer)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 펄스 레이저광 및 연속파 레이저광은 광섬유를 통해 전달될 수 있다.

한편, 상기 제1 레이저광은 상기 피검사체의 표면 영역으로 조사되고, 상기 제2 레이저광은 상기 피검사체에 수직 방향으로 조사될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 원전 배관의 안전 진단 시스템은 단일 레이저를 사용하여 레이저 초음파 방식 및 전단간섭계 방식을 통합하여 구현함으로써, 빠른 측정속도를 갖는 전단간섭계 방식을 통해 원전 배관 전면부에 걸쳐 내부 결함에 대한 1차 검사를 수행할 수 있고, 레이저 초음파 방식을 통해 원전 배관 내부 결합의 크기 뿐만 아니라 깊이까지 측정할 수 있는 바, 원전 배관의 결함 발생에 대한 적절한 예측 및 건전성 평가가 가능하다.

도 1은 종래 전단간섭계 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래 레이저 초음파 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원전 배관의 안전 진단시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

도 1은 종래 전단간섭계 시스템(10)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참고하면, 전단간섭계 시스템(10)은 레이저를 이용한 다른 간섭계들(out-of plane ESPI 등)과는 달리 간섭계의 구성이 간단하며, 빛의 위상을 영향을 주는 진동 및 공기의 와류 등의 외부 환경적인 변수에 의한 영향이 적어 실제 산업 현장에 적용 가능한 계측 방식이다.

전단간섭계 시스템(10)을 간략히 설명한다. 레이저 다이오드(11)로부터 발진된 빛이 피검사체(S)에 조사된다(본 명세서에서 피검사체는 시편, 원전 배관 등을 의미함). 이 때, 상기 빛은 미러를 통해 피검사체(S)의 표면 영역으로 확산 및 조사된다(도 1에 표기된 P1 및 P2). 조사된 상기 빛은 피검사체(S)로부터 반사되어 광분할기(12, Beam Splitter)에 의해 두 개의 서로 다른 경로로 분할된다. 분할된 빛은 각각 전단거울(13, Shear Mirror)과 위상이동거울(14, Phase Shift Mirror)에 조사된 후 다시 반사되어 CCD 카메라(40)의 상면에 맺히게 된다. 여기에서 위상이동거울(14)은 위상이동법(Phase Shifting Method)을 적용하기 위해 배치되는 것이다.

상기 반사된 빛이 CCD 카메라(15)의 상면에 맺히게 되면 빛의 간섭현상이 일어나게 되어 나비모양(Butterfly Pattern)의 간섭무늬를 얻게 된다. 상기 간섭무늬는 피검사체(S)의 변형 구배 정보를 담고 있으며, 상기 간섭무늬를 해석함으로써 피검사체(S)의 변형 정보를 얻을 수 있다.

구체적으로는 CCD 카메라(15)는 주기적으로 간섭 무늬를 촬영하며, CCD 카메라(15)에서 촬영한 영상을 영상 처리 소프트웨어에 의해 위상을 계산한다. 그리고 피검사체(S)에서 결함이 있는 부위와 없는 부위간의 위상차(phase difference)를 이용하여 피검사체(S)의 표면과 내부에 존재하는 결함에 대한 위치, 크기 및 모양을 정량적으로 구할 수 있도록 구성된다. 한편, 압전 소자(16)는 위상이동거울(14)에 부착되어 위상이동거울(14)로 입사되는 광 영상의 파장을 조정하는 기능을 한다.

상기와 같이 구성되고 동작하는 전단간섭계 시스템(10)은 빠른 측정속도를 가지고 있다는 장점이 있으나, 결함의 깊이 등을 측정하지 못하는 한계 역시 존재한다.

도 2는 종래 레이저 초음파 시스템(20)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2를 참고하면, 레이저 초음파 시스템(20)은 고출력 펄스 레이저를 이용하여 초음파 신호를 발생시키고, 안정화된 레이저를 이용하여 초음파 신호를 측정하는 기술로서, 신호 발생 및 측정을 레이저로 실행함으로써 중간 매개가 필요 없는 비접촉 계측 방법이다.

레이저 초음파 시스템(20)을 간략히 설명한다. 레이저 초음파 시스템(20)은 펄스 레이저광(L1)을 피검사체(S)에 조사하는 초음파 발생용 레이저 광원(21)과, 펄스 레이저광(L1)에 의해 발생하여 피검사체(S)의 두께 방향으로 전파하는 초음파를 검출하는 연속파 레이저광(L2)을 펄스 레이저광(L1)이 조사된 영역과 동일한 영역에 조사하는 초음파 검출용 레이저 광원(22)과, 피검사체(S)에 의해 반사된 연속파 레이저광(L2)을 간섭시켜 초음파에 의해 도플러 시프트된 연속파 레이저 광의 광강도 변화를 감지하는 레이저 간섭계(23)을 포함한다.

또한, 레이저 간섭계(23)를 투과한 연속파 레이저광을 수광하고 광강도 변화로부터 초음파의 신호 파형을 출력하는 광검출부(24) 및 신호처리부(25)를 더 포함한다. 이와 같은 레이저 초음파 시스템(20)은 고출력 펄스 레이저광(L1)을 이용하여 피검사체(S) 표면에 조사하면 재료가 가진 열탄성의 효과로 인해 초음파가 발생하고, 발생된 초음파는 재료 내부로 전파되고 다시 전파된 초음파가 재료 내부에 존재하는 결함 및 피검사체(S)의 이면에 존재하는 결함 등에 반사되어 레이저 간섭계로 전달하는 원리를 이용한다. 이 때, 연속파 레이저광(L2)은 피검사체(S)의 각 부분에서 전달된 초음파를 획득하는 프로브로 작용하는 바, 초음파의 발생과 수신이 모두 비접촉으로 수행될 수 있는 장점을 갖는다.

상기와 같이 구성되고 동작하는 레이저 초음파 시스템(20)은 수중 작업이 가능할 뿐만 아니라 결함의 깊이 정보도 획득 가능한 정밀성을 지니는 장점이 있으나, 측정속도가 다소 늦다는 한계가 존재한다.

본 발명의 실시예들에 따른 원전 배관의 안전 진단시스템은 앞서 설명한 전단간섭계 시스템(10)과 레이저 초음파 시스템(20)을 하나로 통합한 진단시스템을 제공하고자 한다. 전단간섭계 시스템(10) 및 레이저 초음파 시스템(20)은 레이저 발진장치를 구비한다는 점에서 공통되는 바, 동일한 레이저 발진장치로 전단간섭계 방식 및 레이저 초음파 방식을 하나의 시스템에서 모두 구현하는 것이 가능하다는 점에서 본 발명이 착안되었다.

즉 본 발명의 실시예들에 따른 원전 배관의 안전 진단시스템은 전단간섭계 방식 및 레이저 초음파 방식의 장점을 모두 가지며, 전단간섭계 방식의 한계를 레이저 초음파 방식으로 극복하고 레이저 초음파 방식의 한계를 전단간섭계 방식으로 극복하는 것을 일 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 원전 배관의 안전 진단시스템에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원전 배관의 안전 진단시스템(100, 이하에서는 안전 진단시스템으로 약칭함)을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3을 참고하면, 안전 진단시스템(100)은 펄스 레이저 발진기(110), 제1 광분할부(미도시), CCD 카메라부(120), 연속파 레이저 발진기(130), 레이저 간섭계부(140) 및 정보처리부(150)를 포함할 수 있다. 각 구성에 대해 설명한다.

펄스 레이저 발진기(110)는 피검사체(S) 상에 조사되어 초음파를 발생시키는 펄스 레이저광(L1)을 발진하는 기능을 한다. 펄스 레이저광(L1)이 피검사체(S)의 표면에 조사되면 응발 효과(ablation effect) 또는 열탄성 효과(thermo-elastic effect)에 의해 초음파가 발생하며, 이러한 펄스 레이저광(L1)은 예컨대 야그(YAG) 레이저 등의 고출력 펄스 레이저가 사용될 수 있고, 광원으로는 반도체 여기 고체 레이저광원, 펄스 가스 레이저광원, 파이버 레이저광원, 반도체 레이저광원, 플래시 램프 등 다양할 수 있다.

제1 광분할부(미도시)는 펄스 레이저 발진기(110)의 전단에 배치되는 것으로 펄스 레이저광(L1)이 피검사체(S) 상에 조사되기 전에 펄스 레이저광(L1)을 제1 레이저광(L11)과 제2 레이저광(L12)으로 분할하는 기능을 한다.

여기에서 제1 레이저광(L11)은 전단간섭계 방식을 이용한 결함 측정에 이용되며, 제2 레이저광(L12)은 레이저 초음파 방식을 이용한 결함 측정에 이용된다. 이를 위해 제1 레이저광(L11)은 피검사체(S)의 표면 영역으로 조사되고(피검사체의 표면에 넓게 조사됨), 제2 레이저광(L12)은 피검사체(S)에 수직 방향으로 조사될 수 있다. 한편 도 3에 구체적으로 도시되어 있진 않으나 제1,2 레이저광(L11,L12)은 미러(mirror) 또는/및 렌즈(convex lens) 등과 같은 광학계를 통해 피검사체(S)의 표면에 조사될 수 있다. 광학계는 본 기술분야에서는 일반적인 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.

CCD 카메라부(120)는 피검사체(S)로부터 반사된 제1 레이저광(L11)을 수광하여 전단간섭계를 통해 피검사체(S)의 변형 정보를 획득하는 기능을 한다. CCD 카메라부(120)는 전단간섭계 방식을 통한 결함 측정에 필요한 각종 부품들을 포함한다. 예컨대 상기 부품들은 전단거울(121), 위상이동거울(122), CCD 카메라(123), 압전 소자(124) 등이 있다. 이들 부품들에 대해서는 앞서 전단간섭계 시스템에 대한 설명에서 이미 기술한 바 있으므로 중복 설명은 생략한다.

피검사체(S)로부터 반사된 제1 레이저광(L11)은 제2 광분할부(미도시)에 의해 두 개의 서로 다른 경로로 분할되어 각각 전단거울(121) 및 위상이동거울(122)에 조사된 후 다시 반사되어 CCD 카메라(123)에 맺히게 된다. CCD 카메라(123)에 빛이 맺히면 간섭현상이 일어나 나비모양의 간섭무늬(본 명세서에서는 피검사체(S)의 변형 정보)가 나타나며, 상기 간섭무늬는 앞서 설명한 바와 같이 피검사체(S)의 표면과 내부에 존재하는 결함에 대한 위치, 크기 및 모양을 정량적으로 구할 수 있는 데이터로 기능한다.

연속파 레이저 발진기(130)는 제2 레이저광(L12)이 조사된 영역과 동일한 영역에 초음파 검출을 위한 연속파 레이저광(L2, CW Laser)을 발진하는 기능을 한다. 제2 레이저광(L12, 펄스 레이저광)의 조사 영역과 동일한 영역에 연속파 레이저광(L2)을 조사하면 피검사체(S)에 발생된 초음파에 의해 연속파 레이저광(L2)의 파장에 도플러 시프트가 생기게 된다. 그리고 도플러 시프트된 연속파 레이저광(L2)은 레이저 간섭계부(140)로 전달될 수 있다.

한편 펄스 레이저광(L1) 및 연속파 레이저광(L2)은 광섬유(optic fiber)를 통해 전달될 수 있다. 레이저광을 광섬유를 통해 전달하게 되면 원격으로 복잡한 구조물에 대해서도 적용이 용이하여, 광대역 정보를 얻을 수 있어 복잡한 구조물의 피로열화, 미세결함, 정밀 두께 등을 측정할 수 있다. 광섬유는 길이에 따른 신호의 왜곡이나 에너지 감쇠현상이 방지될 수 있기 때문이다.

레이저 간섭계부(140)는 피검사체(S)로부터 반사된 제2 레이저광(L12)과 연속파 레이저광(L2)을 간섭시켜 생기는 광량 변화에 의거하여 피검사체(S)의 내부를 전파한 초음파를 검출하는 기능을 한다. 이 때, 레이저 간섭계부(140)는 공초점 패브리-페럿 간섭계(Confocal Fabry-Perot Interferometer)를 포함할 수 있다. 한편 감지된 광량 변화는 광 검출부(미도시)로 전달될 수 있으며, 상기 광 검출부는 레이저 간섭계를 통과한 연속파 레이저광(L2)을 수광하여 광강도 변화로부터 초음파의 신호 파형을 출력하고 상기 신호 파형은 정보처리부(150)에서 처리됨으로써 피검사체(S)의 결함 깊이를 측정할 수 있다.

정보처리부(150)는 CCD 카메라부(120)로부터 획득한 피검사체의 변형 정보를 전달 받고, 레이저 간섭계부(140)로부터 획득한 초음파 정보를 전달 받는다. 그리고 상기 변형 정보 및 초음파 정보를 토대로 피검사체(S)의 결함 위치, 크기, 깊이를 측정한다. 상기 측정은 정보처리부(150)에 내장되어 있는 소프트웨어를 통해 이루어질 수 있다.

상기한 것과 같이 구성 가능한 안전 진단시스템(100)은 전단간섭계 방식 및 레이저 초음파 방식을 하나의 시스템에 통합함으로써, 전단간섭계 방식의 빠른 측정속도와 레이저 초음파 방식의 정밀 측정(예컨대 결함의 깊이)이 모두 가능하다는 장점을 갖는다. 따라서 전단간섭계 방식의 한계(결함 깊이 측정 불가)를 레이저 초음파 방식을 통해 해결하며, 레이저 초음파 방식의 한계(측정속도 늦음)는 전단간섭계 방식을 통해 해결 가능하다.

즉, 본 발명에 따른 원전 배관의 안전 진단시스템은 빠른 측정속도를 갖는 전단간섭계 방식을 통해 원전 배관 전면부에 걸쳐 내부 결함에 대한 1차 검사를 수행할 수 있고, 레이저 초음파 방식을 통해 원전 배관 내부 결합의 크기 뿐만 아니라 깊이까지 측정할 수 있는 바, 원전 배관의 결함 발생에 대한 적절한 예측 및 건전성 평가가 가능하다.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술의 구체적 적용에 따른 단순한 설계변경, 일부 구성요소의 생략, 단순한 용도의 변경 등 본 발명을 다양하게 변형할 수 있을 것이며, 이러한 변형 역시 본 발명의 권리범위 내에 포함됨은 자명하다.

10: 전단간섭계 시스템 11: 레이저 다이오드
12: 광분할기 13: 전단거울
14: 위상이동거울 15: CCD 카메라
16: 압전 소자 20: 레이저 초음파 시스템
21: 초음파 발생용 레이저 광원 22: 초음파 검출용 레이저 광원
23: 레이저 간섭계 24: 광검출부
25: 신호처리부 100: 원전 배관의 안전 진단시스템
110: 펄스 레이저 발진기 120: CCD 카메라부
130: 연속파 레이저 발진기 140: 레이저 간섭계부
150: 정보처리부

Claims (5)

1. 피검사체 상에 조사되어 초음파를 발생시키는 펄스 레이저광을 발진하는 펄스 레이저 발진기;
   상기 펄스 레이저광이 상기 피검사체 상에 조사되기 전에 상기 펄스 레이저광을 제1 레이저광과 제2 레이저광으로 분할하는 제1 광분할부;
   상기 피검사체로부터 반사된 상기 제1 레이저광을 수광하여 전단간섭계를 통해 상기 피검사체의 변형 정보를 획득하는 CCD 카메라부;
   상기 제2 레이저광이 조사된 영역과 동일한 영역에 초음파 검출을 위한 연속파 레이저광을 발진하는 연속파 레이저 발진기;
   상기 피검사체로부터 반사된 상기 제2 레이저광과 상기 연속파 레이저광을 간섭시켜 생기는 광량 변화에 의거하여 상기 피검사체의 내부를 전파한 초음파를 검출하는 레이저 간섭계부; 및
   상기 CCD 카메라부로부터 획득한 상기 피검사체의 변형 정보와 상기 레이저 간섭계부로부터 획득한 초음파 정보를 토대로 상기 피검사체의 결함 위치, 크기, 깊이를 측정하는 정보처리부를 포함하고,
   상기 피검사체로부터 반사된 상기 제1 레이저광은 제2 광분할부에 의해 두 개의 서로 다른 경로로 분할되어 각각 전단거울 및 위상이동거울에 조사된 후 다시 반사되어 CCD 카메라의 맺히는 원전 배관의 안전 진단 시스템.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 레이저 간섭계부는 공초점 패브리-페럿 간섭계(Confocal Fabry-Perot Interferometer)를 포함하는 원전 배관의 안전 진단 시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 펄스 레이저광 및 연속파 레이저광은 광섬유를 통해 전달되는 원전 배관의 안전 진단 시스템.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 레이저광은 상기 피검사체의 표면 영역으로 조사되고, 상기 제2 레이저광은 상기 피검사체에 수직 방향으로 조사되는 원전 배관의 안전 진단 시스템.

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