KR101587740B1

KR101587740B1 - 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈

Info

Publication number: KR101587740B1
Application number: KR1020140155674A
Authority: KR
Inventors: 최명선; 이효문; 김영근; 송홍석; 원덕수; 이영석
Original assignee: 한국가스공사
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2016-01-22

Abstract

본 발명은 피검사체와 균일한 음향학적 결합을 허용하는 가압수단의 사용을 용이하게 하며 피검사체에의 탈부착을 쉽게 할뿐 아니라 솔레노이드코일이 RF코일배열에 의한 고주파수의 동자기장의 형성과 탐지를 방해하는 것을 근본적으로 방지할 수 있어 검사 성능과 효율을 높일 수 있고, 솔레노이드코일이 그 주변에 있을 수 있는 전자기파 잡음으로부터 RF코일배열을 보호하는 역할도 수행하게 되므로 환경 잡음에 보다 강인한 특성을 갖는 접촉식 자왜 피도파 변환기를 제공할 수 있도록 한 것으로서;
SH-피도파의 진행방향에 수직한 방향으로 바이어스 정자기장을 형성시키는 솔레노이드코일이 유연한 자왜패치와 상기 자왜패치의 후면에 위치되어 의도된 SH-피도파의 진행방향과 나란한 방향으로 동자기장을 발생시키거나 또는 수신과정에서 SH-피도파의 진행방향과 나란한 방향으로 자기선속의 변화를 탐지하는 RF코일배열을 함께 감싸도록 하여 자왜패치, RF코일배열, 솔레노이드코일 등의 모든 구성요소를 포함하도록 일체화된 모듈 형태로 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈을 구성하는 것이 특징이다.

Description

접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈{CONTACT TYPE MAGNETOSTRICTIVE GUIDED-WAVE TRANSDUCER MODULE}

본 발명은 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 파이프나 배관과 같은 구조물의 이상 여부를 피도초음파(Guided Ultrasonic Wave)를 이용하여 피검사체의 손상 없이 확인할 수 있게 하는 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈에 관한 것이다.

수력, 화력, 가스, 원자력 등의 전력산업, 석유화학산업 등의 기간산업에서 설비들이 대형화 및 고도화됨에 따라 그들의 안전성 확보가 점점 더 중요해지고 있다. 이러한 설비들은 다양한 규격의 수많은 배관들을 포함하고 있다.

배관을 통하여 산업에 필요한 유체를 이동시키게 되는데 배관의 설치시기, 배관의 재질, 배관 내부 유체의 종류 등에 따라 배관의 내구성이 일률적이지 못하다. 그래서 주기적으로 배관의 이상 유무를 검사나 감시함으로써 일어날 수도 있는 안전사고에 대비해야 한다.

상기와 같은 배관의 검사 또는 감시를 기존의 국부적인 방법으로 수행할 경우에는 많은 시간과 비용이 소요되며, 더구나 검사원이 직접 접근하기 어려운 위치에 있는 배관의 경우 이 같은 방법으로는 검사 자체가 불가능할 수 있다.

이러한 문제들을 해결하기 위하여 원거리초음파검사(Long Range Ultrasonic Testing, LRUT) 기술들이 개발되어 왔다.

이 LRUT는 판, 쉘, 봉, 로프, 튜브, 파이프 등과 같이 경계면을 갖는 구조물 요소에서 그 경계면에 의해 안내되어 멀리 전파될 수 있는 낮은 주파수(보통 100 ㎑ 이하)의 탄성 피도파(Guided Elastic Waves)를 이용하여 구조물 두께 내부에 존재할 수 있는 부식, 균열 등과 같은 결함들을 원거리에서 탐지하여 구조물의 안전성 여부 또는 이상 여부에 대한 비용 효율적인 진단과 감시를 가능하게 하는 초음파 비파괴검사의 한 방법이다.

효율적인 LRUT를 위하여 본원 출원인 또한 다수의 특허를 출원하여 등록받은 바 있다. 본원과 직접적으로 관련된 특허 제 1068350 호와 특허 제 1068306 호의 기술내용을 간략하게 살펴보면 다음과 같다.

특허 제 1068350 호는 수평횡(Shear Horizontal: SH) 모드(mode) 피도파의 송수신을 이용하는 LRUT에 적용하기 위한 접촉식 SH-피도파 자왜변환기에 관한 것이다.

이 변환기는 검사 대상이 되는 시험체 상에 결합되어 전자기음향 변환이 발생되는 변환밴드와 상기 변환밴드의 상에 배치되는 RF코일배열로 구성되고, 자왜밴드라고도 불리는 상기 변환밴드는 상기 SH-피도파의 송신 또는 수신을 위한 상기 전자기음향 변환이 발생되는 자왜스트립과 이 스트립의 길이방향으로 바이어스 정(Static)자기장이 형성되도록 그 둘레를 따라 나선형으로 감긴 솔레노이드코일을 구비한 자왜스트립 코어 판형 솔레노이드를 포함한다.

상기 RF코일배열은 송신과정에서 상기 자왜스트립의 폭 방향으로 동(Dynamic)자기장을 형성시키거나 수신과정에서 상기 자왜스트립으로 들어 온 피도파에 기인한 자속(Magnetic Flux)의 변화를 탐지하는 역할을 담당한다.

특허 제 1068306 호는 LRUT에서 검사 대상이 되는 시험체 상에 결합되어 사용되는 변환밴드에 관한 것이다.

이 변환밴드는 상기 피도파의 송신 또는 수신을 위한 전자기음향 변환이 발생되는 자왜스트립, 상기 자왜스트립의 하면에 음향학적으로 결합되도록 배치되어 상기 변환밴드의 형태를 유지시키고 상기 자왜스트립이 손상되는 것을 방지하는 비강자성 금속스트립, 상기 비강자성 금속스트립의 하면에 코팅되어 상기 시험체와 결합을 위해 에폭시를 사용하는 경우에도 상기 시험체의 표면으로부터 상기 변환밴드의 탈착이 용이하도록 돕는 테플론과 같은 비점착성 재질의 접촉층(Contact Layer) 등으로 구성된다.

특허 제 10 - 1018554 - 0000 호 특허 제 10 - 1068350 - 0000 호 특허 제 10 - 1068306 - 0000 호 특허출원 제 10 - 2012 - 0055547 호

상기와 같은 종래 기술들 중, 바이어스 정자기장을 가하는 수단으로 영구자석을 이용하는 경우에는 자석의 크기가 커질수록 그 취급이 어려워지는 단점이 있다. 그래서 큰 직경의 배관에 이 기술을 적용하는 것은 현실적으로 어렵다.

정자기장을 가하는 수단으로 자왜패치를 감싸는 솔레노이드코일을 이용하고, 이 솔레노이드코일과 수직으로 교차하도록 자왜패치와 이 코일을 함께 감싸는 또 다른 솔레노이드코일을 RF코일로 이용하는 기술의 경우에는 배관과 같이 곡률이 있는 구조물에 적용될 수 있는 변환기의 제작이 어렵다.

그래서 이 기술은 평판 형태의 구조물에만 적용될 수 있었다. 배관과 같은 구조물에는 배관의 원주에 맞추어진 링(Ring)형태의 자왜스트립을 감싸는 형태의 토로이달(Toroida1) 코일과 이 코일과 수직으로 교차하도록 상기 토로이달 코일을 감싸는 솔레노이드코일로 구성되는 변환기를 이용하는 경우도 있다.

그러나 이 기술은 배관에의 반복적인 탈부착이 어려워 구조물 건전성 감시용으로만 사용되고 있는 실정이다.

정자기장을 가하는 수단으로 자왜패치를 감싸는 솔레노이드코일을 이용하고, RF코일로는 상기 자왜패치와 상기 솔레노이드 코일로 구성된 자왜밴드 위에 놓이는 미앤더라인(Meander Line)코일이나 늘어진(Elongated) 나선형 코일과 같은 표면(Surface) 코일을 이용하는 경우가 또한 있다.

이 경우에는 배관과 같이 곡률이 있는 구조물에 적용할 수 있는 변환기의 제작이 용이하고, 배관에 결합된 자왜밴드는 그대로 두고 RF코일배열만 교체함으로써 여러 주파수의 피도파 신호들을 측정할 수 있는 장점이 있었다.

그러나 이 기술에는 솔레노이드코일이 RF코일배열에 의한 동자기장의 형성과 탐지를 방해하는 단점이 있었고 이러한 단점은 주파수가 높아질수록 심각해져 고주파수의 피도파를 이용하는 검사 및 감시에 적용하기는 쉽지 않았다.

그리고 자왜밴드 위에 놓이는 RF코일배열의 존재 때문에 피검사체와 자왜밴드 사이의 균일한 음향학적 결합을 위하여 기계적인 압력을 가하기 위한 수단을 적용하는 것이 또한 쉽지 않았다.

배관과 자왜밴드 사이의 이 같은 결합 불량은 명확하지 못한 신호들을 유발하였을 뿐 아니라 검사의 재현성을 현저하게 저하시켰다. 피도파의 주파수 증가와 함께 이 문제점은 보다 빈번히 발생하곤 하였다.

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 SH-피도파의 진행방향에 수직한 방향으로 바이어스 정자기장을 형성시키는 솔레노이드코일이 유연성을 갖는 자왜패치와 상기 자왜패치의 후면 상에 배열되어 의도된 SH-피도파의 진행방향과 나란한 방향으로 동자기장을 발생시키거나 또는 이 방향으로 자기선속의 변화를 탐지하는 RF코일배열을 함께 감싸도록 하여 자왜패치, 솔레노이드코일, RF코일배열 등의 모든 구성요소들을 포함하도록 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈을 구성한다.

송신과정에서 자왜패치에서 발생된 피도파가 상기 자왜패치의 전면만을 통하여 배관에 전달되도록 하기 위해, 달리 말하면, 자왜패치 후면을 통한 RF코일배열로의 피도파의 직접적인 전달을 방지하기 위해 자왜패치의 후면과 RF코일배열 사이에 격리층(Separation Layer)을 삽입한다.

또한 송신 혹은 수신 과정에서 자왜패치 전면에 있는 솔레노이드코일 부위에 도달한 피도파가 솔레노이드코일을 따라 진행하여 상기 전면 부위로 다시 돌아오는 것을 최소화하기 위해 상기 전면 부위를 제외한 솔레노이드코일의 나머지 부분들에는 우레탄이나 실리콘 등과 같은 흡음재를 적용한다.

상기 흡음재의 적용 과정에서 이 흡음재가 RF코일 배열이나 자왜패치로 스며드는 것을 방지하기 위해 RF코일 배열과 솔레노이드 코일 사이에 또 다른 격리층을 삽입하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제공하는 접촉식 SH-피도파 변환기 모듈은 피검사체와의 균일한 음향학적 결합을 허용하는 가압수단의 사용을 용이하게 할 뿐 아니라 피검사체에의 손쉬운 탈/부착을 허용함으로써 검사 성능과 효율을 향상시키는 효과를 제공한다.

또한 솔레노이드코일이 RF코일배열에 의한 고주파수의 동자기장의 형성과 탐지를 방해하는 것을 근본적으로 방지할 수 있어 고주파수용 변환기의 제작을 쉽게 할뿐 아니라 상기 솔레노이드 코일이 그 주변에 있을 수 있는 전자기파 잡음으로부터 RF코일배열을 보호하는 역할을 수행하게 되므로 환경 잡음에 보다 강인한 변환기의 제작을 허용할 수 있는 등 다양한 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 접촉타입 자왜 피도파 변환기 모듈을 도시한 외관 사시도.
도 2는 본 발명의 기술이 적용된 접촉타입 자왜 피도파 변환기 모듈을 도시한 파절사시도.
도 3은 본 발명의 기술이 적용된 접촉타입 자왜 피도파 변환기 모듈을 도시한 A - A선 단면도.
도 4는 본 발명의 기술이 적용된 접촉타입 자왜 피도파 변환기 모듈을 도시한 B - B선 단면도.
도 5는 본 발명의 기술이 적용된 접촉타입 자왜 피도파 변환기 모듈을 포함한 검사시스템을 도시한 구성도.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 구성과 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 접촉타입 자왜 피도파 변환기 모듈을 도시한 외관 사시도, 도 2는 본 발명의 기술이 적용된 접촉타입 자왜 피도파 변환기 모듈을 도시한 파절사시도, 도 3은 본 발명의 기술이 적용된 접촉타입 자왜 피도파 변환기 모듈을 도시한 A - A선 단면도, 도 4는 본 발명의 기술이 적용된 접촉타입 자왜 피도파 변환기 모듈을 도시한 B - B선 단면도, 도 5는 본 발명의 기술이 적용된 접촉타입 자왜 피도파 변환기 모듈을 포함한 검사시스템을 도시한 구성도로서 함께 설명한다.

본 발명의 기술이 적용되는 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈(100)은 배관(105)과 같은 피검사체의 표면과 동일한 형태로 변형되어 밀착될 수 있도록 유연성을 가지는 자왜패치(101)를 구비한다.

상기 자왜패치(101)의 후면(피검사체 반대 방향) 상에 위치하여 의도된 SH-피도파(Shear Horizontal Guided Wave)의 진행방향과 나란한 방향으로 동자기장을 발생시키거나 또는 수신과정에서 SH-피도파의 진행방향과 나란한 방향으로 자기선속의 변화를 탐지하는 RF코일배열(102)을 배열한다.

상기 RF코일배열(102)은 자왜패치(101)의 후면 상에만 위치되는데, 상기 RF코일배열(102)은 다양한 형태로 실시 가능할 것이며, 본원 출원인이 출원하여 등록된 특허 제 1018554 호의 나선형 코일들을 사용할 수도 있을 것이나 이 하나의 형태로 제한하는 것은 아니다.

상기 SH-피도파의 진행방향에 수직한 방향으로 바이어스 정자기장을 형성시키는 솔레노이드코일(103)이 상기 자왜패치(101)와 상기 RF코일배열(102)을 함께 감싸도록 하여 자왜패치(101), RF코일배열(102), 솔레노이드코일(103) 등의 모든 구성요소들을 포함하도록 일체화된 모듈 형태로 변환기를 구성한다.

물론, 상기 SH-피도파의 효과적인 송수신을 위하여 RF코일배열(102)과 솔레노이드코일(103)의 방향(권취 또는 감싸거나 배열된 방향)은 서로 수직한 것이 바람직하다.

상기 자왜패치(101)와 RF코일배열(102)을 함께 감싸는 솔레노이드코일(103)이 자왜패치(101)의 가장자리에 의하여 손상되는 것을 방지할 수 있도록 상기 가장자리에는 양면테이프 또는 테이프와 같은 형태의 완충수단(104)을 적용하는 것이 좋을 것이다.

배관과 같은 피검사체(105)로 SH-피도파가 효율적으로 전달될 수 있도록 자왜패치(101)의 전면(피검사체 방향)과 솔레노이드코일(103) 사이는 에폭시와 같은 접착층(106)에 의하여 음향학적으로 결합되도록 한다.

상기 변환기 모듈(100)이 외부의 충격에 의하여 손상되거나 마찰 등으로 정전기가 발생하는 것 또는 솔레노이드코일(103)을 통하여 전달될 수 있는 SH-피도파를 흡수(Absorption)할 수 있도록 자왜패치(101)에 접착된 솔레노이드 코일(103)의 전면 부위를 제외한 상기 솔레노이드코일(103)의 나머지 부위는 우레탄, 실리콘 등과 같은 흡음재질의 흡수층(107)으로 마감하는 것이 바람직하다.

상기 자왜패치(101)와 그 후면 상에 위치된 RF코일배열(102) 사이에는 자왜패치(101)에서의 SH-피도파가 직접적으로 그 후면(RF코일배열 방향)으로 전달되지 못하도록 얇은 플라스틱이나 테이프와 같은 것으로 격리층(108)을 형성하거나 RF코일배열(102)을 격리층(108)으로 감싸 SH-피도파가 자왜패치의 전면만을 통과하도록 구성한다.

상기 접착층(106)에 의해 자왜패치(101)와 결합된 솔레노이드코일(103)의 전면에는 피검사체(105)에의 탈부착과정에서 발생할 수도 있는 상기 솔레노이드코일(103)의 손상을 방지하기 위한 보호층(109)을 둘 수 있다.

이 같은 보호층(109)으로는 상기 솔레노이드코일(103)을 보호하면서 피검사체(105)와 밀착될 수 있는 형상으로 쉽게 변형될 수 있는 알루미늄 같은 비자성 재질의 얇은 판상부재를 이용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 보호층(109)은 상기 솔레노이드코일(103)보다 약간 큰 크기를 갖도록 하여 상기 솔레노이드코일(103)을 더욱 안전하게 보호할 수 있도록 하고, 상기 보호층(109)의 전면(피검사체 방향)에는 접촉매질(Couplant)로 에폭시를 사용하는 경우 그 탈착의 용이성을 제공할 수 있도록 테플론과 같은 비점착성 재질의 코팅층을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

피검사체(105)의 길이를 따라 진행하는 단일(single) 모드(mode) 피도파의 효율적인 송수신을 위해서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 반(Half)원 형태의 한 쌍의 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈(100)을 사용하여 피검사체(105)의 한 원주를 균일하게 감싸는 것이 바람직하다.

또한 이 같은 구조는 피검사체(105)에 상기 변환기 모듈(100)들의 손쉬운 탈부착을 허용한다. 개별 변환기 모듈(100)에는 송신 및 수신 전자장치와 연결을 위한 커넥터를 갖도록 구성한다.

상기와 같은 본 발명의 기술이 적용된 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈(100)을 포함한 검사시스템을 살펴보면 다음과 같다.

도 5에 도시된 송신 및 수신 전자장치(110)는 통상적으로 두 개 이상의 채널의 송신코일배열 혹은 두 수신코일배열을 위상배열(Phased Array)이론에 따라 운영하게 함으로써 송신 피도파의 진행방향과 수신 피도파의 탐지방향을 조종할 수 있게 하는 것이다.

상기 송신 및 수신 전자장치(110)의 송신기(111)는 동일한 출력파형을 갖고 위상이 180° 다른 두 구동전압신호가 각 송신코일의 두 터미널에 가해지도록 조정되고 각 수신코일 양단에 유도된 RF신호는 수신기(112) 측의 대역폭통과필터와 A/D 변환기(113)를 거친 후 컴퓨터(115)에 저장된다.

에폭시나 조청과 같은 접촉매질(Couplant, 114)을 사용하여 상기 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈(100)을 피검사체(105)의 외부 표면에 부착한다. 필요할 경우 별도의 고정수단을 이용하면 상기 변환기 모듈(100)을 피검사체(105)에 더욱 견고하게 결합시킬 수 있다.

이러한 상태에서 변환기 모듈(100)의 좌측 또는 우측의 한 방향으로 진행하는 피도파가 발생되고 피검사체(105)의 내부에 이상 부위로부터 반사된 에코들이 탐지되도록 송신 및 수신 전자장치(110)를 조종하고, 상기와 같이 탐지된 신호데이터를 컴퓨터(115)에 저장하는 것을 반복함으로써 피검사체(105) 내부의 이상부위를 찾거나 감시하는 것이 가능하게 된다.

상기와 같은 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈(100)을 피검사체(105)에 결합시켜 피검사체 내부의 이상이나 손상을 감지하거나 감시하는 동작이나 과정은 본원의 명세서에 기재된 선행기술문헌에 이미 공지된 내용이므로 구체적인 설명을 생략하고 본원의 기술이 적용된 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈(100)을 사용함으로써 얻을 수 있는 장점에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 기술이 적용된 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈(100)은, 자왜패치(101) 위에 RF코일배열(102)을 위치시키고 이 자왜패치(101)와 RF코일배열(102)을 솔레노이드코일(103)이 감싸는 형태의 구성으로 일체화함으로써 피검사체(105)와 균일한 음향학적 결합을 위한 가압수단의 사용이 가능하게 되며 탈부착의 용이성을 제공할 수 있다.

솔레노이드코일(103)이 RF코일배열(102)에 의한 고주파수의 동자기장의 형성과 탐지를 방해하는 것을 근본적으로 방지할 수 있어 고주파수 검사의 성능을 높일 수 있고, 솔레노이드코일(103)이 변환기 모듈(100) 주변에 있을 수 있는 전자기파 잡음으로부터 RF코일배열(102)을 보호하는 역할을 또한 수행하게 되므로 환경 잡음에 보다 강인한 특성을 가질 수 있는 등 다양한 장점을 가진다.

100; 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈
101; 자왜패치
102; RF코일
103; 솔레노이드코일
104; 완충수단
106; 접착층
107; 흡수층
108; 격리층

Claims

유연성을 갖는 자왜패치(101)와;
상기 자왜패치(101)의 후면 상에 위치되어 의도된 SH-피도파의 진행방향과 나란한 방향으로 동자기장을 발생시키거나 또는 수신과정에서 상기 방향과 나란한 방향으로 자기선속의 변화를 탐지하는 RF코일배열(102)과;
SH-피도파의 진행방향에 수직한 방향으로 바이어스 정자기장을 형성시키도록 자왜패치(101)와 RF코일배열(102)을 함께 감싸는 솔레노이드코일(103)로 이루어지고;
상기 자왜패치(101), RF코일배열(102), 솔레노이드코일(103)의 모든 구성요소들을 포함하도록 일체화된 모듈 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈.
제 1 항에 있어서;
상기 자왜패치(101)의 전면과 솔레노이드코일(103) 사이는 피검사체(105)로 SH-피도파가 효과적으로 전달될 수 있도록 에폭시와 같은 재질의 접착층(106)에 의하여 음향학적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈.
제 1 항에 있어서;
상기 자왜패치(101)에 접착된 상기 솔레노이드코일(103)의 전면 부위를 제외한 상기 솔레노이드코일(103)의 나머지 부위는 외부의 충격에 의하여 손상되거나 마찰로 정전기가 발생하는 것 또는;
상기 솔레노이드코일(103)을 통하여 전달될 수도 있는 SH-피도파를 흡수할 수 있도록 우레탄, 실리콘을 포함하는 흡음재질의 흡수층(107)으로 고정시키는 것을 특징으로 하는 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈.
제 1 항에 있어서;
상기 자왜패치(101)에서의 SH-피도파가 직접적으로 RF코일배열(102) 방향으로 전달되는 것을 방지할 수 있도록 상기 자왜패치(101)의 후면 상에 위치되는 격리층(108)을 형성함으로써 SH-피도파가 자왜패치(101)의 후면을 통과하지 못하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈.
제 1 항에 있어서;
상기 솔레노이드코일(103)의 전면에 위치하여 피검사체(105)에의 탈부착 과정에서 상기 솔레노이드코일(103)을 보호하면서 피검사체(105)와 밀착될 수 있는 형상으로 변형될 수 있는 보호층(109)을 더 갖는 것을 특징으로 하는 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈.
제 1 항에 있어서;
상기 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈(100)은, 피검사체(105)의 길이방향을 따라 진행하는 단일모드 피도파의 효율적인 송수신 및 상기 피검사체에의 손쉬운 탈부착을 위해, 상기 피검사체(105)를 감싸도록 설치되어 사용되는 특징을 갖는 반원 형태의 한 쌍의 접촉식 자왜 피도파 변환기 모듈.