KR101722063B1 - 초음파 적외선 열화상을 이용한 금속의 미세 결함 검출시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 초음파 적외선 열화상을 이용한 금속의 미세 결함 검출시스템은, 금속 내부에 존재하거나, 내부에서 진행되고 있는 미세 결함을 검출하기 위한 비파괴검사 시스템에 있어서, 대상 금속(10)에 초음파를 입사하는 초음파 가진장치(100); 초음파를 생성하고 생성된 초음파를 상기 초음파 가진장치(100)로 전달하는 초음파 생성기(110); 상기 초음파 가진장치(100)의 초음파 입사에 의하여 대상 금속(10)의 결함부의 마찰로 인한 발열로부터 방출되는 적외선을 감지하여 열화상 데이터를 생성하는 적외선 열화상 카메라(200); 상기 적외선 열화상 카메라(200) 및 초음파 가진 장치(100)와 연결되고, 상기 초음파 가진장치(100)의 초음파 입사 제어 및 적외선 열화상 카메라(200)로부터 전달되는 열화상 데이터를 연산하는 제어부(300); 상기 제어부(300)와 연결되어 상기 제어부(300)로부터 연산된 열화상 데이터를 영상으로 표출하는 디스플레이(400); 상기 대상 금속(10) 및 초음파 가진장치(100)의 작용공간을 포함하여 수용하고, 수용된 내부의 공기 및 온도와 외부의 공기 및 온도의 교환을 차단하여 단열기능을 수행하는 단열 챔버(500);를 포함하여, 초음파 입사에 의해 결함부에서 발열이 일어나도록 유도 하여, 그 열원을 상기 적외선 열화상 카메라(200)를 이용하여 측정함으로써 대상 금속(10)의 결함을 검출하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 비파괴 검사장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파이프와 같은 검사 대상물에 초음파를 조사하여 결함부의 마찰에 의한 발열을 적외선 열화상 카메라로 탐측하여 결함부를 정확 히 측정할 수 있는 초음파 적외선 열화상을 이용한 금속의 미세 결함 검출시스템에 관한 것이다.
2011년 발생한 동일본 대지진으로 인한 일본 후쿠시마원전의 폭발 및 방사능 유출 사고는 현재까지도 그 영향을 가늠하기 힘들만큼 엄청난 재난을 초래하고 있다.
이와 같이 원자력발전소에서 발생하는 사고로 인한 방사능 유출에 따른 위험성은 전 세계를 위험에 빠뜨릴 수 있는 엄청난 파급효과를 가지고 있다.
일본의 경우 자연재해에 따른 문제로 나타난 재앙이었지만, 국내에서 소비하는 전기에너지의 절반 가량을 책임지고 있는 원자력발전소의 안전성 확보는 필수적이다.
현재까지 운용되고 있는 원자력발전소의 경우 수명이 거의 다되어 재연장을 거듭하고 있는 상황에서 최근 VC Summer 원전에서 발견된 이종용접 금속부의 균열은 우리나라에서도 언제든지 발생될 수 있는 것으로 판단된다.
이종금속 용접부의 경우 주로 수응력부식균열(primary water stress corrosion cracking, PWSCC)이 주로 나타나며, 이는 재료의 민감도, 용접부의 인장잔류응력 및 사용 하중, 부식 환경 등과 같은 다수 요인의 직간접 상호작용에 의해 발생하는 것으로 알려져 있다.
응력부식균열(stress corrosion crack, SCC)이 발생하기 위한 필요조건은 3가지 주요 인자들이 동시에 만족되는 경우이다.
원전 용접부는 대부분 배관 맞대기 용접부로 이루어져 있으며, 최근 가압경수로 이종금속 용접부에서 수응력부식균열이 발생한 점을 감안하면 배관의 이종금속 용접부 응력부식균열 검출을 위한 검사기법의 필요성은 계속되고 있다.
현재까지 원전 설비의 검사는 초음파탐상검사(ultrasonic testing; UT)를 활용하였으나 원전시설물의 경우 방사선 피폭의 위험에 항상 노출되어 있으며, 인증을 통과한 전문가의 기량에 전적으로 의존해야 하므로 넓은 범위를 검사하는데 어려움이 존재하였다.
특히, 이종용접부의 결함 검출은 배관의 표면 상태가 고르지 못한 경우가 많고, 용접부 내부의 비드 등에 따른 신호분석이 용이하지 못해 초기에 발생하는 미세균열의 검출은 더욱 힘든 상황이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 초음파 적외선 열화상 비파괴검사기법(ultrasonic lock in infrared thermography; UIRT) 기술에 착안하여, UIRT는 절대온도 0 °K 이상의 모든 물체가 방출하는 적외선 에너지를 검출함으로써, 육안으로 확인할 수 있는 화상 이미지를 만들어 검사하는 기술에 초음파를 접목하여 결함 부위만을 검출하는 것으로, 즉, 음파 적외선 열화상 기술을 활용하여 배관의 이종금속 용접부에 존재하는 응력부식균열의 미세결함을 효과적으로 검출할 수 있는 초음파 적외선 열화상을 이용한 금속의 미세결함 검출 시스템을 제공할 수 있도록 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 적외선 열화상을 이용한 금속의 미세 결함 검출시스템은, 금속 내부에 존재하거나, 내부에서 진행되고 있는 미세 결함을 검출하기 위한 비파괴검사 시스템에 있어서, 대상 금속(10)에 초음파를 입사하는 초음파 가진장치(100); 초음파를 생성하고 생성된 초음파를 상기 초음파 가진장치(100)로 전달하는 초음파 생성기(110); 상기 초음파 가진장치(100)의 초음파 입사에 의하여 대상 금속(10)의 결함부의 마찰로 인한 발열로부터 방출되는 적외선을 감지하여 열화상 데이터를 생성하는 적외선 열화상 카메라(200); 상기 적외선 열화상 카메라(200) 및 초음파 가진 장치(100)와 연결되고, 상기 초음파 가진장치(100)의 초음파 입사 제어 및 적외선 열화상 카메라(200)로부터 전달되는 열화상 데이터를 연산하는 제어부(300); 상기 제어부(300)와 연결되어 상기 제어부(300)로부터 연산된 열화상 데이터를 영상으로 표출하는 디스플레이(400); 상기 대상 금속(10) 및 초음파 가진장치(100)의 작용공간을 포함하여 수용하고, 수용된 내부의 공기 및 온도와 외부의 공기 및 온도의 교환을 차단하여 단열기능을 수행하는 단열 챔버(500);를 포함하여, 초음파 입사에 의해 결함부에서 발열이 일어나도록 유도 하여, 그 열원을 상기 적외선 열화상 카메라(200)를 이용하여 측정함으로써 대상 금속(10)의 결함을 검출하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명은 검사 대상물에 초음파를 조사하여 결함부의 마찰에 의한 발열을 적외선 열화상 카메라로 탐측하여 결함부를 정확 히 측정할 수 있어, 예측적 공장보수, 과정 모니터링연구와 비파괴검사 측면에서 광범위하게 활용이 가능하며, 초기단계뿐만 아니라 ON-Press에서 기록을 통해 결함에 대한 진단이 가능하고, 특히, 건전한 상태에서 표준에 근거한 기준(reference)열화상 패턴과 고장(fault) 혹은 결함(defect)이 있는 부위의 진단을 통해 사전에 고장을 방지하도록 프로그램 작성 또는 수정/보완하여 자동 정지를 미연에 방지할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 적외선 열화상을 이용한 금속의 미세 결함 검출시스템의 전체 구성도이다;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 적외선 열화상을 이용한 금속의 미세 결함 검출시스템의 이중벽 구조의 챔버를 나타낸 예시도이다;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 적외선 열화상을 이용한 금속의 미세 결함 검출시스템의 원리를 나타낸 참고도이다;
도 4는 본 발명에 따른 실험 결과를 나타낸 참고도이다;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다수의 적외선 열화상 카메라를 적용한 미세 결함 검출시스템의 예시도이다;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 적외선 열화상을 이용한 금속의 미세 결함 검출시스템의 이중벽 구조의 챔버를 나타낸 예시도이다;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 적외선 열화상을 이용한 금속의 미세 결함 검출시스템의 원리를 나타낸 참고도이다;
도 4는 본 발명에 따른 실험 결과를 나타낸 참고도이다;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다수의 적외선 열화상 카메라를 적용한 미세 결함 검출시스템의 예시도이다;
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 초음파 적외선 열화상을 이용한 금속의 미세 결함 검출시스템은, 금속 내부에 존재하거나, 내부에서 진행되고 있는 미세 결함을 검출하기 위한 비파괴검사 시스템에 있어서, 대상 금속(10)에 초음파를 입사하는 초음파 가진장치(100); 초음파를 생성하고 생성된 초음파를 상기 초음파 가진장치(100)로 전달하는 초음파 생성기(110); 상기 초음파 가진장치(100)의 초음파 입사에 의하여 대상 금속(10)의 결함부의 마찰로 인한 발열로부터 방출되는 적외선을 감지하여 열화상 데이터를 생성하는 적외선 열화상 카메라(200); 상기 적외선 열화상 카메라(200) 및 초음파 가진 장치(100)와 연결되고, 상기 초음파 가진장치(100)의 초음파 입사 제어 및 적외선 열화상 카메라(200)로부터 전달되는 열화상 데이터를 연산하는 제어부(300); 상기 제어부(300)와 연결되어 상기 제어부(300)로부터 연산된 열화상 데이터를 영상으로 표출하는 디스플레이(400); 상기 대상 금속(10) 및 초음파 가진장치(100)의 작용공간을 포함하여 수용하고, 수용된 내부의 공기 및 온도와 외부의 공기 및 온도의 교환을 차단하여 단열기능을 수행하는 단열 챔버(500);를 포함하여, 초음파 입사에 의해 결함부에서 발열이 일어나도록 유도 하여, 그 열원을 상기 적외선 열화상 카메라(200)를 이용하여 측정함으로써 대상 금속(10)의 결함을 검출하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 현재 음파 적외선 열화상 기술은 적외선 열화상 기술의 한 분야로 현재까지는 널리 알려지지 않은 기술이다.
이로 인하여 세계 각국의 연구진에 따라 이에 대한 명칭이 조금씩 차이가 존재하는데 이로부터 기술의 구현에 관한 힌트를 추정할 수 있으며, 대표적으로 나타내는 명칭은 ultrasound (ultrasonic) infrared thermography, thermosonics, vibrothermography, sonic infrared image 등으로 사용되고 있다.
이러한 명칭을 통하여 기술이 구현되는 원리를 대략적으로 파악할 수 있으며, 본 발명의 명칭을 초음파 적외선이라고 지정한 이유는 검사에 사용되는 신호의 진동 주파수가 20 kHz 대역의 가청주파수를 약간 벗어난 범위의 주파수를 가지는 초음파를 주로 사용하기 때문이다.
앞선 명칭들에서 보듯 반드시 초음파만을 활용하는 기술이 아닌 음파영역으로 그리고 진동을 활용하는 기술적 다양성을 내포한다.
하지만 초음파, 음파, 진동은 결함 검출에 사용되는 신호의 에너지를 나타낼 뿐이며 최종적으로 식별 가능한 데이터는 적외선 열화상 기술을 이용하여 결함을 검출하게 된다.
적외선 열화상 기법은 최근 수요가 증가하면서 예측적 공장보수, 과정 모니터링연구와 비파괴검사 측면에서 광범위하게 활용이 가능한 가장 유용한 도구들 가운데 하나이다.
이는 초기단계뿐만 아니라 ON-Press에서 기록을 통해 결함에 대한 진단이 가능하다.
특히, 건전한 상태에서 표준에 근거한 기준(reference)열화상 패턴과 고장(fault) 혹은 결함(defect)이 있는 부위의 진단을 통해 사전에 고장을 방지하도록 프로그램 작성 또는 수정/보완하여 자동 정지를 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한 적외선 열화상에 의한 비파괴검사(IRT)는 주어진 표면을 따라 온도에 관련된 열패턴의 평가를 통한 정기적인 비접촉, 비파괴시험의 수행으로 초기에 고가 및 초정밀 장비의 고장 예방이 가능하다.
지금까지의 적외선 열화상 검사는 광범위한 구역의 이상 유무를 판정하는 시스템으로 산업 전반에 활용하여 왔지만, 최근 적외선 열화상을 이용한 비파괴검사 방법이 넓은 면적의 이상 유무의 판정만이 아닌 좀 더 좁은 구역에서 정밀한 비파괴검사 기술로 확대 응용되고 있다.
적외선 열화상 검사방법은 크게 두 가지 종류로 구분할 수 있다.
하나는 수동적(passive) 검사 방법으로 모든 물체가 방사하고 있는 고유의 적외선 에너지를 검출하는 방법이고, 다른 하나는 능동적(active) 검사 방법으로 검사대상체에 외부의 에너지를 입사하여 검사대상체의 내부 조건에 따라 달라지는 방사에너지의 검출을 이용하는 방법이다.
이러한 분류에서 초음파 적외선 열화상 기술은 검사 물체에 15~100 kHz 대역의 초음파를 입사시키면 결함부에서 발열이 일어나고, 그 열원을 적외선 열화상 카메라를 이용하여 측정함으로서 결함을 검출하는 능동형 열화상 기술이다.
위상잠금 적외선 열화상 기법은 이산푸리에 변환(discrete fourier transform, DFT)을 이용한 방법과 조화근사(harmonic approximation, HA) 기반 알고리즘을 활용하는 방법으로 나눌 수 있다.
먼저 이산푸리에변환은 N개의 이산적인 복소수 
값들을 복소수 
으로 변환하는 이산푸리에변환 식으로 정의된다.
이를 이용하여 주파수에 따른 진폭이미지와 위상이미지를 얻을 수 있다.
조화근사는 자극원을 조화함수로 하여 대상체에 입사하고 이때 대상체의 응답신호를 처리하여 위상, 진폭 등의 변화를 구하는 방법이다.
외부 자극원으로는 결함의 종류와 대상체의 재질에 따라 조화함수로 제어가 용이한 광, 초음파, 진동 등이 사용된다.
본 발명에서는 결함 검출을 위해 자극원을 초음파로 하는 초음파 열화상 기법을 적용할 수 있으며,
조화함수에 따른 정현파 신호를 초음파에 가하고 적외선 검출소자를 동기화시켜 대상체 내 결함부위에서 발생되는 열원의 변화를 응답신호로 획득하는 것도 가능하다.
실제 본 발명을 적용한 실험 결과는 다음과 같다.
파이프 두께 5%의 노치에 대해 결함 검출 유무를 알아보기 위한 실험으로 도 4에서 보는 바와 같이 초음파를 검사 대상 금속(10)에 입사하면 결함이나 재질의 급격한 변화가 있는 지점에서 초음파가 반사되어 도 4의 A와 같은 파형으로 나타나는 것을 관찰할 수 있다.
따라서 이러한 초음파 반사에 의하여 검사 대상 금속(10) 표면으로부터 방출되는 적외선을 적외선 열화상 카메라(200)로써 감지하여 열화상 데이터로 변환하면 도 4의 B와 같은 영상을 얻을 수 있으며, 이러한 영상을 상기 디스플레이(400)에 출력 함으로써, 검사자가 결함부위를 특정할 수 있게 된다.
다음으로, 도 2를 참고하면, 상기 단열 챔버(500)는, 내벽(510)과 외벽(520)으로 구성되는 이중벽 구조로써, 상기 내벽(510)과 외벽(520) 사이의 개재공간은 진공 또는, 열전도도가 낮은 합성수지재로 충진 되도록 하는 것이 바람직한데, 이는 상기 적외선 열화상 카메라(200)의 경우, 온도의 변화에 민감하게 반응하므로, 외기의 온도에 의한 내부 공기의 온도변화를 차단하여야 하며, 따라서, 내벽(510)과 외벽(520)의 이중벽 구조를 취하고, 이러한 내벽(510)과 외벽(520) 사이의 개재공간은 진공 또는, 열전도도가 낮은 합성수지재로 충진하여, 열의 유동을 방지하는 것이 바람직하다.
또한, 이러한 단열 챔버(500)의 경우, 내부에 대상 금속(10)을 위치시키게 되므로, 상부가 분리되어 개방되는 분리식 또는, 슬라이딩 방식으로 개폐하도록 하는 방식을 취하여 대상 금속(10)의 장착을 용이하게 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 적외선 열화상 카메라(200)는, 대상 금속(10)의 입체적인 열화상 데이터를 동시에 수득하기 위하여 대상 금속(10)의 상하 및 좌우에 다수대가 설치되고, 상기 제어부(300)는, 이러한 다수의 적외선 열화상 카메라(200)로부터 획득되는 열화상 데이터를 이용하여, 대상 금속(10)의 결함부위를 입체적으로 상기 디스플레이(400)에 표출하도록 하는데, 이는, 도 5에서 보는 바와 같이, 대상 금속(10)의 결함부는 적외선 열화상 카메라(200)가 탐측하는 탐측부분에 맞게 발생하는 것이 아닌 무작위 이므로, 단일의 적외선 열화상 카메라(200)의 데이터로는 정확한 위치 특정이 어렵다.
따라서, 도 5에서와 같이, 대상 금속(10)의 상하 및 좌우에 다수대가 설치되도록 하여, 대상 금속(10)을 다중으로 감지하고, 이러한 다중 감지 데이터를 기반으로, 대상 금속(10) 내부에 위치한 결함부를 입체적으로 파악하도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 각각의 적외선 열화상 카메라(200)의 촬영위치를 수치화 하고, 이러한 적외선 열화상 카메라(200)가 감지하는 부분을 그리드화 하여, 상기 초음파 가진장치(100)의 초음파 입사에 의하여 대상 금속(10)의 결함부의 마찰로 인한 발열로부터 방출되는 적외선의 위치를 좌표화 함으로써, 각각의 좌표를 취합하여, 결함부의 3차원 적인 입체 검출이 가능하다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
10 : 대상 금속
100 : 초음파 가진장치
110 : 초음파 생성기
200 : 적외선 열화상 카메라
300 : 열화상 데이터를 연산하는 제어부
400 : 디스플레이
500 : 단열 챔버
510 : 상기 내벽
520 : 상기 외벽
100 : 초음파 가진장치
110 : 초음파 생성기
200 : 적외선 열화상 카메라
300 : 열화상 데이터를 연산하는 제어부
400 : 디스플레이
500 : 단열 챔버
510 : 상기 내벽
520 : 상기 외벽
Claims (5)
- 금속 내부에 존재하거나, 내부에서 진행되고 있는 미세 결함을 검출하기 위한 비파괴검사 시스템에 있어서,
대상 금속(10)에 초음파를 입사하는 초음파 가진장치(100);
초음파를 생성하고 생성된 초음파를 상기 초음파 가진장치(100)로 전달하는 초음파 생성기(110);
상기 초음파 가진장치(100)의 초음파 입사에 의하여 대상 금속(10)의 결함부의 마찰로 인한 발열로부터 방출되는 적외선을 감지하여 열화상 데이터를 생성하는 적외선 열화상 카메라(200);
상기 적외선 열화상 카메라(200) 및 초음파 가진 장치(100)와 연결되고, 상기 초음파 가진장치(100)의 초음파 입사 제어 및 적외선 열화상 카메라(200)로부터 전달되는 열화상 데이터를 연산하는 제어부(300);
상기 제어부(300)와 연결되어 상기 제어부(300)로부터 연산된 열화상 데이터를 영상으로 표출하는 디스플레이(400);
상기 대상 금속(10) 및 초음파 가진장치(100)의 작용공간을 포함하여 수용하고, 수용된 내부의 공기 및 온도와 외부의 공기 및 온도의 교환을 차단하여 단열기능을 수행하는 단열 챔버(500);를 포함하여,
초음파 입사에 의해 결함부에서 발열이 일어나도록 유도 하여, 그 열원을 상기 적외선 열화상 카메라(200)를 이용하여 측정함으로써 대상 금속(10)의 결함을 검출하며,
상기 제어부(300)는, 이산푸리에 변환(discrete fourier transform, DFT)을 이용하여, 하기와 같이 N개의 이산적인 복소수값들을 복소수
으로 변환하는 이산푸리에변환 식에 의해,
주파수에 따른 진폭이미지와 위상이미지를 얻고, 조화근사 알고리즘을 이용하여, 상기 초음파 가진장치(100)와 같은 자극원을 조화함수로 하여 대상체에 입사하고 이때 대상체의 응답신호를 처리하여 위상, 진폭 등의 변화를 구하며,
상기 단열 챔버(500)는, 내벽(510)과 외벽(520)으로 구성되는 이중벽 구조로써, 상기 내벽(510)과 외벽(520) 사이의 개재공간은 진공 또는, 열전도도가 낮은 합성수지재로 충진되고,
상기 적외선 열화상 카메라(200)는, 대상 금속(10)의 입체적인 열화상 데이터를 동시에 수득하기 위하여 대상금속의 상하 및 좌우에 다수대가 설치되고, 상기 제어부(300)는, 이러한 다수의 적외선 열화상 카메라(200)로부터 획득되는 열화상 데이터를 이용하여, 대상 금속(10)의 결함부위를 입체적으로 상기 디스플레이(400)에 표출하도록 하며, 각각의 적외선 열화상 카메라(200)의 촬영위치를 수치화 하고, 이러한 적외선 열화상 카메라(200)가 감지하는 부분을 그리드화 하여, 상기 초음파 가진장치(100)의 초음파 입사에 의하여 대상 금속(10)의 결함부의 마찰로 인한 발열로부터 방출되는 적외선의 위치를 좌표화 함으로써, 각각의 좌표를 취합하여, 결함부의 3차원 적인 입체 검출하는 것을 특징으로 하는 초음파 적외선 열화상을 이용한 금속의 미세 결함 검출시스템. - 삭제
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