KR101723485B1

KR101723485B1 - 보일러 수벽관의 원주파 공명검사방법 및 장치

Info

Publication number: KR101723485B1
Application number: KR1020140155653A
Authority: KR
Inventors: 최명선; 이효문; 최상훈; 이동민; 양태영; 김용권
Original assignee: 영남대학교 산학협력단; 한전케이피에스 주식회사
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2017-04-07
Also published as: KR20160056393A

Abstract

본 발명은 보일러 수벽관(Waterwall Tube)의 원주방향으로 진행하는 SH₀ 모드 피도파(Guided Wave)들의 공명을 이용하여 관의 이상 유무를 효율적으로 검사하도록 하면서 SNR(Signal-To-Noise Ratio)을 크게 향상시킬 수 있도록 한 것으로서;
늘어진 나선형(Elongated Spiral) RF표면코일을 포함하는 자왜탐촉자를 이용하여 발생된 원주파(Circumferential Wave)들 사이의 보강간섭을 유도하여 공명신호의 진폭을 향상시킴과 동시에 수벽관과 멤브레인(Membrane) 사이의 두 용접부위에 안티노드(Antinode)들이 형성되도록 하여 의도된 원주방향으로 진행하지 못한 피도파들에 기인된 잡음들을 상당히 약화시킬 수 있게 하는 수벽관 화측(Fireside) 외면 상의 복수(Plural) 개의 그런 위치에서 원주파를 송수신하도록 한 것이다.

Description

보일러 수벽관의 원주파 공명검사방법 및 장치 {Method and Apparatus for Circumferential Wave Resonance Inspection of Boiler Waterwall Tubes}

본 발명은 화력발전소 보일러 수벽관(Waterwall Tube)의 초음파 비파괴검사를 위한 방법과 장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 수벽관의 원주방향으로 진행하는 기본 수평횡(Fundamental Shear Horizontal, SH₀) 모드 피도파(Guided Waves)의 공명(Resonance)을 이용하여 관 표면이나 두께 내의 결함을 탐지하는 방법과 장치에 관한 것이다.

부식(Corrosion), 침식(Erosion), 피로균열(Fatigue Crack) 등에 의한 보일러 관(Tube)의 손상은 화력발전소 강제정지의 가장 빈번한 원인이다. 수벽관의 경우, 대부분의 손상은 관의 화측(Fireside) 외면에서 발생하였다.

하나의 예외는 냉측(Coldside) 내면에서 발생하여 관의 축방향으로 진행하는 피로균열이었다. 이 냉측 피로균열의 탐지를 위해 여러 초음파 비파괴검사기술이 오래 동안 연구되어왔지만 대부분의 그 결과들은 그리 만족스럽지 못하였다.

그 주된 원인은 이 검사에 요구되는 다음과 같은 두 필수 조건들을 충족시킬 수 있는 기술의 부재에 있었다.

(1) 검사원의 접근은 가능하지만 거친 화측 외면에서 비접촉식으로 초음파를 발생시킬 수 있어야 한다.

(2) 발생된 초음파는 인접한 관들과의 연결을 위해 관 양측에 용접된 두 개의 판형(Plate-Like) 멤브레인(Membrane)의 방해를 극복하고 검사원의 접근이 매우 어려운 냉측 내면으로 효율적으로 전달되어야 한다.

보통, 수벽관은 탄소강 재질로 만들어지며 그 외경과 두께는 각각 수십 mm와 10 mm 내외이다. 보일러 운전 중 섭씨 500도 정도에 이르는 수벽관의 온도에 의해 관의 제작과정에서 쌓인 응력들이 제거되어 그 재질은 상당한 자왜특성(Magnetostriction)을 갖게 된다.

미국 서남연구소(Southwest Research Institute, SwRI)의 비파괴평가팀은 수벽관의 원주방향으로 진행하는 피도파(Guided Wave), 소위 말하는 원주파(Circumferential Wave)의 공명을 이용하는 검사기술을 개발하여왔다.

이 기술에는 관 내부 액체의 존재에 둔감하고 전파속도의 분산(Dispersion)이 거의 없어 단순한 공명신호들을 제공하는 톤-버스트(Tone-Burst) 형태의 기본 수평횡(Fundamental Shear Horizontal, SH₀) 모드 원주파를 송수신하도록 고안된 자왜탐촉자(Magnetostrictive Probe)가 이용되었다.

펄스-에코 모드로 운영되는 이 탐촉자는 관의 축방향으로 정(Static)자기장을 가하는 영구자석(혹은 전자석)과 관의 원주방향으로 동(Dynamic)자기장을 가하는 RF(Radio Frequency) 코일로 이루어졌다. 비데만(Wiedemann) 효과에 따라, 자왜물질에 가해진 서로 수직한 정자기장과 동자기장은 전단(Shear)파를 발생시킨다.

이 파의 전파방향은 두 자기장의 상호작용영역의 크기에 주로 의존한다. 이 영역의 원주방향 길이에 비해 축방향 길이가 훨씬 크고 관의 두께가 반(1/2) 파장보다 작을 때 SH₀ 모드 원주파가 주로 발생된다. 또한 이 정자기장 영역으로 들어온 초음파는 자기선속(Magnetic Flux)의 변화를 유발하며 이 변화는 RF 코일에 의해 탐지된다

미국특허 US7474092B1

(1) Fossil-Fired Boiler Tube Inspection - Vo1. 1: Nondestructive Testing Guidelines, EPRI CS-4633 (August 1986), Section 1 & 3. (2) S. P. Clark, G. A. Gordon, J. W. Hanckok, D. T. McLauchlan, R. Murphy, and R. Tilley, "Preventing boiler tube failure with EMATs," McDermott Technology Inc, MTI10-08, presented at EPRI International Conference on Boiler Tube Failures and HRSG Tube Failure and Inspections, November 6-8, 2001, Phoenix, Arizona. (3) Feasibility Study for Detecting Coldside Fatigue Cracks in Waterwall Tubes Using the MsS Technique, EPRI, Palo Alto, CA: 2003. 1007798. (4) Resonance Testing of Waterwall Tubes for Coldside Crack Detection, EPRI, Palo Alto, CA: 2004. 1010951. (5) Feasibility of Detecting Coldside Fatigue Cracking in Waterwall Tubes at Attachment Area Using Resonance Testing, EPRI, Palo Alto, CA: 2005. 1012001.

원주파 공명은 원주의 길이가 파장(λ)의 정수배와 같을 때 나타나게 되며,

, 여기서 a와 n은 각각 관의 외부 반경과 공명의 차수(Order)이다.

SH₀ 모드 판파(Plate Wave)와는 달리 SH_O 모드 원주파는 그 전파속도가 주파수나 관의 두께에 따라 다소 변하는 약한 분산특성(Dispersion)을 갖는다.

물론 이 특성은 관의 곡률에 기인하므로 관 내부와 외부에서의 그 전파속도는 다르다. 파동 주파수나 관 두께가 증가함에 따라 분산특성은 사라져 가며, 분산을 무시할 수 있는 주파수 영역에서는 관 두께 중앙에서의 그 전파속도는 평판에 대한 그것과, 즉 체적 횡파의 속도(C_T)와 비슷한 것으로 잘 알려져 왔다. 그래서 단순한 원주파 공명의 발생조건은 다음과 같은 근사식으로 표현될 수 있다.

, 여기서 b와 λ_Ｔ는 각각 관의 내부 반경과 체적 횡파의 파장이다. 이로부터 SH₀ 모드 원주파의 공명주파수는 어느 정도 예측될 수 있다.

보일러 수벽관의 경우, 횡파속도는 3250 m/s 정도이었다. 38 mm 외경과 6 mm 두께의 수벽관의 경우, 기본(1차)공명주파수는 약 32 kHz이고 이때 원주파의 파장은 100 mm 정도라는 것을 알 수 있다.

SwRI 자왜탐촉자에서의 RF 코일은 채널(Channel) 타입의 페라이트 코어를 감싸는 솔레노이드이었고 그 크기는 10x5x76 mm(WxHxL)정도였다. 이 탐촉자는 화측 외면의 중앙에서 SH₀ 모드 원주파를 송수신하였다. 이 탐촉자에 대한 보고서들에서 우선적으로 주목된 점은 홀수 차수의 공명들을 측정할 수 없었다는 것이었으며 그 이유는 분명하게 기술되지 않았다. 다른 하나는 공명의 차수가 증가함에 따라 탐촉자의 감도가 급격히 저하된다는 것이었으며, 그래서 2차 혹은 4차 공명들만을 탐지할 수 있었다.

이들 짝수 차수의 공명은 냉측 표면의 중앙에 있는 결함들에 민감하였는데, 이 중앙과 결함 사이의 거리에 따라 그 민감도는 크게 변하였다. 이 탐촉자의 길이(76 mm)는 바로 위 문단에서 언급된 수벽관의 기본공명에 대한 파장(100 mm)에 비교될 만한 크기이다.

이는 SwRI 탐촉자가 원주파와 함께 거의 모든 방향으로 전파하는 피도파를 발생시킬 것이라는 것을 강하게 암시한다. 물론 주파수가 증가함에 따라, 발생된 피도파의 원주방향 지향성은 좋아질 것이다.

그럼에도 불구하고 그 감도는 4보다 큰 차수의 공명을 측정하기 어려울 정도로 나빴다. 이 탐촉자를 벤치마킹하여 제작한 시작품을 우리나라 하동에 있는 화력발전소의 수벽관 검사에 적용하였으나 그 어떤 공명도 명확히 탐지할 수 없었다. 이는 하동 발전소의 수벽관의 자왜특성이 충분히 좋지 않다는 것을 암시하였다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 늘어진 나선형(Elongated Spiral) RF표면코일을 포함하는 자왜탐촉자를 이용하여 발생된 원주파(Circumferential Wave)들 사이의 보강간섭을 유도하여 공명신호의 진폭을 향상시킴과 동시에 수벽관과 멤브레인(Membrane) 사이의 두 용접부위에 안티노드(Antinode)들이 형성되도록 하여 의도된 원주방향으로 진행하지 못한 피도파들에 기인된 잡음들을 상당히 약화시킬 수 있게 하는 수벽관 화측(Fireside) 외면 상의 복수(Plural) 개의 그런 위치에서 원주파를 송수신하도록하여;

보일러 수벽관(Waterwall Tube)의 원주방향으로 진행하는 SH₀ 모드 피도파(Guided Wave)들의 공명을 이용하여 관의 이상 유무를 효율적으로 검사하도록 하면서 SNR(Signal-To-Noise Ratio)을 크게 향상시킬 수 있도록 한 목적의 달성이 가능하다.

본 발명은 SH₀ 모드 원주파의 보다 효율적인 송수신을 가능하게 함으로써 향상된 SNR(Signal-To-Noise Ratio)을 제공할 수 있다.

수벽관과 멤브레인들 사이의 두 용접부위에 안티노드를 형성시키게 하는 송수신 위치를 선정함으로써, 의도된 원주파들이 이 용접부들을 통하여 효과적으로 관을 빠져 나갈 수 있게 되어 의도되지 않은 방향으로 전파하는 피도파들에 기인한 방해신호를 최소화할 수 있다.

또한 SwRI 자왜탐촉자에서의 솔레노이드와 같은 체적(Volume)코일보다는 나선형 표면(Surface)코일을 이용함으로써 주변 전자기파 노이즈에 대한 민감도를 줄일 수 있음과 아울러 좋지 못한 자왜특성을 갖는 수벽관의 공명검사를 또한 가능하게 하여 효율적인 검사를 가능하게 하는 등 다양한 효과를 가지는 발명이다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위하여 도시한 보일러 수벽관 패널(Panel)의 정면도 및 단면 구성도.
도 2는 수벽관과 멤브레인들 사이의 두 용접부위에 안티노드가 형성되어야 한다는 구속조건을 만족하는 원주파 공명의 차수에 따른 안티노드들의 위치 변화를 보여주는 도식도.
도 3은 화력발전소에 사용되는 수벽관 패널 시편에 설치된 자왜탐촉자를 예시적으로 도시한 사진.
도 4는 본 발명의 기술인 자왜탐촉자에 적용되는 나선형 RF표면코일 시작품들을 도시한 사진.
도 5는 본 발명의 기술인 자왜탐촉자를 구성하는 나선형 RF표면코일이 수벽관 위에 설치된 상태의 원주방향 단면도.
도 6은 본 발명의 기술이 적용된 원주파 공명검사장치의 구성을 도시한 블록도.
도 7은 본 발명의 기술이 적용된 원주파 공명검사장치의 GUI(Graphic User Interface)를 보여주는 사진.
도 8은 본 발명의 기술인 원주파 공명검사장치에 의해 탐지된 공명신호를 예시적으로 보여주는 그래프도.
도 9는 도 8에 나타낸 공명신호들의 파워 스펙트럼들을 보여주는 그래프도.

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

도 1은 본 발명을 설명하기 위하여 도시한 보일러 수벽관 패널(Panel)의 정면도 및 단면 구성도, 도 2는 수벽관과 멤브레인들 사이의 두 용접부위에 안티노드가 형성되어야 한다는 구속조건을 만족하는 원주파 공명의 차수에 따른 안티노드들의 위치 변화를 보여주는 도식도, 도 3은 화력발전소에 사용되는 수벽관 패널 시편에 설치된 자왜탐촉자를 예시적으로 도시한 사진, 도 4는 본 발명의 기술인 자왜탐촉자에 적용되는 나선형 RF표면코일 시작품들을 도시한 사진, 도 5는 본 발명의 기술인 자왜탐촉자를 구성하는 나선형 RF표면코일이 수벽관 위에 설치된 상태의 원주방향 단면도, 도 6은 본 발명의 기술이 적용된 원주파 공명검사장치의 구성을 도시한 블록도, 도 7은 본 발명의 기술이 적용된 원주파 공명검사장치의 GUI(Graphic User Interface)를 보여주는 사진, 도 8은 본 발명의 기술인 원주파 공명검사장치에 의해 탐지된 공명신호를 예시적으로 보여주는 그래프도, 도 9는 도 8에 나타낸 공명신호들의 파워 스펙트럼들을 보여주는 그래프도로서 함께 설명한다.

도 1은 보일러 수벽관 패널(Panel, 100)의 정면도 및 단면 구성도로서, 이 패널(100)은 수벽관(101)과 멤브레인(102), 그리고 이들 사이의 용접부(103)들로 구성된다.

도 1을 통하여서도 알 수 있듯이, 상기 수벽관(101)의 화측(Fireside, 104)과 냉측(Coldside,105)은 상기 멤브레인(102)에 의해 구분되며, 보일러 가동 중지 시, 화로(Furnace) 내부에 위치된 화측(104) 외면으로의 접근은 어렵지 않으나, 단열재와 금속판으로 덮여 있는 냉측(105) 외면으로의 접근은 상당히 어려운 실정이다.

도 2에는 수벽관(101)과 멤브레인(102) 사이의 두 용접부(103)에 안티노드가 형성되어야한다는 구속조건을 만족하는 낮은 차수의 여섯 공명들에 대한 안티노드들의 위치를 도식적으로 나타내었다.

일반적으로 n차 공명은 위상이 서로 반대인(+ 혹은 -로 표시된) n쌍의 안티노드들을 갖는데 인접한 안티노드들 사이의 각도는 다음과 같이 결정된다.

. 1차 공명의 경우는 수벽관(101)의 두 용접부(103)를 제외하면 어떤 안티노드도 형성되지 않고 2차 공명의 경우는 화측(104)과 냉측(105) 중앙에 각각 하나의 안티노드가 형성된다.

두 용접부(103)에서의 안티노드들은 홀수 차수 공명의 경우는 서로 반대의 위상을 갖고 짝수 차수 공명의 경우는 동일한 위상을 갖는데, 수벽관(101)의 화측 (104) 및 냉측(105) 중앙에서는 홀수 차수 공명의 경우는 노드가 형성되고 짝수 차수 공명의 경우는 위상이 서로 반대인 안티노드들이 형성된다.

그래서 홀수 차수 공명은 수벽관(101) 냉측(105) 중앙에서 약간 벗어나 있는 결함에 민감할 것이고 짝수 차수 공명은 냉측(105) 중앙에 있는 결함에 민감하게 된다.

화측(104) 외면 중앙에 위치되는 SwRI자왜탐촉자를 사용하여 두 용접부(103)에 안티노드가 형성되어야한다는 구속조건을 만족시키는 홀수 차수 공명을 유발시키기는 어렵다.

자왜탐촉자 위치에는 항상 안티노드가 형성되므로 이 경우 상기 용접부(103)에는 항상 노드가 형성되기 때문이며, 그래서 발생된 원주파는 상기 용접부(103)들을 통하여 빠져나가기 어려워지고 의도된 것과 다른 방향으로 전파되는 피도파들이 우세해져 원주파 공명의 관측을 어렵게 하는 것이다.

상기 자왜탐촉자를 이용하여 짝수 차수의 공명들을 측정하는 것은 상대적으로 훨씬 쉽게 되는 데, 이들 공명은 상기 구속조건을 만족시키기 때문이며, 그래서 2차 공명 혹은 4차 공명을 관측할 수 있게 되는 것이다.

보다 높은 차수의 공명들의 경우, 자왜탐촉자가 발생시키는 초음파 빔(Beam)의 폭은 인접한 두 안티노드들 사이의 폭에 가까워지거나 보다 크게 되어 그 감도가 점점 나빠지게 되는 것이다.

SwRI자왜탐촉자에 대한 상기의 문제점들을 극복하기 위하여, 본 발명에서는 수벽관(101) 화측(104) 외면에 있는 복수(Plural) 개의 안티노드들에서 원주파를 송수신하는 방법과 이를 이용한 자왜탐촉자(110)를 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 인접한 두 안티노드들에서 서로 반대의 위상을 갖는 원주파들을 발생시킴으로써 이들 사이의 보강간섭을 유도하여 원주파 공명의 진폭을 향상시키는 데, 이들 원주파의 송수신 위치는 도 2에 나타내었던 것처럼 수벽관(101)과 멤브레인(102) 사이의 두 용접부(103)에 안티노드가 형성되어야한다는 구속조건을 만족시킬 수 있도록 한다.

이 때 발생된 원주파는 상기 용접부(103)들을 통하여 쉽게 빠져나갈 수 있게 되어 의도된 것과 다른 방향으로 전파되는 피도파들이 미약해지게 되며, 이는 원주파 공명의 관측을 방해하는 잡음신호를 상당히 저하시키게 되므로 본 발명에서 제안하는 자왜탐촉자(110)에 의하여 공명검사의 SNR을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 유효성을 검증하기 위해 대한민국 하동 화력발전소 5호기에 사용되는 수벽관 패널과 유사하게 제작된 시편과 이 시편의 중앙 부위에 놓인 자왜탐촉자 시작품의 한 예를 보여주는 사진이다.

10개의 동일한 관들과 11개의 동일한 멤브레인들로 구성된 이 시편의 크기는 92 × 56cm이며, 관의 외경, 두께, 그리고 길이는 각각 38mm, 6mm, 92cm 이었고 멤브레인의 폭, 두께, 그리고 길이는 각각 15mm, 6mm, 80cm 이며, 시편의 제작과정에서 형성된 잔류응력(Residual Stress)을 제거하기 위해 이 시편은 섭씨 500도에서 12시간동안 열처리하였다.

자왜탐촉자(110)는 영구자석 요크(111)와 이 요크의 중앙 부위에 놓인 늘어진(Elongated) 나선형(Spiral) RF표면코일(112, 들)로 구성된다.

수벽관(101) 외면에 그 길이 방향으로 바이어스 자기장을 가하는 수단인 이 영구자석 요크(112)의 크기는 20 × 20 × 200mm 이고, 수벽관(101) 외면에 맞도록 제작된 양극에서의 자기장의 세기는 60mT 이며, 수벽관(101) 외면에 그 원주방향으로 동자기장을 가하거나 원주파를 탐지하는 수단인 RF표면코일(112)은 수벽관(101) 외면에 맞추어진 형태를 갖도록 하고, 상기 RF표면코일(112)의 양단에는 전기적인 접속을 위한 커넥터(113)를 가지도록 함은 당연할 것이다.

3차부터 6차의 원주파 공명의 측정을 위해 네 종류의 RF표면코일(112) 시작품을 제작하여 사용하였는 바, 도 4는 이들의 모습을 보여주는 사진으로서 바닥에서부터 위쪽으로 각각 3, 4, 5, 6차 공명용 시작품을 볼 수 있다.

이 RF표면코일(112)의 길이는 10cm 내외이고 그 폭과 배열은 송수신하고자 원주파 공명의 차수에 따라 달라짐은 자명할 것이며, 솔레노이드와 같은 체적코일에 비해, 이들 RF표면코일(112)은 그 두께가 얇아 RF표면코일(112) 주변의 전자기파 잡음에 둔감하다는 장점을 가진다.

도 5는 수벽관(101)위에 놓인 RF표면코일(112) 시작품들의 원주방향 단면을 도식적으로 나타낸 것으로서, 3차 공명용에는 하나의 나선형 RF표면코일(112)이 포함되었고 다른 공명용에는 두 개의 동일한 나선형 RF표면코일들이 사용되고, 4차와 6차 공명용에서는 두 RF표면코일(112)이 수벽관(101) 외면 중앙 위에서 겹쳐지게 배열되었고 이 겹쳐진 부위에서 전류가 같은 방향으로 흐르도록 병렬로 연결되어 운영되도록 하였다.

5차 공명에서의 두 RF표면코일(112)은 수벽관(101) 화측(104)에 네 개의 안티노드들이 형성되도록 배열되었고 병렬로 연결되어 운영되도록 하였다. 수벽관(101) 표면에서 인접한 두 안티노드들 사이의 거리는 원주파 파장의 반(1/2)과 같으므로 상기 모든 나선형 RF표면코일(112)에서 전류가 서로 반대방향으로 흐르는 두 요소들 사이의 중심거리도 상기 반(1/2)파장 길이와 거의 같아야 한다.

도 6은 RF표면코일(112)과 함께 원주파 공명검사장치(120)의 구성을 보여주는 것으로서, 상기 원주파 공명검사장치(120)는 RF표면코일(112)에 톤-버스트(Tone-Burst) 형태의 전기 펄스를 가하여 그 에코를 탐지하는 펄서/리시버(114)와, 수신된 에코를 디지털 신호로 변환하는 디지타이저(Digitizer, 115)를 포함한다.

수신된 디지털 신호에서 메인-뱅(Main-Bang) 에코를 제외한 공명신호를 추출 하는 추출부(Gate, 116)와, 상기 추출부(116)에 의하여 추출된 공명신호를 고속푸리에 변환(Fast Fourier Transformation, FFT)하여 파워 스펙트럼을 얻도록 하는 푸리에부(Fourier, 117)와, 이 푸리에부(117)를 통하여 얻어진 파워스펙트럼의 피크 값을 이용하여 상기 스펙트럼을 정규화(Normalization)하는 노멀라이저(118)를 구비한다.

상기 디지타이저(115)의 디지털 RF 신호와 추출부(116)에 의하여 발생된 게이트 정보 및 노멀라이저(118)에 의하여 정규화된 스펙트럼을 시각적으로 확인할 수 있도록 신호들을 표시하기 위한 디스플레이(119)로 구성한다.

상기 디스플레이(119)는 원주파 공명검사장치(120)에 일체로 구비하는 형태 또는 원주파 공명검사장치(120)와 전기적으로 연결되어 구동되는 독립된 형태 또는 별도의 원주파 공명검사장치(120)와 전기적으로 연결되는 컴퓨터에 구비되는 형태 등 다양하게 실시될 수 있을 것이다.

도 7은 원주파 공명 검사를 위해 구성된 원주파 공명검사장치(120)의 GUI(Graphic User Interface)를 보여주는 사진으로서, 여기에는 상기 펄서/리시버 (114) 및 상기 디지타이저(115)의 조종과 측정된 데이터들의 저장 및 불러오기 등을 위한 다양한 기능들이 디스플레이(119)의 신호표시 영역 아래에 포함되어 있다.

자왜탐촉자(110)가 수벽관(101)의 길이방향으로 이동함에 따라 공명신호의 진폭과 그 파워 스펙트럼의 피크 값은 상당히 변하는 데, 이는 용접부(103)가 균일하지 않다는 사실에 주로 기인하였으며 공명 스펙트럼의 실시간(Realtime) 관측을 어렵게 하였다.

이 문제를 해결하기 위하여 측정된 공명 스펙트럼의 피크 값을 이용하여 상기 스펙트럼을 노멀라이저(118)를 통하여 정규화하는 과정을 상기 GUI에 포함시킨 결과, 상기 정규화된 스펙트럼의 실시간 관측이 가능해졌다.

도 8에는 수벽관(101) 패널 시편의 중앙 부위에 있는 한 수벽관(101) 위에서 그 길이의 중앙에 놓인 RF표면코일(112)에 의해 측정된 RF 신호의 예들을 나타내었다.

개별 RF 신호들에서 수직 점선은 게이트의 시작시점을 가리키며, 그 좌측에 메인-뱅 에코가 보이고 그 우측에는 원주파를 포함한 피도파의 에코 신호들이 보인다.

3, 4, 5, 6차 공명용 RF표면코일(112)은 각각 98, 126, 156, 185 kHz의 톤-버스트 펄스로 구동되었으며 이 펄스들의 진폭과 사이클(Cycle) 수는 모두 50V와 16이었다.

수신과정에서는 구동주파수의 50％에 해당되는 폭을 갖는 대역폭 통과 필터와 32dB의 이득을 갖는 증폭기가 사용되었으며, 피도파 에코들의 진폭이 시간과 함께 거의 점진적으로 작아진다는 것을 볼 수 있다.

이는 이들 에코가 의도된 원주파들에 주로 기인된 것임을 강하게 암시하는 데, 공명의 차수가 증가함에 따라 이들 신호의 크기가 조금씩 작아졌지만 의도된 모든 원주파 공명들이 상당히 높은 SNR을 갖는 신호들로 측정되었음을 알수 있다.

도 9는 도 8에 나타내었던 개별 RF 신호들에서 메인-뱅 에코를 제외한 신호들에 대한 파워 스펙트럼들을 함께 보여주는 것으로서, 각각의 파워 스펙트럼에 나타내었듯이, 이들 3, 4, 5, 6차 공명 스펙트럼의 피크에 대응되는 주파수는 각각 100.1, 132.0, 162.3, 190.2 kHz이었고 이들은 예측된 공명 주파수들과 비슷하였으며, 여기서는 이들 공명에 대한 피크 파워의 주파수 의존성을 또한 볼 수 있다.

100; 패널 101; 수벽관
102; 멤브레인 103; 용접부
104; 화측 105; 냉측
110; 자왜탐촉자 111; 영구자석 요크
112; RF표면코일 114; 펄서/리시버
115; 디지타이저 116; 추출부
117; 푸리에부 118; 노멀라이저
119; 디스플레이 120; 원주파 공명검사장치

Claims

보일러 수벽관의 원주방향으로 진행하는 SH0 모드 피도파(이하 원주파)들에 기인된 공명 신호의 SNR을 증강시키기 위해,
상기 원주파들의 보강간섭을 유도하여 상기 공명신호의 진폭을 향상시킴과 동시에 수벽관과 멤브레인 사이의 용접부위에 상기 원주파 공명의 안티노드들을 형성시킴으로써 상기 원주파들이 상기 용접부위를 통하여 빠져나갈 수 있게 하여 상기 수벽관에서 원주와 다른 방향으로 진행하는 피도파들에 기인된 잡음신호들을 저하시킬 수 있게 하는;
상기 수벽관의 화측 외면 위의 복수(Plural)의 그런 위치에서 상기 원주파들을 송수신하는 것을 특징으로 하는 보일러 수벽관의 원주파 공명검사방법.
수벽관의 화측 외면에 그 길이방향으로 바이어스 정(Static)자기장을 가하는 수단인 영구자석(혹은 전자석) 요크와 상기 정자기장 영역 내의 복수의 부분에 원주방향으로 동(Dynamic)자기장을 가하거나 상기 정자기장 영역으로 입사된 초음파에 기인된 자기선속의 변화를 탐지하는 수단인 늘어진(Elongated) 나선형(Spiral) RF 표면코일(들)을 포함하는 자왜탐촉자와;
상기 RF 표면코일의 개별 다리와 수벽관-멤브레인 용접부위 사이의 중심간 거리가 의도된 원주파의 반(1/2)파장의 정수배가 되도록 하여 상기 용접부위에 원주파 공명의 안티노드를 형성시킴으로써 증강된 SNR을 갖고 상기 원주파 공명을 탐지할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 보일러 수벽관의 원주파 공명검사장치.
제 2 항에 있어서;
상기 수벽관에 설치된 상기 자왜탐촉자의 RF 표면코일에 톤-버스트(Tone-Burst) 형태의 전기 펄스를 가하여 에코를 탐지하는 펄서/리시버와;
수신된 에코를 디지털 신호로 변환하는 디지타이저(Digitizer)와;
수신된 디지털 신호에서 메인-뱅(Main-Bang) 에코를 제외한 공명신호를 추출하는 추출부(Gate)와;
상기 추출부에 의하여 추출된 공면신호를 변환하여 파워스펙트럼을 얻도록 하는 푸리에(Fourier)부와;
상기 푸리에부를 통하여 얻어진 파워스펙트럼의 피크 값을 이용하여 상기 스펙트럼을 정규화(Normalization)하는 노멀라이저와;
상기 디지타이저의 디지털 RF 신호와 추출부에 의하여 발생된 게이트 정보 및 노멀라이저에 의하여 정규화된 스펙트럼을 시각적으로 확인할 수 있도록 신호들을 표시하는 디스플레이로 구성하는 것을 특징으로 하는 보일러 수벽관의 원주파 공명검사장치.
제 3 항에 있어서;
상기 수벽관을 따라 상기 자왜탐촉자가 이송될 때, 개별 송신펄스에 대해 상기 RF 표면코일에 의해 탐지된 공명신호를 디지털신호로 변환하고 푸리에 변환을 수행하여 상기 공명신호의 스펙트럼을 얻고 상기 스펙트럼을 그 피크 값으로 나누어 정규화한 후 디스플레이의 신호표시 영역에 나타냄으로써,
용접부위의 불균일함에 기인한 공명신호 진폭변화에 관계없이 공명 스펙트럼의 안정적인 실시간 관측을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 보일러 수벽관의 원주파 공명검사장치.