KR101731895B1 - 차분신호를 이용한 배관의 축 방향 결함 길이 산정 방법 및 장치 - Google Patents

차분신호를 이용한 배관의 축 방향 결함 길이 산정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차분신호를 이용한 배관의 축 방향 결함 길이 산정 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 결함에 의해 반사되어 되돌아오는 신호를 결함의 시작지점과 마지막지점에서의 신호로 차분하고 두 신호의 도달시간 차를 산출하여 배관의 축 방향 결함 길이를 산정하며, 특히 축 결함의 길이가 1λ 보다 작을 때에도 기준 신호를 이용함으로써 우수한 정확도로 결함의 길이를 산정할 수 있는 차분신호를 이용한 배관의 축 방향 결함 길이 산정 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

차분신호를 이용한 배관의 축 방향 결함 길이 산정 방법 및 장치{Method and apparatus for estimating axial extent of cracks in pipes using differential signal}
본 발명은 차분신호를 이용한 배관의 축 방향 결함 길이 산정 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 결함에 의해 반사되어 되돌아오는 신호를 결함의 시작지점과 마지막지점에서 반사되는 두 신호로 차분하고 두 신호의 도달시간 차를 산출하여 배관의 축 방향 결함 길이를 산정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
원자력발전소를 포함한 플랜트의 경우 초기 건설 시에 설치된 배관의 노후화에 따라 배관의 두께가 감소되거나 크랙(crack)이 발생된다. 이러한 현상을 사전에 파악하지 못하면 배관 파단 사고로 이어지게 될 수 있으며, 실제 2004년 일본의 미하마원전에서 배관 감육(wall thinning)에 의한 배관 파단 사고가 발생된 사례가 있다.
이러한 사고 발생 시 단순히 플랜트의 가동이 중단되는 것으로 끝나는 것이 아니라 인명피해까지 발생될 가능성이 있다. 따라서, 주기적으로 플랜트 내 배관의 건전성을 확인하여 안전성을 확보해야만 한다.
종래 배관의 두께 변화(배관의 결함의 깊이)에 따른 측정 기법으로서 초음파를 이용한 측정 방법, 진동신호를 이용하는 측정 방법 및 펄스와전류를 이용한 측정 방법 등이 있다.
그 중에서 초음파 측정 방법이 가장 널리 사용되고 있으며, 이는 배관과 같은 구조물의 기하학적인 형상을 따라 길이방향으로 전파되는 초음파 진동인 유도초음파를 이용하는 것이다. 구체적으로, 유도초음파를 배관의 길이방향을 따라 전파시키고 결함 위치에서 반사되는 신호를 수집 및 분석함으로써 결함의 두께를 산출하게 된다.
이와 관련된 기술로서 국내공개특허 제 10-2010-0092233호("초음파 가진방법 및 이를 이용한 초음파 가진장치")에 배관과 같은 구조물의 두께를 측정하는 기술이 개시된 바 있다.
그러나, 상술한 방법들은 결함의 두께를 측정하는 기술이며, 결함의 축 방향 길이를 측정하는 기술은 현재까지 미비한 실정이다. 축 방향 길이는 배관의 두께 변화가 축 방향으로 얼마나 넓은 범위로 분포되어 있는지 파악할 수 있으므로 배관의 안전성 평가 시 매우 중요한 항목이라고 할 수 있다. 따라서, 배관의 축 방향 결함의 길이를 측정하기 위한 기술의 필요성이 증대되고 있는 실정이다.
국내공개특허 제 10-2010-0092233호("초음파 가진방법 및 이를 이용한 초음파 가진장치")
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 배관 두께를 측정하던 유도초음파 방식을 이용하여 배관의 축 방향 결함 길이를 정확하게 판별할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 특히, 축 방향 결함의 길이가 작은 경우에도 높은 정확도로 측정 가능하도록 하는 축 방향 결함 길이 산정 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 배관의 축 방향 결함의 길이를 산정하기 위한 방법은, 상기 배관의 축 방향을 따라 유도초음파를 발진하는 발진 단계; 상기 배관과 상기 결함의 경계 영역에서 반사되는 측정 신호를 수신하는 수신 단계; 상기 측정 신호를 결함의 시작지점에서 반사되는 제 1신호와 결함의 마지막지점에서 반사되는 제 2신호로 분리하여 두 신호의 도달시간 차를 산출하는 분리 및 산출 단계; 및 상기 도달시간 차와 상기 유도초음파의 전파 속도를 이용하여 결함의 축 방향 길이를 산정하는 길이 산정 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 분리 및 산출 단계는 미리 저장해놓은 상기 제 1신호와 동일한 신호가 포함된 기준 신호를 불러오는 단계; 상기 기준 신호에서 상기 측정 신호를 빼서 상기 측정 신호로부터 상기 제 2신호를 분리해내는 단계; 및 상기 제 1신호와 분리된 상기 제 2신호의 도달시간 차를 산출하는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
또, 상기 기준 신호는 상기 결함의 길이가 상기 유도초음파 파장의 두 배 이상의 길이일 때의 측정 신호일 수 있다.
본 발명의 배관의 축 방향 결함의 길이를 산정하기 위한 장치는, 배관의 외주면에 부착 설치되어 상기 배관의 축 방향을 따라 유도초음파를 전파하고 결함에 의해 반사된 신호를 수신하는 초음파 센서; 상기 초음파 센서로부터 측정 신호를 전달받으며, 상기 측정 신호를 결함의 시작지점에서 반사되는 제 1신호 및 결함의 마지막지점에서 반사되는 제 2신호로 분리하여 두 신호의 도달시간 차를 산출하는 신호 처리부; 및 상기 신호 처리부에서 산출된 도달시간 차와 상기 유도초음파의 전파 속도를 이용하여 결함의 축 방향 길이를 산정하는 길이 산정부;를 포함하여 이루어질 수 있다.
마지막으로, 상기 신호 처리부는 미리 저장해놓은 상기 제 1신호와 동일한 신호가 포함된 기준 신호를 이용하여 상기 측정 신호에서 상기 제 2신호를 분리해낼 수 있다.
본 발명은 유도초음파를 이용하여 배관의 축 방향 결함의 길이를 산정하기 위한 방법 및 장치로서, 결함에 의해 반사된 측정 신호를 결함의 시작지점과 마지막지점의 두 신호로 차분함으로써, 손쉽게 결함의 축 방향 길이를 산정할 수 있는 장점이 있다.
특히, 축 결함의 길이가 1λ 보다 작을 때에도 기준 신호를 이용함으로써 우수한 정확도로 결함의 길이를 산정할 수 있는 효과가 있다.
이와 더불어, 기존의 배관 두께 측정을 위해 배관에 초음파 센서가 설치되어 있는 경우, 별도로 초음파 센서를 설치할 필요가 없으며, 장치의 구성이 간단하여 현장 적용성이 뛰어난 장점이 있다.
도 1은 배관의 결함 형상을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 결함 깊이에 따른 반사계수를 나타낸 그래프.
도 3은 결함의 축 방향 길이에 따른 반사계수를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 배관의 축 방향 결함 길이 산정 장치의 개략구성도.
도 5는 본 발명의 배관의 축 방향 결함 길이 산정하는 과정을 개략적으로 도시한 단면도.
도 6은 배관의 축 방향 결함 길이에 따른 측정 신호 파형.
도 7은 본 발명의 기준 신호에 의해 차분된 제 2신호 파형.
도 1은 배관(P)의 결함(d) 형상을 개략적으로 도시한 것으로, 배관(P)의 결함(d)은 3차원적으로 깊이 방향(b), 축 방향(a), 원주 방향(c)의 세 방향으로 이루어진다. 상술한 바와 같이 종래에는 유도초음파 방법을 이용하여 결함(d)의 깊이(b)를 측정해왔다. 유도초음파 방법은 배관에 부착된 초음파 센서로부터 축 대칭 모드로 유도초음파가 발생되어 배관의 길이 방향을 따라 전파되며, 결함에 의해 반사되는 신호를 수집하여 결함의 깊이를 평가하는 방법이다.
한편, 유도초음파는 발진방향이나 형태에 따라 수학적으로 여러가지 모드(mode)로 구분될 수 있다. 축 대칭 모드 중 하나인 길이방향 모드(longitudinal mode)는 파의 진동 성분이 관의 길이방향과 반경방향으로만 있는 경우로서, 일반적인 초음파 센서로 쉽게 발생 가능하고 축 대칭이므로 분석이 용이하다는 장점으로 인해 결함 측정 시 주로 사용되는 모드이다. 이를 간단히 표현하면 L(0,n)로 표현할 수 있으며, 여기서 n은 길이 방향 차수를 의미한다.
도 2는 결함 깊이에 따른 반사계수를 나타낸 그래프로서, 결함의 깊이가 깊어짐에 따라 반사계수가 증가하는 것을 알 수 있다. 종래에는 이러한 경향성을 이용하여 결함에 의해 반사된 신호의 반사계수가 크면 결함의 깊이가 깊고, 반사계수가 작으면 결함의 깊이가 작다고 판정하였다.
그러나, 본 발명에서 측정하고자 하는 결함의 축 방향 길이는 상기한 반사계수를 적용할 수가 없다. 즉, 도 3에 도시된 결함의 축 방향 길이에 따른 반사계수 그래프와 같이 축 방향 길이는 반사계수와 상관성이 없으며, 이에 따라 반사계수를 축 방향 결함 길이의 평가 지표로 사용할 수 없는 것이다.
따라서, 본 발명에서는 유도초음파 측정 방법을 적용하되, 반사계수가 아닌 차분신호를 이용하여 축 방향 결함의 길이를 산정하고자 한다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 배관의 축 방향 결함 길이 산정 장치의 개략구성도로, 도시된 바와 같이 본 발명은 초음파 센서(100), 신호 처리부(200) 및 길이 산정부(300)를 포함하여 이루어질 수 있다.
먼저, 초음파 센서(100)는 배관(P)의 외주면에 부착 설치되어 배관의 축 방향을 따라 유도초음파를 전파하고 결함에 의해 반사되는 측정 신호를 수신하는 구성이다. 초음파 센서(100)에 의해 발생된 유도초음파는 10 ~ 1000kHz로 진동할 수 있으며, 축 대칭 모드인 길이방향 모드로 쉽게 발진 가능하다. 이때, 초음파 센서(100)는 배관의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 다수개가 부착될 수 있는 등 축 대칭 모드로 유도초음파를 발생시키도록 적절하게 설치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 배관(P)의 축 방향 결함 길이 산정하는 과정을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도시된 것처럼 배관(P)의 축 방향을 따라 유도초음파(입력신호)가 전파되며, 이때 결함(d)의 시작부분과 마지막부분은 진동하는 파의 매질이 달라지는 지점으로, 두 지점에서는 입력된 유도초음파 신호의 일부가 반사되어 되돌아오는 반사 신호가 발생된다. 초음파 센서(100)는 이러한 반사 신호를 측정하여 신호 처리부(200)로 전달한다.
즉, 신호 처리부(200)는 초음파 센서(100)로부터 측정 신호(반사 신호)를 전달받으며, 상기 측정 신호를 결함(d)의 시작지점에서 반사되는 제 1신호(s1) 및 결함의 마지막지점에서 반사되는 제 2신호(s2)로 분리하여 두 신호의 도달시간 차를 산출한다.
마지막으로, 길이 산정부(300)는 신호 처리부(200)에서 산출된 도달시간 차와 유도초음파의 전파 속도를 이용하여 결함의 축 방향 길이(a)를 산정한다. 이때, 결함의 길이(a)는 아래 수학식 1로부터 계산할 수 있다.
Figure 112016004255928-pat00001
이와 같이, 수학식 1을 이용하여 축 방향 결함 길이를 측정하기 위해서는 제 1신호(s1)와 제 2신호(s2)가 시간상으로 분리되어야만 도달시간 차를 이용하여 결함의 크기를 산정할 수 있게 된다.
도 6은 실제로 배관의 축 방향 결함 길이에 따른 측정 신호 파형을 측정하여 도시한 것이다. 이때, 유도초음파의 1λ(파장)은 77.14mm로 설정하였다.
도시된 바와 같이, 결함의 길이가 2λ 이상이 되면 제 1신호(s1)와 제 2신호(s2)가 명확히 구분되는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 축 방향 결함이 2λ 보다 작을 때에는 결함에 의해 반사된 제 1신호(s1) 및 제 2신호(s2)가 구분되지 않고 겹쳐지게 된다. 이러한 간섭현상에 의해 결함의 길이가 점차 증가함에도 불구하고, 측정 신호의 최대값이 이에 비례하여 선형적으로 증가하는 것이 아니라 오히려 줄어드는 경우도 발생하였다.
본 발명의 신호 처리부(200)에서는 이와 같이 축 방향 결함 길이가 2λ이하일 때에도 제 2신호(s2)를 구분하기 위해 기준 신호를 이용할 수 있다.
즉, 상기 신호 처리부(200)는 미리 저장해놓은 제 1신호(s1)와 동일한 신호가 포함된 기준 신호를 이용하여 측정 신호에서 제 2신호(s2)를 분리해낸다. 구체적으로, 기준 신호에서 측정 신호를 빼면 제 1신호(s1)가 제거됨에 따라, 제 2신호(s2)만 분리 가능해진다.
이때, 기준 신호는 결함의 길이가 유도초음파 파장의 2배 이상의 길이일 때의 측정 신호일 수 있다. 즉, 도 6에서 결함의 길이가 파장의 2배 이상일 때 제 1신호(s1)와 제 2신호(s2)가 구분되는 것을 확인하였으므로, 이때의 측정 신호를 기준 신호로 설정해놓고 이후 초음파 센서(100)에서 측정된 신호가 제 1신호(s1)와 제 2신호(s2)로 뚜렷하게 구분되지 않을 때 기저장된 기준 신호를 이용하여 두 신호를 분리하는 것이다.
도 7에 도시된 파형은 도 6에 도시된 측정 신호가 기준 신호에 의해 차분된 제 2신호(s2) 파형이다. 이때, 기준 신호로서 결함의 길이가 5λ일 때의 측정 신호를 사용하였다.
즉, 신호 처리부(200)가 도 6에 도시된 제 1신호(s1)의 도달시간을 측정하고 도 7에 도시된 제 2신호(s2)의 도달시간을 측정함으로써, 두 신호의 도달시간 차를 계산할 수 있다. 도시된 신호들은 축대칭 모드인 L(0, 2)로에서 측정된 것이며, 이때 전파 속도는 5.41mm/us(유도초음파의 주파수가 70kHz일 때)이다.
아래 표에 본 발명의 차분신호를 이용한 축 방향 결함 길이 측정 결과를 도시하였다.
결함 길이,
Figure 112016004255928-pat00002
 제 1신호 도달 시간,
Figure 112016004255928-pat00003
 제 2신호
도달 시간,
Figure 112016004255928-pat00004
 도달시간 차(
Figure 112016004255928-pat00005
),
Figure 112016004255928-pat00006
 산출된 결함 길이,
Figure 112016004255928-pat00007
 오차, %
7.71 552 554 2 5.41 29.87
15.43 552 556 4 10.82 29.87
23.14 552 562 10 27.05 -16.89
30.86 552 566 14 37.87 -22.73
38.57 552 565 13 35.17 8.83
46.28 552 568 16 43.28 6.49
54.00 552 571 19 51.40 4.82
61.71 552 574 22 59.51 3.57
69.43 552 576 24 64.92 6.49
77.14 552 580 28 75.74 1.81
154.28 552 610 58 156.89 -1.69
231.42 552 636 84 227.22 1.81
308.56 552 662 110 297.55 3.57
385.70 552 695 143 386.82 -0.29
측정 결과를 보면, 축 방향 결함의 길이가 1λ 미만인 경우 5% 이상의 오차가 발생되지만, 결함의 길이가 1λ 이상인 경우 오차가 5%이내로 정밀하게 측정됨을 확인할 수 있다.
한편, 상기한 내용은 본 발명의 차분신호를 이용한 배관의 축 방향 결함 길이 산정 장치를 기준으로 설명한 것이며, 이하 본 발명의 축 방향 결함 길이 산정 방법을 단계적으로 간단히 설명한다.
즉, 배관의 축 방향 결함의 길이를 산정하기 위한 방법으로서, 본 발명은 발진 단계(S100), 수신 단계(S200), 분리 및 산출 단계(S300), 길이 산정 단계(S400)를 포함하여 이루어질 수 있다.
발진 단계(S100)은 배관의 외주면에 부착 설치된 초음파 센서(100)에서 배관의 축 방향을 따라 유도초음파를 발진하는 단계이며, 수신 단계(S200)는 초음파 센서(100)가 배관과 상기 결함의 경계 영역에서 반사되는 측정 신호를 수신하는 단계이다.
이어서 수행되는 분리 및 산출 단계(S300)는 측정 신호를 결함의 시작지점에서 반사되는 제 1신호와 결함의 마지막지점에서 반사되는 제 2신호로 분리하여 두 신호의 도달시간 차를 산출하는 단계이다.
마지막으로, 길이 산정 단계(S400)는 도달시간 차와 상기 유도초음파의 전파 속도를 상기 수학식 1에 적용하여 결함의 축 방향 길이를 산정하는 단계이다.
이때, 결함의 길이가 짧은 경우(2λ 이하)에는 상기 분리 및 산출 단계(S300)에서 상술한 바와 같은 기준 신호를 이용할 수 있다.
이 경우, 분리 및 산출 단계(S300)는 미리 저장해놓은 제 1신호와 동일한 신호가 포함된 기준 신호를 불러오는 단계(S310), 기준 신호에서 측정 신호를 빼서 측정 신호로부터 제 2신호를 분리해내는 단계(S320), 및 제 1신호와 분리된 제 2신호의 도달시간 차를 산출하는 단계(S330)를 포함하는 세부 단계로 이루어지게 된다.
정리하자면, 본 발명의 차분신호를 이용한 배관의 결함 길이 측정 방법 및 장치는 기존의 배관 두께 측정을 위해 배관에 초음파 센서가 설치되어 있는 경우, 별도로 초음파 센서를 설치할 필요가 없으며, 장치의 구성이 간단하여 현장 적용성이 뛰어난 장점이 있다.
아울러, 길이 산정 과정이 비교적 단순하면서도 산정 결과의 정확도가 우수하여, 배관 건전성 향상에 크게 기여할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 초음파 센서
200 : 신호 처리부
300 : 길이 산정부

Claims (5)

  1. 배관의 축 방향 결함의 길이를 산정하기 위한 방법에 있어서,
    상기 배관의 외주면 일측에 부착 설치되는 초음파 센서를 통해서 상기 배관의 축 방향을 따라 유도초음파를 발진하는 발진 단계;
    상기 초음파 센서를 통해서 상기 배관과 상기 결함의 경계 영역에서 반사되는 측정 신호를 수신하는 수신 단계;
    상기 초음파 센서를 통해서 수신한 상기 측정 신호를 신호 처리부로 전달하여, 상기 신호처리부에서 상기 측정 신호를 결함의 시작지점에서 반사되는 제 1신호와 결함의 마지막지점에서 반사되는 제 2신호로 분리하여 두 신호의 도달시간 차를 산출하는 분리 및 산출 단계; 및
    상기 도달시간 차와 상기 유도초음파의 전파 속도를 이용하여 결함의 축 방향 길이를 산정하는 길이 산정 단계;
    를 포함하는 차분신호를 이용한 배관의 축 방향 결함 길이 산정 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 분리 및 산출 단계는,
    미리 저장해놓은 상기 제 1신호와 동일한 신호가 포함된 기준 신호를 불러오는 단계;
    상기 기준 신호에서 상기 측정 신호를 빼서 상기 측정 신호로부터 상기 제 2신호를 분리해내는 단계; 및
    상기 제 1신호와 분리된 상기 제 2신호의 도달시간 차를 산출하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 차분신호를 이용한 배관의 축 방향 결함 길이 산정 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 기준 신호는,
    상기 결함의 길이가 상기 유도초음파 파장의 두 배 이상의 길이일 때의 측정 신호인 것을 특징으로 하는 차분신호를 이용한 배관의 축 방향 결함 길이 산정 방법.
  4. 배관의 축 방향 결함의 길이를 산정하기 위한 장치에 있어서,
    배관의 외주면 일측에 부착 설치되어 상기 배관의 축 방향을 따라 유도초음파를 전파하고 결함에 의해 반사된 신호를 수신하는 초음파 센서;
    상기 초음파 센서로부터 측정 신호를 전달받으며, 상기 측정 신호를 결함의 시작지점에서 반사되는 제 1신호 및 결함의 마지막지점에서 반사되는 제 2신호로 분리하여 두 신호의 도달시간 차를 산출하는 신호 처리부; 및
    상기 신호 처리부에서 산출된 도달시간 차와 상기 유도초음파의 전파 속도를 이용하여 결함의 축 방향 길이를 산정하는 길이 산정부;
    를 포함하는 차분신호를 이용한 배관의 축 방향 결함 길이 산정 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    미리 저장해놓은 상기 제 1신호와 동일한 신호가 포함된 기준 신호를 이용하여 상기 측정 신호에서 상기 제 2신호를 분리해내는 것을 특징으로 하는 차분신호를 이용한 배관의 축 방향 결함 길이 산정 장치.
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