KR102067531B1 - 관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치 - Google Patents

관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 관주형 송전탑의 용접부를 따라 미끄럼없이 이동하면서, 용접부의 응력변화에 의한 자속밀도분포의 변화를 측정함으로써 관주형 송전탑 용접부의 용접결함에 의해 발생한 잔류응력을 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다.

Description

관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치{Residual Stress Measurement Apparatus for Tubular Type Electric Power Transmission Tower}
본 발명은 관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 관주형 송전탑의 용접부를 따라 미끄럼없이 이동하면서, 용접부의 응력변화에 의한 자속밀도분포의 변화를 측정함으로써 관주형 송전탑 용접부의 용접결함에 의해 발생한 잔류응력을 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다.
관주형 송전탑은 격자형 송전탑에 비하여 적은 면적에 설치가 가능하고 공사시간도 짧다는 장점을 가지고 있다.
또한, 도시 미관을 해치지 않는다는 이유에서 최근 관주형 송전탑의 설치가 늘어나는 추세이다.
관주형 송전탑은 20mm 전후의 후판을 12각형 단면이 되도록 절곡 및 용접하여 단을 제작하고, 각각의 단을 현장에서 볼트로 체결하여 조립함으로써 완성한다.
한편, 인접한 후판의 모서리는 길이방향으로 서로 맞대기 용접을 통해 접합된다. 맞대기 용접을 하는 과정에서 공극 또는 게재물이 혼입될 수 있으며, 이 공극 또는 게재물이 존재하는 부분은 용접 과정 중 열팽창률이 다르기 때문에 잔류응력이 남게 된다.
또한, 반복적인 스트레스에 의하여 응력이 누적되기도 한다.
따라서, 관주형 송전탑의 제작, 설치 및 운용 중, 용접부에서의 잔류응력을 포함한 용접결함을 비파괴 검사로 인해 검출하여 평가하여 적절한 조취를 취함으로써 사고를 미연에 방지할 필요가 있다.
한편, 비파괴 검사 방법으로 방사선검사, 초음파검사, 와전류검사, 누설자속검사등이 널리 사용되는데, 방사선검사의 경우 관주형 송전탑의 제작 공정에서 용접부 검사에 사용이 가능하나 송전탑이 설치된 후에는 현장의 접근성이 제한되어 적용이 곤란한 단점이 있다.
또한, 초음파검사의 경우 용접결함을 검사하는 유용한 방법 중 하나이나 커플런트(couplant)를 용접부에 지속적으로 공급해야 하며, 접촉이 필수적이어서 용접부를 전수 검사하는데 숙련도와 긴 검사 시간이 소요되는 문제점이 있다.
또한, 와전류검사의 경우 비자성체 금속의 비파괴 검사에 유리한 장점이 있으나 관주형 송전탑의 재질인 탄소강은 표피효과에 기인하여 침투깊이가 얕기 때문에 용접부 내면의 용접결함을 측정하기 곤란한 단점이 있다.
또한, 누설자속검사는 강자상체 금속의 비파괴 검사에 적합한 방법으로 잔류응력과 같이 기계적 변형에 기인한 물성변화를 측정하기 곤란한 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 용접부의 응력변화에 의해 자속밀도분포가 변화하는 것을 측정함으로써 용접결함에 의해 발생한 잔류응력을 측정할 수 있는 관주형 송전탑 용접부의 잔류응력 측정장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 관주형 송전탑의 용접부 양측 면과 대응하여 소정의 각도로 꺾여진 양측면을 갖는 쉐브론(chevron) 형태의 본체; 상기 본체의 양측면에 각각 구비되어 상기 용접부 양측 면에 접촉하면서 구를 수 있고, 외면에 미끄럼 방지수단이 코팅된 바퀴; 상기 본체에 구비되고 상기 용접부의 가로방향, 세로방향 또는 수직방향의 자속밀도를 측정하는 자기센서 배열; 상기 자기센서 배열로부터 측정된 자속밀도를 입력받고 상기 용접부의 잔류응력 변화에 따른 용접결함을 검출하는 신호처리기; 및 상기 본체에 구비되고 상기 바퀴와 접촉하여 상기 바퀴의 회전을 검출하여 상기 본체의 이동거리를 측정하는 엔코더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 바퀴는 원통형 또는 궤도형 바퀴이다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
본 발명의 관주형 송전탑 용접부의 잔류응력 측정장치에 의하면, 용접부의 응력변화에 의해 자속빌도분포가 변화하는 것을 측정함으로써 게재물, 용입불량, 균열, 피로 등에 의한 잔류응력을 정량적으로 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 관주형 송전탑 용접부의 잔류응력 측정장치에 의하면, 송전탑 표면에서 미끄러지지 않고 현장에서 용접부를 따라서 잔류응력을 연속적으로 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치의 실물을 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치의 바퀴의 다른 예를 보여주는 도면,
도 4은 강자성체 내부의 자구모델을 설명하기 위한 도면,
도 5는 외팔보 모델에서 하중이 가해졌을 때 자구모델을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치로 시험편의 용접부를 스캔한 결과를 보여주는 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치를 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치의 실물을 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치(100, 이하, '잔류응력 측정장치'라 함)는 관주형 송전탑(10)의 용접부(20) 자속밀도분포를 측정하여 측정된 자속밀도분포로부터 잔류응력을 측정할 수 있는 장치이다.
또한, 상기 잔류응력 측정장치(100)는 본체(110), 바퀴(120,121), 자기센서 배열(130) 및 신호처리기(140)를 포함하여 이루어진다.
상기 본체(110)는 관주형 송전탑(10)의 용접부(20) 양측 면(11,12)에 대응하여 소정의 각도(θ)로 꺽여진 양측 면(111,112)을 포함하여 이루어진다.
즉, 상기 본체(110)는 쉐브론(chevron) 형태로 제작된다.
상기 바퀴(120,121)는 상기 본체(110)에 구비되어 상기 본체(110)가 상기 관주형 송전탑(10)의 외면을 따라 움직이게 할 수 있는 구동수단이다.
또한, 상기 바퀴(120)는 상기 본체(110)의 일측 면(111)에 구비되는 일측 바퀴(120)와 타측 면(112)에 구비되는 타측 바퀴(121)로 구성될 수 있으며, 상기 일측 바퀴(120)와 상기 타측 바퀴(121)는 진행방향으로 나란한 회전축 상에 복수 개의 바퀴들로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 바퀴(120)는 상기 관주형 송전탑(10)의 외면에서 미끄러지지 않고 회전할 수 있는 원통형(실린더형) 바퀴일 수 있다.
또한, 상기 바퀴(120)의 외주면에는 고무나 실리콘과 같은 미끄럼 방지수단이 코팅될 수 있다.
또한, 상기 본체(110)에는 검사자가 손으로 잡고 상기 바퀴(120)를 상기 관주형 송전탑(10)의 외면에 접촉시킨 채로, 상기 본체(110)를 상기 용접부(20)를 따라 밀어 이동시킬 수 있는 손잡이(160)가 구비될 수 있다.
그러나 상기 바퀴(120)는 모터에 의해 자동으로 회전하여 상기 본체(110)가 스스로 상기 관주형 송전탑(10)의 외면에서 이동하게 할 수 있으며, 이 경우, 상기 바퀴(120)는 자석 바퀴일 수 있다.
또한, 상기 본체(110)에는 상기 바퀴(120)의 회전을 검출하여 상기 본체(110)의 이동거리를 측정하는 엔코더(150)가 더 포함될 수 있다.
또한, 상기 엔코더(150)는 상기 바퀴(120)와 접촉하여 바퀴의 회전을 검출하는데 상기 바퀴(120)의 외면에 코팅된 미끄럼방지수단에 의해 마찰력이 최대화되어 정확한 회전수를 검출할 수 있다.
상기 자기센서 배열(130)은 상기 본체(110)의 전방에 구비되고 상기 용접부(20)의 가로방향, 세로방향 또는 수직방향의 자속밀도를 조밀하고 정확하게 측정할 수 있는 센서 어레이이다.
또한, 상기 자기센서 배열(130)이 측정한 자속밀도분포의 변화는 상기 용접부(20)의 응력변화에 기인한다.
즉, 본 발명의 잔류응력 측정장치(100)는 상기 용접부(20)의 자속밀도분포를 계측하여 잔류응력을 측정할 수 있는 장치이며, 이 잔류응력의 변화나 국부적인 응력의 분포로부터 용접결함을 추정할 수 있게 한다.
도 4를 참조하여 더욱 자세하게 설명하면, 도 4는 강자성체 내부의 자구모델을 설명하기 위한 도면으로, 도 4의 (a)에서 s1, s2, s3, s4는 자구의 면적을 나타내고,
Figure 112018041045872-pat00001
는 각 영역에서의 자화(또는 자화벡터)를 나타내며,
Figure 112018041045872-pat00002
는 전체 영역에서의 등가자화를 나타낸다. 또한, 도 4의 (b)는 외부에서 인가되는 자기장이
Figure 112018041045872-pat00003
일 때 강자성체 내부의 자구모델을 나타낸 것으로,
Figure 112018041045872-pat00004
와 같은 방향의 자화벡터를 가지는 자구의 넓이가 넓어진다. s1', s2', s3', s4'는 외부자기장
Figure 112018041045872-pat00005
에 의하여 변화된 자구의 면적을 나타낸다.
Figure 112018041045872-pat00006
는 각 영역에서의 자화(또는 자화벡터)를 나타낸다.
먼저, 자구는 같은 방향의 자화벡터(
Figure 112018041045872-pat00007
)를 갖는 구역을 의미하며, 아래의 수학식 1과 같이 단위 체적당 자기쌍극자모멘트(
Figure 112018041045872-pat00008
)의 총합으로 정의된다.
Figure 112018041045872-pat00009
한편, 서로 다른 방향의 자화벡터를 갖는 자구는 자벽에 의해 경계지어진다.
또한, 자벽은 자기쌍극자모멘트가 급격히 변화하는 자구의 경계로써 수 마이크로미터 정도의 폭을 갖는다.
또한, 외부에서 자기장(
Figure 112018041045872-pat00010
)이 인가되면, 자벽이 이동하여 같은 방향의 자기쌍극자모멘트를 가지는 자구의 넓이가 넓어진다.
또한, 외부 자기장에 의한 자화특성, 즉, 자벽 이동의 용이성은 각 물질의 특징인 자화율(
Figure 112018041045872-pat00011
)에 의존하며, 아래의 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure 112018041045872-pat00012
또한, 외부자기장(
Figure 112018041045872-pat00013
)과 자성체 내부의 자화(
Figure 112018041045872-pat00014
)에 의한 공간상의 자속밀도(
Figure 112018041045872-pat00015
)는 아래의 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112018041045872-pat00016
자구모델은 아래의 수학식 4로 표현되는 자기에너지가 최소화되기 위해 도 4의 (a)와 같이 강자성체 내부에서 자화 루프를 형성하며, 이때 전체 영역에서의 등가 자화(
Figure 112018041045872-pat00017
)는 아래의 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112018041045872-pat00018
Figure 112018041045872-pat00019
여기서, Sk는 각 자구의 면적, A는 전체 면적을 의미한다.
한편, 자기에너지의 균형은 외부자기장 뿐만 아니라, 응력(σ)에 의하여 붕괴될 수 있는데, 응력은 아래의 수학식 6에 나타낸 바와 같이 탄성률(E)와 변형률(εxy)의 곱으로 정의된다.
Figure 112018041045872-pat00020
또한, 도 5는 외팔보 모델에서 하중이 가해졌을 때 자구모델을 설명하기 위한 도면으로, 도 5의 (b)는 도 5의 (a) 외팔보 모델에서 외부자기장의 인가없이 탄성 영역에서 기계적인 하중만을 인가하였을 때의 자구모델을 도시한 것이다.
또한, 도 5의 (a)에서 s1, s2, s3, s4는 자구의 면적을 나타내고,
Figure 112018041045872-pat00021
는 각 영역에서의 자화(또는 자화벡터)를 나타내며,
Figure 112018041045872-pat00022
는 전체 영역에서의 등가자화를 나타낸다. 또한, 도 5의 (b)는 외부에서 인가되는 하중이
Figure 112018041045872-pat00023
일 때 강자성체 내부의 자구모델을 나타낸 것으로, s1', s2', s3', s4'는 외부하중
Figure 112018041045872-pat00024
에 의하여 변화된 자구의 면적을 나타낸다.
Figure 112018041045872-pat00025
는 각 영역에서의 자화(또는 자화벡터)를 나타낸다.
외부의 자기장 변화가 없으므로 도 3의 (a) 외팔보 모델의 자속밀도는 상기 수학식 3과 상기 수학식 5를 이용하여 아래의 수학식 7로 표현할 수 있다.
Figure 112018041045872-pat00026
또한, 응력이 부과되기 전의 자구면적 sk와 후의 자구면적 sk'은 아래의 수학식 8과 같이 변형률(εxy,k)에 비례하여 변화된다.
Figure 112018041045872-pat00027
따라서 상기 수학식 7은 상기 수학식 6과 상기 수학식 8을 대입하여 아래의 수학식 9와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112018041045872-pat00028
즉, 외부 하중이나 응력변화에 따라 자구의 면적(sk') 및 자화벡터(
Figure 112018041045872-pat00029
)가 변화되어 전체 자속밀도 분포(
Figure 112018041045872-pat00030
)가 변화되는 것을 알 수 있다. 그리고 국부적인 인장응력 또는 압축응력이 발생하는 영역에서의 자속밀도는 양 또는 음의 값으로 표현될 수 있음을 시사한다.
한편, 응력이 부여된 후의 자구내 자화(
Figure 112018041045872-pat00031
)는 응력이 부여되기 전의 자구내 자화(
Figure 112018041045872-pat00032
)와 벡터 값이 서로 상이하다.
따라서 자기에너지가 불완전한 상태에서의 시험편의 위치 이동 또는 회전은
Figure 112018041045872-pat00033
의 상대적인 위치 변화를 동반하여 외부 자속밀도분포의 변화를 유발할 수 있다.
한편, 용접과정에서 발생하는 열팽창 및 열수축 과정, 용접결함의 존재에 기인한 시험편 내부의 국부적인 냉각속도 차이는 응력 변화를 유발하고 결과적으로 자속밀도분포의 변화를 가져온다.
따라서, 용접부에서 자속밀도분포를 상기 자기센서 배열(130)을 통해 측정하면, 상기 수학식 9에 따라 잔류응력 또는 용접결함에 기인한 국부적인 응력 분포를 추정할 수 있는 것이다.
상기 신호처리기(140)는 상기 자기센서 배열(130)로부터 측정된 자속밀도를 입력받고 상기 엔코더(150)로 부터 상기 본체(110)의 이동거리를 입력받아 상기 용접부(20)의 잔류응력 변화에 따른 용접결함을 검출하여 영상화한다.
또한, 도 1에서는 상기 신호처리기(140)가 상기 본체(110)와 분리된 것을 도시하였으나 상기 본체(110)에 소형으로 구비될 수 있다.
도 6은 상기 잔류응력 측정장치(100)로 시험편의 용접부를 스캔한 결과를 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 결함이 존재하는 부분(a,b)에 자속밀도분포의 이상 즉, 잔ㄹ응력이 존재하는 것을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100:관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치
110:본체 120,121:바퀴
130:자기센서 배열 140:신호처리기
150:엔코더

Claims (2)

  1. 관주형 송전탑의 용접부 양측 면과 대응하여 소정의 각도로 꺾여진 양측면을 갖는 쉐브론(chevron) 형태의 본체;
    상기 본체의 양측면에 각각 구비되어 상기 용접부 양측 면에 접촉하면서 구를 수 있고, 외면에 미끄럼 방지수단이 코팅된 바퀴;
    상기 본체에 구비되고 상기 본체가 이동할 때, 상기 용접부 상부를 지나가며, 상기 용접부의 가로방향, 세로방향 또는 수직방향의 자속밀도를 측정하는 자기센서 배열;
    상기 자기센서 배열로부터 측정된 자속밀도를 입력받고 상기 용접부의 잔류응력 변화에 따른 용접결함을 검출하는 신호처리기; 및
    상기 본체에 구비되고 상기 바퀴와 접촉하여 상기 바퀴의 회전을 검출하여 상기 본체의 이동거리를 측정하는 엔코더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 바퀴는 원통형 또는 궤도형 바퀴인 것을 특징으로 하는 관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치.
KR1020180047779A 2018-04-25 2018-04-25 관주형 송전탑의 용접부 잔류응력 측정장치 KR102067531B1 (ko)

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