KR102358685B1 - 배관의 감육상태 모니터링 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예는 원전의 운전 과정 중에 수신되는 배관에서의 유도 초음파 신호의 실시간 차이를 통해 장거리 배관의 전면에서 감육 여부를 판별할 수 있는 배관의 감육상태 모니터링 시스템을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 한 실시예에 따른 배관의 감육상태 모니터링 시스템은 길이방향으로 길게 형성되어 내부 유체 흐름을 안내하는 배관, 그리고 배관의 일측 외주면을 따라 결합되어 배관 내의 감육검출 신호를 발생하는 검출부를 포함하며, 검출부는 자기 변형 스트립 형태로 형성되며, 자기 변형 스트립에서 발생한 전단 변위가 배관으로 전달되어 비틀림 진동 모드가 배관의 길이방향을 따라 전파되어 배관의 감육검출 신호를 발생한다.

Description

배관의 감육상태 모니터링 시스템{SYSTEM FOR MONITORING WALL-THINNING OF PIPE}

본 발명은 배관의 감육상태 모니터링 시스템에 관한 것이다.

원자력발전소(원전)에서 발생하는 유동가속부식(FAC ; Flow Accelerated Corrosion) 현상은 노후화된 발전소의 안전한 관리와 유지에 주요한 관심 사항이다. 종래의 유도 초음파 검사 기술은 원전 배관에서 발생되는 결함 판별에 국한되었다. 그리고 기존의 유동가속부식 배관에 적용된 유도 초음파 기술은 고온의 배관에 초음파 탐촉자를 직접 접촉시키지 못하므로 도파관(waveguide) 초음파를 이용해 탐촉자가 배관에 직접 닿지 않고 배관의 감육여부를 모니터링 할 수 있다. 하지만, 종래 기술은 배관의 한 지점의 감육 여부만을 모니터링 할 수 있는 한계가 있다.

관련 선행문헌으로 한국등록특허 1,020,069는 "자왜효과를 이용한 구조건전성평가용 비접촉 초음파장치"을 개시하며, 일본공개특허 2011-075499는 "전자초음파를 이용한 배관 감육 검사 방법 및 장치"을 개시한다.

한국등록특허 1,020,069 일본공개특허 2011-075499

본 발명의 한 실시예는 원전의 운전 과정 중에 수신되는 배관에서의 유도 초음파 신호의 실시간 차이를 통해 장거리 배관의 전면에서 감육 여부를 판별할 수 있는 배관의 감육상태 모니터링 시스템을 제공하기 위한 것이다.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 배관의 감육상태 모니터링 시스템은 길이방향으로 길게 형성되어 내부 유체 흐름을 안내하는 배관, 그리고 배관의 일측 외주면을 따라 결합되어 배관 내의 감육검출 신호를 발생하는 검출부를 포함하며, 검출부는 자기 변형 스트립 형태로 형성되며, 자기 변형 스트립에서 발생한 전단 변위가 배관으로 전달되어 비틀림 진동 모드가 배관의 길이방향을 따라 전파되어 배관의 감육검출 신호를 발생한다.

본 발명의 한 실시예는 원전의 운전 중 배관에서 유동가속부식이 발생할 때 자기 변형 스트립에서 발생한 전단 변위가 배관으로 전달되어 비틀림 진동 모드가 배관의 길이방향을 따라 전파되어 배관의 감육상태를 용이하게 모니터링할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 검출부를 통해 감육검출 신호가 발생되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배관의 감육상태 모니터링 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 검출부가 배관에 설치된 실제 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 FAC 가동 전 유도 초음파 수신신호를 도시한 도면이다.
도 5는 FAC 가동 후 유도 초음파 수신신호를 도시한 도면이다.
도 6은 FAC 가동 전 후 유도 초음파 수신신호를 도시한 도면이다.
도 7은 FAC 가동 전 후 유도 초음파 수신신호의 차이를 도시한 도면이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 도면들을 참조하여 배관의 감육상태 모니터링 시스템을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 검출부를 통해 감육검출 신호가 발생되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배관의 감육상태 모니터링 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 그리고 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 검출부가 배관에 설치된 실제 상태를 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배관의 감육상태 모니터링 시스템은 검출부(100), 제어부(210), 그리고 표시부(220)를 포함하며, 자왜 스트립 유도 초음파를 이용하여 배관(10)의 부식 감육을 감시할 수 있으며, 유도 초음파를 검출하는 검출부(100)를 배관(10)의 외주면을 따라 직접 설치하여 보다 확실하게 주기적인 감육검출 신호의 수집을 통해 배관(10) 부식상태를 상시 감시할 수 있다. 여기서, 감육은 고온 고압의 수류(水流)로 인한 마모나 화학적 부식으로 배관(10) 벽 두께가 얇아지는 현상을 말한다.

검출부(100)는 배관(10)의 일측 외주면을 따라 결합되어 배관(10) 내의 감육검출 신호를 발생한다. 여기서, 배관(10)은 길이방향으로 길게 형성되어 내부 유체의 흐름을 안내할 수 있다.

검출부(100)는 자기 변형 스트립 형태로 형성되며, 자기 변형 스트립에서 발생한 전단 변위가 배관(10)으로 전달되어 비틀림 진동 모드가 배관(10)의 길이방향을 따라 전파되어 배관(10)의 감육검출 신호를 발생할 수 있다.

검출부(100)는 베이스층(110), 코일층(112)을 포함하며, 코일층(112)에서 발생되는 교류 자장과 베이스층(110)에서 발생되는 바이어스 자화가 서로 작용하여 전단 변위(shear displacement)가 발생하며, 발생된 전단 변위가 배관(10)으로 전달되어 비틀림 진동 모드가 배관(10)의 길이방향을 따라 전파될 수 있다.

베이스층(110)은 기설정된 폭을 갖고 자기 변형 스트립 형태로 형성할 수 있다. 베이스층(110)은 배관(10)의 외주면을 따라 원주방향으로 면접합되어 배관(10)의 원주 방향으로 직류 바이어스 자화 상태를 형성할 수 있다. 베이스층(110)은 자성층 성분을 포함할 수 있다. 베이스층(110)은 강자성체 성분을 포함하여 영구자석으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 강자성체 분말을 성형하여 형성할 수 있다. 한편, 베이스층(110)은 Fe-Co-V 합금 성분을 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이 베이스층(110)을 영구자석의 자기 변형 스트립으로 형성하고, 배관(10)의 원주방향으로 회전시켜 결합함으로써 베이스층(110)에 직류 바이어스 자화가 유도되도록 할 수 있다.

코일층(112)은 베이스층(110)에 구비되어 외부로부터 공급되는 교류 전류의 흐름을 안내하여 배관(10)의 길이방향 교류 자장을 형성할 수 있다.

한편, 베이스층(110)과 배관(10)의 외주면 사이에 접착층이 더 포함될 수 있다. 접착층은 에폭시 접착제를 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이 배관(10)의 원주방향으로 감아서 접착되는 접착층을 구비함에 따라 베이스층(110)과 배관(10)의 접착을 더 견고하게 유지할 수 있다. 그리고 코일층(112)에서 발생되는 교류 자장과 베이스층(110)에서 발생되는 직류 바이어스 자화가 서로 작용하여 발생되는 전단 변위가 접착층을 통해 좀 더 용이하고 확실하게 배관(10)으로 전달되어 비틀림 진동 모드가 배관(10)의 길이방향을 따라 전파될 수 있다.

제어부(210)는 검출부(100)에서 입력되는 감육검출 신호를 분석하여 배관(10)의 감육상태를 표시하는 감육표시 제어신호를 발생할 수 있다. 제어부(210)는 정보 처리 장치의 프로세서에 의하여 연산, 처리 등이 되는 것으로, 컴퓨터에서 특정한 기능을 수행하는 프로그램의 논리적인 일부분을 뜻하며, 소프트웨어, 하드웨어 등으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 정보 처리 장치는 퍼스널 컴퓨터(personal computer), 핸드헬드 컴퓨터(handheld computer), PDA(personal digital assistant), 휴대폰, 스마트 기기, 태블릿(tablet) 등이 있다. 그리고 제어부(210)는 배관(10)의 감육검출 신호 및 모니터링과 관련된 데이터를 저장하는 메모리(230)를 별도로 구비할 수 있다. 메모리(230)는 배관(10)의 감육상태 검출과 모니터링과 관련된 제어 및 정보 처리, 관련 데이터와 프로그램을 저장하는 장치로, 고속 랜덤 액세스 메모리(high-speed random access memory, 자기 디스크 저장 장치, 플래시 메모리 장치, 기타 비휘발성 고체 상태 메모리 장치(non-volatile solid-state memory device) 등의 비휘발성 메모리 등 다양한 종류의 메모리를 포함할 수 있다.

표시부(220)는 제어부(210)로부터 입력되는 감육표시 제어신호에 따라 해당되는 감육표시를 하는 모니터 기능을 할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 배관의 감육상태 모니터링 시스템은 검출부(100)의 자기 변형 스트립을 이용한 유도 초음파를 발생시켜 배관(10) 내부에 유체가 흐름으로써 유동가속부식이 발생하는 배관(10)의 전 영역의 감육 여부를 실시간 모니터링할 수 있다. 자기 변형 스트립 형태의 검출부(100)는 자기바이어스의 방향과 교류 자장의 방향을 선택함에 따라 비틀림 진동 모드, 종진동 모드 또는 휨진동 모드 등 배관(10)에서 가능한 모든 진동 모드의 유도 초음파를 발생시킬 수 있다. 여기서, 비틀림 진동 모드 T(0,1)는 주파수의 변화에 따른 속도의 차이가 없다. 즉 비틀림 진동 모드는 분산성이 없기 때문에 매우 날카로운 신호 형태를 얻을 수 있으며 물리적으로 평판에서 전단수평(SH ; shear horizontal) 진동 모드처럼 반경 방향으로의 변위가 없다. 이러한 특성으로 비틀림 진동 모드는 배관(10) 내부에 물이 차있는 경우에도 감쇄가 적다. 비틀림 진동 모드의 신호 특성을 이용하여 신호 진폭 및 위상 분석을 통하여 결함에 대한 특성 및 정량적 평가는 물론 구조 건전성 감시에도 활용 가능하다. 배관(10)의 길이방향으로 유도 초음파를 진행시키기 위해서는 Fe-Co-V 합금과 같이 자기 변형 특성이 우수한 강자성 성분의 자기 변형 스트립을 에폭시 접착제를 사용하여 배관(10)의 원주방향으로 감아서 밀착 접착시킨 뒤 원주 방향으로 직류 바이어스 자화 상태를 형성해야 한다. 직류 바이어스 자화 형성을 위해 영구자석의 강자성 성분을 자기 변형 스트립의 원주방향으로 회전시킴으로서 자기 변형 스트립에 직류 바이어스 자화가 유도되도록 한다. 여기에 교류 전류를 코일에 인가하여 발생되는 면 축방향 교류 자장과 원주방향 직류 바이어스 자화가 서로 작용하여 도 1에 도시한 바와 같이 전단 변위가 발생한다. 이렇게 자기 변형 스트립에 발생한 전단 변위가 에폭시 접합을 통하여 배관(10)으로 전달되어 비틀림 진동 모드 T(0,1)가 배관(10)을 따라 전파하게 된다. 이러한 자왜 스트립을 이용한 유도 초음파를 발생시킴으로써 원전 가동 중에 배관(10) 내부에 유체가 흐름으로써 유동가속부식이 발생하는 배관(10)의 전 영역의 감육 여부를 모니터링 할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 배관의 감육상태 모니터링 시스템은 스캐닝이 필요하지 않고, 초음파 감쇄가 작아서 장거리검사가 가능하므로 100% 체적검사가 가능하다. 그리고 검사시간 및 비용이 절감되며 구조적으로 접근하기 어려운 부분의 검사도 가능하므로 장거리 배관 검사 시에 유용하게 사용할 수 있다. 따라서, 원전의 가동 중 일정 주기 간격으로 초음파 신호의 변화를 모니터링하여 온라인(on-line)으로도 배관(10)의 감육 위치와 감육량 측정이 가능하다.

도 4는 FAC 가동 전 배관의 유도 초음파 수신신호이며, 도 5는 가동 후 배관의 유도 초음파 수신신호이다. 그리고 도 6은 도 4와 도 5의 수신신호를 중첩하여 나타낸 도면이다(가동 전: 실선, 가동 후: 점선). 상기한 바와 같이 가동 전 후의 유도 초음파 신호는 측정 당시 배관(10)의 건전성에 대한 정보를 포함하고 있다. 따라서, 이러한 신호들의 차이로 FAC 가동에 따른 배관(10)의 상태 변화를 알 수 있다. 도 7은 가동 전 후의 유도 초음파 수신신호의 차이로 이 신호로부터 배관(10)의 상태 변화를 파악할 수 있다. 배관(10)의 길이방향을 따라 부식결함이 발생하는 부분에서 수신되는 초음파 신호가 커지기 때문에 배관(10)의 길이방향을 따라 전달되는 비틀림 진동 모드를 모니터링하면 부식이 많이 발생하는 지점의 위치를 판단할 수 있다. 이를 통해 배관(10)의 손상 여부를 사전에 진단하고 배관(10)의 유지보수에 대응할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10 ; 배관 100 ; 검출부
110 ; 베이스층 112 ; 코일층
210 ; 제어부 220 ; 표시부
230 ; 메모리

Claims (7)

1. 길이방향으로 길게 형성되어 내부 유체 흐름을 안내하는 배관의 일측 외주면을 따라 결합되어 상기 배관 내의 감육검출 신호를 발생하는 검출부,
   상기 검출부에서 입력되는 감육검출 신호를 실시간으로 분석하여 유동가속부식(FAC) 가동 전 후의 유도 초음파 수신신호의 차이 변화를 모니터링하며,로부터 상기 배관의 내부에 유체가 흐름으로 유동가속부식이 발생하는 상기 배관의 전 영역의 감육상태를 표시하는 감육표시 제어신호를 발생하는 제어부, 그리고
   상기 제어부로부터 입력되는 감육표시 제어신호에 따라 해당되는 감육표시를 하는 표시부
   를 포함하며,
   상기 검출부는 자기 변형 스트립 형태로 형성되며, 상기 자기 변형 스트립에서 발생한 전단 변위가 상기 배관으로 전달되어 비틀림 진동 모드가 상기 배관의 길이방향을 따라 전파되어 상기 배관의 감육검출 신호를 발생하는 배관의 감육상태 모니터링 시스템.
2. 제1항에서,
   상기 검출부는
   기설정된 폭을 갖고 상기 배관의 외주면을 따라 원주방향으로 면접합되어 상기 배관의 원주 방향으로 직류 바이어스 자화 상태를 형성하는 베이스층, 그리고
   상기 베이스층에 구비되어 외부로부터 공급되는 교류 전류의 흐름을 안내하여 상기 배관의 길이방향 교류 자장을 형성하는 코일층을 포함하는 배관의 감육상태 모니터링 시스템.
3. 제2항에서,
   상기 베이스층은 강자성체 성분을 포함하는 배관의 감육상태 모니터링 시스템.
4. 제3항에서,
   상기 베이스층은 Fe-Co-V 합금 성분을 포함하는 배관의 감육상태 모니터링 시스템.
5. 제2항에서,
   상기 베이스층과 상기 배관의 외주면 사이에 접착층이 더 포함되며,
   상기 코일층에서 발생되는 교류 자장과 상기 베이스층에서 발생되는 직류 바이어스 자화가 서로 작용하여 전단 변위(shear displacement)가 발생하며, 상기 발생된 전단 변위가 상기 접착층을 통해 상기 배관으로 전달되어 비틀림 진동 모드가 상기 배관의 길이방향을 따라 전파되는 배관의 감육상태 모니터링 시스템.
6. 제5항에서,
   상기 접착층은 에폭시 접착제를 포함하는 배관의 감육상태 모니터링 시스템.
7. 삭제

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