KR20030073813A - 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정 시스템과안전성 평가 방법 - Google Patents

초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정 시스템과안전성 평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열교환기동체, 압력용기, 반응기, 분리타워, 저장탱크, 배관 등의 정유, 발전소, 상하수관, 석유화학공장의 장치류에서 발생하는 수소유기균열이나 부식, 재료내부에 존재하는 유해한 결함을 검출함에 있어서, 초음파 탐촉자의 이동을 엔코드(Encoder)의 변위각과 이등변삼각형 축의 변위를 이용하여 피검체의 형상과 표면거리를 전기적신호로 감지하여 이를 평면상으로 다시 펼치는 알고리즘을 사용 피검체의 실측크기를 화면상에 그대로 평면으로 재현하고, 탐촉자 위치마다의 초음파신호를 평면상에 칼라화상으로 피검체의 내부와 내 표면에 존재하는 결함을 표시하도록 하여, 검사한 피검체의 상황을 평면, 측면 및 단면의 3차원으로 나타내어 결함의 형상과 크기를 측정 할 수 있도록 한 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정 시스템과 그 안전성 평가방법이다.

Description

초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정 시스템과 안전성 평가 방법{A SYSTEM FOR MEASURING HYDROGEN INDUCED CRACKING AND CORROSION USING ULTRASONIC AND AN METHODE FOR EVALUATING STABILITY THEREFOR}
본 발명은 각종 압력 용기류, 반응기 및 배관 등의 피검체 외면에서 초음파를 발생하고 이에 반사되어 입력되는 초음파 신호를 검출하여 상기 피검체의 내부와 내면에 존재하는 수소유기균열이나, 부식, 게재물 또는 라미네이션 등 설비에 유해한 결함의 형상과 크기를 측정함과 동시에 산출된 결함의 크기를 이용하여 설비의 안전성을 평가할 수 있도록 한 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정 시스템과 안전성 평가 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 정유공장, 석유화학공장, 발전소, 상하수관 및 해상구조물 등에 사용되는 공정이나, 사용 환경 상 유체와 기체의 냉각, 응축, 저장, 추롤, 반응 및 운송 등의 용도로 사용되는 장치, 특히, 압력용기, 열 교환기 동체, 분리타워, 저장탱크, 반응용기 및 배관 등은 화학제품의 생산목적에 사용되는 핵심 장치물들은 장치(피검체)에 대한 균열 및 부식정도를 측정하여 안전성을 평가하는 검사가 필연적으로 이루어진다.
이와 같은 장치들은 내부의 유체, 가스, 부식성 물질이나 반응에 의한 유해물질(유화수소, 황, 산 등)에 의해 용기 내부나 금속체 내부에 수소유기균열이나 부식성균열 또는 부식 등의 손상이 필연적으로 일어나며, 이러한 손상을 조기에 발견하지 못하면 파괴나 누설에 의한 화재와 폭발 또는 환경오염이나, 유해물질의 외부 누설 시 사회적 안전의 위협과 설비의 정지로 인한 물질적 또는 경제적 손실을 초래하게 된다.
따라서, 상기와 바와 같은 고온고압, 유해물질취급 장치를 보유한 회사들은 여러 가지 예상되는 손상을 정의하고 주기적으로 점검과 검사를 실시하여 필요시 수정 보완 등으로 계속적 사용 여부와 안전성 유무를 엄격하게 평가 판정해야 하므로 이에 따른 검사장치와 기술은 필수 불가결한 실정이다.
그러나, 대부분의 검사장치들은 피검체 내면의 접근이 가동 중에는 불가능한 경우가 많고, 대구경(1 - 8m)으로 철판의 두께가 작게는 20mm에서 크게는 400mm로일반적인 비파괴적인 검사방법인 방사선투과시험으로는 촬영이 불가능하며 장치물이 현장에 고정 설치되어 있어 적용이 더욱 더 어렵다.
또한, 검사장치의 주 손상이 용기의 내 표면이나 철판 내부의 게재물 등에서 초기에 발생하므로 침투탐상시험이나 자분탐상시험은 적용 될 수 없다.
종래의 유일한 방법인 초음파탐상시험은 한쪽 면에서만 접근 가능하면 내면과 내부를 검사할 수 있는 이점을 가지고 있으나, 전적으로 수 작업에 의존 해야하고, 자동기록이 불가능하여 유해한 결함의 검출과 평가는 어려운 실정이다.
즉, 초음파 수동탐상시험은 영구기록이 남지 않으며, 단순히 1차원적인 기하학적으로만 결과를 표시할 수 있는 정도일 뿐 아니라 검사자의 기량이나 숙련도에 영향을 많이 받기 때문에 안전성 평가에 있어 가장 중요한 결함의 위치, 높이 및 길이의 정량적 측정이 어려우며 측정의 오차가 큰 것이 문제이다.
따라서, 국제적으로 이러한 문제를 해결하고자 검사장비 제조사들은 이를 보완한 자동이나 반자동식 초음파장비를 시판하고 있으나, 이 또한 부분적인 화상표시와 기록방식으로 단면 또는 측면, 평면 중 하나나 둘로 1차원이나 2차원적 단순표시 방식을 채용하고 있으며, 스캐너 또한 자동방식을 사용함으로서 가격이 고가이고 현장 적용에 있어 공간이나 주위 물체에 영향을 받아 제한적 사용이 불가피한 실정이고, 수동방식의 경우에도 평면 전용으로 제작되어 구형이나 3차원 곡면의 경우 오차가 많이 발생한다.
일례로, 영국의 AEA사는 초음화상처리 장치를 제조하여 국제적으로 시판하고있으나 복잡한 구조, 배관엘보(Elbow), 구형 탱크 등 기하학적인 형상에 적용 시실제 검사한 위치와 장치가 인식한 위치가 피검체의 곡율이나 구배에 따라 상당한 오차를 야기 시킨다. 이러한 원인은 위치인식 센서 방식이 1점 고정식 적외선 방식으로 피검체 표면의 고저를 인식 할 수 없기 때문이다.
즉, 구배가 적은 대구경이나 평판에는 적합하나 소구경 배관이나 직경이 작은 피검체에 적용하게 되면 큰 오차가 발생한다는 것이다. 또한, 적외선 카메라를 피검체를 볼 수 있는 위치에 설치해야 하므로 설치 공간에 제한을 받으며, 주간에는 적외선을 인식 못하는 단점을 가지고 있다.
특히, 위보기자세(over head position)에서는 센서와 탐촉자 사이에 탐촉자를 잡고 이동하기 위해 작업자의 손이 들어가야 하므로 결과적으로 적외선 교신을 막아 위보기 자세에서의 검사는 불가능하다.
즉, 고정장치의 하부에서 위보기 자세에서의 탐상은 되지 못하는 단점이 있다. 또한, 적외선 카메라를 피검체에 설치해야하고 설치된 카메라는 피검체의 중앙에 위치해야 하므로 설치공간의 확보와 보조 막대기 등의 치공구가 필요하다.
또한, 피검체의 진동 또한 카메라와 센서가 일체형이 아니므로 진동이나 흔들림에 의한 위치인식이 불가능한 경우도 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 열교환기동체, 압력용기, 반응기, 분리타워, 저장탱크, 배관 등의 정유, 발전소, 상하수관, 석유화학공장의 장치류에서 발생하는 수소유기균열이나 부식, 재료내부에존재하는 유해한 결함을 검출함에 있어서, 초음파 탐촉자의 이동을 엔코드(Encoder)의 변위각과 이등변삼각형 축의 변위를 이용하여 피검체의 형상과 표면거리를 전기적신호로 감지하여 이를 평면상으로 다시 펼치는 알고리즘을 사용 피검체의 실측크기를 화면상에 그대로 평면으로 재현하고, 탐촉자 위치마다의 초음파신호를 평면상에 칼라화상으로 피검체의 내부와 내 표면에 존재하는 결함을 표시하도록 하여, 검사한 피검체의 상황을 평면, 측면 및 단면의 3차원으로 나타내어 결함의 형상과 크기를 측정 할 수 있도록 한 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정 시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 초음파측정데이터 및 측정위치데이터 등을 이용한 신호통합처리에 의한 결과에서 도출된 피검체의 정량화된 결함치수를 이용하여, 검사체가 가지는 물성치를 이용한 재료역학적인 강도계산에 따른 현 상태에서의 사용적정성을 평가하며, 재료의 파괴인성치와 파괴 파라메타를 이용한 파괴역학적인 평가로 현재의 결함이 작용응력에 파괴역학적으로 안전한지를 평가하여 검사대상물의 계속사용여부와 안정성여부를 판단 및 확인 할 수 있도록 한 피검체의 안전성 평가방법을 제공하는 것에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 본체와, 상기 본체의 상부에 연결되는 제1축과, 상기 제1축의 타단에 연결되는 제2축과, 상기 제2축의 타단에 연결되는 연결부와, 상기 연결부의 타단에 연결되는 이동부와, 상기 이동부의 타단에 연결되고 내부에 초음파를 발생하는 탐촉자가 설치된 초음파발생부와, 상기 본체의 측면에 고정 설치되고 영구자석이 내장된 자석홀더와, 상기 본체, 제1케이스및 제2케이스 내부의 힌지축에 각각 설치되어 상기 제1축 및 제2축의 위치를 감지하는 제1, 제2 및 제3엔코더를 포함하여 파이프형의 실린더, 엘보와 같은 곡관, 압력용기의 헤드와 같은 구면이나 평판 등의 피검체의 내부 균열이나 부식정도를 외부에서 초음파를 이용하여 측정하는 초음파 스캐너; 상기 초음파 스캐너를 통해 측정한 균열 및 부식 데이터와, 상기 초음파 스캐너가 측정한 장소의 위치데이터를 입력받아 디지털 신호로 변환 처리하여 출력하는 신호처리수단; 및 상기 신호처리수단으로부터 출력되는 신호를 입력받아 소정의 프로그램에 의하여 피검체의 부식 및 균열정도를 측정 및 산출하고, 그 결과치에 따른 피검체의 안전성 등에 대한 평가를 수행하여 소정의 형태로 디스플레이하고, 동시에 이러한 결과치를 저장할 수 있는 출력수단; 을 포함하여 된 특징을 가진다.
본 발명의 다른 특징은 파이프, 곡관, 구면 및 평면 등의 피검체의 내부 균열이나 부식정도를 외부에서 초음파를 이용하여 측정하는 초음파 스캐너와, 상기 초음파 스캐너를 통해 측정한 균열 및 부식 데이터와, 상기 초음파 스캐너가 측정한 장소의 위치데이터를 입력받아 디지털 신호로 변환 처리하여 출력하는 신호처리수단과, 상기 신호처리수단으로부터 출력되는 신호를 입력받아 소정의 프로그램에 의하여 피검체의 부식 및 균열정도와 그 안전성 등에 대한 평가를 수행하여 디스플레이하고, 동시에 이러한 결과치를 저장할 수 있는 출력수단을 포함하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템과 그 안전성 평가방법에 있어서, 측정 가능한 파이프, 곡관, 구면, 평판 등의 피검체 검사면을 작게 분할하여 검사 한 후 이를 모아 한 평면상에 소프트웨어로 합성하여 표시하는 제 1 과정; 상기 제 1 과정을 통해 형성된 평면상에 검출되는 아날로그 초음파신호를 디지털로 변환하여 실시간으로 저장 및 출력하여 피검체의 두께에 대응하여 칼라 화상으로 표시함으로써 색상을 통해 피검체의 두께 범위와 분포, 결함의 크기를 인식할 수 있도록 한 제 2 과정; 및 상기 제 2 과정을 통해 측정된 피검체의 두께 범위와 분포, 결함의 크기 등의 실측 정보를 이용하여 피검체(M)의 안전성유무를 평가하기 위하여, 재료역학적평가와 파괴역학적평가를 수행하는 제 3 과정; 을 포함하여 된 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 초음파 스캐너의 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 초음파 스캐너의 측면 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 초음파 스캐너의 초음파 발생부의 상세 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정 시스템의 제어 회로 블록도,
도 6은 본 발명에 따른 초음파 화상처리 결과를 나타내는 화면,
도 7a는 본 발명에 따른 측정 작업시 피검체 대상이 원통인 경우에 평면으로의 좌표변환을 설명하기 위한 도식도,
도 7b는 상기 도 7a를 설명하기 위해 본 발명에 따른 엔코더 3개 사용시의 엔드 이펙트(end-effect)를 나타내는 도식도,
도 8a는 본 발명에 따른 측정 작업시 피검체 대상이 곡관인 경우에 평면으로의 좌표변환을 설명하기 위한 도식도,
도 8b는 상기 도 8a의 C0, P7, P8, P9를 나타내는 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100: 초음파 스캐너200: 신호처리수단
300: 출력수단104: 제1엔코더
107: 제2엔코더111: 제3엔코더
108: 제1축113: 제2축
120: 초음파발생부140: 탐촉자
130: 자석홀더210: 초음파발생부
220: 초음파입력부230,250: A/D변환부
240: 초음파신호처리부260: 엔코더신호처리부
이하, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정 시스템의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수소유기균열 및 부식 측정 시스템은 이등변 삼각형의 구성으로, 파이프형의 실린더, 엘보(Elbow)와 같은 곡관, 압력용기의 헤드와 같은 구면이나 평판 등의 피검체(M)의 내부 균열이나 부식정도를 외부에서 초음파를 이용하여 측정하는 초음파 스캐너(100)와, 상기 초음파 스캐너(100)를 통해 측정한 균열 및 부식 데이터와, 상기 초음파 스캐너(100)가 측정한 장소의 위치데이터를 입력받아 디지털 신호로 변환 처리하여 출력하는 신호처리수단(200)과, 상기 신호처리수단(200)으로부터 출력되는 신호를 입력받아 소정의 프로그램에 의하여 피검체(M)의 부식 및 균열정도와 그 안전성 등에 대한 평가를 수행하여 디스플레이하고, 동시에 이러한 결과치를 저장할 수 있는 출력수단(300)을 포함한다.
상기 출력수단(300)은 퍼스널 컴퓨터(이하 'PC' 라 함), 또는 노트북이나 PDA(Personal Digital Assistant)가 바람직하다.
상기 초음파 스캐너(100)의 구성을 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
상기 초음파 스캐너(100)는, 크게 본체(101)와, 상기 본체(101)의 상부에 연결되는 제1축(108)과, 상기 제1축(108)의 타단에 연결되는 제2축(113)과, 상기 제2축(113)의 타단에 연결되는 연결부(115)와, 상기 연결부(115)의 타단에 연결되는 이동부(118)와, 상기 이동부(118)의 타단에 연결되고 내부에 초음파를 발생하는 탐촉자(140)가 설치된 초음파발생부(120)와, 상기 본체(101)의 측면에 고정 설치되고 영구자석이 내장된 자석홀더(130)와, 상기 본체(101), 제1케이스(105) 및 제2케이스(109) 내부의 힌지축에 각각 설치되어 상기 제1축(108) 및 제2축(113)의 위치를 감지하는 제1, 제2 및 제3엔코더(104)(107)(111)를 포함하여 구성된다.
보다 구체적으로는, 상기 본체(101)는 사각형상으로 내부의 힌지축(102)이 제1케이스(105)와 베어링(103)을 통해 연결되어, 상기 힌지축(102)을 중심으로 상기 제1케이스(105)는 좌우 회전이 가능하게 되며, 상기 힌지축(102) 둘레에는 제1엔코더(104)가 설치되어 상기 힌지축(102)의 회전각도, 즉 이와 연결된 제1축(108)의 좌우 회전각도를 검출하게 된다.
상기 제1케이스(105)의 외부 양측에는 제1축(108)의 일측에 형성된 ㄷ자 형상의 연결구(133)를 통해 힌지축(106)이 결합 구성되며, 상기 제1케이스(105)의 내부 힌지축(106)의 둘레에는 제2엔코더(107)가 설치되어 상기 제1축(108)의 상하 이동각도를 검출하게 된다.
또한, 상기 제1축(108)의 타단에는 4각형상의 제2케이스(109)가 형성되며, 상기 제2케이스(109)의 외부 양측에는 제2축(113)의 일측에 형성된 ㄷ자 형상의 연결구(112)를 통해 힌지축(110)이 결합 구성되며, 상기 제2케이스(109)의 내부 힌지축(110)의 둘레에는 제3엔코더(111)가 설치되어 상기 제2축(113)의 상하 이동각도를 검출하게 된다.
상기 제2축(113)의 타단에는 삽입홈(114)이 형성되고, 상기 삽입홈(114)에는 연결부(115)의 삽입구(116)가 삽입 고정되며, 상기 연결부(115) 내부의 베어링(117) 구조에 의하여 상기 연결부(115)는 상기 제2축(113)을 중심으로 좌우 회전 가능하게 된다.
상기 연결부(115)의 타단은 이동부(118)의 일단과 힌지(119) 결합되고, 상기 이동부(118)의 타단은 초음파발생부(120)와 베어링(121)을 통해 연결되며, 상기 이동부(118)는 상기 연결부(115)와는 상하로 이동 가능하게 된다.
상기 초음파발생부(120)는 일단이 상기 이동부(118)와 베어링(121) 구조를 통해 연결되어, 상기 이동부(118)를 중심으로 회전 이동 가능하게 연결되며, 외부에는 보호 커버(122)가 형성되고 내부에는 초음파를 발생시키는 탐촉자(140)가 설치된다. 또한, 상기 초음파발생부(120)의 보호커버(122) 양 측면에는 중공(123)을 형성하여 탐촉자(140)와 신호처리용 케이블이 연결될 수 있도록 한다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 초음파발생부(120)의 선단부(124)의 중앙에는 탐촉자(140)로부터 출력되는 초음파가 발사되는 홀(125)과, 상기 홀(125)을중심으로 십자형의 홈부(126)를 형성하여 피검체(M)인 구면, 원통 및 평판에서의 접촉력을 높이고 틈새에 초음파 전달매개체인 접촉매질(물, 오일, 글리세린 등)이 잘 흘러 들어가게 구성한다.
상기 본체(101)의 측면에 고정 설치되는 자석홀더(130)의 내부에는 영구자석이 설치되고, 상기 자석홀더(130)의 외측에는 노브(131)가 설치된다. 상기 노브(131)는 영구자석의 자력을 기구적으로 차단 또는 해제하는 역할을 하며, 그 상세한 기구부의 구조는 공지된 기술로 여기서 상세하게 언급하지는 않는다.
따라서, 상기 노브(131)의 조작에 따라 자석홀더(130)의 저면은 피검체(M)의 표면에 접촉되거나 떨어지게 되는 것이다.
또한, 상기 자석홀더(130)의 상부에는 중앙에 U자형 안착부(134)가 형성된 ㄴ자 형상의 영점조절구(132)가 고정 설치되어, 상기 초음파 스캐너(100)의 측정 작업시 초기 상태인 영점조절(초기화)을 위해 초음파발생부(120)의 후단부가 삽입되는 구조를 형성한다.
미설명부호 C는 케이블이다.
이와 같이 구성되는 초음파 스캐너(100)는, 무게 경감과 녹의 발생, 뒤틀림의 방지를 위해 알루미늄 재질로 구성되며, 상기 제1축(108) 및 제2축(113)은 각각 H-빔 구조 및 원통형 파이프 형태로 구성하여 충분한 강도를 가지며 변형을 방지하도록 구성한다.
상기 본체(101), 상기 본체(101)와 제1축(108), 상기 제1축(108)과 제2축(113) 사이에 형성된 제1, 제2 및 제3엔코더(104)(107)(111)는 상기제1축(108) 및 제2축(113)의 이동 변위를 측정하는 것으로, 상기 변위 인식 수는 2048개로 1개의 회전각은 0.175°의 각도 정밀도를 가진다.
상기 초음파발생부(120)의 재질은 내마모성이 높고 부식에 강한 스테인레스강으로 구성하고, 상기 초음파발생부(120)의 외면은 사용자가 손가락으로 집을 때 미끄러지지 않도록 깔주기 가공을 해서 구성한다.
또한, 상기 초음파 스캐너(100)는 제1축(108) 및 제2축(113)을 최대로 펼치면 본체(101)로부터 반경 100mm - 300mm까지의 측정범위를 가지며, 측정 가능한 피검체(M)는 직경 150mm이상의 파이프(pipe), 곡관, 반경150mm 이상의 구면, 평판 등이나, 더 작은 직경을 가지는 피검체(M)의 경우에는 검사면을 작게 분할하여 검사 한 후 이를 모아 한 평면에 소프트웨어로 합성하여 표시 할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정 시스템의 제어 회로 블록도이다.
도시된 바와 같이, 표시기호 100은 초음파스캐너의 회로 블록을 나타내는 것으로, 균열 또는 부식측정을 위하여 일정한 주파수로 초음파를 피검체(M)로 발사하는 탐촉자(140)와, 상기 초음파스캐너(100)의 측정 위치, 즉 피검체(M)의 측정 위치를 제1엔코더(104), 제2엔코더(107) 및 제3엔코더(111)로부터 위치 변위로 검출하는 엔코더(150)로 구성된다.
표시기호 200은 신호처리수단으로서, 상기 탐촉자(210)로 초음파 펄스신호를 인가하여 탐촉자(210)가 초음파를 발생시키도록 제어하는 초음파발생부(210)와, 상기 탐촉자(140)로부터 발사된 초음파가 상기 피검체(M)로부터 다시 반사 되어 입력되는 초음파 검출신호(부식 또는 균열 데이터)를 입력받는 초음파입력부(220)와, 상기 초음파입력부(220)로부터 입력되는 아날로그형 초음파 검출신호를 디지털신호로 변환시키는 A/D변환부(230)와, 상기 A/D변환부(230)로부터 입력되는 측정 데이터를 신호 처리하여 출력수단(300)으로 전송하고, 동시에 초음파발생부(210)로 초음파 발생펄스를 출력하도록 제어하는 초음파신호처리부(240)와, 상기 엔코더(150)로부터 입력되는 각각의 제1, 제2 및 제3엔코더(104)(107)(111)의 아날로그형 출력신호를 디지털로 변환하는 A/D변환부(250)와, 상기 A/D변환부(250)로부터 입력되는 변위데이터를 신호처리하여 출력수단(300)으로 출력하는 엔코더신호처리부(260)로 구성된다.
표시기호 300은 출력수단으로, 상기 신호처리수단(200)의 초음파신호처리부(240) 및 엔코더신호처리부(260)로부터 입력되는 초음파 데이터 및 위치 데이터를 이용하여, 현재 피검체(M)의 부식 및 균열정도를 산출하고, 동시에 피검체(M)의 안전성 유무를 산출 및 판정하되, 이 결과치들을 실시간으로 출력하고, 저장하는 본체부(310)와, 상기 본체부(310)의 출력에 의하여 현재 피검체(M)의 부식 및 균열정도를 소정의 형태로 디스플레이하고, 그에 따른 피검체의 안전성 유무를 소정의 형태로 디스플레이하는 표시부(320)와, 상기 본체부(310)로 소정의 키 값을 입력하여 주는 키보드(330)로 구성된다.
이와 같이 구성되는 본 발명 시스템은 산업 현장의 압력용기(pressure vessel), 각종드럼(drum), 열교환기동체(heat exchanger shell), 분리형 타워(separation tower), 저장용탱크(storage tank), 반응용기류(reactors), 각종배관류(process pipe lines)등의 표면에 자석척(magnetic chuck)을 이용하여 상기 초음파 스캐너(100)를 간단히 고정시키고 검사 대상 부위를 검사자가 수동으로 이동시켜 피검체(M)로부터 초음파 신호와, 이등변삼각형 형상의 초음파 스캐너(100)에 장착된 X,Y,Z축 엔코더(150)의 변위가 상기 신호처리수단(200)을 거쳐 전기적 신호로 변환되어 출력수단(300)으로 입력된다.
이때 상기 신호들은 출력수단(300)의 모니터(320) 상에 도 6과 같이 화상 결과가 표시되며, 이때 표시 방식은 탐상평면도(802), 탐상단면도(806), 탐상측면도(805) 3가지로 표현된다.
상기 검사가 완료되면 화면상에서 X축(길이방향)과 Y축(축방향)의 커서(809)(810)를 자유자재로 이동 시키면서 전체검사부위의 단면과 측면의 결함 분포와 연결성을 실측 크기로 확인 가능하도록 눈금자(803)가 구성되어 있다.
각각의 단면에서 손상이 가장 심한 곳을 선정하여 결함의 축방향 단면에서의 길이(811)와 결함이 차지하는 단면 두께(812) 및 측면부(축의 직각방향)에서의 결함 길이(813)와 결함이 차지하는 단면 두께(814)를 구해 이를 이용하여 결함 크기를 국제적인 협회(미국재료협회, 일본비용접협회 등)나 국가규격(미국표준(ANSI), 영국표준(BS))등에서 규정하는 결함의 정형화 기준에 맞도록 한 후 규격에 따라 결함을 평가하게 되는 것이다.
본 발명에 따른 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템과 그 안전성 평가방법은, 측정 가능한 파이프, 곡관, 구면, 평판 등의 피검체 검사면을 작게 분할하여 검사 한 후 이를 모아 한 평면상에 소프트웨어로 합성하여 표시하는제 1 과정과, 상기 제 1 과정을 통해 형성된 평면상에 검출되는 아날로그 초음파신호를 디지털로 변환하여 실시간으로 저장 및 출력하여 피검체의 두께에 대응하여 칼라 화상으로 표시함으로써 색상을 통해 피검체의 두께 범위와 분포, 결함의 크기를 인식할 수 있도록 한 제 2 과정과 , 상기 제 2 과정을 통해 측정된 피검체의 두께 범위와 분포, 결함의 크기 등의 실측 정보를 이용하여 피검체(M)의 안전성유무를 평가하기 위하여, 재료역학적평가와 파괴역학적평가를 수행하는 제 3 과정을 포함하여 구성된다.
보다 구체적으로, 본 발명 시스템은 측정 가능한 파이프, 곡관, 구면, 평판 등 검사면을 작게 분할하여 검사 한 후 이를 모아 한 평면에 소프트웨어로 합성하여 표시 할 수 있게 되는 데, 초음파 스캐너(100)가 피검체(M)의 곡율과 구배를 자동계산 인식하도록 하기 위해, 파이프와 같은 실린더형 피검체(M)의 형상인식은 피검체의 검사대상면 6점을 읽어 계산토록 하며, 엘보(elbow)같은 곡관은 9점을, 타워나 열교환기, 압력용기의 헤드(head)같은 구면(spherical)은 4점, 평판은 3점을 읽어 피검체의 형상과 곡율 구배 등을 프로그램으로 자동 계산하여 평면상으로 펼쳐 나타내준다.
상기 측정 점을 이용한 피검체(M)의 형상 인식과 계산은 소정의 프로그램에 각점을 입력하여 구하게 되는데, 상세한 것은 후술하는 알고리즘을 이용하여 프로그램으로 계산되어 최종 결과 도출 시에는 이를 평면상으로 나타내어 주게 된다.
(1)검사 대상이 구인 경우에 평면으로의 좌표변환
세 점 P1(x1,y1) P2(x2,y2) P3(x3,y3) 일 때,
x2+y2+Ax+By+C=0에서,
중심 :반지름:
(2)검사 대상이 원통인 경우에 평면으로의 좌표변환(원통의 표면을 X-Y평면 좌표로의 변환)
(가정) 도 7a에 도시된 바와 같이 P1, P2, P3와 P4, P5, P6은 동일 평면상에 있다.
(A)변환순서의 개괄
① P1, P2, P3, P4, P5, P6까지 순서대로 점좌표를 찍어서 입력한다.
② P1, P2, P3를 이용하여 중심 C1을 구한다.
③ P4, P5, P6을 이용하여 중심 C2를 구한다.
④ C1, C2를 이용하여 직선의 방정식을 구하고, 중심 C1과 P3을 기저로 하는 원통 좌표계로 변환하는 변환식을 구한다.
⑤ 변환식을 기초로 임의의 측정 좌표를 원통좌표계로 변환한다.
⑥ 변환된 원통좌표계를 기초로 하여 다시 X-Y평면 좌표계로 변환한다.
(B) 실제 변환에 필요한 식과 유도과정
① 측정기에는 3개의 엔코더가 있고, 이에 따른 측정기의 직각좌표계로 변환하는 방법은 다음과 같다.(도 7b 참조)
② 상기 (A)-②와 (A)-③을 이용하여 C1과 C2를 구하려면
㉮ 먼저 P1, P2, P3를 지나는 평면의 방정식을 구한다. 여기서는 원이 된다. 세 점 P1(x1, y1, z1), P2(x2, y2, z2), P3(x3, y3, z3)를 지나고 중심이 C1(x0, y0, z0)인 원의 방정식을 구한다.
위 세 식에 의해서 중심 C1을 구할 수 있다.
나머지 P4(x4, y4, z4), P5(x5, y5, z5), P6(x6, y6, z6)을 지나는 중심 C2(x7, y7, z7)도 구할 수 있다.
이러한 과정을 통해서 중심이 C1, C2인 원의 방정식을 구한다.
㉯ P1, P2, P3으로 이루어지는 평면의 좌표계로 변환한다.
다시 말해 ( x , y, z ) --> ( x, y, 0 )으로 변환한다. 이 말은 x, y평면으로의 투사(Projection)를 말한다. 그러므로 x* = x, y* = y, z* = 0가 되는 것을 의미하므로 이를 나타내는 변환 행렬은 아래와 같다.
위의 행렬변환에 의해서 xy평면 위에 변환된 평면을 구한다.
㉰ 위의 방법으로 구한 C1과 C2를 다시 원래의 좌표계로 변환시켜 최종의 C1과 C2를 얻는다. 즉, 원통좌표계(rθz좌표계)를 직각좌표계(xy평면좌표계)로 나타내면 x=z, y=rθa가 된다. 그러므로 xy평면 위에 투사된 평면을 구할 수 있다.
(3)검사 대상이 곡관인 경우에 평면으로의 좌표변환
(곡관의 표면을 X-Y평면 좌표로의 변환)
(가정) 도 8a에서와 같이, P1, P2, P3과 P4, P5, P6과 P7, P8, P9는 동일 평면상에 있다.
(A)변환순서
① P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9까지 순서대로 점좌표를 찍어서 입력한다.
② P1, P2, P3으로 이루어지는 평면의 좌표계로 변환한다.
다시 말해 ( x , y, z ) --> ( x, y, 0 )으로 변환한다.
상기 변환은 x, y평면으로의 변환을 말하는데 P1, P2, P3으로 이루어지는 평면 좌표계에서 평행이동과 회전이동을 통하여 C0를 중심으로 하는 xyz 직각 좌표계로 변환하는 행렬 변환식을 만든다. P1, P2, P3과 P4, P5, P6과 P7, P8, P9의 각각의 평면의 중심좌표를 구하여 z값을 찾아내는 것은 이들 평면이 하나의 평면 위에 존재하는지 알아보기 위함이다. 일련의 과정을 통해서 한 평면에 있다고 하게 되면 도 8b와 같은 기하학적 계산에 의해서 평면으로 좌표 변환된 것을 구할 수 있다.
먼저 해야 할 일은 측정기의 좌표계를 C0가 중심이 되는 xyz좌표계로 변환하기 위해서 측정기의 좌표계를 평행이동과 회전이동을 하여 좌표계를 일치시킨다.
다음 행렬은 P2(x2, y2, z2)를 x, y, z방향으로 J, K, L만큼 평행이동하여 중심 C0에 일치시킨 행렬변환이다.
이렇게 변환된 좌표계를 C0가 중심인 xyz 직교 좌표계로 일치시키려면 아래의 행렬변환에 의해서 y축을 따라 α만큼 회전 이동시키면 된다.
x*= xcosα+ zsinα
y*= y
z*= -xsinα+ zcosα
이므로 행렬변환으로 나타내면
이다.
그러므로 C0를 중심으로 하고 xyz직각 좌표계로 변환된 P2의 변환식은 아래와 같다.
③ P1, P2, P3를 이용하여 중심 C1을 구하는데 원의 조건에 의해 C1의 x, y를 아래의 방법에 의해서 구한다.
즉, 세 점 P1(x1, y1, z1), P2(x2, y2, z2), P3(x3, y3, z3)을 지나고 중심이 C1(x0, y0, z0)인 원의 방정식을 구한다.
위 세 식을 연립하여 풀면 중심 C1을 구할 수 있다.
동일한 방법으로 P4(x4, y4, z4), P5(x5, y5, z5), P6(x6, y6, z6)을 지나는 중심 C2(x10, y10, z10)을 구하고, 동일한 방법으로 P7(x7, y7, z7), P8(x8, y8, z8), P9(x9, y9, z9)을 지나는 중심 C3(x11, y11, z11)을 구할 수 있다.
이러한 과정을 통해서 중심이 C1, C2, C3 인 원의 방정식을 구한다. 이렇게 구한 C1, C2, C3의 x, y좌표를 구할 수 있다.
④ 상기 ②의 역으로 계산하여 중심 C의 z성분을 구하여 C0, C1, C2, C3가 한 평면 위에 있는지를 보여줘야 한다. 이를 증명하기 위해 z성분을 구한다.
위의 ③에서 x, y성분을 알고 있으므로 위의 행렬변환식에서 z성분을 알 수 있다.
여기서 z성분에 의해서 어떤 평면을 기준으로 휘어져 있는 것을 알게되고 한 평면에 있는 것을 보고 아래의 ⑤식을 적용할 수 있다.
⑤ C1, C2, C3를 지나고 중심이 C0인 xyz직각좌표계로 변환하는 관계식을 구한다. 도 8b에서 임을
이용하여 x, y평면 위에 투영한 것을 표현하면되어 x, y평면으로 나타낼 수 있다.
결과적으로, 이와 같은 본 발명 시스템은 초음파 발생부(140) 선단부(124)로부터 피검체 (M) 내부 및, 피검체(M) 뒷면의 상태를 초음파 반사 신호를 관찰함으로서 피검체(M)의 부식 상황이나 두께 감소, 내부의 결함 유무 등을 파악하게 된다.
본 발명에서는 초음파 아날로그 신호를 특정 범위로 지정하여 게이트에 들어오는 아날로그 신호를 디지털로 변환하여 실시간으로 소프트웨어를 거쳐 컴퓨터의 하드에 저장하여 도 6과 같이 두께에 따라 칼라파레트에 매치(match)시켜 칼라 화상으로 모니터(320)에 나타내어 주므로 색상만 보더라도 두께 범위와 분포, 결함의 크기를 알 수 있도록 하였다.
즉, 피검체(M)의 두께 변화, 내부의 결함 길이, 깊이, 평면상의 면적(크기), 배면의 형상을 실시간으로 칼라화상으로 표시하여 이를 이용하여 피검체(M)의 상태를 평가하는 시스템이다. 이때, 초음파 스캐너(100)의 위치표정은 3개의 엔코더 전기신호를 받아 거리로 환산하여 특정지점의 초음파 두께값과 X,Y,Z의 위치값을 함께 저장하여 이를 한 평면상에 나타내어 주는 것이다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 화상의 평면도(802)에 수평과 수직 방향의 커서(809)(810)를 두어 커서의 위치에 대한 최소 두께값, 최대 두께값, 위치(804) 및 측면도(805)와 단면도(806)가 커서 움직임에 따라 실시간으로 나타나도록 하여 검사 종료 후 결함의 평가 시 평가자가 커서의 이동에 따른 부식의 형상, 균열의 크기, 상호 연결성, 깊이 분포 등을 쉽게 파악 할 수 있도록 한다.
이는 검사한 지역에서 최대 손상 지역을 찾는 것과 재료역학적 계산 및 파괴역학적 안전성 계산에 사용 할 결함 치수를 결정하기 위한 것이다.
그리고, 화상처리한 결과에서 결함의 두께별 점유율을 계산하여 면적(80')으로 나타나게 하여 향후 시간의 경과에 따른 동일 부위의 결함성장, 면적 변화를 이전 검사결과와 비교 할 수 있도록 하여 손상부위의 경시 변화 모니터링이 가능하다.
화상처리 단면과 측면도에는 눈금자(803)를 붙혀 프린트하여 사용 할 때 별도의 자를 사용하지 않아도 결함의 깊이와 분포 표면 및 내면에서의 이격 거리, 길이 등을 알 수 있다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 과정을 거쳐 화상처리해서 구한 결함의 실측 정보를 이용하여 피검체(M)의 안전성유무를 평가하기 위하여, 재료역학적평가와 파괴역학적평가를 수행한다.
이때 안전성 평가를 위해 기본적으로 입력되는 결함의 정보와 계산을 위해 사용되는 설계사양 입력은, 설비의 설계 사양과 피검체 두께, 온도, 검사장비의 조정 값, 제품명, 기기번호, 재질 등이 된다. 이렇게 입력된 값을 바탕으로 소프트웨어가 자동 계산하여 최종 결과를 표시하게 된다.
먼저, 재료역학적인 평가의 이론적 배경은 현재 설비가 가동 중에 작용하는 작용력과 설비 재료가 견디는 내력을 계산하여 작용력이 내력보다 작으면 합격으로 한다.
여기서 기준이 되는 보수나 교체 한계는 다음 식으로 구한다.
축 방향과 원주 방향을 각각 계산하여 비교한다.
(1) 내구력의 계산
0.9σy(1- a/A), 여기서, σy는 재료의 항복응력(재료 고유 물성치로 재료강도 표에서 인용)이고, a는 두께 방향 결함 길이(두께 방향 연속 결함 길이)와 길이 방향 결함길이의 곱)이며, A는 HIC평가 면적(두께 X 길이 방향 결함 길이)이다.
상기 식에서 항복 응력에 0.9를 곱한 것은 구조적 불연속에 있어서 응력 집중 등을 고려한 경우에 작용응력 σ(sigma)를 그때마다 정도 높게 산출하지 않는다면 건전부의 허용응력에 0.9σy를 사용하면 위험 측에서 안전하게 평가하는 것이되므로 0.9σy를 사용한다.
(2)작용응력의 계산
σt1 = Pr/t, 여기서, σt1는 축방향 작용응력이고, P는 설계압력(사용적정성 평가 시는 실제 압력)이며, r은 원통의 내 반경이고, t는 피검체 두께다.
σt2 = Pr/2t, 여기서, σt2는 원주 방향 작용응력이고, P는 설계압력(사용적정성 평가 시는 실제 압력)이고, r은 원통의 내 반경이고, t는 피검체 두께이다.
한편, 파괴역학적인 평가는 응력과 변형을 이용한다. 즉, 인장강도나 항복응력에 대한 안전율을 고려해서 결정된 허용 응력을 이용한다.
그러나, 구조용 부재에 결함(균열)이 존재하는 경우 응력과 변형량 만에 대한 정보로 문제를 해결 할 수 없다. 파괴 역학적인 설계나 해석은 응력확대 계수(K), J-적분(J), 균열선단 개구변위(CTOD.δ) 등이 이용되어야 한다.
본 발명에서는 탄소성파괴기구(EPFM)에서 균열선단의 소성 항복에 의한 개구량의 파괴 파라메타로 이용되는 균열선단 개구변위(CTOD, δ)를 사용한다.
파괴역학적 해석이나 평가를 지정하는 대표적인 국제 규격에는, 미국의 기계기술자협회(ASME)의 경우는 ASME CODE SECTION XI, Appendix. A와 영국의 국가규격인 BSI PD6493, 일본의 용접협회 규격인 WES2805가 있다.
상기 각 국의 규격은 대동소이하나 본 발명에서는 일실시예로 일본의 규격을 채용한다.
이 규격에 따른 평가법은 다음과 같다.
먼저, 파괴인성치(δc)는 다음과 같이 구한다. 피검체 재질에 대한 균열개구변형시험(COD)결과가 없는 경우나 충격치가 없는 경우는 파괴 인성치(δc)를 0.1로 한다. 다만, 피검체(M) 재질이 특수한 경우는 별도 조정을 필요로 한다.
파괴역학적 계산은 하기와 같이 이루어진다.
(1) 응력(σ)의 계산
σt1 = Pr/t, 여기서, σt1은 축 방향 작용응력이고, P는 설계압력(사용적정성 평가 시는 실제 압력)이고, r은 원통의 내 반경이고, t는 피검체 두께다.
σt2 = Pr/2t, 여기서, σt2는 원주 방향 작용응력이고, P는 설계압력(사용적정성 평가 시는 실제 압력)이고, r은 원통의 내 반경이고, t는 피검체 두께다.
(2) 변형량(ε)의 계산
축 방향 변형량 ε1= ((m-2) /(2mE)) x (Pr/t), 여기서, m는 포아송수로 구조용강재에서 3.3을 적용한 것이고, E는 영률이고, P는 설계압력(사용적정성 평가 시는 실제 압력)이고, r은 원통의 내 반경, t는 피검체 두께다.
원주 방향 변형량 ε2= ((2m-1) /(2mE)) x (Pr/t), 여기서, m는 포아송수로 구조용강재에서 3.3을 적용한 것이고, E는 영률이고, P는 설계압력(사용적정성 평가 시는 실제 압력)이고, r은 원통의 내 반경, t는 피검체 두께다.
연강에서의 파괴 파라메타 δ= 3.5εa 와 연강에서 파괴인성치는 δc= 0.1를 적용하여 파괴 인성치가 파괴파라메타보다 크면 합격이 된다.
그러나, 결함의 특성치수 a를 구하는 것은 일본 용접협회 규격 WES 2805에 따라 결함의 두께 방향 위치에 따라 관통, 매설, 표면으로 나누고, 인접 결함의 연결성도 평가해서 결함 특성치수 a를 해당 도표에서 읽어 입력시킨다.
상기와 같이 공학적인 계산에 따라 현재 피검체가 작용하는 응력이나 내부의 균열 등의 결함이 성장해서 파괴에 이를 것인지 아닌지를 명확히 알 수 있게 되어 설비의 안전적 유지와 가동을 확보하게 된다.
이러한 모든 계산과 칼라화상 등이 출력수단(300)을 통해 프로그램화된 상세 메뉴에 따라 이루어지고 저장되므로 상시 확인과 비교가 가능하고 수작업에 의한 계산 오류를 예방 할 수 있게 된다.
또한, 입력값으로 자동 평가해서 보고서를 자동으로 생성시켜 출력함으로 보고서 작성의 번거로움과 수 작업에 의한 계산 오류를 방지하게 된다.
이상에서와 같이 본 발명은 석유화학 프랜트, 제철, 발전소 등의 장치 산업 설비에서 발생되는 수소유기균열, 부식 상태 등의 경년 변화와 손상 상태를 조사, 측정하여 재료역학이나 파괴역학적인 안전성 평가 방법을 이용한 장치물의 사용 안전성을 평가하는 장치로, 종래의 방법이나, 타 검사 방법으로는 표시하거나 기록할 수 없는 방대한 두께측정값(가로×세로150mm 범위일 때 90,000개)과, 위치테이터값(270,000개)으로 구성되며, 매우 조밀한(0.5 ×0.5mm) 측정 포인터의 두께 측정값과 이들의 측정위치값을 디지털화하여 칼라 화상으로 한 평면상에 평면, 측면, 단면도로 가시 화상으로 실시간으로 나타내 줌으로서 화상을 이용한 손상의 범위나 면적, 위치, 크기, 깊이 등을 정량적으로 측정 할 수 있을 뿐만 아니라 디지털 파일로 컴퓨터에 저장 관리되므로 손상의 시간적 변화 모니터링이 가능하다.
또한, 본 발명은 종래의 검사법으로는 표시하기 어려운 측정 정밀도와 영구 기록 저장, 검사소요 시간의 단축, 화상처리 결과물을 이용한 손상의 공학적 근거에 기초한 사용 안전성의 평가로 장치 설비류의 수명 예측 및 파열, 누수, 폭발, 환경오염등의 사고를 예방 할 수 있다.
또한, 한 쪽 면에서 만 접근하여 내면과 배면의 형상을 입체적인 정밀 화상으로 볼 수 있으므로 내면이나 배면의 금속적 결함이나 부식 손상 등의 크기와 형상, 깊이 등의 상세한 정보를 알 수 있으므로 여러 가지 검사나 점검 부분에 응용하여 사용 될 수 있다.
본 발명은 종래 적외선 카메라 교신 방식 외국 제품의 단점인 설치 공간의 과대 차지와 설치의 번거로움, 위보기 검사의 불가능, 진동에 따른 위치 인식 불가, 적외선 교신이 어려운 환경(한 낮)에서 사용의 어려움 등의 단점을 제거한 저공간 기계식엔코드 3축 6자유도의 스마트(높이250mm이내)한 구조와 원터치의 영구자석으로 탈착이 가능한 알루미늄 경량 구조로 고가의 초음파센서를 보호하기 위해 보호대를 부착하여 센서의 마모를 방지하여 영구적 사용이 가능하며 배관이나 구면에서 초음파 센서의 접촉력을 높이기 위해 보호대 하부에 십자홈을 가공하여 접촉매질의 공급도 원활하게 한 장점이 있다.
무엇보다도 본 발명은 기존제품의 곡관, 배관, 구면 등의 평판이 아닌 부위의 측정 시에 발생하는 심각한 측정 오차를 3축 인식 스캐너를 이용하여 좌우, 상하, 고저의 검사체의 형상 인식 방법을 이용한 수학적 곡면과 곡율의 보정 알고니즘을 이용하여 평면상에 전개, 측정 오차를 최소화시킴으로 초음파화상처리 결과물의 오차가 최대 +1.5mm이내 가됨으로서 화상결과를 이용한 결함의 정량적이고 정밀한 평가가 가능한 장점이 있다. 이는 화상에서 구한 결함의 크기를 직접적으로 계산에 이용하는 안전성 평가의 신뢰성을 높여 설비의 계속 사용이나 보강, 경신 등의 결정에 중요한 공학적 근거가 된다.
또한, 이러한 평가법은 국내외의 규격이나 국제적 공인성이 있는 협회의 규격에 따라 절차화 된 순서와 작업 요령서를 만들어 사용함으로 그 이론적 근거나, 공학적 근거가 명확하여 국제적으로 사용하여도 손색이 없으며, 수작업에 따른 계산의 오류나 공학적인 지식이 없는 사용자를 위한 화면에 따른 입력값 만으로도 최종 검사 결과물인 화상처리결과와 안전성 평가 결과가 자동으로 계산되어 프린트되도록 프로그램화하여 사용자 편리성을 높인 장점이 있다.

Claims (23)

  1. 본체(101)와, 상기 본체(101)의 상부에 연결되는 제1축(108)과, 상기 제1축(108)의 타단에 연결되는 제2축(113)과, 상기 제2축(113)의 타단에 연결되는 연결부(115)와, 상기 연결부(115)의 타단에 연결되는 이동부(118)와, 상기 이동부(118)의 타단에 연결되고 내부에 초음파를 발생하는 탐촉자(140)가 설치된 초음파발생부(120)와, 상기 본체(101)의 측면에 고정 설치되고 영구자석이 내장된 자석홀더(130)와, 상기 본체(101), 제1케이스(105) 및 제2케이스(109) 내부의 힌지축에 각각 설치되어 상기 제1축(108) 및 제2축(113)의 위치를 감지하는 제1, 제2 및 제3엔코더(104)(107)(111)를 포함하여 파이프형의 실린더, 엘보와 같은 곡관, 압력용기의 헤드와 같은 구면이나 평판 등의 피검체(M)의 내부 균열이나 부식정도를 외부에서 초음파를 이용하여 측정하는 초음파 스캐너(100);
    상기 초음파 스캐너(100)를 통해 측정한 균열 및 부식 데이터와, 상기 초음파 스캐너(100)가 측정한 장소의 위치데이터를 입력받아 디지털 신호로 변환 처리하여 출력하는 신호처리수단(200); 및
    상기 신호처리수단(200)으로부터 출력되는 신호를 입력받아 소정의 프로그램에 의하여 피검체(M)의 부식 및 균열정도를 측정 및 산출하고, 그 결과치에 따른 피검체의 안전성 등에 대한 평가를 수행하여 소정의 형태로 디스플레이하고, 동시에 이러한 결과치를 저장할 수 있는 출력수단(300); 을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파스캐너(100)의 본체(101)는 제1케이스(105)와 내부의 힌지축(102)을 중심으로 좌우 회전이 가능하도록 베어링(103)을 통해 연결되고, 상기 힌지축(102)에는 제1엔코더(104)가 설치되어 제1축(108)의 좌우 회전각도를 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파스캐너(100)의 제1축(108)은 일측에 형성된 ㄷ자 형상의 연결구(133)가 제1케이스(105)의 외부 양측을 통해 힌지축(106)에 결합 구성되고, 타측에는 4각형상의 제2케이스(109)가 형성되며, 상기 제1케이스(105)의 내부 힌지축(106)의 둘레에는 제2엔코더(107)가 설치되어 상기 제1축(108)의 상하 이동각도를 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파스캐너(100)의 제2축(113)은 일측에 형성된 ㄷ자 형상의연결구(112)가 제2케이스(109)의 외부 양측을 통해 힌지축(110)과 결합 구성되고, 상기 제2축(113)의 타단에는 삽입홈(114)이 형성되며, 상기 제2케이스(109)의 내부 힌지축(110)의 둘레에는 제3엔코더(111)가 설치되어 상기 제2축(113)의 상하 이동각도를 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파스캐너(100)의 연결부(115)는 일측에 형성된 삽입구(116)가 제2축(113)의 삽입홈(114)에 삽입 고정되고, 타측이 이동부(118)의 일단과 힌지(119) 결합되며, 상기 연결부(115) 내부의 베어링(117) 구조에 의하여 상기 연결부(115)는 상기 제2축(113)을 중심으로 좌우 회전 가능하게 구성됨을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파스캐너(100)의 이동부(118)는 ㄷ자 형상의 일측이 상기 이동부(118)의 일단과 힌지(119) 결합되고, 타단이 초음파발생부(120)와 베어링(121)을 통해 연결되어 상기 연결부(115)를 중심으로 상하로 이동 가능하게 설치됨을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파스캐너(100)의 초음파발생부(120)는 일단이 상기 이동부(118)와 베어링(121) 구조를 통해 연결되어, 상기 이동부(118)를 중심으로 회전 이동 가능하게 연결되고, 외부에는 보호 커버(122)가 형성되고 내부에는 초음파를 발생시키는 탐촉자(140)가 설치되며, 상기 보호커버(122) 양 측면에는 중공(123)이 형성된 것을 특징으로 하는 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 초음파발생부(120)의 선단부(124)에는 중앙에 탐촉자(140)로부터 출력되는 초음파가 발사되는 홀(125)과, 상기 홀(125)을 중심으로 십자형의 홈부(126)를 형성되는 것을 특징으로 하는 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파스캐너(100)의 자석홀더(130)의 내부에는 영구자석이 설치되고, 상기 자석홀더(130)의 외측에는 상기 영구자석의 자력을 기구적으로 차단 또는 해제하는 노브(131)가 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 자석홀더(130)의 상부에는 U자형 안착부(134)가 형성된 ㄴ자 형상의 영점조절구(132)가 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파스캐너(100)는 균열 또는 부식측정을 위하여 일정한 주파수로 초음파를 피검체(M)로 발사하는 탐촉자(140); 및
    피검체(M)의 측정 위치를 제1엔코더(104), 제2엔코더(107) 및 제3엔코더(111)로부터 위치 변위로 검출하는 엔코더(150); 를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호처리수단(200)은 탐촉자(210)로 초음파 펄스신호를 인가하여 탐촉자(210)가 초음파를 발생시키도록 제어하는 초음파발생부(210);
    상기 탐촉자(140)로부터 발사된 초음파가 상기 피검체(M)로부터 다시 반사 되어 입력되는 초음파 검출신호(부식 또는 균열 데이터)를 입력받는 초음파입력부(220);
    상기 초음파입력부(220)로부터 입력되는 아날로그형 초음파 검출신호를 디지털신호로 변환시키는 A/D변환부(230);
    상기 A/D변환부(230)로부터 입력되는 측정 데이터를 신호 처리하여 출력수단(300)으로 전송하고, 동시에 초음파발생부(210)로 초음파 발생펄스를 출력하도록 제어하는 초음파신호처리부(240);
    상기 엔코더(150)로부터 입력되는 각각의 제1, 제2 및 제3엔코더(104)(107)(111)의 아날로그형 출력신호를 디지털로 변환하는 A/D변환부(250); 및
    상기 A/D변환부(250)로부터 입력되는 변위데이터를 신호처리하여 출력수단(300)으로 출력하는 엔코더신호처리부(260); 로 구성된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력수단(300)은 퍼스널 컴퓨터 또는 노트북이나 PDA인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  14. 제 1 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 출력수단(300)은 신호처리수단(200)의 초음파신호처리부(240) 및 엔코더신호처리부(260)로부터 입력되는 초음파 데이터 및 위치 데이터를 이용하여, 현재 피검체(M)의 부식 및 균열정도를 산출하고, 동시에 피검체(M)의 안전성 유무를 산출 및 판정하되, 이 결과치들을 실시간으로 출력하고, 저장하는 본체부(310);
    상기 본체부(310)의 출력에 의하여 현재 피검체(M)의 부식 및 균열정도를 소정의 형태로 디스플레이하고, 그에 따른 피검체의 안전성 유무를 소정의 형태로 디스플레이하는 표시부(320); 및
    상기 본체부(310)로 소정의 키 값을 입력하여 주는 키보드(330); 로 구성된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력수단(300)의 모니터(320)에는 피검체의 탐상평면도(802), 탐상단면도(806) 및 탐상측면도(805)가 표시되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 모니터(320)에는 피검체의 검사 완료시, 화면상에서 X축(길이방향)과 Y축(축방향)의 커서(809)(810)를 자유자재로 이동 시키면서 전체검사부위의 단면과 측면의 결함 분포와 연결성을 실측 크기로 확인 가능하도록 눈금자(803)가 더 포함되어 있는 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템.
  17. 파이프, 곡관, 구면 및 평면 등의 피검체(M)의 내부 균열이나 부식정도를 외부에서 초음파를 이용하여 측정하는 초음파 스캐너(100)와, 상기 초음파 스캐너(100)를 통해 측정한 균열 및 부식 데이터와, 상기 초음파 스캐너(100)가 측정한 장소의 위치데이터를 입력받아 디지털 신호로 변환 처리하여 출력하는 신호처리수단(200)과, 상기 신호처리수단(200)으로부터 출력되는 신호를 입력받아 소정의 프로그램에 의하여 피검체(M)의 부식 및 균열정도와 그 안전성 등에 대한 평가를 수행하여 디스플레이하고, 동시에 이러한 결과치를 저장할 수 있는 출력수단(300)을 포함하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정시스템과 그 안전성 평가방법에 있어서,
    측정 가능한 파이프, 곡관, 구면, 평판 등의 피검체 검사면을 작게 분할하여 검사 한 후 이를 모아 한 평면상에 소프트웨어로 합성하여 표시하는 제 1 과정;
    상기 제 1 과정을 통해 형성된 평면상에 검출되는 아날로그 초음파신호를 디지털로 변환하여 실시간으로 저장 및 출력하여 피검체의 두께에 대응하여 칼라 화상으로 표시함으로써 색상을 통해 피검체의 두께 범위와 분포, 결함의 크기를 인식할 수 있도록 한 제 2 과정; 및
    상기 제 2 과정을 통해 측정된 피검체의 두께 범위와 분포, 결함의 크기 등의 실측 정보를 이용하여 피검체(M)의 안전성유무를 평가하기 위하여, 재료역학적평가와 파괴역학적평가를 수행하는 제 3 과정; 을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정에 따른 피검체의 안전성 평가방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 과정은 피검체(M)의 곡율과 구배를 평면상으로 자동 전환 및 인식을 위해, 파이프의 형상인식은 피검체의 검사대상면 6점, 곡관은 9점, 구면은 4점, 평판은 3점을 각각 읽어 계산하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정에 따른 피검체의 안전성 평가방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 3 과정의 안전성 평가를 위해 기본적으로 입력되는 결함의 정보와 계산을 위해 사용되는 설계사양 입력은, 설비의 설계 사양과 피검체 두께, 온도, 검사장비의 조정 값, 제품명, 기기번호 및 재질 등인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정에 따른 피검체의 안전성 평가방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 3 과정의 안전성유무의 판단을 위한 재료역학적인 평가는 현재 피검체가 가동 중에 작용하는 작용력과 피검체가 견디는 내력을 계산하여 작용력이 내력보다 작으면 합격으로 판단하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정에 따른 피검체의 안전성 평가방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 재료역학적 평가는 축 방향과 원주 방향을 각각 계산하여 비교하되, σy는 재료의 항복응력(재료 고유 물성치로 재료강도 표에서 인용), a는 두께 방향 결함 길이(두께 방향 연속 결함 길이)와 길이 방향 결함길이의 곱, A는 HIC평가 면적(두께 X 길이 방향 결함 길이), σt1는 축방향 작용응력, σt2는 원주 방향 작용응력, P는 설계압력(사용적정성 평가 시는 실제 압력), r은 원통의 내 반경, t는 피검체 두께라 가정하면, 내구력의 계산은 0.9σy(1- a/A)를, 작용응력의 계산은 σt1 = Pr/t 및 σt2 = Pr/2t을 이용하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정에 따른 피검체의 안전성 평가방법.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 3 과정의 안전성유무의 판단을 위한 파괴역학적 평가는 현재 피검체응력과 변형량을 계산하여 안전성유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정에 따른 피검체의 안전성 평가방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 파괴역학적 평가는 σt1는 축방향 작용응력, σt2는 원주 방향 작용응력, P는 설계압력(사용적정성 평가 시는 실제 압력), r은 원통의 내 반경, t는 피검체 두께, m는 포아송수로 구조용강재에서 3.3을 적용한 것이고, E는 영률이라 가정하면, 응력(σ)의 계산은 σt1 = Pr/t, σt2 = Pr/2t 를, 변형량(ε)의 계산은 축 방향 변형량은 ε1= ((m-2) /(2mE)) x (Pr/t), 원주 방향 변형량은 ε2= ((2m-1) /(2mE)) x (Pr/t)를 이용하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 수소유기균열 및 부식 측정에 따른 피검체의 안전성 평가방법.
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