KR20040033698A - 유도초음파 탐지를 통한 배관 파이프의 진단방법 및 장치 - Google Patents

유도초음파 탐지를 통한 배관 파이프의 진단방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 현장에서 급수관에 유도초음파를 발생시킴으로서 급수관에 대한 결함 및 스케일 탐지를 하고 그 결과를 바로 해석할 수 있는 유도초음파 탐지를 통한 급수관 진단 방법 및 장치에 관한 것으로서, 고출력의 초음파를 발생시키고, 유도초음파 신호를 수신할 수 있는 초음파 발진수단; 진단하고자 하는 구조물의 초음파 입사부에 구비되며, 상기 초음파 발진수단과 연결되는 초음파 입사수단; 상기 구조물 내에 발생된 유도초음파를 탐지하는 탐촉수단; 상기 초음파 발진수단의 발진조건을 제어하고, 상기 탐촉수단에서 수신한 유도초음파 신호를 분석하는 제어수단; 및 상기 초음파 신호, 제어상태등을 작업자에게 시각화 시켜주는 디스플레이장치를 포함하는 유도초음파 탐지를 통한 배관 파이프의 진단장치를 제공한다.

Description

유도초음파 탐지를 통한 배관 파이프의 진단방법 및 장치 {Method and apparatus for diagnosing pipe by using the guided ultrasound}
본 발명은 건축물 내부의 스케일 및 부식으로 인한 결함, 균열 등을 탐지하기 위한 관형 구조물 진단방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 소정구간에 유도초음파를 발생시켜 관형 구조물을 통과한 유도초음파를 탐지하고, 분석함으로써 파이프의 상태를 진단하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 가정의 수도꼭지에서 배출되는 적수와 출수 불량의 원인은 정수장 또는 상수도관의 부식으로 인한 문제 보다는 옥내배관의 부식 또는 노화로 인한 비중이 커짐으로써, 배관 상태를 진단하는 것이 중요한 내용이 되었다.
종래의 배관의 상태 진단 방법으로는 간접진단과 직접진단의 두가지 방법이 이용되었다. 간접진단은 파이프의 시스템 목록 및 보수기록 등 서류상의 자료를 이용하여 노후자료는 판단하는 방법이다. 그러나 이러한 간접진단은 관의 균열, 흠, 패임, 스케일 등 관의 국부적인 특성을 진단할 수 없는 문제점이 있었다.
따라서, 관을 현장에서 직접 조사하여 관의 노후 상태를 진단하는 직접진단법이 필요하다. 이러한 직접진단은 관의 절단을 통하여 육안 검사 및 재질검사를 수행하여야 하는데, 공사에 따른 시간 및 비용이 많이 드는 문제점이 있었다.
최근에는 상기의 간접진단 및 직접진단의 문제점을 극복하기 위하여, 비파괴평가 기술이 대두되고 있다. 이러한 비파괴 평가 기술로는 방사선 투과시험, 초음파 두께측정, 와전류 탐상시험, 내시경 탐상등이 그 예이다.
방사선 투과시험 방법은 비파과 탐상법 중 가장 널리 사용되며, 구조물의 내부상태를 볼수 있는 장점이 있지만, 급수관의 경우, 방사선 투과시험 방법으로 탐상하기에는 방사능 유출의 위험 및 고 비용의 문제점이 있었다.
초음파 두께 측정은 관 외면에서는 탐상이 가능하지만 표면이 거칠고 불순물이 있는 경우 정확한 탐상이 불가능하며, 일부 노출된 부분에서만 탐상이 가능한 문제점이 있었다.
와전류 탐상시험기술은 전도성 배관을 탐상하는 기술로 현재 독일 및 미국을 비롯한 각국에서 열 교환기 튜브에 대한 응용을 바탕으로 급수관 비파괴 진단분야에 활발한 적용연구가 수행중이지만 실용화에는 이르지 못했다.
내시경을 이용한 진단기술은 관 내부의 상태를 바로 시각화 할 수 있어서 현재 현장에서 사용중에 있지만, 곡관부와 길이에 제한이 있어 관의 단부로 부터 비교적 멀리 떨어진 곳은 탐상이 곤란한 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 현장에서 급수관에 유도초음파를 발생시킴으로서 급수관에 대한 결함 및 스케일 탐지를 하고 그 결과를 바로 해석할 수 있는 유도초음파 탐지를 통한 급수관 진단 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도1은 본 발명에 의한 배관 파이프 진단장치의 구성을 도시한 개략도.
도2는 파이프에서 초음파를 송수신하기위한 웨지(wedge)와 급수관의 결합관계를 나타낸 분해사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 설명
10 : 파이프20 : 초음파 발생장치
30 : 디스플레이장치40 : 제어장치
50 : 송신탐촉자60 : 수신탐촉자
70 : 입사웨지(wedge)80 : 탐상웨지
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고출력의 초음파를 발생시키고, 유도초음파 신호를 수신할 수 있는 초음파 발진수단; 진단하고자 하는 구조물의 초음파 입사부에 구비되며, 상기 초음파 발진수단과 연결되는 초음파 입사수단; 상기 구조물 내에 발생된 유도초음파를 탐지하는 탐촉수단; 및 상기 초음파 발진수단의 발진조건을 제어하고, 상기 탐촉수단에서 수신한 유도초음파 신호를 분석하는 제어수단을 포함하는 유도초음파 탐지를 통한 배관 파이프의 진단장치를 제공한다.
이하, 도1 및 도2를 참조하여, 본 발명에 의한 유도초음파 탐지를 통한 파이프 진단방법 및 장치를 상세히 설명한다.
유도초음파는 구조물의 기하학적인 형상을 따라 길이방향으로 전파하는 파로서, 많은 종파와 횡파가 반사 및 중첩되어 형성된다. 이러한 유도초음파를 이용한 탐상 방법은 광범위 비파괴 탐상에 효율적으로 사용될 수 있으며, 시험 방법이 안전하고 비용이 비교적 많이 들지 않는 장점이 있다.
도1은 본 발명에 의한 파이프 진단장치의 개략도를 도시한 것이다.
이러한 유도초음파 탐지를 통한 파이프 진단장치는 유도초음파를 발생시키기 위하여 고출력의 초음파를 발생시키고, 유도초음파 신호를 수신할 수 있는 초음파 장치(20); 상기 초음파 장치의 전기적인 출력신호를 초음파로 바꾸어주는 송신탐촉자(50); 상기 송신탐촉자(50)와 연결되는 초음파 입사수단(70); 상기 입사수단(70)에 의해 발생된 초음파가 파이프를 통해 전달되는 유도초음파를 감지하는 탐촉수단(80); 상기 탐촉수단에서 감지한 유도초음파를 전기신호로 바꾸는 수신탐촉자(60); 및 상기 초음파 장치(20)의 발진조건을 제어하고, 수신된 유도초음파 신호를 분석하는 제어장치(40)를 포함한다.
상기 장치를 이용하여 파이프 내부를 진단하는 방법은 초음파 입사수단 및 탐촉수단을 진단하고자 하는 관에 설치하는 제1단계; 제어장치를 이용하여 주파수,게인(gain) 및 싸이클 수 등의 초음파 발진조건을 선택하는 제2단계; 초음파 발생장치를 이용하여, 상기 조건으로 상기 초음파 입사수단으로 고출력의 초음파를 입사시켜 파이프 내에 유도초음파를 발생시키는 제3단계; 상기 유도초음파를 상기 탐촉수단을 이용하여 탐지하는 제4단계; 및 상기 수신된 유도초음파를 분석하는 제5단계를 포함한다.
상기 제1단계에서 입사수단 및 탐촉수단으로는 상기 파이프(10)와 소정범위의 접촉부위를 갖는 웨지를 사용한다. 본 실시예에서는 상기 접촉부위는 도2에 도시된 바와 같이, 급수관(10) 형상으로 180°범위로 접촉홈(71)이 형성되었다.
상기의 각 웨지(70, 80)의 접촉홈(71, 81)은 급수관의 크기 및 형상에 따라 달라질 수 있다.
유도초음파는 발진방향이나 형태에 따라서 수학적으로 수많은 모드(mode)로 표현된다. 예를 들어, L(0, n)은 모드값 n인 길이방향 모드(longitudinal mode)를 나타내는 것이다, 모드의 종류는 L모드(longitudinal mode), T모드(torsional mode) 및 F모드(flexural mode)가 있으며, 주로 T모드는 발진 및 수신이 용이하지 않으므로, 본 발명에서는 L모드 및 F모드의 유도초음파가 사용된다.
각 모드들은 서로 다른 위상속도를 가지게 되는데, 상기 위상속도는 시간조화신호의 조합으로 이루어진 군집형신호의 개별 조화신호가 진행하는 속도를 나타낸다. 이러한 위상속도가 각 모드와 선택되는 주파수 그리고 관의 두께에 따라 달라지게된다.
Snell's Law에 따르면,
이므로 이론적인 입사각을 계산할 수 있다. 상기 입사각에 따라 상기 입사웨지(70)에 부착되는 송신탐촉자(50)의 각도를 달리하여 파이프에 입사하는 초음파의 각도를 결정한다.
상기 입사웨지(70)와 파이프(10)의 접촉각도에 따라 상기 초음파 발생장치(20)에서 생성된 초음파가 상기 급수관(10)에 입사되는 입사각이 정해지기 때문에, 상기 송신탐촉자(50)의 입사웨지(70)에 대한 설치각도는 유도초음파를 생성하는데 중요한 역할을 한다.
상기 웨지들(70, 80)을 급수관에 접촉시킬때에는 상기 급수관에 웨지가 밀착되도록 탐상부위의 표면을 사포등으로 깨끗하게 처리한후 접촉시킨다. 상기 웨지(70, 80)가 급수관(10)에 밀착되지 않는 경우에는 글리세린과 같은 접촉매질을 사용하여 밀착시킨다.
상기 제2단계에서 발진조건은, 입력 초음파의 주파수, 게인 및 싸이클 수를 변화시키도록 프로그래밍 된 상기 제어장치(40)에 의해 결정된다. 상기 발진조건은 사용 대상체 및 탐상조건에 따라 유동성 있게 변화시킨다.
상기 과정에서, 초음파의 주파수 및 게인을 제어하는 것은 초음파의 에너지를 제어하는 역할을 하고, 싸이클을 제어하는 것은 한번의 버스트(burst)에 들어가는 sine파의 수를 제어하여 수신 신호의 정밀도를 높이는 역할을 한다.
상기 과정을 통해 초음파가 상기 급수관(10) 내에 입사되어 유도초음파가 발생하면, 상기 탐상웨지(80)에 구비된 탐촉자(60)에서 상기 신호를 수신하여 전기신호로 바꾸게 되며, 이러한 데이터를 분석하여, 급수관의 상태를 진단할 수 있다.
상기의 데이터들은 디스플레이 장치(30)를 통해 가시화 될 수 있다.
상기 제5단계의 데이터 분석과정은 프로그래밍화 되는데, 그 과정은 상기의 입사조건과 같은 조건으로 스케일이나 결함이 없는 관에 적용하였을때 수신신호의 최대 진폭을 데이터화 하여, 현장에서 탐지된 수신 신호의 최대 진폭과 비교하여 정량적으로 스케일링의 양을 추측할 수 있다.
또한, 수신신호에서 최대진폭이 나타나는 위치를 비교함으로써, 관의 균열 및 파손과 같은 결함을 판단할 수 있고, 이때, 최대진폭이 나타나는 시간과 유도초음파의 속도를 곱하여 결함의 위치를 파악할수 있다.
본 발명에 의한 진단방법은 파이프에만 적용되는 것이 아니고, 유도초음파를 발생시킬수 있는 구조물의 비파괴 진단에는 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 유도초음파를 이용하여 급수관의 상태를 진단할 수 있으므로 관의 외면 뿐만 아니라, 내면의 스케일링의 정량적인 비파괴 진단이 가능한 효과가 있다.
또한, 방사선 유출과 같은 위험이 없기 때문에, 급수관의 경우에는 안전하게 시험할 수 있는 다른 효과가 있다.
또한, 파이프의 형태 및 크기가 달라지더라도, 웨지의 고정홈의 형상만 바꾸어주면 되기 때문에, 비교적 쉽게 관을 진단할 수 있는 또 다른 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 고출력의 초음파를 발생시키고, 유도초음파 신호를 수신할 수 있는 초음파 발진수단;
    진단하고자 하는 구조물의 초음파 입사부에 구비되며, 상기 초음파 발진수단과 연결되는 초음파 입사수단;
    상기 구조물 내에 발생된 유도초음파를 탐지하는 탐촉수단; 및
    상기 초음파 발진수단의 발진조건을 제어하고, 상기 탐촉수단에서 수신한 유도초음파 신호를 분석하는 제어수단;
    를 포함하는 유도초음파 탐지를 통한 배관 파이프의 진단장치
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입사수단 및 탐촉수단은 고정홈을 구비한 웨지에 부착된 탐촉자로 이루어진 것을 특징으로 하는
    유도초음파 탐지를 통한 배관 파이프의 진단장치.
  3. 초음파 입사수단 및 탐촉수단을 진단하고자 하는 관에 설치하는 제1단계;
    제어장치를 이용하여 주파수, 게인(gain) 및 싸이클 수 등의 초음파 발진조건을 선택하는 제2단계;
    초음파 발생장치를 이용하여, 상기 조건으로 상기 초음파 입사수단으로 고출력의 초음파를 입사시켜 파이프 내에 유도초음파를 발생시키는 제3단계;
    상기 유도초음파를 상기 탐촉수단을 이용하여 탐지하는 제4단계; 및
    상기 수신된 유도초음파를 분석하는 제5단계
    를 포함하는 유도초음파 탐지를 통한 배관 파이프의 진단방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제5단계의 데이터 분석과정은
    상기 발진조건과 같은 조건으로 스케일이나 결함이 없는 관에 적용하였을때 수신신호의 최대 진폭을 얻는 단계; 및
    현장에서 탐지된 수신 신호의 최대 진폭과 비교하는 단계
    를 포함하는 유도초음파 탐지를 통한 배관 파이프의 진단방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제5단계의 데이터 분석과정은
    최대진폭이 나타나는 시간을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 시간과 유도초음파의 속도를 곱하여 파이프 내의 결함의 위치를파악하는 단계
    를 포함하는 유도초음파 탐지를 통한 배관 파이프의 진단방법.
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