KR20040056821A - 유도 초음파를 이용한 배관 내부 침적층 평가 장치 - Google Patents

유도 초음파를 이용한 배관 내부 침적층 평가 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도 초음파가 배관 원주 방향으로 송수신될 때, 배관 내부의 침적 상태에 따른 경계 조건 변화를 이용하여 침적층의 존재를 비파괴적으로 평가하는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따르면, 진동파인 유도 초음파를 생성하여 이를 배관의 원주 방향으로 전파할 수 있도록 배관 외부에 슈(Shoe)로 부착시킨 송신 탐측부; 송신 탐측자에서 일정 거리 떨어진 위치에서 배관 외부에 슈(Shoe)로 부착되어 필요시 송신 탐측자와 같이 원주상으로 회전하면서, 송신 탐측자가 전파시킨 유도 초음파를 측정하는 수신 탐측부; 송신 탐측부에 고출력 펄스 신호를 인가시키고 수신 탐측부에서 받은 신호를 증폭해 주는 펄서/리시버(Pulser/Receiver); 유도 초음파가 배관 내부의 침적층의 존재에 의한 경계 조건(Boundary Condition)의 차이로 인한 Leaky Lamb Wave의 특정 모드의 신호 차이를 계산하여, 원주 방향의 거리에 따른 진폭 및 최적 모드를 계산하고 이를 바탕으로 배관의 원주상 위치에 따른 침적층의 두께를 계산하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 초음파를 이용한 배관 내부 침적층 평가 장치가 제공된다.

Description

유도 초음파를 이용한 배관 내부 침적층 평가 장치 {Ultrasonic evaluation system for internal deposit layer in a pipe}
본 발명은 유도 초음파를 이용한 배관 내부 침적층 평가 장치에 관한 것으로서, 특히, 유도 초음파가 배관 원주 방향으로 송수신될 때, 배관 내부의 침적 상태에 따른 경계 조건 변화를 이용하여 침적층의 존재를 비파괴적으로 평가하는 장치에 관한 것이다.
제철 공정의 부산물로 각종 열원으로 사용되는 고로 가스와 코우크스 가스는 배관을 통하여 제철소내 각 수요처로 공급되고 있다. 그러나, 가스 내에 함유된 타르 성분이 곡관부 및 수평부에 침적되어 유로를 폐쇄하므로 주기적으로 해당 부위를 검사하여야 하는 불편함이 있다.
도 1은 고로 가스 및 코우크스 가스관의 타르 침적층이 형성된 것을 보여 주기 위한 예시도이다.
배관 내부의 침적층 상태를 평가하는 방법에는 배관 내부를 보기 위하여 배관 내부로 적절한 도구를 삽입하거나, 배관 외부에서 방사선이나 초음파 등을 내부로 입사시켜 확인하는 방법으로 크게 구분할 수 있다.
배관 내부의 침적층을 직접 확인하기 위해서는 광섬유 등으로 이루어진 내시경(Boroscope)을 배관 내부로 투입하는 방식이 선호된다.
또한, 방사선 방식은 배관 외부에서 에너지원을 내부로 투과시켜 영상을 얻는 대표적인 방법이지만, 필름 감광도에 따른 장시간 검사 소요 시간 문제와 검사 기간 동안에 피폭 방지를 위한 배제 구역 설정 등의 복잡한 문제가 동반된다.
또한, 기존의 초음파 방식은 초음파 두께 측정기를 이용하여 배관 하부에서 상부를 따라 두께를 측정하여 침적층을 평가하는 방식이 대표적이나, 배관 원주 방향으로 여러 지점에서 측정하여야 하기 때문에 장시가 소요되는 문제점이 있다.
배관을 대상으로 이러한 벌크파(Bulk Wave, 초음파의 종파와 횡파 등)를 효율적으로 이용하기 위하여 한국특허출원(No. 20-1998-0026414) "회전식 배관 폐쇄 장치"에서, 레일과 요철 흠을 가진 고무 벨트 및 다수의 고정대로 이루어진 배관 외부에 부착하는 지그(Jig)에 대한 기술이 있다.
한편, 본 출원에서 제시하는 유도 초음파를 이용하는 기술은 한국 특허 출원(10-2000-0030349) "초음파 피 유도파를 이용하여 원자로 용기 배관 용접부를 검사하기 위한 장치"에 기재되어 있는 초음파 피유도파를 이용한 원자로 용기 배관 용접부 검사 장치와 일견 유사하여 보이지만, 이는 원통형 압력 용기의 용접부 결함을 유도 초음파를 기반으로 신속히 평가하는 장치로서, 본 발명에서 제시하는 경계면의 조건에 따른 '누설 판파 원리(Leaky Lamb Wave)'의 활용과는 전혀 다르다.
또한, 미국특허등록(5,935,806) "Containment Detection System"은 비행기 날개 부위의 응결체나 배관 길이 방향의 내부 변화를 장범위에 걸쳐 편리하게 평가하기 위한 유도 초음파를 활용한 고안이나, 이 역시 본 발명에서 사용하는 원리와는 상이하다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 유도 초음파가 배관 원주 방향으로 송수신될 때, 배관 내부의 침적 상태에 따른 경계 조건 변화를 이용하여 침적층의 존재를 비파괴적으로 평가하는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 고로 가스 및 코우크스 가스관의 타르 침적층이 형성된 것을 보여 주기 위한 예시도이고,
도 2는 본 발명이 이용하고 있는 피검 판재 내부로 사각 입사된 초음파의 경계 조건에 따른 유도 초음파의 생성을 보여주는 개념도이고,
도 3은 자유 표면 경계 조건을 가지는 단일 판재의 위상 속도 분산 곡선의 예시도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 내부 침적층을 평가하기 위한 유도 초음파의 송신 및 수신부의 배치, 필요시 원주 방향을 따라 송수신부를 주사하는 예시도이고,
도 5는 본 발명의 기본 원리 중 유도 초음파 전송 방향에 따른 펄스 에코(Pulse Echo) 신호의 변화를 도시한 그래프이고,
도 6은 본 발명의 기본 원리 중 송수신 탐촉자를 동시에 원주 방향으로 회전하면서 배관 하부 침적층 두께에 따른 피치-캐치(Pitch-Catch) 방식의 유도 초음파 취득 신호를 도시한 그래프이다.
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 진동파인 유도 초음파를 생성하여 이를 배관의 원주 방향으로 전파할 수 있도록 배관 외부에 슈(Shoe)로 부착시킨 송신 탐측부; 상기 송신 탐측자에서 일정 거리 떨어진 위치에서 배관 외부에 슈(Shoe)로 부착되어 필요시 상기 송신 탐측자와 같이 원주상으로 회전하면서, 상기 송신 탐측자가 전파시킨 유도 초음파를 측정하는 수신 탐측부; 상기 송신 탐측부에 고출력 펄스 신호를 인가시키고, 상기 수신 탐측부에서 받은 신호를 증폭해 주는 펄서/리시버(Pulser/Receiver); 상기 송신 탐측부에서 전파시킨 송신 신호 및 상기 펄서/리시버의 출력 신호를 입력받아, 유도 초음파가 배관 내부의 침적층의 존재에 의한 경계 조건(Boundary Condition)의 차이로 인한 Leaky Lamb Wave의 특정 모드의 신호 차이를 계산하여, 원주 방향의 거리에 따른 진폭 및 최적 모드를 계산하고 이를 바탕으로 배관의 원주상 위치에 따른 침적층의 두께를 계산하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 초음파를 이용한 배관 내부 침적층 평가 장치가 제공된다.
아래에서, 본 발명에 따른 양호한 일 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도 2는 본 발명이 이용하고 있는 피검 판재 내부로 사각 입사된 초음파의 경계 조건에 따른 유도 초음파의 생성을 보여주는 개념도로서, 유도 초음파는 양면의 경계 조건에 따라 모든 변환의 합성으로 형성되는 것을 보여준다.
또한, 도 3은 자유 표면 경계 조건을 가지는 단일 판재의 위상 속도 분산 곡선의 예시도이다.
초음파는 속도 또는 감쇠 정도를 측정하여 시험체 내부에 존재하는 결함이나 물성 평가 등에 활용되고 있다. 특히, 시험체의 두께가 파장 정도로 얇은 판재에서는두 표면이 경계면으로 작용하여 반사가 일어나며, 판 내부에서 표면으로 입사하는 파와 표면에서 반사하는 파가 서로 결합하여 판을 따라 전파하는 탄성파를 형성한다.
이와 같이 두 경계면 내에서 형성되어 전파되는 탄성파를 유도 초음파라 한다. 유도 초음파는 무한개의 모드가 넓은 주파수 영역에 걸쳐 존재하며, 대부분의 모드는 진동수와 벽면의 두께에 따라 전파 속도가 변화하는 특성인 분산성을 가진다.
이때 주어진 진동수 영역 내에 존재하는 유도 초음파 모드의 분산 특성을 나타낸 곡선을 분산 선도(도 3)라고 하며, 이는 탄성파 이론에 대상 구조물의 경계 조건을 이용함으로써 구할 수 있다.
유도 초음파의 발생은 주파수와 구조물의 곱인 fd(f : 주파수, d : 두께) 값의 범위로 결정된다. 일반적으로 금속체 피검체에 대해서는 0.1 에서 10 MHz·mm 내외인 탐상 조건에서 유도 초음파를 발생시켜 비파괴 평가를 수행하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 내부 침적층을 평가하기 위한 유도 초음파의 송신 및 수신부의 배치, 필요시 원주 방향을 따라 송수신부를 주사하는 예시도이다.
도 4를 참조하면, 배관 내부 침적층 평가 장치는, 진동파인 초음파가 배관의 원주 방향으로 전파할 수 있도록 배관 외부에 슈(Shoe)로 부착시킨 송신 탐측자, 상기 송신 탐측자에서 일정 거리 떨어진 위치에서 배관 외부에 부착되어 필요시 상기 송신 탐측자와 같이 원주상으로 회전할 수 있는 수신부, 상기 송신 탐측자에 고출력 펄스 신호를 인가시키고 상기 수신부에서 받은 신호를 증폭해 주는 펄서/리시버(Pulser/Receiver) 및 송수신 신호를 받아서 원주 방향의 거리에 따른 진폭 및 최적 모드를 계산하고 이를 바탕으로 배관의 원주상 위치에 따른 침적층의 두께를 계산하는 제어부를 포함하여 구성된다.
본 발명의 기본 원리를 살펴 본다.
도 5는 본 발명의 기본 원리 중 유도 초음파 전송 방향에 따른 펄스 에코(Pulse Echo) 신호의 변화를 도시한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 기본 원리 중 송수신 탐촉자를 동시에 원주 방향으로 회전하면서 배관 하부 침적층 두께에 따른 피치-캐치(Pitch-Catch) 방식의 유도 초음파 취득 신호를 도시한 그래프이다.
배관에 대해서도 관경이 초음파 발진자보다 매우 크면, 파가 원주 방향으로 진행하는 경우에 상기 판파 이론을 근사적으로 사용할 수 있다. 즉, 배관 원주 방향으로 전파하는 유도 초음파의 경우에도 배관 내부와 외부의 경계 조건 변화에 따라 서로 다른 취득 신호를 얻게 된다. 물리적으로 유도 초음파의 경계 조건에 따른 감쇠 특성은 파형 특성에 지배적인 영향을 받는데, 특정 모드가 전파하는 단위 에너지당 피검체 표면에서 발생 가능한 수직 성분의 입자 변위가 커질수록 외부 유체로의 에너지 손실은 일반적으로 커지게 된다.
노출 가스 배관의 경우 외부의 경계 조건은 금속체 배관과 공기로서 일정하다. 그러나 배관 내부의 경계 조건은 가스가 지나가는 상부층과 타르와 같은 이물질의 침적층이 형성된 하부층의 조건이 서로 다르게 된다.
예를 들어, 물에 잠긴 판재에서 램파가 전파하면서 판재로부터 물로 에너지가 새어 나가는 Leaky Lamb 효과가 있듯이 하부에 부착된 침적층은 원주상을 전파하는 유도 초음파에 영향을 미치게 된다. 이에 따라 수많은 유도 초음파 모드 중에서 특정 모드의 수신 신호는 얻을 수 없게 되거나, 이와 달리 특정 모드는 더 큰 신호를 얻을 수도 있다.
아울러, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 펄스 에코(Pulse-Echo) 방식이나 피치 캐치(Pitch-Catch) 방식으로 배치하여 신호를 취득할 때, 수신 탐촉자로 수신되는 신호의 진폭에도 영향을 미치게 된다.
본 발명의 원리는 배관 원주 방향으로 진행하는 유도 초음파가 배관 내의 침적층을 만날 때, 상기의 Leaky Lamb Wave 원리를 적용하여 배관 내면의 경계 조건변화 상태를 반영하여 전파하는데 기초를 두고 있다. 이를 이용하여 침적층 두께를 배관 외부에 부착시킨 간단한 장치로서 비파괴적인 방법으로 검사하게 된다.
도 5는 송수신을 동시에 할 수 있는 한 개의 탐촉자를 사용하거나 또는 별도의 송신 및 수신 초음파 진동자를 배관 원주상의 동일 위치에 두고 원주 방향으로 유도 초음파를 생성시켜 전파시켰을 때, 배관 내부의 침적층의 존재에 의한 경계 조건의 차이로 원주 방향으로 전파된 유도 초음파가 전파 도중에 일부 반사되어 나타나는 신호의 일례를 보여 준다.
유도 초음파는 각 모드에 따라 속도 Vm으로 전파되므로, 최적의 유도 초음파 모드를 구한 후, 초음파 탐촉자에서 부착층까지의 거리(L1)은 아래의 [수학식 1]과 같이 구할 수 있다.
여기서 T1은 유도 초음파의 수신 신호를 오실로스포우프 등을 통하여 보았을 때, 즉, 타임 도메인(Time Domain)으로 보았을 때, 침적층의 존재로 Leaky Lamb Wave가 반사된 신호의 위치로부터 구해진다.
도 5의 하부 그림은 수신된 유도 초음파의 타임 도메인 상의 신호를 보여 준다. 배관의 공칭 직경을 D라고 하면, L1, L2, L3사이에는 아래의 [수학식 2]와 같은 관계식이 성립한다.
여기서, L1은 상부 방향으로 유도 초음파를 전파시켰을 때 초음파 발진자에서 배관 원주 방향을 따라 부착층이 형성된 위치 1까지의 거리이고, L2는 부착층이 형성된 위치 1과 위치 2 사이의 배관 원주상 거리이며, L3는 부착층의 원주상 끝 부분인 위치 2에서 탐촉자까지의 거리이다.
따라서, 유도 초음파의 원주 방향 송수신 신호를 얻게 되면, 상기 [수학식 2]를 이용하여 원주 방향으로 분포되어 있는 침적층의 분포(L2)를 비파괴적으로 평가할 수 있다.
도 5에 도시되어 있듯이, 본 발명에 의하면, 초음파 진동자로부터 배관 원주상의 거리가 구하여지기 때문에 초음파 진동자가 배관의 원주 방향을 따라 어디에 위치하여 있는지를 정확하게 알 필요가 있다. 이를 보완하기 위하여 원주 방향으로 180도 떨어지게 초으파 송신 및 수신용 탐촉자를 배치한 후, 상하 방향으로 수신된 신호를 비교하여 침적층의 분포를 예측할 수도 있다.
도 6은 송신 탐촉자와 수신 탐촉자를 한 쌍으로 구성하여 필요시 배관의 원주 방향으로 회전할 수 있도록 한 예이다. 만일, 상부 방향으로 유도 초음파를 전파시켜 신호를 얻게 되면, 배관 내부의 경계면은 공기와 접촉하고 있으므로, Lamb Wave의 Leak가 없으므로, 수신 신호가 도 6의 아래 왼쪽 그림과 같이 비교적 큰 수신 신호를 얻게 된다.
그러나 송/수신 탐촉자 세트를 180도 돌려서 하부 방향으로 유도 초음파를 전파시키면, 배관 내면의 경계 조건이 침적층의 존재로 변하게 되어 Lamb Wave의 Leak가 일어날 것이므로, 도 6의 아래 오른쪽 그림처럼 비교적 작은 크기의 진폭 신호를 얻게 된다.
도 6의 아래 중간 그림은 송/수신 탐촉자 세트가 회전 중에 부착층이 있은 부위에 걸려 있을 때 발생되는 신호의 예로서, 침적층의 일부만이 유도 초음파 전파 행로상에 노출되므로, 도 6의 왼쪽 그림과 오른쪽 그림에 제시된 진폭 신호 사이의 값을 나타내게 된다. 이러한 방식으로 장치를 구성한 후, 상부 방향으로 전파시켜 수신한 진폭 신호를 하부 방향으로 전파시켜 수신한 진폭 신호로 아래 [수학식 3]과 같이 정규화(Normalizing)하면, 침적층의 분포를 배관 길이를 따라서 상대적으로 평가할 수 있게 된다.
아울러 송신 탐촉자와 수신 탐촉자 세트를 회전시킬 때, 침적층의 원주상 분포 위치 전후에서 나타나는 수신 신호로서, 배관 원주 방향의 침적층 분포를 용이하게 평가할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 일 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 배관 외부에 간단한 유도 초음파 송수신 장치를 부착하여 배관 내부의 침적층 상태를 평가할 수 있으므로, 많은 시간과 경비가 필요한 배관 절단 후 육안 검사 방식을 배제할 수 있고, 비파괴 평가 방식이므로 장거리에 걸친 배관의 취약부를 선택적으로 적용하여 집중 평가할 수 있다. 또한, 본 발명은 장범위 탐상을 가능하게 해 주므로, 대구경 수평 원통형 저장 용기에 대해서도 내부의 유체 유량을 측정하는데 활용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 진동파인 유도 초음파를 생성하여 이를 배관의 원주 방향으로 전파할 수 있도록 배관 외부에 슈(Shoe)로 부착시킨 송신 탐측부;
    상기 송신 탐측부에서 일정 거리 떨어진 위치에서 배관 외부에 슈(Shoe)로 부착되어 필요시 상기 송신 탐측자와 같이 원주상으로 회전하면서, 상기 송신 탐측자가 전파시킨 유도 초음파를 측정하는 수신 탐측부;
    상기 송신 탐측부에 고출력 펄스 신호를 인가시키고, 상기 수신 탐측부에서 받은 신호를 증폭해 주는 펄서/리시버(Pulser/Receiver);
    상기 송신 탐측부에서 전파시킨 송신 신호 및 상기 펄서/리시버의 출력 신호를 입력받아, 유도 초음파가 배관 내부의 침적층의 존재에 의한 경계 조건(Boundary Condition)의 차이로 인한 Leaky Lamb Wave의 특정 모드의 신호 차이를 계산하여, 원주 방향의 거리에 따른 진폭 및 최적 모드를 계산하고 이를 바탕으로 배관의 원주상 위치에 따른 침적층의 두께를 계산하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 초음파를 이용한 배관 내부 침적층 평가 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 탐측부와 수신 탐측부는 배관 원주상에 동일 위치에 배치한 후,이들을 동시에 배관 원주상에 회전시키면서 유도 초음파를 송수신하는 것을 특징으로 하는 유도 초음파를 이용한 배관 내부 침적층 평가 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    최적의 유도 초음파 모드를 구한 후, 아래의 [식 1]에 의하여 상기 수신 탐측부에서 침적층까지의 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 유도 초음파를 이용한 배관 내부 침적층 평가 장치.
    [식 1]
    여기서 T1은 유도 초음파의 수신 신호를 오실로스포우프 등을 통하여 보았을 때, 즉, 타임 도메인(Time Domain)으로 보았을 때, 침적층의 존재로 Leaky Lamb Wave가 반사된 신호의 위치로부터 구하는 값이다.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 탐측부와 수신 탐측부는 배관 원주 방향으로 180도 떨어지게 배치한 후, 이들을 동시에 배관 원주상에 회전시키면서 유도 초음파를 송수신하는 것을특징으로 하는 유도 초음파를 이용한 배관 내부 침적층 평가 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배관 상부 방향으로 유도 초음파를 전파시켜 수신한 진폭 신호를 상기 배관 하부 방향으로 유도 초음파를 전파시켜 수신한 진폭 신호로 아래의 [식 2]로 정규화(Normalizing)하여 침적층의 분포를 배관 길이를 따라서 상대적으로 평가하는 것을 특징으로 하는 유도 초음파를 이용한 배관 내부 침적층 평가 장치.
    [식 2]
KR1020020083403A 2002-12-24 2002-12-24 유도 초음파를 이용한 배관 내부 침적층 평가 장치 KR100966543B1 (ko)

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