KR20050026504A - 강 부재의 표면 영역의 크롬 결핍 구역의 두께를 결정하는장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열분해 파이프와 같은 강 부재로부터 표면 밑의 크롬 결핍을 모니터링하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 열분해로의 열악한 조건에서, 파이프(16) 내의 크롬은 파이프 표면 쪽으로 이동하여 크롬 결핍층(14)의 형태를 야기한다. 이 층은 노의 상태 및 작동에 대한 유용한 데이터를 제공할 수 있다. 크롬 결핍의 정도는 파이프(16)의 표면 영역 내에 자기장을 형성하기 위한 알려진 강도의 자기원을 사용함으로써 측정된다. 크롬 결핍층(14)의 두께의 평가는 결과적인 자속으로부터 결정되며, 자속은 자석의 길이 방향 축에 대해 사실상 45°로 배열된 홀 요소에 의해 측정될 수 있다.

Description

강 부재의 표면 영역의 크롬 결핍 구역의 두께를 결정하는 장치 및 방법 {METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING THE THICKNESS OF A CHROMIUM DEPLETED ZONE OF A SURFACE REGION OF A STEEL MEMBER}

본 발명은 야금 시험을 하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명이 통상적으로 적용 가능하지만, 예컨대 석유 분해 플랜트의 열분해 섹션에서 발견되는 긴 파이프에서와 같이 열악한 환경에서 사용되는 오스테나이트계 강과 관련하여 특별한 응용례이다.

석유 분해기에 있어서, 천연 가스로부터 나오는 에탄 및 프로판과 같은 탄화수소 분자, 또는 석유로부터 나오는 나프타 및 가스 오일과 같은 보다 무거운 액체는 보다 작은 분자로 분리된다. 이것은 종종 그 자체로 유용한 에틸렌과 같은 올레핀을 제공하기 위해 수행되거나 폴리머화 공정에 사용될 수도 있다.

에탄 및 프로판의 경우에 있어서, 가스는 분자 내의 결합이 깨지는 점인 800℃ 이상까지 가열되어 보다 작은 범위의 분자들을 생성한다. 그리고 나서, 원하는 생성물이 분리된다. 보다 무거운 물질을 분해할 때 동일한 원리가 적용되지만, 분자들이 훨씬 크기 때문에, 훨씬 큰 범위의 보다 작은 분자들이 제공된다. 그러한 공정은 올레핀의 보다 작은 수율을 제공하지만, 많은 다른 유용한 부산물이 생성된다.

전형적인 에탄 분해기 플랜트에 있어서, 분해는 열분해 섹션에서 발생한다. 여기서, 에탄은 노(furnace) 내에 위치된 10.16 내지 15.24cm(4 내지 6인치) 직경의 튜브로 이루어진 미로를 통해 펌핑된다. 이것은 본질적으로 튜브의 고른 가열을 제공하기 위하여 신중하게 배열 및 배향되는 다수의 가스 버너를 포함하는 파이어박스(firebox)이다. 에탄이 튜브를 통해 유동함에 따라, 약 800℃까지 가열되어 분해한다. 에탄은 결코 버너 화염과 직접 접촉하지 않으며, 만일 직접 접촉한다면 파괴적으로 발화할 것이다.

에탄은 열분해 섹션을 통해 매우 높은 속도로 펌핑된다. 임의의 개별 분자의 잔류 시간은 오래된 플랜트에서는 수초 이하이고, 보다 현대의 플랜트에서는 10분의 1초 이하이다. 분해 공정이 고장나는 것을 방지하도록 유속을 이렇게 고속으로 유지하는 것이 중요하다. 만일 그렇게 된다면, 에탄은 원하는 생성물로 분해되지 않고 메탄 또는 심지어 탄소(코크스) 및 수소로 분해된다. 고장 가능성을 제어하기 위해 취해진 다른 조치는 노에 공급되기 전에 에탄과 증기의 혼합이다. 이것은 두 가지 유리한 효과를 갖는다. 첫째로는 분해가 발생하는데 필요한 온도를 낮추는 것이고, 둘째로는 노 튜브 내측상에 형성되고 부착된 코크스 양을 감소시키는 것이다.

증기, 탄화수소 및 매우 높은 온도의 조합이 중대한 안전 문제를 제기한다는 것을 알게 될 것이다. 결론적으로, 안전한 플랜트를 설계하기 위하여 많은 노력을 들여야하며, 일단은 플랜트는 반드시 안전하고 유용한 상태로 유지되도록 건설되어 왔다. 특히, 시스템 내의 주요 구성 성분에 대한 규칙적인 점검이 가장 중요하다. 현대 석유화학 분해 플랜트는 방대한 양의 생성물을 매우 빠른 속도로 생산하도록 설계된다. 이러한 필수 안전 점검을 수행할 때 필요한 작업 정지 시간(downtime)에 대한 플랜트의 수익성에 대한 영향은 중요하다. 그러므로, 이런 점검에 대한 커다란 보상이 신속히 수행되도록 되어 있다.

상기에서 언급된 바와 같이, 열분해 섹션에서의 파이프는 노의 열원으로부터 안전하게 고립되는 동안 반드시 고온에서 유지되어야만 되는 많은 양의 높은 반응성 화학물질을 운반한다. 상기 언급된 바와 같이, 파이프는 특수강으로 제조되었지만, 높은 기계적 응력 레벨, 열악한 환경 가스 및 시간이 지나면서 야금적 문제들을 야기할 수도 있는 가스 조성 변수를 포함하는 매우 열악한 환경에서 작동한다. 그러므로, 예컨대 과도한 부식 손상을 발견하기 위하여 파이프들의 온전한 상태를 점검하는 것이 중요하다. 게다가, 노의 효과적인 작동을 보장하기 위하여 버너가 올바로 정렬되도록 보장하는 것이 중요하다. 또한, 올바로 정렬되지 않은 버너는 튜브 상에 국부적인 탄소처리 및 크리프 손상이 생길 수도 있는 "열점(hot spot)"을 발생시킬 수도 있다.

파이프를 형성하기 위해 사용된 강은 보통 오스테나이트계이다. 강은 크롬 산화물 및 스피넬 산화물의 조밀층을 형성하도록 산소와 반응하기 위해 강 내에 내재하는 크롬에 의존한다. 이것이 금속을 또 다른 산화로부터 보호하는 역할을 함으로써, 강을 부식으로부터 보호하고 구조물의 온전한 상태를 손상시키지 않도록 한다.

에틸렌 분해기의 노 내에서 전형적으로 사용되는 강은 철과 균형을 이루면서 크롬 25%, 니켈 35% 및 탄소로 0.5%로 이루어진다. 강의 본체에 있어서, Cr₂₃C₆은 높은 크롬 함유량의 입자를 형성하기 위해 침전한다. 이러한 결과는 강의 대부분의 체적이 내부에 위치되는 훨씬 높은 크롬 함유량의 클러스터에 의해 약 20% 크롬 함유량을 갖는다. Cr₂₃C₆ 클러스터는 시간이 지나면서 용해되는 경향이 있으며, 그리고 나서 크롬은 상기 언급된 보호 표면 산화물층(Cr₃O₂)을 형성하기 위하여 산화하는 표면으로 확산한다.

제기된 하나의 문제점은 열분해로 내의 열악한 상태는 빠르게 성장하는 열등한 보호 산화물층, 산화물 파쇄 및 Cr 증발을 야기할 수 있다는 것이다. 몇몇 경우에 있어서, 이러한 유형의 부식은 금속의 씨닝(thinning)을 생기게 하고, 따라서 구조물을 약화시킨다.

그러나, 에틸렌 분해기에 있어서, 상기 언급된 가능한 불완전한 버너 작동에 대한 문제점이 더욱 중요해진다. 이것은 시간이 지나면서 침탄 및/또는 국소 크리프 손상을 일으키기 때문에 튜브 파손이 가능하다. 그러므로, 이러한 불완전 작동이 발생하는지 여부를 결정할 수 있는 것은 매우 바람직하다.

도1은 본 발명에 따른 프로브의 부분 단면도이다.

도2는 프로브와 다른 구성 성분의 상호 결합을 도시한 개략적인 블록도이다.

도3은 결핍되지 않은 강 표면 내에 자속 라인을 도시한 개략도이다.

도4는 크롬이 결핍된 도3에 대응하는 도면이다.

도5는 모의 결핍층 두께에 대해 그려진 본 발명에 따른 3개의 다른 프로브로부터의 출력 전압을 도시한 그래프이다.

도6은 프로브와 결핍층 사이의 거리가 변함에 따른 도5에서와 같은 센서로부터의 출력 전압의 변화를 도시한 그래프이다.

도7은 모의 탄소 처리된 강 층의 존재에 의해 야기된 본 발명에 따른 센서로부터의 출력 전압의 변화를 도시한 그래프이다.

도8은 고온을 받는 2개의 상이한 등급의 강에 적용될 때 본 발명에 따른 프로브에 의해 생성된 출력 전압을 비교한 그래프이다.

제1 태양으로부터 보여진 바와 같이, 본 발명은 강 부재로부터 표면 밑의 크롬 결핍을 측정하는 단계를 포함하는 노의 상태 및/또는 작동을 모니터링하는 방법을 제공한다.

본 발명은 특히 열분해로 내의 강 부재에 적용 가능하지만, 다른 열악한 환경에 유용하다. 석유 분해기의 열분해로에 있어서, 본 발명은 비록 다른 구성 성분에도 적용될 수 있지만 탄화수소가 유동하는 파이프의 상태를 모니터링하는 공정의 일부로서도 특히 유용하다.

본 발명은 합금 매트릭스 내의 크롬 확산이 매우 빠르지 않기 때문에 크롬 증발, 산화 및 산화물 파쇄로 인하여 튜브 표면으로 향하는 크롬 플럭스(chromium flux)가 시간이 지나면서 산화물 하부층(oxide sub-layer)의 크롬을 결핍시킨다는 사실에 기초한다. 이것의 결과는 강의 외측 상에 형성된 Cr₃O₂층뿐만 아니라, 크롬 결핍층이 산화물층 아래에 형성된다는 것이다. 이러한 결핍은 그 자체는 특별한 문제가 아니지만, 발명자는 산화물층의 생산과의 관련성 때문에 크롬 결핍층이 노의 상태 및 작동에 관한 유용한 데이터를 제공한다는 것을 인지해왔다.

초과 또는 신속 산화가 파이프 결함을 일으킬 수 있으므로, 이러한 방식으로 산화물층을 모니터링하는 능력은 본질적으로 유용하다. 따라서, 다른 태양으로부터 보여진 바와 같이, 본 발명은 부재의 표면 하부층 내의 크롬 결핍의 정도를 측정함으로써 강 부재 상의 표면 산화층의 상태를 결정하는 방법을 제공한다.

게다가, 산화물층의 성장률은 반응기의 작동 상태 및 파이프의 상태의 유용한 지표를 준다. 두꺼운 산화물층, 특히 빠르게 성장하여 파이프의 잔존물에 견고하게 결합되지 않는 산화물층은 파이프 결함에 대한 지표일 뿐만 아니라 두꺼운 산화물 형성 영역에 튜브에 부과된 바람직한 것보다 높은 열적 하중 또는 보다 큰 온도 변동을 초래하는 불완전 버너 작동의 징표를 제공할 수 있다. 따라서, 크롬 결핍 구역은 차례로 노의 작동 상태에 대한 유용한 정보를 주는 산화물층에 대한 정보를 제공한다. 따라서, 본 발명의 양호한 형태는 파이프 결함을 검출하거나 버너 작동이 만족스러운지를 결정하기 위하여 크롬 결핍에 대하여 결정된 정보를 이용한다.

크롬 결핍의 절대치 측정이 유용하지만, 불완전한 버너 작동에 의해 발생되는 열점을 탐지하기 위하여, 강 부재의 다른 영역으로부터 크롬 결핍 레벨을 비교하는 것은 유용하다. 따라서, 양호하게는 튜브 상의 다른 지점에서, 예컨대 튜브의 길이를 따라 많은 측정이 수행되고, 이들이 비교된다. 평균 결핍보다 상당히 높은 결핍이 발생한 영역이 열점에 상응하기가 쉽다.

게다가, 크롬 결핍에 대한 측정이 시간에 따른 크롬 결핍의 정도의 변동에 대한 정보를 제공하기 위하여 일정 시간 간격마다 되풀이되는 것이 양호하다.

결핍 레벨 및 크롬 결핍층의 깊이는 표면으로부터의 크롬 손실률 및 산화물의 성장률과 관계가 있다. 이것은 산화물층의 두께가 증가할 때 외면을 향한 크롬 플럭스(chromium flux)가 증가하고, 결핍 구역의 크롬 레벨이 감소할 때 내부 합금 매트릭스로부터 크롬 결핍이 증가하기 때문이다. 따라서 안정 상태가 확립될 수 있어서, 결핍 구역으로부터의 크롬 플럭스가 결핍 구역 내로의 크롬 플럭스와 동일하다. 이러한 경우에 있어서, 결핍 구역 두께는 크롬 손실률을 나타내지만, 산화 등에서 크롬 손실의 전체량을 나타내는 것은 아니다.

몇몇 경우에 있어서, 예컨대 노 내에 산화 문제가 있을 때, 산화는 연속적으로 빠르게 진행되고 표면의 크롬 손실량은 내부 합금 매트릭스로부터의 (재충진) 크롬 플럭스보다 훨씬 크다. 이러한 경우에 있어서, 크롬 결핍의 레벨은 대략 시간이 지나면서 손실된 전체 크롬량에 비례한다(누적률). 모든 크롬이 두껍게 빨리 성장하는 산화물로서 (크롬 증발 및 파쇄없이) 표면에 부착된다면, 이런 특별한 경우에 있어서 크롬 결핍 레벨이 산화물 두께와 비례한다고 말할 수 있다. 따라서, 적어도 이러한 상태 하에서, 본 발명의 방법은 양호하게 측정된 크롬 결핍으로부터 강 부재상에 산화물의 두께를 결정하는 단계를 더 포함한다.

그러나, 크롬 결핍 레벨은 크롬 손실률 및 전체 크롬 손실 사이의 무엇인가를 나타낼 수도 있다. 게다가, 크롬 결핍 레벨은 재료의 질에 강하게 의존한다.

강을 통해 그 구조를 검사하기 위하여 절단과 같은 파괴 시험을 행해야 하는 것은 매우 바람직하지 못하다는 것은 명백하다. 그러므로, 본 발명은 크롬 결핍을 측정하기 위한 비파괴 시험 방법의 사용을 포함한다.

다른 기술이 사용될 수 있지만, 크롬 결핍의 정도는 크롬 함유량이 감소함에 따른 강의 자성의 변동을 이용함으로 결정되는 것이 양호하다. 따라서, 양호하게는 공지된 강도의 자기원(magnetic source)은 표면 영역 내에 자기장을 생성하는데 사용되고, 그리고 나서 크롬 결핍 구역 두께의 평가는 부재의 표면에서 결과적인 자속 밀도로부터 결정된다.

이러한 측정 기술은 독창적이라고 생각되며, 다른 태양으로부터 보여진 바와 같이, 본 발명은 강 부재의 표면 영역의 크롬 결핍 구역의 두께를 결정하는 방법을 제공하며, 상기 단계는,

표면 영역에 자기장을 생성하기 위해 공지된 강도의 자기원을 사용하는 단계와, 그리고 나서 부재의 표면에서 결과적인 자속 밀도로부터 크롬 결핍 구역의 두께의 평가치를 결정하는 단계를 포함한다.

이러한 기술은 오스테나이트계 강이 실온에서 통상적으로 상자성(paramagnetic)인 사실을 이용한다 (즉, 오스테나이트계 강이 1 보다 약간 큰 자기 투자율을 갖는다). 그러나, 크롬 함유량이 약 13 내지 18% 이하로 떨어지면, 퀴리점은 대기 온도까지 상승한다 (환언하면, 강은 강자성이 되고, 높은 자기 투자율을 갖는다). 크롬 결핍층은 13 내지 18% 이하의 크롬 함유량을 가지며, 따라서 강자성이다.

따라서, 상당한 양의 크롬을 함유하는 강의 자성은 보다 작은 양을 함유하는 강의 자성과 다르다. 이것은 본 발명의 이러한 태양의 방법이 수행될 때 적용된 소정의 자기장 세기에 대하여, 강의 이러한 영역에서 자속 밀도가 증가된 크롬 결핍과 함께 증가한다는 결론을 갖는다. 그러므로, 크롬 결핍량의 표시 도수는 자속 밀도를 측정함으로써 표시될 수 있고, 이것은 차례로 크롬 산화물층의 두께에 대한 평가치를 제공한다.

임의의 표준 유닛의 자속 밀도의 특정값이, 비록 원한다면 수행될 수 있지만, 필수적으로 "측정"에 의해 제공된다는 의미는 아니다. 오히려, 자속 밀도의 변화에 관련하여 예측 가능한 방식으로 변하는 출력 측정이 요구된다. 상기 언급한 바와 같이, 많은 예에 있어서, 필요로 하는 것은 상이한 장소 및/또는 시간에서 행해진 측정을 비교할 수 있는 것이다. 그러나, 원한다면, 출력은 크롬 결핍의 표시 도수를 제공하기 위하여 처리되거나 적당하게 조정될 수도 있다.

사용된 장치를 조정하기 위하여, 크롬 결핍의 정도가 다른 강의 샘플들이 본 발명의 이러한 태양의 방법에 따라 시험될 수 있다. 이어서, 샘플들은 절단되고, 크롬 결핍의 정도가 스캐닝 전자 현미경을 사용하여 결정된다. 장의 세기는 시험된 각 유형의 강에 대한 크롬 결핍과 상호 관련될 수 있다. 강의 자성이 등급에 따라 변하기 때문에, 본 발명의 방법에 의해 시험되는 각각의 등급에 대하여 공지된 층 두께의 샘플들이 시험되는 것이 바람직하다.

측정된 장의 세기 및 결핍층 두께 사이의 관계가 완전히 비선형인 것을 유의해야만 한다. 사용된 임의의 시험 장치에 대하여, 포화가 생기는 결핍층 두께가 있을 것이다.

쉬운 측정을 위하여, 자기장 라인들이 표면에 대하여 통상적으로 직교한 위치에서 자속 밀도가 측정되도록 자기원이 배열되는 것이 양호하다. 자기장 라인들이 만곡될 때, 선들이 표면에 대하여 모두 직교하지 않지만, 양호하게 문제의 자기장 라인들이 실용적으로 직교에 가까운 배열이라는 것을 알 수 있다.

대부분의 경우에 있어서, 형상은 이러한 목적이 강 부재의 표면에 대해 30 및 60 도 사이에, 양호하게는 40 및 50 도 사이에 정렬되는 축을 갖는 자석을 이용함으로써 통상적으로 달성될 수 있도록 된다. 가장 양호하게는, 축이 강 부재의 표면에 대하여 사실상 45 도에 있다.

전자석이 본 발명의 자기장을 발생시키는데 사용될 수 있지만, 영구 자석을 이용하는 것이 가장 편리하다. 양호하게 상당히 강력하지만 작은 막대 자석이 사용된다. 전형적인 치수는 길이에 있어서 0.5 및 20 mm 사이, 양호하게 10 mm이고, 폭에 있어서 2 내지 5 mm, 양호하게 3 mm이다. 유용한 장의 세기는 300 및 400 밀리테슬라 사이, 양호하게 약 350 밀리테스라이다. 그러나, 보다 강력한 자석이 강 내부로 추가로 통과할 필요가 있는 곳에서 요구된다는 것을 알게될 것이다.

써치 코일(search coil)과 같이 자속을 측정하는 임의의 적절한 수단이 적용될 수 있지만, 상업적으로 입수 가능한 홀 요소(Hall element)와 같은 홀 효과 장치(Hall effect device)를 사용하는 것이 가장 편리하다. 이러한 장치는 통상적으로 약 3 mm²이고 본 출원에 있어서 특히 편리한 집적 유닛(integrated unit)으로서 입수 가능하다. 자기장 라인은 통상적으로 강의 표면에 대하여 수직하도록 배열되어, 홀 소자의 감지 방향도 표면에 대하여 직교하도록 배열되어야 한다. 따라서, 표준 집적 유닛에 있어서, 이것은 보다 큰 기부 표면이 강 부재의 표면에 근방에 부착되거나 고정된다는 것을 의미한다.

양호하게, 홀 소자 및 자석은 접촉하지 않으면 매우 근접할 것이다. 본 발명의 가장 양호한 형태에 있어서, 홀 소자의 감지 방향은 자석의 축에 대하여 45 도로 배열된다.

구성 성분들을 함께 고정시키기 위하여, 본 발명의 감지하는 부분을 수행하기 위해 요구되는 전체 장치가 작고 콤팩트한 유닛을 형성하도록 작은 하우징이 제공되는 것이 바람직하다. 사용시 유닛이 통상적으로 강 부재의 표면을 가로질러 이동될 것이기 때문에, 경질 비자성 패드(hard non-magnetic pad)가 마찰에 의해 발생되는 손상을 방지하기 위하여 홀 소자 아래에 마련되는 것이 양호하다. 이것은 장치의 감응도를 감소시키는 것을 피하기 위하여 두께에 있어서 1 또는 2 mm이어야만 한다.

홀 요소 또는 다른 센서는 크롬 결핍의 정도를 나타내는 적절한 형태로 변환될 수 있는 출력 전압을 제공한다. 가장 간단한 경우, 직접 표시 도수(reading)를 제공하도록 적절하게 조정된 전압계에 직접 공급될 수 있다. 더욱 정교한 장치에 의해, 프로브로부터의 출력 신호는 일반적으로 아날로그-디지털 컨버터를 통해 컴퓨터에 공급될 수 있다. 적절한 프로그램이 배열되어 입력 신호를 이용가능한 표시 도수로 변환할 수 있다. 이것은 우선 이론(즉, 수학적 모델)에 근거할 수 있지만, 실험 테스트에 근거한 검사표(look-up table)로부터 내삽하는 것이 더욱 간단할 것이다. 전술한 바와 같이, 포화가 발생하여 홀 요소로부터의 출력 전압이 최대값에 도달하는 층 두께가 있을 것이다. 바람직하게는 이것이 발생할 때를 나타내는 수단이 제공된다. 발견될 수 있는 것보다 더 큰 결핍층 두께에서 포화가 발생하도록 사용되는 장치를 설계하는 것이 물론 바람직하다.

전술한 바로부터 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 그리고 그에 따른 다른 태양으로부터 고려되어 제공된 장치까지 확대 해석되며, 본 발명은 강 부재의 표면 영역의 크롬 결핍 구역의 두께를 결정하기 위한 장치를 제공하고, 이 장치는 자기장원과 자속 밀도를 측정하는 수단을 포함하고, 이 장치는 강 부재에 근접 배치될 때 측정 수단이 자기장원으로부터 야기된 강의 표면 영역 내에 자속 밀도를 결정하도록 배열된다.

바람직하게는, 본 발명은 자속 밀도에 근거하여 크롬 결핍을 나타내는 수단을 또한 제공한다.

또한, 장치는 바람직하게는 전술한 방법의 양호한 형태 중 하나 이상에 따라 작동하도록 배열된다. 특히 양호한 형태에서, 장치는 막대 자석의 길이 방향 축에 대해 거의 45도로 배열된 축을 갖는 홀 요소를 포함한다. 바람직하게는 이 구성 성분들은 하우징 내에 수용되고, 또한 특히 보호 패드가 홀 요소 아래에 제공되는 것이 양호하다. 홀 요소로부터의 출력 신호는 바람직하게는 전술한 바와 같이 아날로그-디지털 컨버터를 통해 적절한 컴퓨터에 제공된다.

본 발명의 양호한 실시예가 첨부된 도면을 참고하여 설명될 것이다.

도1을 참조하면, 프로브(1)는 350 밀리테슬라(milli-tesla)의 강도를 갖는 10×3 mm 크기의 막대 자석을 포함한다. 이것은 홀 요소의 감지축에 대해 45도인 축을 가지면서 홀 요소(3)에 대해 위치된다. 홀 요소(3)에는 비자성 금속으로 만들어진 기부에 보호 패드(4)가 마련된다.

이 구성 성분들은 모두 플라스틱 하우징(5) 내에 위치하고, 하우징 내에 공간을 채우는 에폭시 수지(6)에 의해 상호 결합된다. 전도성 도선(7, 8, 9)이 에폭시를 통해 그리고 프로브 상부의 개구를 통해 연장된다. 도선(9)은 홀 요소를 구동하는 DC 입력을 제공하고, 도선(8)은 통상의 것이며, 도선(7)은 홀 요소로부터의 신호 출력을 제공한다. 홀 요소는 상업적으로 이용 가능한 일체화된 장비이다. 도선(7, 8, 9)은 가요성 코일형 케이블 내에 마련되어, 시험되는 표면 상에서 프로브가 용이하게 이동될 수 있다.

도2에 도시된 바와 같이, 프로브(1)는 신호 도선(7)을 통해 아날로그-디지털 컨버터(10)에 연결된다. 도선(8, 9)은 전술한 바와 같이 연결된다. 그리고, 컨버터(10)로부터의 디지털 출력은 컴퓨터 프로세서(11)에 공급되고, 소프트웨어가 신호를 시험되는 강 부재의 크롬 결핍층의 두께에 대응하는 값으로 변환시킨다. 이는 검사표에 저장된 경험적인 측정 시험의 결과에 의해 수행된다. 프로세서는 또한 산화 크롬층 두께의 평가치를 결정하도록 프로그램될 수도 있다. 그리고, 이는 적절한 디스플레이 수단(12)에 디스플레이된다.

도면에 도시된 바와 같이, 구성 성분(10, 11, 12)은 편리하게 단일 휴대용 일체식 패키지(15) 내에 함께 제공되면서, 프로브(1)는 분리되어 자유롭게 이동 가능하다. 다르게는, 아날로그-디지털 컨버터는 프로브와 일체로 제공될 수 있고, 구성 성분(11, 12)은 보통의 퍼스널 컴퓨터의 각 부품일 수 있다.

도3은 결핍 크롬층을 갖지 않는 강 부재(13)에 대해 위치된 프로브(1)를 도시하고 있다. 알 수 있듯이, 크롬이 결핍되지 않은 곳에서, 자기장 라인은 강의 더 작은 자기 투자율의 결과로서 현저하게 이격된다. 반대로, 도4는 훨씬 더 큰 자기 투자율을 갖는 강 부재(16) 표면 근처의 결핍층(14)을 도시하고 있다. 이는 자기장 라인이 전자석 내에 철심과 같은 방식으로 함께 더 가까워지도록 한다.

홀 프로브에 의해 측정된 자속 밀도의 변화를 검출함으로써 (결핍층 두께에 비례하는) 크롬 결핍 레벨을 표시할 수 있다. 신호 라인(7) 상의 전압 레벨은 결핍층의 두께와 관련하여 (비선형으로) 예측될 수 있다. 따라서, 신호가 디지털 형태로 변환되면 예컨대 실험적으로 유래된 적절한 검사표로부터 내삽함으로써 프로세서(11) 내에서 처리될 수 있다. 산화층 두께는 결핍층 두께와 관련되고, 유사한 방식으로 결정될 수도 있다.

마지막으로, 미크론으로 평가된 크롬 결핍층 두께와 같은 적절한 출력 및/또는 프로브로부터의 순수 출력 전압이 디스플레이 유닛(12) 상에 디스플레이된다.

본 발명에 따른 프로브의 작동을 설명하기 위해, 크롬 결핍층을 모의로 실험하도록 강자성 포일(foil)을 사용하여 일련의 모의 실험이 수행된다.

(프로브1 내지 프로브3으로 표시된) 3개의 상이한 프로브로부터의 출력 전압 표시 도수는 강자성 포일 두께의 함수로써 도5에 도시되어 있다. 여기서 프로브는 두께가 다른 포일들에 직접 대항하여 위치되었다. 알 수 있듯이, 두께 약 200㎛ 까지는 출력 전압 내의 변화는 현저하고 명확하게 검출될 수 있다. 이 이상에서는 변화가 현저하게 줄어들고, 약 500㎛ 이상에서 포화가 발생한다.

강자성 크롬 결핍층은 강의 표면 아래에서 실제로 발견되기 때문에, 또한 강자성 포일로부터 프로브를 멀리 이동시키는 효과를 결정하기 위한 시험이 수행될 수도 있다. 이러한 표시 도수 상의, 소위 "상승(lift off)"으로부터의 영향이 도6에 도시되어 있다. 여기서는 두꺼운 강자성 표면 상의 측정을 위해 동일한 3개의 센서가 사용되었다. 프로브의 기부와 강자성 물질 사이의 거리는 변하고, 출력 전압이 기록되었다. 상승이 약 2000㎛를 넘어서 증가함에 따라 출력 신호가 현저하게 감소하는 것이 관측되었다. 그럼에도 불구하고, 프로브는 외부 산화층 바로 아래에 위치하는 전형적인 크롬 결핍층으로부터 유용한 데이터를 제공하는데 적절하다는 것은 도5 및 도6으로부터 알 수 있다.

실제로, 적어도 열분해로 내에 파이프의 환경에서, 프로브는 파이프의 내측 표면이 탄소 처리되기 때문에 표면 깊숙이 아래에 있는 강자성 층에 의해 영향을 받는 것은 기대할 수 없다. 도1에 도시된 홀 요소와 자석의 실질적인 기하학적 배열의 중요한 이유는 탄소 처리된 자성 영역으로부터 물질로 더 깊이 간섭하는 것을 최소화하기 위한 요구이다. 도7은 50㎛ 및 100㎛ 두께의 모의 결핍 구역 상에 위치된 프로브로부터의 측정된 출력 전압이 모의 탄소 처리 영역에 의해 어떻게 간섭받는지를 도시하고 있다. 탄소 처리된 강을 대표하는 강자성 강이 크롬 결핍층을 대표하는 포일 바로 밑에 거리가 변하면서 위치된다. 표시된 신호 전압은 강자성 강의 존재에 의해 야기된 증가량이다. 100㎛ 결핍층의 경우에, 탄소 처리된 영역이 2mm 이상 그 아래에 위치되면, ("탄소 처리된" 강이 존재하지 않을 때 200㎷ 인) 프로브로부터의 표시 도수는 약 50㎷정도(250㎷까지) 서서히 증가한다. 따라서, 임의의 유용한 파이프 두께에 대해 파이프 내부의 탄소 처리는 출력 표시 도수의 현저한 부정확은 야기하지 않을 것이다.

최종적으로, 도8은 본 발명에 따른 프로브가 고온을 받는 강 로드를 시험하는데 사용될 때 실험의 결과를 도시하고 있다.

상이한 등급의 강 상의 상이한 산화도에 의해 야기된 출력 신호들을 비교하기 위해, 로드는 상이한 물질인 25/35 Cr/Ni과 35/45 Cr/Ni로 구성된 2개의 반부들로부터 서로 용접되었다. 이것은 600℃ 내지 1040℃의 온도 구배를 갖는 오븐 내에서 약 1000시간 동안 주기적인 산화에 노출되었다.

도면은 오븐 내의 위치에 의한 온도(섭씨)의 변화를 나타내는 하나의 라인을 갖는다. 다른 2개의 라인은 다른 위치, 즉 우선 로드 상의 용접점에서 그리고 2번째로 로드 그 자체에 위치된 센서로부터의 출력 전압을 나타낸다.

노 내에 대칭으로 설치된 용접점은 노의 양쪽 반부 내의 온도에 비례하는 표시 도수를 나타낸다는 것을 알 수 있다. 25/35 Cr/Ni과 35/45 Cr/Ni 물질은 또한 국부적인 열 하중에 비례하는 표시 도수를 나타낸다. 그러나, 25/35 Cr/Ni과 35/45 Cr/Ni 물질 사이에 큰 차이가 있음은 명백하다. 이것은 이 2개의 물질 사이에 산화 저항의 차이를 나타낸다.

전술한 바와 같이, 상이한 합금으로부터의 표시 도수가 비교되기 전에 각 물질 형태에 대해 프로브를 조정하는 것이 필요하다. 그러나, 프로브가 노 작동의 불규칙을 확인[예컨대, 고르지 못한 버너 설정에 의해 야기된 "열점(hot spot)"을 관찰]하는데 사용될 때, 동일한 물질 형태 및 수명으로부터 얻어진 관련된 프로브 표시 도수가 사용될 수 있다. 예컨대, 일련의 측정이 특정 파이프의 길이를 따라 그리고/또는 그 원주 둘레의 상이한 위치에서 취해질 수 있다.

필요에 따라, 강 부재의 표면 상에서의 이 프로브의 이동은 공지된 방식으로 측정될 수도 있고, 이것은 산화층 두께 데이터와 조합하여 부재에 따른 출력 전압의 변화(또는 조정된다면 결핍층)를 보여주는 디스플레이(12) 상의 맵을 제공하는데 사용될 수 있다.

Claims (18)

1. 강 부재로부터 표면 밑의 크롬 결핍을 측정하는 단계를 포함하는, 노의 상태 및/또는 작동을 모니터링하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 강 부재는 탄화수소가 관통하여 유동하는 열분해로 내의 파이프인 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 표면 산화층의 상태를 평가하기 위해 크롬 결핍의 측정을 사용하는 단계를 더 포함하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노 내의 버너가 만족스럽게 작동하는지의 여부를 결정하기 위해 크롬 결핍의 측정을 사용하는 단계를 더 포함하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 알려진 강도의 자기원(magnetic source)을 사용하여 상기 강 부재의 표면 영역 내에 자기장을 형성하고, 크롬 결핍 구역의 두께의 평가는 부재의 표면에서의 결과적인 자속 밀도로부터 결정되는 방법.
6. 강 부재의 표면 영역의 크롬 결핍 구역의 두께를 결정하는 방법이며, 알려진 강도의 자기원을 사용하여 표면 영역 내에 자기장을 형성하고 부재의 표면에서의 결과적인 자속 밀도로부터 크롬 결핍 구역의 두께의 평가치를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 자속 밀도는 자기장 라인이 표면에 수직인 위치에서 측정되는 방법.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기장은 강 부재의 표면에 대해 30도와 60도 사이에 축을 갖는 자석에 의해 표면 영역 내에 형성되는 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 자석의 축은 상기 부재의 표면에 대해 45도인 방법.
10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기장은 영구 자석에 의해 형성되는 방법.
11. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자속 밀도는 상기 강 부재의 표면 근처에 위치한 홀 효과 프로브에 의해 결정되는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 홀 효과 프로브와 표면 사이에 경질 비자성 패드가 제공되는 방법.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 홀 효과 프로브의 장 검출 축은 자기장원의 남-북 축에 대해 45도로 정렬되는 방법.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 홀 효과 프로브로부터의 출력 신호는 크롬 결핍 구역의 두께 및/또는 연관된 산화층의 두께의 직접 표시를 제공하도록 처리되는 방법.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면 산화층 두께의 평가치를 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
16. 강 부재 표면 영역의 크롬 결핍 구역의 두께를 결정하는 장치이며, 상기 장치는 자기장원과 자속 밀도를 측정하는 수단을 포함하고, 상기 장치는 강 부재에 가깝게 위치될 때 상기 측정 수단이 자기장원으로부터 발생한 강 표면 영역 내의 자속 밀도를 결정하도록 배열되는 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 측정 수단으로부터의 출력을 처리하고 크롬 결핍 구역의 두께 및/또는 연관된 산화층의 두께를 디스플레이하는 수단을 더 포함하는 장치.
18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 방법에 따라 작동하도록 배열된 장치.