KR20060048782A - 재료 건전성 비파괴 감시 - Google Patents

Abstract

특정한 열화 특성을 가진 것으로 알려진 요소에 열화가 발생할 우려가 있는 섹션을 가로질러 전위를 제공하도록 기구가 설치된다. 다음에, 요소를 가로지르는 전위 강하가 열화 발생 시기 그리고 열화 발생 정도를 판정하기 위해 감시된다. 열화 수준이 한도에 도달할 때 요소가 수리 및 교체되도록 소정의 한도가 설정된다.

재료 건전성, 비파괴 감시, 전위 강하, 가요성 관

Description

재료 건전성 비파괴 감시{NON-DESTRUCTIVE MONITORING OF MATERIAL INTEGRITY}

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과정을 예시하는 흐름도.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피감시 연료 라인 조립체의 단면도.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 설치된 요소의 개략도.

도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 이루어진 결과 측정값의 그래프도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

21: 연료 라인 조립체

22: 튜브 코어

23: 와이어 브레이드

27: 전압원

28: 전압계

29: 기록 장치

본 발명은 열화(degradation) 받기 쉬운 요소 재료의 비파괴 실험에 관한 것 으로, 보다 상세하게는 열화 가능성이 있는 항공기 엔진 요소들의 비파괴 감시에 관한 것이다.

대부분의 기계 및/또는 전기 장치의 유지 및 보존에 있어서, 부품들의 수리 및/또는 교체는 파손으로 인해 장치가 작동할 수 없을 때까지 발생하지 않는다. 이때, 검사는 발생된 특정 파손을 판정하기 위해 이루어지고 교체 부품은 장치가 작동 상태로 되도록 설치된다.

한편, 안전성 우려로 인해 바람직하게는 그 요소들이 파손의 수준에 도달하지 않도록 하는 특정 유형의 장치들이 있다. 항공기 가스 터빈 엔진이 그러한 장치이다. 여기에서, 요소 수명의 내력에 기초하여 요소의 작동 수명을 예측하고 파손으로 예측되는 시기에 앞서 그러한 요소를 주기적으로 수리 또는 교체하는 것은 통상의 사례이다. 이러한 방식으로, 요소의 사용 수명은 파손의 위험성을 최소화하면서 추정된다.

터빈 엔진에서, 요소 균열(예를 들어, 크리프, 저 주기 피로(LCF:Low Cycle Fatigue), 고 주기 피로(HCF:High Cycle Fatigue)), 응력 부식 균열은 보통 고 응력 발생부(즉, 반경, 볼트 구멍, 플랜지 등), 고온, 처리 결함 또는 그 조합과 관련되어 있다. 이러한 응력 위치들은 분석 또는 현장 파손으로부터의 경험에 의해 식별된다. 균열로부터 위험성을 경감하기 위해 사용 기간의 한도가 디스크, 블레이드, 샤프트, 공기 밀봉부 및 배관과 같은 다수의 요소들을 위해 결정되고 긴 균열이 전개할 가능성을 가지기 전에 사용으로부터 제거된다.

파괴 역학의 분야에서, 전위 차이는 전도성 재료에서 균열 성장률 특성을 판 정하기 위해 이미 정해진 실험실 기술이다. 이들 견본의 전기장은 균열의 개시에 의해 방해되고 증가하는 균열 크기에 따라 예측 가능하게 변화한다. 일정한 전류가 견본을 통해 가해지는 경우에, 균열 평면을 가로지르는 전위 강하는 증가하는 균열 크기와 함께 증가할 것이다. 전기장에 대한 이러한 예측가능한 응답은 전압의 변화를 균열 크기와 관련하기 위해 사용되고 균열 크기를 계속적으로 감시하는 자동 수단으로서 사용된다.

요약하면, 본 발명의 일 태양에 따라서, 특정 열화 특성을 가지는 것으로 알려진 요소에는 작동 중에 열화가 발생할 우려가 있는 섹션을 가로질러 전위가 설정되도록 기구가 설치된다. 요소를 가로지르는 전위 강하는 열화가 발생할 때와 열화가 발생하는 정도를 판정하도록 감시된다.

본 발명의 다른 태양에 의해, 요소의 열화가 소정 수준에 도달할 때, 요소는 수리 및 교체되며, 이때, 상기 수준은 발생 내력의 검토에 의해 사전 판정된다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 그 외경 상에 스테인리스강 와이어 브레이드(braid)로 보강된 폴리테트라플루오로틸렌(PTFE) 튜브 코어를 가지는 가요성 연료 라인 조립체에는 계속 허용시 PTFE 튜브 코어의 파열을 일으킬 수 있는 점진적인 와이어 스트랜드(strand)의 파손의 발생을 판정하기 위해 전위 강하를 감시하기 위해 기구가 설치된다. 와이어 스트랜드 파손의 개수가 소정 수준에 도달할 때, 연료 라인 조립체는 교체된다.

이하에 설명된 도면들에 있어서, 바람직한 실시예가 도시되어 있으나, 다양 한 다른 수정 및 대체 구성들이 본 발명의 진정한 사상 및 범위로부터 일탈함이 없이 이루어질 수 있다.

본 방법은 균열, 부식공, 부식, 침식, 마모 등의 진행으로 인해 단면적의 변화를 받는 임의의 요소에 효과적으로 사용될 수 있다. 포함된 주요 내용은 전기 저항이 요소의 안정 상태를 효율적으로 감시하기 위해 사용될 수 있도록 전도성 요소의 유효 단면적의 변화가 그 전기 저항의 변화를 발생한다는 것이다.

도1을 참조하여 과정의 단계들을 설명하기로 한다. 통상의 사용으로 인한 점진적인 열화를 가질 우려가 있는 요소를 식별하면, 먼저 블록(11)에 개시된 바와 같이 발생할 우려가 있는 특정 파손 모드를 식별하는 것이 필요하다. 이는 요소 상의 특정 위치뿐만 아니라 결함 전파의 특정 방향을 포함한다.

다음 단계는 블록(12)에 도시된 바와 같이 요소에 그 전기 저항이나 그 전위강하를 측정할 수 있도록 기구를 설치하는 것이다. 바람직하게는, 전위 강하는 결함 전파 방향에 대해 실질적으로 수직하게 정렬되는 연결선을 가지는 2 지점들의 사이에서 측정된다. 즉, 균열의 상태를 감시하기 위해, 균열의 방향은, 균열이 폭 방향으로 커짐에 따라 2개의 측정 지점들의 사이의 전위 강하가 비례하여 증가하도록, 2개의 측정 지점들을 연결하는 선의 방향에 대해 실질적으로 수직해야 된다.

요소에 대해 발생할 우려가 있는 특정 결함을 위해, 균열 성장의 허용 크기가 어느 정도인가와 같이, 파손의 임의의 실질적 위험성이 없이 열화 발생의 허용 정도를 지시하는 대표적인 전위 강하의 한도를 판정하는 것이 필요하다. 이는 단 계 13에서 달성된다. 이러한 한도는 예를 들어 균열의 크기나 전파율에 관련할 수 있다.

사용가능한 측정값과 관련되는 기준을 가지기 위해, 먼저 단계 14에 나타난 바와 같이 열화되지 않은 상태일 때 요소를 가로지르는 전위 강하를 측정할 필요가 있다. 실질적으로 측정되는 전위 강하의 임의의 증가는 작동가능한 사용 중에 발생하는 열화의 표시일 것이다.

다음에 요소를 가로지르는 전위 강하가 블록(16)에 나타난 바와 같이 요소의 작동가능한 사용 중에 실시간 기준으로 계속하여 감시될 수 있도록 기구가 그 설치 된 위치에서 유지된다. 따라서, 언제라도, 구체적인 판독이 고려되며, 요소의 상태가 예측된 성능을 가지는 궤도상에 있는지 또는 예측된 속도로부터 가속된 열화율을 표시하는 속도로 열화하여 보정 작용의 실행을 요구하는지를 판정하기 위해 과거 데이터와 비교될 수 있다. 따라서, 블록(17)은 측정된 데이터와 블록(13)에서 판정된 값(들)과 비교하도록 제공되고, 이들 값들은 균열 크기에 대한 누적 한계를 표시하거나 또는 허용불가의 전파율의 표시일 수 있다. 어느 쪽의 경우에도, 이러한 한도에 도달되면, 행위가 취해져야 하는 것을 표시하면서, 요소는 블록(18)에 개시된 바와 같이 수리 및 교체되어야 한다.

상술한 방법은 재료의 손실 또는 단면적의 변화로부터 전개하는 파손 메커니즘을 가지는 임의의 요소를 감시하기 위해 사용될 수 있는 것으로 이해하여야 한다. 설명하기 위해, 열화 받기 쉬운 연료 라인을 가지는 엔진과 관련한 특정 용도의 이용 관점에서 과정을 이제 기재하기로 한다.

도2 및 도3을 참조하면, 그 외경 상에 스테인리스강 와이어 브레이드(23)로 보강된 PTFE 튜브 코어(22)로 이루어진 가요성의 연료 라인 조립체가 도면 부호 "21"로서 도시되어 있다. 이러한 조립체의 전형적인 예로서, 와이어 브레이드(23)의 구조는 0.005 인치(0.0127 cm)의 도전성 스테인리스강 와이어의 약 175 가닥의 스트랜드들로 이루어져 있다. 스테인리스강 와이어(23)와 PTFE(22)는 각 단부에서 크림핑식 슬리브 튜브 연결기(24, 26)로 서로 고정된다. 이러한 가요성 관의 예는 매사추세츠주 스프링필드 타이터플렉스사로부터 입수가능한 부품 번호 제1A9357호일 수 있다.

가요성 연료 라인 조립체(21)의 식별된 잠재의 파손 모드는 개별의 스테인리스강 와이어의 점진적인 파손을 일으키는 스테인리스강 브레이드의 부식이다. 브레이드(23)의 점진적인 파손은 결국 내부 PTFE 코어(22)의 파열을 일으켜서 유체의 누설을 발생한다. 본 방법은 와이어 브레이드(23)에 대한 파손의 진행을 감시 및 검출하고 PTFE 코어(22)의 건전성이 포함될 수 있기 전에 적시에 연료 라인 조립체(21)의 교체를 허용한다.

도3에는, 상술한 방법에 따라 연료 라인 조립체(21)의 상태를 감시하기 위한 비파괴 기구 설치 배열의 개략도가 도시되어 있다. 여기에서, DC 전류원(27)은 스테인리스강 와이어 브레이드(23)를 통해 1 A의 일정한 전류를 흐르게 하면서 연료 라인 조립체(21)의 4 인치(10.16 cm)의 스트랜드를 지나는 전압 강하를 제공하도록 연결되어 있다. 다음에, 조립체를 가로지르는 전압 강하는 전압계(28)에 의해 계속 측정되고 기록 장치(29)에 의해 기록된다. 이러한 조립체 및 기구의 설치는 연 료 라인 조립체가 조립되어 전형적인 사용 중에 엔진과 작동하는 기간 동안 사용될 수 있다. 이는 연료 라인 조립체의 상태의 감시를 허용하고 그 상태가 수리 또는 교체의 행위가 필요한 지점으로 열화될 때의 판정을 도와준다.

개념을 설명하기 위해, 스테인리스강 와이어 브레이드(23)의 열화는 4개의 브레이드 와이어들을 단계적으로 절단하고 그 결과로서 발생된 전압 강하의 변화를 기록함으로써 모의 실시되었다. 그 결과는 도4에 도시되어 있으며, 표준화된 전위차(PD:Potential Difference)는 시간의 함수로서 기록된다.

먼저, 열화되지 않은 상태에서, 전압 강하가 곡선 a로 나타난 바와 같이 "0" 단위로 표시되는 것을 나타내도록 장치를 조정하기 위해 기준 전압이 측정되었다. 이어서, 제1 와이어가 절단되고 전압 강하는 곡선 b로 나타난 바와 같이 0.2 단위로 측정되었다. 유사하게, 제2, 제3 및 제4 와이어가 순차적으로 절단되고 각 전압 강하는 곡선 c, 곡선 d 및 곡선 e로 각각 도시되어 있다. 따라서, 각 와이어 절단에 대해 0.2 %의 전압 변화가 검출된 것으로 보인다. 이러한 전압 증가 값은 시스템의 주위 노이즈보다 훨씬 이상이며 파손 진행의 명료한 표시이다. 본 발명은 연료 라인 조립체(21)가 교체되어야 할 때를 판정하는 임계값, 즉, PTFE 코어의 건전성이 위험해지기 전에 파단할 필요가 있는 메쉬(mesh) 와이어들의 개수를 사용한다. 따라서, 기구는 파단된 와이어들의 개수가 한도에 접근할 때를 자동적으로 측정 및 검출하도록 사용될 수 있다. 대안으로, 와이어들의 파손율이 정상률과 적절하게 비교하는지를 판정하도록 감시될 수 있으며, 이 파손율이 정상률을 초과하면, 그 개수가 한도에 접근하게 하는 접근 방식에 의해 정상적으로 표시되는 것보 다 조기에 연료 라인 조립체를 교체하거나, 개별의 와이어 스트랜드들에서의 가속 파손율에 대한 원인을 판별하도록 이러한 정보를 사용하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

상술한 기구는 DC 전위 시스템을 사용하지만, 유사한 AC 전위 시스템도 사용될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.

또한, 본 방법은 연료 라인 조립체에 관하여 설명하였지만, 균열, 내식공, 부식, 침식, 마모 등과 같은 임의의 수단에 의해 열화될 수 있는 다양한 다른 요소들에게도 동등하게 적용될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.

본 방법의 대표적인 적용은 이하의 내용을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 베어링에서는, 베어링의 볼 안착 홈의 재질의 마모 및 손실로 인한 파손은 측정가능한 저항의 변화로서 검출될 수 있다. 터빈 블레이드 또는 베인을 가로지르는 저항 변화는 균열, 부식, 크리프 또는 외래 물질의 손상의 표시로서 사용될 수 있다. 가압 사이클에 있는 엔진 케이스와 같은 압력 용기는 고 응력 위치에서 저 주기 피로(LCF)로 감시될 수 있다. 대규모로, 항공기 동체의 대형 알루미늄 섹션은 리벳 구멍에서의 피로 균열을 검출 및 경고하도록 감시될 수 있다. 상술한 전위 강하 방법을 이용하여 이러한 수명 한도의 위치들을 계속 감시함으로써, 사용 수명은 안정되게 연장될 수 있으며 현장의 문제들은 포괄적인 유지 프로그램의 부분으로서 감시될 수 있다.

본 발명은 도면에서 예시된 바와 같이 바람직한 실시예를 참조로 구체적으로 도시되고 설명되었지만, 이는 청구범위에 의해 한정되는 바와 같이 본 발명의 진정 한 사상 및 범위로부터 일탈함이 없이 당업자에 의해 다양한 변경이 상세하게 실시될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.

이상 설명한 본 발명에 따른 재료 건전성의 감시 방법 및 장치에 따르면, 균열, 부식공, 부식, 침식, 마모 등의 진행으로 인해 단면적의 변화를 받는 임의의 항공기 부품 등의 요소에 대하여 요소를 가로지르는 전위 강하를 측정함으로써 요소의 열화가 발생할 때와 열화가 발생하는 정도를 판정하도록 감시하는 데에 효과적으로 이용될 수 있다.

Claims (25)

1. 열화 받기 쉬운 요소의 구조적 건전성을 감시하는 방법이며,

   상기 요소의 적어도 일부분을 가로질러 전위를 인가하는 단계와,

   기준선 지표를 얻기 위해 상기 부분을 가로지르는 전위 강하를 측정하는 단계와,

   순차적인 판독 값을 얻기 위해 상기 부분을 가로지르는 전위 강하를 순차적으로 감시하는 단계와,

   상기 기준선 지표로부터 상기 순차의 판독 값으로 요소에서 발생된 열화 정도를 판정하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 요소의 적어도 일부분을 가로질러 전위를 인가하고 기준선 지표를 얻는 단계들은 상기 요소가 열화되지 않은 상태에 있을 때 달성되는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 부분을 가로지르는 전위를 순차적으로 감시하는 단계는 상기 부분에 대한 전위 강하 판독 값을 얻기 위해 상기 부분을 가로지르는 상기 전위를 유지하면서 달성되는 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 판정 단계는 상기 전위 강하 판독 값과 상기 기준선 지표의 사이의 판독 값 차이를 얻음으로써 달성되는 방법.
5. 제1항에 있어서, 소정의 열화 수준을 설정하고 요소의 사용 수명을 판정하도록 상기 전위 강하 판독 값과 상기 소정의 수준을 비교하는 단계를 더 포함하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 사용 수명이 만료될 때 요소를 교체하는 단계를 더 포함하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 요소는 항공기 가스 터빈 엔진 요소인 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 요소는 가요성 관인 방법.
9. 열화되어 최종적으로 파손되기 쉬운 요소의 사용 수명을 진단하는 방법이며,

   요소의 적어도 일부분을 가로질러 전위를 인가하면서 기준선 전위 강하 판독 값을 얻기 위해 상기 부분을 가로질러 전기 저항을 측정하는 단계와,

   정상 사용 중에 상기 부분을 가로질러 동일한 전위를 유지하는 것을 계속하면서, 열화의 결과로서 변화하는 전위 강하를 측정하는 것을 계속하는 단계와,

   요소가 파손될 우려가 있는 시간을 예측하기 위해 상기 변화 값과 소정의 값을 비교하는 단계를 포함하는 방법.
10. 제9항에 있어서, 요소의 적어도 일부분을 가로질러 전위를 인가하고 기준선 전위 강하 판독 값을 얻기 위해 상기 부분을 가로지르는 전기 저항을 측정하는 단계들은 상기 요소가 열화되지 않은 상태일 때 달성되는 방법.
11. 제9항에 있어서, 요소가 파손될 우려가 있는 것으로 판정되는 시기 이전에 요소를 교체하는 단계를 더 포함하는 방법.
12. 제9항에 있어서, 상기 요소는 항공기 가스 터빈 엔진 요소인 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 요소는 가요성 관인 방법.
14. 요소 상의 식별된 위치에서 열화되는 요소의 재료 건전성을 감시하기 위한 장치이며,

    식별된 위치를 가로질러 전압 강하를 제공하도록 상기 요소를 가로질러 인가되는 전압원과,

    먼저 요소가 열화되지 않은 상태에 있을 때 기준 측정값을 얻고, 이어서 열화된 상태일 때 파손 평가 측정값을 얻기 위해, 식별된 위치를 가로질러 전압 강하를 측정하기 위한 전압계와,

    요소의 수리/교체의 목적으로 열화의 한도를 판정하기 위해 상기 기준 측정 값과 상기 파손 평가 측정값 모두를 기록하기 위한 기록 장치를 포함하는 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 전압원은 DC 소스인 장치.
16. 제14항에 있어서, 상기 요소는 개별의 스트랜드들이 파손 받기 쉬운 와이어 브레이드로 이루어진 외장 구조를 갖는 가요성 연료 라인 조립체인 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 가요성 연료 라인 조립체는 상기 스틸 와이어 브레이드 내에 배치되는 내부 튜브를 더 포함하는 장치.
18. 제17항에 있어서, 상기 내부 튜브는 PTFE로 이루어진 장치.
19. 작동가능한 사용으로부터 열화 받기 쉬운 요소의 재료 건전성을 감시하는 방법이며,

    요소에서 파손의 우려가 있는 상태와 그 위치를 식별하는 단계와,

    상기 위치를 가로질러 전압을 인가하는 단계와,

    요소가 열화를 받기 이전과 그 이후에 상기 위치를 가로질러 전압 강하를 측정하는 단계와,

    상기 측정값들을 기초로 하여 요소가 교체되어야 할 때를 판정하는 단계를 포함하는 방법.
20. 제19항에 있어서, 요소가 열화를 받기 이전에 취한 상기 측정값은 측정 단계를 위해 사용된 기준 값으로서 사용되는 방법.
21. 제19항에 있어서, 상기 측정 단계는 열화의 진행을 표시하기 위해 복수의 측정값들을 취하는 단계들을 포함하는 방법.
22. 제21항에 있어서, 상기 복수의 측정값들이 열화율의 표시 도수를 얻기 위해 비교되는 방법.
23. 제19항에 있어서, 취하여진 측정값을 판독하는 단계를 더 포함하는 방법.
24. 제19항에 있어서, 상기 요소는 항공기 가스 터빈 엔진인 방법.
25. 제24항에 있어서, 상기 요소는 가요성 관인 방법.

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