KR20060131748A

KR20060131748A - 열 교환기 튜브의 비틀림 파동 방식 검사를 위한 방법 및시스템

Info

Publication number: KR20060131748A
Application number: KR1020067009285A
Authority: KR
Inventors: 혜근 권; 제임스 에프. 크레인; 상-용 김
Original assignee: 사우스웨스트 리서치 인스티튜트
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2006-12-20
Also published as: WO2005052485A3; BRPI0416498A; US20050104584A1; CA2545450A1; WO2005052485A2; CN1898558A; CN1898558B; JP2007514140A; US7019520B2; EP1700106A2

Abstract

본 발명은 기존 기술의 단점을 극복하는, 튜브 내부 직경에서 행해지는 개선된 열 교환기 튜브 검사 방법 및 시스템을 제공한다. 기존 기술의 세로 파동 방식 대신에 비틀림 파동 방식을 사용할 수 있게 하는 유도파 프로브를 사용한다. 결함을 검출하기 위해 세로 파동 방식이 갖는 많은 장점들을 비틀림 파동 방식도 갖고 있다. 적합한 관찰에 의해 활성화될 때, 프로브는 도파관 튜브로부터 열 교환기 튜드에 연결되는 비틀림 파동 신호를 생성한다. 열 교환기 튜브 벽의 결함에서 반산된 신호가 열 교환기 튜브의 조사 구멍 단부로 되돌아오면, 반사된 신호의 검출을 위해, 상기 반사된 결함 신호는 프로브 도파관 튜브에 연결된다.

Description

열 교환기 튜브의 비틀림 파동 방식 검사를 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR TORSIONAL WAVE INSPECTION OF HEAT EXCHANGER TUBES}

본 발명은 U.S. 가출원 No. 60/481636 (2003, 11, 13)로부터 우선권을 주장하고 있으며, 본원에서는 이를 참고로 인용한다.

본 발명은 장범위 유도파(long-range guided-wave) 검사 기법을 이용하여 열 교환기 튜브를 검사하는 방법 및 시스템에 관한 것이며, 더 세부적으로는, 튜브의 직경 내부로부터 열 교환기 튜브를 신속하게 검사하기 위해 비틀림 유도파(torsional guided wave)를 이용하는 방법에 관한 것이다.

열 교환기가 정제 장치, 화학 기계, 전기 생성 수단 같은 처리 기계에서 비싸게 사용되며, 튜브 시트에 의해 고정된 위치로 지탱되는 다중 열 교환기 튜브가 포함되는 것이 통상적이다. 각각의 열 교환기 튜브는 검사 및 유지 보수를 위해 한쪽 끝에서 접근이 가능하다. 열 교환기 튜브는 제 1 온도의 제 1 액체 또는 기체를 운반하며, 제 2 온도의 제 2 액체 또는 기체에 의해 둘러싸이며, 이에 따라 열인 제 1 액체 또는 기체에서 제 2 액체 또는 기체로 이동하거나, 그 역의 경우도 가능하다. 열 교환기 결함 및 그에 연계된 동작으로 인한 장비와 처리 과정이 멈추거나 중단되는 것을 최소화하고, 유지 보수 비용을 최소화하기 위해, 열 교환기 튜브는 정기적으로 검사되어야 한다. 열 교환기 튜브는 서로 가까이 묶음으로 되어 있어서, 튜브의 외부 직경에서 검사하기 어려우며, 열 교환기 튜브를 검사하는 것은 상기 튜브의 내부 직경에서 이뤄진다. 열 교환기 내에 많은 열 교환기 튜브가 있고 이에 따른 검사 비용이 높기 때문에, 열 교환기 튜브는 적은 수의 튜브로부터의 샘플 검사 데이터를 기초로 유지 보수되는 것이 일반적이다. 이러한 기존의 유지 보수 구현예에 의해서는 열 변환기의 높은 신뢰도를 기대하지 못한다.

열 변환기 튜브를 검사하기 위한 솔루션을 찾기 위한 많은 시도가 있어왔다. 이러한 시도들 중 대다수는 유도파를 열 교환기 튜브 벽에 유도하여, 상기 튜브 벽의 결함으로부터 반사되는 유도된 유도파 신호를 검출하는 것에 기반을 두는 것이다. 이러한 솔루션 중 일부는 반산된 유도파 신호를 검출하기 위해, 튜브의 외부 직경 위의 고정된 탐사 위치로부터의 긴 배관 길이를 검사하는 수단을 제공한다. 열 교환기 튜브의 외부 직경에 접근하기 어렵기 때문에 이러한 접근법은 실행되기 어렵다. 그러나 이러한 방법은 열 교환기 튜브 무결성을 신속히 조사할 수 있는 잠재적인 솔루션과, 유도파가 유도될 수 있고, 상기 열 변화기 튜브의 내부 직경에서 검출이 이뤄질 수 있는 솔루션을 제공한다. 기존의 솔루션들의, 낮은 효율도, 형편없는 결함 검출력, 모드 제어에 있어서의 곤란함을 포함하는 다양한 단점들 때문에, 이러한 솔루션은 실전 열 교환기 튜브 검사에 있어서 넓게 받아들여 지지 못한다.

열 교환기 내의 모든 열 교환기 튜브를 신속하게 조사함에 따라, 그리고 적정 조사 및 유지 보수 동작을 결정하기 위한 적합한 데이터를 제공함에 따라 신뢰 도가 보강되고, 비용이 절약되는 처리 공업에 있어 비파괴 테스트 방법이 필요하다. 열 교환기 튜브의 직경 내부에서 적용될 수 있는 바람직한 기법에 의해, 튜브의 한쪽 끝에서부터 전체 길이를 신속하게 조사할 수 있으며, 탐사 위치 영역 내에서의 정화가 요청된다.

본 발명은 열 교환기 내의 모든 열 교환기 튜브를 신속하게 조사하고, 적정 조사와 관리 유지 동작을 판단하기 적합한 데이터를 제공함으로써 신뢰도를 높이고 비용은 감소시키는 비파괴 테스팅 방법을 제공한다. 상기 방법은, 각 튜브상의 프로브 위치 영역의 청결을 요구하면서, 하나의 튜브 단부의 내부 직경에서 시작하여 모든 튜브의 전체 길이를 조사하는 것이다.

공개된 발명은 기존 기술의 단점을 극복하는, 개선된 열 교환기 튜브 조사 방법 및 시스템을 제공한다. 본 발명은 자기 변형 트랜스미터(magnetostrictive transmitter)와 도파관을 포함하여, 비틀림 파동을 열 교환기 튜브로 전송하기 위해 열 교환기 튜브의 내부에 연결되어 있는 도파관에서 비틀림 파동을 생성할 수 있다. 상기 비틀림 파동은 상기 열 교환기 튜브 벽에 있는 결함 및 이상에 반사되어, 연결된 도파관으로 다시 돌아오고, 상기 자기 변형 센서에 의해 감지된다. 기존 기술의 세로 파동 방식 대신에 비틀림 파동 방식을 사용할 수 있게 하는 유도파 프로브를 사용한다. 결함을 검출하기 위해 세로 파동 방식이 갖는 많은 장점들을 비틀림 파동 방식도 갖고 있다. 비틀림 파동 방식의 사용이 갖는 장점으로는 크게 감소되는 파동 분포, 더 쉬어진 방식 제어, 감소된 다른 파동 모드로부터의 간섭, 액체 부산물의 존재에 대한 면역, 개선된 결함 검출력이 있다. 본 발명의 프로브는 도파관 튜브에서 비틀림 파동을 생성하고 검출하며, 도파관 튜브와 열 교환기 튜브 사이를 비틀림 파동으로 연결하기 위해, 상기 프로브는 열 교환기 튜브의 내부 직경에 가까이 접촉하고 있다. 상기 도파관 튜브는 도파관 튜브에서 유도파 신호의 반향을 최소화하기 위해 가습 물질을 사용한다. 열 교환기 튜브와 도파관 튜브 사이에 비틀림 파동을 연결하기 위해, 도파관 튜브의 운동하는 도파관 팁 단부에 가까이 위치하는 축 슬릿(axial slit)은 열 교환기 튜브의 내부 벽에 가까이 접촉하기 위해 뻗어나갈 수 있다. 적합한 관찰에 의해 활성화될 때, 프로브는 도파관 튜브로부터 열 교환기 튜드에 연결되는 비틀림 파동 신호를 생성한다. 열 교환기 튜브 벽의 결함에서 반산된 신호가 열 교환기 튜브의 조사 구멍 단부로 되돌아오면, 반사된 신호의 검출을 위해, 상기 반사된 결함 신호는 프로브 도파관 튜브에 연결된다.

용어 “센서(sensor)"는 도파관에 부착된 장치를 묘사하기 위해 사용되며, 도파관의 비틀림 파동을 송신하고 수신할 수 있다. 덧붙이자면, 또한 송신 센서가 수신 센서와 별개의 구별되는 장치일 수도 있다,

본 발명의 하나의 실시예는 반사된 비틀림 파동을 이용하여 열 교환기 튜브를 조사하는 방법으로서, 원통 도파관 프로브를 열 교환기 튜브의 열린 단부에 삽입하는 단계로서, 이때 상기 도파관 프로브의 연결 단부가 상기 열린 단부로부터 열 교환기 튜브 시트까지의 거리만큼 상기 열린 단부로부터 거리를 두고 위치하는 삽입 단계, 전자 전송 펄스를 상기 도파관 프로브상에 구축된 자기 변형 센서(magnetostrictive sensor)로 공급하는 단계, 상기 자기 변형 센서에 의해, 도파관 프로브에서 비틀림 파 펄스를 생성하고 전송하는 단계, 상기 열 교환기 튜브의 길이를 따르는 전파를 위해, 상기 도파관 프로브로부터 전송된 비틀림 파동을 상기 열 교환기 튜브의 내부 벽에 연결하는 단계, 결함 및 상기 열 교환기 튜브의 먼 쪽 단부에 반사된 비틀림 파동을 상기 도파관 프로브에 연결하는 단계, 자기 변형 센서(magnetostrictive sensor)가 상기 반사된 비틀림 파동 신호를 감지하는 단계, 그리고 상기 열 교환기 튜브 벽의 결함의 특성 및 위치를 판단하기 위해 감지된 신호를 전자적으로 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 방법이다. 상기 방법에 있어서, 상기 비틀림 파동 펄스를 생성하는 단계와 상기 반사된 비틀림 파동 신호를 감지하는 단계는, 일체된 자기 변형 트랜스미터/리시버를 포함하는 같은 자기 변형 센서에 의해 수행된다. 상기 방법에 있어서, 상기 비틀림 파동 펄스를 생성하는 단계와 상기 반사된 비틀림 파동 신호를 감지하는 단계는, 자기 변형 트랜스미터와, 별개의 자기 변형 리시버를 포함하는 별개의 자기 변형 센서에 의해 수행된다. 상기 방법에 있어서 상기 비틀림 파동을 생성하는 단계는, 원통 도파관 프로브상에 원통형으로 부착된 상기 자기 변형 센서의 강자성 스트립에 감긴 코일에 고정 주파수의 전기 전류 펄스를 공급하는 단계를 포함한다. 상기 방법에 있어서, 상기 강자성 스트립은 니켈 스트립과 좋은 자기 변형성을 지니는 물질의 스트립으로 이루어진 그룹 중에서 선택되어진다. 상기 방법에 있어서, 상기 강자성 스트립이 원주 방향으로 자기적으로 분극화되는 단계가 더 포함된다. 상기 방법에 있어서, 상기 도파관 튜브와 열 교환기 튜브 사이의 비틀림 파동이 연결되는 단계는, 연결 단부와 상기 열 교환기 튜브의 내부 직경 간의 견고한 접촉을 형성하기 위해, 신장성 장치를 이용하여 도파관 튜브 내부로부터 압력을 가하여 상기 도파관 튜브의 연결 단부를 확장시키는 단계를 포함한다. 상기 방법에 있어서, 전자 전송 펄스를 공급하는 단계는, 전송 펄스를 생성하도록 제어 프로세서의 출력에 의해 함수 생성기를 활성화하는 단계와, 전송 펄스를 증폭하기 위해 함수 생성기의 출력인 전송 펄스를 파워 증폭기 입력에 연결하는 단계와, 상기 파워 증폭기에서의 상기 증폭된 출력 펄스를 상기 자기 변형 센서에 공급하는 단계를 포함하며, 반사된 비틀림 파동을 전자적으로 처리하는 단계는, 상기 자기 변형 센서로부터의 신호를 전-증폭기에서 증폭하는 단계와, 상기 전-증폭기의 출력인 상기 증폭된 신호를 A/D 컨버터(analog-to-digital converter)의 입력에 연결하는 단계와, A/D 컨버터의 출력을 제어 프로세서의 입력에 연결하는 단계를 포함하며, 상기 방법은 A/D 컨버터 출력으로부터의 신호 특성을 이용하고, 상기 전자 전송 펄스 공급과 A/D 컨버터 출력으로부터의 신호 특성 감지 사이에서 존재하는 시간 차이를 이용하여, 제어 프로세서가 상기 열 교환기 튜브 벽의 결함의 위치 및 특징을 판단하는 단계를 더 포함한다.

반사된 비틀림 파동을 이용하여, 열 교환기 튜브를 검사하는 시스템에 있어서, 상기 시스템은 열 교환기 튜브의 열린 단부로 삽입되는 원통 도파관 프로브로서, 이때 상기 도파관 프로브의 연결 단부는 상기 열린 단부로부터 열 교환기 튜브 시트까지의 거리만큼 상기 열린 단부로부터 거리를 두고 위치하는 원통 도파관 프로브, 상기 도파관 프로브상에 구축된 자기 변형 센서에 전자 전송 펄스를 공급하는 수단, 상기 자기 변형 센서에 의해, 도파관 프로브에서 비틀림 파 펄스를 생성하고 전송하는 수단, 상기 열 교환기 튜브의 길이를 따르는 전파를 위해, 상기 도파관 프로브로부터 전송된 비틀림 파동을 상기 열 교환기 튜브의 내부 벽에 연결하는 수단, 상기 열 교환기 튜브의 먼 쪽 단부 및 결함에 반사된 비틀림 파동을 상기 도파관 프로브에 연결하는 수단, 자기 변형 센서(magnetostrictive sensor)가 상기 반사된 비틀림 파동 신호를 감지하는 수단, 그리고 상기 열 교환기 튜브 벽의 결함의 특성 및 위치를 판단하기 위해 감지된 신호를 전자적으로 처리하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 시스템이다. 상기 시스템에 있어서, 전자 전송 펄스를 공급하는 수단은, 출력 펄스를 생성하기 위해 함수 생성기를 활성화시키는 제어 프로세서, 전자 전송 펄스를 제공하기 위해 출력 펄스를 증폭하는 파워 증폭기를 포함하며, 이때, 상기 전자 전송 펄스는 상기 자기 변형 센서에 연결된다. 상기 시스템에 있어서, 비틀림 파동 펄스를 생성하는 수단과 상기 반사된 비틀림 파동 신호를 감지하는 수단은 일체된 자기 변형 트랜스미터/리시버를 포함하는 같은 자기 변형 센서에 의해 수행된다. 상기 시스템에 있어서, 상기 비틀림 파동 펄스를 생성하는 수단과 상기 반사된 비틀림 파동 신호를 감지하는 수단이 자기 변형 트랜스미터와 별개의 자기 변형 리시버를 포함하는 별개의 자기 변형 센서에 의해 수행된다. 상기 시스템에 있어서, 상기 비틀림 파동을 생성하는 수단은, 원통 도파관 프로브상에 원통형으로 부착된 상기 자기 변형 센서의 강자성 스트립에 감긴 코일에 고정 주파수의 전기 전류 펄스를 공급하는 수단을 포함한다. 상기 시스템에 있어서, 상기 강자성 스트립은 니켈 스트립과 좋은 자기 변형성을 지니는 물질의 스트립으로 이루어진 그룹 중에서 선택되어진다. 상기 시스템에 있어서, 상기 강자성 스트립이 원주 방향으로 자기적으로 분극화되는 수단이 더 포함된다. 상기 시스템에 있어서, 상기 도파관 튜브와 열 교환기 튜브 사이의 비틀림 파동을 연결하는 수단은, 연결 단부와 상기 열 교환기 튜브의 내부 직경 간의 견고한 접촉을 형성하기 위해, 신장성 장치를 이용하여 도파관 튜브 내부로부터 압력을 가하여 상기 도파관 튜브의 연결 단부를 확장시키는 수단을 포함한다. 상기 시스템에 있어서, 상기 도파관 튜브와 상기 열 교환기 튜브 사이에서 상기 비틀림 파동을 연결하는 수단은, 상기 도파관 프로브의 연결 단부 위의 확장 콜릿(expanding collet)을 발동시키기 위해 재배치되는 인장 막대 수단, 상기 열 교환기 튜브의 내부 벽과의 견고한 기계적 접촉을 형성하도록 도파관 프로브의 연결 단부로 확장하기 위해 발동되는 확장 콜릿(expanding collet), 생성되고 전송되어 자기 변형 센서에서 상기 도파관 프로브의 연결 단부로 전파될 비틀림 파동, 상기 도파관 프로브의 연결 단부에서 상기 열 교환기 튜브의 내부 벽까지 연결된 전파된 비틀림 파동을 포함한다. 상기 시스템에 있어서, 상기 반사된 비틀림 파동 신호를 연결하는 수단은 열 교환기 튜브의 내부 벽에서 상기 도파관 프로브의 연결 단부까지 연결되는 반사된 비틀림 파동 신호, 그리고 상기 도파관 프로브의 연결 단부에서 상기 자기 변형 센서까지 전파되는 반사된 비틀림 파동 신호를 포함한다. 상기 시스템에 있어서, 전자 전송 펄스를 공급하는 수단은 전송 펄스를 생성하기 위해, 제어 프로세서의 출력에 의해 활성화되는 함수 생성기, 전송 펄스를 증폭하기 위해, 상기 함수 생성기의 출력인, 파워 증폭기 입력에 연결되는 전송 펄스, 자기 변형 센서에 공급되는, 파워 증폭기의 출력으로부터의 증폭된 출력 펄스를 포함하며, 반사된 비틀림 파동을 전기적으로 처리하는 수단은 전-증폭기에서 증폭되는 상기 자기 변형 센서로부터의 신호, A/D 컨버터의 입력으로 연결되는 전-증폭기의 출력인 증폭된 신호, 제어 프로세서의 입력으로 연결되는 상기 A/D 컨버터의 출력을 포함하며, 상기 시스템은 상기 A/D 컨버터 출력으로부터의 신호 특성을 이용하고, 전자 전송 펄스를 공급하는 것과 A/D 컨버터 출력으로부터의 신호 특성을 감지하는 것 사이의 시간 차이를 이용하는 제어 프로세서에 의해 판단되어 지는 상기 열 교환기 튜브 벽의 결함의 위치와 특성을 더 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시예인, 반산된 비틀림 파동을 이용하여 열 교환기 튜브를 조사하는 방법에 있어서, 상기 방법은 비틀림 파동 펄스를 생성하고, 전송하고, 열 교환기 튜브의 길이를 따라 전파하기 위해, 상기 열 교환기 튜브의 내부 벽에 연결하는 단계, 상기 비틀림 파동을 연결하고, 상기 열 교환기 튜브의 먼 쪽 단부 및 결함에서 반사된 비틀림 파동을 감지하는 단계, 결함 위치와 특성을 판단하기 위해 전송되고 감지된 비틀림 파동을 전자적으로 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 조사하는 방법이다.

도 1은 본 발명을 구현하는 시스템의 기능 블록선도를 도식한 도면이다.

도 2는 전송된 비틀림 방식 유도파 신호와, 열 교환기 튜브 벽의 결함에 반사된 비틀림 방식 유도파 신호를 도식한 도면이다.

도 3은 여러 다른 직경의 튜브에서의 세로 방식 파동과 비틀림 방식 파동에 대한 곡선을 도식한 도면이다.

도 4는 비틀림 방식 유도파 프로브 실시예를 도식한 도면이다.

도 5는 비틀림 방식 유도파 프로브 실시예에서의 센서 구성을 확대 도식한 도면이다.

도 6은 비틀림 방식 유도파 프로브 실시예에서의 도파관 칩 구성을 확대 도식한 도면이다.

도 7은 비틀림 방식 유도파를 생성하고 검출하는 자기 변형 센서의 세부 요소를 도식한 도면이다.

도 1은 본 발명을 구현하기 위한 시스템(100)을 도식한 도면이다. 제어 프로세서(110)는 함수 생성기(130)가 파워 증폭기(150)에 의해 증폭되는 고정된 주파수의 전기 전류 펄스를 개시하도록 명령을 내린다. 증폭된 전기 전류 펄스(155)는 프로브(160) 위에 위치하는 자기 변형 센서(magnetostrictive sensor)(165)로 전송된다. 증폭된 전기 전류 펄스(155)에 의해, 상기 자기 변형 센서(165)는 비틀림 파동(torsional wave) 펄스를 생성하여, 열 교환기 튜브에 연결되어 있는 도파관 튜브(waveguide tube)로 전송한다. 상기 비틀림 파동이 상기 열 교환기 튜브의 벽의 결함과 만날 경우, 반사된 비틀림 파동 신호가 상기 열 교환기 튜브에 연결되어 있는 상기 도파관 튜브로 다시 되돌아온다. 자기 변형 센서(165)에서의 상기 반사된 신호는 전-증폭기(140)에 의해 증폭된 전기 전압 신호를 생성한다. 그 후, A/D 컨버터(120)를 이용하여, 증폭된 신호가 디지털 신호로 변환되고, 분석과 해석을 위 해, 제어 프로세서(110)로 전송된다.

도 2A와 2B를 참조하여, 도 2A는 전송된 비틀림 방식의 유도파 신호(230)와 열 교환기 튜브의 끝에서의 반사된 비틀림 방식의 유도파 신호(240)의 통상적인 형태(200)를 도식한다. 도 2에서 나타내는 바와 같이, 입사파(230)는 열 교환기 튜브로 전송되고, 입사 신호(230)의 전송과 자기 변형 센서(165)에 의해, 반사 결함 신호(240)의 수신 사이에서의 왕복 운동에 의해 결정되는 시간이 지난 후, 상기 신호(230, 240)는 자기 변형 센서(165)에 의해 측정된 진폭(210)과 거리(220)로 나타난다.

도 1에서 나타내는 바와 같이, 상기 자기 변형 센서(165)는 적합한 프로브 위에 위치한다. 또한 도 2B가 전송된 펄스(230)를 도식하고, 열 교환기 튜브의 반대 끝으로부터 돌아온 펄스를 도식한다. 상부 기록(270)에서, 흠(20)과 부식(260)으로부터의 반사가 지시된다. 하부 기록(280)에서, 부식(260)과 흠(250)을 나타내면서, 상기 열 교환기 튜브는 반대 쪽 끝에서부터 테스팅된다.

도 3을 참조하여, 도 3은 서로 다른 직경의 튜브에서의 세로형 파동 및 비틀림형 파동에 대한 분산 곡선(300)을 도식한다. 도 3은 결함 검출에 있어서, 세로 파동을 사용하면서 걸쳐서 비틀림 파동을 사용하는 것에 대한 이점을 도식한다. 도 3은 다양한 세로파동과 비틀림 파동의 군속도(310)가 여러 다른 크기의 튜브를 위해 주파수(320)를 변경시킨다. 1/2inch 외부 직경(350)의 튜브, 3/4inch 외부 직경(340), 1inch 외부 직경(330)에 대한, 세로 파동 방식 L(0,1)의 속도는 나타나고 있는 주파수 범위에 걸쳐, 약 0과 5km/s 이상 사이에서 변화한다. 1/2inch 외부 직 경(380), 3/4inch 외부 직경(370), 1inch 외부 직경(360)에 대해, 세로 파동 방식 L(0,2)은 역시 나타낸 주파수 범위에 걸쳐, 0과 5km/s 사이에서 변화한다. 세로 파동 속도의 폭 넓은 변화에 비교하여, 세 가지 튜브 크기(390)에 대하여, 비틀림 파동 방식 T(0,1)는 주파수(320)에 독립적인 군속도(310)에서 아무런 변동이 없음을 나타낸다.

도 4A와 4B를 참조하여, 도 4A는 많은 열 교환기 튜브(410) 중 하나로 삽입되고 튜브 시트(420)로 고정되는 비틀림 방식 유도파 프로브(400)의 실시예를 도식한다. 상기 프로브(400)는 U.S. Patent No. 5892162(1999, 4, 6)에서 공개된 프로브와 유사하며, 이는 본원에서 참조로 인용된다. 상기 특허는 내부 직경에서 튜브와 파이프를 검사하기 위한 유도파 프로브에 관한 것이며, 열 교환기 튜브의 외부 영역으로부터 프로브의 도파관에서 생성된 세로 유도파에 의존한다. 상기 특허와는 대조적으로, 본 발명은 결함 검출에 있어서 새로 파 신호 보다는 비틀림 파동 신호를 사용하는 것이다. 이는 왜냐하면, 상기 비틀림 파 신호가 상기 세로 파 신호보다 분산성이 훨씬 더 약하기 때문이며, 상기 비틀림 파 신호는 튜브 크기와 파 주파수에 독립적인 속도를 갖기 때문이다. 상기 비틀림 방식 신호의 경우에, 제어하기 더 용이하며, 상기 세로 방식 신호보다 더 나은 결함 검출력을 지니고 있다. 상기 특허에서 이용되는 센서는 본 발명에서 사용될 센서와 다르다. 본 발명에서, 센서(450)에서 생성되는 파동은 프로브의 도파관(460)을 따라 전파되고, 확장 콜릿(470)에 의해, 상기 프로브 도파관의 운동 팁 영역에서 튜브(410)의 내부 벽에 기계적으로 연결된다. 프로브 도파관(460)의 연결된 영역은 콜릿(470) 부근의 도파 관의 길이를 따라, 분할되어, 도파관(460)과 튜브(410) 사이의 신호를 연결하기 위하여, 콜릿(470)에 의해 분할된 단부가 튜브 내부 벽에 거의 가깝게까지 뻗어갈 수 있다. 본 발명은 확장 콜릿(470)에 순환적으로 연결되어 있는 콜릿 인장 막대(435)의 나선 단부 아래에서 콜릿 너트(430)가 조여질 때, 프로브(400)의 운동 팁 영역으로 뻗어나기 위하여 콜릿(470)을 이용하는 것에 관한 것이다. 상기 프로브(400)는 또한 도파관(460) 위에 위치하는 가습 물질(440)을 포함하여, 도파관(460)내에서 유도파 신호의 반향을 최소화할 수 있다.

도 4A에 따르면, 본 발명은 비틀림 방신 신호를 전송하고 검출하기 위해 센서(450)를 사용하며, 상기 센서는 자기 변형 센서(magnetostrictive sensor)이고, 이는 U.S. 특허 No. 5581037(1996, 12, 3)에서 공개된 자기 변형 센서와 유사하고, 이는 본원에서 참조로 인용된다. 상기 특허는 내부 직경에서 튜브를 검사하기 위한 자기 변형 센서에 관한 것이며, 철 튜브에 적용 가능하고, 상기 튜브 벽에서 직접 생성된 세로 파동을 사용한다. 본 발명의 자기 변형 센서(450)는 얇은 강자성(ferromagnetic)의 스트립을 이용하여, 프로브의 도파관(460)에서 비틀림 방식 신호를 생성하고 검출하며, U.S. 특허 No. 6396262(2002, 5, 28)에서 공개된 자기 변형 센서와 유사하며, 이는 본원에서 참조로 인용된다.

도 4A에서 나타내는 바와 같이, 열 교환기 튜브(410)에 대한 검사를 진행하기 위해, 상기 프로브(400)는 상기 열 교환기 튜브(410)의 열린 단부로 삽입되어, 프로브(400)의 연결 영역(470)은 튜브 시트(420)에서 존재할 수 있다. 그 후, 콜릿 너트(430)를 조이고, 인장 막대 수단(432)을 재배치함으로써, 상기 프로브(400)는 상기 열 교환기 튜브(410)의 내부 표면에 연결된다. 그 후, 상기 자기 변형 센서(450)가 활성화되고, 프로브(400)의 트립(470)으로부터의 비틀림 파동은 상기 열 교환기 튜브(410)로 연결된다. 튜브 결함에 반사된 신호는 상기 센서(4450)로 돌아오고, 도 1에서 도식된 연계된 기구에 의해 획득되어진다. 센서 신호를 연계된 기구로 연결하기 위해, 프로브(400)의 배럴(442) 위에서 전기 연결(442)이 나타난다.

도 4B는 본 발명의 또 다른 실시예(490)를 도식한다. 열 교환기 튜브(410)의 검사를 수행하기 위해, 상기 프로브(490)가 상기 열 교환기 튜브(410)로 삽입되어, 프로브(400)의 연결 영역(474)이 튜브 시트(420)에서 위치하게 된다. 그 후, 핸들(434)을 잡아 당겨, 상기 핸들(434)이 피봇 포인트(435)에 대해 회전하고, 상기 핸들에 연결된 연결 막대(437)에 연결된 인장 막대 수단(438)을 재배치함으로써, 상기 프로브(400)는 상기 열 교환기 튜브(410) 내부 표면에 연결된다. 인장 막대 수단(438)의 재배치 동작에 의해, 프로브(474)의 연결 영역이 열 교환기 튜브(410)의 내부 벽에 대해 조여진다. 그 후, 상기 자기 변형 센서(450)가 활성화되고, 프로브(400)의 트립(474)으로부터의 비틀림 파동이 열 교환기 튜브(410)로 연결된다. 튜브 결함에서 반사된 신호가 센서(450)로 되돌아오고, 도 1에서 도식된 연계된 기구에 의해 획득되어 진다. 센서 신호를 연계된 기구에 연결하기 위해, 프로브(400)의 배럴(440) 위에서 전기 연결(442)이 나타난다.

도 5를 참조하여, 도 5는 비틀림 방식 유도파 프로브(400) 실시예의 센서의 구성(500)을 도식한 확대도이다. 도 5는 도 4에서 도식된 프로브(400)의 일부분을 도식한다. 상기 프로브(400)는 튜브 시트(420)에 의해 고정된 열 교환기 튜브(410) 중 하나에서 위치한다. 센서(450)는 센서 코일(452)과 가령, 니켈 또는 적합한 자기 변형 특성을 갖는 다른 물질 같은 원통 형태의 강자성 스트립(454)을 포함하며, 본 발명에 따르는 비틀림 파 신호를 생성하고 검출하는데 필수적인 자기 변형 특성을 제공하기 위해, 이는 도파관 튜브(460)의 외부 벽에 부착된다. 센서 코일(452)이 생성하는 시변 자기 필드(time-varying magnetic field)는 자기 변형 효과(magnetostrictive effect)를 통해, 원통 형태의 강자성 스트립(454)에서 비틀림 파를 생성한다. 또한, 역 자기 변형 효과(inverse magnetostrictive effect)를 통해, 상기 원통 형태의 강자성 스트립(454)과 센서 코일(452)도 튜브 결함에서 반사된 파동을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 또한 도파관 튜브(460)상에 위치하는 가습 물질(440)이 존재함으로써, 상기 도파관 튜브(460)에서 유도파 신호의 반향을 최소화할 수 있다.

비틀림 방식 신호의 생성 및 검출을 위해, 원주 방향의 DC 바이어스 자기장이 필요하다. 스트립(454)을 도파관 튜브(460)에 원주 형태로 부착하거나 두르기 전에, 길이를 따라 강자성 스트립(445)을 마저 자기화하는 것을 유발함으로써, 원주 방향으로의 바이어스 자기화가 성취될 수 있다. 강자성 스트립(4454)에서 원주 바이어스 자기장을 형성하기 위한 또 다른 방법은, 스트립을 도파관 튜브에 부착한 후에, DC 전기를 유도파 프로브 튜브(460)의 세로 축을 따라 통과시키는 것이다. 전기 전류는 도파관 튜브(460)의 세로 축 방향으로 흐른다.

도 6A와 6B를 참조하여, 도 6A는 비틀림 방식 유도파 프로브(400) 실시예의 도파관 운동하는 팁 구성(600)에 관한 확대도이다. 도파관 튜브(460)의 팁은, 도파 관 튜브(460)의 운동 팁 근처 영역에서, 튜브 원주 주위에 위치하는 축의 슬릿을 내포하고 있다. 도파관 튜브(460)에서 생성되는 비틀림 파동은, 콜릿 인장 막대 수단(435)을 이용하여, 열 교환기 튜브(410)에 기계적으로 연결된다. 도 6A는 도파관 튜브 팁(460)을 열 교환기 튜브(410)의 내부에 기계적으로 연결하면서, 인장 막대(435)를 재배치하기 위해, 사용자가 인장 막대 너트(430)를 조일 때, 인장 막대(435)에 의해 노우즈 피스(472)가 콜릿(470)으로 압력을 가할 때, 콜릿(470)이 어떻게 뻗어가는 지를 도식한다.

이와 유사하게, 도 6B는 비틀림 유도파 프로브의 도파관 운동 팁 구성(650)에 대한 확대도이다. 상기 도파관 튜브(460)의 팁은 튜브 원주 주위의 도파관 튜브(460)의 운동 팁에 가까운 영역에 위치하는 축 슬릿을 내포한다. 도파관 튜브(460)에서 생성되는 비틀림 파동은, 인장 막대 수단(474)을 이용하여, 열 교환기 튜브(410)에 기계적으로 연결된다. 도 6B는 열 교환기 튜브(410)의 내부에 도파관 튜브 팁(460)을 기계적으로 연결하면서, 사용자가 인장 막대(474)를 재배치할 때, 노우즈 피스(476)가 상기 도파관 튜브(460)의 팁에 압력을 가하면, 인장 막대 노우즈 피스(476)에 의해, 어떻게 도파관 튜브(460)의 팁이 뻗어 가는지를 도식한다.

도 7을 참조하여, 도 7은 비틀림 방식 유도파 신호를 생성하고 검출하기 위해, 자기 변형 센서의 세부 사항을 도식한다. 도 7A와 7B는 자기 변형 센서(도 4 및 5에서 참조 번호(450))의 더 세부적인 사항을 도시한다. 도 7A와 7B는 도파관 튜브(760)에 부착되어 있는 원통 형태의 강자성 스트립(754)을 도식한다. 센서 코일(752)은 바이어스 잔류 자기화 성질을 갖는 원통 형태의 강자성 스트립(754)에 감겨 있다. 상기 강자성 스트립(754)은 넓이가 1inch인 것이 통상이고, 도파관 튜브(760) 주위를 감싼다. 강자성 스트립(754)의 넓이는 유도파의 주파수에 따라 조절될 수 있는데, 높은 주파수에서는 좁은 넓이, 낮은 주파수에서는 넓은 넓이를 갖는다. 상기 강자성 스트립(754)은 훌륭한 자기 변형 속성을 갖는 임의의 물질로 구성될 수 있다. 예를 들자면, 니켈, 방향성 실리콘 강철, 또는 잔류 자성을 유지할 수 있고 높은 자기 변형 계수를 지니는 다른 자기 변형 물질들이 있다. 강자성 스트립(754)에 적합한 여기 자기장(energizing magnetic field)을 적용하고, 원통 형태의 강자성 스트립(754)이 도파관 튜브 주위를 감쌀 때, 형성된 자기장의 방향이 원형이도록 상기 여기 자기장을 제거함으로써, 강자성 스트립(754)에서 잔류 자기장이 형성된다. 원통 형태의 강자성 스트립(754)을 도파관 튜브(760)에 부착한 후, 자기 변형 센서 코일(752)은 원통 형태의 강자성 스트립(754) 주위에 위치한다. 비틀림 방식 파동을 생성하기 위해, DC 바이어스 자기장이 도파관 튜브(760) 주위에서 원주 방향으로 존재해야만 한다. 그와 대조적으로, 세로 방식 파동을 생성하기 위해서는. 상기 DC 바이어스 자기장은 도파관 튜브(760)의 세로 방향에서 형성되어야 한다.

원통 형태의 강자성 스트립(754)에서 원주 바이어스 자기장을 형성하기 위한 또 다른 방법이 도 7C에서 도식된다. 도 7에서 나타내는 바와 같이, DC 전류가 전기 전도성 도파관 튜브(760) 주위의 전도성 링(782, 784) 사이를 통과함으로써 발생된다. 상기 전류는 원형 자기장이 원통 강자성 스트립(754)에서 형성되도록 할 수 있다. 도파관 튜브(760)가 전기 전도성이 아닐 경우, 높은 게이지 구리 와이어 가 도파관 튜브를 통해 삽입되고, 같은 결과를 얻기 위해, 구리 와이어에 DC 전류가 공급된다.

Claims

반사된 비틀림 파동(torsional wave)을 이용하여 열 교환기 튜브를 검사하는 방법에 있어서, 상기 방법은

원통 도파관 프로브를 열 교환기 튜브의 열린 단부에 삽입하는 단계로서, 이때 상기 도파관 프로브의 연결 단부가 상기 열린 단부로부터 열 교환기 튜브 시트까지의 거리만큼 상기 열린 단부로부터 거리를 두고 위치하는 삽입 단계,

전자 전송 펄스를 상기 도파관 프로브상에 구축된 자기 변형 센서(magnetostrictive sensor)로 공급하는 단계,

상기 자기 변형 센서에 의해, 도파관 프로브에서 비틀림 파 펄스를 생성하고 전송하는 단계,

상기 열 교환기 튜브의 길이를 따라 전파시키기 위해, 상기 도파관 프로브로부터 전송된 비틀림 파동을 상기 열 교환기 튜브의 내부 벽에 연결하는 단계,

상기 열 교환기 튜브의 먼 쪽 단부 및 결함으로부터 반사된 비틀림 파동을 상기 도파관 프로브에 연결하는 단계,

자기 변형 센서(magnetostrictive sensor)가 상기 반사된 비틀림 파동 신호를 감지하는 단계, 그리고

상기 열 교환기 튜브 벽의 결함의 특성 및 위치를 판단하기 위해 감지된 신호를 전자적으로 처리하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 비틀림 파동 펄스를 생성하는 단계와 상기 반사된 비틀림 파동 신호를 감지하는 단계는, 일체된 자기 변형 트랜스미터/리시버를 포함하는 같은 자기 변형 센서에 의해 수행됨을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 비틀림 파동 펄스를 생성하는 단계와 상기 반사된 비틀림 파동 신호를 감지하는 단계는, 자기 변형 트랜스미터와, 별개의 자기 변형 리시버를 포함하는 별개의 자기 변형 센서에 의해 수행됨을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 비틀림 파동을 생성하는 단계는, 원통 도파관 프로브상에 원통형으로 부착된 상기 자기 변형 센서의 강자성 스트립에 감긴 코일에 고정 주파수의 전기 전류 펄스를 공급하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 강자성 스트립은 니켈 스트립과 좋은 자기 변형성을 지니는 물질의 스트립으로 이루어진 그룹 중에서 선택되어짐을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 강자성 스트립이 원주 방향으로 자기적으로 분극화되는 단계가 더 포함됨을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 도파관 튜브와 열 교환기 튜브 사이의 비틀림 파동이 연결되는 단계는, 연결 단부와 상기 열 교환기 튜브의 내부 직경 간의 견고한 접촉을 형성하기 위해, 신장성 장치를 이용하여 도파관 튜브 내부로부터 압력을 가하여 상기 도파관 튜브의 연결 단부를 확장시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 방법.
제 1 항에 있어서,

전자 전송 펄스를 공급하는 단계는

전송 펄스를 생성하도록 제어 프로세서의 출력에 의해 함수 생성기를 활성화하는 단계,

전송 펄스를 증폭하기 위해 함수 생성기의 출력인 전송 펄스를 파워 증폭기 입력에 연결하는 단계, 그리고

상기 파워 증폭기에서의 상기 증폭된 출력 펄스를 상기 자기 변형 센서에 공급하는 단계

를 포함하며, 반사된 비틀림 파동을 전자적으로 처리하는 단계는

상기 자기 변형 센서로부터의 신호를 전-증폭기에서 증폭하는 단계,

상기 전-증폭기의 출력인 상기 증폭된 신호를 A/D 컨버터(analog-to-digital converter)의 입력에 연결하는 단계, 그리고

A/D 컨버터의 출력을 제어 프로세서의 입력에 연결하는 단계

를 포함하며, 상기 방법은

A/D 컨버터 출력으로부터의 신호 특성을 이용하고, 상기 전자 전송 펄스 공급과 A/D 컨버터 출력으로부터의 신호 특성 감지 사이에서 존재하는 시간 차이를 이용하여, 제어 프로세서가 상기 열 교환기 튜브 벽의 결함의 위치 및 특징을 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 방법.
반사된 비틀림 파동을 이용하여, 열 교환기 튜브를 검사하는 시스템에 있어서, 상기 시스템은

열 교환기 튜브의 열린 단부로 삽입되는 원통 도파관 프로브로서, 이때 상기 도파관 프로브의 연결 단부는 상기 열린 단부로부터 열 교환기 튜브 시트까지의 거리만큼 상기 열린 단부로부터 거리를 두고 위치하는 원통 도파관 프로브,

상기 도파관 프로브상에 구축된 자기 변형 센서에 전자 전송 펄스를 공급하는 수단,

상기 자기 변형 센서에 의해, 도파관 프로브에서 비틀림 파 펄스를 생성하고 전송하는 수단,

상기 열 교환기 튜브의 길이를 따르는 전파를 위해, 상기 도파관 프로브로부터 전송된 비틀림 파동을 상기 열 교환기 튜브의 내부 벽에 연결하는 수단,

상기 열 교환기 튜브의 먼 쪽 단부 및 결함에 반사된 비틀림 파동을 상기 도 파관 프로브에 연결하는 수단,

자기 변형 센서(magnetostrictive sensor)가 상기 반사된 비틀림 파동 신호를 감지하는 수단, 그리고

상기 열 교환기 튜브 벽의 결함의 특성 및 위치를 판단하기 위해 감지된 신호를 전자적으로 처리하는 수단

을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 시스템.
제 9 항에 있어서, 전자 전송 펄스를 공급하는 수단은

출력 펄스를 생성하기 위해 함수 생성기를 활성화시키는 제어 프로세서,

전자 전송 펄스를 제공하기 위해 출력 펄스를 증폭하는 파워 증폭기

를 포함하며, 이때, 상기 전자 전송 펄스는 상기 자기 변형 센서에 연결됨을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 시스템.
제 9 항에 있어서, 비틀림 파동 펄스를 생성하는 수단과 상기 반사된 비틀림 파동 신호를 감지하는 수단은 일체된 자기 변형 트랜스미터/리시버를 포함하는 같은 자기 변형 센서에 의해 수행됨을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 시스템.
제 9 항에 있어서, 상기 비틀림 파동 펄스를 생성하는 수단과 상기 반사된 비틀림 파동 신호를 감지하는 수단이 자기 변형 트랜스미터와 별개의 자기 변형 리 시버를 포함하는 별개의 자기 변형 센서에 의해 수행됨을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 시스템.
제 9 항에 있어서, 상기 비틀림 파동을 생성하는 수단은, 원통 도파관 프로브상에 원통형으로 부착된 상기 자기 변형 센서의 강자성 스트립에 감긴 코일에 고정 주파수의 전기 전류 펄스를 공급하는 수단을 포함함을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 시스템.
제 13 항에 있어서, 상기 강자성 스트립은 니켈 스트립과 좋은 자기 변형성을 지니는 물질의 스트립으로 이루어진 그룹 중에서 선택되어짐을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 시스템.
제 13 항에 있어서, 상기 강자성 스트립이 원주 방향으로 자기적으로 분극화되는 수단이 더 포함됨을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 시스템.
제 9 항에 있어서, 상기 도파관 튜브와 열 교환기 튜브 사이의 비틀림 파동을 연결하는 수단은, 연결 단부와 상기 열 교환기 튜브의 내부 직경 간의 견고한 접촉을 형성하기 위해, 신장성 장치를 이용하여 도파관 튜브 내부로부터 압력을 가하여 상기 도파관 튜브의 연결 단부를 확장시키는 수단을 포함함을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 시스템.
제 9 항에 있어서, 상기 도파관 튜브와 상기 열 교환기 튜브 사이에서 상기 비틀림 파동을 연결하는 수단은

상기 도파관 프로브의 연결 단부 위의 확장 콜릿(expanding collet)을 발동시키기 위해 재배치되는 인장 막대 수단,

상기 열 교환기 튜브의 내부 벽과의 견고한 기계적 접촉을 형성하도록 도파관 프로브의 연결 단부로 확장하기 위해 발동되는 확장 콜릿(expanding collet),

생성되고 전송되어 자기 변형 센서에서 상기 도파관 프로브의 연결 단부로 전파될 비틀림 파동, 그리고

상기 도파관 프로브의 연결 단부에서 상기 열 교환기 튜브의 내부 벽까지 연결된 전파된 비틀림 파동

을 포함함을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 시스템.
제 17 항에 있어서, 상기 반사된 비틀림 파동 신호를 연결하는 수단은

열 교환기 튜브의 내부 벽에서 상기 도파관 프로브의 연결 단부까지 연결되는 반사된 비틀림 파동 신호, 그리고

상기 도파관 프로브의 연결 단부에서 상기 자기 변형 센서까지 전파되는 반사된 비틀림 파동 신호

를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 시스템.
제 9 항에 있어서, 전자 전송 펄스를 공급하는 수단은

전송 펄스를 생성하기 위해, 제어 프로세서의 출력에 의해 활성화되는 함수 생성기,

전송 펄스를 증폭하기 위해, 상기 함수 생성기의 출력인, 파워 증폭기 입력에 연결되는 전송 펄스,

자기 변형 센서에 공급되는, 파워 증폭기의 출력으로부터의 증폭된 출력 펄스

를 포함하며, 반사된 비틀림 파동을 전기적으로 처리하는 수단은

전-증폭기에서 증폭되는 상기 자기 변형 센서로부터의 신호,

A/D 컨버터의 입력으로 연결되는 전-증폭기의 출력인 증폭된 신호,

제어 프로세서의 입력으로 연결되는 상기 A/D 컨버터의 출력

을 포함하며, 상기 시스템은

상기 A/D 컨버터 출력으로부터의 신호 특성을 이용하고, 전자 전송 펄스를 공급하는 것과 A/D 컨버터 출력으로부터의 신호 특성을 감지하는 것 사이의 시간 차이를 이용하는 제어 프로세서에 의해 판단되어 지는 상기 열 교환기 튜브 벽의 결함의 위치와 특성

을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 검사하는 시스템.
반산된 비틀림 파동을 이용하여 열 교환기 튜브를 조사하는 방법에 있어서, 상기 방법은

비틀림 파동 펄스를 생성하고, 전송하고, 열 교환기 튜브의 길이를 따라 전파하기 위해, 상기 열 교환기 튜브의 내부 벽에 연결하는 단계,

상기 비틀림 파동을 연결하고, 상기 열 교환기 튜브의 먼 쪽 단부 및 결함에서 반사된 비틀림 파동을 감지하는 단계,

결함 위치와 특성을 판단하기 위해 전송되고 감지된 비틀림 파동을 전자적으로 처리하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환기 튜브를 조사하는 방법.