KR20080038727A - 이동식 밸브 내부누설 진단장치 - Google Patents

이동식 밸브 내부누설 진단장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차압이 작용하는 밸브 내부 압력경계부에서 누설되는 유체의 와류(eddy current) 현상으로 인하여 여기(exciting)되는 저주파 초음파대역(수십㎑~수㎒)의 탄성 에너지파인 음향방출(acoustic emission) 신호를 측정 및 분석하는 이동식 밸브 내부누설 진단장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진단하고자 하는 밸브에 음향센서, 클램프, 도파봉 및 전치 증폭기 등을 고정설치하지 않고 보온재 내부에 이들 구성품을 고정 설치함으로써 필요한 별도의 냉각장치 등 진단에 필요한 다수의 부속장치가 필요하지 않으면서 많은 종류의 밸브에 접근 및 누설진단이 가능하며 밸브의 내부누설 여부, 유체별 누설량, 누설위치 및 음향레벨 추이 등의 상태를 음향센서에서 측정한 탄성 에너지파를 정량적으로 분석하여 평가함으로써 실제 밸브 내부누설 상태를 신속히 파악할 수 있는 이동식 밸브 내부누설 진단장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명의 이동식 밸브 내부누설 진단장치의 구성을, 밸브 몸체 중 유체 입력측과 출력측에 각각 구비되어 음향신호를 감지하는 음향센서; 상기 음향센서에서 각각 발신된 음향신호를 1차 증폭하는 전치 증폭기; 상기 전치 증폭기에서 각각 증폭된 음향신호를 검출, 증폭하고 필터링한 후 재차 증폭한 신호를 출력하는 신호 처리부; 및 상기 신호처리부에서 증폭한 음향신호를 입력으로 받아 진단프로그램에 의해 신호분석을 수행하는 신호분석 처리부; 를 포함하여 이루어지도록 한다.
Figure P1020060106015
이동식 밸브 내부누설 진단장치, 음향센서, RMS(평균전압), RF신호, 마그네틱 홀드, 도파봉, 로칼 프로세서

Description

이동식 밸브 내부누설 진단장치{PORTABLE VALVE INTERNAL LEAK DETECTOR}
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동식 밸브 내부누설 진단장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 상기 이동식 밸브 내부누설 진단장치를 나타낸 회로도이다.
도 3은 상기 이동식 밸브 내부누설 진단장치의 음향센서를 밸브에 직접부착하기 위한 마그네틱 홀드(magnetic holder)를 나타낸 도면이다.
도 4는 상기 이동식 밸브 내부누설 진단장치의 음향센서를 간접부착하기 위한 도파봉(waveguide)을 나타낸 도면이다.
도 5는 상기 이동식 밸브 내부누설 진단장치의 음향센서를 마그네틱 홀더에 부착하여 밸브에 직접 고정된 상태를 도시한 정면도이다.
도 6은 상기 이동식 밸브 내부누설 진단장치의 음향센서를 마그네틱 홀더에 부착하고 도파봉에 의해 밸브에 간접 고정된 상태를 도시한 정면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1: 밸브 2, 3: 유체 입, 출력측
4, 5: 음향센서 6, 7: 전치 증폭기
8, 9: 신호 검출부 10, 11: RF 증폭기
12, 13: 대역 필터부 14, 15: 이득 증폭기
16, 17: 신호 출력부 18, 19: 신호 처리부
20: 신호분석 처리부 30: 마그네틱 홀더
40: 도파봉
본 발명은 차압이 작용하는 밸브 내부 압력경계부에서 누설되는 유체의 와류(eddy current) 현상으로 인하여 여기(exciting)되는 저주파 초음파대역(수십㎑~수㎒)의 탄성 에너지파인 음향방출(acoustic emission) 신호를 측정 및 분석하는 이동식 밸브 내부누설 진단장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진단하고자 하는 밸브에 음향센서, 클램프, 도파봉 및 전치 증폭기 등을 고정설치하지 않고 보온재 내부에 이들 구성품을 고정 설치함으로써 필요한 별도의 냉각장치 등 진단에 필요한 다수의 부속장치가 필요하지 않으면서 많은 종류의 밸브에 접근 및 누설진단이 가능하며 밸브의 내부누설 여부, 유체별 누설량, 누설위치 및 음향레벨 추이 등의 상태를 음향센서에서 측정한 탄성 에너지파를 정량적으로 분석하여 평가함으로써 실제 밸브 내부누설 상태를 신속히 파악할 수 있는 이동식 밸브 내부누설 진단장치에 관한 것이다.
일반적으로 발전소 및 화학플랜트 등 산업설비에는 수많은 밸브가 사용되고 있으며 그 중 설비의 안전운전에 큰 영향을 주는 밸브는 동작 건전성 검사 및 밸브 내부 누설검사가 수행되고 있다.
상기 밸브 내부누설은 시일(seal)부인 밸브 몸체와 밸브 시트(seat) 면에 이물질 삽입, 빈번한 밸브 개폐에 따른 밸브 내부부품의 손상, 밸브 몸체와 밸브 시트의 균열, 밸브 스템(stem)의 패킹(packing) 또는 용접부위 결함 및 피로균열 등에 의해 발생되며 상기 밸브 내부누설이 발생하면 누설유량 증가, 밸브 입구쪽 압력저하, 냉각기능 상실, 유독물질 및 방사성 물질의 방출 등 산업설비 운전에 막대한 손상과 사고를 초래하게 된다.
이러한 밸브 내부누설을 진단하기 위하여 현재까지 사용되는 수단은 유량 레벨감소, 압력계를 이용한 압력차, 온도 및 습도 측정법 등이 있으나 진단절차가 복잡하며 간접적인 측정으로 인해 측정 정밀도면에서 신뢰하기 어렵고 개선이 필요한 실정이다.
따라서, 이러한 단점을 보완하기 위하여 음향방출 비파괴검사법을 이용한 밸브 누설진단기술이 산업설비에 부분적으로 적용 중에 있다.
그러나 기존의 진단장치들은 20㎑ 이하의 저주파대역인 소음레벨의 주파수만을 검출함으로써 많은 유체가 누설이 되어야만 진단이 가능하며, 음향신호의 다른 변수를 해석하기 위해서는 고가의 음향방출 진단장치 또는 디지털 오실로스코프 등 별도의 장비와의 연결이 필요하였다.
또한, 중요한 밸브를 대상으로 고정 설치 및 운전되는 고정식 밸브누설 진단장치는 밸브 보온재를 해체하여 밸브 몸체에 센서 및 도파봉 등의 주요 구성품을 고정 설치해야하므로 진단하고자 하는 대상밸브는 제한적이며, 설치를 위해서는 설비의 운전정지시에만 가능하였다.
또한, 설치되는 음향센서의 장기 사용으로 인한 건전성 확인이 어려워 진단장치의 유지보수 및 음향신호의 신뢰성에 문제가 있다.
또한, 실제 산업설비에는 많은 종류와 수량의 밸브들로 구성되어 있어 전체 밸브에 대한 에너지절감 차원에서의 누설량 관리 및 안전사고 예방을 위하여, 가능한 많은 밸브를 진단할 수 있어야 하므로, 진단이 간편하고 신속해야 하며 미소한 양의 누설까지도 진단이 가능해야 한다.
따라서, 별도의 설치 작업이 필요 없이 많은 종류의 밸브를 신속하고 정확히 진단할 수 있는 밸브 내부누설 진단용 전용장치의 필요가 시급하다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 밸브에 접근성을 향상시키기 위해 이동식으로 구성함으로써, 진단하고자 하는 밸브의 유체 종류별, 밸브 입출구 차압별, 밸브 종류별 및 밸브 크기별로 구축된 데이터베이스(data base)를 이용하여, 내부누설 여부, 누설량 및 누설위치 등을 측정한 후 즉시 그 상태를 파악할 수 있도록 하여 예방진단 차원에서의 적시성(適時性)이 요구되는 밸브 내부누설로 인한 에너지손실 및 안전사고 예방을 위한 전용 진단장치 개발에 목적을 둔 이동식 밸브 내부누설 진단장치를 제공함에 있다.
본 발명은 밸브 내부의 유체누설 검사를 위한 이동식 진단장치에 관한 것으로서, 밸브 내부에서 발생하는 유체누설 상태 즉, 누설 여부, 누설량 및 누설위치 등을 밸브 외부에서 음향센서를 이용한 탄성 에너지파 신호를 측정함으로써 진단하 기 위한 장치에 있어서, 유체누설을 감지하는 광대역형 음향센서(AE sensor)와, 음향센서에서 수신된 수 ㎶수준의 미약한 신호를 수 ㎷수준으로 증폭하는 전치 증폭기(pre-amplifier)와, 고온용 케이블과, 도파봉(waveguide) 및 마그네틱 홀드(magnetic holder)와, 입력신호에 대해 원하는 신호를 여파(filtering)하고 신호처리에 적합한 전압크기의 신호로 증폭하는 필터 및 주 증폭기 모듈(filter & main amplifier module)과, 증폭된 신호를 다시 RF신호와 평균전압(RMS) 신호로 출력하는 RF 및 평균전압(RMS) 신호 출력부와, RF 및 평균전압(RMS) 신호 출력부로부터 아날로그신호를 받아서 디지털 데이터로 변환한 후 신호분석이 행해지는 로컬 프로세서(local processor)에 신호 데이터를 전송해주는 아날로그/디지털 컨버터 모듈(analog to digital converter module)과 음향신호를 입력으로 받아 진단프로그램 및 내장된 데이터베이스에 의해 신호분석 및 디스플레이 장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 이동식 밸브 내부누설 진단장치는 도 1에 도시된 바와 같이 음향센서(4, 5); 전치 증폭기(6, 7); 신호 처리부(18, 19) 및 신호분석 처리부(20)로 크게 구성된다.
상기 음향센서(4, 5)는 밸브(1) 몸체 중 유체 입력측(2)과 유체 출력측(3)의 상측인 밸브 본넷(bonnet: 1a)의 유체 입구측(2) 및 출력측(3) 방향에 접촉하여 입 구 및 출구 방향의 음향신호를 수신하는 기능을 한다.
여기서, 상기 밸브 본넷(22) 재료인 금속과 상기 음향센서(4, 5) 간의 밀도차이에 의한 음파의 전파에 저항요소로 작용하는 음향 임피던스(acoustic impedance)를 줄이기 위해 커플란트(couplant: 22, 24)가 매개체로 그 사이에 각각 개입된다.
그리고 상기 음향센서(4, 5)에서 수신되는 음향신호는 고온용 케이블(26)을 통하여 음파를 전달하게 되며, 이 음향센서(4, 5)에서 수신되는 미약한 신호를 거리가 떨어져 있는 후술할 신호분석 처리부(20)의 신호 수신부(도면에 미도시)까지 전달되도록 일정 크기의 전압으로 증폭하는 전치 증폭기(6, 7)를 거쳐 최종적으로 신호분석 처리부(20)의 신호 수신부에 신호가 수신된다.
상기 전치 증폭기(6, 7)는 상기 음향센서(4, 5)에서 각각 발신된 음향신호를 1차 증폭하고, 상기 신호 처리부(18, 19)는 상기 전치 증폭기(6, 7)에서 각각 증폭된 음향신호를 검출, 증폭하고 필터링한 후 재차 증폭한 신호를 출력하며, 상기 신호분석 처리부(20)는 상기 신호 처리부(18, 19)에서 증폭한 음향신호를 입력으로 받아 진단프로그램에 의해 신호분석을 수행하는 기능을 한다.
상기 이동식 밸브 내부누설 진단장치를 도 2에 도시된 바와 같이 더욱 상세히 설명하면 진단하고자 하는 밸브(1)의 내부에 있어서 유체 입력측(2)의 공진형 음향센서(4)와, 밸브 내부 유체 출력측(3)의 공진형 음향센서(5)가 구비된다.
상기 전치 증폭기(6, 7)는 상기 음향센서(4, 5)에서 수신되는 미약한 음향신호를 20, 40, 60㏈ 중 선택하여 1차 증폭한다.
상기 신호 처리부(18, 19)는 신호 검출부(8, 9)와, RF 증폭기(10, 11)와, 대역 필터부(12, 13)와, 이득 증폭기(14, 15) 및 신호 출력부(16, 17)로 세분화하여 구성된다.
상기 신호 검출부(8, 9)는 상기 전치 증폭기(6, 7)에서 RF 신호를 검출하는 RF 신호 검출부(8a, 9a)와 이 전치 증폭기(6, 7)에 24V의 전원을 공급하는 전원공급부(8b, 9b)로 이루어진다.
상기 RF 증폭기(10, 11)는 신호 검출부(8, 9)에서 검출된 신호 중 RF 신호를 2차 증폭한다.
상기 대역 필터부(12, 13)는 상기 RF 증폭기(10, 11)에서 2차 증폭된 입력된 음향신호 중 25㎑ 이상의 주파수 신호만을 통과시키는 하이패스 필터(HPF : high pass filter: 12a, 13a)와 530㎑ 이하의 주파수 신호만을 통과시키는 로우패스 필터(LPF : low pass filter: 12b, 13b)가 내장되어 있다.
상기 이득 증폭기(gain amplifier: 14, 15)는 상기 전치 증폭기(6, 7) 및 RF 증폭기(10, 11)에서 증폭된 신호를 신호처리에 알맞도록 1~16배 중 선택하여 최종 증폭한다.
상기 신호 출력부(16, 17)는 상기 이득 증폭기(14, 15)에서 증폭된 신호를 RF 신호로 출력하는 RF 신호 출력부(16a, 17a)와, 상기 RF 신호 출력부(16a, 17a)에서 RF 신호로 출력함과 동시에 평균전압(RMS) 신호를 출력하는 평균전압(RMS) 신호 출력부(16b, 17b)로 이루어진다.
상기 신호분석 처리부(20)는 이들 양 신호처리부(18, 19)에서 음향 신호를 입력으로 받아 진단프로그램에 의해 신호분석을 수행하는 기능을 하며, 밸브 및 유체종류별 누설 여부, 누설위치, 누설량 및 음향레벨 추이의 평가가 가능한 진단프로그램 및 내장 데이터베이스가 구비된다.
즉, 상기 신호분석 처리부(20)는 RF 및 평균전압(RMS) 신호 출력부로부터 아날로그 신호를 받아서 디지털 데이터로 변환한 후 신호분석이 행해지는 로컬 프로세서(local processor)에 신호 데이터를 전송해주는 아날로그/디지털 컨버터 모듈(analog to digital converter module)과 음향신호를 입력으로 받아 진단프로그램 및 내장된 데이터베이스에 의해 신호분석 및 디스플레이 장치를 포함하여 이루어진다.
도 3은 상기 음향센서(4, 5)를 밸브(1)에 직접 부착하기 위한 마그네틱 홀드(30)를 나타낸 도면을 나타낸다. 도 3을 참조하여 설명하면, 블럭 형태로 구비되되 상기 음향센서(4, 5)를 고정할 수 있도록 전면에 형성되는 홈부(32)와, 상기 밸브(1)에 접촉하는 부분 즉, 상기 홈부(32)의 양단에 자석(34)이 붙어 있어 상기 자석(34)의 자력에 의해 밸브(1) 진단부위에 접촉이 용이하도록 설계되어 있다.
또한, 상기 음향센서(4, 5)를 부착할 때 센서(1) 부착압력을 일정하게 유지시키고 외부에서 유입되는 주변잡음(background noise)을 최대한 제거(filtering)되도록 일정한 경도(hardness)를 가진 방음재(36)가 홈부(32)의 내부에 구비된 이 음향센서(4, 5)의 후단에 각각 구비된다.
도 4는 상기 음향센서(4, 5)를 밸브(1)에 간접적으로 부착하기 위한 도파봉(40)을 나타낸 도면이다. 도 4의 도면을 참조로 설명하면, 밸브 본넷(도 2의 1a)의 표면온도가 음향센서(4, 5)의 사용온도보다 높을 경우 상기 도파봉(40)을 사용하게 된다. 상기 도파봉(40)은 수평 방향의 봉 형태로 구비되되 스테인레스강의 봉재로 제작되며 도파봉(40) 상단에 마그네틱 홀드(30)를 부착하기 위해 스테인레스 판재인 베이스(42)에 용접하여 결합되어 있다.
도 5는 상기 밸브(1)에 결합되는 마그네틱 홀드(30)에 상기 음향센서(4, 5)가 구비되는 상태를 나타낸 도면으로, 밸브(1) 표면온도가 음향센서(4, 5) 사용온도보다 낮을 경우 사용되는 방법으로서, 상기 마그네틱 홀드(30)의 자석(34)을 밸브(1) 본넷(1a)에 각각 접촉시키면 된다.
도 6은 상기 밸브(1)에 위치되는 도파봉(40)에 상기 음향센서(4, 5)가 각각 구비된 마그네틱 홀드(30)를 각각 부착시키며, 밸브(1) 표면온도가 음향센서(4, 5) 사용온도보다 높을 경우 사용되는 방법으로서, 상기 도파봉(40)은 밸브(1) 입출구측 본넷(bonnet: 1a)에 각각 위치되며 이들 도파봉(40) 각각의 도파봉(40) 상단의 스테인레스 판재인 베이스(42)에 마그네틱 홀드(30)가 자력(magnetic force)에 의해 결합된다. 이때 음향센서(4, 5)는 마그네틱 홀드(30) 내부에 각각 위치하게 되므로 밸브(1)에서 발생하는 음향을 수신 가능하도록 한다.
이와 같은 본 발명의 이동식 밸브 내부누설 진단장치는 밸브 내부에서 유체가 누설될 때 발생하는 음향 방출신호를 검출하여 각종 누설상태를 진단하기 위한 것으로 진단하고자 하는 밸브에 음향센서, 클램프, 도파봉 및 전치 증폭기 등을 고정 설치하지 않고 보온재 내부에 이들 구성품을 고정 설치함으로써 필요한 별도의 냉각장치 등 진단에 필요한 다수의 부속장치가 필요하지않는 효과가 있다.
나아가서는 본 발명의 이동식 밸브 내부누설 진단장치를 이용함으로써, 많은 종류의 밸브에 접근 및 누설진단이 가능하며 밸브의 내부누설 여부, 유체별 누설량, 누설위치 및 음향레벨 추이 등의 상태를 음향센서에서 측정한 탄성 에너지파를 정량적으로 분석하여 평가함으로써 실제 밸브 내부누설 상태를 신속히 파악할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 밸브 몸체 중 유체 입력측과 출력측에 각각 구비되어 음향신호를 감지하는 음향센서;
    상기 음향센서에서 각각 발신된 음향신호를 1차 증폭하는 전치 증폭기;
    상기 전치 증폭기에서 각각 증폭된 음향신호를 검출, 증폭하고 필터링한 후 재차 증폭한 신호를 출력하는 신호 처리부; 및
    상기 신호처리부에서 증폭한 음향신호를 입력으로 받아 진단프로그램에 의해 신호분석을 수행하는 신호분석 처리부; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이동식 밸브 내부누설 진단장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전치 증폭기는 음향신호를 20, 40, 60㏈ 중 선택하여 증폭하는 것을 특징으로 하는 이동식 밸브 내부누설 진단장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 신호 처리부는,
    RF 신호를 검출하는 RF 신호 검출부와 상기 전치 증폭기에 24V의 전원을 공급하는 전원공급부가 구비되는 신호 검출부;
    상기 신호 검출부와 연결되어 RF 신호를 2차 증폭하는 RF 증폭기;
    상기 RF 증폭기와 연결되어 입력된 음향신호 중 25㎑ 이상의 주파수 신호만을 통과시키는 하이패스 필터(HPF: high pass filter)와 530㎑ 이하의 주파수 신호만을 통과시키는 로우패스 필터(LPF: low pass filter)가 내장되어 있는 대역 필터부;
    상기 전치 증폭기 및 RF 증폭기에서 증폭된 신호를 신호처리에 알맞도록 1~16배 중 선택하여 최종 증폭하는 이득 증폭기(gain amplifier); 및
    상기 이득 증폭기에서 증폭된 신호를 RF 신호 출력부에 의해 RF 신호로 출력하는 하면서 이와 동시에 평균전압(RMS) 신호를 출력하도록 평균전압(RMS) 신호 출력부가 구비되는 신호 출력부; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이동식 밸브 내부누설 진단장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 음향센서를 상기 밸브에 직접적으로 부착하기 위하여 블럭 형태로 구비되되 일단 중심부에 이 음향센서가 고정되는 홈부와, 상기 홈부의 양단에 구비되어 이 밸브에 자력으로 고정시키는 자석으로 이루어지는 마그네틱 홀더가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 이동식 밸브 내부누설 진단장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 마그네틱 홀더의 홈부에 구비되는 음향센서의 후단에 주변잡음을 최대한 제거하도록 경도를 갖는 방음재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 이동식 밸브 내부누설 진단장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 음향센서를 상기 밸브에 간접적으로 부착하기 위하여 일단에 베이스가 구비된 수평 방향의 봉 형태로 구비되되 상기 베이스에 마그네틱 홀더가 부착될 수 있도록 하는 도파봉(waveguide)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 이동식 밸브 내부누설 진단장치.
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