KR20150004530A - 초음파 탐상을 이용한 배관 내의 가스축적량 산출장치 및 산출방법 - Google Patents

초음파 탐상을 이용한 배관 내의 가스축적량 산출장치 및 산출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 탐상을 이용한 배관 내의 가스축적량 산출장치 및 산출방법에 관한 것으로, 특히 배관 내의 가스축적량을 비파괴적인 방법으로 산출할 수 있는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 초음파 탐상을 이용하여 배관 내의 가스축적량을 산출하는 방법은, (a) 조사대상 배관에 대하여 초음파 탐상장비의 기체영역을 구별해 내는 분해능 검사 및 확인하는 단계(S10)와; (b) 분해능 검사가 완료된 조사대상 배관의 표면에 접촉성 매질을 도포하는 단계(S20)와; (c) 조사대상 배관에 대해 초음파 탐촉자를 스캔하여 배관의 단면에 대해 원호 방향으로 스캔하여 가스영역의 최대 원호각(θm)을 측정하며, 배관의 상부를 따라서 가스영역의 원호각이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 측정하는 단계(S30)와; (d) 조사대상 배관에 대해 측정된 최대 원호각(θm)과, 원호각이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 이용하여 배관 내의 가스영역의 기하학적 부피를 구하여 가스축적량을 산출하는 단계(S40);를 포함하여, 원전설비 등의 같은 안전관련계통의 가스축적량 평가를 수행하기 위하여 초음파 탐상을 통하여 측정된 배관 표면의 측정값으로부터 쉽고 간편하게 배관 내의 가스축적량을 정확하게 평가할 수 있는 비파괴적인 측정법을 제공하여 가스축적량 평가의 효율성과 경제성에서 탁월한 효과를 갖는다.

Description

초음파 탐상을 이용한 배관 내의 가스축적량 산출장치 및 산출방법{Apparatus and method for estimating quantity of accumulated gas in a pipe utilizing ultrasonic test}
본 발명은 초음파 탐상을 이용한 배관 내의 가스축적량 산출장치 및 산출방법에 관한 것으로, 특히 배관 내의 가스축적량을 비파괴적인 방법으로 산출할 수 있는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 원전설비의 비상 노심냉각냉통(Emergency Core Cooling System; ECCS), 격납용기 에서의 살수 계통(containment spray system), 및 잔류열제거 계통(residual heat removal)과 같은 안전 시스템의 배관계통에서의 가스 축적이 문제가 되고 있으며, 배관계통 내에 축적된 가스는 펌프 시스템에 문제를 발생시킬 수가 있다.
따라서 원전설비의 안전 시스템의 배관계통 내에 가스 축적량을 정확히 산출하는 것은 매우 중요하며, 이를 통하여 계통내의 안전기능 설비인 고압안전주입 및 저압안전주입 등의 펌프의 손상 가능성을 정확하게 평가할 수 있으며, 아울러 안전관련계통의 배관에 가스축적량에 의한 수격현상에 의한 배관손상 가능성을 평가하는 평가자료로 활용할 수 있다.
이에 본 발명에서는 배관 내의 가스축적량을 간편하게 손쉽게 비파괴적인 방법으로 산출할 수 있는 장치 및 방법을 개발하였다.
미국 공개특허 제2005/0066744(공개일자: 2005.03.31)
미국 등록특허 제6,658,944(등록일자: 2003.12.09)
미국 공개특허 제2010/0226469호(공개일자: 2010.09.09)
일본 공개특허 특개2004-0012145(공개일자: 2004.01.15)
본 발명은 초음파 탐상을 이용하여 배관 내의 가스축적량을 비파괴적인 방법으로 간편하게 산출할 수 있는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초음파 탐상을 이용한 배관 내의 가스축적량 산출방법은, (a) 조사대상 배관에 대하여 초음파 탐상장비의 기체영역을 구별해 내는 분해능 검사 및 확인하는 단계와; (b) 분해능 검사가 완료된 조사대상 배관의 표면에 접촉성 매질을 도포하는 단계와; (c) 조사대상 배관에 대해 초음파 탐촉자를 스캔하여 배관의 단면에 대해 원호 방향으로 스캔하여 가스영역의 최대 원호각(θm)을 측정하며, 배관의 상부를 따라서 가스영역의 원호각이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 측정하는 단계와; (d) 조사대상 배관에 대해 측정된 최대 원호각(θm)과, 원호각이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 이용하여 배관 내의 가스영역의 기하학적 부피를 구하여 가스축적량을 산출하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 (d)단계에서 배관 내의 가스축적량(V)은 하기의 [수학식]에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.
[수학식]
Figure pat00001
; θm은 최대 원호각, r은 배관의 내경, L은 원호각이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 (d)단계에서 배관 내의 가스축적량(V)은 하기의 [수학식]에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.
[수학식]
Figure pat00002
; θm은 최대 원호각, r은 배관의 내경, α는 배관의 경사각.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 (c)단계에서 가스영역의 원호각 측정은 배관 단면에 원호 방향의 스캔 과정에서 초음파 반사파의 모양이 가우시안 모양으로 나타나기 시작하는 단면상의 두 지점을 잇는 원호 길이(d)로부터 구하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 (c)단계에서 가스영역의 원호각이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)는 최대 원호각(θm)이 존재하는 단면지점을 기준으로 양방향으로 배관 상부를 직선으로 스캔하여 반사파가 가우시안 모양으로 나타나는 두 지점 사이의 직선거리인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 초음파 탐상을 이용하여 배관 내의 가스축적량 산출장치는, 접촉성 매질을 통해 조사대상 배관에 초음파를 전달하고 반사파를 수신하는 탐촉자와, 탐촉자의 수신 데이터를 이미지로 출력하는 출력부를 포함하는 초음파 탐상부와; 상기 초음파 탐상부로부터 수득된 정보로부터 배관 단면에 대한 가스영역의 최대 원호길이로부터 최대 원호각(θm)을 구하며, 배관 상부를 따라서 가스영역의 원호각(θ)이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 구하는 측정부와; 상기 측정부에서 측정된 최대 원호각(θm)과, 가스영역의 원호각(θ)이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 이용하여 배관 내의 가스영역의 기하학적 부피를 구하여 가스축적량을 산출하는 산출부;를 포함한다.
본 발명에 따른 초음파 탐상을 이용한 배관 내의 가스축적량 산출장치 및 산출방법은, 원전설비 등의 같은 안전관련계통의 가스축적량 평가를 수행하기 위하여 초음파 탐상을 통하여 측정된 배관 표면의 측정값으로부터 쉽고 간편하게 배관 내의 가스축적량을 정확하게 평가할 수 있는 비파괴적인 측정법을 제공하여 가스축적량 평가의 효율성과 경제성에서 탁월한 효과를 갖는다.
또한 본 발명의 가스축적량 산출장치 및 산출방법은 배관 전영역을 스캔하지 않고 필요한 부분만을 스캔하여 가스축적량 산출이 가능하며, 특히 배관 내의 기체영역만을 구별할 수 있는 파형이 존재하는 경우에 모든 초음파 탐상장치를 사용할 수 있으며, 반사파의 유무만으로 기체영역을 추정하여 정밀한 분해능이 아니더라도 정확한 가스축적량의 산출이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 초음파 탐상을 이용한 배관 내의 가스축적량 산출방법을 보여주는 흐름도,
도 2의 (a)(b)는 본 발명에 따른 배관 내의 가스축적량 산출방법을 설명하기 위한 배관의 구성을 예시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 다른 실시예에 따른 배관 내의 가스축적량 산출방법을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 배관 내의 가스축적량 산출장치를 보여주는 구성도.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이며, 이하의 특정한 구조나 기능적 설명들은 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 초음파 탐상을 이용하여 배관 내의 가스축적량을 산출하는 방법은, (a) 조사대상 배관에 대하여 초음파 탐상장비의 기체영역을 구별해 내는 분해능 검사 및 확인하는 단계(S10)와; (b) 분해능 검사가 완료된 조사대상 배관의 표면에 접촉성 매질을 도포하는 단계(S20)와; (c) 조사대상 배관에 대해 초음파 탐촉자를 스캔하여 배관의 단면에 대해 원호 방향으로 스캔하여 최대 원호각(θm)을 측정하며, 배관의 상부를 따라서 원호각이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 측정하는 단계(S30)와; (d) 조사대상 배관에 대해 측정된 최대 원호각(θm)과, 원호각이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 이용하여 배관 내의 가스영역의 기하학적 부피를 구하여 가스축적량을 산출하는 단계(S40);를 포함한다.
구체적으로, (a)단계(S10)는 조사대상 배관에 대하여 초음파 탐상장비의 기체영역을 구별해 내는 분해능 검사 과정으로써, 조사대상 배관의 내부 표면에 기체와 액체가 공존하는 경우에 배관 금속층을 투과한 초음파가 기체영역 또는 액체영역과 상호작용하여 반대편 배관 금속층에서 반사되어 돌아오는 초음파가 존재하는지를 검증하는 과정(S11)과, 이로부터 분해능의 확인은 반사파의 강도와 모양을 액체영역에서 정확하게 가우시안 모양으로 만들어 내는지를 확인(S12)하며, 반사파의 모양이 가우시안 모양에 가깝다면 배관 내의 액체영역과 기체영역을 정확하게 구분할 수가 있을 것이다.
(b)단계(S20)는 분해능 검사가 완료된 조사대상 배관의 표면에 접촉성 매질을 도포하는 과정이다.
조사대상 배관 표면과 초음파 탐촉자 사이에는 기공이 존재하며, 이러한 기공은 배관을 투과하여 입사되는 초음파를 감쇄시키고 이로 인하여 오차를 발생시킬 수가 있다. 따라서 이러한 오차를 최소화하기 위하여 조사대상 배관 표면에는 초음파의 배관 금속층 투과를 원활하게 하는 반액체성 물질을 배관표면에 도포한다.
(c)단계(S30)는 접촉성 매질이 도포된 조사대상 배관에 대해 초음파 탐촉자를 스캔하는 과정으로, 배관의 단면에 대해 원호 방향(2π)으로 스캔하여 최대 원호각을 측정하는 제1과정(S31)과, 배관의 상부를 따라서 원호각이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리를 측정하는 제2과정(S32)을 포함한다.
구체적으로, 제1과정(S31)에서 배관의 단면에 대해 원호 방향으로 스캔하여 초음파 반사파의 모양이 가우시안 모양으로 나타나기 시작하는 단면상의 두 지점을 잇는 원호 길이(d)를 측정할 수 있으며, 이와 같이 측정된 원호 길이(d)로부터 다음의 [수학식 1]로부터 원호각(θ)을 구할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00003
; r은 배관의 반지름, d는 원호 길이.
배관 단면에 대한 원호 방향의 스캔을 실시하여 최대 원호각(θm)을 측정한다.
다음으로 제2과정(S32)에서는 배관 상부를 따라서 원호의 길이가 제로가 되는 지점을 측정하는 과정으로써, 예를 들어 최대 원호각(θm)이 존재하는 단면지점에서 양방향으로 배관 상부를 직선으로 스캔하여 반사파가 가우시안 모양으로 나타나는 지점이 양쪽에서 발생하게 되며, 이때 두 지점이 원호의 길이가 제로(즉, 원호각이 제로)되는 지점이 되고 이 두 지점 사이의 직선거리를 측정한다.
(d)단계는 조사대상 배관에 대해 측정된 최대 원호각(θm)과, 원호각(θ)이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 이용하여 배관 내의 가스영역의 기하학적 부피를 구하여 가스축적량을 산출하는 과정이다.
도 2의 (a)(b)는 본 발명에 따른 배관 내의 가스축적량 산출방법을 설명하기 위한 배관의 구성을 예시한 도면으로써, (a)는 기체영역과 액체영역을 갖는 배관(10)을 도시하고 있으며, 배관(10) 상부에는 각 위치에서 배관 단면을 보여주고 있으며, (b)는 최대 원호각(θm)을 갖는 배관 단면에서 기체영역에 해당하는 단면적(S)을 구하기 위한 수학식을 설명하기 위한 도면이다. 참고로, 도 2의 (b)에서는 액체영역을 별도로 표시하지 않았다.
도 2의 (b)를 참고하면, (c)단계에서 측정된 최대 원호각(θm)에 대해 기체영역의 단면적(S)은 부채꼴넓이에서 이등변삼각형의 넓이(S1)를 빼주고 구할 수 있으며, 도 2의 (a)에서와 같이 최대 원호각이 위치한 배관의 양측으로 원호 길이가 제로(원호각이 제로)인 위치(L0)(L1) 사이의 직선거리(L)를 곱하여 가스영역 부피(V)를 구하여 다음의 [수학식 2]와 같이 가스축적량(V)을 산출할 수가 있다.
[수학식 2]
Figure pat00004
; θm은 최대 원호각, r은 배관의 내경, L은 원호각이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리.
바람직하게는, 반지름 r은 배관의 내경 반지름일 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 다른 실시예에 따른 가스축적량 산출방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 예시된 것과 같이, 일정한 각도(α)의 경사를 갖는 배관(20)에 대해도 앞서 설명한 것과 동일하게 최대 원호각(θm)과, 원호각(θ)이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 측정할 수 있으며, 배관(20)의 경사각(α)과 배관의 사이즈(r)를 이용하여 다음의 [수학식 3]을 이용하여 배관 내의 가스축적량(V)을 산출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00005
; θm은 최대 원호각, r은 배관의 내경, α는 배관의 경사각.
다음으로, 도 4는 본 발명에 따른 배관 내의 가스축적량 산출장치를 보여주는 구성도이다.
도 4에 예시된 것과 같이, 본 발명의 배관 내 가스축적량 산출장치는, 접촉성 매질(11)을 통해 조사대상 배관(10)에 초음파를 전달하고 반사파를 수신하는 탐촉자(111)와, 탐촉자(111)의 수신 데이터를 이미지로 출력하는 출력부를 포함하는 초음파 탐상부(110)와; 초음파 탐상부(110)로부터 수득된 정보로부터 배관 단면에 대한 가스영역의 최대 원호길이로부터 최대 원호각(θm)을 구하며, 배관 상부를 따라서 가스영역의 원호각(θ)이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 구하는 측정부(120)와; 측정부(120)에서 측정된 최대 원호각(θm)과, 가스영역의 원호각(θ)이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 이용하여 배관 내의 가스영역의 기하학적 부피를 구하여 가스축적량을 산출하는 산출부(130);를 포함한다.
탐촉자(111)에서 발생된 초음파는 배관(10) 안쪽으로 입사하게 되며, 배관 내에서 발생된 반사파가 흡수되어 압전소자 등에 의해 미세한 전류신호를 변환된다. 이 전류신호는 출력부로 전달되어 이미지 정보로 출력되며, 이러한 출력부로는 오실로스코프(112)가 사용될 수 있다.
탐촉자(111)에서 수신된 전기적 신호는 별도의 저장매체에 저장될 수 있으며, 저장 신호 중에서 반사파의 가우시안 모양에 해당하는 신호가 존재하면 배관 내의 기체영역이 끝나고 액체영역이 시작되는 지점으로 해석하게 된다.
측정부(120)는 초음파 탐상부(110)로부터 수득된 정보 중에서 가스영역의 최대 원호길이로부터 최대 원호각(θm)을 구하며, 배관 상부를 따라서 가스영역의 원호각(θ)이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 구한다. 한편, 측정부(120)에서는 각도계산모듈과 라디안 환산모듈이 마련될 수 있으며, 배관 단면의 최대원호 길이로부터 알고 있는 배관의 사이즈(내경 및 외경)를 이용하여 각도계산모듈에서 원호각의 산출이 이루어질 수 있으며, 이는 라디안 환산모듈에서 가스축적량 연산에 필요한 라디안 값의 변환이 이루어질 수 있다.
이와 같이 측정부(120)에서 구한 최대 원호각(θm)과, 가스영역의 원호각(θ)이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)는 산출부(130)로 전달되며, 산출부(130)는 검사대상 배관(10)의 사이즈(r) 데이터를 이용하여 배관(10) 내의 가스영역의 부피를 산출하여 가스축적량을 산출할 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이, 검사대상 배관이 수평 배관인 경우에는 [수학식 2]에 의해 배관의 가스축적량을 산출할 수 있으며, 일정한 경사각을 갖는 경우에는 배관의 경사각(α)에 의해 [수학식 3]에 의해 가스축적량을 산출할 수가 있을 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10, 20 : 배관 11 : 접촉성 매질
110 : 초음파 탐상부 111 : 탐촉자
112 : 오실로스코프 120 : 측정부
130 : 산출부

Claims (8)

  1. 초음파 탐상을 이용하여 배관 내의 가스축적량을 산출하는 방법에 있어서,
    (a) 조사대상 배관에 대하여 초음파 탐상장비의 기체영역을 구별해 내는 분해능 검사 및 확인하는 단계와;
    (b) 분해능 검사가 완료된 조사대상 배관의 표면에 접촉성 매질을 도포하는 단계와;
    (c) 조사대상 배관에 대해 초음파 탐촉자를 스캔하여 배관의 단면에 대해 원호 방향으로 스캔하여 가스영역의 최대 원호각(θm)을 측정하며, 배관의 상부를 따라서 가스영역의 원호각이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 측정하는 단계와;
    (d) 조사대상 배관에 대해 측정된 최대 원호각(θm)과, 원호각이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 이용하여 배관 내의 가스영역의 기하학적 부피를 구하여 가스축적량을 산출하는 단계;를 포함하는 초음파 탐상을 이용한 배관 내의 가스축적량 산출방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (d)단계에서 배관 내의 가스축적량(V)은 하기의 [수학식]에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 배관 내의 가스축적량 산출방법.
    [수학식]
    Figure pat00006

    ; θm은 최대 원호각, r은 배관의 내경, L은 원호각이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (d)단계에서 배관 내의 가스축적량(V)은 하기의 [수학식]에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 배관 내의 가스축적량 산출방법.
    [수학식]
    Figure pat00007

    ; θm은 최대 원호각, r은 배관의 내경,α는 배관의 경사각.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (c)단계에서 가스영역의 원호각 측정은 배관 단면에 원호 방향의 스캔 과정에서 초음파 반사파의 모양이 가우시안 모양으로 나타나기 시작하는 단면상의 두 지점을 잇는 원호 길이로부터 구하는 것을 특징으로 하는 배관 내의 가스축적량 산출방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (c)단계에서 가스영역의 원호각이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)는 최대 원호각(θm)이 존재하는 단면지점을 기준으로 양방향으로 배관 상부를 직선으로 스캔하여 반사파가 가우시안 모양으로 나타나는 두 지점 사이의 직선거리인 것을 특징으로 하는 배관 내의 가스축적량 산출방법.
  6. 초음파 탐상을 이용하여 배관 내의 가스축적량 산출장치에 있어서,
    접촉성 매질을 통해 조사대상 배관에 초음파를 전달하고 반사파를 수신하는 탐촉자와, 탐촉자의 수신 데이터를 이미지로 출력하는 출력부를 포함하는 초음파 탐상부와;
    상기 초음파 탐상부로부터 수득된 정보로부터 배관 단면에 대한 가스영역의 최대 원호길이로부터 최대 원호각(θm)을 구하며, 배관 상부를 따라서 가스영역의 원호각(θ)이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 구하는 측정부와;
    상기 측정부에서 측정된 최대 원호각(θm)과, 가스영역의 원호각(θ)이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리(L)를 이용하여 배관 내의 가스영역의 기하학적 부피를 구하여 가스축적량을 산출하는 산출부;를 포함하는 배관 내의 가스축적량 산출장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 산출부는 다음의 [수학식]에 의해 배관 내의 가스축적량(V)을 산출하는 것을 특징으로 하는 배관 내의 가스축적량 산출장치.
    [수학식]
    Figure pat00008

    ; θm은 최대 원호각, r은 배관의 내경, L은 원호각이 제로가 되는 두 지점 사이의 거리.
  8. 제6항에 있어서, 상기 산출부는 다음의 [수학식]에 의해 배관 내의 가스축적량(V)을 산출하는 것을 특징으로 하는 배관 내의 가스축적량 산출장치.
    [수학식]
    Figure pat00009

    ; θm은 최대 원호각, r은 배관의 내경,α는 배관의 경사각.
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