KR20180011418A - 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 채널에서 수신된 신호를 각 채널별로 해석하고 채널 간 수신된 신호의 통합 분석을 통해 탐촉자로부터 결함의 거리와 결함의 원주방향 위치까지 해석하는 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법에 관한 것으로, 피검사체의 정보를 입력하는 단계, 상기 피검사체의 정보에 따라 검사 주파수, 가진 펄스 수, 및 검사 거리 입력하는 단계, 상기 피검사체의 외주면에 위치시킨 상기 탐촉자들을 통해 피검사체의 반사신호를 채널별로 수집하는 단계, 및 상기 채널별로 수집된 반사신호 분석을 통해 결함 유무, 결함 위치, 결함 거리, 및 결함 크기 중 어느 하나 이상을 진단하는 단계를 제공한다.

Description

다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법{MULTI-CHANNEL ULTRASONIC DIAGNOSTIC METHOD FOR LONG DISTANCE PIPING}
본 발명은 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 채널에서 수신된 신호를 각 채널별로 해석하고 채널 간 수신된 신호의 통합 분석을 통해 탐촉자로부터 결함의 거리와 결함의 원주방향 위치까지 해석하는 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법에 관한 것이다.
현재 구조물 비파괴 안전 진단 기법은 초음파를 활용한 용접 및 구조물에서 발생되는 결함이 대부분을 이룬다. 인체에 무해하며 다양한 형상과 재질에 적용할 수 있는 장점으로 인해 초음파를 활용한 구조물 비파괴 진단 기법은 꾸준히 활용되고 있다. 하지만 장거리 배관을 비롯한 대형 구조물의 상태를 진단하는데는 기존의 초음파 검사(Ultrasonic Testing, UT)로는 검사 시간 및 인력이 많이 소모되어 경제적으로 불리하다. 이러한 한계점을 해결하기 위해 기존의 초음파와는 달리 낮은 초음파 주파수 영역에서 적은 감쇄 특성을 가지고 원거리를 전파하는 유도초음파 검사 기법이 관심을 받고 있다.
유도초음파 검사 기법은 원거리를 전파할 수 있는 물리적 특성으로 인해 접근이 제한된 영역과 장거리 배관 검사에 큰 장점을 가지고 있다. 하지만 기존의 초음파 탐상법에 비해 신호 분석이 어렵고 반사 신호에서 결함의 위치를 추정하고 정량적인 결함 진단을 하는데 많은 한계점을 가지고 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해 기존의 단일 채널의 송수신 시스템에서 다중 채널의 송수신 시스템을 활용하여 결함 진단 효율을 높이고, 결함 해석을 위한 기법이 필요하다. 또한 다중 채널 송수신 시스템을 운용하고 신호 수집을 통한 신호 해석의 운용 소프트웨어가 함께 구현되어야 한다.
한국등록특허공보 제0817615호(등록일: 2008.03.21., 명칭: 물체의 결함을 측정하기 위한 레이저 유도초음파 검사장치 및 그 구현 방법)
본 발명은 유도초음파를 활용한 장거리 배관 검사를 위한 다중 채널 송수신 시스템은 운용과 수신된 신호를 분석하여 결함의 정보를 파악하는 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법은, 복수의 탐촉자를 구비한 다중 채널 초음파 진단장치를 이용한 진단방법에 있어서, 피검사체의 정보를 입력하는 단계; 상기 피검사체의 정보에 따라 검사 주파수, 가진 펄스 수, 및 검사 거리 입력하는 단계; 상기 피검사체의 외주면에 위치시킨 상기 탐촉자들을 통해 피검사체의 반사신호를 채널별로 수집하는 단계; 및 상기 채널별로 수집된 반사신호 분석을 통해 결함 유무, 결함 위치, 결함 거리, 및 결함 크기 중 어느 하나 이상을 진단하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 피검사체의 정보는 피검사체의 재질, 지름, 및 두께를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 검사 주파수는 상기 피검사체의 정보에 따라 20 내지 500kHz 사이의 주파수 대역을 선정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 결합 거리는 하기의 식에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.
[식]
Figure pat00001
이때, L은 결함위치, V는 전파 속도, t는 초음파의 전파시간을 의미함.
또한, 상기 결함 크기는 상기 피검사체의 길이방향으로 가진된 초음파를 전파하여 결함이 시작하는 영역과 끝나는 영역에서 각각 발생하는 반사 신호가 각 채널에 수신되는 시간으로 계산되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이,
본 발명은 장거리 배관에서 검사된 유도초음파 진단 신호를 바탕으로 장거리 배관에 존재하는 용접 및 결함의 위치와 크기를 용이하게 진단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 수신된 신호 분석을 통해 결함의 유무를 판단하고, 결함의 정밀 진단을 위한 다중 탐촉 시스템의 위상배열 집속기법을 활용하여 결함의 정량적인 해석을 통한 결함 진단 효과를 높일 수 있다.
도 1은 다중 채널 초음파 진단 방법을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법에서 채널별 초음파 송신파형을 나타낸 예이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법에서 채널별 초음파 수신파형을 나타낸 예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 다중 채널 초음파 진단장치를 나타낸 도면으로써, 다중 채널 초음파 진단장치(100)는 탐촉자(110), 복수개의 펄스발생/신호수신부(120), 및 진단부(130)를 포함한다.
탐촉자(110)는 장거리 배관(10) 외주연에 일정간격 사이를 두고 배치하여 장거리 배관(10)에 직접적인 유도초음파를 전달하거나 반사되는 반사신호를 감지한다.
복수개의 펄스발생/신호수신부(120)는 탐촉자(110)에 정해진 유도 초음파를 전달하거나, 탐촉자(110)가 감지한 반사신호를 수신한다.
여기서, 복수개의 펄스발생/신호수신부(120)는 장거리 배관(10) 외주연에 위치된 탐촉자(110)와 각각 대응되도록 형성되고, 즉, 하나의 탐촉자(110)와 하나의 펄스발생/신호수신부(120)가 연결된다.
본 발명의 실시예에서는 8개의 탐촉자(110) 및 펄스발생/신호수신부(120)를 구비하였으나, 장거리 배관(10)의 두께 및 정확도에 따라 탐촉자(110) 및 펄스발생/신호수신부(120)의 갯수를 증가 및 감소시킬 수 있다.
펄스 발생/신호수신부(120)를 각 채널로 보고 수신된 반사신호를 채널별과 분리한다.
진단부(130)는 장거리 배관(10)의 정보에 따른 유도 초음파의 모드 선정 및 전파 속도를 선정하여 복수개의 펄스 발생/신호수신부(120)에 전달하고, 복수개의 펄스 발생/신호수신부(120)를 통해 수신된 반사신호를 채널별로 전달 받아 반사신호를 분석하여 장거리 배관(10)의 결함 유무, 결함 위치, 결함 거리, 및 결함 크기 중 어느 하나 이상을 진단한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법을 나타낸 흐름도로서, 먼저, 피검사체의 정보를 입력한다(S110). 여기서, 피검사체는 장거리 배관(10)에 해당되며, 피검사체의 정보는 피검사체의 재질, 지름, 두께 정보들을 포함한다.
이때, 피검사체의 정보에 따라 피검사체의 최적화된 유도 초음파의 모드 선정 및 전파 속도를 선정할 수 있다.
이어, 피검사체의 정보에 따라 검사 주파수, 가진 펄스 수, 및 검사 거리 입력한다(S120). 이때, 검사 주파수, 가진 펄스 수 및 검사거리는 최적화된 진단 주파수를 선정하기 위한 것이며, 특히, 검사거리는 결함이 존재할 경우 반사 신호의 위치를 해석하는데 중요한 정보가 된다.
검사주파수는 피검사체의 정보에 따라 20 내지 500kHz 사이의 주파수 대역을 선정함으로써, 검사 민감도를 향상시키고, 20 내지 500kHz 사이의 주파수 대역은 검사 효율 역시 향상된다.
종래의 경우 검사 범위가 탐촉자가 위치한 영역만 진단하므로 높은 주파수 영역(1~10 MHz) 에서 활용되는 반면, 본 발명의 실시예에서는 배관의 넓은 영역 (길이 수 m ~ 수십 m)을 진단하기 위해 배관의 길이방향으로 전파할 수 있도록 상대적으로 낮은 주파수 영역(20~500 kHz)을 사용한다.
피검사체인 장거리 배관 내에서 낮은 주파수 영역의 초음파가 반사와 중첩현상이 반복적으로 일어나며 새로운 형태의 초음파가 합성이 되고 이러한 현상으로 인해 초음파가 배관의 길이 방향으로 멀리까지 전파할 수 있게 된다.
가진 펄스 수는 피검사체에 입사되는 초음파의 에너지와 관계를 가지며, 피검사체의 표면상태에 따라 가진 펄스 수를 조절하여 사용하는 것이 효과적이다. 여기서, 표면상태는 피복 및 부식 등의 상태를 의미한다.
가진 펄스 수를 높이면 입사되는 초음파의 에너지가 높지만 노이즈도 함께 증폭될 뿐만 아니라 초음파가 가진되는 시간이 길어져 서로 가까이 존재하는 여러개의 결함을 구별하기 어려운 단점을 가지고 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 4 내지 6개의 가진 펄스를 사용한다.
이어, 피검사체의 외주면에 위치시킨 상기 탐촉자들을 통해 피검사체의 반사신호를 채널별로 수집한다(S130). 도 2와 같이 채널별로 유도 초음파를 발생한 파형을 알 수 있으며, 도3과 같이 수신되는 반사신호를 채널별로 확인할 수 있다.
여기서, 채널별로 수집된 반사신호를 바탕으로 반사 신호가 발생된 영역을 판단하고, 반사신호를 분석 할 수 있다.
또한, 초음파가 가진되어 전파하는 경우 유도 초음파의 특정 모드로 가진이 되어 전파 속도가 정해지므로 반사신호가 발생될 경우 탐촉자에 수신된 신호의 전파 시간과 전파 속도를 바탕으로 반사신호를 발생시키는 영역을 판단할 수 있다.
이때, 반사신호를 활용하여 이후의 결함의 위치를 진단하고, 기타 결함정보를 분석할 수 있다.
예컨대, 피검사체에 결함이 없는 경우 반사되는 반사신호 장거리 배관의 특징인 용접부위만 주기적으로 나타나지만, 결함이 존재하는 경우, 장거리 배관의 구조물 외 결함이 존재하는 위치에서 반사신호가 발생한다. 검사신호에서 결함의 존재 유무는 반사신호의 차이로 구별할 수 있다.
마지막으로, 채널별로 수집된 반사신호 분석을 통해 결함 유무, 결함 위치, 결함 거리, 및 결함 크기 중 어느 하나 이상을 진단한다(S140).
여기서, 반사신호 분석을 위해 각 채널별로 수신된 신호를 주파수 필터를 통해 불필요한 고주파수 영역과 저주파수 영역의 신호를 제외하고, 힐버트 변환을 통해 검사자가 쉽게 판단할 수 있도록 신호변환을 수행한다.
검사 시스템에서는 각 채널별로 수신된 신호를 복수개의 영역으로 나누어 분석할 수 있다.
각 채널별로 수신된 반사신호에 포함된 결함 반사 신호를 상호상관함수를 활용하여 모든 채널의 신호를 동시에 합하여 표현하고, 각 영역별로 표현하는 방법을 통해 결함의 원주방향 크기를 해석한다.
더욱 자세히, 결함이 있을 경우 각 채널별로 수신된 반사신호의 차이를 활용하여 신호를 분석하며, 하기 식 1에 따른 상호상관함수를 활용하여 각 채널별로 수신된 신호를 비교한다.
<식 1>
Figure pat00002
여기서, n 과 m은 채널 번호이다.
결함위치(L)는 수신된 반사 신호로부터 초음파의 전파시간(t), 전파속도(V)를 활용하여 결함위치를 계산할 수 있다.
<식 2>
Figure pat00003
여기서, 전파거리는 참촉자로부터 결함까지, 결함에서부터 탐촉자까지의 거리가 되므로 실제 초음파를 전파한 거리의 절반이 된다.
결함크기 진단은 탐촉자로부터 가진된 초음파가 전파하여 피검사체의 길이방향으로 결함이 시작하는 영역과 끝나는 영역에서 각각 반사 신호를 발생시킨다.
각도방향으로 결함의 경계에서 반사 신호가 발생되며, 반사 신호는 각 채널에 서로 다른 시간에 수신된다. 각 채널에 수신된 신호에서 최고점의 시간 차이를 바탕으로 결함의 길이방향 크기를 해석하고, 각도방향의 결함 크기는 각 채널에 수신된 신호에서 최고점의 크기를 기준으로 결함의 각도, 방향, 및 크기를 분석한다.
따라서, 본 발명은 장거리 배관에서 검사된 유도초음파 진단 신호를 바탕으로 장거리 배관에 존재하는 용접 및 결함의 위치와 크기를 용이하게 진단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 수신된 신호 분석을 통해 결함의 유무를 판단하고, 결함의 정밀 진단을 위한 다중 탐촉 시스템의 위상배열 집속기법을 활용하여 결함의 정량적인 해석을 통한 결함 진단 효과를 높일 수 있다.
상기와 같은 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
10 : 장거리 배관
100 : 다중채널 초음파 진단장치
110 : 탐촉자
120 : 펄스발생/신호 수신부
130 : 진단부

Claims (5)

  1. 복수의 탐촉자를 구비한 다중 채널 초음파 진단장치를 이용한 진단방법에 있어서,
    피검사체의 정보를 입력하는 단계;
    상기 피검사체의 정보에 따라 검사 주파수, 가진 펄스 수, 및 검사 거리 입력하는 단계;
    상기 피검사체의 외주면에 위치시킨 상기 탐촉자들을 통해 피검사체의 반사신호를 채널별로 수집하는 단계; 및
    상기 채널별로 수집된 반사신호 분석을 통해 결함 유무, 결함 위치, 결함 거리, 및 결함 크기 중 어느 하나 이상을 진단하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 피검사체의 정보는 피검사체의 재질, 지름, 및 두께를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 검사 주파수는 상기 피검사체의 정보에 따라 20 내지 500kHz 사이의 주파수 대역을 선정하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 결합 거리는 하기의 식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법.
    [식]
    Figure pat00004

    이때, L은 결함위치, V는 전파 속도, t는 초음파의 전파시간을 의미함.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 결함 크기는 상기 피검사체의 길이방향으로 가진된 초음파를 전파하여 결함이 시작하는 영역과 끝나는 영역에서 각각 발생하는 반사신호가 각 채널에 수신되는 시간으로 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법.
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