KR20230156519A - 배관의 감육 진단 시스템 및 방법 - Google Patents

배관의 감육 진단 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20230156519A
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김종환
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Abstract

본 발명은 원자력 발전소에서 사용하는 배관의 감육을 배관의 빔모드를 이용하여 진달할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것으로써, 배관의 길이방향 진동특성인 빔모드 고유진동수를 활용하기 때문에 단일 배관이 아니라 배관 시스템 자체를 광범위하게 감시할 수 있으며, 배관의 구조적 형상(직경, 두께, 곡률 등)에 의해 영향을 받지 않지 않고 배관의 감육을 진단할 수 있다.

Description

배관의 감육 진단 시스템 및 방법{Pipe thinning estimating system and method}
본 발명은 원자력 발전소에서 사용하는 배관의 감육을 배관의 빔모드를 이용하여 진달할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
원자력발전소를 포함한 각종 플랜트에서는 초기 건설 시에 설치된 배관의 노후화에 따라 배관의 감육(wall thinning)이 발생함에 따라 배관의 파단 사고가 발생되었다.
배관의 감육을 사전에 진단하여 파다 사고를 대비할 수 있는 기술이 개발되어 왔으며, 종래에는 배관 감육 진단 기술은 유동유발진동(Flow-Induced Vibration; FIV)에 의해 발생하는 쉘(shell) 모드 진동 특성을 활용하였다.
이러한 배관의 쉘 모드의 고유진동수를 활용한 기술은 배관의 직경 대비 두께 비율 변화를 측정한다. 배관에 대하여 두께 감소(감육)이 발생하면 쉘 모드의 고유진동수가 감소하며 이러한 특성을 상시 감시하여 배관 감육 여부, 감육량 등을 진단하였다.
하지만 쉘 모드 기반의 상업 발전소의 배관 시스템에서 발생하는 유동유발진동은 주로 100 Hz 이하의 저주파수 대역을 갖기 때문에 종래 감육 기술은 대구경(large diameter) 배관 혹은 직경 대비 두께가 얇은 배관에 대해서만 한정적으로 활용된다는 한계점이 존재한다.
상업 발전소 현장에서 감육 진단을 위해 쉘 모드 특성을 이용하기 위해서는 쉘 모드의 고유진동수 대역이 낮아야 하며, 이를 위해서는 대구경 배관들이어야 하는 문제점이 있었다.
한국등록특허 제10-1541978 호 (2015.08.04.)
본 발명의 목적은 대구경 배관뿐만 아니라 소구경(small diameter)배관 혹은 후관(厚管, thick pipe)에 대해서도 적용할 수 있는 배관의 감육 진단 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따르면, 직관부와 곡관부를 포함하는 배관계의 감육을 추정하는 배관의 감육 진단 시스템에 있어서, 상기 배관계에 진동감지센서가 설치되어 상기 배관계의 고유진동수를 감지하는 센서부; 상기 곡관부의 감육에 따라 감지된 상기 고유진동수의 변화를 측정하는 측정부; 및 상기 고유진동수의 변화를 이용하여 상기 곡관부의 감육을 추정하는 추정부; 를 포함하는, 배관의 감육 진단 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 직관부와 곡관부를 포함하는 배관계의 감육을 추정하는 배관의 감육 진단 방법에 있어서, (a) 상기 배관계에 진동감지센서를 설치하는 단계; (b) 상기 진동감지센서에서 상기 배관계의 고유진동수를 감지하는 단계; (c) 상기 진동감지센서에서 상기 곡관부의 감육에 따른 상기 고유진동수의 변화를 측정하는 단계; 및 (d) 측정된 상기 고유진동수의 변화를 이용하여 상기 곡관부의 감육을 추정하는 단계; 를 포함하는, 배관의 감육 진단 방법이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 배관의 감육 진단 시스템 및 방법은 배관 내부의 작동유체(working fluid)에 의한 자체적인 배관 진동을 활용하기 때문에 특별한 가진원 장치와 외부 전원이 요구되지 않고 진동계(가속도계)만을 활용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 배관의 길이방향 진동특성인 빔모드 고유진동수를 활용하기 때문에 단일 배관이 아니라 배관 시스템 자체를 광범위하게 감시할 수 있는 효과가 있다.
또한, 빔보드 고유진동수를 활용하기 때문에 배관의 구조적 형상(직경, 두께, 곡률 등)에 의해 영향을 받지 않지 않고 배관의 감육을 진단할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배관의 감육 진단 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에서 사용하는 빔모드 고유진동수를 나타낸 도면이다.
도 3은 배관계의 1차 빔모드에서 빔모드 고유진동수가 증가하는 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 배관계의 3차 빔모드에서 빔모드 고유진동수가 증가하는 것을 나타낸 도면이다.
도 5는 곡관부의 감육에 따라 빔모드 고유진동수가 증가하는 것을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에서 곡관부의 타원화 형태 변화를 보여주는 도면이다.
도 7은 곡관부의 감육에 의해 빔모드 고유진동수가 증가한 것을 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 배관의 감육 진단 방법의 순서도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부되는 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현할 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략한다.
이하에서 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참고로 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 배관의 감육 진단 시스템은, 직관부(11)와 곡관부(12)를 포함하여 구성된 배관계(10)에 센서부(20)가 구비되고, 센서부(20)에서 감지한 배관계(10)의 고유진동수를 이용하여 측정부(30)와 추정부(40)를 거쳐 곡관부(12)의 감육을 추정한다.
배관계(10)는 원자력발전소와 같은 상업용 발전소에 사용되는 배관으로 직관부(11)와 곡관부(12)로 구성된다.
유체의 흐름에 따라 배관의 내부 두께가 얇아지는 감육은 유체의 흐름이 바뀌는 곡관부(12)에서 발생하며 센서부(20)는 배관계(10)에 설치된다.
센서부(12)는 진동감지센서(21)로 구성되어 배관계(10)에 외면에 설치되고 배관계(10)의 고유진동수를 감지한다. 진동감지센서(21)는 직관부(11) 또는 곡관부(12)에 설치될 수 있다. 여기서 진동감지센서(21)는 진동특성을 감지할 수 있도록 진동계나 가속도계를 사용할 수 있다.
여기서 진동감지센서(21)가 감지하는 고유진동수는 배관계(10)의 길이방향의 진동으로 발진하는 빔모드 고유진동수이다.
도 2를 참조하면, 빔모드 고유진동수는 유동유발진동(FIV)의 주요 발진 모드로써 배관계(10)의 길이가 주요 인자로 작용하여 발생한다. 이러한 빔모드 고유진동수는 배관계(10)의 길이가 길어질수록 고유진동수가 작아지는 성질을 가지며, 일반적으로 배관계(10)의 길이가 수십 미터 이상으로 구성되는 원자력발전소와 같은 상업 발전소 환경에서 용이하게 측정할 수 있다.
종래에 배관의 감육을 진단하는데 사용한 배관의 쉘 모드 진동 특성은 배관의 구조적 형상(직경, 두께, 곡률 등)에 의해 영향을 받았다. 즉, 배관의 두께가 얇아지면 쉘 모드의 고유진동수(공진주파수)는 감소하는 성질을 이용하였다.
하지만 이러한 쉘 모드 진동 발진을 위해 사용되는 작동유체의 유동유발진동(FIV)는 실제 상업 발전소 환경에서 주로 100 Hz 이하의 저주파수 대역을 갖는다. 유동유발진동에 의해 쉘 모드가 발진되려면 쉘 모드 고유진동수가 낮아져야 하고 이를 위해서는 측정대상인 배관이 두께 대비 직경이 큰 대구경 배관이어야 한다.
따라서, 종래의 쉘 모드 기반 감육 진단은 대구경 배관 혹은 직경 대비 두께가 얇은 배관들에 대해서만 적용이 가능하며, 소구경 배관과 두께가 두꺼운 배관에 대해서는 적용이 쉽지 않다.
배관계(10)의 빔모드 고유진동수를 활용하면 배관계(10)의 길이를 제외한 배관계(10)의 직경 등과 같은 구조적 형상에 관계없이 배관계(10)의 감육정도를 판단할 수 있다.
도 3(1차 빔모드 진동으로 a)는 z방향으로 변형량을 가지는 모드형상이고, b)는 감육량에 따른 고유진동수 변화이다.) 및 도 4(3차 빔모드 진동으로 a)는 z방향으로 변형량을 가지는 모드형상이고, b)는 감육량에 따른 고유진동수 변화이다.)
도 3 및 도 4를 보면, a)에서 숫자가 1에 가까워질수록 감육량이 큰 것으로, b)와 같이 배관계(10)의 곡관부(12)의 감육량이 커질수록 빔모드 고유진동수는 커지는 것을 알 수 있다. 이렇듯 배관의 두께가 감소할수록 측정되는 빔모드 고유진동수는 커진다.
즉, 배관계(10)의 곡관부(12)에서 감육량이 커질수록 도 5와 같이 배관계(10)의 빔모드 고유진동수는 감육 후가 감육 전보다 커지는 것을 알 수 있다.
센서부(20)는 배관계(10)에 설치된 진동감지센서(21)를 통해 배관계(10)의 빔모드 고유진동수를 지속적으로 감지하고, 측정부(30)는 센서부(20)에서 감지하는 빔모드 고유진동수가 곡관부(12)의 감육에 따라 변화하는 것을 측정한다.
센서부(20)에서 진동감지센서(21)를 통해 배관계(10)의 진동을 상시 감시하며, 측정부(30)에서 계측된 진동 신호의 주파수 분석을 통해 빔모드 고유진동수가 증가하는 측정한다.
측정부(30)에서 배관계(10)의 빔모드 고유진동수가 변화했다는 것을 측정하면, 추정부(40)에서 빔모드 고유진동수 변화를 이용하여 곡관부(12)에서 발생한 감육을 추정한다.
위에서 살펴보았듯이 추정부(40)는 곡관부(12)에서 감육이 발생하면 측정된 빔모드 고유진동수가 증가하는 것을 이용하여 곡관부(12)에서 감육이 발생했다는 것을 추정한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에서 배관의 감육 진단 시스템은, 센서부(20)에 진동감지센서(21)를 곡관부(12)에 적어도 2개 이상 구비하고, 진동감지센서(21)들이 곡관부(12)의 원주방향으로 서로 직교하도록 설치될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 2개의 진동감지센서(21)가 곡관부(12)에 설치된다고 했을 때, 하나의 진동감지센서(21)는 곡관부(12)의 원주방향에서 수직방향쪽에 배치되고, 다른 하나의 진동감지센서(21)는 곡관부(12)의 원주방향에서 수평방향쪽에 배치될 수 있다.
수평(xy 평면)으로 놓아져 있는 배관계(10)을 기준으로 곡관부(12)의 상단부(90° 지점)과 외호면 중심부(180°)에 설비되는 한 쌍의 진동감지센서(21)가 사용될 수 있다. 한 쌍의 진동감지센서(21)는 배관계(10)의 설치 환경에 따라 내호면(0° 지점)과 하단부(270°)에 설비될 수도 있으며 두 개 이상이 사용될 수 도 있다. 다만 2 개가 사용될 경우 반드시 서로 90° 직교하여 설치되어야 한다.
본 발명의 다른 실시예는 진동감지센서(21)를 2개 이상 사용하는 것과 후술하는 측정부(30)에서의 측정 대상과 추정부(40)에서의 추정방법 외에 센서부(20), 측정부(30), 추정부(40)로 이어지는 일실시예와 동일한 구성을 가진다.
도 6을 참조하면, 곡관부(12)에서 곡관부(12)의 원주방향으로 서로 직교하도록 설치된 진동감지센서(21)들을 통해 센서부(20)에서 빔모드 고유진동수의 진폭을 감지한다.
센서부(20)에서는 실시간으로 빔모드 고유진동스의 진폭을 감지하고, 측정부(30)에서는 감지된 빔모드 고유진동수에서 곡관부(12)의 감육에 따라 변화는 빔모드 고유진동수의 진폭 크기 변화를 측정한다.
도 6(a)는 곡관부(12)의 상단부(90° 지점)에 설치된 진동감지센서(21)의 빔모드 고유진동수의 진폭과 상기 상단부와 직교하는 외호면 중심부(180°)에 설치된 진동감지센서(21)의 빔모드 고유진동수의 진폭을 측정한 것이다.
도 6(a)를 보면, 빔모드 고유진동수의 진폭은 상단부(90° 지점)에서는 감육후가 감육전보다 작아진 것을 볼 수 있으며, 외호면 중심부(180°)에서는 감육후가 감육전보다 커진 것을 볼 수 있다.
이러한 빔모드 고유진동수의 진폭 변화를 통해 도 6(b)와 같이 곡관부(12)의 타원형태 변화를 추정할 수 있다. 즉, 곡관부(12)는 감육전에는 수직방향으로 타원을 형성하고 있었다면, 감육후에는 수평방향으로 타원을 형성하여 감육에 따라 타원형태의 변화가 발생한 것이다.
이렇게 적어도 2개의 서로 직교하여 설치된 진동감지센서(21)를 통해 상시 측정되는 진동 신호의 진폭을 측정하면 곡관부(12)의 감육에 따라 곡관부(12)의 타원 형태가 변화하는 것을 이용하여 곡관부(12)의 감육을 추정할 수 있다.
다만, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배관의 감육 진단 시스템은 반드시 본 발명의 일실시예와 구분되는 것은 아니다. 진동감지센서(21)를 반드시 하나만 설치할 필요는 없으며, 진동감지센서(21)를 적어도 2개 이상 설치한 상태에서 일 실시예와 다른 실시예를 동시에 수행함으로써 곡관부(12)에서의 감육 발생여부를 보다 정확하게 추정할 수 있다.
또한 배관계(10)의 빔모드 고유진동수의 변화만을 감지하기 위해서는 직관부(11)에 진동감지센서(21)를 설치해도 되나, 곡관부(12)에 진동감지센서(21)를 설치함으로써, 빔모드 고유진동수의 크기 변화뿐만 아니라 빔모드 고유진동수의 진폭 크기 변화도 동시에 ?정할 수 있다.
일실시예에서 빔모드 고유진동수가 증가하는 것을 통해 곡관부(12)에서 감육이 발생했다고 일차로 추정하고, 다른 실시예에서 빔모드 고유진동수의 진폭변화에 따른 곡관부(12)의 타원형태가 변화하는 것을 통해 최종적으로 곡관부(12)에 감육이 발생했다고 추정할 수 있는 것이다.
도 7은 배관계의 진동 특성을 배관계의 곡관부를 비감육 시편과 외호면 두께 70%가 감소한 감육 시편을 서로 교체하며 측정한 것으로 a)는 주파수 전체 영역을 보여주고, b)는 주파수 범위 0~100 Hz 확대한 것을 보여준다. 곡관부의 감육이 발생하면, 배관계의 빔모드 고유진동수는 종래 쉘모드의 진동 특성과 정반대로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 배관의 감육 진단 방법은 직관부(11)와 곡관부(12)를 포함하는 배관계(10)의 감육을 추정하는 배관의 감육 진단 방법은 (a) 배관계(10)에 진동감지센서(21)를 설치하는 단계(S10); (b) 진동감지센서(21)에서 배관계(10)의 고유진동수를 감지하는 단계(S20); (c) 진동감지센서(21)에서 곡관부(12)의 감육에 따른 상기 고유진동수의 변화를 측정하는 단계(S30); 및 (d) 측정된 상기 고유진동수의 변화를 이용하여 곡관부(12)의 감육을 추정하는 단계(S40); 를 포함한다.
상기 고유진동수는 배관계(10)의 길이방향의 진동으로 발진하는 빔모드 고유진동수이다.
(c) 단계는 상기 빔모드 고유진동수의 증가에 따른 변화를 측정한다.
(d) 단계는 곡관부(12)의 감육에 따라 상기 빔모드 고유진동수가 증가하는 것을 이용하여 곡관부(12)의 감육을 추정한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배관의 감육 진단 방법은 (a) 단계에서, 진동감지센서(21)는 곡관부(12)에 적어도 2개 이상을 곡관부(12)의 원주방향으로 서로 직교하도록 설치한다.
(c) 단계는 상기 빔모드 고유진동수의 변화에 따른 진폭 크기 변화를 측정한다.
(d) 단계는 상기 진폭 크기 변화에 따라 곡관부(12)의 타원화 방향이 변화하는 것을 이용하여 곡관부(12)의 감육을 추정한다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
10: 배관계
11: 직관부
12: 곡관부
20: 센서부
21: 진동감지센서
30: 측정부
40: 추정부

Claims (12)

  1. 직관부와 곡관부를 포함하는 배관계의 감육을 추정하는 배관의 감육 진단 시스템에 있어서,
    상기 배관계에 진동감지센서가 설치되어 상기 배관계의 고유진동수를 감지하는 센서부;
    상기 곡관부의 감육에 따라 감지된 상기 고유진동수의 변화를 측정하는 측정부; 및
    상기 고유진동수의 변화를 이용하여 상기 곡관부의 감육을 추정하는 추정부; 를 포함하는,
    배관의 감육 진단 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서부에서 감지하는 상기 고유진동수는 상기 배관계의 길이방향의 진동으로 발진하는 빔모드 고유진동수인,
    배관의 감육 진단 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 고유진동수의 증가에 따른 변화를 측정하고, 상기 추정부에서 상기 곡관부의 감육에 따라 상기 빔모드 고유진동수가 증가하는 것을 이용하여 상기 곡관부의 감육을 추정하는,
    배관의 감육 진단 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 센서부에서 상기 진동감지센서는 상기 곡관부에 적어도 2개 이상이 상기 곡관부의 원주방향으로 서로 직교하도록 설치된,
    배관의 감육 진단 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 빔모드 고유진동수의 변화에 따른 진폭 크기 변화를 측정하고, 상기 진폭 크기 변화에 따라 상기 곡관부의 타원화 방향이 변화하는 것을 이용하여 상기 곡관부의 감육을 추정하는,
    배관의 감육 진단 시스템.
  6. 직관부와 곡관부를 포함하는 배관계의 감육을 추정하는 배관의 감육 진단 방법에 있어서,
    (a) 상기 배관계에 진동감지센서를 설치하는 단계;
    (b) 상기 진동감지센서에서 상기 배관계의 고유진동수를 감지하는 단계;
    (c) 상기 진동감지센서에서 상기 곡관부의 감육에 따른 상기 고유진동수의 변화를 측정하는 단계; 및
    (d) 측정된 상기 고유진동수의 변화를 이용하여 상기 곡관부의 감육을 추정하는 단계; 를 포함하는,
    배관의 감육 진단 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고유진동수는 상기 배관계의 길이방향의 진동으로 발진하는 빔모드 고유진동수인,
    배관의 감육 진단 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (c) 단계는, 상기 빔모드 고유진동수의 증가에 따른 변화를 측정하는,
    배관의 감육 진단 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (d) 단계는, 상기 곡관부의 감육에 따라 상기 빔모드 고유진동수가 증가하는 것을 이용하여 상기 곡관부의 감육을 추정하는,
    배관의 감육 진단 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    (a) 단계에서, 상기 진동감지센서는 상기 곡관부에 적어도 2개 이상을 상기 곡관부의 원주방향으로 서로 직교하도록 설치하는,
    배관의 감육 진단 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (c) 단계는, 상기 빔모드 고유진동수의 변화에 따른 진폭 크기 변화를 측정하는,
    배관의 감육 진단 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (d) 단계는, 상기 진폭 크기 변화에 따라 상기 곡관부의 타원화 방향이 변화하는 것을 이용하여 상기 곡관부의 감육을 추정하는,
    배관의 감육 진단 방법.
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