최근 가스관용으로 압력손실이 큰 동관의 사용은 점차 줄어들고 있는 추세이며, 한편으로는 폴리에틸렌관이 신소재배관재료로서 사용되어 지고 있다. 폴리에틸렌관은 화학적으로 안정성이 높아 부식에 강하고 반영구적으로 사용할 수 있으며, 유연성이 좋아 설치와 유지관리가 편한 장점이 있다. 그러나 외부에 노출되었을 때 쉽게 열화되므로, 주로 저압가스용 매설배관으로서 사용하고 있는 실정이다 그러나 매설배관으로 사용되는 폴리에틸렌관의 사용 중에 발생하는 결함에 대한 비파괴적 평가에 대한 연구는 거의 없다. 본 연구에서는 폴리에틸렌 배관의 건전성을 평가하기 위해 다양한 결함을 상정하여 볼 베어링충격시험에 따른 음향방출에 의한 신호특성을 평가하였다. 폴리에틸렌 배관의 결함 형상에 따라 파형 및 중심주파수의 구별이 가능하였다. 특히, 노치결함이 있는 경우 노치의 각도와 깊이에 따라 AE신호의 특성이 다르게 나타났다.
최근 가스관용으로 압력손실이 큰 동관의 사용은 점차 줄어들고 있는 추세이며, 한편으로는 폴리에틸렌관이 신소재배관재료로서 사용되어 지고 있다. 폴리에틸렌관은 화학적으로 안정성이 높아 부식에 강하고 반영구적으로 사용할 수 있으며, 유연성이 좋아 설치와 유지관리가 편한 장점이 있다. 그러나 외부에 노출되었을 때 쉽게 열화되므로, 주로 저압가스용 매설배관으로서 사용하고 있는 실정이다 그러나 매설배관으로 사용되는 폴리에틸렌관의 사용 중에 발생하는 결함에 대한 비파괴적 평가에 대한 연구는 거의 없다. 본 연구에서는 폴리에틸렌 배관의 건전성을 평가하기 위해 다양한 결함을 상정하여 볼 베어링 충격시험에 따른 음향방출에 의한 신호특성을 평가하였다. 폴리에틸렌 배관의 결함 형상에 따라 파형 및 중심주파수의 구별이 가능하였다. 특히, 노치결함이 있는 경우 노치의 각도와 깊이에 따라 AE신호의 특성이 다르게 나타났다.
The polyethylene pipe can use semi-permanent because of the high corrosion resistance with chemical stability. In addition to, there is the merit that is an easy to establish and to maintain. However, as the reason that it is simply degraded when the polyethylene pipe was exposed to the outside, mai...
The polyethylene pipe can use semi-permanent because of the high corrosion resistance with chemical stability. In addition to, there is the merit that is an easy to establish and to maintain. However, as the reason that it is simply degraded when the polyethylene pipe was exposed to the outside, mainly it is used to lay under the ground with low-pressure gas transportation pipe. In this study, the nondestructive evaluation method was used to maintain the integrity of the polyethylene pipe. We simulated the various defects on the polyethylene pipes, and then the AE signal occurred according to the impact test of steel ball was evaluated by the acoustic emission method. From the results, the waveform and dominant frequency could be distinguishing from the defect shapes of polyethylene pipe. Especially, in the case of notch defect, the AE signals occur different by the angle and depth of the notch.
The polyethylene pipe can use semi-permanent because of the high corrosion resistance with chemical stability. In addition to, there is the merit that is an easy to establish and to maintain. However, as the reason that it is simply degraded when the polyethylene pipe was exposed to the outside, mainly it is used to lay under the ground with low-pressure gas transportation pipe. In this study, the nondestructive evaluation method was used to maintain the integrity of the polyethylene pipe. We simulated the various defects on the polyethylene pipes, and then the AE signal occurred according to the impact test of steel ball was evaluated by the acoustic emission method. From the results, the waveform and dominant frequency could be distinguishing from the defect shapes of polyethylene pipe. Especially, in the case of notch defect, the AE signals occur different by the angle and depth of the notch.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 폴리에틸렌 배관의 건전성을 평가하기 위하여 다양한 결함을 모의하여 음향방출법[5-8]에 의한 신호특성을 평가한 결과를 보고한다.
제안 방법
폴리에틸렌 배관의 충격 시에는 직경7mm의 steel ball을 사용하였다. steel ball의 충격 시 검출되는 신호는 최대 16채널까지 지원되는 Fracture Wave Detector (Model FM-1, Digital Wave Corp., Englewood, Co.)를 사용하였고, 센서는 1MHz의 광대역 센서를 사용하여 Pre-amplifier에서 54dB 증폭한 신호를 수신하였다. 검출된 신호는 WaveExplorTM 3.
본 연구에서 폴리에틸렌 배관에 다양한 결함을 모의하고, steel ball 충격시험에 의한 음향방출 실험을 한 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
2는 노치 및 결함 형상의 사진을 나타내었다. 아크릴 절단용 칼을 이용하여 약 7cm 정도의 노치를 삽입하였으며, Bench drilling machine GY 360을 사용하여 직경 13mm의 hole defectf를 삽입하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용한 재료는 현재 시판 중인 (주) 동원플라스틱의 저압용 폴리에틸렌 배관 A종 1-40호를 사용하였다. 폴리에틸렌 배관의 기계적 성질을 Table 1에 나타내었고, AE 실험에 사용한 폴리에틸렌 배관의 형상을 Fig.
데이터처리
)를 사용하였고, 센서는 1MHz의 광대역 센서를 사용하여 Pre-amplifier에서 54dB 증폭한 신호를 수신하였다. 검출된 신호는 WaveExplorTM 3.0 프로그램을 사용하여 시간-주파수 분석을 하였다.
성능/효과
1. 결함이 없는 폴리에틸렌 배관의 steel ball 충격 시험에 대한 중심 주파수 대역은 6kHz, 12kHz, 17kHz 및 21kHz의 순서로 나타났다.
2. 노치 결함이 있는 폴리에틸렌 배관의 파형 및 중심 주파수 대역은 노치의 각도 및 깊이에 따라 결함이 없는 폴리에틸렌 배관과 구별이 가능하였다.
3. 구멍, 굽힘, 용접 결함이 있는 폴리에틸렌 배관의 파형 및 중심주파수의 크기는 결함이 없는 폴리에틸렌 배관의 파형 및 주파수와 구별이 가능하였다.
4(g), (h) 및 (i)는 폴리에틸렌 배관의 구멍, 굽힘, 용접 결함에 대한 파형 및 주파수분석을 나타낸다. 결함이 없는 폴리에틸렌 배관과 비교하기 위하여 구멍 결함을 삽입 한 경우에는 결함이 없는 폴리에틸렌 배관에서 나타난 파형과 비슷한 파형을 나타냈으나, 중심주파수 대역은 결함이 없는 폴리에틸렌 배관의 6kHz, 12kHz, 17kHz, 21kHz의 순서가 아니라, 오히려 17kHz의 주파수가 12kHz의 주파수 대역보다 크게 나타났다. 굽힘 결함을 삽입한 폴리에틸렌 배관 파형 및 중심 주파수 대역은 결함이 없는 배관과 비슷하게 나타났으나, 동일한 steel ball의 충격 시험에서는 파형 및 주파수 크기가 낮게 나타났다.
이는 이러한 노치와 같은 결함이 폴리에틸렌 배관에 발생할 경우, 노치에 의하여 음파가 감쇠 혹은 반사하기 때문에 파형의 밀도가 낮아졌다고 판단되다. 결함이 없는 폴리에틸렌 배관의 중심주파수를 비교하면, 노치의 각도가 0°인 경우는 노치가 없는 폴리에틸렌 배관과 유사하게 나타났으나, 노치의 각도와 깊이가 커질수록 노치가 없는 중심주파수 6kHz보다 12kHz, 17kHz, 21kHz의 고주파수 대역의 감쇠가 나타났다.
결함이 없는 건전한 폴리에틸렌 배관의 직접파 부분의 파형이 조밀하게 나타난 것을 볼 수 있으며, 폴리에틸렌 배관의 음파의 흡수에 의하여 반사파 부분의 파의 밀도가 직접파 보다 낮게 나타나고 있다. 그러나 노치가 있는 폴리에틸렌 배관과 비교하면, 노치각도가 0º인 경우에는 노치가 없는 폴리에틸렌 배관과 거의 유사하게 나타났으나, 직접파 부분의 파형이 노치의 각도가 증가하면 할수록, 그리고 노치의 깊이가 깊을수록 파형의 밀도가 낮게 나타났다. 이는 이러한 노치와 같은 결함이 폴리에틸렌 배관에 발생할 경우, 노치에 의하여 음파가 감쇠 혹은 반사하기 때문에 파형의 밀도가 낮아졌다고 판단되다.
굽힘 결함을 삽입한 폴리에틸렌 배관 파형 및 중심 주파수 대역은 결함이 없는 배관과 비슷하게 나타났으나, 동일한 steel ball의 충격 시험에서는 파형 및 주파수 크기가 낮게 나타났다. 또한, 용접 결함을 삽입한 폴리에틸렌 배관의 파형의 형태 및 크기, 중심주파수 대역의 크기 등이 현저하게 다르게 나타났다.
후속연구
4. 이와 같은 결과를 통하여 사용이 증가하고 있는 폴리에틸렌 배관의 건전성 평가에 음향방출법을 적용하면 사고의 위험을 줄일 수 있으리라 판단된다.
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