[논문]시간-주파수 해석에 의한 부식된 배관의 평가

안석환; 김진욱; 도재윤; 남기우

문제 정의

본 연구에서는 비파괴 평가에 시간-주파수 해석법의 적용 가능성을 검토하기 위하여, 실구조물에서 장시간 사용한 배관을 채취하여 초옴파법으로 검출한 신호를 시간-주파수 해석법으로 열화특성을 평 가하였다
본 연구에서는 비파괴 평가에 시간-주파수 해석법의 적용 가능성을 검토하기 위하여, 실구조물에서 장시간 사용한 배관을 채취하여 초음파법에 의하여 검출된 제1저면 에코를 시간-주파수 해석법을 이용하여 분석하였다. 주파수 분석법을 이용한 배관부의 손상 평가에서 중심 주파수 및 에코 파형 중의 각 주파수 성분마다의 감쇠정도를 정확하고 용이하게 분석할 수 있었다.

제안 방법

이는 매질의 특톡성 즉, 결정조직이나 미소 결함, 잔류 응력 등의 분포상태나 부식, 석출 등의 재질의 열화 정도 등에 의존한다. 따라서 초음파 탐상시스템과 실시간 시간-주파수 분석 프로그램을 이용하여 피검체의 다중 저면 반사파의 주파수의 분포상태 및 각 주파수 성분의 진폭스펙트럼(음압 또는 초음파빔 량)을 분석함으로써 피검체의 결정립조직, 잔류응력, 미소결함 등의 분포상태 및 부식, 석출 등에 의한 열화도를 평가할 수 있다. 본 연구에서는 최근에 신호해석의 방법으로 많이 사용되고 있는 시간-주파수 해석(time-frequency analysis)의 한 방법 중, raw signal의 시간영역을 짧게 나누어 하나의 블록을 만들고 각 블록을 퓨리에 변환함으로써 수신신호를 시간함수에 대한 주파수, 진폭 에너지, 스펙트럼 등의 정보로 분석하는 Short-Time Fourier Transform(STFT법)을 사용하였다.
초음파의 저면 에코 주파수는 결정립의 코기, 결정립계의 석출물 및 표면의 거칠기에 영향을 받기 쉬우며, 고주파수일수록 그 영향은 더 커진다. 본 실험에서는 각 시험편의 제1저면 에코의 높이를 탐상기의 CRT 화면의 80%로 일정하게 조정한 후, 제1저면 에코의 주파수 변화를 시간-주파수 해석법을 이용하여 분석하였다
본 연구에서는 최근에 신호해석의 방법으로 많이 사용되고 있는 시간-주파수 해석(time-frequency analysis)의 한 방법 중, raw signal의 시간영역을 짧게 나누어 하나의 블록을 만들고 각 블록을 퓨리에 변환함으로써 수신신호를 시간함수에 대한 주파수, 진폭 에너지, 스펙트럼 등의 정보로 분석하는 Short-Time Fourier Transform(STFT법)을 사용하였다. 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 제1저면 에코(B1)의 주파수 변화를 10회 측정하고, 상태에 따른 주파수 변화를 조사하여 재료의 열화 상태를 평가하였다.
초옴파 시험에 사용된 장비는 독일 Krautkramer社의 USD 15 디지탈 초음파 탐상기를 사용하였으 며, GAGE社의 CSLITE 고속 A/D변환기를 이용하여 실시간적으로 초음파 신호를 계측하였다. 그리고, 주파수특성을 파악하기 위하여 Panametrics社의 5MHz(0.
B22와 W22는 강재는 부식, 피복 고무 및 피복 세라믹스는 소실된 상태이다. 탐촉자의 접촉 압력이나 접촉 상태에 따른 영향을 제거하기 위하여 클램프를 사용하여 탐촉자를 일정한 힘으로 고정시켰다. 접촉 매질은 점성이나 음향임피던스, 접촉매질 층의 두께 및 온도 등의 영향에 따른 초옴파의 변환 특성을 고려하여 독일 Krautkramer社의 ZG-F 접촉매질을 사용하였다

대상 데이터

초음파법에 의한 열화평가를 하기 위해서는 기준이 되는 초기의 모재 및 용접부가 필요하다. 그러나 가동한지 30여년이 지나 기준이 되는 소재가 없으므로, Fig. 1과 같이 비교적 건전한 부분인 B11 및 W11을 기준으로 하였다. B11과 W11은 강재부, 피복 고무 및 피복 세라믹스가 건전한 상태이다.
초옴파 시험에 사용된 장비는 독일 Krautkramer社의 USD 15 디지탈 초음파 탐상기를 사용하였으 며, GAGE社의 CSLITE 고속 A/D변환기를 이용하여 실시간적으로 초음파 신호를 계측하였다. 그리고, 주파수특성을 파악하기 위하여 Panametrics社의 5MHz(0.5inch) 광대역 센서를 사용하였다. Fig.
본 실험에서는 에너지 플랜트에서 30년간 사용한 배관(ASME SA-155. Φ = 762, t= 9.5 mm)이 손 상됨에 따라서 교체된 것을 채취하여 사용하였다. 배관의 내부에는 부식 등의 손상을 방지하기 위하여 고무를 절연 피복하고, 그 위에 세라믹스를 피복한 것으로, 장시간 사용함에 따라서 내부는 Fig.
탐촉자의 접촉 압력이나 접촉 상태에 따른 영향을 제거하기 위하여 클램프를 사용하여 탐촉자를 일정한 힘으로 고정시켰다. 접촉 매질은 점성이나 음향임피던스, 접촉매질 층의 두께 및 온도 등의 영향에 따른 초옴파의 변환 특성을 고려하여 독일 Krautkramer社의 ZG-F 접촉매질을 사용하였다

이론/모형

따라서 초음파 탐상시스템과 실시간 시간-주파수 분석 프로그램을 이용하여 피검체의 다중 저면 반사파의 주파수의 분포상태 및 각 주파수 성분의 진폭스펙트럼(음압 또는 초음파빔 량)을 분석함으로써 피검체의 결정립조직, 잔류응력, 미소결함 등의 분포상태 및 부식, 석출 등에 의한 열화도를 평가할 수 있다. 본 연구에서는 최근에 신호해석의 방법으로 많이 사용되고 있는 시간-주파수 해석(time-frequency analysis)의 한 방법 중, raw signal의 시간영역을 짧게 나누어 하나의 블록을 만들고 각 블록을 퓨리에 변환함으로써 수신신호를 시간함수에 대한 주파수, 진폭 에너지, 스펙트럼 등의 정보로 분석하는 Short-Time Fourier Transform(STFT법)을 사용하였다. 본 연구에서는 Fig.

성능/효과

이상에서 사용 중인 구조물은 초음파법으로 검출한 제1저면 에코를 시간-주파수법으로 분석하면 건 전성을 평가할 수 있다고 판단된다
본 연구에서는 비파괴 평가에 시간-주파수 해석법의 적용 가능성을 검토하기 위하여, 실구조물에서 장시간 사용한 배관을 채취하여 초음파법에 의하여 검출된 제1저면 에코를 시간-주파수 해석법을 이용하여 분석하였다. 주파수 분석법을 이용한 배관부의 손상 평가에서 중심 주파수 및 에코 파형 중의 각 주파수 성분마다의 감쇠정도를 정확하고 용이하게 분석할 수 있었다. 시간-주파수 해석법을 초옴파 신호의 비파괴적 특성 평가에 적용한다면 보다 신뢰성 높은 분석이 가능할 것으로 생각되며, 이들 신호에 대한 새로운 비파괴 평가법으로 적용이 가능할 것으로 판단된다.

후속연구

시간-주파수 해석법을 초옴파 신호의 비파괴적 특성 평가에 적용한다면 보다 신뢰성 높은 분석이 가능할 것으로 생각되며, 이들 신호에 대한 새로운 비파괴 평가법으로 적용이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 차후 더욱 정밀한 계측시스템의 구축과 함께 여러 가지 시간-주파수 해석법을 초음파 신호의 비파괴적 해석에 적용한다면, 고정도의 비파괴 평가를 할 수 있올 것으로 판단된다.
주파수 분석법을 이용한 배관부의 손상 평가에서 중심 주파수 및 에코 파형 중의 각 주파수 성분마다의 감쇠정도를 정확하고 용이하게 분석할 수 있었다. 시간-주파수 해석법을 초옴파 신호의 비파괴적 특성 평가에 적용한다면 보다 신뢰성 높은 분석이 가능할 것으로 생각되며, 이들 신호에 대한 새로운 비파괴 평가법으로 적용이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 차후 더욱 정밀한 계측시스템의 구축과 함께 여러 가지 시간-주파수 해석법을 초음파 신호의 비파괴적 해석에 적용한다면, 고정도의 비파괴 평가를 할 수 있올 것으로 판단된다.

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