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문제 정의
- 비자성체 튜브의 와전류 검사에서는 일반적으로 튜브 지지판 부위에 발생할 수 있는 결함을 평가하기 위해서 주파수 혼합기법을 사용하여 구조물 신호를 소거한다. 따라서, 이 실험에서는 자성체 튜브에 대한 주파수 혼합기법의 적용성을 평가하기 위해서 3개 시험주파수 10, 50, 100 kHz에서 튜브 지지판 링의와전류신호의 위상각을 측정하여 주파수 혼합기법의 적용 가능 여부를 평가하였다. 또한, 튜브 지지판 부위에 결함이 위치할 때 결함 특성화의 가능성을 평가하기 위해서 신호 변화를 관찰하였으며, 깊이가 다른 결함에 지지판 링을 위치시켜 이때 생성되는 신호를 분석하였다.
- 본 연구에서는 자성체 튜브에 발생할 수 있는 결함을 검출하고 크기를 측정할 수 있는 자기포화 와전류탐상 검사 기법의 능력과 현장 적용성을 평가하여, 아래와 같은 결과를 도출하였다.
- 일반적으로 마모 결함은 튜브-튜브 지지판에서 발생되는 것으로 보고되고 있다. 자성체 튜브의 결함 검사에 사용이 가능한 와전류 검사 기법에는 자기포화 와전류 검사, 원격장와전류검사, 자속누설 기법 등이 있으며, 본 연구에서는 type-439 페라이트계 스테인리스 강 핀 튜브에 발생할 수 있는 결함을 검출하고 크기를 측정할 수 있는 자기포화와전류탐상검사 기법의 능력을 평가하였다 [1].
제안 방법
- 균열성 결함의 크기 측정을 위해서 평저공(FBH) 결함을 이용하여 위상각-대-% 튜브 두께 교정곡선을 작성하였다. 이 교정 곡선을 사용하여 깊이가 다른 7개 평저 공 결함에 대한 튜브 두께 깊이(%)를 10회씩 측정하여 측정 RMS 오차를 구하였으며 그 분석 결과를 Fig.
- 따라서, type-439 스테인레스 강 튜브 검사에 필요한 최적의 자속밀도를 결정하기 위해서 탐촉자 코일 하부에 위치한 자석의 자속밀도 변화가와전류신호의 S/N 비에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해서 탐촉자를 구성하는 자석의 수량을 증가시면서 이에 따른 신호 변화를 관찰하여와전류신호의 S/N 비를 측정하였다.
- 이를 위해서 20, 50, 100 kHz의 3개 시험 주파수에서 깊이가 각각 20%, 40%, 60%인 3개 평저공의 위상각을 측정하였으며, 이 세 가지 위상각 중에서 최저 깊이인 20%와 최고 깊이인 60% 평저 공 신호의 위상각 차이를 비교하였다. 또한, 주파수 변화에 따른 위상각 변화를 관찰하기 위해서 위상각 차이가 최대로 발생하는 자속밀도에서 깊이가 20%, 40%, 60%인 3개 평저공의 위상각을 측정하였으며 시험 주파수는 20, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600 KHz에서 측정하였다. 최저 깊이인 20%와 최고 깊이인 60% 평저공에서 발생한 위상각 차이를 비교하였다.
- 자석의 길이는 코일폭(5 mm)보다 크게 하였으며 자석은 자속밀도가 높은 희토류 자석을 사용하였다. 또한, 코일 주변 자장의 집속을 위해서 구리원판을 자석의 전후방에 배치하였다. 탐촉자의 충진율은 현장에 설치된 열교환기 튜브 내부의 이물질을 고려하여 약 80%를 적용하여 탐촉자 외경을 정하였다.
- 따라서, 이 실험에서는 자성체 튜브에 대한 주파수 혼합기법의 적용성을 평가하기 위해서 3개 시험주파수 10, 50, 100 kHz에서 튜브 지지판 링의와전류신호의 위상각을 측정하여 주파수 혼합기법의 적용 가능 여부를 평가하였다. 또한, 튜브 지지판 부위에 결함이 위치할 때 결함 특성화의 가능성을 평가하기 위해서 신호 변화를 관찰하였으며, 깊이가 다른 결함에 지지판 링을 위치시켜 이때 생성되는 신호를 분석하였다.
- 마모성 결함의 크기측정을 위해서 360° 원주방향 마모결함을 이용하여 진폭-대-% 튜브두께 교정곡선을 작성하였다.
- 자성체 튜브에 대한 자기 포화 와전류탐상 검사 기법의 결함 검출 및 깊이 측정 정확도를 분석하기 위해서 관통공, 평저공 등의 인공결함이 포함된 결함시험 편을 이용하였다. 시험 편에 포함된 결함의 깊이를 측정하여 자기 포화 와 전류기법의 결함 측정 정확도를 분석하였다. 이를 위해서 먼저 교정시험 편에 포함된 관통공과 평저공의 위상각을 이용하여 위상각-대-결함 깊이 교정 곡선을 작성한 다음 결함시험편 내에 포함된 인공결함의 위상각을 측정하여 각결함의 깊이를 평가하였다.
- 열교환기 튜브 지지판과 같은 외부 구조물이 와전류 신호에 미치는 영향을 분석하기 위해서 두께 15 mm, 직경 50 mm의 탄소강링을 각결함부위에 위치시켜 이때 발생하는 와전류 신호의 변화를 관찰하였다. 비자성체 튜브의 와전류 검사에서는 일반적으로 튜브 지지판 부위에 발생할 수 있는 결함을 평가하기 위해서 주파수 혼합기법을 사용하여 구조물 신호를 소거한다.
- 자석의 자속밀도가 위상각에 미치는 영향을 분석하기 위해서 탐촉자 코일 하부에 설치된 자석 개수를 증가시켜 자속밀도 변화에 따른 위상각 변화를 관찰하였다. 이를 위해서 20, 50, 100 kHz의 3개 시험 주파수에서 깊이가 각각 20%, 40%, 60%인 3개 평저공의 위상각을 측정하였으며, 이 세 가지 위상각 중에서 최저 깊이인 20%와 최고 깊이인 60% 평저 공 신호의 위상각 차이를 비교하였다. 또한, 주파수 변화에 따른 위상각 변화를 관찰하기 위해서 위상각 차이가 최대로 발생하는 자속밀도에서 깊이가 20%, 40%, 60%인 3개 평저공의 위상각을 측정하였으며 시험 주파수는 20, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600 KHz에서 측정하였다.
- 시험 편에 포함된 결함의 깊이를 측정하여 자기 포화 와 전류기법의 결함 측정 정확도를 분석하였다. 이를 위해서 먼저 교정시험 편에 포함된 관통공과 평저공의 위상각을 이용하여 위상각-대-결함 깊이 교정 곡선을 작성한 다음 결함시험편 내에 포함된 인공결함의 위상각을 측정하여 각결함의 깊이를 평가하였다. 평가에 사용된 주파수는 50 kHz를 기본 주파수로 사용하였으며 보조주파수로서 100 kHz와 200 kHz를 사용하였다.
- 자속밀도 변화에 따라 탐촉자 코일이 위치한 근처 튜브의 투자율이 변화되어 와전류신호에 영향을 미치기 때문이다. 이를 위해서 영구자석 자속밀도가 각각 0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.5, 2.6, 2.7 kG에서 발생하는 와전류 로브신호의 변화를 관찰하여 최적로브형상이 얻어지는 자석의 자속밀도를 확인하였다.
- 따라서, type-439 스테인레스 강 튜브 검사에 필요한 최적의 자속밀도를 결정하기 위해서 탐촉자 코일 하부에 위치한 자석의 자속밀도 변화가와전류신호의 S/N 비에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해서 탐촉자를 구성하는 자석의 수량을 증가시면서 이에 따른 신호 변화를 관찰하여와전류신호의 S/N 비를 측정하였다. 코일 하부의 위치한 영구자석 뭉치를 구성하는 각자석의 치수는 외경이 8 mm, 두께가 5 mm이며 자속밀도는 약 1.
- 각 주파수에서 얻어진 신호의 위상각 차이는 약 1°～2°로서 매우 작아 주파수 혼합에 의한 지지판 신호 소거가 이루어지지 않았다. 이에 따라 튜브 지지판 부위에 위치한 평저공과 마모성 결함의 리사주신호 변화를 관찰하였다. 평저공은 지지판 신호형상 변화에 거의 영향을 미치지 않아 평저공의 검출이 어려웠으나 (Fig.
- 1 kG/개 이다. 이와 같은 영구자석을 하나씩 증가시키면서 자속밀도 증가에 따른 S/N 비 변화를 관찰하였다. 즉 영구자석 자속밀도가 0, 2.
- 자석 자속밀도가 와전류신호의 “8”자형 로브신호 형상에 미치는 영향을 분석하기 위해서 영구자석을 하나씩 증가시키면서 자속밀도 증가에 따른 와전류 신호 로브 형상변화를 관찰하였다.
- 자석의 자속밀도가 위상각에 미치는 영향을 분석하기 위해서 탐촉자 코일 하부에 설치된 자석 개수를 증가시켜 자속밀도 변화에 따른 위상각 변화를 관찰하였다. 이를 위해서 20, 50, 100 kHz의 3개 시험 주파수에서 깊이가 각각 20%, 40%, 60%인 3개 평저공의 위상각을 측정하였으며, 이 세 가지 위상각 중에서 최저 깊이인 20%와 최고 깊이인 60% 평저 공 신호의 위상각 차이를 비교하였다.
- 자속밀도가 와 전류 로브신호 형상에 미치는 영향을 분석하기 위해서 영구자석 자속밀도를 각각 0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.5, 2.6, 2.7 kG로 증대시켜 이때 형성되는 신호형상 변화를 관찰하였다. 신호는 Fig.
- 즉 영구자석 자속밀도가 0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.5, 2.6, 2.7 kG에서 발생하는 신호의 S/N비 변화를 관찰하였으며, 결함 깊이가 튜브두께의 60%인 평저공 신호진폭을 1 volt, 위상각을 40°로 설정한 상태에서 평저공 진폭과 100% 관통공의 진폭비를 측정하여 평균값으로 S/N 비를 구하였다.
- 또한, 주파수 변화에 따른 위상각 변화를 관찰하기 위해서 위상각 차이가 최대로 발생하는 자속밀도에서 깊이가 20%, 40%, 60%인 3개 평저공의 위상각을 측정하였으며 시험 주파수는 20, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600 KHz에서 측정하였다. 최저 깊이인 20%와 최고 깊이인 60% 평저공에서 발생한 위상각 차이를 비교하였다.
- 탐촉자 코일에 가해지는 주파수 변화에 따른 위상각의 퍼짐 정도를 분석하기 위해서 시험 주파수를 5, 10, 20, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600 kHz로 변화시키며 각 주파수에서 깊이가 20%인 평저공과 60%인 평저공의 위상각 퍼짐을 관찰한 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 위상각 퍼짐은 50 kHz에서 가장 크게 19°가 발생하였다.
- 또한, 코일 주변 자장의 집속을 위해서 구리원판을 자석의 전후방에 배치하였다. 탐촉자의 충진율은 현장에 설치된 열교환기 튜브 내부의 이물질을 고려하여 약 80%를 적용하여 탐촉자 외경을 정하였다. 탐촉자 케이블은 원격검사에 필요한 길이로서 약 25 m의 RG-174 동축 케이블(C값: 101㎊/m)을 사용하였다.
- 탐촉자의 코일이 위치하는 튜브 벽을 효율적으로 자화시키기 위해서 영구자석을 Fig. 3에서와 같이 코일 하부에 배치하였으며, 자석의 외 경 치수는 코일의 두께를 제외한 최대 크기(8 mm)로 정하였다. 자석의 길이는 코일폭(5 mm)보다 크게 하였으며 자석은 자속밀도가 높은 희토류 자석을 사용하였다.
- 튜브 지지판 부위에 발생한 결함 신호를 평가하기 위해서 3개 시험 주파수 10, 50, 100 kHz에서 얻어진 튜브 지지판에 대한 3개 리사주 신호의 위상각 차이를 관찰하였다. 각 주파수에서 얻어진 신호의 위상각 차이는 약 1°～2°로서 매우 작아 주파수 혼합에 의한 지지판 신호 소거가 이루어지지 않았다.
대상 데이터
- 교정 및 표준시험 편은 터빈습분분리재열기 튜브와 동일한 사양인 type-439 스테인레스 강 튜브를 사용하여 제작하였다. Type-439 스테인레스 강 튜브의 치수는 외경 19.05 mm, 내경 14.2 mm, 관두께 1.07 mm 이다. 자성체와전류검사 시스템의 교정을 위한 교정시험 편은 Fig.
- 4에서와 같이 ASME 코드 요건에 따른 시험편을 제작하였으며, 교정시험 편에 포함된 인공결함은 관통공(TWH: through wall hole), 평저공(FBH: flat bottomed hole), 원주 외경 및 내경 그루브(OD & ID groove)이다. 결함 시험편은 교정시험편과 치수가 다른 관통공, 평저공, 원주 외경 및 내경 그루브를 포함하고 있다. 깊이 측정에 사용된 관통공과 360°원주 그루브의 깊이는 동일하게 각각 튜브 두께의 10%, 20%, 40%, 50%, 60%, 80%, 100%이다.
- 교정 및 표준시험 편은 터빈습분분리재열기 튜브와 동일한 사양인 type-439 스테인레스 강 튜브를 사용하여 제작하였다. Type-439 스테인레스 강 튜브의 치수는 외경 19.
- 탐촉자 케이블은 원격검사에 필요한 길이로서 약 25 m의 RG-174 동축 케이블(C값: 101㎊/m)을 사용하였다. 자기 포화보빈코일은 직경이 0.14 mm인 동선 와이어를 사용하여 권선수가 약 130인 코일을 제작하여 사용하였다.
- 3에서와 같이 코일 하부에 배치하였으며, 자석의 외 경 치수는 코일의 두께를 제외한 최대 크기(8 mm)로 정하였다. 자석의 길이는 코일폭(5 mm)보다 크게 하였으며 자석은 자속밀도가 높은 희토류 자석을 사용하였다. 또한, 코일 주변 자장의 집속을 위해서 구리원판을 자석의 전후방에 배치하였다.
- 자성체 와전류검사 시스템의 교정을 위한 교정시험편은 Fig. 4에서와 같이 ASME 코드요건에 따른 시험편을 제작하였으며, 교정시험편에 포함된 인공결함은 관통공(TWH: through wall hole), 평저공(FBH: flat bottomed hole), 원주 외경 및 내경 그루브(OD & ID groove)이다.
- 자성체 튜브에 대한 자기 포화 와전류탐상 검사 기법의 결함 검출 및 깊이 측정 정확도를 분석하기 위해서 관통공, 평저공 등의 인공결함이 포함된 결함시험 편을 이용하였다. 시험 편에 포함된 결함의 깊이를 측정하여 자기 포화 와 전류기법의 결함 측정 정확도를 분석하였다.
- 탐촉자의 충진율은 현장에 설치된 열교환기 튜브 내부의 이물질을 고려하여 약 80%를 적용하여 탐촉자 외경을 정하였다. 탐촉자 케이블은 원격검사에 필요한 길이로서 약 25 m의 RG-174 동축 케이블(C값: 101㎊/m)을 사용하였다. 자기 포화보빈코일은 직경이 0.
- 이를 위해서 먼저 교정시험 편에 포함된 관통공과 평저공의 위상각을 이용하여 위상각-대-결함 깊이 교정 곡선을 작성한 다음 결함시험편 내에 포함된 인공결함의 위상각을 측정하여 각결함의 깊이를 평가하였다. 평가에 사용된 주파수는 50 kHz를 기본 주파수로 사용하였으며 보조주파수로서 100 kHz와 200 kHz를 사용하였다. 기본 주파수에서 각결함의 위상각을 10회씩 측정, 평균값을 구하여 각결함에 대한 깊이 측정 RMSE를 구하였다.
- 11에 나타내었으며, 각 결함형태에 대한 리샤주 신호형상은 비자 성체 튜브에 대한 보빈탐촉자 신호형상과 거의 동일하였다. 평저공과 마모성 결함에 대한 크기 측정 정확도 측정을 위해서 평저공결함과 마모 결함이 각각 포함된 두 가지 종류 결함시험편을 사용하였다.
데이터처리
- 사 TC-5800장비와 신호분석을 위한 프로그램은 EddyView를 사용하였다. EddyView 프로그램이 설치된 컴퓨터에서 신호를 취득하여 분석하였다. 또한, 자석의 자화력 측정에는 F.
- 두 가지 형태의 결함에 대한 크기 측정을 위해서 평저 공 결함은 위상각 분석 기법을 적용하였으며 마모 결함은 진폭 분석 기법을 적용하였다. 각 기법의 측정 정확도는 각결함 형태별로 깊이가 다른 7개 결함에 대한 튜브 두께 깊이(%)를 10회씩 측정하여 RMS 오차를 구하여 정확도를 비교하였다.
- 평가에 사용된 주파수는 50 kHz를 기본 주파수로 사용하였으며 보조주파수로서 100 kHz와 200 kHz를 사용하였다. 기본 주파수에서 각결함의 위상각을 10회씩 측정, 평균값을 구하여 각결함에 대한 깊이 측정 RMSE를 구하였다.
- 균열성 결함의 크기 측정을 위해서 평저공(FBH) 결함을 이용하여 위상각-대-% 튜브 두께 교정곡선을 작성하였다. 이 교정 곡선을 사용하여 깊이가 다른 7개 평저 공 결함에 대한 튜브 두께 깊이(%)를 10회씩 측정하여 측정 RMS 오차를 구하였으며 그 분석 결과를 Fig. 12, 13에 나타내었다. 깊이가 다른 7개 평저공에 대한 포화와전류검사 기법의 깊이 측정 평균 오차는 RMS 20%로서 깊이가 얕은 결함일수록 측정오차가 크고 깊이가 깊을수록 측정 오차가 감소하는 경향을 나타내었다.
- 마모성 결함의 크기 측정을 위해서 360°원주방향 마모 결함을 이용하여 진폭-대-% 튜브 두께 교정곡선을 작성하였다. 이 교정 곡선을 이용하여 깊이가 다른 7개 마모성 결함에 대한 튜브 두께 깊이(%)를 10회씩 측정하여 측정 RMS 오차를 구하였으며 그 분석 결과를 Fig. 14에 나타내었다. 깊이가 다른 7개 마모성 결함에 대한 포화와전류검사 기법의 깊이 측정 평균 오차는 RMS 16%로서 깊이가 얕은 결함일수록 측정오차가 크고 깊을수록 측정 오차가 감소하는 경향을 나타내었다.
이론/모형
- 두 가지 형태의 결함에 대한 크기 측정을 위해서 평저 공 결함은 위상각 분석 기법을 적용하였으며 마모 결함은 진폭 분석 기법을 적용하였다. 각 기법의 측정 정확도는 각결함 형태별로 깊이가 다른 7개 결함에 대한 튜브 두께 깊이(%)를 10회씩 측정하여 RMS 오차를 구하여 정확도를 비교하였다.
- EddyView 프로그램이 설치된 컴퓨터에서 신호를 취득하여 분석하였다. 또한, 자석의 자화력 측정에는 F.W.Bell사의 model-6010 Gaussmeter를 사용하였다.
- 자기 포화 와전류탐상 검사 시스템을 구성하는 와전류 주파수 발생 및 취득을 위한 장치로서 R&D Tech.사 TC-5800장비와 신호분석을 위한 프로그램은 EddyView를 사용하였다. EddyView 프로그램이 설치된 컴퓨터에서 신호를 취득하여 분석하였다.
성능/효과
- 1) 자기포화 와전류탐상 검사 기법에 의해 자성체 튜브에 가공된 모든 인공결함(평저공 및 마모)의 검출이 가능하였다.
- 2) 평저공에 대한 크기 측정 정확도는 RMSE 20%로서 깊이가 얕은 결함일수록 오차가 크고 깊을수록 오차가 감소하는 경향을 나타낸다.
- 3) 마모에 대한 크기 측정 정확도는 RMSE 16%로서 깊이가 얕은 결함일수록 오차가 크고 깊을수록 오차가 감소하는 경향을 나타낸다.
- 4) Type-439 스테인레스 강핀 튜브 검사에 필요한 포화자속밀도는 약 2.5 kG이며, 이자 속밀도에서 위상각 분리가 최대로 발생한다.
- 14에 나타내었다. 깊이가 다른 7개 마모성 결함에 대한 포화와전류검사 기법의 깊이 측정 평균 오차는 RMS 16%로서 깊이가 얕은 결함일수록 측정오차가 크고 깊을수록 측정 오차가 감소하는 경향을 나타내었다. 회귀선도에 대한 상관계수는 0.
- 12, 13에 나타내었다. 깊이가 다른 7개 평저공에 대한 포화와전류검사 기법의 깊이 측정 평균 오차는 RMS 20%로서 깊이가 얕은 결함일수록 측정오차가 크고 깊이가 깊을수록 측정 오차가 감소하는 경향을 나타내었다. 회귀선도에 대한 상관계수는 0.
- 5 kG 이상에는 S/N 비의 변화가 거의 발생하지 않았다. 따라서, type-439 스테인레스 강핀튜브 검사에 필요한 와전류 탐촉자 자석의 적절한 자속밀도는 대략 2.5 kG 근처가 되는 것을 알 수 있다.
- 자기 포화와전류검사 기법을 적용하여 type-439 스테인리스 강 튜브 결함시험 편에 포함된 관통공, 평저공, 마모, 외경 및 내경 그루브 등의 모든 형태의 결함이 검출되었다. 이들 결함 형태에 대한 자기 포화 와전류 검사 신호의 스트립차트 신호를 Fig.
- 6에 나타내었다. 최저 깊이인 20%와 최고 깊이인 60% 평저공에서 발생한 위상각 차이를 측정하였으며, 그림에서와 같이 자속밀도를 증대시킴에 따라 2.5 kG까지는 위상각 퍼짐이 증대되었으나, 이후부터는 위상각이 감소하였다. 즉 type-439 스테인레스 강핀튜브 검사에 필요한 자속밀도는 대략 2.
- 10).특히 리사주 신 호형상 변화보다 신호 진폭 전압이 보다 크게 변하여 지지판 부위에 마모성 결함이 발생한 것을 구분할 수 있었다. 지지판 부위에 위치한 마모성 결함에 의한 진폭 변화를 측정하여 마모 깊이를 추정하기 위해서 깊이가 다른 마모성 결함을 지지판 부위에 위치시켜 진폭을 측정한 결과 마모깊이-대-진폭 전압의 상관관계가 선형적으로 이루어지지 않아 마모 깊이 추정이 되지 않았다.
후속연구
- 6) 상기와 같은 능력을 가진 자기 포화 와전류 검사 기법을 현장에 적용할 경우 자성체열 교환기 튜브건전성평가를 위한 비파괴검사에 유용하게 활용될 것으로 사료된다.
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