유도초음파는 현재 산업설비의 배관 등 장거리 탐상에 널리 사용되고 있으며, 특히, 길이가 수백 미터에서 수 km에 달하는 가스 배관의 검사를 위하여 다수의 탐촉자를 이용한 배열 유도초음파 기술의 개발 및 적용이 확대되고 있다. 따라서, 본 연구에서는, 배관의 원거리 검사능 및 정밀도 향상을 위하여 배열 유도초음파의 집속 알고리즘을 개발하였으며, 개발 알고리즘의 성능을 개발 배열 초음파 시스템을 이용한 실험을 통하여 검증하였다. 그 결과 집속 알고리즘을 적용한 배열 유도초음파의 신호대 잡음비(SNR : signal to noise ratio)가 집속 알고리즘을 적용하지 않은 경우에 비해 향상됨을 알 수 있었다.
유도초음파는 현재 산업설비의 배관 등 장거리 탐상에 널리 사용되고 있으며, 특히, 길이가 수백 미터에서 수 km에 달하는 가스 배관의 검사를 위하여 다수의 탐촉자를 이용한 배열 유도초음파 기술의 개발 및 적용이 확대되고 있다. 따라서, 본 연구에서는, 배관의 원거리 검사능 및 정밀도 향상을 위하여 배열 유도초음파의 집속 알고리즘을 개발하였으며, 개발 알고리즘의 성능을 개발 배열 초음파 시스템을 이용한 실험을 통하여 검증하였다. 그 결과 집속 알고리즘을 적용한 배열 유도초음파의 신호대 잡음비(SNR : signal to noise ratio)가 집속 알고리즘을 적용하지 않은 경우에 비해 향상됨을 알 수 있었다.
Ultrasonic guided waves have been widely utilized for long range inspection of structures. Especially, development of array guided waves techniques and its application for long range gas pipe lines(length of from hundreds meters to few km) were getting increased. In this study, focusing algorithm fo...
Ultrasonic guided waves have been widely utilized for long range inspection of structures. Especially, development of array guided waves techniques and its application for long range gas pipe lines(length of from hundreds meters to few km) were getting increased. In this study, focusing algorithm for array guided waves was developed in order to improve long range inspectability and accuracy of the array guided waves techniques for long range inspection of gas pipes, and performance of the developed techniques was verified by experiments using the developed array guided wave system. As a result, S/N ratio of array guided wave signals obtained with the focusing algorithm was increased higher than that of signals without focusing algorithm.
Ultrasonic guided waves have been widely utilized for long range inspection of structures. Especially, development of array guided waves techniques and its application for long range gas pipe lines(length of from hundreds meters to few km) were getting increased. In this study, focusing algorithm for array guided waves was developed in order to improve long range inspectability and accuracy of the array guided waves techniques for long range inspection of gas pipes, and performance of the developed techniques was verified by experiments using the developed array guided wave system. As a result, S/N ratio of array guided wave signals obtained with the focusing algorithm was increased higher than that of signals without focusing algorithm.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 장거리 배관의 진단을 위한 배열 유도초음파의 집속 기술 및 배열 유도 초음파 시스템을 개발하였다. 개발한 집속 기법과 시스템을 이용하여 ASTM A106 배관에 존재하는 관통홀, 노치, 자연결함에 대한 배열유도초음파 집속 실험을 통해 개발 배열 유도 초음파 집속 기술의 성능을 평가하였다.
제안 방법
본 연구에서는 장거리 배관의 진단을 위한 배열 유도초음파의 집속 기술 및 배열 유도 초음파 시스템을 개발하였다. 개발한 집속 기법과 시스템을 이용하여 ASTM A106 배관에 존재하는 관통홀, 노치, 자연결함에 대한 배열유도초음파 집속 실험을 통해 개발 배열 유도 초음파 집속 기술의 성능을 평가하였다. 본 연구를 통하여 산업설비 배관의 노후화에 따른 배관 결함 혹은 부식 등을 검출하기 위해서는 배열 유도 초음파 기술과 함께 배열 유도 초음파 집속 기술을 적용하는 것이 결함 검출능의 평가 인자인 신호대 잡음비의 향상을 통해 보다 정밀한 배관 비파괴 진단이 가능할 것으로 사료된다.
배열 유도초음파를 이용하여 집속 성능을 수행하기 전에 각각의 탐촉자의 원주방향 각도에 따른 진폭의 분포를 파악하기 위하여 단일탐촉자를 이용하여 원주방향 각도에 따른 진폭 변화 실험을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 Fig. 7과 같이 8개의 탐촉자를 원주방향으로 45° 간격으로 배치하기 위한 지그를 제작하고, 제작한 지그를 세가지 형태의 결함 (관통홀, 노치, 자연 결함)이 내재된 시험 배관에 장착하여 실험을 수행 하였다.
본 연구에서는 원주방향 배 열형 탐촉자를 이용하여 송·수신 집속 알고리즘을 개발 및 적용하여 배열 유도초음파의 집속을 통한 결함 검출능을 향상시켰다.
유도초음파는 입사각에 따라 모드가 변화하게 되는데, L (0,1) 모드를 발생시키기 위해서 입사각이 67°인 웻지를 설계, 제작하였다.
각각의 배열 탐촉자를 구동하기 위해서 8채널의 초음파 펄서/리시버가 제작되었다. 이 펄서/리시버는 일정한 시간지연을 가지고 각각의 요소 탐촉자를 구동하여 유도초음파를 집속해야 하기 때문에, Fig. 4와 같은 순차적 트리거 회로를 개발하고, 수신된 신호를 주어진 시간 지연을 적용하여 통합하는 프로그램을 개발하였다.
대상 데이터
6 Mhz이다. 각각의 배열 탐촉자를 구동하기 위해서 8채널의 초음파 펄서/리시버가 제작되었다. 이 펄서/리시버는 일정한 시간지연을 가지고 각각의 요소 탐촉자를 구동하여 유도초음파를 집속해야 하기 때문에, Fig.
배열 유도초음파의 집속성능을 평가하기 위해서 Fig. 8의 (a)∼(c)는 지름 5 mm 관통홀, 2 mm ×30 mm × 2 mm 노치형 결함과 자연 결함으로 이루어진 세 가지의 mock-up 시험편을 사용하였다.
유도초음파는 입사각에 따라 모드가 변화하게 되는데, L (0,1) 모드를 발생시키기 위해서 입사각이 67°인 웻지를 설계, 제작하였다. 재질은 아크릴이며, 종파속도는 2720 m/s이다. Fig.
총 8개의 탐촉자를 사용하였고, 각 요소 탐촉자의 크기는 0.5'×1' 이며 중심주파수는 0.6 Mhz이다.
이론/모형
7과 같이 8개의 탐촉자를 원주방향으로 45° 간격으로 배치하기 위한 지그를 제작하고, 제작한 지그를 세가지 형태의 결함 (관통홀, 노치, 자연 결함)이 내재된 시험 배관에 장착하여 실험을 수행 하였다. 또한, 배열 유도초음파를 결함의 위치 (원주방향 및 길이 방향 위치) 집속하기 위한 시간 지연을 2.2절에 언급한 시간지연 알고리즘을 이용하여 구하였다. Table 1은 ASTM A106 배관에 길이 1 m, 원주방향 각도는 0° 위치에 배열 유도 초음파를 집속하기 위한 시간 지연을 계산한 결과를 나타내고 있다.
여기서 각각의 모드들이 가지는 위상속도로부터 Snell의 법칙을 이용하여 해당 모드의 입사각을 다음과 같이 계산할 수 있다.
후속연구
그러나, 본 연구에서 개발한 기술은 결함에 대한 위치 정보를 기반으로 집속을 위한 시간 지연을 산정 기술로서, 향후에는 배열 유도초음파 집속 기술을 통해 구한 시간지연 값을 토대로 배관의 검사 영역을 설정하고, 주어진 검사 영역에 유도초음파를 집속할 수 있는 시간지연 matrix 산정 기술과, 전자적 스캔을 통한 배관의 결함 이미지를 구축 연구가 필요로 할 것으로 사료된다.
9에 보인바와 같이, 배열 유도 초음파 집속 알고리즘을 적용하였을 때 획득한 결함 신호가 집속 알고리즘을 적용하지 않은 신호에 비해 S/N 비가 우수함을 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서 개발한 배열 유도초음파 탐상 시스템과 시간 집속 알고리즘을 적용하면 배열 유도초음파 시험의 배관 내재 결함에 대한 검출능이 향상 될 것으로 사료된다.
개발한 집속 기법과 시스템을 이용하여 ASTM A106 배관에 존재하는 관통홀, 노치, 자연결함에 대한 배열유도초음파 집속 실험을 통해 개발 배열 유도 초음파 집속 기술의 성능을 평가하였다. 본 연구를 통하여 산업설비 배관의 노후화에 따른 배관 결함 혹은 부식 등을 검출하기 위해서는 배열 유도 초음파 기술과 함께 배열 유도 초음파 집속 기술을 적용하는 것이 결함 검출능의 평가 인자인 신호대 잡음비의 향상을 통해 보다 정밀한 배관 비파괴 진단이 가능할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
산업설비 배관의 건전성 평가를 위하여 수행된 방법들은?
산업설비 배관의 건전성 평가를 위하여 일반적인 비파괴 탐상 기법인 초음파탐상(UT), 방사선투과시험(RT), 와전류탐상(ECT), 자속누설탐상(MFL)들이 수행되어 왔으나, 시간의 제약과 경비의 문제로 인하여 대두된 효과적인 방법이 유도초음파 검사방법이다. 유도초음파 탐상기법은 배관내 고정된 지점으로부터 원거리의 위치를 탐상할 수 있는 장점 때문에 전세계 각국에서 유도초음파 탐상기법에 대한 연구가 활발히 진행되었다[1-4].
유도초음파 탐상기법의 장점은?
산업설비 배관의 건전성 평가를 위하여 일반적인 비파괴 탐상 기법인 초음파탐상(UT), 방사선투과시험(RT), 와전류탐상(ECT), 자속누설탐상(MFL)들이 수행되어 왔으나, 시간의 제약과 경비의 문제로 인하여 대두된 효과적인 방법이 유도초음파 검사방법이다. 유도초음파 탐상기법은 배관내 고정된 지점으로부터 원거리의 위치를 탐상할 수 있는 장점 때문에 전세계 각국에서 유도초음파 탐상기법에 대한 연구가 활발히 진행되었다[1-4]. 또한, 국내에서도 산업설비 배관 시설의 노후화 문제를 해결하기 위하여 가스배관의 결함 탐지에 대한 연구가 수행된바 있다[5].
배열형 탐촉자를 축방향으로 배치하여 모드를 선택적으로 발생시키는 연구가 이뤄진 배경은?
그러나 유도초음파는 일반적인 종파와 횡파와는 달리 각 파동모드의 속도가 주파수에 따라 변화하는 분산적(dispersive)특성을 가지고 있기 때문에, 유도초음파의 신호를 정확하게 발생시키고 이를 수신하여 판독하기 위해서는 피검체의 형상, 두께, 재질, 입사각 및 주파수 등의 탐상조건에 따라 유도 초음파의 모드를 예측하고 이에 따라 신호 해석이 가능해야 한다.
참고문헌 (9)
송성진, 김영환, 이동훈, 이현동, 배철호, 박정훈, '스케일이 있는 급수관내의 유도초음파의 전파 특성에 관한 연구', 비파괴검사학회지, Vol. 23, No. 1, pp. 1-6, (2003)
D. C. Gazis, 'Three-dimensional investigation of the propagation of waves in hollow circular cylinders. I. analytical foundation,' J. Acoust. Soc. Am., Vol. 31, No. 5, pp. 568-573, May (1959)
J. J. Ditri and J. L. Rose, 'Excitation of guided wave modes in hollow cylinders by applied surface tractions,' J. App. Phys., Vol. 72, No. 7, pp. 2589-2597, (1992)
Jian Li and Joseph L. Rose, 'Angular-profile tuning of guided waves in hollow cylinders using a circumferential phased array,' IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 49, No. 12, (2002)
Jian Li and Joseph L. Rose, 'Implementing guided wave mode control by use of a phased transducer array,' IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 48, No. 3, (2001)
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.