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원전 구조물 결함 탐지를 위한 음향방출 신호 처리 방안에 대한 기초 연구
The Basic Study on the Method of Acoustic Emission Signal Processing for the Failure Detection in the NPP Structures 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.29 no.5, 2009년, pp.485 - 492  

김종현 (한국항공대학교 대학원) ,  김재성 (한국항공대학교 대학원) ,  이정 ((주)세안기술) ,  곽노권 ((주)세안기술) ,  이보영 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

초록
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열피로균열은 원자력발전소의 운영 과정에서 구조물의 수명을 결정짓는 문제로 정량적인 탐지가 어렵다. 현재 산업현장에서 구조물에 대한 건전성을 정량적으로 평가하기 위해서 radiographic탐상 및 초음파탐상, eddy current 등 다양한 종류의 비파괴검사 기술이 사용되고 있지만, 위에 열거한 비파괴탐상법의 경우 균열이 일정부분 진행된 이후에나 검출이 가능하다는 제한 사항이 있다. 이러한 이유로 구조물에 대한 연속적인 모니터링이 가능한 장점을 가진 음향방출탐상법(acoustic emission testing)이 대안적인 검사방법으로 제시되고 있다. 일반적으로 구조물이나 장비의 건전성에 영향을 미치는 모든 요인들이 음향방출 신호의 발생을 일으키기 때문에, 음향방출을 이용한 결함 탐상시 함께 발생하는 노이즈를 구분하는 일은 음향방출을 연구하는 대부분의 연구원의 주요 업무중 하나라고 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 열피로 사이클 조건에서의 배관에 대한 음향방출 신호를 수집하여 유효한 균열 신호를 노이즈로부터 구분하고자 하는 목적으로 진행되었다. 그 방법으로 유사한 조건에서 실시한 결과를 이용하여 노이즈 필터링 조건을 설정하였으며, 균열의 신호를 찾아내기 위한 방법으로 음향파형(waveform) 구분법을 제시하였다. 이 실험에서 도출된 결과는 구조물의 결함을 탐지하는 실시간 연속적 모니터링 기술 개발에 대한 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The thermal fatigue crack(TFC) is one of the life-limiting mechanisms at the nuclear power plant operating conditions. In order to evaluate the structural integrity, various non-destructive test methods such as radiographic test, ultrasonic test and eddy current are used in the industrial field. How...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이에 따라 본 연구는 원전 구조물에서 실제 균열이 발생하는 환경과 유사한 조건으로 열피로균열 제작할 수 있는 장치를 구성하고, 균열이 발생하는 초기 시점과 위치를 파악하기 위해 ASTM 569-02에 따라 실제 균열이 발생할 때와 유사한 신호를 발생하는 연필심 파괴시험(pencil lead break)을 통해 얻어진 음향 신호를 분석하여 냉각수에 의한 음향 노이즈를 필터링 하였다. 또한, 본 실험에서 사용한 필터링 방법을 검증하기 위해 실제 열피로균열을 제작하여 균열 발생에 대한 실시간 모니터링의 가능성을 판단하였다.
  • 이에 따라 본 연구는 원전 구조물에서 실제 균열이 발생하는 환경과 유사한 조건으로 열피로균열 제작할 수 있는 장치를 구성하고, 균열이 발생하는 초기 시점과 위치를 파악하기 위해 ASTM 569-02에 따라 실제 균열이 발생할 때와 유사한 신호를 발생하는 연필심 파괴시험(pencil lead break)을 통해 얻어진 음향 신호를 분석하여 냉각수에 의한 음향 노이즈를 필터링 하였다. 또한, 본 실험에서 사용한 필터링 방법을 검증하기 위해 실제 열피로균열을 제작하여 균열 발생에 대한 실시간 모니터링의 가능성을 판단하였다.

가설 설정

  • 이러한 신호의 특징으로는 결함으로 의심되는 진폭영역인 70 ~ 75 dB보다 5 ~ 10% 정도 큰 진폭을 나타내며, 실험 전체 구간에서 나타나지만 주로 실험 초기에 집중적으로 발생한다. 따라서 (d) 유형의 음향 신호는 주변 환경에 의해 생성된 노이즈라고 판단된다.
  • 또한, 산업현장에서 사용하는 음향방출 신호 검출 기준에 따르면 10 ms 이상의 지속시간(duration)을 갖는 hit의 경우 노이즈로 간주한다. 이에 따라 본 실험에서도 10 ms 이상의 지속 시간을 가지는 hit는 노이즈로 규정하고 제거하였다. 또한, 가열시 나타나는 음향 신호의 경우, 문턱값 측정방법을 Float으로 설정하여 제거하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
원자력발전의 의의는? 원자력발전은 그 기능상 국가 산업의 중추역할을 하는 발전 산업으로, 국내 총발전량에서 원자력발전이 차지하는 비중이 점점 증가하여 국내 발전량의 반 이상을 차지하고 있다. 그러나 국내에 건설되어져 있는 원자력발전설비들의 경우 설계수명이 다되어가고 있어 정밀 안전진단의 필요성이 높아지는 추세이다.
국내 원자력발전설비들의 안전진단의 필요성이 높아지는 이유는? 원자력발전은 그 기능상 국가 산업의 중추역할을 하는 발전 산업으로, 국내 총발전량에서 원자력발전이 차지하는 비중이 점점 증가하여 국내 발전량의 반 이상을 차지하고 있다. 그러나 국내에 건설되어져 있는 원자력발전설비들의 경우 설계수명이 다되어가고 있어 정밀 안전진단의 필요성이 높아지는 추세이다. 이에 안전사고가 발생하기 전 발전설비의 건전성을 지속적이고 실시간으로 평가할 수 있는 기술의 개발이 필요한 시점이다[1].
냉각 사이클에서 노이즈 신호를 제거하기 위해 어떤 방법을 사용하였나? 냉각 사이클에서는 균열 발생에 따른 음향 신호 이외에 냉각수가 흐름에 따라 발생하는 노이즈 신호가 함께 수집된다. 이러한 노이즈 신호를 제거하기 위해 냉각수만 흐르는 경우와 냉각수가 흐를 때 균열 발생 현상을 모사하기 위한 연필심 파괴시험을 실시한 경우로 구분하여 음향 신호를 획득하였으며, 두 가지 경우의 음향신호를 비교 분석하여 냉각수에 의해 발생하는 노이즈 신호를 필터링하였다. 연필심 파괴시험을 통해 균열 발생 신호가 74~ 78 dB의 진폭을 가지는 것을 확인하였으며, 노이즈 제거를 위한 필터링 기준으로 균열 발생 범위보다 작은 진폭인 73 dB를 잡음 제거시 진폭기준값으로 적용하였다.
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참고문헌 (11)

  1. S. Ensha, Handbook of Case Histories in Failure Analysis (1st Edition), ASM Vol. 2, pp. 363-367 (1993) 

  2. D. H. Hur, M. S. Choi, D. H. Lee and J. H. Han, 'Fabrication and use of corrosion defect specimens for enhancement of ECT reliability for nuclear steam generator tubing,' Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 20, No. 5, pp. 451-456 (2000) 

  3. Y. Kim, J. S. Kim and B. Y. Lee, 'Development the technique for fabrication of the thermal fatigue crack to enhance the reliability of structural component in NPPs,' Journal of KWJS, Vol. 26, No. 2, pp.141-151, (2008) 

  4. J. O. Lee, W. H. Yoon, T. H. Lee and J. K. Lee, 'Pre-service acoustic emission testing for metal pressure vessel,' Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 3, No. 3, pp. 280-284 (2003) 

  5. J. O. Lee, J. S. Lee, U. H. Yoon and S. H. Lee, 'Evaluation of adhesive bonding quality by acoustic emission,' Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 16, No. 2, pp. 79-85 (1996) 

  6. S. D. Kim, W. G. Jung, J. O. Lee and Y. J. Jung, 'Characterization of acoustic emission signal for welding flaw and stress corrosion of SPPH steels,' Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 27, No. 2, pp. 97-104 (2007) 

  7. L. Virkkunen, M. Kemppainen and H. H $\"{a}$ nninen, 'Residual stresses induced by cyclic thermal loads,' The Sixth International Conference on Residual Stresses, ICRS-6, pp. 529-536 Oxford, UK. (2000) 

  8. S. A. H $\ddot{a}$ nninen, H. and Hakala, J., 'Pipe failure caused by thermal loading in BWR water conditions,' International Journal of Pressure Vessel & Piping, Vol. 9, pp. 445-455 (1981) 

  9. DiSP with AEwin User's Manual, Rev. 3, Chap. 1, pp. 25-31, Physical Acoustic Corp., NJ, USA (2005) 

  10. Z. K. Rhee, 'A study on the wavelet transform of acoustic emission signals generated from fusion-welded butt joints in steel during tensile test and its applications,' Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 16, No. 1, pp. 26-32 (2007) 

  11. M. K. Kwak and S. J. Kim, 'A statistical properties of tensile behaviors of STS304 stainless steel at elevated temperature and the acoustic emission,' Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference, pp. 68-74 (2002) 

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