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 Structures원문보기
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.
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.
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...
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. However, these methods have restrictions that defect detection is possible after the crack growth. For this reason, acoustic emission testing(AET) is becoming one of powerful inspection methods, because AET has an advantage that possible to monitor the structure continuously. Generally, every mechanism that affects the integrity of the structure or equipment is a source of acoustic emission signal. Therefore the noise filtering is one of the major works to the almost AET researchers. In this study, acoustic emission signal was collected from the pipes which were in the successive thermal fatigue cycles. The data were filtered based on the results from previous experiments. Through the data analysis, the signal characteristics to distinguish the effective signal from the noises for the TFC were proven as the waveform difference. The experiment results provide preliminary information for the acoustic emission technique to the continuous monitoring of the structure failure detection.
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. However, these methods have restrictions that defect detection is possible after the crack growth. For this reason, acoustic emission testing(AET) is becoming one of powerful inspection methods, because AET has an advantage that possible to monitor the structure continuously. Generally, every mechanism that affects the integrity of the structure or equipment is a source of acoustic emission signal. Therefore the noise filtering is one of the major works to the almost AET researchers. In this study, acoustic emission signal was collected from the pipes which were in the successive thermal fatigue cycles. The data were filtered based on the results from previous experiments. Through the data analysis, the signal characteristics to distinguish the effective signal from the noises for the TFC were proven as the waveform difference. The experiment results provide preliminary information for the acoustic emission technique to the continuous monitoring of the structure failure detection.
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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.
제안 방법
급격한 온도변화를 가지는 열성층에 의해 발생하는 열피로균열은 응력이 변화가 급격히 일어나는 냉각 사이클에서 균열이 발생 및 진전하므로[5-8], 가열 사이클에서 발생하는 음향 신호는 필터링 작업을 통해 우선적으로 분리하여 냉각 사이클에서의 음향 신호만 수집, 저장하였다.
노이즈 제거를 위한 예비 실험을 통해 확보된 음향 신호 필터링 조건을 적용하여 열피로균열을 제작하였으며, Table 2와 이 음향 신호 필터링 조건을 적용하였다.
열피로균열 제작을 위한 방법으로 스테인리스 스틸 배관에 유도 가열기를 이용한 직접가열방식을 채택하였고, 실제 원전구조물에서 열피로균열이 발생하는 조건인 배관내 온도조건 △T = 300 ℃가 되는 조건으로 실험하기 위해 가열주기 1분, 냉각주기 30초로 이루어진 열응력 주기(90초)를 구성하였다. 또한 배관내 열성층을 형성하기 위하여 배관하부로부터 60% 지점까지 냉각수가 흐르도록 하였고, Fig. 3과 이 시험편의 중앙부 양쪽에 열응력을 집중시키기 위하여 냉각수가 배출되는 지점으로부터 약 250 mm 지점에 스테인리스 스틸 배관을 중심으로 유도 가열 코일을 위치시켜 가열하였으며, 가열 범위는 좌우 방향으로 약 50 mm 정도이다.
센서는 전치증폭기(pre-amplifier)가 내장되어 있고 150 kHz의 주파수를 가지는 R15i(미국 PAC社)를 사용하였다. 또한 웨이브가이드와 센서는 접촉매질을 사용하여 압착시키고, 연필심 파괴를 이용하여 교정을 실시, 센서의 압착 및 정상작동 여부를 확인하였다. 열피로균열 제작 실험이 진행되면서 센서로부터 획득한 음향방출 신호는 PAC社의 4 Channel DiSP AE 보드를 이용하여 전용 컴퓨터에 실시간으로 발생하는 신호를 획득하고 데이터를 저장하였다.
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.
본 연구에서는 원전 구조재중 배관에서 발생하는 열성층 현상을 이용하여 STS304배관에 열피로 균열을 제작하고 비파괴검사방법중 하나인 AE(음향방출탐상)를 이용하여 실시간으로 건정성을 평가할 수 있는 것을 확인하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 웨이브가이드와 센서는 접촉매질을 사용하여 압착시키고, 연필심 파괴를 이용하여 교정을 실시, 센서의 압착 및 정상작동 여부를 확인하였다. 열피로균열 제작 실험이 진행되면서 센서로부터 획득한 음향방출 신호는 PAC社의 4 Channel DiSP AE 보드를 이용하여 전용 컴퓨터에 실시간으로 발생하는 신호를 획득하고 데이터를 저장하였다.
열피로균열 제작을 위한 방법으로 스테인리스 스틸 배관에 유도 가열기를 이용한 직접가열방식을 채택하였고, 실제 원전구조물에서 열피로균열이 발생하는 조건인 배관내 온도조건 △T = 300 ℃가 되는 조건으로 실험하기 위해 가열주기 1분, 냉각주기 30초로 이루어진 열응력 주기(90초)를 구성하였다. 또한 배관내 열성층을 형성하기 위하여 배관하부로부터 60% 지점까지 냉각수가 흐르도록 하였고, Fig.
음향방출 센서를 시험중인 시험편에 부착하기 위하여 냉각수가 들어오는 지점으로부터 약 100 mm 지점과 배출되는 지점으로부터 약 100 mm 지점에 각각 웨이브가이드를 설치하고, 센서를 장착하였다. 센서는 전치증폭기(pre-amplifier)가 내장되어 있고 150 kHz의 주파수를 가지는 R15i(미국 PAC社)를 사용하였다.
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.
절대에너지값은 hit와는 독립적인 변수이며 시간에 따른 에너지의 합을 의미하므로 연속형 신호를 모니터링하는데 유용한 파라미터라고 알려져 있다[9]. 이를 이용하여 1.5x106 aJ 이상의 절대에너지값을 가지며 55 dB 이상의 높은 문턱값을 갖는 연속형 노이즈 신호를 제거하였다.
대상 데이터
Fig. 1은 연구에서 데이터를 습득한 STS304 배관 열피로균열 제작기 사진으로 시험편을 가열하기 위한 유도가열기(induction heater, 40 kHz), 시험편에 대한 초기 압축하중을 가하기 위한 기계식 모터 및 로드셀(10 kN), 냉각수 유량 제어장치, 시험편 온도제어를 위한 열전대 및 제어장치로 이루어져 있으며, 유도가열기 효율 제어, 냉각수 유량 시험편 온도를 제어하기 위한 I/O terminal board로 구성하였다.
음향방출 센서를 시험중인 시험편에 부착하기 위하여 냉각수가 들어오는 지점으로부터 약 100 mm 지점과 배출되는 지점으로부터 약 100 mm 지점에 각각 웨이브가이드를 설치하고, 센서를 장착하였다. 센서는 전치증폭기(pre-amplifier)가 내장되어 있고 150 kHz의 주파수를 가지는 R15i(미국 PAC社)를 사용하였다. 또한 웨이브가이드와 센서는 접촉매질을 사용하여 압착시키고, 연필심 파괴를 이용하여 교정을 실시, 센서의 압착 및 정상작동 여부를 확인하였다.
그림에서 보는 바와 같이 시험편의 온도 조건을 설정한 후, 시험편의 온도가 설정 온도에 도달하지 못하면 I/O terminal board에서 유도가열기의 효율을 제어하여 설정 온도에 도달할 수 있도록 제어를 하며, 냉각수 유량 또한 I/O terminal board와 상호 피드백으로 제어되도록 구성되어 있다. 시험재로는 reactor coolant system RCS)의 배관재로 사용되는 오스테나이트계 STS304파이프를 채택하였으며, 외경(OD)이 89 mm, 두께 (t)가 7.6 mm인 시험편을 500 mm 길이로 절단하여 사용하였다.
성능/효과
Fig. 5(a), (b)의 진폭 분포의 비교를 통해서 실제 균열 신호라고 판단하고 분석이 필요한 hit의 개수가 기존의 121,313개에서 41개로 확연하게 감소한 것을 확인할 수 있다.
Fig. 7(a), (b), (c) 파형의 경우 연필심 파괴실험에서 노이즈로 제거된 신호와 유사하게 진폭 변화가 적은 연속형 신호(continuous signal) 형태의 음향 파형을 보이며, 해당 파형이 실험 초기부터 종반까지 계속하여 발생하는 것을 확인할 수 있다. Fig.
1) 다양한 필터링 조건을 이용하여 열피로균열 제작시 방출되는 노이즈와 인위적으로 가해진 탄성 응력파를 명확히 구분할 수 있었으며, 분석 데이터양을 획기적으로 감소시킬 수 있었다.
2) 열피로균열 제작기로부터 원전 환경과 동일한 조건에서 열피로균열을 제작하고 음향방출법를 이용하여 초기 균열 발생과 균열의 진전 신호를 확인할 수 있었다.
3) STS304 배관에서 연필심 파괴실험으로 발생시킨 인위적인 균열 신호와 실제 균열신호 사이의 유사성을 확인할 수 있었다.
AE신호의 발생 빈도인 hit를 정리했을 때 나타나는 변곡점은 거시적 균열의 시작을 대변하는데[11], (e)의 파형이 처음 관찰된 후 집중적으로 발생하는 구간 (약 220,000 ~ 240,000초, 270,000 ~295,000초) 사이에서 기울기의 크기가 50% 이상 증가하는 변곡점이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한, (e)의 음향신호를 실제 균열이 발생할 때와 유사한 신호를 생성하는 연필심 파괴시험의 음향 신호와 중첩시켜 분석을 실시한 결과, Fig. 8에서 보는 바와 같이 두 음향 신호의 주기와 진폭 형태, 최고점 도달 시간 등이 5% 내외의 차이로 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 Fig.
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. 또한, 산업현장에서 사용하는 음향방출 신호 검출 기준에 따르면 10 ms 이상의 지속시간(duration)을 갖는 hit의 경우 노이즈로 간주한다.
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.
참고문헌 (11)
S. Ensha, Handbook of Case Histories in Failure Analysis (1st Edition), ASM Vol. 2, pp. 363-367 (1993)
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)
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)
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)
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)
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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)
DiSP with AEwin User's Manual, Rev. 3, Chap. 1, pp. 25-31, Physical Acoustic Corp., NJ, USA (2005)
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)
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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