[논문]마그네틱 필드를 이용한 배관 두께 측정 방법론 개발

김미나; 채장범; 박일한; 김에녹

문제 정의

본 논문에서는 마그네틱 필드를 이용하여 두께를 측정할 수 있는 방법론에 대하여 설명하고 이 방법론을 실제 평판에 적용하여 실험하고 검증한 과정을 알아본다. 또한 실제 배관이 설치된 현장의 온도 변화가 심한 것을 고려하여 연구된 보정 기술과 그 결과도 함께 알아본다.
본 논문에서는 마그네틱 필드를 강판 시편에 발생시키면 시편 내부에 자속이 생성되어 포화되는 현상과 시편의 두께에 따라 포화되는 자속의 크기가 달라지는 현상을 이용하여 시편의 상태 변화를 감지하는 방법을 개발하였다. 위의 방법을 현장에 적용하기 위한 가능성을 타진하기 위해 두께가 다른 평판을 이용한 실험을 하였다.
본 논문에서는 마그네틱 필드를 이용하여 두께를 측정할 수 있는 방법론에 대하여 설명하고 이 방법론을 실제 평판에 적용하여 실험하고 검증한 과정을 알아본다. 또한 실제 배관이 설치된 현장의 온도 변화가 심한 것을 고려하여 연구된 보정 기술과 그 결과도 함께 알아본다.
11(b)는 온도에 따라 변한 저항의 영향을 보정한 전류 그래프이다. 실험별로 전압과 전류로부터 저항을 계산할 수 있으므로 상온에서의 저항과 비교하여 그 비율만큼 보정한 것이다. 온도 보정 전보다 실험간 경향 차이를 확실히 알 수 있다.
이를 이루기 위하여 마그네틱 필드를 이용하는 새로운 방식의 방법론에 대한 연구를 진행하였다. 연구 과정에서 다양한 두께와 결함을 구현한 평판 및 배관에 대한 실험 및 검증이 수행되었으며 마그네틱 필드를 인가하고 동시에 그 변화를 감지할 수 있도록 마그네틱 센서도 개발되었다.

제안 방법

58% 불확도를 가지고 있음을 확인하였다. 또한 온도의 변화에 따라 마그네틱 센서의 코일이 영향을 받아 흐르는 전류의 값이 달라지는데, 측정 데이터로부터 저항 변화를 계산하여 온도에 따라 값을 보정 할 수 있도록 방법론을 개발하였다.
불확도 평가를 위해서 여러 두께의 평판에 대하여 반복 실험을 수행하였다. 사용한 평판 시편은 두께가 1mm 간격으로 2~8mm 이며 폭과 길이는 각각 100mm, 200mm이며 각 시편에 대해서 30번씩 210번의 반복 실험을 수행하였다.
시편에 전체적인 감육이 일어나는 현상을 모사하기 위하여 두께를 다르게 하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 시편의 두께는 1mm 씩 2~8mm이며 폭과 길이는 각각 100mm, 200mm이다.
실험은 약 1초 동안 전압이 천천히 증가할 때 측정되는 전류를 비교하였다. Fig.
실험을 진행하기에 앞서 실험에 사용될 매질의 특성을 파악하기 위하여 B-H커브를 측정하였다. 마그네틱 센서의 투자율이 감육이 진행된 시편 또는 배관의 투자율보다 작다면 자기 포화는 센서에서 먼저 발생하게 되고 이에 따라 마그네틱 센서는 시편 또는 배관의 감육을 감지할 수 없게 된다.
이를 이루기 위하여 마그네틱 필드를 이용하는 새로운 방식의 방법론에 대한 연구를 진행하였다. 연구 과정에서 다양한 두께와 결함을 구현한 평판 및 배관에 대한 실험 및 검증이 수행되었으며 마그네틱 필드를 인가하고 동시에 그 변화를 감지할 수 있도록 마그네틱 센서도 개발되었다.
온도 보정에 대한 정보를 구하기 위하여 항온조를 이용한 온도 변화 실험을 수행하였다. 실험에는 두께 8mm, 폭 100mm, 길이 200mm의 시편을 사용하였다.
본 논문에서는 마그네틱 필드를 강판 시편에 발생시키면 시편 내부에 자속이 생성되어 포화되는 현상과 시편의 두께에 따라 포화되는 자속의 크기가 달라지는 현상을 이용하여 시편의 상태 변화를 감지하는 방법을 개발하였다. 위의 방법을 현장에 적용하기 위한 가능성을 타진하기 위해 두께가 다른 평판을 이용한 실험을 하였다. 실험 결과, 평판 두께에 따라 최대 자속의 양이 제한되고 이에 따라 자속이 증가하는 속도가 영향을 받았으며 연구를 통하여 개발한 마그네틱 센서를 이용하여 자속 발생 변화를 감지할 수 있었다.
이때 수행된 모든 실험은 센서의 시편 접촉 부위의 불균일성과 온도 영향을 최소화하는 방법을 모두 고려하여 수행하였다.
와전류의 영향이 없는 주파수 범위의 전압을 인가하고 이에 따른 전류를 측정하여 B-H 커브를 측정할 수 있다. 일반적으로 배관에 사용되는 재질인 S25C와 센서의 재질인 S60의 B-H 커브를 실험을 통하여 얻고, 얻은 결과를 바탕으로 실험에 사용될 재질의 타당성을 확인하였다. 센서의 재질인 S60은 와전류에 의한 영향을 최소화하기 위해서 얇은 판을 적층하였다.
온도는 상온부터 150℃까지 10℃ 간격으로 변화 시켰다. 항온조에서 설정 한 온도에 도달한 후 충분한 시간을 두어 시편과 센서 모두 동일한 온도에 도달하도록 하였다.

대상 데이터

마그네틱 센서에 인가한 전압은 와전류의 영향이 거의 없을 것으로 추정되는 9 V/sec의 기울기를 가진 램프 형태의 전압으로 최대 약 9 V의 크기를 가진다. 권선에 흐르는 전류의 크기가 자기 포화가 충분히 발생할 수 있도록 권선의 직경은 1mm로 선정하였다. 이때, 권선에 흐르는 최대 전류는 약 4.
일반적인 배관의 재질은 투자율이 센서의 투자율보다 작은 값을 가진다. 그러나 배관의 재질이 좋을 경우를 대비하여 평판의 경우 실제 배관보다 투자율이 높은 SS400 재질을 채택하였다. 그리고 센서의 재질은 S60으로 투자율이 높은 재질을 채택하였다.
센서의 재질인 S60은 와전류에 의한 영향을 최소화하기 위해서 얇은 판을 적층하였다. 그리고 배관 재질은 실제 일반적으로 사용되는 배관을 실험에 적합한 크기인 15cm로 잘라내어 코일을 감아 실험에 사용하였다.
불확도 평가를 위해서 여러 두께의 평판에 대하여 반복 실험을 수행하였다. 사용한 평판 시편은 두께가 1mm 간격으로 2~8mm 이며 폭과 길이는 각각 100mm, 200mm이며 각 시편에 대해서 30번씩 210번의 반복 실험을 수행하였다.
실험 장치는 마그네틱 센서, 전원 공급 장치, 전압 센서, 전류 센서, 그리고 신호 수집 장치로 구성된다. 전원 공급 장치는 마그네틱 센서를 동작시키기 위해 전압을 인가하는 장치이다.
센서의 크기는 실험에 사용될 시편의 크기와 감육의 폭에 의해 결정하였다. 실험에 사용된 시편은 길이 200mm, 폭 100mm, 두께 8 mm이다.
시편에 전체적인 감육이 일어나는 현상을 모사하기 위하여 두께를 다르게 하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 시편의 두께는 1mm 씩 2~8mm이며 폭과 길이는 각각 100mm, 200mm이다.
온도 보정에 대한 정보를 구하기 위하여 항온조를 이용한 온도 변화 실험을 수행하였다. 실험에는 두께 8mm, 폭 100mm, 길이 200mm의 시편을 사용하였다. 온도는 상온부터 150℃까지 10℃ 간격으로 변화 시켰다.

성능/효과

위의 방법을 현장에 적용하기 위한 가능성을 타진하기 위해 두께가 다른 평판을 이용한 실험을 하였다. 실험 결과, 평판 두께에 따라 최대 자속의 양이 제한되고 이에 따라 자속이 증가하는 속도가 영향을 받았으며 연구를 통하여 개발한 마그네틱 센서를 이용하여 자속 발생 변화를 감지할 수 있었다. 이러한 마그네틱 필드를 이용한 두께 측정 방법은 2~8mm의 평판의 경우 실험을 통하여 4.
7과 같은 전압의 전원을 인가하였을 경우에 측정된 전류 그래프를 시편 두께별로 함께 나타낸 것이다. 실험 시작 후 약 1초 동안 0 A에서 약 4.2 A까지 천천히 증가하는 모양이며 증가하기 시작하면서부터 약 0.6초 동안에 7 종류의 두께별로 전류가 다르게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 시편 두께 차이에 따른 포화 특성에 의해 나타난 결과이다.
위와 같이 본 연구를 통하여 마그네틱 필드를 이용한 두께 측정 방법의 현장 적용 가능성을 확인하였다. 또한 본 연구에서 개발하여 사용한 마그네틱 센서는 그 구조가 간단하여 만드는 비용이 적고, 상시로 장착하여 측정이 가능하다는 장점이 있기 때문에 발전소나 산업 현장에서 배관의 상태 변화를 감지하는데 더욱 효과적으로 사용할 수 있을 것이다.
실험 결과, 평판 두께에 따라 최대 자속의 양이 제한되고 이에 따라 자속이 증가하는 속도가 영향을 받았으며 연구를 통하여 개발한 마그네틱 센서를 이용하여 자속 발생 변화를 감지할 수 있었다. 이러한 마그네틱 필드를 이용한 두께 측정 방법은 2~8mm의 평판의 경우 실험을 통하여 4.58% 불확도를 가지고 있음을 확인하였다. 또한 온도의 변화에 따라 마그네틱 센서의 코일이 영향을 받아 흐르는 전류의 값이 달라지는데, 측정 데이터로부터 저항 변화를 계산하여 온도에 따라 값을 보정 할 수 있도록 방법론을 개발하였다.
5 A이다. 평균 자로의 길이는 약 0.22m이고 이로부터 발생되는 마그네틱 필드의 세기 H는 약 11,000 A/m로 실험을 통하여 얻은 B-H커브를 통해서 자기 포화를 충분히 발생시킬 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

위와 같이 본 연구를 통하여 마그네틱 필드를 이용한 두께 측정 방법의 현장 적용 가능성을 확인하였다. 또한 본 연구에서 개발하여 사용한 마그네틱 센서는 그 구조가 간단하여 만드는 비용이 적고, 상시로 장착하여 측정이 가능하다는 장점이 있기 때문에 발전소나 산업 현장에서 배관의 상태 변화를 감지하는데 더욱 효과적으로 사용할 수 있을 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네틱 필드는 어떤 두 가지 현상을 가지고 있기 때문에 시편의 상태변화를 감지하는 방법으로 쓰일 수 있는가?	본 논문에서는 마그네틱 필드를 강판 시편에 발생시키면 시편 내부에 자속이 생성되어 포화되는 현상과 시편의 두께에 따라 포화되는 자속의 크기가 달라지는 현상을 이용하여 시편의 상태 변화를 감지하는 방법을 개발하였다. 위의 방법을 현장에 적용하기 위한 가능성을 타진하기 위해 두께가 다른 평판을 이용한 실험을 하였다.
	배관이 중요한 이유는?	원자력 발전소의 안전한 운영을 위하여 발전소에 설치된 설비의 상태를 점검하고 진단하는 일이 중요한 관심사가 되고 있다. 발전소에서 쓰이는 설비 중 배관의 경우는 발전소에서 가장 많은 부분을 차지하고 있으며 발전소의 안전과 수명에 핵심이 되는 부품이다. 따라서 발전소에서는 주기적으로 배관의 상태를 감시하고 사고를 예방하려는 노력을 하고 있다.
	마그네틱 필드를 이용한 두께 측정 방법은 온도의 변화에 따라 어떤 변화가 있는가?	58% 불확도를 가지고 있음을 확인하였다. 또한 온도의 변화에 따라 마그네틱 센서의 코일이 영향을 받아 흐르는 전류의 값이 달라지는데, 측정 데이터로부터 저항 변화를 계산하여 온도에 따라 값을 보정 할 수 있도록 방법론을 개발하였다.

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