[논문]비틀림파를 이용한 석유화학 파이프의 결함탐지

박경조; 강우석; 강대진

[국내논문] 비틀림파를 이용한 석유화학 파이프의 결함탐지
Flaw Detection of Petrochemical Pipes using Torsional Waves 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.14 no.3, 2010년, pp.46 - 51

박경조 (전남대학교 기계자동차공학부) , 강우석 (전남대학교 대학원) , 강대진 (조선대학교 대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

A torsional guided wave was applied to detect a defect in petrochemical pipes. Phase and group velocity dispersion curves for the longitudinal and torsional modes of the inspected pipe were presented for the theoretical analysis. It was found through mode shape analysis that there was mode conversion when torsional wave is incident at an asymmetric defect. An artificial notch was fabricated in the pipe and the detectability was examined from the distance 2m of the end of the pipe by using magnetostrictive sensors. The relativities between the amplitude of the reflected signal and the size of the defect was examined. It was shown that the T(0,1) mode could be used for the long range inspection for the petrochemical pipes.

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문제 정의

본 연구에서는 비틀림파를 이용하여 파이프의 결함을 탐지하는 방법에 대해 살펴보고자 한다. 이를위해 먼저 분산선도(dispersion curves)를 이용하여 파이프에서 나타나는 모드의 전파특성을 살펴본다.
이를위해 먼저 분산선도(dispersion curves)를 이용하여 파이프에서 나타나는 모드의 전파특성을 살펴본다. 그리고 가진할 비틀림 모드의 주파수 및 입사 신호를 선정하고, 결함이 있는 파이프에 대한 실험을 통해 제안된 방법의 타당성을 검토하고자 한다.
본 연구에서는 비틀림파를 이용하여 석유화학 파이프의 결함을 원거리에서 탐지하기 위한 유도파탐상기법을 제시하였다. 이를 위해 대상 파이프의 위상속도와 군속도 분산선도를 제시하였고, 모드 형상 분석을 통해 비축대칭 결함이 파이프에 존재할 경우 모드변환에 의해 비축대칭 모드인 휨파가 발생할 수 있음을 보였다.

가설 설정

실제 실험에서 가진할 주파수는 비틀림 2차 모드인 T(0, 2) 모드의 차단주파수보다 낮은 영역에 위치하므로 축대칭 결함에서 모드변환 (mode conversion)이 발생하지 않고 순수한 T(0, l)모드만 결함에서 반사되거나 전달된다. 그러나 파이프에 비축대칭 결함이 존재하면 T(0, l) 모드는 F(l, l), F(l, 2) 또는 F(l, 3) 모드로 변환될 수 있다. 이러한 모드변환은 입사파와 모드변환 된 반 사 파의 입자운동 유사성에 따라 그 형태가 달라진다.

제안 방법

탐지하는 방법에 대해 살펴보고자 한다. 이를위해 먼저 분산선도(dispersion curves)를 이용하여 파이프에서 나타나는 모드의 전파특성을 살펴본다. 그리고 가진할 비틀림 모드의 주파수 및 입사 신호를 선정하고, 결함이 있는 파이프에 대한 실험을 통해 제안된 방법의 타당성을 검토하고자 한다.
파이프에 결함이 있는 경우와 없는 경우를 비교하기 위해 동일한 규격의 파이프 2본을 준비하여, 한 개의 파이프에는 유도파 신호변환기로부터 2m인 지점에 폭 1.6mm, 원주방향 길이 45mm의 크기를 갖는 원주 방향 결함을 가공하였다(Photo. 1). 결함의 깊이는 두께 의약 2/3에 해당되는 3.
이 장치를 이용하여 원통형 구조물의 결함을 측정할 경우, 파이프의 원주를 자왜 특성이 우수한 Ni-Stiip으로 둘러싸고 원주방향으로 자화시킨 뒤 리본형 코일에 자장을 가하면 Wiedemann효과에 의해 비틀림 모드가 발생하게 된다. 실험에서는 중심주파수 128kHz인 5 cycle tone- burst를 입 사하여 비틀림 모드를 가진하였고, 가진에 사용된 동일 신호변환기를 이용하여 반사 신호를 수신하는 pulseecho 방식을 채택하였다.
즉 결함이 비축 대칭 이므로 모드도 비축대칭 모드인 휨파로 변환된 것을 알 수 있다. 모드변환 되어 나타나는 모드의 정확한 신호해석은 유도초음파를 진동수-시간 영역에서 분석하는 Wavelet Transform 이나 Short Term Fourier Transform과 같은 신호해석기법을 이용해야 하나, 본 연구에서는 측정한 신호와 군속도 분산선도를 비교하여 모드변환을 확인하였다.

대상 데이터

본 연구에서 대상으로 선정한 파이프는 SPPS 370 SCH 40 ERW 강파이프(steel pipe)로 외경은 76.3mm, 두께는 5.2mm, 전체 길이는 6m 이다. 전파 특성을 살펴보기 위해 영국 Imperial College에서 개발한 파동해석 프로그램인 Disperse7>를 사용하였다.
본 연구에서 사용된 파이프는 석유화학 배관용으로 사용되는 강파이프로 길이는 6m 이다. 파이프에 결함이 있는 경우와 없는 경우를 비교하기 위해 동일한 규격의 파이프 2본을 준비하여, 한 개의 파이프에는 유도파 신호변환기로부터 2m인 지점에 폭 1.
Photo. 2에 본 연구에서 사용된 유도파 검사장치 (미국 SwRI, 모델명: MsSR-2020)를 나타내었다. 본 장치는 자왜 또는 자기 변형 (magnetostriction) 현상을 이용하여 재료 내에 초음파를 발생시키고 그 역으로 초음파신호를 감지할 수 있는 장비이다.

이론/모형

2mm, 전체 길이는 6m 이다. 전파 특성을 살펴보기 위해 영국 Imperial College에서 개발한 파동해석 프로그램인 Disperse7>를 사용하였다.

성능/효과

비틀림 2차 모드인 T(0, 2) 모드의 차단주파수보다 낮은 영역에 위치하므로 축대칭 결함에서 모드변환 (mode conversion)이 발생하지 않고 순수한 T(0, l)모드만 결함에서 반사되거나 전달된다. 그러나 파이프에 비축대칭 결함이 존재하면 T(0, l) 모드는 F(l, l), F(l, 2) 또는 F(l, 3) 모드로 변환될 수 있다.
즉 인공 결함이 위치한 2m 지점에서 정확하게 반사파가 수신되는 것을 확인할 수 있다. 결함의 길이는 전체 원주의 21%에 해당되지만 결함에서 반사된 신호의 진폭은 종단면 반사 신호 진폭의 약 55%로 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 그림에서 2.
제시하였다. 이를 위해 대상 파이프의 위상속도와 군속도 분산선도를 제시하였고, 모드 형상 분석을 통해 비축대칭 결함이 파이프에 존재할 경우 모드변환에 의해 비축대칭 모드인 휨파가 발생할 수 있음을 보였다.
자왜센서를 이용하여 인공 결함이 있는 파이프에 비틀림 파를 가진하여 결함과 반사 신호 진폭과 의상관 관계를 규명하였으며 이로부터 결함의 원주 방향 길이 측정이 가능함을 보였다. 또한 비축대칭 결함에 의한 모드변환이 실제 실험에서 발생함을 확인하였고 이는 차후 정밀 진단을 위한 요인이 될 수 있음을 시사한다.
길이 측정이 가능함을 보였다. 또한 비축대칭 결함에 의한 모드변환이 실제 실험에서 발생함을 확인하였고 이는 차후 정밀 진단을 위한 요인이 될 수 있음을 시사한다. 모드변환에 의해 나타나는 휨파에대한 정확한 규명은, 비틀림파를 이용하여 유도파검사를 더욱 정밀한 비파괴탐상에 이용하기 위해 계속해서 연구되어야 할 필요가 있는 것으로 판단된다.

후속연구

또한 비축대칭 결함에 의한 모드변환이 실제 실험에서 발생함을 확인하였고 이는 차후 정밀 진단을 위한 요인이 될 수 있음을 시사한다. 모드변환에 의해 나타나는 휨파에대한 정확한 규명은, 비틀림파를 이용하여 유도파검사를 더욱 정밀한 비파괴탐상에 이용하기 위해 계속해서 연구되어야 할 필요가 있는 것으로 판단된다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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M. G. Silk and K. F. Bainton, 1979, "The Propagation in Metal Tubing of Ultrasonic Modes Equivalent to Lamb Waves", Ultrasonics, Vol. 17, No. 1, pp. 11-9.

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박경조, 2006, "매립된 유체함입 강파이프의 파동전파 특성규명", 한국동력기계공학회지, 제10권 제1호, pp. 65-70.

원문보기 상세보기
J. L. Rose, 1999, Ultrasonic Waves in Solid Media, Cambridge University Press, UK.

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