적외선열화상 시험에서 위상잠금모드 적용에 따른 배관 감육결함 검출능력 개선 평가 Evaluation of Improvement of Detection Capability of Infrared Thermography Tests for Wall-Thinning Defects in Piping Components by Applying Lock-in Mode원문보기
위상잠금모드가 적용된 적외선열화상 시험법은 열전도도가 큰 재료에서 결함의 검출능력을 향상시키기 위해 개발되었으며, 기존의 적외선열화상 기법에 비해 우수한 결함 검출능력을 보이는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 연구에서는 원전 배관 감육결함 검출에서 위상잠금모드 기법의 적용 효과를 살펴보기 위해서, 감육결함이 가공된 배관 시편을 대상으로 위상잠금모드를 적용하여 적외선열화상 시험을 수행하였다. 시험 결과로부터 감육결함에 대한 위상이미지를 얻고, 이것을 기존의 적외선열화상시험법으로 구한 열화상이미지와 비교하였다. 비교 결과, 위상잠금모드의 적용이 감육결함에 대한 형상 결정 능력을 향상시키는 것을 확인하였다. 이러한 개선 효과는 폭과 길이가 작거나 경계가 경사진 감육결함에서 뚜렷하였다. 그러나, 깊이가 얕은 감육결함의 검출능력은 크게 향상되지 않았다.
위상잠금모드가 적용된 적외선열화상 시험법은 열전도도가 큰 재료에서 결함의 검출능력을 향상시키기 위해 개발되었으며, 기존의 적외선열화상 기법에 비해 우수한 결함 검출능력을 보이는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 연구에서는 원전 배관 감육결함 검출에서 위상잠금모드 기법의 적용 효과를 살펴보기 위해서, 감육결함이 가공된 배관 시편을 대상으로 위상잠금모드를 적용하여 적외선열화상 시험을 수행하였다. 시험 결과로부터 감육결함에 대한 위상이미지를 얻고, 이것을 기존의 적외선열화상시험법으로 구한 열화상이미지와 비교하였다. 비교 결과, 위상잠금모드의 적용이 감육결함에 대한 형상 결정 능력을 향상시키는 것을 확인하였다. 이러한 개선 효과는 폭과 길이가 작거나 경계가 경사진 감육결함에서 뚜렷하였다. 그러나, 깊이가 얕은 감육결함의 검출능력은 크게 향상되지 않았다.
The lock-in mode infrared thermography (IRT) technique has been developed to improve the detection capability of defects in materials with high thermal conductivity, and it has been shown to provide better detection capability than conventional active IRT. Therefore, to investigate the application o...
The lock-in mode infrared thermography (IRT) technique has been developed to improve the detection capability of defects in materials with high thermal conductivity, and it has been shown to provide better detection capability than conventional active IRT. Therefore, to investigate the application of this technique to nuclear piping components, lock-in mode IRT tests were conducted on pipe specimens containing simulated wall-thinning defects. Phase images of the wall-thinning defects were obtained from the tests, and they were compared with thermal images obtained from conventional active IRT tests. It showed that the ability to size the detected wall-thinning defects in piping components was improved by using lock-in mode IRT. The improvement was especially apparent when detecting short and narrow defects and defects with slanted edges. However, the detection capability for shallow wall-thinning defects did not improve much when using lock-in mode IRT.
The lock-in mode infrared thermography (IRT) technique has been developed to improve the detection capability of defects in materials with high thermal conductivity, and it has been shown to provide better detection capability than conventional active IRT. Therefore, to investigate the application of this technique to nuclear piping components, lock-in mode IRT tests were conducted on pipe specimens containing simulated wall-thinning defects. Phase images of the wall-thinning defects were obtained from the tests, and they were compared with thermal images obtained from conventional active IRT tests. It showed that the ability to size the detected wall-thinning defects in piping components was improved by using lock-in mode IRT. The improvement was especially apparent when detecting short and narrow defects and defects with slanted edges. However, the detection capability for shallow wall-thinning defects did not improve much when using lock-in mode IRT.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
원전 배관계통에서 실제 감육결함은 결함부와 건전부 사이의 경계가 명확하지 않고, 결함부에서 두께가 완만하게 변화한다. IRT 기법을 적용한 감육결함 검출의 기본 원리는 감육부와 건전부 사이의 두께 차이에 기인한 열적 특성 차이를 측정하는 것이다. 따라서, 실제 감육결함에서 완만한 두께 변화는 IRT 기법을 적용한 감육결함 검출을 어렵게 하는 요인으로 작용할 수 있다.
따라서, 본 논문에서는 위상잠금모드 기법의 적용이 배관 감육결함 검출능력을 어느 정도 개선시킬수 있는지 확인하기 위하여, 다양한 감육결함이 존재하는 배관 시편을 대상으로 위상잠금모드 기법을 적용한 IRT 시험을 수행하였다. 시험 결과로부터 감육결함에 대한 위상이미지 (Phase Image)를 얻고, 이것을 기존의 IRT 기법으로 측정한 열화상이미지(17)와 비교하였다.
시험 결과로부터 감육결함에 대한 위상이미지 (Phase Image)를 얻고, 이것을 기존의 IRT 기법으로 측정한 열화상이미지(17)와 비교하였다. 비교 결과를 바탕으로 위상잠금모드 IRT 기법의 적용이 원전 배관 감육결함 검출에 어떤 영향을 미치는지 살펴보았다.
제안 방법
IR 카메라와 가열 램프는 시편의 정면에 설치되었으며, IR 카메라와 시편 사이의 거리는 가열거리와 일치하도록 설치하였다. 각 시편에 대해 60 초 동안 열화상이미지를 취득하였으며, 이것들을 조합하여 위상이미지를 얻었다.
본 논문에서는 감육결함이 가공된 배관 시편을 대상으로 위상잠금모드 (Lock-in mode)를 적용하여 적외선열화상 (Infrared Thermography, IRT) 시험을 수행하였다. 시험 결과로 주어진 위상이미지 (Phase Image)를 기존의 IRT 시험에서 주어진 결함에 대한 열화상이미지 (Thermal Image)와 비교하였다.
시편 표면에서 방사률을 균일하게 유지하기 위해서, 시험에 앞서 모든 시편의 표면은 무광택의 검은색 페인트로 도포되었다. 시편에서 감육결함을 검출하기 위해서 일정한 거리에서 일정한 세기로 시편을 주기적으로 가열하였다. 시험에 적용된 가열 주기는 0.
본 논문에서는 감육결함이 가공된 배관 시편을 대상으로 위상잠금모드 (Lock-in mode)를 적용하여 적외선열화상 (Infrared Thermography, IRT) 시험을 수행하였다. 시험 결과로 주어진 위상이미지 (Phase Image)를 기존의 IRT 시험에서 주어진 결함에 대한 열화상이미지 (Thermal Image)와 비교하였다. 이들 결과로부터 다음 결론을 얻었다.
앞서 언급한 바와 같이 IRT 시험에 위상잠금모드 기법을 적용하기 위해서는, 일정한 주기로 시편을 가열하여야 하며 각 주기마다 일정한 간격으로 열화상이미지를 취득하여야 한다. 이를 위해서 함수발생기를 사용하여 가열장치 제어기와 IR 카메라를 동기화하였다. 가열장치로는 1 kW 용량의 할로겐 램프 2개와 제어기가 사용되었다.
대상 데이터
이를 위해서 함수발생기를 사용하여 가열장치 제어기와 IR 카메라를 동기화하였다. 가열장치로는 1 kW 용량의 할로겐 램프 2개와 제어기가 사용되었다. Fig.
시험에는 내부에 다양한 형상의 감육결함이 존재하는 6개의 배관시편 (S2-1∼S2-5, S3-3)이 사용되었다.
따라서, 실제 감육결함에서 완만한 두께 변화는 IRT 기법을 적용한 감육결함 검출을 어렵게 하는 요인으로 작용할 수 있다. 여기서는 실제 감육결함의 형상적 특징을 고려한 경사결함이 존재하는 배관 시편 (S2-5)을 이용하여 IRT 시험을 수행하였다.
데이터처리
따라서, 본 논문에서는 위상잠금모드 기법의 적용이 배관 감육결함 검출능력을 어느 정도 개선시킬수 있는지 확인하기 위하여, 다양한 감육결함이 존재하는 배관 시편을 대상으로 위상잠금모드 기법을 적용한 IRT 시험을 수행하였다. 시험 결과로부터 감육결함에 대한 위상이미지 (Phase Image)를 얻고, 이것을 기존의 IRT 기법으로 측정한 열화상이미지(17)와 비교하였다. 비교 결과를 바탕으로 위상잠금모드 IRT 기법의 적용이 원전 배관 감육결함 검출에 어떤 영향을 미치는지 살펴보았다.
성능/효과
(1) IRT 시험에 위상잠금모드를 적용함으로써 배관 감육결함의 길이와 원주방향 폭에 대한 형상 평가능력이 크게 향상되는 것을 확인하였다.
(2) 위상잠금모드 적용에 따른 결함 형상 평가 능력과 결함 검출능력의 향상은 길이와 원주방향 폭이 각각 L/Do = 0.125, θ/π = 0.0625 이하로 작거나 경계가 명확하지 않은 감육결함에서 더욱 뚜렷하였다.
(3) IRT 시험에 위상잠금모드 기법을 적용할지라도 감육결함의 깊이가 배관 두께의 25 % 이하로 얕은 경우에는 결함의 검출능력이 크게 향상 되지 않았다.
기존의 IRT 기법에서 얻은 열화상이미지에서는 검출되지 않았든 길이가 짧고 원주방향 폭이 좁은 감육결함들 (d/t = 0.5, L/Do = 0.125, θ/π = 0.0625 & 0.125) 이 위상이미지에서는 뚜렷이 검출되었다.
25)은 열화상이미지뿐 아니라 위상이미지에서 명확하게 관찰되지 않았다. 따라서, 2.5 - inch 시편에서는 위상잠금모드 기법의 적용이 감육결함에 대한 형상 평가능력 뿐 아니라 결함 검출능력도 개선시키는 것을 확인하였다. IRT 시험에서 위상잠금모드 기법의 적용에 따른 이러한 개선 효과는 감육결함의 길이가 짧고 원주방향 폭이 좁은 경우에 더욱 뚜렷하였다.
125)이 위상잠금모드를 적용한 IRT 시험 결과에서 검출되지 않았다. 따라서, 4.0- inch 배관 시편에 대한 시험 결과에 의하면, 위상잠금모드 기법을 적용함으로써 IRT 시험 결과에서 감육결함의 형상을 보다 정확히 평가할 수있었다. 그러나, 깊이가 얕은 감육결함에 대한 검출능력이 크게 향상되지는 않는 것으로 판단된다.
75 이상인 경사결함에 대해서는 원주방향 폭과 길이에 관계없이 결함의 저면과 경사면이 뚜렷이 구분되었다. 따라서, 기존의 IRT 기법에 비해 IRT 시험에 위상잠금모드를 적용함에 따라 경사결함에 대한 검출능력과 형상 평가능력이 크게 향상되는 것을 확인하였다. 또한, 위상잠금모드 기법을 적용할 경우에 IRT 시험을 통해 경계가 명확하지 않은 감육 결함도 신뢰성 있게 검출할 수 있다는 것을 알 수 있다.
전체적으로 기존의 IRT 기법으로 측정한 열화상이미지에 비해 위상잠금모드 기법을 적용하여 얻은 위상이미지에서 감육결함이 보다 뚜렷하게 관찰되었으며, 측정된 감육결함의 형상이 실제 배관에 존재하는 결함의 형상과 유사하였다. 또한, Fig. 4의 결과에서 위상잠금모드 기법의 적용이 배관 계통의 일부 감육결함에 대해서 검출 능력을 향상시키는 것을 알 수 있다. 기존의 IRT 기법에서 얻은 열화상이미지에서는 검출되지 않았든 길이가 짧고 원주방향 폭이 좁은 감육결함들 (d/t = 0.
25인 경사결함이 검출되었다. 또한, 모든 경사결함들이 서로 분리된 이미지로 관찰되었으며, 깊이가 d/t = 0.5 이상인 결함에 대해서는 위상이미지에 나타난 결함의 원주방향 폭과 길이가 실제 결함의 형상과 거의 일치하였다. 특히 깊이가 d/t = 0.
따라서, 기존의 IRT 기법에 비해 IRT 시험에 위상잠금모드를 적용함에 따라 경사결함에 대한 검출능력과 형상 평가능력이 크게 향상되는 것을 확인하였다. 또한, 위상잠금모드 기법을 적용할 경우에 IRT 시험을 통해 경계가 명확하지 않은 감육 결함도 신뢰성 있게 검출할 수 있다는 것을 알 수 있다.
5는 경사결함을 갖는 S2-5 시편을 대상으로 위상잠금모드를 적용한 IRT 시험과 기존의 IRT 시험법으로 구한 감육결함에 대한 위상이미지와 열화상이미지를 함께 나타낸 것이다. 먼저, 기존의 IRT 기법을 적용하여 구한 열화상이미지를 살펴보면, 결함의 길이방향 크기에 관계없이 깊이가 d/t = 0.25인 경사결함은 검출되지 않았다. 또한, 결함의 원주방향 폭이 좁거나 길이가 짧은 경우에는 깊이가 d/t = 0.
반면, 위상잠금모드를 적용한 IRT 시험에서 주어진 위상이미지에서는 기존의 IRT 기법으로 검출되지 않았든 깊이가 d/t = 0.25인 경사결함이 검출되었다. 또한, 모든 경사결함들이 서로 분리된 이미지로 관찰되었으며, 깊이가 d/t = 0.
5 - inch 직관 시편(S3-3 시편)을 대상으로 위상잠금모드 기법을 적용하여 측정한 위상이미지를 기존의 IRT 시험에서 측정된 열화상이미지와 비교하여 나타낸 것이다. 전체적으로 기존의 IRT 기법으로 측정한 열화상이미지에 비해 위상잠금모드 기법을 적용하여 얻은 위상이미지에서 감육결함이 보다 뚜렷하게 관찰되었으며, 측정된 감육결함의 형상이 실제 배관에 존재하는 결함의 형상과 유사하였다. 또한, Fig.
75인 감육결함의 경우, 결함의 길이와 폭에 관계없이 열화상이미지에 비해 위상 이미지에서 결함이 더욱 뚜렷하게 관찰되었다. 즉, 열화상이미지와 비교하여 위상이미지에서 결함부와 건전부 사이의 경계가 명확하였고, 검출된 감육결함의 형상이 실제 결함의 형상과 거의 일치하였다. 따라서, IRT 시험에서 위상잠금모드를 적용함으로써 감육결함의 길이와 원주방향 폭을 상당히 정확하게 평가할 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
즉, 열화상이미지와 비교하여 위상이미지에서 결함부와 건전부 사이의 경계가 명확하였고, 검출된 감육결함의 형상이 실제 결함의 형상과 거의 일치하였다. 따라서, IRT 시험에서 위상잠금모드를 적용함으로써 감육결함의 길이와 원주방향 폭을 상당히 정확하게 평가할 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 결함에 대한 이미지가 뚜렷하지는 않지만 기존의 IRT 시험에서 검출하지 못한 S2-4 시편의 얕은 결함 (d/t = 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
원전 배관계통에서 감육결함 관리의 핵심은 무엇인가?
(1,2) 따라서, 탄소강 배관에서 감육결함은 원전의 안전성과 경제성 측면에서 중요한 관리 대상으로 고려되고 있다.(3) 원전 배관계통에서 감육결함 관리의 핵심은 신뢰성 있는 두께 검사를 통한 결함의 검출이며, (1,4,5) 이를 위해 초음파 두께 측정 방법이 널리 사용되고 있다.(4,5) 초음파 방법은 정확한 두께 측정 결과를 제공하는 것으로 알려져 있으나, 직경이 작은 배관에 대해서는 측정 시간과 측정 신뢰도 측면에서 한계를 보인다.
IRT 기법이란?
일반적으로 결함 검출에 적용되고 있는 IRT 기법은 크게 능동형 기법과 피동형 기법으로 구분되는데, 검사 대상체가 발열하지 않는 경우에는 능동형 IRT 기법이 적용된다. 이 방법은 검사 대상체의 외부에 열적 자극을 가함으로써 결함부에서 불균일한 열적 특성을 보이게 하고, 이것을 적외선(IR) 카메라를 이용하여 열화상이미지 (Thermal Image) 형태로 측정하는 방법이다. 능동형 IRT 기법은 적용이용이하므로 다양한 분야에서 결함 검출에 활용되고 있다.
감육결함 관리를 위한 초음파 방법의 한계는?
(3) 원전 배관계통에서 감육결함 관리의 핵심은 신뢰성 있는 두께 검사를 통한 결함의 검출이며, (1,4,5) 이를 위해 초음파 두께 측정 방법이 널리 사용되고 있다.(4,5) 초음파 방법은 정확한 두께 측정 결과를 제공하는 것으로 알려져 있으나, 직경이 작은 배관에 대해서는 측정 시간과 측정 신뢰도 측면에서 한계를 보인다. 따라서, 최근에는 이를 대체하기 위한 방법들이 제시되고 있는데,(6~10) 이들 방법 중 하나가 적외선열화상(Infrared Thermography, IRT) 방법이다.
참고문헌 (19)
Chexal, B., Horowitz, J., Dooley, B., Millett, P., Wood, C. and Jones, R., 1998, Flow-accelerated Corrosion in Power Plant, EPRI/TR-106611-R2.
Michel, F., Reck, H. and Schulz, H., 2001, "Experience with Piping in German NPPs with Respect to Aging-Related Aspects," Nuclear Eng. Design, Vol. 207, pp. 307-316.
NRC Information Notice 2006-08, 2006, Secondary Piping Rupture at the Mihama Power Station in Japan, May.
Korea Electric Power Research Institute (KEPRI), Management Program for Thinned Pipe in NPP Secondary System, Interim Report/ TM.00NJ12. M2001.189.
Knook, T., Persoz, M., Trevin, S. and Friol, S., 2010, "Pipe Wall Thinning Management at Electricite de France (EDF)," E-J. Advanced Maintenance, Vol. 2, pp. 1-13.
Edalati, K., Rastkhah, N., Kermani, A., Seiedi, M. and Movafeghi, A., 2006, "The Use of Radiography for Thickness Measurement and Corrosion Monitoring in Pipes," Int. J. Pressure Vessels Piping, Vol. 83, pp. 736-741.
Ryu, K.H., Whang, I.S., Lee, N.Y., Oh, Y.J., Kim, J.H., Park, J.H. and Sohn, C.H., 2008, "Screening Method for Piping Wall Loss by Flow Accelerated Corrosion," Nuclear Eng. Design, Vol. 238, pp. 3263-3268.
Liu, L. and Ju, Y., 2011, "A High-Efficiency Nondestructive Method for Remote Detection and Quantitative Evaluation of Pipe Wall Thinning Using Microwave," NDT & E International, Vol. 44, pp. 106-110.
Vertesy, G., Tomas, I., Uchimoto, T. and Takagi, T., 2012, "Nondestructive Investigation of Wall Thinning in Layered Ferromagnetic Material by Magnetic Adaptive Testing," NDT & E International, Vol. 47, pp. 51-55.
Zayicek, P. and Shepard, S.M., 1997, "Investigation of an IR Technique for Detection of Wall Thinning in Service Water Piping," Proc. of SPIE Conf. thermosence XIX, Vol. 3056, pp. 242-247.
Ammirato, F. and Zayicek, P., 1999, Infrared Thermography Field Application Guide, EPRI/TR-107142.
Maldague, X., 1999, "Pipe Inspection by Infrared Thermography," Materials Evaluation, Vol. 57, No. 9, pp. 899-902.
Shen, G. and Li T., 2007, "Infrared Thermography for High-Temperature Pressure Pipe," Insight, Vol. 49, No. 3, pp. 151-153.
Grinzato, E., Vavilov, V., Bison, P.G. and Marinetti, S., 2007, "Hidden Corrosion Detection in Thick Metallic Components by Transient IR Thermography," Infrared Phys. & Technology, Vol. 49, pp. 234-238.
Vageswar, A., Balasubramaniam, K., Krishnamurthy, C.V., Jayakumar, T. and Raj, B., 2009, "Periscope Infrared Thermography for Local Wall Thinning in Tubes," NED & E International, Vol. 42, pp. 275-282.
Kim, J.W., Yun, K.W. and Jung, H.C., 2012, "Application of an IR Thermography Technique to the Inspection of Local Wall-Thinning Defects in Nuclear Piping Components," Proc. of PVP2012, PVP2012-78503.
Kim, K., Jeon, S. and Jung, H., 2011, "Defect Detection of Impacted Composite Tubes by Lock-in Photo-Infrared Thermography Technique," J. Korean Soc. Nondestructive Testing, Vol. 31, No. 2, pp. 139-143.
Choi, M, Kang, K., Park, J., Kim, W. and Kim, K., 2008, "Quantitative Determination of a Subsurface Defect of Reference Specimen by Lock-in Infrared Thermography," NDT & E International, Vol. 41, pp. 119-124.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.