[논문]펄스 레이저 스캐닝 기반 초음파 영상화 기술을 활용한 원전 배관 비파괴 진단

김현욱; 이창길; 박승희

doi:10.11112/jksmi.2014.18.1.166

펄스 레이저 스캐닝 기반 초음파 영상화 기술을 활용한 원전 배관 비파괴 진단
Nondestructive Diagnosis of NPP Piping System Using Ultrasonic Wave Imaging Technique Based on a Pulsed Laser Scanning System 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.18 no.1, 2014년, pp.166 - 173

김현욱 (성균관대학교 u-City공학과) , 이창길 (성균관대학교 건설환경시스템공학과) , 박승희 (성균관대학교 건축토목공학부)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 레이저 가진을 이용한 초음파 전파 영상 기반 배관 비파괴 검사에 관해 다룬다. 손상의 영상화를 위해 갈바노미터 기반 레이저 미러 스캐너와 Q-Switch Nd: YAG 레이저 시스템을 사용하였다. 레이저 시스템을 가진원으로 사용하면 빠른 속도로 비접촉 초음파 가진이 가능하며, 온도의 변화가 급격한 환경이나 유해 물질이 포함된 환경에서도 대상 구조물의 원거리 가진이 가능하다. 또한 공간 해상도가 높으며, 입사각이 넓어 표면 형상이 복잡한 대상 구조물도 가진이 가능하다. 본 연구에서는 이러한 레이저 시스템으로부터 생성된 유도 초음파를 단일 PZT 센서를 사용하여 계측하고, 계측된 신호는 레이저 가진점에 해당하는 좌표점에 나열함으로써 2차원 공간좌표 및 시간축을 더한 초음파 전파 영상 생성을 위한 3차원 데이터를 구성한다. 이 데이터를 시간 축에 따라 연속적으로 반복 재생하면 초음파 전파 영상을 구할 수 있다. 이 때 웨이블릿 변환을 이용하여 계측 신호의 특정 주파수 성분을 추출해냄으로써 관찰하고자 하는 특정 유도 초음파 모드를 추출할 수 있다. 이러한 일련의 과정으로부터 획득한 초음파 전파 영상 데이터를 시간-공간 영역에서 주파수-wavenumber 영역으로 변환시켜줌으로써 손상 특성을 추출할 수 있다. 본 연구에서는 손상의 진단 및 위치 추정을 위해 wavenumber 필터링 기술을 적용하였으며, 시스템 검증을 위해 다양한 배관구조물 Testbed를 대상으로 실험을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A noncontact nondestructive testing (NDT) method is proposed to detect the damage of pipeline structures and to identify the location of the damage. To achieve this goal, a scanning laser source actuation technique is utilized to generate a guided wave and scans a specific area to find damage location more precisely. The ND: YAG pulsed laser is used to generate Lamb wave and a piezoelectric sensor is installed to measure the structural responses. The measured responses are analyzed using three dimensional Fourier transformation (3DFT). The damage-sensitive features are extracted by wavenumber filtering based on the 3D FT. Then, flaw imaging techniques of a pipeline structures is conducted using the damage-sensitive features. Finally, the pipes with notches are investigated to verify the effectiveness and the robustness of the proposed NDT approach.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 Q-Switch Nd: YAG 레이저 시스템 및 갈바노미터 기반 레이저 스캐너를 이용한 비파괴 검사 기술을 통해 원전 배관 구조물의 손상을 진단하는 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 Q-Switch 레이저 가진 시스템 및 갈바노미터 기반 레이저 미러 스캐너를 이용한 원전 배관 비파괴 검사 기법을 구현하였다. 배관 구조물 테스트베드에 적용하여 초음파 전파 영상, wavenumber filtering, 손상 영상 검출 등의 알고리즘을 검증하였으며, 직관부, 곡관부, 용접부 등 손상의 종류를 달리하여 사용성을 검토하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

손상 진단 실험을 수행한 용접부는 Photo 2와 같이 단순 용접부 손상 진단을 위한 직관 용접부 1구간, 곡관 용접부에서의 손상과 초음파 응답 간의 상호작용을 고려하기 위한 곡관부 1구간으로 선정하였다. 두 구간에서 각각 깊이 2mm, 폭 1mm, 길이 30mm의 notch를 균열로 가정하여 인위적으로 생성시켰다. 각 구간의 레이저 스캔 영역은 Photo 3과 같이 직선 배관부에서는 폭 220mm, 높이 200mm, 곡관부에서는 곡관부를 일부 포함시켜 폭 330mm, 높이 200mm로 하였으며, 레이저 가진 포인트 간 간격을 2mm로 설정하였다.

제안 방법

(2) 배관의 직선부, 곡관부, 용접부를 notch 손상을 통해 레이저 스캐닝 하였다. 모든 손상 부분을 명확하게 영상화되어 위치 정보를 확인 할 수 있었다.
두 구간에서 각각 깊이 2mm, 폭 1mm, 길이 30mm의 notch를 균열로 가정하여 인위적으로 생성시켰다. 각 구간의 레이저 스캔 영역은 Photo 3과 같이 직선 배관부에서는 폭 220mm, 높이 200mm, 곡관부에서는 곡관부를 일부 포함시켜 폭 330mm, 높이 200mm로 하였으며, 레이저 가진 포인트 간 간격을 2mm로 설정하였다.
배관 구조물 테스트베드에 적용하여 초음파 전파 영상, wavenumber filtering, 손상 영상 검출 등의 알고리즘을 검증하였으며, 직관부, 곡관부, 용접부 등 손상의 종류를 달리하여 사용성을 검토하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서 고려한 배관 구조물은 상대적으로 직경이 큰 부재로 스캐닝을 위한 적정 폭이 확보되어 실험을 수행하였다. 배관 구조물에서의 초음파는 종파 모드, 비틀림 및 휨 모드가 발생하는데, 손상과 파면이 접하는 종파 모드를 이용하여 손상을 가시화하였다. 종파 모드만을 사용하고 wavenumber filtering을 적용하여 손상에서의 반사파만을 추출함으로써 효과적으로 손상을 가시화할 수 있었다.
7에 나타내었다. 배관에서의 초음파의 분산 특성은 크게 종파 모드와 횡파 모드로 나타나는데, 손상이 파면과 접할 때 반사파의 에너지량이 가장 크게 나타나므로 여기에서는 종파 모드만 관찰되는 시간에서 영상을 획득하였다. Fig.
본 연구에서는 초음파 전파 영상을 이용하여 입사파를 제거한 상태에서의 손상에서 반사되는 반사파만을 관찰함으로써 손상을 진단하는 알고리즘을 적용한다. 먼저, 입사파의 진행 방향과 관련있는 변수는 초음파의 wavenumber로써 입사파의 진행 방향은 음의 wavenumber로써, 반사파의 진행 방향은 양의 wavenumber로써 표현된다.
손상 진단 실험을 수행한 용접부는 Photo 2와 같이 단순 용접부 손상 진단을 위한 직관 용접부 1구간, 곡관 용접부에서의 손상과 초음파 응답 간의 상호작용을 고려하기 위한 곡관부 1구간으로 선정하였다. 두 구간에서 각각 깊이 2mm, 폭 1mm, 길이 30mm의 notch를 균열로 가정하여 인위적으로 생성시켰다.
레이저 빔이 대상 구조물의 표면에 입사되면 열탄성 메커니즘에 의해 대상 구조물에서는 초음파가 가진되며, 이 초음파는 계측점까지 전파된다. 초음파 계측은 접촉식 또는 비접촉식으로 모두 가능하며, 본 연구에서는 실험 구성을 간편화하기 위해 접촉식으로 구성하였다. UWPI 시스템에서는 고정 계측점에서 초음파 응답을 계측하므로 센서 설치는 매우 간단하다.

대상 데이터

레이저 미러 스캐너는 대상 구조물의 원하는 가진점에 레이저 펄스를 입사시키는데 사용된다. 레이저 미러 스캐너는 두 개의 갈바노미터로 구동되며 파장 길이 1064nm에서 작동되도록 설계되었다. 갈바노미터의 최대 각속도는 ±0.
(1) 배관 구조물에서는 구조 표면의 곡률로 인해 레이저 가진에 제약이 따른다. 본 연구에서 고려한 배관 구조물은 상대적으로 직경이 큰 부재로 스캐닝을 위한 적정 폭이 확보되어 실험을 수행하였다. 배관 구조물에서의 초음파는 종파 모드, 비틀림 및 휨 모드가 발생하는데, 손상과 파면이 접하는 종파 모드를 이용하여 손상을 가시화하였다.
따라서 파의 진행 방향에 대한 x축 또는 y축 방향의 음의 wavenumber를 소거하면 반사파만을 취할 수 있는데, 이를 wavenumber filtering이라 한다. 본 연구에서는 wavenumber 소거를 위해 rectangular window를 사용하였다.
실험에 사용한 배관은 Photo 1과 같이 길이 2000mm, 직경 160mm, 두께 3mm의 SUS관이다. 이 경우는 실제 구조물에서의 적용성을 고려하기 위해 scanning 위치와 같은 면에 센서를 부착하였으며, 손상 또한 배관의 외부 표현에 형성했다.
제작 시편의 용접부는 Photo 2와 같이 직선 배관부 1구간, 곡관부 1구간으로 제작되었다.

이론/모형

다음으로 wavenumber filtering된 신호로부터 손상 진단을 위해 RMS (Root Mean Square) 값을 이용하였다. RMS 값은 신호의 에너지 변화량을 나타내어주므로, 손상에서의 반사파의 에너지 변화량을 관찰하기에 적합하다.

성능/효과

이 과정을 가로축 (또는 세로축)으로 반복하여 가로축, 세로축, 시간축의 3차원 데이터를 구성한다. 다음으로 구성된 3차원 데이터를 시간축 방향으로 잘라내는 평면을 이용하면, 이 평면에 각 가진점의 값이 초음파 진폭 값이 되며 시간축에 대해 계측 시간만큼 반복하여 영상을 재생하면 초음파 전파 영상을 얻을 수 있다.
10과 같이 직선 배관부와 마찬가지로 손상 유무와 상관없이 용접부에서 반사파가 관찰되었다. 또한 곡관부의 형상이 초음파 경로로써 선명하게 영상화가 되었음을 확인하였다. 다음으로 wavenumber filtering을 수행하였는데, 직선 배관부와 유사하게 Fig.
반면, 손상 상태에서의 RMS 영상에서는 손상 영역에서 RMS 변화량이 명확하게 관찰된다. 정상 상태와 손상 상태의 RMS 영상을 비교해보면 정상 상태에서의 용접부에서도 standing wave가 관찰되나 그 영역이 넓게 퍼져있는 것을 알 수 있으며, 손상 상태의 경우 손상에 그 에너지가 집중되어 효과적으로 손상이 검출되었음을 알 수 있다.
배관 구조물에서의 초음파는 종파 모드, 비틀림 및 휨 모드가 발생하는데, 손상과 파면이 접하는 종파 모드를 이용하여 손상을 가시화하였다. 종파 모드만을 사용하고 wavenumber filtering을 적용하여 손상에서의 반사파만을 추출함으로써 효과적으로 손상을 가시화할 수 있었다.

후속연구

이를 통해 U-City 사회기반 시설구조물인 원전 및 플랜트 배관구조물에 대해 주기적인 안전진단을 통하여 배관의 손상을 이미지화 시켜 정확한 상태를 모니터링 할 수 있을 것이다.
원자력에 대한 기존의 불신과, 최근의 국내 발전소의 잦은 운전 정지로 인하여 사회적으로 원자력 발전소의 안전성에 대한 불안감이 잔존하고 있고 이를 해소할 수 있는 첨단 기술이 요구되고 있다. 첨단 과학 기술 분야에서 주로 사용되던 레이저 기술은 원자력 산업에 필수적으로 요구되는 원격, 비접촉, 정밀 측정의 요건을 가장 잘 만족하고 있으면서도 기존의 측정 방법에 비하여 적용성이 높아, 이들 첨단 레이저 기술을 이용한 원자력 시설의 계측 및 검사는 원자력 시설에 대한 정책적인 신뢰도 제고에 기여할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	UWPI 시스템은 어떻게 구성되는가?	UWPI 시스템은 Fig. 1과 같이 Q-Switch 레이저 시스템과 갈바노미터 기반 레이저 미러 스캐너, 초음파 센서, 디지타이저 및 이미지 처리기로 구성된다.
	레이저 초음파 검사기술의 장점은 무엇인가?	레이저를 이용한 원격 초음파 검사 방법은 신호 발생 및 측정 장치 모두 대상 구조물에 대한 중간 매개가 필요 없는 완전한 비접촉 계측 방법일 뿐 아니라, 작업거리 유지에도 유연성을 갖춘 원격 검사이다. 또한 레이저 초음파 검사기술은 구조물의 표면 상태에 대한 의존성이 적고 원격으로 복잡한 구조물에 대해서도 적용이 용이하며, 광대역 정보를 얻을 수 있어 기존의 방법에서 관측하기 어려운 복잡한 구조물의 피로열화, 미세결함, 정밀 두께 등을 측정할 수 있다. 이외에도 수중에서의 작업이 가능하며, 결함의 깊이 정보도 확보할 수 있다는 등의 기술적인 장점을 지니고 있다.
	경제적이면서 넓은 영역에서 운전 중 감시가 가능한 신 개념의 원거리, 비접촉 비파괴 측정 기법 도입이 필요한 이유는?	원전 배관의 건전성을 진단하기 위한 현재의 기법들은 측정 범위가 좁고 시간이 오래 걸리며 또한 배관의 피복을 벗겨 내야 하는 등 측정을 위한 시간과 인력이 많이 드는 문제점을 가지고 있다. 이는 결국 비용의 증가로 이어질 뿐만 아니라 관리영역의 한계로 인하여 안전성 확보가 어려워진다. 따라서 경제적이면서 넓은 영역에서 운전 중 감시가 가능한 신 개념의 원거리, 비접촉 비파괴 측정 기법 도입이 필요하다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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