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문제 정의
- 본고에서는 기존의 초음파 영상화 기법의 장점 및 단점에 대하여 전반적으로 살펴보고, 초음파 전파의 영상화 알고리즘 및 Wavenumber필터를 이용한 손상 영상화 기법에 대하여 소개하였다. 또한 기존의 영상화 기법의 문제점을 개선할 수 있도록 하는 스캐닝 펄스 레이저 헤드와 고정형 압전센서를 사용한 초음파 전파 영상화 시스템(UWPI)에 대하여 소개하였으며, 실제로 UWPI시스템을 구성하여 배관구조물을 대상으로 용접부 균열, 곡관부 균열 및 곡관부 감육의 손상 검출을 수행하였다.
가설 설정
- 두 구간에서 각각 깊이 2mm, 폭 1mm, 길이 30mm의 notch를 인위적으로 생성시켜 균열로 가정하였다. 각 구간의 레이저 스캔 영역은 Fig.
제안 방법
- 가열 표면은 Fig. 17과 같이 레이저 스캔면의 측면부로하며, 레이저 스캔면은 가열을 하지 않아 약 35℃의 온도 분포를 나타내어 열성층이 형성되는 실제 원전 배관과 유사한 조건을 형성시켜 레이저 스캐닝을 진행 중에도 계속하여 표면 온도를 유지할 수 있도록 가열을 하였다.
- 두 구간에서 각각 깊이 2mm, 폭 1mm, 길이 30mm의 notch를 인위적으로 생성시켜 균열로 가정하였다. 각 구간의 레이저 스캔 영역은 Fig. 9와 같이 직선 배관부에서는 폭 220mm, 높이 200mm, 곡관부에서는 곡관부를 일부 포함시켜 폭 330mm, 높이 200mm로 하였으며, 레이저 가진 포인트 간 간격을 2mm로 설정하였다. 레이저 가진 포인트 간 간격은 초음파 파장 길이와 연관이 있으며, 배관 표면의 곡률 및 배관 두께에 따른 초음파 응답의 주파수 대역 등에 따라 설정될 수 있다.
- 실제 운용 중인 배관 구조물에서 가장 빈번히 발생하는 손상은 이종 금속 용접부에서의 균열 및 곡관부에서 감육이다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 용접부 균열 및 곡관부 감육을 진단 대상으로 손상 검증 실험을 수행하였다. 또한 운용 중 환경 조건인 고온 환경을 인위적으로 유발시켜 손상 진단 결과에 대한 영향을 검토하였다.
- 본고에서는 기존의 초음파 영상화 기법의 장점 및 단점에 대하여 전반적으로 살펴보고, 초음파 전파의 영상화 알고리즘 및 Wavenumber필터를 이용한 손상 영상화 기법에 대하여 소개하였다. 또한 기존의 영상화 기법의 문제점을 개선할 수 있도록 하는 스캐닝 펄스 레이저 헤드와 고정형 압전센서를 사용한 초음파 전파 영상화 시스템(UWPI)에 대하여 소개하였으며, 실제로 UWPI시스템을 구성하여 배관구조물을 대상으로 용접부 균열, 곡관부 균열 및 곡관부 감육의 손상 검출을 수행하였다. 또한 운전 중 원전 배관의 열성층 현상을 근사적으로 모사하여 용접부 균열에 대한 손상 검출을 수행하였다.
- 이 때 수평축 및 수직축에서 실시한 격자 간격은 일정하며, 갈바노미터의 속도에 따라 펄스 반복 주파수를 설정할 수 있다. 또한 레이저 미러 스캐너에는 대상 구조물에 빔 펄스의 초점을 맞출 수 있도록 f-theta 렌즈가 부착되어있는데, 대상 구조물과 f-theta 렌즈와의 거리가 2m가 되도록 설계하였다.
- 4와 같이 용접부 균열 및 곡관부 감육을 진단 대상으로 손상 검증 실험을 수행하였다. 또한 운용 중 환경 조건인 고온 환경을 인위적으로 유발시켜 손상 진단 결과에 대한 영향을 검토하였다.
- 또한 기존의 영상화 기법의 문제점을 개선할 수 있도록 하는 스캐닝 펄스 레이저 헤드와 고정형 압전센서를 사용한 초음파 전파 영상화 시스템(UWPI)에 대하여 소개하였으며, 실제로 UWPI시스템을 구성하여 배관구조물을 대상으로 용접부 균열, 곡관부 균열 및 곡관부 감육의 손상 검출을 수행하였다. 또한 운전 중 원전 배관의 열성층 현상을 근사적으로 모사하여 용접부 균열에 대한 손상 검출을 수행하였다.
- 마지막으로 비틀림 모드의 분산성을 검토하기 위해 250μs에서 비틀림 모드의 분산성을 확인하였다.
- 배관 구조물 대상의 실험을 통하여 균열 및 감육으로 정의된 손상 상태에 따른 손상 위치 및 손상 크기를 검출하고, UWPI시스템을 기반으로 한 레이저 스캐닝 시스템의 성능을 확인하였다. 실제 구조물의 유지 관리 시 용접부 및 연결부 등의 형상이 복합한 부재 및 요소를 대상으로 비파괴 검사를 필요로 한다.
- 배관 초음파의 경우 종파, 비틀림, 휨 모드를 갖으며, 획득한 데이터의 신호 대 잡음비를 높이기 위해 Fig. 5와 같이 초음파 센서의 민감도가 높은 주파수 대역에서 군속도를 분석하였다. 먼저, 0~250kHz 구간의 경우 종파 모드와 비틀림 모드는 거의 비분산성인 반면, 휨 모드는 분산성이 매우 높았다.
- 원전 압력용기 등의 고온 고압 환경에 의해 원전 배관 내에 냉각수는 빠른 유속으로 흐르는데 냉각수가 배관의 곡관부에 닿을 때 유속에 의해 배관 감육이 발생한다. 본 연구에서는 배관 감육을 모사하기 위해 Fig. 15와 같이 곡관부에서 인위적으로 두께 변화를 주었다. 레이저 스캐닝 영역은 폭 240mm, 높이 250mm이며 레이저 가진 간격은 2mm이다.
- 이러한 열성층 현상이 주기적으로 반복되면 피로손상이 유발될 수 있으므로 열에 대한 영향을 손상 진단 실험에서 고려하여야 한다(김용 등, 2008). 본고에서는 이러한 온도 변화를 모사하기 위하여 근적외선 히터를 이용하여 배관 표면의 온도를 100℃에서 170℃의 분포로 가열하였다.
- 4와 같이 곡관을 포함한 스테인리스 스틸 관이며 그 물성치는 Table 2에 나타내었다. 실제 운용 중인 원전 배관, 플랜트 배관 등과 같은 경우 배관 내부에 센서를 부착하기는 불가능하므로 현장 상황을 고려한 실험 수행을 위해 scanning 위치와 같은 면에 센서를 부착하였으며, 손상 또한 배관의 외부 표면에 형성하였다. 배관 구조물은 평판과는 달리 곡면부에서 scanning을 수행하게 되므로 scanning 폭에 제약이 따른다.
- 앞선 경우와 마찬가지로 0~250kHz의 주파수 대역에서 손상 영상을 획득하였으며, 비틀림 모드의 출현 전·후에서의 손상 영상을 비교 하였다.
- 이를 위하여 Q-Switched pulsed 레이저 시스템 및 갈바노미터 기반 레이저 미러 스캐너를 사용하여 레이저 펄스 시스템으로부터 발진되는 레이저 펄스를 회전 거울을 탑재한 레이저 미러 스캐너를 구성하고, 대상 구조물의 특정 위치에 입사시켜줌으로써 다지점 가진을 통한 초음파 전파 영상 획득 및 획득한 초음파 영상 데이터를 기반으로 파수 필터링 및 RMS(Root Mean Square) 값을 도출하는 일련의 신호처리 과정을 거쳐 손상을 가시화하였다.
대상 데이터
- 다음으로 배관 곡관부의 감육을 진단 대상으로 하여 실험을 수행하였다. 원전 압력용기 등의 고온 고압 환경에 의해 원전 배관 내에 냉각수는 빠른 유속으로 흐르는데 냉각수가 배관의 곡관부에 닿을 때 유속에 의해 배관 감육이 발생한다.
- 다음으로 비틀림 모드가 손상 영상에 미치는 영향을 살펴보기 위해 Fig. 11과 같이 250μs에서 손상 영상을 획득하였다.
- 용접부에서 발생한 손상은 대부분 원주 방향으로 짧은 길이를 갖으며, 이러한 손상은 종파 모드 형태의 반사파 뿐만 아니라 휨 모드 형태의 반사파도 발생시킨다. 따라서 본 연구에서는 모든 모드를 활용할 수 있는 0~250kHz 주파수 대역을 손상 검출에 사용하였다.
- 15와 같이 곡관부에서 인위적으로 두께 변화를 주었다. 레이저 스캐닝 영역은 폭 240mm, 높이 250mm이며 레이저 가진 간격은 2mm이다. 따라서 레이저 가진점은 15,125포인트이며 레이저 스캐닝 시간은 12.
- 레이저 시스템은 Q-switched Nd: YAG 레이저를 사용하며, 그 파장 길이는 1064nm, 펄스 당 에너지량은 100mJ이다. 최대 펄스 반복 주파수는 20Hz로써 초당 20포인트를 가진 할 수 있다.
- , 2009(b))의 단계로 변화함으로써 그 성능이 개선되어왔다. 레이저 초음파 발생기는 신호 반복 생성 속도가 빠른 Q-Switch Nd:YAG 레이저 시스템이 사용되었다. 또한 초음파 계측 관련 기술의 경우, PZT 센서를 직접 부착하거나(Chia et al.
- 손상 검출 실험을 수행한 용접부는 Fig. 9와 같이 단순 용접부 손상 진단을 위한 직선 배관부 1구간, 곡관부에서의 손상과 초음파 응답 간의 상호작용을 고려하기 위한 곡관부 1구간으로 선정하였다.
- 손상 영상은 Fig. 13 및 (14)와 같이 110μs와 230μs에서 각각 도출하였다.
- 4와 같은 배관 구조물에서 수행한 손상 진단 및 환경 영향에 대한 실험 구성 및 결과에 대해 설명한다. 실험에 사용한 배관은 Fig. 4와 같이 곡관을 포함한 스테인리스 스틸 관이며 그 물성치는 Table 2에 나타내었다. 실제 운용 중인 원전 배관, 플랜트 배관 등과 같은 경우 배관 내부에 센서를 부착하기는 불가능하므로 현장 상황을 고려한 실험 수행을 위해 scanning 위치와 같은 면에 센서를 부착하였으며, 손상 또한 배관의 외부 표면에 형성하였다.
- 제작 시편의 용접부는 Fig. 9와 같이 크게 3구간으로써 각각 직선 배관부 1구간, 곡관부 2구간으로 제작되었다.
성능/효과
- 결론적으로 직선 배관부에서는 종파 모드와 휨 모드만을 이용하여 손상 영상을 획득한 경우에서 배관의 형상에 의한 영향을 최소화할 수 있으며, 손상 영상 획득 시간을 비틀림 모드가 나타나기 전으로 하는 것이 효과적이라 할 수 있다.
- 5와 같이 초음파 센서의 민감도가 높은 주파수 대역에서 군속도를 분석하였다. 먼저, 0~250kHz 구간의 경우 종파 모드와 비틀림 모드는 거의 비분산성인 반면, 휨 모드는 분산성이 매우 높았다. 또한 250kHz~500kHz 구간의 경우 휨 모드가 종파 모드와 비틀림 모드에 근접하며 분산성이 매우 낮았다.
- 배관에서 전파되는 초음파 모드의 분산 특성을 살펴본 결과, 0~250kHz 주파수 대역에서 모드의 분산성이 높으며, 모든 모드가 관찰된다는 것을 알 수 있었다. 용접부에서 발생한 손상은 대부분 원주 방향으로 짧은 길이를 갖으며, 이러한 손상은 종파 모드 형태의 반사파 뿐만 아니라 휨 모드 형태의 반사파도 발생시킨다.
후속연구
- 실제 구조물의 유지 관리 시 용접부 및 연결부 등의 형상이 복합한 부재 및 요소를 대상으로 비파괴 검사를 필요로 한다. 따라서 다양한 형상의 구조물 부재를 대상으로 본고에서 제안하는 기술의 검증 실험이 필요하다 사료되며, 향후 구조물 유리 관리 분야에 활발히 응용되리라 생각한다.
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