음향방출법을 이용한 Type 1 및 Type 2 가스실린더의 정량적 평가기준에 대한 연구 Study of Quantitative Assessment Standard for Type 1 and Type 2 Gas Cylinders Using Acoustic Emission Testing원문보기
음향방출법은 차량 내부에 장착된 실린더의 경우 분해없이 동작중에 실시간으로 측정이 가능하므로 다른 비파괴평가 방법보다 많은 장점을 가지고 있다. 이러한 장점을 가지고 음향방출법은 미국 교통부(DOT)로부터 수압시험의 대체로 압력용기의 안정성 평가 방법으로 승인되었다. 본 논문은 압력용기 제조사로부터 UT 결함용기 및 결함이 있는 이음매 없는 압력용기인 Type 1과 Type 2에 대한 정량적인 평가기준에 대한 연구를 수행하였다. Type 1의 경우, ASTM E 1419-02를 기준으로 113L 규격의 준비된 용기로 피로반복시험을 통해 크랙의 성장부터 누설까지 경향을 파악하였다. Type 2의 경우, ASTM E 2191-02를 기준으로 119L 건전한 용기와 수압가압으로 불량용기를 용기에 slow-fill 방법으로 검증하였다. 본 연구에서 음향방출법을 이용한 Type 1과 Type 2의 시험은 불량용기와 건전한 용기를 효과적으로 구분할 수 있었다.
음향방출법은 차량 내부에 장착된 실린더의 경우 분해없이 동작중에 실시간으로 측정이 가능하므로 다른 비파괴평가 방법보다 많은 장점을 가지고 있다. 이러한 장점을 가지고 음향방출법은 미국 교통부(DOT)로부터 수압시험의 대체로 압력용기의 안정성 평가 방법으로 승인되었다. 본 논문은 압력용기 제조사로부터 UT 결함용기 및 결함이 있는 이음매 없는 압력용기인 Type 1과 Type 2에 대한 정량적인 평가기준에 대한 연구를 수행하였다. Type 1의 경우, ASTM E 1419-02를 기준으로 113L 규격의 준비된 용기로 피로반복시험을 통해 크랙의 성장부터 누설까지 경향을 파악하였다. Type 2의 경우, ASTM E 2191-02를 기준으로 119L 건전한 용기와 수압가압으로 불량용기를 용기에 slow-fill 방법으로 검증하였다. 본 연구에서 음향방출법을 이용한 Type 1과 Type 2의 시험은 불량용기와 건전한 용기를 효과적으로 구분할 수 있었다.
Acoustic emission testing (AET) of cylinders is advantageous in that it can be directly conducted on cylinders installed in a car, without needing to dissemble them on a real-time basis. Therefore, users prefer AET over other nondestructive testing methods. Owing to these advantages of AET, it has b...
Acoustic emission testing (AET) of cylinders is advantageous in that it can be directly conducted on cylinders installed in a car, without needing to dissemble them on a real-time basis. Therefore, users prefer AET over other nondestructive testing methods. Owing to these advantages of AET, it has been approved by the Department of Transportation of the U.S. as a safety evaluation method for pressure containers or as an alternative to the hydroproof testing method. This paper presents a study of the quantitative evaluation criteria for a container having ultrasonic testing defects and also for Type 1 and Type 2 gas cylinders, which are defective seamless pressure containers provided by NK, a manufacturer of pressure containers. For the Type 1 cylinder, the process from crack growth to leak was observed in a repetitive fatigue test using a 113 L container according to ASTM E 1419-02. Further, for the Type 2 cylinder, integrity was evaluated using a 119 L sound container and a container damaged by hydraulic pressure, by the slow-fill method according to ASTM E 2191-02. Based on the AET results of the Type 1 and Type 2 cylinders, quantitative evaluation criteria were established for a defective and non-defective container.
Acoustic emission testing (AET) of cylinders is advantageous in that it can be directly conducted on cylinders installed in a car, without needing to dissemble them on a real-time basis. Therefore, users prefer AET over other nondestructive testing methods. Owing to these advantages of AET, it has been approved by the Department of Transportation of the U.S. as a safety evaluation method for pressure containers or as an alternative to the hydroproof testing method. This paper presents a study of the quantitative evaluation criteria for a container having ultrasonic testing defects and also for Type 1 and Type 2 gas cylinders, which are defective seamless pressure containers provided by NK, a manufacturer of pressure containers. For the Type 1 cylinder, the process from crack growth to leak was observed in a repetitive fatigue test using a 113 L container according to ASTM E 1419-02. Further, for the Type 2 cylinder, integrity was evaluated using a 119 L sound container and a container damaged by hydraulic pressure, by the slow-fill method according to ASTM E 2191-02. Based on the AET results of the Type 1 and Type 2 cylinders, quantitative evaluation criteria were established for a defective and non-defective container.
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문제 정의
본 연구는 이음매 없는 압력용기에 대한 건전성 평가시스템을 개발하고, 다양한 용기에 적용하기 위해 실제 압력용기 제조사에서 생산되는 용기로 여러 형태로 용기에 손상을 가한 후 음향방출법을 이용하여 정상용기와 불량용기를 구분할 수 있는 건전성 평가에 대해서 정량적인 평가기준 마련에 대한 연구를 수행하였다.
제안 방법
Type 1 용기에 대한 실린더 규격은 Table 2와 같고, 현장시험을 위해 ENK사 생산현장에서 UT 불량으로 판정된 DOT 3AAX규격 (용량 113 리터, 길이 1.4 m) 용기를 준비하여 반복시험기(cycling tester)에 수압을 이용하여 가압 및 감압을 반복하여 피로를 누적시켜 용기에서 결함 발생을 유도하였다.
Type 1은 ASTM E 1419-02b[8] 규격에 근거 하여 20 cm 이내에 5개 이상의 AE hit가 발생할 경우 불량이 있는 용기로 간주하여 위치를 파악한 후, 2차 비파괴검사 방법(UT 검사 등)을 수행하여 결함의 여부를 재확인하여 건전성을 판정한다.
Type 2의 경우, slow-fill과 fast-fill 방법 중, 본 연구에서는 사용압력의 50%에서 2분간 유지한 후, 사용압력의 110%까지 가압하고 사용압력의 110%에서 10분간 유지하여 그 구간의 count의 누적값을 확인하여 용기를 판정하는 slow-fill 적용하였다. Fig.
Type 1의 경우, 사용압력의 30%에서 사용압력의 110%까지 가압하여 구간 내에서 발생한 음향방출 hit 횟수로 용기의 건전성을 검사한다. 가압은 6.0 MPa (60bar)에서 2분간 유지한 후, 16.5 MPa (165bar, 사용압력의 110%)까지 가압하고 16.5 MPa (165bar)에서 10분간 유지하여 그 구간에서 발생한 hit를 확인하여 용기를 판정한다. Fig.
그리고 접촉식 AE 센서는 couplant를 사용하여 부착하므로 ASTM과 같은 표준화 절차를 따르더라도 부착할 때마다 sensitivity가 달라질 수 있으므로 용기시험 전 용기의 양 끝단에 센서를 부착하고 PLB(pencil-lead break)를 수행하여, 진폭의 평균값이 3dB 이내를 벗어나지 않을 경우 시험을 수행하도록 기준을 마련하였다.
그리고 채널 수는 용기 하나당 시험을 위해 2채널 기준으로 12개의 압력용기를 동시에 시험이 가능하도록 24채널로 구성되며, 압력이나 별도의 다른 파라미터 신호의 입력이 가능하도록 2채널 입력을 설계에 포함하였다.
본 연구를 수행하기 위해 개발된 압력용기의 건전성 평가시스템은 음향방출 센서, 데이터 수집장치, 시그널 컨디셔닝 유닛, 건전성평가 소프트웨어로 Fig. 1과 같이 구성하였으며 세부사양은 Table 1과 같다.
소프트웨어 설계는 현장 사용자의 편의를 돕기 위해 그래픽 유져 인터페이스를 기반으로 설계되었으며, 용기 평가를 위한 ASTM 규격의 기술된 순서를 준수 하였다. Fig.
압력센서를 부착하여 slow-fill 방식으로11.0 MPa(110bar)에서 2분간 유지한 후 22.8 MPa (228bar, 사용압력의 110%)에서 10분간 유지하여 그 구간의 AE count의 누적값을 확인하여 용기를 건전성을 평가하였다. 시험 결과, Fig.
(c)는 8개의 실린더를 동시에 테스트를 수행한 결과, 1개의 용기에서 rejection criteria인 20 cm 이내에 5개 이상의 AE count가 발생한 용기로서 불량으로 판정된다. 이때, 용기에서 발생하는 균열신호를 1차원 위치추정기법을이용하여 화면상에 점(point)으로 표시되도록 구성하였으며, 신호의 진폭크기 비를 확인하기 위해서 용기의 아래 면을 기준으로 위쪽을 y축으로 신호의 크기를 같이 표시하였다. 시험결과, 건전한 용기는 파란색으로, 불량용기는 붉은색으로 표시하여 사용자가 직관적으로 구분이 용이하도록 개발되었다.
필터는 압력용기의 결함으로 발생하는 균열신호에 해당하는 주파수 대역인 50~300 kHz을 선택하여 신호를 추출하도록 설계되었다. 전원공급기능 센서에 대한 동작 전원공급 및 신호를 취득할 수 있도록 구성하였다.
채널당 3MSPS 샘플링 속도로 균열신호에 대한 고속데이터 수집 및 신호처리가 용이한 시스템으로 구성하였다.
시그널 컨디셔너는 증폭, 필터, 전원공급의 역할을 수행하는데, 증폭의 경우 센서로부터 입력되는 균열신호는 수 µV신호로 상당히 미약하므로, 이 신호를 수 mV로 증폭하도록 20/40 dB 증폭기능을 수행한다. 필터는 압력용기의 결함으로 발생하는 균열신호에 해당하는 주파수 대역인 50~300 kHz을 선택하여 신호를 추출하도록 설계되었다. 전원공급기능 센서에 대한 동작 전원공급 및 신호를 취득할 수 있도록 구성하였다.
대상 데이터
40 dB 앰프 내장형 type인 Fuji Ceramic사 제품(AE144SA40-BNC)으로 금속제 압력용기 테스트에 적합한 144 kHz 공진형센서를 용기의 곡면부위에 장착 및 탈착이 용이하도록 마그네틱 홀더와 같이 결합하여 사용하였다.
Type 2 용기에 대한 실린더 규격은 Table 3과 같다. NK사에서 제공된 NK CNG Type 2 용기 4개를 준비하였으며, 공기압으로 시험을 진행하였으므로 안전을 위해 두께 5T의 보호용기 내부에 Type 2 용기를 위치하였다.
준비된 용기는 정상용기 2개 및 60.0 MPa (600bar) 수압 가압된 용기 내부가 손상된 용기 2개를 각각 준비하였다.
성능/효과
1) Type 1 용기의 경우, cycling test를 통해 용기가 건전한 상태에서는 총 발생 hit의 수가 5개 내외를 유지하고, 피로가 누적될수록 발생 hit수가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 발생 hit 수를 이용하여 용기의 상태를 판단하고, ASTM E1419 규격에 근거하여 정상 용기와 불량용기에 대해 정량적인 평가가 가능함을 확인하였다.
11,000회 피로반복에서 균열신호와 유사한 특징이 확인되어 초음파검사(이하 UT)를 통해 3 mm이내 균열 가능성을 확인하였다.
2) Type 2 용기의 경우, 건전한 용기와 60.0 MPa(600bar) 가압된 불량용기를 이용한 시험에서 하중 구간 내에서 음향방출의 활성도로 용기의 상태를 판단하고, ASTM E 2191 규격에 근거한 정량적 평가기준으로 용기의 건전도를 평가할 수 있었다.
3) 12개의 용기를 동시에 시험할 수 있도록 24채널 전용 하드웨어와 시험 순서 및 시험 결과를 즉시 알 수 있는 소프트웨어를 개발하여 국제규격에 상응하는 시험을 수행하였고, 그 결과 실제 정상용기에서는 정상 판정을, 임의불량가공용기에 대해서는 불량 판정이 가능함을 확인하였으며, Type 1과 Type 2 압력용기에 대한 건전성 평가에 적합함을 확인할 수 있었다.
4) Type 1과 Type 2 의 평가 규격과 실제 시험에서 취득한 누적 분포 및 AE 활성도 기반의 평가 방법을 병행한 경우, 보다 신뢰성 있는 용기의 평가기준이 가능함을 확인하였다.
Test 6과 7의 경우, 용기를 파열 직전까지 수압을 이용하여 가압 후 압력을 제거한 용기로서 실제 용기의 표면에는 많은 균열이 발생한 상태이다. AE 시험 결과, 두 용기 모두에서 압력 유지 중 누적 count가 지속적으로 증가하였으며, 그 정도가 압력이 증가할수록 압력에 비례하여 증가하는 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
Fig. 6과 같이 약 8,000회 이후 가압구간에서 신호의 발생 빈도가 증가하였고 8,000회 이후 용기가 매우 불안정해져 이로 인해 균열신호가 발생하고 피로도에 따라 균열에서 누설로 진전되는 양상을 AE 신호로부터 확인할 수 있었다.
Test 6과 7의 AET result는, Fig. 8에서 압력 유지 기간 중 두 용기 모두에서 압력 유지 중 cumulative count가 지속적으로 증가하는 특징을 Test 5와 8의 AET result는 우측 하단의 2가지 그래프 특성과 같이 압력 유지 구간 중 count의 증가가 없는 완만한 특징을 가진다.
8 MPa (228bar, 사용압력의 110%)에서 10분간 유지하여 그 구간의 AE count의 누적값을 확인하여 용기를 건전성을 평가하였다. 시험 결과, Fig. 8과 같이 Test 5와 Test 8 용기에 비해 Test 6과 Test 7의 용기가 압력 구간 내에 음향방출의 활성도(AE activity)가 높음을 확인하였다.
이때, 용기에서 발생하는 균열신호를 1차원 위치추정기법을이용하여 화면상에 점(point)으로 표시되도록 구성하였으며, 신호의 진폭크기 비를 확인하기 위해서 용기의 아래 면을 기준으로 위쪽을 y축으로 신호의 크기를 같이 표시하였다. 시험결과, 건전한 용기는 파란색으로, 불량용기는 붉은색으로 표시하여 사용자가 직관적으로 구분이 용이하도록 개발되었다.
1) Type 1 용기의 경우, cycling test를 통해 용기가 건전한 상태에서는 총 발생 hit의 수가 5개 내외를 유지하고, 피로가 누적될수록 발생 hit수가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 발생 hit 수를 이용하여 용기의 상태를 판단하고, ASTM E1419 규격에 근거하여 정상 용기와 불량용기에 대해 정량적인 평가가 가능함을 확인하였다.
7과 같이 20 cm 이내에서 5개의 균열로 추정되는 신호가 취득되어 결함용기로 구분할 수 있었다. 해당부위에 대해 UT로 검사 결과 3 mm 이내의 결함이 있는 것으로 판정되었고, 절단을 통한 확인 결과 육안결함 관측은 할 수 없었던 것으로 판단할 때, 결함이 진행중인 미시적인 균열신호로 판단된다.
후속연구
5) ASTM 규격에 준하는 불량 판정기준 외에도 국내 실정에 적합한 Type 1과 Type 2 용기에 대한 데이터베이스를 구축하여 보다 신뢰성이 높은 정량적인 평가 시스템에 대한 연구가 지속적으로 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
2014년 기준 우리나라의 CNG 차량의 사용현황은?
CNG 차량은 도심 대기오염을 줄이고자 2002년부터 도입돼 현재 전국적으로 버스와 청소차량을 포함하여 2만 5천 여대가 운행 중이다. CNG 버스에 장착된 Type 2 압력용기의 경우, 현존하는 대부분의 CNG 버스차량에 장착되어 운행되고 있다.
음향방출법의 장점은 무엇인가?
음향방출법은 차량 내부에 장착된 실린더의 경우 분해없이 동작중에 실시간으로 측정이 가능하므로 다른 비파괴평가 방법보다 많은 장점을 가지고 있다. 이러한 장점을 가지고 음향방출법은 미국 교통부(DOT)로부터 수압시험의 대체로 압력용기의 안정성 평가 방법으로 승인되었다.
CNG차량 실린더에 대한 안전점검을 수행하는 방법은?
음향방출시험(acoustic emission test)은 이러한 압력용기에 대한 안전성 평가를 수행하는 수단 및 수압시험의 대체목적으로 1983년 미국 교통국(DOT)의 승인하에 최초 시험검사법으로 도입되었으며, 차량에 장착된 실린더(cylinder)를 분해하지 않고 가스 충전을 통한 시험이 가능한 장점으로 다른 비파괴검사 방법보다 선호되고 있다.
참고문헌 (9)
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H.-S. Jee, J.-O. Lee, N.-H. Ju, C. H. So and J.-K. Lee, "Effect of Acoustic Emission During a Fatigue Test with Defect for Type II Gas Cylinder," Journal of the Korean Institute of GAS, Vol. 16, No. 2, pp. 18-24 (2012)
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