전단간섭법을 이용한 배관 순환 시스템에서의 압력용기 내부결함 및 면외변형 측정 Measurement of Inner Defects and out of Plane Deformation of Pressure Vessel in Piping of Circulation System Using Shearography원문보기
다양한 산업분야에서 사용되는 압력용기는 발전설비의 70~80%를 구성하는 설비구조물로써 유속에 의한 감육결함 현상이 발생할 수 있으며 내부결함 측정이 설비의 안전진단 평가에 중요한 요소가 된다. 본 논문에서는 광계측 응용 비파괴검사 기술인 전단간섭법을 이용하여 압력용기의 비접촉 비파괴평가를 통한 발전설비의 안정성 확보와 신뢰성 향상에 있다. 이를 검증하기 위하여 압력용기에 임의의 결함을 가공하여 배관 순환 시스템을 적용한 내부의 온도 변화와 압력 변화에 따른 내부결함 계측 및 면외 변형량 계측에 대하여 실험과 해석을 수행하였다. 본 연구를 통한 결함의 존재 유무를 구분할 수 있도록 하는 가장 중요한 요소는 결함 두께, 폭 및 결함길이라 할 수 있으며 결함 두께, 폭, 길이가 커질수록 변형랑도 커짐을 확인할 수 있었다. 따라서 전단간섭법을 이용한 압력용기의 내부결함을 사전에 측정하여 배관의 신뢰성과 건전성을 확보하는데 주요할 것으로 보인다.
다양한 산업분야에서 사용되는 압력용기는 발전설비의 70~80%를 구성하는 설비구조물로써 유속에 의한 감육결함 현상이 발생할 수 있으며 내부결함 측정이 설비의 안전진단 평가에 중요한 요소가 된다. 본 논문에서는 광계측 응용 비파괴검사 기술인 전단간섭법을 이용하여 압력용기의 비접촉 비파괴평가를 통한 발전설비의 안정성 확보와 신뢰성 향상에 있다. 이를 검증하기 위하여 압력용기에 임의의 결함을 가공하여 배관 순환 시스템을 적용한 내부의 온도 변화와 압력 변화에 따른 내부결함 계측 및 면외 변형량 계측에 대하여 실험과 해석을 수행하였다. 본 연구를 통한 결함의 존재 유무를 구분할 수 있도록 하는 가장 중요한 요소는 결함 두께, 폭 및 결함길이라 할 수 있으며 결함 두께, 폭, 길이가 커질수록 변형랑도 커짐을 확인할 수 있었다. 따라서 전단간섭법을 이용한 압력용기의 내부결함을 사전에 측정하여 배관의 신뢰성과 건전성을 확보하는데 주요할 것으로 보인다.
Wall thinning defects can occur in the pressure vessels used in a variety of industries. Such defects are related to the flow velocity. Considering the fact that such vessels constitute up to 70 or 80% of the plant structures in a power plant, it is important to measure internal defects as part of a...
Wall thinning defects can occur in the pressure vessels used in a variety of industries. Such defects are related to the flow velocity. Considering the fact that such vessels constitute up to 70 or 80% of the plant structures in a power plant, it is important to measure internal defects as part of a safety evaluation. In this study, optical measurement were applied in a non-destructive evaluation using shearography to ensure the safety and improve the reliability of a power plant through the non-contact, non-destructive evaluation of pressure vessels. In order to verify whether the pressure vessels contained faults, experimental and analytical investigation were conducted to measure any internal defects and out-of-plane deformation from inner temperature changes and pressure changes in the piping of the circulation system. The most important factors in this research were the thickness, width, and length of a defect. An increase in these could confirm an increase in the deformation. Thus, internal defects in a pressure vessel were measured using shearography, which made it possible to ensure the reliability and integrity of the pipe.
Wall thinning defects can occur in the pressure vessels used in a variety of industries. Such defects are related to the flow velocity. Considering the fact that such vessels constitute up to 70 or 80% of the plant structures in a power plant, it is important to measure internal defects as part of a safety evaluation. In this study, optical measurement were applied in a non-destructive evaluation using shearography to ensure the safety and improve the reliability of a power plant through the non-contact, non-destructive evaluation of pressure vessels. In order to verify whether the pressure vessels contained faults, experimental and analytical investigation were conducted to measure any internal defects and out-of-plane deformation from inner temperature changes and pressure changes in the piping of the circulation system. The most important factors in this research were the thickness, width, and length of a defect. An increase in these could confirm an increase in the deformation. Thus, internal defects in a pressure vessel were measured using shearography, which made it possible to ensure the reliability and integrity of the pipe.
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문제 정의
본 논문에서는 전단간섭법을 이용한 원자력 압력용기 결함의 비접촉 비파괴평가를 통한 원자력 기기의 안정성 확보와 신뢰성 향상에 있다. 또한 광계측 비파괴검사 기술의 원자력 압력용기계열 현장 적용을 위한 기초기술 확보 및 광계측 검사기술의 선진화 및 표준화에 연구 목표를 두고 있다.
본 논문에서는 전단간섭법을 이용한 원자력 압력용기 결함의 비접촉 비파괴평가를 통한 원자력 기기의 안정성 확보와 신뢰성 향상에 있다. 또한 광계측 비파괴검사 기술의 원자력 압력용기계열 현장 적용을 위한 기초기술 확보 및 광계측 검사기술의 선진화 및 표준화에 연구 목표를 두고 있다.
제안 방법
본 논문에서는 조건별 결함을 가공한 압력용기를 제작하여 배관 순환 시스템에 적용하여 압력용기의 내부 온도 변화와 압력 변화에 따른 내부결함 계측 및 면외 변형량 결과를 획득하였으며 이를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
2 MPa 이다. 압력배관의 온도와 압력이 더 이상 변화를 보이지 않은 시점에서 송풍기를 이용하여 순간적으로 100℃까지 냉각을 시켰으며 밸브를 개방하여 내부 압력을 0.1 MPa까지 압력차를 주어 시험편 내부결함 부위를 측정하였다. 압력용기와 계측기와의 거리는 0.
압력용기 시험편을 인공적으로 90° 결함 각도로 임의의 결함을 축방향인 길이방향의 2종씩 가공하여 총 8개의 결함을 가공하였으며 감육결함을 가공할 때 결함의 끝단이 각이 지도록 가공하고자 하였으나 가공 시 정확한 가공이 힘들어 원주방향으로 공구의 직경에 해당하는 곡률반경 250 mm를 갖는 형상으로 원자력 배관 모사 압력 용기 시험편을 제작하였다.
원자력발전소나 플랜트 산업 현장에서 결함이 존재하는 압력용기를 모사하기 위한 mock-up 시스템을 제작하였다. Fig.
이를 검증하기 위하여 압력용기에 임의의 결함을 가공하여 압력용기 내부의 온도 변화와 압력 변화에 따른 결함부 면외변형의 계측에 대하여 실험과 해석을 수행하였다.
대상 데이터
레이저는 diode laser(파장: 780 nm, 출력: 50 mW)를 사용하며, 센서 양측면의 arm에 장착된 2개의 diode을 통해 확산된 레이저 광을 직접적으로 물체에 조사된다. 센서 내부 모터 제어를 통한 전단량과 전단방향, 전단각도를 조절할 수 있으며 PZT 제어를 통한 4단계 위상이동기법을 적용하여 위상지도(phase map)를 얻게 된다.
이론/모형
Fig. 4는 비파괴검사 방법중의 하나로 재료의 표면 정보를 제공해주는 측정시스템으로 Dantec Dynamics(덴마크)사의 상용 shearography(Q-800) 제품을 사용하였다. 이 시스템의 기술은 비접촉식이며 재료의 내부 품질에 대한 신속하고 정확한 정보를 제공하는 비파괴 테스트를 위한 휴대용 소형 측정 시스템으로서 shearography 센서, 고해상도 CCD 카메라, 센서 내부에 장착된 diode laser, controller로 구성이 되어 있다.
성능/효과
1) 본 연구를 통하여 결함의 존재 유무를 구분할 수 있도록 하는 가장 중요한 요소는 결함의 두께, 폭 및 결함길이라 할 수 있다.
2) Table 5에 나타난 바와 같이 각각의 압력용기 결함부에 대한 면외 변형량은 결함 두께, 폭, 길이가 클수록 커짐을 알 수 있다.
3) 배관시스템은 원자력발전 설비의 2차계통에 해당하며 주로 냉각 방식의 중요한 역할을 담당하므로 보다 높은 안정성을 필요로 하고 있다. 따라서 비파괴검사중 레이저 광원을 이용한 광계측 기법인 전단간섭법을 통하여 압력용기의 내부결함을 사전에 측정하여 배관의 신뢰성과 건전성을 확보하는데 주요할 것으로 보인다.
8과 9는 전단간섭계 시스템을 이용한 시험편의 내부결함 두께, 폭, 결함 길이에 따른 위상지도와 결함부의 변형량을 보여주고 있다. 압력용기 시험편의 내부 온도차와 압력 변화에 따른 내부결함을 위상지도를 통해 눈으로 확인할 수 있었으며 획득한 위상지도에 라인 프로파일을 그어 면외 변형량을 획득할 수 있었다. Table 5 에서 보는 바와 같이 결함 폭과 결함 길이가 큰 시험 편의 변형량이 크다는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
최근 다양한 구조물을 안전하게 관리하기 위한 비파괴검사 기술은 원자력발전 설비, 석유화학 플랜트 등 거대 설비 기기들에서부터 반도체 등의 소형 제품에 이르기까지 다양한 분야로 많이 사용되어지고 있다. 본 검사 기술을 통한 산업설비의 부재 결함을 신속하고 정확하게 검출하여 산업시설물에 대한 제품 수명성, 경제성, 건전성 등을 확보하여 산업 전반에 중요한 역할을 담당할 것이다. 그에 따른 비파괴 안전진단을 통해 대형 사고의 사전예방에서부터 검사 대상의 신뢰성 평가까지 얻어 기업 경쟁력 강화에 큰 기반을 둘 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비파괴검사에 의한 내부검사법으로는 어떤 것이 있나?
그에 따른 비파괴 안전진단을 통해 대형 사고의 사전예방에서부터 검사 대상의 신뢰성 평가까지 얻어 기업 경쟁력 강화에 큰 기반을 둘 것이다. 비파괴검사에 있어서 내부검사법에는 초음파탐상검사, 방사선투과검사를 들 수 있으며 외부검사로는 육안검사, 자분탐상검사, 침투탐상 검사, 와류탐상검사 등을 들 수 있겠다[1].
비파괴검사에 의한 외부검사법으로는 어떤 것이 있나?
그에 따른 비파괴 안전진단을 통해 대형 사고의 사전예방에서부터 검사 대상의 신뢰성 평가까지 얻어 기업 경쟁력 강화에 큰 기반을 둘 것이다. 비파괴검사에 있어서 내부검사법에는 초음파탐상검사, 방사선투과검사를 들 수 있으며 외부검사로는 육안검사, 자분탐상검사, 침투탐상 검사, 와류탐상검사 등을 들 수 있겠다[1].
초음파탐상검사의 문제점은?
이러한 비파괴검사 방법들은 접촉식이거나 측정 대상물에 전처리 과정을 거치는 문제점이 있으나 레이저를 이용한 검사 방법은 비접촉식이며 특정한 전처리 과정없이 검사를 수행할 수 있는 장점을 가지고 있다. 대상물의 변형을 측정하는데 있어서 접촉식과 비접촉식으로 분류되며 접촉식 변형측정 방법은 스트레인게이지와 가속도계 등이 있으며 비접촉식 변형 측정 방법은 레이저를 이용하여 계측하는 방법이 있다[2,3].
참고문헌 (5)
I. K. Park, "Non-destructive Testing Introduction," Node Media, Seoul, pp. 24-25 (2012)
J. N. Butters and J. A. Leendertz, "Speckle pattern and holographic techniques in engineering metrology," Optics & Laser Technology, Vol. 3, pp. 26-30 (1971)
H. Chang, "Quantitative measurement of outof- plane deformation using the shearography," Chosun Univ. Doctorate thesis, pp. 1-2 (2006)
Y. Y. Hung, R. E. Rowlands and I. M. Daniel, "Speckle-shearing interferometric technique: A full-field strain gauge," Applied Optics, Vol. 14, Issue 3, pp. 618-622 (1975)
Y. Y. Hung, "A speckle-shearing interferometry: A tool for measuring derivatives of surface displacement," Optics Communication, Vol. 11, No. 2, pp. 132-135 (1974)
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