[논문]첩릿변환을 이용한 배관 축방향 결함검출

김영완; 박경조

doi:10.9726/kspse.2016.20.4.026

[국내논문] 첩릿변환을 이용한 배관 축방향 결함검출
Detection of Axial Defects in Pipes Using Chirplet Transform 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.20 no.4, 2016년, pp.26 - 31

김영완 (전남대학교 기계설계공학부) , 박경조 (전남대학교 기계설계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The implementation of chirplet transform to locate axially aligned defects in pipes has been investigated. The results are obtained from experiments performed on a carbon steel pipe using magnetostrictive sensors. Chirplet transform is applied to the reflected signal to separate the individual modes from dispersive and multimodal waveform. The separated modes are used to calculate reflection coefficients which would be used to characterize defects. It is found that the reflection from a defect consists of the wave pulses with gradually decaying amplitudes. Also the results show that the reflection coefficient initially increases with the crack length but finally reaches an oscillating regime.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

1에 나타낸 바와 같다. 실험의 목적은 결함의 원주방향 크기는 일정하게 유지하고 축방향 길이만을 점차 증가시켰을 때 결함에서 반사되는 신호를 측정하고자 하는 것이다. 결함은 슬롯 형태로 가공하였는데, 1.
이 논문에서는 배관에 축방향 결함이 존재할 때 결함에서 반사되는 신호로부터 모드를 분리하고, 분리된 모드를 이용하여 축방향 결함의 특성을 규명할 수 있는 방법을 제시하였다.
이 논문에서는 슬롯 형태의 축방향 결함에서 반사되는 신호로부터 모드를 분리하고 이를 이용하여 축방향 결함의 특성을 규명하고자 한다. 이를 위해 먼저 자왜센서를 이용하여 축방향 결함에서 반사된 신호를 측정하고 나타나는 신호의 특성을 파악하다.
축방향 결함에 의한 유도파 반사신호를 측정하기 위하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 배관은 보어 직경 101.

제안 방법

5 ㎜ 커터가 장착된 밀링머신을 이용하여 배관 끝단에서 1 m 되는 곳에 가공하였다. 가공된 슬롯의 깊이는 배관 두께의 80%(2.5 ㎜)를 유지하였으며, 원주방향 길이는 2.5 ㎜(원주의 0.17%)로 고정하고, 축방향 길이를 15 ㎜에서 120 ㎜까지 15 ㎜씩 증가시켜가며 변화시켰다.
이를 위해 먼저 자왜센서를 이용하여 축방향 결함에서 반사된 신호를 측정하고 나타나는 신호의 특성을 파악하다. 그리고 측정된 신호를 첩릿변환(chirplet transform)¹⁰⁾을 이용하여 모드를 분리하고, 분리된 모드들의 반사계수를 계산하여 결함의 크기를 정량적으로 파악할 수 있는 방법을 제시한다.
분석 결과 결함에서 반사된 신호가 진폭이 점진적으로 감소하는 일련의 펄스들로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 첩릿변환을 이용하여 결함 반사 신호로부터 모드들을 분리하고, 분리된 모드들의 반사계수를 계산하여 결함의 축방향 길이와의 상관관계를 규명하였다. 즉, 반사계수는 결함 길이가 커지면 따라서 증가하지만 일정한 값에 수렴함을 알 수 있었다.
이를 위해 먼저 자왜센서를 이용하여 슬롯 형태의 축방향 결함에서 반사되는 신호를 측정하고 분석하였다. 분석 결과 결함에서 반사된 신호가 진폭이 점진적으로 감소하는 일련의 펄스들로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
이 논문에서는 슬롯 형태의 축방향 결함에서 반사되는 신호로부터 모드를 분리하고 이를 이용하여 축방향 결함의 특성을 규명하고자 한다. 이를 위해 먼저 자왜센서를 이용하여 축방향 결함에서 반사된 신호를 측정하고 나타나는 신호의 특성을 파악하다. 그리고 측정된 신호를 첩릿변환(chirplet transform)¹⁰⁾을 이용하여 모드를 분리하고, 분리된 모드들의 반사계수를 계산하여 결함의 크기를 정량적으로 파악할 수 있는 방법을 제시한다.

대상 데이터

축방향 결함에 의한 유도파 반사신호를 측정하기 위하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 배관은 보어 직경 101.6 ㎜, 두께 3.1 ㎜, 길이 2 m인 강관이다. 실험장치 및 구성은 Fig.

이론/모형

비틀림 모드 가진 및 수신을 위해 교차코일(crossed-coil) 구조를 갖는 자왜센서를 사용하였고, 측정장비는 미국 SwRI사에서 개발한 MsSR- 2020을 사용하였다. 이 장비는 자왜 또는 자기변형 현상을 이용하여 배관에 비틀림파를 가진하고 반사된 신호를 측정할 수 있는 장비이다11).
이 장비는 자왜 또는 자기변형 현상을 이용하여 배관에 비틀림파를 가진하고 반사된 신호를 측정할 수 있는 장비이다11). 실험에서는 중심주파수 128㎑인 3사이클 톤버스트(tone-burst)를 입사하여 비틀림 모드를 가진하였고, 가진에 사용된 동일 신호변환기(transducer)를 이용하여 반사 신호를 수신하는 펄스-에코(pulse-echo) 방식을 채택하였다.

성능/효과

5의 모달 에너지 분포 결과와 일치한다. 그러나 두 번째, 세 번째 모드 반사계수의 변화폭은 매우 작고 뚜렷한 최대, 최솟값도 나타나지 않는 것을 알 수 있다. 그 이유는 T(0,1) 모드가 부분적으로 휨모드로 변환되고 변환된 휨 모드가 결함의 끝단에서 반사하고 회절하면서 서로 간섭을 일으키기 때문으로 파악된다.
그러나 실험 결과로부터 피크(peak)는 λ/2보다 작은 크기에서 발생하고 골(trough)도 3λ/4보다 작은 크기에서 생기며, 두 번째 피크도 λ보다 작은 크기에서 발생하는 것을 확인할 수 있다.
. 또한 결함의 원주방향 크기가 점점 작아지면 결함검출 가능성도 낮아진다는 사실도 알려졌다. 따라서 원주방향 길이가 매우 작은 슬롯 형태의 축방향 결함은 지금까지 크게 주목을 받아오지 못했다.
이를 위해 먼저 자왜센서를 이용하여 슬롯 형태의 축방향 결함에서 반사되는 신호를 측정하고 분석하였다. 분석 결과 결함에서 반사된 신호가 진폭이 점진적으로 감소하는 일련의 펄스들로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 첩릿변환을 이용하여 결함 반사 신호로부터 모드들을 분리하고, 분리된 모드들의 반사계수를 계산하여 결함의 축방향 길이와의 상관관계를 규명하였다.
이로부터 결함 반사 신호에 무시할만한 분산성을 갖는 일련의 모드들이 나타날 때 슬롯 형태의 축방향 결함이 존재한다고 파악할 수 있으며, 결함의 크기는 분리된 첫 번째 모드의 반사계수를 이용하여 정량적으로 파악할 수 있음을 알 수 있었다.
또한 첩릿변환을 이용하여 결함 반사 신호로부터 모드들을 분리하고, 분리된 모드들의 반사계수를 계산하여 결함의 축방향 길이와의 상관관계를 규명하였다. 즉, 반사계수는 결함 길이가 커지면 따라서 증가하지만 일정한 값에 수렴함을 알 수 있었다.
3(b)에서 분리된 모드들은 진폭만 다를 뿐 매우 유사한 특성을 보임을 알 수 있다. 즉, 세 모드 모두 중심주파수가 입사 주파수 128 ㎑와 일치하고, 모드의 기울기(주파수/시간)도 거의 동일한 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 모드의 기울기가 증가하면 분산성이 증가하는 것으로 알려져 있는데, 세 모드의 분산성은 미약한 수준으로 입사 모드인 T(0,1) 모드와 매우 유사한 특성을 보인다고 할 수 있다.
대상 배관의 경우 T(0,1) 모드의 파장은 48 ㎜이다. 첫 번째 모드의 반사계수는 0에서 출발하여 결함의 길이가 증가할수록 어느 정도까지는 증가하지만, 그 이후에는 결함의 크기가 증가하여도 오히려 감소하다 몇 번의 증감을 반복한 후 일정한 값으로 수렴하는 것을 알 수 있다. 이 결과는 평판에 대한 실험결과와 매우 유사한 양상을 갖는데, Ratassepp 등은 축방향 결함의 전면 끝단(front edge)과 후면 끝단(rear edge)에서 반사되는 신호의 간섭 때문에 반사계수의 최대, 최소는 파장의 1/4, 2/4, 3/4, 1, … 배에서 나타나야 한다고 주장하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비틀림 모드가 장거리 배관검사에 자주 사용되는 이유는?	초음속 유도파(guided wave)를 이용하여 석유나 화학공장의 배관 내부에 다양하게 존재하는 결함을 검출하기 위한 시도가 다양하게 이루어지고 있다.1,2) 그 중 축대칭 모드인 비틀림 모드도 장거리 배관검사에 자주 이용되고 있는데3), 이는 파동의 구조가 간단하고 비분산(non-dispersive) 특성을 갖기 때문이다. 즉 파동의 형태가 왜곡되지 않고 장거리를 전파할 수 있으며 어떤 깊이의 결함도 검출이 가능한 특성을 갖고 있다.
	원주방향 길이가 매우 작은 슬롯 형태의 축방향 결함이 크게 주목을 받지 않았던 이유는?	기본 비틀림 모드(fundamental torsional mode)인 T(0,1) 모드를 이용하여 원주방향 결함의 특성을 조사한 결과 반사계수가 결함의 원주방향 길이에 대략적으로 비례한다는 사실이 밝혀졌다3). 또한 결함의 원주방향 크기가 점점 작아지면 결함검출 가능성도 낮아진다는 사실도 알려졌다. 따라서 원주방향 길이가 매우 작은 슬롯 형태의 축방향 결함은 지금까지 크게 주목을 받아오지 못했다.
	배관의 슬롯 형태 축방향 결함에서 반사계수와 결함의 축방향 길이는 어떤 관계가 있었는가?	또한 첩릿변환을 이용하여 결함 반사 신호로부터 모드들을 분리하고, 분리된 모드들의 반사계수를 계산하여 결함의 축방향 길이와의 상관관계를 규명하였다. 즉, 반사계수는 결함 길이가 커지면 따라서 증가하지만 일정한 값에 수렴함을 알 수 있었다.

참고문헌 (11)

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M. Ratassepp, M. S. Lowe and P. Cawley, 2008, "Scattering of the fundamental shear horizontal mode in a plate when incident at a through crack in the propagation direction of the mode", Journal of Acoustical Society of America, Vol. 124, No. 5, pp. 2873-2882.

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Y. G. Kim, H. S. Moon and K. J. Park, 2011, "Generating and detecting torsional guided waves using magnetostrictive sensors of crossed coils. NDT & E International, Vol. 44, No. 2, pp. 145-151.

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저자의 다른 논문 :

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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