[논문]누설자속 기반 강판 두께별 국부 손상 진단 감도 분석

김주원; 유병준; 박세환; 박승희

doi:10.21729/ksds.2018.11.2.53

초록
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본 연구에서는 강판에 발생한 국부적인 손상의 진단을 위해 강자성의 연속체 구조물에 적합한 비파괴진단 기법인 누설자속 기법을 적용하였다. 강판시편의 두께 변화에 따른 누설자속 기반 진단 기법의 민감도를 분석하기 위해 각각 다른 두께를 가지는 몇 가지의 강판시편을 준비하였고, 각각의 시편에 3가지 깊이의 인공결함을 가공하였다. 홀센서와 자화요크를 이용하여 일정한 자화밀도를 가지는 누설자속 센서헤드를 제작하여 강판시편으로부터 누설자속 신호를 계측하였다. 센서헤드로부터 수집된 자속신호의 품질향상을 위해 일련의 신호처리 과정을 거쳤으며, 각 손상지점으로부터 계측된 누설자속 신호의 확인을 통해 국부손상 감지의 가능성을 확인하였다. 강판두께에 따른 누설자속 기법의 손상감지 민감도의 분석을 위해 각각 다른 두께의 강판시편으로부터 검출된 MFL 신호에서 P-P value를 정량적으로 추출하였고 그 값을 비교 분석 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

To diagnosis the local damages of the steel plates, magnetic flux leakage (MFL) method that is known as a adaptable non-destructive evaluation (NDE) method for continuum ferromagnetic members was applied in this study. To analysis the sensitivity according to thickness of steel plate in MFL method b...

To diagnosis the local damages of the steel plates, magnetic flux leakage (MFL) method that is known as a adaptable non-destructive evaluation (NDE) method for continuum ferromagnetic members was applied in this study. To analysis the sensitivity according to thickness of steel plate in MFL method based damage diagnosis, several steel plate specimens that have different thickness were prepared and three depths of artificial damage were formed to the each specimens. To measured the MFL signals, a MFL sensor head that have a constant magnetization intensity were fabricated using a hall sensor and a magnetization yoke using permanent magnets. The magnetic flux signals obtained by using MFL sensor head were improved through a series of signal processing methods. The capability of local damage detection was verified from the measured MFL signals from each damage points. And, the peak to peak values (P-P value) extracted from the detected MFL signals from each thickness specimen were compared each other to analysis the MFL based local damage detection sensitivity according to the thickness of steel plate.

Keyword

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Principle of magnetic flux leakage method (Kim and Park, 2017)
그림 Fig. 2. Principle of Hall effect (Lenz, 1990)
그림 Fig. 3. Magnetic hysteresis curve (B-H curve) (Lacheisserie et al. 2005)
그림 Fig. 4. Permeability hysteresis curve (Shin, 1995)
그림 Fig. 5. Magnetic flux distribution according to magnetization level (Boat et al., 2014)
그림 Fig. 6. Signal processing process for noise reduction
그림 Fig. 7. Fabricated MFL sensor head
그림 Fig. 8. Specifications of steel plate specimen
그림 Fig. 9. Thickness of steel plate specimens
그림 Fig. 10. MFL signals from 2 mm thickness steel plate
그림 Fig. 11. P-P value according to damage depth
그림 Fig. 12. MFL signals from 5 mm thickness steel plate
그림 Fig. 13. MFL signals from 10 mm thickness steel plate
그림 Fig. 14. MFL signals from 5 mm thickness steel plate
그림 Fig. 15. P-P value of MFL signal according to thickness

AI 본문요약
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문제 정의

, 2015). 본 연구에서는 강판시편을 대상으로 누설자속 기법 기반의 국부손상 진단 가능성을 알아보고,강구조물 강판의 두께에 따른 손상 진단 민감도를 실험적 연구를 통해 분석해보았다.
이러한 기술적 해결방법의 존재와 표면 하부의 손상진단이 가능한 장점의 이유로, 최근 연구되는 누설자속기법의 경우 포화자화 영역까지 자화 강도를 높여서 대상물의 내·외부를 진단하는 경우가 많다. 본연구에서는 일정한 자화강도 조건에서, 강부재의 두께 변화에 따른 시편의 자화정도 차이에 의한 누설자속의 감도 변화를 살펴보았다.
이러한 고주파 노이즈를 제거하고자 본 연구에서는 1차적으로 Low Pass Filtering을 수행하였다. 이를 위해 FIR 필터를 사용하였고 Kaiser window를 사용하는 100Hz의 컷오프 주파수를 가지는 Low pass filter를 설계하여 적용하였다.
누설자속 기법을 이용한 강판의 국부손상 진단 가능성을 살펴보기 위해 실험적 연구를 수행하였다. 이를 위해 Fig.
본 연구에서는 강판에 발생한 국부손상의 감지를 목적으로 누설자속 기반의 비파괴검사 기법을 적용하였고, 시험체인 강판의 두께에 따른 누설자속 기법의 손상진단 감도 변화를 분석하고자 하였다. 실험적 연구를 위해 홀센서와 영구자석을 이용한 누설자속 센서헤드를 제작하였고, 국부 손상이 가공된 여러 두께의 강판시편을 대상으로 자속신호를 수집하였다.

제안 방법

이러한 고주파 노이즈를 제거하고자 본 연구에서는 1차적으로 Low Pass Filtering을 수행하였다. 이를 위해 FIR 필터를 사용하였고 Kaiser window를 사용하는 100Hz의 컷오프 주파수를 가지는 Low pass filter를 설계하여 적용하였다. 이어서 드리프트의 제거를 위해 Fig.
누설자속 기반의 강판 손상 진단 가능성을 확인하기 위해 홀센서기반의 계측부와 네오디움자석을 이용한 자화요크로 구성된 센서헤드를 Fig. 7과 같이 제작하였다. 리프트오프(Lift-off)를 최소화하기 위해 플라스틱 소재의 케이스 최하단부 중심점에 홀센서를 위치시켰고, 진행 방향의 앞-뒤로 자화요크의 N극과 S극을 위치시켜 시편에 자로가 형성되게 하였다.
7과 같이 제작하였다. 리프트오프(Lift-off)를 최소화하기 위해 플라스틱 소재의 케이스 최하단부 중심점에 홀센서를 위치시켰고, 진행 방향의 앞-뒤로 자화요크의 N극과 S극을 위치시켜 시편에 자로가 형성되게 하였다. 본 센서헤드의 경우 요크에 부착되는 영구자석의 수량을 조절함으로써 자화강도를 변경할 수 있도록 제작하였다.
리프트오프(Lift-off)를 최소화하기 위해 플라스틱 소재의 케이스 최하단부 중심점에 홀센서를 위치시켰고, 진행 방향의 앞-뒤로 자화요크의 N극과 S극을 위치시켜 시편에 자로가 형성되게 하였다. 본 센서헤드의 경우 요크에 부착되는 영구자석의 수량을 조절함으로써 자화강도를 변경할 수 있도록 제작하였다.
먼저 누설자속 기반 진단시스템의 확인 및 손상 깊이에 따른 누설자속의 변화를 분석하기 위해 1200 mm 길이,150 mm 너비, 2 mm 두께의 철판이 준비되었고, 한쪽 면의 중심부에 200 mm 간격으로 0.5 mm, 1 mm, 1.5 mm 깊이의 노치손상을 가공하였다. 이와 함께, 강판 두께에 따른 국부손상 감지 민감도를 확인하기 위해, 5 mm, 10 mm, 15 mm 두께의 강판 시편을 Fig.
5 mm 깊이의 노치손상을 가공하였다. 이와 함께, 강판 두께에 따른 국부손상 감지 민감도를 확인하기 위해, 5 mm, 10 mm, 15 mm 두께의 강판 시편을 Fig. 9와 같이 준비 하였고, 각각 시편의 중심부에 200 mm 간격으로 1 mm, 2 mm, 3 mm 깊이의 노치손상을 가공하였다.
자속신호의 계측을 위해 Terminal board 및 Compact DAQ가 구성되었고, Laptop에 설치된 UI를 통해 장비의 제어와 계측신호의 확인 및 저장을 수행하였다. 강판시편을 고정시킨 상태에서 센서헤드를 이동시키며 자속신호를 측정하였고, Sampling rate는 10 kHz였다.
자속신호의 계측을 위해 Terminal board 및 Compact DAQ가 구성되었고, Laptop에 설치된 UI를 통해 장비의 제어와 계측신호의 확인 및 저장을 수행하였다. 강판시편을 고정시킨 상태에서 센서헤드를 이동시키며 자속신호를 측정하였고, Sampling rate는 10 kHz였다. 수집된 신호는 2.
10(a)의 계측 결과보다 크게 감지됨을 확인할 수 있다. 이에 이어지는 두께별 진단 감도 분석을 위한 테스트에서는 2단계의 자화강도를 이용하여 실험을 수행하였다.
강판두께에 따른 누설자속의 변화를 정량적으로 나타내기 위해 2 mm 및 3 mm 깊이의 손상에서 감지된 누설자속의 P-P value를 강판두께별로 추출하였고, 이를 Fig. 15에 나타내었다.

대상 데이터

본 연구에서는 강판에 발생한 국부손상의 감지를 목적으로 누설자속 기반의 비파괴검사 기법을 적용하였고, 시험체인 강판의 두께에 따른 누설자속 기법의 손상진단 감도 변화를 분석하고자 하였다. 실험적 연구를 위해 홀센서와 영구자석을 이용한 누설자속 센서헤드를 제작하였고, 국부 손상이 가공된 여러 두께의 강판시편을 대상으로 자속신호를 수집하였다.
누설자속을 이용한 국부손상 감지에 있어 강판 두께 변화에 따른 누설자속 민감도의 차이를 분석하기 위해, 노치손상이 가공된 5 mm, 10 mm, 15 mm 세 가지 두께의 강판시편을 대상으로 자속신호를 수집하였다. 2 mm 두께 강판의 경우와 마찬가지로 각 시편 1 mm, 2 mm, 3 mm 깊이의 노치손상부에서는 누설자속 신호가 감지되었고, 이를 Fig.

이론/모형

이에 본 연구에서는 강구조물에 발생한 미세 손상의 검출을 위해 누설자속(MFL: Magnetic flux leakage) 기반의 비파괴 진단 기법을 적용하였다(Kim et al., 2018). 누설자속기법은 쉽게 자화되는 특성을 가지는 강자성체 구조물에 적용이 용이하며, 비접촉 스캔 방식으로 빠른 속도의 진단이 가능하여 철도, 배관, 와이어로프 등의 광역적인 연속체 구조물에 폭 넓게 적용되고 있다(Kang et al.
본 연구에서는 강판에 발생한 국부손상의 진단을 위해 누설자속 기법을 적용하였다. 강판과 같은 강자성체는 자화되었을 때 자석과 유사한 특성의 가지게 되는데, 이러한 시편에 국부적인 손상이 발생하게 되면 손상 틈 사이의 공기는 자성체만큼의 충분한 자기장밀도를 가지지 못하기 때문에 Fig.
정량적인 누설자속 신호의 분석을 위해 일반적으로 누설자속 신호의 크기를 나타내는 대표적인 지수인 Peak to Peak value(P-P value)를 이용하여 각 손상으로부터 수집된 누설자속 신호를 정량화 하였고 이를 Fig. 11에 나타내었다. Fig.

성능/효과

11의 손상깊이에 따른 P-P value(PPv)그래프를 확인해보면, 손상의 깊이가 증가할수록 P-P value의 값이 단계적으로 증가하였고, 또한 자화 강도가 강할수록 높은 P-P 값을 보임을 알 수 있다. 이를 통해 누설자속 기법을 이용한 강판의 국부손상 진단 및 손상크기에 따른 정량화의 가능성을 확인 할 수 있었다.
12-14에서는 공통적으로 손상부에서 누설자속이 확인되었고, 2 mm 두께 시편의 경우와 마찬가지로 손상의 깊이가 1 mm에서 3 mm로 증가할수록 누설자속의 크기가 커짐을 확인 할 수 있었다. 이와 함께 강판시편의 두께가 두꺼워 질수록 동일한 크기의 손상에서 감지한 누설자속의 크기가 현저히 줄어 들었으며, 1 mm 깊이 손상의 경우 5 mm 강판시편에서는 명확하게 감지되었지만 10 mm, 20 mm 시편에서는 누설자속의 픽이 명확하지 않아 누설자속 신호를 특정할 수 없었다.
이는 일정한 자화강도를 가지는 센서헤드를 사용할 때,강판이 두꺼워질 경우 통과단면적이 넓어짐에 따라 자속밀도가 낮아져 전체 시편을 충분히 자화시키지 못하게 되었기 때문으로 추정된다. 이때 부족한 자화강도로 인해 무릎 점보다 낮은 under saturation의 상태에서 진단이 이뤄질 수 있으며, 이는 국부손상 진단의 정확도를 저하시키는 중요한 요인이 될 수 있음을 본 실험을 통해 확인할 수 있었다.
(1) 각 시편으로부터 수집된 자속신호로 부터 실제 손상부에서 누설자속 신호가 발생함을 확인하였고, 강부재에 국부적으로 발생한 손상의 검출이 가능함을 확인하였다.
(2) 각 손상부에서 발생한 누설자속의 크기를 정량화하기 위해 P-P value를 사용하여 지수화 하였고, 이를 통해 손상의 깊이가 증가함에 따라 누설자속의 신호가 함께 증가함을 확인할 수 있었다.
(3) 동일 크기의 손상 조건에서 강판의 두께가 증가할수록 누설자속 신호로부터 추출된 P-P value 값이 감소하였고,이를 통해 강판의 두께가 두꺼워 질수록 누설자속 기법에 의한 국부손상 검색의 민감도가 감소함을 확인하였다.
위와 같이 본 연구를 통해 누설자속 기법을 이용한 강판의 국부손상의 진단이 가능함을 확인하였지만, 강판 두께에 따른 민감도의 차이가 존재함을 확인하였다. 추가적인 연구를 통해 이를 고려한 센서헤드의 설계 및 영향보상에 대한 연구가 필요할 것으로 판단되며, 이는 향후 누설자속을 이용한 자동화된 국부 손상 진단 기술의 개발에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

따라서 이러한 한계점을 극복하고 구조물의 안전을 확보하기 위해서는 강구조물을 육안검사 하듯이 간편하고 신속하게 점검하면서, 기존의 비파괴 검사법을 대체하여 미세한 손상을 정확하게 진단 할 수 있는 강구조물 비파괴검사 장비가 요구된다.
위와 같이 본 연구를 통해 누설자속 기법을 이용한 강판의 국부손상의 진단이 가능함을 확인하였지만, 강판 두께에 따른 민감도의 차이가 존재함을 확인하였다. 추가적인 연구를 통해 이를 고려한 센서헤드의 설계 및 영향보상에 대한 연구가 필요할 것으로 판단되며, 이는 향후 누설자속을 이용한 자동화된 국부 손상 진단 기술의 개발에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	홀센서는 어떤 효과를 이용하는 센서인가?	홀센서는 자기장 속의 도체에서 자기장의 직각방향으로 전류가 흐르면, 자기장과 전류 두 가지 모두에 수직하는 방향으로 전기장이 나타나는 현상인 홀효과(Hall effect)를 이용한다(Lenz, 1990). 진단 시에는 Fig.
	본 논문에서 강판에 발생한 국부손상의 감지를 목적으로 누설자속 기반의 비파괴검사 기법을 적용하여 강판의 두께에 따른 누설자속 기법의 손상진단 감도 변화를 분석했을 때 어떤 결과를 얻을 수 있었는가?	(1) 각 시편으로부터 수집된 자속신호로 부터 실제 손상부에서 누설자속 신호가 발생함을 확인하였고, 강부재에 국부적으로 발생한 손상의 검출이 가능함을 확인하였다. (2) 각 손상부에서 발생한 누설자속의 크기를 정량화하기 위해 P-P value를 사용하여 지수화 하였고, 이를 통해 손상의 깊이가 증가함에 따라 누설자속의 신호가 함께 증가함을 확인할 수 있었다. (3) 동일 크기의 손상 조건에서 강판의 두께가 증가할수록 누설자속 신호로부터 추출된 P-P value 값이 감소하였고,이를 통해 강판의 두께가 두꺼워 질수록 누설자속 기법에 의한 국부손상 검색의 민감도가 감소함을 확인하였다.
	균열의심부에는 어떤 검사를 수행하는가?	현재 강구조물에 대한 검사는 육안검사(VT)에 대부분 의존하고 있으며, 균열의심부 등에 대해서는 초음파 검사(UT) 및 방사선 투과 검사(RT)와 같은 비파괴검사(NDE)를 수행하도록 하고 있다(Korea highway corporation, 2005). 그런데 실제 현장에서 조사자가 육안검사로 피로균열 같은 미세한 균열을 확인하는 것은 어려운 실정이며, 기존의 정밀진단을 위한 비파괴검사 기술의 경우 진단에 소요되는 절차가 복잡하고 소요되는 시간이 길어 전체 구조물 중 극히 일부분에 대해서만 검사가 수행되고 있다.

참고문헌 (17)

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Kim, J.-W. and Park, S. (2017). Magnetic flux leakage-based local damage detection and quantification for steel wire rope nondestructive evaluation. J. Intell. Mater. Syst. Struct. 29(17): 3396-3410.
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Shi, Y., Zhang, C., Li, R., Cai, M., and Jia, G. (2015). Theory and application of magnetic flux leakage pipeline detection. Sensors. 15(12): 31036-31055.

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