[논문]유동층보일러 수냉벽튜브 결함평가를 위한 원격자장 스캐너 시뮬레이션에 관한 연구

길두송; 정계조; 서정석; 김학준; 권찬울

doi:10.18770/kepco.2020.06.02.145

초록
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유동층보일러를 구성하는 요소 중 하나인 수냉벽튜브는 외부의 고온 연소 가스를 이용해 물을 증기로 가열하는 튜브군의 하나로써, 보일러를 이용한 전력생산에 중요한 역할을 담당하지만, 고온 가스 및 유동매체로 인해 마모 및 부식이 심하게 일어나면 누수가 발생하게 되고, 누수로 인한 2차 피해도 발생될 뿐만 아니라, 발전 효율이 현저히 떨어지게 되어 수냉벽튜브의 유지보수는 매우 중요하다. 본 연구에서는 원격장 기반의 발신자(Exciter) 센서 설계, 원격장 와전류 시스템 구성, 수냉벽튜브 외벽 결함평가를 목적으로 하였으며, 이를 위한 발신자 형상의 센서 설계를 시작으로, 수냉벽튜브의 크기, 재질, 주파수, Lift-Off (센서와 수냉벽튜브 사이의 거리) 등 여러 가지 요인에 따른 시험을 진행하여 그에 따른 최적의 발신자 센서를 설계하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Water wall tube is one of the major factors consisting of a fluidized bed boiler and it plays very important role for the generation of electricity within the boiler. But these water wall tubes within the fluidized bed boiler are subject to the ware and corrosion caused by the high temperature gas a...

Water wall tube is one of the major factors consisting of a fluidized bed boiler and it plays very important role for the generation of electricity within the boiler. But these water wall tubes within the fluidized bed boiler are subject to the ware and corrosion caused by the high temperature gas and the flowing medium. If water leak is occurred, the secondary damage by the water leak will occur. As a result of that, the power generation efficiency decreases noticeably. Therefore, the maintenance of the water wall tube is very important. In this study, we designed a exciter sensor based on simulation and composed a remote field eddy current system for the defect evaluation of the outer water wall tube. Starting from the shape design of exciter, we conducted simulations for various design factors such as the water wall tube size, material, frequency, lift-off and so on. Based on the results, we designed the optimum exciter sensor for the water wall tube test within the fluidized bed boiler.

Keyword

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Overall configuration for exciter design.
그림 Fig. 2. Geometry of water wall tube.
그림 Fig. 3. Geometry of exciter sensor.
표 TABLE 1 Specific Dimension of Water-Wall Tube
표 TABLE 2 Specific Dimension of Water-Wall Tube
그림 Fig. 4. Coil receiver sensor.
그림 Fig. 5. Concept map of remote field test range.
표 TABLE 3 Specification of Coil Receiver Sensor
표 TABLE 4 Value for Calculating Frequency
그림 Fig. 6. Different shape of exciter sensor.
그림 Fig. 7. Comparison according to exciter sensor type.
그림 Fig. 8. Comparison between with cover and without cover.
그림 Fig. 9. RFECT signal according to lift-off.
표 TABLE 5 Value for Calculating Frequency
그림 Fig. 10. Comparison according to turns & layer of exciter sensor.
표 TABLE 6 Case of Exciter Sensor Aaccording to Turns & Layer

AI 본문요약
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문제 정의

10을 보면 권선 수 및 코일 층수가 많아질수록 자속밀도가 세지는 것을 알 수 있으며, 권선 수를 늘릴수록 자속밀도의 증가량은 작아지는 것을 확인할 수 있다. 본 연구의 목적은 멤브레인이 붙어있는 형태의 수냉벽튜브를 검사하는 것이며, 너무 많은 턴수와 층수를 선택하게 되면, 발신자 센서의 크기가 커지고, 그렇게 되면 옆 튜브와 간섭이 일어날 수 있기 때문에 무작정 많은 권선을 하는 것은 좋은 방법이 아니다. 그렇기 때문에 본 연구에서는 #3과 #4의 중간 값을 선정하여, 길 이는 58.
본 연구에서는 유동층보일러 수냉벽튜브의 외벽 검사를 위한 원격장 와전류 탐상에 관한 연구를 진행하였다. 시험용 프로그램 툴은 실제로 겪기 힘든 현상들을 가상으로 경험할 수 있게 해주는 강력한 도구이기 때문에, 설계에 앞서 필수적인 역할을 한다.
시험용 프로그램 툴은 실제로 겪기 힘든 현상들을 가상으로 경험할 수 있게 해주는 강력한 도구이기 때문에, 설계에 앞서 필수적인 역할을 한다. 일반적으로 원격장 와전류 탐상은 내부에서 진행하지만, 본 연구에서는 외부에서 진행하는 원격장 와전류 탐상을 목적으로 진행하였고, 그에 맞는 발신자 센서 형상도 설계하였다. 통상적인 원격장 와전류 탐상 방법은 전자유도 작용에 의해 발생한 기전력을 이용하여 코일에 흐르는 자속의 변화를 통해 측정을 하는 것으로 검사범위가 센서가 접촉되는 바로 밑부분으로 제한되어 있으나, 본 연구에서 제안된 원격장 와전류를 이용한 방법은 검사범위가 일반적으로 튜브 직경의 2배로 넓기 때문에 기존의 검사방법에 비해 검사시간을 단축시키는 효과를 볼 수 있다.
본 연구에서는 원격장 기반의 발신자 센서 설계, 원격장 와전류 시스템 구성, 수냉벽튜브 외벽 결함평가를 목적으로 하였으며, 수냉벽튜브 외벽검사를 위한 발신자 형상의 설계를 시작으로, 수냉 벽튜브의 크기, 재질, 주파수, Lift-Off 등 여러 가지 요인에 따른 시험을 진행하였다. 그리고 그에 따른 최적의 발신자를 설계하여 후 보군을 정한 후 직접 권선하였다.
분석 원격장 와전류 탐상 발신자 센서의 가장 좋은 형태는 유동층 보일러 수냉벽튜브 외벽에 균일하게 와전류를 생성시킬 수 있는 형상이어야 한다. 실제 와전류 탐상 및 원격장 와전류탐상에서 가장 많이 사용하는 2가지 형태와, 본 연구를 위해 새롭게 고안된 형태에 대해 시험을 진행해 보았다. Fig.

제안 방법

다음은 이번 시험에서 가장 중요한 발신자 센서이다. Fig. 3에 서처럼 반원 형태의 파이프의 형태로 구성하여 권선의 방향 또한 반원 형태의 원주방향을 따라 이루어졌으며, 파이프의 외벽에 고르게 와전류를 유도하고 그 세기가 균일하게 전달되게 함으로써 튜브에서 발생된 파형을 좀 더 쉽게 구현하기 위하여 새로운 형태인 반원모양의 원주방향으로 설계하였다. TABLE 2는 발신자 센서 형상의 상세한 수치를 나타낸다.
그 이유는 발신자 센서의 크기가 너무 커지면, 그만큼 검사할 수 있는 영역이 줄어들기 때문이다. 전류는 기본적으로 2 A로 가진해 주었고, 이는 저항 산출방법을 이용하여 구했으며, 저항을 통해 2 A를 가진해 주었을 때, 허용치 이상의 전압이 나오는지 확인하였다. Fig.
본 연구에서는 원격장 기반의 발신자 센서 설계, 원격장 와전류 시스템 구성, 수냉벽튜브 외벽 결함평가를 목적으로 하였으며, 수냉벽튜브 외벽검사를 위한 발신자 형상의 설계를 시작으로, 수냉 벽튜브의 크기, 재질, 주파수, Lift-Off 등 여러 가지 요인에 따른 시험을 진행하였다. 그리고 그에 따른 최적의 발신자를 설계하여 후 보군을 정한 후 직접 권선하였다.
와전류 생성을 위해 콘솔 다중물리학(COMSOL Multiphysics) 내의 기능 중 하나인 자기장(Magnetic Fields) 기능을 사용하였다. 코일은 2종 폴리우레탄 동선(2UEW)을 기준으로 설정값을 적용시켜 주었다. 코일의 선경은 0.
검사하고자 하는 시편이 정해지면 고유 물성이 정해져 있기 때문에 주파수에 따라 침투 깊이를 변화시킬 수 있다. 발신자 코일 (Exciter Coil) 최적화를 하기 이전에, 배관 두께에 따른 유효 침투 깊이를 얻기 위해 주파수를 계산하였다. TABLE 4는 침투 깊이를 계산하기 위해 필요한 값들을 나타낸다.
7과 같은 신호해석용 콘솔 프로그램을 활용하여 수냉벽튜브 사이의 용접부인 멤브레인 유무에 따른 유동층보일러 수냉벽튜브 외벽의 자속밀도를 나타낸다. 기존 원격장 와전류 탐상과 비슷하게 내부에서 진행하는 것과 같은 효과를 얻기 위해 멤브레인을 사용하였다. 그러나 시뮬레이션 결과 멤브레인이 없는 것이 원격장 지역에서 자속밀도가 높았다.
그 이유는 멤브레인 또한 자 성체로 판단할 수 있고, 유동층보일러 수냉벽튜브 외벽으로 침투되 는 자속밀도가 멤브레인에도 분배되어서 작아지기 때문이다. 하지만 멤브레인 부분은 결함 검사 및 평가 대상이 아니기 때문에 파이프 외벽에 자속밀도를 낮추면서 멤브레인을 반영할 필요가 없다고 판단되어, 이후부터는 멤브레인이 없이 시험을 수행하였다.

대상 데이터

코일의 선경은 0.85 mm를 사용하였고, 약 4–5 A까지의 전류를 견딜 수 있는 코일을 선택하였다.
원격장 와전류 탐상은 기본적으로 배관을 통과한 후 뚫고 나오는 신호를 받기 때문에 배관 두께의 2배 정도 되는 침투 깊이를 요한다. 본 연구에서 사용된 배관의 두께는 6.1 mm이며, 이중벽 관통기술(Double-Wall-Through Technique)을 적용하여 약 12 mm라고 생각할 수 있으며, 표준 침투 깊이는 이 깊이의 약 37%인 4.44 mm이다 [8]. Eq.
기존 원격장 와전류 탐상 발신자 센서 형태인 축 방향 타입은 세 가지 영역이 뚜렷하게 구분이 되지만, 반 원구형 타입보다 자속밀도가 현저히 낮은 것을 확인할 수 있다. 본 시뮬레이션 결과를 토대로, 반 원구형 타입의 발신자 센서 형상을 선정하였다.

이론/모형

와전류 생성을 위해 콘솔 다중물리학(COMSOL Multiphysics) 내의 기능 중 하나인 자기장(Magnetic Fields) 기능을 사용하였다. 코일은 2종 폴리우레탄 동선(2UEW)을 기준으로 설정값을 적용시켜 주었다.

성능/효과

9에서 볼 수 있듯이 리프트 오프 값이 작아질수록 자속밀도가 높은 것을 확인할 수 있다. 본 결과를 통해 알 수 있는 것은, 리프트 오프가 5 mm정도가 되어도 신호는 작지만 유효한 신호를 얻을 수 있다는 것이다. 일반적으로, 수냉벽튜브 외벽은 마모로 인해 튜브 외벽에 장애물이 생기지만, 3 mm 이하로 생기기 마련이다.
일반적으로 원격장 와전류 탐상은 내부에서 진행하지만, 본 연구에서는 외부에서 진행하는 원격장 와전류 탐상을 목적으로 진행하였고, 그에 맞는 발신자 센서 형상도 설계하였다. 통상적인 원격장 와전류 탐상 방법은 전자유도 작용에 의해 발생한 기전력을 이용하여 코일에 흐르는 자속의 변화를 통해 측정을 하는 것으로 검사범위가 센서가 접촉되는 바로 밑부분으로 제한되어 있으나, 본 연구에서 제안된 원격장 와전류를 이용한 방법은 검사범위가 일반적으로 튜브 직경의 2배로 넓기 때문에 기존의 검사방법에 비해 검사시간을 단축시키는 효과를 볼 수 있다. 그 결과, 통상적인 원격장 와전류 탐상과는 약간 다르지만 거의 유사한 형태의 원격장 와전류 탐상 신호를 얻을 수 있었다.
통상적인 원격장 와전류 탐상 방법은 전자유도 작용에 의해 발생한 기전력을 이용하여 코일에 흐르는 자속의 변화를 통해 측정을 하는 것으로 검사범위가 센서가 접촉되는 바로 밑부분으로 제한되어 있으나, 본 연구에서 제안된 원격장 와전류를 이용한 방법은 검사범위가 일반적으로 튜브 직경의 2배로 넓기 때문에 기존의 검사방법에 비해 검사시간을 단축시키는 효과를 볼 수 있다. 그 결과, 통상적인 원격장 와전류 탐상과는 약간 다르지만 거의 유사한 형태의 원격장 와전류 탐상 신호를 얻을 수 있었다. 리프트 오프, 발신자 센서 형상, 전류의 세기, 권선 수 및 발신자 센서의 크기 등 원격장 와전류 탐상 신호에 영향을 줄 수 있는 주요 인자들에 대해 비교를 하여 유동층 보일러 수냉벽튜브 외벽을 검사할 수 있는 최적의 발신자 센서를 선별하였으며, 이렇게 선별된 발신자 센서를 직접 제작하고, 이 센서와 연동되는 휴대용 형태의 스캐너를 직접 제작할 예정이다.
또한 수냉벽튜브 내외부의 자기장의 분포를 시험한 결과 40kHz에서 최적의 검출감도를 얻을 수 있었다 [2]. 그 외의 비파괴적 검사방법으로는 초음파탐상(Ultrasonic Testing, UT)과 와전류탐상(Eddy Current Testing, ECT)이 주로 사용되고 있고, 와전류탐상의 응용 기법인 원격장 와전류 탐상(Remote Field Eddy Current Testing, RFECT) 또한 널리 사용되고 있다.
자속 밀도는 다른 두 형태에 비해 높지만, 비교적 자속밀도가 일정한 부분이 없어서 결함을 검사하는 데 무리가 있다. 기존 원격장 와전류 탐상 발신자 센서 형태인 축 방향 타입은 세 가지 영역이 뚜렷하게 구분이 되지만, 반 원구형 타입보다 자속밀도가 현저히 낮은 것을 확인할 수 있다. 본 시뮬레이션 결과를 토대로, 반 원구형 타입의 발신자 센서 형상을 선정하였다.
기존 원격장 와전류 탐상과 비슷하게 내부에서 진행하는 것과 같은 효과를 얻기 위해 멤브레인을 사용하였다. 그러나 시뮬레이션 결과 멤브레인이 없는 것이 원격장 지역에서 자속밀도가 높았다. 그 이유는 멤브레인 또한 자 성체로 판단할 수 있고, 유동층보일러 수냉벽튜브 외벽으로 침투되 는 자속밀도가 멤브레인에도 분배되어서 작아지기 때문이다.

후속연구

그 결과, 통상적인 원격장 와전류 탐상과는 약간 다르지만 거의 유사한 형태의 원격장 와전류 탐상 신호를 얻을 수 있었다. 리프트 오프, 발신자 센서 형상, 전류의 세기, 권선 수 및 발신자 센서의 크기 등 원격장 와전류 탐상 신호에 영향을 줄 수 있는 주요 인자들에 대해 비교를 하여 유동층 보일러 수냉벽튜브 외벽을 검사할 수 있는 최적의 발신자 센서를 선별하였으며, 이렇게 선별된 발신자 센서를 직접 제작하고, 이 센서와 연동되는 휴대용 형태의 스캐너를 직접 제작할 예정이다. 본 연구를 토대로 제작될 예정인 스캐너를 이용하여, 실제 유동층보일러 수냉벽튜브 검사에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
리프트 오프, 발신자 센서 형상, 전류의 세기, 권선 수 및 발신자 센서의 크기 등 원격장 와전류 탐상 신호에 영향을 줄 수 있는 주요 인자들에 대해 비교를 하여 유동층 보일러 수냉벽튜브 외벽을 검사할 수 있는 최적의 발신자 센서를 선별하였으며, 이렇게 선별된 발신자 센서를 직접 제작하고, 이 센서와 연동되는 휴대용 형태의 스캐너를 직접 제작할 예정이다. 본 연구를 토대로 제작될 예정인 스캐너를 이용하여, 실제 유동층보일러 수냉벽튜브 검사에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (9)

Maclean,W.R. "Appratus for Magnetically Measuring Thickness of Ferross Pipe," United States Patent 2, pp. 573-799. 1951.
Atherton, D.L, W.M. Czura, "Finite Element Evaluation," Vol. 52, No. 1. Columbus, OH: American Society for Nondestructive Testing. 1994.
Atherton D. L, Mackintosh D. D, Sullivan S. P, Dubois J. M. S, Schmidt T. R, "Remote-Field Eddy Current Signal Representation," Material Evaluation, Vol 51, No. 7, pp. 782-789.
Jae-Ha Park, Hui-Ryong Yoo, Dae-Kwang Kim, Hak-joon Kim, Sung-Ho Cho, Sung-Jin Song, Hui-Min Kim, Gwan-Soo Park, Yong-Woo Rho, "Development of RFECT System for In-Line Inspection Robot Considering Extendibility of Receiving Senosors based on Parallel Lock-in Amplifer," International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol 18, No 2, pp. 145-153, 2017.

상세보기
J.W. Park, J.H. Park, S.J. Song, M.B. Kishore, S.G. Kwon, H.J. Kim, "Enhanced Detection of Defects Using GMR Sensor Based Remote Field Eddy Current Techique," Journal of Magnetics, Vol 22, No 2, pp. 531-538, 2017.

상세보기
W. Lord, Y.S. Sun, S.S. Upda, S. Nath, "A Finite Element Study of the Remote Field Eddy Current Phenomenon," IEEE Transactions on Magnetics, Vol 24, No. 1, pp. 435-438, 1988.

상세보기
A.Vajpayee, D.Russell, "Automated Condition Assessment of Boiler Water Wall Tubes Using Remote Field Technology. A Revolution over Traditional and Existing Techniques," The 10th International Conference of the Slovenian Society for Non-Destructive Testing, pp. 523-530, 2009.
한국비파괴검사학회 이용, "와전류탐상검사(Eddy Current Testing)," 노드미디어, p. 28, 2012.
D.S. Gil, G.J. Jung, H.J. Kim, et al., "Defect Evaluation Technology of Water Wall Tube within the Fluidized Bed Boiler using Remote Field Robot Scanner," KEPCO, Final Research Report, pp. 19-20, 2019.

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