KR100360978B1 - 비파괴식 이중관 검사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관내의 상황을 측정하기 힘든 이중관 내부에 장비를 투입하여 비파괴적으로 진단/평가하기 위해, 피검체 관벽에 대한 투과 특성을 기반으로 하는 원거리 와전류 기술을 이용하여 내/외부 두관 사이의 간격 분포와 간격을 유지시키는 가터 스프링 등과 같은 지지물의 위치 탐지, 그리고 두 관 내/외부에 존재하는 결함 등을 관 내부에 투입한 원거리 와전류 검사 장비로서 비파괴적으로 평가할 수 있는 검사 장치를 제공하기 위한 것으로서, 피검관을 투과하여 원거리 영역의 관 내부에서 자계가 탐지될 수 있도록 저주파 교류 전원으로 구동되는 여자기 코일부 및 탐지 코일부와; 상기 탐지 코일부에서 발생된 신호가 주변의 전원 및 기타 잡음과 상호 간섭하지 않도록 탐지 코일부 가까이에 위치하여 탐지 신호를 증폭시키는 역할을 하는 프리 앰프와; 상기 여자기 코일부에 충분한 전원을 가하기 위하여 정현파 신호를 발생시키는 파형 발생기와; 상기 파형발생기에 맞물려서 요구되는 전원으로 파형을 증폭시키는 양극성 전원 공급/앰프와; 상기 파형 발생기 및 프리 앰프로부터 출력되는 탐지 신호의 크기를 측정하는 위상 판별 증폭부와; 상기 위상판별 증폭부로부터 측정되어 출력되는 신호를 저장하고 처리하는 소프트웨어가 탑재되어 피검관의 결함 등에 대한 정량적인 평가를 수행하는 메인 컴퓨터와; 상기 원거리 와전류 검사 도구를 관내로 이동시키는 이동부로 이루어진다.

Description

비파괴식 이중관 검사 장치 {Nondestructive RFEC inspection system for tube in tubes}

본 발명은 이중관 검사 장치에 관한 것으로서, 특히 원자로 이중관 내부의 설계가 초기설계와 동일한 상태로 유지되는지를 비파괴식으로 검출하기 위한 비파괴식 이중관 검사 장치에 관한 것이다.

CANDU(CANadian Deuterium Uranium)형 원자로는 약 380여개의 수평으로 배치된 이중 관 형태의 핵 연료 채널로 구성되어 있는데, 핵연료관 내부의 방사 조사 영향에 의해 내부의 압력관과 외부관의 치수가 변화하는 처짐 현상은 CANDU 원전의 고질적인 문제로 지적되고 있다. 이러한 현상을 비파괴적으로 진단/평가하기 위해서는 CANDU 핵연료 채널에 있어서 두 관 사이의 갭 분포와 설계대로 갭을 유지시키는 역할을 하는 가터 스프링(garter spring)의 위치 탐지 기술이 핵심이라 할 수 있다.

이렇게 갭 분포를 평가하고 가터 스프링의 위치를 탐지하기 위하여, 방사선투과, 초음파 그리고 와전류 등에 대한 광범위한 기초연구를 바탕으로 하여 초음파 모듈을 활용하여 내부관에 존재하는 결함 및 내부관의 처짐을 탐지/평가하였다.

그러나 이러한 장비는 매우 고가일 뿐만 아니라 장치가 복잡하고, 가스층을 투과할 수 없는 초음파의 진동파적인 특성상, 내관과 외관 사이의 기체로 채워진 갭 층의 변화는 평가할 수 없다.

이를 보완하기 위하여 와전류 탐상법을 기반으로 하여 송수신 코일을 구성하여 각 코일 사이를 1인치 정도 이격시킨후 수신코일을 특정한 각도로 지향시키는 복잡한 방식을 이용하여 갭층의 변화를 탐지해왔다.

그러나, 종래기술에 채택된 초음파를 이용한 내/외부 결함 탐지법은 진동파인 초음파의 특성상 내관과 외관 사이의 기체로 채워진 갭 층의 변화는 평가할 수 없는 단점이 있고, 이에 대한 보완책으로 사용한 송수신 타입의 재래식 와전류법(주파수가 높음)은 가터 스프링 탐지 방식에 있어서 가터 스프링이 끊어져 있거나 접합부에 산화막이 형성되어 전기적으로 연결되어 있지 않은 상태에서는 가터 스프링을 탐지할 수 없게 되므로 두가지 검사 모듈을 상호 보완적으로 사용하여야 하며, 두가지 검사모듈을 사용하게 됨에 따라 비용면에서도 원가가 많이 드는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 관내의 상황을 측정하기 힘든 이중관 내부에 장비를 투입하여 비파괴적으로 진단/평가하기 위해, 피검체 관벽에 대한 투과 특성을 기반으로 하는 원거리 와전류 기술을 이용하여 내/외부 두관 사이의 간격 분포와 간격을 유지시키는 가터 스프링 등과 같은 지지물의 위치 탐지, 그리고 두 관 내/외부에 존재하는 결함 등을 관 내부에 투입한 원거리 와전류 검사 장비로서 비파괴적으로 평가할 수 있는 검사 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 비파괴식 이중관 검사 장치에 관한 단면도,

도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 비파괴식 이중관 검사 장치에 의해 검출되는 데이터에 관한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 여자기 코일부 2 : 탐지 코일부

5 : 가터 스프링 6 : 외관

7 : 내관 10 : 비파괴 검사 기구

11 : 파형 발생부 12 : 파형 공급 및 증폭부

13 : 오실로스코프 14 : 프리 앰프

15 : 위상 판별 증폭부 16 : 컴퓨터

d1 : 코일간 간격 d2 : 간격

r1 : 내관 직경 r2 : 외관 직경

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 피검관을 투과하여 원거리 영역의 관 내부에서 자계가 탐지될 수 있도록 저주파 교류 전원으로 구동되는 여자기 코일부 및 탐지 코일부와; 상기 탐지 코일부에서 발생된 신호가 주변의 전원 및 기타 잡음과 상호 간섭하지 않도록 탐지 코일부 가까이에 위치하여 탐지 신호를 증폭시키는 역할을 하는 프리 앰프와; 상기 여자기 코일부에 충분한 전원을 가하기 위하여 정현파 신호를 발생시키는 파형 발생기와; 상기 파형발생기에 맞물려서 요구되는 전원으로 파형을 증폭시키는 양극성 전원 공급/앰프와; 상기 파형 발생기 및 프리 앰프로부터 출력되는 탐지 신호의 크기를 측정하는 위상 판별 증폭부와; 상기 위상판별 증폭부로부터 측정되어 출력되는 신호를 저장하고 처리하는 소프트웨어가 탑재되어 피검관의 결함 등에 대한 정량적인 평가를 수행하는 메인 컴퓨터와; 상기 원거리 와전류 검사 도구를 관내로 이동시키는 이동부로 이루어지는 특징이 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예인 이중관 비파괴 검사 장치에 대하여 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 이중관의 비파괴식 검사장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예인 이중관의 비파괴식 검사장치는 피검관을 투과하여 원거리 영역의 관 내부에서 자계가 탐지될 수 있도록 저주파 교류 전원으로 구동되는 여자기 코일부(1) 및 탐지 코일부(2)와, 상기 탐지 코일부(2)에서 발생된 신호가 주변의 전원 및 기타 잡음과 상호 간섭하지 않도록 탐지 코일부(2) 가까이에 위치하여 탐지 신호를 증폭시키는 역할을 하는 프리 앰프 (14)와, 상기 여자기 코일부(1)에 저주파 교류 전원을 가하기 위하여 정현파 신호를 발생시키는 파형 발생기(11)와, 파형 발생기(11)에 맞물려서 요구되는 고출력 전원으로 파형을 증폭시키는 양극성 전원 공급/앰프(12)와, 탐지 신호의 크기를 측정하는 위상 판별 증폭부(15)와, 측정된 신호를 저장하고 저장된 신호를 처리하기 위한 소프트웨어가 탑재되어 피검관의 결함 등에 대한 정량적인 평가를 수행하는 메인 컴퓨터(16)와, 측정된 신호파를 실시간으로 확인할 수 있는 오실로스코프(13)와, 상기 원거리 와전류 검사 도구를 관내로 이동시키는 이동부로 이루어진다.

이때 코일사이의 간격(d1)은 내부 배관 직경(r1)의 1.5배 이상에서 원거리 와전류가 유기되는데, 비자성체 배관을 대상으로 할 때는 내부 배관 직경의 1.5배 내지 2.0 배 정도 거리를 유지시키면 효과적이다.

상기 여자기 코일부(1)에 가해지는 주파수는 피검 배관재의 재질 물성과 관두께 등에 의존하는데 본 실시예에 제시된 배관은 비자성체 배관이므로 약 3kHz ∼ 8kHz 영역의 주파수를 가진 정현파를 사용한다. 여자기 코일부(1)는 가능한 대전류를 흘릴 수 있으면서 아울러 큰 자기장이 유기되도록 권선의 권취횟수와 권선의 종류를 적절히 조화시켜야 한다.

이때 여자기 코일부(1)는 No. 20 구리선을 약 50회 내외 감은 여자기를 사용한다. 물론 고출력 전원을 여자기 코일에 흐르도록 하기 위하여 양극성 전원 공급기와 증폭기를 사용한다.

그리고 탐지 코일부(2)는 No. 47 구리선을 약 5000회 감은 축방향 및 반경방향으로 배치시킨 코일을 사용한다.

상기 프리앰프(14)는 주로 45-60db 범위의 이득을 갖도록 상황에 맞게 설계/제작한다. 프리앰프(14)를 통과한 탐지신호는 적용 주파수 범위에서 신호의 크기와 위상 지연을 측정하기 위하여 위상 판별 증폭기(15)를 사용하여 증폭/측정한다.

이때 위상 판별 증폭기(15)는 국부 발진 제어신호의 주파수와 동기한 주파수를 가진 입력신호에만 응답하는 검출기인 로크인 증폭기(lock-in amplifier)를 사용한다.

상기 위상 판별 증폭기(15)는 탐지신호의 크기와 여자기에 가해진 교류 전원의 파형과 비교하여 탐지신호의 위상 각이 얼마나 변했는가를 위상 지연값으로 측정한다.

여기서 컴퓨터와 생산 자동화 설비 사이에서 정보를 교환할 수 있도록 개발된 버스 구조인 범용 인터페이스 버스를 이용하여 측정된 신호를 컴퓨터(16)에 저장하고, 컴퓨터(16) 내에는 신호 획득 및 처리용 소프트웨어가 탑재되어 있으므로 피검 배관의 결함 등에 정량적인 평가를 수행하도록 되어 있다.

즉 일차적으로 탐지신호의 크기와 위상각 차를 오도미터로 측정된 배관 축방향의 거리에 따라 플로팅하여 관 축 방향의 위치에 따른 피검관의 이상 유무를 확인한다. 그후 검출되는 신호를 정량적으로 나타낼 수 있도록 VPPP(Voltage Plane Polar Plot 이하 "VPPP"라 약칭함)를 사용한다.

탐지 신호의 취득을 위하여 먼저 탐촉 코일에서 유기된 전압을 프리앰프에서 증폭시켜서 배관 외부에 위치한 신호 획득 시스템에 효과적으로 전달되도록 한다.일반적으로 탐지 코일은 용도에 따라 관축방향으로 한 개 또는 여러개를 설치하고, 관반경 방향으로 한 개 또는 여러개를 어레이 형식으로 배열하여 사용할 수 있다.

상기 VPPP는 원거리 와전류 시험 결과의 측정치인 증폭과 위상의 변화치를 2차원상에 동시에 기록하는 신호를 표현하기 위한 한 방법이다.

상기와 같이 장비가 완성된 상태에서 이중관을 비파괴식으로 검사하는 동작을 도 1의 그래프를 참고로하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 이중관 내에 원거리 와전류 검사 도구를 관내로 이동시키기 위해 바퀴, 와이어, 막대 또는 견인용 관내 주행 로봇트 등 다양한 기구를 이용하여 삽입시킨다.

그리고 일차적으로 탐지신호의 크기와 피검관의 위상각 차를 오도미터로 측정된 배관 축방향의 거리에 따라 도시하여 관 축 방향의 위치에 따른 피검관의 이상 유무를 확인한다. 그 후 세부적인 정량적 평가를 위하여 VPPP 신호 처리 기법과 기준설정좌표로 부터의 변위를 계산하여 이상상태에 대한 정량적 평가를 수행한다.

이러한 신호 취득 과정에서 필요시에는 오실로스코프(13)를 부가하여 파형을 관찰하면서 셋업하여 사용하기도 한다.

도 2a ∼ 도 2g는 상기 장치로 측정된 비파괴 평가신호를 메인 컴퓨터에 탑재된 소프트웨어를 활용하여 처리한 예이다.

도 2a는 VPPP방법을 활용하여 갭의 변화를 도시한 결과이며, 도 2b는 내·외부관이 공통축을 가지도록 배열한 상태에서 측정한 원거리 와전류 값의 평균을 기준값으로 취한 상태에서 변화된 위치를 검출함으로써 갭의 크기 변화를 도시한 결과이다.

도 2c와 도 2d는 갭 지지대인 가터 스프링의 위치를 관 반경 방향의 탐지 코일(2)과 관축방향의 탐지코일(2)을 이용하여 측정한 결과를 VPPP상에 나타낸 결과이다.

도 2e와 도 2f는 더욱 명백한 신호 형상을 얻기 위하여 moving window averaging 신호처리 기법을 이용하여 얻은 결과이며, 도 2g는 종래의 기술로는 불가능한 전기적으로 절연된 가터 스프링을 본 발명을 이용하여 탐지할 수 있음을 보여주는 예이다.

이와 같이 피검체에 대한 투과특성을 가진 초음파 및 방사선법과 유사하게 피검체 관벽 투과특성을 가진 RFEC 검사도구를 이용함으로써, 그래프의 결과를 통하여 가터 스프링의 위치와 갭의 크기를 평가함으로써 이중관 내부를 파괴하지 않고도 관상태를 정확하게 파악할 수 있게된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것임은 물론이고 그와 같은 변경은 본 발명의 권리범위에 속함은 물론이다.

본 발명은 상술한 바와 같이, 피검체에 대해 비파괴식으로 투과하여 검사하므로 피폭의 위험이 없고, 이중의 장비가 불필요하므로 원가절감의 효과가 있으며,시스템이 간단하여 제작 및 운용이 경제적이고, 간격 유지물인 가터스프링의 전기적 또는 기계적 결함이 있더라도 관벽 투과 특성을 이용하기 때문에 가터 스프링의 상태를 탐지할 수 있어 완벽한 검사를 수행할 수 있으며, 기타 열교환기 세관이나 지하매설 가스관, 상수관, 송유관 등 다양한 분야에 적용가능하므로 검사하기 어려운 관형태에 적용하기가 용이한 효과가 있으므로 검사 장비 제조 산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (4)

1. 피검관을 투과하여 원거리 영역의 관 내부에서 자계가 탐지될 수 있도록 저주파 교류 전원으로 구동되는 여자기 코일부 및 탐지 코일부와;

   상기 탐지 코일부에서 발생된 신호가 주변의 전원 및 기타 잡음과 상호 간섭하지 않도록 탐지 코일부 가까이에 위치하여 탐지 신호를 증폭시키는 역할을 하는 프리 앰프와;

   상기 여자기 코일부에 충분한 전원을 가하기 위하여 정현파 신호를 발생시키는 파형 발생기와;

   상기 파형발생기에 맞물려서 요구되는 전원으로 파형을 증폭시키는 양극성 전원 공급/앰프와;

   상기 파형 발생기 및 프리 앰프로부터 출력되는 탐지 신호의 크기를 측정하는 위상 판별 증폭부와;

   상기 위상판별 증폭부로부터 측정되어 출력되는 신호를 저장하고 처리하는 소프트웨어가 탑재되어 피검관의 결함 등에 대한 정량적인 평가를 수행하는 메인 컴퓨터와;

   상기 원거리 와전류 검사 도구를 관내로 이동시키는 이동부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비파괴식 이중관 검사 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 여자기 코일부와 탐지 코일부는 내경의 1.5배 정도되는 길이를 유지하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 비파괴식 이중관 검사 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 여자기 코일부는 No. 20 구리선을 50회 내외 감은 여자기를 사용하고 탐지 코일부는 No. 47 구리선을 5000회 감은 코일을 사용하는 것을 특징으로 하는 비파괴식 이중관 검사 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 이동부는 바퀴, 와이어, 막대, 견인용 관내 주행 로봇 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 비파괴식 이중관 검사 장치.