유한요소해석 시뮬레이션은 광조사율 1kW의 Lamp 2개 사용하여 조사율과 거리를 조절하면서 수행하였다. 시뮬레이션을 수행한 내용은 Table 4-2와 같다. Fig. 4-4는 Lamp 조사율을 60%로 유지하고 배관과 Lamp의 거리는 1, 2, 3m로 조절하면서 각각 60초 동안 시뮬레이션을 수행한 결과이다. 배관과 Lamp의 거리에 관계없이 모든 시험 조건에서 결함부에서 온도 차이가 육안으로 관찰되었다. 다만 결함 깊이가 배관 두께의 75%에 비해 50%에서는 결함부 온도 편차의 선명도가 낮았다. 또한, 1m의 경우 결함의 선명도가 가장 높았으며 3m의 경우 결함의 형상이 깨지는 현상 을 확인하였다.
Fig. 4-5는 Lamp 조사율을 80%로 유지하고 배관과 Lamp의 거리는 1, 2, 3m로 조절하면서 각각 60초 동안 시뮬레이션을 수행한 결과이다. 배관과 Lamp의 거리에 관계없이 모든 시험 조건에서 결함부의 온도 편차가 뚜렷이 관찰되었고, Lamp 조사율이 60%에 비해 결함의 형상이 더 뚜렷하였다. 하지만 Lamp 조사율이 60%와 동 일하게 결함 깊이가 배관 두께의 75%에 비해 50%에서는 결함의 선명도가 낮았다.
또한, 배관과 Lamp의 거리가 1m에서 결함이 선명하고 결함의 형상이 실제 형상과 가 장 유사하였다. Lamp의 조사율을 100%로 유지하고 배관과 Lamp의 거리는 1, 2, 3m로 조절하면서 시뮬레이션을 수행한 결과 결함의 형상이 80%와 비슷한 결과를 얻었다.
Fig. 4-6은 Lamp의 조사율을 100%로 유지하고 배관과 Lamp의 거리를 1, 2, 3m로 조절하면서 배관 표면에서 온도분포를 그림으로 나타내었다. 1m에서 배관에 전달된 온도가 가장 높았으며 그 결과에 따라 배관에 전달된 온도가 높을수록 결함이 선명하고 결함의 형상이 실제 형상과 유사하다고 판단된다.
(a) Configuration of Pipe and Lamp
(b) Mesh Creation
Fig. 4-3 Configuration of the modeled Pipe and Lamp
Lamp Lamp의 조사율 가열 시간 배관과 Lamp의 거리 1㎾의 Lamp 2개 50%
60초
각각 1, 2, 3m
1㎾의 Lamp 2개 60% 각각 1, 2, 3m
1㎾의 Lamp 2개 80% 각각 1, 2, 3m
1㎾의 Lamp 2개 100% 각각 1, 2, 3m
Table 4-2 Simulation conditions of FEM
(a) Distance of 1m
(b) Distance of 2m
(c) Distance of 3m Fig. 4-4 60% of Lamp output
(a) Distance of 1m
(b) Distance of 2m
(c) Distance of 3m Fig. 4-5 80% of Lamp output
(a) Distance of 1m
(b) Distance of 2m
(c) Distance of 3m
Fig. 4-6 Surface temperature of pipe on 80% of Lamp output
본 논문에서 유한요소해석 시뮬레이션은 2개의 1kW Lamp를 이용하여 빛의 조사에 따른 배관 표면의 온도 변화를 측정하고 온도 변화에 따른 결함부와 비 결함부의 열적 특성 차이를 이용하여 배관의 결함을 검출하기 위해 수행하였다. 시뮬레이션 수행 방법은 Lamp의 조사율을 60, 80, 100%로 설정하고 각각의 조사율에 따라 배관 과 Lamp의 거리를 1, 2, 3m로 조절하면서 배관 표면의 온도를 측정하였다. 또한, 온도 변화에 따른 배관의 열 영상을 획득하여 결함을 검출하였다. 유한요소해석 시뮬레이션 결과 Lamp의 조사율이 80%이고 배관과 Lamp의 거리가 1m인 조건에서 배관 표면의 온도가 가장 높았으며, 결함이 선명하고 결함의 형상이 실제 형상과 유사하였다. 하지만 결함의 깊이에 따라 결함의 선명도 차이가 발생하였고, 배관과 Lamp의 거리가 증가하면서 배관 표면에 열전달이 급격히 떨어지는 결과를 얻었다.
따라서 유한요소해석 시뮬레이션 결과를 통해 Halogen Lamp를 이용한 배관 결함 검출을 위한 최적의 실험조건을 예측할 수 있다.
제 2 절 광 적외선 열화상에 의한 결함 검출
1. 4-inch 직관 결함시편가. 시편 S1-1 측정 결과
Fig. 4-7 는 시편 S1-1의 Up-side에서 측정된 적외선 열화상 측정결과를 시편과 Camera 및 Lamp의 거리와 Lamp의 조사율에 따라 나타낸 것이다. Lamp의 조사율에 관계없이 모든 조건에서 결함이 육안으로 관찰되었다. 전체적으로 결함 깊이가 d/t=0.5에 비해 d/t=0.75인 결함에서 선명도가 높게 나타났으며, 조사율이 60%
이상이고 시편과 Lamp 및 Camera의 거리가 1m인 경우에는 깊이가 d/t=0.5인 결함도 뚜렷하게 구분되었다. Lamp의 조사율과 시편, Camera 및 Lamp의 거리에 따라 적외선 열화상 시험 결과가 다소 차이를 보였다. 시편과 Camera 및 Lamp의 거리가 1m인 경우에는 Lamp의 조사율에 관계없이 시편의 중심에 있는 결함은 명확히 검출되는 반면 시편의 양쪽 끝에 있는 결함은 상이 명확하지 않았다. 또, 동일한 크기의 결함 일지라도 이미지 상에 검출된 결함의 크기가 상이하게 나타나는 것을 알 수 있다.
시편과 Camera 및 Lamp의 거리가 2m인 경우에는 Lamp의 조사율에 관계없이 4개의 결함이 모두 검출되었으며, 동일한 형상의 결함이 거의 유사한 크기로 나타나는 것을 알 수 있다. 특히 Lamp의 조사율이 70%일 때 결함이 명확히 구분되었다.
거리가 3m인 경우에도 4개의 결함이 모두 검출되었으나, 깊이가 d/t=0.5인 결함에 서는 상의 선명도가 크게 떨어졌으며 결함의 길이와 폭이 실제 결함 형상에 비해 작게 나타났다.
한편, 결함의 길이가 L/Do=0.25인 Down-side에서 적외선 열화상 측정결과를 살펴 보면, 결함의 길이가 짧음에도 불구하고 Lamp의 조사율이 60% 이상에서는 시편과 Lamp 및 Camera의 거리에 관계없이 5개 결함이 모두 육안으로 관찰되었다.
L/Do=0.25인 경우에도 깊이가 d/t=0.75인 결함에 비해 d/t=0.5인 결함에서는 결함 부의 선명도가 낮았으나 시편에 존재하는 모든 결함이 육안으로 뚜렷하게 구분되 었다. 시편의 중심에 위치한 결함과 측면에 위치한 결함 사이에 결함의 선명도와 형상이 큰 차이를 보였다. 시편이 2m 거리에서는 조사율이 70%와 80% 조건에서는 5개의 결함이 명확하게 구분되고 동일한 형상의 결함은 거의 유사한 상을 보였다.
시편과 Camera 및 Lamp의 거리가 3m인 조건에서는 조사율이 80%일 때 결함이 일부 검출되었으나, 전체적으로 결함이 명확히 관찰되지 않았으며 결함 간의 구분이 선명하지 않았다.
거리
조사율 60% 70% 80%
up-side
1m
2m
3m
Down-side
1m
2m
3m
Fig. 4-7 Measurement results of Infrared thermography on S1-1
거리
조사율 60% 70% 80%
up-side
1m
2m
3m
Down-side
1m
2m
3m
Fig. 4-8 Measurement results of Lock-in on S1-1
Fig. 4-8에 나타낸 Lock-in에 의한 측정결과를 살펴보면 적외선 열화상 측정 결과에 비해 실제 결함과 유사한 크기와 형상을 보이며, 결함에 대한 상의 선명도가 뚜렷하게 검출되었다. Lock-in에 의한 측정결과에서도 마찬가지로 동일한 크기의 결함임에도 불구하고 시편의 중심에 위치한 결함과 측면에 위치한 결함 사이에 결함의 선명도와 형상이 큰 차이를 보였다. 이는 일반적인 구형의 Halogen Lamp를 이용하여 시편을 가열하는 경우에 배관 시편의 전체 길이가 균일 하게 가열되지 못하기 때문으로 판단된다. 또한, Lamp 및 Camera의 거리가 멀수록 뚜렷하게 결함을 검출되었으며 결함간의 구분도 분명함을 알 수 있다. 3m의 경우 이 미지 상에서는 또렷하게 측정결과가 보이지 않지만 온도보정을 통해 2m와 유사한 결과를 얻을 수 있을 것이라 판단된다.
전체적으로 시편과 Camera 및 Lamp의 거리가 2m인 조건에서 우수한 결함 검출과 상의 선명도를 보였다. 시편과 Camera 및 Lamp의 거리가 1m인 경우에는 배관 시편 의 중심에 위치한 결함은 선명하게 검출되는 반면 시편의 양쪽 끝에 위치한 결함 의 검출능력이 떨어졌다. 또한, 1m 거리에서는 결함 형상에 대한 왜곡이 크게 나타났다. 이는 시편과 Lamp의 거리가 가까울수록 시편이 균일하게 가열되지 못하기 때문으로 판단된다. 또한, 전체적으로 Lamp의 조사율이 높을수록 결함이 명확하게 검출되었다. 그러나, Lamp의 조사율이 높은 경우에는 가열 속도가 빨라 가열 후 수 초 이내에 결함에 대한 상이 나타났다 사라지는 것을 실험을 통해 알 수 있었다.
따라서, 4-inch Sch.80인 배관인 시편 S1-1의 결함조건에서의 최적의 시험 조건은 시편과 Camera 및 Lamp의 거리가 2.0m이고 1kW 할로겐 Lamp 2개의 조사율을 70%로 유지할 때 인 것으로 판단되었다. 또한, 이들 시험 조건에서 1회 촬영을 통해 최 소한 500mm 범위 이내에 존재하는 원주방향 폭이 90o이고 깊이와 길이가 각각 d/t=
0.5와 L/Do=0.25인 결함이 모두 검출되는 것을 확인할 수 있었다.
나. 시편 S2-1 측정 결과
Up-side Down-side
결함 도면
거리
조사율 60% 70% 80%
up-side
1m
2m
3m
Down-side
1m
2m
3m
Fig. 4-9 Measurement results of Infrared thermography on S2-1
거리
조사율 60% 70% 80%
up-side
1m
2m
3m
Down-side
1m
2m
3m
Fig. 4-10 Measurement results of Lock-in on S2-1
Fig. 4-9은 S2-1 배관 시편에 대한 적외선 열화상 측정 결과를 나타낸 것이다.
결함의 깊이가 d/t=0.75(Up-side)이고 길이가 L/Do=0.5인 조건에서 원주방향 폭이 θ/π=0.0625∼0.25 (2θ=22.5∼90o)인 모든 결함이 명확히 검출되었다. 시편과 Camera 및 Lamp의 거리가 1m인 조건에서는 3개의 결함이 모두 명확히 검출되지는 않았지만 결함의 유무 자체는 확인 가능하였다. 2m와 3m 의 경우, 두 조건 모두 거리 1m에서 보다 결함의 선명도 및 크기와 형상을 또렷하게 알 수 있었다. Lamp 의 조사율은 높을수록 결함이 명확하게 검출됨을 알 수 있었다. 또한, 결함의 깊이가 d/t=0.5(Down-side)인 경우에는 시편과 Camera 및 Lamp의 거리가 1m와 3m에 서의 결과를 보면 결함의 유무를 판단하기에는 결함간의 거리도 불분명하며 형상 또한 알기 어렵다. 그나마 거리조건 2m에서는 d/t=0.75(Up-side)에 비해 결함에 대한 상의 선명도는 떨어지지만, 적외선 열화상 이미지에서 결함이 명확히 식별되었
다. 그리고 Lamp의 조사율의 경우, d/t=0.75(Up-side)에서는 70%와 80%간의 결함에 대한 상의 선명도의 차이는 없었지만 d/t=0.5(Down-side)에서는 80%를 유지할 때 다른 조사율 조건에 비해 실제 결함과 유사한 형상과 크기를 나타내었다. 또한 S2-1 배관 시편에 대한 Lock-in에 측정 결과를 Fig. 4-10에 나타내었다. 적외선 열화상 측정 결과에 비해 결함의 선명도가 뚜렷하게 실제 결함의 형상과 크기를 보임을 알 수 있다. Up-side에 비해 Down-side에서 거리가 멀수록 선명도의 차이가 나지만 오히려 형상이나 크기가 뚜렷하므로 이는 추후 온도보정을 통해 더 나은 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 배관시편 S2-1의 결함조건에서의 최적의 시험 조건은 시편과 Camera 및 Lamp의 거리가 2m이고 1kW Halogen Lamp 2개의 조 사율을 70% ~ 80%로 유지할 때 인 것으로 판단되었다.
다. 시편 S2-2 측정 결과
Up-side Down-side
결함 도면
거리
조사율 60% 70% 80%
up-side
1m
2m
3m
Down-side
1m
2m
3m
Fig. 4-11 Measurement results of Infrared thermography on S2-2
거리
조사율 60% 70% 80%
up-side
1m
2m
3m
Down-side
1m
2m
3m
Fig. 4-12 Measurement results of Lock-in on S2-2
Fig. 4-11에 나타낸 S2-2 배관 시편에 대한 측정 결과를 살펴보면, 깊이가 d/t=
0.75(Up-side)인 결함은 길이가 L/Do=0.25이고 원주방향 폭이 θ/π=0.0625∼0.25 (2θ=22.5∼90o)인 조건에서 결함의 유무를 판단 할 수 있으며 특히, 시편과 Camera 및 Lamp의 거리가 2m 이고, Lamp의 조사율이 높을수록 실제 결함과 유사한 형상을 보이며 검출되었다. 그러나 Down-side에서는 같은 결함 길이 L/Do= 0.5인 Up-side 비해 결함의 형상과 크기에 대한 상은 흐릿하고 실제 결함에 비해 현저히 작음을 알 수 있다. 또한, 시편 SP-3의 Up-side에서 깊이가 d/t=0.5이고 결함의 길이와 폭이 L/Do=0.5, θ/π=0.25인 결함의 상은 확인 할 수 없었으며 Up-side(d/t=0.75) 와 결함의 길이, 원주방향의 폭은 같으나 결함 깊이가 다른 Down-side(d/t=0.5)에 서는 Up-side에서는 검출되었던 원주방향 폭이 θ/π=0.0625∼0.25(2θ=22.5∼90o) 인 조건의 결함은 검출되지 않았으며 그 외의 다른 어떠한 결함의 형상도 관찰되
지 않았다. 따라서, 적외선 열화상 기법을 적용한 결함 검출에서 결함의 길이와 폭이 클수록 검출 가능성이 높은 것은 아니라는 것을 알 수 있다.
또한, Fig. 4-12에 나타낸 Lock-in에 의한 측정결과에서는 깊이가 d/t=0.75 (Up-side)인 결함은 길이가 L/Do=0.25이고 원주방향 폭이 θ/π=0.0625∼0.25 (2θ=22.5∼90o)인 조건에서의 결함의 상에 대한 선명도는 낮지만 실제 결함과 유사한 형상과 크기가 검출되었다. Fig. 4-11과 같이 d/t=0.5(Down-side)에서는 적외선 열화상 측정 결과와는 달리 길이가 L/Do=0.25이고 원주방향 폭이 θ/π=0.
0625∼0.25(2θ=22.5∼90o)인 조건의 결함은 각각의 시편과 Camera 및 Lamp의 거리 에서 모두 검출되었다. 다만, 적외선 열화상 측정 결과에서와 마찬가지로 Lock-in에 의한 측정결과에서도 깊이가 d/t=0.25이고 길이가 L/Do=0.5이며 원주방향 폭이 θ/
π=0.25, 0.0625의 결함은 검출되지 않았다. Fig.4-12에서 결함에 대한 상의 선 명도가 Camera 및 Lamp의 거리가 멀수록 낮아지나 1m에 비해 실제 결함의 형상과 크기와 유사하게 검출되었다. 이는 추후 온도보정을 통해 육안으로 검출 가능할 것으로 판단된다. 따라서 배관시편 S2-2의 결함조건에서의 최적의 시험 조건은 시 편과 Camera 및 Lamp의 거리가 2.0m이고 1kW 할로겐 Lamp 2개의 조사율을 70% ~ 8 0%로 유지할 때 인 것으로 판단되었다.