유한요소해석 시뮬레이션 결과

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유한요소해석 시뮬레이션은 최고 조사율 1 kW의 Halogen Lamp 2개 사용하여 수 행하였다. 시뮬레이션을 수행한 내용은 Table 4-2와 같다. Fig. 4-4(a)는 Halogen Lamp 조사율을 70%로 유지하고 배관과 Halogen Lamp의 거리는 2m로 60초 동안 시뮬레이션을 수행한 결과이다. 배관과 Halogen Lamp의 거리에 관계없이 모든 시 험 조건에서 결함부에서 온도 차이가 육안으로 관찰되었다. 다만 결함 깊이가 배관 두께의 75%에 비해 50%에서는 결함부 온도 편차의 선명도가 낮았다. Fig. 4-4(b)는 Halogen Lamp 조사율을 70%로 유지하고 배관과 Halogen Lamp의 거리는 2m로 조절하 면서 각각 60초 동안 유한요소해석 시뮬레이션을 수행한 결과이다. 배관과 Halogen Lamp의 시험 조건에서 결함부의 온도 편차가 뚜렷이 관찰되었고, 육안으로 확인할 수 있 었다. 결함 깊이가 배관 두께의 75%에 비해 50%에서는 결함의 선명도가 낮았다. 배관 표 면에서 온도분포를 그림으로 나타내었다. 결과에 따라 배관에 전달된 온도가 높을수록 결 함이 선명하고 결함의 형상이 실제 형상과 유사하다고 판단된다.

(a) Configuration of 4 inch Pipe and Halogen Lamp

(b) Mesh Creation

Fig. 4-3 Configuration of the modeling 4 inch Pipe and Halogen Lamp

Halogen Lamp Lamp의 조사율 가열 시간 배관과 Lamp의 거리

1 ㎾의 Lamp 2개 70% 60초 2m

Table 4-2 Simulation conditions of FEM

(a) 70% of Lamp output (2m) (b) Distance of 2m

Fig. 4-4 Surface temperature of 4 inch pipe on 70% of Halogen Lamp output

유한요소해석 시뮬레이션은 2개의 1 kW의 Halogen Lamp를 이용하여 광원에 따른 배관 표면의 온도 변화를 측정하고 온도 변화에 따른 결함부의 열적 특성 차이를 이용하여 배관의 결함을 검출하기 위해 수행하였다. 시뮬레이션 수행 방법은 Halogen Lamp의 조사율을 70%로 설정하고 배관과 Halogen Lamp의 거리를 2m로 고정하여 배관 표면의 온도를 측정하여 결함을 검출하였다. 유한요소해석 결과 결 함이 선명하고 결함의 형상이 실제 형상과 유사하였다. 하지만 결함의 깊이에 따라 결함의 선명도 차이가 발생하였다. 따라서 유한요소해석 시뮬레이션 결과를 통해 Halogen Lamp를 이용한 배관 결함 검출을 위한 실험조건을 예측할 수 있다.

2 절 결함 검출

1. 4 inch 배관

가. 배관 SP1-1 측정 결과

4 inch 배관 SP1-1은 본 논문에서의 실험조건을 찾기 위한 실험으로 Fig. 4-5는 4 inch 배관 SP1-1의 앞면, 뒷면에서 측정된 적외선 열화상 측정결과를 배관과 IR Camera 및 Halogen Lamp의 거리와 Halogen Lamp의 조사율에 따라 나타낸 것이다.

Halogen Lamp의 조사율에 모든 조건에서 결함이 육안으로 관찰되었다. 전체적으로 감육 깊이가 50%에 비해 75%인 결함에서 선명도가 높게 나타났으며, 조사율이 60% 이상이고 배관과 Halogen Lamp 및 IR Camera의 거리가 1m인 경우에는 깊이 가 d/t=0.5인 결함도 뚜렷하게 구분되었다. Halogen Lamp의 조사율과 배관, IR Camera 및 Halogen Lamp의 거리에 따라 적외선 열화상 기법의 결과가 다소 차이 를 보였다. 배관과 IR Camera 및 Halogen Lamp의 거리가 1m인 경우에는 Halogen Lamp의 조사율에 관계없이 배관의 중심에 있는 결함은 명확히 검출되는 반면 배 관의 양쪽 끝에 있는 결함은 상이 명확하지 않았다. 이는 바깥쪽 결함은 공기의 영 향을 많이 받는 동시에 Halogen Lamp의 열이 고루 전달되지 않기 때문이다. 또한, 동일한 크기의 결함일지라도 이미지상의 검출된 결함의 크기가 상이하게 나타나는 것을 알 수 있다. 배관과 IR Camera 및 Halogen Lamp의 거리가 2m인 경우에는 Halogen Lamp의 조사율에 관계없이 4개의 결함이 모두 검출되었으며, 동일한 형상 의 결함이 거의 유사한 크기로 나타나는 것을 알 수 있다. 특히 Halogen Lamp의 조사율이 70%일 때 결함이 명확히 구분되었다. 거리가 3m인 경우에도 4개의 결함 이 모두 검출되었으나, 감육 깊이가 50%인 결함에서는 상의 선명도가 크게 떨어졌 으며 결함의 길이와 폭이 실제 결함 형상에 비해 작게 나타났다.

한편, 결함의 길이가 L/Do=0.25인 뒷면에서 적외선 열화상 측정결과를 살펴보면, 결함의 길이가 짧음에도 불구하고 Halogen Lamp의 조사율이 60% 이상에서는 배관 과 Halogen Lamp 및 IR Camera의 거리에 관계없이 5개의 결함이 모두 육안으로 관찰되었다. L/Do=0.25인 경우에도 감육 깊이가 75%인 결함에 비해 50%인 결함에 서는 결함부의 선명도가 낮았으나 배관에 존재하는 모든 결함이 육안으로 뚜렷하

게 구분되었다. 배관의 중심에 위치한 결함과 측면에 위치한 결함 사이에 결함의 선명도와 형상이 큰 차이를 보였다. 이 역시 앞면과 동일한 증상이다. 배관이 2m 거리에서는 조사율이 70%와 80% 조건에서는 5개의 결함이 명확하게 구분되고 동 일한 형상의 결함은 거의 유사한 상을 보였다. 배관과 IR Camera 및 Halogen Lamp 의 거리가 3m인 조건에서는 조사율이 80%일 때 결함이 일부 검출되었으나, 전체 적으로 결함이 명확히 관찰되지 않았으며 결함 간의 구분이 선명하지 않았다.

조사

거리 60% 70% 80%

Up

1m

2m

3m

Down

1m

2m

3m

Fig. 4-5 Measurement results of Infrared Thermography image SP1-1

(a) Up defect (b) Down defect Fig. 4-6 4 inch pipe(SP1-1) Temperature graph

거리

조사율 60% 70% 80%

Up

1m

2m

3m

Down

1m

2m

3m

Fig. 4-7 Measurement results of Lock-in SP1-1

다음 Fig. 4-6은 배관 SP1-1에 대한 열화상 데이터를 통한 그래프(1m ~ 3m 70%)를 나타낸 것이다. 또한, 기계구조물에 있어서 열에 대한 변화로 인한 온도변화가 미 세하여 미세한 온도변화를 측정하기 위한 분해능을 높이기 위한 방법으로 위상 잠 금 적외선 열화상 기법을 이용하여 차이점을 알아보았다. Fig. 4-7의 결과를 도출하 였다. 적외선 열화상 측정 결과에 비해 실제 결함과 유사한 크기와 형상을 보이며, 결함에 대한 이미지상의 선명도가 뚜렷하게 검출되었다. Lock-in에 의한 측정결과 에서도 마찬가지로 동일한 크기의 결함임에도 불구하고 배관의 중심에 위치한 결 함과 측면에 위치한 결함 사이에 결함의 선명도와 형상이 큰 차이를 보였다. 이는 일반적인 Halogen Lamp를 이용하여 배관을 가열하는 경우에 배관의 전체 길이가 균일하게 가열되지 못하기 때문으로 판단된다. 또한, Halogen Lamp 및 IR Camera 의 거리가 멀수록 뚜렷하게 결함을 검출되었으며 결함간의 구분도 분명함을 알 수 있다. 이 역시 2m 거리와 70%의 조사율에서의 측정결과 값이 가장 좋았다.

나. 배관 SP2-5 측정 결과

경사 결함 배관 SP2-5는 S1-1에서의 실험조건을 찾아서 적용 실험으로 Fig. 4-8은 SP1-1의 앞면, 뒷면에서 측정된 적외선 열화상 측정 데이터 및 그래프를 통하여 적 용하였다. 실험시스템은 동일하게 진행되었으며, 거리 2m, 조사율 70%를 유지한 상태에서 실험하였다. 그 측정 데이터는 다음 Fig. 4-7과 같다. 4 inch 배관 SP2-5의 경우는 다른 배관과 다르게 사각 결함이 아닌 경사 결함으로 이루어져 있으며, 실 제 감육에서 일어나는 현상과 비슷하게 되어 있다. 전체적으로 모든 적외선 열화상 기법을 이용하여 실험한 결과 결함의 크기를 육안으로 확인할 수 있었다. 하지만, 감육 깊이가 25%이하인 경우의 결함 검출을 할 수 없었다. SP2-5 배관의 경우에도 Lock-in 기법을 이용하여 촬영한 결과 적외선 열화상 기법으로 촬영한 데이터를 비 교해 봤을 때 감육 깊이가 25%인 결함을 찾을 수 있었다. 이는 미세한 열 분포에 도 민감하여 찾을 수 있는 것으로 사료된다. 또한, 경사, 사각 결함 구분 없이 결함 검출을 도출을 할 수 있었다.

조사

거리 70%

Up

2m

Down

Fig. 4-8 4 inch pipe(SP2-5) Infrared Thermography image

조사

거리 70%

Up

2m

Down

Fig. 4-9 4 inch pipe(SP2-5) Lock-in image

다. 배관 SP2-6 측정 결과

사각 결함 배관 SP2-6은 S1-1에서의 실험조건을 적용하였다. 그 측정 데이터는 다 음 Fig. 4-10과 같다. 4 inch 배관 SP2-5의 경우는 다른 배관과 다르게 사각 결함이 아 닌 경사 결함으로 이루어져 있으며, 전체적으로 결함 깊이는 10% ~ 60% 사이로 주 었으며, 결함 길이는 L/Do=0.25 ~ L/Do=0.0625까지 가공하였다. Fig. 4-10보면 결함의

조사

거리 70%

Up

2m

Down

Fig. 4-10 4 inch pipe(SP2-6) Infrared Thermography image

상관없이 감육 깊이가 30%이상의 결함에서는 적외선 열화상 이미지로 확인할 수 있었다. 감육 깊이가 20%이하인 경우에는 결함 길이가 L/Do=0.25이라도 검출을 할 수 없었다. 차이점을 찾기 위해 Lock-in 기법을 이용한 촬영한 결과 Fig. 4-11과 같으며, Lock-in 기법 역시 30%이상의 결함은 찾을 수 있는 반면 20%이하의 결함은 찾을 수 없었다.

조사

거리 70%

Up

2m

Down

Fig. 4-11 4 inch pipe(SP2-6) Lock-in image

2. 소구경 2.5 inch 배관

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