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저작자표시 2.0 대한민국

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(2)

2 01 4 년2 월 석 사 학 위 논 문 초음 파 적외 선 열화 상 기법 을 적용 한 탄소 강관 용접 부 결함 검출 에 관한 건전 성 평가 정 나

(3)

2014년 2월 석사학위논문

초음파 적외선 열화상 기법을 적용한 탄소강관 용접부 결함 검출에 관한

건전성 평가

조선대학교 대학원

첨단부품소재공학과(정밀기계설계공학전공)

정 나 라

(4)

초음파 적외선 열화상 기법을 적용한 탄소강관 용접부 결함 검출에 관한

건전성 평가

Integrity Evaluation of Carbon Steel Pipe Weld Area Defect Detection That Apply Ultrasound

Infrared Thermography Technique

2014년 2월 25일

조선대학교 대학원

첨단부품소재공학과(정밀기계설계공학전공)

정 나 라

(5)

초음파 적외선 열화상 기법을 적용한 탄소강관 용접부 결함 검출에 관한

건전성 평가

지도교수 김 재 열

이 논문을 공학석사학위신청 논문으로 제출함

2013년 10월

조선대학교 대학원

첨단부품소재공학과(정밀기계설계공학전공)

정 나 라

(6)

정나라의 석사학위논문을 인준함

위원장 조선대학교 교수 심 재 기 (인) 위 원 조선대학교 교수 윤 성 운 (인) 위 원 조선대학교 교수 김 재 열 (인)

2013년 11월

조선대학교 대학원

(7)

목 차

LIST OF FIGURES ··· ⅲ LIST OF TABLES ··· ⅴ NOMENCLATURE ··· ⅵ ABSTRACT ··· ⅶ

제 1 장 서 론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1

제 1 절 연구배경 ··· 1

제 2 절 연구목적 및 방법 ··· 3

제 2 장 열화상 시스템 및 배관 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5

제 1 절 적외선 열화상 측정이론 ··· 5

1. 열 측정 이론 ··· 5

2. 적외선 열화상 측정 원리 ··· 6

3. 초음파 서모그래피 ··· 13

제 2 절 초음파 열화상 시스템 구성 ··· 15

1. 적외선 열화상 시스템 ··· 15

2. 초음파 가진기 원리 및 구성 ··· 18

제 3 절 배관 ··· 20

1. 배관의 분류 및 종류 ··· 20

2. 배관의 손상유형 ··· 26

제 3 장 실험 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 29

제 1 절 실험장치 구성 ··· 29

1. 시험 장치 구성 ··· 29

(8)

2. 초음파 혼 ··· 31

3. 시험편 제작 ··· 31

제 2 절 시험편 ··· 31

1. 시험편 제작 ··· 31

제 4 장 연구 결과 및 고찰 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 33

제 1 절 초음파 서모그래피 적용 ··· 33

1. T분류관과 직관 용접부에 대한 실험 및 고찰 ··· 33

2. 곡관과 직관 용접부에 대한 실험 및 고찰 ··· 35

3. 플랜지와 직관 용접부에 대한 실험 및 고찰 ··· 37

제 2 절 할로겐램프를 열원으로 적용 ··· 39

1. T분류관과 직관 용접부에 대한 실험 및 고찰 ··· 39

2. 곡관과 직관 용접부에 대한 실험 및 고찰 ··· 41

3. 플랜지와 직관 용접부에 대한 실험 및 고찰 ··· 43

제 3 절 열화상 결함 검출 기법에 따른 비교 분석 ··· 45

1. 열화상 및 온도데이터 결과 분석 ··· 45

제 5 장 결론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 48

Reference · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 49

(9)

LIST OF FIGURES

Fig. 2-1 The electromagnetic spectrum ··· 5

Fig. 2-2 Atmospheric transmission in different wavelength bands ··· 5

Fig. 2-3 Incident radiation ··· 6

Fig. 2-4 Exitan radiation ··· 6

Fig. 2-5 Radiation contributions to the general measurement situation ··· 7

Fig. 2-6 Infrared thermography (Pulse technique) ··· 12

Fig. 2-7 Infrared thermography (Lock-in Technique) ··· 12

Fig. 2-8 Diagram of Heating System using Ultrasonic Excitation ··· 14

Fig. 2-9 FLIR T640 image ··· 15

Fig. 2-10 Exploded view of the scanner optical path ··· 16

Fig. 2-11 Schematic diagram of scanner ··· 17

Fig. 2-12 The composition of ultrasonic exciter ··· 18

Fig. 2-13 Converter of the theoretical concepts ··· 19

Fig. 2-14 Classification of pipings ··· 20

Fig. 3-1 DYW-430H Spec ··· 29

Fig. 3-2 The composition of Ultrasonic experiment equipment ··· 30

Fig. 3-3 The composition of Halogen lamp experiment equipment ··· 30

Fig. 3-4 2D design drawings and images of the produced horns ··· 31

Fig. 3-5 Manufactured specimen ··· 32

Fig. 4-1 Image of the ultrasonic thermography test for T type pipe ··· 33

Fig. 4-2 Temperature result graph of the T type duct ultrasonic thermography test ··· 34

Fig. 4-3 Image of the ultrasonic thermography test for curved duct ··· 35

Fig. 4-4 Temperature result graph of the curved duct ultrasonic thermography test ··· 36

Fig. 4-5 Image of the ultrasonic thermography test for flange ··· 37

Fig. 4-6 Temperature result graph of the flange ultrasonic thermography test ··· 38

Fig. 4-7 T type duct test image with the halogen lamp ··· 39

Fig. 4-8 T type duct temperature result graph with the halogen lamp ··· 40

Fig. 4-9 Curved duct test image with the halogen lamp ··· 41

Fig. 4-10 Curved duct temperature result graph with the halogen lamp ··· 42

(10)

Fig. 4-11 Flange test image with the halogen lamp ··· 43 Fig. 4-12 Flange temperature result graph with the halogen lamp ··· 44 Fig. 4-13 image of the ultrasonic thermography and halogen lamp test

comparison ··· 45 Fig. 4-14 ultrasonic thermography and halogen lamp temperature

result graph comparison ··· 47

(11)

LIST OF TABLE

Table 2-1 FLIR T640 Specifications ··· 16 Table 2-2 Root Causes of Piping Failure from OPDE Database(2,400 data) · 27 Table 2-3 Piping Size Effect from OPDE Database(2,400 data) ··· 27 Table 2-4 Piping Failure Events in Domestic NPPs ··· 28

(12)

NOMENCLATURE

 : Spectrum parameter

 : Speed of Sound in a Material of Horn

 : Modules of Elasricaty

 : Model parameter

 : Frequency

: Thermal value of measured whole radiation

 : Thermal Value

 : Density

 : Correspondence parameter

  : Ambient air temperature

 : Atmosphere air temperature

 : Temperature of measurement target

: Exitance of whole radiant energy

 : Absorptivity

 : Emissivity

 : Reflectivity

 : Transmissivity

 : Stefan-Boltzman constant

 : Wavelength

(13)

ABSTRACT

Integrity Evaluation of Carbon Steel Pipe Weld Area Defect Detection That Apply Ultrasound

Infrared Thermography Technique

Jung Na-Ra

Advisor : Prof. Kim jae-yeol, Ph.D.

Dept. of Advanced parts and materials engineering, Graduate School of Chosun University

The piping system accounts for a large part of the machinery structure of the plant, and is considered as a very important mechanical structure for the plant safety. Accordingly, it is used in most energy plants in the nuclear, gas and heavy chemical industry. In particular, the piping system of the nuclear plant is generally configured in a complicated form for generation using the reactor and its cooling. The piping equipment is exposed to diverse loads such as the weight, temperature, pressure and seismic load from pipes and fluids, and is used to transfer steam, oil and gas.

The infrared thermography technique is increasingly used in medical, generation, electric power, aviation and composite material sectors. It will be applied in more areas because it can obtain visual images in real time

(14)

about the defects in a larger area than that of the existing non-destructive test.

In the ultrasonic infrared thermography, which is an active thermographic technology, the 15-100 kHz ultrasonic wave is applied to the subject, and the resulting heat from the defective parts is measured using an thermographic camera. Because this technique can inspect a large area simultaneously and detect the defects such as cracks and delaminations in real time, it is used for detecting the defects in the new and renewable energy, car and aerospace industries, and recently, in the piping defect detection.

In this study, the ultrasonic infrared thermography technique was used to detect the information for the diagnosis of the nuclear equipment and structure. Test specimens were prepared with the piping materials for nuclear plants, and the optimally designed ultrasonic horn and ultrasonic vibration system was used to determine damages on the nuclear plant pipings and detect the defects. In addition, the detected images were used to improve the reliability of the surface and internal defect detection for nuclear piping materials and their field applicability and reliability was verified.

(15)

제 1 장 서 론

제 1 절 연구배경

전력수요의 증대와 지고 온난화 등의 문제를 해결할 수 있는 대체 에너지원으로 서 원전 건설이 점차 증가되고 있으며 중국, 인도 등 아시아지역을 중심으로 정부 주도하에 원전개발체제를 구축하고 있다. 우리나라는 1958년 공표한 원자력법을 기반으로, 에너지의 안정적 수급을 위해 원자력발전을 도입했다. 1978년 4월 고리 원전 1호기가 첫 상업운전을 시작한 이후 원자력발전소를 지속적으로 건설해 왔 고, 2012년 7월 기준 총 23기의 원자로를 가동 중에 있으며, 설비용량은 1,872만 kW로 미국, 프랑스, 일본, 러시아, 독일에 이은 세계 6위의 규모이다. 2009년 기 준으로 국내 원자력발전량은 1,478억kWh로 국내 총 발전량의 34.1%를 차지했으며, 이는 서울시가 약 3.5년간 국내 전 가정이 약 3년간 사용할 수 있는 전력에 해당 할 만큼 큰 비중을 차지하고 있다.

우라늄 1그램이 분열할 때 생기는 에너지는 석유 9드럼, 석탄 약 3톤이 완전 연 소할 때 생기는 에너지와 맞먹는다. 즉, 우라늄은 석탄보다 약 3백만 배의 열을 낸다고 할 수 있다. 원자력발전은 이 열로 만든 증기의 힘으로 터빈을 돌려 전기 를 일으키는 것으로 매우 효율적인 청정에너지라고 할 수 있으나 방사선이 나온다 는 취약점이 있다.(1) 그렇기 때문에 운전 중은 물론 정지 시에도 방사선 및 방사 성폐기물 등은 철저하게 관리되어지고 있으나 체르노빌 원자력 발전소 사고, 스리 마일 섬 원자력 발전 사고, 윈드스케일 원자로 사고, 고이아니아 방사능 물질 누 출 사고 등과 같은 크고 작은 사고들이 발생하였으며, 지금까지도 원전의 안전성 및 신뢰성에 대한 문제 제기는 끊임없이 있었으나 후쿠시마 원전 사고 이후 안전 에 대한 신뢰성 확보가 중요한 문제로 대두되고 있다. 원자력 사고는 다른 어떤 사고보다 초기 대응이 중요하다. 초기대응 방법에 따라 원자력 사고의 규모나 사 태추이가 달라질 수 있기 때문이다. 그러나 이에 앞서 사전에 미리 예측하고 판단 하여 사고를 미연에 예방하는 것이 더 중요하다. 각종 구조물의 소재나 재료는 완 전무결할 수 없기 때문에 그 수명 또한 영구적일 수가 없다. 자체적인 결함이 있 을 수 있을 뿐만 아니라 가공 및 사용 중에도 결함이 발생하여 성장함으로써 재료 의 영향을 주어 결국 구조물의 수명 단축으로 이어진다. 그러므로 구조물이나 대

(16)

상체의 내부 구조에 어느 정도의 결함이 존재하는지 그리고, 그 결함들이 사용함 에 있어 얼마나 유해한가를 알아야 한다. 이러한 판단의 근거를 제시하는 것이 비 파괴 검사 기술이다. 즉 비파괴 검사로 대상물에 존재하는 유해한 결함의 유무를 확인하고 미리 기록하여 수명을 연장시켜 대형사고 및 파손을 방지하여 원전의 신 뢰성을 높일 수 있다.

비파괴검사는 소재 또는 제품을 파괴하지 않고 형상, 성상에서 재료의 균열, 박 리, 압입 등의 표면흠집 또는 개재물질, 내부균열, 공동(Blow Hole)등 내부흠집의 유무 및 존재위치, 크기, 형상, 분포상태 등을 검출하여 기준에 따라 합부를 판정 하는 방법이다.(2)

비파괴 검사 분야로 현재 널리 사용되고 있는 기술 중에 적외선을 이용한 열 영 상 기술은 갈수록 그 활용 범위가 확대되고 있는 추세이다. 절대온도 영도 이상의 모든 물체 자체로부터 발산되는 적외선을 적외선 시스템에 장착되어 있는 검출기 에 의해 적외선량을 감지해서 시스템의 전기신호부에서 전기신호로 변환시켜 영상 화(imaging)하여 컬러 모니터 상에 대상 물체의 온도분포상태를 열영상으로 나타 내는 것이 적외선 열화상(infrared thermography)이다. 적외선 열화상 비파괴 검 사 기술(Infrared Thermography)은 다양한 비파괴검사 중에서 특히 광주사 (broad-scanning), 원거리(remote)센싱으로 대상품을 파괴하지 않고 물리적 성질 과 결함 발생 여부를 정성적으로 검출하는 상태감시(condition monitoring)검사 및 정량적으로 결함을 진단하는 안전평가 기술로 적외선카메라를 이용하여 비접 촉, 비파괴, 원거리 검사가 장점이다.(3) 또한 물리적 성질과 결함발생 여부를 대 상체의 표면으로부터 발산하는 적외선 또는 열을 검출하여 이때의 대상체의 온도 변화 또는 온도분포로부터 대상체의 이상 유무를 재료의 파단이나 파괴 없이 실시 간으로 영상을 제공하고 평가하여 진단하는 평가기술로서 응력해석, 금속재료 부 식결함검사, 피로한계치 분석, 전력설비 열화진단, 복합재 박리 검사뿐만 아니라 고도의 신뢰성과 안전성이 요구되는 반도체, 원자력산업, 방위산업, 항공우주산업 등의 발달과 더불어 그 활용성과 중요성이 점차 증대되어 그 응용범위가 확대되고 있다.

(17)

제 2 절 연구목적 및 방법

배관 계통은 요소부품의 하나로서 산업 플랜트 전반에 걸쳐 다양하게 사용되고 있다. 해양, 조선, 토목, 기계 등의 구조물 혹은 설비에 사용되는 배관이 다양한 역할을 수행하고 있는 것은 잘 알려진 사실이다. 특히 원전의 배관계통은 원자로 를 이용한 발전 및 이의 냉각을 위하여 복잡하게 구성되어지는 것이 일반적이다.

이러한 배관계통은 직관, 곡관, T분류관, 밸브 등의 구성요소를 갖고 있으며, 일 반적으로는 직관과 곡관의 연속적 접합에 의해 유체를 수송할 수 있는 형태로 구 성되어 진다. 운용기간 동안 배관 및 유체의 자중, 온도, 압력, 지진하중 등 다양 한 하중을 받으며 증기, 오일, 가스 등을 이동시키기 위한 용도로 활용되며, 발전 소 전체 설비요소 중 40%를 차지하고 있을 정도로 그 중요도가 크므로, 원전배관 의 파괴는 발전소의 가동 중지, 원자로 냉각불능에 따른 폭발, 방사능 유출 등의 심각한 문제를 발생시킬 수도 있다. 이에 배관은 원전 설비 중 중요한 구성요소로 분류되며, 신뢰성을 확보하여 사용하도록 하고 있다.(4)

원전 배관 재질은 주로 탄소강과 스테인리스강이나, 두 재질이 접합되는 부분에 서는 인코넬이 사용되고 있다. 원전 배관에 작용되는 하중의 경우, 고온 고압의 운전 조건 이외에도 열하중, 피로하중, 지진하중, 진동, 수격하중 등이 있으며, 나타나는 열화기구도 매우 다양하여 기계적 피로, 진동, 열피로, 열취화, 응력부 식균열(SCC), 유동가속부식(FAC), 일반 부식, 마모 등이 원전 배관 손상을 유발한 다. 원전 배관은 총연장이 약 100Km로서 많은 용접부와 관통부, 연결부 등 구조적 취약성을 가지고 있다. 특히 원전 안전 등급 배관의 경우, 약 3000 ~ 5000개소의 용접부가 있어 원전 배관에서 가장 취약한 부분이다. 원전 배관 용접부도 다양한 특징을 가지고 있다. 용접부의 일반적인 특징으로 먼저 배관 용접부에는 열영향부 (HAZ), 모재부, 용접부, 이종금속 용접부 등 복잡한 재료거동을 보이며, 특히 결 함 발생 가능성이 매우 높아 파괴관점의 취약성을 가지고 있다.(5)

용접부의 비파괴검사기법으로는 X-ray, 초음파, 침투탐상, 자분탐상 등이 적용 되어 왔으나 이러한 검사기법들은 진단과정에서 실험체나 탐상을 실시하는 사람에 게 해를 끼칠 수 있으며, 시간이 오래 걸리거나 환경오염물질을 배출하기도 한다.

또한 배관의 건전성을 진단하기 위한 현재의 비파괴 기법들은 좁은 측적 영역을 가지고 있으며 검사시간이 오래 걸린다. 또한 배관의 피복을 벗겨 내야 하는 등

(18)

측정을 위한 시간과 인력이 많이 드는 문제점을 가지고 있다. 이는 결국 검사 비 용의 증가로 이어질 뿐만 아니라 관리영역의 한계로 인한 안전성 확보가 어려워진 다. 즉 경제적이면서 넓은 검사영역에서 운전 중 검사가 가능한 비접촉, 원거리, 비파괴 검사기법의 도입이 필요하다.

초음파 서모그래피 (ultrasound thermography) 기술은 시편에 20 ~ 30 kHz 대역 의 초음파를 입사하면 결함부에서 발열이 되고, 그 열원을 적외선 열화상 카메라 로 측정함으로써 결함을 검출하는 기술이다. 이 기술은 넓은 면적을 동시에 검사 할 수 있고, 크랙 또는 박리와 같은 결함을 실시간으로 검출 할 수 있어 신재생에 너지 산업, 자동차 산업, 우주항공 산업에서 차세대 비파괴 검사기술로 주목 받고 있다. 초음파 가진에 의한 발열 메커니즘은 정확히 규명되지 않았으나, 열-기계 연성효과(thermo-mechanical coupling effect)와 결함 계면사이의 마찰효과 (surface friction or internal friction)가 주요한 원인인 것으로 추정되고 있 다. 이러한 열을 적외선 열화상 카메라로 측정하면 물체 내 또는 표면에 존재하는 결함을 신속하게 검출할 수 있다. 20kHz 대역 주파수의 초음파는 수십㎝의 파장 성분을 갖는다. 또한 파장 길이보다 훨씬 먼 거리를 진행할 경우에도 초음파는 충 분한 진폭 에너지를 가지면서 전파된다. 재료에 손실이 없을 경우 초음파는 감쇠 없이 수파장 이상의 거리를 전파할 수 있다. 일반적으로 고체에서 음파의 속도는 수 ㎞/s 이다. 초음파 여기 펄스가 인가되는 순간에 1㎡ 이내의 크기를 갖는 구조 물의 전 검사 영역을 음장(Sound Field)이 완전히 투과한다. 수 kHz 대의 영상 획 득시간을 갖는 초고속 적외선 열화상 카메라를 이용할 경우 수십㎲ 이내에 결함을 검출할 수 있다. 따라서 결함부위에서의 발열을 효과적으로 여기하기 위해 가청 주파수의 경계에 위치하는 15kHz ~ 40kHz 대역의 여기 주파수를 사용하며 일반적 으로 20kHz 대역이 널리 사용된다.(12~17)

본 논문에서는 이러한 초음파 서모그래피 기법을 이용하여 원전 배관에서 사용 되는 탄소강관을 대상으로 시험편을 제작하고 최적 설계된 초음파 혼과 초음파 가 진 시스템을 이용하여 탄소강관 용접부의 손상여부를 검출하고자 한다. 또한, 탄 소강관의 표면결함 및 내부결함의 판별정도의 신뢰성 향상을 위한 검출 이미지의 열 흐름 분석과 화상처리 초음파 서모그래피 검출기법을 비교 분석하여 현장 적용 성 및 신뢰성을 검증하고자 한다.

(19)

제 2 장 열화상 시스템 및 배관

제 1 절 적외선 열화상 측정이론

1. 열측정 이론

적외선 열화상(Infrared Thermography)은 열복사로 피사체에서 방사되는 적외선 영역을 열화상 카메라를 통하여 가시적인 화상을 만들어 주는 기술이다. 적외선은 가시광선보다 파장이 긴 전자기적 복사의 한 형태이며, 기타 전자기적 복사 파로 는 X-레이, 자외선, 라디오파 등이 있다. 전자기적 복사는 주파수 혹은 파장에 의 해 범위가 정해진다. 전자기 스펙트럼은 대역(band)이라고 부르는 많은 파장의 영 역으로 나눌 수 있다. 적외선 열화상 카메라는 Fig. 2-1 ,Fig. 2-2에 나타낸 바 와 같이 2㎛ ~ 13㎛ 대역을 사용한다. 여기서 단파(SW:Short wave) 영역은 2㎛ ~ 5㎛의 대역에서 복사가 검출될 수 있는 범위를 말하며, 장파(LW:Long wave) 영역 은 8㎛ ~ 12㎛의 대역의 복사가 검출될 수 있다. 그리고 중간에 5㎛ ~ 8㎛의 대역 에서는 대기에서의 낮은 투과율에 의해 전달률이 0%를 나타내고 있으므로 적외선 검출이 불가능하다. 또한 SW 영역에서는 고온의 적외선 검출이 용이하고 LW 영역 에서는 저온의 적외선 검출이 용이하다.(22)

Fig. 2-1 The electromagnetic spectrum Fig. 2-2 Atmospheric transmission in different wavelength bands

(20)

2. 적외선 열화상 측정 원리

본 논문에 사용된 적외선 카메라는 FLIR T640이며 빛이 물체에 방사되어 나오는 각종 파장 중에서 적외선 부분만을 검출해 내어 온도분포를 측정한다. 복사 에너 지는 Fig. 2-3, Fig. 2-4에서 나타난 것과 같이 Incident 복사와 Exitan 복사로 세분화 할 수 있다.

Fig. 2-3 Incident radiation Fig. 2-4 Exitan radiation

Incident 복사란 물체의 주위 사물로부터 물체에 부딪히는 모든 복사에너지를 말 하는 것으로 흡수율() + 반사율() + 투과율() = 1로 나타낼 수 있으며 Exitan 복사는 원래의 열원에 상관없이 물체의 표면을 떠나는 모든 복사 에너지를 말하며 방출률() + 반사율( ) + 투과율() = 1로 나타낼 수 있다. 즉, =

이므로 물체가 Incident 복사에너지를 흡수하는 용량 또는 능력은 그 물체 자신이 복사에너지를 방출하는 용량과 언제나 같음을 알 수 있다.(23)

그리고 어떤 파장이라도 그것에 부딪히는 모든 복사선을 흡수하는 물체를 흑체 라고 정의하는데, 이는 모든 빛을 똑같이 방출시킬 수 있다는 것이며 이 온도 검 출은 흑체(Blackbody)에 가까운 대상체를 제작하여 이 시편을 기준으로 하여 보정 된 값으로 나타낸다. 여기서 중요하게 작용하는 요인은 각각의 물체와 온도, 거리 에 따라 달라지는 방사율인데 이 방사율값의 차이에 따라서 온도를 측정하는 것이 다.

(21)

흑체에 대해,

W= T4 W/m2 (2-1)

식 (2-1)에서, 는 스테판 볼츠만(stephan-Boltzmann)상수 (5.67☓10-8W/m2K2) 이다.

방사율(Emissivity)이란 복사열이 완전히 흡수되는 흑체의 복사강도를 기술한 플랑크(Planck)법칙에 의해 물체로부터 방출되는 전체 에너지는 스테판 볼츠만 법 칙으로 다음과 같다.

Stephan - Boltzmann Law : E = ∙∙T4 (2-2) 같은 온도 같은 파장에서 Black body에 의해 방출되는 복사에너지 에 대한 Real body에 의해 방출되는 복사에너지의 비율로서 식으로 나타내면 다음과 같다.

 = 



,  = 

=  (2-3)

또한 적외선 열화상 카메라는 외부의 광원에서부터 대상 물체에 반사 되어진 적 외선 파장을 검출하여 Stefan-Boltzmann Law에 의한 온도와 파장의 관계식을 이용 하여 적외선 detector로부터 검출된 적외선 파장을 온도의 함수로 나타내어 온도 의 고저를 화상으로 보여주는 것이다.

Fig. 2-5 Radiation contributions to the general measurement situation

대기와 물체 방사율에 영향을 미치는 보정은 열상에 존재하는 부수적인 방사에 너지와 대기에 의해 감쇄된 피사체의 방사에너지뿐만 아니라 주위로부터의 방사에 너지, 즉 대기 자체에서 방사된 방사에너지와 대기에 의한 감쇄와 물체에서 반사

(22)

되어진 방사에너지로 존재한다. 피사체 방사에너지 강도는 존재하지 않는 완전한 흑체 방사율의 함수와 같다. 이에 상응하는 측정공식은 시스템 컨트롤러에 포함된 ERIKA 소프트웨어 안에 주어진다. 열 측정 공식은 식 2-1에서와 같이 표현된다.

여기에서 첫 번째 항은 피사체의 방사, 두 번째 항은 주위에서 반사된 방사, 세 번째 항은 대기에서의 방사를 나타내고 있다.

 ×  ×      ×     × (2-4) 이 측정 공식은 FLIR T640에 의해 자동적으로 계산되며 오퍼레이터가 피사체에 대해 입력해야하는 매개변수는 대상체의 방사율, 피사체거리, 상대 습도, 대기 온 도, 반사된 주위 온도 등이다.

식 2-4에서 는 온도 T일 때 흑체로부터 방사량에 비례하는 신호 값으로서 물체, 대기, 주변에 관한 함수이다. 식 2-4은 불투명 물체, Lambertian 표면, 일 정 분광 방사율(grey body)이라는 가정을 갖는다.

스캐너로부터 반사된 방사에너지의 교정, 다시 말해 스캐너와 그 고유 광학계로 부터 반사되어진 스캐너 온도에 의한 방사에너지 교정은 FLIR T640에서 자동적으 로 실행된다. 이것은 두 흑체 온도를 기준으로 4개의 온도센서 스캐너를 사용하는 마이크로프로세서로 컨트롤된 시스템에 의해 실행된다. 이러한 교정기능은 블랙바 디온도와 스캐너의 신호 출력간의 비선형 관계를 표현해 주는 것이며 각 렌즈와 각 필터, 영역 조합은 그 자신이 교정 기능을 가지고 있다. 이 기능에 대한 상수 는 스캐너에 저장되어 있고 시스템은 자동으로 사용된 조합에 대하여 적당한 상수 를 선택한다. 또한 플랭크법칙과 스캐너 및 필터의 분광 응답을 이용하여 계산하 지만 더 많은 정확한 결과는 측정에 의해서 얻을 수 있다. 이는 많은 블랙바디 소 스가 스캐너로 측정되었을 때 측정 중에 이루어 질 수 있는 것이다.

교정기능은 일부 플랭크법칙과 일부 경험적인 것에 의존한다.

  exp



(2-5)

식 2-5에서 는 온도 값이고 은 대응인자, 는 분광인자, 는 모형인자며,  는 물체의 온도이며 스캐너의 출력 신호는 입사된 방사에너지와 비례한다는 가정 을 갖는다.

(23)

검출기의 응답은 비선형이기 때문에 네 번째 측정 상승의 보정 기능이 FLIR T640에 덧붙어 작은 비선형 에러를 보정하여 준다.

 

  

×

(2-6)

식 2-6에서 는 스캐너 안에 A/D 변환기로부터의 비디오 신호이며 은 비선형 상수, 는 Object signal이다. 또한 Object signal은 측정 표시 단위이고 이 신호 는 비선형적인 교정을 거친 후 표시된다. 이 신호는 광 방사에너지와 비례한다.

피사체 매개변수들의 선정은 특정한 측정 상황을 설명한다. 그리고 대상물 온도에 서 방사에너지 값의 전환에 앞서 피사체의 교정을 위해 요구한 매개변수들 즉 방 사율과 대기에 의한 영향을 소프트에서 포함하고 있다. 피사체 매개변수들은 방사 계수, 대기온도, 주위 온도, 피사체거리, 상대 습도, 반사된 주위 온도 영향을 포 함하고 있다.

방사율의 경우 실제 피사체는 거의 “블랙"이 아니기 때문에 방사요인은 측정 식으로 나타난 적외선 온도 측정으로 고려하여야 한다. 피사체 방사는 측정 될 수 도 있고 표에서 찾을 수 있다. 보통 피사체 재질과 표면은 약 0.1~0.95 범위에서 방사율을 갖는다. 광택이 많이 나는(거울) 표면은 0.1이하로 떨어지고 산화 혹은 페인트 표면은 방사가 아주 크게 증가한다. 사람 피부 방사율은 1에 가깝게 표시 된다. 반사된 주위온도에서 불투명한 피사체의 반사요인은     로서 얻을 수 있다. 따라서 낮은 방사 요인은 피사체로부터의 방사율이 같은 온도의 흑체의 그 것보다 낮을 뿐만 아니라, 주위로부터 바람직하지 않은 복사가 피사체에서 반사되 어 스캐너로 들어오게 됨을 의미한다. 측정 식은 이 복사를 보정하며, 이 보정은 반사된 주위온도(피사체 주위 온도의 평균 값)에 근거한 것이다. 대부분 대기온 도, 반사 주위 온도 값은 같은 것이라 생각한다. 대기온도는 피사체와 스캐너 사 이의 대기의 온도를 말한다. 그 경로의 온도가 과도하게 변화한 경우, 그 때의 평 균값이 사용된다.

계산된 투과율은 스펙트럼 대역에서 대기흡수 적외선 복사의 구성을 사용하고 있다. 가장 중요한 가스들은 물(기체)과 이산화탄소이다. 이 흡수는 피사체에서의 측정은 적외선 복사를 엷게 할 것이다. 이 대기 희박 효과는 측정 공식에 의해 보 상된다. 측정 공식은 피사체와 스펙트럼 안의 복사에 의한 앞 렌즈사이의 대기 투

(24)

과율을 의미하는 상수 를 사용한다. 이 는 피사체 거리, 대기 온도, 상대습도의 기능으로써 가 계산된 소프트웨어로 계산 할 수 있고, 값이 측정에 의해 또는 Lowtran과 같은 고기능 대기용 모델로부터 알려 질 수 있다면 직접 입력에 의해 계산될 수도 있다. 만약 오퍼레이터가 값을 입력한다면 추정된 는 소프트웨어에 의해 계산된 값을 무시 할 것이다. 효과적인 대기 투과율을 계산하기 위해서 소프 트웨어가 사용한 식은 2-7과 같이 경험적이다.

 × exp

  

    × exp

  

 (2-7)

식 2-7에서 는 효과적인 대기 투과율이고, 는 무게 요인, 와 는 감쇠 계 수, 과 는 수증기와 관련된 감쇠 계수, 는 물체와 스캐너 렌즈 앞쪽 사이의 거리, 는 equivalent water content(소프트웨어로부터 계산된 상대습도와 대기 온도의 함수)이다. 대기 상수    는 수증기 함수와 피사체 거리 사이에 계산된 것으로 알고리즘에 알맞게 계산되며 Lowtran 대기 모델에서 모든 스펙트럼 은 FLIR T640 스캐너와 전형적인 대기 안에 표준 필터에 의해 값을 이끌어내 사 용된다. 이 모든 대기 상수는 새 필터를 선택했을 때 자동적으로 적재된 것과 스 캐너 안에 포함된다.

추정 투과율에서 가끔 측정 조건은 트릭이 있을 수 있고, 대기를 통한 전송 계 산에 있어서 정상적인 연산 방식이 적용되지 않을 수 있다. 그와 같은 경우 그것 은 종렬 추종 투과율로 값을 세팅하므로 자동적으로 계산된 대기 전송을 무시 할 수가 있다. 즉 이는 측정통로에서 사파이어 윈도우가 있을 경우인 것이다. 이러한 윈도우는 0.87의 투과율을 갖고 있고, 이는 계산된 투과율을 곱해야 한다. 추정 투과율 값은 보통 전혀 값을 갖지 않으나 0은 사용되지 않는다.

상대습도는 피사체와 스캐너 사이의 대기의 상대 습도이다. 이 매개변수는 유효 대기 투과율의 계산에 사용된다.

′  

   

   

 (2-8)

 

 

(2-9)

(25)

식 2-8에서 는 물체 방사를 위한 디지털 값이고, ′ 는 스캐너로부터 받아들인 총 방사량(디지털 값에서), 는 보정 매개변수, 는 물체의 온도,는 물체 의 방사율, 는 물체의 투과율, 은 (a)에 의하여 변환된 주변의 온도, 은 식 2-9에 의하여 변환된 대기의 온도이며, 투과율 는 계산된 투과율 공식에 의해 계산된다. 공식에서  인자는 다음 식에 의해 계산된다.

W= RelHum×precipitable water content (2-10)

Water content는 다음 식에서 표현할 수 있다.

PrecWater = exp   ×  ×  × (2-11)

= RelHum×exp   ×  ×  × (2-12)

식 2-11과 식 2-12에서 = 1.5587, = 6.939E-2, = -2.7816E-4, =

6.8455E-7의 값을 갖는다.(6)

적외선 열화상 테크닉은 기본적인 Pulse 적외선 열화상테크닉과 Lock-in 적외선 열화상 테크닉, Pulse-phase 적외선 열화상 테크닉이 있다.

Pulse 적외선 열화상 테크닉은 적외선 열화상 테크닉에 있어서 가장 보편적인 열자극 방법 중 하나로 짧은 열자극 펄스에 의한 시험의 신속성 때문이며 짧은 순 간의 열 자극은 사용이 편리한 heating sources를 이용하여 평판에 직접 주사하는 방법을 취한다. 더욱이 신속한 열 자극은 재료의 손상을 방지한다.

기본적으로 Pulse 테크닉은 시편에 순간의 열 자극을 주고, 이때의 온도 변화를 기록하는 것이다. 이러한 현상의 금속에서의 온도 변화는 금속 내부에서 전파의 산란으로 인하여 매우 빨리 변화한다. 이에 시편의 결함 검출에 있어서 깊이에 따 라 표면 온도를 관찰하였을 때 주위의 온도가 달리 나올 것이다. 깊은 결함일수록 명암의 대비가 확실하여 검출하기 편리하다.

(26)

Fig. 2-6 Infrared thermography (Pulse technique)

Fig. 2-6은 Pulse Technique 기법이며, Fig. 2-7은 Lock-in Technique기법이다.

Lock-in 적외선 테크닉은 모듈레이터 램프의 레이저 공학에서 기초되었다. 측정 대상체에 저주파의 thermal wave를 동시에 주사하여 IR 장비로 측정을 하는 원리 이다. 또한 IR 장비 검출기로 주사된 물체에 대해서 수많은 점 중에서 단지 1개의 점에 대해서만 모니터링이 가능하다.(18)(19)

Fig. 2-7 Infrared thermography (Lock-in Technique)

(27)

3. 초음파 서모그래피

균열 또는 접합면의 결함 등이 존재하는 물체에 초음파를 입사시키면 균열, 결 함부위의 표면에서 국부적인 열이 발생 된다. 이는 고에너지 초음파 여기 탄성파 가 물체의 균열, 박리 등의 결함 부위를 통과할 때 서로 맞닿은 결함 면이 균일하 게 진동하지 않고 결함 면 사이의 마찰(friction), 문지름(rubbing) 또는 부딪침 (clapping) 현상 에 의해 탄성파의 일부가 열로 변환되기 때문이다. 이러한 열을 적외선 열화상 카메라로 관측하면 물체 내에 고에너지 초음파 펄스를 인가하여 결 함 부위에서 국부적으로 발생되는 열을 적외선 열화상 카메라로 관측하여 결함을 검출하는 것을 초음파 열화상 검사기법으로 정의한다. 초음파 여기 탄성파가 구조 물에 전달될 때 결함 부위에서만 선택적으로 발열현상이 나타난다. 이를 적외선 열화상 카메라로 관측하면 구조물의 건전 부위는 휘도가 낮은 검은 배경으로 보이 게 되고, 균열 등의 결함 등의 결함 부위는 휘도가 높은 밝은 영역으로 보이게 된 다. 이러한 휘도(gray level)가 높은 밝은 지점을 핫 스폿(hot spot)으로 부르고 있다. 결함이 있는 구조물의 적외선 열화상 이미지에서는 전체적으로 어두운 배경 에서 결함 위치만 밝은 영역으로 뚜렷이 대비되므로 용이하게 핫 스폿을 관측할 수 있으며 이를 처리하여 구조물의 결함 위치를 신속 정확하게 검출할 수 있다.

초음파 서모그래피를 이용한 비파괴 검사는 주로 항공기, 자동차 등의 복합재료의 결함 검출에 사용되고 있다. Fig. 2-8는 초음파 서모그래피의 결함 검출 원리를 나타내고 있다.(7)(9)

(28)

Fig. 2-8 Diagram of Heating System using Ultrasonic Excitation

초음파가 물체의 결함 부위를 통과 할 때 서로 맞닿은 두 결함 면은 균일하게 진동하지 않는다. 결함 면 사이의 마찰이 탄성파의 일부를 열로 변환시킨다. 이러 한 발열현상을 적외선 열화상 카메라로 관측하면 구조물의 균열과 같은 결함을 효 율적으로 검출 할 수 있다. 고에너지 초음파 펄스 (폭: 50 ~ 300ms, 주파수: 20 ~ 40kHz, 진폭: 2kV)를 검사시편에 인가하여 결함 부위에서 국부적인 열이 발생되도 록 한다. 적외선 열화상 카메라를 이용하여 초음파 펄스 인가 전후의 시간 경과에 따른 결함 부위의 발열 현상을 관측한다. 20kHz 대역 주파수의 초음파는 수십 cm 의 파장 성분을 갖는다. 또한 파장 길이보다 훨씬 먼 거리를 진행 할 경우에도 초 음파는 충분한 진폭 에너지를 가지면서 전파된다. 재료의 손실이 없을 겨우 초음 파는 감쇠 없이 수파장 이상의 거리를 전파 할 수 있다. 일반적으로 고체에서 음 파의 속도는 수 km/s이다. 초음파 여기 펄스가 인가되는 순간에 1m2 이내의 크기 를 갖는 구조물의 전 검사 영역을 음장(sound field)이 완전히 투과한다. 수 kHz 대의 영상 획득시간을 갖는 초고속 적외선 열화상 카메라를 이용할 경우 수십 ㎲ 이내에 결함을 검출할 수 있다. 따라서 구조물의 결함 부위에서의 발열을 효과적 으로 여기하기 위해 가청 주파수의 경계에 위치하는 15kHz ~ 40kHz 대역의 여기 주파수를 사용하며 일반적으로 20kHz 대역이 널리 사용된다.(8~10)

(29)

제 2 절 초음파 열화상 시스템 구성

1. 적외선 열화상 시스템

본 연구에서는 사용한 적외선열화상카메라 FLIR T640은 포터블형태로 이동성이 좋으며, 고해상도, 대형 터치스크린, 높은 온도분해능, 회전식 렌즈, 뷰파인더, Wi-Fi 및 블루투스(Bluetooth), USB등 연결 지원이 가능하다. 최고(640×480) 픽 셀의 IR해상도를 가지고 있으며, 측정온도 범위는 –40℃ ~ 2,000℃, 민감도는 3 0℃에서 0.035℃이다. 1~8× 연속 디지털 줌, 연속 자동초점 및 수동 초점, 5메가 픽셀의 실화상 카메라를 내장하여 열화상/실화상 이미지를 동시 저장이 가능하여 실화상 내 열화상 삽입(PIP) 및 합성이 가능하며, USB를 PC에 연결하여 촬영 영상 의 녹화 및 스트리밍 가능하다. 기본적으로 Li-Ion 배터리 2개를 이용하여 외부전 원의 연결 없이 일정시간 사용이 가능하며, 블루투스(Bluetooth)를 이용해 타 측 정 장치와 연계가 가능해 측정의 정확도와 신뢰성을 향상시킬 수 있다. Fig. 2-9 은 적외선열화상카메라 FLIR T640의 이미지를 보여주고 있으며, Table 2-1은 FLIR T640의 성능을 표로 나타내었다.

Fig. 2-9 FLIR T640 image

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Table 2-1 FLIR T640 Specifications

Common Features

IR resolution 640×480pixel

Temperature range -40℃ ~ 150℃, 100℃ ~ 650℃, 300℃ ~ 2,000℃

Thermal sensitivity/NETD 40mK @+30℃

Zoom 1–8× continuous, digital zoom, including panning Focus Automatic (one shot) or manual

Data communication

interfaces USB-mini, USB-A, Bluetooth, Wi-Fi Size (L × W × H) 143×195×95㎜

Weight 1.3㎏

가. 스캐너

스캐너 기기는 적외선을 디지털신호로 전환 할 수 있고 이는 시스템 컨트롤러로 써 해석 할 수 있다. 또한 칼라 혹은 그래이스케일로 물체의 상을 보여주는데 사 용되고 있다. 스캐너에서 적외선 복사는 12비트 디지털신호로 변환된다. 이는 중 간 케이블 또는 광섬유 접속 부위를 지나 Process unit로 들어간다. 스캐너는 광 스캐닝 모듈 LK4, 검색 모듈 합병 신호 변조기, 신호-수치 변환기, 마이크로프로 세서 보드 및 서보 모터 제어 보드로 구성된다. 주사는 부교착이고 2개의 다른 프 레임 레이트에서 발생된다. Fig. 2-10은 스캐너의 파츠별 구성을 나타내고 있다.

Fig. 2-10 Exploded view of the scanner optical path

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스캐너는 복사선을 광학 스캐닝 모듈에 있는 첫 번째 스캐닝밀러에 초점을 맞추 고 이 거울은 DC모터토크에 의해 수평면으로 진동한다. 진동밀러의 빔은 3개의 고 정 밀러에 의해 회전다각형밀러의 꼭짓점으로 도달한다. 진동밀러와 회전다각형밀 러는 서보 모터 제어 보드로부터 제어된다. 회전다각형밀러로부터 관련된 빔은 다 각형의 반대 면에 2개의 멀리 고정된 밀러에 의해 초점이 맞추어져 있다. 필터, 휠, 최종으로 검출기의 초점이 맞추어지고 선택할 수 있는 구경을 포함하여 교체 시각을 설치함으로 통과한다. 검출기 출력은 전치증폭기를 통하여 통과되고 아날 로그에서 디지털 컨버터로 제어 회로를 얻을 수 있다. 12비트 신호 통과로부터 프 로세서 보드까지 시스템 제어기에 전송을 위한 병렬에서 직렬형태로 바뀐다. 2개 의 온도를 보상하기 위해 스캐너는 3개의 분리된 온도센서와 스캐너에 의해 복사 방출을 보상하기 위한 2개의 기준이 있다.

Fig. 2-11에서는 스캐너의 신호 처리와 제어 경로를 나타내었다.(6)

Fig. 2-11 Schematic diagram of scanner

(32)

2. 초음파 가진기 원리 및 구성

(24)

초음파 가진기는 초음파 융접기에 근거하며 초음파 발진기(Generater), 초음파 진동자(Transducer), 부스터(Booster) 및 혼(Horn)으로 구성된다. 발진기는 50 ~ 60Hz의 전기적 에너지를 고출력의 고주파수(15 ~ 40Khz)로 변환하여 진동자에 공 급하는 장치이다. 진동부에는 진동자와 부스터가 있으며 진동자는 발진기에서 공 급되는 고주파수의 전기적 에너지를 수직운동의 기계적 에너지로 변환하여 주는 일종의 변환장치이다. 부스터는 용착시 혼에 요구되는 진폭을 얻기 위해 혼과 진 동자 사이에 장착하는 고정혼을 지칭하는 장비이다. 혼은 진동자에서 발생한 기계 적 진동에너지와 가압력을 대상물에 가해주는 역할을 한다.

초음파 진동자의 재료는 주로 피에조(Piezo) 재료를 이용하며, 초음파를 발생시 키는 음원에 따라서 자왜형, 압전·전왜형 및 전자형 진동자 등이 있으며, 현재 압전·전왜형 볼트체결형 란쥬반 진동자(Bolt-clamped langevin Transducer : BLT)를 가장 많이 사용하고 있다. Fig. 2-12는 초음파 가진 장치의 구성을 나타내 고 있다.

Fig. 2-12 The composition of ultrasonic exciter

(33)

공진주파수에 따라서 28kHz, 40kHz, 50kHz, 60kHz 등으로 구분되며 일반적으로 플라스틱의 용접에서는 20 ~ 40kHz, 금속의 고상용접에는 20 ~ 60kHz, 반도체 공 정에서 사용되는 와이어 본딩(Wire bonding)에는 60 ~ 100kHz의 주파수 범위를 사 용하고 있다. 이러한 주파수의 범위는 절대적인 것이 아니며 필요에 따라 적합한 영역을 선택하여 사용한다.

부스터와 혼의 경우에 사용자가 결정할 수 있는 사양은 부스터와 혼의 증폭비 형상이다. 그러나 많은 경우에 부스터는 제조업체에서 초음파 진동자와 함께 제공 하며 부스터의 증폭비 값이 일정 범위 내에서 표준사양이 결정되어 있는 관계로 사용자는 혼을 적절하게 설계하여야 한다. 식 3-13는 혼의 이론적 개념을 나타내 었으며 Fig. 2-13는 커넥터의 이론적 개념을 나타내고 있다.

공정 증폭비 = 혼의 진폭 / 초음파 진동자의 진폭 혼의 증폭비 = 공정 증폭비 / 부스터의 증폭비



 

 , 

 (3-13)

Fig. 2-13 Converter of the theoretical concepts

(34)

제 3 절 배관

파이프는 주로 유체(기체․액체)나 분체의 수송에 사용된다. 또, 땅속이나 옥내의 배선을 할 때, 전선 케이블의 보호용으로도 사용되고 있다. 파이프에 의해 구성되 는 유체의 통로등을 관로라 하고, 유체의 유량, 물성값, 마찰저항 등을 생각해서 합리적으로 관로를 설치하는 것을 배관이라 한다.

1. 배관의 분류 및 종류

metallic

conduit Cast-iron pipe

Hard vinyl

chloride pipe Steel pipe Plastic

conduit Soft vinyl

chloride pipe

Copper pipe Rubber hose

conduit

Polyethylene pipe

Copper alloys Wooden pipe

pipe

Polybutylene pipe

Lead pipe Glass pipe

Asbestos cement pipe

Aluminium pipes Concrete

Pipe pipe

Centrifugal

concrete pipe Tin pipe

Stainless pipes Straight pipe

Corrugated pipe Specials

tube

Bourdon Tube

Fig. 2-14 Classification of pipings

(35)

Fig. 2-14는 배관의 분류를 그림으로 표현한 것이며, 배관재료에는 주철관, 강 관, 아연도금강관, 비닐관, 구리관 등이 사용된다. 주철관은 관 지금이 75mm 이상 의 것으로, 급수․배수․가스 배관에, 강관은 부식의 우려가 적은 냉난방 배관에, 아 연도금 강관은 일반 배관에 사용되는 경우가 많다.

가. 주철관

주철관은 상수도용 송배수관으로서는 다른 어느 재료의 관보다 적합하나, 최근 배수량이나 엄청난 팽창과 장거리 송수, 고지대, 고층건물의 송수 등으로 배수관 이 보다 가혹한 조건하에서 유지되어야하므로 기존의 보통 주철관으로서는 기술상 으로나, 경제적인 제반여건을 충족하기에는 한계에 도달하게 되었다. 다행히 보통 주철 즉, 회주철에 비하여 송배수관으로서의 제반성능이 훨씬 우수한 닥타일 주철 관이 생산됨으로 인하여 이와 같은 문제점들을 해결할 수 있게 되었으며, 금수관, 배기관, 오수관, 가스공급관 등에 사용되고 있다.

나. 강관(steel pipes)

강관은 제조법별로 단접강관, 전봉강관, 스파이럴 강관, UO강관, 판권강관 그리 고 이음매 없는 관 등으로 나눌 수 있다. 가장 많은 장소에 가장 많이 사용되어지 고 있으며, 용도별로는 배관용(증기, 물, 가스, 공기, 오일), 열전달용, 구조용으 로 나눌 수 있고 건축, 토목, 플랜트, 자동차, 기계 등의 분야에서 널리 사용되고 있다. 건축 설비 배관 에서는 공조․위생설비용을 주체로 각종 강관이 사용되고 있 다.

(1) 배관용 강관

배관용 탄소강 강관(Carbon steel pipes for Ordinary Piping)은 비교적 사용압 력이 낮은 증기, 물, 기름, 가스 및 공기 등의 배관에 사용되며, 내식성을 주기 위해 용융 아연도금을 하는데, 이를 백관이라 하며, 흑관과 구분하고 있다.

배관용 아크 용접 탄소강 강관(Electric Arc Welded Carbon Steel Pipes)은 비 교적 사용압력이 낮은 증기, 물, 기름, 가스 및 공기 등의 수송용으로, 10㎏/㎠이 하의 도시가스나 15㎏/㎠이하의 수도용 배관으로 사용되고 있다.

(36)

압력 배관용 탄소강관(Carbon Steel Pipes for Pressure Services)은 사용온도 350℃ 이하의 일반 압력배관에 사용되는 탄소강으로, 사용압력이 10~100㎏/㎠ 범 위의 보일러, 증기관, 급수관, 흡출관 및 유압관 등에 사용된다.

고압 배관용 탄소강 강관(Carbon Steel Pipes for High Pressure Services)은 사용온도 350℃ 이하에서 사용압력이 100㎏/㎠ 이상의 매우 높은 압력을 갖는 암 모니아 합성 배관용, 내연기관의 연로 분사관, 화학공업에서의 고압배관에 응용된 다.

고온 배관용 탄소강 강관(Carbon Steel Pipes for High Temperature Services) 은 과열 증기관과 같이 사용온도가 350℃를 넘는 고온배관에 사용되며, SPHT38(2 종), SPHT42(3종) 및 SPHT49(4종)의 3가지 종류가 있으며, 열간가공된 제품은 제 조한 그대로, 냉간가공된 제품은 저온풀림(annealing) 처리를 실시하도록 규정되 어 있다.

배관용 합금강관(Alloy Steel Pipes)은 높은 온도에서 높은 강도와 내산화성 및 내식성이 요구되는 배관에 적합한 강관으로, 특히 6,7종은 고온강도는 4,5종에 비 하여 뒤지나 Cr 함유량이 많아서 S를 함유하고 있는 석유에 대해 고온에서 내식성 과 내상화성이 크므로, 석유정제 공정의 배관에 널리 이용된다. 또한 탄소강 강관 에 비해 모두 고온강도가 크므로, 고압 보일러의 증기관에서도 사용된다. 1종은 Mo강, 2~7종은 Cr-Mo 강으로 7종류를 KS에서 규정학고 있으며, 이음매 없이 제조 된다.

배관용 스테인리스 강관(Stainless Pipes)은 고온용으로 사용될 뿐만 아니라 특 히, 내식성이 요구되는 화학공장, 실험실, 연구실 및 폐수시설 증에 널리 이용되 고 있다. 이 상관에 해당되는 종류 중 STS329 J1TP를 제외하고는 극히 저온(-10 0℃이하) 배관에도 사용되며 관은 이음매 없이 제조하던가 대강(strip) 또는 강판 을 자동 아크 용접이나 전기 저항용접으로 제조하여 고용화 열처리를 하도록 하고 있다.

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히 낮은 온도에서 사용하는 강관이다. 일반적으로 탄소강이나 저합금강은 저온에 서 취하하는 성질이 있으므로 저온에서도 강의 인성이 유지되는 강관을 사용할 필 요가 있다. 최근 석유화학공업 등의 각종 화학공업, 기타 LPG 탱크 등에는 저온 배관용 강관이 많이 사용되고 있다. 저온 배관용 강관에는 SPLT39(1종), SPLT46(2 종) 및 SPLT70(3종)이 있으며, 1종은 0~25% C의 세립의 킬드강으로 이음매 없이 제조되거나 전기저항 용접으로 제조하고, 2,3종은 Ni강으로 이음매 없이 제조된 다.

(2) 수도용 강관

수도용 아연도금 강관(Galvanized Steel Pipe for Water Services)은 정수두 100m 이내에 주로 급수용으로 사용되며, 배관용 탄소강의 흑관에 용융 아연도금에 의한 방청처리를 한 것이다. 아연도금 강관은 배관용 탄소강을 나사 가공전에 샌 드 브라스트(sand blast) 또는 산으로 세척한 후 아연도금을 한 것인데, 배관용 탄소강관의 백관(아연도금 부착량 400 g/㎡ 이상)보다 내식성 및 내구성을 증가시 키기 위해 아연도금량(600 g/㎡ 이상)을 많이 하여 도금층을 두껍게 한 것으로, 강관의 표준길이는 6m이다.

수도용 도복장 강관(Coated and Wrapped Steel Pipes for Water Services)은 최 대 사용 수두 100m 이하의 수도에 사용하는 것으로, 도장방법에 따라 STPW-A(아스 팔트 도복장 강관)과 SIPW-C(콜타르 애나멜 도복장 강관)의 2종류로 분류된다.

(3) 열교환기용 강관

열교환기용 이음매 없는 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철합금관(Seamless Nickel- Chromium-Iron Alloy Heat Exchanger Tubes), 이 강관은 관의 내․외면에서 열의 수 수를 목적으로 하는 장소, 예를 들면, 화학 공업,석유 공업의 열교환기용, 콘덴서 관, 가열로관, 원자력용의 증기발생기관 등으로 사용되며, 이음매 없이 제조되어 냉간가공으로 마무리 한다. 또한 이 강관은 70kg/㎠의 수압시험을 하도록 되어 있 다.

보일러 및 열교환기용 탄소강관(Carbon Steel Boiler and Heat Exchanger Tubes)은 보일러의 수관, 연관, 가열관, 공기 예열관과 화학공업, 석유공업의 열

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하는 장소에 사용하는 탄소강관을 말한다.

보일러 및 열교환기용 스테인리스 강관(Stainless Steel Boiler and Heat Exchanger Tubes)은 보일러의 과열관, 화학공업 및 석유공업의 열교환기관, 콘덴 서관, 촉매관 등과 같은 배관의 내․외면에서 열의 수수를 목적으로 하는 배관에 쓰 인다. 우리나라에서는 15종류를 규정하고 있으며, 이중 STS329J1TB, STS410TB, STS430TB를 제외하고는 저온 열교환기용 강관으로도 사용이 가능하다.

(4) 특수용 강관

이음매 없는 유정용 강관(Seamless Steel Oil Well Casing Tubing and Drill Pipes)은 유정의 굴착 및 채유 등에 사용하며, 평로, 순산소전로 또는 전기로에서 얻어진 강괴(ingot)로부터 이음매 없이 제조되고, 판단에는 둥근머리 나사를 내 며, 전기 아연도금이 되어 잇다.

고압가스 용기용 이음매 없는 강관(Seamless Steel Tubes for High Pressure Gas Cylinder)은 KSD3575에 규정한 강제고압 가스용 이음매 없이 제조되고, 1,2,3 종이 있으며, 1종은 수압 50kg/㎠이상이고, 2,3종은 100kg/㎠ 이상의 수압에 견딜 수 있어야 한다.

가열로용 강관(Steel Tubes for Fired Heater)은 석유정제공업, 석유화학공업 등의 가열로에서 공정유체를 가열하는데 사용되며, 탄소강관(STF), 합금강관 (STFA), 스테인리스강(STS TF) 및 니켈-크롬-철합금 강관(NCF TF)이 있다.

(5) 구조용 강관

일반 구조용 강관 : SPS는 토목, 건축, 기계, 발판, 철탑, 울타리, 난간 기타의 구조물에 사용하는 강관으로, 4종류가 있다.

기계구조용 탄소강관 : SM은 기계, 항공기, 자전거, 가구, 기수, 기타 기계부품 에 사용하는 탄소강관으로, 비교적 정말 다듬질이 필요한 것이나 기계부품으로서 절삭가공하여 사용하는 경우가 많다.

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다. 동관(copper pipes)

동은 전기 및 열전도율이 좋고, 내식성이 뛰어나며, 전성관 연성이 풍부하여 가 공도 용이하다. 판, 봉, 관 등으로 제조되어 전기재료, 열교환기, 급수관 등에 널 리 사용되고 있다.

순도가 높은 동은 지나치게 연하여 기계적 성질이 강하지 못함으로, 경질 또는 반경질로 가공․경화시켜 사용한다. 동판에는 이음매 없는 인성동관, 무산소동관, 안탈산 동관이 있다. 동에 아연, 주석, 규소, 니켈 등의 원소를 첨가하여 기계적 성질을 개량시켜 내열성, 내식성을 증가시킨 황동, 청동, 니켈, 동합금 등의 동합 금관이 많이 사용된다.

라. 스테인리스 강관(Austenitic Stainless pipe)

스테인리스강이라 하여도 농도가 짙은 염화물 용액에 접촉시킨다든지 특이한 부 식 환경에서는 녹이 나는 경우가 있다. 스테인리스강의 특성을 잘 파악하는 올바 른 사용방법을 따른다면 수돗물이나 100℃의 열탕과 같은 조건하에서는 거의 녹이 슬지 않는다. 즉 스테인리스강 자체가 내식성이 있는 것이 아니고, 스테인리스강 에도 여러 종류가 있어 강의 종류에 따라 각각의 특정 환경에 있어서 우수한 내식 성을 가지고 있다.

스테인리스강은 철에 12~20%정도의 크롬을 함유한 것을 바탕으로 만들어졌기 때 문에 크롬이 산소나 수산기(-OH)와 결함하여 강의 표면에 얇은 피막을 형성한다.

이것은 대단히 강하며, 만일 보호막이 파손되더라도 주위의 산소(O2)와 수산기 (-OH)가 있으면 곧 재생되어 부식을 방지한다.

마. 연관(lead pipes)

납은 금은동과 함께 오래전부터 인류가 사용해 온 금속으로 오늘날에는 대소변 기의 배수관, 굴곡이 많은 수도 안입관, 가스 배관 등에 널리 사용되고 있다. 특 히 연관은 알칼리에는 침식이 되지만 산에는 거의 영구적이며 신축성이 풍부하고 겨울철에 의한 동결에 의한 피해를 줄일 수 있다.

연관의 접합에는 프라스턴 접합, 과잉 용착 땜납 접합, 땜납 접합, 용접이음이 있으며 주로 플라스턴봉에 의한 접합이 이용된다.

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바. 플라스틱관(plastic pipes)

단위 길이가 상대적으로 긴(일반적으로 6-9m/본)관을 열융착 등의 방법으로 연 결하므로 단위당 이음개소를 최대한 줄일 수 있어 신속하고 경제적으로 시공할 수 있다. 해수, 습지에서 부식되지 않으면 절대 동파하지 않고 광산등지에서 여러 종 류의 마모성 슬러리를 운반함에 있어 종래 사용되던 여타 배관 재질보다 내마모성 이 탁월하며 영하 80도까지는 물성변화가 없고 외부충격에 강하다.

재질특성에 따라 내벽이 극히 평활하여 관내에 흐르는 유체들의 손실수두를 최 소화하며, 우수한 화학적 안정성과 평활한 표면은 관의 막힘과 부식을 방지함으로 써 탁월한 흐름성을 반영구적으로 유지시켜주며 마찰 손실의 저하로 가동중 원가 절감효과를 얻을 수 있다. 산, 알카리, 염분 등에 부식되지 않으며 해조류나 박테 리아 등의 세균류가 번식되지 않고 토양 중에 존재하는 부식성 물질에 의해서도 녹이 슬거나 부식되지 않으며 수도용 폴리에틸렌관 과 PVC관이 대표적이다.

사. 콘크리트관(concrete pipes) - 흉관

생활하수, 산업폐수, 빗물등 각종 하수를 발생지에서 목적지(하수종말처리장, 하천)까지 누수가 없이 안전하게 이송시키는 하수관거의 일종으로서, 1910년 오스 트레일리아 사람 W.R.HUME(흄)씨에 의해 원심력 제조공법이 개발되어 일명 흄관이 라고 하며, 콘크리트류, 금속류, 수지(플라스틱)류의 하수관거가 있으나 강도, 내 구성, 경제성등 하수관거로서의 전반적인 성능에서 가장 우수하며, 오랜 기간에 걸쳐 가장 많이 사용되고 있어 품질이 검증된 하수관거임. 국내에서는 1966년도부 터 한국공업규격(KSF 4403)이 제정되어, 많은 업체가 연구개발을 통해 우수한 제 품을 생산하고 있다.

2. 배관의 손상유형

원자력 발전소의 가동연수가 증가함에 따라 원전 배관의 손상 사례 또한 증가한 다. OECD/NEA가 2002년에 착수한 OPDE(OECD Piping Failure Data Exchange) 프로 젝트에서는 데이터 검증을 완료한 데이터와 신규 배관 손상 데이터 등 총 3,200여 건의 배관 손상 사례를 수집하였다. Table 2-2와 2-3은 QA가 완료된 OPDE data 2,400건에 대한 근본원인과 배관직경에 따른 배관 손상 경향을 보여주는 표다.

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Table 2-2 Root Causes of Piping Failure from OPDE Database(2,400 data) Cause of damage Number Total Ratio

Corrosion

SCC 430

1029 43%

FAC 390

general

corrosion 209

Fatigue

Vibration 684

843 35%

Thermal

fatigue 103 Fatigue 56

Human Error 234 233 10%

Over Load 139 139 6%

Etc. 15 15 1%

Unknown of Origin 141 141 5%

Table 2-3 Piping Size Effect from OPDE Database(2,400 data)

Pipe diameter Number of

damaged Ratio major causes of damage Below 1 inch 1121 47% Vibration, FAC,

Human Error 1~4 inch 450 23% Vibration, FAC, SCC 4~10 inch 429 18% FAC, SCC,

Vibration and load 10~30 inch 299 12% SCC, FAC,

Thermal fatigue

배관 파손의 근본원인은 부식, 피로, 인적 오류, 과하중 순이며, 이중 부식으로 인한 손상이 전체의 43%를 차지하고 있다. 1인치 이하 배관의 파손이 47%로 가장 많았으며, 1~4인치 사이 배관의 파손도 전체의 23%가 되어, 검사가 면제되는 4인 치 배관의 파손이 70%나 차지하고 있다. 우리나라의 경우에도 원전 배관 손상 사 례가 보고된 바 있으며, 이를 체계적으로 분석하기 위해 KINS와 KAERI에서는 공동 으로 Web 기반의 ‘원전 배관손상 데이터베이스(NuPIPE DB)’를 개발하였다. 여기 에는 OPDE 데이터베이스와 함께 국내 원전에서 발생한 51건의 배관손상 사례가 포 함되어 있다. NuPIPE DB는 OPDE DB를 근간으로 하였지만, 용접부 정보 및 LBB정보 등 국내 고유의 데이터 필드가 추가되어 있다. Table 2-4는 국내에서 발생한 51건 의 배관손상 사례중 분석이 수행된 34건에 대한 요약이다.

(42)

Table 2-4 Piping Failure Events in Domestic NPPs

nuclear reactor

type

damage system

Number of damaged

Pipe diam

eter [in]

damage type cause of damage

PWR (WH) 3 Loop

MFWS 12 18 Wall thinning(no leak) FAC CVCS 3 2 Crack/Leak Vibration

2 3/4 Crack/Leak Vibration NSCWS 1 6 Wall thinning/ Leak Corrosion

RCS 1 3/4 Pinhole/Leak Welding Error

ESWS 2 28 Wall thinning(no leak)

Pinhole/Leak Corrosion 1 10 Pinhole/Leak Corrosion

KSNP

AFWS 1 1 Pinhole/Leak Welding Error CVCS 2 3/8 Pinhole/Leak Welding Error ESWS 1 8 Wall thinning/ Leak Corrosion

1 36 Pinhole/Leak Corrosion PSS 1 3/8 Crack/Leak Thermal Fatigue RCS 2 3/4 Pinhole/Leak Welding Error Purification 4 4 Crack Thermal Fatigue

원전 배관 재질은 주로 탄소강과 스테인리스강이나, 두 재질이 접합되는 부분에 서는 인코넬이 사용되고 있다. 원전 배관에 작용되는 하중의 경우, 고온 고압의 운전 조건 이외에도 열하중, 피로하중, 지진하중, 진동, 수격하중 등이 있으며, 나타나는 열화기구도 매우 다양하여 기계적 피로, 진동, 열피로, 열취화, 응력부 식균열(SCC), 유동가속부식(FAC), 일반 부식, 마모 등이 원전 배관 손상을 유발한 다. 배관 용접부의 경우에는 많은 손상 사례가 보고되고 있으며, 그 원인으로는 용접결함(인적 오류) 문제, 용접 잔류응력 문제, 소켓용접부 Gap문제, 미확인 용 접부 문제 등이 있다.(5)

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제 3 장 실 험

제 1 절 실험장치 구성

1. 실험장치 구성

본 논문에 사용한 적외선열화상카메라는 FLIR사의 FLIR T640이며, 초음파 가진 기는 대영초음파의 DYW-430H 핸드건 타입의 부스터 일체형 가진기이다. 사양은 입 력전원 AC180 ~ 245V, 초음파 가진시간 0.1 ~ 5sec 연속발진이 가능하며, 주파수 조정범위는 30kHz이다. 출력은 400W이며 제원은 Fig. 3-1과 같다.

Fig. 3-1 DYW-430H Spec

실험에 사용된 핸드건 타입의 가진기는 실험의 용이성을 위하여 버튼식으로 수 정하였다. 실험 장치는 Fig. 3-2와 Fig. 3-3과 같이 구성하여 실험을 수행하였으 며, Fig. 3-2는 가진장치의 구성 모습을 보여주고 있으며, Fig. 3-3은 할로겐 장 치 구성을 보여주고 있다. 가진기의 가진시 시험편과 혼의 진동으로 인한 움직임 을 최소화 하기위하여 지그와 볼트로 체결 고정하였다.

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Fig. 3-2 The composition of Ultrasonic experiment equipment

Fig. 3-3 The composition of Halogen lamp experiment equipment

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2. 초음파 혼

대상체에 최적의 초음파 펄스를 입사하기 위하여 관련 논문 및 자료를 참고하여 원뿔형의 혼을 설계하고 두랄루민 재질로 제작하였다. Fig. 3-4는 2D설계도면과 제작한 Cone type의 혼의 이미지를 나타내고 있다.

(a) design drawing

(b) frontal (c) side

Fig. 3-4 2D design drawings and images of the produced horns

제 2 절 시험편

1. 시험편 제작

시험편은 원전 배관에서 쓰이는 재질과 같은 탄소강관으로 채택하였으며, 직경 65mm, 두께 3mm 직관과 그와 동일한 직경65mm, 두께 3mm의 90°곡관, T분류관, 플 랜지에 용접으로 접합하여 시험편을 제작 하였다. 90°곡관과 T분류관 이 두 구성 요소 각각에 직관 2개를 용접하여 접합하였으며, Fig. 3-5에서 붉은색 원으로 표 시한 부분에 용접 후 드릴을 이용하여 인공결함을 주었고, 그 외에는 정상적으로 용접을 하였다. 플랜지에는 직관을 하나만 용접으로 접합하였고 인공결함 시험편 a, 정상 시험편 b 2개의 시험편을 제작, 총 4개의 시험편을 제작하여 실험을 진행 하였으며, 제작한 시험편은 Fig. 3-5와 같다. 적외선열화상기법은 방사율에 큰 영

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