원전 배관 루프시스템의 냉각 위상잠금 적외선열화상을 이용한 결함 검출에 관한 연구
A Study about Detection of Defects in the Nuclear Piping Loop System Using Cooling Lock-in Infrared Thermography
김상채*, 강성훈*, 윤나연*, 정현철*, 김경석*✝
Sang-Chae Kim*, Sung-Hoon Kang*, Na-Yeon Yun*, Hyun-Chul Jung* and Kyeong-Suk Kim*✝
초 록 냉각 위상잠금 적외선열화상 기법을 이용하여 원전 배관 루프시스템의 가열결함 검출의 선행연구를 통하여 냉각결함 검출조건의 적용에 관한 연구를 수행하였다. 배관의 결함가공은 감육 길이, 감육 깊이를 변 화시켜 결함조건을 가공하여 루프시스템을 제작하였다. 사용된 장비는 적외선열화상 카메라와 냉각장치를 사 용하였으며 냉각장치와 대상 루프시스템과의 거리는 2m로 고정시켜 실험을 수행하였다. 실험 결과의 분석을 위하여 냉각온도 분포, 위상데이터를 확보하고, 이를 분석하여 결함 길이를 측정하였다. 냉각결함 검출조건은 적외선열화상 데이터보다 위상잠금 적외선열화상 데이터가 측정 결과의 신뢰도가 높았다.
주요용어: 냉각 위상잠금 적외선열화상 기법, 원전 배관 루프시스템, 감육 배관, 감육 평가
Abstract A study on the application of cooling defect detection was performed on the basis of a preceding study on the heated defect detection in nuclear piping loop system, using lock-in infrared thermography. A loop system with piping defects was made by varying the wall-thinning length, the circumference orientation angle, and the wall-thinning depth. The test was performed using an IR camera and a cooling device. Distance between the cooling device and the target loop system was fixed at 2 m. For analyzing experimental results, the temperature distribution data for cooling, and phase data were obtained. Through the analysis of this data, the defect length was measured.
The reliability of the measurements for cooling defect conditions was shown to be higher in the lock-in infrared thermography data than the infrared thermography data.
Keywords: Cooling Lock-in Infrared Thermography, Nuclear Piping Loop System, Wall-Thinned Pipe, Wall-Thinned Evaluation
[Received: August 27, 2015, Revised: October 22, 2015, Accepted: October 26, 2015] *조선대학교 기계시스템공학 과, ✝Corresponding Author: Department of Mechanical System Engineering, Chosun University, Gwangju 501-759, Korea (E-mail: [email protected])
ⓒ 2015, Korean Society for Nondestructive Testing
1. 서 론
원자력발전소 배관의 감육 및 파손을 방지하기 위해 가동전 및 가동중의 비파괴검사가 이루어지 고 있다. 또한, 검사의 주기를 짧게 하거나 검사 의 품질을 높이면 검사시간과 많은 경비가 소요 된다. 위의 사항을 보완하기 위한 방법이 비파괴 검사 방법이며, 비파괴검사의 배관의 감육 및 파 손확률이 미치는 영향을 평가하기 위해선 비파괴 검사의 주기를 짧게 하거나 배관의 품질을 결정
하는 것이 매우 중요한 요소 중 하나이다.
현재 원전의 발전설비 가동 횟수가 증가하여 빠르게 노후화됨에 따라 비교적 안전하면서 빠르 고 쉽게 검사할 수 있는 비파괴검사의 방법이 증 대되고 있다. 또한, 원자력발전소 배관의 경우 장 기간 동안 사용함으로써 피로, 부식, 감육결함 등 과 같은 여러가지 종류의 열화손상을 받는 위험 성이 있다. 그중 유동가속부식(flow accelerated corrosion)에 의해 발생되는 배관의 두께 감소 현 상 즉 감육결함(wall-thinning defect) 현상이 원전
배관의 건전성을 저하시키는 주요 원인 중 하나 이다[1,2]. 감육결함은 누설과 같은 사전 징후가 없이 손상이 진행되며, 용접부가 아닌 모재부에 서도 흔히 발생되기 때문에 기존의 가동중검사를 통해 발견하기 어려운 특징이 있어 원전에서는 배관의 감육결함 관리를 위한 별도의 프로그램을 운영하고 있으며, 이에 따라 감육결함의 발생 가 능성이 높은 부위를 선정하고 두께검사를 시행하 고 있다[3,4].
배관의 두께검사에 초음파시험이 가장 보편적 으로 적용되고 있으나, 초음파검사는 모든 격자 점에서 두께를 측정하기 때문에 검사에 많은 시 간이 소요된다. 또한, 소구경 배관의 경우에는 결 함검사인 방사선투과검사를 사용하고 있으나 결 함에 대한 정량성이 떨어지며 검사 시 결함 검사 자의 피폭 등의 문제로 인하여 현장에서 적용할 수 있는 한계가 있다[5,6].
여러 가지 감육결함을 빠르고 간편하게 찾아낼 수 있는 비접촉, 비파괴검사 중 하나로 적외선 열화상 기법(IRT, infrared thermography)을 적용하 기 위한 연구들이 이루어지고 있다[7,8]. 하지만 적외선열화상 기법은 결국 이미지 프로세싱에 관 련된 방법으로 열화상 결과물을 가공하는 수준에 그침에 따라 좀 더 명확하고 미세한 결함평가에 는 분명한 한계가 존재하였다. 이렇듯 결과물의 온도 변화만을 관찰하고 그것을 후처리하는 방법 이 갖고 있는 한계를 극복하기 위한 방법으로 lock-in mode을 활용한 방법을 사용하여 좀 더 정밀한 이미지를 얻고 있다. 일반적으로 결함의 종류에 따라 lock-in mode에서 사용되는 조화함 수로 제어가 용이한 광(photo), 초음파(ultrasound), 진동(vibration), 와전류(eddy current) 등이 자극원 으로 사용된다.
본 연구에서는 가동중인 가열된 원전 배관 루 프시스템에 팬(fan)을 조화함수로 이용하여 가열 된 배관을 냉각시킴에 따른 냉각 위상잠금 적외 선열화상 기법(cooling lock-in IRT)을 이용한 배 관의 결함 검출을 하고자 한다.
2. 이 론
2.1. 위상잠금 적외선열화상 기법
동적인 열화상을 활용하는 위상잠금 적외선열
화상 기법은 시험대상 물체에 능동열원으로서 연속적인 변조된 단순조화함수(simple harmonic function)를 조사한다. 이 기법은 조화함수로 입사 되는 위와 같은 자극원에 적외선열화상 카메라의 검출소자를 동기화시켜 대상체의 응답신호로 획 득한다.
식(1)으로 표현되는 고체 내의 1차원 열전도방 정식에서 외부 자극으로 할로겐램프에 의한 광 열원을 조화함수
cos로 표면을 가 열할 때, 대상체로 침투한 열원의 변화를 관찰하 여 결함을 검출하는 방법이다[9,10].
(1)
여기서
는 온도, 는 시간, 는 열전도계수,는 밀도,
는 비열, 는 열유동 방향이다. 흡 수된 열은 물체 표면으로부터 열파동(thermal wave)을 만든다. 이 열파동은 물체 속으로 진행 되어 들어가고, 물리적 열전달 특성이 변하는 빈 공간이나 갈라진 결함층을 만나면 부분적으로 반 사를 하게 된다. 진행파와 반사파의 간섭은 물체 표면에 조화진동 복사패턴의 변화를 유도하고 이 를 적외선카메라에 의하여 탐지하게 된다. 물체 내부의 결함 부위 표면은 결함이 없는 건전부와 비교하면 다른 위상을 나타낼 수 있다.위상잠금 시스템과 소프트웨어는 진폭과 위상 의 변화를 계산하여 결함부를 확인할 수 있게 된 다. 이러한 기법은 연속적인 대신 동시에 순차적 인 측정값을 가지기 때문에 위상잠금 적외선열화 상 기법이라 부른다. 즉, 하나의 파동 주기 동안 에 많은 점들이 동시에 관측된다. 따라서 장치는 다중측정을 수행해야 한다. 이런 열화상 측정은 위치에 따른 열파동의 변화를 진폭과 위상으로 나타낸다. 다음 Fig. 1은 위상잠금 열화상 기법의 개념을 보여준다.
Fig. 1 Signal processing of lock-in IRT
Fig. 2 Infrared camera
Table 1 Specification of infrared camera Infrared camera(FLIR,. SC 5200) Detector Materials InSb(indium antimonide) Number of Pixels 320 × 256 Measure range(℃) -15 ~ 2000 만일 영상기록이 변조주파수와 동기화되고 한
주기 동안 4개의 영상을 얻는다면, 4개의 신호 값
가 모든 영상 화소에서 얻어진다. 따라서 매 파동 주기 동안에 각 영상 화소는 위 상이 90° 차이를 갖는 4배의 자료를 취득하게 된 다. 취득된 4개의 자료로부터 특정 화소 의 변조가 이루어 질 수 있다.결과적으로 다음의 식(2)와 (3)를 이용하여 특 정 화소에서 온도 변조의 진폭과 위상을 구할 수 있다.
(2)∅ tan
(3)
실제적으로 위상잠금 적외선열화상 시스템은 온도영상의 진폭과 위상각의 계산을 위해서 단 4 장
의 그림보다는 훨씬 많은 영상과 이미지를 획득할 수 있다.몇 개의 변조주기에 거쳐 매 주기마다 4장 이 상의 영상 이미지의 평균을 구한다. 그렇지만 사 인파형 변조로 인하여 모든 영상 이미지는 결국 4개의 기본 영상
으로 병합된다. 이 들 병합영상의 위상각과 진폭값은 앞의 식(2)와 (3)로부터 얻어진다.위의 방정식이
과
및
와
사이의 차이를 계산하기 때문에 위상잠금 기법이 불균일 한 광열원의 조사, 표면 방사율(emissivity), 그리 고 주위 환경에 의한 반사의 잡음 영향을 제거할 수 있게 된다.3. 장비 및 대상
3.1. 위상잠금 적외선열화상 카메라
본 연구에서 사용되고 있는 적외선 열화상 카 메라는 Fig. 2와 같으며 적외선열화상 카메라의 사양은 Table 1과 같다. 위상잠금 적외선열화상 기법은 기계 구조물에 있어 열에 대한 변화로 인 해 온도변화가 미세하여 세밀하게 온도의 변화를 측정하기 위한 분해능(0.02℃)을 높여 디지털 신 호처리를 통하여 획득하고자 하는 위상 및 진폭 을 구하는 방법이다. 또한, 본 연구에서는 원전이
정기점검이 아닌 원자력발전소가 가동되고 있는 상태를 가정하여, 상온 상태의 배관을 내부에서 실리콘오일을 통하여 열유동을 통하여 외부에서 검사하는 경우를 고려하였다. 단, 본 논문에서는 단열재의 대한 사항을 고려하지 않았다.
3.2. 냉각장치(Fan)
팬 냉각장치로 풍속과 직진성이 향상된 고풍속 의 배풍기를 도입하였다. 배풍기는 팬 입·출구의 압력 차이를 이용한 강제대류로 고온의 배관 시 험편을 냉각시킬 수 있고, 직진성이 높아 2~3 m 의 먼 거리에서도 냉각이 가능하다. 팬 냉각장치 는 알루미늄 다이캐스팅 날개를 사용하였고, 무 게는 11 kg으로 경량화 되어 있다. 최대 풍속이 16.5 m/sec로 탁월한 냉각 효과가 있고, 날개 크 기가 270 mm로 배관시험편에 균일한 냉각이 가 능하다. Fig. 3은 팬 냉각장치로 고풍속 배풍기의 사진이다.
4 inch 배관과 2개의 냉각장치와의 거리, 2.5 inch 배관과 적외선열화상 카메라와의 거리를 연구를 통하여 고려하여 조사하였으며, 정격용량 의 70%로 설정하였으며 cooling lock-in IRT를 적 용하여 배관을 냉각하는 경우에 냉각 주기는 0.1 Hz를 적용하여 실험을 수행하였다.
Fig. 3 Cooling device
3.3. 열유동 시스템
본 연구를 위하여 ASTM A106 Gr.B 탄소강 재 질의 2.5 inch 배관을 사용하여 Fig. 4와 같은 루 프시스템을 제작하였으며, 사양은 Table 2와 같 다. 정상운전 중인 원자력발전소의 고온배관계통 을 모사하기 위해서 실리콘오일을 이용하여 배관 내부의 온도를 250℃로 유지시켰다. 냉각장치와 배관과의 거리는 1.5 m에서 수행하였다. 실험에 서 사용된 ASTM A106 Gr.B 탄소강 재질의 배관 의 열적특성은 다음 Table 3과 같다.
Table 2 Specification of piping loop system Piping Loop system
Pipe type 2.5 inch Pipe
Operating temperature T > 250℃
Pressure atmospheric pressure Inside fluid silicone oil Pump of capacity 40 min
Heater of capacity 20 kW
Table 3 Thermophysical properties of ASTM A106 Gr.B
Thermal Conductivity () 51.9 (W/m‧k) Density () 7870 (kg/m³) Specific Heat (
) 486 (J/kg‧k) Thermal Diffusion Coefficient () 1.357×10-5(m2/s)Fig. 4 Loop system and infrared thermography
3.4. 감육배관 시험편
본 실험을 수행하기 위하여 원자력발전소에서 실제로 사용되고 있는 재질의 배관을 사용하였으 며, 내부에 결함을 다음과 같은 조건으로 가공하 였다. 2.5 inch 배관은 두께(t) 7.5 mm, 전체 길이 (L)는 350, 700 mm로 외경(Do)이 113 mm이며, Fig. 4와 같이 결함의 길이를 배관 직경의 직관 배관의 경우 L/Do=0.5(56.5 mm)로 복합배관의 경 우는 L/Do=0.25(28.5 mm)로 변화시켰다. 또한 원 주방향으로 결함의 가로중심선과 적외선 카메라 가 수평이 되는 부분을 0로 하여 Fig. 5(b)와 같이 변화시켰으며, 결함의 깊이를 배관 두께 대 비 일정하게 변화시켰다. 다음 Table 4와 같다.
(a) pipe according to circumferential direction
(b) pipe according to wall-thinning depth Fig. 5 Dimensions of defects in pipe
Specimen Pipe Type Thinning Depth Thinning Length Thinning Angle
700 mm
straight(a) 0.75, 0.25, 0.5, 0.25 0.25 0.25
straight(b) 0.5 0.5 0.25
350 mm
straight 0.75, 0.5, 0.75, 0.5, 0.75 0.25 0.25
Complex (angle, 350
mm)
straight 0.75, 0.5, 0.25 0.5 0.25
elbow 0.25, 0.5 0.25, 0.5 0.125, 0.25
Table 4 Dimensions of the specimen and wall-thinning defect
4. 선행 실험
본 실험에 앞서 선행 실험을 위하여 적외선열 화상 카메라 및 할로겐램프를 통하여 가열을 통 하여 원자력발전소에서 정기점검을 가정하여 실 험하였으며, 소구경 배관은 두께(t) 6.5 mm, 전체 길이(L)는 350, 700 mm로 외경(Do)이 72.5 mm이 며, 결함 길이는 배관 직경의 1/8, 1/4, 1/2로 변 화, 결함 깊이는 두께 대비 1/4, 2/4, 3/4로 나누 어 제작하였다. 또한, 결함을 찾기 위한 최적의 거리를 결정하기 위해 카메라와 할로겐램프를 이 용하여 1 m, 1.5 m 2 m로 실험조건을 통한 이미 지로 미분하여 결함 길이를 예측하였다. Fig. 6, 결과는 Table 5, 6과 같다. 선행 실험 결과에서 보면 결함 길이 변화에 대한 측정 결과가 비교적 다른 결과에 비해 정확하며, 정확도는 약 84.07%
로 측정되었다. 감육 깊이에 대한 측정 결과는 약 78.62%로 결함 길이 변화에 대한 측정 결과 보다는 다소 낮게 측정되었다. 이러한 결과를 종 합하면 결함 길이 변화와 감육 깊이 변화에 대한
측정 결과는 감육 깊이 25%(D/4)의 경우를 제외 하고는 결함을 육안으로 확인할 수 있었다. 또한, 거리 1.5 m에서 보다 선명한 결과를 얻을 수 있 었다. 이러한 방법으로 결함 길이의 예측을 모든 배관에 적용할 수 있을 것으로 사료된다. 이를 통하여 본 논문의 실험을 실시하였다.
(a) 1.5 m defects() image
(b) 1.5 m defects() image Fig. 6 Infrared thermography image (1.5 m)
Table 5-1 Defects() defect length(mm)
1 m 1.5 m 2 m
1/8 (9 mm) 7 8 8
1/4 (18 mm) 16 15 12
1/2 (36.25 mm) 26 29 24
Table 5-2 Defects() defect length(%)
1 m 1.5 m 2 m
1/8 (9 mm) 77.78 88.89 88.89 1/4 (18 mm) 88.89 83.33 66.67 1/2 (36.25 mm) 71.72 80.00 66.21 Average(%) 79.46 84.07 73.92
Table 6-1 Defects() wall-thinning depth(mm)
1 m 1.5 m 2 m
25% (36.25 mm) × × ×
50% (36.25 mm) 25 28 23
75% (36.25 mm) 27 29 24
Table 6-2 Defects() wall-thinning depth(%)
1 m 1.5 m 2 m
25% (36.25 mm) × × ×
50% (36.25 mm) 68.97 77.24 63.45
75% (36.25 mm) 74.48 80.00 66.21
Average(%) 71.72 78.62 64.83
Table 7 Specification of cooling system Cooling system
Fan wing of size 270
Air flow rate 3,780
number of revolution 3,300 rpm
5. 실험 방법
결함이 가공된 3가지의 배관을 냉각장치를 이 용하여 냉각하는데, 이때 방사율 조절을 위해 방 사페인트(KRYLON 4290 Ultra Flat Black)를 도포 하여 완벽한 흑체가 아닌 대상물의 방사율을 임 의로 최대 0.97을 유지시켰다. 또한, 실험 시스템
주변의 온도는 ℃로 일정하게 유지하여 실험 을 수행하였다.
적외선열화상 카메라(FILR 사 SC 5200)를 이용 하여 배관의 표면을 측정하여 위상과 진폭을 통 하여 이미지 데이터를 획득하여 분석하였다. 단, 배관의 온도가 250℃ 이상, 본 실험의 목적에 따 라 도출된 조건을 이용하는 것이므로 적외선열화 상 카메라와 냉각장치와의 거리를 1.5 m로 고정 하여 실험을 수행하였다. 배관 루프시스템의 사 양 및 냉각장치의 사양은 다음과 같다.
6. 실험결과 및 고찰
가열된 배관에 냉각장치를 통한 실험조건에서 결함이 이미지로 관찰되었으며, 위상에 관련된 실험결과는 Table 8과 같다. 그래프, 이미지로 결 함들을 확인할 수 있었다.
배관의 결함조건에 따른 일반 온도 전체 이미 지와 위상잠금 적외선 이미지 프로파일을 이용하 여 Table 9와 같은 온도 분포를 획득하였다. 온도 분포에 대한 미분을 수행하여 Table 11과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 이 때 미분한 데이터의 변곡점 사이의 거리를 결함의 길이로 가정하였다.
Table 9의 전체 데이터에서 가장 근접하게 나 온 데이터를 통하여 Table 10을 얻었으며 이를 통하여 미분을 이용한 결과를 도출하였다.
Table 10은 배관의 결함 깊이 및 길이 변화에 대한 결과, Table 11은 그에 따른 미분 데이터에 대한 결과이다.
Table 12는 일반 적외선열화상의 결함 길이 변 화에 대한 온도분포 측정 결과 및 감육 깊이 변 화에 대한 결과, Table 13은 위상잠금 적외선열화 상의 결함 길이 변화에 대한 온도분포 측정 결과 및 감육 깊이 변화에 대한 결과이다.
이 결과에서 보면 정확도는 일반 적외선열화상 의 오차율의 경우는 15.54%로 측정되었다. 위상 잠금 적외선열화상의 오차율은 5.31%로 측정되었 다. 또한, 일반 적외선열영상보다 위상잠금 적외 선열영상이 더 선명한 것으로 확인할 수 있었다.
이러한 결과를 종합하면 결함 길이 변화와 감 육 깊이 변화에 대한 측정 결과를 확인할 수 있 었다.
Specimen Pipe Type Thermography Image Lock-in Thermography Image
700 mm
straight(a)
straight(b)
350 mm straight
Complex (angle, 350 mm)
straight
elbow
Table 8 Thermography and lock-in thermography image
Specimen Pipe Type Thermography Image Lock-in Thermography Image
700 mm
straight(a)
straight(b)
350 mm straight
Complex (angle, 350 mm)
straight
elbow
Table 9 Thermography and lock-in thermography temperature graph
Specimen Pipe Type Thermography Image Lock-in Thermography Image
700 mm
straight(a)
straight(b)
350 mm straight
Complex (angle, 350 mm)
straight
Table 10 Thermography and lock-in thermography temperature depth graph
Specimen Pipe Type Thermography Image Lock-in Thermography Image
700 mm
straight(a)
straight(b)
350 mm straight
Complex (angle, 350 mm)
straight
Table 11 Thermography and lock-in thermography differential graph
Table 12 Thermography defect length(mm) Specimen Pipe Type Thinning
Depth
Defect length
Measuing efficiency
700 mm straight(a)
75% 30.10 5.61%
50% 23.15 18.77%
25% 32.42 13.75%
straight(b) 50% 45.42 19.61%
350 mm straight 75% 23.44 17.75%
50% 23.44 17.75%
Complex (angle, 350 mm)
straight
75% 48.40 14.34%
50% 48.66 13.88%
25% 46.10 13.41%
Average(%) 15.54%
Table 13 Lock-in Thermography defect length(mm) Specimen Pipe Type Thinning
Depth
Defect length
Measuing efficiency
700 mm straight(a)
75% 29.52 3.58%
50% 26.84 5.82%
25% 25.58 10.25%
straight(b) 50% 53.05 6.11%
350 mm straight 75% 27.16 4.70%
50% 26.56 6.81%
Complex (angle, 350 mm)
straight
75% 54.72 3.15%
50% 54.52 3.50%
25% 58.69 3.88%
Average(%) 5.31%
7. 결 론
본 연구에서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 결함 길이 변화, 감육 깊이에 대한 측정 결과 거리 1.5 m에서 일반 적외선열화상은 15.54%, 위상잠금 적외선열화상은 5.31% 오차율로 위 상잠금 적외선열화상 결과값이 더 정확하였다. 2) 일반 적외선열화상과는 달리 위상잠금 적외선 열화상은 결함 깊이가 깊을수록 오차율이 더 정확하였다.
3) 본 연구에서는 배관의 결함을 찾기 위한 연구 로써 냉각실험을 통한 기초연구자료로써 사용 될 것으로 사료된다.
후 기
이 논문은 2013년도 조선대학교 학술연구비의 지원을 받아 연구되었음.
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