계장기술(PROCON)

특별기고 압전형 유도 초음파 센서를 이용한 발전소 재열기 튜브 결함 평가 방법

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 115회 작성일 24-05-14 15:41

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유동층 보일러를 구성하는 요소 중 하나인 재열기(Reheater)의 연소 방식은 주로 75MW 이상의 화력발전소 보일러에서 사용되며, 증기 압력이 높아짐에 따라(저압 터빈 마지막 단에서 증기의 습분이 증가됨으로) 고압 터빈에서 포화 온도 가까이 팽창한 증기를 재가열하여 온도를 높인 후 중저압 터빈에 공급하는 역할을 한다.

최근 대용량 발전소에서는 2단 재열을 채용하며, 재열 증기의 온도는 일반적으로 과열기 출구 증기 온도와 같은 538℃ 또는 566℃가 사용된다. 또한 유동층 보일러 최종 재열기(Intrex RH)에서 발생되는 결함에 대한 비파괴 평가 방법으로(내화벽 내부에 매몰되어 있는 재열기 튜브 균열 등의 취약부에 대해서) 액체 침투 탐상 시험(Liquid penetrant testing)을 시행하고 있으며, 정비 기간 중 수압 시험을 통한 튜브의 누설 여부를 검사하고, 결함이 발생된 튜브에는 건전성 평가 모니터링이 필요(향후 활용도가 매우 높음)하다.[1~2] 기존에는 관막음(Plugging) 및 내시경 검사를 통한 샘플링(Sampling) 검사에만 의존했다.
 
본 연구는 압전소자 방식을 이용한 유도 초음파(Guided wave) 원리를 이용하여 발전소 내에 설치된 재열기 튜브(Intrex RH)의 내화벽 안에서 발생되는 매몰 및 접근 한계 부위에 대한 결함 상태와 결함 위치를 찾아내기 위하여 일정 위치에서 장거리 튜브의 결함 검출 파형을 송수신하고, 튜브의 상태를 측정하기 위하여 설계된 재열기 튜브 검사용 압전 센서를 이용한 유도 초음파 비파괴 검사 데이터 취득 및 결함 평가 시스템을 개발하였다. 또 축대칭 모드(Axial symmetric mode)를 이용하여 한 번의 주사로 수 미터에서 수십 미터까지 양방향을 동시에 검사할 수 있기 때문에[3~4] 일반적으로 사용되며, 국부 검사법에 비하여 검사 시간과 소요되는 비용을 반 이상으로 줄일 수 있는 것이 장점이다.

 이와 관련된 연구는 유체가 충진된 원통형 박판에서 축방향 대칭파의 전달과[5] 비대칭 모드에 따른 튜브 재질에 대한 영향[6] 그리고 튜브 내외면에서의 유체에 따른 대칭형 유도 초음파 전파에 관한 연구가 수행되었다.[7~8] 또한 부식층의 재질과 기하학적 성질을 정량화하는데 매우 유용하게 사용되며,[9] 압전 센서 또한 튜브와 튜브 사이의 간격이 좁은 경우 검사가 가능하도록 설계하였다.


유도 초음파의 원리

유도 초음파는 박판, 원통 및 구형과 같은 자유 경계면(Free boundaries)을 가지는 시험체 내로 진행하며, 시험체의 전 두께를 통하여 진행하는 복잡한 진동 형태로 구성되어 있다. 유도 초음파는 탄성 도파관과 평판 자유 경계면을 가지는 평판의 경우에 나타난다. 이러한 독특한 응답의 유도 초음파는 종파와 횡파와 같은 대부분의 초음파와는 구별된다. 두께와 변환 주파수가 주어진 평판에 유도 초음파를 입사시키면 여러 가지 모드가 발생한다. 유도 초음파를 발생시키는 여러 가지 방법 중 <그림 1>과 같이 종파를 이용하여 경사로 입사할 때 판 내부에서 종파와 횡파가 발생하여 반사, 굴절 그리고 모드 변환을 일으키며 판을 따라 전파된 후 새로운 형태의 파가 생성되는데, 이를 유도 초음파라 한다.

유도 초음파의 진행 방향이 관의 길이 방향인 경우 유도 초음파 모드를 나타내기 위해서 두 개의 첨자 원주 방향 차수와 모드 수를 사용하고 있다. 원주 방향 차수가 0인 경우에는 관의 축에 대해 대칭이고, 0이 아닌 경우에는 축 대칭 모드(Axisymmetric modes)를 나타내는데, 축 대칭인 모드는 다시 종형 모드와 비틀림형 모드로 파가 관의 벽 속에서 진동하는 양상에 따라 구별된다.

종형 모드는 파의 진동하는 성분이 관의 길이 방향과 반경 방향으로만 있는 경우로서 L(0,n)으로 나타내며, 비틀림형 모드는 파의 진동 성분이 원주 방향으로만 있을 경우 T(0,n)으로 나타낸다. 그리고 원주 방향 차수가 1, 2, 3…인 경우에는 비축 대칭인 모드(Non-axisymmetric modes)를 나타내는데, 굽힘형 모드로 부르며 F(m,n)으로 표시한다. 굽힘형 모드의 경우에는 관의 벽 속에서 파의 진동 성분이 세 방향(반경, 원주 그리고 길이 방향)으로 모두 존재한다.

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종형 모드와 비틀림형 모드는 원주 방향 차수가 0에서 무한한 수의 모드를 가지고 있고, 원주 방향 차수가 1, 2, 3…에서도 원주 방향 차수에 대해 무한한 수의 굽힘형 모드의 수를 가지고 있다. 유도 초음파가 관을 전파할 때 종형 모드, 굽힘형 모드, 비틀림형 모드의 세 종류가 존재할 수 있다. 일반적인 실험에서 주로 사용되는 모드는 축 대칭인 종형 모드이다. 그 이유는 일반적인 초음파 센서로 잘 발생될 수 있으며, 축 대칭으로 분석이 간단하기 때문이다. 그러나 비축대칭 센서의 사용 또는 비축대칭 결함으로부터의 반사 등으로 인해 실험적으로 비축 대칭인 모드, 즉 굽힘형 모드가 생성될 수 있기 때문에 비축대칭 모드에 대한 연구가 필수적이다.


검사 시스템 구성 및
신호 파형 분석

 
본 시험에서 재열기 튜브에 대한 유도 초음파 비파괴 검사 데이터 취득 및 결함 평가 시스템 개발 연구를 진행하기 위하여 재열기 튜브 검사용 목업(Mock-up) 시험편에서 신호 취득 시험을 진행하였으며, 재열기 튜브 유도 초음파 검사 기법의 유효성을 확인하였다.

1) 재열기 튜브 검사 시스템 및 목업(Mock-up) 시험편 구성
목업(Mock-up) 시험편을 이용한 유도 초음파 검사 수행에는 유도 초음파 검사 시스템, 두께 측정기 및 온도계가 사용되었고, 세부 내역은 <표 1>, <표 2> 및 <그림 2>와 같다. <그림 2>에서 아래 방향 모양의 화살표는 용접부의 위치를 나타내고, 붉은색으로 표기된 부분은 결함의 위치를 나타낸다.

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2) 재열기 튜브 유도 초음파 검사 수행
재열기 튜브 유도 초음파 검사에 앞서 검사체에 대한 정보를 확보하였으며, 확보된 정보에는 검사체의 거리와 직경, 공칭 두께, 재질, 표면 온도 등의 일반 정보와 용접부 및 코팅의 유무와 상태, 내화벽의 밀착 정도, 재열기 튜브 내의 유체 흐름 방향 등 수집되는 신호의 양상과 품질과 연관되는 정보가 있고, 해당 정보는 요약 도면에 기록하였다.
데이터를 수집하기 전에 압전 센서와 케이블을 점검하였으며, 점검은 크게 두 가지로 진행된다. 압전 센서와 케이블의 외형에 대한 변형 유무를 확인하고, 커넥터 내부에 이물질 여부와 커넥터 핀(Connector pin)의 상태를 확인한다. 수신 상태 점검은 유도 초음파 검사 시스템과 압전 센서를 연결하면 자동으로 측정이 진행되나, 수동으로도 측정이 가능하다. 압전 센서의 위치 선정은 검사 영역이 근거리 음장을 벗어나도록 하고, 압전 센서 설치로 인한 재열기 튜브의 손상에 대비하기 위해 설치할 부분의 두께를 원주 방향으로(90° 간격으로) 측정하여 공칭 두께와 비교하였다. 압전 센서 설치 시 케이블 커넥터가 재열기 튜브의 3시 방향으로 오도록 설치함으로서 재열기 튜브의 축 방향과 케이블 커넥터의 방향이 직각을 이루는지 확인할 수 있다. <그림 3>은 재열기 튜브 목업(Mock-up) 시험편에 대한 유도 초음파 검사를 수행한 사진이다.

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3) 재열기 튜브 유도 초음파 검사 적용
<그림 4>의 유도 초음파 검사 결과에서 초록색 영역은 불감대(Dead zone)를 나타내며, 불감대를 기준으로 왼쪽은 음의 방향 검사 영역이고, 오른쪽은 양의 방향 검사 영역을 나타낸다. 일반적으로 양의 방향 검사 영역은 배관 내 유체 흐름(Flow) 방향과 일치한다.
불감대 주위의 회색 영역은 근거리 음장(Near field)으로 신호의 진폭 및 위상 왜곡 때문에 유도 초음파 신호에 대한 해석이 불가능하다.
A-scan의 검은색 신호선은 반사된 유도 초음파 신호 중 축대칭 모드 반사 신호를 나타내고, 붉은색 신호선은 반사된 유도 초음파 신호 중 비축 대칭 모드 반사 신호를 나타낸다. 축 대칭 모드와 비축 대칭 모드의 반사 신호의 진폭과 결함 형상과의 상관관계를
<그림 5>에 나타내었다.

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4) 재열기 튜브 목업(Mock-up) 신호 파형 분석
검사용 목업(Mock-up) 신호 파형 분석을 위해 결함 유무와 결함 위치에 따라 배관을 그룹화하였다. 1번 그룹은 P, Q배관이자 결함이 없는 배관이다. 2번 그룹은 A, D, G, J, M배관이며, 결함이 내화벽 외부에 있다. 3번 그룹은 B, F, H, K배관이며, 결함이 내화벽 입구에 있다. 4번 그룹은 C, E, I, L, O배관이며, 결함이 내화벽 내부에 있다.
신호 파형 분석을 통해 각 결함 깊이의 변화에 따른 결함 CSA(Cross Section Area) 값을 측정하였고, 결함 CSA 설계값과 측정값을 비교하였다. 또한, 결함 위치의 설계값과 측정값도 비교하였다.

① 1번 그룹 유도 초음파 검사 결과 및 분석
<그림 6>은 1번 그룹 유도 초음파 검사 결과 이미지이며, <표 3>은 결함 CSA 값과 결함 위치를 나타낸다. 결함이 없는 1번 그룹 P배관에서는 용접부 신호와 내화벽 입구 신호가 확인되었으며, Q배관에서는 내화벽 입구 신호만 확인되었다.
특이 사항으로는 용접부 신호와 내화벽 입구 신호의 진폭이 유사하였으며, 내화벽 입구 신호에 비해 내화벽 출구 신호는 낮은 진폭을 보였다. 1번 그룹 신호를 참고하여 2번, 3번, 4번 그룹의 결함을 비교 및 분석하였다.

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② 2번 그룹 유도 초음파 검사 결과 및 분석
<그림 7>은 2번 그룹 유도 초음파 검사 결과 이미지이며, <표 4>는 결함 CSA(Close Section Area) 값과 결함 위치를 나타낸다. 내화벽 외부에 있는 결함 신호가 선명하게 확인되었으며, 내화벽 입구 신호도 확인되었다.
결함의 위치는 설계값과 측정값이 일치하였고, 결함 깊이가 증가할수록 결함 CSA 측정값이 증가하였다. 특이 사항으로, 결함 CSA 설계값과 측정값이 차이가 있음을 확인하였으나, 각 차이에 대한 비율이 유사함을 확인하였다. 추후 DAC(Distance Amplitude Curve) 설정 및 결함 평가 방법 개선을 통하여 CSA 측정값에 대한(정확성 향상에 대한) 연구를 진행할 예정이다.

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③ 3번 그룹 유도 초음파 검사 결과 및 분석
<그림 9>는 3번 그룹 유도 초음파 검사 결과 이미지이며, <표 5>는 결함 CSA 값과 결함 위치를 나타낸다. B와 F배관에서는 용접부 신호와 내화벽 입구 신호가 확인되었으며, H와 K배관에서는 내화벽 입구 신호만 확인되었다.
특이 사항으로, 결함 신호와 내화벽 입구 신호가 겹쳐져 결함의 신호 구분이 어려웠다. 추후 DAC 설정 및 결함 평가 방법 개선은 물론 내화벽 입구에 있는 결함의 탐상 방법에 대한 연구를 진행할 예정이다.

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④ 4번 그룹 유도 초음파 검사 결과 및 분석
<그림 10>은 4번 그룹 유도 초음파 검사 결과 이미지이며, <표 6>은 결함 CSA 값과 결함 위치를 나타낸다. 내화벽 입구가 선명하게 확인되었으며, 내화벽 내부에 있는 결함 신호가 확인되었다.
특이 사항으로, 결함 위치 설계값과 측정값이 일치하지 않았다. 결함 신호는 확인되나 분해능이 떨어졌으며, 결함 CSA 설계값과 측정값에는 다소 차이가 있었고, 결함의 깊이가 증가함에 따라 CSA 측정값이 증가하지 않음을 확인하였다. 이는 콘크리트 타설로 인한 신호 감쇄로 추론된다. 추후 DAC 설정 및 결함 평가 방법 개선은 물론 CSA 측정값에 대한 정확성 향상에 대한 연구를 진행할 예정이다.

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결 론

한국전력의 기업 부설 연구소인 전력연구원에서는 압전소자 방식의 유도 초음파(Guided wave)의 원리를 이용하여 발전소 내에 설치된 재열기 튜브(Intrex RH)의 내화벽 안에서 발생되는 매몰 및 접근 한계 부위에 대한 결함 상태와 결함의 위치를 찾아내기 위하여 제작된 목업(Mock-up) 신호 파형 분석을 통해 결함 유무와 결함 위치에 따라 배관을 그룹화하였고, 각 결함 깊이의 변화에 따른 결함 CSA(Cross Section Area) 값 측정을 통해 결함 CSA 설계값과 측정값을 비교하였으며, 결함 위치의 설계값과 측정값도 비교하였다.

설계 제작된 재열기 튜브 검사용 압전 센서를 이용한 유도 초음파 비파괴 검사 데이터 취득 및 결함 평가 시스템 개발 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

① 결함이 없는 1번 그룹 P배관에서는 용접부 신호와 내화벽 입구 신호가 확인되었으며, Q배관에서는 내화벽 입구 신호만 확인되었다. 또한 용접부 신호와 내화벽 입구 신호의 진폭이 유사하였으며, 내화벽 입구 신호에 비해 내화벽 출구 신호는 낮은 진폭을 보였다.
② 2번 그룹 유도 초음파 검사 결과 내화벽 외부에 있는 결함 신호가 선명하게 확인되었으며, 내화벽 입구 신호도 확인되었다. 결함의 위치는 설계값과 측정값이 일치하였고, 결함 깊이가 증가할수록 결함 CSA 측정값이 증가하였다. 또한
결함 CSA 설계값과 측정값이 차이가 있음을
확인하였고, 각 차이에 대한 비율이 유사함을 확인하였다.
③ 3번 그룹 유도 초음파 검사 결과 B와 F배관에서는 용접부 신호와 내화벽 입구 신호가 확인되었으며, H와 K배관에서는 내화벽 입구 신호만 확인되었다.
또한 결함 신호와 내화벽 입구 신호가 겹쳐져 결함의 신호 구분이 어려웠으며, DAC 설정 및
결함 평가 방법 개선은 물론 내화벽 입구에 있는 결함의 탐상 방법에 대한 연구가 필요하였다.
④ 4번 그룹 유도 초음파 검사 결과 내화벽 입구가 선명하게 확인되었으며, 내화벽 내부에 있는 결함 신호 또한 확인되었으나 결함 위치 설계값과 측정값이 일치하지 않았다. 결함 신호는 확인되나 분해능이 떨어졌으며, 결함 CSA 설계값과
측정값에는 다소 차이가 있었고, 결함의 깊이가 증가함에 따라 CSA 측정값이 증가하지 않는 것을 확인하였다.

본 연구를 토대로 내화벽 내부에 있는 결함 신호의 위치 및 분해능 개선은 물론 실제 유동층 보일러 재열기 튜브 검사에 활용할 수 있다.


<참고문헌>
[1] Haiquan Geng, Yuemin Wang, Le Chen and Wenli Deng “Inspection of Bend Discontinuities Based in the Comparison of the Frequency Responses of Ultrasonic Guided Wave in Small Diameter Tubes.” MATERIALS EVALUATION DECEMBER 2018 VOL.76, No12, pp.1637~1646. 2018
[2] Sebastian Heinlein, Peter Cawley, Thomas Vogt and Stephen Burch “Blind Trial Validation of a Guided Wave Structural Health Monitoring System for Pipework.” MATERIALS EVALUATION AUGUST 2018 VOL.76, No8, pp. 1118~1126. 2018
[3] D. N. Alleyne, B. Pavlakovic, M. J. S. Lowe, and P. Cawley, “Rapid, lone range inspection of chemical plant pipework using guided waves.” Insight 43, pp.93~96, 101. 2001
[4] D. N. Alleyne and P. Cawley, “Long range propagation of Lamp waves in chemical plant pipework.” Mater. Eval. 55, pp.504-508, 1997 lone range inspection of chemical plant pipework using guided waves, Insight 43, 93~96, 101. 2001
[5] R. Kumar, “Dispersion of axially symmetric waves in empty and fluid-filled cylindrical shells.” Acustica 27, pp.317~329. 1972
[6] L. D. Lafleur and F. D. Shields, “Low-frequency propagation modes in a liquid-filled elastic tube waveguide.”
J. Acoust. Soc. Am. 97. pp.1435~1445. 1995
[7] B. K. Sinha, T. J. Plona, S. Kostek, and S. K. Chang, “Axisymmetric wave propagation in fluid-loaded cyhlindrical shells, I. Theory.” J. Acoust. Soc. Am. 92, pp.1132~1143. 1992
[8] T. J. Plona, B. K. Sinha, S. Kostek, and S. K. Chang, “Axisymmetric wave propagation in fluid-loaded cyhlindrical shells, Ⅱ. Theory versus experiments.” J. Acoust. Soc. Am. 92, pp.1144~1155. 1992
[9] J. Ma, F. Simonetti, and M. J. S. Lowe “Scattering of the fundamental torsional mode by an axisymmetric layer inside a pipe.”, 2006 Acoustical Society of America. VOL.120, No4, pp.1871~1880. 2006

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