열교환기 튜브 검사용 비접촉식 전자기 음향 센서의 개발과 응용 = Applications and development of non-contact electromagnetic-acoustic sensors for heat exchange tube inspection|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The heat exchanger, which transfers heat from one medium to another, is widely used in power plant industry. Its condenser consists of a large number of tubes that are manufactured very thin so as to increase the heat exchange efficiency. Because of their thinness, however, they can be easily destroyed when a defect occurs. Therefore, non-destructive testing is periodically performed to detect and remove any such damages (from it) and maintain it at its optimal state.
To detect defects in a heat exchanger tube, currently, the Eddy Current Testing (ECT) is mainly used which involves a leak test and then an a point by point inspection. The problem, however, is that this conventional method can hardly detect the defects that are intensively found in the expansion zone, in which residual stress and fluid flow tends to concentrate, and in the region of the tube support plate and bend as well. The ECT, relying on changes in impedance, should be sensitive to unwanted material properties and shape as well as to the target defects. It is often too heavily influenced by the material of the tube support plate, to detect the defect signals optimally; it tends to take too long and to have difficulties in testing the inlet and outlet areas due to the shape of the sensor.
To overcome these limitations, a non-contact ultrasonic guided wave technique using the electro-magnetic acoustic sensors(EASs) was applied. The proposed method is a non-contact NDE technique using the ultrasonic wave generated by Lorentz and magnetostrictive forces. In addition, a signal process technique has been developed to analyze the characterization of defects. Expecially, the technique analyzes the frequency dependence of the defects and effectively avoids the problem related to the conventional guided ultrasonic wave method that depended on the reflected signal.
In order to improve performance verification, two types of EASs have been designed and fabricated to better analyze the signal characteristics of the guided waves from the sensor in the heat exchanger tube. Its applicability to nondestructive evaluation has been tested by applying it to tubes with artificial defects to evaluate its detectability and to size its performance. First, it is shown that the EASs can transmit and receive the mode selectively. The sine wave synthesis and time-frequency analysis methods have shown that it can identify defect signals from false signals from the tube support plate. Based on these results, the dissertation claims that the new EAS-based technique will constitute a much more efficient and reliable method in nondestructive evaluation.

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국문 초록 (Abstract)

열교환기는 다른 유체 간에 열에너지를 교환하는 기기로서 발전시설에 사용되는 중요한 설비중의 하나이다. 열교환기 내부에는 수많은 튜브가 설치되어 있는데 열전달 효율을 높이기 위해 두께가 매우 얇게 제작되어 있어서 결함발생 시 쉽게 파괴될 수 있다. 따라서 사전에 손상을 감지하고 적절한 조치를 취하여 그 상태를 최적화로 유지하기 위하여 비파괴검사가 주기적으로 진행 되고 있다. 열교환기 튜브를 평가하는 기존의 방법으로 누설시험(leak Test)과 국부 검사법(point by point inspection)인 와전류탐상검사(Eddy Current Testing)가 주로 활용되고 있다.
열교환기 튜브에서 결함이 많이 발생되는 영역은 잔류응력과 유체이동이 집중되는 확관부이며, 또한 곡관부와 튜브 지지판 영역에서도 결함이 발생되는데 이 부위는 기존의 검사방법으로 튜브를 평가하기에 어려움이 있다. 그 이유로, 와전류탐상검사는 임피던스(impedance) 변화를 이용하여 결함을 검출하기 때문에 결함신호 뿐만 아니라 재질과 형상에도 민감하게 변화하기 때문이다. 특히 튜브 지지판 영역에서는 지지판 재질의 영향으로 결함신호를 정량적으로 평가하는데 많은 어려움이 있다. 또한 기존의 검사방식은 검사시간이 많이 걸릴 뿐만 아니라 센서 형상 문제로 튜브 입 출구 부위의 검사에 어려움이 있다. 따라서 이러한 문제점들을 극복하고 튜브내 결함을 평가하기위해 비접촉식 전자기유도초음파기법을 제안하고자 한다.
본 연구에서 제안하는 기법은 로렌츠힘(lorentz force)과 자왜력(magnetization force)에 의해 발생한 초음파가 시험체를 따라 전파하고 결함검출이 가능한 비접촉식 비파괴검사 기법이다. 그리고 이 기법을 응용하여 결함특성을 분석할 수 있는 신호분석 기술을 개발하고자 하였다. 특히 결함신호 특성분석에서는 반사신호 진폭에 의존하는 기존 유도초음파기법의 문제를 해결하기 위해 결함신호의 주파수의존성을 분석하는 기법을 제시하였다.
본 연구에 대한 검증을 위하여, 첫째 두 종류의 전자기 음향 센서(Electromagnetic Acoustic Sensor:EAS)를 설계 제작하여 열교환기 튜브에서의 유도초음파 신호특성을 분석하였으며, 튜브에 가공한 인공결함에 대한 결함검출능을 분석하여 비파괴평가에의 적용 가능성을 검증하였다. 우선 제안한 기법을 검증하기에 앞서 설계 제작된 비접촉식 전자기 음향 센서에 의해 선택적으로 모드를 송․수신할 수 있는지를 확인하였다. 둘째, 튜브내 결함신호의 주파수의존성을 분석하고 결함유형 분석에 적용하여 결함식별을 수행 하였다. 이를 위해 디지털 필터링(digital filtering)기법과 정현파 합성기법(sine wave synthesis)을 적용하여 다양한 인공결함과 튜브내 대표적인 의사신호인 튜브 지지판 신호의 식별을 수행하여 그 성능을 실험적으로 검증하였다.

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열교환기는 다른 유체 간에 열에너지를 교환하는 기기로서 발전시설에 사용되는 중요한 설비중의 하나이다. 열교환기 내부에는 수많은 튜브가 설치되어 있는데 열전달 효율을 높이기 위해 ...

목차 (Table of Contents)

제1장 서론 1
1.1 연구 배경 및 필요성 1
1.2 연구 내용 및 방법 4
제2장 관련 이론 6
2.1 전자기 음향 센서의 송ㆍ수신 메커니즘 6

제1장 서론 1
1.1 연구 배경 및 필요성 1
1.2 연구 내용 및 방법 4
제2장 관련 이론 6
2.1 전자기 음향 센서의 송ㆍ수신 메커니즘 6
2.1.1 초음파 송신 메커니즘 6
2.1.2 로렌츠 힘(lorentz force) 8
2.1.3 자화력(magnetization force) 9
2.1.4 초음파 수신 메커니즘 10
2.1.5 전자기 음향 센서의 응용 12
2.2 유도초음파의 특성 및 분산선도 15
2.2.1 튜브내에서의 유도초음파 15
2.2.2 튜브내에서의 유도초음파 분산곡선 20
제3장 EMAT을 이용한 열교환기 튜브 탐상 21
3.1 개요 21
3.2 열교환기 튜브 23
3.2.1 결함유형의 조사 및 분석 23
3.2.2 열교환기 제원 조사 28
3.3 탐상장치 및 시험편 32
3.3.1 EMAT 시스템 32
3.3.2 인공결함시험편 34
3.4 EMAT 설계 및 제작 38
3.4.1 EMAT 설계 38
3.4.2 EMAT 제작 41
3.5 탐상방법 42
3.6 탐상 결과 및 고찰 43
3.6.1 모드식별 43
3.6.2 신호특성 고찰 50
3.6.3 현장 실증 Mock-up 시험편 52
3.7 소결론 54
제4장 MsS를 이용한 열교환기 튜브 탐상 55
4.1 개요 55
4.2 MsS의 원리 56
4.2.1 MsS와 EMAT의 비교 58
4.3 탐상장치 및 시험편 59
4.3.1 MsS 시스템 59
4.3.2 인공결함시험편 60
4.4 탐상 방법 67
4.5 탐상 결과 및 고찰 68
4.5.1 모드식별 68
4.5.2 결함형상별 신호특성 73
4.5.3 튜브 지지판 신호특성 82
4.5.4 현장 실증 Mock-up 시험편 85
4.6 소결론 88
제5 장 신호처리 알고리즘 개발 89
5.1 개요 89
5.2 결함/의사신호 식별 알고리즘 90
5.2.1 튜브 지지판 신호 특성 92
5.3 결함유형 식별 알고리즘 97
5.3.1 결함 유형에 따른 신호 특성 99
5.4 사인 합성 알고리즘 101
5.4.1 실험방법 101
5.4.2 사인 합성 결과 101
5.5 소결론 107
제6장 결론 108
참고문헌 110
영문초록(abstract) 115
감사의 글 117

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