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유도초음파 기술적 한계 극복위해 검사장비 독립적 구성 

대형 구조물 현장적용시험 2016년부터 추진 
석유화학플랜트 배관 관리 효율·편리성 향상

산업설비의 구성 요소 중에 가장 많은 시설이 바로 배관이다.  

배관은 마치 인체의 혈관과도 같아서 생산물 및 연료를 수송하는 역할을 할 뿐만이 아니라, 생산물들을 분배하기도 하고 불필요한 부산물을 저장, 폐기시키기 위해 이송하는 등 매우 중요한 역할을 하고 있다. 이에 따라 원활한 산업시설 운영을 위해 배관들의 안전관리를 위하여 예전부터 다양한 비파괴적 방법이 적용되어 왔다.

주요 비파괴 방법으로는 초음파 검사, 방사선 투과 검사, 와전류 탐상 검사, 자속누설 탐상 등을 꼽을 수 있다. 하지만 이러한 검사방법들은 공통적으로 센서가 위치하고 있는 지점만을 검사하는 방식이 대부분이기 때문에 배관설비의 전체를 탐상하기에는 많은 시간적 제약과 경비의 어려움이 따른다. 이보다 조금 앞선 기술로 최근에는 유도초음파 검사방법이 도입되고 있다. 

하지만 유도초음파 기술도 한 번에 수십미터를 왕복하여 수신되기 때문에 대상체에 존재하는 많은 요소들에 의해서 결함탐지신뢰도가 떨어지고, 정확한 위치의 도출이 어렵다는 것이 기술적 한계로 지적되고 있다. 

이에 가스안전공사에서는 유도초음파의 기술적 한계를 극복하기 위해 다채널 유도초음파 검사시스템 (KGS-MUGIS : Multi-channel Ultrasonic Guidedwaves Inspection System) 기술개발을 추진, 내년에 현장적용시험을 실시 한 후 2년내 상용화를 목표로 하고 있다. 

검사장치 5가지로 구성, 외국보다 정밀하고 독창적

다채널 유도초음파의 검사 장치는 크게 5가지로 구성된다. 

우선 초음파 펄서(Ultrasonic  Pulser/ Receiver)를 비롯해 A/D 컨버터, DSP & Main Controller, Probe Set, Software로 구성되며 펄서 및 리시버를 각각 8채널로 독립적으로 구성했다.(특허 제10-1218399호)

펄서와 리시버를 독립된 채널로 구성을 하게 되면 각 센서가 위치한 지점이 떨어져 있기 때문에 특정지점에 집속(Focusing)이 가능해 지게 된다. 이러한 집속기술은 외국장비 보다 더욱 정밀한 결함탐지능력을 가지는 독창적인 기술이다. 

이러한 집속기능을 효과적으로 높이기 위해서는 시간을 얼마단위로 제어 하는가가 성능향상의 최대 변수가 된다. 

본 검사장비에서는 시간을 최소 10㎱단위로 할 수 있도록 하였으며, A/D board의 사양은 12 Bit Resolution을 가지면서 60 MSample/Sec가 가능하도록 사양을 설계했다. 이는 유도초음파 장비 중 세계 최초이며 세계 최고 수준의 사양이다. 

유도초음파의 신호를 전문 검사자가 아닌 작업자일지라도 보다 쉽게 결과를 확인할 수 있도록 하기 위하여 유도초음파 검사결과를 이미지로 도출하여 쉽게 확인 할 수 있도록 결함정보 가시화 기술(Mapping) 프로그램도 적용했다.

배열형 센서를 이용한 다채널 유도초음파 검사시스템의 성능 확인을 위하여 ASTM A106 6인치(150A) Sch# 40 배관에 5mm 관통결함을 제작하고 시스템의 성능을 검증했다. 이때 사용된 기법은 원하는 목표에 초음파가 동시에 만나도록 하는 송신집속기술이다. 송신집속기법은 각 채널을 개별적으로 송수신이 가능한 장비가 아니면 적용하는게 불가능하다. 이 때문에 외국장비들은 모두 수신된 신호를 이용한 집속기술만을 구현 할 수 있다. 

장치·집속기술 동시 개발…해외의존 센서도 국산화 추진

KGS-MUGIS만의 특징인 송신집속을 적용한 결과를 절대적인 신호의 비로 확인하여 볼 때 약 7∼8배 정도 증폭되는 결과를 얻을 수 있었으며, 또한 외국장비에서 활용하는 수신집속을 동시에 적용되면 단일채널 탐상장비에 비하여 높은 결함검출 능력을 보였다. 

현재 가스안전공사 가스안전연구원에서는 장치의 보완 및 집속기술의 극대화기법 개발이 동시에 진행 중에 있다. 이를 효과적으로 활용하기 위해서 외국에 의존하던 센서를 국내의 기술력으로 개발하고, 성능검증 및 모의테스트가 가능한 현장모사설비(Mock-Up)를 구성하여 현장적용을 위한 추가연구를 수행 중에 있다. 

가스안전공사는 다채널 유도초음파 기술의 검사신뢰성과 현장 활용성을 높이기 이해 국책연구소와 성능테스트를 수행한 바 있으며 산업설비 배관 및 대형구조물에 대한 현장적용이 2016년에 추진될 예정이다. 

이에 따라 2016년 이후 ‘다채널 유도초음파를 이용한 배관결함 탐지기술’이 현장이 적용되면 배관의 안전성을 확인하는 핵심기술로서 자리매김할 수 있을 것으로 기대된다.