복잡해진 석유화학플랜트 배관관리, 유도초음파 검사기법으로 해결한다

초음파 통해 대형 구조물의 원거리 비파괴검사 가능
전세계적 활용 초기단계…글로벌 기술로 경쟁 기대

석유화학플랜트에서 가장 많은 구성요소는 배관이며, 이러한 배관들은 주요설비에서 생산된 물질을 수송하는 매우 중요한 역할을 수행한다. 

이러한 배관 중에서는 저온 혹은 고온으로 수송물질의 온도변화를 최소화하기 위하여 단열재를 이용하여 배관외면을 덮고 있는 배관들이 다수 존재한다. 

단열된 배관들은 단열재하 부식(CUI : Corrosion Under Insulation)이 발생하여 최근 석유화학플랜트의 건전성에 큰 위협이 되고 있다. 

이들 배관의 안전관리를 위해 비파괴적인 방법으로 초음파 검사(UT), 방사선 투과 검사(RT), 와전류 탐상 검사(ECT), 자속누설 탐상(MT)등의 방법들이 적용 중이다. 그러나 이러한 검사방법들은 공통적으로 센서가 위치하고 있는 지점만을 검사하는 방식이 대부분이기 때문에 배관설비의 긴 거리를 전체를 탐상하기에는 많은 시간적 제약과 경비의 어려움이 따른다. 

이런 문제의 해결책으로 다양한 비파괴방법들이 고려되고 있으며, 그 중 현장적용의 단계에서 최근 고려되고 있는 것이 유도초음파 검사방법이다. 

가스안전공사, 한국형 탐지기술 연구개발 

유도초음파 기술은 검사대상체에 입사된 초음파가 판이나 관과 같은 경계가 제한적인 구조물 내에서 다중 반사를 일으켜 상호간섭과 중첩이 발생하게 되면서 길이방향으로 보강간섭(constructive interference)효과에 의해 대상체의 두께 방향이 아닌 길이 방향으로 전파하는 새로운 형태의 초음파를 이르는 말이다. 

박판이나 관과 같은 구조물의 축방향으로 전파하므로 원거리 비파괴 검사가 가능해 지며, 초음파 센서를 부착한 지점으로부터 수십미터를 전파해 가면서 원거리 비파괴 검사가 가능하다. 이 때문에 대형 구조물이나 배관에 대한 전체적인 검사가 가능하기 때문에 검사시간을 단축하고, 검사비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 유도초음파는 배관이나 판의 형상에 따라 서로 다른 전파특성을 나타내기 때문에 유도초음파 검사를 적용하기 전에 반드시 검사배관에 대한 전파특성을 나타내는 분산선도의 도해가 필수적이다. 

검사대상에 대한 분산선도로부터 유도초음파가 전파할 때 특정모드의 최대 변위값을 나타내는 파형구조를 분석하여, 검사 대상에 맞는 최적의 모드 및 주파수를 선정하여야만 최상의 유도초음파 신호를 획득 할 수 있다. 이렇게 유도초음파 검사기법은 원거리를 탐상 할 수 있는 장점을 살리기 위해서는 많은 이론적 해석과 실험적 결과가 필요함에도 불구하고, 전세계적으로 유도초음파 검사에 대한 절차가 아직도 마련되지 않은 실정이다. 

이러한 시점에서 한국가스안전공사에서는 전세계적으로 활용중인 장비들을 비교분석하여, 유도초음파를 이용한 배관결함 탐지기술(일명 KGS-MUGIS)을 글로벌 Top 기술로 선정하여 개발을 추진하고 있다. 

집속기술 활용해 진단오류 최소화

유도초음파 검사시스템은 전세계적으로 많은 연구개발이 수행되고 있다. 하지만, 상용화에 성공하여 외부에 검사를 수주하여 수행하고 있는 장비는 그리 많지 않은 현실이다. 

국내에서도 크게 두 종류의 유도초음파 장비가 도입되어 활용 중이다. 각 장비마다 서로 다른 장단점이 있어, 본 연구개발에서는 이러한 장비들의 장점 중에 국내의 현실에 맞도록 기존장비의 장점을 포함하고, 추가적으로 검사의 신뢰성향상을 위해 배열형 센서를 이용하여 송수신 에너지를 향상시키고, 유도초음파 집속기술을 적용한 다채널 유도초음파 검사시스템을 개발하고자 하였다.  

일반적으로 배관에 적용되는 유도초음파기술은 배관전체를 따라 전파하기 때문에 수신신호로부터 배관의 원주방향 결함정보를 판별할 수 없다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서 원주방향으로 센서를 배열하여 사용하는 GUL사의 장비의 경우 수신신호가 가장 큰 부위에 위치하는 센서의 방향에 결함이 있다고 추정하여 나타낸다. 하지만 정밀한 결함정보 획득을 위해서는 원주방향으로 유도초음파를 집속시켜서 수신신호가 가장 크게 나타나는 지점을 확인하는 기술이 필요하다. 이를 위해서도 각각의 센서를 개별로 제어하여 발진하고 개별로 수신하여 분석할 수 있는 장치가 필요하게 된다. 

KGS-MUGIS 장치는 16채널로 구성하여 집속기법을 적용하지 않더라도 GUL사의 장비와 같이 센서의 수신신호로부터 결함이 존재하는 위치를 대략적으로 추정할 수 있다. 여기에 유도초음파 집속기술을 적용하게 되면, 보다 더 세밀한 결함의 원주방향 위치정보를 확인 할 수 있도록 하였다. 

이렇게 기존의 장비들의 단점을 보완하기 위하여, 개발하고자 한 다채널 유도초음파 검사 장치는 배관에 유도초음파 검사를 수행할 때, 위상배열초음파 기술과 동일한 집속기능을 가지는 것이 가장 큰 장점이다. 

시험모델 제작완료, 현장적용 준비단계

 KGS-MUGIS 다채널 유도초음파 검사장치의 장점을 가장 효과적으로 나타낼 수 있는 특징은 바로 유도초음파 집속기술이다. 

유도초음파의 송수신 에너지 향상을 위하여 배열형 센서를 사용하는 기술을 다양하게 적용되어 왔으나, 본 연구개발에서는 독립적인 16개의 채널을 구성하여, 각 센서별로 시간지연을 이용하여 특정지점에 유도초음파가 집속이 가능하도록 개발하였다. 유도초음파 집속기술을 앞에서도 언급한 바와 같이 결함으로 추정되는 지점에 송신 및 수신에너지를 향상시켜 결함의 탐지능력을 향상 할 수 있을 뿐만이 아니라, 유도초음파 결함정보를 가시화 하는 기법의 핵심 기술이다. 

외국장비에 의존적이던 국내 유도초음파 시장에서 30~50m의 비교적 짧은 검사대상에 관심있는 국내 산업설비 여건에 적합한 유도초음파 검사시스템의 개발을 하고자 하였다. 이를 위해 채널수를 늘려서 송신에너지를 향상하고, 집속기술을 적용하여 결함 탐지능 및 원주방향 결함 위치정보를 정밀하게 획득이 가능한 유도초음파 탐상시스템을 구성하였다. 

1단계에서 초기모델인 8채널 배열유도초음파 시험장치를 제작하여 배관에 존재하는 결함 검출의 성능을 입증하고, 2단계에서는 채널수를 8채널에서 16채널로 업그레이드하고 신호기반 집속알고리즘 적용이 가능한 유도초음파 검사장치(KGS-MUGIS)를 개발하였다. 검사여건을 고려하여 관련 구성품을 현장에 최적화 하였다. 

현재 다채널 유도초음파 검사 시스템인 KGS-MUGIS는 시험모델의 제작을 완료하고, 현장적용을 위한 준비단계에 있다. 향후 현장 테스트를 통해 본격적인 진단을 위한 세부개선작업이 수행될 예정이다. 또한 현장적용을 위한 유도초음파 절차서도 개발하여, 체계적이고 효율적인 유도초음파 진단을 수행하는 기준을 마련하기 위한 연구가 진행 중에 있다. 

KGS-MUGIS 개발을 통하여 크게는 사용중인 산업설비 배관에 대한 안전성을 향상시키고, 작게는 유도초음파 검사장치를 국내의 순수기술력으로 독자개발하여 외국기술에 의존성을 탈피하고 선진국과 동등이상의 기술을 보유하게 되었다. 

앞으로 기존의 유도초음파 장비들과 같이 활용하여 각각의 장점을 살리고, KGS-MUGIS를 통하여 유도초음파 검사의 신뢰도를 향상시킴으로서 배관의 안전성을 확인하는 핵심기술로서 자리매김할 수 있도록 최선의 노력을 다하고자 한다.