한국해양공학회지제 29 권제 2 호, pp 199-206, 2015 년 4 월 / ISSN(print) 1225-0767 / ISSN(online) 2287-6715 Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 29(2), 199-206 April, 2015 http://dx.doi.org/10.5574/ksoe.2015.29.2.199 해양파이프라인비파괴검사를위한와전류센서개발 이슬기 * 송성진 * * 성균관대학교기계공학과 Eddy Current Sensor Development for Offshore Pipeline NDT Inspection Seul-Gi Lee * and Sung-Jin Song * * Department of Mechanical Eng., Sungkyunkwan University, Suwon, Kyunggi-do, Korea KEY WORDS: Offshore pipeline 해양파이프라인, Non-destructive testing 비파괴검사, Eddy current 와전류, Sensor 센서, Corrosion 부식 ABSTRACT: Regular high-strength carbon steel is currently the most commonly used pipe material for onshore and offshore pipelines. The corrosion of offshore pipelines is a major problem as they age. The collapse of these structures as a result of corrosion may have a heavy cost is lives and assets. Therefore, their monitoring and screening is a high priority for maintenance, which may ensure the integrity and safety of a structure. Monitoring risers and subsea pipelines effectively can be accomplished using eddy current inspection to detect the average remaining wall thickness of corroded low-alloy carbon steel pipelines through corrosion scaling, paint, coating, and concrete. A test specimen for simulating the offshore pipeline is prepared as a standard specimen for an analysis and experiment with differential bobbin eddy current sensors. Using encircling coils, the signals for the defect in the simulated specimen are analyzed and evaluated in experiments. Differential bobbin eddy current sensors can diagnose the defects in a specimen, and experiments have been carried out using the developed bobbin eddy current sensor. As a result, the most optimum coil parameters were selected for designing differential bobbin eddy current sensors. 1. 서론원유채굴수심이심해로깊어짐에따라상승하는수압에견디기위해파이프라인부설시점차두꺼운고가의배관적용요구가많아지고있다. 해양, 특히심해유정의경우, 깊은수심, 고온, 고압등의까다로운환경조건으로인해개발에있어많은어려움이있으므로이를극복하면서해양구조물의신뢰성을높이기위한새로운구조설계방법이개발되고있으며 (Lee and Kim, 2014; Lee et al., 2014), 다양한부식환경하에서발생하는손상을검출하기위한비파괴검사법도개발되고있다 (Xu et al., 2014). 해양자원개발이갖는또다른어려움은해양이라는부식이잘발생하는환경조건, 이와더불어, 유정으로부터운반되는생산유체속에는파라핀계탄화수소 (C nh 2n+2) 뿐만아니라부식을유발하는높은농도의염화나트륨 (NaCl) 및황화수소 (H 2S) 와이산화탄소 (CO 2) 등을함유하고있기때문이다. 황화수소 (H 2S) 와이산화탄소 (CO 2) 는공식 (Pitting corrosion) 과용접열영향부와용착금속에가로균열, 세로균열등저온균열을유발한다. 또한파이프라인내에흐르는생산유체의흐름속도에따라밴드 (Bend), 엘보우 (Elbow), 티 (Tee), 밸브, 노즐등에서발생하는난류또는캐비테이션에의한침식부식 (Erosioncorrosion) 이발생하기도한다 (API, 2007; DNV, 2007). 근래의설계와새로운기술이적용되어야하는더욱심각한조건의응력, 온도, 부식등에노출되는경우에는고성능의합금을필요로한다. 그러나, 고강도와내식성을가진새로운합금들이인장응력과부식환경이함께작용하여발생하는환경기인균열 (Environment-assisted cracking) 에는오히려더민감한경우가많아그결과환경기인균열의발생은급격히증가하고있다 (Wika, 2012). 응력부식균열 (Stress corrosion cracking), 부식피로균열 (Corrosion fatigue cracking), 수소기인균열 (Hydrogen induced cracking) 는그발생기구의규명이힘들고, 발생가능성또한예측하기어렵기때문에가장위험한부식형태 (Catastrophe effect) 에속하며, 해양및석유화학산업에서많은사고의원인이되고있다. Restrepo 등의 Received 2 April 2015, revised 22 April 2015, accepted 22 April 2015 Corresponding author Sung-Jin Song: +82-31-290-4751, sjsong@skku.edu c 2015, The Korean Society of Ocean Engineers 199
200 이슬기 송성진 조사에의하면, 2002년 1월부터 2005년 12월까지미국의파이프라인사고 1582건중배관부식에의한사고가 213건 (13.5%) 으로가장많은비중을차지하였다 (Restrepo et al., 2009). 최근, 이러한부식을방지하기위하여내식합금 (CRA, Corrosion resistant alloy) 재료인 Duplex stainless steel (22 Cr), Super duplex stainless steel (25 Cr), Stainless steel (316L, 625, 825, 904L), Ni (Invar), Titanium 등을사용하여주로탄소강이사용되는파이프라인내부에클래드 (Clad) 또는라인드 (Lined) 형태의파이프라인으로가공하여적용하는사례가증가하고있다 (Yu et al., 2014). 하지만, 내식합금도특정부식환경조건에서여전히공식, 틈새부식, 갈바닉부식등에민감하다. 해양파이프라인에서발생한공식사례를 Fig. 1에나타내었다. 방식설계에도불구하고고가의생산설비를보전하기위하여정기적인배관내 외부부식을정밀하고또한신뢰성있는비파괴검사기법이요구된다. 비파괴검사방법에는여러가지가있으나와전류검사법은정밀하게센서를이용하여관내부식또는침식에의한결함을검출할수있을뿐만아니라, 전자기장특성때문에코팅, 단열재, 스케일, 해양부착물등의영향을받지않고부식결함부분을검사할수있다. 파이프라인표면에발생하는공식, 틈새부식및피로균열등의결함은원주방향, 종방향또는국부적인부식으로구분할수있는데, 본연구에서는원주방향결함을검출하는데적용가능한차동형보빈와전류센서 (Differential bobbin eddy current sensor) 를개발하는데주안을두었다. 차동형와전류센서를적용하여코팅된해양라이저결함을검출하는사례를 Fig. 2에나타내었다. 와전류센서를적용하여개발된파이프라인내부검사용 Pigs (Pipe inspection gear) 를 Fig. 3에보여주고있다. 본연구에서는전자기장민감도해석을통하여센서설계변수를결정하였으며, 표준시험편에대하여실험을수행하여이를각실험결과와비교하여개발한차동형보빈와전류센서가파이프라인의결함을검출하는데있어유용함을확인하였다. Fig. 2 An example of pulsed eddy current surveys ferrous pipes through coatings (Google image) Fig. 3 Pigs for offshore pipeline inspection (Rocorr, 2013) 2. 이론적배경 와전류는 1831년 Faradays가전자기유도현상의발견에서기원하며, 1879년 Huges 는전도성 (Conductivity) 과투자율 (Permeability) 이다른재료에코일을두면그특성이변화하는것을확인하였지만, 2차대전종전까지주목을받지못하였다. 1950년대와 60년대를거치면서많은연구가이루어져서정밀도를갖춘와전류탐상법 (Eddy current testing, ECT) 이항공, 원자력산업, 해양플랜트등에널리이용되게되었다. Fig. 1 Pitting corrosion in offshore pipeline (Rocorr, 2013) 2.1 와전류이론교류전류가흐르는코일을도체시험편에가까이가져가면코일에흐르는전류에의해발생한 1차자기장에의해도체에 2 차자기장이 Fig. 4와같이유도된다. 이때코일을움직이면도체의 2차자기장이변하고이로인해코일의 1차자기장의세기가변하면서코일속에흐르는전류가달라지게된다. 교류전류로가진한한개의와전류코일은저항과인덕턴스를포함하는 A.C. 회로로대략적으로얻을수있다. 전압 V에서전류 I의
해양파이프라인비파괴검사를위한와전류센서개발 201 Table 1 Standard penetration depth of corrosion depending on operating frequencies with μ r 1, μ 0 = 4π 10-7 (H/m), σ= 6.135 10 6 (S/m) Fig. 4 Eddy Current Principle (Rocorr, 2013) 비인임피던스 를옴의법칙을이용하여얻는다. 임피던스 는다음과같다. (1) 교류전류가주파수 f 에서코일의인덕턴스 L을통하여흐를때, 코일의임피던스는회로의유도리액턴스 X L 과같다. 마찬가지로운용주파수 f 에서저항 R과인덕턴스 L인코일을흐르는교류전류에대한임피던스 는아래의식과같다. (2) 코일의임피던스크기 와위상각 는다음과같이나타낼수있다 (Rao, 2007). Frequency [khz] δ [mm] 2 δ [mm] 1 0.6426 1.2851 5 0.2874 0.5747 10 0.2032 0.4604 15 0.1659 0.3318 20 0.1437 0.2974 30 0.1173 0.2346 40 0.1016 0.2032 50 0.0909 0.1817 100 0.0643 0.1285 식 (5) 에의하여주파수에따른표준침투깊이를계산하면 Table 1과같다 (Moore, 1986). 2.3 와전류센서의탐촉자회로구성 두가지일반적인시스템을이용하는데전기브리지회로와 필터회로가있다. 이두가지시스템은기본신호와연관된값 인임피던스 Z를전기적으로평형상태를맞춘다. 시스템이실 험설정의큰임피던스로평형상태를맞추기때문에측정시 스템은변수 ( 결함, 두께변화, 전기전도도등 ) 에서작은편차와 관련된신호의변화를검출하는것이필요하다. Fig. 5에나타낸 휘스톤브리지를이용하여회로를구성하였고평형상태는식 (6) 과같다. (6) (3) (4) 2.2 표준침투깊이와전류탐촉자를시험편위에올려놓았을때, 시험편내에전도된와전류는시험편내에서균일하게분포하지않는다. 와전류밀도는시험편표면근처에서가장밀도가크고시험편아래로깊이가깊어질수록줄어들며이러한현상을표피효과라한다. 표면에서와전류밀도가 1/e 또는 37% 까지감소했을때의침투깊이를표준침투깊이 δ 라고하며이는식 (5) 와같다. 여기서, f 는주파수 (Hz), μ 0 는진공상태에서의투자율 (H/mm), μ r 은매질의투자율과진공투자율의비인상대투자율, σ는전기전도도 (S/m) 를나타낸다. 식 (6) 에서와같은조건이되면시스템이평형상태즉, 전압계가 0이된다. 시스템이평형상태로탐촉자가측정을시작하여결함위를지날때불평형상태로바뀌면서발생하는임피던스의작은변화를 Fig. 6과같이탐촉자를통하여측정할수있다. 즉, 휘스톤브리지를이용하여결함이없는파이프라인위를와전류탐촉자가진행할때는 Fig. 6(a) 와같이임피던스의위상과진폭의변화가없지만, Fig. 6(b) 와같이부식으로인해 (5) Fig. 5 Wheatstone bridge
202 이슬기 송성진 (a) Sensor over intact pipe (b) Sensor over metal loss Fig. 6 Eddy Current Principle (Rocorr, 2013) 파이프라인이손상되면위상과진폭이변하게된다 (Shull, 2002). 3. 와전류센서민감도해석 3.1 와전류센서전자기장해석본연구에서최종적으로검출하고자하는해양파이프라인내부에발생하는표면결함은내삽형와전류센서로검출가능하다. 내삽형와전류센서는외부표면결함을검출하기위한외삽형와전류센서와기구적으로동일하다. 따라서, 설계및제작이용이한외삽형와전류센서를우선개발한후이를해 양파이프라인에사용할내삽형와전류센서개발에적용하도록한다. 와전류센서를설계하는데필요한설계변수에는 Fig. 7에서보인바와같이코일지름, 코일사이간격인코일간격 (Coil gap), 코일폭 (Coil width), 코일높이 (Coil height), 코일권선수 (Coil turns), 검사대상물과탐촉자와의센서유격 (Lift-off), 주파수등을고려할수있다. 본연구에서는코일간격, 코일폭, 주파수를설계변수로지정하였다. 센서를제작하기위해설계변수들중코일권선수와코일간격에대하여 COMSOL Multiphysics 4.4를이용하여해석을수행하였다. 해석모델은 Fig. 8(a) 과같으며코일의자속밀도 (Magnetic flux density) 가시편에침투하는결과는 Fig. 8(b) 에나타내었다. 해석조건은전압 5V, 코일선경 0.1mm, 센서유격 0.5mm로설정하고권선수는 50회, 100회그리고, 코일간격은 3mm, 3.5mm, 4mm, 4.5mm로선정하고, 각결함에대하여임피던스변화량을 Fig. 9 에나타내었다. Fig. 9(a) 에서결함깊이에따라코일권선수가 100회일때결함깊이 1mm에서임피던스변화량이약 3배정도컸다. 마찬가지로 Fig. 9(b) 에서코일권선수 100회가 50회보다일정한경향을보였으며, 코일사이간격이좁을수록임피던스변화량이큰것을확인하였다. Fig. 7 Eddy Current Sensor parameter (a) Impedance sensitivity for number of turns (a) Analysis model (b) Analysis results for Magnetic flux density Fig. 8 2D axis symmetric eddy current analysis (b) Impedance sensitivity for coil gap Fig. 9 Eddy current analysis results
해양파이프라인비파괴검사를위한와전류센서개발 203 따라서, 위의해석결과를바탕으로코일권선수는 100회, 코일간격은와전류탐상법의경우세밀한코일간격변화에도영향을많이받기때문에시뮬레이션에서확인하였던결과보다작은간격인 0.5mm 간격정하였고, 와전류신호와의밀접한관계를알아보기위하여 3mm, 3.5mm, 4mm, 4.5mm로선정하였다. 3.2 주파수변화에따른와전류센서특성평가본연구에서해석에적용한주파수는식 (5) 와 Table 1을통하여결정한주파수범위인주파수 10, 20, 30, 50, 100kHz이다. 이를 Fig. 10에중첩하여나타내었다. 이때시험편의결함깊이가깊어질수록진폭이변하는정도가커지는것을확인할수있다. Fig. 10에서 20kHz와 30kHz가비슷한크기의신호로다른주파수에비하여큰것으로확인하였다. 이는 Table 1에서주파수 20 및 30kHz 의 2δ 의값이본연구의검출목표인 0.2mm 결함을검출할수있는주파수인것을알수있다. Fig. 11에서 20kHz와 30kHz의결함신호가결함깊이가깊어짐에따라점점크지만, 주파수 50 및 100kHz의경우 0.4mm 결 함이상에서는나머지결함신호가거의변화를나타내지않았다. 이는식 (5) 와 Table 1에의하여 100kHz에서결함신호가포화 (Saturation) 되었음을알수있다. 따라서, 본연구에서최소검출결함깊이는 0.2mm로최종적으로적용할주파수는 20kHz와 30kHz로선정하였다. 3.3 코일간격, 코일폭에대한와전류센서특성 3.3.1 코일간격에대한변화 20, 30kHz 시험주파수와코일폭 1mm, 2mm인각각의코일에대하여코일간격에따라해석하였다. 코일간격은 3mm, 3.5mm, 4mm, 4.5mm 간격으로 4가지의코일간격에대하여결함신호의특성변화를 Fig. 12에서보인바와같이얻을수있었다. Fig. 12(a) 와같이시험주파수 20kHz에서비교하였을때코일폭 1mm가 2mm보다결함검출경향이더좋은결과를나타내었으며, Fig. 12(b) 에서코일폭이 1mm일때코일간격은 3.5mm에서진폭변동폭이더큰것을알수있다. 따라서, 해석결과로부터가장좋은결과를보인센서의최종설계변수를코일폭 1mm, 코일간격 3.5mm로선정하였다. Fig. 10 Frequency comparison (a) Comparision with coil width Fig. 11 Comparison between amplitude for crack depth and frequency (b) Comparision with coil gap Fig. 12 Comparision between coil width and gap
204 이슬기 송성진 3.3.2 코일간격과주파수변화에따른와전류센서특성앞절에서결정된코일폭 1mm, 코일간격 3.5mm의설계변수로제작된와전류센서가주파수 20kHz, 30kHz 에대하여결함깊이변화에따른결과를 Fig. 13에나타내었다. 주파수 20kHz 가 30kHz 보다더큰진폭변동결과를보임에따라시험주파수는 20kHz로결정하였다. 실험에서동일하게 5V로코일에가진하였다. 그리고와전류센서의결함신호특성을획득하고, 각결함과운용주파수에따른신호특성을비교분석하기위하여 SRS사의락인 (Lock-in) 증폭기와 Lecroy 사의오실로스코프를사용하여각결함에서진폭의변화즉, 임피던스크기변화와위상값의변화를측정하였다. 4. 보빈와전류센서성능평가 Fig. 13 Difference between 20kHz and 30kHz for coil gap 3.4 표준시험편제작표준시험편을파이프라인을가정하고 Fig. 14에서보인바와같이외부표면결함검사를위한외경 25mm, 길이 231mm인봉모양의표준시험편을제작하였다. 외부에서발생가능한결함종류중보빈으로검사가능한원주균열을시험편에폭 0.5mm로 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1mm 깊이인원주균열을 EDM 노치로가공하여제작하였다. 시험편의재질은 AISI 1045 강을사용하였다. 와전류의특성은종방향부식보다는횡방향또는원주방향의부식이전자기장에덜민감하여탐지하기가더욱어려우므로, 원주방향균열을가공하여연구를수행하였다. 따라서본표준시험편과같이원주방향부식을탐지할수있다면, 종방향부식은또는국부적인부식은쉽게탐지할수있을것이다. 코일보빈은 PC 재질로, 가공가능한최소두께인 0.5mm을센서유격으로하였다. 위의해석결과들로부터코일폭 1mm, 코일간격 3.5mm 및운용주파수 20kHz 를선정하였다. 제작한보빈와전류센서를이용하여시험자가직접시험편의축방향으로이동하면서시험편의원주균열의결함신호를검출하였다. 선정한파라미터들을토대로최종적으로차동형보빈탐촉자를 Fig. 15에서나타낸바와같이설계및제작하였다. 이렇게개발된탐촉자를이용하여위의해석에서진행하였던것과동일한실험조건에서설계한와전류센서의성능을검증하였다. Fig. 16은실험을통하여각주파수크기에서결함의크기에따라진폭이변하는정도를비교하였다. Fig. 11의해석결과와비교하였을때, Fig. 16의실험결과도동일하게 20kHz 주파수가결함이깊어짐에따라신호크기차이가가장큰결과를보여주었다. 따라서시뮬레이션을통하여최종적으로선정한 Fig. 15 Developed differential bobbin eddy current probe 3.5 와전류시험시스템시험편결함검출이가능한차동형보빈와전류센서의신호특성을평가하기위하여와전류시스템을휘스톤브리지를적용하였다. 보빈와전류센서가원주균열이있는시험편의결함검출특성을평가하기위하여주파수발생장치는주파수대역이 100MHz 인 Tektronix 사의함수발생기를사용하였고모든 Fig. 14 Standard test specimen Fig. 16 Comparison between amplitude for crack depth and frequency through experiment
해양파이프라인비파괴검사를위한와전류센서개발 205 20kHz 주파수가실험에서도마찬가지로가장지배적인결과를 나타내었다. 보빈와전류센서성능평가결과는 Fig. 17과같다. Fig. 17(a) 는주파수 20kHz일때얻은차동형보빈와전류센서의저항, (b) 는리액턴스이며, (a) 와 (b) 그리고식 (2) 와식 (3) 으로부터그래프의 x축은저항, y축은리액턴스로하여나타내면, Fig. 17(c) 의임피던스면을얻을수있다. Fig. 17(c) 로부터확인할수있듯이임피던스크기가결함크기가커짐에따라임피던스도커지는것을알수있다. 따라서, 위와같은설계파라미터선정과정을거쳐제작한차동형보빈와전류센서가시험편의표면결함즉, 목표결함깊이인 0.2mm를검출하는데있어주파수 20kHz일때가장적합한것을확인하였다. 5. 결론 (a) Resistance 본연구는해양파이프라인결함검출을위한원형형태의시험용차동형보빈와전류센서를개발하였다. 또한시험편표면에인위적인결함을만들어실험을통하여정도높을결과를얻었고, 아울러본연구를통하여파이프라인외부검사뿐만아니라내부검사용센서에적용하기위한내삽형보빈와전류센서를개발하기위한토대를마련하였으며, 다음과같은결론을도출하였다. (b) Reactance (1) 외경 25mm, 재질 AISI 1045 강인표준시험편과코일선경 0.1mm, 코일폭 1mm, 권선수 100턴인차동형보빈탐촉자를코일갭 3.5mm일때 10, 20, 30, 50, 100kHz 시험주파수에서해석한결과각시험주파수에서표준시험편의각각의결함깊이가깊어질수록진폭과위상이점점커지는것을알수있다. 또한, 주파수의크기가커질수록침투깊이가얕아져 50, 100kHz는본연구에적합하지않았다. (2) 차동형보빈와전류센서에적용할적절한주파수대역을좀더좁히기위하여해석을이용하여진폭을얻었다. 그결과주파수 20kHz 가가장적절하였으며그다음으로 30kHz가적합한것을확인하였다. 또한 100kHz는 0.2mm보다큰결함에대하여결함신호가포화되었다. (3) 민감도해석을통하여결정된센서설계변수는코일폭이 1mm, 코일간격을 3.5mm로선정하였으며, 주파수 20kHz 에서실험에적용하였다. 이를바탕으로본연구의최종목표결함인 0.2mm 결함을검출하는데적합한차동형보빈와전류센서를개발하였고, 시험결과를통하여결함의깊이가깊어질수록임피던스면에서임피던스의크기가커지는것을확인하였다. (4) 해양파이프라인검사를위한외삽형와전류탐촉자설계시본연구의결과을바탕으로개발가능함을확인하였다. References (c) Impedance Fig. 17 Signal characteristics of differential bobbin eddy current sensor at 20kHz API, 2007. Design and Installation of Offshore Production Platform Piping Systems. API RP 14E, American Petroleum Institute. DNV(Det Norske Veritas), 2007. Recommended Practice Erosive Wear in Piping Systems. Rev. 4.2 Det Norske
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