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소리 없는 아우성, 음향방출
 
기계의 미세한 변화에서 발생하는 탄성파로 설비를 진단한다
 
김유리기자 | 2013.01.02 | 2013년 1월호
 
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몸이 으슬으슬하니 피곤하고 입맛도 없다. 감기에 걸리기 전에 생기는 현상이다. 아직 콧물이 흐르고 기침이 나는 ‘증상’은 없지만, 앞으로 감기에 걸릴지도 모른다는 ‘징후’가 나타나는 것이다. 증상 전 징후가 나타났을 때 관리를 잘하면 감기를 예방할 수 있다. 이처럼 심각한 결함이 발생하기 전에 결함에 이르는 미세한 변화를 감지 해내는 설비진단법이 있다. 설비진단 그 마지막, 음향방출이다.
음향방출(Acoustic Emission)
음향방출은 다소 생소한 용어일 수 있다. 그 의미를 풀이해보자면말 그대로 음향이 방출된다는 뜻인데, 여기서 음향은 ‘탄성파’를 일컫 는다. 탄성파란 어떤 구조물에서 미세한 변화가 일어날 때 발생하는 에너지 파동이다. 비슷한 파동인 진동, 초음파와 헷갈리기 쉬우나 구별되는 차이가 있다. 그것은 바로 탄성파가 탄성매질을 통해 전파된 다는 것이다. 땅을 흔들며 퍼져나가는 지진파를 생각하면 이해가 쉽다. 탄성파가 발생하는 이유는 물질에서 생기는 변화, 즉 설비의 경우 균열, 부식, 누설, 마모 때문이다. 이러한 설비의 미세한 변화에서 발생하는 탄성파를 감지함으로써 고장이 일어나기 전의 징후를 알 수있기 때문에 음향방출은 설비진단의 한 방법으로 이용된다.
  그렇다면 음향방출로 설비를 어떻게 진단하는지 알아보자. 방법은 간단하다. 검사부위에 센서를 부착하여 발견되는 신호를 분석하는 것이다 [그림1]. 음향방출은 탄성파라는 미세한 파동을 감지하는 것이기 때문에 감도가 높다. 이는 음향방출 신호가 다른 잡음과 혼동될 수 있는 문제를 발생시킨다. 따라서 음향방출 신호 분석 방법으로는 음향방출 변수를 비교하는 상대적 방법이 주로 쓰인다. 음향방출 분석 시 고려해야 할 것은 신호길이, 빈도, 최대 진폭, 파형 모양, 도달 시간 차, 임계전압, 입계전압을 넘은 시각부터 최대진폭에 도달할 때까지 걸린 시간인 오름시간, 음향방출 발생원의 위치를 결정하는 위치표정 등이 있다. 이렇게 다양한 요소를 분석해야 하는 음향방출,그 주의사항은 무엇인가?
음향방출 진단 시 유의사항
탐촉자(Sensor) 선정 음향방출 신호는 센서의 특성에 따라 크게 왜곡될 수 있다. 따라서 해석 목적에 따라 센서를 선정해야 한다. 활성 도를 분석할 경우 감도가 높은 공명형 탐촉 자를, 파형을 분석할 경우 주파수 범위가 넓은 광대역 탐촉자를 고른다.
  임계전압 설정 임계전압은 음향방출 신호발생의 유무를 결정하는 기준이다. 임계전압이 너무 낮으면 많은 잡음신호가 포함될 수 있고, 너무 높으면 미세한 음향방출 신호를 검출할 수 없으므로 적절한 임계전압 설정이 매우 중요하다.
  잡음 제거 음향방출 신호는 감도가 높아 주위 잡음과 혼동될 수 있다. 이는 음향방출 진단의 신뢰도를 결정하는 가장 중요한 문제다.
  때문에 각 잡음의 특성을 명확히 인식하여, 이를 제거할 수 있는 데이터베이스와 경험적 노하우가 필요하다. 이 정보가 얼마나 풍부하 느냐에 따라 음향방출 진단의 신뢰성이 좌우된다.
  전달함수의 계산 탄성파가 매질을 통해 전파되는 만큼 센서에 도달 하기까지 매질에 흡수, 반사, 산란, 분산될 수 있다. 이것은 곧 신호의 왜곡으로 정보의 신뢰도에 영향을 준다. 이 문제는 전달함수의 계산으로 해결할 수 있다. 전달함수는 탄성파가 여러 요인에 의해 왜곡된 정도를 나타낸 수치다. 음향방출 해석에서는 이러한 전달함수 분석이 포함되어 진단의 신뢰도를 높인다.
  결함신호의 구분 여러 개의 탄성파가 재료 내에서 동시다발적으로 발생할 경우 이들을 서로 분명하게 구별하기 어렵다. 매질을 통해 탄성파가 전파할 때 초음파가 모드 변환을 일으켜 다양한 주파수와 속도를 가진 초음파로 바뀌기 때문이다. 이 경우 신호가 센서에 도달한 시간차와 주파수 대역 등을 종합 분석해 신호가 발생한 위치와 결함의 종류를 판단해야 한다.
음향방출 진단 적용 분야와 사례
음향방출은 설비의 공정감시, 건전성 평가, 온라인감시를 하는 데 적용된다. 공정감시는 용접, 밀링, 연삭작업에서 쓰이는 툴을 모니터링 하는 것이다. 그러나 음향방출은 그 특성 상 대형 설비 플랜트의 설비진단에 주로 쓰이므로 국내에서 툴 모니터링에 음향방출 진단을 적용하는 경우는 드물다. 건전성 평가에서는 음속 및 복합재료 압력 용기, 저장탱크, 밸브, 배관이 제대로 기능하는지 지속적으로 감시한다. 온라인감시는 결함의 검출이나 상태변화를 사용 중에 실시간으로 감시하는 것이다. 다음은 음향방출 설비진단이 이용되는 분야다.
  밸브누설 감시 밸브를 자주 여닫아 생기는 손상, 몸체의 균열, 용접 부위 결함 및 피로균열 등에 의한 누설을 감시한다. 밸브누설은 유량 증가, 압력 저하, 냉각기능 상실과 방사선물질 방출 등 발전소 운전에큰 사고를 초래하므로 지속적 감시가 필요하다. 따라서 정밀도가 높으며 실시간 측정과 평가가 가능한 음향방출 진단을 한다.
  배관누설 및 결함 감시 음향방출은 먼 거리라도 결함의 위치를 찾아낼 수 있기 때문에 석유화학설비의 배관누설이나 결함 탐지에 주로 사용된다. 특히 지하 송유관 등 지하 매설관의 누설탐지 등을 진단하는 것은 다른 설비진단과 구별되는, 음향방출만이 가능한 분야다. 이밖에 장거리 천연가스 배관, 수중배관, 증기 응축수 배관 등 복잡한 발전소 내 작업자가 접근하기 힘든 위치의 배관 진단이나 실시간 감시에 이용된다.
  저널 베어링 손상 감시 증기 터빈, 발전기, 내연기관 등에 사용되는 저널 베어링 발전설비의 정지사고를 유발하기 때문에 조기에 손상을 검출하는 것이 중요하다. 조기 손상의 증상으로는 베어링 과다하 중으로 발생하는 윤활유 온도상승, 오일 막이 얇아져 베어링 면이 닳는 금속마찰, 부정확한 정렬로 베어링과 저널이 접촉하는 베어링 편향, 이물질 혼입으로 인한 손상 등이 있으며 음향방출로 이를 조기에 발견할 수 있다.
  화력발전소 저장탱크 결함 탐지 화력발전소 기름탱크, 냉각수 저장탱크 등 대용량 저장용기의 경우도 음향방출로 단기간에 진단이 가능 하여 경비를 절약할 수 있다. 규모에 따라 수십 개에서 수백 개의 음향방출 센서를 부착해 저장탱크 전체 설비를 진단한다. 이처럼 원거리 감지가 가능하여 시험하고자 하는 용기의 크기에 구애되지 않기 때문에 다른 진단으로 찾아낼 수 없는 결함까지 탐지할 수 있다.
  한국가스안전공사의 음향방출 설비진단 사례 우리나라에서는 대표 적으로 한국가스안전공사에서 음향방출 진단검사를 수행하고 있다. 고압가스안전관리법에 의하면 음향방출 건전성 평가를 실시할 경우 그 결과에 따라 재검사(개방검사) 주기를 유예하거나 환원해준다 [그림2]. 때문에 정유·석유화학공단에서 음향방출 진단이 이루어 진다. 음향방출 진단은 가동 중 저장탱크 검사부위에 센서를 부착 하여 신호의 특성, 응력과의 관계 등을 분석, 평가하는 방식으로 이루어진다. 구체적으로는 밸브 내부 누설진단, 평저형 탱크 바닥 부식 검사, 튜브트레일러 검사를 통해 설비의 피로균열, 응력부식균열, 피로부식 등 진행성 결함을 검출하여 안전성을 평가한다. 저장탱크 전범위를 1회 시험으로 건전성 확인이 가능하고 설비의 가동중지 없이 진행성 결함을 조기에 발견할 수 있어 관련 분야 설비진단에 이용된다. 비용 면에서도 평균 진단비용이 개방검사비용의 약 1/2에서 1/5가 소요되어 경제적이다. 한국가스안전공사는 1999년부터 음향방출 진단을 도입하여 현재까지 저장탱크 약 200기, LNG저장탱크 8기, 튜브트레일러 156대의 설비 건전성을 진단했다.
소리 없는 아우성, 음향방출
인간의 질병이 그러하듯 기계고장은 미세하고 지속적인 변화에서 기인한다. 균열, 부식, 누설, 마모 등은 당장 설비중 단이나 고장을 일으키지는 않지만 그러한 결과에 이르게 되는 주요 원인이자 근원이다. 특히 대형사고의 위험성이 있는 발전설비의 경우 항시 검사를 통한 건전성 점검이 중요 하다. 이렇게 음향방출은 기계가 사람이 감각으로 느낄 수없는 중요한 징후를 나타낸다는 점에서 기계의 ‘소리 없는 아우성’이라고 할 수 있다. 따라서 음향방출 진단으로 기계의 미세한 변화에서 발생하는 탄성파를 항시 점검하면 고장 발생의 위험을 막고 안정적으로 설비를 운영할 수 있다.
  이러한 높은 감도 외에 음향방출의 또 다른 장점은 광범 위한 설비진단(Global Test)에 적합하다는 것이다. 이것이 바로 다른 설비진단과 구별되는 음향방출만의 특성이다. 이는 앞서 언급한 탄성파의 특징에서 기인한다. 탄성파는 매질을 타고 전파하는 ‘파동’이기 때문에 탄성파를 감지하는 센서가 결함의 근원과 멀리 있어도 신호를 감지할 수 있다. 때문에 상대적으로 넓은 범위의 감시가 가능하고 작업자가 접근하기 어려운 환경에서도 진단이 가능해 다른 방법으로 탐지할 수 없는 결함도 찾아낼 수 있다. 이러한 특성 때문에 음향방출은 압력용 기, 배관, 교량 등 다양한 분야에 활용된다.
  특히 정유, 석유화학플랜트 등 대형 플랜트 설비진단에 널리 쓰인다. 이처럼 높은 감도로 진동분석보다 초기단계의 결함을 감지할수 있다는 점, 기계내부 침입 없이 원거리에서 실시간 정보처리가 가능한 점이 음향방 출의 장점이자 특징이다.
  음향방출 진단기술은 이렇게 장점이 많지만 완벽한 기술은 아니다. 감도가 높은 만큼 주위의 잡음, 신호를 감지하는 데 개입하는 변수 등 외부의 영향을 받기 때문이다. 신호를 해석하는 데 다양한 변수를 고려해야 하므로각 변수 정보에 대한 데이터 베이스가 필요하다. 또한 음향방출진단이 결함판단의 절대적 근거가 될 수 없으므로 정보가 부족한 부분에 대해서는 다른 설비진단 검사와 함께 진단이 이루어져야 한다. 이를테면 음향방출 진단으로 전 범위의 결함을 스캔하고 취약 부위에 대해서는 국부적인 진단에 유용한 다른 진단 방법을 사용하는 것이다. 이처럼 모든 진단기 술은 상호보완적이므로 이를 이용하여 최적의 설비진단을 할 수 있도록 해야 한다.


 
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