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음향방출 기술 이용한 밸브 미세누설 진단 시스템

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[#강추 웨비나] 자동화 공정 최적화를 위한 유니버설로봇의 최신 기술 소개합니다...유니버설로봇과 모바일매니퓰레이 (6/18)

제철소 및 석유화학플랜트, 발전플랜트 같은 대규모 산업 분야 등에서 밸브에서의 누설은 빈번히 발생하는 현상으로 고압과 고온수증기 등을 취급하는 발전플랜트나 부식성 가스, 용액 또는 가연성 가스 등을 취급하는 석유화학 플랜트에서 중대한 사고 발생을 미연에 방지하기 위해 누설을 조기 검출하는 것이 요구되고 있다.

 

또한 미세누설이 시작 되는 경우에는 사전 인지가 어렵고 단위시간당 누설량은 적더라도 장기간에 걸쳐 누설이 계속되면 손실량은 막대하게 늘어나게 되므로 이것이 원인이 된 경제적 손실도 증가하게 된다. 또한 유해가스의 경우 안전보건 등의 심각한 인적, 물적 자원의 위해를 일으키게 된다.

 

따라서 누설이 일어나고 있는 밸브들을 조기에 발견하여 그 누설량으로 인한 손실을 정량적, 정성적으로 평가할 수 있는 검사 기술이 매우 중요하게 인식되고 있다.

 

해당 기술은 다양한 산업 현장에서 사용 중인 각종 중요 밸브에 대해 음향방출(Acoustic Emission) 센서 및 고속, 정밀 데이터 수집 및 분석기술을 이용하여 내부 미세 누설 및 설비 이상 상태를 실시간 감시와 사전 진단이 가능하도록 개발하여, 요즘 4차 산업혁명의 화두인 스마트 팩토리 구축을 위한 예지정비 및 사전진단에 초점을 맞춰 정비담당자의 개입을 최소화할 수 있는 머신러닝 기반의 AI 플랫폼이 지원되도록 구성했다.

 

씨아이토피아는 2018년 1월 한국수력원자력과 휴면기술 상용화를 위한 기술이전계약을 통해 ‘음향방출 측정법을 이용한 밸브내부 미세누설 진단 및 감시기술’에 대한 통상 실시권(5년) 계약을 체결(산업재산권 2종 적용 포함), 이후 신뢰성과 정밀도를 향상시킨 고성능, 저비용의 ‘밸브 내부 누설 진단 시스템’의 국산화 개발을 완료했다. 계속된 기술 개발을 통해 방폭(내압) 및 특수 환경(고온, 고압, 초저온)에 적합한 다목적·고기능·안정성 하우징을 적용하여, 다양한 산업 현장에 적용 가능하도록 제품 개발을 완료했다. 또한 고정형 실시간 감시 시스템, 휴대용 제품, 고정형 단독 설치 제품을 적용하여 유연한 설치가 가능하며, 다양한 유·무선 통신 방식을 지원한다.

 

특히 2018년 12월부터 2020년 1월까지 포항 P사에 발전소 예지정비 부문의 BS(Benefit Sharing) 과제로 선정, 밸브 내부 누설 진단 시스템을 적용하여 2020년 1월 현장 적용 및 성능 검증을 완료, 1차 국산화 개발을 완료했다.

 

추가로 21년 N사 발전 융복합 과제로 선정되어, 고온(600도), 고압(270 Bar)인 볼 밸브에 현장 적용 및 성능 검증을 완료했다. 또한 2023년 10월 방폭지역에서 밸브 내부 누설 진단 시스템을 사용할 수 있도록 센서 및 진단장치에 대해서 내압방폭 인증을 취득했다.

 

 

AET 기술 개요 및 특징

 

음향방출이란 고체가 변형 또는 파괴시 발생하는 음을 탄성파로 방출하는 현상이며, 이 탄성파를 AE 센서로 검출하고 평가하는 방법을 AET(Acoustic Emission Testing)라고 한다. AE는 재료가 파괴되기 이전부터 작은 변형이나 균열(Crack)의 진행과정에서 발생하기 때문에 AE의 발생 경향을 진단하여 재료와 구조물의 결함 및 파괴를 발견 및 예상할 수 있다.

 

음향방출시험(Acoustic Emission Testing)은 발생된 탄성파를 각 구역에 설치된 음향검출 센서로 읽어 취득된 음향신호에, 탄성파를 추출하기 위한 신호증폭, 잡음제거 등의 복합 처리과정을 거쳐 데이터를 구축한다. 추출된 복합신호 형태의 음향조합 데이터에 재료별 탄성파 특성, 검출 파장과 주파수해석, 종파와 횡파 요소, 파형의 반사, 굴절, 감쇠, 그림자 효과 등을 종합 고려한 해석을 통해 파단 혹은 성장하는 결함을 진단한다.

 

밸브 내부누설 측정원리

 

그림2에서는 밸브 내부누설 발생을 센서에서 검출하는 경로를 보여주고 있다. 밸브 디스크 등에 의해 내부 누설이 발생하면 이 누설에 의하여 생성된 진동은 표면과 내부 공기를 통하여 센서에 전달된다. 밸브 내부의 누설은 연속형 파형으로 나타나며, 이 탄성파 신호를 증폭, 분리, 분석하고 일정시간 이상의 경보 문턱값(alarm threshold)을 넘는다면 누설 발생을 알 수 있다.

 

 

밸브내부 미세누설 진단시스템 주요 구성과 기능 (AE-VDS)

 

1. 시스템 구성

씨아이토피아의 밸브 누설 진단 시스템은 그림 3과 같이 AE센서, 진단장치 및 운용 진단 프로그램으로 구성되어 있다. 운용 프로그램은 밸브 누설 데이터 저장과 분석 프로그램이 내장되어 해석과 분석을 수행할 수 있다. 제품 구성은 아래와 같이 3가지 방식으로 구성할 수 있다.

 

 

• 그림 3과 같이 고정형 감시 시스템 구성으로 다수의 밸브 실시간 동시 측정 및 진단

• 그림 4(a)와 같이 고정형 단독 설치 제품 설치하여, 운용프로그램 없이 누설 정보 수집 및 이동 설치 가능

• 그림 4(b)와 같이 휴대용·이동식 제품으로 설치 없이 누설 정보 수집

 

 

2. 센서

AE(Acoustic Emission) 센서는 음향신호를 전기신호(uV 전압)로 변환한다. 밸브 내부의 누설은 연속형 파형으로 나타나며, 이 탄성파 신호를 수신하여 밸브의 내부 누설을 측정하는 센서이다. 방폭(내압) 및 특수환경(고온, 고압, 초저온)에 적합한 하우징으로 개발됐다.

 

센서 최고 동작 온도는 약 175℃이지만, 그 이상의 고온에서 사용 시 음향 도파봉을 사용하여 적용한다. 저온(유체 온도 300 ℃ 이하)/초저온, 고온, 방폭 제품(유체 온도 300도 이상)에 따라 하우징 재질이 변경된다. 센서 설치는 밸브와 인접한 배관에 스테인리스 호스밴드를 사용하여 고정한다.

 

 

3. 진단장치

진단장치는 밸브에서 발생되는 AE 음향신호 및 밸브 입출구 온도를 실시간 수집하며, 밸브 누설을 각종 알고리즘에 의해 실시간으로 누설 진단 및 운영 감시 시스템으로 누설 정보를 전송하는 임베디드 기반 누설 진단 및 분석로직을 내장한 장치다. 방폭 지역에 적합한 하우징으로 개발했다. PC 또는 스마트폰에서 웹브라우저로 접속하여 음향레벨 및 온도 모니터링 가능하다.

 

4. 운용 진단 프로그램

(1) 사용자 인터페이스 화면

• 밸브 누설에 대한 확인을 편하게 할 수 있도록 사용자 인터페이스 화면을 제공한다.

• P&ID 도면 등의 화면을 구성하여 어느 공정의 설치 밸브에서 문제가 발생하였는지를 쉽게 확인하도록 화면을 제공한다.

• 자유로운 화면 구성을 통해 사용자가 원하는 화면 및 데이터를 표현할 수 있다.

 

(2) 알람, 트렌드, 리포트 화면

• 알람 : 시스템 알람 및 누설 알람 발생시 알람 팝업 메시지와 알람 음향을 통하여 사용자에게 즉시 고지한다.

• 트렌드 화면 : 알람 상황에 대한 분석을 위하여 트렌드를 통한 과거 데이터 이력 조회 기능을 사용자에게 제공한다.

• 리포트 화면 : 일, 월, 년도별 데이터의 추이를 확인할 수 있도록 리포트를 제공한다.

 

(3) 진단 및 분석 기능

• 음향신호에 의한 누설 신호 처리 및 분석

- 음향 발생원이 밸브 몸체에 한정되어 있는 특징을 응용하여, 누설 현상(event)의 지속상태 및 음향신호 레벨의 측정요소를 조합하여 누설의 유무를 판정

- 연속감시 AE 신호 추이 분석을 통한 정상 밸브에 대한 음향레벨 수준을 기준 파형으로 설정하고, 향후 음향레벨의 변화에 따른 누설 유무를 판정

- 평균 전압 분석: 밸브별 및 개도 상태별로 취득 전압신호의 RMS 분석

• 스펙트럼에 의한 누설 신호 처리 및 분석

- 주파수 스펙트럼은 AE 발생 원인에 따라 달라지므로 이를 이용해 누설 유무 판정

- 정상 밸브의 스펙트럼과 누설 밸브의 스펙트럼을 비교하여 누설 유무를 판정.

 

결론

 

씨아이토피아는 실제 발전소의 다양한 밸브(고온, 고압 등) 운전 패턴을 분석하여, 밸브 운전 중의 주변잡음 및 운전 중 음향패턴 분석, 밸브누설시의 음향레벨 및 스펙트럼 특성분석을 동일 밸브 예비품을 활용한 Lab Test시의 음향 데이터와 시공 후 가동 중 음향 데이터 패턴 분석 결과를 시스템에 반영한 후, 실제 누설을 생성시켜 수집된 음향 데이터 패턴을 상호 비교 분석하여 진단 결과의 정확도와 신뢰성을 향상시킬 수 있었다.

 

주변 잡음과 누설 신호에 대한 음향 신호의 레벨 분석을 수행함과 함께 스펙트럼 분석에 의해 주파수 성분을 상호 비교함으로써 누설 유무의 검출 능력을 높일 수 있었으며, 발전소 현장의 열악한 환경에서 신호 취득을 위한 음향센서의 최적 부착 방법 및 계측 방법을 도출했다.

 

고정식, 이동식 제품으로 유연한 설치 환경을 제공하며, 방폭(내압) 및 특수 환경(고온, 고압, 초저온)에 적합한 다목적·고기능·안정성 하우징으로 다양한 산업 현장에 적용 가능하다.

 

씨아이토피아 제품을 통해 다양한 밸브의 내부 누설 진단 및 모니터링 함으로써 예방정비가 가능하며, 설비보호와 에너지 절감에 크게 기여할 것이다. 또한 밸브 내부 누설진단 신뢰성 및 정밀도를 향상시킨 저비용·고성능 밸브 내부 누설 진단 솔루션이라 할 수 있다.










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