[첨단 헬로티]

제철소 및 석유화학플랜트, 발전플랜트 같은 대규모 산업 분야 등에서의 밸브 누설은 빈번히 발생하는 현상이다. 고압과 고온 수증기 등을 취급하는 발전플랜트나 부식성 가스, 용액 또는 가연성 가스 등을 취급하는 석유화학플랜트에서 중대한 사고 발생을 미연에 방지하기 위해 누설을 조기 검출하는 것이 요구되고 있다.

또한 미세 누설이 시작 되는 경우에는 사전 인지가 어렵고 단위시간 당 누설량은 적더라도 장기간에 걸쳐 누설이 계속되면 손실량은 막대하게 늘어나게 되므로 이것이 원인이 된 경제적 손실도 증가하게 된다.

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.

예지 정비 및 사전진단에 초점 맞춰

씨아이토피아는 2018년 1월 한국수력원자력과 휴면기술 상용화를 위한 기술이전계약을 통해 ‘음향방출 측정법을 이용한 밸브 내부 미세 누설 진단 및 감시기술’에 대한 통상 실시권(5년) 계약을 체결(산업재산권 2종 적용 포함), 이후 신뢰성 및 정밀도를 향상시킨 고성능, 저비용의 ‘밸브 내부 누설 진단 시스템’의 국산화 개발을 완료했다.

이 기술은 다양한 산업현장에서 사용 중인 각종 중요 밸브에 대해 음향 방출(Acoustic Emission)센서 및 고속, 정밀 데이터 수집 및 분석기술을 이용했다. 이를 통해 내부 미세 누설 및 설비 이상 상태를 실시간 감시 및 사전 진단 가능하도록 개발하여 4차 산업혁명의 화두인 스마트팩토리 구축을 위한 예지 정비 및 사전진단에 초점을 맞춰 정비담당자의 개입을 최소화할 수 있는 머신러닝 기반의 AI 플랫폼이 지원되도록 구성했다.

특히 2018년12월부터 2020년 1월까지 포항 P사에 발전소 예지정비 부문의 BS(Benefit Sharing) 과제로 선정, 적용하여 2020년 1월 현장 적용 및 성능검증을 완료, 1차 국산화 개발을 완료했습니다.

AET(Acoustic Emission Testing) 기술

음향 방출(AE: Acoustic Emission)이란 고체가 변형 또는 파괴시에 발생하는 음을 탄성파로 방출하는 현상이며, 이 탄성파를 AE 센서로 검출하고 평가하는 방법을 AE법이라고 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. 

가. AET 기술특성

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.

나. AET 기술의 장점

음향 방출시험(Acoustic Emission Testing)은 고체물질이 변형을 일으킬 때 탄성파를 발생하는 것에 착안하여 개발된 비파괴시험의 일종으로 기존 비파괴 시험과 달리 시스템 결함이나 파단의 발생을 미리 예측할 수 있는 최첨단 진단 기술이다.

또한 부재를 타고 전파하는 탄성파를 취득하는 것이기 때문에 센서가 결함과 어느 정도 거리를 두고 있어도 결함을 탐지해낼 수 있으므로 다른 비파괴 시험 기술에 비해 상대적으로 넓은 범위의 감시가 가능하다는 장점이 있다

다. 음향방출(AE) 신호의 특성과 종류

AE(Acoustic Emission) 신호는 일반적으로 그림 1과 같이 돌발형(burst type)과 연속형(continuous type)으로 구분된다.

재료 내의 전위, 균열 생성과 성장 파괴에 의해 발생되는 AE는 대부분 돌발형이고 유체의 누설, 재료의 소성변형 등에 의해 발생하는 AE는 연속형이다.

음향방출 신호는 일반적으로 큰 진폭을 가진 돌발형 AE 가 대부분이다. 이 기술의 핵심인 밸브내부의 미세 누설은 연속형 파형으로 나타난다. 음향방출 시험 시 발생하는 AE신호 분석에 있어서 전체 파형을 기록하여 분석을 수행하는 방법이 있으나 측정 데이터 량이 많아지기 때문에 통상적으로는 AE 신호의 파형정보를 변수화하여 기록할 정보량을 줄이는 신호 분석 방법을 사용한다.

음향방출 신호는 일반적으로 큰 진폭을 가진 돌발형 (burst type) AE가 대부분이므로 AE 측정 파라미터는 돌발형 AE를 중심으로 정의 되고 있다. 연속형 AE의 분석에서는 신호의 에너지 값이나 실효전압 및 주파수 스펙트럼을 이용하고 있다. 

그림 1. 유형별 AE신호에 의한 파형 및 파라미터

밸브 내부 누설 유형 및 측정원리

가. 시트 누설(Seat leak)

밸브 내부 구조상 최소한의 틈새 발생으로 밸브 전·후단의 높은 차압으로 인한 유체 유동으로 시트누설 발생 한다.

나. 마멸 현상

밸브 시트, 디스크 등의 유체와 접촉하여 마멸, 두 물체 간의 접촉 시 마멸에 관계하는 인자는 접촉면의 온도, 접촉 돌기의 분포, 접촉면의 거칠기 등의 접촉 상태와 재료의 경도, 작용 수직 압력, 미끄럼 길이 등에 의해 결정 된다.

다. 캐비테이션(Cavitation) 손상

유체가 밸브 내부를 유동할 때 미시적인 증기방울들이 생성되고 깨어지는 과정으로, 캐비테이션이 발생하는 조건은 유체가 낮은 입력 영역을 지나서 다시 높은 압력 영역에서 발생 된다.

(제어밸브의 경우, 이 같은 낮은 압력 영역은 보통 밸브의 시트 링(seat ring)이나 수축부에서 부분적인 고속의 유동에 의해 일어난다.)

라. 측정원리

그림 2에서는 밸브 내부누설 발생을 센서에서 검출하는 경로를 보여주고 있다. 밸브 디스크 등에 누설이 발생하면 이 누설에 의하여 생성된 진동은 표면과 내부 공기를 통하여 센서에 전달 된다. 이렇게 해서 얻어진 신호를 증폭, 분리, 분석하고 일정시간 이상의 경보 문턱값(alarm threshold)을 넘는다면 누설 발생을 알 수 있다.

그림 2. 밸브 내부 누설 및 측정 원리

밸브 내부 미세 누설 진단시스템의 주요 구성 및 기능(AE-VDS)

가. 시스템 구성

씨아이토피아의 AET 시스템은 그림 3과 같이 AE센서, DAQ 보드 및 서버컴퓨터로 구성되어 있다. 서버컴퓨터에는 AET 데이터 저장과 분석 프로그램이 내장되어 해석과 분석을 수행할 수 있다.

그림 3. AE-VDS 시스템 구성도

나. 시스템 세부기능

◆ 임베디드로직 내장 데이터 수집 장치

- 데이터수집 장치는 임베디드로직을 내장한 데이터 처리용 보드와 센서데이터 수집보드로 구성된다.

- 센서 데이터수집 보드에서는 2대의 센서로부터 초당 500Khz의 데이터를 수집한다

- 임베디드보드에서는 센서데이터 수집보드와 통신을 수행하여 데이터를 저장,분석,전송한다.

◆ 데이터 수집, 저장, 분석 소프트웨어

- 데이터의 가공 : 수집된 데이터는 RMS값 연산, FFT변환등을 통하여 데이터가공을 수행한다.

- 데이터의 분석 : 가동된 데이터에대해서 설정된 임계값(threshold)을 초과하는 경우를 확인.

- 데이터 전송 : 가동된 데이터가 설정된 임계값(threshold)을 초과하는 신호의 변화가 있음을 분석하여 검출한 경우 즉시 서버로 데이터 파일을  전송하고, 신호의 변화량이 임계값을 초과하지 않는 경우에는 설정된 주기에 따라서 데이터를 전송한다.

                                                                       

◆ 진단, 분석 서버시스템

- 서버 시스템은 데이터 수집 서버, 누설량 연산 서버, HMI 서버로 구성된다.

- 데이터 수집 서버는 데이터 수집 장비로부터 전송되는 데이터를 수신하여 저장한다.

- 누설량 연산 서버는 수신된 데이터를 바탕으로 예측되는 누설량을 연산하는 기능을 수행한다.

- HMI 서버는 모든 수집된 데이터를 이용하여 알람, 트렌드 저장, 리포트 생성 등의 기능을 수행한다.

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

- P&ID 도면 등의 화면을 구성하여 어느 공정의 설치 밸브에서 문제가 발생했는지를 쉽게 확인하도록 돕는다.

- 자유로운 화면 구성을 통해 사용자가 원하는 데이터를 표현할 수 있다.

결론

씨아이토피아는 실제 발전소의 다양한 밸브 운전 패턴을 분석하여 밸브 운전 중의 주변 잡음 및 운전 중 음향 패턴 분석, 밸브 누설시의 음향 레벨 및 스펙트럼 특성분석을 동일 밸브 예비품을 활용한 랩 테스트(Lab Test) 시의 음향 데이터와 시공 후 가동 중 음향 데이터 패턴 분석결과를 시스템에 반영한 후, 실제 누설을 생성시켜 수집된 음향 데이터 패턴을 상호 비교 분석하여 진단결과의 정확도 및 신뢰성을 향상시킬 수 있었다.

주변 잡음 및 누설 신호에 대한 음향신호의 레벨분석을 수행함과 함께 스펙트럼 분석에 의해 주파수 성분을 상호 비교함으로써 누설유무의 검출능력을 높일 수 있었으며,발전소 현장의 열악한 환경에서 신호취득을 위한 음향센서의 최적 부착 방법 및 계측방법을 도출했다.

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

글 / 윤형태 씨아이토피아 부장