KR20010110672A

KR20010110672A - 판상의 강자성체 구조의 원거리 범위 검사 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20010110672A
Application number: KR1020017011842A
Authority: KR
Inventors: 큔히젼
Original assignee: 추후제출; 사우스웨스트 리서치 인스티튜트
Priority date: 1999-03-17
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2001-12-13
Also published as: KR100476848B1; FI20012186A; WO2000055617A1; DK175600B1; JP4392129B2; DK200101715A; US6294912B1; JP2002539449A; AU3875300A; DE10084592T1

Abstract

판상 구조의 비파괴 검사용 자기 변형 기술을 실시하는 방법 및 장치가 개시된다. 자기 변형 송신기는 판의 표면에 평행한 방향으로 이동하는 유도파를 플레이트내에 생성한다. 유사한 구조의 센서가 위치되어서, 부식핀 및 크랙과 같은 구조적인 변형을 나타내는 유도파를 생성하고, (입사되는 및 반사되는)유도파를 검출한다. 송신기는 신장되어서 축의 수직방향으로 전파하는 센서의 축에 평행한 파면을 갖는 유도파를 생성한다. 곡면 플레이트의 작용을 하는 파이프 및 내부의 전기저항 용접이 검사될 수 있다.

Description

판상의 강자성체 구조의 원거리 범위 검사 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR LONG RANGE INSPECTION OF PLATE-LIKE FERROMAGNETIC STRUCTURES}

관련기술의 설명

자기변형 효과란 자화의 변화에 따라 일어나는 강자성체 물질의 물리적 치수변화의 현상을 말한다. 자기변형 응용에서, 물리적 파동(mechanical wave)의 발생 및 검출은 일반적으로 펄스 전류를 강자성체 물질에 인접한 전송코일에 인가함으로써 얻어진다. 전송코일 근처에 위치한 물질내에서의 자화의 변화는, 인가된 계(field)에 평행한 방향으로 부분적으로 물질의 길이를 변하게 한다. 자기변형 효과인 이러한 갑작스런 부분 치수변화는 강자성체 물질내에서 음속으로 전달되는 물리적 파동을 발생한다. 물리적 파동이 강자성체 물질의 끝이나 또는 강자성체 물질의 결함에 의해 반사되어 검출코일에 도달하면, 역전된 자기변형 효과의 결과로서 검출코일 내에 변형 자기플럭스를 발생시킨다. 이 변형 자기플럭스는 물리적 파동의 크기에 비례하는 전기 전압을 검출코일내에 일으킨다. 전송코일과 검출코일은동일할 수도 있다.

자기변형 효과를 비파괴 검사(NDE) 응용에 사용할 때의 장점은, (a) 자기변형 센서의 감도(sensitivity), (b) 자기변형 센서의 내구성, (c) 센서를 검사대상인 물질에 연결할 필요가 없음, (d) 검사중인 물질에서 물리적 파동의 원거리, (e) 구현의 간단, 및 (f) 구현의 저비용을 포함한다.

물질의 비파괴 검사(NDE)에서 자기변형 센서(MsS)의 사용은 강자성체 및 비-반자성체 구조의 다양한 형태내에서의 결함, 개재물(inclusion), 및 부식의 특성을 나타내는데 매우 효과적임이 입증되었다. MsS는 탄성의 유도파의 짧은 지속시간(또는 펄스)을 검사중인 구조에 발사하고, 구조의 결함과 같은 변형(anomaly)에서 반사되는 유도파 신호를 검출한다. 유도파는 원거리(전형적으로 100피트 이상)를 전파할 수 있으므로, MsS 기술은 구조의 넓은 영역을 매우 빨리 검사할 수 있다. 대조적으로, 초음파 및 와전류(eddy current)와 같은 다른 종래 NDE 기술은 사용된 프로브에 직접 인접한 국부 영역에서만 검사한다. 따라서, 자기변형 센서의 사용은, 스트랜드(strand), 케이블, 파이프, 및 튜브와 같은 강(steel)구조의 넓은 영역을 표면 준비물, 발판(scaffolding), 및 절연 제거와 같은 최소한의 지지 필수품으로 빨리 검사하기 위한, 비용면에서 효과적인 수단을 제공한다. 검사대상 물체의 적은 준비물을 갖는 자기변형 센서를 사용하는 능력은, 센서와 물질 사이의 직접적인 물리적 접촉이 필요하지 않다는 사실에 기인한다.

강자성체 및 비-강자성체 물질 양쪽의 검사와 관련하여 자기변형 센서 기술의 사용을 위한 노력이 과거에 있었다. 이러한 노력들은 본발명의 양수인게 공통적으로 속한 미국특허 제5,456,113; 5,457,994; 및 5,501,037호에 기술된 시스템에 포함되어 있다. 미국특허 제5,456,113; 5,457,994; 및 5,501,037호에 개시된 내용은 자기변형 효과의 배경과 NDE에서의 사용을 제공하며, 따라서 여기에서는 참고자료로 포함되어 있다. 과거의 이러한 노력들은 주로 파이프, 튜브 및 강 스트랜드/케이블의 검사에 초점을 맞추었는데, 이들의 기하학적 구조는 구조의 길이에 비해 단면의 지름이 작은 것이었다. 이들 시스템 및 세로로 된 구조에의 적용이 중요한 응용임을 깨달았지만, 자기변형 기반의 NDE의 사용으로부터 이익을 얻을 수 있는 다른 구조들도 있다.

구조상 물질에서의 자속 및/또는 음파를 측정하는 센서를 사용하는 다른 노력이 과거에 있었다. 이러한 노력은 아래의 특허에 기술된 것들을 포함한다:

1971.1.19일자로 우드(Wood)에게 허여된 '자기변형 효과를 사용한 관모양 부재의 변형에 대한 전기음향적 검사와 벽 두께를 특정하기 위한 장치'란 명칭의 미국특허 제3,555,887호. 이 특허는 긴 관모양 부재의 두께치수를 통해 물리적 파동을 제공하도록 설계된 시스템을 기술한다. 이 디바이스의 감도는, 검사대상 물질의 표면에 수직이고 또한 반대편 벽이나 변형으로부터 반사되었을 때 센서로 즉시 되돌아오는 파형의 방향에 제한되었다.

1989.11.14일자로 피스터러(Pfisterer)에게 허여된 '표면막 또는 코팅의 제거없이 금속물체의 구조적 결함을 판별하는 와전류 방법 및 장치'란 명칭의 미국특허 제4,881,031호. 이 특허는 강자성체 물질내의 국부적인 와전류를 형성하는 방법을 기술하고, 또한 코팅 아래의 부식을 확인하고 측정하기 위해 코팅의 존재와 효과를 인식하고 있다. 다른 와전류 방법과 마찬가지로, 물질을 검사하는 능력이 센서에 바로 인접한 영역에만 제한되어 있다.

1996.8.6일자로 아라(Ara) 등에게 허여된 '핵반응로의 압력용기내의 오버레이 클래드의 두께를 측정하는 방법'이란 명칭의 미국특허 제5,544,207호. 이 특허는 가변 두께의 오버레이(overlay)를 통한 자계 분포로부터의 자계 변화의 측정에만 관련된 시스템을 기술하고 있다. 이 시스템은 압력용기의 오버레이 클래드의 표면에 가깝게 접촉하도록 위치한 자기 요크(yoke)를 사용한다.

1997.11.11일자로 아라(Ara) 등에게 허여된 '핵반응로의 압력용기의 품질저하를 체크하는 방법 및 장치'란 명칭의 미국특허 제5,687,204호. 이 특허는 아라 등에게 허여된 앞의 특허와 유사한 시스템을 기술하고 있고, 압력용기의 내측 벽에 가깝게 접촉하여 위치한 여자(excitation) 코일과 자속측정 코일을 갖는 자기 요크를 사용한다. 자기 요크와 압력용기 벽에 의해 형성된 히스테리시스 자화 특성이 측정된다. 압력용기를 포함하는 물질의 품질저하는, 자화의 히스테리시스 특성을 분석하여 얻어진 강제력에 의해 판별되는 물질의 경도(hardness)의 결정으로부터 추론된다.

자기변형 효과의 배경

자기변형 센서를 이용한 물질의 비파괴 검사는 자기변형 효과와 그 역 효과에 근거한다. 자기변형 효과는, 물질이 자화 또는 탈자화 또는 자계의 변화를 경험할 때 강자성체 물질의 물리적 치수가 근소하게 변하는 현상이다. 그 역 효과는, 물질이 압력을 받을 때 물질내의 자속이 변하는 현상이다. 자기변형 센서를 이용한 시스템은 자기변형 효과 및 그 역효과를 사용하여 강자성체 물질을 통과하여 움직이는 유도 파형을 발생하고 검출한다

시스템은 분리된 자기변형 송신기 및 수신기의 사용 또는 유도파를 전송·감지하기위하여 작동하는 단독의 자기변형 센서의 사용을 기대한다. 그 센서는 사실상 길이방향으로 위치된 구조이며 센서의 길이방향에 평형한 파형을 가진 유도파를 발생시킨다. 자기변형 수신기에서 유도파를 감지하고, 필터링하며, 증폭할 뿐만 아니라 자기변형 송신기를 통하여 유도파를 발생시키고 발생한 유도파의 전파 방향을 제어하는 과정과 관련된 전자공학이 종래에 잘 알려진 바와 같이 구현된다. 또한 종래에 잘 알려진 신호 해석 기술은 판 타입 구조내에서의 이상을 확인하기 위하여 이용된다. 그 방법은 검사중인 구조의 설치로부터 그 이후 퇴보 및 악화가 발생한 후의 시간에 걸쳐 축적된 신호사이의 비교 뿐만 아니라 패턴 인식 기술을 이용한다.

자계를 90°회전시킴으로써, 자기변형 센서는 대칭 또는 비대칭 램(Lamb)파 모드에서의 작동으로부터 수평 전단파로 변환될 수 있는데, 이 수평 전단파는 검사중인 강자성체 재료에 인가된다. 수평 전단파 모드에서, DC 바이어스 자계는 파의 전파 방향에 수직인 방향으로 있다.

또한 자기변형 센서는 시임(seam)을 따라 용접된 파이프와 같이 전기 저항 용접에서의 결함을 감지하기 위하여 사용될 수 있다. 예컨대, 자기변형 송신자는 검사되는 파이프의 한쪽 측면상에 위치되고, 자기변형 수신기는 파이프의 다른쪽 측면상에 위치될 수 있다. 파이프 주위에 유도파를 발생시킴으로써, 용접영역에서와 같이 파이프에서의 어떠한 결함도 즉시 검출될 수 있다.

도면의 간단한 설명

도 1은 본 발명의 시스템의 구성을 도시하는 도식적인 블럭도.

도 2는 본 발명의 자기변형 센서의 투시도.

도 3은 판 타입 구조와 관련하여, 본 발명의 센서를 구현한 단면도.

도 4는 4 피트 너비, 20 피트 길이, 0.25인치 두께의 강판에서 60kHz S₀파 모드 신호를 이용하는 본 발명의 시스템을 통하여 수신된 신호의 그래프.

도 5는 40kHz A₀파 모드 신호에 대하여 도 4와 관련된 구조와 관련하여 본 발명의 시스템을 통하여 수신된 신호의 그래프.

도 6은 4 피트 너비, 20 피트 길이, 0.25인치 두께의 강판에서 40kHz S₀파 모드 신호를 이용하는 본 발명의 시스템을 통하여 수신된 세가지 신호의 그래프.

도 7는 4 피트 너비, 20 피트 길이, 0.25인치 두께의 강판에서 20kHz A₀파 모드 신호를 이용하는 본 발명의 시스템을 통하여 수신된 세가지 신호의 그래프.

도 8a 및 도 8b는 강판을 절단하여 0.05인치의 홀을 만들기 전 및 후에 있어서, 4 피트 너비, 20 피트 길이, 0.25인치 두께의 강판에서 80kHz 전단 수평파를 이용하는 본 발명의 시스템을 통하여 수신된 전단 수평파의 그래프.

도 9는 파이프의 반대 측면상의 자기변형 전송 프로브 및 자기변형 수신 프로브를 사용하여 검사하고 있는 용접된 파이프의 끝면도.

도 10a 및 도 10b는 노치를 만들기 전 및 후에 있어서, 0.337 인치 두께의벽으로 되어 있으며 4.5 인치의 외측 직경으로 된 강파이프내에서 150kHz 전단 수평파 모드를 이용하여, 도 9에서 도시된 것과 같은 큰 직경의 파이프를 테스트하기 위해 사용될 때 본 발명의 시스템을 통하여 수신된 신호의 그래프.

발명의 상세한 설명

상술한 바와 같이, 본 발명은 파이프 등과 같이 원통형 구조의 검사와 관련하여 이전에 개발된 자기변형 센서 기술의 기초 방법론적 접근법을 이용한다. 그러한 기술의 기초적인 시스템은 판 타입 구조에의 적용을 위하여 새로운 자기변형 센서와 결합된다. 도 1을 참조하여 판 타입 구조의 검사를 수행하기 위하여 이용되는 완전한 시스템을 개괄적으로 설명한다. 검사 시스템(10)은 자기변형 센서 송신기 제어부(12) 및 관련된 송신기 코일/코어(14)를 포함한다. 송신기 코일/코어(14)는 판 타입 구조(34)에 인접하게 위치결정된다. 또한 수신기 코일/코어(20)도 판 타입 구조(34)의 표면 근처에 위치결정된다. 수신기 코일/코어(20)는 반사파를를 감지하기 위하여 판 타입 구조(34)내에 위치결정되어, 그 구조내에 존재하는 결합으로부터 반사되는 파 특성을 나타내는 신호를 발생한다. 수신기 코일/코어(20)는 컴퓨터 시스템(16)에 차례로 연결된 프리앰프/필터(18)에 연결된다.

자기변형 센서 송신기 제어부(12)는 함수 발생기(22), 전력 증폭기(24) 및 동기 회로(26)로 구성된다. 이러한 구성 요소들은 공동으로 송신기 코일/코어(14)를 구동하기 위한 적절한 신호를 발생시켜, 판 타입 구조(34)내에 유도파를 발생시킨다.

컴퓨터 시스템(16)은 메모리(28), 디지털 프로세스(30), 및 아날로그 대 디지털 컨버터(32)로 구성된다. 이러한 구성요소들은 공동으로 수신기 코일/코어(20)로부터 수신한 신호를 수신, 디지털화 및 분석한다. 수신한 신호는 판 타입 구조(34)에 존재하는 반사 유도파의 특징을 나타내는 파 특성을 포함한다.

송신기 코일/코어(14) 및 수신기 코일/코어(20) 각각은 바이어스 자석(36 및 38)과 관련된다. 바이어스 자석(36 및 38)은 판 타입 구조(34) 주위에서 코일/코어(14 및 20)에 인접하게 위치결정되어, 구조(34)내의 유도파의 발생과 반사된 유도파의 적절한 감지를 용이하게 하기 위한 바이어스 자계를 형성한다.

도 2를 참조하여 본 발명에서 이용되는 새로운 자기변형 센서를 상세히 설명한다. 도 2에 도시된 것과 같은 자기변형 센서(11)는 도 1에서 상술된 송신기 코일/코어(14) 또는 수신기 코일/코어(20)으로 이용될 수 있다. 자기변형 센서(11)는 복수의 U-형상 단면적 코어로 구성되는데, 이는 단면과 비교하여 긴 세로축을 가진 센서를 형성하기 위하여 세로 방향으로 적층된다. 바람직한 실시예에서 코어 구성요소(15a 내지 15n)는 U-형상 페라이트, 송신기 강판, 마일드(mild) 강, 또는 영구 자석의 적층으로 만들어질 수 있다. 그러나, 코어 구성요소(18a 내지 15n)은 다른 형상을 가질 수 있으며, U-형상 또는 E-형상 코어 구성요소가 보다 더 효과적이다는 것이 알려져 있다. 만약 E-형상 코어가 사용되면, 송신기는 E의 다른 부분상의 수신기와 함께 E의 한쪽 부분상에 위치될 수 있다.

와이어 코일(17)은 U-형상 코어(15a 내지 15n)의 적층을 둘러싸고 있다. 코일(17)에 대한 권수는 구동 회로 및 코어(15)의 자기 투자율에 의존하며, 종래에 잘 알려진 바와 같이 바뀔 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 것과 같은 구조이며 본 발명의 방법과 관련하여 구현된 한 쌍의 센서를 적용했을 때의 단면도를 도시한다. 도 3에서, 판 타입 구조(34)의 단면은 판상에 위치결정된 송신기 코일/코어(14) 및 수신기 코일/코어(20)로 도시된다. 도 3은 판 타입 구조(34)내의 자속의 성립을 도시하기 위하여 송신기 코일/코어(14) 및 수신기 코일/코어(20)의 단면을 도시한다. 바이어스 자석(36 및 38)은 각각의 코일/코어(14 및 20)와 관련된다. 도 3에서, 바이어스 자석(36 및 38)은 코일/코어(14 및 20)위에 위치된 것으로 도시된다. 본 발명의 실제 구현에서, 바이어스(36 및 38)는 하나 또는 두개의 자석일 수 있다는 것을 알 수 있다. 필요한 것은 자계가 송신기 코일/코어(14) 및 수신기 코일/코어(20) 아래의 판 타입 구조(34)내에서 발생하는 것이다. 바이어스 자석(36 및 38)에 의해 형성된 DC 바이어스 자계가 송신기 코일/코어(14) 및 수신기 코일/코어(20) 아래의 판 타입 구조(34)의 체적내에 적절하게 형성되는 것이 단지 중요하다.

일반적으로, 자기변형 센서는 도전 코일과 검사 구조물에서 DC 바이어스 자계를 제공하는 수단으로 구성된다. 바이어스 자계를 제공하는 수단은 영구자석이나 전자석의 어느 하나의 사용을 포함할 수 있다. 전송 자기변형 센서에서, AC 전기 전류 펄스가 코일에 인가된다. 최종적인 AC 자계(변화하는 자계)는 자기변형 효과로 인접한 강자성체에 탄성파(유도파형으로 또한 알려진)를 발생한다. 파이프, 케이블, 튜브 등에 대해서, 파형은 길쭉한 구조의 길이를 따라서 시작된다. 수신 자기변형 센서에서, 응답 전기 전압 신호는 탄성파( 물체내에서 비정상으로부터 전송되거나 반사된)가 역 자기변형 효과를 통하여 센서 영역을 통과할 때 코일에서 발생한다.

미즈(MsS)기법으로, 결점이 초음파 분야에서 잘 알려진 펄스-에코 방법을 사용함으로써 전형적으로 검지된다. 센서는 강자성체에서 파악되는 자기변형 행동에 의존하기 때문에, 이 기법은 주요하게 탄소 강 파이핑 이나 강 스트랜드와 같은 강자성체 구조 검사에 이용될 수 있다. 그러나, 또한 니켈같은 강자성체의 박막이 자기변형 센서에 인접한 영역의 구성요소에 입혀져 있거나 결합되어 있는 경우에 비철금속 구성요소의 검사에 이용될 수 있다.

자기변형 센서 기법은 단일 센서 영역으로부터의 물체의 대규모 영역을 검사할 수 있는 이점이 있다. 그런 센서는, 예를 들어, 100피트 이상의 길이의 파이프나 케이블을 정확하게 검사하는 데 사용되어 왔다. 게다가, 자기변형 센서 기법은 검사할 때 내부와 외부 결점을 함께 검지하고, 이로써 100%의 체적 검사를 제공할 수 있다는 점에서 매우 이롭다. 이 기법은 매우 민감하고, 파이프, 튜브, 또는 막대와 같은 원통형 구조의 전체 금속 단면적의 1%보다 적은 단면적으로도 결점을 검지할 수 있다. 결국, 상술한 바와 같이, 자기변형 센서 기법은 구성요소 표면과 센서 자체 사이에서 직접적인 물리적인 접촉을 요구하지 않는다. 이것은 표면의 조합이나 큐블랜트(couplant)의 사용을 필요로 하지 않는다.

판형 및 봉쇄 구조에 응용

최근, 상업로에서 강 라이너(liner) 봉쇄 용기 악화 발생이 많이 보고되었다. 그런 시설의 노후나 증가된 검사요구에 기인하여 악화 사고는 증가할 것이다. 이런 라이너의 구조적인 악화, 특히 부식 손상은 라이너가 핵물질에 대한 누설 방지 압력 바운더리를 제공하기 위해 제작되었기 때문에 중요한 관심사이다. 판형 강자성체의 많은 다른 산업적인 사용은 오염 상태, 결함의 위치, 그리고 실패의 가능성을 결정하기 위해 자주 검사하는 것들로부터 이득을 줄 것이다. 과거 대부분의 경우에, 큰 판형 물체의 검사는 매우 고가의 오프-라인 검사나 신뢰성이 많이 떨어지는 작위적인 선택 영역의 통계적인 샘플링을 필요로 하였다. 판형 구조 또는 복수의 판형 시트 물체로 구성된 구조의 완전한 검사는 피검사 대상물에 대한 고 비용과 긴 다운 시간없이는 수행하기 힘들었다. 판형 물체에서 다양한 비정상적인 특성을 검지하고 위치 지정하는 자기변형 센서 기법을 사용하는 것이 바람직하다. 그런 기법은 상술한 바와 같이 시간 경과로 인한 부식에 의해 야기될 수 있는 라이너에서 벽 두께 감소의 검지와 위치지정에 사용되어 질 수 있다. 이런 시스템이 적용된다면, 그렇지 않으면 콘크리트나 바닥의 근처에 매입되거나 이동될 수 없는 장비 등과 같은 억제 라이너의 접근할 수 없는 영역을 검사하는 것이 가능해 질 것이다.

따라서, 원통 구조와 관련하여 활용되는 시스템의 정확성을 가지고 또한 그런 방법으로 판형 구조에 관현하여 자기변형 센서 기법을 구현하는 것이 바람직하다. 판형 구조의 검지가 판 표면의 전체적인 접근을 필요로 하지 않는 효율적인 방법으로 수행될 수 있다면 그것은 매우 바람직할 것이다. 그런 자기변형 센서 시스템은 판형 구조의 전체 체적을 조사할 수있고 비용적으로 효과적으로 그 구조의 전체적인 조사를 제공할 수 있을 것이다.

발명의 요약

본 발명은 판형 구조에 있어서 구조상태를 개선하고 파손, 품질 저하등의 비정상이 있는 지를 결정하기 위해 자기변형 기반의 NDE를 구현하기 위한 센서 디바이스를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 판형 구조의 검사에 있어서 비정상을 검지하고 분석하기에 적당한 파형의 특성을 대표하는 신호를 발생하고 판형 구조내에서 유도파형을 전송 및 수신할 수 있는 적당한 자기변형 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 판형 구조의 검사에 있어서 비정상, 부식, 파손등을 효율적인 비용으로 전체 구조를 검사하는 데 적당한 자기변형 센서 디바이스를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 유도파형을 판형 구조로 인도하고 그 구조내에서 비정상적으로 반사되는 파형을 검지하도록 특별히 채용된 자기변형 센서의 사용을 포함하는 판형 구조의 검사 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 판의 전체 표면 영역에 접촉하지 않고 대규모 체적의 판형 구조를 조사할 수 있는 자기변형 센서를 이용하는 판형 구조의 비파괴 검사의 방법과 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 대칭 또는 비대칭 램(Lamb) 파형 모드로 작동할 수 있는 자기변형 센서의 사용을 통하여 강자성체를 가지는 판형 구조 또는 억제의 비파괴 검사의 방법과 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 검사항목 내에서 전단 수평 파형을 발생하고 검지하는 자기변형 센서를 활용하는 판형 구조의 비파괴 검사의 방법과 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 저 주파수 작동(200kHz 미만)에 적당하고, 고성능, 긴 검사 범위, 그리고 상대적으로 발사순간에 잘 견디는 자기변형 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 자기변형 센서를 활용하는 전기 저항 용접을 검사하는 방법과 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 유도파형이 파이프 주위로 주위방향으로 전파하는 자기변형 센서를 이용하는 파이프의 비파괴 검사의 방법과 장치를 제공하는 그 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 벽, 용기, 담 등과 같은 판형 구조의 비파괴 검사의 자기변형 센서 기법을 구현하는 방법과 장치를 제공한다. 이 시스템은 판 표면에 평행한 방향으로 판을 통하여 이동하는 유도파형을 발생하는 판형 구조와 관련하여 적용하기 위해 특별히 고안된 자기변형 센서를 포함한다. 비슷하게 구성된 센서는 유도파형( 입사 및 반사된)을 검지하고 검지된 유도파형을 특성을 대표하는 신호를 발생하도록 위치되어진다.

송신기 코일/코어(14)는 코어재(40) 및 코어 권선(42)으로 구성된다. 이러한 구성요소들은 함께 자기 변형 센서 송신기 제어(도시되지 않음)에 의해 구동됨에 따라 플레이트 타입의 구조(34)내의 바이어스 자석(36)에 의해 얻어지는 자계내의 변화를 발생시키기 위해 작동한다. 플레이트 타입의 구조(34)내의 이러한 시변 또는 AC 자계는 플레이트 타입의 구조(34)의 표면에 평행인 방향으로 전달되는 기계적이고 유도파를 발생시킨다. 이러한 유도파는 도 3에 50으로 표시되었고 송신기 코일/코어(14)으로부터 멀어지는 방향으로 전달된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 송신기 코일/코어(14)가 플레이트 타입의 구조(34)의 표면상에 놓이고 코일/코어(14)의 길이축이 도시된 도면에서 도면 페이지쪽으로 향해져 있다면, 파(50)는 코일/코어(14)의 길이축으로부터 멀어져 2개의 방향으로 그리고 플레이트 타입의 구조(34)를 통하여 전파된다. 이것은 사용되는 자기 변형 센서의 길이(장축)에 바운딩되는 플레이트 타입의 구조(34)의 볼륨을 조사하는 역할을 한다. 이러한 방식으로, 플레이트 타입의 구조(34)의 볼륨의 정밀 검사"스위프"는 자기 변형의 센서의 길이와 폭이 일반적으로 동일하게 수행될 수 있다.

본 발명의 검출 코일과 같이 사용되는 자기 변형 센서의 배열은 본질적으로 송신기 코일에 대한 배열와 동일하다. 도 3에서, 수신기 코일/코어(20)는 코일 권선(46)은 물론 단면이 도시된 코어재(44)로 구성된다. 바이어스 자석(38)도 마찬가지로 수신기 코일/코어(20)상에 위치된다. 이러한 배열은 센서와 인접한 재료내의 반사된 기계적 유도파의 존재에 따라 요동하는 플레이트 타입 구조(34)내에 바이어스 자계를 형성한다. 도 3에서, 반사된 기계파는 수신기 코일/코어(20)에 가까이 52로서 표시되었고 수신기 코일/코어(20)에 의해 검출된다. 이러한 방식으로, 수신기 코일/코어(20)아래의 플레이트 타입 구조(34)를 통과하는 기계파는 검출되고 본 발명의 시스템의 전자장치의 평형에 의해 분석에 적당한 신호를 발생시키는 방식으로 코일(46)에 전압 요동으로 "트랜스레이팅"된다.

상술된 바와 같이, 본 발명의 방법 및 장치는 개별적인 가지 변형 송신기 및 수신기와 관련하여 또는 송신기 및 수신기 모두로서 작동가능한 단일 자기 변형 센서와 관련하여 사용될 수 있다. 후자의 경우에, 도 3에 도시된 구조는 송신기코일/코어(14) 또는 수신기 코일/코어(20)에 대하여 도시된 구성의 단일 자기변형 센서에 제한된다.

더욱 실제적으로 적용되는 또다른 대안적인 접근에서, 2개의 송신기 센서 및 2개의 수신기 센서는 적당한 페이싱에 의해 제어될 때 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 빔을 보내는 방향을 제어할 수 있다. 예로서, 송신기가 제1 위치(+) 방향으로 파를 발생시킬 때, 리턴 신호는 네가티브(-)방향으로 진행하는 파를 검출하도록 제어된 수신기에 의해 검출될 수 있다. 상술된 바와 같이, 이러한 제어는 2개의 센서를 적당하게 페이싱함으로써 얻어지고 이러한 프로세스는 NDE 기술분야에서 주지되어 있다. 이러한 방식으로, 플레이트의 검사는 전송 센서의 일측에 대하여 먼저 수행될 수 있고 그후에 센서 인스트루멘테이션을 단순하게 스위칭함으로서 검사는 송신기 센서의 반대측에 대하여 수행될 수 있다. 공지되고 자기 변형 센서에서 사용되는 다양한 다른 검사 기술도 마찬가지로 본 발명의 방법 및 구조에 대하여 적용할 수 있다.

본 발명의 디바이스 및 방법에 의해 조사되는 두께 0.25 인치, 길이 20 피트, 폭 4피트의 샘플 데이터의 강판에 대한 상세한 설명을 위해 도 4 및 도 5를 참조한다.

도 4에 표시된 신호는 플레이트에서의 제1 대칭파 모드(S₀)를 도시하고 도 5에 도시된 신호는 제1 비대칭파 모드(A₀) 모드를 도시한다. 도 4는 상술된 강판 기하학으로부터 취해진 60㎑ 자기변형 센서 신호의 시변 진폭 플롯이다. 이 파는 센서의 적당한 방향을 통해 방향정해지고 강판내의 길이방향으로 전파한다. 도 4에 구별된 신호 구성요소는 초기 펄스(60), 엔드 반사된 신호(62) 및 트레일링 신호(64)를 포함한다. 이와 마찬가지로 도 5에서, 초기 펄스(70)는 엔드 반사된 신호(72)처럼 표시된다.

이 재료내에서 발생된 유도파의 경로에서의 예외는 당업분야에서 알려진 바와 같이, 도 4 및 도 5에 도시된 2개의 신호중 어느 하나에서의 식별을 위해 충분한 진폭을 갖는 신호 구성요소를 발생시킨다. 이러한 방식으로, 플레이트 타입 그주내에서 검출되는 예외의 특성은 식별될 수 있고 자기 변형 센서로부터 멀어지는 파 전파의 방향으로 위치될 수 있다. 당업분야에서 알려진 바와 같이, 예외의 상대적인 위치는 (센서의 위치를 표시하는)초기 펄스 및 엔드 반사된 신호(62,72)와 시간 관계상 예외를 표시하는 신호 특성의 위치에 의해 식별될 수 있다.

그러한 신호의 예가 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 도 6은 폭 4피트, 길이 20피트, 두께 0.25인치의 강판내에 얻어진 40㎑ S₀파 모드 신호에 대한 펄스-에코 자기변형 센서 데이터를 도시한다. 3개의 신호는 센서로부터 떨어진 플레이트의 길이의 약 3분의 2 지점에서 플레이트내의 길이 4인치, 길이 8인치, 및 길이 12 인치 노치로 모아진 데이터에 대하여 도시되었다.

도 7은 폭 4피트, 길이 20피트, 두께 0.25인치의 강판에서 얻어진 20㎑ A₀파 모드 신호에 대한 펄스-에코 자기변형 센서 데이터를 도시한다. 3개의 신호 역시 센서로부터 떨어진 플레이트의 길이의 약 3분의 2 지점에서 플레이트내의 길이4인치, 길이 8인치, 및 길이 12 인치 노치로 모아진 데이터에 대하여 도시되었다.

각 경우에, 노치는 검출가능할 뿐만 아니라 크기 및 위치에 대하여 특징지어질 수 있다. 다양한 신호 분석 기술이 그러한 플레이트 타입의 구조에서 발견되는 예외의 다른 타입을 식별하고 특징짓기 위해 이러한 신호에 적용될 수 있다. 개별적인 파열등은 보통 격리된 반사파에 의해 식별되고, 한편 플레이트의 광범위한 악화 및 부식은 시간 주기에 대하여 수신된 그룹화된 파에 의해 식별될 수 있다. 또한, 특정 플레이트 타입의 구조의 시그네이처 신호는 이 구조가 사용되기 전에 얻어질 수 있다는 것이 기대된다. 이러한 방식으로 연속 시그네이퍼가 주기적으로 얻어질 수 있고 플레이트내의 예외가 발달되는지의 여부를 결정하기 위해 초기 베이스 라인 기준 시그네이처와 비교된다.

본 발명의 작업을 증명하기 위해, 대칭(S₀) 및 비대칭(A₀) 길이방향 파 모드 신호는 발생되고 도 2에 도시된 것과 같은 길이 12 인치의 자기변형 프로브를 사용하여 검출된다. 이러한 파 모드를 발생시키고 검출하기 위해 바이어스 자석(36,38)은 (자기 변형 프로브의 길이 방향의 길이에 수직인) 파 전파 방향과 평행인 방향으로 적용된다. 도 2에 도시된 것과 동일한 프로브는 전파되는 파와 수직인 방향으로 DC 바이어스 자계를 적용함으로써 플레이트내의 진단 수평파를 발생시키고 검출하도록 사용될 수 있다.

길이 4인치 자기변형 프로브를 사용하여 신호는 두께 0.25인티, 폭 4피트, 길이 20 피트의 강판에서 유도되었다. 도 8a는 시간에 대해 발생되고 반사되는 것으로 신호를 도시한다. 초기 펄스(100)는 그것이 시트의 극단부에 도달하고 극단부(102)로부터의 신호가 수신기 코일/코어(20)에 의해 수신될 때까지 자기변형 송신기 제어기(12)에 의해 발생된다. 가까운 단부(104)로부터의 신호는 시스템의 불완전한 방향 제어로 인해 수신된다.

시트의 하방의 약 3분의 2에 0.25인치의 구멍을 드릴링한 후에, 다른 개시 펄스(100)가 시트의 하방으로 전송된다. 다시, 불완전한 방향 제어로 인해 신호가 가까운 단부(104)로부터 수신된다. 또한, 먼 단부로부터 신호(102)가 수신된다. 그러나, 시트내의 0.25인치의 구멍을 나타내는 신호(106)가 수신된다. 따라서, 도 8a 및 도 8b가 함께 전단 수평파가 본 발명의 자기 변형 검사 기술 및 프로브에 사용될 수 있다는 것을 나타낸다. 또한, 대형 플레이트 구조의 뒤틀림 시험은 저주파 동작(200kHz 이하)에 적합하고, 양질의 감도를 가지고, 리프트 오프를 잘 견딘다. 이는 검사기술이 전자기 음향 트랜스듀서와 같은 비파괴검사 기술을 사용하는 경우에는 불가능하다.

파이프는 간단하게 원형으로 구부러진 플레이트라고 생각할 수 있다. 파이프는 말그대로 원형으로 구부러진 시트 금속으로 만들어져서 그 한쪽이 전기저항 용접을 이용해서 용접된다. 전기 저항 용접을 포함한 자기 변형 검사 기술은 도 9에 도시된 바와 같이 검사에 사용될 수 있고, 도 9를 참조로 설명될 수 있다. 파이프(200)은 용접 라인(202)으로 설명된다. 송신기 코일/코어(14)는 파이프(200)의 일측에 위치되고, 수신기 코일/코어(20)는 큰 지름 파이프(200)의 180°반대측에 위치된다. 도시되지는 않았지만, 마그네틱 바이어스는 송신기 코일/코어(14) 및수신기 코일/코어(20)에 적합하게 제공된다. 도 1에 도시된 검사 기술(10)을 사용해서, 개시 펄스(206)는 도 10a에 도시된 바와 같이 파이프 주변에서 시작된다. 펄스가 수신기 코일/코어(20)를 통과할 때마다, 신호(208)가 수신된다. 신호(208)는 한 주기동안 파이프(200)주위를 반복해서 회전한 이후에 소멸된다.

송신기 코일/코어가 수신기 코일/코어(20)로부터 파이프(200)의 주변의 180°에 있는 경우, 두개의 반대로 향하는 파장은 단일의 진폭이 큰 신호를 구조적으로 생성하는 것을 추가한다. 일단 생성되면, 개시 펄스(206)는 그 모든 에너지가 다할 때까지, 파이프(200)의 주위를 회전하는 것을 계속한다. 따라서, 생성된 파장은 전단 수평파의 전송시간과 동일한 규정된 간격으로 신호를 생성해서 파이프(200)의 전체 주위를 이동한다. 용접 라인에 어떠한 결함이 있다면, 이는 결함 신호로 나타난다. 만약 용접라인이 송신기 코일/코어(12)의 약 90°에 있다면, 이 결함은 수신기코일/코어(20)에 의해 수신되는 바와 같이 대략 신호(208)사이의 중간에 있다.

결함 측정을 검증하기 위해, 도 10a에 도시된 바와 같이 출원인은 파이프(200)의 노치를 커트했다. 이후에 시험은 파이프(200)의 주위에서 전단 수평파를 포함하고 있는 개시파(206)를 가지고 반복되었다. 신호(208)는 전단 수평파가 수신기 코일/코어(20)에 도달하는 각각의 시간을 나타내었다. 그러나, 추가로 파이프(200)내에 유도된 노치로부터 반사된 신호에 의해 생성된 노치 신호(210)가 존재한다. 개시파가 파이프(200)의 주위를 회전할 때마다, 노치 결함부를 통과함으로써 이전의 노치 결함 신호(210)에 추가되는 노치 결함 신호를 생성하기 때문에, 이 때마다 진폭을 증가시켰다. 노치 신호의 증가는 한번의 주기동안 발생하고, 이는 에너지가 다할 때까지 계속 증가할 것이며, 신호(208)에서도 동일하다.

개시파 신호 진폭(208)과 제 1 결함 신호 진폭(210)사이의 비율에 따른 결함의 크기에 대한 비교 표시를 얻을 수 있다. 도 10b에 도시된 실시예에서, 노치는 횡단면의 약 8%이다. 이는 약 10%인 신호(208)와 신호(210)의 비율과 잘 비교된다. 이는 노치의 크기에 대해 대략적인 법칙으로 고려된다. 분명하게, 노치가 전단 수평파의 방향에 대해 수직인가 평행한가와 같은 다른 요인이 고려된다.

단지 설명으로서의 상기 방법을 사용함으로써, 본 발명은 길이방향의 결함 및 부식 결함에 대한 파이프 검사에 사용될 수 있다. 본 발명에서, 뒤틀림 프로브는 파이프의 길이 방향으로 이동되어서, 파이프내의 결함을 측정한다. 설비를 제조할 때, 뒤틀림 송신기 또는 수신기는 파이프 내에서 정지되어 있고, 파이프가 이 송신기와 수신기 사이를 이동하면서 임의의 결함에 대한 검사가 이루어진다.

비록 본 발명의 이점이 단일 위치의 센서로부터 체적이 큰 판상 구조를 광범위하게 검사할 수 있다는 것이지만, 밀봉 용기등을 완벽하게 검사하기 위해서는 다양한 위치 및 방향으로 센서를 놓아야 한다는 것이 예상된다. 예를들어 밀봉용기는 전체 구조를 완벽하게 검사하는 소정의 스캔 라인(바닥에 수평 또는 수직인 라인이 될 수 있는)을 따라 연속되는 복수의 위치에 센서를 배치할 필요가 있다. 이런식으로 개선된 전체 밀봉용기의 검사는 용기의 전면이 액세스될 필요없이 수행된다.

비록 본 발명의 장치 및 방법에 대한 바람직한 실시예의 설명이 기술되었지만, 본 발명의 기본적인 센서 구조를 사용하는 방식의 변형물이 가능하다는 것은예상할 수 있을 것이다. 설명된 센서 구조에 대한 특정 치수는 조사하려는 특정 판상 구조에 따르는 것과 같은 것은 아니다. 다양한 길이의 센서가 조사 환경의 요구에 따라서 사용될 수 있음이 예상된다. 일반적으로, 본 발명에서 설명된 센서의 기본구조는 어떤 강자성판체에도 사용될 수 있다. 권회 코일형 자기 변형 센서가 적절하지 않은 경우에, 본 발명의 센서구조는 자기 변형 조사 기술의 감도 및 정확성이 수행될 수 있는 메카니즘을 제공한다. 상술된 센서구조는 비파괴 검사에 종사하는 당업자에게는 인지될 것이다.

본발명은 일반적으로 물질의 비파괴 검사를 위한 방법 및 장치에 관련된다. 더 상세하게는, 본발명은 강자성체 물질로 이루어진 판상(plate-type) 구조의 원거리 검사를 위한 자기변형(magnetostrictive) 센서 기반 시스템에 관한 것이다.

Claims

자기 변형 기술을 이용하여, 노치, 절결, 크랙, 마모 또는 부식과 같은 결함을 지시할 수 있는, 그 내부의 변형에 대해, 편평형 또는 만곡형인, 판상 강자성 구조체를 비파괴적으로 검사하는 방법에 있어서,

송신기를 상기 판상 강자성 구조체에 인접하도록 제1 위치지정하는 단계;

상기 송신기에 인접한 상기 판상 강자성 구조체내에 제1 DC 바이어스 자계를 제공하는 단계;

수신기를 상기 판상 강자성 구조체에 인접하도록 제2 위치지정하는 단계;

상기 수신기에 인접한 상기 판상 강자성 구조체내에 제2 DC 바이어스 자계를 제공하는 단계;

펄스 신호를 송신기 제어회로내에 발생시키고 상기 펄스 신호를 상기 송신기에 전달하는 단계로서, 상기 송신기는 상기 자기 변형 구조내에 자기 변형 파면을 만드는, 상기 단계는;

상기 판상 강자성 구조체를 통한 반사파 및 상기 유도파의 통과에 의한 결과로서 상기 제2 DC 바이어스 자계내의 요동을 검출하는 단계로서, 상기 판상 강자성체내의 상기 변형에 의해 야기된 것들을 포함하는, 상기 단계; 및

상기 반사파가 상기 판상 강자성 구조체에 존재하지 말아야 할 변형에 기인하는 지를 결정하는 단계를 포함하고,

상기 송신기 및 수신기는 상기 유도파면이 신장된 축에 평행하고 이 축에 수직방향으로 이동하도록 상기 신장된 축 둘레를 길이방향으로 감은 코일과 상기 신장된 축을 갖춘 코어를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 송신기 및 수신기는 단일 물품이고, 상기 제1 DC 바이어스 자계 및 상기 제2 DC 바이어스 자계는 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 송신기 및 수신기의 상기 신장된 축은 서로에 대해 대체로 평행한 것을 특징으로 하는 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 신장된 축은 상기 코어의 폭의 적어도 수 배인 것을 특징으로 하는 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 파면은 대칭, 비대칭 또는 전단 수평파로 이루어 지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 코어는 U자 형상 코어의 스택으로 이루어 지고, 상기 신장된 축의 길이는 상기 스택내에 있는 상기 U자 형상 코어의 수에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 펄스는 초당 200,000 사이클 미만인 것을 특징으로하는 방법.
제 1 항에 있어서, 양호한 센시티비티와 긴 검사 범위를 갖고 상기 송신기 또는 수신기에 의한 리프트오프에 비교적 잘 견디는 것을 특징으로 하는 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 코어는 E자 형상 코어의 스택으로 이루어 지고, 상기 신장된 축의 길이는 상기 스택내에 있는 상기 E자 형상 코어의 수에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
펄스 신호로부터 자기 변형 기술을 이용하여 판상 강자성 구조체를 비파괴적으로 테스팅하는 데에 사용하기 위한 센서에 있어서,

그 길이가 그 폭 보다 훨씬 긴 신장된 코어;

상기 신장된 코어의 상기 길이의 둘레에 감긴 코일;

상기 신장된 코어를 따라 상기 판상 강자성 구조체내에 생성된 DC 바이어스 자계; 및

상기 센서는 그 내부의 변형으로부터 반사된 자기 변형 파를 검출하기 위해 상기 펄스 신호를 수신하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 센서.
제 10 항에 있어서, 상기 신장된 코어는 U자 형상인 것을 특징으로 하는 센서.
제 10 항에 있어서, 상기 신장된 코어는 E자 형상인 것을 특징으로 하는 센서.
제 10 항에 있어서, 상기 코일의 권선의 수는 상기 자기 변형 파면의 세기를 결정함을 특징으로 하는 센서.
제 11 항에 있어서, 상기 코어는 U자 형상 코어의 스택으로 이루어 지고, 상기 길이는 상기 스택내에 있는 상기 U자 형상 코어의 수에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 센서.
제 13 항에 있어서, 상기 펄스 신호 및 상기 반사된 자기 변형 파는 초당 200,000 사이클 미만인 것을 특징으로 하는 센서.
제 15 항에 있어서, 상기 DC 바이어스 자계는 상기 코어에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 센서.
제 15 항에 있어서, 상기 신장된 U자 형상 코어는 U자 형상 페라이트, 트랜스포머 스틸 시트, 밀 스틸 또는 영구 자석으로 이루어 지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 센서.
제 15 항에 있어서, 상기 센서는 양호한 센시티비티와 긴 검사 범위를 갖고 리프트오프에 비교적 잘 견디는 것을 특징으로 하는 센서.
제 10 항에 있어서, 제1 DC 바이어스 자계, 신장된 U자 형상 코어 및 코일은 상기 자기 변형 파면을 발생시키고 제2 DC 바이어스 자계, 신장된 U자 형상 코어 및 코일은 상기 반사된 자기 변형 파를 검출하는 것을 특징으로 하는 센서.