기계설비는 기계적 결함, 작동 오류, 사고 및 자연재해 등에 의해 구동정지가 일어난다. 이 같은 구동 정지에 의해 기계설비의 중단 될 시 큰 비용을 초래하게 된다. 이처럼 중단 시에 많은 비용이 들지만 중단 없이 설비에 대한 신뢰성을 향상시키기는 어렵다⁽¹⁾.

기계설비에는 복잡하고, 다양하게 배관이 사용되고 있다⁽²⁾. 이러한 기계설비 내의 배관은 유체의 이동수단 역할⁽³⁾로 사용되며, 특히 플랜트 내의 배관은 고온, 고압의 증기로 인해 배관결함 가능성이 있다⁽⁴⁾. 이 같은 배관결함으로 인한 누설 시 효율성 감소 및 화재사고로 인한 인명피해가 있을 수 있다.

플랜트 내의 배관은 내부응력, 부식, 충격 등으로 인해 배관의 균열이 발생 할 수 있다. 배관의 결함 형태로는 부식 결함, 기계적 결함과 같은 다양한 결함이 존재한다⁽⁵⁾. 또한 용접에 의한 잔류응력 등 여러 형태의 응력에 지배를 받으며, 이러한 원인들로 인해 수평 및 수직방향 균열로 나타나게 된다.

플랜트 내의 배관에는 많은 밸브들이 존재하며⁽⁶⁾, 밸브유체누설로 인한 안전사고 및 에너지손실이 생긴다. 하나의 밸브의 누설량은 적지만, 플랜트 내에는 많은 밸브들이 존재하므로 이러한 많은 밸브들이 함께 누설 된다면 또 다른 효율성 문제를 일으킨다.

사고 및 인명피해 효율성 감소에 대한 문제를 보완하기 위해 누설이 발생하는 밸브와 배관결함을 조기에 탐지하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 탐지방법에는 가속도 센서를 이용한 진동측정과 초음파, 방사선, 음향방출법과 같은 비파괴 검사가 대표적이다⁽⁷⁾.

이 연구에서는 가속도 센서와 음향방출센서를 사용하였으며, 가속도 센서는 설비기기의 충격, 진동과 같은 동적인 힘을 측정하며 기기의 운동 상태를 상세하게 감지 할 수 있다. 음향방출신호는 배관 내의 유체 유동에 의해 구조물에 표면파로 생성되어 전파되는 것이며, 일반적인 구조물에서 유체의 유동은 압력으로 변환되며 이 압력이 소리를 발생시키는데 이를 음향방출신호라고 한다⁽⁵⁾. 이러한 음향방출신호는 실시간으로 모니터링이 가능하며, 센서 한 개로 넓은 영역을 감지 할 수 있다. 하지만 음향방출신호의 경우 잡음이 많이 포함되어 있는 단점이 있기 때문에, 원 신호를 이용하여 분석하기는 쉽지 않다. 따라서 음향방출센서의 경우 envelope(포락) 전처리의 일종인 Hilbert transform(힐버트 변환)을 이용하여 전처리 전/후 데이터를 비교하였다.

일반적으로 배관 운용 시 넓은 주파수 대역에 주파수 신호가 존재한다. 음향방출센서로 고주파신호를 측정하며, 가속도 센서로 음향방출센서에 비해 저주파인 진동신호를 수신한다⁽⁷⁾. 따라서 가속도 센서와, 음향방출 센서를 모두 사용함으로써 보다 넓은 대역의 진동을 모두 확인 할 수 있다.

이 연구에서는 정상배관과 다양한 균열을 모사하기 위해 수평방향, 수직방향 균열 배관을 사용하였으며, 정상배관과 균열배관, 밸브의 개폐여부에 따라 진동신호와 전처리 전· 후의 음향방출신호를 비교분석함으로써 배관결함 조기 진단 가능성을 확인하고자 한다.

이 논문에서는 정상배관, 수평, 수직방향 균열배관을 사용했으며, 진동신호와 음향방출신호를 취득하여 균열형태와 밸브개폐에 따라 총 5가지 case로 나누어 실험을 진행하였다.

그 결과 진동신호의 경우 평균적으로 분류성능은 72 %, 음향방출 원 신호의 경우 86 % 전처리 후의 음향방출신호의 경우 94 %로 확인되었다.

이 연구의 균열배관에는 진동신호보다 음향방출 신호가 분류성능이 뛰어났다. 이는 배관의 진동은 전대역이 진동하므로 측정대역이 넓은 음향방출신호가 더 많은 결함신호를 포함하고 있기 때문이라고 판단된다.

또한 envelope 전처리를 수행한 음향방출신호가 전처리 전의 음향방출신호보다 분류성능이 우수함을 확인하였다. 이는 음향방출센서의 경우 잡음을 많이 포함하고 있기 때문이라고 판단된다.

이 연구의 실험모델인 열교환기 배관으로 정상배관 및 결함배관과 밸브개폐에 따라 다른 특성을 확인하였으며, 이러한 연구가 배관 조기결함 탐지에 크게 기여할 것이라 판단된다.