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ⓒ픽사베이


최근 열병합 발전소 견학을 다녀오며 엄청난 크기의 보일러를 보고 놀란 것이 기억에 생생합니다. 발전소 보일러는 뜨거운 열을 발생시켜 그 증기로 터빈을 가동해 전기를 생산하고, 증기에 의한 열은 물을 가열하는 데 사용합니다. 이것은 지역난방에 활용하기도 하며 전기와 온수를 모두 공급하지요. 


방의 온기와 따듯한 온수를 책임지는 보일러가 없다면 이불 밖으로 벗어나기 힘든 요즘, 겨울은 한 가정에 열을 공급하는 가정용 보일러부터, 작게는 한 단지, 크게는 한 동네에 열을 공급하는 발전소 보일러까지 사용이 급증하는 시기이기도 합니다.  안전한 발전과 열 공급을 위해, 발전소는 보일러의 안전 검사를 매년 수행하게 되는데요. 문제는 정비기간 동안 급전지시와 열 공급이 중단되는 것입니다. 인력이 직접 투입되어 위험하기도 하죠. 이를 해결하기 위해 최근, 전력연구원에서 ‘자기 센서를 활용한 보일러 배관상태 가시화 기술’ 연구에 착수했습니다.

자기센서는 간단히 말해 나침반이라고 생각할 수 있는데요. N극과 S극으로 이루어진 나침반은 지구의 자기장에 의한 북쪽과 남쪽의 방향을 알려주고 있죠. 즉 나침반은 ‘눈에 보이지 않지만 작용하고 있는 자기의 방향’을 알려주는 자기센서인 것입니다. 저는 이번에 개발될 자기센서에 대해 자세히 알아보기 위해, 전력연구원 발전기술소 정계조 차장님과 인터뷰를 나눠보았습니다.

 

ⓒ전력연구원 홍보 브로슈어


Q. 안녕하세요 담당자님. 성명과 소속부서, 담당 업무에 대한 소개를 해주실 수 있나요?
A. 안녕하세요, 전력연구원 발전기술소 정계조입니다. 비파괴 검사 기술 연구 개발업무를 담당하고 있습니다.

Q. 이번 기술 개발의 계기가 있으신가요?
A. 보일러 부품인 배관과 튜브는 증기를 생산하여 터빈으로 보내는 주요 설비입니다. 보일러 연료의 연소과정 중에 발생하는 열을 튜브는 흡수하는 역할을 하고, 배관은 증기를 이송하는 역할을 담당합니다. 연소과정에서 복사열, 대류열에 노출되어 있어 설치된 구조 특성에 따라 튜브와 배관에 스트레스가 누적되게 됩니다. 장기간 운전에 따라 축적된 스트레스로 인하여 배관과 튜브가 파열되면 증기 생산이 불가합니다. 따라서 현재는 정지 후 정비 및 보수과정을 거쳐 정상화를 시키고 있는데요, 이같이 누적되는 스트레스 상태를 자기장 검사 방법으로 추출하여, 용접부의 손상 및 열화여부를 판정하기 위해서 기술개발을 시작하였습니다.

 

ⓒ전력연구원 홍보 브로슈어


Q. 보일러 배관상태 가시화 기술에 대해 간단하게 설명해주실 수 있나요? 사용되는 자기센서의 작동 원리는 어떻게 되나요?

A.
  1) 가시화 기술
  자기장의 변화 상태를 측정하여 얻어진 데이터를 가공하여 배관과 튜브의 형상에 입히는 과정(매핑)을 거쳐서, 2D 형태의 도면에 나타내거나, 3D 형상의 모델에 나타내는 방법입니다.
   
  2) 자기센서의 작동 원리
 재료에 응력*을 가하면 재료의 자기장 값이 증가하는 원리 (Magento-ealastic effect)를 응용한 것으로, 특이한 사항은 응력을 제거하더라도 증가한 자기장 값이 초기 상태 자기장 값보다 높게 보유하는 현상을 검출합니다. 

 

*응력 : 물체의 외부에서 외력이 가해질 때, 그 물체 내부에 이것을 저항하려고 하는 힘

 

ⓒ정계조 차장님 제공


Magneto-elastic effect
그림 설명 : 위 그림에서 가로축은 하중의 크기를 변화 시키는 것이고, 세로축은 자기장 값을 나타냅니다. 그림처럼 하중을 부가하면 자기장이 증가하고 하중제거시 자기장이 최초의 상태가 되지 않는 현상을 나타냅니다. 세로축의 ΔMirr은 비가역 현상을 나타내는 자기장 값을 말합니다.  

이렇게 높게 나타나는 자기장은 재료의 자구(Magenetic domain)가 응력 방향으로 재배열 되면서 내부에 정렬된 자기장이 외부로 분출되는 현상입니다. 

(좌)초기상태 / (우)응력을 가한상태 ⓒ정계조 차장님 제공


Q. 자기센서를 이용한 보일러 배관상태 점검을 통해, 얻게되는 장점은 어떤게 있을까요?
A.  보일러 설비는 계획예방정비 기간 중에 용접부와 운영경험 상 취약한 부위를 육안검사와 더불어 비파괴검사를 수행하여 건전성을 확인하고 있습니다. 특히 설비고장 발생, 분석한 자료를 보면 구조적으로 각 부품의 간섭으로 인하여 상호간 구속부에서 응력집중현상이 심화되어 손상으로 발전하는 사례가 다수 있습니다. 

이에 따라, 자기장센서를 이용할 경우 검사대상체에 스트레스(응력)가 남아있어 취약할 수 있는 부분을 다른 비파괴 검사에 비하여 짧은 시간에 검출할 수 있어 조기에 위험개소를 추출해 낼 수 있습니다.  검사시간은 초음파검사(UT) 대비 1/10, 자분탐상검사(MT)* 대비 1/5 수준으로 평가됩니다. (초음파검사와 자분탐상검사로는 응력 집중부를 검출할 수 없습니다.)


*자분탕검사(MT) : 자석의 성질을 띠는 가루를 뿌려, 표면에 결함이 있는 경우 자력선에 의해 응집되는 현상을 이용한 비파괴 검사 방법

따라서 취약개소(응력집중부)를 미리 검출하고 그 위치에 대하여 방사선 투과검사(RT)나 초음파 검사(UT)를 수행하면 이상 부위에 대하여 정밀하고 효율적인 검사를 통해 설비 건전성을 확보하는데 시간과 비용을 절감할 수 있습니다. 자분탐상검사(MT)의 경우에는 검사 전에 대상체 표면을 처리한 후(녹 및 이물질 제거), 표면에 나타나는 결함만 검출할 수 있으나 자기장 검사 방법은 내부에 존재하는 결함에 의해 발생하는 자기장 불평형 상태를 검출할 수 있는 장점이 있습니다. 


RT(방사선 투과 검사)의 경우는 방사선 피복과 관련하여 안전관리 유지에 세심한 주의가 필요합니다. 결론적으로, 자기장 검사방법은 비접촉 센서를 이용하고 별도의 에너지를 부가할 필요 없이 응력집중부를 검출할 수 있습니다.

Q. 향후 기술 발전 계획이 있으신가요?
A. 자기장 변화 집중부를 검사하는 장치를 무선화하여 보일러 설비 검사 접근성을 높이는 방법과 검사결과를 모델링화 하여 가시화된 취약부를 설비 운영자에게 제공하는 방법을 개발할 예정입니다.

ⓒ정계조 차장님 제공



Q. 마지막으로 국민 여려분에게 한 마디 부탁드립니다.
A. 향후 이 기술은 풍력발전설비 구조물, 산업구조물인 교량, 철로에 대하여 안정성을 감시할 수 있는 방법이 될 예정입니다. 특히, IoT 기술과 접목하여 상시 모니터링과 실시간 현장점검 개념으로 산업설비 구조물의 안정성에 대하여 조기에 위험성을 알려주는 시스템으로 발전시킬 계획입니다. 전력연구원에 많은 관심 부탁드립니다. 감사합니다. 

전력연구원에서 개발할 자기센서를 활용한 보일러 배관상태 가시화 기술은 보일러 내부를 인력이 직접 투입되거나 일부의 튜브를 발췌하지 않아도 검사가 가능합니다. 점검에 필요한 시간적 소모 방지, 인력의 안전, 발전 지속성 확보가 가능한 1석 3조의 장점이 있죠. 작업자도 안전하고, 높은 열을 활용하는 보일러를 안전하게 운용함으로써 따뜻하고 안전한 겨울을 위한 한전과 전력연구원의 노력은 계속될 예정입니다.

 

 

 


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  • BlogIcon snu.kim 2020.12.28 18:58
    정말 유용한 정보에요~
  • BlogIcon elec.han 2020.12.28 19:03
    좋은 정보 감사해요!
  • No catch Jo 2020.12.28 19:19
    관심있는 분야였는데 감사합니다~
  • op.zz 2020.12.28 19:46
    너무 뜨거워서 불이날까 겁날때도 있었는데 좋은 정보 감사합니다~!
  • double click 2020.12.28 19:47
    구체적인 설명 감사합니다~ 자기 센서를 통해 보일러안을 볼 수 있다는게 신기한거 같아요 유익한 정보 감사합니다~
  • Magical park 2020.12.28 19:53
    유익한 정보 감사합니다!
  • Sm 2021.01.25 17:38
    좋은정보 감사합니다
  • 김승기 2021.01.25 17:40
    진짜 짱이에요
  • Realstone 2021.01.25 17:47
    이상한 알고릐즘에 이끌려 새로운 정보 얻어가요 굿
  • 아인슈타인 2021.01.25 17:57
    인류가 발전하고 있음을 느꼈슴니다.
  • like 2021.02.09 17:57
    IoT 기술의 도입으로 인력의 안전을 확보하고, 미리 위험을 감지하는 시스템이라니 정말 기대가 되네요! 전력연구원의 앞날 기대하겠습니다. :)

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