유동층 보일러를 구성하는 요소 중 하나인 수냉벽 튜브는 외부의 고온 연소 가스를 이용해 물을 증기로 가열하는 튜브군의 하나로써, 보일러를 이용한 전력 생산에 중요한 역할을 담당하지만, 고온 가스 및 유동 매체로 인해 마모 및 부식이 심하게 일어나면 누수가 발생하고, 누수로 인한 2차 피해도 발생될 뿐만 아니라, 발전 효율이 현저히 떨어지게 되어 수냉벽 튜브의 유지보수는 매우 중요하다.
 
본 시험에서는 시뮬레이션 기반의 발신자(Exciter) 센서 설계, 원격장 와전류 시스템 구성, 수냉벽 튜브 외벽 결함 평가를 목적으로 하였으며, 이를 위한 발신자(Exciter) 형상의 센서 설계를 시작으로, 수냉벽 튜브의 크기, 재질, 주파수, Lift-Off(센서와 수냉벽 튜브 사이의 거리) 등 여러 가지 요인에 따른 시뮬레이션을 진행하여 그에 따른 최적의 발신자(Exciter) 센서를 설계하였다. 

1. 서 론

화력발전은 매장량이 풍부한 석탄을 주원료로 사용하고, 타 발전 방법에 비해 가격 경쟁력이 뛰어나기 때문에 가장 많은 발전 비율을 차지하고 있다. 하지만 석탄을 연소하여 발전하기 때문에 많은 환경적인 문제점들이 야기된다. 이러한 점을 고려하여 개발된 것이 ‘유동층 보일러’이다. 이 보일러를 구성하는 요소 중 하나인 수냉벽 튜브는 외부의 고온 연소 가스를 이용해 물을 증기로 가열하는 튜브군의 하나로써, 보일러 발전에 중요한 역할을 한다. 하지만 유동층 보일러 수냉벽 튜브는 고온 가스 및 유동 매체로 인해 마모 및 부식이 심하게 일어난다. 수냉벽 튜브에 마모 및 부식이 일어나면 누수가 발생하고, 누수로 인한 2차 피해도 발생할뿐더러, 발전 효율이 현저히 떨어지게 되어 수냉벽 튜브의 유지보수는 매우 중요하다. 수냉벽 튜브뿐만 아니라 튜브 형태 구조물의 유지보수를 위해 사용되는 비파괴 평가적 기법들이 많이 있고, 원격 자장에 대한 효과는 1940년에 처음 알려졌으며, 1951년에 W.R. Maclean에 의해 특허가 출원되었다.
 
또한, 수냉벽 튜브 내외부의 자기장의 분포를 시험한 결과 40kHz에서 최적의 검출 감도를 얻을 수 있었다. 그 외의 비파괴적 검사 방법으로는 초음파 탐상(Ultra sonic Testing, UT)과 와전류 탐상(Eddy Current Testing, ECT)이 주로 사용되고 있고, 와전류 탐상(ECT)의 응용 기법인 원격장 와전류 탐상(Remote Field Eddy Current Testing, RFECT) 또한 널리 사용되고 있다. 이 중에서 원격장 와전류 탐상(RFECT) 기술은 프로브 근처에 있는 결함뿐만 아니라 검사 대상 재질의 전 두께를 검사할 수 있어 인기가 높다.
 
이에 따라 국내외에서 원격장 와전류 탐상 기법을 통한 비파괴 평가 기법이 활발하다. David L. Atherton 등은 관 내에서 발생하는 원격장 와전류 탐상 신호를 분석하였으며, 박재하 등은 원격장 와전류 탐상 기법을 통해 6인치 이상 관 내에서 결함을 측정하였고, 박정원 등은 GMR(Giant Magneto Resistance) 센서를 사용한 원격장 와전류 탐상 기법을 통해 결함 검출 기법을 개발하였다. 국외로는 W.Lord 등이 원격장 와전류 탐상 기법에 대한 시뮬레이션 기법을 연구하였으며, A.Vajpayee 등은 원격장 와전류 탐상 기법을 통하여 보일러 튜브의 결함 검사를 연구하였다.
 
기존의 유동층 보일러 수냉벽 튜브에 대한 와전류 검사 방법은 검사용 센서를 사용하여 한 번에 한 개의 튜브 열만 검사가 가능하였으나, 개발된 센서는 한 번에 5개의 열까지 검사가 가능하여 검사 시간과 비용을 반으로 줄일 수 있는 이점이 있다. 또한, 기존의 일반 보일러 수냉벽 튜브에 비해 유동층 보일러는 내부 가열을 위해 가느다란 모래입자인 유동사를 사용하므로 일반 보일러의 수냉벽 튜브에 비해 단시간에 튜브의 마모와 결함이 발생되고 있으므로 현장 여건에 맞는 새로운 검사 방법이 요구되고 있는 실정이다. 
 
전력연구원에서는 시뮬레이션 기반의 발신자(Exciter) 센서 설계, 원격장 와전류 시스템 구성, 수냉벽 튜브 외벽 결함 평가를 목적으로 하였으며, 수냉벽 튜브 외벽 검사를 위한 발신자(Exciter) 형상의 설계를 시작으로, 수냉벽 튜브의 크기, 재질, 주파수, Lift-Off(센서와 수냉벽 튜브 사이의 거리) 등 여러 가지 요인에 따른 시뮬레이션을 진행하였다. 그리고 그에 따른 최적의 발신자(Exciter)를 설계하여 후보군을 정한 후, 직접 권선하였다.

2. 원격장 와전류 탐상 시뮬레이션

(1) 형상 모델링
그림 1은 적절한 발신자(Exciter) 설계를 위한 전체 형상 구성을 나타낸다. 그림 1의 (a), (b), (c)는 각각 정면도, 평면도, 등각도를 나타낸다. 구성은 (1) 수냉벽 튜브, (2) 발신자(Exciter) 센서, (3) Receiver 센서로 이루어져 있다. 수냉벽 튜브는 여러 개의 파이프가 연결되어 있는 형태이다. 튜브와 튜브 사이를 연결해주는 부위를 멤브레인(Membrane)이라고 부른다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, 시뮬레이션(Simulation)에서는 전체 수냉벽 튜브를 형상화하지 않고 하나의 파이프만 형상화하였다. 표 1은 수냉벽 튜브 형상의 상세한 수치를 나타낸다.
다음은 이번 시뮬레이션(Simulation)에서 가장 중요한 발신자(Exciter) 센서이다. 그림 3에서처럼 반원 형태의 파이프 형태로 구성하여 권선의 방향 또한 반원 형태의 원주 방향을 따라 이루어졌으며, 파이프의 외벽에 고르게 와전류를 유도하고, 그 세기가 균일하게 전달되게 함으로서 튜브에서 발생된 파형을 좀 더 쉽게 구현하기 위하여 새로운 형태인 반원 모양의 원주 방향으로 설계하였다. 표 2는 발신자(Exciter) 센서 형상의 상세한 수치를 나타낸다.
콘솔 시뮬레이션(COMSOL Simulation)을 활용하여 직접적인 수신자(Receiver) 센서의 신호 감도를 측정할 수는 없다. 그림 4는 원주 방향의 모양으로 권선된 코일 센서 또는 GMR 센서가 추후에 그 누설 자기장을 탐지하고, 실제 실험을 통해 비교하여 수신자(Receiver) 센서를 선정하였다. 표 3은 코일 센서(Coil sensor) 형상의 상세한 수치를 나타낸다.

(2) 물성 및 재료 선정
시뮬레이션(Simulation)에서 물성 및 재료는 매우 중요한 역할을 한다. 수냉벽 튜브에 적용된 재료는 13Cr Mo44인 합금 철강 파이프로, 고온과 고압에 잘 견디기 때문에 압력 용기(Pressure vessel)나 보일러에 많이 사용되는 재질이다. 또한, 유동층 보일러 수냉벽 튜브 자체가 강자성체이기 때문에 비투자율을 50, 전기전도도는 6.67 ms/m을 주었다.

(3) 발신자(Exciter) 센서 설정
와전류 생성을 위해서 콘솔 다중 물리학(COMSOL Multiphysics) 내의 기능 중의 하나인 자기장(Magnetic Fields) 기능을 사용하였다. 코일은 2종 폴리우레탄 동선(2UEW)을 기준으로 설정값을 적용시켜 주었다. 코일의 선경은 0.85mm를 사용하였고, 약 4~5A까지의 전류를 견딜 수 있는 코일을 선택하였다. 권선수는 225, 전기전도도는 5.96e7[S/m]를 주었다.

(4) 기준 주파수 선정
검사하고자 하는 시편이 정해지면 고유 물성이 정해져 있기 때문에 주파수에 따라 침투 깊이를 변화시킬 수 있다. 발신자 코일(Exciter Coil) 최적화를 하기 이전에, 배관 두께에 따른 유효 침투 깊이를 얻기 위해 주파수를 계산하였다. 표 4는 침투 깊이를 계산하기 위해 필요한 값들을 나타낸다. 원격장 와전류 탐상(RFECT)은 기본적으로 배관을 통과한 후 뚫고 나오는 신호를 받기 때문에 배관 두께의 2배 정도 되는 침투 깊이를 요한다.
사용된 배관의 두께는 6.1mm이며, 이중벽 관통 기술(Double-Wall-Through Technique)을 적용하여 약 12mm라고 생각할 수 있으며, 표준 침투 깊이는 이 깊이의 약 37%인 4.44mm이다. 식 (1)을 이용하여 다음과 같이 약 40Hz를 얻을 수 있으며, 원격장 와전류 탐상(R FECT)은 두꺼운 배관을 통과시켜야 하기 때문에 일반적인 와전류 탐상(ECT)보다 훨씬 낮은 주파수를 사용하였다.

3. 시뮬레이션 신호 특성 분석

(1) 발신자(Exciter) 센서 형태에 따른 신호 특성 분석
원격장 와전류 탐상(RFECT) 발신자(Exciter) 센서의 가장 좋은 형태는 유동층 보일러 수냉벽 튜브 외벽에 균일하게 와전류를 생성시킬 수 있는 형상이어야 한다. 실제 와전류 탐상 및 원격장 와전류 탐상에서 가장 많이 사용하는 두 가지 형태와 새롭게 고안된 형태에 대해 시뮬레이션을 진행해 보았다. 그림 5는 각각 (a) Axial type, (b) Radial type, 그리고 (c) Semicircular의 발신자(Ex citer) 센서 형태를 나타내고, 권선의 방향과 모양 또한 각각 그림 5(a)와 (b)는 원주 방향으로 권선하였고, 그림 5(c)는 반원 형태의 도넛(Donut) 모양을 따라 권선하였다. 표 5는 다른 형상의 발신자(Exciter) 센서의 상세한 수치를 나타낸다.

그림 6은 신호 해석용 콘솔 시뮬레이션(COMSOL Si mulation)을 활용하여 각각 원주 방향 형태, 축 방향 형태, 그리고 반구형의 형태로 된 발신자 센서에 대한 자속밀도 신호를 비교해 놓은 것으로서 가로축은 발신자 센서로부터의 거리를 나타내며, 세로축은 각 센서에 대한 자속밀도의 크기를 나타낸다. 그림 6에서 알 수 있듯이, 원주 방향 형태(Radial type)는 자기장의 방향이 유동층 보일러 수냉벽 튜브에 와전류를 유도하기에 적합한 방향이 아니기에, 기존 원격장 와전류 탐상(RFECT)처럼 근접 지역(Direct Zone), 임계 지역(Transition Zone), 원격장 지역(Remote Field Zone)이 구분이 안 된다. 자속 밀도는 다른 두 형태에 비해 높지만, 비교적 자속밀도가 일정한 부분이 없어서 결함을 검사하는데 무리가 있다. 기존 원격장 와전류 탐상(RFECT) 발신자(Exciter) 센서 형태인 축 방향(Axial) 타입은 세 가지 영역이 뚜렷하게 구분이 되지만, 반 원구형(Semicircular) 타입보다 자속밀도가 현저히 낮은 것을 확인할 수 있다. 본 시뮬레이션 결과를 토대로, 반 원구형(Semicircular) 타입의 발신자(Exciter) 센서 형상을 선정하였다.

(2) 멤브레인(Membrane) 유무에 따른 와전류 탐상 신호 특성 분석
그림 7은 그림 6과 같은 신호 해석용 콘솔 시뮬레이션(COMSOL Simulation)을 활용하여 수냉벽 튜브 사이의 용접부인 멤브레인(Membrane) 유무에 따른 유동층 보일러 수냉벽 튜브 외벽의 자속밀도를 나타낸다. 기존 원격장 와전류 탐상(RFECT)과 비슷하게 내부에서 진행하는 것과 같은 효과를 얻기 위해 멤브레인(Membrane)을 사용하였다.
 그러나 시뮬레이션 결과 멤브레인(Membrane)이 없는 것이 원격장 지역(Remote Field Zone)에서 자속밀도가 높았다. 그 이유는 멤브레인(Membrane) 또한 자성체로 판단할 수 있고, 유동층 보일러 수냉벽 튜브 외벽으로 침투되는 자속밀도가 멤브레인(Membrane)에도 분배되어서 작아지기 때문이다. 하지만 멤브레인(Membrane) 부분은 결함 검사 및 평가 대상이 아니기 때문에 파이프 외벽에 자속밀도를 낮추면서 멤브레인(Membrane)을 반영할 필요가 없다고 판단되어, 이후부터는 멤브레인(Mem brane)이 없이 시뮬레이션(Simulation)을 수행하였다.

(3) 리프트 오프(Lift-Off)에 따른 와전류 탐상 신호 특성 분석
유동층 보일러 수냉벽 튜브와 발신자(Exciter) 센서 사이의 거리인 리프트 오프(Lift-Off)는 원격장 와전류 탐상(RFECT) 신호 측정을 위한 주요 인자 중의 하나이다. 와전류 신호는 깊이에 따라 그 밀도가 기하급수적으로 감소한다. 그렇기 때문에 발신자(Exciter) 센서와 유동층 보일러 수냉벽 튜브의 거리가 멀수록 유도되는 와전류의 세기도 감소한다.
그러나 이를 보완하기 위해 리프트 오프(Lift-Off) 값을 0으로 설정하면, 용접 부위 또는 불순물 등에 의해 발신자(Exciter) 센서가 파손되는 경우가 생길 수 있다.
그렇기 때문에 적절한 리프트 오프(Lift-Off)를 설정하는 것이 중요하다. 그림 8은 리프트 오프(Lift-Off)에 따른 원격장 와전류 탐상(RFECT) 신호를 보여준다. 그림 8에서 볼 수 있듯이, 리프트 오프(Lift-Off) 값이 작아질수록 자속밀도가 높은 것을 확인할 수 있다. 본 결과를 통해 알 수 있는 것은, 리프트 오프(Lift-Off)가 5mm 정도가 되어도, 신호는 작지만 유효한 신호를 얻을 수 있다는 것이다. 일반적으로 수냉벽 튜브 외벽은 마모로 인해 튜브 외벽에 장애물이 생기지만, 3mm 이하로 생기기 마련이다. 그렇기에 본 시험에서는 실제 검사 환경을 고려하여 3mm의 리프트 오프(Lift-Off) 값을 선정하였다.

(4) 발신자(Exciter) 센서 크기에 따른 와전류 탐상 신호 특성 분석
발신자(Exciter) 센서의 크기는 곧 권선수에 비례하며, 권선 층수를 높이면 발신자(Exciter) 센서의 폭이 늘어나고, 한 층당 권선수를 늘리면 발신자(Exciter) 센서의 길이가 늘어나기 때문이다. 표 5는 권선수에 따른 층수 및 발신자(Exciter) 센서의 길이를 나타낸 것이다. 표 5의 #4와 #5는 발신자(Exciter) 센서의 길이가 더 이상 늘리지 않았다. 그 이유는 발신자(Exciter) 센서의 크기가 너무 커지면, 그만큼 검사할 수 있는 영역이 줄어들기 때문이다. 전류는 기본적으로 2A로 가진해 주었고, 이는 저항 산출 방법을 이용하여 구했으며, 저항을 통해 2A를 가진해 주었을 때, 허용치 이상의 전압이 나오는지 확인하였다. 그림 9는 각 케이스에 따른 자속밀도를 나타낸다. 그림 9를 보면 권선수 및 코일 층수가 많아질수록 자속밀도가 세지는 것을 알 수 있으며, 권선수를 늘릴수록 자속밀도의 증가량은 작아지는 것을 확인할 수 있다. 와전류 탐상 신호 특성 분석의 목적은 멤브레인이 붙어 있는 형태의 수냉벽 튜브를 검사하는 것이며, 너무 많은 턴수와 층수를 선택하면, 발신자(Exciter) 센서의 크기가 커지고, 그렇게 되면 옆 튜브와 간섭이 일어날 수 있기 때문에 무작정 많은 권선을 하는 것은 좋은 방법이 아니다. 그렇기 때문에 본 시험에서는 #3과 #4의 중간값을 선정하여, 길이는 58.5mm, 턴수는 600턴을 기준으로 최종 센서로 선정하여 실제로 권선하였다.
4. 결 론

전력연구원에서는 유동층 보일러 수냉벽 튜브의 외벽 검사를 위한 시뮬레이션(Simulation) 기반의 원격장 와전류 탐상(RFECT)에 관한 시험을 진행하였다. 시뮬레이션(Simulation) 툴(Tool)은 실제로 겪기 힘든 현상들을 가상으로 경험할 수 있게 해주는 강력한 도구이기 때문에, 설계에 앞서 필수적인 역할을 한다. 일반적으로 원격장 와전류 탐상(RFECT)은 내부에서 진행하지만, 외부에서 진행하는 원격장 와전류 탐상(RFECT)을 목적으로 진행하였고, 그에 맞는 발신자(Exciter) 센서 형상도 설계하였다.
통상적인 원격장 와전류 탐상(RFECT) 방법은 전자유도 작용에 의해 발생한 기전력을 이용하여 코일에 흐르는 자속의 변화를 통해 측정하는 것으로 검사 범위가 센서가 접촉되는 바로 밑부분으로 제한되어 있으나, 본 시험에서 제안된 원격장 와전류를 이용한 방법은 검사 범위가 일반적으로 튜브 직경의 두 배로 넓기 때문에 기존의 검사 방법에 비해 검사 시간을 단축시키는 효과를 볼 수 있다.

통상적인 원격장 와전류 탐상(RFECT)과는 약간 결과를 나타내지만, 거의 유사한 형태의 원격장 와전류 탐상(RFECT) 신호를 얻을 수 있었다. 리프트 오프(Lift-Off), 발신자(Exciter) 센서 형상, 전류의 세기, 권선수 및 발신자(Exciter) 센서의 크기 등 원격장 와전류 탐상(RFECT) 신호에 영향을 줄 수 있는 주요 인자들에 대해 비교를 하여 유동층 보일러 수냉벽 튜브 외벽을 검사할 수 있는 최적의 발신자(Exciter) 센서를 선별하였으며, 이렇게 선별된 발신자(Exciter) 센서를 직접 제작하고, 이 센서와 연동되는 휴대용 형태의 스캐너를 직접 제작할 예정이다. 

본 시험을 토대로 제작될 예정인 스캐너를 이용하여, 실제 유동층 보일러 수냉벽 튜브 검사에 활용할 수 있을 것이다.

doosong.gil@kepco.co.kr