비전검사로 파이프라인 보수를 쉽고 빠르게

부식된 라인에 사용된 Creaform의 솔루션

Pemex(Petroleos Mexicanos)는 멕시코의 석유와 광산개발을 담당하는 국영기업이다. 이 기업은 멕시코 전체 수입에 약 3분의 1을 차지할 정도로 멕시코 경제를 책임지고 있다. 그러나 사내에서 1500개의 불량 연료탱크가 발견됐다. 약 270만 배럴의 연료손실을 유발했고, 2010년에는 폭발로 인해 29명이 사망했다. 주된 문제는 다름 아닌 파이프라인의 누수였다. 이들이 선택한 해결책은 비전검사를 통해 파이프라인의 보수를 쉽고 정확하게 해내는 것이다.
자료제공 | Creaform(www.creaform3d.com)

석유와 가스 산업에서 파이프라인의 부식은 누수, 파괴, 폭발의 주된 원인이다. 2009년의 새해가 밝기 전날, Aston에서 파이프라인의 누수로 약 400배럴의 휘발유가 주택가로 누출됐다.

그 결과 복구하는 데만 약 3백만 달러의 손실비용이 발생됐고 정부는 파이프라인 용접 실수로 인한 균열을 원인으로 내놓았다. 또한 지난 6월 Louisiana에 화학공장 폭발의 원인도 가연성의 화학물질인 프로필렌이 부식된 파이프로 인해 누출됐기 때문으로 밝혀졌다.

미국정부에 따르면 누출 사건의 25% 이상은 파이프라인의 부식 때문이다. 이 때문에 연간 약 2760억 달러의 손실비용이 발생한다.

Creaform의 솔루션
문제는 누수가 발생한 곳의 정확한 탐지가 불가능하다는 것이다. 고칠 필요가 없는 파이프라인을 자주 파내어 더욱 노출이 되면 파이프라인이 공중의 안전을 위협할 수도 있다.

가동 중인 파이프라인의 함몰되거나 파인정도 및 잔존수명을 평가하려면 현장에서 검사를 해야만 한다. 또한 파이프라인 망의 무결성을 보장하면서 비용은 최소한으로 유지해야 한다. 파이프라인 운영업체는 검사장비를 선택할 때 이러한 요인을 고려하여 휴대성, 측정 속도, 데이터 저장 및 반복정밀도에 주안점을 두고 선택해야 한다.

그래서 Creaform은 파이프부식 예방을 위해 v2.1 파이프체크 소프트웨어를 내놓았다. Creaform의 솔루션은 Handyscan 3D 레이저 스캐너 및 기기 파손 평가를 위한 파이프체크 데이터 수집·분석 소프트웨어다.

파이프체크는 이 분야에서 가장 널리 사용되는 기존의 NDT(Non-Destructive Testing) 방식을 대체할 것이다. 또한 Creaform은 Pit Gauges보다 10배 더 빠른 스캐닝 속도를 지닌 Virtual Pit Gauge를 개발했다. Creaform의 기술은 Handyscan 3D 레이저 스캐너와 파이프체크 데이터 획득·분석 소프트웨어에 의해 이루어진다. 가격은 약 75,000~100,000 달러 정도이다.

TRUaccuracy
Handyscan은 파이프라인의 표면과 옆면 데이터를 기록하기 위해 TRUaccuracy와 Creaform의 정확한 측정방법을 사용한다.

TRUaccuracy는 파이프와 스캐너 간에 생성되는 동적 링크로, 지면이 진동하는 어떤 환경에서도 정확도 및 해상도가 유지된다. 수집 중 실시간으로 데이터 품질을 평가할 수 있으며 스캐너 설계, 미리 프로그래밍된 계산 및 자동으로 생성되는 보고서를 통해 반복정밀도가 보장된다.

부식 소프트웨어 모듈
파이프체크의 파이프라인 부식 소프트웨어 모듈은 현장에서 즉시 데이터를 처리하여 결과를 생성한다. 데이터는 엑셀 보고서 형태로 제공된다. 피트게이지, 초음파(UT) 프로브, 단일 라인 레이저 같은 기존의 측정방법에 비해 향상된 정확도를 보여준다.
● 상호작용 규칙 자동 적용
● 하저 경로가 겹쳐 있는 3D, 2D 컬러 맵핑
● 모든 부식 부분에 대한 위험 예상 프로필 생성
● ASME B31G 코드(B31G, B31G의 수정된 효과적인 면적법)에 기반한 파열 압력 추산
● 파이프의 부식 깊이 측정, 치수 및 위치 제공
● 가상 피트 게이지 기능향상

ILI 상관관계 툴
ILI(In-Line Inspection) 상관관계 툴은 파이프라인 안의 검사 데이터와 파이프체크 3D 스캔 검사 데이터의 상관관계를 파악하는 데 사용된다. 사용자 인터페이스는 심도, 길이, 넓이 심지어 파열압력을 비교할 수 있도록 최적화되어 있다.

그러나 ILI 툴의 성능을 제대로 평가하기 위해서는 MFL(Magnetic-Flux Leakage) 기술보다 정확성이 높은 기기를 가지고 통계적으로 유의미한 모집단 분석을 수행해야 한다. Handyscan 3D 스캐너는 금속 손실 및 손상부위를 신속하게 포착하여 통계분석을 위한 대량의 모집단을 만든다.

운영 업체는 피트 게이지 데이터와 파이프체크 데이터를 비교하여 ILI 성능을 평가함으로써 실제로 굴착할 필요가 있는 구역을 보다 정확하게 결정할 수 있다.

Handyscan 3D 휴대용 스캐너
Handyscan 3D 휴대용 3D 스캐너는 매우 간편하다. 삼각측량 및 양안시를 사용하여 고유한 동적 참조 시스템에 스캐너가 실제로 셀프 포지셔닝된다. 이 때문에 파이프라인 기기 손상 평가에서 높은 수준의 측정 반복정밀도 및 정확도를 보장한다. 3D 스캔 결과는 스케일링되어 부식 결함을 가상화한다.

MaxSHOT 3D
MaxSHOT 3D 광학 좌표측정 시스템은 광범위한 3D 스캐닝 애플리케이션에 사진 측량 기술을 추가했다. MaxSHOT 3D 사진 측량 비디오 카메라와 VXshot 처리 소프트웨어가 결합되어 사용이 간편하다. 사용자 중심 설계가 채택된 Creaform은 초보 사진계측기사에게도 고정밀 포지셔닝 모델을 손쉽게 생성하도록 돕는다.

MaxSHOT 3D 시스템은 모든 Handy
scan 3D 스캐너에 사용할 수 있는 포지셔닝 모델을 생성하여 스캔의 대상 주변에 포지셔닝을 결정한다. 이를 통해 특히 대형 부품을 측정할 때 용이하게 된다.

Creaform의 스캐닝 제품
● 휴대용 Handyscan 3D, 셀프포지셔닝 3D 스캐너
● 휴대용 HandyPROBE Optical CMM
● MetraSCAN 3D Optical CMM 스캐너
● MetraSCAN-R Robot-Mounted Version
● Go SCAN 3D White Light 스캐너

CREAFORM Handyscan 3D 스캐너 응용사례

적측가공(이전 명칭: 쾌속 성형)은 혁신적인 최신 기술이다. 올해 설립된 지 22년째를 맞이하는 RPC(Rapid Prototyping Center)를 갖춘 MSOE(Milwaukee School of Engineering)는 이 분야에서 더 이상 낯선 주체가 아니다.

이는 제품 및 프로세스를 개선하기 위해 적측가공 기술 구현에 관심을 두고 있는 기업을 상대로 애플리케이션 개발 및 교육을 제공하고 있다. MSOE에서는 관련 과학기술을 연구실에서 제조 현장으로 신속하게 전달한다.

이를 위해 RPC와 MSOE에서는 다양한 적측가공 제조 프로세스 및 스캐닝 솔루션을 사용한다. 자주 사용하는 도구는 바로 Creaform Handyscan 3D 스캐너다.

RPC 운영관리자인 Vince Anewenter는 “Handyscan 3D 스캐너는 뛰어난 다목적 도구다. 우리는 이를 사용하여 손바닥만큼 작은 물체를 타겟으로 하는 정교한 작업부터 대형 차량 및 건축물을 타겟으로 하는 거대한 작업까지 다양한 프로젝트를 성공적으로 완료했다”고 말했다.

RPC에는 60개가 넘는 회원사로 구성된 비경쟁 컨소시엄이 활동한다. 제조, 자동차, 방위, 수력, 의료기기, 소비재, 의료 서비스 등 전세계 각 분야의 회원사들은 전문지식과 서비스를 갖춘 RPC를 20년 넘게 꾸준히 신뢰하고 있다.

Handyscan 3D 스캐너로 쾌속성형
컨소시엄 회원사를 위해 RPC에서 완료한 대부분의 프로젝트는 기밀이며 누설되지 않는다. 여기에는 RPC에서 완료한 컨소시엄 회원사 프로젝트를 비롯하여 MSOE 커뮤니티를 위한 프로젝트와 커뮤니티 서비스 프로젝트도 포함된다. 예를 들면 RPC에서 Chipstone 재단을 도와 Milwaukee Art Museum에 전시할 인공 유물을 만든 것과 같은 경우다.

RPC 운영 관리자인 Anewenter는 Handyscan 3D 스캐너로 본뜬 항아리의 원본을 3D 복사로 정확한 디지털 사본을 생성했다. Handyscan 3D 스캐너를 사용하면 표면 조정을 따로 하지 않아도 윤기가 나는 표면을 고해상도로 스캔할 수 있다. 이 스캔작업은 해당 예술품의 역사적인 가치와 민감성 때문에 매우 중요했다.

Anewenter는 디지털 파일을 사용하여 MSOE 학생 및 Anewenter의 요청을 받은 예술가 Brian Gillis와 함께 모델을 실용적인 타임캡슐로 변환했다. RPC에서는 SLS(선택적 레이저 소결) 기술을 사용하여 실제 타임캡슐을 적측가공을 했다. 나일론 SLS 모델은 005 니켈이 포함된 레플리폼(Repliform)으로 코팅되어 심미적이면서도 실용적인 마무리 손질을 제공한다.

항공우주 기술센터 비행 작업

퀘벡 생 위베르에 위치한 CTA(Centre Technologique en Aerospatiale, 항공우주 기술 센터)는 Creaform과 손을 잡고 비행 중에 기체 꼬리 부분의 위치 변경을 측정하는 과제를 시작했다. 이 과제의 목적은 C-Track 780과 VXtrack 동적 트래킹 모듈을 사용하여 실시간으로 반사 타겟의 위치를 규명할 가능성을 모색하는 것이었다.

획득된 데이터는 꼬리부분의 진동, 굴곡, 비틀림을 평가하는데 사용할 수 있었다. 핵심 아이디어는 기체 꼬리를 따라 다양한 내부 파티션에 고정된 여러 반사 타겟을 측정하고 이륙부터 착륙에 이르는 비행과정 중에 시간별 기능에 따라 타겟위치를 분석하는 것이었다.

C-Track에 의해 수집된 정보는 엔진 속도, 고도, 기체 속도, 대기압 및 온도와 같은 실제 비행 데이터로 동기화되어야 했다. 프로젝트의 이러한 특성 때문에 전 과정에서 적응력과 혁신이 필요했다.

첫 번째 제약은 장비 배치였다. 조종실 공간이 매우 좁았기 때문이다. C-Track과 VXtrack을 통한 데이터 수집을 최적화하기 위해 분석과 사전 테스트가 수행되었다. 이 프로젝트는 실제 비행으로 마무리되었고 그동안 CTA는 많은 정보를 수렴하여 결론을 도출할 수 있었다.

CTA는 4인승 경비행기인 Cessna 172 N을 만들었다. 하지만 테스트 중에는 4개의 좌석 중 파일럿 좌석만 남겼다. 앞자리 조수석은 데이터 획득 장비와 컴퓨터를 Dewetron 데이터로 설치할 때 필요한 스탠드로 대체했다. C-Track을 45도 각도에서 유지하도록 CTA가 제작한 스탠드를 놓을 수 있게 뒷자리 좌석도 추가로 제거되었다. CTA는 Creaform의 권장사항에 따라 장비 스탠드를 설계 및 제작하였다.

Creaform Metra SCAN 3D를 사용했기 때문에 스탠드 설계는 쉬웠다. 항공 규정상 항공기 자체에서 장비에 전원이 공급되는 것이 금지되어 있었으므로, 별도의 전원 공급 장치가 항공기 바닥에 고정되었다.

C-Track은 일반적으로 자체 삼각대에서 사용되고, 2개의 카메라가 거의 같은 높이에 위치한다. 이 프로젝트의 경우, 승객실 크기의 제한 때문에 C-Track을 수평으로 사용할 수 없었다. 따라서 이 시스템이 45도 각도에서도 정확히 작동하는지 확인이 필요했다.

사전 테스트 결과, 얼마간의 안정기가 지나면 C-Track이 이러한 조건에서도 정교하게 작동한다는 점이 입증되었다. 또한 테스트를 통해 파티션상의 이상적인 타겟 위치를 파악할 수 있었다. 일부 배선으로 카메라와 타겟 사이에 추가 간섭이 발생될 수 있었기 때문에 C-Track의 감지 영역과 관련된 제약을 고려해야 했다. 실제 비행을 앞두고 지상에서는 항공기가 천천히 이동할 때 여러 테스트가 수행되었다. 이러한 테스트로 특정 타겟 감지에 관한 가벼운 문제가 추가로 드러났지만 설치를 약간 조정하는 방법으로 해결되었다.

CREAFORM GO!SCAN 3D

CADMAN의 David
CADMAN은 몰드 제조업체에 NC 커터 경로 및 기타 몰드관련 서비스를 제공하는 영국 기업이다. 3D 모델링과 설계 작업에 좀 더 치중하면서 이 회사는 지점 캡처를 위해 CMM을 사용하는 3D 디지털화 및 리버스 모델링을 제공하기 시작했다.

CADMAN의 창립자이자 이사인 David Worland는 2008년부터 Creaform 3D 스캐닝 기술을 사용해 왔으며, Go!SCAN 3D 백색광 스캐너를 최초로 구입한 고객 중 한 명이었다. David는 약 7년 전 영국의 한 무역박람회에서 Creaform Handyscan 3D를 처음 접하게 되었고 당시에는 스캐너 구입이 필요할 정도로 고객층이 두텁지 않았다. 그러나 2006년 MCAD 잡지의 기사를 보고 NextEngine 스캐너를 구입하면서 3D 스캐닝을 처음 사용하기 시작했다.

문제에 직면
David는 “우리 회사는 독립하청업체로서 작은 뚜껑에서 병 몰드, 의족, 항공기 프로펠러, 오토바이 부품은 물론이고 자동차의 부품에 이르기까지 매우 다양한 부품을 스캔해왔다”고 말했다.

하지만 당시 시장에는 합리적인 가격대의 이동식 스캐너가 별로 없었다. 그는 포지셔닝 타겟이 필요 없고 가격도 저렴하며 컬러 스캔 기능도 지원되던 Artec Eva 백색광 스캐너를 구입하기로 마음을 거의 굳혔는데 이 제품은 데이터를 스냅샷 형태로 캡처하기 때문에 엄청난 시간이 소요되는 후반 연결 작업이 필요하다는 단점이 있었다. 또한 사용자가 보정할 수도 없어 대형 부품에는 정확성 문제가 발생할 위험이 있었다.

그래도 컬러 스캐너라는 아이디어는 좋았다. 이 제품은 컬러 3D 이미지를 가져오거나 스캐너가 정상적인 방법으로 공간상에서 포지셔닝을 하기에는 부품의 형태 대비가 충분하지 않은 경우 포지셔닝을 돕기 위해서 사용할 수 있다. 그러나 이런 장점에도 불구하고 컬러 사용에는 한계가 있었다.

먼저, 대형 부품의 컬러 이미지를 가져오는 데 엄청난 양의 메모리가 필요했고 이미지 생성에 소요되는 시간도 너무 길었다. 또한 컬러를 사용한다고 해도 스캔을 할 수 없는 형상도 여전히 있었다. 욕조가 대표적인 예인데, 욕조는 크고 표면이 아주 매끄러우며 형상 대비와 색 변화도 거의 없기 때문이다. 이러한 형상을 스캐닝하는 데에는 컬러가 전혀 도움이 되지 않았다.

Go!SCAN 3D 스캐너
David는 이러한 여러 한계점이 있음에도 불구하고 Eva를 주문하려던 찰나 MSL로부터 새로운 Go!SCAN 3D 백색광 스캐너가 들어왔다는 연락을 받았다.

이는 사용하기도 간편하고 지점 캡처도 빨랐을 뿐만 아니라, 스캔하기가 어려운 부분에 타겟을 사용하는 옵션이 있어 정확성도 매우 뛰어났다. 게다가 이 제품은 실시간 스캔 제작 방식을 사용하고 있었다. Artec Eva와는 달리, Go!SCAN 3D에는 정렬이나 후처리 단계가 필요하지 않았다.

그래서 David는 뒷마당에 약 70cm 높이의 꽤 정교한 돌 조각상을 스캔해 보았다. 버튼을 누름과 동시에 스캔이 시작되었고 15분도 채 지나지 않아 대부분 형상을 스캔할 수 있었다.

여기에 추가로 10~15분간 접근이 어려운 부분을 파악한 후 스캔을 했고, 사소한 홀 메우기, 정리, 스캔 정교화 작업에 20분 정도 더 보냈더니 스캔을 완성할 수 있었다. 한 시간 이내에 문제없이 스캔 프로세스를 완료할 수 있었던 것이다.

Go!SCAN 3D는 형상 파악, 초당 500,000개의 지점 캡처 능력, 실시간으로 데이터를 처리하는 VXelements 데이터 수집 소프트웨어의 기능을 제공한다.