3D 레이저 스캐너를 이용한 플랜트 파이프라인 외부 결함 사항 측정 방법
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개요
파이프라인 운영자는 규제 당국과 환경 전문가로부터 파이프라인 네트워크의 무결성을 보장하고 유지보수 비용을 최소화해야 하는 재정 압박에 직면했다. 이 기사에서는 전용 소프트웨어가 포함된 3D 레이저 스캐너를 사용해 파이프라인 외부 부식과 기계적 손상 직접 평가에 새로운 접근 방식을 제시한다.
수동 피트 게이지(pit gauge)와 같은 기존의 비파괴 테스트(NDT, non-destructive-testing) 기술의 개선 사항을 설명한다. 또한 최신 3D 광학 혁신 기술이 애플리케이션의 향상된 데이터 품질과 검사 속도, 반복성 요구를 어떻게 지원하는지를 설명한다.
스캐너는 일반 기계식 부착물을 비접촉식 동적 참조 시스템으로 교체해, 진동 필드 환경에서 일정한 정확도로 손상된 표면 정보를 얻을 수 있다. 기존 코드를 준수하는 것이 필수이므로 분석 도구의 시작점으로 사용된다. 특정 응용에 적용되는 시스템 용량의 데모가 논의될 것이다.
소개
파이프라인 운영자는 파이프라인 네트워크를 직접 또는 NDT 검사 서비스 회사를 이용해 검사해야 한다. 인라인 검사(ILI, In-line inspection) 도구를 사용하면 자속 누출(MFL, magnetic flux leakage) 또는 초음파(UT, ultrasonic) 방법으로 외부 부식이나 기계적 손상이 있는 중요 영역을 식별할 수 있다. 이 코드는 파이프라인 외부에서 증명이 중요한 구역에 필요하며 종종 굴착이 필요한 부분을 지정한다. 적절한 해결책을 식별하기 위해 다양한 기술을 직접 평가 기술로 사용할 수 있다.
피트 게이지를 사용한 수동 측정 방법은 정해진 절차에 따라서 검사하는 것이다. 다양한 결과와 필요한 많은 수의 데이터 포인트를 고려한, 긴 검사 프로세스와 제한된 보고서 품질을 제공한다. 초음파 방법은 일정한 물 결합이 필요하다. 결합은 물 손실과 프로브 정렬 불량 때문에 거친 표면에서 어려워진다. 또한 전면 벽 에코 인터페이스(the front wall echo interface)로 정밀도가 제한된다. 초음파 프로브는 파이프 직경이 서로 다른 기계식 스캐너와 함께 배치해 휴대성을 줄이면서 복잡성을 추가해야 한다. 또한 전체 범위 C-Scan을 위한 작은 크기의 초음파 프로브는 합리적인 검사 시간을 위해 고속 변위가 필요하다. 이 방법은 매끄러운 외부 표면을 고려했을 때 내부 부식에 더 적합하다.
기존의 단선 레이저 시스템은 훨씬 넓은 범위를 제공하며 물 결합이 필요하지 않다. 그러나 파이프 주위에서 회전할 때 시스템을 유지하기 위해 기계적 고정구 때문에 휴대성에 제한이 생긴다. 또한 측정 정확도에 빠르게 영향을 주는 진동을 보정하기 위해 레이저 리프트 오프에 대한 시스템 감도와 그 용량을 고려해야 한다.
3D 광학의 최신 혁신 기술은 기존 레이저 방법의 장점을 유지하면서 거의 모든 단점을 해결한다. 그림 1에 나온 ‘(1) EXAscan’은 ‘(2) Creaform’로부터 특허를 받고 제조됐다. 이는 작은 치수와 비접촉 프로세스로 가벼운 스캐너 설계를 가능하게 하는 동적 참조 시스템을 사용한다. 3D 스캔은 실제 형상을 대표하도록 완벽히 확장되며 외부 결함을 쉽게 시각화할 수 있다. 분석 소프트웨어는 의사 결정을 손쉽게 하기 위해 포괄적인 결과와 함께 몇 분 안에 보고서를 생성할 수 있도록 대량의 데이터를 관리해야 한다.
다음 내용에서는 휴대용 3D 레이저 스캐너와 적절한 분석 소프트웨어를 사용해서 문제를 해결하는 방법을 설명한다. 스캐닝 절차를 다루고 3D 레이저 기술이 데이터 품질과 스캐닝 속도, 재현할 수 있는 결과에 미치는 영향을 알아본다.
3D 레이저 스캐너로 스캔하는 절차
장비
3D 레이저 스캐너는 간단히 사용할 수 있다. 1kg 3D 스캐너와 ‘(3) Pipecheck’ 소프트웨어가 설치된 랩톱 컴퓨터 그리고 터치스크린 무선 태블릿이 포함된 견고한 Field-Pack이 포함됐다. 현장 환경에서 실시간 데이터 시각화를 할 수 있다. 장비는 그림 2에 나와 있다.
설정
첫 번째 단계는 스캔하기 위해 파이프라인 표면을 준비하고 장치를 보정하는 것이다. 대개 3D 스캐너는 파이프라인에 무작위로 적용된 6mm 직경의 스티커 또는 자석인 반사 대상을 사용해야 한다.
대상 사이의 간격은 약 10cm이지만 파이프 직경에 따라 다르다. 스캐너는 3D 포지셔닝 시스템으로 휴대성이 뛰어나며 현장 환경의 진동을 보정해 정확성을 유지할 수 있다.
데이터 수집
두 번째 단계는 파이프라인 외부 직경에서 부식된 관심 영역을 얻는 것이다. 획득 매개변수가 설정되면 검사관은 파이프 표면에서 스캐너를 약 25cm 정도 잡고 트리거를 당겨서 획득하기 시작한다. 스캐너는 파이프를 따라 수동으로 움직여 관심 영역에 페인트 브러시로 칠한다. 검사관은 랩톱 화면이나 태블릿을 보고 스캔 범위를 확인한다. 3D 파일은 STL 형식으로 저장된다.
분석
세 번째 단계는 데이터 분석이다. 검사관은 파이프라인 3D 스캔 파일로 계산을 시작하기 전에 파이프라인 매개변수와 분석 기준을 입력한다. 매개변수는 파열 압력 계산과 상호 작용 규칙을 적용하는 데 유용하다. 파이프 수정 여부를 결정할 수 있도록 보고서가 Excel 형식으로 자동 생성된다.
데이터 품질 향상
동적 참조 시스템
동적 참조는 레이저로 파이프라인 외부 부식과 기계적 손상 검사를 하기 위한 중요한 사항 중 하나이다. 사양 내에서 일정한 정확도로 현장 레이저 획득을 보장하는 것은 그림 2와 6에 표시된 것처럼, 스캐너 공간 참조를 파이프에 직접 배치해 쉽게 극복할 수 있다. 파이프와 공간 참조는 서로 연결됐기 때문에 둘 다 동기화된 방식으로 움직여 파이프와 스캐너의 움직임을 보상한다. 반면에 정적 측정 시스템은 통제된 실험실 환경에서만 비슷한 결과를 얻을 수 있다.
가상 피트 게이지 방법
수동 피트 게이지 검사 기술은 ASME B31G와 등가 코드가 그리드 패턴의 단일 포인트 측정을 기반으로 작성됐다. 이 때문에 외부 부식 분석을 위해 개발된 다른 모든 기술의 비교 지점이 된다. 따라서 수치 방법은 유사한 깊이 측정을 얻기 위해 수동 방법을 재현해야 한다. 제안된 분석 소프트웨어는 가상 피트 게이지를 사용해 피트 게이지와 파이프라인 사이의 물리적 접촉을 시뮬레이션 한다.
레이저를 이용한 깊이 측정에는 실제 파이프 지형과 공칭 외부 표면 사이의 거리를 찾기 위해 가상 참조 표면이 필요하다. 이 파이프 참조 표면의 구성은 의미 있는 결과를 얻는 데 필수이다.
한 가지 방법은 스캔된 파이프와 정렬된 완벽한 실린더 형상을 재생하는 것이다. 그러나 이 방법은 그림 3의 왼쪽 그림에서 연한 파란색 선으로 표시되는 것처럼, 실제 파이프 형상에 영향을 주는 평탄도와 난형도 또는 변형을 보정하지 않는다. 가상 피트 게이지를 사용해 제안된 방법은 파이프를 보정한다(그림 3의 오른쪽 그림처럼 부식 주변의 영향을 받지 않는 영역으로 만들어진 가장 잘 맞는 표면의 기하학적 편차).
반복 가능한 결과
8mm 벽 두께 파이프의 부식 깊이 측정은 가상 피트 게이지 분석 방법으로 수행됐다. 데이터 수집과 분석은 각각 다른 조사관 3명이 3회 수행했다. 스캔 사이의 변화는 스캔과 분석을 수행한 검사관과 상관없이 ±50μm 내에 유지됐다.
자동 생성 보고서
코드 준수 검사 결과는 그림 4와 같이 분석이 완료된 직후와 그림 5에 표시된 Excel 형식의 자동 생성 보고서를 이용해 사용할 수 있다. 부식된 파이프를 2D나 3D로 표현하면 전체 스캔의 표면 상태를 명확하게 시각화하고 이해할 수 있다.
색상 스케일은 지정된 비율의 공칭 벽 두께보다 깊은 부식 변화를 정량화하는 데 도움이 된다. 해석 소프트웨어는 부식 영역에서 가장 가능성 있는 고장 경로를 검색하고, 3D 뷰에 오버레이를 적용할 수 있는 가장 깊은 지점을 자동으로 찾는다. 선택한 상호 작용 규칙에 따라 각 부식 영역을 개별적으로 분석해 위치와 최대 깊이, 파열 압력을 얻는다.
Pipecheck의 별도 소프트웨어 모듈은 다른 측정 방법과 출력 정보가 필요하므로 파이프라인의 기계적 손상을 분석할 수 있다. 스캐닝 절차는 동일하지만 분석은 덴트(dent) 프로파일, 곡률 반경, 덴트의 가장 깊은 지점, 파이프라인 난도와 같은 특정 덴트 관련 정보를 제공한다.
검사 속도
초당 25,000포인트의 획득 속도로 스캔된 표면은 실시간으로 재구성돼 3D 메시(mesh) 파일(.stl)을 형성한다. 검사관은 그림 6과 같이 랩톱 컴퓨터 화면이나 태블릿을 보고 데이터 수집을 검증할 수 있다. 1m² 영역을 스캔하는 데 10분 미만이 소요된다. 완전한 분석을 실행하는 데에는 30초 미만이 소요된다.
그래프 1은 10mm 격자 패턴을 사용하는 피트 게이지 기술과 3D 레이저 스캐너 솔루션 사이의 스캔 속도를 비교한 것을 보여준다. 이 시험은 설정과 스캔, 분석 시간을 고려한다. 스캔 값이 클수록 3D 레이저 솔루션을 사용하는 것이 유리하다. 넓은 부식 영역에 3D 레이저 방법을 사용하면 검사 시간을 10배 이상 줄일 수 있다.
반복 가능한 데이터 수집
환경과 작업자에 관계없이 반복 가능한 결과를 보장하기 위해 다양한 스캐너와 소프트웨어 기능의 중요성을 설명한다.
포지셔닝 시스템
스캐너가 쌍안경으로 삼각 측량해 자체 참조할 수 있도록 반사 대상을 파이프에 배치해야 한다. 반사형 타깃은 파이프라인에 무작위로 배치돼 고유한 패턴을 생성하고 그림 7과 같이 설정을 용이하게 한다.
파이프의 정렬 불량 때문에 데이터가 왜곡되지 않으므로 3D 표면 표현을 사용하면 깊이 측정 정확도가 높아진다. 3D 스캐너는 모든 방향과 스캐너 방향에서 최대 45°의 스캔 각도를 허용한다.
초점 거리
또 다른 중요한 스캐너 기능은 초점 거리이다. 스캐너와 파이프 사이의 특정 거리 범위 내에서만 최적의 검사를 수행할 수 있다. 소프트웨어 스캔 창과 LED를 사용하는 스캐너 모두에 근접 표시기를 사용하면 검사 도중에 항상 검사자에게 정보를 제공한다. 그러나 스캐너의 초점이 맞지 않거나 공차를 벗어나면 시스템에서 데이터 수집을 자동으로 중지한다.
표면 재구성
3D 레이저 스캐너로 수집하는 동안 계산 포인트 클라우드를 피하기 위해 메시 표면 파일이 실시간으로 업데이트된다. 데이터 포인트가 서로 연결돼 있지 않으면 동일한 위치에서 여러 포인트가 겹칠 가능성이 있어 스캔에서 노이즈가 발생한다. 또한 병합 포인트 클라우드는 메시 파일로 피할 수 있는 지붕 각도나 오프셋과 같은 편차를 생성한다.
자동 분석
데이터 분석은 사전 프로그래밍된 계산과 소프트웨어 작업으로 반복성을 보장하기 위해 동일한 접근 방식을 따른다. 검사관은 버스트(burst) 압력 계산과 상호 작용 규칙에 필요한 알려진 파이프라인 매개변수만 입력하면 된다. 분석은 코드를 준수하고 모범 사례를 보장하기 위해 ASME B31G 코드를 기반으로 한다.
자료 제공: creaform3d(www.creaform3d.com)
