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KR-20260061891-A - PEENING SYSTEM FOR INNER SURFACE OF PIPE AND METHOD FOR PEENING OF INNER SURFACE OF PIPE USING THE SAME

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Abstract

본 발명은 파이프 내에서 초음파를 반사할 때 발생하는 정재파(standing wave)를 억제하는 반사부를 구비하는 파이프 내벽 피닝 시스템을 개시한다. 파이프 내벽 피닝 시스템은 파이프의 중공부에 설치되는 반사부, 및 상기 반사부에 의해 한정되는 상기 중공부에 상기 초음파 전달 매질이 채워진 상태에서 상기 반사부에 인접한 상기 파이프의 내벽에 대해 초음파 캐비테이션 피닝(ultrasonic cavitation peening)이 이루어지도록, 상기 반사부를 향하여 초음파를 발생시키도록 이루어지는 초음파 발생기를 포함하며, 상기 반사부는 초음파 전달 매질의 음향 임피던스와 대응되는 음향 임피던스를 갖는 물질로 형성된다.

Inventors

  • 정성환

Assignees

  • 단국대학교 산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (10)

  1. 파이프의 중공부에 설치되는 반사부; 및 상기 반사부에 의해 한정되는 상기 중공부에 초음파 전달 매질이 채워진 상태에서 상기 반사부에 인접한 상기 파이프의 내벽에 대해 초음파 캐비테이션 피닝(ultrasonic cavitation peening)이 이루어지도록, 상기 반사부를 향하여 초음파를 발생시키도록 이루어지는 초음파 발생기를 포함하며, 상기 반사부는 상기 초음파 전달 매질의 음향 임피던스와 대응되는 음향 임피던스를 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프 내벽 피닝 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 초음파 발생기에서 초음파가 발생되는 초음파 프로브는 상기 반사부를 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 파이프 내벽 피닝 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반사부는 폴리머(polymer) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파이프 내벽 피닝 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 반사부는 PDMS(polydimethylsiloxane), hydrogel 및 PU(polyurethane) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 내벽 피닝 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반사부는 초음파의 전반사에 따른 정재파 발생을 억제하는 기설정된 두께 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프 내벽 피닝 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 반사부가 형성되는 상기 기설정된 두께는 5mm인 것을 특징으로 하는 파이프 내벽 피닝 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 초음파 전달 매질이 상기 파이프의 내벽과 상기 반사부의 경계 부위에서 누설되는 것을 방지하도록, 상기 반사부의 배면 측에 배치되어 상기 경계 부위를 밀폐하도록 형성되는 실링부재를 더 포함하는 파이프 내벽 피닝 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 상기 파이프 내벽 피닝 시스템을 이용한 파이프 내벽 피닝 방법에 있어서, 상기 중공부의 제1 위치에 상기 반사부를 설치하는 단계; 상기 중공부에 상기 초음파 전달 매질을 채우는 단계; 상기 중공부에 상기 초음파 전달 매질이 채워진 상태에서, 상기 초음파 발생기를 작동시켜 상기 제1 위치에 인접한 제1 영역에 대해 초음파 캐비테이션 피닝을 수행하는 단계; 상기 반사부를 상기 제1 위치에서 상기 중공부의 제2 위치로 이동시키는 단계; 및 상기 반사부가 제2 위치로 이동한 상태에서, 상기 초음파 발생기를 작동시켜 상기 제2 위치에 인접한 제2 영역에 대해 초음파 캐비테이션 피닝을 수행하는 단계를 포함하는 파이프의 내벽 피닝 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 영역은 상호 미중첩되는 것을 특징으로 하는 파이프의 내벽 피닝 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 위치로 이동시키는 단계는, 상기 제2 영역이 상기 제1 영역과 연속되도록, 상기 반사부를 상기 제1 영역의 단부로 이동시키는 것을 특징으로 하는 파이프의 내벽 피닝 방법.

Description

파이프 내벽 피닝 시스템 및 이를 이용한 파이프의 내벽 피닝 방법{PEENING SYSTEM FOR INNER SURFACE OF PIPE AND METHOD FOR PEENING OF INNER SURFACE OF PIPE USING THE SAME} 본 발명은 파이프의 내벽에 초음파 캐비테이션(utrasonic cavitation)을 통해 피닝(peening)을 수행하도록 이루어지는 파이프 내벽 피닝 시스템 및 이를 이용한 파이프의 내벽 피닝 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 파이프 내에서 초음파를 반사할 때 발생하는 정재파(standing wave)를 억제하는 반사부를 구비하는 파이프 내벽 피닝 시스템 및 이를 이용한 파이프의 내벽 피닝 방법에 관한 것이다. 중공 구조를 갖는 파이프는 중공 영역만큼 단면적이 감소되어 경량화가 가능하다. 한편 반복하중을 받는 파이프의 경우 벽(외면)과 동시에 내벽(내면)에도 일정기준 이상의 피로강도를 구현하는 것이 필요하다. 여기서 파이프의 피로강도를 일정 수준 이상으로 구현하기 위하여 피닝(peening)작업이 수행될 수 있다. 피닝작업은 예를 들어 발전설비에 설치되는 나선형 파이프 형태의 열교환 장치는 반복적으로 열응력을 받기 때문에 피로강도 구현을 위해 파이프의 외벽과 내벽에 요구될 수 있으며, 원자로 압력용기에 연결된 다양한 노즐들의 내벽에 발생하는 인장잔류응력을 감소시키는 데에도 요구될 수 있다. 피닝은 재료의 표면층에 충격을 가함으로써 소성변형을 부여하여 잔류응력 및 피로강도를 개선하는 표면처리 방법으로, 흔히 활용되는 숏 피닝(shot peening)은 숏 볼(shot ball)이라 불리는 작은 크기의 강철 소재의 공을 파이프의 외면 및 내면에 투사하여 해머링(hammering)함에 따라 숏 피닝된 파이프의 외면 및 내면에 압축잔류응력을 인가하여 파이프의 피로강도가 증가시키는 방식을 말한다. 압축잔류응력은 소성변형으로 인해 재료가 변형된 후 외력이 모두 제거된 상태에서도 재료에 남아 있는 응력을 말하는 것으로, 피닝작업을 통해 피처리물 표면에 부여된 압축잔류응력으로 인해 피처리물의 피로 수명을 연장할 수 있다. 하지만, 파이프에 형성된 중공의 단면이 극소한 경우나 파이프가 만곡부 등을 포함하는 복잡한 형상을 갖는 경우, 숏 피닝을 위한 장치의 투입이 용이하지 않다. 또한 숏 피닝 이외에 워터 젯 피닝이나 레이저 피닝도 접근이 제한된 파이프 내벽 피닝은 구현이 어렵다. 이와 같은 파이프의 내벽에 대한 피닝작업에는 초음파 캐비테이션 피닝(utrasonic cavitation peening)이 적용될 수 있다. 초음파 캐비테이션 피닝은 파이프 내부에 삽입된 초음파 탐침부에 의해 중공 내부로 초음파 음파장이 형성되고, 이 음파장에 의해 초음파 캐비티(cavity)가 생성 및 폭발하는 과정을 통해 중공형 파이프의 내벽에 피닝을 구현하는 방식이다. 또한 종래의 초음파 캐비테이션 피닝 방식 중에는, 중공형 파이프 내에 초음파 음파장을 반사하는 반사부를 배치하고 피닝작업을 수행하는 방식이 있다. 일반적으로 종래의 반사부는 금속이나 공기를 포함하는 기체를 이용하였다. 하지만 반사부의 구현 시에 금속이나 기체를 사용할 경우 초음파의 전달을 위한 초음파 전달 매질과의 음향 임피던스 차이가 커서 반사부의 반사면에서 전반사가 발생되고, 이에 따라 파이프 내부에 채워진 유체(초음파 전달 매질)에서는 정재파(standing wave)의 음향장이 형성되게 된다. 결과적으로 파이프의 내벽 피닝이 정재파의 압력안티노드(pressure anti-node)에서 집중적으로 발생하게 된다. 따라서 중공형 파이프의 내벽에 대한 초음파 캐비테이션 피닝을 위해 초음파를 반사하는 반사부를 구비하되, 압력안티노드에서 피닝이 집중되지 않고 파이프의 내벽에 균일하게 피닝 가능하도록 이루어지는 초음파 캐비테이션 피닝 방식에 대한 개발이 고려될 수 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프 내벽 피닝 시스템의 구성을 보인 개념도이다. 도 2는 도 1에 도시된 반사부를 이동시켜 파이프 내벽의 서로 다른 영역에 대한 피닝 작업을 수행하는 모습을 보인 개념도이다. 도 3은 도 1에 도시된 파이프 내벽 피닝 시스템의 다른 일 예를 보인 개념도이다. 도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 파이프 내벽 피닝 시스템을 이용한 파이프 내벽 피닝 방법을 보인 흐름도이다. 이하, 본 발명에 관련된 파이프 내벽 피닝 시스템(100) 및 이를 이용한 파이프(P)의 내벽 피닝 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프 내벽 피닝 시스템(100)의 구성을 보인 개념도이다. 도 2는 도 1에 도시된 반사부(110)를 이동시켜 파이프(P) 내벽의 서로 다른 영역에 대한 피닝 작업을 수행하는 모습을 보인 개념도이다. 도 3은 도 1에 도시된 파이프 내벽 피닝 시스템(100)의 다른 일 예를 보인 개념도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 파이프 내벽 피닝 시스템(100)은 파이프(P)의 내벽을 대상으로 피닝(peening)작업을 수행하도록 이루어질 수 있다. 피닝은 재료의 표면층에 충격을 가함으로써 소성변형을 부여하여 잔류응력 및 피로강도를 개선하는 표면처리 방법을 말한다. 파이프 내벽 피닝 시스템(100)은 초음파 캐비테이션(utrasonic cavitation peening)을 이용한 피닝 방식을 갖도록 이루어진다. 초음파 캐비테이션 피닝은 파이프(P)의 내부와 연통되게 배치되는 초음파 발생기(120)에 의해 파이프(P)의 중공 내부로 초음파 음파장이 형성되고, 이 음파장에 의해 초음파 캐비티(cavity) 즉 기공이 생성 및 폭발하는 과정을 통해 파이프(P)의 내벽에 피닝을 구현하는 피닝 방식을 말한다. 초음파에 의해 초음파 전달 매질(M) 내에 형성된 상기 캐비티는 파이프(P)의 내벽에 접촉하면서 수십 밀리초(millisecond) 정도의 짧은 순간에 순간적으로 수백 기압 이상의 압력과 고열을 발생시켜 피처리물인 파이프(P)의 내벽 표면에 압축잔류응력을 부여하면서 파이프(P)의 내벽을 피닝 처리할 수 있다. 파이프 내벽 피닝 시스템(100)은 반사부(110) 및 초음파 발생기(120)를 포함한다. 반사부(110)는 파이프(P)의 중공부(Pb)에 설치된다. 초음파 발생기(120)는 파이프(P)의 일단부에 형성되는 개구(Pa)를 통해 파이프(P) 내부로 초음파를 발생시키도록 이루어지고, 파이프(P) 내부에 초음파 전달 매질(M)이 채워진 상태에서 작동 시 파이프(P)의 내벽에 대해 상기 초음파 캐비테이션 피닝을 수행하도록 이루어진다. 여기에서 반사부(110)는 초음파 전달 매질(M)의 음향 임피던스(acoustic impedance)와 대응되는 음향 임피던스를 갖는 물질로 형성될 수 있다. 여기에서 초음파 전달 매질(M)의 음향 임피던스와 대응되는 음향 임피던스는, 초음파 전달 매질(M)의 음향 임피던스와 동일하거나 차이가 없는 유사한 음향 임피던스를 의미할 수 있다. 반사부(110)는 예를 들어 비금속 재질로 형성될 수 있다. 또한 상기 반사부(110)는 폴리머(polymer) 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어 상기 반사부(110)는 PDMS(polydimethylsiloxane), hydrogel 및 PU(polyurethane) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 폴리머는 단위체가 반복되어 연결된 고분자의 한 종류이다. 여기에서, 초음파 발생기(120)에서 발생되는 초음파는 피닝이 구현되는 부위에 충진된 초음파 전달 매질(M)과 대응되는 음향 임피던스를 갖는 반사부(110)에서는, 초음파 전달 매질(M) 음향 임피던스와의 차이가 작음으로 인해 반사부(110)에서 반사가 제한적으로 이루어지면서 정재파가 형성되지 않거나 형성이 억제된다. 즉, 정재파 형성되지 않거나 형성이 억제됨으로써 반사부(110)로부터 일정 거리(D1, D2) 이내의 파이프(P)의 내벽 전영역을 균일하게 피닝이 되도록 이루어진다. 정재파는 동일한 초음파 전달 매질(M) 내에서 진폭과 파장이 같으나 진행방향이 반대인 두 개의 정현파가 중첩할 때, 일정한 진폭을 가지고 주기적으로 진동하면서 파동이 서있는 것처럼 보이는 합성파를 의미한다. 정재파는 정상파(stationary wave)라고도 한다. 참고로 정재파와 달리 진행파(travelling wave)는 입사파가 반사됨이 없이 앞으로 진행하는 일반적인 파동을 의미한다. 한편 초음파 발생기(120)에서 초음파가 발생되는 초음파 프로브(121)는 상기 반사부(110)를 향하도록 배치될 수 있다. 이에 따라 초음파 프로브(121)에서 발생한 초음파가 반사부(110)로 이동하기까지 초음파의 이동에 장애물로 작용하는 구조가 없게 된다. 결과적으로 초음파 프로브(121)에서 발생하는 초음파의 진행구간에서 간섭이 없게 됨으로 에너지 손실을 작게 할 수 있으며 초음파 프로브(121)에서 발생되는 초음파가 반사부(110)와 파이프(P)의 내벽에 보다 직접적으로 전달되어 초음파 캐비테이션 피닝 효과를 보다 향상시킬 수 있다. 이와 같은 초음파 프로브(141) 구조에 의하면 발생되는 초음파가 상기 타겟 영역(T)으로 이동하기까지 초음파의 이동에 장애물로 작용하는 구조가 없게 된다. 이에 따라 초음파 프로브(131)에서 발생하는 초음파 및 그에 따라 초음파 전달 매질(M)에서 생성되는 캐비티가 보다 안정된 형태로 형성될 수 있고, 초음파 프로브(131)에서 발생되는 초음파가 대상물(O)의 표면에 보다 직접적으로 전달되어 초음파 캐비테이션 피닝의 품질을 보다 향상시킬 수 있다. 또한 반사부(110)는 초음파의 전반사에 따른 정재파 발생을 억제하는 기설정된 두께 이상으로 형성될 수 있다. 여기에서 상기 반사부(110)가 형성되는 상기 기설정된 두께(t)는 5mm일 수 있다. 또한 상기 정재파가 억제되어 균일하게 피닝되는 영역을 한정하는 상기 반사부(110)로부터의 이격 거리(D1, D2)는, 상기 반사부(110)