배관은 사회기반시설, 발전소나 플랜트 등 대부분의 시설에서 사용 되고 있으며, 건설 후 장시간 사용된다. 그리고 다수의 배관 구조물은 금속 배관이 이용되며, 건설 시 용접을 이용한 접합이 지배적으로 적용된다. 용접부는 결함의 발생 가능성이 상대적으로 높아 상시감시가 필요하다. 그러나 다수의 배관은 가동 중 환경에 의해 감시자의 접근이 어려운 경우가 많다. 이러한 용접부 상시감시에는 로봇기반의 체적 검사가 가능한 초음파 검사 방법이 효과적이며, 로봇의 적용을 위해서는 비접촉식 초음파 기법의 적용이 요구된다. 상시감시가 요구되는 일부의 배관 구조물은 발전 설비나 전자 제어부에 위치하고 있다. 이러한 구조물의 일부는 전자기노이즈에 영향을 받게 되고 기존의 전자기기반의 초음파 센서의 적용 시 신호의 왜곡으로 감시에 어려움이 발생하게 된다. 또한 배관 구조물은 긴 길이를 가지고 설치환경에 의해 변형 및 처짐이 발생하기 쉽다. 이와 같이 전자기 노이즈 환경과 대형 구조물 감시에는 광섬유기반의 센서가 매우 유용하다.
본 연구에서는 우선적으로 배관의 용접부 감시를 위한 검사 로봇에 적용하기 위하여 전자기초음파탐촉자(Electromagnetic Acoustic Transducer; EMAT)를 이용한 초음파 검사를 연구하였다. 이때, EMAT 초음파에서 발생하기 쉬운 모드의 중첩 문제를 wavelet 신호처리를 적용한 신호해석을 제안하였다. 그리고 EMAT 기반 배관 검사를 위한 기준감도 설정 방법을 새롭게 제안하였다. 이러한 신호처리 기법을 바탕으로 자동화 초음파 검사가 가능한 비접촉식 검사 기법을 확립하였다.
전자기 노이즈 환경에서 초음파 신호 수신에는 광섬유 간섭계 센서가 유용하다. 특히 광섬유 패브리-페롯 간섭계 (Fiber Fabry-Perot Interferometer; FFPI)는 정밀도와 민감도가 높아 본 연구에서는 EMAT의 신호 수신 센서로 적용하였다. 그리고 배관 상시 감시에는 결함 및 누수의 감시에는 AE 신호 수신 및 음향 신호의 검출이 적용된다. 이러한 신호는 고주파수의 미소 진동 변위로 나타나게 된다. 또한 다양한 구조물의 변형률은 구조물 상태 감시에 기본적으로 이용된다. 고주파수의 미소 변위와 변형률의 정밀한 측정을 위해서 Dual-cavity FFPI 센서와 위상보상 알고리즘을 센서 시스템으로 제안하였다. 제안된 센서 시스템은 높은 민감도로 고주파 진동 상태에서 미소 변위의 정밀 측정이 가능하였다.
추가적으로 광섬유 브래그 격자 (Fiber Bragg Grating; FBG) 센서는 FFPI와 광학적으로 연결이 가능하고 다점 측정에 매우 유리하여 배관의 여러 지점에서 저주파수의 변형률 측정에 효과적이다. 배관 구조물은 매우 긴 길이에 따라 처짐 및 변형 감시가 필요하며 구조물의 1차원 처짐은 변형률을 이용하여 도출할 수 있다. FBG를 이용하여 배관의 다지점의 변형률을 측정하면 구조물의 1차원 처짐을 감시할 수 있고, 다수의 FBG 센서 라인을 적용하여 다 축의 변형률 측정하고 이를 기반으로 구조물의 3차원 변형감시가 가능한 형상감시기법을 제안하였다. 실험적 검증을 통해 제안된 기법이 시험체의 형상을 추정하고 변형량을 정량적으로 도출할 수 있음을 확인하였다.
결론적으로, 다수의 배관 구조물은 상시 감시가 요구된다. 결함 발생 빈도가 높은 용접부의 경우 로봇을 활용하여 전자기초음파 탐촉자를 이용한 상시 감시가 가능하다. 이때, 전자기 노이즈의 영향으로 전자기초음파 탐촉자의 적용의 한계를 광섬유 기반 FFPI 센서를 적용하여 해결 가능함을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다. 또한 긴 길이로 인해 처짐 또는 변형이 발생할 수 있는 배관은 3차원 형상 추정기법을 통한 감시가 가능하다. 즉, 본 연구를 수행한 결과 광섬유 기반 센서와 전자기초음파 탐촉자를 활용하여 다양한 환경에서 배관 구조물의 건전성 감시가 가능함을 확인하였다.

Pipes are widely used in various industries and infrastructures. Many of the pipe structures consist of lots of metallic pipes; these pipes are structured using welding joints. Also, the pipe structures have long length comparing to cross-sectional area. So, deflection and deformation could easily occur in the structures. To monitor the integrity of th pipe structures, an welded zone inspection and deflection monitoring are very effective.
Non-destructive tests have typically been used to evaluate the integrity of the welded structures. Nevertheless, the non-destructive test is hard to do in certain restricted areas, such as high temperature and dangerous regions. In particular, testing may be limited when facilities are not operating. Therefore, it would be beneficial to develop an automated ultrasonic inspection system that uses robots. Then non-contact ultrasonic inspection methods and systems can be used effectively for robotic inspection systems.
Some pipe structures are located in or near power generation facilities or electro control systems. These environments have high electromagnetic interference (EMI). Many types of sensors used in ultrasonic tests are made up of electric materials, so these sensors are limited to apply for detecting ultrasonic signals in EMI environment. Fiber optic sensors are useful for sensing the ultrasonic waves in EMI environment. Also, the fiber optic sensors can apply to the long length pipe structures effectively, because of the shape and principle.
In this thesis, the evaluation of a pipe welding zone was implemented by generating Shear horizontal (SH) waves using electromagnetic acoustic transducer (EMAT). EMAT is suitable for a robotic automated ultrasonic inspection system, because it can generate or receive the ultrasonic waves in non-contact manner. The SH wave generated by an EMAT may produce a superposition in modes and a variation in the intensity when the EMATs are applied to pipe structures. Therefore, defects in the welding zone were evaluated quantitatively using the wavelet transform and proposed specific sensitivity.
Fiber optic sensor technologies were studied to measure the ultrasonic signals under EMI. Then, the Fiber optic Fabry-Perot interferometer (FFPI) was applied to measure ultrasonic waves which are generated using EMAT. Additionally, to monitor a pipe structure, acoustic-emission (AE) and leakage monitoring techniques are used widely. The features of AE or leakage signals are high-frequency vibration and micro-displacement. FFPIs perform well in sensing high-frequency vibrations. In additionally, a dual-cavity FFPI and a phase-compensation algorithm are proposed to improve the performance for detecting of high-frequency micro-displacement. The dual-cavity FFPI supported with the algorithm could be measured high-frequency micro-displacement quantitatively.
Also, FBG sensors have the advantage in multiplexing and could be combined with the FFPI sensor optically. The FBG sensors can measure strains at multiple parts of the pipe effectively. The pipe structures have long length comparing to cross-sectional area. So, deflection and deformation could easily occur in the structures. That means a monitoring technique is needed to evaluate pipe structures from the deflection and deformation. To monitor deflection and deformation in the long length pipe structures continually, 3-dimensional shape-estimation-technique using the FBG sensors was researched. The 3-D shape-estimation-technique could represent a deformation of a pipe and provide quantitative information about deflections.
Consequently, the health monitoring of pipe structures could be performed effectively by using EMAT and fiber optic sensors.