높은 강도와 고유연성을 가지는 대표적인 강재 중 하나인 와이어로프(wire rope)는 신뢰성과 효율성을 장점으로 하여 산업 전반에 걸쳐 폭넓게 사용되고 있다. 이러한 와이어로프 부재는 구조물 또는 인양물의 하중을 전적으로 지탱하는 핵심적인 부재이므로 이의 손상 시 큰 위험으로 이어질 가능성을 가진다. 하지만, 마찰, 부식 등의 다양한 원인에 의해 사용 중인 많은 와이어로프가 손상되어 있으며 일부 와이어로프의 경우 위험한 상태에서 사용되고 있다[1].
한편 이와는 반대로 잔여수명을 정확히 예측할 수 없어 와이어로프를 정기적으로 교체하는 경우에는 70% 이상의 로프가 강도상에 문제가 없는데도 불구하고 교체되어 지속적인 경제적 손실이 발생하고 있는 상황이다.
이러한 와이어로프의 비파괴진단(non-destructive evaluation, NDE)을 위해서 자기탐상기법(magnetic testing)은 강자성체인 와이어로프의 결함 탐지에 매우 유용한 방법이 될 수 있다. 실제로 강부재의 검사를 위한 비파괴검사법은 대부분 자기센서를 이용한 방법으로, 와이어에 자기장(magnetic field)을 가하고 와이어의 결함 부분에서 누설되는 자속(magnetic flux)이나 자기장의 변화를 자기센서로 감지하게 된다[2]. 자기센서는 뛰어난 신뢰도와 재현성의 장점을 가지고 있으며 신호처리 기술과 결합되었을 때 우수한 진단 성능을 기대할 수 있다[3-5].
그런데 와이어로프의 경우 강자성체인 동시에 연속체라는 구조적 특성을 가지고, 여러 개의 소선이 꼬여있는 복잡한 단면을 가진다. 또한 와이어로프에 발생하는 손상유형의 경우 단선, 부식, 형붕괴 등의 형태를 가지며 대부분 국부적으로 발생하게 된다. 이러한 특성을 고려하였을 때 파이프 및 철도 레일과 같은 연속체 구조물의 국부적인 손상 진단에 효과적으로 적용되고 있는 누설자속(magnetic flux leakage, MFL) 기법을 와이어로프에 적합한 검사법으로 선정하였고 그 적용 가능성을 알아보았다.
강자성체인 와이어로프를 충분히 자화하면 와이어로프는 자석과 같은 특성을 띄게 되는데, 이때 와이어로프와 자화요크는 자기 폐회로를 형성하게 된다[6,7]. 이러한 와이어로프에 국부적으로 손상이 발생했을 때 결함 부분에서 자기장의 통과 단면적이 줄어들게 되는데, 손상 틈의 공기는 자석만큼의 자기장 밀도를 가지지 못하기 때문에 Fig. 1과 같이 자기 폐회로 내의 통과자속이 손상부분에서 주위의 공간으로 누설된다. 이러한 원리에 기초하여 자속의 누설을 자기센서를 이용, 비접촉 방식으로 계측함으로써 강부재의 국부손상을 검색 할 수 있다[8].
본 연구에서는 Fig. 1과 같이 영구자석 요크(yoke)와 홀센서(Hall sensor)를 이용하여 자속을 측정하였다. 먼저 네오디움(neodymium) 영구자석 요크를 이용하여 와이어로프에 충분한 자속을 발생시키고, 이때 손상부에서 누설되는 자속을 근거리에 위치한 홀센서를 사용하여 비접촉 계측하였다. 이는 홀센서가 자기장에 놓였을 때 전류와 자기장의 방향에 수직하는 홀전압이 발생하는 홀효과를 이용하여 계측되어 진다[2]. 따라서 비파괴검사 장비에서 수집되는 홀전압 신호를 통해 누설자속을 감지함으로써 와이어로프에 발생한 국부 손상을 검색할 수 있다.
홀센서를 통해 계측되는 원 자속 신호의 경우, 누설자속 신호 외에도 다양한 변수를 포함하게 되는데, 이는 센서헤드의 이동속도 변화, 대상체의 자기분포, 리프트 오프(lift-off) 변화 등 다양한 환경적 원인의 영향 때문이며, 전기적 노이즈와 함께 손상 진단에 방해요인으로 작용할 수 있다. 따라서, 노이즈의 영향을 최소화하고 누설신호에 대한 가시성 향상을 위해 로우패스 필터링(low pass filtering) 등의 신호처리를 수행하였고, 힐버트 변환(Hilbert transform)을 통한 엔벨로프(envelope) 신호를 도출하여 손상진단에 활용하였다[9]. 엔벨로프 신호를 활용할 경우, 원 자속신호에 포화가 발생하는 경우에도 신호의 추세가 반영되어 엔벨로프 신호에 어느 정도 피크(peak)의 복원이 가능한데, 이를 통해 피크를 한 지점으로 특정하고 그 크기를 확인할 수 있다는 장점을 가진다[10]. 이어서 손상의 크기에 따른 누설자속신호의 변화를 정량적으로 살펴보기 위해, Fig. 2와 같이 엔벨로프 피크 값(peak value of envelope(EP))을 활용하였다.
본 손상지수는 손상에서 발생하는 누설자속 엔벨로프 신호의 피크 크기를 나타내며, 일반적으로 사용되는 원신호의 peak to peak value(P-P value)와 유사하지만, 누설자속신호의 포화가 발생할 경우, 추세를 반영하는 엔벨로프 신호의 특성이 반영되어 상대적으로 안정적인 정량화에 유리하다[10].
본 연구에서는 여러가닥 와이어로프의 손상 진단을 위해 실제 승강기 와이어로프의 크기 및 구성에 맞추어 12 mm의 와이어 5가닥을 동시에 진단할 수 있는 20ch의 센서헤드(sensor head)를 Fig. 3과 같이 제작하였다.
센서헤드의 구성은 각각의 와이어로프가 통과할 수 있는 5개의 홀(Hole)이 1열로 배열되었고, 1개의 홀은 4개의 홀센서로 구성되어 하나의 와이어로프를 대상으로 4개의 센싱채널(sensing channel)에서 동시에 자속신호를 수집하게 된다. 즉 총 20개의 센싱채널로 최대 5개의 와이어로프를 동시 진단할 수 있게 하였다.
각 Hole을 통과하는 모든 와이어로프의 고른 자화를 위해, 와이어로프 진행방향으로 각 Hole의 상하부에 자화요크를 1쌍씩 구성하였다. 각각의 자화요크는 1쌍의 네오디움 자석과 1개의 철 막대로 구성되어진다.
센싱파트의 경우 Fig. 4와 같이 와이어로프 형상에 맞춰 가공된 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB)에 홀센서를 부착하여 제작하였다.
홀센서는 HW300A[11] 모델이 사용되었고, 각 PCB에 10개씩 부착되었다. 이러한 PCB 2개를 서로 마주보게 조립하였을 때, 하나의 Hole에는 4개의 홀센서가 원형으로 배치되어 하나의 와이어로프를 진단하게 된다.
이와 같이 센싱부(sensing part)를 PCB로 제작함으로써 조립 편의성이 향상되었고, 홀센서에 이상 발생시 PCB의 교체만으로 보수가 가능하여 유지관리 편의성 및 경제성에서 장점을 가진다.
제작된 센싱부 및 자화요크는 Fig. 5와 같이 아세탈(acetal) 소재의 케이스에 고정되었는데, 전체 센서헤드의 크기는 120 mm × 70 mm × 60 mm 작은 크기를 가져 좁은 공간에 설치가 용이하다. 또한 케이스(case)는 개폐가 가능한 경첩구조로 연결되어 실제 현장의 와이어로프 적용시 간단하게 설치 가능하도록 제작하였다.
본 연구에서 제시된 누설자속 기반의 와이어로프 국부손상 검색 기법의 진단 가능성을 검증하고, 와이어로프 국부손상의 크기 증가를 누설자속 신호의 정량적 분석을 통해 추정하고자, 단계적인 손상 가공 및 자속신호 수집을 반복하는 실험적 연구를 수행하였다.
이를 위해 실험시편 및 자속신호를 계측하기 위한 장비가 Fig. 6과 같이 구성되었다. 일정한 속도 조건에서의 반복 실험을 위해 와이어로프를 따라 반복적으로 수평 이동시켜주는 직선이동장치에 MFL 센서헤드를 연결하여 설치하였다.
직선이동장치에는 엑츄에이터와 750W 용량의 리니어 모터가 통합된 일체형 구조의 리니어 직교 로봇 모듈인 Artrorobot사의 AL180M 모델이 적용되어 최대 3 m/s의 속도로 이동 가능하다.
고속 진단조건에서의 동시 자속 신호 수집을 위해 20ch.의 터미널보드(terminal board)와 함께 최대 250 kS/s의 샘플링이 가능한 NI 9205 모듈을 사용하여 데이터수집(data acquisition, DAQ)장치를 구성하였다. 이러한 장비의 제어 및 신호 확인, 저장은 컨트롤러(controller)의 유저인터페이스(user interface, UI)를 통해 이뤄졌다.
와이어로프 시편의 경우 8×19 꼬임구조의 단면을 가진 직경 12 mm, 길이 800 mm인 3개의 와이어로프를 대상으로 Fig. 7과 같이 다양한 국부 손상을 가공하고, 각 손상별 크기를 와이어로프 교체 규정(단면적 10% 감소, 최대지름이 기준지름의 1.5배) 범위 이내에서 단계적으로 확장시켜가며 실험을 수행하였다.
먼저 Wire 1과 2에는 단선손상이 가공되었는데, 두 시편 모두 공통적으로 200 mm, 400 mm, 600 mm 지점에 글라인더를 이용한 단선손상이 가공되었고, 각각의 원주방향 손상 위치를 Table 1에, 6단계의 단계별 손상 크기를 단면감소율로 Table 2와 3에 나타내었다.
| Damage 1 | Damage 2 | Damage 3 | |
|---|---|---|---|
| Wire 1 |
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| Wire 2 |
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| Wire 3 |
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| Damage 1-1 | Damage 1-2 | Damage 1-3 | |
|---|---|---|---|
| Level 1 |
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| 0.6% | 1% | 0.6% | |
| Level 2 |
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| 1.3% | 1.9% | 1.3% | |
| Level 3 |
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| 3.1% | 3.1% | 2.5% | |
| Level 4 |
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| 5.6% | 4.4% | 5.6% | |
| Level 5 |
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| 6.5% | 6.9% | 6.9% | |
| Level 6 |
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| 8% | 9.1% | 10% |
| Damage 2-1 | Damage 2-2 | Damage 2-3 | |
|---|---|---|---|
| Level 1 |
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| 1.3% | 0.6% | 1% | |
| Level 2 |
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 |
| 1.9% | 1.3% | 1.3% | |
| Level 3 |
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| 3.8% | 1.9% | 2.5% | |
| Level 4 |
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| 4.6% | 4.8% | 5% | |
| Level 5 |
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| 6.5% | 7.5% | 6.3% | |
| Level 6 |
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| 8.3% | 10% | 7.6% |
Wire 3은 압착손상이 가공된 시편으로 250 mm 및 550 mm 지점에 압착기를 사용하여 압착손상이 가공되었고, Tabel 4와 같이 2단계로 압착의 정도를 증가시켰다. 압착의 정도는 최대지름을 기준지름(12 mm)으로 나눈 값으로 정량화하였다.
| Damage 3-1 | Damage 3-2 | |
|---|---|---|
| Level 1 |
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| 1.25 | 1.13 | |
| Level 2 |
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| 1.5 | 1.42 |
본 실험은 Fig. 8과 같이 20ch MFL 센서헤드 중 센싱채널 5, 6, 15, 16이 위치한 3번 홀을 이용하여 각각의 와이어를 대상으로 수행되었으며, 2 m/s의 속도 및 10 kS/s의 샘플링 레이트(sampling rate) 조건(축방향 공간분해능: 0.2 mm)에서 각 손상 단계별 50회씩 반복 계측하였다.
Wire 1의 단계별 단선손상 진단 결과를 Fig. 9에 나타내었다.
각 단계별 50회 실험 결과의 평균값을 사용하였으며, 각 6가지 손상단계의 손상으로부터 획득된 자속신호를 하나의 그래프에 중첩하여 나타내었다.
Fig. 9에서 살펴보면 Ch. 16의 200 mm 지점, Ch. 15의 400 mm 지점, Ch. 6의 600 mm지점에 각각 누설자속에 의한 피크가 발생한 것을 확인할 수 있으며, 이는 실제 가공된 손상의 위치와 일치한다. 따라서 누설자속 기법을 통해 와이어로프에 발생한 단선손상을 효과적으로 감지할 수 있음을 확인할 수 있다.
단선손상의 레벨(level) 증가에 따른 누설자속 신호의 변화 패턴을 살펴보기 위해 각 손상에 의해 발생한 피크의 위치를 확대하여 Fig. 10에 나타내었다.
세 가지 손상에 의한 피크를 살펴보면 공통적으로 각각의 손상단계 증가에 따라 피크의 크기가 단계적으로 커지는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해 손상의 감지뿐만 아니라 손상 크기의 증가를 본 기법을 통해 추정 가능하다는 것을 확인할 수 있다. 이어서 손상단계에 따른 각각의 피크의 크기를 정량화하고 이를 비교하기 위해 각각의 피크로부터 엔벨로프 신호 피크의 높이를 의미하는 엔벨로프 피크값(EP)을 손상단계별로 추출하여 Fig. 11에 나타내었다.
6단계의 손상 증가에 따른 엔벨로프 피크값의 변화를 살펴보았을 때, 3가지 손상 모두에서 추가 가공에 의해 단선손상의 크기가 증가할수록 피크로부터 추출된 손상지수인 엔벨로프 피크값도 함께 증가하는 패턴을 확인할 수 있다.
이를 통해 제시된 누설자속 기반의 진단 기법 및 손상지수를 활용한 단선손상의 정량적인 크기 분석이 가능할 것으로 판단된다.
Wire 2의 손상단계별 진단결과를 Fig. 9와 같은 방법으로 Fig. 12에 나타내었다.
Fig. 12에서 살펴보면 Ch. 15의 200 mm 지점, Ch. 5의 400 mm 지점, Ch. 16의 600 mm지점에 각각 누설자속에 의한 피크가 발생한 것을 확인할 수 있으며, 이는 실제 가공된 손상의 위치와 일치하였다. 따라서 wire 1의 결과와 함께 wire 2의 결과를 통해서도 와이어로프에 발생한 단선손상을 누설자속 기법을 통해 효과적으로 감지 가능하다는 것을 확인할 수 있다. Ch. 5의 400 mm 지점에 발생한 피크의 경우, 멀티피크의 형상을 가지는데, 이는 2개 이상의 스트랜드(strand)에 걸쳐 손상 2-2가 발생하였기 때문으로 판단된다.
Wire 2의 손상레벨 증가에 따른 누설자속 신호의 변화 패턴을 살펴보기 위해 각 손상에 의해 발생한 피크의 위치를 확대하여 Fig. 13에 나타내었다.
Wire 1과 마찬가지로 wire 2의 결과에서도 각각의 와이어로프의 손상 증가에 따라 피크의 크기가 단계적으로 커지는 것을 확인할 수 있었고, 이를 통해 단선손상 크기의 증가를 본 기법을 통해 추정 가능하다는 것을 다시 한 번 확인할 수 있었다.
이어서 wire 2의 손상단계에 따른 엔벨로프 피크값을 손상단계별로 추출하여 Fig. 14에 나타내었다.
Wire 1의 경우와 마찬가지로 wire 2의 3가지 손상 모두에서 손상의 크기 증가와 함께 peak value도 함께 증가함을 보여 본 기법을 통한 정량적인 분석의 가능성을 한 번 더 확인할 수 있었다.
Fig. 15에는 wire 3에 발생시킨 압착손상의 단계별 검색 결과를 나타내었다. 각각의 손상단계별로 50회 반복 계측한 값을 평균내어 하나의 그래프에 중첩하여 나타내었다.
압착손상의 경우에도 실제 손상이 발생한 250 mm 및 550 mm 지점 부근에 피크가 발생하는 것이 확인 가능하였는데, 이를 통해 압착손상 역시 단선손상과 마찬가지로 본 기법을 통한 감지가 가능함을 확인할 수 있었다.
다만 압착손상의 경우 일부 센싱채널에서만 민감하게 감지되었던 단선손상과 달리, 전체 센싱 채널에 고르게 피크가 발생하였다. 또한 피크의 높이는 단선손상에 비해 낮게 감지되었지만, 피크의 너비가 단선손상의 경우보다 크게 나타난다는 특징을 가짐을 확인할 수 있었다. 향후 이러한 누설자속 신호의 특성을 이용하여, 자동화된 손상의 유형구분을 위한 알고리즘 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 누설자속기반의 다채널 센서를 활용하는 강부재 손상 검색 및 정량화 기법을 제시하였고, 이의 검증을 위한 실험을 단선 및 압착손상을 가공한 와이어로프 시편을 대상으로 수행하였다.
신호처리 및 힐버트변환을 통한 엔벨로핑 신호를 이용하여 누설자속의 가시성을 향상시켰으며, 실제 국부손상이 발생한 위치에서 누설자속이 발생함을 확인하여 본 기법을 통한 국부손상의 검색이 가능함을 확인하였다.
또한 손상의 단계적인 크기 증가에 따라 누설 자속 신호의 크기가 함께 증가함을 확인하였고, 이를 손상지수인 peak value를 이용하여 정량적으로 분석함으로써 손상 크기와 정의 관계를 가지는 일정한 패턴을 확인할 수 있었다.
이는 향후 누설자속을 이용한 자동화된 국부 손상 진단 기법 개발에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이 논문은 2017년 국토교통부 국토교통촉진 연구사업(17CTAP-C130210-01) 및 국민안전처 재난안전기술개발기반구축사업(NEMA-기반-2014-115) 및 한국연구재단의 기초연구지원사업(2017R1A6A3A04011933) 및 국토교통부의 스마트시티 석·박사과정 지원사업의 연구비 지원에 의해 수행되었으며 당 기관에 감사드립니다.
