월간전기



[레이저 에너지 응용기술의 신전개 ①] 레이저 계측기술_전력분야의 신전개

2017-06-01

[레이저 에너지 응용기술의 신전개 ①] 레이저 계측기술_전력분야의 신전개 최근 전력설비의 고경년화(노후화)가 진행되면서 그에 따른 유지, 보전, 보수비용이 증대하고 있다. 이에 따라 전력설비의 열화상태 및 잔여수명 등을 평가할 수 있는 첨단 설비진단기술이 요구되고 있다. 현장에서 즉각적으로 설비상태를 진단할 수 있으면 현장 공기(工期)를 단축할 수 있고, 설비를 정지하지 않고 활선상태에서의 진단이 가능해지면 대폭적인 코스트다운이 실현된다. 또 레이저를 이용하면 현장에서 원격 및 실시간으로 비접촉 계측이 가능해진다. 이 때문에 고소(高所) 및 방사선 환경하 등 비근접 개소에서의 계측 및 활선상태에서의 계측이 기대되고 있다. 또 최근 펨토초 영역의 단펄스 레이저를 이용하여 X선·γ선~테라헤르츠파까지의 광대역 전자파의 발생이 보고되고 있으며, 이를 이용한 비파괴 검사에서도 그 적용을 진행시키고 있다. 전력중앙연구소에서는 이러한 레이저의 특장점을 살려 다양한 전력설비 진단에 대한 적용 연구를 실시하고 있다. 그중 본고에서는 레이저 유도 브레이크다운 분광(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: LIBS)을 이용한 콘크리트 구조물의 진단 및 콘크리트 캐스크 내 캐니스터의 건전성 평가, 테라헤르츠파 및 광 루미네선스(光 lumi-nescence) 등을 이용한 가스터빈 화력발전의 고온부품 비파괴 검사에 관해 소개한다. 정리 편집부 LIBS를 이용한 비접촉 설비진단기술 LIBS의 특장점 LIBS는 레이저광을 측정대상물에 집광함으로써 플라즈마를 발생시키고, 그 플라즈마의 발광을 분광하여 측정대상물에 함유된 원소의 종류 및 농도를 측정하는 방법이다. LIBS는 다른 성분 분석법에 비해 ①진공용기가 불필요하며 샘플 전처리 없이 계측 가능 ②실시간 계측 ③비접촉 계측 및 원격계측 ④다양한 물질의 동시 계측 ⑤높은 공간분해능으로 계측이 가능하다는 이점이 있어 현장 적용성이 높다. 콘크리트 구조물의 열화진단 임해부의 콘크리트 구조물은 염분에 기인하는 철근 부식에 의해 그 내하성능이 저하된다. 따라서 콘크리트 구조물 내의 염분침투 농도를 계측하는 일은 구조물의 잔여수명을 파악하는 데 있어 중요하다. 콘크리트 구조물에 함유된 염분 농도는 일반적으로 구조물에서 직경 100mm 정도의 코어 샘플을 추출, 전위차 적정법에 의해 계측이 이루어지고 있다. 그러나 전위차 적정법은 계측하는 데 있어 수일이 소요되고, 또 구조물의 깊이방향 분포를 계측하기 위해서는 샘플을 두께 5~10mm로 슬라이스할 필요가 있기 때문에 공간분해능이 낮다. [그림 1]에 LIBS로 계측한 콘크리트 코어 할단면의 염소(CI)와 탄소(C)의 발광강도에 대한 2차원 분포를 나타냈다. 여기에서 CI는 염해의 지표가 되며, C는 염해와 함께 콘크리트 구조물의 열화 원인인 탄산화의 지표가 된다. 전력중앙연구소에서는 콘크리트에 흡수된 CO₂가 Ca(OH)₂와 반응함으로써 탄산화를 발생시키는 것에 착안하여 C와 Ca의 발광강도의 상관관계를 구해 탄산화의 정도를 정량적으로 평가하는 방법을 제안하고 있다. 그러므로 이 방법을 사용하면 염해와 탄산화를 동시에 평가할 수 있다. 또 CI의 발광강도에 착안하면 모르타르 부분에 비해 골재에서의 발광강도가 낮아 이로부터 CI가 모르타르 부분에 침투하는 것을 알 수 있다. 이와 같이 LIBS는 공간분해능이 높으므로 염분침투 예측 정밀도를 향상시켜 조기의 열화진단 및 잔여수명에 대한 평가를 가능하게 한다. 또한, 본 계측에 소요된 시간은 약 40분 정도로, 전위차 적정법에 비해 매우 신속한 계측을 실현하고 있다. 콘크리트 캐스크 내 캐니스터 부착 염분 계측 사용후 핵연료의 중간저장 방식의 하나인 콘크리트 캐스크 방식에서는 콘크리트 용기 내에 있는 스테인리스강제 캐니스터 표면의 CI농도(해염입자에 기인)가 역치를 넘으면 응력부식균열(Stress Corrosion Cracking: SCC)이 발생할 가능성이 있다. 따라서 캐니스터의 밀봉 건전성을 평가하기 위해서는 저장 중인 캐니스터 표면의 CI 계측이 중요하다. 그러나 캐니스터 표면은 고온· 고방사선 환경이기 때문에 원격 계측이 필요하다. 또한, 콘크리트 용기와 캐니스터의 간격은 5~10cm로, 이 틈새에서 계측을 실시하는 것이 바람직하다. 전력중앙연구소에서는 LIBS를 이용한 캐니스터 부착 염분의 원격계측기술을 개발하고 있다. 지금까지 협소부를 이동하면서 벽면의 LIBS 계측을 가능케 하는 계측기기를 개발해 왔다. 본 계측기기를 이용해 5m의 이격거리에서 콘크리트 용기와 캐니스터 사이의 간격을 모의한 폭 5cm의 협소부에 있어서 660mm 이동하면서 협소부 벽면에 설치한 스테인리스강에 부착된 염분 중 CI농도의 정량계측을 실증했다. [그림 2]에 실험결과를 나타냈다. 협소부에서 높이방향으로 4개소의 염분농도가 다른 스테인리스강의 시험편과 그 상하에 2개소(0~75mm, 585~660mm)의 염분이 부착되어 있지 않은 시험편을 설치했다. (a)와 (c)에는 LIBS와 이온 크로마토 그래피(ion chromatography)에 의한 CI농도의 계측결과를 나타냈다. (c)에서 보이는 바와 같이 이온 크로마토 그래피에 비해 LIBS에서의 계측결과는 높이방향의 편차가 크다. 이는 이온 크로마토 그래피의 계측결과가 시험편 전체의 평균치인 반면에 LIBS는 높이방향에서의 레이저광 4샷의 스펙트럼 적산으로 구한 값이므로 시험편상에서의 부착 염분 농도의 불균일성이 영향을 미친 것으로 보인다. (a)는 각 시험편상의 평균 CI농도와 관련해 이온 크로마토 그래피와 LIBS에 의한 계측결과의 관계를 나타내며, 양측 모두 거의 동일한 값임을 확인할 수 있다. 이를 통해 LIBS를 이용하면 0~100mg/cm²의 범위에서 스테인리스강 부착 염분 중 CI농도를 높은 공간분해능으로 정량계측할 수 있다는 것을 알 수 있다. 한편, [그림 2]의 (b)와 (d)는 LIBS에 의한 산소(O)의 발광강도 계측결과를 나타내고 있다. 이를 통해 시험편을 설치한 부분에서 O의 발광은 증가하지만, 강도는 일정함을 확인할 수 있다. 이것은 계측기기의 이동 중에 LIBS의 계측조건이 변화하지 않음을 나타내어 안정적인 측정이 가능하다는 것을 알 수 있다. 가스터빈 화력발전의 고온부품 비파괴 검사 차열코팅과 검사니즈 연소기 및 가스터빈 날개 등의 고온부품에는 세라믹제의 톱코트와 합금제의 본드코트로 이루어진 차열코팅(Thermal Barrier Coating: TBC)이 시공된다. 건전한 TBC의 모식도를 [그림 3](a)에 나타냈다. 톱코트에는 이트리아 부분 안정화 지르코니아(Yttria Partially Stabilized Zirconia: YSZ)가 일반적으로 사용되고 있으며, 그 두께는 200~600μm 정도이다. 본드코트에는 NiCrAIY, NiCoCrAIY 등이 사용되며, 그 두께는 100μm 정도이다. 경년사용에 의한 TBC의 주된 손상열화로는 [그림 3](b)에 나타낸 톱코트의 감육(減肉: 두께가 얇아짐), (c)에 나타낸 톱코트의 박리, (d)에 나타낸 계면산화를 들 수 있다. 감육(減肉)은 열저항의 저하에 따른 기재 표면온도의 상승, 박리는 톱코트 이탈에 따른 열저항의 상실을 초래한다. 계면산화는 톱코트와 본드코트의 접합을 저하시켜 톱코트 박리의 원인이 된다. 테라헤르츠파를 이용한 톱코트 막두께 측정 톱코트의 막두께는 TBC의 차열성능을 결정짓는 중요한 파라미터이다. 톱코트는 연소가스류의 영향을 받아 감육이 발생하는 경우가 있어 건전성 평가 시 막두께를 고정밀도로 측정할 필요가 있다. 테라헤르츠파는 톱코트를 비교적 잘 투과하고, 또 충분한 공간분해능을 확보할 수 있어 톱코트 막두께 측정에의 적용이 기대되고 있다. 테라헤르츠파는 [그림 4](a)에서와 같이 초단 펄스 레이저광을 광전도 안테나에 조사함으로써 발생시킬 수 있고, 이 경우 이용 가능한 주파수 영역은 대략 0.1~2.0THz이다. 광전도 안테나는 테라헤르츠파의 검출에도 이용 가능하며, 테라헤르츠파의 시간파형을 얻기 위해서는 [그림 4](a)와 같이 2개의 광전도 안테나에 조사하는 초단 펄스 레이저광의 시간지연을 주사(走査)한다. 톱코트 막두께의 측정에 있어서는 테라헤르츠파 펄스를 TBC로 수직입사하고, 톱코트 표면에서의 반사파 S, 톱코트 및 본드코트의 계면에서의 반사파 R1 및 톱코트 내를 수차례 왕복하는 다중반사파 R2, R3…를 측정한다. 이를 [그림 4](b)에 모식적으로 나타냈다. S와 R의 도달시간차(到達時間差)인 Δt는 테라헤르츠파가 톱코트를 1왕복하는 데 소요되는 시간에 대응하므로 톱코트 막두께를 d, 굴절률 n, c를 광속으로 하면 식(1)이 성립한다. 본 측정법을 TBC 시공 로터 블레이드에 적용했다. 측정부위인 a~e와 a부위에서 얻어진 반사파형의 예를 [그림 5]에 나타냈다. 각 부위에서의 테라헤르츠파를 이용한 톱코트 막두께의 측정결과는 측정 후 현미경으로 실시한 절단면의 관찰결과와 대략 10μm 이내로 일치되어 그 타당성이 확인되었다. 액티브 서모그래피를 이용한 톱코트 박리 검사 톱코트의 박리 검출에는 레이저 가열을 이용한 액티브 서모그래피가 유효하다. 레이저 가열은 기존의 램프가열보다 열류속이 크기 때문에 박리부와 건전부에서 보다 큰 온도차를 얻을 수 있어 박리 검출 감도가 높다. 이 방법에서는 가열용 레이저를 TBC 표면에 조사하면서 주사하고, 톱코트 표면온도 분포를 적외선 서모그래피로 측정한다. 레이저가 박리부에 조사된 경우, 건전부와 비교해 톱코트에서 기재 방향으로의 열전달률이 작기 때문에 표면온도가 상대적으로 높아진다. 또 레이저 조사 종료 후의 박리부는 건전부에 비해 온도가 잘 내려가지 않기 때문에 레이저 주사 시 잔열상으로 남는다. 이 개념도를 [그림 6]에 나타냈다. 광 루미네선스법을 이용한 계면 산화층 검출 톱코트 박리 개소는 톱코트와 본드코트의 계면에 형성되는 계면 산화층을 수반하는 경우가 많다. 계면 산화층은 본드코트를 구성하는 금속원소가 열산화(熱酸化)한 산화금속층으로, TBC 시공부품을 고온에서 계속 사용하면 점점 커진다. 따라서 계면 산화층의 간이 검출이 가능해지면 톱코트 박리 가능성이 높은 개소를 추출할 수 있을 것으로 보인다. 일반적으로 사용되는 본드코트 재료를 구성하는 원소 중 Al은 산화 경향이 강하기 때문에 계면 산화층은 Al₂O₃을 많이 포함하며, Cr은 여기에 Cr³⁺로 혼재한다. Al₂O₃중의 Cr³⁺는 청색광 또는 녹색광을 흡수하고 적색광을 발하는 성질을 가지며, 적색광은 주로 R₁(파장 694nm), R₂(파장 693nm)의 현저한 휘선 2개로 구성된다. 따라서 TBC에 청색광 및 녹색광을 조사했을 때의 적색발광강도를 측정하면 계면 산화층을 검출할 수 있다. 이 방법을 광 루미네선스법이라고 부른다.소형 연속발진 레이저(파장 532nm, 최대출력 200mW)와 고감도 소형 분광기를 이용한 가반형의 계면 산화층 검출 시스템을 시험 제작했다. 이 장치의 구성을 [그림 7](a)에 나타냈다. 이 장치는 소형 프로브로 송수광(送受光)을 실시하기 때문에 임의형상의 표면 검사가 가능하다. 본 장치를 이용하여 TBC 시험체의 측정실험을 실시했다. ▲비가열 시험체(용사 상태) ▲공기 중에서 1000℃로 1000hr 가열한 시험체 ▲공기 중에서 1100℃로 1000hr 가열한 시험체의 측정결과를 [그림 7](b)에 나타냈다. 가열한 시험체에서는 Cr³⁺의 발광이 확인되었으며 가열온도와 함께 증가하는 경향을 보였다. 한편, 비가열 시험체에서는 발광이 관찰되지 않았다. < Energy News >