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• [전문가 기고] IoT 기반 플랜트 설비의 손상 감시 기술‘콜키퍼’ 400℃ 표면에 직접 접촉, 내장 배터리 2년간 무교환 사용

  송고일 : 2026-02-24
  
  

  최근 성장이 저조하여 일자리가 줄고 있음에도 젊은이들의 3D업종 기피 현상은 점증하여 중화학 플랜트 현장에서 20~30대 청년들을 찾아보기가 어려울 지경이다. 그리고 중대재해법은 실패의 위험을 감수하고 사업을 일으킨 모험적 기업인들에게도 상당한 심리적 부담감을 안겨주고 있다. 그렇지만 산업 현장의 리스크를 줄이고 안전한 환경 토대에서 부가가치를 창출할 수 있어야 우리나라의 장치 산업과 엔지니어링 산업의 미래도 지속 가능할 것이다.

  지금 소개하는 콜키퍼(Corr. Keeper)는 IoT 기반의 초음파 센서를 이용한 부식 및 손상 모니터링 기술로서, 설비 표면에 설치하여 실시간 혹은 일정 주기로 현장 설비의 부식 및 균열 발생 상태를 감시할 수 있다. 일단 설치한 후에는 비파괴검사를 위한 셧-다운, 족장 설치, 보온재 재시공 등의 부대 비용을 줄일 수 있으므로 장치 산업의 입장에서는 비용 절감에 따른 원가 경쟁력 확보에도 도움이 될 것으로 확신한다. 콜키퍼의 주요 장점은 다음과 같다.

  국부 부식(local corrosion)의 탐지

  전반 부식에 의한 설비의 두께 감육은 점부식(pitting)과 같은 국부 부식(local corrosion)으로부터 시작됨을 고려하면 산업 현장에서 이뤄지는 비파괴검사 기술 용역의 경우 ‘부식 검출’을 목표로 삼아야 하지만, 대개 용역과업의 목표를 ‘두께 측정’으로 설정하는 경우가 많아서 두께 측정이 어려운 국부 부식 부위를 오히려 회피하여 건전 부위의 멀쩡한 두께를 측정하는 아이러니한 사태가 일어나기도 한다. 이러한 문제는 현장 작업자를 제대로 교육하지 못한 데서 비롯된 측면도 있으나 현재 사용 중인 초음파 탐촉자의 구조적 한계에서 비롯된 점도 있다.

  [그림1] 부식 모니터링용 외국산 초음파 탐촉자(좌)는 압전체가 하나이지만 국산품(우)은 압전체가 4개이므로 외국산 제품과 비교하면 국부 부식 검출 가능성이 4배가 된다.

  [그림1]의 왼쪽 그림은 현재 사용 중인 일반 초음파 탐촉자의 구조를 나타낸 것이다. 국부 부식이 있는 경우에도 작업자가 섬세하게 스캔하지 않는 한 국부 부식을 검출하기가 어렵다. 탐촉자에서 송신된 파형이 결함 부위에서 반사되어 탐촉자에 수신되지 않을 경우, 국부 부식의 존재를 의심해야 하는데, 초보자는 초음파 파형이 잘 수신되는 건전 부위를 찾아서 두께를 측정한다. 이렇게 되면 결국 손상을 탐지하기 위한 용역과업이 오히려 설비의 손상을 은폐하는 결과가 된다.

  ‘콜키퍼’는 [그림1]의 오른쪽과 같이 초음파 탐촉자 하나가 여러 개의 압전체로 구성되기 때문에 건전 부위의 바닥 면에서 반사되는 파형과 국부 부식 부위에서 반사되는 파형의 동시 수집이 가능하다. 따라서 초보자도 국부 부식을 검출할 수 있다.

  [그림2] 좌측의 외산 제품과는 달리, 우측 멀티 압전체 기반의 국산 제품에서 국부 부식 신호가 검출됨을 확인할 수 있다. 국부 부식(local corrosion)은 전면 부식(general corrosion)의 시작이므로 설비 관리에서는 국부 부식 탐지가 가장 중요하다.

  [그림3] 설비의 부식 손상을 감시하기 위하여 초음파 센서를 설비에 설치하였지만, 설치 센서가 국부 부식을 검출하지 못하고 건전한 부위의 깨끗한 신호만을 수집하여 알려준다면 사실상 설비 관리는 실패한 것이다.

  [그림4] 콜키퍼를 구성하는 4개의 압전체(1채널)는 독립적으로 작동하여 전체 파형의 시계열에서 각기 측정한 두께 파형을 보여준다.

  IoT 기반으로 설비의 부식을 관리하고자 한다면 콜키퍼 초음파 탐촉자를 사용하는 것이 국부 부식 검출에 훨씬 유리할 것이다. 부식 검출 IoT 시스템은 4개 채널까지 확장할 수 있다.

  배관 서포트 직하 틈 부식(crevice corrosion)의 탐지

  배관 라인에서 부식 탐지가 가장 까다로운 것이 배관 서포트 직하의 틈 부식이다. 기중기를 이용하여 배관을 서포트와 분리하여 부식 여부를 확인하는 사례도 왕왕 있다. 방사선투과검사를 적용하기도 하지만 서포트 금속의 차폐 효과로 부식 검출 자체가 어려우므로 대개는 초음파검사를 적용하는 추세이다.

  IoT 기반의 콜키퍼는 배관 원주 방향으로 표면파를 송수신하여 배관 둘레 360도를 감시할 수 있다. 외국산 제품의 경우는 센서가 설치된 바로 그 부위의 두께만을 측정하지만, [그림5]와 같이 콜키퍼는 배관 둘레에서 발생하는 부식 손상을 탐지할 수 있다.

  [그림5] 멀티 압전체 기반으로 사각 횡파를 발생시켜 배관 둘레 360도의 부식 발생 여부를 감시할 수 있다. 따라서 배관 서포트 직하의 틈 부식 탐지가 가능하다. 내부 통신망을 이용하여 무선으로 데이터 송수신 및 현장 특성에 따라 센서 케이블을 쉽게 접근 가능한 단자함으로 연결하여 직접 측정도 가능하다.

  [그림6] 경사각의 초음파 센서를 사용하여 배관 둘레에서 국부적인 부식을 탐지한 신호 사례. 좌측 신호는 부식이 없는 상태이며 가운데와 우측의 신호는 배관 외면에 결함이 발생한 경우이다. 결함 크기의 정량적 평가를 위해서는 향후 AI와의 접목이 필요한 부분이다.

  콜키퍼는 부착과 탈착이 쉬우므로 현장의 취약 배관들을 대상으로 검사자가 이동하면서 부식 탐지가 가능한 것이 큰 장점이다. 최적화된 지그에 멀티 센서를 탑재하고 수동 및 자동 스캐너와 연결하여 사용도 가능하다. 그림 6에서 볼 수 있듯이 부식이 없는 경우에는 수신 신호가 깨끗하고 신호의 진폭이 크다. 부식이 발생한 경우에는 수신 신호의 진폭이 저하하고 신호 양상이 부식 형상에 따라 복잡해진다. 부식 결함의 정량적 평가를 위해서는 향후 AI와의 접목이 필요하다.

  최대 400℃ 고온 배관의 손상 탐지

  초음파 센서를 구성하는 압전체는 큐리 온도를 넘어서게 되면 압전성을 상실하기 때문에 초음파 센서로 기능하지 못한다. 일반 초음파 센서의 사용 가능한 온도는 대개 80℃ 미만이다.

  콜키퍼의 경우 큐리 온도가 430℃이므로 400℃까지는 안정적으로 작동한다. 설비 온도가 500℃에 이르더라도 지연 웻지(delayed wedge)를 사용하여 압전체의 접촉 온도를 430℃ 이하로 유지하면 측정에 어려움이 없다. 고온 탐상이 가능하기 위해서는 압전체의 큐리 온도가 높아야 할 뿐만 아니라 압전체를 부착하는 접합제와 납땜 등도 고온 특성이 확보되어야 하므로 사실상 쉽게 만들 수 있는 제품은 아니다.

  콜키퍼는 이런 문제들을 극복하였기 때문에 고온 설비를 대상으로 장시간 설치도 가능하고, 현장에서 이동하면서 부식 탐지와 초음파검사가 가능하다. 결과적으로 고온 설비의 셧-다운 비용을 줄일 수 있을 것이다.

  [그림7] 상단 좌측부터 상온, 200℃, 300℃ 설정으로 수집한 파형. 하단 좌측은 400℃ 설정에서 수집한 파형. 하단 중간 파형은 설정 온도 448℃에서 표면 온도가 415℃일 때 수집된 초음파 파형임. 상온과 비교해 200℃ 파형이 더 나은 것은 200℃에서 열 영향으로 약간 헐거워진 센서를 기계적으로 조였기 때문임.

  이상으로 산업 현장에서 사용 가능한, IoT 기반으로 초음파 센서를 이용한 부식 손상 감시 시스템(콜키퍼)을 소개하였다.

  정리하면, 외산 제품과 비교하여 국부 부식 탐지와 배관 서포트 부위의 틈 부식 검출이 가능하다. 400℃의 고온 표면에도 직접 접촉이 가능하며 내장 배터리는 2년간 교환 없이 사용할 수 있다. 플랜트 내부의 통신망을 이용하여 실시간 무선으로 데이터 송수신이 가능하며, 현장 여건에 따라 케이블을 연장한 단자를 설치해 현장에서 주기적으로 직접 측정도 가능하다.

  콜키퍼는 산업자원통상부의 연구개발 지원으로 시작품 개발이 이뤄졌고, 한국원자력산업협회와 경남TP의 지원으로 제품의 고도화가 이뤄졌다. 이 기술이 산업 현장에 활용됨으로써 산업 현장의 안전 개선과 장치 산업의 원가 경쟁력 확보에 도움이 되기를 소망한다.

  출처 : 가스신문(https://www.gasnews.com/)