불꽃 너머를 보여주는 FLIR 열화상 카메라

여러 다양한 산업들이 화로와 보일러에 의존해 제조 공정을 운영합니다. 그렇지만 화로와 보일러 장비는 여러 가지 메커니즘으로 고장이 나기 쉽습니다. 여기에는 튜브 내부를 막아 생성물 흐름을 방해하는 점결(coking), 튜브 바깥의 슬래그 축척, 클링커 데미지, 과소 및 과다 난방, 버너 정렬 불량으로 인한 튜브의 불꽃 충돌, 점화를 일으켜 장비에 심각한 손상을 일으키는 생성물 누출 등이 해당됩니다.

이러한 고장은 품질 문제를 일으킬 뿐만 아니라 전체 공정 라인도 정지시킵니다. FLIR 열화상 카메라는 대부분 장비의 문제를 운전 중에, 그리고 조기에 탐지하여 장애를 방지할 수 있습니다. 이것을 통해 질서 있게 조업을 정지하고 부품을 교체하여 유지관리 비용과 생산 손실을 줄일 수 있습니다.

프랑스 회사 Petroval은 산업시설에 대한 기술적 검사에서 열화상의 잠재력을 가장 먼저 깨달은 회사 중 하나였습니다. “열화상 카메라가 도입되기 전에는 가동 중에 장애를 찾아낼 마땅한 방법이 없었다.”라고 Petroval의 프로젝트 리더 Jean-François Tournieux는 말합니다. “FLIR 열화상 카메라는 가동 중에도 이러한 장애를 찾아내는데 뛰어난 비파괴 방식이며, 어떤 생산 속도에서 안전하게 가동할 수 있는지 정확히 알아낼 수 있다.”

프랑스 노르망디에 소재한 이 회사는 TOTAL과 Eurecat의 소유로, 1990년에 설립되었습니다. 르아브르에 소재한 본사 외에, Petroval은 2003년부터 텍사스 휴스톤에도 사무소를 두고 있으며, 2011년에는 싱가포르에 사무실을 열 예정입니다. Petroval 은 전세계 50 개국 이상에서 서비스를 제공하고 있습니다. 사실 작업의80% 이상이 프랑스 밖에서 이루어집니다.

냉각식 및 비냉각식

현재 Petroval은 FLIR 열화상 카메라를 세 대 운용하고 있습니다. 한 대는 냉각식 디텍터를, 두 대는 비냉각식 디텍터를 가지고 있습니다. 냉각식 열화상 카메라는 히트 실드(heat shield) 불꽃 필터를 가진 FLIR Agema 550 입니다. 이 카메라는 주로 화로 내부를 검사하는데 쓰입니다. 이 두 대의 비냉각식 열화상 카메라는 불꽃 필터가 들어 있는 FLIR ThermaCAM P50F와, 외부에서 단열 검사를 하는데 주로 쓰이는 FLIR P640입니다.

Petroval의 기술자들에 따르면, 카메라 세 대 모두 그 목적에 잘 맞는 도구라고 합니다. “FLIR Agema 550은 매우 정확하고 민감하다. FLIR ThermaCAM P50F은 작은 온도 차이에는 그렇게 민감하지 않지만, 비냉각식 디텍터를 가지고 있어 유지관리가 필요 없고 시동에 걸리는 시간이 짧은 편이다. 반면 냉각식 카메라는 냉각 시스템을 약 5 분 가량 가동한 후에야 사용할 수 있다. 세 번째 카메라인 FLIR P640은 단열 검사와 전기 장비의 고장 탐지에 완벽한 도구이다.”

FLIR P640: 별도 정비가 필요 없고 예방 정비에 완벽

FLIR P640 열화상 카메라는 비냉각식 마이크로볼로미터 디텍터로 640 x 480 픽셀의 열화상을 만들어냅니다. FLIR P640은 레이저 포인터나 픽쳐 인 픽쳐 (PIP), 실화상과 열화상을 병합하는 FLIR 열화상 융합 등, 예방 정비에 이상적인 매우 유용한 내장 기능들을 일부 가지고 있습니다. “FLIR P640 열화상 카메라는 매우 빠르고 사용이 편리하다. 이것은 오십 미터에서 수 백 미터까지 떨어진 거리에서도 단열 장애를 나타내는 작은 핫스팟들을 탐지해낼 수 있을 만큼 뛰어나다.”

FLIR GF309: 최신식

FLIR Agema 550과 FLIR ThermaCAM P50F는 둘 다 현재 FLIR Systems에서 단종된 ‘구’ 모델들입니다. 지금은 FLIR GF309가 화로 검사에 현재 쓰이고 있는 최신 기술입니다. 또한 이 새로운 모델은 이중 용도 열화상 카메라로, 고온의 산업용 용광로는 물론 기계 부품이나 전기부품의 열 검사에도 쓰일 수 있습니다. 그래서 이러한 카메라는 특히 화학 산업과 석유화학 산업, 전기가스수도 산업에서 모든 종류의 화로, 히터, 보일러를 모니터링 하는데 이상적입니다.

FLIR Agema 550에는 냉각 규화백금 (PtSi) 초점면 배열 (FPA, focal plane array) 디텍터가 들어 있습니다. 규화백금 (Platinum Silicide)이 디텍터 재료로서 탈락된 이유는, PtSi 디텍터가 안티몬화 인듐 (InSb) 디텍터보다 덜 민감하기 때문입니다. 안티몬화인듐 (InSb) 디텍터는 새로운 FLIR GF309 열화상 카메라의 핵심입니다. 이 선택 덕분에 FLIR는 성능이 개선된 이중 용도 열화상 카메라를 판매할 수 있게 되었습니다. InSb 디텍터는 PtSi 또는 BB 비냉각식 마이크로볼로미터보다 더 안정적이고 더 민감하기 때문입니다.

FLIR GF309열화상 카메라의 안티몬화인듐 (InSb) 디텍터는 320 x 240픽셀의 해상도로 이미지를 만들어냅니다. 정량적 감도를 개선하기 위해 디텍터와 필터 둘 다 소형 스털링 사이클 쿨러로 거의 극저온까지 냉각됩니다. 이것은 300°C 이상 온도를 견딜 수 있도록 제작되어 최대 1500°C까지 온도 측정을 할 수 있습니다. 그렇지 않았다면, 불꽃, 연소가스, 재 등에 덮여 알기 어려웠을 내부 화로 부품과 보일러 부품도 시각적 검사를 할 수 있게 되었습니다. 이 카메라는 실시간 동영상 이미지들을 만들어내지만, 개별 비디오 프레임들은 정지 이미지로 포착됩니다. 그 이미지들은 고해상 뷰파인더와 4.3” 800x480 픽셀 컬러 LCD 디스플레이에서 볼 수 있습니다. 불꽃을 꿰뚫어볼 수 있도록 맞춤 제작된 GF309에는 탈착형 히트 실드 (heat shield)이 탑재돼 있어 카메라와 카메라 조작자로부터 열을 멀리 반사 시켜 보호 수준을 높입니다.

불꽃 필터

FLIR GF309 열화상 카메라에는 불꽃 필터가 있습니다. 이것은 특정 파장의 열 복사만 이 디텍터를 통과할 수 있는 스펙트럼 대역 필터입니다. 불꽃은 어느 특정 파장에서 다른 파장들보다 훨씬 더 많은 열 복사를 내뿜고, 스펙트럼의 어느 특정 지점들에서는 거의 열 복사를 내뿜지 않습니다. 불꽃 필터는 특정 파장의 열 복사만 통과를 허용하는 스펙트럼 대역 필터입니다. FLIR GF309 디자인에 구현된 불꽃 필터는 그 스펙트럼 감도를 3.8μm - 4.05μm 범위로 제한합니다.

특정 스펙트럼 부분을 뺀 모든 것을 걸러내기 때문에 이 열화상 카메라는 이제 불꽃을 뚫어 볼 수 있으며 유난히 뜨거운 불꽃을 통해서도 온도 측정을 정확히 할 수 있습니다. 이러한 필터가 탑재된 이 열화상 카메라는 화로 검사에 이상적입니다.

가동 정지 시간 최소화

Tournieux에 따르면 FLIR 열화상 카메라는 화로 및 보일러 설비의 예방 정비에 이상적인 도구라고 합니다. “열화상 카메라를 사용하려면 약한 부분이 무엇인지 먼저 알고 있어야 한다. 예컨대 특정 튜브에 결함이 있는 경우, 교체 튜브를 미리 사두면 중지시간을 최소화할 수 있다.”

열화상 카메라로 고장을 신속하게 탐지

열화상 카메라로 탐지할 수 있는 화로 고장들은 아주 많다고 Tournieux는 말합니다. “내화물질이 손상됐는지, 불꽃의 모양이 올바른지 볼 수 있고, 가끔은 튜브에 쌓인 재를 볼 수도 있다. 이것은 열 전달을 불량하게 만들어 생산물의 온도를 낮출 수 있다. 내화물질 블록이 떨어지면 버너와 연관에 손상이 생길 수 있다. 또한 불이 켜지지 않은 버너나 불꽃 충돌을 일으키는 버너들을 볼 수도 있다. 산화 현상도 찾을 수 있다. 산화는 나쁜 징조로, 결국에는 그 산화가 떨어져 나가 약한 부분을 남기게 된다. FLIR 열화상 카메라를 이용한 온도 측정은 전제 공정이 제대로 작동하는지 확인하는데 도움이 된다.”

“또한 온도 측정은 튜브 내부에서 주로 과도한 열로 인해 발생하는 점결(coking)을 알려주고, 튜브가 방해 받고 있는 곳이나 완전히 막힌 곳이 어디인지를 알려준다.”라고 Tournieux는 말합니다. “어떤 경우에는 과다 연소가 튜브 금속 설계 기준을 뛰어넘는 온도를 일으킬 수 있고, 막힌 튜브 내부의 압력과 맞물려 파열과 누출을 일으킬 수 있다. 이것이 카메라의 이미지 디스플레이에 금속 표면의 실제 온도와 함께 보일 것이다. ”

FLIR 열화상 카메라로 더 많은 일을 할 수 있습니다.

Petroval의 기술자들에 따르면, 열전대 같은 포인트 온도 장치들은 화로 내부에서 실제로 무슨 일이 벌어지고 있는지 정보를 거의 제공해주지 못합니다. “검사 포트는 내부 부품을 조망할 뿐, 장치가 가동 중일 때에는 불꽃, 연소가스, 재 등이 연관과 버너를 보기 어렵게 만듭니다. 열전대 같은 온도 측정 장치는 일부 문제들을 발견하는 데에 도움이 될 수 있지만, 단일 포인트만 측정합니다. FLIR의 열화상 카메라는 한 지점에서 온도를 측정하는 것보다 더 많은 일을 합니다. 온도는 320 x 240 픽셀이나 640 x 480 픽셀 열화상의 모든 단일 픽셀을 통해 판독할 수 있습니다.

“FLIR Reporter 소프트웨어로 기록된 온열 측정 데이터를 분석하면, 가장 작은 열 디테일까지 포착할 수 있다.”라고 Tournieux는 말합니다.

부정확한 열전대

Tournieux에 따르면, 화로 및 보일러 검사의 가장 중요한 목적 중 하나가 열전대의 온도 판독값을 검증하는 것입니다. “열전대 접촉식 측정 장치나 이것을 제자리에 고정시키는 용접은 시간이 지나면서 상태가 나빠질 수 있는데, 그러면 측정 데이터의 정확도가 떨어지게 된다. 대부분의 경우, 정제공장은 훨씬 높은 생산 능력을 가동할 수 있지만, 열전대 판독값의 부정확도 때문에 그 생산을 안전 범위 내에서 유지하는 것이다. FLIR 열화상 카메라를 사용하면, 열전대의 온도 판독값이 정확한지 알아낼 수 있다. 열전대 판독값을 검증하고 나면 정제공장은 안전하게 생산을 늘릴 수 있다.”

“FLIR 열화상 카메라가 있기 전에는 열전대의 온도 측정을 검증할 방법이 없었다.”라고 Tournieux는 말합니다. “생산량을 높여도 안전한지 알 수 없었다. 이제는 그렇게 해도 안전한지 매우 정확하게 말할 수 있게 되었다. 예컨대, 우리가 방문하는 정제공장들 대부분은 하루에 30,000톤을 생산하고 있는데, 우리 검사로 인해 생산량이 32,000 톤으로 늘어도 안전하다는 것을 알게 될 것이다.”

다년간의 경험

화로 검사를 하는 일이 그저 마우스 클릭의 문제라고 생각하는 사람은 실망하게 될 것이라고 Tournieux는 말합니다. “올바른 열화상 카메라를 갖는 것도 중요하지만, 그것 이상의 더 많은 것들이 존재한다. Petroval의 조작자들은 열화상 검사와 데이터 분석, 그리고 산업용 용광로 및 보일러 시설에서 다년간의 경험을 가지고 있다.”

“예컨대, 우리는 특수 탐침을 이용해 열화상 카메라가 정확한지 확인한다. 이 탐침을 화로 안에 넣어 우리가 살펴볼 튜브 옆에 댄다. 탐침 내부에서 우리가 정확하다고 알고 있는 열전대가 그 장소의 정확한 온도를 우리에게 알려준다. 그러면 분출도 설정을 변경해 열화상 카메라가 측정한 온도가 그 탐침으로 측정한 온도와 일치하는지 확인한다. 사용된 재료마다 분출도가 다르기 때문에, 산업 화로 설비에 사용되는 거의 모든 종류의 튜브에 맞는 탐침을 만들었다.”

FLIR 열화상 카메라: 최상의 화로 검사 방식

“지식과 올바른 장비가 있다면, FLIR의 열화상 카메라를 사용하는 것이 최상의 화로 검사 방식이다.”라고Tournieux는 말합니다. “이것은 비접촉식, 비파괴적 방식으로 정성적 정보와 정량적 정보를 수집하여 가동 정지 시간을 방지하거나 최소화하는 방식이다.”

이미지 출처 Petroval 사진 라이브러리