This thesis describes the development of an autonomous mobile inspection system (AMIS) for void detection and quantification in a secondary barrier of liquefied natural gas (LNG) cargo tank using thermography. The most famous LNG carrier is a membrane-type carrier, which usually contains four LNG cargo tanks. This LNG cargo tank has two barriers, a primary barrier and the secondary barrier (also known as triplex layer). The triplex layer consists of three sub-layers, a flexible secondary barrier, a bonding layer, and a rigid secondary barrier. In addition, this triplex layer is fabricated in the LNG carrier using an automatic bonding machine, and voids sometimes occur in the bonding layer. Note that the formation of the voids in the triplex bonding layers can lead to degradation of the secondary barrier tightness and performance and eventually gas leaks. The proposed AMIS consists of a lock-in thermography measurement unit, a mobile maneuvering unit, and image processing algorithms. First, raw thermal images are obtained using the lock-in thermography measurement unit as the mobile maneuvering unit moves along the triplex installation line. Lock-in thermography uses a modulated heat source with a single frequency component to excite a target object for measuring temperature variation. Second, multiple image processing algorithms are applied to raw thermal images to compensate wide-angle lens distortion, compensate non-uniform heating effect, construct feature image, eliminate noise component, and represent only void defects in accordance with a guideline. Third, the detected voids are precisely quantified by an empirical mapping function that is constructed using the void size estimated in the previous step and that measured by an independent X-ray test. The proposed AMIS can inspect and stick to all sides of LNG cargo tanks introducing a pneumatic system because the triplex layer covers not only the bottom surface of LNG cargo tanks, but also vertical walls and ceilings of those. In addition, a graphical user interface inspection software displays real-time thermal images with an intuitive void inspection results. The proposed system has the following advantages over the existing techniques: (1) the autonomous mobile inspection system is developed for fast inspection to tackle of conventional manual inspection problems; (2) a series of image processing techniques is developed, surmounting shortcomings of existing conventional thermography; and (3) the sizes as well as the location of the voids are quantified with high accuracy and reliability.
본 연구는 열화상 기법을 활용하여 액화천연가스(LNG) 화물창 2차 방벽 내에 발생하는 공극 결함을 검출하고 정량화하는 자율 이동 검사 시스템을 개발하는 것을 목표로 한다. 현재 전 세계 LNG 운반선 중 75 %가 멤브레인형 LNG 운반선이다. 멤브레인형 LNG 운반선에 위치한 LNG 화물창이 존재하며, LNG 화물창은 LNG 누수를 방지하기 위하여 두 개의 방벽으로 이루어져있다. 1차 방벽은 스테인리스 스틸로 이루어져있으며 LNG와 직접적으로 접촉하고 있다. 2차 방벽은 트리플렉스라고도 불리우며 트리플렉스는 FSB, 접착층, 그리고 RSB로 구성되어있다. 그런데, 트리플렉스 설치작업 중 접착층에 공극이 발생하며, 이러한 공극은 2차 방벽, 단열 성능 저하를 발생시키며, 나아가 LNG 누수로도 이루어질 수 있다. 본 연구에서 제안하는 자율 이동 검사 시스템은 위상잠금 열화상 기법을 활용하여 트리플렉스 층 내에 발생하는 공극 결함을 검출 및 정량화할 수 있다. 우선, 위상잠금 열화상 기법을 통해 열화상 이미지를 획득한다. 획득한 열화상 이미지를 이용하여 렌즈 왜곡 보정, 불균일 가열효과 보정, 특성 이미지 추출, 노이즈 제거 등 다양한 이미지 프로세싱 기법을 적용하고 트리플렉스 내 발생한 공극을 시각화한다. 더불어, 본 연구에서 제안한 열화상 기법을 통해 추정한 공극 결함 크기와 X-ray 촬영을 통해 얻은 공극 결함 크기를 토대로 사상함수를 생성한 후 이를 통해 최종적으로 공극 결함 크기를 결정한다. 마지막으로 공극 결함 기준에 따라 폭 8 mm 이하의 노이즈 및 공극을 모두 제거하고 8 mm 이상의 공극만을 보여준다. 개발된 알고리즘은 실제 트리플렉스 제작과정과 동일한 방식으로 제작된 트리플렉스를 대상으로 검증실험을 수행하였으며, 공극 크기 추정을 통해 8 mm 이상의 공극을 성공적으로 검출하였다. 또한, 개발된 자율 이동 검사 시스템은 공압 시스템을 활용하여 LNG 화물창 바닥뿐 아니라 벽면과 천장에 붙어 이동하는 것이 가능하며, 작업자의 편의성을 위하여 그래픽 유저 인터페이스 기반의 소프트웨를 함께 개발하여 실시간으로 검사 결과를 파악할 수 있다.
