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문제 정의
- 본 연구에서는 스테인리스강 소구경 배관 소켓 용접부 검사를 위하여 16개의 압전소자를 배열한 위상배열 초음파 탐촉자를 설계하고자 하였다. 그리고 주파수는 일반적인 스테인리스강 검사에 적합한 것으로 알려진 3.
- Lee와 Park[3,4] 등은 일반 자동초음파 검사 기법을 적용하기 위하여 평가 소프트웨어와 자동검사 스캐너를 개발하였으며, 미국 전력연구소(EPRI)는 위상배열 초음파검사 기법을 개발하기 위하여 방사선투과검사 기법과 상호 비교하고 각각의 방법에 대한 결함 검출능에 대하여 평가를 하였다. 본 연구에서는 위상배열 초음파검사 기술을 적용하여 소구경 배관 소켓용접부를 검사 하기 위한 위상배열 초음파 탐촉자를 설계하고 제작하였으며, 현장검사에 적용할 수 있는 수동 엔코더 스캐너를 개발하고 결함이 내재된 시험편을 이용하여 검사기술을 개발하였다.
- 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 탐촉자를 고정하고 소구경 배관의 외경에 체결할 수 있는 링형 스캐너를 개발하였다. 스캐너는 180° 반원이 두 개 연결된 형태로 배관에 체결이 되도록 하였으며, 탐촉자의 접촉력을 조절할 수 있고 스캐너가 원주방향으로 회전함에 따라 탐촉자의 원주방향 위치를 위상배열 초음파탐상기에 전달할 수 있는 극소형 엔코더가 부착되어 있다.
- 원자력발전소 1차 계통에 설치된 차단불가 소구경 배관 소켓용접부 검사를 위한 위상배열 초음파탐상검사 기술에 관한 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 2) 위상배열 초음파 탐촉자가 소구경 배관에 일정한 접촉을 유지하면서 원주방향 회전에 따른 위치를 엔코딩 할 수 있는 반자동 스캐너를 개발하였다.
- 5 skip 거리에서 반사파를 얻을 수 있으므로 결함의 선단으로부터의 신호를 확인할 수 있게 된다. EDM 결함시험편은 커플러 상부쪽에서 직접 신호를 취득하여 결함의 coner trap 신호와 결함의 선단에서 반사된 신호가 함께 검출이 되었으며, 이를 이용하여 결함의 깊이를 측정하였다. Table 5에 EDM 결함시험편에 길이와 깊이 측정 결과를 나타내었다.
- Fig. 3과 같이 구성된 탐촉자와 웻지를 이용하여 소켓용접부와 동일한 스테인리스강 재질에서 초음파 빔의 음장을 계산하였다. Fig.
- 결함시험편에 가공된 결함을 검출하기 위하여 시험편에 스캐너를 체결한 다음 기준점을 설정하고 스캐너를 시험편의 원주방향으로 360° 회전을 하여 신호를 취득하였다.
- 결함시험편에는 소켓용접부에서 발생할 수 있는 결함 유형을 분석하여 하나의 시험편에 3개의 결함이 포함되도록 설계하여 모두 6개의 결함을 삽입하였다. 삽입된 결함의 유형은 triple point에서 진전되는 피로균열 결함과 배관과 용접재질 경계에 발생된 수평융착불량(horizontal lack of fusion, HLOF) 및 커플링과 용접재질 경계에 발생된 수직융착불량(vertical lack of fusion, VLOF)들이다.
- 본 연구에서는 스테인리스강 소구경 배관 소켓 용접부 검사를 위하여 16개의 압전소자를 배열한 위상배열 초음파 탐촉자를 설계하고자 하였다. 그리고 주파수는 일반적인 스테인리스강 검사에 적합한 것으로 알려진 3.5 MHz로 결정을 하였다. 압전소자 개수와 주파수가 결정되었으나 위상배열 초음파 탐촉자의 특성을 결정하는 가장 주요한 변수는 압전소자 사이의 간격인 피치(pitch)이며, 피치값에 따라서 압전소자 별로 발생하는 파의 간섭 효과로 side lobe 또는 grating lobe 등이 발생할 수 있으므로 탐촉자 개발시 설계단계에서 이를 고려하여야 한다.
- 16과 같이 나타났다. 그림에서와 같이 LOF 결함 2개와 피로균열 1개가 모두 검출이 되었으며, B-scan 신호에서부터 결함의 길이를 측정하였다.
- 그림에서와 같이 LOF와 피로균열 결함 3개가 35°에서부터 80°까지의 굴절각중 47° 전후 각도에서 검출이 되었으며, B-scan 신호에서 결함의 길이를 측정하였다.
- 14에서 나타난 것과 같이 EDM 결함시험편 검사 결과는 전체 검사 각도인 35°에서 80°까지의 각도별 신호가 검사 결과의 오른쪽 하단에 sectorial scan 신호로 나타나며, 각각의 각도에 대하여 B-can과 C-scan을 확인하였다. 또한 B-scan과 C-scan의 모든 위치에 대하여 A-scan 신호를 확인하면서 평가 하였다.
- 본 연구에서 사용한 위상배열 초음파장치는 16채널 구동이 가능하고 현장 검사시 휴대가 가능한 ZETEC사의 Omniscan 장비를 사용하였다. Omniscan에서 취득한 신호는 TCP/IP 통신으로 연결된 노트북에 저장이 되고 신호평가용 소프트웨어인 Ultravison 1.
- 빔 모델링에서 사용된 탐촉자와 웻지의 파라미터를 이용하여 실제 제작에 앞서 결함이 내재된 소켓용접부에서 결함으로부터 반사된 신호를 확인하기 위한 계산을 하였다. 직경이 25.
- 소켓용접부 검사 시스템의 성능을 확인하기 위하여 EDM 결함시험편의 커플러 상부쪽에 스캐너를 체결하고 스캐너를 원주방향으로 360° 회전하여 신호를 취득하였다.
- 실험에 사용할 검사 시스템의 교정과 기준감도 설정을 위하여 결함시험편과 동일한 재질을 이용하여 외경과 내경에 깊이 25%의 EDM 노치를 가공한 교정시험편을 제작하였다.
- 지향성 계산으로부터 결정된 압전소자의 피치값을 확인하고 웻지의 크기를 결정하기 위한 초음파 모델링을 위하여 모델링 소프트웨어 CIVA[6]를 사용하여 Fig. 3과 같이 초음파 탐촉자와 35° 경사각을 가진 웻지를 설계하였다.
- 탐촉자내의 16개 압전소자가 건전하고 압전소자간의 성능이 동일한지를 확인하기 위하여 탐촉자에 웻지를 체결하지 않고 두께가 일정한 평판시험편에 수직으로 빔을 발생하여 저면에서의 반사된 파형을 측정하였다. 측정 결과 모든 압전소자가 작동을 하였으며, 최대진폭을 전체화면의 80% 높이로 설정하였을 때 50% 미만인 압전소자가 없으므로 위상배열 초음파 탐촉자의 성능은 양호하게 나타나는 것으로 확인되었다.
- 피로균열과 LOF(lack of fusion) 결함이 삽입된 소켓용접부 결함시험편을 이용하여 실험한 결과에 대하여 신호를 평가하였다. 피로균열 시험편은 배관에 용접된 커플러의 형상이 엘보우 형상이며, 주조로 제작이 되어 커플러 쪽에서의 검사는 불가능하므로 배관에 스캐너를 체결하고 신호를 취득하였다.
- 하나는 개발된 검사 시스템의 성능평가를 위하여 1인치 304 스테인리스 봉에 깊이가 서로 다른 4개의 EDM(electric discharge machining) 결함을 90° 간격으로 가공된 커플러를 배관에 체결한 시험편이며, 또 하나의 시험편은 원전 1차 계통의 일반적인 소켓용접부 형상과 결함 유형을 고려한 결함시험편을 설계하고 제작하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 실험을 위하여 2종류의 시험편을 사용하였다. 하나는 개발된 검사 시스템의 성능평가를 위하여 1인치 304 스테인리스 봉에 깊이가 서로 다른 4개의 EDM(electric discharge machining) 결함을 90° 간격으로 가공된 커플러를 배관에 체결한 시험편이며, 또 하나의 시험편은 원전 1차 계통의 일반적인 소켓용접부 형상과 결함 유형을 고려한 결함시험편을 설계하고 제작하였다.
- 제작된 위상배열 초음파 탐촉자의 중심주파수는 3.4 MHz이며, 대역폭은 60%이다. Fig.
- 피로균열과 LOF(lack of fusion) 결함이 삽입된 소켓용접부 결함시험편을 이용하여 실험한 결과에 대하여 신호를 평가하였다. 피로균열 시험편은 배관에 용접된 커플러의 형상이 엘보우 형상이며, 주조로 제작이 되어 커플러 쪽에서의 검사는 불가능하므로 배관에 스캐너를 체결하고 신호를 취득하였다. 공칭직경 3/4" (19.
- 피로균열 시험편의 재질은 304 스테인리스강이며 배관과 커플링이 소켓으로 용접된 공칭직경 3/4인치와 2인치 배관을 각각 설계하고 제작하였다. Fig.
이론/모형
- 본 연구에서 사용한 위상배열 초음파장치는 16채널 구동이 가능하고 현장 검사시 휴대가 가능한 ZETEC사의 Omniscan 장비를 사용하였다. Omniscan에서 취득한 신호는 TCP/IP 통신으로 연결된 노트북에 저장이 되고 신호평가용 소프트웨어인 Ultravison 1.1Q6 버전을 사용하였다. 실험을 위하여 구성된 실험 시스템의 구성은 Fig.
- 길이 평가는 B-scan 신호에서 결함신호의 진폭이 시작되는 곳과 신호의 진폭이 끝나는 곳의 원주방향 거리를 측정한 full dB drop 방법을 적용하였다. 그리고 결함의 높이는 결함의 tip으로부터 반사한 신호를 이용한 AATT(absolute arrival time technique)을 이용하여 측정을 하였다[7]. 배관 쪽에서 검사를 할 경우에는 배관 내경과 외경의 경계면 사이의 다중반사로 인하여 결함의 tip 신호를 확인할 수 없으나, 커플러 상부에서 검사를 할 경우에는 0.
- 길이 평가는 B-scan 신호에서 결함신호의 진폭이 시작되는 곳과 신호의 진폭이 끝나는 곳의 원주방향 거리를 측정한 full dB drop 방법을 적용하였다. 그리고 결함의 높이는 결함의 tip으로부터 반사한 신호를 이용한 AATT(absolute arrival time technique)을 이용하여 측정을 하였다[7].
성능/효과
- 1) 소구경 배관 소켓용접부 검사에 적합하도록 검사 재질 내에서 35°에서 80°까지 초음파 빔을 생성할 수 있는 16개의 압전소자가 배열된 3.5 MHz 위상배열 초음파 탐촉자를 설계하고 개발하였으며, 모델링 결과 전체 검사 각도에서 검사에 영향을 미칠 수 있는 음향간섭 효과 등은 발생하지 않았다.
- 2.0" 결함시험편에서는 HLOF 결함이 가장 큰 진폭으로 명확하게 나타났으며 이는 초음파 탐촉자와 가장 근접하고 결함면의 면적이 넓기 때문인 것으로 분석되었다.
- 3) 본 연구에서 개발된 검사 시스템을 이용하여 피로균열과 용접결함이 삽입된 시험편에 대하여 실험한 결과 가공된 모든 결함을 검출할 수 있었으며, RMSE 1.22 mm로 검출이 되어 신뢰성 있는 검사가 가능하였다.
- Fig. 14에서 나타난 것과 같이 EDM 결함시험편 검사 결과는 전체 검사 각도인 35°에서 80°까지의 각도별 신호가 검사 결과의 오른쪽 하단에 sectorial scan 신호로 나타나며, 각각의 각도에 대하여 B-can과 C-scan을 확인하였다.
- 4는 35°에서부터 80°까지 계산한 초음파 빔의 음장을 나타내었다. 계산 결과에서 나타난 것과 같이 빔의 형상이 적절하며 선정된 압전소자들의 피치값 및 웻지의 형상이 적합함을 확인할 수 있었다.
- 그림에서와 같이 LOF와 피로균열 결함 3개가 35°에서부터 80°까지의 굴절각중 47° 전후 각도에서 검출이 되었으며, B-scan 신호에서 결함의 길이를 측정하였다. 길이 측정 결과 피로균열과 LOF 결함의 길이가 실제보다 조금 길게 측정이 되었다. 취득한 신호에서 균열 tip 신호는 확인이 되지 않아 깊이는 측정할 수 없었다.
- 길이 측정 결과의 최대 오차는 2.22 mm이며, 전체 결함에 대한 RMSE(root mean square error)는 1.22 mm로 계산되어 결함의 길이 측정의 정밀도가 높은 것을 확인할 수 있다. RMSE는 아래의 식으로부터 산출하였다.
- 탐촉자내의 16개 압전소자가 건전하고 압전소자간의 성능이 동일한지를 확인하기 위하여 탐촉자에 웻지를 체결하지 않고 두께가 일정한 평판시험편에 수직으로 빔을 발생하여 저면에서의 반사된 파형을 측정하였다. 측정 결과 모든 압전소자가 작동을 하였으며, 최대진폭을 전체화면의 80% 높이로 설정하였을 때 50% 미만인 압전소자가 없으므로 위상배열 초음파 탐촉자의 성능은 양호하게 나타나는 것으로 확인되었다. Fig.
후속연구
- 4) 본 연구에서 개발한 검사 기술을 적용하여 검사절차서를 개발하였으며, 원전 소구경 배관소켓용접부에 적용함으로써 검사 소요시간이 감소되어 검사자 피폭저감에도 기여할 수 있을 뿐만 아니라 소켓용접부 검사 신뢰성을 향상할 수 있을 것으로 예상된다.
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