스테인레스강은 고온, 고압에서 부식에 효과적인 재료로써 액화수소, 가스 등을 저장하는 저장용기 및 고온의 유체들을 이송하는 배관재료로 널리 사용되고 있다. 일반적으로 스테인레스강의 용접은 TIG용접이 이용되어지고 있으며 용접후 용접부위에 발생하는 초기 용접결함 및 사용중 발생하는 열적 피로균열 등이 재료의 신뢰성을 저하하는 요인들로 지적되고 있다. 본 논문에서는 레이저 유도초음파를 이용하여 초기 용접결함에 대한 초음파 특성 규명을 위하여 스테인레스강의 용접부에 인공균열의 크기를 5 mm, 10 mm, 20 mm 길이로 가공후 유도초음파의 결함 길이 변화에 따른 특성을 평가하였다. 배관의 두께 등을 고려하여 L(0,1)모드와 L(0,2)모드를 이용하였으며 각각의 모드가 결함의 길이 변화에 따라 변화를 보였지만 L(0,2)모드가 L(0,1)모드보다 결함 길이에 더욱 민감하게 반응하였다. 본 연구에서는 L(0,1)모드와 L(0,2)모드의 진폭비를 구하여 결함과의 연관성을 평가한 결과 결함 길이와 선형적인 관계를 나타냄으로써 각 모드를 단독적으로 평가하는 것보다는 두 모드의 진폭비를 이용하여 결함을 평가하는 것이 더욱 효과적임을 알 수 있었다.
스테인레스강은 고온, 고압에서 부식에 효과적인 재료로써 액화수소, 가스 등을 저장하는 저장용기 및 고온의 유체들을 이송하는 배관재료로 널리 사용되고 있다. 일반적으로 스테인레스강의 용접은 TIG용접이 이용되어지고 있으며 용접후 용접부위에 발생하는 초기 용접결함 및 사용중 발생하는 열적 피로균열 등이 재료의 신뢰성을 저하하는 요인들로 지적되고 있다. 본 논문에서는 레이저 유도초음파를 이용하여 초기 용접결함에 대한 초음파 특성 규명을 위하여 스테인레스강의 용접부에 인공균열의 크기를 5 mm, 10 mm, 20 mm 길이로 가공후 유도초음파의 결함 길이 변화에 따른 특성을 평가하였다. 배관의 두께 등을 고려하여 L(0,1)모드와 L(0,2)모드를 이용하였으며 각각의 모드가 결함의 길이 변화에 따라 변화를 보였지만 L(0,2)모드가 L(0,1)모드보다 결함 길이에 더욱 민감하게 반응하였다. 본 연구에서는 L(0,1)모드와 L(0,2)모드의 진폭비를 구하여 결함과의 연관성을 평가한 결과 결함 길이와 선형적인 관계를 나타냄으로써 각 모드를 단독적으로 평가하는 것보다는 두 모드의 진폭비를 이용하여 결함을 평가하는 것이 더욱 효과적임을 알 수 있었다.
Stainless steel is a popular structural materials for liquid-hydrogen storage containers and piping components for transporting high-temperature fluids because of its superior material properties such as high strength and high corrosion resistance at elevated temperatures. In general, tungsten inert...
Stainless steel is a popular structural materials for liquid-hydrogen storage containers and piping components for transporting high-temperature fluids because of its superior material properties such as high strength and high corrosion resistance at elevated temperatures. In general, tungsten inert gas (TIG) arc welding is used for bonding stainless steel. However, it is often reported that the thermal fatigue cracks or initial defects in stainless steel after welding decreases the reliability of the material. The objective of this paper is to clarify the characteristics of ultrasonic guided wave propagation in relation to a change in the initial crack length in the welding zone of stainless steel. For this purpose, three specimens with different artificial defects of 5 mm, 10 mm, and 20 mm in stainless steel welds were prepared. By considering the thickness of s stainless steel pipe, special attention was given to both the L(0,1) mode and L(0,2) mode in this study. It was clearly found that the L(0,2) mode was more sensitive to defects than the L(0,1) mode. Based on the results of the L(0,1) and L(0,2) mode analyses, the magnitude ratio of the two modes was more effective than studying each mode when evaluating defects near the welded zone of stainless steel because of its linear relationship with the length of the artificial defect.
Stainless steel is a popular structural materials for liquid-hydrogen storage containers and piping components for transporting high-temperature fluids because of its superior material properties such as high strength and high corrosion resistance at elevated temperatures. In general, tungsten inert gas (TIG) arc welding is used for bonding stainless steel. However, it is often reported that the thermal fatigue cracks or initial defects in stainless steel after welding decreases the reliability of the material. The objective of this paper is to clarify the characteristics of ultrasonic guided wave propagation in relation to a change in the initial crack length in the welding zone of stainless steel. For this purpose, three specimens with different artificial defects of 5 mm, 10 mm, and 20 mm in stainless steel welds were prepared. By considering the thickness of s stainless steel pipe, special attention was given to both the L(0,1) mode and L(0,2) mode in this study. It was clearly found that the L(0,2) mode was more sensitive to defects than the L(0,1) mode. Based on the results of the L(0,1) and L(0,2) mode analyses, the magnitude ratio of the two modes was more effective than studying each mode when evaluating defects near the welded zone of stainless steel because of its linear relationship with the length of the artificial defect.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 배관부의 장거리 탐상이 아닌 용접부와 같은 사용중 열화요인이 많은 국부적 취약 부분의 검사를 위하여 유도초음파를 활용하고자 하였다. 즉, 배관부 검사에 유용한 기존의 유도초음파의 장점을 활용하면서 비접촉 방식에 의한 용접부 주변의 국부적 검사를 위하여 배관 용접부에 인공균열을 가지는 배관 시험편에 레이저를 조사하여 재료의 열팽창에 의한 유도초음파를 비접촉으로 발생시킨 후, 배관부를 전파 하는 다양한 모드의 유도초음파 특성을 분석, 활용하였다.
이 행렬식을 통해 이론적인 분산곡선을 얻을 수 있고 배관내에 존재하는 모드들을 해석하여 용접부의 결함을 검출하는 것이 가능하다. 본 연구에서는 레이저 발생기와 초음파 센서(PZT)를 이용하여 진동 방향이 배관의 길이 방향의 성분을 가지는 종파 모드(longitudinal mode)를 송수신하고자 한다.
본 연구에서는 스테인레스 316L강 배관의 용접부에 대한 결함 평가를 위해 유도초음파를 적용한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 용접부가 있는 배관에서의 유도 초음파의 특성을 평가하기 위하여 사용할 슬릿의 종류 및 특정 모드를 선정하기 위한 실험을 실시한 결과 다음과 같은 결과를 나타내었다. Fig.
본 연구에서는 용접부에 결함이 있는 배관에서의 유도초음파의 특성을 평가하기 위하여 앞의 Fig. 2에서 보여주는 바와 같이 용접부내에 유도 초음파의 전파 방향과 수직 방향으로 인공균열을 도입하여 균열 길이 변화에 따른 레이저 유도초음파 모드 변화 특성을 평가하였다. Fig.
즉, 배관부 검사에 유용한 기존의 유도초음파의 장점을 활용하면서 비접촉 방식에 의한 용접부 주변의 국부적 검사를 위하여 배관 용접부에 인공균열을 가지는 배관 시험편에 레이저를 조사하여 재료의 열팽창에 의한 유도초음파를 비접촉으로 발생시킨 후, 배관부를 전파 하는 다양한 모드의 유도초음파 특성을 분석, 활용하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 비접촉 검사 기법의 구축을 위한 첫 단계로서 배관부에 레이저 유도초음파의 발생을 최적화하기 위하여 선형 배열 슬릿을 사용하여 레이저 유도초음파의 파장을 변경함으로써 원하는 모드를 발생시킨 후 결함 검출에 적합한 모드를 선정하고자 한다. 나아가 선정 모드를 이용하여 용접부내에 존재하는 인공균열의 길이 변화에 따른 유도초음파 전파 특성을 분석, 스테인레스강 용접 균열에 대한 정량적 평가를 수행하였다.
제안 방법
1) 슬릿 간격에 따른 신호 변화를 비교하여 특정 모드 수신에 적합한 10 mm 간격의 슬릿을 선택하였으며 59°의 수신각을 이용하여 결함 검출에 용이한 L(0,1) 모드와 L(0,2) 모드를 정량적 으로 비교하여 용접부 균열에 따른 신호 변화를 확인하였다.
Fig. 3을 통해 슬릿 간격에 따른 파장의 변화 (v=f ▪λ)를 이용하여 각 모드의 위상속도와 수신각, 주파수의 변화를 알 수 있어 Table 1에 나타내었으며 특정 모드를 수신하기에 가장 적합한 슬릿을 선정하기 위하여 검출 신호가 이론 군속도와 근접하고, 선택 모드 수신이 뚜렷하게 나타나는 슬릿을 결정하였다.
군속도 측정을 위해 음원으로부터 각각 50 mm와 100 mm의 떨어진 지점에서 수신하였다.
이를 위하여 본 연구에서는 비접촉 검사 기법의 구축을 위한 첫 단계로서 배관부에 레이저 유도초음파의 발생을 최적화하기 위하여 선형 배열 슬릿을 사용하여 레이저 유도초음파의 파장을 변경함으로써 원하는 모드를 발생시킨 후 결함 검출에 적합한 모드를 선정하고자 한다. 나아가 선정 모드를 이용하여 용접부내에 존재하는 인공균열의 길이 변화에 따른 유도초음파 전파 특성을 분석, 스테인레스강 용접 균열에 대한 정량적 평가를 수행하였다.
3을 통해 슬릿 간격에 따른 파장의 변화 (v=f ▪λ)를 이용하여 각 모드의 위상속도와 수신각, 주파수의 변화를 알 수 있어 Table 1에 나타내었으며 특정 모드를 수신하기에 가장 적합한 슬릿을 선정하기 위하여 검출 신호가 이론 군속도와 근접하고, 선택 모드 수신이 뚜렷하게 나타나는 슬릿을 결정하였다. 또한 용접 결함에 적합한 모드 선정을 위하여 선택한 슬릿을 통한 검출신호를 비교하였다. 군속도 측정을 위해 음원으로부터 각각 50 mm와 100 mm의 떨어진 지점에서 수신하였다.
이와 같이 용접된 배관에서의 유도초음파의 특성을 평가한 결과 수신각은 L(0,1) 모드와 L(0,2) 모드가 뚜렷이 발생하는 59° 로 결정하여 균열이 있는 용접부에 대한 연구를 진행하였다.
따라서 본 연구에서는 배관부의 장거리 탐상이 아닌 용접부와 같은 사용중 열화요인이 많은 국부적 취약 부분의 검사를 위하여 유도초음파를 활용하고자 하였다. 즉, 배관부 검사에 유용한 기존의 유도초음파의 장점을 활용하면서 비접촉 방식에 의한 용접부 주변의 국부적 검사를 위하여 배관 용접부에 인공균열을 가지는 배관 시험편에 레이저를 조사하여 재료의 열팽창에 의한 유도초음파를 비접촉으로 발생시킨 후, 배관부를 전파 하는 다양한 모드의 유도초음파 특성을 분석, 활용하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 비접촉 검사 기법의 구축을 위한 첫 단계로서 배관부에 레이저 유도초음파의 발생을 최적화하기 위하여 선형 배열 슬릿을 사용하여 레이저 유도초음파의 파장을 변경함으로써 원하는 모드를 발생시킨 후 결함 검출에 적합한 모드를 선정하고자 한다.
따라서 L(0,2) 모드가 L(0,1) 모드에 비하여 스테인레스 316L강 용접부에 대한 균열 평가에 더욱 효과적인 적용할 수 있는 모드임을 알 수 있었다. 한편 본 연구에서는 모드의 신호 변화를 이용하여 결함의 크기를 추정하는 방법을 조금 더 효과적으로 나타내기 위하여 L(0,1) 모드와 L(0,2) 모드와의 진폭비를 구하여 결함 크기와 비교하였다. Fig.
즉 시간-주파수 신호 특성 해석은 레이저 유도초음파의 다중 모드 해석 및 해석 분해능이 높다는 장점은 물론 군속도 분산선도와 비교함으로써 특정 모드의 확인 및 패턴을 알 수 있다. 한편 본 연구에서는 파장 10 mm의 슬릿을 이용하여 용접에 대한 유도초음파의 특성을 평가 하였다. Fig 5는 10 mm간격의 슬릿을 사용하여 용접부 결함 검출에 적용할 모드를 결정하기 위해 수신각을 변경하며 신호를 검출한 결과를 나타낸 것이다.
대상 데이터
레이저 빔은 슬릿을 통해 라인 소스로서 배관에 유도초음파의 발생원으로 작용하고 발생한 유도초음파는 배관 및 용접부를 전파하며 웻지를 이용하여 다양한 각도에서 유도초음파 신호를 수신한다. 본 연구에 사용된 레이저의 파장은 532 nm이고 최대 에너지는 31 mJ이며 발생된 유도초음파의 여러 모드 중 특정 모드를 수신하기 위하여 수신각 조절이 가능한 원형 웻지와 중심주파수 1 MHz의 초음파 탐촉자를 사용하였다. 본 연구에 사용한 배관 용접부 시험편은 바깥 지름 104 mm, 두께 10 mm의 스테인레스강 316L 배관을 TIG 용접한 것으로 Fig.
본 연구에 사용한 배관 용접부 시험편은 바깥 지름 104 mm, 두께 10 mm의 스테인레스강 316L 배관을 TIG 용접한 것으로 Fig. 2에 보여주는 바와 같이 배관 용접부내에 균열 길이가 5 mm, 10 mm, 20 mm로 서로 다른 배관 용접 시험편(깊이 2 mm, 폭 1 mm)을 사용하였으며 용접부는 레이저와 수신 센서의 중간에 위치하고 두 센서간의 거리는 200 mm로 고정하였다.
성능/효과
2) 용접 결함이 커짐에 따라 L(0,2) 모드의 수신된 신호 크기는 점차적으로 감소하였지만 L(0,1) 일정한 패턴을 보이지 않았다
3) 용접부 배관에서 L(0,2) 모드와 L(0,1) 모드의 진폭비는 결함의 길이에 따라 비례적으로 감소함에 따라 정량적인 평가가 가능함을 알 수있었다.
9에서는 결함 크기와 모드 진폭비와의 결과를 나타낸 것으로 결함의 크기가 증가함에 따라 모드 진폭비 역시 선형적으로 감소함을 알 수 있다. 97% 약 정도의 표준편차를 나타내었으며, 유도초음파의 모드 진폭 비를 이용하여 배관내의 결함 크기를 정량적으로 평가할 수 있는 가능성을 제시하였다.
4에서는 슬릿 선정의 위하여 특정 모드를 수신하기 위한 수신각에서 각 슬릿 간(파장)의 변화에 따라 유도초음파의 변화를 관찰한 결과를 나타낸 것이다. 그림에서 보여주는 바와 같이 L(0,3)모드의 수신을 슬릿 간격 변화에 따라 비교한 시간-주파수 그래프를 통해 10 mm 간격의 슬릿에서 선택 모드가 가장 뚜렷하게 나타남을 확인하였다. 즉 시간-주파수 신호 특성 해석은 레이저 유도초음파의 다중 모드 해석 및 해석 분해능이 높다는 장점은 물론 군속도 분산선도와 비교함으로써 특정 모드의 확인 및 패턴을 알 수 있다.
즉, 결함의 크기가 증가할수록 L(0,2) 모드의 신호 크기는 점차적으로 감소함을 알 수 있었다. 따라서 L(0,2) 모드가 L(0,1) 모드에 비하여 스테인레스 316L강 용접부에 대한 균열 평가에 더욱 효과적인 적용할 수 있는 모드임을 알 수 있었다. 한편 본 연구에서는 모드의 신호 변화를 이용하여 결함의 크기를 추정하는 방법을 조금 더 효과적으로 나타내기 위하여 L(0,1) 모드와 L(0,2) 모드와의 진폭비를 구하여 결함 크기와 비교하였다.
수신각은 Table 1에서 10 mm의 파장에서 이론적인 각도인 38°, 59°와 78°로 고정해서 수신되는 유도초음파를 분석하였다. 실험 결과에서 수신각이 작아질수록 다양한 모드가 혼재되어 나타났다. 즉, 38°에서는 L(0,1), L(0,2)와 L(0,3) 모드가 나타났지만 59°에서는 L(0,1) 모드와 L(0,2) 모드만 나타나고 78°에서는 L(0,1) 모드만 발생하였다.
그러나 결함의 크기가더 크게 되면 L(0,2) 모드가 거의 사라지기 때문에 균열의 크기에 따라 모드 선택에 주의를 기울여야 한다. 이와 같은 결과를 이용하여 Fig. 8에서는 결함 크기와 각 모드의 신호 크기와의 관계를 나타낸 것으로 L(0,1) 모드인 경우 결함이 10 mm인 경우 5 mm에 비해 신호 크기가 감소 하였지만 20 mm로 결함 크기가 증가하면 역으로 신호 크기도 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 L(0,2) 모드의 신호 크기는 결함과 밀접한 관계를 나타내었다.
주파수 진폭 그래프 분석에서 78°에서는 L(0,1)모드만 신호크기(magnitude)가 가장 크게 나타나며 59° L(0,1) L(0,2)모드의 주파수 성분이 크게 나타남을 알 수 있었으며 38°에서는 L(0,1) L(0,2)모드의 신호 크기가 약해지고 L(0,3) 모드의 성분이 발생됨을 알 수 있었다.
그림에서 보여주는 바와 같이 L(0,3)모드의 수신을 슬릿 간격 변화에 따라 비교한 시간-주파수 그래프를 통해 10 mm 간격의 슬릿에서 선택 모드가 가장 뚜렷하게 나타남을 확인하였다. 즉 시간-주파수 신호 특성 해석은 레이저 유도초음파의 다중 모드 해석 및 해석 분해능이 높다는 장점은 물론 군속도 분산선도와 비교함으로써 특정 모드의 확인 및 패턴을 알 수 있다. 한편 본 연구에서는 파장 10 mm의 슬릿을 이용하여 용접에 대한 유도초음파의 특성을 평가 하였다.
그러나 L(0,2) 모드의 신호 크기는 결함과 밀접한 관계를 나타내었다. 즉, 결함의 크기가 증가할수록 L(0,2) 모드의 신호 크기는 점차적으로 감소함을 알 수 있었다. 따라서 L(0,2) 모드가 L(0,1) 모드에 비하여 스테인레스 316L강 용접부에 대한 균열 평가에 더욱 효과적인 적용할 수 있는 모드임을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스테인레스강의 특징은?
최근 전 세계적으로 석유화학 및 원자력발전 플랜트 등과 같은 대형 발전설비의 건설 수요가 급격히 증가함에 따라 이들 대형 구조물에 필수 적인 배관부를 위한 적절한 재료 선정 및 설계 단계에 있어서의 선정 재료의 신뢰성 및 부재의 건전성 확보가 꾸준히 요구되고 있다. 스테인레스강은 고강도, 높은 내부식성 등의 우수한 재료 특성을 가지고 있어 액화수소, 가스 등을 저장하는 저장용기 및 고온 유체들을 이송하는 배관재료로 널리 사용되고 있다. 특히 본 연구에 사용된 오스테나이트계 스테인레스 316L강은 기존의 스테인레스강 316으로부터 탄소 함량을 줄임으로서 내입계 부식성을 증가시킨 스테인레스강으로 원자력발전소 및 석유화학 플랜트 등과 같이 고온, 고압 환경하에서 내부식성이 요구되는 부재에 매우 효과적인 재료로 그 적용이 증가되고 있는 재료이다[1-3].
시간 주파수 신호 특성 해석을 통해 알수 있는것은?
그림에서 보여주는 바와 같이 L(0,3)모드의 수신을 슬릿 간격 변화에 따라 비교한 시간- 10 주파수 그래프를 통해 mm 간격의 슬릿에서 선택 모드가 가장 뚜렷하게 나타남을 확인하였다. - 즉 시간 주파수 신호 특성 해석은 레이저 유도초음파의 다중 모드 해석 및 해석 분해능이 높다는 장점은 물론 군속도 분산선도와 비교함으로써 특정 모드의 확인 및 패턴을 알 수 있다. 10 한편 본 연구에서는 파장 mm의 슬릿을 이용하여 용접에 대한 유도초음파의 특성을 평가 하였다.
용접후 용접부에 발생하는 용접결함을 검출하기 위해 어떤 검사가 수행되는가?
배관부에 응용되는 스테인레스강의 용접은 일반적으로 TIG용접이 널리 이용되어지고 있으며 용접후 용접부에 발생하는 용접결함은 종균열, 횡균열, 라미네이션 균열, 비드 밑균열 등 그 형태가 매우 다양한 형태로 나타난다[4-6]. 따라서 이와 같은 초기 용접결함들의 검출을 위하여 방사선투과검사, 초음파검사 등을 이용한 각종 비파괴검사가 수행되고 있으나, 오스테나이트계 재료의 미세조직 특성상 검출에 어려움을 겪고 있다. , 특히 최근 고온 고압환경의 원자력발전소의 배관부에서 사용중 발생하는 배관부의 열적 피로 균열 등은 재료의 신뢰성 저하는 물론 구조물의 건전성에도 영향을 주는 주요 요인들로 지적되고 있다.
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