[논문]위상배열 초음파 탐지검사의 신뢰성에 관한 연구: 풍력발전기 복합소재 블레이드 사례연구

강병권; 임익성; 구일섭

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Purpose: The purpose of this research is to improve the reliability of the composite material blades used for the wind power generator, by applying the phased array ultrasonic testing technique out of the many nondestructive test into the blades. Method: The wind power generation composite blades ar...

Purpose: The purpose of this research is to improve the reliability of the composite material blades used for the wind power generator, by applying the phased array ultrasonic testing technique out of the many nondestructive test into the blades. Method: The wind power generation composite blades are used, as a case study, in order to evaluate the reliability of the phased array ultrasonic testing technique. Defects that are most likely occurred in the field are injected into the different locations of the three different types of artificial test pieces and then phased array ultrasonic testing technique are applied to evaluate the reliability of its effectiveness. Result: As a result of the analysis of the defect signals by applying the A scan and B scan simultaneously, depth and width of the defect could be obtained. An area of defect was proportional to the amount of energy by color in B scan image. The larger amount of energy, reflected amount of energy was appeared in the order of red, orange, yellow, blue color. Conclusion: The most reliable testing method to detect the defect in composite blades for wind power generation is considered to be the combination of the other destructive testing technique with the phased array ultrasonic testing since the PAUT alone could not detect all range of the defects in the blades.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 위상배열 초음파 탐상 시험법의 신뢰성을 연구하기 위하여 풍력발전기용 복합소재 블레이드에 적용시켜 본 결과 아래와 같은 결론을 도출하였다. 위상배열 초음파 탐상 검사법은 교정 시험편이 준비 되지 않았기 때문으로 교정 시험편을 통한 주파수와 음속 측정이 이루어진다면 보다 우수한 검사 결과를 얻어 낼 수 있는 것으로 사료된다.
되는데 여러 요인을 간략하게 구분하여 손상 원인에 따른 블레이드의 결함을 분류하면, 디라미네이션(delamination), 디본딩(debonds), 기포(pore) 등이 있다. 본 연구의 목적은 위상배열초음파 검사방법을 풍력발전용 복합소재 블레이드에 적용하여 검사방법의 신뢰성을 검증하고 그 신뢰도를 향상시키는데 있다[2, 5, 6].

제안 방법

그리고 이 연구에서는 3종류의 시험편에 위치별로 발생할 수 있는 디라미네이션 결함을 제작하였다. 디라미네이션 결함을 위하여 테프론(teflon) 테이프를 이용하여 겹(ply)과 겹(ply)사이에 적층하는 방법을 이용하여 인위적으로 결함을 투입하였다.
그리고 이 연구에서는 3종류의 시험편에 위치별로 발생할 수 있는 디라미네이션 결함을 제작하였다. 디라미네이션 결함을 위하여 테프론(teflon) 테이프를 이용하여 겹(ply)과 겹(ply)사이에 적층하는 방법을 이용하여 인위적으로 결함을 투입하였다.
본 연구의 위상배열 초음파 탐지검사에서는 A스캔과 B스캔을 동시에 적용하여 결함 신호를 분석 평가하였다.
시험편 1은 발사 코어(balsa core)와 탄소섬유강화플라스틱 스파캡(CFRP spar cap)사이, 탄소섬유강화플라스틱 스파캡과 폴리염화비닐 코어(PVC form core)사이 디라미네이션 결함 시험편으로 실험하였으며, 시험편 2는 스킨인 유리섬유강화플라스틱이 적층되어 있는 사이의 디라미네이션으로 결함을 제작 시험하였으며, 시험편 3은 탄소섬유강화플라스틱 스파캡사이의 디라미네이션으로 결함을 제작 시험하였다.
시험편은 아래 부분 3구역으로 나누어 각각 발사나무, 탄소섬유강화플라스틱, 폴리염화비닐을 15mm 로 적층한 후 그 위에 유리섬유강화플라스틱을 8mm를 추가로 적층하여 [Fig. 4]와 같은 평판 형태의 시험편을 제작하였다.
평판 수직 탐상을 목적으로 하기 때문에 웨지는 모두 사용하지 않았으며, 두 탐촉자 모두 자동 스캔 장비 없이 작업자가 직접 스캔하며 신호를 분석하였다. 복합소재 블레이드 시험편에 삽입된 결함에 두 개의 탐촉자를 교대로 적용하였으며, 접촉매질은 겔을 사용하였다.

대상 데이터

평판 수직 탐상을 목적으로 하기 때문에 웨지는 모두 사용하지 않았으며, 두 탐촉자 모두 자동 스캔 장비 없이 작업자가 직접 스캔하며 신호를 분석하였다. 복합소재 블레이드 시험편에 삽입된 결함에 두 개의 탐촉자를 교대로 적용하였으며, 접촉매질은 겔을 사용하였다. 결함이 존재했을 경우 결함의 위치를 십자 형태의 직선으로 표시하였으며 에너지의 반사량에 따라 빨강>주황>노랑>파랑 순으로 색깔이 나타난다.
시험편의 크기는 가로 1,000mm, 세로 1,000mm, 두께 23mm의 크기로 제작되었으며, 소재는 유리섬유강화플라스틱(glass fiber reinforced plastics: GFRP), 탄소섬유강화플라스틱(carbon fiber reinforced plastics:CFRP), 발사(balsa), 폴리염화비닐(poly vinyl chloride: PVC form)로 [Fig. 3]과 같이 구성되었다.
실험에 사용된 탐촉자 1은 올림푸스 NDT(Olympus NDT)사의 1.5L16A 제품으로 전체 길이 57mm, 케이블 길이 2.5m, 1.5MHz의 주파수를 사용하며 16개의 진동자수를 가지고 있다. 탐촉자 2는 올림푸스 NDT(Olympus NDT)사의 5L64A2 제품으로 전체길이 53mm, 케이블 길이 2.
유리강화플라스틱, 탄소섬유강화플라스틱 복합재료에 대한 교정 데이터가 없어 장비교정을 하지 못하고 최적의 결함 검출 영상만을 획득하였다. 탐상 기준 감도 및 재질에 따른 음속 값이 시험부위마다 차이가 있어 결함의 정확한 깊이 값을 측정할 수가 없었지만 결함의 넓이와 존재 유무는 명확히 구분할 수 있었다.
5MHz의 주파수를 사용하며 16개의 진동자수를 가지고 있다. 탐촉자 2는 올림푸스 NDT(Olympus NDT)사의 5L64A2 제품으로 전체길이 53mm, 케이블 길이 2.5m, 5MHz의 주파수를 사용하며 16개의 진동자수를 가지고 있다.

성능/효과

스킨부 유리섬유강화플라스틱 사이의 디라미네이션 결함(2번 시험편)은 1번 탐촉자를 이용한 검사 결과 5mm, 10mm, 20mm의 결함 검출이 모두 가능하였다. 2번 탐촉자를 이용한 검사 결과 5mm, 10mm, 20mm의 결함 검출 또한 모두 가능하였다.
탄소섬유강화플라스틱 스파캡 사이의 디라미네이션 결함(3번 시험편)은 1번 탐촉자를 이용하여, 5mm 크기의 결함은 검출이 불가능하였으며, 10mm, 20mm의 결함은 검출이 모두 가능하였다. 2번 탐촉자를 이용해서도 5mm 크기의 결함은 검출이 불가능하였으며, 10mm, 20mm의 결함은 검출이 모두 가능하였다.
탐상 기준 감도 및 재질에 따른 음속 값이 시험부위마다 차이가 있어 결함의 정확한 깊이 값을 측정할 수가 없었지만 결함의 넓이와 존재 유무는 명확히 구분할 수 있었다. 결함의 면적은 반사된 에너지량과 비례하여 B 스캔 영상에 색깔 별로 나타났으며 결함이 클수록 반사된 에너지량이 빨강, 주황, 노랑, 파랑 순으로 영상에 나타났다. 이상과 같이 위에서 얻어진 시험결과는 모두 정리하면 [Table 1] 과 같이 요약될 수 있다.
4mm 깊이에서 나타나고 있다. 스킨부 유리섬유강화플라스틱 사이의 디라미네이션 결함(2번 시험편)은 1번 탐촉자를 이용한 검사 결과 5mm, 10mm, 20mm의 결함 검출이 모두 가능하였다. 2번 탐촉자를 이용한 검사 결과 5mm, 10mm, 20mm의 결함 검출 또한 모두 가능하였다.
유리강화플라스틱, 탄소섬유강화플라스틱 복합재료에 대한 교정 데이터가 없어 장비교정을 하지 못하고 최적의 결함 검출 영상만을 획득하였다. 탐상 기준 감도 및 재질에 따른 음속 값이 시험부위마다 차이가 있어 결함의 정확한 깊이 값을 측정할 수가 없었지만 결함의 넓이와 존재 유무는 명확히 구분할 수 있었다. 결함의 면적은 반사된 에너지량과 비례하여 B 스캔 영상에 색깔 별로 나타났으며 결함이 클수록 반사된 에너지량이 빨강, 주황, 노랑, 파랑 순으로 영상에 나타났다.

후속연구

결함 검출율은 저조하였으나 정확한 교정이 이루지지 않은 상황에서 실험이 이루어진 것을 고려한다면 추후 정확한 교정 후 검사를 진행 한다면 일반 초음파 검사 방법 보다 더 신뢰성 높은 검사 방법이 될 수 있을 것으로 생각된다. 가장 신뢰성 높은 검사 진행 방법으로는 기타 다른 검사방법과 병행하여 사용하는 것이 결함 검출 신뢰성이 가장 높은 방법이 될 것이다.
위상배열 초음파 탐상 검사는 그 적용에 있어서는 많은 진동자수를 가지고 검사를 하기 때문에 폭넓은 영역을 탐지할 수 있지만 일반 초음파 탐상 검사와 비교하면 복잡한 프로그램을 운영해야 함으로 작업자의 능력이 조금 더 중요시된다. 결함 검출율은 저조하였으나 정확한 교정이 이루지지 않은 상황에서 실험이 이루어진 것을 고려한다면 추후 정확한 교정 후 검사를 진행 한다면 일반 초음파 검사 방법 보다 더 신뢰성 높은 검사 방법이 될 수 있을 것으로 생각된다. 가장 신뢰성 높은 검사 진행 방법으로는 기타 다른 검사방법과 병행하여 사용하는 것이 결함 검출 신뢰성이 가장 높은 방법이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력발전용 복합소재 블레이드는 무슨 기능을 하는가?	풍력발전용 복합소재 블레이드는 운동에너지를 회전에너지로 변환하는 기능을 하며 여러 가지 복합소재들을 이용하여 제작하고 있으나 적절한 검사법을 적용하지 못하고 있는 실정이다. 국내의 경우 블레이드 제작 중에는 검사가 전혀 진행되지 못하고 있으며, 제작 후 설치 전에 정적시험(static test), 피로시험(fatigue test)을 거쳐 설치되고 가동 중에는 안전 관리자가 망원경을 이용하여 육상에서 육안검사(visual inspection)만 이루어지고 있는 실정이다[1-3].
	위상배열 초음파 탐지검사의 탐촉자의 특징은 무엇인가?	위상배열 초음파 탐지검사의 탐촉자(probe)는 많은 요소(16∼256개)로 구성되어 있으며 이들 요소는 외부의 입력에 따라 각각 독립적으로 펄스를 송수신할 수 있다. 탐촉자는 이러한 요소들의 선형배열, 2차원 매트릭스배열, 원형배열 그리고 기타 복잡한 형태로 출시되고 탐촉자의 진동수는 주로 2MHz∼10MHz에서 사용된다.
	본 연구에서 적용 대상으로 사용한 복합소재 블레이드의 문제가 발생하는 원인과 결함 특성은?	본 연구에서 적용 대상으로 사용한 복합소재 블레이드의 문제가 발생하는 원인과 결함 특성을 크게 분류하면 아래와 같이 설명할 수 있다. 블레이드는 지속적으로 걸리는 여러 하중과 환경적인 요인이 내·외부적으로 복합적으로 작용하여 결함이 발생하게 되는데 여러 요인을 간략하게 구분하여 손상 원인에 따른 블레이드의 결함을 분류하면, 디라미네이션(delamination), 디본딩(debonds), 기포(pore) 등이 있다. 본 연구의 목적은 위상배열초음파 검사방법을 풍력발전용 복합소재 블레이드에 적용하여 검사방법의 신뢰성을 검증하고 그 신뢰도를 향상시키는데 있다[2, 5, 6].

참고문헌 (10)

Hayman, B., Wedel-Heinen, J. and Brondsted, P. (2008). "Materials Challenges in Present and Future Wind Energy". Harnessing Materials for Energy, Vol. 33, pp. 343-353.
Kang, B. K. (2015). "The Reliability Verification Related with Non-destructive Testing Methods of the Composite Blades for Wind Power Generation". Ph.D. Dissertation, Namseoul University.
Golfman, Y. (2011). "Hybrid Anisotropic Materials for Wind Power Turbine Blades". CRC Press, pp. 15-54.
Blitz, J. and Simpson, G. (1996). "Ultrasonic Methods of Non-destructive Testing". CHAPMAN & HALL, pp. 204-242.
Debel, C. P. (2004). "Identification of Damage Types in Wind Turbine Blades Tested to Failure". DMS, Materialeopforsel og skadesanalyse, pp. 123-127.
Toft, H. S., Branner, H. and Berring, P. Sorensen, D. (2009). "Distribution of Defects in Wind Turbine Blades and Reliability Assessment of Blades Containing Defects". EWEC 2009 Scientific proceedings, pp. 42-47.
EU PREWIND PROJECT. (2004-2007). "Development of a Methodology for Preventive Maintenance of Wind turbines through the use of Thermography".
Maldague, X. P. V. (2002). "Introduction to NDT by Active Infrared Thermography". Materials Evaluation, September, pp. 1060-1073.
Xavier, M. P. V. (2001). "Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive Testing". John Wiley & Sons, Inc., New York.
Thiele, H. (2003). "Radiographic Inspection of Weldigns by Digital Sensors". RADIS GmbH, Johanniskirchen, Germany

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