복합소재 선체 외판의 초음파 탐상을 위한 탐촉자 주파수와 수신기 음향 속력의 상관관계 Correlation between Probe Frequency and Echo-Pulse Velocity for Ultrasonic Testing of a Fiber-Reinforced Plastic Hull Plate원문보기
선체구조의 품질검사 중 가장 일반적인 방법의 하나는 비파괴검사이다. 하지만 복합소재 선체는 강화재와 수지로 구성된 여러가지 재료가 섞여 있고 또 생산환경과 작업자에 따라 FRP(Fiber-Reinforced Plastics) 제작품질에 차이가 발생할 가능성이 크기 때문에 정확한 검사평가는 쉽지 않은 일이다. 특히 FRP 선박의 경우에는 다른 구조물보다 두께가 매우 두껍고 주로 수척층 공법을 이용하기 때문에 더욱 그렇다. 초음파 탐상의 조건 중 검사체의 밀도가 매우 중요하기 때문에 본 연구에서는 FRP 선박 제작에 널리 사용되고 있는 소재와 유리섬유강화재 중량 비율로 제작된 선박의 외판을 검사체로 선정하고, Pulse-Echo 초음파 탐상기를 활용하여 GFRP(Glass Fiber-Reinforced Plastics) 선체 외판의 초음파 탐상을 위한 적정 조건을 조사하였다. 1.00 MHz, 2.25 MHz, 5.00 MHz 세 종류 탐촉자로 A-Scan을 실시하였으며 선체 외판의 두께 검사결과와 비교분석함으로써 적정 초음파 탐상 조건을 찾고자 하였다. 연구결과 탐촉자의 초음파 주파수가 높아질수록 수신자의 반사파 음향 속력을 감소시켜야 더 정도 높은 두께 측정 결과를 얻을 수 있었으며, 상대적으로 낮은 초음파 주파수 탐촉자에서 더 적은 오차가 발생함을 확인할 수 있었다.
선체구조의 품질검사 중 가장 일반적인 방법의 하나는 비파괴검사이다. 하지만 복합소재 선체는 강화재와 수지로 구성된 여러가지 재료가 섞여 있고 또 생산환경과 작업자에 따라 FRP(Fiber-Reinforced Plastics) 제작품질에 차이가 발생할 가능성이 크기 때문에 정확한 검사평가는 쉽지 않은 일이다. 특히 FRP 선박의 경우에는 다른 구조물보다 두께가 매우 두껍고 주로 수척층 공법을 이용하기 때문에 더욱 그렇다. 초음파 탐상의 조건 중 검사체의 밀도가 매우 중요하기 때문에 본 연구에서는 FRP 선박 제작에 널리 사용되고 있는 소재와 유리섬유강화재 중량 비율로 제작된 선박의 외판을 검사체로 선정하고, Pulse-Echo 초음파 탐상기를 활용하여 GFRP(Glass Fiber-Reinforced Plastics) 선체 외판의 초음파 탐상을 위한 적정 조건을 조사하였다. 1.00 MHz, 2.25 MHz, 5.00 MHz 세 종류 탐촉자로 A-Scan을 실시하였으며 선체 외판의 두께 검사결과와 비교분석함으로써 적정 초음파 탐상 조건을 찾고자 하였다. 연구결과 탐촉자의 초음파 주파수가 높아질수록 수신자의 반사파 음향 속력을 감소시켜야 더 정도 높은 두께 측정 결과를 얻을 수 있었으며, 상대적으로 낮은 초음파 주파수 탐촉자에서 더 적은 오차가 발생함을 확인할 수 있었다.
Nondestructive testing is one of the most commonly used quality inspection methods for evaluating ship structures. However, accurate evaluation is dif icult because various composite materials, such as reinforcements, resin, and fiber-reinforced plastics (FRPs), are used in hulls, and manufacturing ...
Nondestructive testing is one of the most commonly used quality inspection methods for evaluating ship structures. However, accurate evaluation is dif icult because various composite materials, such as reinforcements, resin, and fiber-reinforced plastics (FRPs), are used in hulls, and manufacturing quality differences are likely to exist owing to the fabrication environment and the skill level of workers. This possibility is especially true for FRP ships because they are significantly thicker than other structures, such as automobiles and aircraft, and are mainly manufactured using the hand lay-up method. Because the density of a material is a critical condition for ultrasonic inspection, in this study, a hull plate was selected from a vessel manufactured using e-glass fiber, which is widely used in the manufacture of FRP vessels with the weight fraction of the glass content generally considered. The most suitable ultrasonic testing conditions for the glass FRP hull plate were investigated using a pulse-echo ultrasonic gauge. A-scans were performed with three probes (1.00, 2.25, and 5.00 MHz), and the results were compared with those of the hull plate thickness measured using a Vernier caliper. It was found that when the probe frequency was higher, the eco-pulse velocity of the receiver had to be lowered to obtain accurate measurement results, whereas fewer errors occurred at a relatively low probe frequency.
Nondestructive testing is one of the most commonly used quality inspection methods for evaluating ship structures. However, accurate evaluation is dif icult because various composite materials, such as reinforcements, resin, and fiber-reinforced plastics (FRPs), are used in hulls, and manufacturing quality differences are likely to exist owing to the fabrication environment and the skill level of workers. This possibility is especially true for FRP ships because they are significantly thicker than other structures, such as automobiles and aircraft, and are mainly manufactured using the hand lay-up method. Because the density of a material is a critical condition for ultrasonic inspection, in this study, a hull plate was selected from a vessel manufactured using e-glass fiber, which is widely used in the manufacture of FRP vessels with the weight fraction of the glass content generally considered. The most suitable ultrasonic testing conditions for the glass FRP hull plate were investigated using a pulse-echo ultrasonic gauge. A-scans were performed with three probes (1.00, 2.25, and 5.00 MHz), and the results were compared with those of the hull plate thickness measured using a Vernier caliper. It was found that when the probe frequency was higher, the eco-pulse velocity of the receiver had to be lowered to obtain accurate measurement results, whereas fewer errors occurred at a relatively low probe frequency.
본 연구에서는 GFRP 선박 선체 외판의 Pulse-Echo 초음파 탐상을 위한 적정 탐상조건을 제시하기 위하여, 탐촉자의 주파수와 수신기의 반사파 음향 속력에 변화를 주어 A-Scan을 실시하였다.
본 연구에서는 실제 GFRP 선박의 두께 약 12 mm 선체 외판을 대상으로 Pulse-Echo 초음파 탐상 실험을 실시함으로써, 보다 정확한 초음파 탐상을 위한 탐촉자 주파수와 수신기 음향 속력의 상관관계를 연구하고자 한다. 이를 위하여 대 상 선박의 선체 외판으로부터 GFRP 적층판을 샘플링하여 버니어 캘리퍼스(Vernier Calipers)와 초음파 탐상기로 실측하였으며 이때 탐상 결과가 검사체의 밀도에 예민한 것을 고려하여 샘플링된 검사체의 밀도를 재측정하였다.
제안 방법
16 m 급 GFRP 선체 외판의 검사체 분석결과 각 검사체 측위점에서의 두께, 밀도 그리고 유리섬유강화재 중량 비율 Gc를 분석하였고, Pulse-Echo 초음파 탐상기를 이용하여 각 측위점에서의 A-Scan 초음파 탐상을 실시하였다.
본 연구에서는 실제 GFRP 선박의 두께 약 12 mm 선체 외판을 대상으로 Pulse-Echo 초음파 탐상 실험을 실시함으로써, 보다 정확한 초음파 탐상을 위한 탐촉자 주파수와 수신기 음향 속력의 상관관계를 연구하고자 한다. 이를 위하여 대 상 선박의 선체 외판으로부터 GFRP 적층판을 샘플링하여 버니어 캘리퍼스(Vernier Calipers)와 초음파 탐상기로 실측하였으며 이때 탐상 결과가 검사체의 밀도에 예민한 것을 고려하여 샘플링된 검사체의 밀도를 재측정하였다. 각 검사체를 대상으로 1.
대상 데이터
검사체는 16 m 급 GFRP 레저선박의 선측판(Fig. 2)을 대상으로 선정하였으며, 본 선박에 사용된 원자재는 레저선박 등 소형선박 선체에 널리 적용되는 유리섬유강화재 매트(CSM, Chopped Strand Mat)이며 기지재로는 열경화성수지(Polyester)가 사용되었다. 선저판과 선측판은 모두 유리섬유 강화재 40 %의 함침율로 제작되었으며 선측판은 CSM이 16장 사용되었고 설계두께는 11.
성능/효과
각 주파수 변화에 따른 적정 반사파 음향 속력은 1.00 MHz 탐촉자에서 3,000m/s, 2.25MHz와 5.00MHz의 경우 각각 2,516 m/s, 2,424 m/s로 측정되었다. 이는 FRP 선체의 유리섬유강화재 중량 비율에 따라 차이가 있겠지만, 대상 선박의 함침율 Gc가 37.
연구결과 탐촉자의 초음파 주파수가 높아질수록 수신자의 반사파 음향 속력은 감소시켜야 정확한 측정 결과를 얻을 수 있었다. 탐촉자의 주파수 변화에 따른 측정 오차는 대동 소이하였으나 1.00 MHz일 때가 가장 작았고 그 다음 2.25 MHz, 5.00 MHz 순으로 작은 경향을 보였다. 이는 FRP보다 상대적으로 음향 임피던스가 큰 금속재에서는 고주파 초음파를 사용하고 있으며 또한 자동차, 항공기와 같은 FRP 박판의 경우도 상대적으로 고주파를 사용하고 있는 것을 고려한다면 합리적인 결과라고 할 수 있다.
후속연구
다만, 앞서 언급하였듯이 초음파 탐상결과는 유리섬유강화재 중량 비율과 FRP 제작품질에 따른 음향 임피던스 민감도 매우 크기 때문에 상황에 따른 탐상조건 수정과 탐상기기 교차검증 등이 필요하며, 향후 이와 관련된 추가연구를 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복합소재 구조물의 비파괴 검사에 적용 가능한 검사는?
선체검사의 가장 기본적인 방법 중 하나는 비파괴 검사를 통한 두께측정이며, 특히 복합소재의 경우 앞서 언급하였듯이 적층판을 직접 조선소가 제작하기 때문에 이는 매우 중요한 검사항목 중 하나이다. 복합소재 구조물의 비파괴 검사(NDT, Non-destructive Testing)에는 적외선열화상검사(ITT, Infrared Thermography Testing), 방사선투과검사(RT, Radiography Testing), 초음파 탐상검사(UT, Ultrasonic Testing) 등과 같은 방법이 사용되곤 한다. 하지만 선박이라는 구조물의 특성, 즉 구조물의 규모로 인하여 비파괴 검사장비로의 이동과 검사체의 샘플 링이 불가능하며, 선체구조의 특성에 따라 한쪽 면(One side)에 서의 검사만이 가능해야 한다는 점을 고려하였을 때 초음파 탐상검사 중 Pulse-Echo 초음파 탐상이 주로 사용된다(Mouritz et al.
Pulse-Echo 초음파 탐상이란?
Pulse-Echo 초음파 탐상은 Fig. 1과 같이 탐촉자(Probe)에서 발생한 초음파를 탐상면으로부터 검사체에 보내어 저면(Back Surface)에 도달하거나 내부에 존재하는 결함을 만나 반사(Reflection) 및 통과(Transmission)되어 돌아오는 시간과 반사 파의 음향 속력(Echo-Pulse Velocity)을 분석하여 검사체의 두 께, 결함의 위치와 크기 등을 파악하는 검사 방법이다. 따라서 탐촉자에서 발생시키는 파(Pulse)와 반사파(Echo-Pulse) 사이의 송수신 조건을 적절히 설정하는 것이 매우 중요하 며, 이는 검사체의 물리적 특성에 매우 종속적이다.
선체구조의 품질검사가 쉽지 않은 이유는?
선체구조의 품질검사 중 가장 일반적인 방법의 하나는 비파괴검사이다. 하지만 복합소재 선체는 강화재와 수지로 구성된 여러가지 재료가 섞여 있고 또 생산환경과 작업자에 따라 FRP(Fiber-Reinforced Plastics) 제작품질에 차이가 발생할 가능성이 크기 때문에 정확한 검사평가는 쉽지 않은 일이다. 특히 FRP 선박의 경우에는 다른 구조물보다 두께가 매우 두껍고 주로 수척층 공법을 이용하기 때문에 더욱 그렇다.
참고문헌 (13)
Abdelal, N.(2013), Effect of Voids on Delamination Behavior under Static and Fatigue Mode I and II. Ph.D. Dissertation, University of Dayton.
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