[논문]TOFD Technique을 이용한 원자로헤드 관통관 용접부 비파괴검사

김왕배; 이영호; 문용식; 김창수

[국내논문] TOFD Technique을 이용한 원자로헤드 관통관 용접부 비파괴검사
Reactor vessel head penetration J-groove welds inspection by TOFD technique 원문보기

김왕배 (한국수력원자력(주) 정비기획처 엔지니어링실) , 이영호 (충남대학교 공과대학 기계공학과) , 문용식 (한국수력원자력(주) 정비기획처 엔지니어링실) , 김창수 (한국수력원자력(주) 정비기획처 엔지니어링실)

The reactor pressure vessel head of PWR has penetrations for control rod drive mechanism and instrumentation systems. The Primary coolant water and operating temperature can cause the stress-corrosion cracking of these nickel-based alloy penetrations. It is difficult to detect and size flaws such as SCC in the reactor head penetrations using conventional W methods because of complex geometry, Therefore, the utilities are using the TOFD technique for the detection and sizing of the flaw. This study shows the correlation between the ultrasonic wave direction and the orientation of the flaw and the range of flaw depth which can be detected by the TOFD techniques.

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문제 정의

본 논문에서는 TOFD 검사 방법으로 검출할 수 있는 결함 크기 범위를 확인하여 회절파를 이용한 결함 검출의 정확성 및 신뢰성을 검증하고, 불연속부의 방향과 TOFD 탐촉자 초음파 주사 방향과의 상관관계를 정립하여 탐촉자 배열 위치에 따른 결함의 검출 가능성 및 신뢰도 정보를 확보하고자 한다.

제안 방법

사용하였다. Motion control 시스템에 의해제어되는 스캐너를 사용하여 표준시편에 가공된 Notch 신호를 취득 평가하였다. 실험용 표준시편에서의 음속은 5.
5mm로 웨스팅하우스형 원자로 헤드 관통 관과 동일형상, 동일 재질을 사용하였다. 결함을 모사하기 위하여 OD(CircttmferentiaUAxial) Notch가 깊이 1, 3, 5, 7, 10, 12, 14mm 둥총 7종류, ID (Circumferential/Axial) Notch 가 깊이 1, 3, 5, 7, 10, 12, 14mm 및 관통둥 총 8종류가 가공되었다. 시편에 가공된 노치는 CIP기술을 사용하여 가공되어 초음파에 대한 반옹 특성이 일차 계통 응력부식 균열의 그것 과 매우 유사하게 나타난다.
축방향 노치에 대하여 노치 방향과 TOFD 탐촉자 주사 방향과의 상관관계 분석을 위하여 축 방향 노치 방향과 수직인 주사 방향을 가지는 TOFD 채널#1을 주탐촉자로 사용하고, 비교평가를 위하여 노치 방향과 동일한 주사 방향을 가지는 TOFD 채널#2를 보조탐촉자로 하여 실험을 수행하였다, 실험을 통하여 취득된 신호를 평가, 분석한 결과 값은 다음의 표1과 같다.

대상 데이터

본 실험에 사용한 표준시편의 재질은 인코넬 600(ASME SB-166), 두께 15.85mm, 길이 419.5mm로 웨스팅하우스형 원자로 헤드 관통 관과 동일형상, 동일 재질을 사용하였다. 결함을 모사하기 위하여 OD(CircttmferentiaUAxial) Notch가 깊이 1, 3, 5, 7, 10, 12, 14mm 둥총 7종류, ID (Circumferential/Axial) Notch 가 깊이 1, 3, 5, 7, 10, 12, 14mm 및 관통둥 총 8종류가 가공되었다.
실험에 사용한 탐촉자는 수평주사 TOFD 탐촉자를 채널 1, 수직주사 TOFD 탐촉자를 채널 2로하는 TOFD 탐촉자를 사용하였으며, 송수신탐촉자 간격 24mm, 굴절각은 55±5°이었다.
원주 방향 노치에 대하여 노치 방향과 수직 인주 사 방향을 가지는 TOFD 채널#2를 주 탐촉자로 사용하고, 비교평가를 위하여 노치 방향과 동일한 주사 방향을 가지는 TOFD 채널#1을 보조 탐촉자로 하여 실험을 수행하였다. 실험을 통하여 취득된 신호를 평가한 결과 값은 다음 표2와 같다.

이론/모형

실험에 사용된 신호 취득/평가 시스템은 현재 원자로 헤드 검사에 사용되는 인트라스펙트 3차원 이미징 시스템을 사용하였다. Motion control 시스템에 의해제어되는 스캐너를 사용하여 표준시편에 가공된 Notch 신호를 취득 평가하였다.

성능/효과

1) 결함 검출에 관해서는 초음파 주사 방향과 결함 방향이 수직할 경우는 깊이 1mm 이상 되는 모든 결함을 검출할 수 있으나, 같은 방향일 경우는 탐촉자로부터 1mm 이내의 거리에 있는 결함은 검출할 수 없으며, 3mm 이상 떨어진 결함들에 대해서는 검출이 가능함을 확인하였다.
2) 결함의 크기 측정에 관해서는 초음파 주사 방향과 결함방향이 수직할 경우라도 팁이 탐촉자로부터 l~2mm 이내에 있는 결함에 대해서는 정확한 깊이 측정을 할 수 없으며, 3mm 이상 떨어져 있어야만 크기 측정이 가능함을 확인하였다. 또 같은 방향일 경우는 팁이 탐촉자로부터 7mm 정도 떨어져 있어도 정확한 깊이측정이 불가하며, 약 9mm 이상 떨어져 있어야 크기측정이 가능함을 확인하여 TOFD 기법을 활용한 결함의 깊이측정은 결함의 방향과 탐촉자의 초음파 주사 방향의 상관관계에 따라 상당히 영향이 많음을 확인할 수 있었다.
확인하였다. 또 같은 방향일 경우는 팁이 탐촉자로부터 7mm 정도 떨어져 있어도 정확한 깊이측정이 불가하며, 약 9mm 이상 떨어져 있어야 크기측정이 가능함을 확인하여 TOFD 기법을 활용한 결함의 깊이측정은 결함의 방향과 탐촉자의 초음파 주사 방향의 상관관계에 따라 상당히 영향이 많음을 확인할 수 있었다.

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