계장기술(PROCON)

기획특집 위상배열 초음파 센서를 이용한 전력설비 균열 결함 3D 형상화

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 2,959회 작성일 19-05-15 15:53

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1. 서 론

전력설비에 대한 안전진단 기술은 설비 내에 존재하는 결함에 대한 정량적 평가가 필수적인 사항이며, 설비의 안전성을 파괴역학적 관점에서 평가하기 위해서는 결함에 대한 정량적 정보인 결함의 위치, 종류, 크기 형태 등에 관한 정확한 정보가 필요하다. 복잡한 구조로 구성된 설비를 초음파로 평가하기 위해서는 정밀한 실험이 이루어져야 하지만, 전력설비의 안전진단을 위해 필수적인 결함의 탐상과 평가를 작업자의 수작업에 의존하는 재래식 초음파 탐상 시험을 통해 실시할 경우 막대한 검사비용과 시간이 소요될 뿐 아니라 검사 결과의 객관적 신뢰성도 확보할 수가 없다. 또한, 초기 미세결함의 경우 신호 검출 및 분류에 제약이 있고, 크기나 형상에 대한 판단이 어려우며, 일부 구간에서 신호가 휘어지거나 매질에 의한 감쇠현상이 심하여 신호가 사라짐으로 인한 초음파 신호 측정에 어려움이 있으므로 실험적으로 검사를 함에 있어 한계가 있다.

위상배열 초음파 탐상 기법은 여러 개의 미소 발진자로 구성된 배열 탐촉자를 사용하여 시편 내부로 진행하는 초음파의 전파 각도와 집속 위치를 전자적으로 조절하여 초음파 신호의 수신 시 각각의 미소 진동자가 받아들이는 신호를 전자적으로 처리하여 시험편 내부의 영상을 실시간으로 획득할 수 있는 기법이다.

그러나 현재까지 개발된 위상배열 초음파 탐상 기술로 획득하는 초음파 영상은 실제 결함의 영상과 매우 다를 수 있기 때문에, 위상배열 초음파 탐상 시험에서도 여전히 A-scan 신호는 결과 해석을 위한 매우 중요한 정보로 활용되고 있다.

위상배열 초음파 센서를 이용한 본 기술의 기존 기술과의 차이점 및 차별성은 그림 1의 A-Scan 및 2D 이미지 그림에서 개략적으로 표시한 것처럼, 검사대상에 대한 초음파 검사의 결과가 시험체 내부에서 부딪혀 되돌아온 신호의 크기 및 시간축 상에서의 길이만 표시하는 기존의 재료 내부에 대한 결함 검사의 결과와 달리 검사 대상체에 다중 엘리먼트로 시간 지연(Time Delay) 초음파를 송신 후 피사체에서 수신된 2차원 초음파(X-Y축 영역 스캔) 신호를 (Z)축 방향으로 중첩하여 검사 결과를 결함의 위치, 형상, 크기, 방향 등 결함의 재료 내부에 실지 존재하는 형상 그대로 실시간 표현함으로서(3D 표시) 비파괴 검사 전문가가 아니더라도 결함의 판별이 즉시 가능하게 된다.
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전력설비 내부결함의 검출 결과를 3차원으로 형상화하는 위상배열 초음파 시스템의 개발을 통하여 균열의 크기, 길이, 체적 등의 정보를 확보할 수 있으므로 결함의 초기 검출 및 미세 결함 평가가 가능하다. 최종적으로, 위상배열 초음파 검사의 전력설비 내부 미세결함 3D 형상화 시스템 기법을 개발하여 전력설비의 검사 결과에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다.

2. 위상배열 초음파 이론

위상배열 초음파 탐상 기법은 여러 개의 미소 요소(발진자 및 수신자)로 구성된 배열 탐촉자를 사용하여 검사체 내부로 진행하는 초음파의 전파 각도와 집속 위치를 전자적으로 조절하고, 초음파 신호를 각각의 미소 요소를 통해 받아들일 수 있는 기법이다. 위상배열 초음파를 검사체 내 특정 위치에 집속 및 조향하기 위해서는 그림 2와 같이 위상배열 초음파 탐촉자와 위상배열 초음파에 대한 파선 추적이 요구되며, 위상배열 초음파 탐촉자의 구조는 그림 3과 같다.

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여기서, a는 전체 위상배열 초음파 탐촉자의 길이를, h는 요소의 길이, p는 요소 중심 간의 거리, e는 요소의 너비, 그리고 g는 요소 간의 간격을 의미한다. 그림 4와 같이 위상배열 초음파 탐촉자의 중요 설계인자는 중심 주파수와 초점거리이다.

이는 주파수가 파장과 관련이 밀접하기 때문이며, 이에 따라 위상배열 초음파 탐촉자의 요소너비와 요소 간의 간격 또한 중요한 인자가 된다. 그림 5는 요소너비와 요소 간의 간격에 의한 집속 지점에서의 영향을 보여준다. 이에 따라, 요소너비와 주파수와 같은 위상배열 초음파 탐촉자의 설계 인자에 대한 성능을 비교하고자 시뮬레이션을 수행하였고, 시뮬레이션은 COMSOL Multiphysics 5.2를 활용하였으며, 시뮬레이션을 위한 공간 차원은 2D로 선정하여 수행하였다.


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3. 전력설비 균열 결함 3D화

튜브/배관 검사 프로그램을 이용한 3D 형상화를 위해서는 튜브의 외경을 따라 전체적인 스캐닝을 수행하여야 하고, 이때 탐촉자의 위치정보가 필요하다. 따라서, 개발된 튜브 스캐너에 내재되어 있는 엔코더의 데이터를 동시에 취득하여야 정확한 3D 형상화 결과를 얻을 수 있다. 튜브 검사 스캐너의 정확한 엔코더 정보 취득을 통한 3D 형상화를 위하여 스캐너, PA 모듈과 연동되는 핀 맵을 확인하고, 이를 반영하여 탐촉자의 위치정보를 확인할 수 있도록 전체 튜브 검사 장치의 구성을 수행하였다. 그림 6은 탐촉자와 스캐너의 결합을 보여주고 있다.

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개발된 프로그램은 초음파 검사의 기본 신호인 초음파 수신 신호를 나타내는 A-scan과 검사영역의 수직 단면을 보여주는 B-scan, 그리고 검사를 수행한 대상체의 평면 이미지를 보여주는 C-scan을 결과를 표현하도록 구성하였다. 추가적으로 초음파 검사에 활용되는 탐촉자를 비롯한 펄서·리시버 설정, 주파수 필터 등 신호처리 설정 기능을 포함하여 제작하였으며, 그림 7은 개발된 프로그램의 전체 구성을 보여주고 있다. 개발된 프로그램의 C-scan 결과에서는 부싱 3D 형상화 알고리즘을 동일하게 적용하여 보일러 튜브 및 배관의 검사 결과를 3D 이미지로 제공할 수 있도록 개발되었다. 그림 8의 3D 검사 이미지는 다양한 각도에서 검사 결과를 확인할 수 있도록 회전 및 위치 이동이 가능하고, 이미지의 색상 변화 기능을 이용하여 검사 결과를 직관적으로 확인할 수 있도록 프로그램을 설정하였다.

초음파 수침 검사 기법은 탐촉자와 검사체 사이에 일정한 거리를 유지하고, 검사체 표면 면적에 해당하는 범위에서 검사를 수행하여야 한다. 따라서, 초음파 탐촉자를 3축 방향으로 이송할 수 있는 장치가 요구된다. 부싱은 대량생산 제품이고, 형상과 크기를 고려하면 자동 검사 시스템이 유용할 수 있으며, 특히 원통형 외형에 따라 일정하게 회전시키며, 초음파 전달 매질로 물을 이용하는 수침 검사 기법을 적용하면 효과적인 검사 수행이 가능하다. 이때, 부싱의 형상은 그림 9와 같이 여러 경사각과 두께를 가지는 복잡한 형태이다. 따라서, 부싱을 일정하게 회전시키기 위해서는 편심을 보완할 수 있는 보조 장치가 요구되었다. 그림 10은 편심 보완 장치의 설계도를 보여주고 있다.

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부싱 내부 검사 결과의 3D 형상 도출과 정확한 결함의 크기, 위치 등 정보를 확인하기 위해서는 일정하게 이송해 검사를 수행하여야 하며, 부싱검사를 위한 수침 시스템은 부싱을 일정한 속도로 회전을 시키고 축 방향 이송이 가능하여야 하고, 초음파 탐촉자가 부싱과 일정한 거리를 유지할 수 있도록 이송할 수 있는 기능이 필요하다.


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이러한 이송 기능, 회전 기능 및 수조로 구성된 수침 검사 시스템을 그림 11과 같이 설계하였다.

세부적으로 기구부는 탐촉자의 위치를 x, y, z 축 각각의 방향으로 이송할 수 있는 이동 축과 모터 및 제어 전기부와 탐촉자의 각도를 조절할 수 있는 틸트 축으로 구성하였다. 그리고 수조는 부싱이 충분히 침수될 수 있도록 크기를 선정하고 내부에 롤러를 장착하여 부싱을 회전시키며 검사할 수 있도록 구성하였다.


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초음파 수침 검사는 검사 대상에 따라 다양한 주파수의 탐촉자가 사용된다. 특히, 반도체와 같이 고정밀 검사가 요구되는 시험체나 미소 결함의 검출에는 20MHz 이상의 고주파수 탐촉자가 적용된다.

그러나 에폭시 재질의 경우 초음파의 감쇠가 심하고, 부싱의 에폭시 층은 최대 15mm 이상으로 고주파수 초음파의 전파에 한계가 있다. 따라서, 초음파의 전파강도와 결함 검출 분해능을 고려한 탐촉자의 선택이 요구된다. 본 연구에서는 기초 실험으로 각각 15MHz, 10MHz, 7.5MHz, 5MHz의 초음파 탐촉자를 적용하여 초음파 수신 감도를 비교하여 5MHz의 탐촉자가 에폭시 부싱에 유효함을 확인하고 검사에 적용하였다. 또한, 원형 부싱의 안정적인 회전을 위하여 회전 지그를 적용하였다. 그리고 일정한 경사를 가지는 부싱의 양쪽(A, B 파트)으로 분할하여 각각 검사를 수행하였다. 그림 13은 부싱 검사 사진이다.

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검사는 일정한 위치에 탐촉자를 고정시키고, 부싱을 1회전시킨 후 탐촉자를 1mm 간격으로 이송하고, 다시 부싱을 회전시키며 부싱의 각 파트의 검사를 수행하였다. 이때, 탐촉자를 길이방향(x축) 이동에 따라 부싱과의 거리를 일정하게 유지하도록 수조의 깊이 방향(z축)으로 이송하여 물거리 변화가 없도록 제어하며 검사를 수행하였다. 부싱 검사 시스템의 성능 확인을 위하여 부싱의 양 측면에 각각 지름 1mm와 2mm의 평저공(Flat Bottom Hole)을 2개씩 가공하여 실험 결과를 확인하였다. 그림 6에서와 같이 일정하게 가공된 인공결함의 신호를 수신하여 이미지(c-scan)를 확인한 결과, 결함의 검출이 가능하였다. 또한 표면에 가공된 평저공(ø5mm)의 검출과 부싱 내부의 전계 스크린도 검출이 가능함을 확인하였다. 이와 같이 개발된 초음파 수침 검사 시스템을 이용하여 부싱 검사 및 결함의 검출이 가능함을 확인하였으며, 초음파 수침 시스템의 기초 성능평가를 바탕으로 실제 부싱의 결함 검출 실험을 수행하였다.


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4. 결 론

전력설비에 대한 비파괴 검사는 전력의 안정적 공급 측면 및 노후화되고 있는 국내 설비의 안전 확보를 위해서 매우 중요한 사항이다. 그러나 기존의 검사는 방법별로 다양한 한계가 있으며, 특히 직관적이고 정량적인 결과 도출이 어렵다. 이러한 한계를 극복하기 위한 여러 가지 시도 중 위상배열 초음파 센서를 이용한 전력설비 내부의 균열 결함의 3D 검출 기술은 결함의 형상, 크기, 위치 등이 실제 그대로 표현될 수 있어 매우 효과적이다.
한국전력공사 전력연구원에서는 초음파를 이용한 전력설비의 건전성 검사의 신뢰성을 향상시키기 위한 연구를 선도적으로 수행하고 있으며, 위상배열 초음파 센서를 이용한 3D 형상화 기술에 대하여 세부적인 내용과 연구 수행한 내용에 대하여 기술하였다. 초음파 3D 형상화 기술은 다양한 부품 설비 및 구조물의 결함 평가에 활용하여 결함의 직관화 및 평가 정확도에 기여할 수 있을 것이다.

yongsang.cho@kepco.co.kr






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