(다음 자료는 소정섭 회원님께서 구해주신 자료입니다, 자료 제공에 감사드립니다)
강구조물에 대한 비파괴검사
1. 머리글
고강도 강재의 출현과 함께 용접 및 제작기술의 발전으로 인하여 다양한 형상을 갖는 강구조물의 건설이 날로 증가하고 있다. 기존 콘크리트 구조물에 비하여 강구조물은 시공성, 내진성이 높으나 공장에서 제작 가능한 치수의 제한으로 인하여 많은 이음부를 갖는 구조물이다. 강구조물 제작에 있어서 이음부의 용접결함과 피로균열은 강구조물의 성능에 가장 중대한 영향을 미치고 있으며, 강구조물의 안전성을 확보하기 위해서는 용접부의 결함과 피로균열이 발생하기 쉬운 구조상에 대한 결함 및 균열 검출법이 중요하다고 할 수 있다.
용접부위에서 발생하는 결함의 종류는 기공(Porosity), 불완전 용입, 불완전 용융, 균열, 오버랩 등 다양하며, 용접부의 결함은 강구조물을 취약하게 만드는 원인이 된다. 용접부 결함은 육안으로 조사가 거의 불가능하기 때문에 여러 가지 비파괴조사 방법을 이용하여 결함을 조사하고 있다.
에는 강구조물에 적용 가능한 비파괴검사법을 검사목적에 따라 나타내었다.
초기에는 방사선투과법과 초음파탐상법으로 대표되었던 비파괴검사 기술이 주로 품질관리 목적으로 적용되어 왔으나, 현재에는 구조물의 유지관리에서 점검의 보조수단으로 광법위하게 사용되고 있다. 현재 강구조물의 품질관리 및 점검에 적용되고 있는 비파괴검사법은 크게 내부결함과 표층부 결함 및 손상 검출 목적으로 적용되고 있다. 앞서 언급한 두 가지 비파괴검사법이 내부결함의 검출을 목적으로 적용되는 반면에, 자분탐상법, 염료침투법, 와상전류법 등은 표면탐상을 주목적으로 개발된 비파괴검사법이다. 비파괴검사법의 종류에 따라 차이는 있으나 대부분의 검사법이 강구조물에 발생한 균열, 용접결함, 재료의 열화 등을 검출하기 위한 목적으로 적용되고 있다.
강구조물 비파괴검사법
2. 비파괴검사법의 종류
가. 방사선투과법
강구조물의 용접부 결함검출에 대표적으로 적용하고 있는 비파괴검사법인 방사선투과법
(Radiographic Methords)은 고전적인 검사법으로써 X-선 또는 감마선을 물체에 투과하여
물체내부의 이미지를 얻어내는 방법이다.
X선을 사용하는 비파괴시험은 상업용 X선 발생기에 의해 생성되는 X-방사선이 조사 부위의
두께 및 원자번호에 비례하여 흡수된다는 원리에 근거하고 있다. 따라서 이 방법에 의해 결함이 있는 물체를 조사하는 경우, 결함 부위에서의 X선 흡수는 결함부 바로 옆의 손상되지 않은 부위와 비교하면 다른 양상을 보인다. 물체를 통과한 X선은 필름이나 형광 스크린에 기록되고 결함부 위치에서 이미지는 보통 더 어둡게 나타난다. 필름에 기록된 X선의 이미지는 영구적 기록으로 남게되며 결함의 크기와 형태를 2차원으로 나타낼 수 있다.
방사선투과 시험결과
방사선투과법으로 용접 또는 주조(Casting)의 슬래그 함침(Slag Inclusion)이나 간극과 같은 결함은 비교적 쉽게 찾아낼 수 있다. 균열과 같은 2차원 결함도 탐지할 수 있으나 결함이 X선의 축에 거의 평행한 방향일 경우에만 가능하다. X선에 수직한 균열 또는 2차원결함은 X선 흡수를 크게 변화시키지 않으므로 탐지되지 않는다. 방사선투과법의 가장 큰 장점은 내부결함의 크기 및 형태 등 결함의 성질을 판단하기가 쉽고, 이미지로 얻은 결과가 양호하며 결과를 거의 영구적으로 보관 가능하다는 것이다.
방사선투과법의 단점으로는 결함부위의 공간적인 정보를 얻을 수 없다는 것이다. 현재 결함부위의 공간적인 정보를 알기 위해서는 여러 각도에서 촬영한 결과를 분석하는 방법이 널리 활용되고있다. 앞에서 언급한 것과 같이 단점으로는 결함의 깊이를 추정하기 어렵고 방향성이 좋지 않은 2차원 결함을 검출하기 어렵다는 것이다. 또한 방사선을 투과하는 장비는 인체에 유해한 방사선을 방출하기 때문에, 전문가 이외에는 사용이 제한되고 있다. 방사선투과기의 크기로 인하여 경우에 따라서는 현장에서는 사용이 어려울 수도 있으며, 탐색속도가 느리고, 탐색비용이 상당히 고가이다.
따라서 방사선투과법을 효과적으로 적용하기 위해서는 육안점검 및 다른 비파괴시험법을 조합적으로 적용하는 방안이 필요하다.
나. 초음파탐상법
초음파탐상법은 내부결함을 검출하기 위해서 물체내에서 발생하는 소리의 파동 특성을 이용한다.
기계진동 형태의 고주파 음파를 시험할 부분으로 주사하면 재료를 통과하는 음파는 결함부 또는 경계면에 부딪치게 된다. 그러면 음향진동은 반사가 되고 반사된 신호를 분석하면 결함 또는 경계면의 위치와 형태를 파악 할 수 있게된다. 초음파탐상법은 강부재의 두께, 균열의 위치, 용접결함 및 공극의 위치 조사에 적용된다.
표준 측정장비는 음파생성기, 수신장치(보통 한 기구 내에 조립됨)와 초기파 및 반사파가 나타나는 화면 등으로 구성된다. 화상 표시장치는 결함부의 위치(깊이) 및 결함의 성질을 추정할 수 있게 하고, 기구의 감지부(탐지부)를 조사할 부분을 따라 이동함으로써 결함의 크기 측정을 가능하게 한다. 조사 민감도는 음향 진동수, 탐지부의 설계, 기계의 조작, 반사신호의 전기적 처리기술과 같은 여러 가지 시험변수에 영향을 받는다.
초음파탐상법의 장점은 휴대성, 민감성이 높고 균열의 위치 또는 결함의 공간적인 정보를 얻을 수 있다는데 있으며, 방사선투과법에 비하여 안전하고 경제적인 비파괴검사법이다. 최근에는 현장 측정 자료를 컴퓨터 처리와 보고서 작업에 적당한 형식으로 저장할 수 있는 디지털 장비가 보급 되어 있다. 단점으로는 초음파탐상을 통하여 표면결함을 효과적으로 찾아낼 수 없다는 것이다.
초음파탐상을 하기 위해서는 피검사체에서의 초음파 모드변환, 속도, 감쇄 등과 같은 기본적인 초음파 특성을 파악하고 있어야 한다. 초음파가 각도를 가지고 입사하면 초음파의 모드변환이 일어나며, 초음파의 모드변환에 따라 초음파의 속도 및 감쇄도 변하게 된다. 이 특성들은 초음파탐상을 하는 경우 탐촉자 선정 및 표준 시험편 선정 등에 영향을 준다.
(1) 탐촉자
탐촉자는 초음파의 입사방향에 따라서 수직탐촉자(Straight Beam Probe)와 사각탐촉자(Angle Beam Probe)가 있다. 탐촉자의 형식은 발진자와 수진자가 분리되어 있는 것과 일체로 되어있는 형식이 있는데 주로 일체형 탐촉자를 사용한다. 강부재 조사에 사용하는 탐촉자의 주파수 범위는 2∼10MHz이며, 사각탐촉자의 경사각은 45∼70°범위를 주로 사용한다.
(2) 측정원리
초음파탐상기의 측정원리는 탐촉자에서 발진된 초음파가 피시험체 내부에 있는 경계층에 반사되어 들어오는데 소요되는 시간(t)과 강재의 초음파 전달속도(V)를 이용하여 탐촉자로부터 경계측까지의 거리(S)를 다음 식으로 추정하는 것이다.
S=1/2 ·V·t
측정된 거리는 수직탐촉자를 사용한 경우 강부재의 두께가 되고 사각탐촉자를 사용한 경우
경계면(공극 또는 균열로 인한 강재 내부의 불연속면)까지의 거리이다.
(3) 초음파 전달속도
강재에서 초음파 전달속도는 에 나타낸 것과 같이 초음파의 모드에 따라서 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 탐촉자에서 발진하는 초음파의 모드는 파의 진행방향과 매질의 진동 방향이 같은 종파이고, 초음파는 강재의 종류에 따라서 다르지만 약 5,900m/sec의 속도로 전달된다. 따라서 수직탐촉자를 사용하는 경우에 종파의 전달속도를 적용한다. 종파로 발진한 초음파가 강재표면에 직각이 아닌 경사각으로 입사하게 되면 초음파가 모드변환을 하게 되어 횡파로 전달되게 된다. 횡파의 전달속도는 강재의 경우 약 3,200m/sec이다. 따라서 사각탐촉자를 사용하는 경우에는 횡파의 전달속도를 적용한다.
(4) 초음파의 전달경로
초음파는 탐촉자의 입사각에 따라서 물체 내부에서 과 같이 전달된다. 수직탐촉자를 사용하는 경우 초음파는 입사면에 직각방향으로 입사하여 반사면에서 반사되어 수신되므로 전달 경로는 (가)와 같다. 이때 초음파의 전달거리는 탐촉자와 반사면 사이의 최단 왕복거리이므로 강부재의 두께의 두배가 된다. 사각탐촉자에서 발진한 초음파는 입사각에 따라서
3>(나)와 같이 전달되어 반사면 또는 경계면에 반사되어 수신된다.
(5) 적용법위
강재 초음파탐상법의 적용범위는 탐사기의 성능과 탐촉자의 주파수에 따라서 결정하여야 한다.
강재의 두께측정에서는 수직탐촉자를 사용하고 용접부의 조사 및 균열조사는 사각탐촉자를 사용한다. 사각탐촉자의 입사각도는 강재의 두께를 고려하여 결정한다.
(6)측정방법
강재 초음파탐상법에 의한 조사에서는 다음과 같은 한국산업규격과 그 부속서에 있는 시험방법 에 따라 측정을 실시한다.
① KS B 0536 초음파 펄스 반사법에 의한 두께 측정 방법
② KS B 0817 금속재료의 펄스반사법에 따른 초음파탐상 시험방법 통칙
③ KS B 0896 강 용접부의 초음파탐상 시험방법 및 시험결과의 등급 분류방법
(7)두께측정
초음파탐상법으로 육안으로 측정이 불가능한 강부재의 두께를 측정할 수 있다. 측정하고자 하는 강재의 두께보다 약 3∼5배 정도 크게 측정범위를 설정한다. 강재의 종파 전달속도를 입력한 다음 접촉매질을 바른 수직탐촉자를 측정점에 갖다 대면 탐사기 본체에는 와 같은
반사신호가 나타난다. 는 측정범위를 강재의 두께보다 5배 크게 설정한 경우 수신된
신호를 나타낸다.
화면에 표시된 여러개의 신호중에서 초기신호는 탐촉자에서 발진된 초음파가 입사면에 반사된 신호이므로 무시한다. 초기신호 이후에 나타난 신호들이 초음파가 입사 후 반사면에서 반사되어
수신된 신호이다. 초기신호 이후에 나타난 첫 번째 반사신호에 해당하는 초음파 전달속도 또는 전달거리를 사용하여 강재의 두께를 측정할 수 있다.
두께측정에서 수신된 신호
(8) 용접부 조사
측정하고자 하는 강부재의 두께, 용접이음의 종류, 사각탐촉자의 입사각 등을 고려하여 탐사기의 초기값을 설정하고 교정을 실시한다. 강부재의 두께와 사각탐촉자의 입사각을 사용하여 1/2 스킵(Skip) 거리를 산정한다. 여기서 1/2 스킵거리란 에 나타낸 것과 같이 입사각을 갖고 발진한 초음파가 전달경로를 따라서 반사면에 1회 반사되었을 때 탐촉자와 반사면의 반사점까지의 수평거리를 나타낸다.
용접 중심선을 기준으로 1/2 스킵거리와 1 스킵거리를 강부재의 표면에 표시한다. 한국산업 규격 KS B 0896의 부속서 2에 규정된 지그재그 및 목놀림 주사법을 사용하여 과 같이 조사부위를 탐촉자로 주사한다. 주사하면서 탐사기 본체에 나타나는 파형을 분석하여결함의 위치를 찾는다.
지그재그 주사방법
다. 염료침투법
염료침투법(Liquid Penetrant Testing)은 그 원리가 비교적 간단하면서도 표면의 균열, 결함, 불연속 등의 검출에 효과적인 비파괴검사법이다. 염료침투법은 적용범위가 넓고, 경제적이며 전문적인 기술이 필요없는 시험법이다. 염료침투법의 단점은 물체표면에 있는 결함 또는 불연속면의 검출 이외에 결함의 공간적인 정보를 얻기는 어렵다는 것이다.
염료침투법에 의한 표면결함 검출방법의 원리와 검사법은 다음과 같다.
(1) 침투액이 결함부위에 잘 스며들 수 있도록 조사할 물체 표면을 기계적 또는 화학적인
제거제를 사용하여 기름, 수분, 다른 오염물질을 청소한다.
(2) 분무기를 사용하여 침투액을 조사 위치에 분사하고 침투액이 모세관현상 또는 표면 습윤 현상에 의해 결함부에 스며들도록 한다.
(3)일정 시간이 경화한 후 침투액을 닦아내고 현상제를 물체표면에 분사한다. 침투액을 제거 하는 방법으로는 수세법, 유화제법, 용제법 등을 적용한다.
(4) 물체표면이 건조되면 결함이 있는 부위에 스며든 침투액과 현상제의 반응으로 인하여 결함 부위를 육안으로 확인 가능하게된다(FIg. 7 참조)
염료침투시험법 결과
라. 자분탐상법
자분탐상법(Magnetic Particle Examination) 은 염료침투시험과 같이 물체의 표면이나 표면 부근의 결함검출에 적용된다. 자분탐상법의 원리는 물체표면에 있는 불연속면으로 인한 자기장의 변화를 결함검출에 이용하는 기술이다. 이 검사법은 비교적 복잡한 형상을 갖는 강구조물의 구조상세를 조사할 수 있으며, 작은 결함 똔는 균열의 검출이 가능하고 경제적인 비파괴
검사법이다. 단점으로는 자기장을 형상하기 위하여 고압의 전류가 필요하며, 물체표면 아래에 있는 작은 결함은 검출하기 어렵다는 것이다.
자분탐상법에 의한 결함 검출방법은 다음과 같다.
(1) 조사할 물체의 표면을 자분이 자유롭게 움직일 수 있도록 청소한다. 조사할 물체표면에 자기장을 발생시키고 미세한 분말 상태의 자분을 뿌리거나 불어낸다.
(2) 균열을 탐지하기 위해서는 균열이 자기장에 대해 거의 횡방향으로 정렬되어 있어야 한다. 이러한 이유로 자기장을 예상되는 결함형성 방향에 수직방향, 또는 여러 방향으로 정렬시켜야 한다.
(3) 시험부의 표면에 위치시킨 두 개의 전류-전달 구리막대를 사용하여 국부적으로 자성화
시킨다. 이 막대는 각 접촉점에 원형 자장을 형성하고, 이들 사이에 전류가 흐를 때 자기장
에 수직한 표면결함을 자분을 사용하여 탐지한다. 막대를 조사할 구조물 또는 일부분으로 이동시키면, 어느 방향에서의 결함도 발견이 가능하다.
자분탐상법의 장점은 휴대성이 좋고 시험에 최소한의 기술이 요구되며, 미세균열도 발견할 수 있다는 점이다. 물론 적용할 수 있는 재료 및 발견할 수 있는 결함의 형태는 한정된다. 또한
국부적으로 적용하는 경우, 조사 부분에 자성 상태를 남긴다는 추가적인 제약사항이 있는데 일반적인 강구조물에서는 큰 문제가 되지 않는다. 그러나 용접과 같은 후속작업에 방해가 될 수도 있기 때문에 상당한 시간과 비용을 통하여 검사부위의 자성을 제거시켜야 하는 경우가 있다. 자분탐상법에 의한 결함 검출방법은 한국산업규격인 KS D 0213에 규정되어 있다.
마. 와상전류법
와상전류법(Eddy Current Examination)은 그 원리가 자분탐상법과 매우 유사하며, 정밀한
자기장의 변화를 감지할 수 있는 센서의 개발과 함께 비교적 최근에 실용화된 비파괴검사법이다. 와상전류시험법은 조사하고자 하는 물체에 자기장이 아닌 전기장을 교란시켜 결함을 검출하는 것이 자분탐상법과 다른 점이다.
이 방법에는 교류를 전달하는 코일이 전도체 주위에 와상전류(Eddy Current)를 발생시킨다. 전도체 와상전류는 여자(Exciting) 또는 독립 탐지 코일에서 전도체 및 여자 코일의 성질, 전류의 주파수 및 크기, 전도체의 불연속성 유무에 따라 달라지는 임피던스를 발생시킨다. 따라서 이 방법은 조사하려는 물체의 표면에 코일을 장치하며, 결함은 계측장치가 읽어 들이는 임피던스의 변화를 통해 조사하며, 조사결과는 일번적으로 도표화한다.
와상전류법의 결과는 물체의 기하학적 형상에 크게 영향을 받으므로 간단한 형상에 대해서만 조사할 수 있다는 것이 이 방법의 단점이다. 복잡한 형상은 임피던스값 자체를 변화시키기 때문에 유용성이 제한될 뿐만 아니라 자분탐사법처럼 전도체만을 조사대상으로 할 수 있으며, 페인트와 같은 여러 가지 표면조건에 둔감하다는 단점이 있다. 그러나 물체표면으로부터 깊은 곳에 존재하고 있는 결함을 검출할 수 있으며, 진동수를 적절히 조절함으로써 표면조사만을 할 수도 있다. 결함의 크기 또한 조사 지역의 결과로부터 측정될 수 있다.
바. 음향탐사법
음향탐사법(Acoustic Emission Monitoring)은 물체의 균열 또는 국부적인 파단으로부터 방출되는 응력파(Stress Wave Emission)를 센서로 검출하는 기법으로서 다른 비파괴검사법이 신호
를 발생시키고 그 응답을 분석하는 것과 다르게 피동적으로 신호를 수신하여 결함을 검출하는 비파괴검사법이다. 음향탐사법은 실시간으로 결함의 진원지와 결함의 상태를 추적할 수 있으며, 국부적인 결함의 검출 이외에 전체 구조물의 상태를 모니터링할 수 있는 장점이 있다.
음향탐사법의 단점으로는 안정화된 결함, 즉 진행이 멈춘 균열 등은 검출할 수 없으며, 센서의 감도에 따라 결함의 검출결과가 좌우된다. 또한 음향방출이 구조물의 여러구조상세를 따라 전달
될 때 결함의 정확한 위치를 찾기는 어려우며, 이러한 경우에는 초음파탐상법과 같은 국부적인 결함검출법을 병행하여야 한다. 에는 음향탐사법에 의한 강구조물의 결함검출 개요를 나타내었다.
3. 비파괴검사법의 적용
앞절에서 기술한 바와 같이 비파괴시험법을 이용하여 검출할 수 있는 강구조물의 결함 및 손상은 내부균열(위치, 깊이, 폭), 피로균열, 내부공극, 용접부 결함 등이며, 대표적인 비파괴검사법으로는 방사선투과법, 자분탐상법, 와상전류법, 염료침투법, 초음파탐상법, 음향탐사법 등이 있다.
4. 비파괴검사 기준
우리나라의 강구조물 비파괴검사 기준은 본고에서 언급한 바와 같이 한국산업규격(KS규격)에 일부 규정되어 있으나, 이는 외국의 기준을 거의 원용하고 있는 실정이다. 과거에 비하여 비파괴검사의 필요성이 높아지면서 다양한 비파괴검사에 세부적인 기준도 마련되리라 생각된다. 본고에서는 강구조물 비파괴시험법에 관련된 미국 ASTM의 비파괴시험법을 소개하였다
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