실증 시편을 이용한 초음파 결함 크기 측정



박문호, 방희송, 박기성, 이택수, 김기현

(한전기공주식회사)




Ultrasonic Flaw Sizing Using Performance Demonstration Specimens


Moon Ho Park, Hee Song Bang, Ki Seung Park, Tack Soo Lee, Ki Hyun Kim

(Korea Plant Service & Engineering Co. Ltd)







Abstract







It is not easy for examiners to detect and eval‎uate the flaws such as the thermal fatigue cracks and intergranular stress corrosin cracks in pipings which were installed in nuclear power plant without special concerns and attentions due to weld configurations and characteristics. For the exact detection and eval‎uation of the flaws such as thermal fatigue cracks and intergranular stress corrosin cracks in performance demonstration specimens, in this paper, several ultrasonic techniques including ultrasonic mode conversion technique were introduced in details and the result of flaw sizing using several ultrasonic techniques was compared by experiment.




1. 서 론







원자력발전소의 열성층화 배관에서 발생하는 열 피로균열[1] 및 입계응력부식균열(IGSCC : intergranular stress corrosion cracking)은 열영향부(HAZ : heat affected zone) 근방에서 발생하기 때문에 용접부 루트(root) 및 counterbore와 같은 용접부 형상으로부터 발







생하는 지시들로부터 실제 균열 결함 검출이 어렵다[2]. 그러나, 이러한 균열은 배관 직경 크기 및 용접 후 잔류 응력에 영향을 받아 일반적으로 균열의 위치 및 형상을 대략적으로 짐작할 수 있다. 즉, 배관의 직경(4“～12”)이 작고 두께가 얇을수록 잔류 응력이 Fig. 1과 같이 인장 응력이 지배적으로 작용하므로 균열은 깊고 열린(deep and open) 형태로 용접부 루트에서 멀리 위치하여 발생하고, 상대적으로 배관의 직경이 크고 두꺼울수록 Fig. 2와 같이 균열이 작고 좁은(shallow and tight) 형태로 용접부 루트 근처에서 발생[3]한다. 또한, 이러한 배관에 대한 초음파검사는 배관의 재질 및 용접부의 조직 등에 따라 초음파의 특성이 다르므로 검사 전에 충분한 검토와 분석이 필요하다. 따라서, 본 고에서는 초음파를 이용하여 결함 검출 및 크기 측정이 어렵다고 일컫는 오스테나이트 스테인레스강 (austenitic stainless steel) 배관의 균열 결함에 대하여[4] 여러 가지 초음파검사 기법을 사용하여 결함 검출 능력 및 결함 크기를 측정하였다. 단, 기본적인 초음파검사기법 적용 기본 실험은 탄소강의 시편을 이용하여 결함 크기 등을 측정하였다.



Fig. 1 Anticipated residual stress distribution for thin section weld






Fig. 2 Anticipated residual stress distribution for thick section weld













2. 결함 검출 및 크기 측정의 기본 원리




결함의 특성은 결함의 위치, 방향 및 크기에 따라 결정되므로 시험체의 재질 및 두께에 따라 적절한 탐촉자를 선택하여 초음파의 지시(indication) 신호를 확인․분석하고 실제 결함이라고 판단되는 지시에 대하여서는 지시의 깊이 방향 크기(through wall dimension)를 초음파 모드 변환(30-70-70)을 이용한 방법과 결함 선단 회절에 의한 방법인 PATT(pulse arrival time technique), SPOT(satellite pulse observation technique), HALT(high angle longitudinal wave technique) 및 델타(delta) 방법 등을 사용[5,6]하여 각각의 방법에 대한 결함 검출 능력과 크기 측정을 탄소강 시편을 통해 수행하였다, 또한 이러한 방법들을 ASME Section XI Appendix VIII의 실증 시편인 오스테나이트 스테인레스강 재질의 배관에 적용하여 각 방법별 결함 검출 능력과 결함 크기를 측정․비교하였다.




2-1. 신호 진폭에 의한 측정 방법

(amplitude-based method)



초음파신호 진폭의 크기에 근거한 결함 크기 측정하는 방법으로 일명 dB drop method이라고도 불리우며 일반적으로 미국의 ASME Section V[7] 및 Section XI[8]의 가동전․중검사(preservice/inservice inspection)에 주로 사용되어 왔다. 이 방법은 Fig. 3과 같이 결함 크기를 결함으로부터 반사된 초음파신호 크기와 측정하고자 하는 초음파신호 설정 레벨(최고 신호 높이로부터 아래로 6dB, 20% DAC 또는 50% DAC)까지 검사체 표면을 따라 탐촉자를 움직여 결함으로부터 반사되는 빔 노정거리(metal path) 차이를 이용하여 관계 식 (1)으로부터 결함 크기를 계산[9]한다.




H = ( X2 - X1 ) cosθ -------- (1)




여기서, H는 결함의 깊이 방향 크기, θ는 시험체 표면에서의 탐촉자 굴절각(angle of refraction) 및 (X2 - X1)은 빔 노정거리의 차이를 나타낸다. 이 방법은 실제 결함으로부터의 초음파 반사신호가 반사체 결함 면의 거칠기, 기울기, 결함을 구성하고 있는 재질의 음향 임피던스, 사용 탐촉자의 굴절각, 주파수 및 크기에 따라 측정의 변화가 있으며, 결함이 한 점(one point)이라 할지라도 탐촉자 이동거리는 초음파 빔의 유한한 폭 때문에 영이 되지 않는다[10].








Fig. 3 Illustration of various dB-drop

sizing method




2-2. 초음파 모드 변환(30-70-70)을 이용한

방법




한 개의 탐촉자로부터 Fig. 4과 같이 횡파, 종파 및 creeping wave를 발생시켜 균열 결함으로부터 반사되어 오는 초음파의 신호를 분석하여 결함의 크기를 시험체의 내면(I.D. : inside diameter)에서부터 외면(O.D. : outside diameter) 방향 즉 검사체의 표면 방향으로 shallow, mid-wall 및 deep 크기로 대략적으로 분류하는 방법이다.




이 방법은 횡파 30°의 초음파 빔을 시편 입사시켜 내면에서 반사되면서 발생되는 70°종파가 다시 균열 결함에 부딪쳐 70°종파로 되돌아오는 신호(30-70-70)를 이용하는 것으로 이 신호를 CE-1(collateral echo-1)이라고 표기하였으며, 횡파 30°발생 때에 생기는 direct 종파 70°에 의해 발생되는 신호를 direct L-wave, 시험체 내면을 따라 진행된 creeping wave에 의한 신호를 CE-2로 표기하였다.






Fig. 4 Scheme of ultrasonic field in a test specimen




이러한 신호들을 이용하여 시험편의 노치 크기 즉 깊이별 신호 평가를 수행하면 시험체 내면에서부터 shallow 노치 깊이에서 대하여서는 CE-2 신호만 검출되고, mid-wall 노치 깊이에 대해서는 CE-1과 CE-2 신호가 검출되고, deep 노치에서는 direct L-wave, CE-1 및 CE-2 신호 모두가 검출된다. 따라서, 30-70-70 모드 변환을 이용한 방법으로 결함의 존재여부 뿐만 아니라 결함의 크기도 대략적으로 시험체 두께의 백분율로 분류할 수 있다. 그러나, 이 방법은 시험체의 내면이 상대적으로 외면과 평행이어야 하며, 신호가 기대했던 CE-2 빔 노정거리의 약 1.6배에서 나타나면 내면에서 creeping wave가 발생하지 않는다[11].




2-3. 결함 선단 회절에 의한 방법

(tip diffraction method)




30-70-70 모드 변환 방법으로 검출된 대략적인 결함 크기를 정확하게 측정하기 위하여 균열 결함의 저면(base) 모서리와 선단의 회절 반사 신호를 이용하여 결함의 크기를 측정하는 방법으로 PATT(pulse arrival time technique 또는 pulse absolute transit time)와 SPOT(satellite pulse observation technique 또는 relative arrival time technique)이 있다[12,13]. 이 방법에서는 결함 선단 회절 신호 검출이 가장 중요하다.




2-3-1. PATT 방법



이 방법은 횡파와 종파 모두 사용할 수 있으며, 균열 결함의 저면 모서리에서 반사된 신호와는 관계없이 Fig. 5와 같이 균열 결함 선단의 회절 신호만을 화면에 위치시켜 상대적으로 결함 크기를 평가하는 것이다. 이것은 보정시험편(calibration block)에 가공된 각각의 노치로부터 얻은 결함 선단 회절 신호를 장비 화면에 미리 설정해 둔 상태에서 결함 신호 위치를 비교하여 결함 크기를 평가한다.



Fig. 5 Pulse arrival time technique







2-3-2. SPOT 방법




이 방법은 균열 결함의 저면 모서리 신호 및 선단 신호의 초음파 빔 노정거리 즉 시간 지연의 차이를 이용해서 Fig. 6과 같이 계산하여 균열 크기를 평가하는 방법과 보정시험편 노치 깊이(시험편 두께의 10%～90%)의 변화에 따라 발생되는 저면 모서리 신호와 선단 신호까지 떨어진 거리 즉 지연시간의 차이를 미리 측정해 두고 실제 결함에서 발생되는 저면 모서리 신호와 선단 신호까지의 시간 차이(간격)를 비교하여 결함의 크기를 평가한다. 이 때 두 신호간의 시간 차이가 크면 클수록 결함이 크기는 크다.






Fig. 6 Satellite pulse observation

technique




2-3-3. HALT 방법




이 방법은 Fig. 7에서 보는 바와 같이 입사각이 큰 70°종파, 60°종파 및 외면 creeper 85°탐촉자를 사용해서 시험체 두께의 50% 이상되는 크기의 deep 균열 결함 평가에 효과적인 방법[14]으로서 step wedge block을 이용하여 거리를 설정한 후에 결함 선단 신호를 검출하여 실제 균열 결함 신호와 비교하여 크기를 평가한다.



Fig. 7 High angle longitudinal wave

technique




2-3-4. 델타(delta) 방법



이 방법은 결함의 위치를 알고 있을 때 Fig. 8와 같이 고주파수의 송신용 사각 탐촉자와 수신용 수직 탐촉자를 사용하여 적용하는 기법으로 원리는 PATT와 동일한 방법[15]이다. 이것은 시험체의 내면으로 부터 결함의 깊이가 깊을수록 높은 진폭을 나타내며 종파 및 횡파 사용도 가능하다.



Fig. 8 Scheme of delta technique







3. 시편 및 실험 방법




3-1. 시편 및 장비




앞에 기술한 각종 초음파검사 방법 적용을 위한 기본적인 실험을 위해 Fig. 9 와 같이 가로 x 세로 x 두께가 420 x 30 x 35mm, 재질이 탄소강으로서 폭 0.3mm의 wire cutting을 한 깊이 2.5mm, 5mm, 7mm, 10mm, 15mm, 20mm 및 25mm인 노치를 가공하여 결함 선단에서의 회절파 검출 및 크기 측정에 사용하였으며, 이를 기초으로 하여 원자력발전소 기량검증에 사용되는 일명 ASME 코드 Section XI Appendix VIII 실증 시편이라고 불리우는 Sonaspection사의 오스테나이트 스테인레스강 배관의 균열 결함에 대한 초음파 신호 분석을 수행하였다. 이를 위해 사용된 장비는 미국 Staveley Instruments Inc.의 Sonic 137(S/N 137P1252004675)이다.



Fig. 9 Specimens containing different

size notches




3-2. 실험 방법




Fig. 9와 같은 시편을 사용하여 모드 변환(30-70-70)을 이용한 방법과 45도, 60도 및 70도 횡파 탐촉자를 이용한 결함 선단 회절에 의한 방법으로 회절 신호를 확인하고 각종 초음파 검사 방법 등을 숙지한 후, ASME 코드의 Sec. XI App. VIII 실증 시편에 적용하였다.







4. 결과 및 고찰



4-1. 초음파 모드 변환(30-70-70)을 이용한 방법




Krautkramer사의 WSY 70-2(S/N 56526

-2025), 주파수 2 MHz, 크기 0.375"의 원형 탐촉자로 30-70-70 모드 변환 신호를 발생시켜 결함에 적용하면 Fig. 10과 같이 결함 크기에 따라 신호 형상이 다르게 나타났다. 이 때 초음파 장비 화면상에 creeping wave 신호를 최대 크기로 설정한 후, 탐촉자를 결함으로부터 앞뒤로 이동시켜 신호 형상을 보고 결함의 크기를 대략적으로 결정하였다. 그러나, 실증 시편에서는 용접부 형상 때문에 counterbore 근처에 존재하는 결함에 대해서만 결함 검출 및 크기 측정이 가능하였으나, 용접부 root 근처의 결함에 대해서는 결함 검출이 되지 않았다. 이 것은 외면(O.D)과 내면(I.D)이 평행을 이루어야 적용할 수 있다는 것을 설명해 주고 있으며 EPRI 보고서에서는 외면과 내면의 각도 차이가 약 5도 이내이어야 한다고 기술되어 있다.



Fig. 10 Signal patterns of different size

notches from I.D. using mode

conversion (30-70-70) techniques




4-2 결함 선단 회절에 의한 방법




4-2-1. PATT 및 SPOT 방법



45도 횡파 탐촉자(Krautkramer S/N 0088M1, 0.375“, 2.25MHz)를 사용하여 Fig. 9 시편에 PATT 및 SPOT 방법을 적용하여 결함 선단에서의 회절파를 검출하여 노치 크기 측정을 한 결과, Fig. 11과 같이 실제 노치의 크기에 근접하게 측정되었다. 따라서, 균열 선단 회절파만 검출하면 결함의 크기를 정확히 측정할 수 있다는 것을 알 수 있었다.








Fig. 11 Comparison of measured notch size with actual notch size

(PATT & SPOT)




4-2-2. HDLT 방법




이 방법은 70°의 종파를 사용하여 균열 결함 크기가 큰(깊은) 것에 적용하는 것으로 본 실험에서는 Krautkramer사의 single element 탐촉자(S/N 005J3M, 5MHz, 3/8"원형)와 dual element인 FASTTM 탐촉자 Model Fast 3(70° 종파, 5MHz, 측정 범위 ; 0.5“～ 4”)을 사용하여 결함 신호 대 잡음 비(signal to noise ratio

)를 관찰한 결과, dual element의 FASTTM Model Fast 3 탐촉자를 사용한 것이 single element 탐촉자를 사용한 것 보다 신호 대 잡음 비가 향상되었다. 따라서, 실증 시편에서는 깊은 결함에 대해서 dual element의 FASTTM 탐촉자를 사용하여 결함 검출 및 크기 측정을 하였다.


4-2-3. 델타 방법




송신용 횡파 45°탐촉자(Krautkramer S/N 0088M1, 0.375“ 원형, 2.25MHz)로 초음파 장비의 화면 크기를 설정하고 0도 수직 탐촉자(Krautkramer S/N 008LTM, 0.375”원형, 2.25MHz)를 이용하여 수신한 결함 신호로 결함 크기를 측정을 한 결과, Fig. 12에 보인 바와 같이 델타 방법으로 측정한 결함 크기가 실제 결함 크기 보다 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 또한, Fig. 9 시편의 #6과 #7 결함에 대해서는 결함의 크기가 깊어서 측정에 사용된 두 탐촉자 wedge가 서로 맞닿는 접근한계로 결함의 크기 측정을 할 수 없었다. 따라서, 이와 같은 방법으로 깊은 결함을 측정할 때는 두 탐촉자의 wedge 크기를 최대한 작게하여 탐촉자 wedge의 접근 한계를 최소화하던지 또는 검사체에 입사되는 탐촉자 입사각을 조정하여 측정하여야 할 것이다.

.





Fig. 12 Comparison of measured notch size with actual notch size

(delta technique)







5. 결 론



열성층화 배관의 열 피로균열 및 입계응력부식균열 결함은 먼저 용접부의 형상을 충분히 검토한 후, 30-70-70 초음파 모드 변환 방법을 사용하여 균열 결함 크기를 대략적으로 shallow, mid-wall 및 deep 크기로 분류한 후에 결함의 크기 및 특성에 따라 여러 가지의 다른 초음파 검사 방법 등으로 균열 결함 크기를 정확히 측정하는 것이 바람직하다. 따라서, 정확한 균열 결함 크기 측정을 위해서는 균열 결함 선단에서 발생하는 회절파를 검출할 수 있도록 지속적인 노력과 개발이 이루어져야 할 것이다.




후 기




본 고는 과학기술부 원자력중장기 연구개발(과제명 : 가동원전 엔지니어링 서비스 기술개발)의 일환으로 수행된 것입니다.




참고문헌




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