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비파괴검사기술을 활용한 안전성 확보방안

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카테고리NDT관련
등록일2016-03-18 09:28:20
작성자게시판관리자
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비파괴검사기술을 활용한

안전성 확보방안







안전기술지원국

비파괴검사팀

이 광 길







1. 개요




비파괴검사(Non-Destructive Examination : NDE)란 재료나 제품의 원형과 기능에 변화를 주지 않으면서 결함을 찾아내어 재료나 제품 등을 평가하는 검사방법을 말한다.

비파괴검사는 생산설비 가동시의 안전확보, 제품의 품질관리, 기계․기구 및 설비의 수명평가 등 여러 분야에서 다목적으로 활용되고 있다. 결함은 재료의 사용이나 구조에 막대한 영향을 미칠 수 있다. 이러한 결함을 찾아내기 위해 여러 가지 방법이 이용되며 현장여건이나 찾고자하는 결함의 위치, 모양 등에 따라 검사방법이 결정된다.

일반적으로 검사대상품의 내부나 외부에 있는 결함을 찾기 위해서 초음파를 이용한 초음파 탐상검사나 X선 등 방사선물질의 투과능력을 이용한 방사선투과검사 등이 이용되고 있다. 표면에 열려있는 결함만을 검출하고자 할 경우에는 침투탐상검사를, 표면 및 표면 직하의 결함을 검출하고자 할 경우에는 피검체의 자화되는 성질을 이용한 자분탐상검사 등이 이용된다.




이와 같이 피검체의 특성, 결함의 위치 및 종류, 제품의 사용목적 등에 따라 적절한 비파괴검사방법을 적용하여야 하며 신뢰도를 높이기 위해 두 가지 이상의 방법이 사용되기도 한다.







2. 비파괴검사의 목적




가. 신뢰성 향상




오늘날의 생산설비들은 대형화, 고마력화, 고압화, 고속화등이 급속히 추진되고 있어 설비의 규모 및 위험도, 투자금액 등이 증대하고 있다. 따라서 안전확보 차원은 물론 설비보존 차원에서도 설비의 안전성이 중요한 문제로 대두되고 있다.




설비의 안전성을 확보하기 위해서는 우선 설비를 구성하고 있는 재료나 부품의 신뢰성을 향상시켜야 된다. 신뢰성 향상을 위해서는 완전무결을 추구함이 이상적이나 완전무결한 재료는 기대할 수 없고 가공 또한 완전무결을 기대할 수 없다. 따라서 어느 정도의 결함은 필수적이라 할 수 있다.

그럼으로 재료, 부품, 구조물 등에 어느 정도의 결함이 포함되어 있는지 확인하여 그 사용목적을 충족시킬 수 있는지 판단하여야 한다. 이 판단의 정보를 제공하는 것이 비파괴검사이다. 각각의 목적에 맞추어 적절한 비파괴검사방법을 선별하여 적용함으로서 건전성을 확인하고 개선하여 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.




나. 제조기술의 향상 및 개선




앞에서 말한 바와 같이 비파괴검사 결과를 분석, 검토하여 생산품의 제조조건을 수정․보완하여 제품의 질 향상을 추구할 수 있다. 예를 들면 주조품을 만들 경우 만들어진 제품에 방사선투과검사 등의 비파괴검사를 실시하여 결함의 종류, 크기, 위치, 경향 등을 면밀히 분석함으로서 쇳물을 부어넣는 위치나 높이 등을 개선하여 양질의 제품생산이 가능한 주조방안을 마련할 수 있다. 이와 같이 비파괴검사를 적용함으로서 제조 방법 및 기술을 개선하여 품질을 향상시킬 수 있다.




다. 제조원가의 절감




제조공정에서 적정한 시기에 적절한 방법의 비파괴검사를 실시하여 불량품을 조기에 발견하고 개선함으로서 공수와 시간을 절약할 수 있다. 이는 질병을 조기에 발견하여 조기에 치료하는 것과 같은 이치이다.

예를 들어 높은 압력으로 사용되는 용기의 제작을 위해 두께 200㎜의 강판을 용접한다고 가정 해보자. 용접을 완료한 후 용접부를 검사하여 발생된 결함을 제거한다면 용접에 소요된 시간이 무위로 돌아가고 더 많은 보수시간과 노력이 소요된다.

그러나 중간단계에서 검사를 하게되면 조기에 결함을 발견할 수 있고 용이하게 결함을 제거할 수 있어 노력과 시간을 절감, 제조원가를 줄이는 효과를 가져오게 된다. 산업안전보건법에 의한 압력용기의 제작중 검사는 이러한 목적을 달성하기 위해서 도입․시행되고 있다.










3. 비파괴검사의 종류




가. 내부결함 검출을 위한 비파괴검사




(1) 방사선투과검사(RT)

방사선 투과검사는 방사선의 조사방향에 수평으로 놓여 있는 결함 검출능력은 우수하나 방사선의 조사 방향에 수직으로 놓여있는 결함(Lamination)이나 기울어져 있는 균열 등은 검출되지 않는다. 그러나 필름을 판독할 수 있어 결함의 종류, 형상 등의 판별이 용이하고 기록성과 보존성이 탁월하다.




(2) 초음파탐상검사(UT)

방사선투과검사에 비해 균열 등 면상결함의 검출능력이 우수하고 적은 비용우로 미세한 결함의 발견이 가능하다. 그러나 초음파가 균열면에 수직으로 입사할 수 있도록 탐상조건을 설정하여야한다.




나. 표면결함 검출을 위한 비파괴검사




(1) 장비나 보조기구 등을 이용한 육안검사(VT)

내시경, 확대경, 거울, 전용 게이지 등을 사용하거나 육안으로 균열, 오버랩, 기공 등의 유무, 용접부 돋움살의 높이, 언더컷의 깊이 등을 관측하거나 측정할 수 있다.




(2) 자분탐상검사(MT)

표면이나 표면직하의 결함검출이 가능하나 강자성 재료에만 적용할 수 있다.




(3) 침투탐상검사(PT)

적용이 간단하고 용이하며 저렴하게 검사할 수 있으나 표면으로 열려있는 결함만 검출할 수 있다. 금속재료나 비금속재료에도 적용이 가능하나 주위 온도의 영향이 크므로 동절기에는 사용조건을 고려하여 적용해야 한다.




(4) 와전류탐상검사(ECT)

피검체와 접촉하지 않고 도체의 표층부를 고속으로 탐상할 수 있기 때문에 봉이나 관 등 긴 재료의 자동 탐상에 주로 사용된다.










다. 기타




(1) 변형량 측정

구조물의 안전성은 외력을 가한 상태에서 응력을 측정하여 평가한다. 그러나 응력을 직접 측정할 수는 없음으로 응력과 변형량이 비례함을 이용, 구조물의 변형량을 측정하여 응력을 구하고 응력을 이용하여 안전성을 평가한다.




(2) 누설시험

시험체의 내부와 외부의 압력차를 이용하여 유체가 결함을 통해 흘러 들어가거나 흘러나오는 것을 감지하는 방법으로 압력용기검사, 배관검사 등에 사용된다.







4. 결함이 강도에 미치는 영향




가. 노치와 응력집중




비스켓을 자를 때 골이 진 부분으로 비스켓이 잘라지는 현상을 누구나 경험하였을 것이다. 공학적으로 비스켓의 골과 같이 단면적이나 형상이 급변하는 부위를 노치(Notch)라 한다. 이와 같은 노치의 밑(최소 단면적을 가지는 곳)에는 노치를 생각하지 않고 계산한 값(공칭응력)보다 큰 응력이 작용된다. 이 현상을 응력집중이라 하며 노치에 의한 응력집중을 노치효과라 한다.

노치 밑의 응력과 공칭응력과의 비를 응력집중계수라 하며 응력집중계수는 재료나 치수에 무관하고 형상에 의해 정해진다. 탄성의 계산 또는 실험(광탄성실험, 전기저항변형율 측정 등)에 의해 구할 수 있다. 비파괴검사로 찾아낸 결함은 대부분이 노치이며 결함부에 응력이 집중되어 구조물의 강도를 저하시키는 원인이 된다.




나. 결함의 종류와 유해도




결함이 있는 구조물의 강도저하 형태는 그 결함의 형상과 방향에 따라 달라질 수 있다. 기공과 같은 둥근 형태의 결함은 주로 단면적의 감소로 인한 강도 저하를 초래하게 된다. 결함의 크기나 종류가 같더라도 표면에 있는 결함이 내부에 있는 결함보다 더 유해하다. 예를 들어 용접부 표면의 언더컷이나 돋움살의 끝부분은 응력이 집중되어 매우 취약하게 된다. 그럼으로 중요한 용접부위에는 돋움살을 제거하고 언더컷이 생기지 않도록 심혈을 기울여 용접을 하고 있다.




다. 재료의 강도




재료에 응력이 작용되면 변형이 일어난다. 응력이 작은 구간에서의 변형을 탄성변형이라고 하며 응력을 제거하면 원형으로 복귀된다. 응력이 커져서 탄성한계를 초과한 변형을 소성변형이라고 하며 응력을 제거해도 영구변형이 남는다. 따라서 응력이 커지면 커질수록 변형도 커져 결국 파괴에 이르게 된다. 즉, 응력이 원인이 되어 그 결과로 파괴가 일어나는 것이다.







5. 안전확보방안




소재결함이나 용접결함 등은 치명적인 사고의 원인이 될 수 있다. 따라서 유해․위험기계기구의 검사시 비파괴검사 부위 및 방법, 판정기준 등을 구체화하여 결함을 사전에 발견, 제거하여 안전성을 확보하고자 한다.

갑종 압력용기는 제작중 검사시 맞대기 용접부 전체길이의 20%이상에 대하여 방사선투과검사를 실시토록 하고, 필름판독후 확인이 필요한 경우 초음파탐상 등을 실시할 계획이다. 개구부(맨홀, 노즐 등) 등의 부품을 부착하는 용접부에 대해서는 사업장에서 자체적으로 실시한 비파괴검사 보고서를 확인하고, 필요시 용접부 길이의 20% 이상에 대하여 자분탐상, 초음파탐상, 침투탐상 등을 선별하여 실시할 계획이다.




을종 압력용기는 최종 내압검사 단계에서 맞대기 용접부(동체와 동체, 동체와 경판의 이음부 등)와 필렛 용접부(노즐)에 대하여 용접부 길이의 20% 이상에 대하여 침투탐상을 실시할 계획이다. 천장크레인 및 갠트리 크레인의 거더, 새들 등 용접이음부는 용접이음 효율 적용에 따라 용접부 전체길이의 20% 이상에 대하여 방사선 투과 시험을 실시토록 되어 있는 바, 비파괴검사 보고서를 확인 후 완성검사시 필름을 판독할 계획이다. 또한 필요시 거더와 새들 연결부(거더, 웨브 부위 포함) 전체 용접길이의 20% 이상에 대하여 초음파탐상 등의 비파괴검사를 실시할 계획이다.

타워크레인 및 지브크레인의 기초앵커(설계검사를 받은 사업장 이외의 사업장에서 제작한 것)에 대해서는 침투탐상, 자분탐상 등의 보고서를 완성검사시 제출(기초 앵커의 후렌지 측면에 제작번호를 각인토록 하고 보고서 검토시 제작번호를 확인)받고 있으며이상 징후 발견시 기초앵커(구조물)의 볼트체결용 후렌지 이음부, 마스트의 볼트 체결부 등에 비파괴검사 방법을 선별하여 실시할 계획이다.







리프트의 피니언 및 피니언 축은 기계가공 후 초음파탐상, 자분탐상, 침투탐상 등을 실시하고, 최초 완성검사시 비파괴검사를 실시할 계획이며 제조 일로부터 5년 이상 경과된 리프트는 완성검사시 피니언 및 피니언 축에 대하여 초음파탐상, 침투탐상 등을 전량 실시 할 계획이다. 프레스는 성능검사시 후레임, 램, 실린더 등에 대하여 20% 이상의 비파괴검사를 실시할 계획이다. 비파괴검사 결과의 판정은 특성상 개인차가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 ISO(International Standard Organization), ASNT(American Society for Non-destructive Test) 등에서는 비파괴검사원의 자격관리에 대한 권고기준을 제정하였다. 우리공단도 이들 국제적인 권고기준에 의해 비파괴검사자격운영지침을 제정하여 시행하고 있다. 비파괴검사 기술인력의 철저한 관리를 위해 주기적으로 비파괴검사원의 양성과 보수교육을 실시할 수 있도록 산업안전교육원에 정규교육과정의 개설을 검토 중이다. 비파괴검사 장비활용 능력을 배가시키기 위해 오는 2월부터 2개월간에 걸쳐 전 검사원을 대상으로 실무교육이 실시될 예정이다. 교육은 자격보유종류 및 등급별로 구분하여 실시되며 교육중 평가를 실시하게 된다. 또한 하반기에는 비파괴검사원자격운영지침에 의거 양성교육실시 후 평가를 거쳐 자격을 부여토록 할 계획이다. 검사시 마다 활용해야되는 방사선투과검사 및 초음파탐상검사에 대한 자격을 모든 검사원이 취득토록 추진하여 1인 2자격 이상을 획득하도록 추진할 예정이다.







6. 결론




비파괴검사기술을 활용한 유해․위험기계․기구의 근원적인 안전성 확보방안으로 위험기계․기구에 적합한 비파괴검사 기준 및 기술을 개발․보급하여 누구나 활용할 수 있도록 하여야 하겠다.

동력기계와 압력용기의 비파괴검사에 대한 실용연구 및 기술을 개발하여 비파괴검사의 활성화를 기하여야 하겠으며 설비의 상태를 정확히 진단할 수 있는 기술을 습득․개발하여 설비의 상태(위험도)에 기초한 검사의 주기 및 방법을 달리 적용할 수 있도록 하여야 된다고 본다. 또한 유지보수 방법이나 기간 등을 적의 조정할 수 있도록 설비에 대한 정확한 결과를 알려줌으로서 경제적이고 과학적인 정비가 이루어질 수 있도록 하여 사업장에 실질적인 도움을 주어야 하겠다.