초음파 탐상 시험 장비구성 측정원리 평가방법

개요

초음파 탐상 시험은 강재 토목구조물에 내부 결함을 찾아내기 위해 재료 내에서 소리의 파동 특성을 이용한 시험방법이다. 기계 진동 행태의 고주파 음파를 시험할 부분으로 쏘면 재료를 통과하는 음파는 결함부 또는 외측 표면에 부딪치게 되다. 그러면 음향 진동은 반사가 되고 반사 신호의 성질은 반사 표면의 위치와 형태를 표시하게 된다. 표준 측정장비는 음파 생성기, 수신장치와 초기파 및 반사파가 나타나는 표시 화면 등으로 구성된다.

이 시험법의 장점은 휴대성 민감성 균열의 위치 또는 결함의 깊이를 발견할 수 있는 능력이 있다. 화면의 사진기록을 만드는 것이 가능하고 현장관측자료를 이후의 컴퓨터 처리와 보고서 작업에 적당한 형식으로 저장하는 장비의 사용이 가능하다. 초음파 검사로는 금속의 조직 크기(Grain Size)나 다른 방법으로는 관찰할 수 없는 작은 결함을 볼 수 있으나 이 방법으로는 표면 결함을 잘 찾아낼 수 없다. 또한 조작기술에 의해 결과의 신뢰성이 변화한다는 단점도 가지고 있다.

장비구성

초음파 탐상 시험을 하기 위해서는 피검사체에서의 초음파 모드 변환, 속도, 감쇄 등과 같은 기본적인 초음파 특성을 파악하고 있어야 한다. 초음파가 각도를 가지고 입사하면 초음파의 모드 변환이 일어나며, 초음파의 모드 변환에 따라 초음파의 속도 및 감쇄도 변하게 된다. 이특 성들은 초음파 탐상 시험을 하는 경우 탐촉자 선정 및 표준 시험 편 선정 등에 영향을 준다.

·탐촉자

탐촉자는 초음파의 입사방향에 따라서 수직 탐촉자(Straight Beam Probe)와 사각 탐촉자(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 2~10 MHz이며, 사각 탐촉자의 경사각은 45~70° 범위를 주로 사용한다.

측정원리

측정된 거리는 수직탐촉자를 사용한 경우 강부재의 두께가 되고 사각 탐촉자를 사용한 경우 경계면(공극 또는 균열로 인한 강재 내부의 불연속면)까지의 거리이다.

초음파는 탐촉자를 통하여 시험체 내부로 전달되며, 동일 매질(시험체)에서는 직진 하지만 다른 매질(결함)과 접하는 계면에서는 각 매질의 물리적 상태 및 성질(음향 임피던스)의 차이에 의하여 반사 또는 굴절된다. 이 중 반사하는 초음파를 탐촉자가 수신하여 탐상기 CRT상에 펄스 신호 형태로 결함 지시를 나타내며 이 신호를 분석하여 결함의 위치, 종류, 크기 등을 측정한다.

초음파전달속도

강재에서 초음파전달속도는 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 수직 탐촉자를 사용하는 경우에 종파의 전달 속도를 적용한다. 종파로 발진한 초음파가 강재 표면에 직각이 아닌 경사각으로 입사하게 되면 초음파가 모드 변환을 하게 되어 횡파로 전달되게 된다. 횡파의 전달 속도는 강재의 경우 약 3,200m/sec이다.

따라서 사각탐촉자를 사용하는 경우에는 횡파의 전달 속도를 적용한다.

초음파의 전달경로

초음파는 탐촉자의 입사각에 따라서 물체 내부에서 전달된다. 수직 탐촉자를 사용하는 경우 초음파는 입사면에 직각방향으로 입사하여 반사면에서 반사되어 수신되는 전달 경로를 갖는다. 이때 초음파의 전달 거리는 탐촉자와 반사면 사이의 최단 왕복거리이므로 강부재 두께의 두 배가 된다. 사각 탐촉자에서 발진한 초음파는 입사각에 따라서 전달되어 반사면 또는 경계면에 반사되어 수신된다.

결함분석 및 평가 방법

초음파 탐상 시험은 펄스 반사법을 이용한 수직 법(두께 측정)과 사각 법을 사용, 결함과 균열의 존재 유무를 확인하여 그것의 위치, 깊이, 길이를 측정하는 것으로 KS B-0817(금속재료의 펄스 반사법에 따른 초음파 탐상 방법)를 기준으로 적용하였다.

① 초음파를 시험체 표면에 경사지게 전파시킬 경우에는 경사 아크릴 쐐기받침을 사용하여 초음파를 전달시킨다.

② 다음의 경우에는 방사선 투과시험 대신에 초음파 탐상 시험을 할 수 있다.

·방사선 투과시험 후 필름 상으로 판독이 어려운 경우

·충분한 자료를 가지고 있는 경우

③ 교량검사에 비교적 널리 사용되며, 내부 및 표면 결함 탐지에 적용한다.

④ 탐상절차는 장비조작→ 표면처리→접촉 매질 적용→탐상→지시치 판독 순으로 적용한다.

결함위치 측정방법

① 시험체에 초음파 빔을 일정 각도로 입사시킨다.(θ : 장비보정 시 측정한 초음파 입사각)

② 반사신호의 전파시간을 측정한다.(t : 탐상기에서 실시간 측정)

③ 시험체의 재질에 대한 초음파 속도(v)를 탐상기에 입력한다.

초음파의 전파거리(w)=vxt

결함까지 수평거리(Y) = WXsinθ

결함길이 측정방법

결함이 있는 부분에서는 에코(파형)의 움직임이 시작되며 결함의 중심 부분에서 최고점을 나타나게 된다. 이때 최고점을 중심으로 탐촉자를 결함이 진행방향 전·후로 움직이면 CRT상에서는 전·후방 각각 최고 에코(파형) 높이의 1/2이 되는 에코가 나타난다. 이 지점은 결함의 시·종점이 되며, 시·종점의 간격을 추정함으로써 결함의 길이를 측정한다.