51 연구논문 디지털방사선투과영상의정밀성평가에관한연구 박상기 *, 안연식 * 길두송 * * 전력연구원원자력발전연구소 An Assessment of the Accuracy for Digital Radiography Image Sang-Ki Park*,, Yean-Shik Ahn* and Doo-Song Gil* *Nuclear Power Laboratory Korea Electric Power Research Institute, Daejeon 305-760, Korea Corresponding author : skpak@kepri.re.kr (Received November 3, 2008 ; Revised December 22, 2008 ; Accepted April 7, 2009) Abstract Film based radiography imaging technique has been applied to the non-destructive test in medical, aircraft, and power industries contributing to the development of the industries. However, the complex process for imaging and analysis has increasingly demanded the reformation of the radiography test. A digital radiography imaging technologies has been com out from the demand. This study was mainly focused on the assessment on the accuracy for the each image from digital radiography test and film radiography test was proven to crate a better image in sensitivity than film radiography test. In the IQI (Image quality indicator) transmission test, one or two more line can be seen in digital image than in film image. When applying to the boiler tube weld, film image is detectable to the 1.0mm depth flaw; and digital image to the 0.5mm depth flaw. As a result of this study, digital radiography technology is determined to enhance the image quality, compared to film radiography technologies Key Words : Non-destructive test, Digital radiography, Welding inspection 1. 서론 용접작업은고온의열을가열하여용착금속을용융하여단시간에접합하는작업으로용접시공중결함이발생할가능성이높기때문에방사선투과검사를실시하여용접부내결함을검출하고있다. 화력발전소는수많은용접부로이루어져있으며이들중하나라도손상되면, 발전소를정지해야함으로안정적인발전소운전을위해서는용접부품질확보가필수적으로요구된다. 현재발전소용접부에대한방사선투과검사법은용접부에방사선을투과하여투과된방사선이필름을감광시켜잠상을얻게하고, 그필름을암실에서현상하여용접부에결함존재여부를확인하는방법을적용하고있다. 이러한방법은비용과시간이많이소요되고이제차츰사라져가는전환기에서있으며, 이를대체할시험법으로디지털방사선투과검사법이주목되고있다. 디지털방사선투과검사 (digital radiography inspection) 는반도체형미소 array pixel sensor 나광자극성인광물질의영상판을이용하여방사선투과영상을획득하는방법으로서필름현상작업이필요없어검사비용과공정을줄일수있고, 방사선노출시간을기존의 1/10 로대폭줄일수있어방사선투과검사의획기적인전기가되고있다 1). 본연구는용접부에대하여디지털방사선투과시험에의한영상과기존필름을이용한방사선투과시험에의한영상을비교평가함으로서디지털방사선투과시험법의비파괴검사적용가능성을확인하고자하였다. 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 2009 年 4 月 169
52 박상기 안연식 길두송 2. 디지털방사선원리및종류 디지털방사선투과영상을취득하는방법에따라직접방식과간접방식으로구분된다. 직접방식 (directed digital radiography) 은 Ar-Si, Ar-Se, CMOS 등과같은반도체형센서에의해투과영상을획득하는방식으로 Fig. 1은디지털방사선센서의구조를나타내고있다. Fig. 1에서신티레이터 (scintillator) 는방사선이센서에조사될때방사선을빛으로변환하는역할을하는물질이고매트릭스형태의미소한반도체센서들은빛을전기적신호로변환하는역할을한다. 이전기적신호를증폭한후아날로그-디지털변환기를거치면서디지털투과영상으로표현하게된다. 직접방식은센서와운용컴퓨터와온라인으로연결되어있어투과시험을완료하는즉시투과영상을모니터에서관찰할수있다. 간접방식 (computed radiography) 은시험체를투과한방사선이광자극성인광물질 (photostimulable phosphor) 이도포된영상판 (imaging plate) 을감광시키고영상판에방사선에너지가저장된다. 방사선투과에너지가축적된영상판에 680 nm 파장의적색레이저를노출하게되면방사선에노출된량에비례하는세기의형광빛을발하며, 포획된전자를방출시켜 Eu +3 를 Eu +2 로환원시킨다. 이때, PSP 에서약 300~500 nm의녹색빛을발생하게되며, 이빛을 PMT(photo multiplier tube) 에서전기신호로변환시킨다. 그후아날로그-디지털변환기에의해디지털신호로변환되어영상정보로서기록되며, Fig. 2는 computed radiography imaging system 구조를나타내고있다 2). laser storage phosphor screen galvo photomultiplier fiber optic A/D electrical signal digitisation driving rollers Fig. 2 Structure of computed radiography imaging system 3. 디지털방사선투과영상평가 용접부에대해디지털방사선투과시험을실시하고취득한투과영상을필름의아날로그영상과비교하고자하였다. 3.1 시험장치 3.1.1 디지털방사선영상시스템방사선투과시험의영상획득을위하여 CMOS pixel 크기가 80μm인 flat panel detect 와고해상도의모니터, 그리고컴퓨터로구성된디지털방사선영상시스템을사용하였다. Fig. 3은시험에사용된디지털방사선영상시스템이며, 이시스템의사양은 Table 1과같다 3). (a) CMOS flat panel Fig. 1 Structure of digital radiography sensor (b) High resolution monitor Fig. 3 Digital radiography imaging system 170 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 2009
디지털방사선투과영상의정밀성평가에관한연구 53 Table 1 Specification of digital radiography imaging system Item Specification Sensor type CMOS Sensor pixel size 80 micron Flat panel size 305 356 mm Monitor resolution 2048 2560 Control PC 2GHz P4 1GB ram 3.1.2 용접시험편시험에사용된시험편은화력발전소재열증기배관과보일러튜브를사용하였으며, 용접부미소결함검출정도확인을위해재열증기배관은 Fig. 4의 (a) 와같이 artificial defect enhancement Table 2 Specification of test specimens specimen material size(mm) reheat steam pipe A335-P12 710 t 20 superheat tube TP-347H-T11 51 t 8 reheat tube 2.25Cr1Mo 61 t 6 plate weldment carbon steel 10t~18t 200 200mm 의크기로절단한후용접비드에방전가공으로미소한선형인공결함을가공하였다. 인공결함은깊이가각 0.5mm, 1mm, 2mm, 3mm이고, 길이가 1mm, 2mm, 3mm, 5mm, 10mm의결함을가공하였다. 보일러튜브용접부에는결함깊이가 0.5mm 이고길이가 1mm, 2.0mm, 3.0mm 인선형결함과직경 1mm, 2mm 이고깊이 1mm, 2mm, 3mm의원형결함을가공하였다. 평판용접시험편은 Fig. 4 (b) 와같이미국 Flowtech 사에서제작한시험편을사용하였으며, 시험에사용된시험편의사양은 Table 2와같다. artificial defect (a) Specimen of weldment 3.1.3 투과영상평가기준시험편기존필름을이용한방사선투과시험에서투과영상의정도를평가하기위해투과도계식별도가이용되는데, 이번디지털방사선투과시험에는투과도계와함께라인페어게이지 (line pair gauge) 4) 가추가적으로사용되었다. 3.2 용접부방사선투과시험 (b) Specimens of plate weldment 3.2.1 디지털방사선투과시험디지털방사선투과시험은 Fig. 6과같이평판형센서 (flat panel sensor) 위에용접시험편을올려놓고 X-ray 를노출시켜 Fig. 8과같은투과영상을취득하였다. 시험조건은 SSD(focal spot to sensor distance) 를 650mm로유지하고방사선은전압 160 kv, 전류 1mA (c) Boiler tube Fig. 4 Radiography test specimen Fig. 5 Image quality indicator and line pair gauge 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 2009 年 4 月 171
54 박상기 안연식 길두송 의 X-ray 에너지를사용하였다. 시험에앞서디지털영상시스템의정밀도확인을위해용접부에라인페어게이지 (line pair gauge) 를배치하여촬영한결과투과영상에서 6.3 line pair 까지구분할수있어 detector 의정밀도가 80μm임을확인하였다. 재열증기배관용접시험편의선형결함에대한디지털방사선투과시험결과깊이 0.5mm, 1mm, 2mm, 3mm의모든결함에대해서도검출을할수있었다. 보일러튜브시험편에서도깊이가 0.5mm이고길이가 1mm 의선형결함을검출할수있었으며, 원형결함도깊이 0.5mm, 1mm, 2mm, 직경 1mm, 2mm의결함모두검출되었다. 경우깊이 0.5mm, 1mm의결함은검출되지않았으며, 결함이필름측에존재할경우는깊이 1mm 이상의결함만검출되었다. 3.3 방사선투과영상취득및비교분석방사선투과시험으로 Fig. 8, Fig. 9의디지털방사선투과영상과 Fig. 10의아날로그투과영상을취득되었다. Fig. 9는 digital radiography 에의해취득한방사선투과영상이고, Fig. 10은기존아날로그방식의필름에의해촬영된방사선투과영상이다. 3.2.2 필름을이용한방사선투과시험필름을이용한방사선투과시험은고해상도필름인 Type Ⅰ을사용하였으며, 시험방법은 Fig. 7과같이필름과 X-ray 시험기초점과의거리를 650mm로설정하여시험하였다. 재열증기배관용접시험편을촬영한투과영상을판독한결과깊이 0.5mm 인선형결함은검출되지않았으며, 깊이 1mm 이상의결함들은모두검출되었다. 보일러튜브용접부는결함이선원측에존재할 (a) Depth 0.5mm line defect Fig. 6 Specimen and flat panel (b) Depth 2 mm line defect (c) Round defect image of Boiler tube Fig. 7 X-ray test by conventional radiography Fig. 8 Digital radiography test image 172 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 2009
디지털방사선투과영상의정밀성평가에관한연구 55 (a) Incomplete groove defect image (a) Incomplete groove defect image (b) Weld spatter defect image (b) Weld spatter defect image (c) Incomplete penetration defect image (c) Incomplete penetration defect image (d) Single gas pore defect image Fig. 9 Digital radiography image (d) Single gas pore defect image Fig. 10 Conventional X-ray test image 3.4 방사선투과영상비교분석방사선투과영상에영향을미치는인자로는농도 (density), 대조도 (contrast) 그리고투과도계식별도 (resolution) 를들수있다. 농도는영상의검고힌흑화도를말하고, 대조도는명암의차를나타내며, 투과도계식별도 는투과영상에서인식할수있는최소크기를나타낸다. 농도는촬영시나현상중에농도를조절할수있기때문에디지털영상과아날로그영상의비교시평가인자로적합하지가않다. 또대조도는투과영상에서측정을할수없어본연구에서는비교대상인자로활용하지않았다. 본연구에서는방사선투과시험에서주로사 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 2009 年 4 月 173
56 박상기 안연식 길두송 Table 3 Sensitivity of image quality indicator specimen thick -ness digital x-ray image line diameter rate film image line diameter rate reheat pipe 20mm 0.20mm 1.0% 0.20mm 1.0% superheat tube 8mm 0.125mm 0.8% 0.16mm 1.0% reheat tube 6mm 0.125mm 1.0% 0.16mm 1.3% plate weldment 10mm 0.125mm 1.3% 0.16mm 1.6% plate weldment 15mm 0.16mm 1.1% 0.20mm 1.3% 용하고있는투과도계식별도위주로비교평가하였고용접부에가공한인공결함의검출여부를확인하여비교하였다. 3.4.1 투과도계식별도비교투과도계식별도는 Fig. 5와같이가는철선이있는투과도계를시험편과함께촬영을한후투과영상에서영상에서인식할수있는투과도계최소선지름을시험재료의투과두께로나누어백분율로한수치이다. 디지털방사선과기존의방법으로취득한영상을비교하여 Table 3으로나타내었다. 디지털방사선투과영상에서필름에나타난투과도계식별선보다더욱미세한식별선을검출할수있었으므로식별도가우수하였음을확인할수있었다 5). 3.4.2 결함검출능비교단벽투과영상 (single wall single image) 으로취득한 reheat pipe 용접시험편시험편에서디지털방사선투과시험에서는깊이 0.5mm의결함을검출할수있었으나필름에서는깊이 1.0mm이상의결함만검출할수있었다. 이중벽투과영상 (double wall double image) 로취득한보일러튜브시험의영상에서는디지털방사선투과시험영상은필름측에서는 0.5mm, 선원측에서는 1mm 깊이의선형결함을검출할수있었다. 필름에서는필름측방향에결함이존재할경우깊이 1mm 의선형결함이검출되었고, 선원측의방향으로결함이존재할경우는깊이 0.5mm와 1mm의결함은검출되지않았다. 반면에공간형태를가지는결함검출시험에서는직경이 1mm 이고깊이가 0.5mm인원형결함에대해서디지털방사선과필름의영상모두에서검출할수있었다. 이는미소균열형태의결함은방사선의선원과수직이아닐경우영상이확산되어흐려지는것에비해원형결함은선원과수직이아니어도공간을형성함으로서검출이잘되는것으로판단된다. 또한 Fig. 9의디지털영상과 Fig. 10의아날로그영상에서영상의차이 를육안으로도뚜렷하게확인할수있었다. 두방법간의비교결과전반적으로디지털방사선투과영상이필름의영상에비해보다정밀한검사를할수있었는데, 그원인으로는필름을사용한방법은검사시방사선의적절한노출과필름현상조건이정확하게이루어지지못할경우투과영상의품질이저하되는데비해디지털방사선은방사선의노출이적절하지않더라도투과영상의히스토그램을조절하여양호한영상품질로개선시킬수있었다. 또한필름을현상하지않기때문에상질을저하시키는공정이없고, 검사체의두께가변화하는부위에대해서는동적농도범위 (dynamic density range) 를조절함으로서각부위별로정밀한검사를할수있었다. 4. 결론 디지털방사선투과검사기술은영상보관의편리성과비용절감그리고투과영상의개선이가능한점이장점으로부각되면서선진국을위주로급속히전파가되고있다. 본연구에서는디지털방사선투과시험의비파괴검사적용가능성을확인하기위하여기존의방법인필름에의한방사선투과검사와결함의검출능을비교평가하였다. 시험결과디지털방사선투과영상은필름의아날로그영상에서검출되지않았던깊이 0.5mm 의미소결함도검출할수있었으며, 방사선투과검사영상의품질을평가하는투과도계식별도면에서도투과도계의선이 1개더식별됨으로서우수한상질임을확인되었다. 이러한결과는디지털방사선센서 pixel 의크기가더욱미세화되고영상을히스토그램에의해최적의상태로나타낼수있기때문이다. 이번의연구결과디지털방사선투과영상이필름에의해취득한아날로그영상에비해검사정밀성이높은것으로확인됨으로서디지털방사선투과검사기술이확대적용될수있을것으로예상된다. 참고문헌 1. W.P. HOSCH, C. FINK :Radiation Dose Reduction Chest Radiography Flat Panel Amorphous Silicon Detector, clinical Radiology(2002), 902-907 2. INSA-CNDRI Laboratory France : Evaluation of new Digital Detectors for High Resolution Radiography Kaftandjian (2001), 35-39 3. John Pursley : Envision Product ix-pect Software Scanning Images Manual(2005), 11-18 4. H.Thiele, RADIS GmbH Germany : Radiographic Inspection of Weldings by Digital Sensors(2003), 4-5 5. Sang-Ki Park : The study of Application Digital Radiography for Weldments, Proceedings of the Autumn Annual Meeting of Korean Welding and Joining Society (2008), 39 (in Korean) 174 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 2009