신뢰성응용연구제 18 권, 제 3 호. pp.240-249, 2018 용접부비파괴검사의신뢰성비교 : 화력발전소의보일러수냉벽배관사례연구 * 최창덕 1 임익성 2 1 삼영검사엔지니어링, 2 남서울대학교산업경영공학과 Comparative Reliability of Nondestructive Testing for Weld: Water Wall Tube in Thermal Power Plant Boiler Case Study * Chang Deok Choi 1 Ik Sung Lim 2 1 Samyoung Inspection Engineering 2 Dept. of Industrial & Management Eng., Namseoul University 1) Purpose: The purpose of this research is to find which technique, between the PAUT (Phased array ultrasonic test) that has been used widely in practice and RT (Radiographic test) that was used widely in the past, has the higher reliability as a non-destructive testing of welding points in water wall tubes. Methods: To evaluated the reliability of non-destructive testing, eleven test pieces that were fabricated intentionally, which have the most frequently occurred defect types in water wall tubes and then both the PAUT and RT were performed on those eleven test pieces to compare their reliability. Results: The differences of type of defect, length are occurred due to the characteristics of nondestructive testing. The RT could not detect the lack of fusion defect type in specimen #4 and #8 while PAUT could not detect the lateral crack and 1 mm size small porosity in specimen #11. Conclusion: It is concluded that applying both the RT and PAUT result the best reliability rather than applying only one test method, if it is possible, in nondestructive testing of weld water wall tube in thermal power plant boiler case. Keywords: Water Wall Tube, Weld, Phased Array Ultrasonic Test(PAUT), Radiographic Test(RT) 1. 서론 석탄화력발전소의구성요소중수냉벽의용접부비파괴검사는정부의원자력법이강화되면서방사선 검사 (radiography testing: RT) 에서위상배열초음파탐상검사 (phased array ultrasonic testing: PAUT) 로대체되고있는상황이다. 그러나방사선투과검사와위상배열초음파탐상검사는다른검사방법이다. 이러한두 * 본연구는석사학위논문연구결과일부분을발췌활용하였습니다. 교신저자 ikslim@nsu.ac.kr 2018 년 8 월 15 일접수 ; 2018 년 9 월 9 일수정본접수 ; 2018 년 9 월 10 일게재확정.
Chang Deok Choi Ik Sung Lim 241 방법중에서어떠한검사방법이결함 (defect) 검출능력이우수한지비교할필요가있고, 이결과를현장에적용하면더우수한검사방법을활용하여좀더정확하게결함을찾아내어안전을확보하는데큰도움이될것이다. 화력발전소에설치된보일러배관중수냉벽배관의용접부에서발생가능한결함은크게면상결함군과구상결함군으로구분될수있다. 면상결함군은용입부족 (Incomplete Penetration: IP), 융합불량 (Lack of Fusion: LF), 균열 (Crack: C) 으로구분할수있으며, 텅스텐개재물 (Tungsten Inclusions: TI) 및기공 (Porosity: P) 등은구상결함군으로구분할수있다. 용입부족 (Incomplete Penetration: IP) 은개선용접을할때용접전류가너무낮아아크열이루트면을충분하게용융시키지못했을때발생한다. 융합불량 (Lack of Fusion: LF) 은용접봉과모재또는다층용접시층간용접부사이를적절히용융시키지못한상태에서용접금속이흘러들어가메워진상태의결함이다. 균열 (Crack: C) 은용접부에생기는결함중에서가장치명적인것으로모든규격에서허용되지않는다. 루트오목 (Root Concavity: RC) 은루트부에용착금속이채워지지않은채오목하게들어가있는형태의결함을의미한다. 구상결함군중에서기공 (Porosity: P) 은다양한원인에의하여발생하며용접시발생된가스가용접금속내에갇힌상태를표시하는용어이다. 슬래그혼입 (Slag: S) 은용해된금속을보호하기위해사용되는플럭스가용착금속내부에잔류하거나혹은용접표면에박혀있는것을표시하는용어이다. 텅스텐혼입 (Tungsten Inclusions: TI) 은 GTAW(Gas tungsten arc welding) 대부분원인이텅스텐이용접부에용입되어서발생하며기본적인특징은슬래그와매우유사하다. 본연구에서는위에열거한결함들을의도적으로포함시킨기준시험편 (Mock up) 을제작하고방사선투과검사와위상배열초음파탐상검사두가지를동시에기준시험편에실행한후그결과를비교분석하여두종류의비파괴검사방법의신뢰성을비교평가하였다. 2. 보일러배관용접부비파괴검사방법 2.1 관련선행연구 국내화력발전소보일러배관에대한위상배열초음파탐상검사적용방안에관한연구는최근에각종 정부의규제를받고있는방사선투과검사를대체하기위한방안으로활발하게연구되고있다. 위상배열초음파탐상검사와초음파검사에대한연구는지금까지많이이루어졌지만본연구와밀접한관련이있는연구논문몇가지만요약하여기술하면다음과같다. PAUT 적용에의한보일러튜브결함탐상성능개선 에서는화력보일러재열기튜브에사용되는오스테나이트스테인레스강튜브에서발생하는결함의검출방법에대한연구를하였다 [1]. 이를위하여검사에사용할 PAUT 탐촉자, 웨지, 탐상장치 (Scanner) 를설계및제작하고교정및기준시편을통하여그성능을검증한후, 실제보일러튜브에검사를실시하였다. 위상배열초음파탐상검사에의한보일러관용접부의결함판별 에서는석탄화력발전소에설치되는보일러관의용접부에서주로발생하는결함에대하여위상배열초음파탐상검사를적용할때, 각결함에대한신호특성에대한연구를실시하였다. 또한보일러튜브이외에도용접부에대하여위상배열초음파탐상검사를적용하기위한연구가진행되었다 [2]. 초음파위상배열시스템을이용한원자로압력용기 crack 검출에대한연구 에서는압력용기의 crack 을위상배열초음파탐상검사를이용하여검출하는방안에대하여연구하였다 [3]. 발전설비보일러튜브재료별고온에서모재와용접부의재질열화및물성변화에대한연구 에서는주요보일러튜브재료의재질열화시험및분석결과에따른금속미세조직의변화와기계적물성저하의관계를연구하였다 [4]. 그외에도다양한분야에서위상배열초음파를적용하는연구가수행되었는데, 산업현장에서널리사용되고있는오스테나이트계스테인레스강자체에대한검사특성을확인하기위하여 조대결정립스테인레스강에서위상배열초음파를이용한결함평가 에서위상배열초음파탐상검사의검출성능을향상시키기위하여위상배열탐촉자를설계및제작하였고, 범용위상배열탐촉자와성능을비교평가하였다 [5]. 위상배열초음파탐상을이용한철도차량차륜답면탐상에관한연구 에서는철도차량의하중을감당하고있는차륜에대한위상배열초음파탐상검사적용방안및검사자동화방안에대하여연구되었다 [6]. 광섬유센서와위상배열초음파를이용한 FRP 모듈형박스부재의유지관리계측 에서는비금속재질인 FRP 모듈형박스부재에대하여위상
242 Comparative Reliability of Nondestructive Testing for Weld 배열초음파탐상검사방안에대하여연구하였다 [7]. 이번연구에서는화력발전소수냉벽과같은재질을가진배관구경 38.1mm, 두께 5mm 인기준시험편에다양한용접결함과특히횡방향균열결함시편 (Mock up) 을제작하여방사선투과검사와위상배열초음파탐상검사결과를동시에실행하여각각의신뢰성을비교평가하였다. 2.2 방사선투과검사 (Radiographic Testing: RT) 방사선투과검사에서는방사선을이용하는데, 방사선이란방사성원소의붕괴시에방출되는입자또는에너지를말하며, 강한에너지를지니고있어물체를투과하는성질을지니고있다. 이러한방사선의특징을이용하여방사선원, 검사대상물체, 필름을배치하여방사선원을조사한후필름에맺힌영상을통하여결함유무를판단하는비파괴검사법이방사선투과검사이다. 로다른진행방향을갖는초음파신호들을모아서나타낸부채꼴형태를의미한다. <Fig. 1> 과 <Fig. 2> 는 A-Scan 과 S-Scan 의초음파가어떻게진행하고있는가를각각나타내는것이다. B-Scan, C-Scan, D-Scan 은검사대상을기준으로결과가어떻게나와있는가를확인이가능한영상들을의미한다 [9, 10]. 각 Scan 들을종합적으로사용하여위상배열초음파탐상검사를통하여획득한결과를근거로결함의위치를판정한다. 그중에서 A-Scan, C-Scan, S-Scan 은결함판정을위하여주로사용되기때문에일반적으로보고서는이 3 개의 Scan 을첨부한다. <Fig. 3> 의 C-Scan 은획득한 S-Scan 을거리에따라배열하여축적한데이터값을상부에서바라본값이다. 2.3 위상배열초음파탐상검사 (Phased Array Ultrasonic Testing: PAUT) 초음파탐상검사에서는초음파를이용하여검사대상의내부상태를확인한다. 이초음파검사는검사대상내부에결함이존재할때초기펄스신호와저면신호사이에결함신호가발생하는것을확인함으로써결함유무를판단한다. 위상배열초음파탐상검사는이러한초음파탐상검사법을응용한것으로 1 개의탐촉자에 1 개의진동자가들어있어초음파진행방향이고정되어있던것에서 1 개의탐촉자에여러개의진동자를넣어초음파진행방향을변경하거나특정한위치에서신호를증폭할수있다. 여러개의진동자를동작하기위한전기신호들을제어하여매우작은초음파들의위상과진폭을조절하여신호들간의증폭및감소를발생시켜전체신호의방향및증폭을결정하므로위상배열초음파탐상검사라한다 [8]. 위상배열초음파탐상검사를통해획득한결과는 A- Scan, B-Scan, C-Scan, D-Scan, S-Scan 과같은영상정보로확인할수있다. A-Scan 은초음파경로나진행시간 ( 보라색축 ) 에대하여수신한초음파진폭을나타낸것으로한지점에서의일반적인초음파탐상검사방법에서얻을수있는결과와같다. S-Scan 은여러개의서 Fig. 1 A-Scan Fig. 2 S-Scan Fig. 3 C-Scan
Chang Deok Choi Ik Sung Lim 243 3. 실험장치및방법 3.1 기준시험편 (Mock Up) 제작 본연구에서는 K 발전소의협조를얻어검사부재를확보한후수냉벽보일러배관에서흔히발생되는결함의형태를고려하여다음과같이기준시험편 11 종을인위적으로제작하였다. 3.2 방사선투과검사의실험장치및방법 방사선투과검사는미국기계학회 ASME Sec V Art.2 의검사절차로실험을하였다. (1) X-ray 발생장치 (X-ray Generator): Rigaku 사의 RF- 250EGM2 를사용하였다. 이장비의최대전압 250Kvp, 전류 5mA, 초점크기 : 2 2mm 이다. (2) 필름 (Film): 이연구에서는 Type Ⅱ 필름중코닥의 AA400 타입의공업용필름을사용하였고, 3 1/3 12 크기의필름을사용하여실험을진행하였다. (3) 촬영구도 : X-ray 발생장치를상부에고정하여하향조사하여시험편을검사하였다. 3.3 위상배열초음파탐상검사의실험장치및방법 위상배열초음파탐상검사는미국기계학회 ASME Sec V Art.4의검사절차로실험을하였다. (1) 위상배열초음파탐상기 : 위상배열초음파탐상기는올림푸스사의 Omniscan MX2 장비를사용하였다. (2) 탐촉자 : 용접부에사용된위상배열초음파탐상탐촉자는올림푸스 NDT(Olympus NDT) 사의 7.5 ccev 제품을사용하였다. 이제품은전체길이 57 mm, 케이블길이 2.5m, 7.5MHz의주파수를사용하며 16개의진동자수를가지고있다. (3) 사용스캐너 : Olympus 사에서제작한외경이 0.84 인치에서 4.5인치범위에있는파이프를검사하기위해 2개의 PA Probe를가지고검사를수행하는스캐너를사용하였다. Table 1 Specification of Mockup Specimen Type Welding type Specimen type #1 Porosity, Clustered Porosity #2 Lack of Fusion, Porosity #3 Porosity #4 Incomplete Penetration, Lack of Fusion #5 Lack of Fusion Thickness: 5mm OD: 38.1mm Weld Type: V type #6 Lack of Fusion #7 Clustered Porosity #8 #9 #10 #11 Tungsten Inclusion, Porosity, Lack of Fusion Clustered Porosity, Porosity Tungsten Inclusion, Porosity Transverse Crack, Porosity
Comparative Reliability of Nondestructive Testing for Weld 244 (4) 검사 방법: Olympus사의 COBRA Scanner를 이용 하여 작업자가 스캔하며 신호를 분석하였다. 접촉 매질은 겔을 사용하였다. 스캔 방식은 A 스캔과 B 스캔을 동시에 적용하여 결함의 깊이 값과 결함의 폭을 확인할 수 있도록 하였다. 결함이 존재했을 경우 결함의 위치를 십자 형태의 직선으로 표시하 였다. 검사 결과는 에너지의 반사량에 따라 빨강 > 주황 > 노랑 > 파랑 순으로 색깔이 나타난다. (5) 실험 조건: 위상배열 초음파 탐상 검사를 수행하 기 전에 Eclipse Scientific사의 Beam tool 7 프로그 램을 사용하여 검사 방안, 혹은 Scan Plan 을 수립 하였다. Scan Plan 은 검사하고자 하는 대상에 대한 초음파의 진행방향과 범위를 확인하는 것으로 실 제 장비에 입력하는 설정 값을 결정한다. A B Porosity: 2mm, Lack of Fusion: 5mm 4. 실험 결과 및 고찰 A 4.1 방사선 투과 검사의 실험 결과 및 고찰 B Porosity: 2mm Fig. 5 Specimen #2, #3 RT defect 11 종의 시험편에 대하여 각 시험편마다 이중벽 이 중상 촬영법으로 서로 90 방향으로 A 와 B 로 2회 촬 영하였다. 편의상 모든 결과의 그림을 도시하지 않고, 이해를 저하시키지 않는 범위에서 예제로 몇 개만을 그림으로 표시하였다. <Fig. 4> 은 시험편 #1 의 RT 검 사 결과에서 결함을 나타내고 있다. <Fig. 5>는 시험 # 2, 3 의 RT 결과를 나타내고 있다. <Fig. 6>은 시험 편 #10, 11 의 RT 결과를 나타내고 있다. A B A B Porosity: 4mm, Tungsten Inclusion: 8mm Clustered Porosity: 10mm, Porosity 1: 2mm, Porosity 2: 2mm A B Transverse Crack 1: 6mm, Transverse Crack 2: 6mm, Porosity: 1mm Fig. 4 Specimen #1 RT defect Fig. 6 Specimen #10, #11 RT defect
Chang Deok Choi Ik Sung Lim 245 방사선투과검사결과제작된기준시험편과비교하여전체적으로거의모든결함이검출되었지만일부융합불량의결함이이경우에는완전히검출되지않았다. 4.2 위상배열초음파탐상검사의실험결과및고찰 위상배열초음파탐상결과역시편의상결과를본연 구논문에모두표시하지않고독자의이해를저해하지않는범위내에서결과의일부분만예제로나타내었다. 시편번호 #1 의 PAUT 검사결과를 <Fig. 7> 에표시하였다. 시편번호 #2 의 PAUT 검사결과를 <Fig. 8> 에표시하였다. 시편번호 #3 의 PAUT 검사결과를 <Fig. 9> 에표시하였다. Specimen No: #1(1/3) Type 1 Clustered Porosity 33 7 0.5 4.1 67 Specimen No: #1(2/3) Type 2 Porosity 1 43 4 2.5 1.8 71 Specimen No: #1(3/3) Type 3 Porosity 2 85 4 0 2.1 63 Fig. 7 Specimen #1 1~3 rd PAUT defect
246 Comparative Reliability of Nondestructive Testing for Weld Specimen No: #2(1/2) Type 1 Porosity 12 6 0 1.9 62 Specimen No: #2(2/2) Type 2 Lack of usion 42 11 0.7 1.7 62 Fig. 8 Specimen #2 1 2 nd PAUT defect Specimen No: #3(1/1) Type 1 Porosity 68 4 1.2 1.7 63 Fig. 9 Specimen #3 1 st PAUT defect 시편번호 #10 의 PAUT 검사결과를 <Fig. 10> 에표시하였다. 위상배열초음파탐상결과, 대부분의결함을확인할수있었는데, 특히용입부족이나융합불량과같은면상결함의경우에는방사선투과검사와비교하면결함검출 능력이우수함을확인할수있었다. 그러나 1mm 이하의작은기공과같은구상결함은검출신호의크기가작아검출되지않았으며횡방향의균열도역시검출되지않았다. 시편번호 #11 의 PAUT 검사결과를 <Fig. 11> 에표시하였다.
Chang Deok Choi Ik Sung Lim 247 Specimen No: #10(1/2) Type 1 Incomplete enetration 62 10 3.1 1.4 78 Specimen No: #10(2/2) Type 2 Lack of usion 42 11 0.7 1.7 62 Fig. 10 Specimen #10 1 3 rd PAUT defect Specimen No: #11 Type - No indication - Fig. 11 Specimen #11 PAUT defect 5. 결론 본연구에서는화력발전소수냉벽보일러배관용접부비파괴검사를위하여기존비파괴검사방법인 방사선투과검사와최근검사가이루어지고있는위상배열초음파탐상검사방법을적용하여그신뢰성을평가하여보았다. 이를위하여 11 종의기준시험편을제작하여비교평가를진행하였고이를바탕으로
248 Comparative Reliability of Nondestructive Testing for Weld Table 5 Result of RT and PAUT Division Specimen Type Spherical Planar Mixed Radiographic Testing Results (Length: mm) D: Detection Phased Array Ultrasonic Testing Results(Length: mm) Clustered Porosity Clustered Porosity(10) D Clustered Porosity(7) D #1 Porosity 1 Porosity 1(2) D Porosity 1(4) D Porosity 2 Porosity 2(2) D Porosity 2(4) D #3 Porosity Porosity(2) D Porosity(4) D #7 #9 #10 Clustered Porosity 1 Clustered Porosity 1(15) D Clustered Porosity 1(16) D Clustered Porosity 2 Clustered Porosity 2(20) D Clustered Porosity 2(20) D Porosity 1 Porosity 1(3) D Porosity 1(5) D Porosity 2(5) D Clustered Porosity Clustered Porosity(20) D Porosity 3(7) D Porosity 2 Porosity 2(5) D Porosity 4(6) D Porosity Porosity(4) D Incomplete Penetration(10) D Tungsten Inclusion Tungsten Inclusion(8) D Porosity(5) D Lack of Fusion 1 - - Lack of Fusion 1(13) D #4 Lack of Fusion 2 Lack of Fusion 2(4) D Lack of Fusion 2(6) D Incomplete Penetration 1 Incomplete Penetration 1(10) D Incomplete Penetration 1(14) D Incomplete Penetration 2 Incomplete Penetration 2(8) D Incomplete Penetration 2(17) D #5 Lack of Fusion Lack of Fusion(6) D Incomplete Penetration(7) D #6 Lack of Fusion Lack of Fusion(6) D Lack of Fusion(4) D #2 #8 #11 Porosity Porosity(2) D Porosity(6) D Lack of Fusion Lack of Fusion(5) D Lack of Fusion(11) D Lack of Fusion - - Lack of Fusion(5) D Porosity Porosity(3) D Porosity 1(2) D Tungsten Inclusion Tungsten Inclusion(5) D Porosity 2(5) D Transverse Crack 1 Transverse Crack 1(6) D - - Transverse Crack 2 Transverse Crack 2(6) D - - Porosity Porosity(1) D - - 다음과같은결론을도출하였다. <Table 5> 의비파괴검사방법별결함시험편검사결과기준시험편에대한방사선투과검사와위상배열초음파탐상검사모두를비교평가하여보면결함의종류판별과길이는검사방법의특성상차이가생겼으며결함의검출능력은방사선투과검사는시편 #4 와 #8 에서융합불량이검출되지않았으며, 위상배열초음파탐상검사는시편 #11 의횡방향균열과 1mm 의작은기공에대하여검출되지않았다. 선행연구에서는위상배열초음파탐상검사가방사선투과검사보다최소동등한수준의검사법으로연구 결과가발표되었지만근본적으로방사선투과검사와위상배열초음파탐상검사자체가다른검사법으로써다른부분및다른형태의결함인시험편에적용하였다면또다른결과가도출되었을수도있지만, 이번연구에서는주어진환경에서의화력발전소수냉벽배관용접부에적용한결과는기존의알고있었던바와다른점이발견되었다. 따라서화력발전소수냉벽배관의비파괴검사의경우에는정부의안전법에서요구하는안전성을확보하여허가를받을수있다면, 방사선투과검사와위상배열초음파탐상검사를모두적용하는방법이신뢰성높은검사가될수있을것이라고사료된다.
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