초음파탐상검사

왜 배우는가: 초음파탐상검사는 보일러, 압력용기, 배관, 교량 같은 용접 구조물의 내부 결함을 파괴하지 않고 찾는 대표적인 방법이다. 용접 결함은 구조물의 건전성과 직결되어 원리와 적용 기준을 함께 묻는 문제로 자주 다뤄진다.

출제 이력: 제120회 1교시 6번, 제114회 4교시 2번, 제101회 3교시 2번, 제99회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

초음파탐상검사는 초음파를 시험체에 보내 되돌아오는 반사파의 변화로 내부 결함을 찾는 비파괴검사이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 본문에서 아래 키워드를 함께 쓰면 용어 항목의 채점 기준을 빠짐없이 충족할 수 있다. 1교시 용어 문제는 정의 한 문장과 핵심 키워드 5개 안팎을 쓰는 것으로 답안이 완성된다. 정의와 키워드를 함께 적는 이유는 답안에서 원리 설명과 측정 방법을 묻는 문항으로 이어지기 때문이다.

• 초음파: 사람이 들을 수 있는 가청 주파수보다 높은 진동수를 가진 탄성파이다.
• 탐촉자: 전기 펄스를 초음파로 바꾸어 시험체에 보내고, 되돌아온 파를 다시 전기 신호로 바꾸는 장치이다.
• 압전효과: 압전 소자에 전기를 가하면 기계적 진동이 생기고, 반대로 진동을 받으면 전기 신호가 생기는 현상이다.
• 접촉매질: 탐촉자와 시험체 표면 사이의 공기층을 없애 초음파가 잘 전달되도록 넣는 매질이며 커플런트라고도 한다.
• 반사파: 음향 임피던스가 다른 경계면이나 결함에서 되돌아오는 초음파이다.
• 결함에코: 결함에서 반사되어 탐촉자가 받은 신호이다.
• 저면에코: 시험체 반대쪽 바닥면에서 반사되어 돌아온 신호이다.

여기에 나온 용어는 2절과 4절에서도 같은 표기로 쓰며, 같은 개념을 다른 말로 바꿔 쓰지 않는다.

2. 개념 풀이

초음파탐상검사는 재료 내부를 진행하는 초음파가 결함이나 경계면에서 반사되고, 투과되며, 감쇠하는 현상을 이용해 결함의 존재, 위치, 크기를 판단하는 비파괴검사이다. 시험체를 손상하지 않고 한쪽 면에서 접근하여 검사할 수 있으며, 균열처럼 평면에 가까운 결함을 찾는 데 특히 유리하다.

원리는 다음과 같다. 탐촉자는 압전효과를 이용하여 전기 펄스를 기계적 진동으로 바꾸어 시험체에 보내고, 같은 탐촉자가 되돌아온 반사파를 받아 다시 전기 신호로 바꾼다. 음파는 음향 임피던스가 다른 경계면을 만나면 일부가 반사되므로, 시험체 바닥면이나 결함에서 되돌아온 신호의 도달 시간과 진폭을 화면에 표시한다. 강에서 종파의 음속은 약 5,900m/s 이므로 되돌아오는 시간을 재면 반사체까지의 거리를 계산할 수 있다.

결과는 횡축을 거리 또는 시간, 종축을 반사 진폭으로 나타내는 A형 파형 화면이 기본이다. 화면에서 표면의 초기 펄스 다음에 결함에코가 나타나고, 가장 뒤쪽에 저면에코만 나타나면 그 구간은 결함이 없는 건전한 부분으로 본다. 결함에코가 저면에코 앞에 나타나면 결함이 시험체 안에 있다는 뜻이다.

반사체까지의 거리는 왕복 거리로 계산한다. 식으로 쓰면

$S = v × t ÷ 2$

이다. 여기서 S는 탐촉자 표면에서 반사체까지의 거리(m), v는 음속(m/s), t는 펄스가 나갔다가 되돌아오는 데 걸린 시간(s)이다. 시간을 2로 나누는 이유는 음파가 같은 경로를 왕복하기 때문이다.

진동수는 보통 0.5~10MHz 범위에서 시험체 두께와 결함 크기에 맞추어 고른다. 진동수가 높을수록 근접한 결함을 구별하는 분해능은 좋아지지만 감쇠가 커져 투과 깊이는 줄어든다. 두꺼운 시험체에 낮은 진동수를 쓰는 이유가 이 관계에 있다.

반사파의 도달 시간으로 위치를, 진폭으로 상대적인 크기를 판단한다.

• 분해능: 근접한 두 결함을 서로 다른 신호로 구별하는 능력이다. 진동수가 높고 펄스 폭이 짧을수록 좋아진다.
• 음향 임피던스: 재료의 밀도와 음속을 곱한 값이다. 두 재료의 음향 임피던스 차이가 클수록 경계면에서 반사되는 에너지가 커진다.
• 감쇠: 음파가 진행하면서 재료 내부의 흡수와 산란으로 에너지가 줄어드는 현상이다.
• 탐상 감도: 일정 크기 이상의 결함을 신호로 검출할 수 있는 능력이다. 감도를 높이면 잡음 신호도 함께 커진다.

3. 등장 배경과 필요성

용접으로 이어진 보일러, 압력용기, 배관, 교량, 선박 같은 구조물은 결함이 사고로 이어질 수 있다. 용접부에는 기공, 슬래그 혼입, 융합불량, 용입불량, 언더컷, 오버랩 같은 결함이 생길 수 있으며, 그중 균열은 용접 구조물의 손상파괴에 큰 요인이 된다. 용접부의 건전성과 신뢰성을 확보하려면 결함을 사전에 예방하는 지식과 함께 결함을 찾아내는 시험 검사가 필요하다.

용접 검사는 시공 과정의 적부를 확인하는 작업 검사와, 용접 후 제품이 요구대로 완성되었는지를 확인하는 완성 검사로 나뉜다. 초음파탐상검사는 제품을 파괴하지 않고 내부 결함의 위치와 크기를 확인할 수 있으므로 완성 검사의 대표적인 수단으로 쓰인다. 검사 후에도 같은 제품을 그대로 사용할 수 있다는 점이 파괴시험과 구분되는 핵심이다.