와전류 탐상 검사(ECT)

왜 배우는가: 와전류탐상검사는 열교환기 튜브와 금속 부품을 비접촉·고속으로 검사하는 대표적인 방법이라 실무에서 자주 쓰인다. 전자기유도와 표피효과는 여러 전자기 검사에 공통으로 나오는 원리이므로 먼저 정확히 익혀야 한다. 여러 교시에 걸쳐 원리와 특징을 함께 묻는 문제가 반복되므로 정의와 원리를 답안 문장으로 옮길 수 있어야 한다.

출제 이력: 제138회 1교시 9번, 제129회 2교시 4번, 제119회 2교시 4번, 제114회 1교시 6번, 제98회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

와전류탐상검사(ECT)는 교류 자계로 도전성 재료에 유도된 와전류가 결함에 따라 바뀌는 양을 코일 임피던스 변화로 측정하는 전자기 비파괴검사이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓰고, 이어서 검사 대상이 도전성 재료라는 조건을 붙인다. 정의에서 이어지는 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 와전류: 시간에 따라 변하는 자속이 도체 안에 유도하는 원형의 전류이다.
• 표피효과: 와전류 밀도가 시험체 표면 부근에 집중하는 현상이다.
• 표준침투깊이: 표면 값의 1/e로 줄어드는 깊이이며 주파수에 따라 달라진다.
• 임피던스: 코일의 저항과 리액턴스를 합친 값이며 와전류 흐름이 바뀌면 함께 변한다.
• 리프트오프: 탐촉자 코일과 시험체 표면 사이의 간격이며 신호 변화의 주요 원인이다.
• 도전율: 재료가 전류를 흐르게 하는 능력이며 단위는 S/m이다.
• 투자율: 재료가 자기장에 반응하는 정도이며 강자성체에서 특히 크다.

2. 개념 풀이

정식 정의는 다음과 같다. 와전류탐상검사는 교류가 흐르는 코일을 도전성 시험체에 접근시키고, 시험체에 유도된 와전류가 결함, 재질, 두께, 형상 변화에 따라 바뀌는 양을 코일 임피던스의 변화로 검출한 뒤, 그 신호를 해석해 결함 유무와 특성을 판정하는 비파괴검사법이다.

원리는 전자기유도에서 출발한다. 코일에 교류를 흘리면 코일 주위에 시간에 따라 변하는 자속이 생기고, 이 자속이 도체를 지나면 도체 안에 폐회로를 이루는 와전류가 유도된다. 유도된 와전류는 코일 자장과 반대 방향의 약한 자장을 만들어 코일의 임피던스를 바꾼다. 시험체에 균열이 있으면 와전류가 그 주위로 우회하여 자장이 달라지므로, 검출기는 임피던스의 진폭과 위상 변화를 측정해 결함을 판정한다. 즉 ECT 신호는 결함 자체가 아니라 와전류 흐름의 교란을 측정한 값이다.

표피효과는 와전류가 표면 근처에 집중하는 현상이다. 와전류가 만드는 자장이 코일 자장을 약화시키는 방향으로 작용하므로 깊이 들어갈수록 와전류 밀도가 급격히 줄어든다. 표피효과는 주파수, 도전율, 투자율이 클수록 강해진다. 이 깊이를 나타내는 표준침투깊이는 다음 식으로 쓴다.

$δ = 1 / √(π · f · μ · σ), μ = μ0 · μr$

여기서 δ는 표준침투깊이(m), f는 주파수(Hz), μ는 투자율(H/m), σ는 도전율(S/m)이다. μ0는 진공의 투자율로 4π×10⁻⁷ H/m이고 μr은 재료의 비투자율이다. 표준침투깊이는 표면 값의 약 37%로 줄어드는 깊이이므로, 결함이 있을 깊이에 와전류가 도달하도록 표준침투깊이가 그 깊이보다 조금 크게 되는 주파수를 고른다. 주파수를 높이면 침투가 얕아져 표면 결함에 대한 감도가 좋아지고, 낮추면 더 깊은 곳까지 검사할 수 있다.

검출 방식은 절대형과 차동형으로 나뉜다. 절대형 코일은 시험체의 평균적인 전기적 상태를 측정하고, 차동형 코일은 두 코일 신호의 차이를 취해 국부 결함에 민감하다. 차동형은 튜브의 국부 결함 검출에 적합하지만, 결함 길이가 코일 간격보다 길면 신호가 상쇄되어 놓칠 수 있다. 탐촉자는 시험체 형상에 맞춰 고른다. 평판 표면에는 펜슬형 프로브를, 튜브 내부에는 관 내삽형 프로브를, 봉이나 파이프 외면에는 엔서클링형이나 탄젠트형 프로브를 쓴다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 리프트오프: 코일과 시험체 표면 사이의 거리이다. 거리가 변하면 결함과 무관한 신호가 생기므로 보정하거나 억제해야 한다.
• 위상 해석: 임피던스 평면에서 신호 벡터의 위상각으로 결함의 종류를 구분하는 방법이다. 진폭만 보는 판정보다 정보가 많다.
• 기준시편: 알려진 인공 결함을 가진 표준 시편이다. 검사 감도를 맞추고 판정 기준선을 정하는 데 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

열교환기와 증기발생기는 얇은 튜브 벽으로 고온 유체와 냉각수를 나누므로, 튜브의 균열과 감육을 운전 중이나 정기 보수 때 빠르게 찾아야 한다. 튜브를 절단해 확인하면 설비 재가동이 늦어지므로 시험체를 손상하지 않는 검사법이 요구되었고, 와전류탐상검사는 그 요구에 맞춰 발전하였다. 원자력발전소의 증기발생기 전열관과 석유화학 열교환기 튜브의 검사에 널리 쓰이는 이유가 여기에 있다.