비파괴검사 표면·내부결함 검출방법 원리

왜 배우는가: 철도차량 정비에서는 대차프레임 같은 구조체와 주행장치 부품의 균열을 분해하지 않고 찾아내야 하므로 비파괴검사는 실무의 기본 수단이다. 시험에서는 표면결함과 내부결함 검출법을 나누어 원리와 장단점을 묻는 문제가 3개 회차에 걸쳐 출제되었다.

출제 이력: 제133회 3교시 3번, 제118회 4교시 2번, 제94회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

비파괴검사는 시험체를 파괴하거나 손상하지 않고 결함의 유무, 위치, 크기와 재료 상태를 물리 현상으로 알아내는 검사이다.

비파괴검사(NDT)는 철도차량의 구조체와 주행장치 부품을 분해하거나 절단하지 않고 상태를 진단하는 수단이다. 결함이 표면에 열려 있는지 내부에 있는지에 따라 검출 원리가 달라지므로, 답안에서는 표면결함 검출법과 내부결함 검출법으로 나누어 서술하는 것이 기본이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 표면결함: 시험체 표면에 열려 있거나 표면 바로 아래에 있는 불연속이다.
• 내부결함: 기공, 개재물, 용입불량처럼 표면에서 보이지 않는 시험체 내부의 불연속이다.
• 모세관 현상: 좁은 틈으로 액체가 스며드는 현상이며 침투탐상의 출발점이다.
• 누설자장: 결함 부위에서 자속이 시험체 밖으로 새어 나오는 자기장이다.
• 와전류: 교류 자기장으로 도체 표면에 유도되는 맴돌이 전류이다.
• 투과선량 차: 결함부와 건전부를 통과한 방사선 강도의 차이이며 방사선투과검사의 영상 원리이다.
• 법정 방법: 「비파괴검사기술의 진흥 및 관리에 관한 법률」 시행령 제2조가 정한 검사 방법이다.

2. 개념 풀이

비파괴검사의 정식 정의는 시험체의 형상과 기능을 훼손하지 않고, 물리 현상을 이용해 결함과 재료 상태를 판단하는 검사 체계이다. 시행령 제2조는 방사선·초음파·자기·침투·와전류·누설 비파괴검사 6종을 법정 방법으로 규정한다. 그 밖에 음향방출, 육안, 열화상, 중성자, 응력측정 검사가 비파괴검사관련 산업에서 활용할 수 있는 방법으로 열거된다.

표면결함 검출은 결함이 시험체 표면으로 열려 있다는 조건에서 성립한다. 침투탐상은 모세관 현상으로 액체 침투제를 결함 속에 스며들게 한 뒤, 표면의 잉여 침투제를 세척으로 제거하고 현상제를 도포해 결함 속 침투제를 밖으로 빨아올린다. 이때 생긴 적색 또는 형광의 지시 모양을 관찰하므로 침투탐상은 표면으로 열려 있지 않은 결함을 검출하지 못한다.

자분탐상은 강자성체를 자화시킨 상태에서 결함 부위의 누설자장이 자분을 끌어당기도록 하여 불연속의 위치, 크기, 형태를 읽는 방법이다. 자분은 시험면과의 색깔과 밝기 대비로 식별되므로, 자분 적용 시간이 지나치게 길면 배경이 오염되어 결함 지시가 흐려진다. 이 방법은 강자성체에만 적용되므로 비자성 재료의 표면 결함에는 침투탐상을 쓴다.

와전류탐상은 교류 자기장으로 금속 표면에 와전류를 유도하고, 균열이 전류 경로를 끊어 코일의 임피던스가 변하는 것을 측정한다. 와전류탐상은 시험체 표면 근처의 결함 검출에 적합하며, 깊은 내부 결함에는 적용이 제한된다. 자기장의 침투 깊이가 얕기 때문에 나타나는 한계이다.

내부결함 검출법인 방사선투과검사는 X선이나 감마선이 시험체를 투과할 때 결함부와 건전부의 투과선량 차가 필름에 농도 차로 남는 원리를 쓴다. 이 농도 차를 2차원 영상으로 판독해 기공, 개재물, 용입불량의 위치와 크기를 구한다.

초음파탐상은 시험체에 초음파를 보내 내부 불연속에서 반사되어 돌아오는 파의 에너지량과 진행 시간을 분석한다. 반사 시간으로 결함의 위치를, 반사 에너지로 결함의 크기를 추정한다. 균열 등 면상결함의 검출 능력은 방사선투과검사보다 초음파탐상이 우수하다.

두 계열을 비교하면 표면결함 검출법은 결함 신호가 표면에서 직접 관찰되거나 표면 근처의 전자기 특성 변화로 나타나고, 내부결함 검출법은 파동이나 방사선이 시험체 내부를 통과하며 얻은 신호를 해석한다. 이 차이가 검출할 수 있는 결함의 위치 차이로 이어진다.

3. 등장 배경과 필요성

비파괴검사가 필요해진 배경은 철도차량의 사용 기간이 길어지면서 구조체와 부품의 결함을 파괴하지 않고 확인해야 하는 요구가 커졌기 때문이다. 대차프레임의 균열이나 차륜·차축의 결함은 파손 시 대형 사고로 이어질 수 있으므로, 분해하지 않고 상태를 확인하는 수단이 필수가 된다.

초기에는 검사원이 테스트 해머로 부품을 두드려 나는 소리를 듣고 균열이나 나사의 풀림을 판단하는 음향 검사가 쓰였다. 이 방식은 검사원의 숙련도에 의존하고 검출 정밀도에 한계가 있어, 가청음 대신 초음파를 이용하는 초음파탐상법으로 발전하였다. 즉 음향 검사의 한계를 보완하려는 요구가 초음파탐상의 등장으로 이어졌다.

비파괴검사의 목적은 제품 신뢰성의 향상, 제조기술의 개량, 원가 절감이다. 여기에 사용 중인 설비에서는 구조물의 수명을 예측하고 안전성을 확보하는 목적이 더해진다. 같은 검사법이라도 제조 단계의 품질 관리와 운용 단계의 상태 진단에서 쓰임이 달라진다.