위상배열초음파탐상검사에 의한 보일러관 용접부의 결함 판별

조국형,유호선,Cho, Kuk-Hyung,Yoo, Ho-Seon 한국플랜트학회 2018 플랜트 저널 Vol.14 No.2

Nuclear safety law's amendment caused many problems to use radiography testing(RT). Phased array ultrasonic testing(PAUT) was adapted instead of RT for NDE of welding points in boiler tubes these days. Unfortunately, PAUT doesn't give us the discrimination characteristics about flaws distinction and flaws size clearly. In this thesis, the distinction characteristics of flaw types and the detection characteristics of flaw size using PAUT of welding points in boiler tubes were analyzed. It was concluded that PAUT can distinguish between planar flaws and rounded flaws, but it is hard to tell apart the types of flaw respectively. We paid attention to the discrimination of flaws size because PAUT tends to underestimate the flaw size of porosity and underestimate or overestimate the flaw size of porosity. 방사선 관련 법의 개정으로 보일러관 비파괴검사 방법으로 방사선투과검사를 대체하여 위상배열초음파탐상검사를 시행하고 있다. ASME BPVC 제5장 4절에서 제시하고 있는 주요 결함별 정성적 특징과 실제 결함을 비교하여 결함종류 판별을 확인하였고 시험편에 대해 방사선투과검사와 위상배열초음파탐상검사를 시행하여 결함크기 해상 특성을 예측하였다. 위상배열초음파탐상검사는 면상결함군과 구상결함군 결함의 판별은 할 수 있으나 형태가 유사한 결함의 판별은 용이하지 않음을 확인하였다. 또한 결함크기가 합격 여부를 좌우하는 슬래그의 경우 결함의 위치나 방향에 무관하게 방사선투과검사 대비 과소 예측하였으며, 기공은 결함의 위치, 방향 및 군집 유무에 따라 과대 또는 과소 예측하는 정량적 특성이 나타나므로 결함크기 판별에 주의를 요함을 확인하였다.

횡파 위상배열 초음파 탐촉자 설계 및 성능 평가

윤병식(Byung-Sik Yoon),이희종(Hee-Jong Lee),Dominique Braconnier 한국비파괴검사학회 2012 한국비파괴검사학회지 Vol.32 No.2

일반적으로 위상배열 초음파검사 기법을 이용한 배관 용접부검사에서는 높은 검사 각도를 효과적으로 발생하기 위하여 웻지를 사용하게 된다. 그러나 용접부 또는 접근이 제한된 부위에 대한 검사는 위상배열 초음파 탐촉자에 웻지를 부착하게 되면 웻지의 전단 길이로 인하여 검사체적을 포함하지 못하는 등의 문제점이 발생하게 된다. 따라서 웻지를 사용하지 않고 높은 검사 각도를 발생할 수 있는 횡파 위상배열 초음파 탐촉자를 적용해야 할 필요성이 있다. 본 연구에서는 굴절각도가 높은 횡파를 발생할 수 있는 위상배열 초음파 탐촉자를 설계하고 제작하여 다양한 깊이의 EDM 노치가 가공된 시험편에서 결함이 정확하게 검출되고 평가될 수 있는 지를 확인하였다. 결과적으로 본 연구에서 설계된 횡파 위상배열 초음파 탐촉자는 다양한 깊이의 결함을 검출하고 신뢰성 있는 정밀도를 나타내었으므로 향후 접근제한이 예상되는 발전설비 구조물의 검사에 적용된다면 효과적인 검사 결과를 보여줄 것으로 기대된다. Typically, a wedge is involved to generate effectively high inspection angle in pipe weld inspection using phased array ultrasonic technique. But the usage of this wedge for weld or access limited area can cause coverage limitation for the examination volume because of the wedge front length. Therefore, the shear wave phased array probe which can generate high inspection angle without wedge is essentially necessary. In this paper, the shear wave phased array ultrasonic probe which can generate high inspection angle designed by modeling and manufactured from the modelling result. And this shear wave probe tested whether it can detect and sizing for EDM test block that contains various depth. As results, the experimental results show that the designed shear wave phased array probe can detect and size with reliable accuracy. Therefore if this phased array probe apply in field inspection, it is expected that it show more reliable inspection result for plant structure having access limitation.

KR60 레일의 결함 탐상을 위한 위상배열 초음파 변환기 개발 (Ⅰ)

김건우(Geonwoo Kim),서무경(Mu-Kyung Seo),최남경(Namkyoung Choi),김기복(Ki-Bok Kim),권세곤(Segon Kwon),김영철(Young-cheol Kim) 한국비파괴검사학회 2017 한국비파괴검사학회지 Vol.37 No.6

현재 우리나라 철도 레일의 초음파 탐상은 복수의 단일 초음파 변환기를 이용한 탐상이다. 단일 초음파 탐상의 한계를 극복하기 위해, 본 연구에서는 CIVA 시뮬레이션을 이용하여 KR60 레일의 결함 탐상을 위한 최적 위상배열 초음파 변환기를 설계하고, 그 탐상 결과를 분석하였다. 상용 위상배열 초음파 변환기를 KR60 레일의 비파괴 탐상에 이용할 경우 레일의 기하학적 특성에 따라 검출 가능한 결함의 종류가 제한되었다. 따라서, KR60 레일의 구조적 특징과 결함의 위치와 형상에 따라 위상배열 초음파 변환기의 제원(중심주파수, 대역폭, 집속 깊이, 소자 길이, 너비, 높이 등)을 도출하였으며, 도출된 위상배열 초음파 변환기의 음장과 다양한 인공결함에 대한 S-scan 이미지를 비교·분석하였다. Ultrasonic testing for the KR60 railway in Korea has been conducted by single element ultrasonic testing. In this study, to overcome the limits of single element ultrasonic testing, phased array ultrasonic transducers for detecting defects on the KR60 rail were designed and analyzed based on the inspection results obtained by CIVA software simulation. It was difficult to detect various defects using commercial phased array ultrasonic transducers because of geometric features of KR60 railroad. Therefore, according to the geometric characteristics of the KR60 railroad, the specifications of phased array ultrasonic transducers for the KR60 rail were determined such as nominal frequency, bandwidth, focusing length, width, height, length of piezo-electric material, etc. The acoustic field of the phased array ultrasonic transducers and their S-scan images of artificial defects on the KR60 rail were compared and analyzed.

위상배열 초음파탐상검사(PAUT)를 사용한 프로펠러 블레이드 균열 검출

김민생,박종운,이두열,백세일 한국비파괴검사학회 2020 한국비파괴검사학회지 Vol.40 No.5

2017년 미 해병대 KC-130T 추락사고의 원인은 프로펠러 블레이드 테이퍼 구멍(Taper bore) 내부에서 발생한 부식이 입계균열로 성장하고 다시 피로 균열로 전환되면서 블레이드가 파단된 것으로 밝혀졌다. 사고 이후 미군은 잠재적 위험이 되는 균열을 탐지하기 위해서 와전류탐상검사 절차를 적용하고, 유사 기종을 운영 중인 한국 공군에게도 내용을 알려왔다. 하지만, 미군에서 제안한 와전류탐상검사 방법은 테이퍼 구멍에 위치한 부싱으로 인해 피로 균열 탐지가 제한되는 것을 인지하게 되었다. 잠재적 위험을 완화시키기 위하여, 한국 공군은 부싱 하부에 발생할 수 있는 피로 균열을 사전에 검출할 수 있는 위상배열 초음파탐상검사(PAUT) 적용연구를 수행하였다. 이를 위해 블레이드 형상에 맞는 대비시험편을 제작하여 피로 균열 발생부위에 전기방전가공 노치를 만들고 블레이드의 PAUT 검출특성을 확인하여 검사절차를 수립하였다. 그리고, 실제 운영 수송기에 검사를 적용하여 안전성을 향상하였다. The USMC KC-130T crash in 2017 was determined to be a result of broken propeller blades, caused by corrosion inside the taper bore of the propeller blade expanding into an intergranular crack and changing into a fatigue crack. After the investigation of this accident, the US military applied eddy current testing (ECT) to detect potential hazard cracks and also informed the Republic of Korea Air Force (ROKAF) regarding the operation of similar aircraft. However, the ECT proposed by the US military was limited to detecting fatigue cracks in the aluminum–bronze bushing located in the taper bore. The ROKAF has investigated phased array ultrasonic testing (PAUT), which facilitates the detection of fatigue cracks on the underside of the blade taper bushing. An electric discharge machining notch was fabricated at the site of the fatigue crack in the reference block to replicate the blade shape. The PAUT detection characteristics of the blade were confirmed using this reference block, and test procedures were setup for application in the field. Consequently, PAUT was applied to the transport aircraft of the ROKAF to improve flight safety.

원전 소구경 배관 소켓용접부 위상배열 초음파검사 기술 개발

윤병식(Byung-Sik Yoon),김용식(Yong-Sik Kim),이정석(Jeong-Seok Lee) 한국비파괴검사학회 2013 한국비파괴검사학회지 Vol.33 No.4

소구경 배관 용접부 손상은 원자력발전소에서 빈번하게 발생되고 있는 문제이며, 이러한 손상은 보수를 위한 불시정지를 야기하고 결과적으로 발전소에 경제적인 손실을 초래한다. 따라서 소켓용접부의 제작결함 검출과 초기 성장 결함의 검출은 매우 중요하다고 할 수 있다. 지금까지 해당부위에 대한 검사는 ASME Code Section XI 요건에 의하여 표면검사를 적용하여 왔으나 강화검사로 체적검사기법인 초음파검사를 병행하여 수행하고 있다. 그러나 가동중에 발생되는 피로균열을 검출하기 위하여 적용되고 있는 일반 수동 초음파검사는 소켓용접부의 접근성과 초음파 탐촉자의 접촉 문제 등으로 인하여 검사 결과의 신뢰성에 문제가 있어 왔다. 본 연구에서는 위상배열 초음파검사 기술을 적용하여 소구경 배관 소켓용접부의 검사 신뢰성과 속도를 향상하고자 하였다. 이를 위하여 소구경 배관 소켓용접부 검사를 위한 3.5 ㎒ 위상배열 초음파 탐촉자를 제작하고 탐촉자의 접촉 조건과 일정한 신호 품질을 유지하기 위하여 수동 엔코더 스캐너를 개발하였다. 또한 검사 시스템을 구성하고 현장 검사를 위한 절차서도 개발하였다. Failure of small bore piping welds is a recurring problem at nuclear power plants. And the socket weld cracking in small bore piping has caused unplanned plant shutdowns for repair and high economic impact on the plants. Consequently, early crack detection, including the detection of manufacturing defects, is of the utmost importance. Until now, the surface inspection methods has been applied according to ASME Section XI requirements. But the ultrasonic inspection as a volumetric method is also applying to enforce the inspection requirement. However, the conventional manual ultrasonic inspection techniques are used to detect service induced fatigue cracks. And there was uncertainty on manual ultrasonic inspection because of limited access to the welds and difficulties with contact between the ultrasonic probe and the OD(outer diameter) surface of small bore piping. In this study, phased array ultrasonic inspection technique is applied to increase inspection speed and reliability. To achieve this object, the 3.5 ㎒ phased array ultrasonic transducer are designed and fabricated. The manually encoded scanner was also developed to enhance contact conditions and maintain constant signal quality. Additionally inspection system is configured and inspection procedure is developed.

결함검출 레일 UT 및 RT 검사 비교를 통한 위상배열 탐상 적용성 분석

이민수 ( Lee¸ Min-soo ),김영기 ( Kim¸ Young-gi ) 한국구조물진단유지관리공학회 2023 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.27 No.2

레일내부 손상 검출에 대한 정확성을 높이기 위하여, UT 및 RT 검사 비교를 통해 위상배열 탐상에 대한 적용성을 분석 하였다. 운행선 구간에 UT검사를 통해 결함이 검출된 레일시험표본을 채취하고, RT검사를 진행하여 정량적인 결함길이 및 깊이를 파악하였으며, PAUT를 진행하여 결함크기를 비교하였다. 그 결과, 다수의 UT검사시 결함크기 오차가 1mm 이상으로 산정되는 경향을 보였으며, 위상배열 초음파탐상은 반복적인 측정에도 결함크기 산정 오차가 0.3mm로 작업자의 개인차에 따른 오차를 현저히 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

Boiler Feed-water Pump Turbine Rotor PAUT 자동화 탐상 장치 및 기법 개발

신중철(Jung Cheol Shin),박영우(Young Woo Park),류승우(Sung Woo Ryu),김준영(Chun Young Kim) 한국비파괴검사학회 2020 한국비파괴검사학회지 Vol.40 No.3

화력발전 BFPT 로터는 보일러 주급수 펌프 터빈의 중요 부품으로 가혹한 운전 환경에서 초고속으로 운전됨에 따라 고응력 부위인 휠과 버켓 도브테일에서 다양한 형태의 결함 발생 가능성이 높다. BFPT 로터의 휠과 버켓의 조립 형태는 Tangential 및 Axial로 구성되며, 선진 기업들만이 이들의 설계 및 제조 기술을 보유함에 따라 세부 사양과 형상이 공개되지 않아 정밀 비파괴검사 수행이 난해하였다. 본 연구는 국내 운전 중인 화력발전 BFPT 로터에 대해 역설계를 통해 형상 정보를 확보하였고, 목업 시편 제작, 최적 탐상용 PAUT 탐촉자 및 탐상 장치를 제작하여 휠과 버켓 도브테일에 대한 초음파 탐상기법 및 자동화 탐상 장치를 개발하였다. 본 연구를 통해 개발된 탐상기법과 자동화 탐상 장치는 화력 발전소의 BFPT 로터 가동중검사에 적용하여 발전 설비 운영의 안전성과 신뢰성을 제고하고자 한다. Boiler Feed-water Pump Turbine (BFPT) rotor is an important part of a boiler feed-water pump turbine in thermal power plants. It is operated at high speeds in severe operating environments. Furthermore, various types of defects can occur in high stress areas such as the bucket and wheel dovetail of the BFPT rotor. The assembly type of the wheel and bucket of the BFPT rotor comprises tangential and axial assemblies. As the design and manufacturing technology are owned by advanced technology companies, precise non-destructive testing is difficult because specifications and shapes are not disclosed. This paper presents the shape information via the reverse design of a BFPT rotor, which is in operation in Korea. Furthermore, a mockup, an optimum PAUT probe, defect detection technology, and automated scanning device for the wheel and bucket dovetail are manufactured. The defect detection method and automated scanning device developed in this study are applied to the rotor in-service inspection of thermal power plants for improving the safety and reliability of power plant operations. Hence, the purpose of the study is to improve the safety and reliability of power plant operations by applying the developed defect detection technology and automated scanning device for the BFPT rotor in-service inspection of power plants.

시뮬레이션을 통한 오스테나이트 강 용접부에서 위상배열초음파의 전파특성 연구

김영래(Young-Lae Kim),조성종(Sungjong Cho),박태성(Tae-Sung Park),박익근(Ik-Keun Park) 한국비파괴검사학회 2020 한국비파괴검사학회지 Vol.40 No.6

발전설비의 튜브 및 배관에 널리 사용되고 있는 이종 금속 또는 오스테나이트 강 용접부는 결정립이 조대하고 결정립의 방향에 따라 속도가 다른 이방성 결정구조와 비균질성을 나타낸다. 위상배열초음파를 사용한 비파괴검사 시 이방성과 비균질성으로 인해 빔의 왜곡이 일어나 결함검출 및 빔의 경로예측이 어려워, 신뢰성 있는 결과를 얻는데 많은 어려움을 겪고 있다. 신뢰도 높은 검사를 위해서는 용접부에서 빔의 전파특성을 이해하고, 결함특성이나 검사환경에 따른 적절한 검사조건을 개발할 필요가 있다. 본 연구에서는 검사에 자주 사용되는 sectorial scan 기법에 대하여 초음파 모드와 주파수에 따른 빔 전파거동 시뮬레이션을 통해 이방성 용접부에서 위상배열초음파의 전파특성을 분석하였다. 횡파를 사용한 경우 용접부 전체를 커버할 수 있었지만, 낮은 투과력을 나타내었고, 종파를 사용한 경우 용접부에서 높은 투과력을 나타내었지만, 용접부의 상단까지 빔이 전파하지 못 하였다. 이러한 빔의 전파특성을 고려하여 검사조건을 개발함으로써 결함검출 확률을 높일 수 있었다. 본 연구에서 사용된 시뮬레이션 모델링 기법은 검사조건 설정 및 절차서 개발에 활용될 수 있을 것으로 예측된다. Dissimilar metal or austenitic steel welds, which are widely used in tubes and pipes within power-generation facilities, have coarse grains and exhibit inhomogeneity and anisotropic crystal structures with different speeds depending on the grain direction. During non-destructive inspection using phased-array ultrasonic waves, distortion of the beam occurs due to anisotropy and inhomogeneity, making it difficult to detect defects and predict the path of the beam and thus preventing reliable results. For reliable inspection, it is necessary to understand the propagation characteristics of the beam in the weld and to develop appropriate inspection conditions according to the defect characteristics or inspection environment. In this study, the propagation characteristics of phased-array ultrasonic waves in anisotropic welds were analyzed through simulation of beam propagation behavior according to ultrasonic mode and frequency for sectorial scan techniques that are frequently used for inspection. In the case using the transverse wave, the entire weld could be covered, but it showed low transmittance. In the case using the longitudinal wave, the weld showed high transmittance, but the beam could not propagate to the top of the weld. By developing inspection conditions that consider the propagation characteristics of these beams, the probability of detecting defects can be increased. It is predicted that the simulation modeling technique used in this study can be used to establish inspection conditions and develop procedures.

열피로 균열에 대한 위상배열 초음파 탐상 검사 정확도 및 유용성 평가

안형근,황웅기,김재성,박익근 한국비파괴검사학회 2019 한국비파괴검사학회지 Vol.39 No.4

Thermal fatigue cracking is one of the flaws that can occur in nuclear power plant components and cause problems in maintaining the integrity of nuclear power plants. Therefore, to prevent such problems, nondestructive testing of nuclear power plant components is being performed. Radiographic testing and ultrasonic testing are the primary applied as the inspection methods for components. However, radiographic testing is decreasing in proportion because of radiation exposure and nuclear safety regulations. Alternatively, the proportion of ultrasonic testing is increasing. In particular, phased array ultrasonic testing is applied, replacing a wide range of tests, such as radiographic testing. In this study, the accuracy and usefulness of phased array ultrasonic depth sizing of weldment cracks and artificial flaws are investigated through the evaluation of the average error and RMS error values. 열피로 균열은 원자력 발전소 주요기기에서 발생될 수 있는 결함 중 하나로, 균열 발생 시 원전의 건전성 유지에 문제를 야기할 수 있다. 이에 따라, 이러한 문제가 발생되지 않도록 원전에서는 주요기기에 대해 비파괴 검사를 수행하고 있다. 주로 적용되는 검사 방법으로는 방사선투과 검사와 초음파탐상 검사가 있으나, 최근 방사선투과 검사는 방사선 피폭에 의한 사건·사고와 원자력 안전 규제에 따라 활용 비중이 줄어들고 있으며, 대안으로 초음파 검사의 비중이 높아지고 있다. 특히, 방사선투과 검사와 같이 넓은 범위의 검사가 가능한 위상배열 초음파 탐상 검사가 대두되고 있다. 본 논문에서는 STS 304 배관에 인공결함을 제작한 시험편과 동종 용접한 배관에 열피로 균열을 제작하여, 위상배열 초음파 탐상 깊이 측정 결과의 Average error와 RMS error를 평가하여 정확도와 유용성을 검토하고자 한다.

위상배열 초음파 탐상장비의 현장 적용 방안

권세곤(Segon Kwon),서종민(Jongmin Seo),구자안(Jaan Gu),김영수(Youngsu Kim),성덕룡(Deok-Yong Sung) 한국철도학회 2020 한국철도학회논문집 Vol.23 No.8