국내 최초로 그리고 세계에서 두번째로 산업구조물의 비파괴검사를 위한 위상배열 초음파 탐상시스템(PAULI 101)이 개발됐다. 이는 구조물의 내부를 초음파 영상으로 획득하게 함으로 기존의 1차원적 장비에 비해 기술적인 면에서 획기적으로 향상된 시스템이다. 이 시스템은 이로 인해 안전진단의 신뢰도와 공정을 향상시켜 향후 초음파를 이용한 비파괴탐상의 적용범위와 시장을 확대시켜 나갈 것으로 전망된다.

비파괴검사란 시험체를 물리적으로 파괴하거나, 화학적으로 손상시키지 않고 방사선, 침투제, 초음파, 와전류 등을 사용하여 시험체 내부의 결함을 찾아내고, 획득된 결함 신호를 분석하여, 결함이 놓인 위치와 결함의 종류 및 크기를 판정하는 기법이다.

국내에서는 지난 30년간 급속한 경제 발전에 의해서 많은 구조물 등을 설계, 제작하여 왔다. 그러나, 구조물의 수명에는 한계가 있고 그 안전성은 주기적 혹은 비주기적으로 확인하여야 함으로, 비파괴검사를 통한 구조물 안전진단은 반드시 수행되어야 한다.

다양한 비파괴검사 기법 중에서도 초음파를 이용한 비파괴검사는 방사선 피폭과 같은 위험이 없어 인체에 무해하며, 결함에 민감하고, 결함의 분류와 크기 산정에 필요한 다양한 정보를 제공하기 때문에 현재 널리 사용되는 비파괴검사 기법 중 하나이며, 그 적용의 범위는 계속해서 증가하고있다.

그러나, 현재 산업현장에서 적용되고 있는 재래식 초음파 탐상 기법에서는 작업자가 피검체의 형상에 따라 피검체의 각 부분에 탐촉자 혹은 푸루부라 불리우는 초음파센서를 부착하여 초음파를 발진시킨 후 결함을 반향되어 되돌아오는 초음파 신호를 수집하고, 그 신호의 파형을 분석함으로 결함의 종류와 크기를 추정하는 방법을 사용하고 있다.

이러한 재래식 비파괴 검사법은 첫째, 전문가가 아닌 경우에는 결함 신호의 해석이 어렵고, 검사 시와 평가 시에 작업자의 주관적 판단이 포함될 가능성이 높아 결함 평가의 정확성이 저하될 뿐만 아니라, 둘째, 복잡한 형상을 가진 피검체의 탐상 시에는 입사각변환을 위해 다양한 형태의 웨지(wedge)를 탐촉자에 부착해야만 검사 부위의 정보를 확보할 수 있으므로, 시간적, 물적 비용이 크다는 문제점을 가지고 있다.

이러한 재래식 비파괴 검사의 문제점을 해결하기 위해 개발된 위상배열 초음파 탐상 시스템(PAULI 101)은 재래식 초음파 탐상시험에 비해 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

첫째, 하나의 탐촉자에 여러 개의 미소 초음파 발진자를 여러 가지 형태로 배열하여 각 미소 발진자의 발진 시간을 전자적으로 조절함으로써, 초음파의 진행 방향을 자유로이 바꿀 수 있고, 피검체 내부의 특정 지점에 초음파의 집속이 가능하다.

둘째, 이러한 조향 및 집속시의 신호처리를 전자적으로 빠르게 처리하면 결함의 신호를 재래식 검사 기법의 검사결과로 보여주던 1차원의 A-scan신호가 아닌 2차원 영상으로 제공이 되기 때문에 비파괴검사의 신뢰성이 크게 향상될 수 있다.

■ 위상배열 초음파 기술의 개요

위상배열 초음파의 원리는 다음과 같다.
초음파 탐상에서 검사의 민감도는 결함으로부터 맞고 돌아오는 초음파의 에너지에 의존된다. 반사되는 초음파의 신호를 증가시키는 가장 간단한 방법은 첫째, 탐촉자로부터 발진하는 초음파의 에너지 자체를 증가시키는 방법이 있고, 둘째는 결함부위에 집속된 초음파를 발진시킴으로써, 전체 발진 초음파의 에너지를 증가시키지 않고도 집속부위만의 초음파 에너지만을 증가시키므로, 집속이 되지 않는 부분으로부터의 잡음은 감소됨과 동시에 결함부의 반사신호에너지는 증대되는 방법이 있다.

각각의 미소 발진자는 서로 다른 시간 지연이 적용되어 일정한 전기 펄스에 의해 발진된다. 따라서, 미소 발진자에 적용되는 발진시간을 조절함으로써 배열 탐촉자에서 나오는 초음파의 집속점(focal point)이나 조향각도(steering angle)를 조절할 수 있다.

이러한 전자적 조향과 집속기능은 시편에서 많은 부분을 검사할 경우 매우 유용하다. 이러한 다수의 집속점으로 빠른 조향 및 집속을 수행하면 시험편 내부를 실시간으로 영상화하는 것이 가능해진다.

■ PAULI의 기능들

PAULI 101은 숙련된 검사자와 그렇지 않은 사용자 모두에게 유용한 검사기능 및 부가기능을 다양하게 제공한다.

대표적인 기능들로는 구형 탐상기와 같은 신호 정보 제공이다. 이 기능은 기존의 방식에 익숙한 검사자를 위하여 구형 탐상기에서 사용되는 초음파의 파형 신호(Radio Frequency Data)와 같은 형태의 신호 정보도 단면 영상과 함께 나타낸다. 이 신호 정보를 바탕으로 사용자는 초음파의 전파 후 어느 시점에서 구조물 내부의 결함이나 경계면 등에서 반사되는 신호가 생기는지 파악할 수 있다.

둘째는 최근 검사화면의 동영상화이다. 실시간으로 검사되는 화면을 최대 255 프레임까지 계속 저장하고 있으므로 사용자는 언제든지 최근의 검사화면을 다시 확인할 수 있고, 이 데이터로 동영상을 보듯이 쉽게 확인할 수 있다.

셋째는 결함, 내부구조의 측정이다. 단면영상이 화면에 그대로 나타나기 때문에, 기존의 검사 방식에서는 매우 어려웠던 결함의 위치, 각도 및 크기 등의 측정이 검사중인 화면에서 직접 수행 가능하다.

측정방법도 다양하여, 직선을 이용하여 두 지점간의 거리를 측정하는 방법, 두 직선을 이용하여 각도를 측정하는 방법, 사용자가 임의로 화면에 그려낸 폐곡선을 이용하여 둘레의 길이, 폐곡선 내부의 넓이를 측정하는 방법이 제공된다.

넷째는 검사화면에 직접적인 기록을 보여줄 수 있다. 검사 당시의 특이사항이나 결함에 관한 주석을 필요로 할 경우, 검사자는 화면의 적절한 곳에 필요에 따라 간단한 기호를 표시하거나 특이사항/주석 등을 기입하기를 일반적인 컴퓨터의 워드 프로세서 쓰듯이 해서 기록해 둘 수 있다.

검사내용의 데이터베이스 구축도 대표적인 기능이다. 검사의 대상이 되는 구조물에 사용자가 적절한 ID를 부여한 뒤, 위의 기능들이 화면에 나타난 상태에서 화면들을 저장하여 데이터베이스를 구축함으로써 단순한 검사 장비로써의 기능뿐 아니라 검사의 관리까지도 용이하게 해준다.

■ 적용분야

PAULI 101은 발전소, 교량, 선박, 철도, 항공기 등 강구조물 뿐만 아니라 PE 배관 등의 가스관 이음부에 대한 비파괴 검사에도 적용이 가능하다. 현재 포항제철 종합연구소에서는 PAULI 101을 도입하여 현장 적용을 추진하고 있으며, 가스안전공사에서는 PE배관의 전기융착부 검사를 위한 연구를 수행하고 있다.