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[기고] 한국의 비파괴검사 기술이 나아갈 길
비파괴검사기술, 국제적인 수준의 수행 방법으로 발전 추구
나우(주) NDT교육센터 이정기 센터장
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[1419호] 승인 2020.01.06  23:15:40
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▲ 위상배열 초음파탐상검사에 의한 용접부 결함 검출 영상(좌측), 보일러 튜브 용접부 시험편을 초음파로 검사하는 장면(우측)

비파괴검사기술은 기존 검사의 틀 벗어나
설비 수명관리 위한 도구 역할 요구 받아

제조결함 안전히 제거 불가해 결함 검출과
특성평가기술 끊임없이 발전시켜야 할 과제

 

   
▲ 나우(주) NDT교육센터 이정기 센터장

위상배열 초음파탐상검사 적용 일반화
최근에 가스저장기지 건설 및 가스공급배관의 공사현장의 용접부에 대한 비파괴검사나 석유화학플랜트, 화력발전설비의 용접부에 대한 비파괴검사를 방사선투과검사 대신에 초음파를 이용한 비파괴검사 기술로 대체하여 사용하는 빈도가 늘어나고 있다. 그 이유는 방사선에 대한 안전규제가 강화되었기 때문이다. 이러한 방사선 규제강화는 2013년에 도입되어 2015년에는 공사를 발주하는 발주자까지도 책임을 갖도록 한 것이다. 그리하여 방사선 안전규정을 지킬 수 없는 공사현장에서는 방사선투과검사 대신에 초음파를 이용한 비파괴검사를 수행할 수밖에 없으며, 현재 많은 현장에서 초음파검사 결과를 영상으로 산출해 주는 위상배열 초음파탐상검사(PAUT)를 적용하고 있다.
유럽, 미국과 같은 선진국에서는 현재 우리나라에 적용되고 있는 방사선 안전규제의 정도를 이미 1980년대 말에 적용하기 시작하였다. 따라서 이들 선진국에서는 오래전부터 초음파에 의한 비파괴검사 결과를 영상으로 나타내는 기법과 기술을 개발, 발전시켜왔기 때문에 현재 PAUT라는 최신의 기술을 2000년대 초반부터 현장에서 사용하여 왔다. 이것은 재료 내부를 검사할 수 있는 비파괴검사는 오직 방사선과 초음파를 이용하는 방법밖에 없어서 방사선투과검사를 할 수 없는 경우에는 초음파를 이용한 방법으로 대체해야만 했기 때문에 선진국에서는 초음파를 이용한 비파괴검사 방법을 지속적으로 발전시켜왔다.
또한 비파괴검사 기술은 지속적으로 이전보다 더 작은 결함을 검출하고자하는 능력을 향상시키기 위해 검사장비의 성능을 향상시켜 왔으며, 1970년대에 이르러서 미국, 독일, 영국, 프랑스 등의 선진국을 중심으로 파괴역학적인 관점이 들어오면서 재료의 파괴인성을 알고 있을 때 주어진 크기의 결함(특히 균열)이 특별한 부하에서 파손될지 아닐지를 예측하고, 주기적인 부하에서 균열의 성장률 또한 예측할 수 있도록 발전되었다.
이러한 도구들의 출현으로 만일 결함 크기와 방향이 알려진다면 결함을 지닌 구조물일지라도 사용을 수락할 수도 있게 되었다. 또한 이러한 개념은 설계에 있어 손상을 허용할 수 있는 새로운 개념의 기반을 형성하게 하였다. 즉, 새로운 개념은 특정 위치에 제조과정에서 결함이 존재할지라도 그 결함이 사용 중에 파손에 이를 정도로 성장하지 않는다고 확신하는 한 계속 사용할 수 있다.
이러한 정량적 비파괴평가를 위해서는 검출된 결함의 위치를 정확하게 알려 주어야 하기 때문에, 최근의 휴대용 초음파 탐상기에서 조차도 삼각함수 기능을 갖추어 검출된 결함의 위치를 자동적으로 계산하여 알려주도록 발전되었다. 또한 오늘날 정량적인 이론들은 결함이 있는 영역의 상호작용을 설명하도록 발전되었으며, 검사 결과를 잘 예측하는 시뮬레이션 모델들이 실제 부품 형상을 나타내는 고체 모델과 결합시켜 활용할 수 있게 되었다.

 

비파괴평가 필요 영역 시설 새로운 기회
2차 세계대전 이후에 지속적으로 발전되어 온 초음파탐상검사는 초기에 금속재료를 대상으로 그 기술이 정립되어 왔다. 하지만 21세기에 들어서기 전부터 복합재료와 같은 이방성과 비균질성을 지닌 신소재가 개발되어 항공기, 선박 등에 사용되면서 이러한 신소재에 대해 적용을 확대해 나가고 있으며, 디지털과 컴퓨터 기술의 발전은 전체적으로 많은 장치의 사용 방식과 결과 데이터를 처리하는 알고리즘의 형식을 변화시키고 있다.
더욱이 고해상도 영상 시스템을 활용하게 되고 결함의 특성을 평가하는 여러 가지 측정 방식들이 포함되어서 결함의 검출과 크기 평가, 특성 평가는 물론 재료의 물리적인 특성을 평가하는 데까지 관심이 모아지고 있다.
항공우주, 조선, 철도와 같은 운송 수단 및 원자력, 화력, 석유화학, 가스 설비와 같은 에너지 관련 설비들과 같이 비파괴평가가 필요한 영역에 있는 것들은 향후에 더 흥미로우면서 새로운 기회를 제공할 것이다. 이러한 기대 심리가 있어서 많은 비파괴검사 장비 및 기술과 관련된 기술자들은 경쟁적으로 비파괴검사 장비의 기능과 성능을 개량 발전시켜 왔으며, 이러한 발전을 위한 노력들이 경기 순환에 있어서 극적인 변화를 이끌어 왔다. 동시에 교량, 도로, 건물, 항공기, 철도 레일 등과 같은 공공 시설물은 물론 원자력 발전소, 가스저장 및 공급시설 등과 같은 에너지 설비들의 노후화는 기능적 부분뿐만 아니라 기술적인 부분에 대해서도 새로운 일련의 측정 관찰이 요구되어 왔다.
이러한 변화에 의해 초음파탐상검사 뿐만이 아니라 방사선투과검사, 와전류탐상검사 등의 모든 비파괴검사의 새로운 적용 기법들이 제조 과정의 생산성을 향상시키기 위하여 그 사용이 더욱 더 강조되어 왔다. 특히 초음파탐상검사는 재료 내부에 존재하는 결함의 위치를 다른 기법에 비하여 더 많은 정보를 제공하는 능력이 있어 그 적용 범위가 더 많이 확대되어 왔다.
또한 정량적인 비파괴평가기법은 손상 모드에 관한 정보의 양과 정보를 얻을 수 있는 속도를 모두 증가시킴으로써 공정제어를 위한 가동 중 검사 기술로서 활용할 수 있도록 발전시켜 왔다. 그럼에도 불구하고 제조 결함은 결코 완전히 제거되지 않으며, 재료의 손상은 가동 중에 지속적으로 일어나므로, 결함 검출과 특성평가기술은 끊임없이 발전시켜야 할 과제이다.

 

기술적인 적용분야 점차로 성장될 것
20세기 중반부터 전자 및 반도체 산업의 지속적인 발전에 힘입어 비파괴검사에서 활용하는 여러 에너지원(방사선, 초음파, 전자기 및 적외선 등)을 검출하는 센서들을 배열로 구성할 수 있게 되었으며, 여기에 컴퓨터 그래픽 기술을 접목하여 배열로 구성된 탐촉자 또는 검출기를 사용하여 획득한 검사 결과는 즉각적인 실시간 영상을 만들어 내고 있다. 이러한 전자 기술과 컴퓨터 그래픽 기술이 접목된 기술의 하나가 위상배열 초음파탐상검사라 할 수 있다. 그리고 이와 같은 영상 결과들은 디지털 데이터로 구성되어 있어서 다음과 같은 장점을 갖고 있다.

- 영구적인 기록 보관이 가능하고,
- 신호처리 기법 및 영상 처리 기법에 의해 다양한 정보를 추출할 수 있으며
- 이전의 검사 결과 또는 향후의 검사 결과와 비교 분석이 가능하여 결함의 성장 여부를 판단할 수 있는 정보를 제공하며
- 반복적인 분석 및 원격으로 분석하는 것이 가능하므로, 여러 전문가들의 의견을 모아서 보다 합리적인 조치를 취할 수 있다.

화학플랜트, 원자력발전소, 가스저장시설, 열병합발전소 등의 설비 및 교량, 철도시설, 건축물 등 공공시설물 등의 수명관리를 위하여 필요한 부분의 검사데이터를 정량적인 결과로 얻어야 하는 것은 필수적이다. 최근에 검사하고자 하는 설비의 특정 부분의 검사 가능성을 확인할 수 있고, 정량적인 결과 도출을 예측할 수 있는 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하는 수준에 이르러 있다.
이러한 시뮬레이션 소프트웨어는 비파괴검사를 기술적으로 적용하려는 기법과 검사범위를 확대시키는데 기여할 것이며, 이러한 발전된 기술 덕분에 비파괴평가에 대한 기술적인 적용분야는 점차로 성장될 것이다. 따라서 이러한 비파괴평가를 수행하는 현장 기술자들은 자신의 지식기반을 비파괴평가 지식기반을 넘어서 재료, 용접과 같은 제조공정의 지식기반은 물론 파괴역학과 수명평가에 이르기까지 지식기반의 확대를 꾀하여야 할 것이다. 최근 검사 가능성을 검토하고 검사를 계획하는 단계에서 사용하고 있는 첨단의 시뮬레이션 도구들은 재료 내에서 초음파에 의한 음향적인 변화 양상들을 보다 더 잘 이해할 수 있도록 해준다.

 

지속 발전시키기 위한 노력·관심 필요
전 세계가 자유무역을 기조로 세계화가 지속되고 있으므로, 많은 산업 설비들 및 공공 시설물의 사고예방을 위하여 비파괴검사의 빈도를 증가시키고 신뢰성 있는 비파괴검사를 위하여 통일된 국제적인 수준의 수행 방법으로 발전을 추구할 것이다.
비파괴검사 분야에서 이러한 경향은 표준화와 확장된 교육의 제공을 바탕으로 하고 전자적으로 상호교신이 가능한 디지털 데이터 기반의 결과 산출을 지향하며, 보다 효과적이며 신뢰할 수 있는 비파괴검사로 입증받기 위하여 실제 검사를 그대로 재현하는 시뮬레이션을 강조하게 될 것이다. 이것은 현재의 비파괴검사 기술이 완전히 성장된 기술이 아니라 앞으로도 지속적으로 발전시켜야 할 기술이라는 것은 의미하므로, 많은 종사자들과 관련자들은 현재의 기술의 활용에 그치지 말고 지속적으로 발전시키기 위한 노력과 관심이 필요하다고 하겠다.
이러한 관련 도구들은 비파괴평가를 설계 과정에서 다른 손상 분야와 동등한 관계를 갖는 것으로 고려하도록 하였다. 더 나아가 비파괴평가 수행에서 검출 확률과 같은 정량적인 기법은 통계적인 위험도 평가에서 전체적으로 적용되는 필요한 부분이 되고 있다. 특히 현재 위상배열 초음파탐상검사와 같이 진보된 초음파 비파괴검사 방법은 다른 비파괴검사 방법에 비하여 결함에 대한 정량적인 정보를 보다 자세하게 제공할 수 있는 방법으로 발전되고 있다.
이것은 비파괴검사기술이 단순히 결함 검출만을 수행하는 기존의 비파괴검사의 틀에서 벗어나 설비의 수명 관리를 위한 도구로서 역할을 요구받고 있기 때문이다.

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