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[기고] LNG저장탱크 용접부 건전성 평가방법 변화 필요
LNG탱크 용접부, 방사선투과검사 대체 위상배열 초음파검사 기술 적용
대한검사기술(주) 부설연구소 임성진 소장
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[1467호] 승인 2021.01.07  23:18:13
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▲ LNG 저장탱크 용접부를 검사하는 장면(좌측)과 위상배열 초음파검사에 의한 결함 평가 영상(우측)

초음파검사 적용으로 안전성 확보
검사 시간 단축·결과 신뢰성 높여

친환경 에너지로 액화천연가스(LNG)위상 높아져

   
 

환경오염의 주요 원인 중의 하나인 석탄, 석유를 대체하는 에너지원으로 액화천연가스(LNG:Liquefied Natural Gas)가 전 세계적으로는 1950년대 이후부터, 국내는 1986년 처음 도입되기 시작하면서 주목을 받고 있다. 전문가들의 전망에 따르면 향후 석유는 2025년을 정점으로 감소하고 천연가스는 2035년까지 급속히 증가할 예정이라고 한다. 현재는 해외뿐만 아닌 국내에서도 LNG 저장탱크 건설이 매년 꾸준히 증가하고 있다.현재 추진 중인 곳은 울산 북항과 여수 묘도 등이 건설 예정이다.

새로운 검사기술을 통한 방사선투과검사 대체 시급

LNG 사용 증가에 따른 LNG 운반 및 저장에 있어 LNG 특성상 공기와 혼합되면 폭발성 가스가 되므로 누출되지 않도록 각별한 주위가 필요하기 때문에 안전성 문제가 크게 대두되고 있으며, 특히 LNG 저장탱크 용접부에 대한 건전성 평가는 매우 중요한 부분을 차지하고 있다.

현재 국내외적으로 LNG 저장탱크 용접부에 대한 건전성 평가는 방사선을 이용하여 검사하는 방사선투과검사(RT:Radiographic Testing)를 적용하고 있다. 하지만, 방사선 사용에 있어 피폭이라는 안전성 문제가 지속적으로 대두되고 있는 가운데 국내에서는 2013년부터 방사선안전관리가 강화됨으로써 방사선을 사용하는데 많은 제약을 받고 있다.

특히, 방사성동위원소 사용 장소 승인 및 사용 강도 제한으로 인해 검사 시간이 기존보다 많이 소요되는 문제가 발생되고 있다. 이에 따라 시급히 방사선투과검사를 대체할 수 있는 새로운 검사기술이 필요한 상황이며 최근에는 세계적으로 방사선투과검사를 대체하는 기술로 검증되고 있는 위상배열 초음파검사를 적용하고 있다.

   
 

위상배열 초음파검사(PAUT:Phased Array Ultrasonic Testing) 기술은 하나의 탐촉자 내에 여러 개의 진동자(Element)가 일렬로 배치된 위상배열 탐촉자(Phased Array Probe)를 사용한다. 각각의 배열 진동자는 서로 다른 시간의 전기펄스에 의해 초음파를 발진하게 되는데 각 진동자의 발진 시간을 적절히 조절하여 시험체 내부로 진행하는 초음파 빔 각도나 집속 위치를 자유롭게 변화시킬 수 있다.

한 방향으로 퍼지면서 전파되는 단일 진동자 탐촉자를 사용하여 검사하는 일반 초음파검사와 달리 초음파 빔 각도나 집속 위치를 자유롭게 변화시킬 수 있는 위상배열 탐촉자를 사용하여 검사하는 위상배열 초음파검사는 일반 초음파검사에서 검출하기 어려운 빔의 전파 방향과 다른 방향으로 놓인 균열이나 빔 축에서 벗어난 균열들을 검출할 수 있다.

스캐닝(Scanning) 방법으로는 일정한 각도로 위상배열 탐촉자 길이(Aperture)를 따라서 초음파 빔 주사가 가능한 스캐닝 방식, 즉 일반 초음파검사에서 수평 스캔(Rater Scan)을 하는 것과 같은 리니어 스캐닝(Linear Scanning) 방법과 여러 진동자에 대해 전자적으로 펄스의 지연시간(Delay time)을 조절함으로써 초음파 빔 각도에 변화를 주어 부채꼴 모양으로 초음파 빔 주사가 가능한 스캐닝 방식의 섹터 스캐닝(Sectorial Scanning) 방법이 있다.

각각의 진동자에 약간의 시간 차이를 가지고 되돌아오는 반사파에 대해서 진행시간이나 초음파 진폭으로 나타낸 A-Scan 신호와 일련의 A-Scan 또는 파형으로 취득 위치에 따라 연속적으로 늘어놓은 듯이 나타낸 B-Scan(옆면 보기), 시험 대상체의 윗면 또는 평면보기로 나타낸 C-Scan, B-Scan과 비슷하나 보는 방향이 B-Scan의 수직 방향으로 나타낸 D-Scan, 시간 지연과 굴절각에 대해 보정된 A-Scan 신호를 부채꼴 모양으로 나타낸 S-Scan으로 이미지화해서 검사 Data를 표현할 수 있으므로 결함 유무 확인 및 판독을 일반 초음파검사보다 손쉽게 할 수 있다.

위상배열 초음파검사는 기존 일반 초음파검사로는 검사가 어려운 복잡한 형상의 검사 부재에 대해서도 보다 용이하게 검사할 수 있을 뿐만 아니라 디지털화된 영상을 저장하므로 정밀검사를 위한 자료로 활용할 수 있고 전자적으로 초음파 빔의 주사를 제어할 수 있어서 고속 탐상이 가능하다.

   
 

정량적인 검사 위해 검사 절차 확립과 반자동/자동 검사 로봇 사용 필요

LNG 저장탱크 용접부에 대하여 신뢰성 있는 위상배열 초음파검사를 하기 위해서는 9% Ni 재질 특성상 Shell Plate의 Vertical 및 Horizontal 용접부는 각각 용접방법 및 합금함량이 다르기 때문에 각 단별로 용접부 시험편이 필요로 하며 각 단별 검사 부재 용접부에 대하여 모든 부분을 검사할 수 있도록 정확한 Scan Plan이 필요하다. 또한, Scan Plan대로 검사가 이루어질 수 있도록 특성화된 프로브 및 장비 선정이 반드시 이루어져야 한다.

제작된 시험편과 선정된 프로브 및 장비, Scan Plan을 토대로 Calibration, 검사, 평가에 대한 절차를 확립하여야 하며, 확립된 절차대로 전체적인 검사가 진행되도록 지속적인 관리가 필요하다.

위상배열 초음파검사는 검사 데이터 취득방법에 따라 사람 손으로 검사하여 데이터를 취득하는 수동 검사와 로봇을 사용하여 데이터를 취득하는 반자동/자동 검사로 구분된다. 정량적인 검사 데이터를 취득하기 위해서는 동일한 검사 부재에 대해 취득된 검사 데이터가 검사자의 실력 차이로 인하여 편차가 크게 나는 수동 검사 보다는 편차가 거의 없는 자동 검사로 반드시 진행돼야 한다.

자동 검사를 진행하기 위해서는 반드시 반자동/자동 검사 로봇을 사용하여야 하며 추가로 LNG 저장탱크의 9% Ni 재질 특성상 용접 시 자력에 영향을 받는 재질로써 일반적으로 자력(자석 바퀴)을 사용하는 반자동/자동 로봇을 적용하기 어렵기 때문에 자력을 사용하지 않는 특성화된 반자동/자동 로봇을 사용하여야만 한다.

위상배열 초음파검사 적용으로 인한 안전성 확보 및 원가절감 효과 기대

LNG 저장탱크 용접부에 대한 신뢰성 평가방법에 위상배열 초음파검사를 적용함으로써 방사선투과검사 적용 시 발생하는 문제점(안전성, 검사 시간 지연)을 해결할 수 있게 되었다.

먼저 인체에 무해한 초음파를 사용하여 검사함으로써 방사선 피폭이라는 위험에서 벗어나 안전을 확보할 수 있다. 그리고 방사선 피폭에 대한 위험에서 벗어남으로써 피폭 위험성 때문에 사람들이 작업하지 않는 야간에 주로 작업을 해왔던 검사 시간을 주간에도 가능하게 되어 전체 검사 가능 시간이 늘어나는 효과를 얻을 수 있고 더불어 동일한 부재 검사 시 검사 시간이 방사선투과검사보다 위상배열 초음파검사가 더 짧게 소요되기 때문에 전체적으로 검사 기간(공기) 단축으로 인한 원가절감이라는 성과를 기대할 수 있다.즉 탱크 용량 260,000m3 기준 총 검사 기간 중 약 45일 단축이 가능하다.

   
 
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