초음파 검사방법 document_id A220623049636

복잡한 형상으로 된 표면을 가진 컴포넌트가 산업상 및 정부가 관여하는 작업(government operation) 전반에 걸쳐 많이 이용되고 있다. 이들 표면의 정확한 형상은 검사를 수행하기 전까지는 알려져 있지 않은 것이 많다. 예컨대, 공업용 원자로 산업에는 복잡한 곡선을 가진 컴포넌트 및 용접봉이 많이 존재한다. 바깥쪽 면으로부터 파이프 용접봉의 초음파(UT) 시험을 수행하기 위한 현재 이용가능한 적격의 방법 및 절차는 본질적으로 평탄하고 스무드한 형상에만 적용가능하다. 이들 절차에 대처함으로써 얻어진 현장 경험은 이들 용접봉의 많은 부분이 평탄하지도 않고 스무드하지도 않다는 것을 나타낸다. UT 시험관에 의해 부닥치는 전형적인 현장 조건은 용접 크라운(weld crown) 상태의 편차 및 직경 용접 수축(diametrical weld shrinkage)과 같은 다른 표면 불규칙성을 포함한다. 공업용 컴포넌트(industrial component)의 위상 어레이 초음파 시험은 지난 20년 동안 광범위하게 사용되고 있다. 위상 어레이 초음파 시험은, 트랜스듀서가 그들 자신의 펄스발생기와 수신기 채널을 각각 가지는 작은 개별의 소자의 어레이로 구성되어 있는 초음파 시험의 하나의 형태이다. 각 소자는 넓은 빔 확산을 확실히 하기 위해 소형이다. 송신 중에, 각 소자는 각 소자로부터의 초음파가 컴포넌트 체적 내의 초점에 동시에 도달하도록 정확하게 결정된 시간에 펄스화된다. 수신 중에, 각 소자로부터의 신호는 컴포넌트의 체적 내의 초점으로부터 반사된 신호가 모두 위상이 같아지도록 정확한 시간만큼 지연된다. 지연된 수신신호는, 그 후 일제히 가산되어 반사가 초점으로부터 개시될 때 최대진폭신호를 생성한다. 이들 송신 및 반사를 위한 시간지연은 전자적으로 적용되기 때문에, 급속히 변화될 수 있다. 이것은, 위상 어레이 빔 특성이 초당 20,000회만큼 높은 속도로 급속히 프로그램되거나 변화되도록 한다. 이들 기술을 이용하여, 초음파 빔의 초점은 각도범위(angle: 모서리)에서 전자적으로 퍼지게 할 수 있고, 깊이의 범위를 통해 퍼지게 할 수 있으며, 프로브(probe) 또는 임의의 다른 소망하는 패턴에 평행한 평행선을 따라 선형으로 퍼지게 할 수 있다. 이 융통성(versatility)은 공업용 시험에 있어서 위상 어레이 초음파의 광범위한 사용을 불러 일으킨다. 구부러지고 기복이 있으며 불규칙한 표면을 가지는 컴포넌트는 오래 동안 초음파 시험을 위한 도전을 하고 있다. 표면이 (원통과 같은) 주지의 불규칙한 형상을 가지면, 어떤 경우에는 컴포넌트가 검사되도록 초음파 프로브를 설계하여 제조할 수 있다. 위상 어레이 초음파를 이용하여, (많은 경우에는) 송신 및 수신에서 사용되는 지연시간을 조절함으로써 주지의 표면 형상을 보상하는 것이 가능하다. 위상 어레이 초음파 빔이 단순하고 규칙적인 표면 형상을 위해 설계되도록 하는 초점 법칙 계산기(focal law calculator)는 상업적으로 입수할 수 있다. 그렇지만, 표면 프로파일이 검사 전에 표면을 따라 미지의 방법으로 변화하는 경우, 초음파 검사를 수행하는데 이용할 수 있는 방법은 없다. 이것은, 예컨대 파이프가 용접되고, 그 후 용접이 스무드하게 마무리되었지만 평탄하지 않은 지면에 접지될 때, 발생하게 된다. 종종, 트랜스듀서와, 자동화된 스캐닝을 수행하는 것과 신뢰할 수 있는 결합을 얻는 것을 더 쉽게 만드는 부품의 안팎으로 초음파를 전도하는 부품 사이에, 물 경로가 이용된다. 도 1 및 도 2는 표면 불규칙성의 초음파 펄스에 대한 영향을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 1은 평탄한 표면으로의 초음파 빔이 어떻게 소망하는 범위에 쉽게 집속되는지를 나타낸다. 도 2는 구부러진 표면으로 인해 초음파 빔이 어떻게 분산되는지를 나타낸다. 초음파 검사의 충실도를 유지하려고 하면, 표면 프로파일의 편차를 조정하지 않으면 안된다. "표면 구조 측정(profilometry) 데이터를 이용하여 초음파 검사를 하기 위한 장치 및 방법(Device and method for ultrasonic inspection using profilometry data)"이란 명칭이 붙여진 미국 특허출원 공개 제2005/0150300호에는 트랜스듀서와 부품 표면 사이에 탄성파 전달매체(water coupling)를 가지는 썰매 구조(sled arrangement) 상에 수개의 초음파 프로브를 이용하는 방법이 개시되어 있다. 이러한 구조는, 평탄하지 않은 표면으로 인한 리플렉터(reflector)의 위치의 오차를 보상함으로써 컴포넌트의 검사를 정정하기 위해 표면 프로파일을 정밀하게 표시하는 능력을 제공한다. 그렇지만, 이것은 초음파 빔의 폭에 걸쳐 평탄하지 않은 표면 프로파일로 인한 초음파 빔에서의 광행차(aberration)를 수정하는 능력을 갖추고 있지 않다. 따라서, 그 적용가능성은, 표면으로 들어감에 따라 빔의 폭 전체에 걸쳐 평탄한 것으로 묘사될 수 있는 표면으로 한정된다. 이러한 한정은, 도 2에 나타낸 바와 같이 1.5인치 반경의 곡률인데도 전형적인 초음파 빔에 심한 빔 왜곡을 발생시키기 때문에, 몹시 제한하고 있다. 그래서, 초음파 검사를 수행하는 복잡한 형상의 컴포넌트의 표면에 정합(整合)될 수 있는 유연한 위상 어레이 프로브를 개발했다. 이것은, 2004년 8월 30일～9월 3일에 캐나다 몬트리올에서 열린 제16회 비파괴 검사(nondestructive testing) 세계 컨퍼런스에서 소개된 "복잡한 형상을 가지는 컴포넌트의 접촉 시험을 위한 유연한 위상 어레이 트랜스듀서(A flexible phased array transducer for contact examination of components with complex geometry)"라는 기사에 개시되어 있다. 이 실험적인 작업에서는, 각각 개별의 소자에 부착된 변위측정장치를 갖는 유연한 압전 프로브가 개발되었다. 개별의 소자는 평탄하지 않은 표면 프로파일에 정합하도록 아래로 밀어 넣어져 있다. 변위 센서로 각각 개별의 소자의 수직 위치를 측정함으로써, 불규칙한 표면이 다른 상태로 생성하곤 하는 빔 왜곡을 보상 및 제거하는 위상 어레이 지연을 산출할 수 있다. 그렇지만, 초음파를 부품으로 신뢰할 수 있게 결합하기 위해 프로브 소자와 부품 표면 사이에 충분한 접촉을 유지하는 것은 문제가 있다. 소자와 부품 사이의 양호한 초음파 결합을 확실하게 하기 위해서, 결합액(coupling liquid) 또는 겔(gel)로 가득 채워진 수천분의 1인치 이하의 갭이 필요하다. 실제의 많은 표면 조건 하에 있어서 이것은 불가능하다. 씨. 홈즈, 비. 디링크워터 및 피. 윌콕스에 의한 기사, 「Insight, Vol. 46, No. 11, 677～680(2004)」에는, 모놀리딕(단일 소자) 초음파 트랜스듀서의 이용에 대해 개시되어 있다. 여기서는, 초음파 빔 특성은 맞춰져 있어 변경할 수 없다. 하나의 프로브는 표면 프로파일을 측정하기 위해 물 경로(water path)를 따라 동작하고, 내부 검사를 위한 다른 프로브는 컴포넌트의 표면과 접촉하고 있다. 이 레퍼런스에 개시된 초음파 프로브는 유연하지 않기 때문에, 평탄한 표면 상에서만 작용할 수 있다. 프로브의 평탄한 표면은, 적절히 동작하도록 하기 위해 프로브와 컴포넌트 표면 사이의 얇은 액체 커플랜트(liquid couplant)가 수천분의 1인치 두께 이하인 프로브의 전 영역에 걸쳐 컴포넌트의 평탄한 표면과 접촉하고 있어야만 한다. 따라서, 이 장치는 평탄한 표면 세그먼트(surface segment)로 구성되어 있는 컴포넌트 상에서만 작업할 수 있다. 하나의 평탄한 영역으로부터 다른 평탄한 영역으로의 천이 영역에 걸쳐 내부 검사 프로브는 동작할 수 없다. 이 어프로치는 프로브의 전 영역에 걸쳐 근본적으로 평탄한 큰 반경의 곡률을 갖는 구부러진 표면만 정합하도록 할 수 있다. 전형적인 트랜스듀서에 대해, 이 어프로치를 사용하기 위해서는 곡률의 반경이 2분의 1피트 이상이어야 한다. 이 어프로치에 의해 제공되는 수정은, 표면 프로파일의 편차에 대한 초음파 데이터로부터 내부 반사의 위치를 수정하는 것으로 제한된다. 빔 각도 및 각 프로브로부터 리플렉터까지의 거리가 알려져 있기 때문에, 표면 상의 프로브의 정확한 위치 및 표면 프로파일을 앎으로써, 이 기사에 개시된 어프로치에 의해 글로벌 좌표계에 비례하여 리플렉터의 위치를 산출할 수 있다. 그렇지만, 이 어프로치는 존재하는 평탄하지 않은 표면 컴포넌트의 비교적 작은 서브세트(subset)에만 적용할 수 있다. 이 어프로치는 프로브의 전 영역에 걸쳐 평탄하지 않은 표면으로 인한 빔 왜곡의 모든 문제에 대처할 수 없다. 즉, 이 어프로치는 프로브의 전 영역에 걸쳐 평탄한 표면의 세그먼트에만 적용가능하다.