비파괴검사 스터디 내용 정리

1. 기본원리

와전류 탐상검사는 전자유도의 원리에 근거로 두는 비파괴검사방법이다. 전자기는 간단히 전기와 자기를 사용하는 것을 의미한다. 정해진 일정 상태에서의 전기흐름은 자기를 일으킬 수 있으며 또한 자기는 전기의 흐름을 일으킬 수 있다. 교류가 코일을 통해서 흐를 때 자기장의 변화가 발생된다. 코일을 전도체 시험체에 근접시키면 자기장은 와전류를 유도한다. 와전류의 흐름은 시험체의 물리적 및 전기적 특성에 달려있다. 시험체에 와전류가 흐르면 시험체 자신의 변동 자기장을 일으키게 한다. 와전류의 자기장은 항상 코일의 자기장의 반대에 있다. 따라서 시험코일이 전도체에 있을 때 코일의 자기장의 힘은 줄어든다. 자기장에서 이 변화는 코일을 통해서 흐르는 전류의 변화를 일으키고 교대로 코일의 임피던스 변화를 일으킨다. 임피던스의 변화는 시험회로에 있는 판독표시에 의해 검출된다. 와전류 검사장치는 이 임피던스 코일 변화를 측정하고 표시하며 검사자가 시험체의 특성, 그리고 상태에 대하여 귀중한 정보를 평가하는 것을 허용한다. 와전류 탐상검사는 다른 비파괴검사 방법같이 시험체의 상태를 평가하기 위하여 전자기 에너지의 응용을 필요로 한다. 물질과의 상호 작용 과정이 서로 영향을 주는 에너지는 물질의 상태를 확인하기 위하여 분석된다. 기본적으로 전자기 검사방법은 와전류 탐상검사와 누설자속탐상시험을 포함하여 광범위한 기술을 포함한다.

2. 와전류와 자기장

와전류란 교류 자기장에 의해 전도체 안에 유도된 원형의 전류로 정의된다. 코일에 교류를 적용시키고 이 코일에 전도체 표면에 위치시키면 코일의 자기장이 전도체 안에 와전류를 유도하게 된다. 코일 안에 전도체를 위치시키거나 전도체 안에 코일을 위치시켜도 와전류를 얻을 수 있으며, 이 때 주의할 것은 전도체가 외부 회로와 연결되지 않는다는 것이다. 시험 코일 안에 전도체를 위치시키면 코일의 자기장이 전도체에 전류를 유도한다. 이 전류를 연속적인 원형 궤도를 그리며 흐르고 코일의 자기장 교류로 교번된다. 전도체 안의 와전류는 시험 코일에서 발생하는 자기장과는 반대되는 방향의 아주 약한 자기장을 만들며, 이 두 종류의 자장은 와전류 시험 코일 임피던스에 변화를 일으키는 상호작용을 한다. 도한 그러한 변화는 지시계에 나타난다. 시험코일이 결함 위를 통과하거나 재질의 차이가 있을 때 와전류에 의해 발생되는 자기장의 변화가 와전류의 흐름을 변하게 하고, 코일 임피던스도 변화한다.

3. 와전류에 영향을 미치는 인자

시험체에는 결함 등과 같은 와전류의 흐름을 방해하는 불연속 부분이 있으면 와전류의 강도와 분포가 변화한다. 이로 인하여 와전류에 의한 균열 등의 결함을 검출할 수 있다. 그러나 와전류의 방향과 같은 방향에 있는 작은 결함은 와전류의 흐름을 방해하는 양이 적어 큰 결함에 비하여 검출하기 어렵다. 와전류의 변화는 시험체의 결함에 의해서만 일어나는 것이 아니며 시험체의 투자율, 전도율 등의 재질 변화, 시험체의 형상 변화, 시험체와 코일간의 거리, 상대 위치의 변화 등에 의해서도 발생된다. 이것들을 적극적으로 이용하며 재질 판별이나 크기를 계획하는 것도 가능하다. 반면 결함검출을 목적으로 할 때에는 결함으로 인한 신호에 방해인자가 들어가 잡음으로 중첩해오기 때문에 그의 분리가 실용상 중요한 과제가 되고 있다. 이와 같이 방해인자가 결함으로 의심되는 지시에 중첩했을 때 이것을 의사 지시라고 부른다. 비파괴 검사법은 어느 것을 시행하더라도 의사 지시를 나타낼 가능성이 있다. 그 중에서도 와전류 검사법은 특히 그 위험성이 크기 때문에 주의해야 한다. 검사에 들어가기 전에 이와 같은 방해인자를 가능한 한 제거하는 것이 제일 중요하다. 그래도 남아있는 것은 검사 장치의 기능에 의해서 어느 정도는 제거시킬 수가 있다. 그러나 이러한 단점을 잘 극복해서 널리 활용하고 있다는 것은 와전류 검사법의 유용성 때문인 것이다.

4. 와전류의 특성

와전류는 전도체 안에서만 존재한다. 비전도체에는 나타나지 않으나 비전도체로 코팅된 경우 비전도체를 통과해서 전도체에 와전류를 유도한다. 교번전자기 안에서만 존재한다. 항상 연속적인 회로로 흐른다. 자기장이 발생하는 동일주파수에서 진동한다. 코일의 가장 가까운 표면에서 가장 강하다. 물체에 침투하는 깊이는 검사주파수, 재료의 전도성 및 재료의 투자율과 반비례적 관계를 갖는다.

1. 원리

침투탐상검사는 비다공성 금속, 기타재료의 표면에 개방된 결함을 검출하는데 효과적인 방법이다. 이 방법으로 검출할 수 있는 전형적인 불연속은 균열, 겹침, 기공 등인데 시험면에 침투액을 적용하면 불연속으로 스며들어간다. 침투시간 경과 후 과잉 침투액을 제거하고 현상제를 적용, 지시를 관찰하는 방법을 이용 관통된 누설을 검사 할 수 있다. 일반적으로 누설시험의 보조시험으로 적용할 수 있다.

2. 특성

누설위치 확인이 용이하고, 가압, 감압장치 등 특별한 누설시험 장치가 필요 없고, 완성품이 되기 전의 상태에서도 간단히 누설시험을 할 수 있고, 모세관현상을 이용하기 때문에 두꺼운 시험체에는 효과적이지 못하며, 누설시험법 중 가장 간단한 방법이다.

3. 시험절차

 1) 전처리

침투액 적용 전 시험부위의 이물질을 제거한다.

 2) 침투처리

분무, 붓칠 등의 방법으로 시험면에 적용하고 일정시간 유지한다.

 3) 현상처리

침투액을 도포한 반대쪽 면에 현상제를 분무, 붓칠 등의 방법으로 적용한다. 현상시간은 검사물의 두께, 관통결함의 크기, 침투액의 성능을 고려하여 정한다.

 4) 관찰

가시광선 및 자외선등 하에서 관찰한다.

 5) 후처리

1. 원리

밀봉된 집적회로나 기타 밀봉제품 등은 방사성가스에 침지 되거나 노출되어서 특정시간 동안 300kHz~800kHz 정도의 압력이 가해진다. 전자제품은 최대 침지 압력을 견딜 수 있어야 하며 침지 압력이나 침지 시간은 제품에 따라 절차서에 규정된다. 누설시험동안 집적회로 등은 침지 챔버 내에 놓여진 후 제품의 표면으로 흡수되어 있는 기체나 휘발성 물질의 제거를 위해 진공 감압시킨다. 챔버는 그 때 규정된 압력에서 매개기체와 방사성기체 혼합물로 채워진다. 그리고 제품은 규정된 시간동안 가압하여 추적기체에 노출된다. 방사성 추적기체 혼합물이 존재하는 누설을 통해 진공 배기된 제품의 내부로 들어가고 침지되는 시간동안 내부 추적기체 압력을 충분하게 상승시킨다. 그런 후 방사성 기체 혼합물은 챔버 내의 진공화에 의해 영구적인 추적기체 저장 시스템 쪽으로 배기된다. 챔버 내에 있는 제품은 깨끗한 기체로 세척하고 제품표면에 흡수되어 잔류된 방사성 추적기체를 제거한다. 침지와 세척이 끝난 후 챔버는 개방되고 제품은 방사능을 검출하기 위해 신틸레이션 계수관이 설치된 장소에 놓이게 된다. 외부표면에 흡수된 기체로부터 방출된 방사선은 베타선이므로 베타선은 흡수재의 얇은 막을 통과하지 못한다. 보다 높은 에너지를 갖는 감마선은 적절한 신틸레이션 계수기로 검출되어질 수 있는 전자제품 내부에 함유된 Kr-85 가스에 의해 발생된다. 누설률은 신틸레이션 계수관에 의해 측정 가능한 Kr-85의 방출된 양의 비율에 의한 계수율로부터 구할 수 있다.

2. 적용

기체방사성 동위원소법으로는 방사성 추적자를 이용하는 방법 등을 포함하여 많은 누설시험 기술이 개발되었다. 이 시험에서는 물이 가장 일반적으로 사용되는 액체이다. 물에 추가할 수 있는 가장 적합한 동위원소는 Na-24인데 누설탐지에 필요한 농도가 음료 허용치보다 적기 때문에 안전하며 반감기가 15시간으로 짧아 안전에 따른 영향을 크게 줄일 수 있다. 감마방사능 검출기는 용기의 누설주위에 축적된 방사성 물질 중 탄산나트륨 용액에서 방출된 감마방사선의 누출위치를 확인하는데 사용된다. 기체방사성 동위원소법에서는 추적기체로 보통 방사성물질 Kr-85를 이용한다. 이 원소는 기체상 질소에 희석되어 있다.

3. 특성

기체방사성 동위원소법의 주요 장점을 보면 밀봉된 다량의 전자제품을 동시에 침지 시킬 수 있고 누설경로가 막힐 염려가 없어 누설을 지나칠 가능성이 적다. 밀봉 시험체 검사에 있어 다른 추적기체를 사용할 때보다 2~6배정도 빠르다. Kr-85로부터 방출된 베타선은 추적기체가 시험체 외부표면에 흡수되었는지 밀봉 시험체내 전체에 함유되었는지를 결정하기 위해 사용된다. Kr-85는 99%의 베타선을 방출하기 때문에 시험체 내부로 침투하기 위한 입자를 충분히 갖고 있지 못하다. 주요 단점으로서 이 시험 시스템은 10∧-6Pa·㎥/s 보다 큰 누설률을 갖는 누설은 검출하기 어렵다. 만일 밀봉된 제품에 있어서 누설구멍이 크다면 거대누설이 발생되어 방사성 기체가 제품 내에 잔류할 수 없게 된다. 또한 계측 건에 추적기체가 시험체에서 탈출할 우려가 크고, 세척한 후 계수 할 때까지의 시간이 길어지면 검사하기가 어려우며 인체에 해롭기 때문에 주의해야 한다.

1. 원리

음향 누설시험은 가압 시스템에서 누설위치를 찾기 위해 적용된다. 유체누설은 고속도의 흐름이나 거친 흐름에 의한 누설을 통해서 유체가 흐를 때 음파를 발생시키고 이러한 음파는 누설 주변의 대기, 용기구조, 가압 유체의 중앙부위를 통해서 전달되어질 수 있다. 기체에서 발생된 진동은 지향성이 있는 마이크로폰이나 음향 프로브를 이용 진동 근원으로부터 거리에 따라 측정되어질 수 있는데 시스템을 통과하는 공기나 다른 유체로부터 거리에 따른 누설위치 검사는 소리의 강도에 따라 특별한 소리 근원의 방향을 조정하고 지향성 프로브를 가지고 누설이 예상되는 지역에서 주사하여 찾을 수 있다. 소리의 근원이나 누설위치가 확실하게 결정된다면 주의를 가지고 면밀하게 관찰해야 한다. 음향 누설시험에서 주의할 점은 누설과 음향센서 사이에서 음의 감쇄를 발생시키는 소리흡수 재질이나 소리의 경로를 막는 환경을 피해야 하고, 본래 누설근원의 음으로부터 사운드 에코를 제공하는 판상, 경화표면 같은 재료는 소리를 반사할 수 있다는 것을 인식해야 한다.

 1) 유체누설에 의해 발생된 음의 스펙트럼 특성

압력경계와 미세구멍에서 유체흐름에 의해 발생된 음의 스펙트럼은 40kHz범위의 주파수에서 가장 쉽게 감응하고 30kHz~100kHz 범위의 주파수 분석이 가능하다. 땅이나 물밑과 같은 자연에서 발생되는 소리의 스펙트럼은 30kHz~100kHz 범위이며, 때때로 누설음향은 한 가지 스펙트럼이 아닌 100kHz 이하의 모든 스펙트럼으로 나타날 수도 있다.

 2) 음향 누설시험의 조건

음향 누설시험의 결함 검출능력은 누설에서 유체흐름의 물리적 특성, 검출기기의 선택, 감도 등에 의존한다. 배관 등에 명백한 액체의 누설 없이 내부적으로 액체가 흐를 수 있으나 연결 장치 등의 누설 구멍을 통해서 기체나 기타 기체가 침투될 수 있다. 그러한 누설은 유체의 점도로서 설명할 수 있는데 낮은 압력의 액체흐름은 낮은 속도를 나타내어 누설되기 어렵지만 높은 압력, 높은 속도의 액체는 누설구멍으로 유체를 통과시키기 쉽다. 이런 조건에서 음향센서는 누설위치를 측정할 수 있는데, 음향 누설 검출기는 검출기 감도, 검출기 선택, 음향 감쇄, 유체의 점도, 유체의 속도, 압력의 차이, 누설의 크기와 같은 7가지 변수와 관계가 있다.

2. 특성

 1) 장점

누설이 있을 때 소리를 발생하기 위한 물리적 조건이라면 어떤 유체에도 사용할 수 있는 방법이며, 특별한 추적기체가 필요하지 않고, 대기 중으로 누설이 존재하여 음파를 발생할 때 누설은 최대 30m 거리에서 측정 가능하며, 초음파 검출기는 새로운 파이프라인 등에서 누설위치를 찾는데 효과적이다.

 2) 단점

잡음시니호가 발생될 때 이용이 어렵고, 배관 내의 통상적인 유체의 흐름을 음향 누설신호로 오인할 수 있고, 초음파 에너지 에코가 발생되기 쉽고 경화된 표면에서 반사되기 쉬우며, 직접빔 인지 반사된 빔인지를 판단할 수 있는 작업자의 숙련이 필요하다.

1. 원리

암모니아 누설시험은 시험체 내에 암모니아를 포함하고 있는 기체를 가압하고 시험체 표면에 도포한 암모니아 검출 현상제가 누설되는 암모니아와 반응하여 변색되는 형태를 이용한 시험방법이다. 변색된 부분의 직경을 관찰하여 누설위치와 누설량을 측정하는 방법으로 감도가 높아 대형용기의 누설 검출에 효과적이다. 암모니아 추적기체와 함께 누설시험에 사용되는 현상 염료는 분무나 솔질로서 가압되는 시험체의 반대쪽에 적용하며 염료가 건조되면 노란색 분필가루 같은 코팅막으로 변한다. 만일 누설이 존재하면 분말은 암모니아 추적기체와 반응하여 노란색에서 청자색으로 지시 모양이 나타난다. 암모니아 누설시험에서는 시험부위에서 부식 등이 발생할 수 있으므로 시험이 완료되었을 때 추적기체는 회수 후 안전하게 제거되어야 하며 사용된 현상제는 공기, 물 또는 청결한 천으로 후처리를 하여야 한다. 시험에 사용되는 암모니아 추적기체의 일반적인 농도는 50ppm이다.

2. 재료

 1) 추적기체

암모니아는 누설시험에 있어 높은 감도와 변색을 이용하여 육안 지시판별이 가능하고 대형용기, 특히 LNG 저장탱크의 1차 멤브레인의 내벽 검사에 사용되는 특성이 있으나 상온, 대기압에서 강한 자극성을 가진 무색기체로 가연성 및 독성을 지니며, 구리나 황동제품의 부식을 초래할 수 있으며 공기 중에서 폭발한계를 갖고 있다. 따라서 암모니아 기체는 가연성 가스의 치환이나 활성원소의 안정화를 위해 질소와 혼합하여 시험공간에 주입한다.

 2) 현상제

암모니아 추적기체와 접촉하여 노란색에서 청자색으로 변색하는 반응의 성질을 갖는 것으로 누설률의 감도에 있어 1X10∧-8Pa·㎥/s를 초과하지 않는 누설 검출 능력이 있는 현상제를 사용하여야 한다. 현상제를 도포한 후 대기환경 상태에서 약 12시간 방치하여 자연건조 시킨다. 건조가 완료되면 피막 두께를 측정하고 규정된 두께를 벗어날 경우에는 시험 전 부위의 현상제를 제거하고 다시 도포하여야 한다. 현상제 피막 두께가 두꺼우면 누설지시를 가리고 누설위치를 불명확하게 나타내거나 건조 후 도막 박리가 일어날 수 있다. 반면 두께가 얇으면 명확한 누설지시를 나타내기 어렵다. 현상제는 온도와 습도에 민감한 재료이다. 시험표면에 도포할 때 15~25℃를 충족하는 것이 효과적이다. 온도가 높아지면 건조성이 양호하지만 특별히 높을 필요는 없다. 온도가 극히 낮으면 현상제가 건조되지 않고 응집되어 흘러내릴 수 있어 누설을 검출할 수 없다. 20℃에서 60%의 습도가 적절한 시험조건이 된다.

 3) 누설시험편

암모니아 누설시험편은 시험신뢰도 및 안전성을 확보하기 위해 사용되는데 기체농도, 시험압력, 압력 유지시간, 현상제 적용, 시험온도 등 시험조건을 설정하고 누설률에 있어서 1X10∧-4Pa·㎥/s 범위의 누설시험편 용기나 모세관형 누설시험편을 이용하여 시험체 조건에 따른 실제누설시험의 결함 검출 감도를 설정하기 위해 사용된다.

3. 방법

암모니아 누설시험은 헬륨질량분석기 시험, 할로겐 누설시험 등 다른 추적기체를 사용하는 시험 절차와 유사하다. 추적기체를 검출하는 방법이 검출기가 아닌 현상제를 이용하는 측면에서는 침투탐상시험과 유사점이 있다. 일반적인 암모니아 누설시험 절차는 시험장치 설치, 산소치환, 1차 암모니아 추적기체 주입, 현상제 도포 및 관찰, 후처리, 암모니아 추적기체 치환, 2차 암모니아 누설시험, 암모니아 검지공 폐쇄 등의 공정으로 이루어지며, 만일 누설이 발생하여 보수가 필요할 때는 암모니아 추적기체 주입 공정부터 재시험하여야 한다. 암모니아 누설시험 전 저장탱크의 내부는 품질관리 팀, 감리, 감독 등에 의해 다음의 조건들을 인증 받고 만족한 상태로 존재하야 한다.