KR101478465B1 - 곡배관 용접부 초음파검사방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 곡배관 용접부 내부검사를 위하여 사용되는 RT를 대체할 수 있는 검사방법으로서, PAUT와 TOFD를 동시에 사용하여 RT에서 나타나는 단점인 피검사체의 조건(두께 및 조사방향)에 따라서 검출하지 못하는 결함의 평가를 신속하게 정량적으로 평가할 수 있도록 하는, 새로운 개념의 곡배관 용접부 초음파검사방법이다.

Description

곡배관 용접부 초음파검사방법{Mechanized Ultrasonic Testing Method for Curved Pipe Welding Zone}
본 발명은 석유화학 플랜트 설비, 조선해양설비, 원자력 설비 등 고압력 배관에 적용되는 용접부를 파괴하지 않는 비파괴검사방법의 하나인 초음파를 이용하여 용접부의 건전성의 결과를 신속하고 정확하게 획득하고 저장할 수 있는 초음파검사방법에 관한 것이다.
배관 용접부 내부검사를 위하여 사용되는 검사방법으로 방사선투과검사방법(이하, 'RT'라고 함)이 많이 사용되고 있는데, RT는 용접부를 투과하여 필름 상에 용접부 내부에 존재하는 불연속부(이하, '결함'이라고 함)를 나타내어 필름 관찰기(밝은 조명이 설치된 조광기)를 통해 이를 육안으로 확인하고 결함의 크기 및 형태를 측정할 수 있도록 하는 검사방법이다. RT의 경우 방사선 피폭의 우려 때문에 산업현장에서는 RT를 대체할 수 있는 검사방법이 요구되고 있다.
한편, TOFD(Time of Flight Diffraction)라 함은 초음파검사방법의 일종으로 종파 광대역 탐촉자에서 발생한 초음파가 장애물을 만나면 장애물의 끝단부에서 회절하여 회절파를 발생시키는 것을 이용한 검사방법으로 통상적으로 [도 9]에서 보는 것과 같이 용접부내 결함(100)의 상부와 하부 신호를 각각 표시하여 모니터 상에 B-SCAN 신호처럼 라운드가진 두 개의 신호를 나타낸다.
그리고 TOFD에서 사용하는 초음파방식의 특성상 용접비드 표면을 따라서 초음파 빔(6)이 진행하여 표면신호(LW)를 발생시키며, 용접부의 뒷면에 반사되어 돌아온 저면신호(BW)도 발생시켜서 검사부위의 범위사이에 결함 신호가 위치하게 되며 이를 각각의 파형의 형태 등을 A-SCAN신호와 조합하여 분석한 후 결함의 종류를 파악하는 검사방법이다.
한편, PAUT(Phased Array Ultrasonic Testing)라 함은 위상배열 초음파 탐상시험으로 [도 10]에서처럼 한 개의 PAUT탐촉자(5-P)에 여러 개의 진동자가 탑재되어 각각 개별 독립적으로 신호를 송신 및 수신하며, 그 독립적 신호의 증폭과 지연은 장비의 제어장치에 의해 제어되고, 다중 진동자로부터 발생되는 각각의 초음파 위상과 증폭이 동일한 파면을 이루도록 개별 시간지연을 입력하여 집속된 초음파 빔 그룹을 형성한다.
이 집속된 초음파 빔 파형은 장비의 제어장치 설정에 따라 다양한 굴절각을 발생시킬 수 있고, 또한 동시에 연속적인 굴절각 그룹을 형성하여 표현할 수 있다. [도 13]과 [도 14]에서 그 원리를 설명하였다.
한편, [도 16]은 RT, PAUT, TOFD 검사결과를 비교한 도면인데, RT는 적용되는 배관의 두께가 두껍거나 특정 각도로 기울어진 경우 결함을 잘 검출하지 못하는 단점이 있음을 보여준다.
즉, [도 16]에서 1번과 2번 결함은 RT, PAUT, TOFD 등 3가지 검사 모두 결함을 검출하였으나, 2번 결함은 RT에서는 검출이 안 되고 PAUT, TOFD에서만 검출이 된 결과에서 볼 수 있듯이, RT는 특정 지점에서 특정 각을 가지는 결함은 검출이 불가능한 단점을 가지고 있다.
또한 RT는 매질의 밀도 차 또는 두께 차에 의한 방사선의 투과강도를 필름 상의 명암(밝기 차이)으로 나타내기 때문에 피검사체의 두께가 두꺼워지면 작은 결함이나 검사체의 표면에 판 상형으로 존재하거나 각도를 가지고 있는 결함은 필름 상에 명암의 농도 차이가 크지 않기 때문에 결함으로 표시되지 않아서 검출이 불가능한 단점을 가지고 있다.
초음파 검사 디바이스 및 초음파 검사 방법(특허출원 제10-2007-0119217호)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 곡배관 용접부 내부검사를 위하여 사용되는 RT를 대체할 수 있는 검사방법으로서, PAUT와 TOFD를 동시에 사용하여 RT에서 나타나는 단점인 피검사체의 조건(두께 및 조사방향)에 따라서 검출하지 못하는 결함의 평가를 신속하게 정량적으로 평가할 수 있도록 하는, 새로운 개념의 곡배관 용접부 초음파검사방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
곡배관 용접부에 초음파검사를 하기 위하여 Scanner와 PAUT 탐촉자와 TOFD 탐촉자가 조합되고 이를 초음파장비를 이용하여 PAUT와 TOFD의 두 가지 검사기법을 한 번에 실행하기 위한, 곡배관 용접부 초음파검사방법으로서,
검사 의뢰된 내용을 검토하여 시험체의 두께, 개선 형상 조건에 맞게 탐촉자를 선정하여 검사계획을 설정하는 단계(A1);
PAUT와 TOFD가 동시에 구동되는 초음파장비를 교정하는 장비교정 단계(P), TOFD교정 단계(T)를 포함하는 단계(A2);
검사대상의 표면준비 확인, 용접완료시간으로부터 검사 의뢰된 시점까지의 시험시간 확인을 포함하는 단계(A3);
검사방향 및 검사구역을 설정하는 단계(A4);
배관의 원주면을 따라서 용접부의 길이방향과 평행하게 주행 가능한 Scanner를 정해진 위치에 설치하는 단계(A5);
PAUT 탐촉자와 TOFD 탐촉자를 Scanner에 장착하여 배관용접부의 중심선에 일정한 거리로 맞추는 단계(A6);
TOFD의 경우 실부재의 배관에서 음속 및 웨지딜레이와 감도를 교정하여 정확성을 높이기 위하여, 실재 시험체의 TOFD 음속 및 웨지딜레이를 교정하는 것을 추가로 실시하는 단계(A7);
시험체에 초음파를 전달시키고, 균일한 신호를 얻기 위하여 접촉매질을 공급하는 단계(A8);
배관의 용접부를 Scanner와 탐촉자의 조합으로 검사를 하여 데이터를 취득하는 단계(A9);
획득된 데이터를 초음파장비에 저장하는 단계(A10);
획득된 데이터를 전용 분석 프로그램으로 TOFD 신호와 PAUT 신호를 각각 분석하여 각각 발견된 결함의 유무 및 결함의 위치, 치수, 종류를 파악하고 위치를 서로 비교하여 검사 출발점으로부터 동일위치의 결함끼리 묶어서 하나의 결함으로 결합하여 분석하는 단계(A11);
분석된 결함의 종류에 따라서 합격과 불합격을 판정하고 용접부의 재수정 유, 무를 결정하는 단계(A12);
재수정이 결정되면 결함의 정보가 기록된 수정 용접 지시서를 발행하는 단계(A13) 및;
보고서를 작성하는 단계(A14);
를 포함하는, 곡배관 용접부 초음파검사방법을 제공한다.
본 발명에 있어서,
상기 장비교정 단계(P)는,
TOFD와 PTUT 검사를 동시에 실행하기 위한 Set-Up 절차로,
PAUT와 TOFD기법을 동시에 구동할 수 있는 초음파장비에 PAUT 탐촉자와 TOFD 탐촉자의 정보를 입력하고 구동하기 위한 채널 그룹을 형성하는 단계(P1);
초음파 빔 구성, 집속 선형 탐상(Linear) 혹은 섹터리얼(Sectorial)을 설정하고, 초음파 형식(종파 혹은 횡파)을 선택하고, 적용 탐촉자에 필요한 진동자 개수를 그룹으로 지정하여 총 진동자 그룹 개수(VPA : virtual probe aperture)가 자동 설정되게 하고, 적용 굴절각과 집속범위(Focus depth)를 입력하는 것을 포함하는 단계(P2);
교정시험편 또는 대비시험편을 이용하여 초음파 음속을 교정하는 단계(P3);
PAUT 탐촉자의 각각의 진동자(VPA)를 반사체에 대해 동일한 깊이로 인식시키기 위해 웨지 내에서 진행거리를 교정시키는 단계(P4);
모든 VPA가 검사체 내에서 하나의 반사체에 대해 동일한 감도가 되도록 교정하는 단계(P5);
같은 반사체에 대해 VPA 각각의 게인 차이를 만들고, 재료의 감쇠를 보상하기 위하여 TCG 및 DAC 교정을 하는 단계(P6);
검사 시 검사 길이 및 결함 위치에 대한 정보를 장비에 저장하기 위하여 엔코더를 교정하는 단계(P7);
스위프 범위, VPA감도와 TCG(또는 DAC)를 적절한 참조 또는 교정 블록으로 검증하고 전체 검사시스템을 검증하는 단계(P8);
재교정 사유가 발생하였을 경우 시스템을 다시 교정하는 단계(P9);
교정시점이 일주일이 지나면 탐촉자의 진동자를 재점검하고 검사감도에 이상이 발생하면 재점검여부를 판단하는 단계(P10);
탐촉자의 재점검이 결정되면 탐촉자의 모든 VPA를 확인하는 단계(P11);
탐촉자의 전체 Element 중 인접한 진동자가 10% 이상 작동하지 않을 경우 탐촉자를 교체하고 상기 P3 단계부터 다시 교정하는 단계(P12) 및;
교정된 데이터를 장비의 메모리에 저장하는 단계(P13);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서,
상기 TOFD교정 단계(T)는,
시험체의 두께에 따라 시험 전에 탐상범위를 설정하여 교정 준비를 하는 것을 시작으로,
상기 A1 단계에서 선택된 초음파 탐촉자와 웨지를 선정하여 준비하는 단계(T1);
굴절각 및 탐상형식을 결정하는 단계(T2);
시험편의 전체 두께를 포함하는 깊이 측정 범위를 교정하는 단계(T3);
시험체의 음속에 따른 표면과 저면 신호가 충분히 확인될 수 있도록 탐촉자의 거리를 PCS 거리만큼 설정하는 단계(T4);
실재 시험체의 TOFD 음속 및 웨지딜레이를 교정하는 단계(T5);
실재 시험체에서 검사 전 감도를 설정하는 단계(T6);
검사 전 대비시험편에서 검사전이나 매 4시간마다 Set-Up을 정해진 오차 범위에서 확인하고 재교정하는 단계(T7);
재교정 사유 발생 시 상기 T3 단계부터 다시 교정하는 단계(T8) 및;
교정이 완료되면 장비나 외장메모리에 저장하는 단계(T9);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명은,
곡배관 용접부를 검사함에 있어서, PAUT 탐촉자를 직배관 쪽에만 배치하고 한쪽 방향에서 전 용접부를 검사하기 위하여 검사는 64개의 진동자를 가진 탐촉자의 그룹을 구성함에 있어서 적어도 한 그룹 이상의 선형 주사(Linear Scan)를 수행하며 선형 주사(Linear Scan)와 섹터리얼 스캔(Sectorial Scan)검사로 용접부에 평행하게 선형으로 주사하여 검사하는 것을 특징으로 하는, 곡배관 용접부 초음파검사방법을 또한 제공한다.
본 발명은 곡배관 용접부 비파괴검사에 있어서 RT로 인한 검사시간 지연 및 방사선으로 인한 안전사고의 위험 등을 발생시키지 않고, RT보다 정량화된 검사결과를 제공하여 검사의 신뢰성을 확보하며 제조분야의 생산성 향상 및 안전사고의 발생 확률을 감소시키는 효과가 있다. 이하, 본 발명의 효과에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
1. 방사선의 피폭사고로 인한 안전사고 근절
2. 검사시간 단축
(1) RT보다 검사시간이 단축됨
예를 들면 25mm의 300A 배관을 45큐리의 이리듐동위원소를 이용하여 방사선비파괴검사 기법으로 이중벽단면 촬영한다면 방사선이 시험체를 통과하여 필름에 상을 만들게 되는 시험체의 두께는 50mm가 되므로 두께는 두 배가 되고 이로 인하여 검사시간은 약 140분 정도 소요된다. 하지만, 본 발명에 따라 검사한다면 약 10분 정도 소요되므로 1/14로 검사시간이 단축된다(필름종류, 거리 등은 따로 언급하지 않은 통상적인 시간이다).
(2) 기존의 초음파검사보다 검사시간이 단축됨
기존의 초음파검사의 Scanning 횟수는 최소 8회 이상으로 같은 용접부를 검사 하여야 하나, 본 발명에 따르면 1회의 Scanning만으로 검사를 완료할 수 있다.
(3) PAUT와 TOFD를 별도로 수행하는 경우보다 검사시간 및 분석시간이 단축됨
기존의 검사방법은 PAUT 적용 시 최소 2회, TOFD 적용 시 1회의 Scanning을 해야 하지만 본 발명에 따르면 1회의 Scanning만으로 두 가지 검사를 완료할 수 있다.
3. 결함의 정량적인 평가
본 발명을 RT와 비교하면 RT의 경우 결함의 길이, 결함의 종류만 알 수 있지만, 본 발명에 따르면 위의 사항 이외에 결함의 깊이, 결함의 폭, 결함의 방향성을 알 수 있어서 결함의 정량적 평가가 용이하다.
4. 결함 판독의 시인성과 평가 결과의 재현성
본 발명은 검사 데이터가 전부 저장이 되므로 평가 결과의 재현성이 뛰어나고 분석프로그램에서 다양한 기법으로 데이터를 분석하여 쉽게 확인할 수 있는 형태로 표현하기 때문에 결함 판독의 시인성이 뛰어나다.
5. 그 외 기타효과
(1) 시험체의 두께증가에 따른 결함검출의 불확실성 감소
RT는 시험체의 두께가 두꺼워지면 작은 결함들은 잘 나타나지 않지만, 본 발명에 따르면 두께에 따른 증폭을 보정하기 때문에 두께에 영향을 받지 않는다.
(2) 결함의 방향성에 대한 영향 감소
RT는 결함이 특정방향으로 기울어져 있는 경우 필름에 나타나지 않지만, 본 발명에서는 예상되는 결함의 방향성에 대해서 다양한 각도의 초음파 빔을 사용하기 때문에 방향성에 대한 영향이 적다.
(3) 기존의 초음파검사로는 공간의 제약 때문에 결함을 검출하지 못하는 문제를 개선함
기존의 초음파검사는 주사거리가 1 Skip 거리까지 필요하지만, 본 발명에 따르면 0.5 Skip 거리로 검사가 가능하다.
(4) 기존의 초음파검사보다 뛰어난 결함 평가능력
기존의 초음파검사는 A-Scan으로만 평가하지만, 본 발명은 다양한 형태의 신호 분석 기법(A-Scan, B-Scan, C-Scan, D-Scan, S-Scan등)으로 결함을 정밀하게 평가할 수 있다.
도 1은 곡배관 검사의 탐촉자 배치를 나타낸 도면이다.
도 2는 곡배관의 외형 및 용접부 단면을 나타낸 도면이다.
도 3은 맞대기 양면개선 용접부(BUTT-S.V)의 단면을 나타낸 도면이다.
도 4는 용접열영향부와 개선면을 나타낸 도면이다.
도 5는 곡배관의 곡률에 따른 탐촉자 접촉부의 이격발생 상황도이다.
도 6은 TOFD의 탐촉자 배치 및 초음파 빔 전달방식을 나타낸 도면이다.
도 7은 TOFD 탐촉자의 형태를 나타낸 도면이다.
도 8은 TOFD 탐촉자의 초음파 빔 전달방식을 나타낸 도면이다.
도 9는 TOFD의 검사원리를 나타낸 개념도이다.
도 10은 PAUT 탐촉자의 형태를 나타낸 도면이다.
도 11은 PAUT 탐촉자의 웨지(Wedge)의 형상이다.
도 12는 배관용접부의 PAUT 탐촉자 배치형태이다.
도 13은 PAUT Linear Scan의 원리를 나타낸 도면이다.
도 14는 PAUT Sectorial Scan의 원리를 나타낸 도면이다.
도 15는 PAUT 검사의 초음파 빔 전달방식을 나타낸 도면이다.
도 16은 RT, PAUT, TOFD 검사결과를 비교한 도면이다.
도 17은 도 16의 1번 결함의 분석결과이다.
도 18은 도 16의 2번 결함의 분석결과이다.
도 19는 도 16의 3번 결함의 분석결과이다.
도 20은 곡배관 검사 절차를 나타낸 순서도이다.
도 21은 PAUT와 TOFD를 포함하는 장비교정 단계를 나타낸 순서도이다.
도 22는 TOFD의 장비교정을 설명하는 순서도이다.
도 23은 맞대기 이음 용접부에서 두께에 따른 TOFD Set-Up의 기준을 설명한 표이다.
도 24는 곡배관 검사를 위한 Scanner와 초음파 탐촉자 및 구성요소들이 설치된 장비의 설치 예이다.
도 25는 곡배관 검사에 적용 가능한 Scanner의 한 종류이다.
도 26은 곡배관에 Scanner와 초음파 탐촉자의 배치를 나타낸 도면이다.
도 27은 검사레벨에 따른 탐촉자의 배치를 나타낸 테이블이다.
도 28은 기존 초음파검사기법의 대표적인 A-Scan을 나타낸 도면이다.
도 29는 대비시험편의 형태를 나타낸 도면이다.
<관련 용어의 정의>
본 발명을 설명하기에 앞서 우선 관련 용어를 다음과 같이 정의한다.
1. TOFD Set-Up : TOFD 검사를 하기 위하여 종파 광대역 탐촉자의 특성에 따른 탐촉자 배열 및 탐촉자 중심선 배열(주파수, 진동자 크기, 굴절각, 파형 등)을 장비에 교정하는 행위이다.
2. PCS(Probe Centre Specification) : [도 9]에서처럼 TOFD 탐상 시 TOFD 탐촉자 송신부(5-TX)와 TOFD 탐촉자 수신부(5-RX)의 광대역 탐촉자 입사점간의 거리(곡률탁상 시 중심간 거리는 더 짧아짐)이다.
3. 빔 교차점(Beam Intersection Point) : [도 9]의 TOFD 탐상의 경우 초음파 빔(6)이 교차하는 점이다.
4. 지시치 : TOFD에 나타난 신호 또는 이미지로, 평가의 대상이 되는 것이다.
5. TOFD 이미지 : X-Y축을 가진 지시치이다. A-scan에서 획득된 신호를 B-scan으로 전환한 이미지로, A-scan에서 표현되는 신호증폭은 B-scan(TOFD 이미지)에서 신호증폭대비 회색의 강약 농도로 표현된다.
6. 오프셋 스캔(Offset-Scan) : 광대역 탐촉자가 용접중심선을 기점으로 TOFD Set-Up에 따라 각각 일정 거리로 분리되어 있으며, 최적 탐상을 위해 본 Set-Up 상태를 유지하면서 용접선 중심에서 일정간격 벗어난 탐상이다.
7. 종파 : 조밀파 또는 압축파라고 불리며, 입자의 진동방향이 파의 진행방향과 평행한 파이다.
8. 횡파 : 전단파라고도 불리며, 입자의 진동방향이 파의 진행방향과 수직인 파이다.
9. 피치 : PAUT 탐촉자 내에 다수의 진동자가 일렬로 배치되어 있으며, 진동자 중심과 중심 간의 거리이다.
10. 엔코더(Encoder) : 데이터를 기록할 수 있도록 보조하는 기기이며, 지시치의 위치, 길이를 정량적으로 나타나도록 기록하는 장치이다.
11. 집속범위(Focal Laws) : PAUT 탐촉자 내 다수의 진동자 중 2∼32개 범위에서 하나의 초음파 빔 그룹을 형성할 수 있으며, 다수의 진동자를 조합하여 여러 개의 초음파 빔 그룹 군을 형성할 수 있다. 각각의 진동자는 독립적으로 발진하며, 컴퓨터로 각각의 발진 시간을 조절할 수 있다. 이 때 각각의 발진 시간 지연으로 관심구역에 대하여 초음파 빔을 집속할 수 있고, 또한 굴절각도 조절이 가능하다.
12. 선형 탐상(Linear Scan) : Focal Laws에서 발생된 초음파 빔 그룹 군이 하나의 굴절각을 형성하여 탐상한다.
13. 섹터리얼 탐상(Sectorial Scan) : Focal Laws에서 발생된 초음파 빔 그룹이 굴절각 범위를 형성하여 탐상한다. 예를 들면, 진동자 32개가 하나의 빔 그룹으로 형성되며, 각각의 발진시간을 다르게 주어 한 번에 굴절각 40도에서 70도까지 탐상이 가능하다.
14. VPA(Virtual Probe Aperture) : Focal Laws에서 발생된 초음파 빔 그룹을 말하며, 진동자가 64개로 구성된 탐촉자에 16개의 진동자가 하나의 VPA를 형성한다면, 총 49개의 VPA가 생성된다.
15. 에코 높이 구분선(DAC) : 초음파의 거리에 따른 감쇄 보상 선으로 동일 결함이 다른 깊이에 위치해도 동일한 크기로 인식시킨다.
16. TCG(Time-corrected gain) : 동일 결함에 대해 거리에 상관없이 동일한 진폭을 가지도록 설정하는 기능이다. 이 기능은 판독에 있어서 시간축의 변화에 대해서 똑 같은 진폭을 얻어 판정의 정확성을 높일 수 있다.
17. 입사점 : 초음파 빔이 탐촉자에서 물체의 경계면으로 들어가는 지점이다.
<본 발명의 개요>
본 발명은 RT를 대체한 검사방법으로서, PAUT와 TOFD를 동시에 사용하고 각각의 검사방법이 가진 장, 단점을 상호 보완하여 RT에서 나타나는 단점인 피검사체의 조건(두께 및 조사방향)에 따라서 검출하지 못하는 결함의 평가를 신속하게 정량적으로 평가할 수 있도록 한 것이다.
그런데, RT를 대체하기 위해서는 기존의 초음파검사를 비롯한 PAUT, TOFD 등의 다음과 같은 문제점을 보완할 필요가 있다.
1. 기존의 초음파검사의 문제점
(1) 기존의 초음파검사는 초음파 탐촉자를 각도별로 교체해가면서 같은 용접부를 여러 방향에서 여러 번 검사하는 문제가 있다.
(2) 기존의 초음파검사는 초음파 탐촉자를 전, 후, 좌, 우로 움직여서 주사(Scanning)하여야 하는 방식으로 공간적 제약이 따름으로 검사를 하지 못하는 구역이 발생하는 문제점이 있다.
(3) 기존의 초음파검사 시 [도 4]에서처럼 용접부의 개선 면에 결함이 발생한다면 결함은 방향성을 가지게 되고 이를 검출하기 위해서는 양쪽 면에서 검사가 이루어져야 한다.
(4) 기존의 초음파검사의 가장 큰 문제점은 검사결과의 저장이 되지 않아서 결과의 재현성이 없다는 것이다.
2. PAUT의 문제점
(1) PAUT는 [도 10]에서 보는 것처럼 여러 개의 PAUT 초음파 진동자(5-5)가 배열되어 있으므로 PAUT 탐촉자(5-P)의 사이즈가 크다.
(2) PAUT 탐촉자(5-P)의 큰 사이즈로 인하여 [도 5]에서처럼 곡배관의 형상 때문에 접촉부의 이격이 발생하여 곡배관 쪽에서는 검사가 되지 않는다.
(3) [도 1]에서처럼 PAUT를 직관부 쪽에서만 검사하여야 하며 방향성이 있는 결함일 경우 검출능력이 떨어지는 문제가 발생한다.
3. TOFD의 문제점
(1) TOFD의 경우 1회 검사만으로는 용접부 결함의 수평 위치(용접부 중심선에서 좌, 우측 떨어진 위치)를 정확히 알기가 힘들다.
(2) TOFD는 초음파 신호의 증폭으로 결함의 합, 부 유무를 판정하지 않는다. 본 발명의 경우 결함의 판정은 결함의 신호증폭에 따라서 평가를 하고 합부판정에 요구되는 표준시험편과 대비시험편을 사용하여 비교 평가된 신호증폭에 따라 결함의 크기를 구분하여 결함의 합, 부 판정을 하게 된다.
(3) TOFD를 이용하여 결함의 존재유무를 파악하고 용접부의 결함의 길이, 결함의 깊이, 결함의 종류 등을 파악한 후 기존의 초음파검사로 결함 발생 부위만 재검사하여 결함의 증폭을 확인한 후 용접부의 수정 여부를 결정하여야 하는 번거로움이 있다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여, 결함 검출능력이 뛰어난 TOFD 검사방법으로 결함들을 전부 검출하고 동일한 검사부위를 PAUT 검사방법으로 검사하여 용접부 중심선상의 수평위치와 초음파 신호의 증폭까지 한 번에 해결할 수 있는 검사방법을 제시한다.
본 발명은 각각의 TOFD 및 PAUT 검사방법을 따로따로 수행하는 것이 아니라 [도 1]에서처럼 초음파 탐촉자를 배치하여 TOFD 및 PAUT 검사방법을 동시에 수행하는 것으로 통합시켜 1회의 스캐닝(Scanning)만으로 검사를 완료할 수 있도록 시스템을 구성하였는바, 검사를 위한 일련의 장비구성 단계, 장비 Set-Up 단계, 검사준비단계, 검사수행 단계, 결과분석 단계 등을 체계화하여 통합된 하나의 검사방법을 구현하기에 이르렀다.
한편, 검사 대상이 되는 배관들은 배관의 조립 특성상 직선으로 연결된 용접부(이하, '직배관 용접부'라 함) 외에도 곡배관(Elbow), T형배관(Tee), 이경배관(Reducer) 등 많은 형태의 배관이음 용접부가 발생 한다. 본 발명은 이 중에서도 곡배관 용접부의 검사에 초점을 두었다.
그런데, 본 발명에 따른 검사방법이 적용되는 곡배관 용접부는 배관 형태의 특성상 곡배관(Elbow)(3) 쪽에서는 [도 5]에서처럼 초음파 탐촉자(Probe)의 설치가 쉽지 않은 문제점이 있다. [도 5]는 곡배관 용접부에서 초음파 탐촉자 즉, 본 발명에서 사용하고자 하는 PAUT 탐촉자(5-P)를 곡배관의 표면에 배치하였을 때 탐촉자와 배관의 표면 사이에 빈 공간이 발생하여 공기층이 형성되는 것을 나타낸 도면이다.
이를 해결하기 위하여 본 발명은 [도 1]에서처럼 PAUT 탐촉자(5-P)는 직배관(2)에 배치시켜 한 방향에서 검사를 하고 TOFD 탐촉자는 직배관(2)에 TOFD 탐촉자 송신부(5-TX)를 배치하고, TOFD 탐촉자 수신부(5-RX)는 곡배관(3)에 배치하여 양방향에 존재하는 특정 각도를 가지는 결함의 검출을 용이하게 하였다.
즉, 본 발명에서는 PAUT 탐촉자(5-P)를 직배관(2)쪽에만 배치하고 한쪽 방향에서 전 용접부를 검사하기 위하여 검사는 64개의 진동자를 가진 탐촉자의 그룹을 구성함에 있어서 적어도 한 그룹 이상의 선형 주사(Linear Scan)를 수행하며 선형 주사(Linear Scan)와 Sectorial Scan검사로 용접부에 평행하게 선형으로 주사하여 검사한다.
<본 발명에 대한 상세한 설명>
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 곡배관 용접부 초음파검사방법은 배관의 외주 면을 따라서 용접부의 길이방향과 평행하게 진행하는 Scanner와 같이 조합되어 PAUT와 TOFD의 탐촉자를 장착하고 각각의 두 가지 방법을 동시에 수행할 수 있는 방법으로, 곡배관 검사 절차의 주 단계는 검사 계획 설정 단계(A1), 교정 단계(A2), 검사진행 단계(A3∼A10), 그리고 분석단계(A11∼A14)로 구성되어 있다. 이하, 각 단계에 대하여 설명한다.
A. 곡배관 검사 절차
A1. 검사 계획 설정
(1) 검사 계획은 용접부 개선 각도(예, 40에서 60도 또는 55에서 70도)에 적합한 시험 각도를 사용함을 사전에 증명하며, 선택된 Wedge에 대해 각 프로파일을 사용하여야 한다.
(2) 검사 계획은 용접부와 열영향부를 완벽하게 포함하여야 한다.
(3) 장비의 검사 해상도의 설정은 다음과 같이 적용된다.
T= 시험체의 두께
T =10 mm 일 때, 입력값 1mm
10mm < T =150mm 일 때, 입력 값 2mm
150mm < T 일 때, 입력 값 3mm
단, 장비의 해상도를 높게 설정하여도 검사데이터에 지장을 주지 않는다면 가장 낮은 입력 값으로 해상도를 설정한다.
위의 입력 값 수치는 데이터를 저장하는 mm단위이다.
위의 수치가 낮을수록 해상도가 높아진다.
1mm 라 함은 Scanning하였을 때 1mm단위로 저장하는 것이고 3mm는 3mm단위로 저장되는 것이므로 저장되는 단위가 낮을수록 데이터 분석 시 분리할 수 있는 결함의 최소 치수가 낮아져서 더 정확한 검사가 이루어진다.
그러나 해상도를 너무 높이면 장비의 데이터 처리속도에 한계가 있기 때문에 데이터가 중간 중간 소실된다.
(4) PAUT는 Sectorial Scan의 경우 넓은 범위의 각도를 사용하지만, 전후 주사가 되지 않으므로 결함에 대한 최대증폭신호를 검출하지 못하여 결함의 정량적인 평가가 어렵다.
선형 주사(Linear Scan)의 경우는 전후 주사가 이루어지기 때문에 결함의 최대 증폭신호를 이용하여 결함을 정량적으로 평가할 수 있다.
본 발명에서는 선형 주사(Linear Scan)와 Sectorial Scan을 동시에 사용하여 주 결함평가는 선형 주사(Linear Scan)를 기준으로 한다.
A2. 장비교정
PAUT와 TOFD가 동시에 구동되는 초음파장비를 교정하는 장비교정 단계(P), TOFD 교정 단계(T)를 포함한다. 장비교정 단계(P), TOFD 교정 단계(T)는 후술하는 부분에서 상세히 설명한다.
A3. 검사대상확인
검사대상을 확인하여 아래의 사항이 준수되었는지 파악하고 준비사항이 미비 시 다시 준비시키거나 검사 취소를 한다.
(1) 표면 준비 확인
용접부 표면은 탐상에 방해될 만한 굵은 스크래치가 없어야 한다.
스캐닝 표면은 검사 체적을 전부 포함하도록 넓이가 충분해야 한다(양쪽 모재 쪽 200mm). 스캐닝 표면은 프로브와 접촉하는 표면에 이물질이 없어야 한다(예, 녹, 축적 스케일, 용접 스패터, 노치, 홈).
(2) 시험 시간 확인
용접완료 후 주변 온도로 냉각이 된 후 실시하여야 한다.
최소 항복 강도가 4200N/mm2 이상인 강재는 용접 후 48시간 전에 검사할 수 없다.
A4. 검사방향 및 검사구역 설정
(1) 검사는 64개의 진동자를 가진 탐촉자를 선형 주사(Linear Scan)와 Sectorial Scan검사로 용접부에 평행하게 선형으로 주사하며 수행된다.
(2) 적어도 한 그룹 이상의 선형 주사(Linear Scan)가 수행되어야 하며, 전 용접부와 열영향부를 포함할 수 있어야 한다.
(3) Scanning은 용접장과 평행한 방향으로 한다.
(4) 검사는 곡배관일 때 PATU의 경우 용접부의 한 면에서 직배관부 쪽에서 수행되며, TOFD의 경우 용접부 한 면에서 양쪽으로(직배관부와 곡배관부) 수행된다. 만일 제한적으로 검사가 이루어질 때는 검사 범위가 기록되어져야 한다.
A5. Scanner 설치
본 발명에서 사용되는 Scanner는 배관의 원주면을 따라서 주행하되 용접부의 길이 방향으로 초음파 탐촉자를 평행하게 이동시켜주는 장치로 용접부 중심선상의 위치의 오차가 발생하지 않도록 정밀한 Scanning이 가능한 장치이면 된다. 그리고 [도 26]처럼 다수의 초음파 탐촉자를 장착하여 위치 조절이 가능하며 정밀하게 작동이 가능한 구조라야 된다.
[도 26]의 Scanner(10)는 직관(2)의 외주 면에 장착되어 배관용접부의 길이방향을 따라 회전하며, 이때 용접부 중심을 기준으로 좌, 우 위치 오차가 1mm이내여야 한다. 그 이유는 본 발명에서 허용되는 데이터 신호 취득의 최소단위가 1mm이기 때문이다. 오차가 많이 발생하면 데이터 분석 시 용접부 이면 쪽에 발생하는 결함의 판별이 어렵고 결함의 위치오차 또한 커지기 때문에 재검사를 하여야 한다.
Scanner(10)의 바디에 결합되어 있는 탐촉자 거치대(11)는 다수의 초음파 탐촉자를 고정할 수 있어야 하며 위치 또한 변경 가능하여야 한다. 본 발명에서는 PAUT 탐촉자(5-p)와 TOFD 탐촉자 송신부(5-TX), TOFD 탐촉자 수신부(5-RX)가 각각 장착되어 진다. [도 24]와 [도 25]는 본 발명에 사용 가능한 Scanner의 형태이다.
A6. 탐촉자 배치
(1) PAUT 탐촉자(5-P)와 TOFD 탐촉자(5-T)는 Scanner(10)에 장착되어야 한다.
(2) 용접부와 열영향부는 TOFD와 PAUT방법으로 동시에 검사 되어져야 한다.
(3) PAUT에 대한 스캐닝의 곡배관(3)은 일 예로 ISO13588규정 등 주문주의 교정을 따르고, 고정 탐촉자 위치방법으로 E-스캔(Linear Scan)과 S-스캔(Sectorial Scans)방법으로 용접부에 적용해야한다([도 27]의 표 참조). PAUT는 후술하는 장비교정 단계(P)에 따른다. 그러나 배관용접부 중 일반적인 직관용접부의 경우 PAUT만을 적용하여 검사를 수행하며 한 면 양측에서 검사를 실시한다.
(4) 장비의 감도와 교정은 독립적으로 PAUT와 TOFD 각각의 방법으로 수행되어져야 한다.
A7. TOFD 음속 및 웨지딜레이와 감도 교정
TOFD의 경우 실 부재의 배관에서 음속 및 웨지딜레이와 감도를 교정하여 정확성을 높이기 위하여 후술하는 TOFD 교정 단계(T) 중 T5 단계를 추가로 실시한 후 Set-Up을 저장한다. 여기서, TOFD 교정 단계(T) 중 T5 단계는 실제 시험체의 TOFD 음속 및 웨지딜레이를 교정하는 TOFD 음속 및 웨지딜레이 교정 단계이다.
A8. 접촉매질 공급
검사를 위해서 접촉매질을 공급한다. 시험체에 초음파 탐촉자가 지나는 면에 골고루 도포될 수 있게 자동으로 접촉매질이 공급되는 방식을 추천한다. 접촉매질의 도포상태에 따라서 표면신호의 형태가 변하여 B-Scan상에 심한 굴곡을 만들어 데이터 분석을 힘들게 하므로 적절한 방법으로 고루 도포되게 하여야 한다. 접촉매질은 [도 24]에서 보는 것처럼, 접촉매질 공급라인(15)에 의해서 각각의 탐촉자로 균일하게 공급될 수 있도록 분기 관으로 연결되어 있다. 접촉매질의 자동 공급 장치 및 접촉매질 공급라인(15)은 이 분야의 기술자라면 누구나 쉽게 구성할 수 있는 사항임으로 따로 설명하지 않는다. 단 접촉매질 공급 시 공급압력이 너무 약하거나 너무 강하게 되지 않도록 적당히 조절하여야 한다. 공급압력이 너무 약하면 접촉매질의 공급이 잘되지 않아서 공기층이 형성되어 초음파의 전달이 안 되며 너무 강하면 기포 등이 들어가고 접촉매질의 유동 충격으로 초음파 신호에 이상 신호를 발생시킨다.
A9. 용접부 검사
용접부 검사 단계로 위의 단계 절차에 따라서 교정하고 장치를 준비한 후 검사를 시작하는 단계이다.
(1) 검사방법
1) 탐촉자는 설정된 간격에서 용접선 중심에 평행하게 탐상해야 한다.
2) 탐상하는 동안 지시치의 모든 정보는 저장되어야 하며, 지시치의 추가정보를 취득하기 위해 기존의 초음파검사를 적용하거나 수동으로 Scan할 수도 있다.
3) 만약 분할 검사를 할 경우, 상호 100mm씩 중복검사(overlap)를 수행해야 한다. 또한 원주형 검사를 1회로 검사할 경우, 시작점과 끝점이 충분히 중복되도록 한다.
4) 접촉매질 부족 시 표면신호, 저면신호가 감소될 수 있으므로 충분한 검사가 되도록 확인한다. 이를 위하여 자동으로 공급되는 접촉매질 펌프를 우선적으로 사용한다.
5) 검사 시 과대한 표면신호 혹은 노이즈가 증가(노이즈 레벨이 화면높이의 20% 이상)될 경우 적절한 범위 내에서 게인(증폭)을 감소시킨다.
(2) Scanning 속도
1) Scanning은 Data를 연속적으로 획득할 수 있는 속도이어야 한다.
2) Data의 소실은 최대 하나의 Data로 전체의 5%까지 허용된다. 그러나 인접해서 소실되는 경우 허용되지 않는다.
A10. 데이터 저장
데이터 저장 단계로 검사 시작 점에서 출발하여 검사 종료 점을 중첩하여 검사한 후 Scanner를 정지시키고 시험체의 식별기호를 입력하여 데이터를 장비에 저장하는 단계이다.
A11. 데이터분석
검사결과를 저장한 파일을 이용하여 분석용 프로그램이 설치된 컴퓨터에서 데이터를 분석하여 결함의 유무 및 결함의 위치, 치수, 종류를 파악하는 단계이다. 본 발명에서는 PAUT와 TOFD를 동시에 수행하기 때문에 각각의 데이터 분석이 필요하다. 데이터분석 단계(A11)는 다음과 같은 TOFD 화상의 해석과 분석 단계(A11-1)와 PAUT의 분석 단계(A11-2)로 구분된다.
A11-1. TOFD 화상의 해석과 분석
(1) 일반사항
TOFD 신호 분석은 아래를 따른다.
1) 신호 분석 전 TOFD 이미지의 질을 평가한다.
2) 관련 지시치와 비관련 지시치를 구별, 확인한다.
3) 관련 지시치를 분류한다.
- 내부 지시치(선형, 포인트 지시치)
- 표면 터침 지시치(표면 노치, 터짐 등)
4) 지시치의 위치(X와 Y위치)와 크기(길이와 폭)를 결정한다.
5) 합격기준에 의거 지시치를 평가한다.
(2) TOFD 이미지의 질 평가
지시치를 분석할 수 있는지 먼저 TOFD 이미지의 질을 평가한다. 이미지의 질 분석은 검사자가 우선 수행하고, 기사 혹은 NDT Level III가 확인한다. 이미지의 질이 아래와 같이 나쁠 경우 재검사 한다.
1) Data의 소실은 최대 하나의 Data로 전체의 5%까지 허용된다.
2) 전체 신호가 아래위로 심하게 움직여 깊이 오차가 심할 경우.
(3) 관련 지시치 구별
1) 만족할 만한 TOFD 이미지가 획득되면, 지시치의 형태를 파악한다.
2) 지시치의 형태를 확인한다.
3) 지시치의 형태로 관련 지시치(불연속 지시치)와 비관련 지시치로 분류한다.
4) 관련 지시치의 범위를 정한다(TOFD 이미지에서 건전부와 지시치간 회색레벨 차이로 보임).
5) 포인트 지시치(Point-like)는 길이 150mm당 10개미만일 경우 비관련 지시치로 규정한다.
4) 관련 지시치 분류
관련 지시치는 표면 터짐과 내부 지시치로 분류되며 아래에 따라 분석한다.
1) 표면파의 방해정도
2) 저면신호의 방해정도
3) 표면과 저면신호 사이의 지시치
4) 첫 번째 저면신호 이후의 모드변환 신호
전형적인 TOFD의 용접부 결함 이미지는 본 발명의 분야에 속한 기술자라면 누구나 알고 있는 사항이므로 따로 설명하지 않는다.
(5) 표면 터짐 불연속 지시치
표면 불연속은 아래 세 가지로 분류한다.
1) 탐상표면 불연속
2) 탐상의 반대표면 불연속
3) 두께 관통 불연속
(6) 내부 불연속 지시치
내부 불연속 지시치는 아래 세 가지로 분류한다.
1) 포인트(Point-like) 불연속
2) 높이를 측정할 수 없는 가늘고 긴 불연속
3) 높이를 측정할 수 있는 긴 불연속
(7) 분류되지 않는 지시치
상기 (5)와 (6)에 따라 분류되지 않는 지시치는 추가 검사방법으로 검사하여 분석한다.
A11-2. PAUT의 분석
불연속의 평가 단계로, 불연속의 평가 방법은 각 주문주의 규칙을 따른다. 주문주의 규칙이 6 dB drop 방법을 사용하는 경우, 결함의 크기 측정은 C-scan에서 수행되어야 하며 신호의 증폭은 다음과 같이 색으로 구분되어 진다. 이 때, TCG 선의 100 % 이상의 신호의 경우, 결함의 크기가 좌우 양측면의 노란 색깔의 중심사이의 거리이며, TCG 선의 100 % ∼ 50% 신호의 경우, 결함의 크기가 좌우 양측면의 파란 색깔의 중심사이의 거리이다.
1) TCG 선의 100% 이상 : 붉은색
2) TCG 선의 100% ∼ 50% : 노란색
3) TCG 선의 50% 이하 : 파란색
A12. 결함 합부판정
분석한 결과에 따라서 결함이 발생하면 불합격 결함, 합격 결함인지를 각각의 공사별 규정에 따라서 판정하는 단계이다. 공사별 규정에 따라서 허용 범위를 벗어나 불합격되는 결함의 경우 후술하는 A13 단계로 가 수정 용접지시를 하고 수정 용접 완료 후 재검사의뢰를 한다. 합격 기준은 각 공사 시방서에 따른다.
A13. 수정 용접지시
결함의 치수가 허용 범위를 벗어났을 경우 시험체의 용접부를 재수정할 수 있도록 결함의 위치, 종류 등을 기록하여 통보하는 수정 용접지시 단계이다. 수정 용접부는 동일한 방법으로 검사하고 평가한다. 수정 검사는 수정부를 포함하여 양 끝단부에서 100mm씩 추가하여 수행한다.
A14. 보고서 작성
검사결과에 따라서 보고서를 작성하는 단계이다. 보고서에는 다음의 사항이 기록되어야 하며, 주문주의 요구에 따라서 변경될 수 있다. 수정용접지시에 따른 재수정후 재검사 후 합격 처리되면 최종 보고서 작성 후 검사를 완료한다.
(1) 시험체 정보
1) 시험체 확인번호, 시험체 두께
2) 시험체 재질, 용접부 형상
3) 시험위치, 용접방법, 열처리 유무
(2) 탐상장비 정보
1) 제조자, 형식, 장비 확인번호
2) 탐상방법
3) 탐촉자(형식, 주파수, 밴드폭, 진동자 크기, 굴절각)
4) 대비시험편 식별번호, 사용 접촉매질
(3) 시험절차 정보
1) 시험절차서, 검사범위 및 감도
2) TOFD Set-Up, PAUT Set-Up ,스캔 오프셋(Scan Offset)
3) 탐촉자(형식, 주파수, 밴드폭, 진동자 크기, 굴절각)
4) 대비시험편 식별번호, 사용 접촉매질
(4) 시험결과 정보
1) TOFD와 PAUT 이미지, 합부 판정
2) 시험 데이터 분류표
3) 관련지시치의 위치와 크기 및 평가 결과
4) 시험일자, 검사원 및 자격사항
P. 장비교정
TOFD와 PAUT 검사를 위한 Set-Up 절차를 설명한다. A1의 검사계획 설정 단계에서 선택된 초음파 탐촉자와 웨지를 선정하여 준비한다. 초음파 탐촉자와 웨지 사이에는 접촉매질을 주입하여 공기층을 제거하고 단단히 결속시킨다. 본 발명은 PAUT와 TOFD를 동시에 수행하는 방법으로 PAUT와 TOFD 등 두 가지 방법에 대한 교정을 하여야 한다. 본 단계는 각각의 탐촉자에 대한 정보입력단계, 측정범위설정단계, 감도교정 단계 등으로 이루어진다.
P1. 초음파그룹 추가 및 설정
PC 베이스의 PAUT장치에서 마법사(Wizard)를 이용해 한 개 혹은 최대 8개까지의 초음파 그룹을 설정한다.
(1) 그룹메뉴를 사용하여 첫 번째 그룹을 설정한다.
(2) 탐상할 제품의 형상, 재질 및 두께를 설정/입력한다.
(3) PA모드로 설정한 다음 탐촉자와 쇄기를 적용한다.
(4) 추가 그룹을 설정할 경우 (2)∼(3)사항을 재입력하여 필요한 그룹 개수를 설정한다.
P2. 굴절각, 탐상형식 및 집속범위(Focal Laws) 설정
초음파 그룹 설정 후 각 그룹에 대한 정보를 아래에 따라 입력한다.
(1) 초음파 빔 구성, 집속 선형 탐상(Linear) 혹은 섹터리얼(Sectorial)을 설정한다.
(2) 초음파 형식을 선택한다(종파 혹은 횡파).
(3) 적용 탐촉자에 필요한 진동자(총 64개로 구성됨) 개수를 그룹으로 지정하고, 첫 번째 진동자를 설정해 주면 총 진동자 그룹 개수(VPA : virtual probe aperture)가 자동 설정된다.
(4) 적용 굴절각과 집속범위(Focus depth)를 입력한다.
P3. 초음파 음속 교정
교정시험편 혹은 대비시험편을 이용하여 적용 초음파 파형에 따른 음속을 교정한다. 본 발명이 속한 분야에서 각각의 공사에 관한 대비시험편은 공사별로 규정하는 사항이 전부 다르기 때문에 일일이 설명하지 않는다. 단, 대비시험편은 시험체와 동일한 재질과 동일한 형상의 곡면을 가지는 것으로 공사별 인공결함의 위치 크기, 형태 등을 참조하여 제작하며, 이동이 용이하게 작게 배관을 절편하여 제작한다. [도 29]처럼 배관을 절단 가공후 인공결함을 가동하여 대비시험편을 제작한다.
(1) "Wizard 마법사" 메뉴에서 Calibration모드를 선택하고, 그 다음 음속(Velocity)을 선택한다.
(2) 반경을 선택하고 탐촉자 유형과 사용되는 교정 블록에 따라 깊이 또는 두께를 선택한다.
(3) 측정할 첫 번째와 두 번째 반지름(깊이 또는 두께) 크기를 입력한다.
(4) A-Scan을 사용하여 타임베이스와 게인 값을 조정한다.
(5) 인공 홀에 초음파 빔이 수직되게 탐촉자를 배치하고, 화면상에 보이는 D-scan에서 기준 VPA를 선택한다.
(6) 첫 번째 최대 에코의 게이트를 설정하고 위치를 얻는다.
(7) 또한 동일한 조건에서 두 번째 에코를 설정하고 "적용" 메뉴를 선택한다.
(8) 음속 보정을 완료 한 다음, 다른 그룹도 같은 방법으로 교정한다.
P4. 쇄기 지연 교정
쇄기 내에서 초음파 진행거리가 다른 각각의 VPA를 검사체 내에서 하나의 반사체에 대해 동일한 깊이로 인식시키기 위해 쇄기 내에서의 진행거리를 교정시킨다.
(1) "Wizard 마법사" 메뉴에서 Calibration 모드를 선택하고, 그 다음 쇄기(Wedge)를 선택한다.
(2) 반경을 선택하고 탐촉자 유형과 사용되는 교정 블록에 따라 깊이 또는 두께를 선택한다.
(3) 측정할 반사체(반경 깊이 또는 두께)의 거리를 입력한다.
(4) A-Scan을 사용하여 타임베이스와 게인 값을 조정한다.
(5) 반사체의 깊이를 확인하는 게이트 범위(시작 및 넓이) 및 임계 값을 설정한다.
(6) 반사체에 대한 응답으로 모든 VPA를 앞뒤 방향으로 Scan한다.
(7) "Calibrate 교정" 메뉴를 선택한다.
(8) 수신 신호가 허용 오차에 위치 할 때까지 단계까지 (6)항과 (7)항을 반복한다.
P5. VPA 감도 교정
모든 VPA가 검사체 내에서 하나의 반사체에 대해 동일한 감도가 되도록 교정한다.
(1) "Wizard 마법사" 메뉴에서 Calibration모드를 선택하고, 그 다음 감도(Sensitivity)를 선택한다.
(2) 반경을 선택하고 프로브 유형과 사용되는 교정 블록에 따라 깊이 또는 두께를 선택한다.
(3) A-Scan을 사용하여 타임베이스와 게인 값을 조정한다.
(4) 반사체의 깊이를 확인하는 게이트 범위(시작 및 넓이) 및 임계 값을 설정한다.
(5) 반사체에 대한 응답으로 모든 VPA를 앞뒤 방향으로 스캔한다.
(6) "Calibrate 교정" 메뉴를 선택한다.
(7) 수신 신호가 허용 오차에 위치 할 때까지 단계까지 (5)항과 (6)항을 반복한다.
P6. TCG 및 DAC 교정
PAUT에서 TCG 교정은 두 가지 목적을 가지는데, 첫 번째 목표는 같은 반사체에 수정된 각 VPA의 게인 차이를 만드는 것이고, 다른 하나는 재료의 감쇠를 보상하는 것이다. 그것은 DAC에서 TCG로 변경할 수 있다.
P6-1. TCG 교정
(1) "Wizard 마법사" 메뉴에서 Calibration 모드를 선택하고, 그 다음 TCG를 선택한다.
(2) 전체 화면 높이(FSH)의 80% 아래의 첫 번째 대상 홀에서 신호를 조정한다.
(3) 반사체의 깊이를 확인하는 게이트 범위(시작 및 넓이) 및 임계 값을 설정한다.
(4) 반사체에 대한 응답으로 모든 VPA를 앞뒤로 방향을 검사하고 "포인트 추가"를 선택한다.
(5) 게인 값을 조정하지 말고, 또 다른 TCG 점을 추가하는 다음의 점을 선택하여, (3)항에서 (5)항까지 반복한다.
(6) TCG 곡선이 완료되면 "TCG를 수락"을 선택한다.
P6-2. DAC 교정
(1) "메인" 메뉴에서 "게이트 / 알람"을 선택하고 " Sizing Curve "를 선택한다.
(2) " Curve " 버튼에서 "DAC"을 선택하고 "모드" 버튼에서 "편집"으로 이동한다.
(3) 대표 VPA를 선택한다.
(4) 전체 화면 높이(FSH)의 80 %로 첫 번째 대상 홀에서 신호를 조정한다.
(5) (4)항의 점을 표시하고 또 다른 DAC 점을 (4)항과 (5)항을 반복하여 다음 점을 추가하여 선택한다.
(6) DAC 곡선이 완료되면 "Curve " 버튼에서 "TCG"을 선택한다.
P7. 엔코더(Encoder) 교정
(1) 초음파 검사의 전체 저장(Full Memory)을 위해 엔코더 사용이 필수적이며, 검사 길이 및 결함 위치에 대한 정보를 반영한다.
(2) "Wizard 마법사" 메뉴에서 Calibration 모드를 선택하고, 그 다음 "Type" 메뉴의 "Encoder"를 선택한다.
(3) 시작 위치에 있는 엔코더를 유지한다.
(4) "원점"에 0을 입력하고 다음 단계로 이동한다.
(5) "거리" 메뉴에 거리를 보정하는 숫자를 입력한다.
(6) 끝 위치로 시작 엔코더를 이동한다.
(7) " Calibrate 적용" 버튼을 선택 후 "승인 Accept " 버튼을 선택한다.
P8. 시스템 교정 검증
시스템 교정 검증은 전체 검사 시스템을 포함하여야 한다. 탐상범위(Sweep Scope), VPA 감도와 TCG (또는 DAC)는 적절한 참조 또는 교정 블록에 검증되어야 한다.
P9. 재교정사유
(1) 동일한 종류의 다른 케이블 또는 쇄기로 교체하였을 때.
(2) 충전지를 교체 하였을 때.
(3) 연속 검사 시 최소 4시간 마다.
(4) 검사 시작 전과 후.
(5) 검사 시 감도가 이상하다고 판단될 때.
만약 테스트 결과를 초래하는 문제가 나올 경우, 시스템을 다시 교정해야 한다.
P10. 탐촉자의 진동자 확인사유 발생
탐촉자의 각 진동자들은 일주일에 한번 P11 단계의 절차에 따라서 점검하여야 한다. 그 외에도 검사감도에 이상이 있다고 판단되면 즉시 시행한다.
P11. 탐촉자의 진동자 확인
(1) 탐촉자는 Wedge를 사용하지 않고 직접 접촉되어야 한다.
(2) 각 진동자들은 개별적으로 VPA에 응답이 되어야 한다.
(3) 펄스 에코 방식을 통해 작동되는 모든 VPA를 확인한다.
(4) 전체를 80%로 맞춘 후 5% 이하가 되는 Element는 작동하지 않는 것으로 간주한다.
P12. 탐촉자의 교체
만약 전체의 Element 중 인접하여 10% 이상의 진동자가 작동하지 않을 경우 탐촉자는 다른 것으로 교체되어야 한다. 탐촉자를 다른 것으로 교체할 경우 교체된 탐촉자를 가지고 P3 단계부터 다시 진행한다.
P13. 데이터 저장
메모리에 데이터를 저장한다. 교정을 완료하고 검사준비를 한다.
T. TOFD 교정
TOFD 교정 철차를 설명한다. TOFD는 검사 감도 및 음속과 웨지 딜레이를 대비시험편이 아닌 실 부재에서 설정하기 때문에 장비교정에서 탐촉자 그룹 등을 PAUT 교정 시에 같이 포함하여 그룹을 설정한 후 저장하고 실 부재에서 검사 전 위의 사항을 교정하여 정확성을 높인다.
탐상범위 설정은 시험체의 두께에 따라 시험 전에 실시되어야 한다.
(1) 시험체 두께에 따른 오프셋 스캔의 범위를 설정한다.
(2) 열영향부가 포함된 범위 : 용접부 가장자리에서 양쪽으로 최소 10mm 혹은 시방서에 따른다.
(3) 상기 두 가지 사항을 결정하고 Set-Up을 실시한다.
(4) 열영향부 포함 범위 설정 : 용접부 가장자리에서 양쪽으로 최소 10mm 혹은 시방서에 따른다.
T1. 탐촉자 설정(Set-Up of Probes)
(1) A1 의 검사계획 설정 단계에서 선택된 초음파 탐촉자와 웨지를 선정하여 준비한다.
(2) 초음파 탐촉자와 웨지 사이에는 접촉매질을 주입하여 공기층을 제거하고 단단히 결속시킨다.
(3) 탐상 구역에 회절파에 의해 결함이 검출될 수 있도록 최적의 설정을 [도 23]의 표 2에서 선정하여 설정한다.
(4) 시험체 두께에 따라 2개 이상의 Set-Up을 적용할 수 있으며, 이때 Set-Up의 검증은 대비시험편으로 확인하여야 한다.
(5) 탐촉자는 관심 영역의 회절 신호의 시작과 검출을 위한 적절한 범위와 최적의 조건을 보장하도록 설정해야 한다.
(6) 하나 이상의 Set-Up(스캔)은 시험체두께와 대비 시험편을 사용하여 검증된 기능에 의존하여 수행 되어야 한다. [도 23]의 표 2는 지침으로 사용할 수 있지만, 대비 시험편의 방법이 먼저 시행되어야 한다.
T2. 굴절각 및 탐상형식 결정
굴절각 및 탐상형식은 [도 23]의 표 2에 따른다.
T3. 깊이 측정 범위 교정
깊이 측정 범위는 최소한 전체 두께를 포함하는 범위여야 한다.
(1) 1회 Set-Up으로 전제를 탐상할 경우, 깊이 측정범위는 표면파의 발생 및 도달 시간이 적어도 1 ㎲ 이상이어야 하며, 표면파와 저면 신호가 구분이 될 수 있도록 충분히 넓혀져야 한다.
(2) 만약 1회 이상의 Set-Up이 필요할 경우, 깊이 측정범위는 각 Set-Up 파일간 적어도 10%이상 중복(Overlap)이 되어야 한다.
(3) 탐상 전 측정범위는 꼭 확인되어져야 한다.
T4. 음속시간에 따른 깊이 변환(PCS설정)
(1) 피검사체의 음속에 따른 표면과 저면 신호가 충분히 확인될 수 있도록 [도 9]에서 보는 것처럼 탐촉자의 거리를 PCS거리만큼 분리한다.
(2) 본 설정은 비슷한 대비시험편 두께에서 확인해야 한다.
(3) 시험체의 두께는 실측으로 측정한다. 만약 확인이 불가할 경우 도면에 따르는데, 우선적으로 초음파장비의A-Scan모드로 0.2mm 단위로 두께를 측정한다.
(4) 곡율 시험체는 정확한 실측을 해야 한다.
T5. TOFD 음속 및 웨지딜레이 교정
TOFD의 음속 및 웨지딜레이는 현장의 실부재(실제 검사할 대상물)에서 교정을 하며 검사 의뢰된 두께와 실부제의 두께를 확인하여야 한다. 두께의 적용은 실부재 두께를 적용한다. 기존의 TOFD 절차서 상에는 대비시험편에서 모든 교정을 실시하고 실부재에서 추가로 전이보상만 해주었으나 여러 방식을 테스트해 본 결과 본 발명에서 이루고자 하는 실부재 교정방식이 오차를 최대한 줄이는 방식임이 판명되었다. 대비시험편에서 탐상범위의 검증만하고 음속 및 웨지딜레이는 실 부재에서 교정해야 오차를 최대한 줄일 수 있다. 장비에서의 교정 방법은 장비마다 상이하므로 장비 매뉴얼에 따르고 따로 설명하지는 않는다.
T6. 감도설정
본 발명에 따르면 검사 전 감도설정을 해야 하며, 검사 중 TOFD Set-Up의 변화가 있을 경우 감도를 다시 설정해야 한다. TOFD 감도는 실 부재에서 설정하며, 아래중 하나를 따른다.
(1) 표면파가 전체 화면 높이의 40%에서 80% 이내로 설정한다.
(2) 표면파가 적절하지 않을 경우, 감도설정은 저면신호가 전체화면 높이의 100%에 두고 18dB에서 30dB 이내로 게인을 증가시킨다.
(3) 표면 또는 저면신호가 적절하지 않을 경우, 감도는 노이즈가 전체 화면 높이의 5%에서 10%사이에 오도록 설정한다.
본 발명에서 위와 같이 표면파의 에코증폭을 기준으로 교정하는 것은 여러 가지를 실험한바 TOFD는 표면 조건에 따라서 전체 에코의 증폭이 변하므로 표면신호의 강도가 일정수준 이상으로 보장되어야 결함에서 회절되어 오는 회절신호를 누락시키지 않기 때문이다. 이 때, 표면 신호는 검사를 위해 도포되는 접촉매질의 도포상태에 따라서도 변하여 B-Scan상에 심한 굴곡을 만들어 데이터 분석을 힘들게 하므로 적절한 방법으로 고루 도포되게 하여야한다.
T7. 설정(Set-Up)의 확인
검사 전 대비시험편에 Set-Up(감도 및 측정범위)이 적절한지 확인한다. 이동할 수 있는 적절한 두께의 시험편으로 연속 검사 시 매 4시간마다 Set-Up을 확인 할 수도 있다. 만약 설정된 Set-Up에 오차가 발생시 아래에 따른다.
(1) 감도(Sensitivity)
a. 오차 = 6dB 일 때 재교정하지 않는다.
b. 오차 > 6dB 일 때 최종 확인된 검사 이후 재교정 후 재검사한다.
(2) 측정범위(Range)
a. 오차 = 0.5mm 또는 2% 중 큰 값일 때 재교정하지 않는다.
b. 오차 > 0.5mm 또는 2% 중 큰 값일 때 최종 확인된 검사 이후 재교정 후 재검사한다.
T8. 재교정사유 발생
아래의 재교정사유 발생 시 T3 단계부터 다시 실시한다.
(1) 동일한 종류의 다른 케이블 또는 쇄기로 교체하였을 때.
(2) 충전지를 교체하였을 때.
(3) 연속 검사 시 최소 4시간 마다.
(4) 검사 시작 전과 후.
(5) 검사 시 감도가 이상하다고 판단될 때.
만약 테스트 결과를 초래하는 문제가 나올 경우, 시스템을 다시 교정해야 한다.
T9. 데이터 저장
교정된 데이터를 장비나 외장메모리에 저장한다. 저장된 교정파일은 동일 범위의 부재 검사 시 불러와서 교정확인 절차를 거쳐 검사한다.
<본 발명의 효과>
본 발명은 곡배관 용접부 비파괴검사에 있어서 RT로 인한 검사시간 지연 및 방사선으로 인한 안전사고의 위험 등을 발생시키지 않고, RT보다 정량화된 검사결과를 제공하여 검사의 신뢰성을 확보하며 제조분야의 생산성 향상 및 안전사고의 발생 확률을 감소시키는 효과가 있다. 이하, 본 발명의 효과에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
1. 방사선의 피폭사고로 인한 안전사고 근절
2. 검사시간 단축
(1) RT보다 검사시간이 단축됨
예를 들면 25mm의 300A 배관을 45큐리의 이리듐동위원소를 이용하여 방사선비파괴검사 기법으로 이중벽단면 촬영한다면 방사선이 시험체를 통과하여 필름에 상을 만들게 되는 시험체의 두께는 50mm가 되므로 두께는 두 배가 되고 이로 인하여 검사시간은 약 140분 정도 소요된다. 하지만, 본 발명에 따라 검사한다면 약 10분 정도 소요되므로 1/14로 검사시간이 단축된다(필름종류, 거리 등은 따로 언급하지 않은 통상적인 시간이다).
(2) 기존의 초음파검사보다 검사시간이 단축됨
기존의 초음파검사의 Scanning 횟수는 최소 8회 이상으로 같은 용접부를 검사 하여야 하나, 본 발명에 따르면 1회의 Scanning만으로 검사를 완료할 수 있다.
(3) PAUT와 TOFD를 별도로 수행하는 경우보다 검사시간 및 분석시간이 단축됨
기존의 검사방법은 PAUT 적용 시 최소 2회, TOFD 적용 시 1회의 Scanning을 해야 하지만 본 발명에 따르면 1회의 Scanning만으로 두 가지 검사를 완료할 수 있다.
3. 결함의 정량적인 평가
본 발명을 RT와 비교하면 RT의 경우 결함의 길이, 결함의 종류만 알 수 있지만, 본 발명에 따르면 위의 사항 이외에 결함의 깊이, 결함의 폭, 결함의 방향성을 알 수 있어서 결함의 정량적 평가가 용이하다.
4. 결함 판독의 시인성과 평가 결과의 재현성
본 발명은 검사 데이터가 전부 저장이 되므로 평가 결과의 재현성이 뛰어나고 분석프로그램에서 다양한 기법으로 데이터를 분석하여 쉽게 확인할 수 있는 형태로 표현하기 때문에 결함 판독의 시인성이 뛰어나다.
5. 그 외 기타효과
(1) 시험체의 두께증가에 따른 결함검출의 불확실성 감소
RT는 시험체의 두께가 두꺼워지면 작은 결함들은 잘 나타나지 않지만, 본 발명에 따르면 두께에 따른 증폭을 보정하기 때문에 두께에 영향을 받지 않는다.
(2) 결함의 방향성에 대한 영향 감소
RT는 결함이 특정방향으로 기울어져 있는 경우 필름에 나타나지 않지만, 본 발명에서는 예상되는 결함의 방향성에 대해서 다양한 각도의 초음파 빔을 사용하기 때문에 방향성에 대한 영향이 적다.
(3) 기존의 초음파검사로는 공간의 제약 때문에 결함을 검출하지 못하는 문제를 개선함
기존의 초음파검사는 주사거리가 1 Skip 거리까지 필요하지만, 본 발명에 따르면 0.5 Skip 거리로 검사가 가능하다.
(4) 기존의 초음파검사보다 뛰어난 결함 평가능력
기존의 초음파검사는 A-Scan으로만 평가하지만, 본 발명은 다양한 형태의 신호 분석 기법(A-Scan, B-Scan, C-Scan, D-Scan, S-Scan등)으로 결함을 정밀하게 평가할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 용접부 또는 용접비드 5-4 : TOFD 초음파 진동자
1-1 : 후면 용접비드(Back-Bead) 5-5 : PAUT 초음파 진동자
2 : 직배관 5-T : TOFD 탐촉자
3 : 곡배관 5-P : PAUT 탐촉자
4-1 : 직배관쪽 열영향부 및 개선면 5-TX : TOFD 탐촉자 송신부
4-2 : 곡배관쪽 열영향부 및 개선면 5-RX : TOFD 탐촉자 수신부
5-1 : 탐촉자 하우징 6 : 초음파 빔
5-2 : 탐촉자의 웨지(Wedge) 10: Scanner
5-3 : 케이블 11: 탐촉자 거치대
15: 접촉매질 공급라인 100: 결함

Claims (4)

  1. 곡배관 용접부에 초음파검사를 하기 위하여 스캐너(10)와 PAUT 탐촉자(5-P)와 TOFD 탐촉자(5-T)가 조합되고 이를 초음파장비를 이용하여 PAUT와 TOFD의 두 가지 검사기법을 한 번에 실행하기 위한, 곡배관 용접부 초음파검사방법으로서,
    검사 의뢰된 내용을 검토하여 시험체의 두께, 개선 형상 조건에 맞게 탐촉자를 선정하여 검사계획을 설정하는 단계(A1);
    PAUT와 TOFD가 동시에 구동되는 초음파장비를 교정하는 장비교정 단계(P), TOFD교정 단계(T)를 포함하는 단계(A2);
    검사대상의 표면준비 확인, 용접완료시간으로부터 검사 의뢰된 시점까지의 시험시간 확인을 포함하는 단계(A3);
    검사방향 및 검사구역을 설정하는 단계(A4);
    배관의 원주면을 따라서 용접부의 길이방향과 평행하게 주행 가능한 스캐너를 정해진 위치에 설치하는 단계(A5);
    PAUT 탐촉자(5-P)와 TOFD 탐촉자(5-T)를 스캐너에 장착하여 배관용접부의 중심선에 일정한 거리로 맞추는 단계(A6);
    TOFD의 경우 실부재의 배관에서 음속 및 웨지딜레이와 감도를 교정하여 정확성을 높이기 위하여, 실재 시험체의 TOFD 음속 및 웨지딜레이를 교정하는 것을 추가로 실시하는 단계(A7);
    시험체에 초음파를 전달시키고, 균일한 신호를 얻기 위하여 접촉매질을 공급하는 단계(A8);
    배관의 용접부를 스캐너(10)와 탐촉자의 조합으로 검사를 하여 데이터를 취득하는 단계(A9);
    획득된 데이터를 초음파장비에 저장하는 단계(A10);
    획득된 데이터를 전용 분석 프로그램으로 TOFD 신호와 PAUT 신호를 각각 분석하여 각각 발견된 결함의 유무 및 결함의 위치, 치수, 종류를 파악하고 위치를 서로 비교하여 검사 출발점으로부터 동일위치의 결함끼리 묶어서 하나의 결함으로 결합하여 분석하는 단계(A11);
    분석된 결함의 종류에 따라서 합격과 불합격을 판정하고 용접부의 재수정 유, 무를 결정하는 단계(A12);
    재수정이 결정되면 결함의 정보가 기록된 수정 용접 지시서를 발행하는 단계(A13) 및;
    보고서를 작성하는 단계(A14);
    를 포함하는, 곡배관 용접부 초음파검사방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장비교정 단계(P)는,
    TOFD와 PTUT 검사를 동시에 실행하기 위한 셋업(Set-Up) 절차로,
    PAUT와 TOFD기법을 동시에 구동할 수 있는 초음파장비에 PAUT 탐촉자(5-P)와 TOFD 탐촉자(5-T)의 정보를 입력하고 구동하기 위한 채널 그룹을 형성하는 단계(P1);
    초음파 빔 구성, 집속 선형 탐상(Linear) 혹은 섹터리얼(Sectorial)을 설정하고, 초음파 형식(종파 혹은 횡파)을 선택하고, 적용 탐촉자에 필요한 진동자 개수를 그룹으로 지정하여 총 진동자 그룹 개수(VPA : virtual probe aperture)가 자동 설정되게 하고, 적용 굴절각과 집속범위(Focus depth)를 입력하는 것을 포함하는 단계(P2);
    교정시험편 또는 대비시험편을 이용하여 초음파 음속을 교정하는 단계(P3);
    PAUT 탐촉자(5-P)의 각각의 진동자(VPA)(5-5)를 반사체에 대해 동일한 깊이로 인식시키기 위해 웨지 내에서 진행거리를 교정시키는 단계(P4);
    모든 VPA가 검사체 내에서 하나의 반사체에 대해 동일한 감도가 되도록 교정하는 단계(P5);
    같은 반사체에 대해 VPA 각각의 게인 차이를 만들고, 재료의 감쇠를 보상하기 위하여 TCG 및 DAC 교정을 하는 단계(P6);
    검사 시 검사 길이 및 결함 위치에 대한 정보를 장비에 저장하기 위하여 엔코더를 교정하는 단계(P7);
    스위프 범위, VPA감도와 TCG(또는 DAC)를 참조 또는 교정 블록으로 검증하고 전체 검사시스템을 검증하는 단계(P8);
    재교정 사유가 발생하였을 경우 시스템을 다시 교정하는 단계(P9);
    교정시점이 일주일이 지나면 탐촉자의 진동자를 재점검하고 검사감도에 이상이 발생하면 재점검여부를 판단하는 단계(P10);
    탐촉자의 재점검이 결정되면 탐촉자의 모든 VPA를 확인하는 단계(P11);
    탐촉자의 전체 요소(Element) 중 인접한 진동자가 10% 이상 작동하지 않을 경우 탐촉자를 교체하고 상기 P3 단계부터 다시 교정하는 단계(P12) 및;
    교정된 데이터를 장비의 메모리에 저장하는 단계(P13);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 곡배관 용접부 초음파검사방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 TOFD교정 단계(T)는,
    시험체의 두께에 따라 시험 전에 탐상범위를 설정하여 교정 준비를 하는 것을 시작으로,
    상기 A1 단계에서 선택된 초음파 탐촉자와 웨지를 선정하여 준비하는 단계(T1);
    굴절각 및 탐상형식을 결정하는 단계(T2);
    시험편의 전체 두께를 포함하는 깊이 측정 범위를 교정하는 단계(T3);
    시험체의 음속에 따른 표면과 저면 신호가 충분히 확인될 수 있도록 탐촉자의 거리를 PCS 거리만큼 설정하는 단계(T4);
    실재 시험체의 TOFD 음속 및 웨지딜레이를 교정하는 단계(T5);
    실재 시험체에서 검사 전 감도를 설정하는 단계(T6);
    검사 전 대비시험편에서 검사전이나 매 4시간마다 셋업(Set-Up)을 정해진 오차 범위에서 확인하고 재교정하는 단계(T7);
    재교정 사유 발생 시 상기 T3 단계부터 다시 교정하는 단계(T8) 및;
    교정이 완료되면 장비나 외장메모리에 저장하는 단계(T9);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 곡배관 용접부 초음파검사방법.
  4. 삭제
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