KR101693226B1 - 튜브 용접부 검사용 다중 초음파 탐촉자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 튜브 용접부의 결함을 검사할 때 사용되는 초음파 탐촉자(1)에 관한 것으로 일전한 길이를 가지는 탐촉자 본체(10)와; 상기 탐촉자 본체(10)의 일단에 연결되는 연결바(20)와; 상기 탐촉자 본체(10)의 일측면에 설치되어 결함의 위치와 형태를 탐상하는 위상배열 초음파 센서(30) 및; 상기 위상배열 초음파 센서(30)를 사이에 두고 동일 선상에 각각 설치되어 결함의 깊이를 탐상하는 한 쌍의 TOFD 센서(40A, 40B)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 튜브 용접부 검사에 소요되는 시간을 대폭 단축할 수 있는 동시에 결함의 위치, 형태와 깊이 등을 정확하게 검출해 낼 수 있다.

Description

튜브 용접부 검사용 다중 초음파 탐촉자{Multi Ultrasonic Probe for Scanning of Welded Zone of Tube}
본 발명은 튜브 용접부 검사용 다중 초음파 탐촉자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가압경수로형 원자력발전소의 가압기 전열기 슬리브 또는 증기발생기 배수/계측 노즐 또는 RCS(Reactor Coolant System) 핫렉/콜드렉(hot leg/cold leg)의 RTD(Resistance Temperature Detector) 설치용 노즐과 같은 소구경의 튜브 용접부에 크랙이나 부식 등과 같은 결함의 위치와 깊이 등을 정확하게 검출해낼 수 있는 튜브 용접부 검사용 다중 초음파 탐촉자에 관한 것이다.
가압경수로형 원자력발전소는 핵연료의 핵분열과정에서 생성된 에너지를 흡수하여 증기를 발생시키고, 이 증기를 이용하여 터빈을 회전시킴으로써 전기를 생산하는데, 이를 위해 원자력발전소의 격납건물에는 원자로, 가압기, 증기발생기 및 냉각재 순환펌프 등으로 이루어진 NSSS(Nuclear Steam Supply System 또는 1차측)가 설치되고, 이때 가압기(pressurizer)의 하부에는 1차측 내에서 순환하면서 가열되는 냉각재(coolant)를 일정 압력이상으로 가압할 수 있도록 복수 개의 전열기를 슬리브를 통해 용접에 의해 설치되며, 또한 RCS의 핫렉/콜드렉에도 냉각재의 온도를 계측하는 복수 개의 RTD를 설치할 수 있도록 소구경의 관으로 이루어진 복수 개의 노즐이 용접에 의해 설치되며, 증기발생기(steam generator)에도 복수 개의 배수/계측 노즐이 용접에 의해 설치된다.
그런데 이러한 가압기나 핫렉/콜드렉은 내식성을 향상시킬 수 있도록 인코넬이나 Alloy 600 재질을 사용하여 제작되고 있으며, 이러한 재질로 이루어진 가압기나 핫렉/콜드렉 등에 전열기 슬리브나 RTD 설치용 노즐을 용접에 의해 설치하는 경우 이들 용접 부위에서 용접 및 가공으로 인한 응력부식 등에 의해 균열(SCC, Stress Corrosion Cracking)이 발생되고 있음이 보고되고 있으며, 이들 균열이 진행되는 경우 냉각재 상실사고(LOCA)로 이어질 수 있다.
이에 따라 원자력발전소에서는 응력부식 등에 의한 균열에 의한 냉각재 상실사고 등의 발생을 미연에 방지할 수 있도록 핵연료 교환 작업 시에 초음파 검사장비와 같은 비파괴 검사장치(scanner)를 이용하여 이들 용접부의 건전성을 평가하고 있으며, 이때의 튜브 용접부 초음파 검사장치는 일반적으로 스캐너 본체, 고정장치, 이송 및 회전장치, 탐촉자 연결장치 및 초음파 탐촉자 등을 구비하며, 이러한 초음파 검사장치를 사용하여 튜브 용접부에 크랙 등이 있는지 등의 결함을 검사할 때에는 먼저 고정장치를 이용하여 스캐너 본체를 검사대상 튜브의 외부에 견고하게 고정시킨 다음, 그 내부에 초음파 발진기(또는 센서)가 설치된 초음파 탐촉자(probe)를 튜브의 내부에 삽입하거나 또는 튜브의 외부에 설치한 상태에서 스캐너 본체에 설치된 이송 및 회전장치를 이용하여 초음파 탐촉자를 튜브 길이방향으로 이송하는 동시에 회전시켜가면서 튜브 용접부의 결함 여부와 용접부의 어느 부분에 어떤 크기의 결함이 존재하는지 등을 검사한다.
그러나 종래의 초음파 탐촉자는 도 1에 도시된 바와 같이 Pulse-echo(PE) 타입의 초음파 센서를 탐촉자의 길이방향을 따라 양측에 각각 3개씩 설치하고, 이때 용접부 전체를 탐상할 수 있도록 각각의 초음파 센서를 수평축에 대해 0°, 45°, 135°각도로 설치한 구조로서, 초음파 탐상을 진행할 때에는 이러한 구조의 초음파 탐촉자를 튜브의 내측 또는 외측에 설치한 다음, 튜브의 길이 방향을 따라 아래쪽 또는 위쪽으로 이동시키는 동시에 360°방향으로 회전시켜 가면서 용접부에 결함이 존재하는지 여부와, 결함의 위치와 깊이 및 결함의 형태 등을 탐상하게 되는데, 이와 같이 초음파 탐촉자를 복수 개의 PE 타입의 초음파 센서만으로 구성하는 경우 PE 타입의 초음파 센서의 검출 특성으로 인해 용접부와 모재의 계면에 존재하는 결함은 비교적 정확하고 쉽게 탐상해낼 수 있으나, 용접부 내에 존재하는 결함과 결함의 깊이 등은 정확하게 탐상해낼 수 없다는 문제가 있다.
KR 10-0802315 B1 KR 10-2000-0064549 A KR 10-2001-0076629 A JP 2003-57219 A
본 발명은 상기와 같은 종래의 튜브 용접부 초음파 탐촉자가 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 튜브 용접부의 결함의 위치와 형태 및 깊이 등을 한 번의 탐상만으로 정확하게 검출해 낼 수 있도록 함으로써 초음파 탐상에 소요되는 시간을 대폭 단축시킬 수 있으며, 또한 초음파 검사 결과에 대한 정확성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 튜브 용접부 검사용 다중 초음파 탐촉자를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 초음파 탐촉자를, 일정한 길이를 가지는 탐촉자 본체와; 탐촉자 본체의 일단에 연결되는 연결바와; 탐촉자 본체의 일측면에 설치되어 결함의 위치와 형태를 탐상하는 위상배열 초음파 센서 및; 위상배열 초음파 센서를 사이에 두고 동일 선상에 각각 설치되어 결함의 깊이를 탐상하는 한 쌍의 TOFD 센서로 구성하는 것에 의해 달성된다.
그리고 본 발명은 위상배열 초음파 센서와 TOFD 센서가 설치된 탐촉자 본체의 반대쪽 면에 두 쌍의 PE 타입의 초음파 센서가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 한 쌍의 TOFD 센서 중 한 개의 TOFD 센서는 송신용 초음파 센서로서 기능하고, 다른 한 개의 TOFD 센서는 수신용 초음파 센서로 기능하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
더욱이 본 발명은 한 쌍의 TOFD 센서가 서로 마주보는 방향이 되도록 일정 각도로 경사지게 배열되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
본 발명은 탐촉자 본체에 위상배열 초음파 센서와 한 쌍의 TOFD 센서를 다중으로 배열하여 용접부를 한꺼번에 검사할 수 있기 때문에 검사에 소요되는 시간을 대폭 단축할 수 있다.
그리고 본 발명은 탐촉자에 위상배열 초음파 센서와 TOFD 센서가 함께(다중으로) 구비되어 있기 때문에 용접부에 존재하는 결함의 위치, 형태와 깊이를 정확하게 동시에 검출해 낼 수 있다.
도 1은 종래의 튜브 용접부 검사용 초음파 탐촉자의 예를 보인 도면,
도 2는 본 발명에 따른 튜브 용접부 검사용 다중 초음파 탐촉자의 예를 보인 측면도,
도 3은 본 발명에 따른 튜브 용접부 검사용 다중 초음파 탐촉자의 사용 예를 보인 사용 상태도이다.
이하에서는 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 통해 본 발명의 구성과 작용을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 RTD 설치용 노즐과 같은 소구경의 튜브 용접부의 결함을 신속하면서도 정확하게 검출해 낼 수 있는 튜브 용접부 검사용 다중 초음파 탐촉자에 관한 것으로, 본 발명의 초음파 탐촉자(1)는 도 2에 도시된 바와 같이 탐촉자 본체(10), 연결바(20), 위상배열 초음파 센서(30) 및 TOFD 센서(40A, 40B)를 포함한다.
탐촉자 본체(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 그 양 측면에 각각 초음파 센서를 설치 및 지지하기 위한 프레임으로서 기능하며, 이를 위해 탐촉자 본체(10)는 스테인리스와 같은 내부식성 재질의 금속판 또는 금속봉으로 이루어지고 그 일면에는 한 쌍의 PE 타입의 초음파 센서가 부착될 수 있도록 한 쌍의 홈이 형성되고, 그 반대편 면에도 위상배열 초음파 센서(30)와 한 쌍의 TOFD 센서(40A, 40B)를 설치할 수 있도록 홈이 형성되며, 이러한 탐촉자 본체(10)의 일단은 후술하는 연결바(20)에 연결된다.
탐촉자 본체(10)가 일단에는 본 발명의 초음파 탐촉자를 RTD 설치용 노즐과 같은 소구경의 튜브의 내부 또는 외부에 설치하여 이동시킬 수 있도록 연결바(20)가 설치되며, 이를 위해 연결바(20)는 튜브의 길이를 따라 이송될 수 있도록 일정 길이를 가지는 바(bar) 또는 봉 형상을 가지면서 강성과 내부식성을 가지도록 스테인리스와 같은 금속재로 이루어지고, 이 연결바(20)에 의해 탐촉자 본체(10)가 수직으로 이동되면서 회전된다.
그리고 연결바(20)의 내부에는 그 길이 방향을 따라 관통공(도면부호 없음)이 형성되며, 이 관통공을 통해 탐촉자 본체(10)에 설치된 각각의 초음파 센서에 전원과 신호를 송수신하는 케이블이 삽입 설치되어 초음파 검사장치 본체와 연결된다.
탐촉자 본체(10)의 양 측면 중 어느 한 측면에는 검사대상 튜브의 용접부의 결함의 위치와 형태를 정확하게 탐상할 수 있도록 위상배열 초음파 센서(30, Phased Array Ultrasonic Sensor)가 측면에 형성된 홈의 중앙에 안착 설치되는데, 이러한 위상배열 초음파 센서(30)는 복수 개의 초음파 센서가 서로 다른 위상을 가질 수 있도록 배열된 것으로, 이러한 위상배열 초음파 센서(30)는 각 센서별로 서로 다른 진폭과 위상을 가지도록 제어할 수 있으며, 이에 의해 초음파 신호의 방사 각도 범위와 집속거리를 자유롭게 설정할 수 있고, 그 결과 한꺼번에 넓은 범위를 커버할 수 있는 동시에 방사 범위의 설정이 자유로우며, 또한 수신된 초음파 신호의 분석에 소요되는 시간이 짧다는 이점이 있다.
그러나 위상배열 초음파 센서(30)를 사용하여 용접부의 결함을 탐상하는 경우 결함의 유무와, 결함의 위치 및 형태는 비교적 정확하게 검출해낼 수 있으나 결함의 깊이는 정확하게 검출하지 못한다는 단점이 있으며, 이에 따라 본 발명에서는 위상배열 초음파 센서(30)를 튜브 용접부에 결함이 존재하는지 여부와, 결함의 위치와 형태를 검출하는 데에 사용하며, 결함의 깊이는 TOFD 센서(40A, 40B, Time of Flight Diffraction)를 사용하여 검출한다.
이를 위해 본 발명에서는 탐촉자 본체(10)의 길이방향을 따라 일측면에 형성된 홈의 중앙에 설치된 위상배열 초음파 센서(30)를 사이에 두고 그 좌우에는 각각 한 개씩의 TOFD 센서(40A, 40B, Time of Flight Diffraction)가 설치되며, 이러한 TOFD 센서(40A, 40B)는 용접부 내에 결함이 존재하는 경우 결함 부분에서 초음파 신호가 회절되는 것을 이용하여 결함의 높이를 측정하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명에서는 한 개의 TOFD 센서(40A)는 초음파 신호 송신용으로 기능하도록 하고, 다른 한 개의 TOFD 센서(40B)는 초음파 신호 수신용으로 기능하도록 하면서 이들 송신용 TOFD 센서(40A)와 수신용 TOFD 센서(40A)를 설치방향을 서로 마주보는 방향이 되도록 일정 각도로 경사지게 배열하면 송신용 TOFD 센서(40A)로부터 방사된 초음파 신호는 검사대상 튜브의 표면에 도달하여 반사된 다음, 수신용 TOFD 센서(40A)에 입사하여 수신되고, 이 과정에서 용접부에 크랙 등의 결함이 존재하는 경우에는 송신용 TOFD 센서(40A)로부터 방사된 초음파 신호가 검사대상 튜브의 표면에 도달되지 못하고 이 결함 부분에서 회절되어 수신용 TOFD 센서(40A)에 수신되며, 따라서 결함이 존재하는지 여부에 따라 수신되는 초음파 신호의 비행시간에 있어서 차이가 나게 되고, 이를 분석하면 결함의 깊이를 정확하게 알 수 있게 된다.
그리고 위상배열 초음파 센서(30)와 TOFD 센서(40A, 40B)가 설치된 탐촉자 본체(10)의 반대쪽 면에 형성된 한 쌍의 홈에는 도 3에 도시된 바와 같이 각각 한 쌍의 PE 타입의 초음파 센서(12, 13, 14, 15)가 설치되며, 이때 좌측(또는 우측)에 형성된 홈에는 한 개의 초음파 센서(12)는 초음파 신호가 위쪽을 향해 45°각도로 방사되도록 설치되고, 다른 한 개의 초음파 센서(13)는 초음파 신호가 아래쪽을 향해 45°각도로 방사되도록 설치되며, 우측(또는 좌측)에 형성된 홈에는 한 개의 초음파 센서(14)는 초음파 신호가 오른쪽을 향해 45°각도로 방사되도록 설치되고, 다른 한 개의 초음파 센서(15)는 초음파 신호가 왼쪽을 향해 45°각도로 방사되도록 설치되며, 이러한 PE타입 초음파 센서의 배열에 의해 용접부와 모재 간의 계면을 한꺼번에 검사할 수 있다.
또한 PE 타입의 초음파 센서(12 또는 14)의 어느 한 개의 외측에는 모재 표면에 결함이 있는지를 확인할 수 있도록 와전류 탐상 센서(11, Eddy Current Sensor)가 더 구비되는데, 이러한 와전류 탐상 센서(11)는 코일에 고주파 전류를 흘림으로써 검사대상 튜브의 표면에 와전류를 발생시켜 와전류의 분포상태를 분석함으로써 결함이 존재하는지 여부를 알 수 있도록 하는 것으로, 와전류 탐상 센서(11)를 이용하여 표면에 결함이 존재하는지 여부를 검사하는 방법은 이미 잘 알려져 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하에서는 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 초음파 탐촉자(1)를 이용하여 검사대상 튜브 용접부 특히, RTD 설치용 노즐의 용접부 결함을 검사하는 방법에 대해 설명한다.
본 발명의 초음파 탐촉자를 사용하여 RTD 설치용 노즐의 용접부를 탐상할 때에는 위상배열 초음파 센서(30)와 한 쌍의 TOFD 센서(40A, 40B)를 이용하여 탐상하며, 이때 위상배열 초음파 센서(30)와 한 쌍의 TOFD 센서(40A, 40B)를 개별적으로 사용하여 탐상을 진행(모드 1)할 수도 있고, 이와 달리 위상배열 초음파 센서(30)와 한 쌍의 TOFD 센서(40A, 40B)를 동시에 사용하여 탐상을 진행(모드 2)할 수 있으며, 이하에서는 이들을 각각 하나의 실시예로 하여 설명한다.
(1) 실시예 1(모드 1)
실시예 1은 위상배열 초음파 센서(30)와 한 쌍의 TOFD 센서(40A, 40B)를 개별적으로 사용하여 탐상을 진행하는 것에 관한 것으로, 모드 1에서는 먼저 연결바(20)를 이용하여 탐촉자 본체(10)를 검사대상 노즐(튜브) 용접부의 외측에 설치한 다음, 위상배열 초음파 센서(30)에 전원을 인가하여 탐상함으로써 결함의 위치와 형태를 탐상하고, 이후 위상배열 초음파 센서(30)의 전원은 끈 다음, 한 쌍의 TOFD 탐촉부(40A, 40B)에 각각 전원을 인가하여 결함의 깊이를 탐상하며, 이와 같이 위상배열 초음파 센서(30)와 한 쌍의 TOFD 센서(40A, 40B)를 개별적으로 사용하여 탐상을 진행하는 경우 각각의 초음파 신호의 혼입에 따른 분석의 어려움은 없지만 TOFD 센서(40A, 40B)에 수신되는 신호가 상대적으로 미약하기 때문에 미세한 결함에 의한 신호를 수신하기 어렵다.
(2) 실시예 2(모드 2)
실시예 2는 위상배열 초음파 센서(30)와 한 쌍의 TOFD 센서(40A, 40B)를 함께 사용하여 탐상을 진행하는 것에 관한 것으로, 위상배열 초음파 센서(30)와 한 쌍의 TOFD 센서(40A, 40B)에 모두 전원을 인가하여 탐상한다는 것만 다를 뿐 탐상방법은 실시예 1과 동일한데, 이와 같이 위상배열 초음파 센서(30)와 한 쌍의 TOFD 센서(40A, 40B)를 동시에 사용하여 탐상하는 경우 위상배열 초음파 센서(30)로부터 방사되는 초음파 신호를 집속하여 고에너지 상태의 신호를 회절신호로 줄 수 있기 때문에 TOFD 센서(40A, 40B)의 '신호 약함'을 보완할 수 있어 미세한 결함도 쉽게 탐상할 수 있으며, 따라서 실시예 2는 결함이 존재할 것으로 예상되는 부위를 집중적으로 탐상하는 경우에 주로 이용된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 탐촉자 본체에 위상배열 초음파 센서와 한 쌍의 TOFD 센서를 다중으로 배열하여 용접부의 결함을 검사할 수 있도록 함으로써 검사에 소요되는 시간이 단축될 뿐만 아니라 결함의 위치, 형태 및 깊이 등을 정확하게 검출해 낼 수 있다.
1: 초음파 탐촉자 10: 탐촉자 본체
11: 와전류 탐상 센서 12, 13, 14, 15: PE타입 초음파 센서
20: 연결바 30: 위상배열 초음파 센서
40A, 40B: TOFD 센서

Claims (4)

  1. 튜브 용접부의 결함을 검사할 때 사용되는 초음파 탐촉자(1)에 있어서,
    상기 초음파 탐촉자(1)는, 일정한 길이를 가지는 탐촉자 본체(10)와;
    상기 탐촉자 본체(10)의 일단에 연결되는 연결바(20)와;
    상기 탐촉자 본체(10)의 일면에 설치되어 결함의 위치와 형태를 탐상하는 위상배열 초음파 센서(30) 및;
    상기 위상배열 초음파 센서(30)를 사이에 두고 동일 선상에 각각 설치되어 결함의 깊이를 탐상하는 한 쌍의 TOFD 센서(40A, 40B)로 이루어지고,
    상기 위상배열 초음파 센서(30)와 한 쌍의 TOFD 센서(40A, 40B)가 설치된 탐촉자 본체(10)의 반대쪽 면에는 두 쌍의 PE 타입의 초음파 센서(12, 13, 14, 15)가 부착되며,
    상기 두 쌍의 PE 타입의 초음파 센서(12, 13, 14, 15) 중 선택된 어느 한 쌍의 초음파 센서의 외측에는 와전류 탐상 센서(11)가 설치되는 것을 특징으로 하는 튜브 용접부 검사용 다중 초음파 탐촉자.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 한 쌍의 TOFD 센서(40A, 40B) 중 한 개의 TOFD 센서(40A)는 송신용 초음파 센서로서 기능하고, 다른 한 개의 TOFD 센서(40B)는 수신용 초음파 센서로 기능하는 것을 특징으로 하는 튜브 용접부 검사용 다중 초음파 탐촉자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 한 쌍의 TOFD 센서(40A, 40B)는 서로 마주보는 방향이 되도록 일정 각도로 경사지게 배열되는 것을 특징으로 하는 튜브 용접부 검사용 다중 초음파 탐촉자.
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