비접촉식 단일모드 유도초음파 기술의 개발과 비파괴평가에의 응용

Abstract

초음파 비파괴평가(Ultrasonic Non-Destructive Evaluation; UNDE)는 원자력발전, 항공기, 선박, 자동차 생산설비 등의 건전성(integrity)을 평가하기 위한 핵심적인 비파괴검사기법 중의 하나이다. 다양한UNDE기법 중에서도 유도초음파를 이용한 기법은 박판이나 배관과 같은 구조체를 따라 전파하는 초음파모드를 활용하여 기존의 국부적인 검사기법에 비해서 효율적으로 광범위한 검사를 할 수 있는 장점을 갖고 있다. 그러나 대부분의 기존 유도초음파 검사기법은 접촉매질을 이용하는 접촉식 기법이므로 적용대상에 한계가 있고, 검사 자동화와 신뢰성 확보에 어려움이 있기 때문에, 이러한 한계를 극복하기 위하여 비접촉식 유도초음파 기법의 필요성이 부각되고 있다. 따라서 이 연구에서는 유용한 비접촉식 초음파기술들을 이용하여 유도초음파를 비접촉으로 송·수신하는 기법을 개발하고, 이를 비파괴평가에 응용하기 위한 세부기술들을 개발하고자 하였다. 특히, 기존 유도초음파기법에서의 모드 중첩성 문제를 해결하기 위해서 단일모드를 선택적으로 송·수신하는 기법을 제시하고 있다. 개발된 세부기술로는 다음의 4가지로 분류할 수 있는데, 첫째 콤 트랜스듀서(comb transducer)와 ACT(air-coupled transducer)를 조합하여 배관에서 유도초음파의 단일모드를 비접촉으로 수신하는 기술, 둘째 레이저와 ACT를 조합하여 박판에서 유도초음파의 단일모드를 비접촉으로 송·수신하는 기술, 셋째 레이저와 ACT를 조합하여 배관에서 유도초음파의 단일모드를 비접촉으로 송·수신하는 기술, 넷째 EMAT(electro-magnetic acoustic transducer)을 이용하여 박판에서 유도초음파의 단일모드를 송·수신하는 기술이다. 비파괴평가 응용연구에서는, 첫째 레이저와 ACT를 이용한 비접촉식 단일모드 유도초음파 기법을 배관에 적용하여 결함을 평가하고자 하였으며, 배관에 가공한 인공결함에 대해 검출능과 크기평가를 수행하여 비파괴평가에의 적용 가능성을 검증하였다. 둘째 EMAT을 이용한 비접촉식 단일모드 유도초음파 기법을 박판에 적용하여 두께 감육을 평가하였고, 이를 위해 박판에 기계적으로 가공된 모의 내부 부식결함에 대한 검출능과 크기평가를 수행하여, 새로운 UNDE기법을 제시하였다.; UNDE(ultrasonic non-destructive evaluation) is a key technology in the nondestructive inspection for the assessment of the integrity of industrial structures such as nuclear power plants, airplanes, ships, and automobiles. A guided wave technology among various UNDE has an advantage since it can propagate long range along the structure of thin plate or hollow pipe, and thus more efficient than any normal point-by-point inspection method. Conventional guided wave technologies follow the contact method using couplant on the surface of specimen and therefore have many limitations to apply various automatic inspection requirements. In order to overcome the limitations, the non-contact ultrasonic guided wave technology is necessary. By means of Generating and receiving methods has been developed in this study using several non-contact ultrasonic methods and then, implemented into the nondestructive evaluations. Emphasis placed on the problem solving for the mode overlapping in conventional guided wave inspections, by using the selectable method of single-mode proposed in this study. The developed techniques composed by four parts; first, comb transducer and ACT(air-coupled transducer) were combined to receive a single-mode of guided wave in hollow pipe upon non-contacting, second, laser-ultrasonic technique and ACT were combined to generate and receive a single-mode of guided wave in thin plate upon non-contacting, third, laser-ultrasonic technique and ACT were combined to generate and receive a single-mode of guided wave in hollow pipe upon non-contacting, fourth, EMAT(electro-magnetic acoustic transducer) was used to generate and receive a single-mode of guided wave in thin plate upon noncontacting. In the applications for non-destructive evaluations, firstly, the non-contact technique of single-mode guided wave using the laser-ultrasonic and ACT was applied to inspect the defect in hollow pipe. This technique can detect the location and the size of defect. Secondly, the non-contact technique using EMAT was applied to detect the thinning thickness of plate. The detectability and size evaluation of defects were possible. Therefore, new UNDE technology has been suggested in this study.