본 논문에서는 반사형 펄스와전류 탐상법을 사용하여 두께를 효과적으로 평가하기 위해 여러가지 탐촉자 모델들을 설계하고, 수치해석 방법을 사용하여 피검사체의 두께 변화에 따른 펄스와전류 신호의 특징 변화, 민감도 등을 조사하였다. 반사형 탐상에서는 센서코일이 여자코일 자계보다는 피검사체에 형성된 와전류로 인한 자계를 감지해야 하므로, 구리-페라이트로 차폐한 모델들과 페라이트만으로 차폐한 모델들에서의 펄스와전류 신호를 조사하였다. 이러한 신호들에서 두께 판별에 유용한 특성을 조사하여 신호의 피크값과 zero crossing time을 선정할 수 있었고, 이들의 두께변화에 대한 민감도를 조사하였다. 그 결과, 두 종류의 차폐 모델들에서 모두 피크값 민감도가 zero crossing time 민감도보다 효과적이라는 것을 알 수 있었고, 구리-페라이트로 차폐한 모델 보다 페라이트만으로 차폐한 모델에서의 피크값 민감도가 훨씬 더 높다는 것을 알 수 있었다.
일반적인 와전류 검사는 단일 주파수 또는 매우 협소한 주파수 대역을 가지는 정현적 신호 사용하며, 알루미늄과 같은 도체에서 피로 균열 같은 결함을 검출하는데 사용되고 있다. 이에 반하여 펄스 와전류는 아주 넓은 주파수 대역폭을 가지는 펄스 신호를 사용한다. 이것은 여러 주파수를 동시에 사용하는 다중 주파수 와전류 검사를 한번에 수행할 수 있도록 하며, 일상적인 와전류 검사에 비하여 침투 깊이를 더 깊게 할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 부식 또는 침식 등에 의한 금속 손실을 평가하기 위한 펄스 와전류 장치를 개발하였다. 개발된 장비는 최대 40 V의 구형 펄스를 발생시키는 펄스 발생기, 수신된 신호를 52 dB까지 증폭하는 증폭기, 16 bit 20MHz의 A/D 변환기, 윈도우 프로그램으로 운영되는 산업용 개인 컴퓨터로 구성하였다. 펄스 와전류 탐촉자는 구동 코일 안에 검출 코일을 삽입한 pancake 형태로 설계 제작하였다. 검출 코일의 출력 신호는 구동 코일에 전압을 끊을 때 갑자기 증가하고 신호의 후반부는 시간에 따라 지수적으로 감소하였으며, 감쇠율을 나타내는 지수 값은 알루미늄 두께가 두꺼울수록 증가하였다.
투과형 펄스와전류(Pulsed Eddy Current; PEC) 탐상을 대상으로 수치해석 방법을 사용하여 펄스와전류 탐상신호를 예측하고, 펄스의 폭이 신호에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과 전도도나 두께가 증가하면 PEC 신호의 최대값이 작아지며 최대값 발생시간이 지연됨을 관찰할 수 있었고, 전도도나 두께를 측정할 때 펄스의 폭이 좁으면 신호의 최대치를 사용하는 것이 유리하고, 펄스의 폭이 넓으면 최대치가 나타나는 시간을 사용하는 것이 판별에 유리하다는 것을 알 수 있었다. 또한, lift-off가 커질수록 PEC 신호의 최대값은 작아지지만, 두 코일 사이의 간격만 일정하면 피검사체가 어디에 위치해도 신호는 거의 동일하며, 같은 두께에서 서로 다른 lift-off 변화는 PEC 신호를 한 점에서 만나게 하는 것을 알 수 있었다.
복합층에서 나타나는 투과형 펄스와전류(Pulsed Eddy Current; PEC) 탐상신호를 수치해석 방법을 사용하여 예측하고 분석하였다. 공기층이 없는 복합층에서 Ti-6Al-4V의 두께가 변하는 경우에는 Lift-off를 변화시켰을 때 나타나는 펄스와전류 신호특성과 LOI(Lift-off Intersection)가 형성되는 것을 관찰할 수 있었고, Aluminum의 두께가 변하는 경우에는 Aluminum만의 두께변화 시 발생하던 신호특성이 났다. 공기층이 있는 복합층에서는 Lift-off를 변화시켰을 때 나타나는 신호특성과 LOI가 형성되었고, 공기층이 증가하면 피크 값이 감소하는 것을 볼 수 있었다.
본 논문에서는 외부에서의 탐촉자 스캐닝이 어려운 금속배관의 긴 축방향 결함이나 두께감육 등과 관련된 건전성을 감시하기 위하여 펄스와전류 신호의 피크치와 피크(발생)시간을 이용하는 배열형 탐촉자를 제안하였다. 탐촉자는 관을 따라 외삽형 코일들을 배열하고, 금속배관의 상태를 반영하는 자계는 와전류에 의해 생성되는 자계이므로 원천자계가 직접적으로 센서신호에 영향을 미치는 것을 막기 위하여 코일의 외부를 페라이트로 차폐하였다. 여자코일과 센서코일은 자동적으로 연속해서 위치를 이동하게 되므로 사람이 직접 탐촉자를 주사할 필요는 없다. 두 코일의 위치가 고정되어 있을 때 센서에서 감지되는 펄스와전류 신호에서 피크치와 피크시간을 추출하고, 모든 위치에서 추출되는 이 데이터들을 축적하여 배열형 피크치 신호와 배열형 피크시간 신호를 생성하였다. 수치 모사는 시간영역은 후향차분법으로, 공간은 유한요소법을 사용하여 수행되었다. 모사 결과는 결함의 깊이나 길이가 증가함에 따라 펄스와전류 신호에서 피크치가 증가하며 피크는 더 일찍 나타난다는 것을 보여 주었으며, 이를 활용하여 본 연구에서 제안한 배열신호들은 배열형 탐촉자 내부에서 결함의 깊이나 길이 변화뿐만 아니라 결함의 위치를 반영하는데에도 탁월함을 증명하였다.
반사형 펄스와전류(Pulsed Eddy Current; PEC) 탐상을 위한 여러 가지 탐촉자를 설계하고, 수치해석 방법을 사용하여 신호특성과 두께변화에 대한 만감도를 조사하였다. 구리와 페라이트를 차폐체로 사용한 결과, 구리로 차폐한 여자코일이 페라이트로 차폐한 센서코일보다 안쪽에 있는 것이 두께변화에 더 민감하였고, 페라이트만으로 차폐한 경우에도 여자코일이 안쪽에 있는 것이 더 민감하다는 것을 알 수 있었다. 한편, 두께가 두꺼워지면 펄스신호의 피크치는 감소하며 피크 발생시간이 변화하는 것을 관찰할 수 있었다.
이번 호부터 해설란을 통하여 비파괴검사(非破壞檢査) 기술(技術)에 대한 연재를 시작한다. 앞으로 비파괴검사(非破壞檢査) 기술(技術) 각 분야에 대해 다룰 예정이며 우선 1차적으로 와전류탐상법(渦電流探傷法)에 관해 3회에 걸쳐 게재하기로 한다. 특정한 비파괴검사(非破壞檢査)의 전문가가 아니더라도 쉽게 이해할 수 있도록 가급적 수식은 배제하고 기초적인 이론을 소개할 것이며 특히 현장 적용에 중점을 두어 기술(記述)하고자 한다. 본 원고에서는 원거리 와전류탐상법(渦電流探傷法)(remote field eddy current testing) 이나 펄스 와전류탐상법(渦電流探傷法)(pulsed eddy current testing)과 같은 특수 와전류(渦電流) 기술(技術)은 제외하였으며 본 연구실에서 내부 교육용으로 사용하는 "와전류탐상법(渦電流探傷法) Level I 과정"과 미국금속학회에서 발행한 Metal Handbook, 9th ed., Vol. 17, "Non-destructive Evaluation and Quality Control" 및 기타 관련 기술 자료들을 참고하였으나 일일이 명기하지는 않는다.
지난 호에 이어 해설란을 통하여 비파괴검사(非破壞檢査) 기술(技術)에 대한 연재를 계속한다. 특정한 비파괴검사(非破壞檢査)의 전문가가 아니더라도 쉽게 이해할 수 있도록 가급적 수식은 배제하고 기초적인 이론을 소개할 것이며 특히 현장 적용에 중점을 두어 기술(技術)하고자 한다. 본 원고에서는 원거리 와전류탐상법(渦電流探傷法(remote field eddy current testing) 이나 펄스 와전류탐상법(渦電流探傷法(pulsed eddy current testing)과 같은 특수 와전류(渦電流) 기술(技術)은 제외하였으며 본 연구실에서 내부 교육용으로 사용하는 "와전류탐상법(渦電流探傷法) Level I 과정"과 미국금속학회에서 발행한 Metal Handbook, 9th ed., Vol. 17, "Nondestructive Evaluation and Quality Control" 및 기타 관련 기술 자료들을 참고하였으나 일일이 명기하지는 않는다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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