2024년도 비파괴검사 기술사 132회 1교시 6~13번

2024년도 비파괴검사 기술사 132회

1교시

 

6. 초음파탐상검사에서 수침용 탐촉자의 특성을 설명하고, 수침법의 장점을 설명하시오.

 

수침용 탐촉자의 특성

수침용 탐촉자는 초음파탐상검사에서 검사체와 탐촉자 사이에 물을 커플링 매체로 사용하는 방식에 적합하게 설계된 탐촉자입니다.

 

1)방수 설계 : 물을 매개로 초음파를 전달하기 때문에 탐촉자가 물에 침수되어도 손상되지 않도록 방수 구조로 제작됩니다.

2)렌즈 모양 및 초점 조절 : 초음파 빔의 집속 및 산란을 최소화하기 위해 구면 렌즈나 평면 렌즈를 장착합니다. 특정 초점 거리에 초점을 맞출 수 있는 설계가 포함될 수 있습니다.

3)넓은 주파수 범위 : 수침법은 다양한 두께 및 재질의 검사체에 적용되므로, 넓은 주파수 대역을 처리할 수 있는 탐촉자가 사용됩니다.

4)음향 임피던스 조정 : 물과 탐촉자의 음향 임피던스 차이를 최소화하여 초음파 에너지의 효율적인 전달을 도모합니다.

5)다양한 형태 : 평면형, 곡면형, 포커싱형 등의 다양한 형태로 제공되어 검사 대상의 형상과 요구에 따라 선택할 수 있습니다.

 

수침법의 장점

1)균일한 커플링 제공 : 물은 표면의 불규칙성을 효과적으로 메워 초음파의 안정적 전달을 돕습니다.

접촉법보다 균일한 신호 전달이 가능합니다.

2)비접촉 검사 가능 : 탐촉자가 검사체에 직접 접촉하지 않으므로 민감한 표면이나 복잡한 형상의 검사체를 손상 없이 검사할 수 있습니다.

3)자동화에 용이 : 탐촉자를 물 속에서 이동시키며 연속적인 검사(스캐닝)가 가능하므로 자동화된 검사 시스템에 적합합니다.

4)초음파 초점 조정 용이 : 물의 두께를 조절함으로써 초음파의 초점을 원하는 깊이에 맞출 수 있습니다.

검사 범위와 감도를 조절하기가 용이합니다.

5)넓은 범위의 재질 검사 : 금속, 복합재, 플라스틱 등 다양한 재질에서 효과적이며, 얇거나 두꺼운 시편 모두 검사 가능합니다.

6)표면 상태 영향 최소화 : 거친 표면이나 작은 흠집이 검사에 미치는 영향을 물이 보완하여 신뢰도를 향상시킵니다.

요약

수침용 탐촉자는 방수성과 초점 조정에 적합한 설계를 가지며, 수침법은 비접촉 검사와 자동화에 적합한 균일하고 안정적인 검사 환경을 제공합니다.

 

7. ASMEsec.Ⅴ, 전력산업 기술기준(KEPIC)에 따른 직접육안검사 및 간접육안검사기법과 VT-1, VT-2 및 VT-3의 육안검사방법에 대하여 설명하시오.

 

ASME Sec.Ⅴ 및 KEPIC에 따른 육안검사 기법

육안검사는 비파괴검사 중 가장 기본적인 검사 방법으로, 검사자의 시각이나 보조 장비를 사용하여 결함을 탐지하는 기법입니다. ASME Sec.Ⅴ 및 KEPIC 기준은 직접육안검사와 간접육안검사로 나누어 정의하며, 검사 수준에 따라 VT-1, VT-2, VT-3으로 구분합니다.

 

1) 육안검사(VT)의 분류

(1)직접육안검사

검사자가 보조 장비 없이, 또는 단순 보조 장비(예: 확대경)를 사용하여 검사 대상을 직접 관찰하는 방식입니다.

적용 사례: 용접부, 표면 결함, 부식, 마모 등의 확인.

(2)간접육안검사

직접 관찰이 어려운 경우, 내시경, 비디오카메라, 거울 등의 도구를 사용하여 검사 대상을 관찰하는 방식입니다.

적용 사례: 접근이 어려운 내부 영역, 복잡한 구조물.

 

2) 육안검사의 종류 (VT-1, VT-2, VT-3)

(1)VT-1 (Visual Testing - Level 1)

목적: 표면 결함의 탐지에 중점을 둔 검사.

검사 항목: 균열, 핀홀, 기공, 용접 결함, 부식 등의 표면 이상.

적용 상황: 주로 용접부, 부품의 표면 품질 확인.

(2)VT-2 (Visual Testing - Level 2)

목적: 누설 여부의 확인에 중점을 둔 검사.

검사 항목: 액체나 기체의 누출 징후(예: 습기, 거품, 누설 흔적).

적용 상황: 압력용기, 배관, 저장탱크 등의 수압 시험 또는 운전 중 점검.

(3)VT-3 (Visual Testing - Level 3)

목적: 부품의 전체 상태 평가(정렬, 마모, 변형 등).

검사 항목: 구조적 상태, 변형, 부식, 고정 상태, 물리적 손상 여부.

적용 상황: 구조물의 유지보수, 기계 부품의 일반적인 상태 점검.

 

기준별 주요 요구사항

ASME Sec.Ⅴ

검사의 정확성과 신뢰성을 확보하기 위해 검사 대상의 조명, 시야 확보, 검사 장비의 성능을 규정.

VT-1, VT-2, VT-3에 따라 검사 목적과 적용 상황에 따른 상세 지침 제공.

KEPIC, ASME 기준을 기반으로 국내 전력산업 환경에 맞춰 요구사항을 보완.

검사 환경, 검사자의 자격, 장비 사용법 등에 대한 세부적인 지침 포함.

 

요약

직접육안검사: 직접 관찰로 표면 상태를 확인.

간접육안검사: 내시경, 카메라 등을 사용하여 접근이 어려운 부위를 검사.

VT-1, VT-2, VT-3는 각각 표면 결함, 누설, 구조적 상태 평가를 목적으로 수행.

ASME Sec.Ⅴ와 KEPIC은 육안검사 절차와 요구사항을 규정하여 검사 신뢰성을 보장.

 

8. 탄소당량에 대하여 설명하시오.

 

탄소당량(Carbon Equivalent, CE)

탄소당량은 강재의 성분 중 탄소를 포함한 합금 원소들이 용접성과 기계적 성질에 미치는 영향을 정량적으로 나타내는 지표입니다. 탄소는 강재의 경화성과 용접성에 가장 큰 영향을 미치지만, 다른 합금 원소(예: 망간, 규소, 니켈, 크롬 등)도 유사한 영향을 줄 수 있으므로, 이를 탄소로 환산하여 한 값으로 표현한 것이 탄소당량입니다.

 

1)탄소당량의 필요성

(1)용접성 평가 : 탄소당량은 용접 후 발생하는 균열, 특히 냉각 과정에서의 수소유기균열(HIC: Hydrogen Induced Cracking) 발생 가능성을 예측하는 데 유용합니다.

 

(2)경화 경향 예측 : 탄소당량이 높을수록 강재의 경화 경향이 증가하여 용접 후 열영향부(HAZ)의 경도가 높아지고 취성이 증가합니다.

 

(3)소재 선택 기준 : 용접 가능한 강재인지 평가하는 데 기준이 됩니다.

 

2)탄소당량 계산식

탄소당량을 계산하는 방법은 여러 가지가 있으며, 강재의 구성 성분에 따라 선택적으로 사용됩니다. 대표적인 계산식은 다음과 같습니다.

 

1) Dearden & O’Neill 공식 (CE):

가장 기본적인 탄소당량 계산식으로, 탄소와 주요 합금 원소의 영향을 반영합니다.

 

 

C: 탄소 (%)

Mn: 망간 (%)

Cr, Mo, V: 크롬, 몰리브덴, 바나듐 (%)

Ni, Cu: 니켈, 구리 (%)

2) Pcm (Preheat Carbon Equivalent):

저탄소강 및 고인성 강재에 적합하며, 수소유기균열 방지에 중점을 둔 식입니다.

B: 붕소 (%)를 포함하며, 경화 경향을 더 정밀하게 예측 가능.

 

3)탄소당량과 용접성의 관계

CE ≤ 0.4%: 용접성이 우수하며, 추가적인 예열이 필요하지 않은 경우가 많음.

0.4% < CE ≤ 0.6%: 용접성이 중간 수준이며, 예열 또는 후열 처리가 필요.

CE > 0.6%: 용접성이 낮아 균열 발생 가능성이 높음. 고도화된 용접 절차와 열처리 필요.

 

4)탄소당량의 실무적 적용

(1)예열 온도 결정 : 탄소당량을 기준으로 용접 전 예열 온도를 결정하여 냉각 속도를 조절하고 균열 발생을 방지.

 

(2)강재 선정 : 용접 구조물의 성능 요구사항과 용접성을 고려하여 적절한 탄소당량을 가진 강재를 선택.

 

(3)용접 공정 설계 : 탄소당량이 높은 재료에는 저수소 전극, 저열 입력 용접법 등을 사용하여 용접 품질을 보장.

 

요약

탄소당량은 강재의 용접성과 경화 경향을 정량적으로 평가하는 중요한 지표로, 다양한 용접 작업에서 안전하고 효과적인 용접 조건을 설정하는 데 필수적입니다.

 

9. 누설검사에서 발포검사법의 종류 및 장점에 대하여 설명하시오.

 

1)누설검사에서 발포검사법의 종류 및 장점

발포검사법은 기체 누설이 발생할 때 이를 시각적으로 확인하기 위해 비누 거품 또는 특수 검출제를 사용하는 비파괴검사 방법입니다. 주로 배관, 용기, 용접부 등에서 기체가 새는 지점을 식별하는 데 사용됩니다.

 

2)발포검사법의 종류

발포검사법은 사용하는 검출제의 종류와 방식에 따라 다음과 같이 분류됩니다:

 

(1) 비누 거품법 (Soap Bubble Method)

가장 일반적인 방식으로, 비누 용액이나 거품제를 누설 의심 부위에 발라 기포 발생 여부로 누설을 확인.

적용 방법 : 검사 부위에 비누 용액을 얇게 도포. 내부에 일정한 압력을 가한 후, 누설 지점에서 생기는 기포를 관찰.

특징 : 저렴하고 간단하며, 현장에서 바로 적용 가능.

(2) 상용 발포제 사용법 (Commercial Leak Detector)

상업용 누설 검출제를 사용하여 거품 생성.

적용 방법 : 특수 검출제를 스프레이 형태로 도포. 누설 지점에서 발생하는 기포를 확인.

특징 : 비누 용액보다 민감도가 높음. 검출제가 빠르게 건조하며 흔적이 적게 남음.

(3) 발포제 포장법 (Foam Pack Method)

검사 부위를 포장한 후 발포제를 채워 누설 여부를 확인.

적용 방법 : 검사 부위를 밀봉한 후 발포제 삽입.

누설 발생 시 밀봉을 뚫고 나온 기체가 거품 형태로 나타남.

특징 : 밀폐된 구조물에서 사용. 누설이 느린 경우에도 효과적.

 

3)발포검사법의 장점

 

(1)단순한 검사 과정 : 특별한 장비 없이 검출제를 바르고 관찰만 하면 되는 간단한 방법으로, 누구나 쉽게 적용할 수 있음.

(2)실시간 확인 가능 : 누설 여부를 즉각적으로 확인할 수 있어 빠른 대응이 가능함.

(3)저비용 검사 : 비누 용액이나 상용 검출제는 비용이 낮고 준비가 간편함.

(4)민감도 조절 가능 : 누설 압력에 따라 검출 민감도를 조정할 수 있음. 낮은 압력에서도 작은 누설을 확인 가능.

(5)넓은 응용 범위 : 용접부, 배관, 저장 용기 등 다양한 검사 대상과 재질에 적용 가능.

(6)환경 친화적 : 사용하는 재료가 비교적 무해하고 환경에 큰 영향을 주지 않음.

 

4)발포검사법의 제한점

(1)기체 누설만 검사 가능 : 액체 누설에는 적합하지 않음.

(2)소규모 누설 한계 : 매우 미세한 누설은 확인하기 어려울 수 있음.

(3)외부 접근 필요 : 검사 부위가 직접 접근 가능해야 함.

 

5)요약

발포검사법은 비누 용액이나 상용 발포제를 이용하여 기체 누설을 육안으로 확인하는 간단하고 경제적인 방법입니다. 실시간 확인, 저비용, 쉬운 적용이 장점으로, 배관, 용기 등 다양한 분야에서 활용됩니다.

 

10. 초음파탐상검사의 음압세기를 나타내는 단위로 정의된 데시벨(dB)의정의에 대하여 설명하시오.

 

1)데시벨(dB)의 정의

데시벨(dB)는 **초음파탐상검사(UT)**에서 음압의 세기를 표현하는 데 사용되는 단위로, 상대적인 크기를 로그 스케일로 나타낸 것입니다. 음압의 강도 차이를 정량적으로 표현하며, 특히 초음파 신호의 감쇠나 증폭을 표현하는 데 유용합니다.

2)데시벨의 수학적 정의

데시벨은 두 음압 세기의 비율을 로그 함수로 나타낸 단위입니다. 초음파탐상검사에서는 일반적으로 다음과 같은 식을 사용합니다

P1: 측정된 음압 세기(또는 신호 크기)

P0:기준 음압 세기(참조 신호 크기)

20: 로그 함수의 출력값을 음압 세기의 비율로 변환하기 위한 계수. (음압은 진폭과 관련 있으므로, 에너지를 기준으로 하면 계수가 10이 됨.)

3)데시벨의 특징

(1)비율로 표현 : 데시벨은 절대적인 크기가 아닌 비율을 표현하며, 두 값의 상대적인 차이를 나타냅니다.

(2)로그 스케일 : 로그를 사용하므로 큰 음압 차이를 다룰 때 값의 범위를 효과적으로 축소할 수 있습니다.

(3)음압 감소(감쇠)와 증가(증폭) 표현 : 음압 세기가 감소하면 음의 값(-dB), 증가하면 양의 값(+dB)으로 표시됩니다.

4)초음파탐상검사에서 데시벨의 활용

(1)신호 강도 표현 : 반사파의 세기나 직접파의 감쇠를 로그 스케일로 표시하여 신호의 변화를 분석합니다.

(2)게인(Gain) 조정 : 초음파 신호를 증폭하거나 감쇠시킬 때 사용되는 증폭량을 데시벨로 표시합니다.

예: 게인을 +10dB로 설정하면 신호 강도가 10배 증가.

(3)감쇠율 계산 : 음압이 재료 내부에서 이동하면서 에너지 손실이 발생하는 정도를 데시벨로 나타냅니다.

예: 특정 거리 이동 시 감쇠가 -6dB라면 음압 세기가 50% 감소.

(4)결함 크기 평가 : 반사된 신호 강도(dB 값)를 기준으로 결함의 크기, 위치, 특성을 정량적으로 평가합니다.

 

11. 엑스선 발생장치 구조 중양 극 후드(AnodeHood)의 역할에 대하여 설명하시오.

 

1)엑스선 발생장치의 양극 후드(Anode Hood)의 역할

엑스선 발생장치에서 **양극 후드(Anode Hood)**는 양극(Anode) 주변에 위치한 구조물로, 엑스선 생성 및 방출과 관련된 중요한 역할을 수행합니다. 양극 후드는 엑스선 튜브의 효율성과 안전성을 높이고, 엑스선의 품질을 보장하기 위해 설계되었습니다.

2)양극 후드의 주요 역할

(1)열 분산 및 냉각 역할 : 엑스선 발생 시, 전자가 양극에 충돌하면서 발생하는 에너지의 대부분이 열로 변환됩니다(엑스선 생성 효율은 약 1% 수준). 양극 후드는 양극에서 발생한 고온의 열을 효과적으로 분산하거나 방출할 수 있도록 돕습니다. 열 전달을 개선하기 위해 냉각 시스템(예: 공랭 또는 수냉)이 통합될 수 있습니다.

(2)방사선 보호 : 엑스선은 특정 방향으로 방출되어야 하며, 불필요한 방사선이 주변으로 새는 것을 막아야 합니다.

양극 후드는 방사선을 차단하거나 제한된 방향으로 방출되도록 설계되어 작업자의 방사선 노출을 최소화합니다.

(3)엑스선 방향 제어 : 양극 후드는 엑스선이 목표물(Target)에서 생성된 후 원하는 방향으로 방출되도록 제한합니다.

이를 통해 검사에 필요한 엑스선 빔의 초점과 방향성을 확보할 수 있습니다.

(4)진공 유지 : 엑스선 튜브는 진공 상태를 유지해야 전자가 방해받지 않고 양극에 도달할 수 있습니다.

양극 후드는 진공 상태를 보호하는 밀폐 구조의 일부로 작용합니다.

(5)양극 보호 : 양극 표면의 손상을 방지하고, 전자가 양극에 정확히 도달하도록 설계된 구조적 보호 기능을 수행합니다. 과열로 인한 양극의 변형이나 열 손상을 최소화합니다.

 

3)구조적 특징

양극 후드는 일반적으로 금속 재질(구리, 몰리브덴 등)로 제작되며, 높은 열전도성과 방사선 차폐 성능을 제공합니다. 냉각 장치(예: 냉각수 순환 또는 공기 냉각 팬)가 함께 설치되어 고온 상태에서도 안정적인 작동을 유지합니다.

 

4)엑스선 발생 과정에서 양극 후드의 중요성

엑스선 발생 과정에서 양극은 전자빔의 충돌로 인해 고온과 강한 방사선이 발생하는 위치입니다. 양극 후드는 다음과 같은 측면에서 필수적입니다:

 

-열 손상으로 인한 장비 수명 단축 방지.

-불필요한 방사선 누출 방지로 안전성 강화.

-엑스선의 빔 품질과 방향성 확보로 검사 정확성 향상.

 

5)요약

엑스선 발생장치에서 양극 후드는 열 분산, 방사선 보호, 엑스선 방향 제어, 진공 유지, 양극 보호 등 다목적 역할을 수행하는 필수적인 구조물입니다. 이를 통해 장비의 안정성과 효율성을 보장하며, 작업자의 안전을 유지합니다.

 

12. 홀효과의 정의를 설명하시오.

 

 

1)홀 효과(Hall Effect)의 정의

홀 효과란 도체나 반도체에 전류가 흐르는 동안, 외부로부터 수직 방향의 자기장이 가해지면 전류의 진행 방향과 자기장에 수직인 방향으로 **전위차(Hall Voltage)**가 발생하는 현상을 말합니다. 이 효과는 1879년 미국 물리학자 **에드윈 홀(Edwin Hall)**에 의해 발견되었습니다.

2)홀 효과의 원리

(1)외부 자기장에 의한 힘 작용 : 도체 또는 반도체에서 전자가 이동할 때 외부 자기장이 가해지면 **로렌츠 힘(Lorentz Force)**이 발생합니다. 로렌츠 힘의 방향은 전류(전자 이동)와 자기장의 방향 모두에 수직입니다.

(2)전하의 집적 : 로렌츠 힘에 의해 이동하는 전자는 한쪽 면으로 몰리게 되고, 반대쪽에는 양전하가 남아 전하 분리가 발생합니다. 이로 인해 전류 흐름 방향과 자기장 방향에 수직인 두 면 사이에 전위차(홀 전압,VH)가 생깁니다.

(3)홀 전압 : 이 전위차는 전자와 자기장의 상호작용의 결과로 나타나며, 다음과 같이 계산됩니다

 

I: 전류

B: 자기장 세기

q: 전자 하나의 전하량

n: 단위 부피당 전자 밀도

d: 도체의 두께

 

3)홀 효과의 특징

(1)발생 조건 : 전류가 흐르는 도체 또는 반도체 내부에 자기장이 존재해야 함. 자기장은 전류와 수직 방향이어야 함.

(2)홀 계수 : 홀 전압은 재료의 전자 밀도와 전하 종류에 따라 달라지며, 이를 나타내는 계수를 **홀 계수(Hall Coefficient,RH)**라고 합니다.

(3)전하의 종류 구별:

홀 전압의 극성을 통해 재료 내에서 전류를 운반하는 전하가 전자(음전하)인지 정공(양전하)인지 구별할 수 있음.

 

 

13. 와전류탐상검사에서 표피효과와 위상지연에 대하여 설명하시오.

1)와전류탐상검사에서 표피효과와 위상지연

**와전류탐상검사(ET)**는 전도성 재료 내부에 유도 전류(와전류)를 발생시키고, 그 변화를 분석하여 결함이나 특성을 검사하는 비파괴검사 기법입니다. 와전류의 분포와 변화에는 **표피효과(Skin Effect)**와 **위상지연(Phase Delay)**이라는 중요한 물리적 현상이 영향을 미칩니다.

 

2)표피효과(Skin Effect)

(1)정의 : 표피효과는 고주파 전류가 전도성 물질 내부로 침투할 때, 재료 표면 근처에 전류 밀도가 집중되는 현상입니다. 즉, 전류는 재료 표면에서 강하게 흐르고, 깊이로 갈수록 급격히 감소합니다.

 

(2)특징 : 전류 밀도는 재료 내부로 침투할수록 지수적으로 감소합니다. 전류가 흐르는 유효 깊이를 **표피깊이(Skin Depth,δ)**로 정의하며, 이는 다음 식으로 계산됩니다:

ρ: 재료의 비저항 (Ω·m)

ω: 각주파수 (2πf, f는 주파수)

μ: 재료의 투자율 (H/m)

(3)영향 요인

주파수 : 주파수가 높을수록 δ는 작아져, 전류가 재료의 얕은 표면에 집중됩니다.

재료의 전기적 특성 : 비저항이 높거나 투자율이 낮은 재료일수록 전류는 더 깊게 침투합니다.

 

(3)와전류탐상검사에서의 역할

결함 검출 깊이 조절: 표피깊이를 조절하여 검사하고자 하는 깊이에 와전류가 형성되도록 주파수를 선택합니다.

낮은 주파수: 깊은 내부 탐상.

높은 주파수: 얕은 표면 결함 탐상.

고주파 응용: 표면 근처의 미세한 결함 탐지에 적합.

 

3) 위상지연(Phase Delay)

(1)정의

위상지연은 와전류가 재료 내부로 침투하면서 발생하는 전류의 위상 변화를 말합니다. 즉, 전류의 위상이 재료의 깊이에 따라 지연됩니다.

 

(2)특징

재료 깊이로 갈수록 와전류의 위상이 뒤처지며, 이는 와전류의 침투 깊이와 주파수에 따라 달라집니다.

위상 변화는 표피효과에 의해 발생하며, 전류가 얕은 깊이에서는 위상 변화가 작고 깊은 곳에서는 위상 변화가 큽니다.

 

(3)위상 변화의 관계

위상지연은 침투 깊이 δ와 와전류의 전달 속도에 의해 결정됩니다.

δ로 정의된 깊이에서 전류 위상은 약 90도 변화합니다.

 

4)와전류탐상검사에서의 역할

(1)결함 위치 확인 : 위상 변화 분석을 통해 결함의 깊이와 위치를 추정합니다.

(2)재료 특성 분석 : 재료의 전기적 특성 변화에 따른 위상 변화를 감지하여 열처리 상태, 도금 두께 등을 평가합니다.

(3)위상 비교 : 결함이 있는 영역과 없는 영역의 위상 차이를 비교하여 결함 유무를 판단합니다.

 

5)와전류탐상검사에서 표피효과와 위상지연의 관계

표피효과는 전류가 재료 표면에 집중되도록 하여, 와전류 밀도의 분포를 결정합니다.

위상지연은 표피효과로 인해 발생하며, 와전류의 침투 깊이와 결함 위치를 분석하는 데 중요한 정보를 제공합니다.

두 현상 모두 검사 주파수와 재료 특성에 따라 제어 가능하며, 이를 통해 검사 깊이, 결함 민감도를 조정할 수 있습니다.

 

6)요약

표피효과: 와전류가 재료 표면에 집중되고, 깊이로 갈수록 감소하는 현상. 검사 깊이를 주파수로 제어.

위상지연: 와전류가 재료 내부로 침투하며 발생하는 위상의 변화. 결함의 깊이와 위치 평가에 유용.

두 효과는 와전류탐상검사의 성능과 해석에 중요한 물리적 기반을 제공합니다.