소개: 산업 분야에서의 스트레스 부식 균열

응력 부식 균열(SCC)은 석유, 가스, 화학 및 원자력 산업에서 특정 물리적·화학적 조건에서 발생할 수 있는 잘 알려진 손상 메커니즘입니다. 위상 배열 초음파 기술을 이용한 응력 부식 균열(SCC) 탐지는 점점 더 효과적으로 이루어지고 있지만, 특히 석유 및 가스, 원자력 분야에 사용되는 스테인리스강과 같이 음향 감쇠성이 높고 이방성인 재료에서는 이러한 균열의 정확한 크기 산정이 여전히 어려운 과제입니다.

SCC가 발생하려면 세 가지 조건이 동시에 충족되어야 합니다.

a. 취약 물질

b. 인장 스트레스 환경 (예: 용접 잔류 스트레스)

c. 부식성 환경(예: 염화물 노출)

온도가 상승하면 손상 발생 과정이 가속화될 수 있습니다.

석유 및 가스 산업에서, 농축 염 용액에서 발생하는 응력 부식 균열(SCC)은 이중 스테인리스강으로 제작된 해양 구조물에서 여러 사고와 연관된 것으로, 문헌 (1), (2), (3)에 기록되어 있습니다. 여러 연구(4, 7)는 해양 분야에서 사용되는 클래드 압력 용기에서 발생하는 SCC를 조사하고, 균열 감지 및 평가를 위한 다양한 기법을 평가했습니다. 그림 1은 압력용기 오스테나이트 클래딩층에서 발생한 결정립내(Transgranular) SCC와 결정립계(Intergranular) SCC의 매크로 사진을 보여줍니다.

원자력 발전소에서는 응력 부식 균열(SCC)이 비등수형 원자로(BWR)와 가압수형 원자로(PWR) 모두에서 민감한 부품에 영향을 미치는 중요한 노화 열화 메커니즘입니다. 오스테나이트계 스테인리스강으로 제작된 부품은 입계 응력 부식 균열(SCC)에 취약한 것으로 보고되었습니다 (4, 5). 원자력 환경에서 특정한 요인으로는 높은 중성자 조사량에 노출되는 것이 있는데, 이는 스테인리스강을 응력 부식 균열(SCC)에 취약하게 만들 수 있으며, 이러한 현상은 방사선 조사 보조 응력 부식 균열(IASCC)로 알려져 있습니다. 다른 경우에는 가압수형 원자로(PWR)의 안전 주입 시스템의 용접 접합부 근처에서 SCC 손상이 보고되었습니다. SCC에 대한 추가 정보는 참고문헌(10)에서도 확인할 수 있습니다.

일반적인 SCC의 구조와 초음파 빔과의 각종 상호 작용

스트레스 부식 균열은 인장 응력과 부식 환경이 결합하여 발생하는 복잡한 고장 메커니즘입니다. SCC의 구조와 형상을 이해하는 것은 효과적인 탐지 및 특성화를 위해 필수적입니다.

스트레스 부식 균열의 구조

SCC는 취약한 재료가 인장 응력과 부식 환경에 동시에 노출되는 계면에서 보통 시작됩니다. 표면에서 균열은 가늘고 날카로운 가지 형태로 재료 내부로 진행되며, 일반적으로 인장 응력 방향에 수직으로 발달합니다. 시간이 지남에 따라 미세한 균열들이 서로 연결된 네트워크를 형성할 수 있습니다. 균열이 전파됨에 따라 균열의 끝은 재료의 결정 구조와 상호작용하며, 결정 구조가 균열의 성장을 안내하는 경우가 많습니다.

도표 2는 SCC의 영향을 받은 스테인리스강 부품의 예시를 보여줍니다. 다양한 재료에서 발생하는 SCC 현상에 대한 포괄적인 이론적 개요는 참고문헌(8)에서 찾을 수 있습니다.

스트레스 부식 균열 탐지

진전된 단계의 SCC는 때때로 표면에 드러날 수 있지만, 미세한 분지와 재료 내부로 뻗어 있는 좁은 균열 끝이라는 특유의 형태 때문에 육안 검사는 신뢰할 수 없으며 비파괴 평가에 충분하지 않습니다.

비파괴 검사(NDT) 방법인 액체 침투 검사나 와전류 배열(ECA, Eddy Current Array) 검사는 균열 개구부를 검출하여 표면 균열을 평가하는 데 널리 활용됩니다 (Figure 3). 그러나 더 깊은 균열의 끝부분, 가지, 그리고 네트워크는 일반적으로 초음파 검사 기술을 사용하여 평가됩니다.

적절한 주파수의 초음파 빔은 재료 내부를 통과하며 균열의 군집 또는 기저, 가지 및 끝과 같은 개별 균열 특징을 탐지할 수 있습니다. 이 기능을 통해 표면 연결성, 방향 및 깊이를 포함한 균열 특성 분석이 가능합니다.

위상 배열 초음파 데이터의 예는 그림 4(4)에 나와 있습니다. 상단 에코는 재료 내부로 뻗어 있는 균열 팁 또는 상단 가지를 나타내며, 하단 에코는 균열 바닥과 부품의 뒷벽이 이루는 모서리에 갇힌 음파에 의해 생성된 것으로 보입니다. 이 두 에코 사이의 비행 시간을 측정하면 균열 높이를 추정할 수 있습니다.

수직 노치와의 음향 상호작용

초음파 반응을 평가할 때 자주 사용되는 단순화된 모델로는 수직 노치를 들 수 있습니다. 수직 노치는 수직 또는 거의 수직에 가까운 결함을 대상으로 하는 검사 방법의 감도 교정 기준으로 흔히 사용됩니다.

일반적으로 뒷벽에 연결된 수직 결함에서는 모서리 "트랩" 또는 결함 바닥에서 강한 반향이, 결함 팁에서는 약한(회절된) 신호가 관측됩니다. 그림 5는 시뮬레이션된 빔이 단순한 수직 노치와 상호작용하는 예시를 보여줍니다. 두 개의 주요 에코가 뚜렷하게 관찰됩니다: 결함 상단에서 발생한 낮은 진폭의 회절 에코와 홈 바닥과 뒷벽이 만나는 모서리에서 반사된 더 강한 에코.

기술 및 잠재력: TOFD, PA, TFM, PCI

여러 고급 초음파 영상 기법을 사용하여 수직 결함을 검사할 수 있습니다.

1. 비행시간 회절법(TOFD). TOFD는 균열 끝, 결함 가장자리, 기공과 같은 작은 불연속성에 매우 민감하며 용접 검사에 널리 사용됩니다. 그러나 TOFD는 2개의 프로브만 사용하는 구성으로 인해 2차원 매핑을 수행하는 데 한계가 있어, 광범위한 SCC 네트워크가 영향을 미친 금속 구조물에는 덜 적합합니다.
2. 표준 위상 배열 초음파 탐상검사(PAUT). 위상 배열 검사는 일반적으로 의심되는 결함을 향해 부채꼴 스캔을 통해 여러 각도로 전송되는 전단파 또는 종파를 사용합니다.
3. 전체집속기법(TFM). TFM은 정의된 관심 영역 내의 각 지점에 집중된 빔을 생성합니다. 작업자는 검사 영역에 대해 서로 다른 음향 경로나 빔 세트를 선택할 수 있습니다. 직접 펄스-에코 구성은 위상 배열 섹터 스캔과 유사한 이미지를 생성하지만, 커버리지와 초점이 향상됩니다.
4. TFM 셀프 탠덤 모드. 이 구성에서 초음파 빔은 뒷벽에서 반사된 다음 결함 측면에서 반사되어 프로브로 되돌아옵니다. 이 방법은 노치의 수직 형상을 더욱 정확하게 재현할 수 있습니다.
5. 위상 일관성 영상(PCI). 위상 일관성 이미징(PCI)은 반사 신호의 위상 일관성을 이용하는 비교적 최근의 이미징 기법입니다. 이 기술은 회절 신호를 증폭하는 데 특히 효과적이며, 동시에 큰 정반사체에 대한 민감도를 줄입니다.

그림 6은 이 네 가지 이미징 기법을 사용하여 수직 노치의 반응을 보여줍니다.

• 도면 6 a) 강판 내 실제 노치의 위상 배열 섹터 스캔 데이터. 노치 끝에서 발생하는 약한 회절 신호와 훨씬 강한 코너 트랩 에코가 관찰됩니다.
• 그림 6 b) 동일한 수직 노치에서 얻은 TFM 펄스 에코 데이터. 관심 영역 내 모든 지점에 초점을 맞추면 끝부분과 밑부분 모두 매우 뛰어난 해상도로 쉽게 구별할 수 있습니다.
• 도면 6 c) TFM 데이터와 동일한 관심 영역의 PCI 데이터. PCI는 끝부분에서의 회절 에코를 향상시키고 밑부분에서의 에코를 최소화합니다. 뒷벽에서 몇 밀리미터만 뻗어 나온 균열에 대해 더 우수한 뒷벽 근처 해상도를 제공할 수 있으며, 끝부분이나 작은 가지의 감지 성능도 향상됩니다.
• 그림 6 d) 자체 탠덤 모드(TT T)에서의 TFM 데이터. 이는 노치의 실제 모습을 재현합니다.

이러한 모든 방법은 끝단 에코와 기저부 모서리 에코 사이의 비행시간을 측정하여 균열 높이를 산정할 수 있게 해줍니다.

복잡한 균열 형태 – SCC 끝단 및 분기부에 대한 초음파 상호작용

실제로 SCC는 단순한 노치보다 훨씬 더 복잡합니다. 이는 종종 여러 기저부와 가지를 가진 상호 연결된 균열의 군집 또는 네트워크로 구성됩니다. 이 네트워크 내의 작은 모서리들이 들어오는 초음파 빔 방향으로 정렬되어 있으면 초음파를 반사할 수 있습니다. 또한, 가장 먼 가지와 그 끝부분은 깊이가 더해질수록 더욱 촘촘해지고 재료의 결정립 수준까지 뻗어 나갈 수 있습니다. 이러한 끝부분은 초음파로 감지하기가 매우 어려울 가능성이 높습니다.

또 다른 중요한 매개변수는 균열의 발생 위치와 방향입니다. 스트레스의 원인과 방향에 따라, SCC는 외부 표면(OD 연결 균열) 또는 내부 표면(ID 연결 균열)에서 발생할 수 있습니다. 초음파 빔에 대한 노출 측면에서, 내부 표면(ID)에 연결된 균열은 팁이 직접파에 노출되는 반면, 외부 표면(OD)에 연결된 균열은 가지가 노출되어 팁에 간접적이고 제한적인 접근만 가능합니다.

음파가 균열과 상호작용하는 복잡성을 더 잘 이해하려면, 단순화된 균열 모델과 음파 빔 시뮬레이션을 사용할 수 있습니다. 그림 7은 단순화된 균열 모델과 음파가 균열의 끝과 모서리에 입사될 때의 결과를 보여줍니다. 음향 빔이 균열의 모서리와 가지에서 모든 방향으로 산란됩니다. 모드 변환이 발생할 가능성이 높아 데이터 해석이 더 어려워질 수 있습니다(이 경우 변환은 표시되지 않습니다).

입사 파장보다 훨씬 작은 결함의 주요 특징은 회절입니다. 회절파는 균열 끝이나 작은 모서리에서 발생하여 모든 방향으로 전파됩니다. 회절파 신호는 일반적으로 모서리와 가지에서 발생하는 에코보다 더 미약합니다. 끝과 가지를 기저와 구분하려면 더 높은 해상도, 즉 더 높은 주파수의 빔이 필요할 수 있습니다. 그림 8은 긴 가지, 끝부분, 그리고 여러 개의 작은 모서리가 있는 모의 균열의 확대된 섹터 방식 위상 배열 스캔을 보여줍니다. 이 경우, 파장이 더 짧고(10MHz, 횡파(transverse waves)), 끝과 가지 사이의 거리가 더 멀기 때문에 약한 끝 회절파를 가지와 모서리에서 발생하는 반향파와 분리할 수 있습니다. 주목할 만한 점은 입사 빔을 향하지 않은 끝부분도 회절된 에코를 생성할 수 있는 반면, 빔 경로 밖에 있는 일부 가지는 반사 신호를 전혀 생성하지 않을 수 있다는 것입니다.

빔 최적화. SCC 검출 확률을 높이기 위한 최적의 설정 방법

위상 배열 방식은 SCC 검사 프로젝트를 계획할 때 고려해야 할 다양한 매개변수를 제공합니다. 표 1은 SCC 검사에 대한 각 매개변수의 장점과 단점이 포함된 포괄적이지만 완전하지는 않은 목록을 제공합니다.

위상 배열을 사용할 때는 적절한 프로브를 선택할 때 검사 적용을 반드시 고려해야 하며, 여기에는 재질 유형, 결함 유형과 형상, 그리고 검출 및 크기 평가 요구사항이 포함됩니다. 재료의 특성상 결정되는 가장 적합한 해결책이 탐지 요구사항과 상충되는 경우가 매우 흔합니다.

예를 들어, 두껍거나 조대한 입자 재료에는 일반적으로 더 큰 개구, 더 큰 프로브 요소, 더 낮은 주파수 및 필요에 따라 종파 선형 프로브 또는 TRL이 요구됩니다. 반대로, 작은 균열이나 균열의 끝, 분지 등을 검출하려면 높은 해상도와 발산 빔이 필요하므로, 더 높은 주파수, 더 작은 프로브 요소 및 종파가 요구됩니다. 이러한 경우에는 타협이 중요합니다.

표 1에는 SCC 검출을 위한 위상 배열 프로브 매개변수 및 방법과 그 장점 및 단점이 정리되어 있습니다.

표 1. SCC 검사 계획 시 고려해야 할 매개변수 목록 (+) 장점; (-) 단점

다음 그림들은 균열 영역의 감지 및 크기 측정에 사용되는 세 가지 영상 기법의 사용 예시를 제공합니다.

그림 9는 TRL 기법을 제시합니다. 듀얼 프로브(dual probe)는 한 소자를 사용하여 신호를 송신하고 다른 소자를 사용하여 신호를 수신하며, 검사 대상 부위에 종파를 생성합니다. 듀얼 프로브의 특징은 송신 빔과 수신 빔이 교차하여 교차 지점에 유사 초점 영역을 형성한다는 점입니다. 이 집속 효과는 빔 교차 영역에서 균열 팁에 대한 감도를 향상시킵니다. 종파를 사용할 때의 단점은 속도가 더 느린 전단파(SW)가 추가로 생성되어, 전단파에서 비롯된 것인지 식별하기 어려운 추가적인 에코가 발생한다는 점입니다.

그림 10은 검사 대상 시료 단면 사진 위에 균열의 위상 일관성 이미지를 겹쳐 표시한 예시를 보여줍니다. 이 화면은 위상 코히런스 이미징(phase coherence imaging)이 작동하는 원리와 초음파가 균열과 상호 작용하는 방식을 간략하게 설명합니다. 이 예에서 빨간색과 노란색 표시는 위상 배열 프로브와 같은 쪽에 위치한 균열의 끝과 가지에 해당하는 위상 일치 영상(PCI) 회절 신호입니다. 이 문장은 음파가 이동 경로상 처음 만나는 균열의 분기점에 의해 차단되어, 더 멀리 있는 분기점에는 도달할 수 없음을 보여줍니다.

도표 11 및 도표 12는 세 가지 기법을 사용하여 획득한 데이터를 제시합니다. PA, TFM, PCI 기법을 듀얼 10 MHz 프로브와 함께 사용. 해당 데이터는 두께 50mm의 스테인리스강 구조 부품에서 수집되었습니다. 균열은 표면(OD)에서 시작되어 벌어지며 깊이 방향으로 진행됩니다. 가장 깊은 균열 끝부분을 탐지하고 그 깊이를 보고하는 것입니다. 모든 경우에 균열은 PA 프로브에서 생성된 음파의 직접적인 경로에 위치할 때만 탐지할 수 있습니다. 균열이 다른 균열에 의해 숨겨지거나 그림자가 진 경우, 뒷벽에서 스킵(skip, 반사파가 뒷벽을 한 번 반사한 후 도달하는 신호)된 신호만이 탐지 가능성을 제공합니다. 세 가지 기법을 비교해 보면 다음과 같은 점들을 알 수 있습니다.

• TFM과 PCI는 위상 배열보다 더 넓은 검사 영역을 커버합니다.
• 위상 배열에서는 감도가 선택된 초점면에 따라 달라지지만, TFM은 관심 영역 내 모든 지점에서 초점을 맞출 수 있습니다.
• 위상 코히런스 이미징(PCI)은 모든 지점에서 유사한 감도를 제공하며, 신호 대 잡음비(SNR)는 음파 감쇠, 균열 끝 위치 또는 방향의 영향을 받지 않습니다. 균열을 따라 모든 팁에서 유사한 감도가 얻어집니다.

도표 13에 제시된 마지막 사례는 시간차 회절법을 사용하여 클래딩 층 내 균열의 높이를 측정하는 방법을 보여줍니다. 진폭 기반 기법(PA 및 TFM)에서는 팁 에코가 약하게 나타나며, 균열 바닥(코너 트랩)에서는 강한 에코가 포착됩니다. 위상 기반 기법(PCI)에서는 팁 에코가 강화되는 반면, 균열 바닥의 코너 트랩 에코는 감도가 떨어집니다. 위의 방법 중 두 가지(위상 기반 기법 하나와 진폭 기반 기법 하나)를 사용하면 이러한 유형의 균열을 측정하고 분류할 수 있습니다(뒷벽에 연결된 균열 또는 고립된 내포물).

결론: 초음파 검사 기법 및 탐침 선택, 초음파 검사 한계점

복잡한 형태(무작위 방향으로 뻗어 있는 수많은 끝부분과 가지들)를 포함하고 있기 때문에, 응력 부식 균열 결함의 탐지, 분류 및 크기 측정은 현장 조건에서 어려울 수 있습니다. 따라서 초음파 빔과의 상호작용 및 그 해석은 박리, 용융 불량 및 다공성 등과 같은 일반적인 결함 감지보다 더 복잡해집니다.

실험적 초음파 데이터와 시뮬레이션을 통해 균열의 경우 초음파 빔이 균열의 끝부분, 가지, 가지 연결부 또는 모서리와 같은 특징적인 부분과 주로 상호작용하는 것으로 확인되었습니다. 초음파 빔이 이러한 균열의 특징들과 상호작용하는 방식은 매우 다양하며, 모서리와 큰 분기에서 발생하는 강한 진폭의 에코부터, 팁과 작은 분기에서 발생하는 약한 회절파에 이르기까지 다릅니다. 이를 감안할 때, 검사 대상 부품에서 초음파를 송수신하는 데 사용되는 위상 배열 프로브는 최소한 다음과 같은 특성을 갖추어야 합니다:

• 고각에서 상부 영역까지 커버할 수 있도록 발산파를 생성할 수 있음
• 회절 신호(작은 요소)에 민감함
• 팁에 대한 높은 감도를 위해 짧은 파장을 생성할 수 있음(고주파)
• 감쇠 물질을 투과할 수 있는 고에너지 집속 빔을 생성할 수 있음 (이중 프로브)

영상 기법과 관련하여, 저진폭 회절 에코를 증폭하는 동시에 고진폭 코너 트랩 에코를 감지할 수 있어야 합니다.

본 연구에서는 TRL(송수신 종파) 구성의 고요소 프로브를 통해 생성된 종파를 기반으로 하면서도 이에 국한되지 않는 솔루션을 확인하였으며, 이는 향상된 집속과 개선된 침투력, 작은 요소 크기 및 재료 구조가 허용하는 한 상대적으로 높은 주파수를 제공합니다. 또한 섹터형 위상 배열이나 TFM과 같은 진폭 기반 기술은 위상 기반 기술인 위상 일치 영상(PCI) 또는 시간차 확산(TOFD)(적용 가능한 경우)과 병행하여 사용해야 함을 확인했습니다. 이러한 기술들을 종합하면 모서리나 밑부분뿐만 아니라 끝부분이나 더 작은 가지까지 모두 감지하여 결함 특성 파악을 개선할 수 있습니다.

참고 문헌

[1] HSE Offshore Division 안전 공지 3/3003, 발행일: 2003년 12월;

[2] R. Mack, C. Williams, S. Lester 및 J. Cassava, ‘냉간 가공된 22Cr 듀플렉스 스테인리스강 생산 튜브의 고밀도 투명 염수(CaCl^₂) 패커 유체에서의 스트레스 부식 균열’, 논문 번호 02067, Corrosion 2002, 덴버, NACE International, 휴스턴, 텍사스, 2002;

[3] NPL REPORT, DEPC MPE 008, 『고농도 염수 환경에서 듀플렉스 스테인리스강의 스트레스 부식 균열 – 시험에 대한 비판적 고찰』

[4] HOIS 압력용기 비침투 검사(NII) 권장 지침 – HOIS RP-103, 2020년 2월

[5] 『IAEA 원자력 에너지 시리즈』: 경수로에서의 응력 부식 균열: 우수 사례 및 교훈

[6] 프랑스 원자력안전청(ASN)의 『2022년 프랑스 원자력 안전 및 방사선 방호 현황 보고서』

[7] HOIS Guidance on NII of clad vessels, HOIS-G-026 Issue 1, 2020년 9월, https://esrtechnology.com/hois/

[8] Raja, V. S., Shoji, Tetsuo. 응력 부식 균열: 이론과 실제, 옥스퍼드, 필라델피아 우드헤드 퍼블리싱 유한회사, 2011.

[9] HOIS Joint Industry Project에 샘플 제공 감사: https://www.esrtechnology.com/index.php/services/non-destructive-testing-good-practice/hois-ndt

[10] Pauline Huguenin. Amorçage des fissures de corrosion sous contrainte dans les aciers inoxydables austénitiques pré-déformés et exposés au milieu primaire des réacteurs à eau sous pression. Autre. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2012. Français. NNT: 2012ENMP0069‌. 파스텔- 00818372