Paul Hayes는 Sinewave Solutions의 소유주로서 원자력, 발전, 항공우주 및 기타 안전 필수 산업 분야에서 비파괴 검사를 지원한 25년 이상의 경력을 보유하고 있습니다. 광범위한 현장 경험과 첨단 초음파 기술에 대한 실무 경험을 바탕으로, Paul은 위상 배열 기술과 OmniScan™ X4 128:128PR*와 같은 고채널 결함 검출기와 같은 장비가 복잡한 검사 수행 방식을 어떻게 혁신했는지에 대한 자신의 견해를 공유합니다.

_{*특허 출원 중}

질문:  폴 님, 귀하의 경력 동안 초음파 검사 기술이 어떻게 발전해 왔으며, 이러한 변화가 귀하가 종사하는 산업에 어떤 영향을 미쳤는지 공유해 주실 수 있나요?

A: 저는 1990년대 중반부터 원자력 발전소와 기타 중요 산업 분야에서 근무해 왔습니다. 저의 첫 원자력 관련 업무는 1996년에 Nine Mile Point에서 기존의 A-스캔 장비로 모든 작업을 수행했던 때였습니다. 지금 돌이켜보면, 그렇게 제한된 도구로 얼마나 많은 일을 해낼 수 있었는지, 그리고 얼마나 많은 것들을 단순히 볼 수 없었는지 놀랍습니다.

A-스캔에서 위상 배열로, 그리고 이제는 OmniScan™ X4 128:128PR과 같은 최신 128:128 플랫폼으로의 진화는 원자력, 발전, 항공우주, 그리고 적층 제조 분야에서 가장 까다로운 검사에 접근하는 방식을 완전히 바꿔놓았습니다.

오늘날, 그런 영상화 능력이 없다면 저는 그와 같은 응용 분야의 검사를 감히 시도할 생각조차 하지 않을 것입니다.

A-스캔(Art Form)에서 영상화로: Phased Array(위상 배열)로 IGSCC 탐지

제 경력에서 처음으로 직면했던 큰 도전 중 하나는 입간 응력 부식 균열(IGSCC)였습니다. 이러한 결함은 특히 구형 A-스캔 장비에서는 탐지하기가 매우 어렵습니다.

A-스캔에서 IGSCC 신호는 기하학적 신호와 거의 구분이 안 될 정도로 날카롭고 좁게 나타납니다. 균열은 일반적으로 304/316 스테인리스의 용접 뿌리 바로 위나 근처에 위치하며, 이미 뿌리 자체에서 강한 신호가 발생합니다. 그래서 큰 루트 응답이 있었고, 균열이 있을 수 있다는 유일한 단서는 그 신호의 미세한 변화뿐이었습니다. 에코가 약간 이동했거나, 신호의 형태가 조금 달라졌을 수도 있습니다.

많은 것을 놓쳤습니다. 모두가 했습니다.

위상 배열 방식으로 처음 전환했을 때, 탐지 성능이 크게 향상되는 것을 경험했습니다. 단일 A-스캔 트레이스를 응시하며 작은 신호를 해석하려고 애쓰는 대신, 실제로 이미지에서 용접 볼륨을 볼 수 있었습니다. A-스캔에서는 완전히 간과할 수 있는 루트의 미세한 변화가 갑자기 시각적으로 “있어야 할 곳이 아닌 곳”에 나타났습니다.

또 다른 중요한 요소는 동적 범위였습니다. 초기 위상 배열 시스템은 여전히 한계가 있었는데, 일반적으로 100% 또는 200% 진폭 범위에서 루트 신호가 너무 강할 때 신호가 포화되었습니다. 신호를 충분히 낮출 수 없어서 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 볼 수 없었습니다. 오늘날의 16비트 시스템과 최대 800%까지 확장된 진폭 범위, 그리고 최신 OmniScan 플랫폼에서 볼 수 있는 기능 덕분에 이제 이러한 강한 신호도 제어할 수 있습니다:

• 화면에서 강한 기하학 신호를 낮추세요

• 포화 상태를 피하세요

• 뿌리 주변의 시야를 넓혀 실제 결함을 확인하세요.

IGSCC의 경우, 높은 동적 범위와 실제 영상의 조합으로 인해 원자력 분야에서 가장 까다로운 검사 중 하나가 반복 가능하고, 신뢰성 있게 평가할 수 있으며, "예술"과 직감에 훨씬 덜 의존하는 검사로 바뀌었습니다.

이종 금속 용접 및 용접 오버레이: 128:128이 진가를 발휘하는 분야

제게 지금까지 경력 중 가장 어려웠던 검사가 무엇이었냐고 묻는다면, 이종 금속 용접(DMW)과 용접 오버레이가 항상 1순위입니다.

원자력 분야의 일반적인 이종 금속 용접에서는 다음과 같은 재질이 있을 수 있습니다:

• 스테인리스 파이프

• Inconel 182 버터링

• Inconel 용접 금속

• 추가 버터링

• 탄소강

각 경계면은 음향 빔을 굴절시키거나, 산란시키거나, 균열로 오인될 수 있는 반사를 생성할 수 있습니다. 초창기에는 이러한 용접 부위 중 일부에 자동 A-스캔 시스템을 사용했습니다. 데이터가 화소화되어 조잡하게 보였고 노이즈도 많았습니다. 우리는 '무언가'가 있다는 것은 알았지만, 그것이 명확하지 않으면 우리가 보고 있는 것에 확신을 갖기는 거의 불가능했습니다.

정전 중에 데이터가 애매하게 보여서, 뭔가 있는 건지 없는 건지 확신하지 못한 채 현장을 떠났던 일이 기억납니다. 다음 정전 때, 그 용접부는 바닥으로 새고 있었습니다. 우리가 아무것도 아닐 수도 있다고 생각했던 것이 사실은 균열이었다는 것을 깨달았습니다.

그런 경험은 겸손해지게 만듭니다.

바로 이 부분에서 최신 위상 배열 기술이 큰 차이를 만들어냅니다.

• 더 크고 저주파의 프로브를초점화하여 여러 계면과 잡음이 많은 인코넬을 관통할 수 있습니다.

• 깊숙한 곳에서 음파를 더욱 효율적으로 집중시켜, 오버레이와 여러 겹의 용접 및 버터링 아래에 묻혀 있는 경우에도 균열 끝부분의 감도를 향상시킬 수 있습니다.

• 여러 그룹을 동시에 운용할 수 있으며, 서로 다른 초점 깊이, 각도, 심지어 서로 다른 스큐 각도에서도 재스캔 없이 검사가 가능합니다.

용접 오버레이에서는 상황이 더욱 흥미로워집니다. 많은 플랜트에서 누수되는 이종금속 용접(DMW)에 대한 해결책은 단순히 용접 오버레이를 적용하는 것이었습니다. 두꺼운 Inconel 용접층을 기존 용접 부위와 파이프 위에 덧씌운다. 구조적으로는 문제가 없지만, 초음파적인 관점에서 보면 오히려 문제를 더 어렵게 만든 셈입니다. 이제 균열 팁이 1.5인치 이상 깊이에 위치할 수 있으며, 감쇠가 심한 재질과 복잡한 계면을 통과해야 합니다.

이러한 상황에서 OmniScan X4 128:128PR와 같은 시스템의 다수 채널과 넓은 개구부가 정말 중요한 역할을 합니다.

• 넓은 개구부를 저주파에서 구동하여 충분한 에너지를 전달함으로써 오버레이를 관통하고 균열 끝까지 확인할 수 있습니다.

• 경사 및 집속 그룹을 설정하여 축에서 벗어나 있거나 이상한 방향으로 놓여 있는 균열을 잡아낼 수 있습니다.

• 자동 오버레이 검사를 수행할 수 있습니다. 점점 더 많은 발전소에서 수동 방식 대신 위상 배열을 사용하고 있습니다.

많은 원자력 발전소에서는 이제 오버레이에 대한 수동 검사를 아예 고려조차 하지 않습니다. 자동화되어 있고 위상 배열 방식을 사용합니다. 영상 품질과 커버리지가 훨씬 뛰어나기 때문입니다.

경사각: 실시간으로 형상과 균열을 분리

128:128PR과 같이 더 많은 펄서가 있는 장비에서 진정한 강점을 발휘하는 다소 과소평가된 기능 중 하나가 바로 경사각입니다.

용접 검사에서는 균열처럼 보일 수 있는 다양한 형상에 대응해야 합니다. 차이를 구분하고 실제 결함인지 아닌지를 판별하기 위해, 우리는 거의 순서도와 같은 일련의 규칙을 가지고 있습니다. 먼저, 용접부의 양쪽에서 보이는지, 의심되는 위치에 표시되는지, 벽을 관통하는 깊이와 '워킹(walk)' 현상을 보이는지, 다양한 각도에서 확인되는지, 그리고 스큐(skew) 각도를 유지하는지 등을 점검합니다. 매트릭스 어레이에서 ± 고정된 각도의 스큐 각을 설정하는 것은 중요한 검증 도구가 됩니다. 수동 방향에 더 많은 소자를 배치하면 더 넓은 조향 범위를 확보할 수 있습니다. 소자가 많아질수록 더 많은 채널이 필요합니다. 수동축에서의 이러한 빔 스큐 기능은 다음과 같은 상황에서 도움이 될 수 있습니다:

• 잡음이 많은 루트부

• 카운터보어(내경의 내부 가공 단계)

• 불일치 파이프 접합부 사이

• 백킹 링 / 백킹 플레이트

탐침을 정면으로 바라보는 관점에서 보면, 이러한 요소들은 특히 내경에서 균열을 찾고자 하는 바로 그 위치에 강력하고 명확한 반사 신호를 만들어낼 수 있습니다. 기존 검사 방식으로는 노이즈가 많은 루트나 카운터보어가 균열처럼 보여서, 오랜 기간 동안 많은 배관이 절단되었습니다.

스큐 각도가 혁신을 가져옵니다.

스큐를 적용하면, 빔을 주 방향으로만 조향하는 것이 아니라 측면으로도 조향할 수 있습니다. 펄서 수가 많은 위상 배열 장치에서는 다음과 같은 기능을 활용할 수 있습니다:

• 패시브 방향(측면 방향)으로 더 넓은(측면에 더 많은 소자를 가진) 프로브를 제작할 수 있습니다.

• 정면(앞쪽) 커버리지 와 스큐(경사) 커버리지를 동시에 유지할 수 있습니다

• 0(앞쪽을 바라보는) 및 양의 스큐, 음의 스큐를 단일 스캔에서 별도의 그룹으로 운용할 수 있습니다.

이것이 중요한 이유는 다음과 같습니다:

• 형상(카운터보어, 미스매치 및 백킹 링)은 방향에 매우 민감합니다. 스캔 시 스큐 각도를 사용하면, 빔이 이러한 표면을 스치듯 지나가 강한 신호를 반환하지 않는 경향이 있습니다.

• 균열은 반면에 다방향으로 면이 형성되어 있습니다. 스캔 각도를 비스듬히 하면, 그 각도 중 하나가 균열의 면을 잡아내어 강한 특징적인 반응을 나타냅니다. 진짜 균열은 스큐 각도에서도 확실히 신호를 유지합니다.

따라서 전방에서 의심스러운 신호가 보이지만, 스큐 각도에서는 아무런 신호가 없다면 이는 기하학적 형상 때문일 가능성이 높습니다.

전방 방향에서 반응이 감지되고, 하나 이상의 스큐 각도에서 강하고 일관된 반응이 나타난다면, 이제 균열과 유사한 특성을 가진 결함을 보고 있는 것입니다.

128:128이 제공하는 것은 채널 수로, 제한 없이 스큐 그룹을 운용할 수 있습니다. 설정을 변경하거나, 구성을 다시 불러오거나, 용접부를 다시 스캔할 필요가 없습니다. 다음 항목들을 실시간으로 비교할 수 있습니다:

• 다른 각도

• 다양한 초점 심도

• 다른 주파수

• 다른 사선 방향

모두 한 번의 패스로 가능합니다.

열피로 및 축외 균열: 신뢰할 수 있는 검사 범위

또 하나의 까다로운 문제는 열 피로입니다. 이러한 균열은 열 순환과 기계적 하중이 복합적으로 작용하기 때문에 불규칙한 방향으로 발생할 수 있습니다. 이러한 균열은 대개 내경에서 표면에 연결되어 있지만, 항상 배관과 평행하거나 수직으로 놓여 있지는 않습니다. 이들은 축에서 벗어난 이상한 방향으로 진행될 수 있습니다.

일반적인 X-Y 스캐너와 단일 빔 방향을 사용하는 기존 스캐닝 방식에서는 열피로 균열 바로 위를 지나쳐도 균열을 발견하지 못할 수 있습니다. 만약 정확하게 맞추면 응답이 나옵니다. 그렇지 않으면 놓치게 됩니다.

스큐 각도와 복수의 초점 심도를 OmniScan X4 128:128PR과 같은 시스템에 도입하면 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다:

• 축에서 벗어난 방향을 훨씬 더 효과적으로 커버할 수 있습니다.

• 스큐 각도를 적용해 검사체의 전체 부피를 탐색하며 주 빔과 일치하지 않는 균열을 검출할 수 있습니다.

• 주어진 벽 두께에 대해 초점 심도를 미세 조정하여 초점이 과도하게 맞춰지거나 부족하게 맞춰지지 않도록 합니다.

단순히 데이터가 더 많은 것이 아니라, 더 신뢰성 있는 데이터입니다. 사선 그룹과 여러 초점 심도를 활용해 검사를 하다 보면, 결함이 있다면 어느 각도에서든 탐지될 것이라는 신뢰가 생기기 시작합니다.

항공우주, 적층 제조 및 잡음이 많은 재료

원자력 분야를 제외하고, 이제 복잡한 코어, 벌집 구조, 적층 제조 분야에서 사용되는 항공우주 복합재료를 다뤄본 경험이 있습니다. 공통된 특징은? 잡음이 많고, 감쇠 특성이 있으며 이례적인 소재.

이러한 재료 중 일부는 폼 또는 벌집형 코어를 가지고 있습니다. 언뜻 보면 초음파가 해당 소재를 통과할 수 없다고 생각할 수 있다. 적절한 프로브 설계와 충분한 에너지가 있으면 유용한 데이터를 얻을 수 있습니다.

이것이 바로 128개의 채널을 활용할 수 있다는 점이 또 다른 큰 장점으로 작용하는 부분입니다.

• 더 넓은 프로브를 설계할 수 있으며 여전히 완벽하게 구동할 수 있습니다.

• 더 낮은 주파수를 선택할 수 있으며 침투를 위해 사용하더라도 해상도를 완전히 희생하지 않습니다.

• 한 번의 스캔으로 더 넓은 표면적을 커버할 수 있으며, 이는 날개 구조물과 같이 부품이 길고 스캔 거리가 매우 긴 항공우주 분야에서 매우 중요합니다.

저는 윙 스파나 곡선 부위 같은 곳을 기존 방식과 작은 스텝 크기로 스캔할 때 여러 교대 근무에 걸쳐 작업해야 했던 상황을 본 적이 있습니다. 강력한 위상 배열 장치로 구동되는 광폭 배열로 전환하면 스캔 시간을 크게 줄일 수 있습니다.

• 4교대에 걸친 스캔

• “점심 전에 끝내는”순수 스캔 시간

이는 단순한 기술적 개선이 아니라 생산 처리량의 혁명입니다.

이러한 재료 중 일부는 여전히 난이도가 높아 훨씬 더 많은 에너지가 요구됩니다. 그래서 저는 OmniScan과 호환되는 T-800을 설계했습니다. 하지만 그건 다음에 다시 이야기할 주제예요!

정지 시간, 속도 및 실질적인 비즈니스 영향

원자력 분야에서는 가동 중단 시간이 곧 돈, 그것도 엄청난 돈입니다. 초기 경력 시절에는, 평균적인 셧다운이 일반적인 UT 검사로 인해 현장에서 한 달 정도 머무르게 했습니다. 위상 배열이 표준이 되면서 동일한 작업 범위에 소요되는 시간이 10일에서 2주로 줄었습니다.

그중 큰 부분을 차지하는 것이 속도입니다:

• 위상 배열 방식은 기존 A-스캔 방식보다 용접 부위를 훨씬 빠르게 스캔할 수 있습니다.

• 자동화된 위상 배열 시스템은 수동 재스캔 및 재해석의 필요성을 줄여줍니다.

예전에는 30~40분이 걸리던 단일 용접 부위의 스캔이 이제는 약 60초만에 완료되는 것을 직접 보았습니다. 처음에 기술자들은 이런 속도 때문에 일자리를 잃을까 봐 걱정했습니다. 실제로 작업량은 여전히 충분하지만, 이제 발전소들은 가동 중단을 더 빨리 끝내고 더 빠르게 재가동하며, 더 높은 품질의 데이터와 더 적은 예기치 못한 문제로 운영할 수 있게 되었습니다.

더 많은 펄서가 중요한 이유

결국, 제 경력 내내 변하지 않은 원칙이 하나 있습니다.

적합한 프로브가 해당 검사에 적합하지만, 그 프로브를 작동시키려면 적합한 계측기가 필요합니다.

OmniScan X4 128:128PR과 같은 기기는 다음과 같은 것을 제공합니다.

• 가장 까다로운 재료에 실제로 필요한 프로브를 구동할 수 있는 전력과 채널: 스테인리스강, Inconel, 오버레이, 주조, 적층.

• 여러 초점 심도, 각도, 주파수 및 스큐 그룹을 동시에 실행하여 실시간 비교를 할 수 있는 유연성.

• 여러 교대에 걸친 스캔을 수분 내에 완료하고, 안전을 희생하지 않으면서 플랜트의 가동 중단 시간을 단축할 수 있는 범위와 속도입니다.

• 채널 가용성의 증가는 프로브 성능을 배가시킵니다.

제 경력에서 가장 어려웠던 검사들(오래된 스테인리스 배관의 IGSCC, 이후 누수가 발생한 이종 금속 용접부, 내부에 균열이 숨겨진 오버레이, 항공우주 분야의 소음이 심한 코어, 감쇠성 적층 부품)을 다시 점검할 수 있다면, 저는 매번 최신 위상 배열 도구와  OmniScan X4 128:128PR 을 꼭 가져가고 싶을 것입니다.

최신 위상 배열은 검사를 더 쉽게 만들었을 뿐만 아니라,
더욱 신뢰할 수 있고, 더 빠르며, 그리고 많은 경우에 이전에는 불가능했던 검사도 가능하게 만들었습니다.

— Sinewave Solutions의 소유주 Paul Hayes