측정기술/ 재료의 열화·손상의 비파괴평가
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재료의 열화·손상의 비파괴평가
米 山 弘 志
1. 서 론
근래, 각종산업 플랜트의 대형화, 고성능화 및 사용조건의 가혹화에 동반하여, 이들 구조물 에 대한 높은 신뢰성이 요구되고 있다.
게다가, 현재 있는 설비의 장기간 사용이 요구되는 데, 특히 발전용 보일러 플랜트나 화학 플랜트 등의 고온기기에 있어서 노후화 대책이, 안전 성 및 경제성면으로부터 큰 문제로서 관심을 모으고 있다. 예를들면, 화력발전 플랜트에서는 운전연수가 10년을 넘는 것이 전체의 70%를 넘고, 15년을 넘는 것이 50%에나 달하고 있다.

이처럼, 장기간 고온고압의 조건하에서 시달리는 구조재료는, 클립, 부식, 피로 등의 경년 열화·손상이 문제되어, 플랜트의 안전성 확보, 신뢰성 향상이라는 입장으로부터, 구조재료 의 수명·남은 수명 평가기술에 대한 요구가 급격히 높아져 있다. 특히, 비파괴수법에 의한 구조재료의 열화 손상량 계측기술의 확립 및 실용화가 강하게 요구되고 있다.
여기서는, 우선 주요 비파괴계측기술의 종류에 대해 이야기한 후, 노후화의 영향, 즉, 경년 적으로 생기는 열화손상에 대한 비파괴 계측기술 적용의 현상화에 대해 이야기하겠다.

2. 비파괴 계측기술의 종류
재료의 열화손상 평가에 이용가능한 비파괴 기술로서, 방사선법, 초음파법, 전자기법, 열· 광이용법이 있다. 물론 이밖에, 현재 사용되고 있는 목시법, 기기분석법이 있지만, 여기서는 레플리카법 이외는 생략하겠다.

2.1 방사선 에너지 이용법
방사선의 성질을 이용한 재질의 시험방법의 대표예를 표 1에서 나타냈다.

2.1.1 방사선 투과시험
X선 투과시험, γ선 투과시험, 중성자 투과시험이 이것에 속하고, 방사선의 흡수의 차의 이 용하여, 주로 결함검출에 이용된다.


2.1.2 X선회절법
특성 X선에 의해 결정격자 변형의 정도를 회절 프로파일의 이동각으로부터 구함으로써 재 료표면의 응력을 측정하는 방법으로서 많이 알려져 있다. 또, 회절 프로파일의 반가폭, 프리 에 해석하여 구한 particle size 혹은 마이크로 트레인의 변화 등이 재료의 열화계측에 이용 되고 있다.

2.1.3 양전자 소멸법
양전자빔에 의한 금속 안의 이온과의 상호작용을 이용하는 방법으로, 규칙-불규칙변태, 멀튼사이트 변태 등의 연구, 가소성 변형이나 수소 도의 계측으로의 이용이 이루어지고 있다.

2.2 초음파 에너지 이용법
초음파는 시험체의 표면만이 아니고 내부 계측이 가능한 것, 계측방법이 용이한 것, 광범 위한 계측이 가능한 것 등 이점이 많고, 수많은 계측법이 제안되어 있다. 대표적인 시험방 법을 표2에서 나타냈다.

2.2.1 음속측정법
초음파의 전반모드에는, 세로파, 가로파, 표면파, 판파 등이 있는데, 이것들의 음파는 재 질에 고유한 속도로 전반하기 때문에, 역으로 음속을 측정하여 재질특성을 알 수 있다.
재료 에 열화손상이 일어나면, 재료안을 전파하는 음속이 변화하기 때문에, 음속의 변화량으로부 터 손상량을 측정하는 방법이 이용되고 있다.
그러나, 음속변화량은 굉장히 작기 때문에, 고 정밀도로 측정할 수 있도록 싱어라운드법이나 펄스중첩법 등, 시간축을 고분해능으로 측정 할 수 있는 방법을 선택할 필요가 있다.

2.2.2 감쇠측정법
다결정 금속내에서의 초음파 감쇠는 흡수와 산란이지만, ㎒의 주파수 영역에서는, 히스테리 시스 손실을 동반한 산란손실이다.
이제까지 많은 연구에 의해, 평균입경 D와 초음파 감쇠 와의 관계에 대해 검토되고, 재질검사 등에 이용되고 있다.
초음파의 감쇠계수 α와 주파수 f의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
파장λ가 평균입경 에 비해 상당히 크다, λ>D, 렐리산란영역에서는
λ=D의 확률산란 영역에서는
λ<D의 확산산란 영역에서는
여기서, Cr, Cs, Cd는 정수이고, 탄성계수, 세로파, 가로파의 음속 등에 의존하고 있다.
재료의 열화는 전위밀도, 결정입자의 형상이나 2차상의 석출에 관한 금속 조직적 변화에 대응하고 있는데, 초음파의 감쇠율에 변화를 준다.
또, 재료내의 미소결함은 초음파 산란의 원인이 되고 감쇠율에 영향을 미친다.
이처럼, 감쇠율의 변화로부터 열화손상량을 측정하는 것이 감쇠측정법이다.

2.2.3 산란파법
재료의 결정입계로부터의 반사파는, 이제까지 노이즈(임상 에코)로서 처리하고 있었지만, 이 반사파를 손상계측에 활용한 것이 산란파법이다.
이 방법은, 아직 현장계측법으로서 확립 되어 있지 않지만, 유망한 방법이다.
측정에는, 산란파의 진폭과 그 경사를 이용하기 위해 SN비를 높힐 필요가 있고, averaging처리용 퍼스널 컴퓨터나, 최적의 주파수 분포를 갖은 탐촉자의 선정이 필요해진다.
적용례로서는, 압연 롤의 담금깊이 측정, 편석, 비금속 개재물, 미소 균열의 판정 등이 있지 만, 결정입도 측정에 유효하다.

2.2.4 임계각 반사법
비스듬이 입사한 초음파의 반사파 진폭치는, 재료중의 입사각이 렐리 임계각과 같을 때에 급격히 감소한다.
이것은, 입사 에너지의 대부분이 표면파에 변환되기 때문인데, 임계각은 재료의 음속 영향을 받는다. 냉간가공이나 잔류응력 혹은 결정입도의 측정에 이용되고 있다.



2.2.5 주파수 분석법
재료의 결정입계나 미소결함에서의 산란량은, 초음파의 주파수에 의해 다르다.
반사파를 주 파수 부석기로 해석하고, 그 분포상태, 절정주파수, 대역폭 등의 변화량으로부터 열화손상량 을 측정하는 방법이다.

2.2.6 노이즈 분석법
재료내에서의 초음파 후방산란파를 이용하는 산란파법의 일종이지만, 산란파 노이즈의 주파수 분석을 시행하고, 어느 주파수대역내에서의 노이즈량을 구하고, 그 변화량과 손상량 을 측정하는 방법이다.
음속측정, 감쇠측정 및 주파수 측정의 각방법은 시험체의 안쪽(바닥 면) 반사파를 사용하지만, 내면이 부식 등에 의해 울퉁불퉁한 상태가 되어 있을 경우에는, 이들 방법에 의한 측정치는 큰 오차를 포함하게 된다.
이것에 대해, 노이즈 분석법은 재료내 부에서의 산란파를 이용하기 때문에 시험체 내면의 표면상태에 영향받지 않는다는 큰 이점 을 갖는다.

2.3 acoustic 법
방출 에너지의 일종인 음파를 이용하는 방법이다. 종래는 검출파형만을 해석의 대상으로 하고 있었지만, 최근에는, 음원 그자체의 원파형을 해석하는 수법이 개발되었다.
실제로는, SCC나 수소에 의한 균열진전이 AE법으로 검출되고 있다.

2.4 전자기 에너지 이용법
2.4.1 전기저항법(전위차법)
재료의 조직변화 혹은 기하학적인 변화가 있으면, 2점간의 전위차가 변화하는 것을 이용한 벙법이다.
4개의 prove 안 외측의 prove로부터 전류를 흐르게 하고, 내측의 prove간의 전위 차를 측정하여, 시험체의 전기저항치를 구한다.
탄화물이나 금속간 화합물의 석추, 마이크 로 보이드의 검출, 표면균열 검출과 깊이 측정 등에 이용되고 있다.

2.4.2 히스테리시스 루프법
강자성 재료에 자화 H를 가했을 때의 자속밀도 B의 변화는, B-H곡선으로 알려져 있다.
철강재료의 자기적 성질, 즉 투자율, 보자력, 히스테리스스 등은 화학조성, 열처리, 석출 등 에 의해 영향을 받는다.
이것을 이용하여, 강종류, 열처리, 경도, 담금 깊이 등의 재질시험 방법이 여러 가지 발표되어 있다. 이들 자기응용의 재질 시험방법을 표3에서 나타냈다.

2.4.3 벌크하우젠 노이즈 해석법
강 등의 강자성체를 자장 안에 넣으면 자벽이 이동하고, 자구의 자화 쪽으로 변화가 생기 지만, 이 때 발생하는 잡음이 벌크하우젠 노이즈이다. 이 노이즈를 해석하고, 결정입도나 잔 류응력 측정에 이용되고 있다.

2.4.4 소용돌이 전류법
시험체에 소용돌이 전류를 발생시켰을 때의 인피던스 변화를 이용한 방법이다.
여기된 소용돌이 전류는, 결함의 존재나 형상수치의 변화는 물론이고, 시험체의 도전율, 투자율의 영 향을 받는다.
따라서, 이같은 재료특성에 변화를 주는 재료의 성분, 열처리 등에 의한 재질변화는 소용돌 이 전류법에 의해 검출할 수 있다. 표4에 재질평가법의 예를 나타냈다.
또, 표피효과에 의한 침투깊이의 변화를 이용하고, 침탄이나 질화 등의 표면경화층의 두께 나 피막 두께의 측정에도 사용되고 있다.

2.5 레프리커법
레프리커법은, 실제로 금속조직의 관찰, 캐비티 보이드의 발생상황 관찰수법으로서 실용화 가 진행되고 있다.
레프리커 탐색에 있어서 가장 중요한 작업은 etching으로, 적정한 조건을 정할 필요가 있다.
추출 레프리커의 탐색은 보통 레프리커를 탐색한 후, 다시 파프연마를 시 행하고, 보통 레프리커의 경우보다도 깊게 etching하고, 석출물이 적절히 유리하도록 한다.
레프리커법에 의해, 균열·보이드 등의 손상 및 현미경 조직의 변화가, 추출 레프리커에 의해 석출물 분포상태 등의 평가가 가능하다.

3. 열화·손상의 계측방법
구조재료의 손상을 부식·두께 감소, 균열, 재질열화로 분류하고, 손상의 요인을 환경·분 위기로 정리한 것이 표5이다.
표안에는, 열화손상의 검출, 측정법의 원리적분류도 모두 나타 내고 있다.

3.1 클립 손상
클립에 의해 손상과 연결되는 것으로서, 마이크로 크래크나 캐비티 보이드 등 미시적 손 상이나 재질변화가 있다.
일방, 거시적인 균열을 검출하는 방법은, 보통 사용되고 있는 비 파괴검사법에 의한 균열 검출법을 그대로 사용할 수 있다.
미시적 손상을 검출하는 방법으로서, 일도측정법, 음향 현미경법 등이 현재 이용되고 있지 만, 모두 작은 조각을 추출하여 시료로 해야만 했다.
또, 레프리커법은, 판정법이 명확하고, 신용도가 높지만, 표면상화만으로 내부를 평가한다는 위험성도 포함하고 있다.
석출 그외의 조직적 변화를 검출하는 방법으로서는, X선 회절법이나 경도측정법 등, 비교 적 실기적용의 가능성이 높은 것이 있다.

그림 1에서 클립과정에서의 X선 반가폭의 변화를 나타냈다. 재료나 클립 조건에 제한이 있는데, 아직 기초적인 데이터가 부족하다.
미시적 손상 및 조직변화를 포함하여 검출하는 수법으로서, 초음파법 및 전자기법이 있다.
클립 손상과정을 초음파 음속, 감쇠, 주파수 분포, 노이즈분석의 변화량과 관계지을 수 있 는 시도가 이루어지고 있다.
그림2는 음속측정 결과, 그림3은 주파수 분석결과를 나타냈다. 그림4는 미소 crack면적률과 초음파 노이즈치와의 관계를 조사한 결과를 나타냈다. 또, 전기 저항이나 소용돌이 전류측정도 시도되고 있다.
그림5에 전기저항율 측정결과를 나타냈다.

그림 1 그림 2



그림 3


그림 4

3.2 부식·응력부식
전면부식의 정량적 평가에는 초음파 두께계에 의한 측정법이 유효하고, 측정정밀도나 ±0.1 ㎜가 되고 있다.
한편, 열교화기 전열관 등의 공식 검출에는 소용돌이 전류법이 다용되고 있 는데, 강자성체 전열관에는 자기포화에 의한 수법이나 시험주파수를 낮게하는 수법이 적용 되고 있다.
또, 방사선 투과법에서 촬영필름의 흑화도로부터 전열관이나 배관의 공식깊이를 평가하는 시도도 이루어지고 있다.
콘크리트속 철근이나 파이프라인 내면의 공식 검출에 누 설자속법이 적용되고 있다.
관내면의 공식을 외부로부터 검출하는 수법으로서 초음파의 저 면 에코의 파형해석법이 유효할 것이다.

초음파 감쇠 및 음속의 변화를 이용하고, 입계부식 깊이를 10∼28%의 측정오차로 측정하 는 시도가 이루어져 있다. 이 방법은, 수소침식이나 클립 손상의 측정에도 유효하다고 생각 된다.
수소, 수소침식은, 주로 파괴검사나 금속조직 관찰이 시행되고 있다. 수소원자의 존재에 의해, 결정격자 부분적으로 변형하기 때문에 내부응력이 발생하고, 이 결과, 탄성특성에 변 화가 일어난다. 이 변화는 초음파의 음속변화로서 측정된다.
또, 수소원자는 진동 에너지를 흡수하고, 내부응력의 존재는 감쇠효과가 있다. 이들 이유로부터, 초음파 음속 및 감쇠의 변 화를 측정하고, 수소, 수소침식 깊이를 측정한 예가 있다.

응력부식 균열의 검출은, 초음파 탐상시의 에코 높이의 변화를 이용하는 방법, 에코를 파형 분석하고 특징추출하는 방법이 있다. 균열의 깊이 계측에는, 균열의 앞끝부터의 산란파를 이 용한 끝부분 에코법, 비행시간차법 등을 이용한 초음파법이나 전위차법 등이 있다.
또, 응 력부식 균열 발생에 중요한 인자가 되는 잔류응력 측정에는, X선 회절법, 벌크하우젠법, 초 음파 음탄성법이 이용되고 있다.
AE계측법은, 응력부식 균열, 늦은 파괴, 수소유기 균열, 부식 등, 부식과 연결되는 여러 가지 현상에 대해 적용이 시도되고 있는데, 실기구조물로의 적용, 게다가 모니터링 수법으 로서 크게 가능성이 있다고 말할 수 있다.

3.3 피 로
피로가 축적되어 재질열화를 초래하는 과정과, 균열이 발생하여 전파해 가는 과정으로 나 누어지지만, 균열 검출에 관해서는, 보통의 비파괴검사법을 적용할 수 있다.
초음파 탐상법 에서는 끝부분 에코법, 비행시간차법, 표면파법, 주파수 분석법 등을 이용한 균열 수치측정 이 실용화되고 있다. 또, 소용돌이 전파법에서는 마이크로파 영역에서의 탐상에 의해 깊이 0.25㎜정도의 균열 검 출도 가능해지고 있다.
한편, 균열진전 모니터링법으로서는, AE법이 적합하다. 특히, 원파형 해석에 의해 균열의 크기가 정량적으로 평가할 수 있도록 되고 있다.
피로에 의한 재질열화·손상 계측수법은, 아직 그 대부분이 실험실 단계이다.

초음파의 음속이나 감쇠의 변화를 이용하는 방법은, 상당히 이전부터 연구되고 있다.
예를들면, 그림6은 표면파의 감쇠량이 피로과정에서 어떻게 변화해 가는지를 측정한 결과이다.
또, 자계중에 있 어서 초음파 감쇠특성과 피로도와의 관계를 검토한 보고도 있다. 옴속변화에 관해서는, 임계 각법을 이용하여 피로손상량과 렐리파 발생각도와의 관계를 조사한 보고가 있다.
게다가 주파수 분석에 의한 스펙트럼 변화와 피로도와의 관계가 검토되고 있다.


방사선 이용에 관해서는, X선 회절의 반가폭과 고사이클피로의 반복수와의 관계를 다수의 재질에 대해 조사한 보고가 있다.
자기적 성질의 이용도 이전부터 시도되고 있고, 자기특성, 벌크하우젠 효과 혹은 누설자속 의 계측치가 피로축적량과 대응하여 유효한 정보를 주는 것이 명확하게 되어 있다.
그림7에서 벌크하우젠 효과에 의한 측정효과를 나타냈다. 또, 금속조직, 가소송변형 등이 투자율에 변화를 주는 것으로부터, 소용돌이 전류법의 적용도 시행되고 있다.

4. 결론
재료의 열화·손상의 비파괴적 계측기술에 대해 설명함과 동시에, 구조재료의 수명·남은 수명에 중대한 영향을 준다고 생각되는 클립, 부식 및 피로의 세가지 열화손상 형태에 대해, 현상황에서의 계측수법에 대해 이야기했다.
모든 계측수법도 미해결의 문제가 많고, 또 검 출정밀도도 아직 충분하다고 말할 수 없다.

앞으로 더욱 계통적이고 폭넓은 연구가 필요함 과 동시에, 검출정밀도 향상을 위해 신호처리나 화상처리 등의 첨단기술을 도입해 갈것이 필요해질 것이다.
그리고, 여기서 말한 평가기술은 물론이고, 더욱 많은 기술에 대한 상세한 조사효과가, 일 본철강 협회재료 평가위원회에 의한 조사보고 『구조재료의 수명·남은 수명 예측을 위한 계측평가 수법 확립에 관한 조사』로서 출판되어 있기 때문에, 더욱 상세하게 알고 싶은 분 은, 이것을 읽길 바란다.
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