머리말

우리는 1년에 한 번씩 건강검진을 통해 내 몸의 질병 유무를 확인하고 있다. 출장 건강검진 중 체혈 및 혈압 측정 등이 이루어지고, 복부 초음파 검사도 수행하며, 마지막으로 버스 안에서 이루어지는 X-Ray 촬영으로 검진이 마무리된다. 발전설비 내의 결함 유무를 찾는 과정도 이와 유사하다. 계획예방정비공사 기간, 정비작업 후 여러 비파괴검사 방식 중 적합한 방법을 사용하여 물체 내부의 문제점을 꼼꼼히 확인하는 과정을 거친다.

방사선투과검사법과 초음파탐상검사법

비파괴검사(Nondestructive Testing)란 빛, 방사선, 음향, 전기 및 자기 등에 대한 재료의 물리적 성질이 조직의 이상이나 결함의 유무 및 형태에 의해 변화하는 성질을 이용하여 물질의 상태, 내부구조, 결함 등을 알아내며 물체를 파괴시키지 않고 검사하는 방법이다. 이러한 비파괴검사 중 용접부의 내부 결함 탐상에 사용되는 체적검사법으로 방사선투과검사법과 초음파탐상검사법이 있다. 방사선투과검사법은 X선이나 감마선과 같이 짧은 파장의 방사선이 물질 속으로 들어가면 물질의 원자와 상호작용을 하여 에너지를 잃어버림으로써 방사선의 강도가 감소하는데, 방사선투과검사는 이와 같이 시험체를 투과하는 방사선의 강도가 시험체의 밀도나 두께에 따라 달라지는 성질을 이용하여 결함을 검출한다.
 

용접이나 제조 공정 중 발생한 불완전한 부위를 통틀어 비파괴검사 용어로 불연속(Discontinuity)이라고 하고, 시험품의 용도상 허용될 수 없는 불연속을 결함(Defect)이라 하는데, 방사선투과검사는 불연속의 종류나 크기, 위치를 필름에 얻어진 상을 통하여 판독하므로 상대적으로 매우 용이하고, 정확하게 결함을 찾아낼 수 있다.
그러나 방사선 피폭의 위험성으로 2013년 원자력안전법 안전 규제가 강화되어 극히 제한된 조건에서만 방사선투과검사를 수행할 수 있도록 관련법이 개정되었고, 석탄화력발전소의 계획예방정비기간 보일러 튜브 교체 공사 시 수행해 왔던 방사선투과검사 등 발전설비에 대한 방사선 투과검사는 실질적으로 수행할 수 없게 되었다.
따라서 방사선투과검사의 대체법으로 초음파탐상검사의 필요성이 대두되었고, 계획예방정비공사와 같이 기간이 정해진 공사 기간 중 신속하게 검사가 가능한 위상배열초음파탐상검사(Phased Array Ultra sonic Test, PAUT)가 각광받게 되었다.
초음파는 진동하는 소리의 주파수가 사람이 들을 수 있는 주파수대역(20Hz~20kHz), 즉 가청주파수보다 높은 주파수를 의미하며, 초음파탐상검사 시 주로 0.5MHz~15MHz의 주파수를 사용한다. 초음파가 비파괴검사에 활용되는 이유는 초음파가 대부분의 물체를 잘 투과하는 성질(매질에서 진동에너지를 옆으로 전달하는 성질)을 가지고 있기 때문이다. 또 초음파가 물체를 투과할 때 전달되는 진동에너지가 한쪽 방향으로만 전달되는 지향성을 가지고 있기 때문에 초음파 에너지를 원하는 방향으로 전달할 수 있고, 지향성을 활용하여 두꺼운 경우에도 검사가 가능한 장점이 있다.

초음파를 발생시키는 방법에는 기계적으로 충격을 주어 발생시키는 방법, 전자기적인 현상을 이용하여 발생시키는 방법, 몇몇 물질의 결정이 가지고 있는 압전효과를 이용하여 발생시키는 방법으로 분류할 수 있고, 세 가지 방법 중 초음파탐상검사에 활용되는 방법은 특수한 몇몇 물질의 압전효과를 이용한 초음파 발생 방법이다.

압전효과란 결정체에 어떤 방향으로 힘을 가하면 결정체 양단에 미세한 전압이 발생하고, 반대로 결정체 양단에 전기를 인가하면 전류의 흐름에 따라 결정체가 수축되거나 팽창하는 효과를 의미하며, 이러한 특성을 지닌 물질을 압전소자라고 한다. 따라서 압전소자에 교류전원을 인가하면 전류 흐름 방향이 주기적으로 변화하여 수축·팽창을 빠르게 반복하며 진동하고, 초음파가 발생될 수 있다.

위상배열초음파탐상검사
 위상배열초음파탐상검사는 압전소자로 구성된 미소 진동자(Element)를 탐촉자 안에 여러 개를 배치하고, 각 진동자에서 개별적으로 초음파를 발생시킨 후 수신한 초음파 신호를 전자적으로 처리 및 조합하여 이미지 데이터를 확보하는 방식으로 결함을 탐지하는 비파괴검사방법이다. 또한 그림 2, 3과 같이 검사체 내부로 진행하는 초음파의 전파 각도와 집속 위치는 각 진동자의 전자적인 시간 지연 방법을 통해 자유롭게 변화시킬 수 있다.

따라서 그림 4와 같이 과거의 초음파탐상검사와는 달리 위상배열초음파탐상검사는 하나의 탐촉자를 이용하여 물체 내부의 면적 검사를 수행할 수 있어 다양한 위치의 결함을 검출하고 검사 정확도를 높일 수 있다. 또한 이미지 결과의 도출로 객관적인 검사 결과 확인이 가능하고, 이미지 및 데이터 분석을 통한 정밀 평가를 수행할 수 있다.
 

위상배열초음파탐상검사에서 이미지는 크게 A~ D Scan과 S Scan으로 분류할 수 있고, 검출된 결함을 3차원적으로 나타낼 수 있다. A Scan은 전통적인 초음파탐상검사와 동일하게 단순한 초음파 시그널의 시간과 진폭과의 관계를 보여주는 영상으로 수신된 반사파를 가공하지 않고 그대로 화면에 보여준다. B Scan은 검사 대상체의 측면(Side View), C Scan은 검사 대상체의 윗면(Top View), D Scan은 검사 대상체의 끝면(End View)을 보여주는 영상으로 결함의 크기, 깊이를 측정하여 정확하게 위치를 찾아낼 수 있다. S Scan은 위상배열초음파탐상검사에서만 할 수 있는 주사법으로 여러 가지 각도로 초음파를 주사하는데 시간 지연을 달리하여 부채꼴 모양의 영상을 나타낸다.

위상배열초음파탐상검사에 사용되는 탐촉자는 여러 미소 진동자를 일정하게 배열하여 구성한다. 일반적인 형태는 평판에 적용 가능한 선형, 2차원 배열 등이 있지만 보일러 튜브와 같은 원형, 두꺼운 압력용기와 같은 원통형 등 다양한 형상의 발전설비에 대하여 최적의 초음파 빔 집속, 음장, 조향을 얻기 위해 Convex, Concave, Annular, Dual 등 다양한 형태로 구성된 탐촉자를 사용하고 있다.

최근에는 마이크로 가공 기술과 반도체 공정의 발달로 압전 복합재료의 개발과 미세 가공 정전용량형 초음파 탐촉자 개발이 진행되어 미소한 면적으로도 에너지 효율을 높일 수 있는 탐촉자가 개발됐다.
 

위상배열초음파탐상검사의 유용성, 다양한 탐촉자 개발 등으로 검사 신뢰도를 높이고 있지만, 초음파탐상검사의 특성상 결함을 최종 판독하는 검사자의 경험, 역량에 따라 결함검출확률의 차이를 나타내는 문제점을 안고 있다. 즉 방사선투과검사와 같이 누구나 현상된 사진을 통해 결함을 명백히 알 수 있는 검사와 달리 위상배열초음파탐상검사는 검사 대상체에 어느 정도의 감도를 설정해야 하는지, 어떤 방향으로 빔을 주사해야 하는지, 어떤 방식으로 시간 지연을 두어 빔을 조향하고, 집속해야 결함을 찾을 수 있는지에 대한 경험과 지식이 없으면 검사 결과의 이미지도 다르게 확보되어 검사자마다 전혀 다른 결과를 도출할 수 있다.

초음파탐상검사의 문제점을 해결하고자 국내 한수원에서 2004년부터 원전 비파괴검사자에 대한 기량검증을 법령으로 정하여 운영하고 있다.

비파괴검사 기량검증

비파괴검사 기량검증이란 비파괴검사자의 균열 검출 및 크기 측정 능력을 사전에 검증하기 위한 제도로, 비파괴검사 대상 기기와 형상 및 재질이 동일한 용접시험편을 이용하여 비파괴검사 시스템(절차서, 장비, 검사자)을 검증하는 것이다. 원전은 배관의 재질별 용접부, 용기(Vessel), 볼트 및 스터드에 대한 기량검증 표준 절차서와 결함 시험편에 대한 설계, 제작, 품질 확보 절차 등을 수립하여 운영 중이며 추가적인 자연 결함 시험편 제작, 절차서 개정, 시험편 및 서류 보안관리 방안 최신화를 통해 기량검증 고도화에 주력하고 있다.
 화력발전설비는 원자력안전법 안전 규제 강화 이후 방사선투과검사를 대체하여 초음파탐상검사를 도입할 수 있는 실증 기술 연구 필요성을 제기하여 왔으며, 2018년부터 현재까지 실증 대상 설비를 정하여 결함 시험편을 제작하고, 다자비교시험을 수행하여 설비별 위상배열초음파탐상검사 표준검사 절차서를 개발하고 현장 유용성을 검증했다. 또한 검사 신뢰도 분석 결과를 기반으로 화력발전설비에 대해 방사선투과검사를 대체하여 위상배열초음파탐상검사 적용이 가능한 근거를 확보했다.
 하지만 실증 과정 중 비교적 검사가 용이한 탄소강 용접부에 대해서는 결함검출확률이 높게 나왔지만, 스테인리스강·이종금속용접부·분기배관과 같이 고도의 검사 역량과 경험이 필요한 설비에 대해서는 검사자마다 결함검출확률의 차이를 나타냈다. 
 이에 한국서부발전㈜ 서부발전연구소는 2021년 11월부터 위상배열초음파탐상검사의 기량검증 시스템 개발을 위한 연구 과제를 발전 3사·학계·협회·중소기업과 함께 진행하였으며, 2024년 10월에 기량검증 시스템을 개발하여 실제 적용을 앞두고 있다. 기량검증 연구 과정은 우선 기량검증 대상체를 보일러 튜브·배관·헤더 스터브 튜브로 선정하고, 결함 시험편을 제작 후 다자비교시험 수행했다. 그 결과 각 대상체에 대한 검사 및 평가 표준 절차서를 개발하였으며, 이를 여섯 달간의 시범 운영을 통해 수정 보완했다. 또한 기량검증을 수행 중인 한수원과 미국 EPRI에서 수립한 배관, 용기, 볼트 및 스터드에 대한 기량검증 절차에 대한 최신 기술 동향을 면밀히 분석하여 화력발전설비에 적용할 기량검증의 기술적 근거를 검토하였고, 기량검증 운영 절차서도 화력발전설비에 맞게 개발했다. 
 위상배열초음파탐상검사는 위험한 방사선을 사용하지 않고, 이미지 결과를 도출하여 신속히 체적검사를 할 수 있는 장점으로 발전설비뿐만 아니라 전 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 또한 정밀가공 기술의 발달로 설비에 최적화된 탐촉자도 개발되고 있으며, 탐상 장비 역시 다양한 기능이 탑재되고 있어 검사 신뢰도를 제고하고 있다. 그렇지만 초음파탐상검사는 검사자의 검사 역량과 경험에 따라 검사 결과의 차이를 나타내는 문제점을 안고 있어, 이를 극복하지 못할 경우 항상 검사 신뢰도에 대한 의문부호를 제기할 수밖에 없다. 
 이러한 이유로 서부발전과 발전 3사는 기량이 검증된 검사자가 검증된 절차서와 장비를 통해 발전설비에 내재된 결함을 더 신속하고 정확하게 검출할 수 있도록 위상배열초음파탐상검사 기량검증 시스템을 개발했다.
 이를 통해 고온고압설비, 위험물 저장 압력용기와 같은 고위험 설비의 결함을 조기에 발견 및 조치함으로써 설비 안전성을 확보하고, 더 나아가 발전 회사의 안정적 수익 창출에도 이바지할 것이다.
 


맺음말

현시대의 핵심 가치는 안전이며, 안전은 여러 번 강조해도 지나치지 않다. 시대적 핵심 가치를 존중하고 기술 회사로서의 입지를 굳건히 하기 위해 발전 회사의 비파괴검사 기술 고도화는 필수적인 요소이며, 향후 건설될 신규 발전설비에 대한 위험도도 분석하여 새로운 기량검증 대상체를 꾸준히 발굴하고 검사 절차를 개발해 나가야 할 것이다. 

ckb@iwest.co.kr