한국압력기기공학회 논문집제7권 제3호 2011년 9월 pp 40 985160 47

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구

이승표dagger 김진회

A Study on the Application of Phased Array Ultrasonic Testing to Main Steam Line in Nuclear Power Plants

Seung-Pyo Leedagger and Jin-Hoi Kim

(Received 26 JUL 2011 Accepted 7 AUG 2011)

ABSTRACT

KSNPs(Korea Standard Nuclear Power Plant) have been applied the break exclusion criteria to the high energy lines passing through containment penetration area to ensure that piping failures would not cause the loss of containment isolation function and to reduce the resulting dynamic effects Systems with the criteria are the Main Steam system Feed Water system Steam Generator Blowdown system and Chemical amp Volume Control system Inaccordance with FSAR(Final Safety Analysis Report) a 100 volumetric examination by augmented in-service inspection of all pipe welds appled the break exclusion criteria is required for the break exclusion application piping However it is difficult to fully satisfy the requirements of inspection because 12 8 and 6 weldolet weldmentsof Main Steam pipe line have complex structural shapes To resolve the difficulty on the application of conventionalUT(Ultrasonic Testing) technique realistic mock-ups and UT calibration blocks were made Simulations of conventionalUT were performed utilizing CIVA a commercial NDE(Nondestructive Examination) simulation software Phased array UT experiments were performed through mock-up including artificial notch type flaws A phased array UT technique is finally developed to improve the reliability of ultrasonic test at main steam line pipe to 12 8 and 6branch connection weld

Key Words Break Exclusion Criteria(파단면제요건) Branch Connections(분기관) Weldolet(웰더렛) Phased ArrayUT(위상배열초음파검사) Main Steam Line(주증기배관)

dagger

책임저자 회원 한국수력원자력(주) 원자력발전기술원E-mail leespyokhnpcokrTEL (042)870-5643 FAX (042)870-5649한국수력원자력(주) 원자력발전기술원

1 서 론

원자력발전소의 경우 주증기배관 주급수 및 증기

발생기취출수계통 배관에 대해 파단면제 설계 개념

이 적용되고 있다 배관 파단면제 설계의 개념은 배

관의 파단이 일어나지 않음을 가정하고 설계하여 고

에너지 배관파손에 의한 동적영향으로부터 필수계통 및 기기를 방호하기 위한 분리설치 물리적 방벽 설치

또는 배관타격 방지구조물을 설치하지 않는 설계개

념이다파단면제 설계 배관은 최종안전성분석보고서(FSAR)

에 의거 강화 가동중검사가 요구되고 있으며 원주방향

및 축방향 용접부에 대해 100 체적검사를 요구하고

있다 파단면제 설계 개념이 적용된 원전 주증기배관

의 경우 주배관인 26625 탄소강 배관에 6 8 및 12 분기관을 연결하기 위해 직경별 웰더렛(Weldolet)이

적용된 Set-on type으로 용접하여 제작된다원전 건설시에는 해당 부위 용접부를 일체형으로

제작하기 때문에 주배관 내부에 선원을 적용하여 웰

더렛 용접부에 대한 방사선투과검사를 수행하고 현장

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 41

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

에 설치한다 그러나 해당 부위 설치 이후에는 방사선 투과검사를 적용하기 어려워 초음파검사를 적용하고

자 하나 복잡한 형상으로 인하여 추가적인 기법 개발

이 요구된다본 논문에서는 주증기배관 6 8 및 12 웰더렛

용접부에 대한 검사기술 기준요건을 만족시키고 검사 신뢰도를 제고할 수 있도록 배관모형(Mockup)을

설계 제작하고 실증실험을 통해 위상배열 초음파검

사의 적용 가능성 정도를 제시하고자 한다

2 초음파검사 시뮬레이션

주증기배관 웰더렛 용접부는 복잡한 형상으로 인해

초음파검사의 적용이 어려운 상태로 초음파검사의 적

용 가능성에 대한 사전 평가가 필요하였다 비파괴검

사 시뮬레이션 프로그램인 CIVA를 이용하여 분기관

웰더렛 용접부 중 웰더렛 상부에서 검사가 가장 어렵

다고 판단되는 8 및 6에 대한 모델링 및 기존 초음

파검사(Conventional UT)에 대한 시뮬레이션을 수행

하였다 시뮬레이션 수행 전 웰더렛 형상 및 현장 상

황을 사전에 검토하였다 Fig 1은 웰더렛의 제작형상

과 현장에 설치된 형상을 보여주고 있다검사 대상부 모델링은 웰더렛 제작도면 현장 프로

파일 및 실측자료를 기초로 수행하였다 시뮬레이션

수행에 적용된 초음파검사기법은 직접 접촉식 수동

초음파검사 검사체 내부에 진행되는 파의 형태는 횡

파를 적용하였고 검사각도는 30˚ 45˚ 60˚ 탐촉자 크

기는 025 모양은 원형 주파수는 225MHz를 적용

하였다 검사범위는 웰더렛 상부에서 축방향 검사와

용접부 상부에서 원주방향 검사를 수행하였다 결함

검출 정도를 파악하기 위해 검사체 내부에 인공결함

을 삽입하였다 결함의 크기는 8의 경우 길이 64mm 높이 25mm 6의 경우 길이 50mm 높이 20mm 결함형상은 사각형 결함의 뒤틀림(Skew) 각도는 0˚를

적용하였다 총 3개의 결함을 삽입하였고 위치는 각각

Fig 1 Weldolet Shape and Figures

내면 용접부 중앙에서 웰더렛 방향으로 075 025 및 내면 용접부 중앙에서 주배관 방향으로 025에 위

치하였다 일반적으로 원전의 안전등급 1등급 배관의 검사체적은 Fusion Line＋14인치 두께의 13T를 기준

으로 하는 검사체적이 포함되도록 하나 주증기배관

의 웰더렛 용접부의 경우는 안전등급 2등급 배관의 용

접부로 관련 검사체적이 없어 내면 용접부 루트를 기

준으로 웰더렛 방향으로 075 주배관 방향으로 025까지를 검사체적으로 정하고 시뮬레이션을 수행하였

으므로 기술기준에서 요구하는 검사체적과는 상이한 측면이 존재한다 Fig 2에 모델링 형상 및 결함위치를

도시하였다축방향 검사 시뮬레이션에서 검사범위는 웰더렛 상

부에서 주배관 방향으로 40mm 데이터 취득은 05mm 간격으로 수행하였고 원주방향 검사는 검사범위를

용접부 상부에서 30mm 데이터 취득은 05mm 간격으

로 수행하였다 또한 주배관과 연결된 웰더렛 용접부

와 분기관의 원주를 기준으로 0˚와 90˚에서 각각 시뮬

레이션을 수행하였다 Fig 3은 축방향 검사로 0˚ 위치에서 수행한 시뮬레이션 결과이며 Fig 4는 90˚에서

Fig 2 Weldolet Modeling and Flaw Locations

Fig 3 Simulation Results of 8 Weldolet(0˚)

Fig 4 Simulation Results of 8 Weldolet(90˚)

42 이승표 김진회

Transaction of the KPVP Vol 7 No 3

수행한 결과를 나타내었다Fig 5는 원주방향 검사로 용접부 위에서 수행한 시

뮬레이션 결과를 나타내었다8 웰더렛 용접부에 대한 시뮬레이션 결과 축방향

및 원주방향 검사에서 결함 1 2 3의 검출은 양호

한 것으로 나타났으며 30˚ 검사의 경우도 결함 검출

에 문제가 없는 것으로 확인되었다 또한 6 웰더렛

용접부에 대한 시뮬레이션 결과도 8 결과와 동일하

게 나타났으며 복잡한 형상에도 불구하고 초음파검

사의 적용이 가능한 것으로 확인되었다 6에 대한 시

뮬레이션 결과 중 일부 결함검출 신호가 늘어지게 나

타난 이유는 탐촉자가 이동하면서 웰더렛 상부 평편

Fig 5 Simulation Results of Circ Scan for 8 Weldolet

Fig 6 Simulation Results of 6 Weldolet(0˚)

Fig 7 Simulation Results of 6 Weldolet(90˚)

Fig 8 Simulation Results of Circ Scan for 6 Weldolet

한 면을 지나서 용접비드 및 용접부 상부의 갭((Gap) 또는 턱진부분에서 발생한 신호이다 6에 대한 시뮬

레이션 결과를 Fig 6 Fig 7 및 Fig 8에 도시하였다

3 배관모형 및 인공결함 설계제작

주증기배관 웰더렛 용접부에 대한 초음파검사 적용 실험을 위해 현장 형상과 동일한 모형을 설계 제작하

였고 초음파검사의 신뢰성 측정을 위해 내면 용접부

및 인접 모재에 인공결함을 가공하였다 주증기배관

의 직경은 26625 두께 175며 재질은 SA 106 Gr C이다 주증기배관과 분기관 연결을 위해 적용된 6 8 12 웰더렛의 주요 사양을 Table 1에 기술하였다배관모형은 주증기 배관(Main Run)에 6 8 및 12

웰더렛이 용접된 형태로 현장과 동일하게 제작하였다 용접은 제작시 적용된 용접절차서로 수행하였고 용접 완료 후 후열처리 및 방사선투과검사와 자분탐상

검사를 수행하여 용접결함이 없음을 확인하였다 Fig 9는 제작된 배관모형을 보여준다초음파검사의 검출 신뢰성 평가를 위해 제작된 배

관모형 내면에 방전가공으로 노치 형태의 인공결함을 가공하였다 인공결함은 ASME Sec XI 요건을 적용

하였고 직경 4 이상의 배관에 대해 노치 반사면적은 0059(Sq inch) 깊이는 0157을 기준으로 설계하였

다 12 8 및 6 배관모형 각각의 내면에 원주방향 인

공결함 10개 축방향 인공결함 5개를 가공하였다 원주방향 인공결함의 위치는 0˚ 90˚ 180˚ 및 270˚이며 축방향 인공결함의 위치는 45˚ 135 225 및 315˚이다 인공결함의 크기를 Table 2에 기술하였다

Table 1 Specifications of 6 8 12 WeldoletWeldolet Sch 두께 재질

6 120 410 SA105

8 160 555 SA105

12 160 603 SA105

Fig 9 Figures of Mockup

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한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

Table 2 Specifications of Artificial Flaws No Size(mm)

6 Mockup 398 D(970 T) times 956 L times 025 W

8 Mockup 398 D(717 T) times 956 L times 025 W

12 Mockup 398 D(660 T) times 956 L times 025 W

Fig 10 Examples of Artificial Flaws

Fig 11 Locations of Flaws of 12 8 6 Mockup

Fig 10 및 11은 12 8 6 배관모형 내면에 가공

된 원주 및 축방향 인공결함과 가공위치를 나타내며 각각의 배관모형에서 동일한 위치에 가공하였다 초음파검사 장비 및 탐촉자 교정을 위해 웰더렛 직경을

반영한 교정시험편을 각각 제작하였다

4 초음파검사 적용 실험

41 위상배열초음파검사 개요

위상배열 초음파 검사기법의 중요한 특징은 사용자

가 컴퓨터를 이용하여 각각의 미세 진동자에 대하여 초

음파 지연시간과 진폭을 조절함으로써 초음파의 다양

한 변수들인 각도 집속 깊이(Focused Depth) 집속점에

서의 빔 반경(Focal Spot Size) 등을 제어할 수 있다는

것이다 초음파 탐상에서 검사의 민감도는 결함으로

부터 반사되어 돌아오는 초음파의 에너지에 의존한다 민감도를 높이기 위해서는 반사되어 돌아오는 에너지

를 높이는 방법 등이 있다 위상배열 초음파 검사에서 중요한 기능은 원하는

검사 깊이에 초음파 에너지를 집속시켜 초음파 손실을

보상하고 투과능을 높여 결함에서 반사되는 더 많은

초음파를 수신함으로서 결함의 검출 감도 및 분해능

Fig 12 Beam Focusing and Steering

을 높게 하는 것이다 Fig 12는 각 진동자(Element)에서 서로 다른 시간지연이 적용되어 초음파 빔의 집속

(Focusing) 및 빔 조정(Beam Steering)이 이루어지는

개념을 보여준다

42 위상배열 초음파검사 실험

위상배열 초음파검사 기법에 대한 실증실험을 위

하여 휴대용 위상배열 초음파검사 장비인 Phasor XS (GE 미국) 장비를 적용하였다 탐촉자 주파수는 20NHz (8 elements)을 적용하다 탐촉자의 진동자 사이의 간격

을 나타내는 피치(Pitch)는 004 탐촉자 크기는 길이

059 폭 111 높이 1055이다 웻지의 재질은 Rexolite (0092inch) 웻지의 검사체 접촉면적은 길이 044 폭 04이다 12 8 및 6 배관모형의 원주방향 및 축

방향 인공결함을 검출하기 위해 검사각도는 25˚~ 60˚ Sectorial Scan 및 각 웰더렛 두께의 바닥면에 빔 집속

이 되도록 적용하여 실험하였다

421 12 배관모형 실험결과

12 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚의 Sectorial Scan을 적용하였다 12배관모

형의 웰더렛 내부에는 테이퍼 면(≒ 45˚경사면)이 존

재하므로 인접된 부위에 가공된 인공결함 검출신호와

혼합되어 나타나는 결과를 보여주었다배관모형 0 위치에 있는 2개의 원주방향 결함에 대

한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 13에 나타내었다 신호 1은 테이퍼에서 반사된 신호이며 신호 2는 첫 번째 결함의 초음파 검출신호이고 신호 3은 두 번째

결함의 검출 신호이다 위상배열 초음파검사는 검사

체 내부에 다양한 검사각 적용이 가능하고 A-Scan 신호 및 B-Scan 신호를 동시에 보여줌으로써 웰더렛 배

관모형 내부의 테이퍼 면에서 발생하는 유사지시 신

44 이승표 김진회

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호와 결함 검출 신호의 분리가 가능하였다12 배관모형의 90˚에 위치한 2개의 원주결함에 대

한 초음파 검출신호를 Fig 14에 나타내었다 그림에서 제시된 바와 같이 테이퍼 면 이후에 인공결함이 가공

되어 있고 인공결함 사이에는 내면 용접부 루트가 존

재한다 신호 1은 테이퍼에서 반사된 신호이며 신호

2는 결함 1 2의 검출신호로 두 결함 신호가 혼합

되어 표시되나 분리가 가능하였다배관모형 180˚에 위치한 3개의 원주방향 결함의 형

상 및 초음파 검출신호를 Fig 15에 나타내었다 그림

에서 제시된 바와 같이 테이퍼 인접 면에 인공결함 1이 가공되어있다 신호 1 및 2는 테이퍼 반사 신호와

결함 1의 검출신호가 혼합되어 나타나는 신호로 신호의 분리 해석이 가능하며 신호 3과 4는 결함 2와 3에 대한 검출 신호로 두 결함에 대한 신호 해석

Fig 13 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 14 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

Fig 15 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

적 분리도 양호하였다270˚에 위치한 3개의 원주방향 결함에 대한 초음파

검출신호를 Fig 16에 나타내었다 신호 1은 결함 1 신호 2는 결함 2와 용접 루트부의 신호가 혼합되어

나타나나 결함 2 신호가 더 크게 나타나므로 루트부

에서 발생하는 유사 신호와 구분은 양호하였다 신호

3은 결함 3의 초음파 검출신호를 나타낸다 그림에

서 나타난 것처럼 인접 결함들과의 신호 구분 및 검출

정도가 양호하였다 12 배관모형 내 축 방향으로 가공된 인공결함을

Fig 17에 나타내었다 축방향 인공결함은 45˚ 위치에

Fig 16 UT Signals of Circ Flaws at 270˚ Location

Fig 17 Location of Axial Flaws

Fig 18 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 19 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

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1개 135 위치에 1개 225 위치에 1개 및 315 위치에

2개를 각각 가공하였다축방향 결함 검출을 위해 25˚~ 60˚ Sectorial Scan을

적용하여 용접부 위(On weld)에서 실험을 수행하였다 45˚ 135˚ 225˚ 위치에 있는 축방향 결함의 검출 신호

를 Fig 18에 나타내었다 배관모형의 용접부 상부에

서 수행한 실험 결과 축방향 결함에 대한 검출 신호

는 모두 양호하였다 또한 315 위치에 용접부 내면 루

트부를 중심으로 상하부에 가공된 축방향 인공결함에

대한 검출 신호를 Fig 19에 나타내었으며 결함 1 및

2에 대한 검출신호는 모두 양호하였다

422 8 배관모형 실험결과

8 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚ Sectorial Scan을 적용하였다 8 배관모형

은 12 배관모형과는 다르게 웰더렛 내부에 테이퍼 면

이 없어 혼합되는 초음파 신호가 없고 신호가 상대적

으로 양호하게 검출되었다 배관모형 0˚ 위치에 있는

2개의 원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결

Fig 20 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 21 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

Fig 22 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

과를 Fig 20에 나타내었다 신호 1은 첫 번째 결함의

초음파 검출 신호이며 신호 2는 두 번째 결함의 검

출 신호로 웰더렛 상부에서 탐촉자의 접촉 면적 및 검

사 가능거리가 적음에도 불구하고 두 개의 인공결함

에 대한 검출은 양호하였다 또한 배관모형 90˚ 위치에 있는 2개의 원주방향 결

함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 21에 나

타내었으며 검출 신호가 모두 양호하였다 0˚ 위치보

다는 탐촉자의 접촉면적 및 검사 가능거리가 상대적

으로 넓어 전후 주사가 가능하였다배관모형 180˚ 및 270˚ 위치에 각각 3개씩 가공된

원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를

Fig 22 및 23에 나타내었으며 검출 신호가 모두 양

호하였다 270˚ 위치는 180˚ 위치보다 상대적으로 탐

촉자 접촉 및 검사 가능거리가 넓어 실험을 위한 탐

촉자 적용이 유리하나 두 위치 모두 결함에 대한 검

출 정도에서 차이는 없는 것으로 나타났다8 배관모형 45 135 및 225 위치에 각각 1개씩 가

Fig 23 UT Signals of Circ Flaws at 270˚ Location

Fig 24 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 25 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

46 이승표 김진회

Transaction of the KPVP Vol 7 No 3

공된 축방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과

를 Fig 24에 나타내었으며 각 인공결함에 대한 초음

파검사 검출 신호는 매우 양호하였다 또한 315 위치에 내면 용접부 내면 루트부를 기준

으로 상하에 각각 가공된 2개의 축방향 결함에 대한

위상배열 초음파검사 결과를 Fig 25에 나타내었으며

결함으로 부터의 반사 신호와 검출 정도가 모두 양호

한 것으로 나타났다

423 6 배관모형 실험결과

6 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚의 Sectorial Scan을 적용하였다 6 배관

모형은 12 배관모형과 동일하게 웰더렛 내부에 테이

퍼 면(≒ 30˚ 경사면)이 존재하여 인접한 인공결함과

혼합되는 신호가 발생하였고 0 및 90 위치에서 실험

한 경우 검사 가능거리 및 폭이 좁은 상황임에도 불

구하고 검출 신호는 비교적 양호하였다 0˚ 위치에 있

는 2개의 원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사

결과를 Fig 26에 나타내었다 2개의 결함 사이에 테이

퍼 면이 존재하여 신호가 합성되어 나타나지만 구분

이 가능하였다 신호 1과 3은 첫 번째 및 두 번째 결

함의 초음파 검출 신호이며 신호 2는 테이퍼 면에서

반사된 유사지시 신호이다 세 개의 검출신호가 혼합

되어 나타나 보이지만 A-Scan 및 B-Scan의 신호해석

을 통해 신호의 구분이 가능하였다

Fig 26 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 27 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

6 배관모형 90˚ 위치에 있는 2개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 27에 나타

내었다 결함 1과 2의 앞부분에 테이퍼 면이 존재하

므로 신호 1은 테이퍼 면 반사 신호이며 신호 2는

결함 1의 검출신호로 두 신호가 혼합되어 나타나지

만 신호 해석에서 A-Scan 및 B-Scan을 활용하여 평가

하면 분리가 가능하였고 신호 3은 결함 2에 대한

검출 신호이다6 배관모형 180 위치에 있는 3개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 28에 나타

내었다 두 번째 결함과 테이퍼 면이 인접해 있어 신

호 2 및 3에서 나타난 것처럼 테이퍼 신호와 결함

2의 검출 신호가 혼합되어 나타나지만 A-Scan 및 B- Scan을 통한 신호 해석을 통해 분리 해석이 가능하였

다 신호 1 및 4는 결함 1과 3의 반사 신호이며 신

호 해석에 문제가 없고 검출이 양호하였다6 배관모형 270 위치에 있는 3개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 29에 나타

Fig 28 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

Fig 29 UT signals of Circ Flaws at 270˚ Location

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 47

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Fig 30 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 31 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

내었다 첫 번째 결함과 두 번째 결함 사이에 테이퍼

면이 존재하고 있어 신호 1과 2에서 나타나듯이 결

함 1과 테이퍼 신호가 혼합되어 나타나지만 A-Scan 및 B-Scan의 신호 해석을 통해 분리가 가능하였다 신호 3 및 4는 결함 2와 3의 반사 신호이며 신호 해

석에 문제가 없고 검출이 양호하였다 배관모형 45˚ 135˚ 및 225 위치에 각각 1개씩 가공

된 축방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를

Fig 30에 나타내었으며 각 인공결함에 대한 초음파

검사 검출 신호는 매우 양호하였다 315 위치의 용접부 내면 루트부를 기준으로 상하에

각각 가공된 2개의 축방향 결함에 대한 위상배열 초

음파검사 결과를 Fig 31에 나타내었으며 결함으로 부

터의 반사 신호와 검출 정도가 모두 양호하였다

5 결 론

원전 주증기배관과 12 8 6 배관이 연결되는 분

기관 웰더렛 용접부는 파단면제 설계개념이 적용된

부위이다 동 부위에 대한 원전 최종안전성분석보고

서 요건에 의거 강화 가동중검사로 100 체적검사를

요구하고 있으나 해당 웰더렛 용접부의 복잡한 형상

으로 인해 체적검사인 초음파검사의 적용이 어려운

실정이다 기존 초음파검사방법(Conventional UT)으로

검사 기술기준 요건 충족에 어려움이 있어 이를 해결

하기 위해 위상배열 초음파검사기법을 적용하여 실험

하였다 웰더렛 상부에서 주배관과 웰더렛 용접부에

대한 위상배열 초음파검사를 수행하기 위해 현장과 동

일한 형태의 배관모형을 제작하고 결함 검출 적절성

을 평가하기 위해 내부에 인공결함을 원주 및 축 방향

으로 각각 가공하여 실험을 수행하였다 12 8 및 6 분기관 웰더렛 용접부에 대한 실증실험 및 신호평가

결과 원주 및 축 방향 결함의 검출을 위해 수행된 실

험결과는 다음과 같다 1) 배관모형 내부에 가공된 인공결함의 검출은 대부

분 양호하였으나 내부에 존재하는 테이퍼 면의 반사 신호와 인접한 결함의 검출신호가 혼합되어 나타났다

2) 위상배열 초음파검사는 배관모형 내부에 다중의

검사각이 적용되고 B-Scan(Sectorial View)을 동시에

지원하여 테이퍼 반사 신호 또는 용접부 루트부 신호

와 같은 유사지시 신호와 결함의 검출신호 사이의 구

분이 용이하였다3) 검사각 25˚~ 60˚ Sectorial Scan 주파수 20NHz

8 elements(1D) 8mm Aperture 및 004를 갖는 탐촉

자를 적용한 경우 모형 내부의 원주방향 및 축방향

결함검출이 양호하였다4) 탐촉자 웻지는 Rexolite 재질이며 피검체 접촉면

적(Foot Print)이 044 times 04로 모든 웰더렛 상부 및 용

접비드 상부에서 적용이 가능하였다

참고문헌

1 한국수력원자력(주) 원자력발전기술원 ldquo주증기배

관 웰더렛 용접부 실증실험 보고서rdquo 2011 2 KPD-UT-01 탄소강 배관 용접부의 초음파검사 기

량검증 절차서 3 CIVA 8090 Users Manual

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 41

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

에 설치한다 그러나 해당 부위 설치 이후에는 방사선 투과검사를 적용하기 어려워 초음파검사를 적용하고

자 하나 복잡한 형상으로 인하여 추가적인 기법 개발

이 요구된다본 논문에서는 주증기배관 6 8 및 12 웰더렛

용접부에 대한 검사기술 기준요건을 만족시키고 검사 신뢰도를 제고할 수 있도록 배관모형(Mockup)을

설계 제작하고 실증실험을 통해 위상배열 초음파검

사의 적용 가능성 정도를 제시하고자 한다

2 초음파검사 시뮬레이션

주증기배관 웰더렛 용접부는 복잡한 형상으로 인해

초음파검사의 적용이 어려운 상태로 초음파검사의 적

용 가능성에 대한 사전 평가가 필요하였다 비파괴검

사 시뮬레이션 프로그램인 CIVA를 이용하여 분기관

웰더렛 용접부 중 웰더렛 상부에서 검사가 가장 어렵

다고 판단되는 8 및 6에 대한 모델링 및 기존 초음

파검사(Conventional UT)에 대한 시뮬레이션을 수행

하였다 시뮬레이션 수행 전 웰더렛 형상 및 현장 상

황을 사전에 검토하였다 Fig 1은 웰더렛의 제작형상

과 현장에 설치된 형상을 보여주고 있다검사 대상부 모델링은 웰더렛 제작도면 현장 프로

파일 및 실측자료를 기초로 수행하였다 시뮬레이션

수행에 적용된 초음파검사기법은 직접 접촉식 수동

초음파검사 검사체 내부에 진행되는 파의 형태는 횡

파를 적용하였고 검사각도는 30˚ 45˚ 60˚ 탐촉자 크

기는 025 모양은 원형 주파수는 225MHz를 적용

하였다 검사범위는 웰더렛 상부에서 축방향 검사와

용접부 상부에서 원주방향 검사를 수행하였다 결함

검출 정도를 파악하기 위해 검사체 내부에 인공결함

을 삽입하였다 결함의 크기는 8의 경우 길이 64mm 높이 25mm 6의 경우 길이 50mm 높이 20mm 결함형상은 사각형 결함의 뒤틀림(Skew) 각도는 0˚를

적용하였다 총 3개의 결함을 삽입하였고 위치는 각각

Fig 1 Weldolet Shape and Figures

내면 용접부 중앙에서 웰더렛 방향으로 075 025 및 내면 용접부 중앙에서 주배관 방향으로 025에 위

치하였다 일반적으로 원전의 안전등급 1등급 배관의 검사체적은 Fusion Line＋14인치 두께의 13T를 기준

으로 하는 검사체적이 포함되도록 하나 주증기배관

의 웰더렛 용접부의 경우는 안전등급 2등급 배관의 용

접부로 관련 검사체적이 없어 내면 용접부 루트를 기

준으로 웰더렛 방향으로 075 주배관 방향으로 025까지를 검사체적으로 정하고 시뮬레이션을 수행하였

으므로 기술기준에서 요구하는 검사체적과는 상이한 측면이 존재한다 Fig 2에 모델링 형상 및 결함위치를

도시하였다축방향 검사 시뮬레이션에서 검사범위는 웰더렛 상

부에서 주배관 방향으로 40mm 데이터 취득은 05mm 간격으로 수행하였고 원주방향 검사는 검사범위를

용접부 상부에서 30mm 데이터 취득은 05mm 간격으

로 수행하였다 또한 주배관과 연결된 웰더렛 용접부

와 분기관의 원주를 기준으로 0˚와 90˚에서 각각 시뮬

레이션을 수행하였다 Fig 3은 축방향 검사로 0˚ 위치에서 수행한 시뮬레이션 결과이며 Fig 4는 90˚에서

Fig 2 Weldolet Modeling and Flaw Locations

Fig 3 Simulation Results of 8 Weldolet(0˚)

Fig 4 Simulation Results of 8 Weldolet(90˚)

42 이승표 김진회

Transaction of the KPVP Vol 7 No 3

수행한 결과를 나타내었다Fig 5는 원주방향 검사로 용접부 위에서 수행한 시

뮬레이션 결과를 나타내었다8 웰더렛 용접부에 대한 시뮬레이션 결과 축방향

및 원주방향 검사에서 결함 1 2 3의 검출은 양호

한 것으로 나타났으며 30˚ 검사의 경우도 결함 검출

에 문제가 없는 것으로 확인되었다 또한 6 웰더렛

용접부에 대한 시뮬레이션 결과도 8 결과와 동일하

게 나타났으며 복잡한 형상에도 불구하고 초음파검

사의 적용이 가능한 것으로 확인되었다 6에 대한 시

뮬레이션 결과 중 일부 결함검출 신호가 늘어지게 나

타난 이유는 탐촉자가 이동하면서 웰더렛 상부 평편

Fig 5 Simulation Results of Circ Scan for 8 Weldolet

Fig 6 Simulation Results of 6 Weldolet(0˚)

Fig 7 Simulation Results of 6 Weldolet(90˚)

Fig 8 Simulation Results of Circ Scan for 6 Weldolet

한 면을 지나서 용접비드 및 용접부 상부의 갭((Gap) 또는 턱진부분에서 발생한 신호이다 6에 대한 시뮬

레이션 결과를 Fig 6 Fig 7 및 Fig 8에 도시하였다

3 배관모형 및 인공결함 설계제작

주증기배관 웰더렛 용접부에 대한 초음파검사 적용 실험을 위해 현장 형상과 동일한 모형을 설계 제작하

였고 초음파검사의 신뢰성 측정을 위해 내면 용접부

및 인접 모재에 인공결함을 가공하였다 주증기배관

의 직경은 26625 두께 175며 재질은 SA 106 Gr C이다 주증기배관과 분기관 연결을 위해 적용된 6 8 12 웰더렛의 주요 사양을 Table 1에 기술하였다배관모형은 주증기 배관(Main Run)에 6 8 및 12

웰더렛이 용접된 형태로 현장과 동일하게 제작하였다 용접은 제작시 적용된 용접절차서로 수행하였고 용접 완료 후 후열처리 및 방사선투과검사와 자분탐상

검사를 수행하여 용접결함이 없음을 확인하였다 Fig 9는 제작된 배관모형을 보여준다초음파검사의 검출 신뢰성 평가를 위해 제작된 배

관모형 내면에 방전가공으로 노치 형태의 인공결함을 가공하였다 인공결함은 ASME Sec XI 요건을 적용

하였고 직경 4 이상의 배관에 대해 노치 반사면적은 0059(Sq inch) 깊이는 0157을 기준으로 설계하였

다 12 8 및 6 배관모형 각각의 내면에 원주방향 인

공결함 10개 축방향 인공결함 5개를 가공하였다 원주방향 인공결함의 위치는 0˚ 90˚ 180˚ 및 270˚이며 축방향 인공결함의 위치는 45˚ 135 225 및 315˚이다 인공결함의 크기를 Table 2에 기술하였다

Table 1 Specifications of 6 8 12 WeldoletWeldolet Sch 두께 재질

6 120 410 SA105

8 160 555 SA105

12 160 603 SA105

Fig 9 Figures of Mockup

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 43

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

Table 2 Specifications of Artificial Flaws No Size(mm)

6 Mockup 398 D(970 T) times 956 L times 025 W

8 Mockup 398 D(717 T) times 956 L times 025 W

12 Mockup 398 D(660 T) times 956 L times 025 W

Fig 10 Examples of Artificial Flaws

Fig 11 Locations of Flaws of 12 8 6 Mockup

Fig 10 및 11은 12 8 6 배관모형 내면에 가공

된 원주 및 축방향 인공결함과 가공위치를 나타내며 각각의 배관모형에서 동일한 위치에 가공하였다 초음파검사 장비 및 탐촉자 교정을 위해 웰더렛 직경을

반영한 교정시험편을 각각 제작하였다

4 초음파검사 적용 실험

41 위상배열초음파검사 개요

위상배열 초음파 검사기법의 중요한 특징은 사용자

가 컴퓨터를 이용하여 각각의 미세 진동자에 대하여 초

음파 지연시간과 진폭을 조절함으로써 초음파의 다양

한 변수들인 각도 집속 깊이(Focused Depth) 집속점에

서의 빔 반경(Focal Spot Size) 등을 제어할 수 있다는

것이다 초음파 탐상에서 검사의 민감도는 결함으로

부터 반사되어 돌아오는 초음파의 에너지에 의존한다 민감도를 높이기 위해서는 반사되어 돌아오는 에너지

를 높이는 방법 등이 있다 위상배열 초음파 검사에서 중요한 기능은 원하는

검사 깊이에 초음파 에너지를 집속시켜 초음파 손실을

보상하고 투과능을 높여 결함에서 반사되는 더 많은

초음파를 수신함으로서 결함의 검출 감도 및 분해능

Fig 12 Beam Focusing and Steering

을 높게 하는 것이다 Fig 12는 각 진동자(Element)에서 서로 다른 시간지연이 적용되어 초음파 빔의 집속

(Focusing) 및 빔 조정(Beam Steering)이 이루어지는

개념을 보여준다

42 위상배열 초음파검사 실험

위상배열 초음파검사 기법에 대한 실증실험을 위

하여 휴대용 위상배열 초음파검사 장비인 Phasor XS (GE 미국) 장비를 적용하였다 탐촉자 주파수는 20NHz (8 elements)을 적용하다 탐촉자의 진동자 사이의 간격

을 나타내는 피치(Pitch)는 004 탐촉자 크기는 길이

059 폭 111 높이 1055이다 웻지의 재질은 Rexolite (0092inch) 웻지의 검사체 접촉면적은 길이 044 폭 04이다 12 8 및 6 배관모형의 원주방향 및 축

방향 인공결함을 검출하기 위해 검사각도는 25˚~ 60˚ Sectorial Scan 및 각 웰더렛 두께의 바닥면에 빔 집속

이 되도록 적용하여 실험하였다

421 12 배관모형 실험결과

12 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚의 Sectorial Scan을 적용하였다 12배관모

형의 웰더렛 내부에는 테이퍼 면(≒ 45˚경사면)이 존

재하므로 인접된 부위에 가공된 인공결함 검출신호와

혼합되어 나타나는 결과를 보여주었다배관모형 0 위치에 있는 2개의 원주방향 결함에 대

한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 13에 나타내었다 신호 1은 테이퍼에서 반사된 신호이며 신호 2는 첫 번째 결함의 초음파 검출신호이고 신호 3은 두 번째

결함의 검출 신호이다 위상배열 초음파검사는 검사

체 내부에 다양한 검사각 적용이 가능하고 A-Scan 신호 및 B-Scan 신호를 동시에 보여줌으로써 웰더렛 배

관모형 내부의 테이퍼 면에서 발생하는 유사지시 신

44 이승표 김진회

Transaction of the KPVP Vol 7 No 3

호와 결함 검출 신호의 분리가 가능하였다12 배관모형의 90˚에 위치한 2개의 원주결함에 대

한 초음파 검출신호를 Fig 14에 나타내었다 그림에서 제시된 바와 같이 테이퍼 면 이후에 인공결함이 가공

되어 있고 인공결함 사이에는 내면 용접부 루트가 존

재한다 신호 1은 테이퍼에서 반사된 신호이며 신호

2는 결함 1 2의 검출신호로 두 결함 신호가 혼합

되어 표시되나 분리가 가능하였다배관모형 180˚에 위치한 3개의 원주방향 결함의 형

상 및 초음파 검출신호를 Fig 15에 나타내었다 그림

에서 제시된 바와 같이 테이퍼 인접 면에 인공결함 1이 가공되어있다 신호 1 및 2는 테이퍼 반사 신호와

결함 1의 검출신호가 혼합되어 나타나는 신호로 신호의 분리 해석이 가능하며 신호 3과 4는 결함 2와 3에 대한 검출 신호로 두 결함에 대한 신호 해석

Fig 13 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 14 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

Fig 15 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

적 분리도 양호하였다270˚에 위치한 3개의 원주방향 결함에 대한 초음파

검출신호를 Fig 16에 나타내었다 신호 1은 결함 1 신호 2는 결함 2와 용접 루트부의 신호가 혼합되어

나타나나 결함 2 신호가 더 크게 나타나므로 루트부

에서 발생하는 유사 신호와 구분은 양호하였다 신호

3은 결함 3의 초음파 검출신호를 나타낸다 그림에

서 나타난 것처럼 인접 결함들과의 신호 구분 및 검출

정도가 양호하였다 12 배관모형 내 축 방향으로 가공된 인공결함을

Fig 17에 나타내었다 축방향 인공결함은 45˚ 위치에

Fig 16 UT Signals of Circ Flaws at 270˚ Location

Fig 17 Location of Axial Flaws

Fig 18 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 19 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 45

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

1개 135 위치에 1개 225 위치에 1개 및 315 위치에

2개를 각각 가공하였다축방향 결함 검출을 위해 25˚~ 60˚ Sectorial Scan을

적용하여 용접부 위(On weld)에서 실험을 수행하였다 45˚ 135˚ 225˚ 위치에 있는 축방향 결함의 검출 신호

를 Fig 18에 나타내었다 배관모형의 용접부 상부에

서 수행한 실험 결과 축방향 결함에 대한 검출 신호

는 모두 양호하였다 또한 315 위치에 용접부 내면 루

트부를 중심으로 상하부에 가공된 축방향 인공결함에

대한 검출 신호를 Fig 19에 나타내었으며 결함 1 및

2에 대한 검출신호는 모두 양호하였다

422 8 배관모형 실험결과

8 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚ Sectorial Scan을 적용하였다 8 배관모형

은 12 배관모형과는 다르게 웰더렛 내부에 테이퍼 면

이 없어 혼합되는 초음파 신호가 없고 신호가 상대적

으로 양호하게 검출되었다 배관모형 0˚ 위치에 있는

2개의 원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결

Fig 20 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 21 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

Fig 22 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

과를 Fig 20에 나타내었다 신호 1은 첫 번째 결함의

초음파 검출 신호이며 신호 2는 두 번째 결함의 검

출 신호로 웰더렛 상부에서 탐촉자의 접촉 면적 및 검

사 가능거리가 적음에도 불구하고 두 개의 인공결함

에 대한 검출은 양호하였다 또한 배관모형 90˚ 위치에 있는 2개의 원주방향 결

함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 21에 나

타내었으며 검출 신호가 모두 양호하였다 0˚ 위치보

다는 탐촉자의 접촉면적 및 검사 가능거리가 상대적

으로 넓어 전후 주사가 가능하였다배관모형 180˚ 및 270˚ 위치에 각각 3개씩 가공된

원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를

Fig 22 및 23에 나타내었으며 검출 신호가 모두 양

호하였다 270˚ 위치는 180˚ 위치보다 상대적으로 탐

촉자 접촉 및 검사 가능거리가 넓어 실험을 위한 탐

촉자 적용이 유리하나 두 위치 모두 결함에 대한 검

출 정도에서 차이는 없는 것으로 나타났다8 배관모형 45 135 및 225 위치에 각각 1개씩 가

Fig 23 UT Signals of Circ Flaws at 270˚ Location

Fig 24 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 25 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

46 이승표 김진회

Transaction of the KPVP Vol 7 No 3

공된 축방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과

를 Fig 24에 나타내었으며 각 인공결함에 대한 초음

파검사 검출 신호는 매우 양호하였다 또한 315 위치에 내면 용접부 내면 루트부를 기준

으로 상하에 각각 가공된 2개의 축방향 결함에 대한

위상배열 초음파검사 결과를 Fig 25에 나타내었으며

결함으로 부터의 반사 신호와 검출 정도가 모두 양호

한 것으로 나타났다

423 6 배관모형 실험결과

6 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚의 Sectorial Scan을 적용하였다 6 배관

모형은 12 배관모형과 동일하게 웰더렛 내부에 테이

퍼 면(≒ 30˚ 경사면)이 존재하여 인접한 인공결함과

혼합되는 신호가 발생하였고 0 및 90 위치에서 실험

한 경우 검사 가능거리 및 폭이 좁은 상황임에도 불

구하고 검출 신호는 비교적 양호하였다 0˚ 위치에 있

는 2개의 원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사

결과를 Fig 26에 나타내었다 2개의 결함 사이에 테이

퍼 면이 존재하여 신호가 합성되어 나타나지만 구분

이 가능하였다 신호 1과 3은 첫 번째 및 두 번째 결

함의 초음파 검출 신호이며 신호 2는 테이퍼 면에서

반사된 유사지시 신호이다 세 개의 검출신호가 혼합

되어 나타나 보이지만 A-Scan 및 B-Scan의 신호해석

을 통해 신호의 구분이 가능하였다

Fig 26 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 27 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

6 배관모형 90˚ 위치에 있는 2개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 27에 나타

내었다 결함 1과 2의 앞부분에 테이퍼 면이 존재하

므로 신호 1은 테이퍼 면 반사 신호이며 신호 2는

결함 1의 검출신호로 두 신호가 혼합되어 나타나지

만 신호 해석에서 A-Scan 및 B-Scan을 활용하여 평가

하면 분리가 가능하였고 신호 3은 결함 2에 대한

검출 신호이다6 배관모형 180 위치에 있는 3개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 28에 나타

내었다 두 번째 결함과 테이퍼 면이 인접해 있어 신

호 2 및 3에서 나타난 것처럼 테이퍼 신호와 결함

2의 검출 신호가 혼합되어 나타나지만 A-Scan 및 B- Scan을 통한 신호 해석을 통해 분리 해석이 가능하였

다 신호 1 및 4는 결함 1과 3의 반사 신호이며 신

호 해석에 문제가 없고 검출이 양호하였다6 배관모형 270 위치에 있는 3개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 29에 나타

Fig 28 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

Fig 29 UT signals of Circ Flaws at 270˚ Location

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 47

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

Fig 30 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 31 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

내었다 첫 번째 결함과 두 번째 결함 사이에 테이퍼

면이 존재하고 있어 신호 1과 2에서 나타나듯이 결

함 1과 테이퍼 신호가 혼합되어 나타나지만 A-Scan 및 B-Scan의 신호 해석을 통해 분리가 가능하였다 신호 3 및 4는 결함 2와 3의 반사 신호이며 신호 해

석에 문제가 없고 검출이 양호하였다 배관모형 45˚ 135˚ 및 225 위치에 각각 1개씩 가공

된 축방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를

Fig 30에 나타내었으며 각 인공결함에 대한 초음파

검사 검출 신호는 매우 양호하였다 315 위치의 용접부 내면 루트부를 기준으로 상하에

각각 가공된 2개의 축방향 결함에 대한 위상배열 초

음파검사 결과를 Fig 31에 나타내었으며 결함으로 부

터의 반사 신호와 검출 정도가 모두 양호하였다

5 결 론

원전 주증기배관과 12 8 6 배관이 연결되는 분

기관 웰더렛 용접부는 파단면제 설계개념이 적용된

부위이다 동 부위에 대한 원전 최종안전성분석보고

서 요건에 의거 강화 가동중검사로 100 체적검사를

요구하고 있으나 해당 웰더렛 용접부의 복잡한 형상

으로 인해 체적검사인 초음파검사의 적용이 어려운

실정이다 기존 초음파검사방법(Conventional UT)으로

검사 기술기준 요건 충족에 어려움이 있어 이를 해결

하기 위해 위상배열 초음파검사기법을 적용하여 실험

하였다 웰더렛 상부에서 주배관과 웰더렛 용접부에

대한 위상배열 초음파검사를 수행하기 위해 현장과 동

일한 형태의 배관모형을 제작하고 결함 검출 적절성

을 평가하기 위해 내부에 인공결함을 원주 및 축 방향

으로 각각 가공하여 실험을 수행하였다 12 8 및 6 분기관 웰더렛 용접부에 대한 실증실험 및 신호평가

결과 원주 및 축 방향 결함의 검출을 위해 수행된 실

험결과는 다음과 같다 1) 배관모형 내부에 가공된 인공결함의 검출은 대부

분 양호하였으나 내부에 존재하는 테이퍼 면의 반사 신호와 인접한 결함의 검출신호가 혼합되어 나타났다

2) 위상배열 초음파검사는 배관모형 내부에 다중의

검사각이 적용되고 B-Scan(Sectorial View)을 동시에

지원하여 테이퍼 반사 신호 또는 용접부 루트부 신호

와 같은 유사지시 신호와 결함의 검출신호 사이의 구

분이 용이하였다3) 검사각 25˚~ 60˚ Sectorial Scan 주파수 20NHz

8 elements(1D) 8mm Aperture 및 004를 갖는 탐촉

자를 적용한 경우 모형 내부의 원주방향 및 축방향

결함검출이 양호하였다4) 탐촉자 웻지는 Rexolite 재질이며 피검체 접촉면

적(Foot Print)이 044 times 04로 모든 웰더렛 상부 및 용

접비드 상부에서 적용이 가능하였다

참고문헌

1 한국수력원자력(주) 원자력발전기술원 ldquo주증기배

관 웰더렛 용접부 실증실험 보고서rdquo 2011 2 KPD-UT-01 탄소강 배관 용접부의 초음파검사 기

량검증 절차서 3 CIVA 8090 Users Manual

42 이승표 김진회

Transaction of the KPVP Vol 7 No 3

수행한 결과를 나타내었다Fig 5는 원주방향 검사로 용접부 위에서 수행한 시

뮬레이션 결과를 나타내었다8 웰더렛 용접부에 대한 시뮬레이션 결과 축방향

및 원주방향 검사에서 결함 1 2 3의 검출은 양호

한 것으로 나타났으며 30˚ 검사의 경우도 결함 검출

에 문제가 없는 것으로 확인되었다 또한 6 웰더렛

용접부에 대한 시뮬레이션 결과도 8 결과와 동일하

게 나타났으며 복잡한 형상에도 불구하고 초음파검

사의 적용이 가능한 것으로 확인되었다 6에 대한 시

뮬레이션 결과 중 일부 결함검출 신호가 늘어지게 나

타난 이유는 탐촉자가 이동하면서 웰더렛 상부 평편

Fig 5 Simulation Results of Circ Scan for 8 Weldolet

Fig 6 Simulation Results of 6 Weldolet(0˚)

Fig 7 Simulation Results of 6 Weldolet(90˚)

Fig 8 Simulation Results of Circ Scan for 6 Weldolet

한 면을 지나서 용접비드 및 용접부 상부의 갭((Gap) 또는 턱진부분에서 발생한 신호이다 6에 대한 시뮬

레이션 결과를 Fig 6 Fig 7 및 Fig 8에 도시하였다

3 배관모형 및 인공결함 설계제작

주증기배관 웰더렛 용접부에 대한 초음파검사 적용 실험을 위해 현장 형상과 동일한 모형을 설계 제작하

였고 초음파검사의 신뢰성 측정을 위해 내면 용접부

및 인접 모재에 인공결함을 가공하였다 주증기배관

의 직경은 26625 두께 175며 재질은 SA 106 Gr C이다 주증기배관과 분기관 연결을 위해 적용된 6 8 12 웰더렛의 주요 사양을 Table 1에 기술하였다배관모형은 주증기 배관(Main Run)에 6 8 및 12

웰더렛이 용접된 형태로 현장과 동일하게 제작하였다 용접은 제작시 적용된 용접절차서로 수행하였고 용접 완료 후 후열처리 및 방사선투과검사와 자분탐상

검사를 수행하여 용접결함이 없음을 확인하였다 Fig 9는 제작된 배관모형을 보여준다초음파검사의 검출 신뢰성 평가를 위해 제작된 배

관모형 내면에 방전가공으로 노치 형태의 인공결함을 가공하였다 인공결함은 ASME Sec XI 요건을 적용

하였고 직경 4 이상의 배관에 대해 노치 반사면적은 0059(Sq inch) 깊이는 0157을 기준으로 설계하였

다 12 8 및 6 배관모형 각각의 내면에 원주방향 인

공결함 10개 축방향 인공결함 5개를 가공하였다 원주방향 인공결함의 위치는 0˚ 90˚ 180˚ 및 270˚이며 축방향 인공결함의 위치는 45˚ 135 225 및 315˚이다 인공결함의 크기를 Table 2에 기술하였다

Table 1 Specifications of 6 8 12 WeldoletWeldolet Sch 두께 재질

6 120 410 SA105

8 160 555 SA105

12 160 603 SA105

Fig 9 Figures of Mockup

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 43

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

Table 2 Specifications of Artificial Flaws No Size(mm)

6 Mockup 398 D(970 T) times 956 L times 025 W

8 Mockup 398 D(717 T) times 956 L times 025 W

12 Mockup 398 D(660 T) times 956 L times 025 W

Fig 10 Examples of Artificial Flaws

Fig 11 Locations of Flaws of 12 8 6 Mockup

Fig 10 및 11은 12 8 6 배관모형 내면에 가공

된 원주 및 축방향 인공결함과 가공위치를 나타내며 각각의 배관모형에서 동일한 위치에 가공하였다 초음파검사 장비 및 탐촉자 교정을 위해 웰더렛 직경을

반영한 교정시험편을 각각 제작하였다

4 초음파검사 적용 실험

41 위상배열초음파검사 개요

위상배열 초음파 검사기법의 중요한 특징은 사용자

가 컴퓨터를 이용하여 각각의 미세 진동자에 대하여 초

음파 지연시간과 진폭을 조절함으로써 초음파의 다양

한 변수들인 각도 집속 깊이(Focused Depth) 집속점에

서의 빔 반경(Focal Spot Size) 등을 제어할 수 있다는

것이다 초음파 탐상에서 검사의 민감도는 결함으로

부터 반사되어 돌아오는 초음파의 에너지에 의존한다 민감도를 높이기 위해서는 반사되어 돌아오는 에너지

를 높이는 방법 등이 있다 위상배열 초음파 검사에서 중요한 기능은 원하는

검사 깊이에 초음파 에너지를 집속시켜 초음파 손실을

보상하고 투과능을 높여 결함에서 반사되는 더 많은

초음파를 수신함으로서 결함의 검출 감도 및 분해능

Fig 12 Beam Focusing and Steering

을 높게 하는 것이다 Fig 12는 각 진동자(Element)에서 서로 다른 시간지연이 적용되어 초음파 빔의 집속

(Focusing) 및 빔 조정(Beam Steering)이 이루어지는

개념을 보여준다

42 위상배열 초음파검사 실험

위상배열 초음파검사 기법에 대한 실증실험을 위

하여 휴대용 위상배열 초음파검사 장비인 Phasor XS (GE 미국) 장비를 적용하였다 탐촉자 주파수는 20NHz (8 elements)을 적용하다 탐촉자의 진동자 사이의 간격

을 나타내는 피치(Pitch)는 004 탐촉자 크기는 길이

059 폭 111 높이 1055이다 웻지의 재질은 Rexolite (0092inch) 웻지의 검사체 접촉면적은 길이 044 폭 04이다 12 8 및 6 배관모형의 원주방향 및 축

방향 인공결함을 검출하기 위해 검사각도는 25˚~ 60˚ Sectorial Scan 및 각 웰더렛 두께의 바닥면에 빔 집속

이 되도록 적용하여 실험하였다

421 12 배관모형 실험결과

12 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚의 Sectorial Scan을 적용하였다 12배관모

형의 웰더렛 내부에는 테이퍼 면(≒ 45˚경사면)이 존

재하므로 인접된 부위에 가공된 인공결함 검출신호와

혼합되어 나타나는 결과를 보여주었다배관모형 0 위치에 있는 2개의 원주방향 결함에 대

한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 13에 나타내었다 신호 1은 테이퍼에서 반사된 신호이며 신호 2는 첫 번째 결함의 초음파 검출신호이고 신호 3은 두 번째

결함의 검출 신호이다 위상배열 초음파검사는 검사

체 내부에 다양한 검사각 적용이 가능하고 A-Scan 신호 및 B-Scan 신호를 동시에 보여줌으로써 웰더렛 배

관모형 내부의 테이퍼 면에서 발생하는 유사지시 신

44 이승표 김진회

Transaction of the KPVP Vol 7 No 3

호와 결함 검출 신호의 분리가 가능하였다12 배관모형의 90˚에 위치한 2개의 원주결함에 대

한 초음파 검출신호를 Fig 14에 나타내었다 그림에서 제시된 바와 같이 테이퍼 면 이후에 인공결함이 가공

되어 있고 인공결함 사이에는 내면 용접부 루트가 존

재한다 신호 1은 테이퍼에서 반사된 신호이며 신호

2는 결함 1 2의 검출신호로 두 결함 신호가 혼합

되어 표시되나 분리가 가능하였다배관모형 180˚에 위치한 3개의 원주방향 결함의 형

상 및 초음파 검출신호를 Fig 15에 나타내었다 그림

에서 제시된 바와 같이 테이퍼 인접 면에 인공결함 1이 가공되어있다 신호 1 및 2는 테이퍼 반사 신호와

결함 1의 검출신호가 혼합되어 나타나는 신호로 신호의 분리 해석이 가능하며 신호 3과 4는 결함 2와 3에 대한 검출 신호로 두 결함에 대한 신호 해석

Fig 13 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 14 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

Fig 15 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

적 분리도 양호하였다270˚에 위치한 3개의 원주방향 결함에 대한 초음파

검출신호를 Fig 16에 나타내었다 신호 1은 결함 1 신호 2는 결함 2와 용접 루트부의 신호가 혼합되어

나타나나 결함 2 신호가 더 크게 나타나므로 루트부

에서 발생하는 유사 신호와 구분은 양호하였다 신호

3은 결함 3의 초음파 검출신호를 나타낸다 그림에

서 나타난 것처럼 인접 결함들과의 신호 구분 및 검출

정도가 양호하였다 12 배관모형 내 축 방향으로 가공된 인공결함을

Fig 17에 나타내었다 축방향 인공결함은 45˚ 위치에

Fig 16 UT Signals of Circ Flaws at 270˚ Location

Fig 17 Location of Axial Flaws

Fig 18 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 19 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 45

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

1개 135 위치에 1개 225 위치에 1개 및 315 위치에

2개를 각각 가공하였다축방향 결함 검출을 위해 25˚~ 60˚ Sectorial Scan을

적용하여 용접부 위(On weld)에서 실험을 수행하였다 45˚ 135˚ 225˚ 위치에 있는 축방향 결함의 검출 신호

를 Fig 18에 나타내었다 배관모형의 용접부 상부에

서 수행한 실험 결과 축방향 결함에 대한 검출 신호

는 모두 양호하였다 또한 315 위치에 용접부 내면 루

트부를 중심으로 상하부에 가공된 축방향 인공결함에

대한 검출 신호를 Fig 19에 나타내었으며 결함 1 및

2에 대한 검출신호는 모두 양호하였다

422 8 배관모형 실험결과

8 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚ Sectorial Scan을 적용하였다 8 배관모형

은 12 배관모형과는 다르게 웰더렛 내부에 테이퍼 면

이 없어 혼합되는 초음파 신호가 없고 신호가 상대적

으로 양호하게 검출되었다 배관모형 0˚ 위치에 있는

2개의 원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결

Fig 20 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 21 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

Fig 22 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

과를 Fig 20에 나타내었다 신호 1은 첫 번째 결함의

초음파 검출 신호이며 신호 2는 두 번째 결함의 검

출 신호로 웰더렛 상부에서 탐촉자의 접촉 면적 및 검

사 가능거리가 적음에도 불구하고 두 개의 인공결함

에 대한 검출은 양호하였다 또한 배관모형 90˚ 위치에 있는 2개의 원주방향 결

함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 21에 나

타내었으며 검출 신호가 모두 양호하였다 0˚ 위치보

다는 탐촉자의 접촉면적 및 검사 가능거리가 상대적

으로 넓어 전후 주사가 가능하였다배관모형 180˚ 및 270˚ 위치에 각각 3개씩 가공된

원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를

Fig 22 및 23에 나타내었으며 검출 신호가 모두 양

호하였다 270˚ 위치는 180˚ 위치보다 상대적으로 탐

촉자 접촉 및 검사 가능거리가 넓어 실험을 위한 탐

촉자 적용이 유리하나 두 위치 모두 결함에 대한 검

출 정도에서 차이는 없는 것으로 나타났다8 배관모형 45 135 및 225 위치에 각각 1개씩 가

Fig 23 UT Signals of Circ Flaws at 270˚ Location

Fig 24 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 25 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

46 이승표 김진회

Transaction of the KPVP Vol 7 No 3

공된 축방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과

를 Fig 24에 나타내었으며 각 인공결함에 대한 초음

파검사 검출 신호는 매우 양호하였다 또한 315 위치에 내면 용접부 내면 루트부를 기준

으로 상하에 각각 가공된 2개의 축방향 결함에 대한

위상배열 초음파검사 결과를 Fig 25에 나타내었으며

결함으로 부터의 반사 신호와 검출 정도가 모두 양호

한 것으로 나타났다

423 6 배관모형 실험결과

6 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚의 Sectorial Scan을 적용하였다 6 배관

모형은 12 배관모형과 동일하게 웰더렛 내부에 테이

퍼 면(≒ 30˚ 경사면)이 존재하여 인접한 인공결함과

혼합되는 신호가 발생하였고 0 및 90 위치에서 실험

한 경우 검사 가능거리 및 폭이 좁은 상황임에도 불

구하고 검출 신호는 비교적 양호하였다 0˚ 위치에 있

는 2개의 원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사

결과를 Fig 26에 나타내었다 2개의 결함 사이에 테이

퍼 면이 존재하여 신호가 합성되어 나타나지만 구분

이 가능하였다 신호 1과 3은 첫 번째 및 두 번째 결

함의 초음파 검출 신호이며 신호 2는 테이퍼 면에서

반사된 유사지시 신호이다 세 개의 검출신호가 혼합

되어 나타나 보이지만 A-Scan 및 B-Scan의 신호해석

을 통해 신호의 구분이 가능하였다

Fig 26 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 27 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

6 배관모형 90˚ 위치에 있는 2개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 27에 나타

내었다 결함 1과 2의 앞부분에 테이퍼 면이 존재하

므로 신호 1은 테이퍼 면 반사 신호이며 신호 2는

결함 1의 검출신호로 두 신호가 혼합되어 나타나지

만 신호 해석에서 A-Scan 및 B-Scan을 활용하여 평가

하면 분리가 가능하였고 신호 3은 결함 2에 대한

검출 신호이다6 배관모형 180 위치에 있는 3개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 28에 나타

내었다 두 번째 결함과 테이퍼 면이 인접해 있어 신

호 2 및 3에서 나타난 것처럼 테이퍼 신호와 결함

2의 검출 신호가 혼합되어 나타나지만 A-Scan 및 B- Scan을 통한 신호 해석을 통해 분리 해석이 가능하였

다 신호 1 및 4는 결함 1과 3의 반사 신호이며 신

호 해석에 문제가 없고 검출이 양호하였다6 배관모형 270 위치에 있는 3개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 29에 나타

Fig 28 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

Fig 29 UT signals of Circ Flaws at 270˚ Location

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 47

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

Fig 30 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 31 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

내었다 첫 번째 결함과 두 번째 결함 사이에 테이퍼

면이 존재하고 있어 신호 1과 2에서 나타나듯이 결

함 1과 테이퍼 신호가 혼합되어 나타나지만 A-Scan 및 B-Scan의 신호 해석을 통해 분리가 가능하였다 신호 3 및 4는 결함 2와 3의 반사 신호이며 신호 해

석에 문제가 없고 검출이 양호하였다 배관모형 45˚ 135˚ 및 225 위치에 각각 1개씩 가공

된 축방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를

Fig 30에 나타내었으며 각 인공결함에 대한 초음파

검사 검출 신호는 매우 양호하였다 315 위치의 용접부 내면 루트부를 기준으로 상하에

각각 가공된 2개의 축방향 결함에 대한 위상배열 초

음파검사 결과를 Fig 31에 나타내었으며 결함으로 부

터의 반사 신호와 검출 정도가 모두 양호하였다

5 결 론

원전 주증기배관과 12 8 6 배관이 연결되는 분

기관 웰더렛 용접부는 파단면제 설계개념이 적용된

부위이다 동 부위에 대한 원전 최종안전성분석보고

서 요건에 의거 강화 가동중검사로 100 체적검사를

요구하고 있으나 해당 웰더렛 용접부의 복잡한 형상

으로 인해 체적검사인 초음파검사의 적용이 어려운

실정이다 기존 초음파검사방법(Conventional UT)으로

검사 기술기준 요건 충족에 어려움이 있어 이를 해결

하기 위해 위상배열 초음파검사기법을 적용하여 실험

하였다 웰더렛 상부에서 주배관과 웰더렛 용접부에

대한 위상배열 초음파검사를 수행하기 위해 현장과 동

일한 형태의 배관모형을 제작하고 결함 검출 적절성

을 평가하기 위해 내부에 인공결함을 원주 및 축 방향

으로 각각 가공하여 실험을 수행하였다 12 8 및 6 분기관 웰더렛 용접부에 대한 실증실험 및 신호평가

결과 원주 및 축 방향 결함의 검출을 위해 수행된 실

험결과는 다음과 같다 1) 배관모형 내부에 가공된 인공결함의 검출은 대부

분 양호하였으나 내부에 존재하는 테이퍼 면의 반사 신호와 인접한 결함의 검출신호가 혼합되어 나타났다

2) 위상배열 초음파검사는 배관모형 내부에 다중의

검사각이 적용되고 B-Scan(Sectorial View)을 동시에

지원하여 테이퍼 반사 신호 또는 용접부 루트부 신호

와 같은 유사지시 신호와 결함의 검출신호 사이의 구

분이 용이하였다3) 검사각 25˚~ 60˚ Sectorial Scan 주파수 20NHz

8 elements(1D) 8mm Aperture 및 004를 갖는 탐촉

자를 적용한 경우 모형 내부의 원주방향 및 축방향

결함검출이 양호하였다4) 탐촉자 웻지는 Rexolite 재질이며 피검체 접촉면

적(Foot Print)이 044 times 04로 모든 웰더렛 상부 및 용

접비드 상부에서 적용이 가능하였다

참고문헌

1 한국수력원자력(주) 원자력발전기술원 ldquo주증기배

관 웰더렛 용접부 실증실험 보고서rdquo 2011 2 KPD-UT-01 탄소강 배관 용접부의 초음파검사 기

량검증 절차서 3 CIVA 8090 Users Manual

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 43

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

Table 2 Specifications of Artificial Flaws No Size(mm)

6 Mockup 398 D(970 T) times 956 L times 025 W

8 Mockup 398 D(717 T) times 956 L times 025 W

12 Mockup 398 D(660 T) times 956 L times 025 W

Fig 10 Examples of Artificial Flaws

Fig 11 Locations of Flaws of 12 8 6 Mockup

Fig 10 및 11은 12 8 6 배관모형 내면에 가공

된 원주 및 축방향 인공결함과 가공위치를 나타내며 각각의 배관모형에서 동일한 위치에 가공하였다 초음파검사 장비 및 탐촉자 교정을 위해 웰더렛 직경을

반영한 교정시험편을 각각 제작하였다

4 초음파검사 적용 실험

41 위상배열초음파검사 개요

위상배열 초음파 검사기법의 중요한 특징은 사용자

가 컴퓨터를 이용하여 각각의 미세 진동자에 대하여 초

음파 지연시간과 진폭을 조절함으로써 초음파의 다양

한 변수들인 각도 집속 깊이(Focused Depth) 집속점에

서의 빔 반경(Focal Spot Size) 등을 제어할 수 있다는

것이다 초음파 탐상에서 검사의 민감도는 결함으로

부터 반사되어 돌아오는 초음파의 에너지에 의존한다 민감도를 높이기 위해서는 반사되어 돌아오는 에너지

를 높이는 방법 등이 있다 위상배열 초음파 검사에서 중요한 기능은 원하는

검사 깊이에 초음파 에너지를 집속시켜 초음파 손실을

보상하고 투과능을 높여 결함에서 반사되는 더 많은

초음파를 수신함으로서 결함의 검출 감도 및 분해능

Fig 12 Beam Focusing and Steering

을 높게 하는 것이다 Fig 12는 각 진동자(Element)에서 서로 다른 시간지연이 적용되어 초음파 빔의 집속

(Focusing) 및 빔 조정(Beam Steering)이 이루어지는

개념을 보여준다

42 위상배열 초음파검사 실험

위상배열 초음파검사 기법에 대한 실증실험을 위

하여 휴대용 위상배열 초음파검사 장비인 Phasor XS (GE 미국) 장비를 적용하였다 탐촉자 주파수는 20NHz (8 elements)을 적용하다 탐촉자의 진동자 사이의 간격

을 나타내는 피치(Pitch)는 004 탐촉자 크기는 길이

059 폭 111 높이 1055이다 웻지의 재질은 Rexolite (0092inch) 웻지의 검사체 접촉면적은 길이 044 폭 04이다 12 8 및 6 배관모형의 원주방향 및 축

방향 인공결함을 검출하기 위해 검사각도는 25˚~ 60˚ Sectorial Scan 및 각 웰더렛 두께의 바닥면에 빔 집속

이 되도록 적용하여 실험하였다

421 12 배관모형 실험결과

12 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚의 Sectorial Scan을 적용하였다 12배관모

형의 웰더렛 내부에는 테이퍼 면(≒ 45˚경사면)이 존

재하므로 인접된 부위에 가공된 인공결함 검출신호와

혼합되어 나타나는 결과를 보여주었다배관모형 0 위치에 있는 2개의 원주방향 결함에 대

한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 13에 나타내었다 신호 1은 테이퍼에서 반사된 신호이며 신호 2는 첫 번째 결함의 초음파 검출신호이고 신호 3은 두 번째

결함의 검출 신호이다 위상배열 초음파검사는 검사

체 내부에 다양한 검사각 적용이 가능하고 A-Scan 신호 및 B-Scan 신호를 동시에 보여줌으로써 웰더렛 배

관모형 내부의 테이퍼 면에서 발생하는 유사지시 신

44 이승표 김진회

Transaction of the KPVP Vol 7 No 3

호와 결함 검출 신호의 분리가 가능하였다12 배관모형의 90˚에 위치한 2개의 원주결함에 대

한 초음파 검출신호를 Fig 14에 나타내었다 그림에서 제시된 바와 같이 테이퍼 면 이후에 인공결함이 가공

되어 있고 인공결함 사이에는 내면 용접부 루트가 존

재한다 신호 1은 테이퍼에서 반사된 신호이며 신호

2는 결함 1 2의 검출신호로 두 결함 신호가 혼합

되어 표시되나 분리가 가능하였다배관모형 180˚에 위치한 3개의 원주방향 결함의 형

상 및 초음파 검출신호를 Fig 15에 나타내었다 그림

에서 제시된 바와 같이 테이퍼 인접 면에 인공결함 1이 가공되어있다 신호 1 및 2는 테이퍼 반사 신호와

결함 1의 검출신호가 혼합되어 나타나는 신호로 신호의 분리 해석이 가능하며 신호 3과 4는 결함 2와 3에 대한 검출 신호로 두 결함에 대한 신호 해석

Fig 13 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 14 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

Fig 15 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

적 분리도 양호하였다270˚에 위치한 3개의 원주방향 결함에 대한 초음파

검출신호를 Fig 16에 나타내었다 신호 1은 결함 1 신호 2는 결함 2와 용접 루트부의 신호가 혼합되어

나타나나 결함 2 신호가 더 크게 나타나므로 루트부

에서 발생하는 유사 신호와 구분은 양호하였다 신호

3은 결함 3의 초음파 검출신호를 나타낸다 그림에

서 나타난 것처럼 인접 결함들과의 신호 구분 및 검출

정도가 양호하였다 12 배관모형 내 축 방향으로 가공된 인공결함을

Fig 17에 나타내었다 축방향 인공결함은 45˚ 위치에

Fig 16 UT Signals of Circ Flaws at 270˚ Location

Fig 17 Location of Axial Flaws

Fig 18 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 19 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 45

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

1개 135 위치에 1개 225 위치에 1개 및 315 위치에

2개를 각각 가공하였다축방향 결함 검출을 위해 25˚~ 60˚ Sectorial Scan을

적용하여 용접부 위(On weld)에서 실험을 수행하였다 45˚ 135˚ 225˚ 위치에 있는 축방향 결함의 검출 신호

를 Fig 18에 나타내었다 배관모형의 용접부 상부에

서 수행한 실험 결과 축방향 결함에 대한 검출 신호

는 모두 양호하였다 또한 315 위치에 용접부 내면 루

트부를 중심으로 상하부에 가공된 축방향 인공결함에

대한 검출 신호를 Fig 19에 나타내었으며 결함 1 및

2에 대한 검출신호는 모두 양호하였다

422 8 배관모형 실험결과

8 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚ Sectorial Scan을 적용하였다 8 배관모형

은 12 배관모형과는 다르게 웰더렛 내부에 테이퍼 면

이 없어 혼합되는 초음파 신호가 없고 신호가 상대적

으로 양호하게 검출되었다 배관모형 0˚ 위치에 있는

2개의 원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결

Fig 20 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 21 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

Fig 22 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

과를 Fig 20에 나타내었다 신호 1은 첫 번째 결함의

초음파 검출 신호이며 신호 2는 두 번째 결함의 검

출 신호로 웰더렛 상부에서 탐촉자의 접촉 면적 및 검

사 가능거리가 적음에도 불구하고 두 개의 인공결함

에 대한 검출은 양호하였다 또한 배관모형 90˚ 위치에 있는 2개의 원주방향 결

함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 21에 나

타내었으며 검출 신호가 모두 양호하였다 0˚ 위치보

다는 탐촉자의 접촉면적 및 검사 가능거리가 상대적

으로 넓어 전후 주사가 가능하였다배관모형 180˚ 및 270˚ 위치에 각각 3개씩 가공된

원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를

Fig 22 및 23에 나타내었으며 검출 신호가 모두 양

호하였다 270˚ 위치는 180˚ 위치보다 상대적으로 탐

촉자 접촉 및 검사 가능거리가 넓어 실험을 위한 탐

촉자 적용이 유리하나 두 위치 모두 결함에 대한 검

출 정도에서 차이는 없는 것으로 나타났다8 배관모형 45 135 및 225 위치에 각각 1개씩 가

Fig 23 UT Signals of Circ Flaws at 270˚ Location

Fig 24 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 25 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

46 이승표 김진회

Transaction of the KPVP Vol 7 No 3

공된 축방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과

를 Fig 24에 나타내었으며 각 인공결함에 대한 초음

파검사 검출 신호는 매우 양호하였다 또한 315 위치에 내면 용접부 내면 루트부를 기준

으로 상하에 각각 가공된 2개의 축방향 결함에 대한

위상배열 초음파검사 결과를 Fig 25에 나타내었으며

결함으로 부터의 반사 신호와 검출 정도가 모두 양호

한 것으로 나타났다

423 6 배관모형 실험결과

6 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚의 Sectorial Scan을 적용하였다 6 배관

모형은 12 배관모형과 동일하게 웰더렛 내부에 테이

퍼 면(≒ 30˚ 경사면)이 존재하여 인접한 인공결함과

혼합되는 신호가 발생하였고 0 및 90 위치에서 실험

한 경우 검사 가능거리 및 폭이 좁은 상황임에도 불

구하고 검출 신호는 비교적 양호하였다 0˚ 위치에 있

는 2개의 원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사

결과를 Fig 26에 나타내었다 2개의 결함 사이에 테이

퍼 면이 존재하여 신호가 합성되어 나타나지만 구분

이 가능하였다 신호 1과 3은 첫 번째 및 두 번째 결

함의 초음파 검출 신호이며 신호 2는 테이퍼 면에서

반사된 유사지시 신호이다 세 개의 검출신호가 혼합

되어 나타나 보이지만 A-Scan 및 B-Scan의 신호해석

을 통해 신호의 구분이 가능하였다

Fig 26 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 27 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

6 배관모형 90˚ 위치에 있는 2개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 27에 나타

내었다 결함 1과 2의 앞부분에 테이퍼 면이 존재하

므로 신호 1은 테이퍼 면 반사 신호이며 신호 2는

결함 1의 검출신호로 두 신호가 혼합되어 나타나지

만 신호 해석에서 A-Scan 및 B-Scan을 활용하여 평가

하면 분리가 가능하였고 신호 3은 결함 2에 대한

검출 신호이다6 배관모형 180 위치에 있는 3개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 28에 나타

내었다 두 번째 결함과 테이퍼 면이 인접해 있어 신

호 2 및 3에서 나타난 것처럼 테이퍼 신호와 결함

2의 검출 신호가 혼합되어 나타나지만 A-Scan 및 B- Scan을 통한 신호 해석을 통해 분리 해석이 가능하였

다 신호 1 및 4는 결함 1과 3의 반사 신호이며 신

호 해석에 문제가 없고 검출이 양호하였다6 배관모형 270 위치에 있는 3개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 29에 나타

Fig 28 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

Fig 29 UT signals of Circ Flaws at 270˚ Location

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 47

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

Fig 30 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 31 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

내었다 첫 번째 결함과 두 번째 결함 사이에 테이퍼

면이 존재하고 있어 신호 1과 2에서 나타나듯이 결

함 1과 테이퍼 신호가 혼합되어 나타나지만 A-Scan 및 B-Scan의 신호 해석을 통해 분리가 가능하였다 신호 3 및 4는 결함 2와 3의 반사 신호이며 신호 해

석에 문제가 없고 검출이 양호하였다 배관모형 45˚ 135˚ 및 225 위치에 각각 1개씩 가공

된 축방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를

Fig 30에 나타내었으며 각 인공결함에 대한 초음파

검사 검출 신호는 매우 양호하였다 315 위치의 용접부 내면 루트부를 기준으로 상하에

각각 가공된 2개의 축방향 결함에 대한 위상배열 초

음파검사 결과를 Fig 31에 나타내었으며 결함으로 부

터의 반사 신호와 검출 정도가 모두 양호하였다

5 결 론

원전 주증기배관과 12 8 6 배관이 연결되는 분

기관 웰더렛 용접부는 파단면제 설계개념이 적용된

부위이다 동 부위에 대한 원전 최종안전성분석보고

서 요건에 의거 강화 가동중검사로 100 체적검사를

요구하고 있으나 해당 웰더렛 용접부의 복잡한 형상

으로 인해 체적검사인 초음파검사의 적용이 어려운

실정이다 기존 초음파검사방법(Conventional UT)으로

검사 기술기준 요건 충족에 어려움이 있어 이를 해결

하기 위해 위상배열 초음파검사기법을 적용하여 실험

하였다 웰더렛 상부에서 주배관과 웰더렛 용접부에

대한 위상배열 초음파검사를 수행하기 위해 현장과 동

일한 형태의 배관모형을 제작하고 결함 검출 적절성

을 평가하기 위해 내부에 인공결함을 원주 및 축 방향

으로 각각 가공하여 실험을 수행하였다 12 8 및 6 분기관 웰더렛 용접부에 대한 실증실험 및 신호평가

결과 원주 및 축 방향 결함의 검출을 위해 수행된 실

험결과는 다음과 같다 1) 배관모형 내부에 가공된 인공결함의 검출은 대부

분 양호하였으나 내부에 존재하는 테이퍼 면의 반사 신호와 인접한 결함의 검출신호가 혼합되어 나타났다

2) 위상배열 초음파검사는 배관모형 내부에 다중의

검사각이 적용되고 B-Scan(Sectorial View)을 동시에

지원하여 테이퍼 반사 신호 또는 용접부 루트부 신호

와 같은 유사지시 신호와 결함의 검출신호 사이의 구

분이 용이하였다3) 검사각 25˚~ 60˚ Sectorial Scan 주파수 20NHz

8 elements(1D) 8mm Aperture 및 004를 갖는 탐촉

자를 적용한 경우 모형 내부의 원주방향 및 축방향

결함검출이 양호하였다4) 탐촉자 웻지는 Rexolite 재질이며 피검체 접촉면

적(Foot Print)이 044 times 04로 모든 웰더렛 상부 및 용

접비드 상부에서 적용이 가능하였다

참고문헌

1 한국수력원자력(주) 원자력발전기술원 ldquo주증기배

관 웰더렛 용접부 실증실험 보고서rdquo 2011 2 KPD-UT-01 탄소강 배관 용접부의 초음파검사 기

량검증 절차서 3 CIVA 8090 Users Manual

44 이승표 김진회

Transaction of the KPVP Vol 7 No 3

호와 결함 검출 신호의 분리가 가능하였다12 배관모형의 90˚에 위치한 2개의 원주결함에 대

한 초음파 검출신호를 Fig 14에 나타내었다 그림에서 제시된 바와 같이 테이퍼 면 이후에 인공결함이 가공

되어 있고 인공결함 사이에는 내면 용접부 루트가 존

재한다 신호 1은 테이퍼에서 반사된 신호이며 신호

2는 결함 1 2의 검출신호로 두 결함 신호가 혼합

되어 표시되나 분리가 가능하였다배관모형 180˚에 위치한 3개의 원주방향 결함의 형

상 및 초음파 검출신호를 Fig 15에 나타내었다 그림

에서 제시된 바와 같이 테이퍼 인접 면에 인공결함 1이 가공되어있다 신호 1 및 2는 테이퍼 반사 신호와

결함 1의 검출신호가 혼합되어 나타나는 신호로 신호의 분리 해석이 가능하며 신호 3과 4는 결함 2와 3에 대한 검출 신호로 두 결함에 대한 신호 해석

Fig 13 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 14 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

Fig 15 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

적 분리도 양호하였다270˚에 위치한 3개의 원주방향 결함에 대한 초음파

검출신호를 Fig 16에 나타내었다 신호 1은 결함 1 신호 2는 결함 2와 용접 루트부의 신호가 혼합되어

나타나나 결함 2 신호가 더 크게 나타나므로 루트부

에서 발생하는 유사 신호와 구분은 양호하였다 신호

3은 결함 3의 초음파 검출신호를 나타낸다 그림에

서 나타난 것처럼 인접 결함들과의 신호 구분 및 검출

정도가 양호하였다 12 배관모형 내 축 방향으로 가공된 인공결함을

Fig 17에 나타내었다 축방향 인공결함은 45˚ 위치에

Fig 16 UT Signals of Circ Flaws at 270˚ Location

Fig 17 Location of Axial Flaws

Fig 18 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 19 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 45

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

1개 135 위치에 1개 225 위치에 1개 및 315 위치에

2개를 각각 가공하였다축방향 결함 검출을 위해 25˚~ 60˚ Sectorial Scan을

적용하여 용접부 위(On weld)에서 실험을 수행하였다 45˚ 135˚ 225˚ 위치에 있는 축방향 결함의 검출 신호

를 Fig 18에 나타내었다 배관모형의 용접부 상부에

서 수행한 실험 결과 축방향 결함에 대한 검출 신호

는 모두 양호하였다 또한 315 위치에 용접부 내면 루

트부를 중심으로 상하부에 가공된 축방향 인공결함에

대한 검출 신호를 Fig 19에 나타내었으며 결함 1 및

2에 대한 검출신호는 모두 양호하였다

422 8 배관모형 실험결과

8 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚ Sectorial Scan을 적용하였다 8 배관모형

은 12 배관모형과는 다르게 웰더렛 내부에 테이퍼 면

이 없어 혼합되는 초음파 신호가 없고 신호가 상대적

으로 양호하게 검출되었다 배관모형 0˚ 위치에 있는

2개의 원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결

Fig 20 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 21 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

Fig 22 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

과를 Fig 20에 나타내었다 신호 1은 첫 번째 결함의

초음파 검출 신호이며 신호 2는 두 번째 결함의 검

출 신호로 웰더렛 상부에서 탐촉자의 접촉 면적 및 검

사 가능거리가 적음에도 불구하고 두 개의 인공결함

에 대한 검출은 양호하였다 또한 배관모형 90˚ 위치에 있는 2개의 원주방향 결

함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 21에 나

타내었으며 검출 신호가 모두 양호하였다 0˚ 위치보

다는 탐촉자의 접촉면적 및 검사 가능거리가 상대적

으로 넓어 전후 주사가 가능하였다배관모형 180˚ 및 270˚ 위치에 각각 3개씩 가공된

원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를

Fig 22 및 23에 나타내었으며 검출 신호가 모두 양

호하였다 270˚ 위치는 180˚ 위치보다 상대적으로 탐

촉자 접촉 및 검사 가능거리가 넓어 실험을 위한 탐

촉자 적용이 유리하나 두 위치 모두 결함에 대한 검

출 정도에서 차이는 없는 것으로 나타났다8 배관모형 45 135 및 225 위치에 각각 1개씩 가

Fig 23 UT Signals of Circ Flaws at 270˚ Location

Fig 24 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 25 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

46 이승표 김진회

Transaction of the KPVP Vol 7 No 3

공된 축방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과

를 Fig 24에 나타내었으며 각 인공결함에 대한 초음

파검사 검출 신호는 매우 양호하였다 또한 315 위치에 내면 용접부 내면 루트부를 기준

으로 상하에 각각 가공된 2개의 축방향 결함에 대한

위상배열 초음파검사 결과를 Fig 25에 나타내었으며

결함으로 부터의 반사 신호와 검출 정도가 모두 양호

한 것으로 나타났다

423 6 배관모형 실험결과

6 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚의 Sectorial Scan을 적용하였다 6 배관

모형은 12 배관모형과 동일하게 웰더렛 내부에 테이

퍼 면(≒ 30˚ 경사면)이 존재하여 인접한 인공결함과

혼합되는 신호가 발생하였고 0 및 90 위치에서 실험

한 경우 검사 가능거리 및 폭이 좁은 상황임에도 불

구하고 검출 신호는 비교적 양호하였다 0˚ 위치에 있

는 2개의 원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사

결과를 Fig 26에 나타내었다 2개의 결함 사이에 테이

퍼 면이 존재하여 신호가 합성되어 나타나지만 구분

이 가능하였다 신호 1과 3은 첫 번째 및 두 번째 결

함의 초음파 검출 신호이며 신호 2는 테이퍼 면에서

반사된 유사지시 신호이다 세 개의 검출신호가 혼합

되어 나타나 보이지만 A-Scan 및 B-Scan의 신호해석

을 통해 신호의 구분이 가능하였다

Fig 26 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 27 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

6 배관모형 90˚ 위치에 있는 2개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 27에 나타

내었다 결함 1과 2의 앞부분에 테이퍼 면이 존재하

므로 신호 1은 테이퍼 면 반사 신호이며 신호 2는

결함 1의 검출신호로 두 신호가 혼합되어 나타나지

만 신호 해석에서 A-Scan 및 B-Scan을 활용하여 평가

하면 분리가 가능하였고 신호 3은 결함 2에 대한

검출 신호이다6 배관모형 180 위치에 있는 3개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 28에 나타

내었다 두 번째 결함과 테이퍼 면이 인접해 있어 신

호 2 및 3에서 나타난 것처럼 테이퍼 신호와 결함

2의 검출 신호가 혼합되어 나타나지만 A-Scan 및 B- Scan을 통한 신호 해석을 통해 분리 해석이 가능하였

다 신호 1 및 4는 결함 1과 3의 반사 신호이며 신

호 해석에 문제가 없고 검출이 양호하였다6 배관모형 270 위치에 있는 3개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 29에 나타

Fig 28 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

Fig 29 UT signals of Circ Flaws at 270˚ Location

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 47

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

Fig 30 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 31 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

내었다 첫 번째 결함과 두 번째 결함 사이에 테이퍼

면이 존재하고 있어 신호 1과 2에서 나타나듯이 결

함 1과 테이퍼 신호가 혼합되어 나타나지만 A-Scan 및 B-Scan의 신호 해석을 통해 분리가 가능하였다 신호 3 및 4는 결함 2와 3의 반사 신호이며 신호 해

석에 문제가 없고 검출이 양호하였다 배관모형 45˚ 135˚ 및 225 위치에 각각 1개씩 가공

된 축방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를

Fig 30에 나타내었으며 각 인공결함에 대한 초음파

검사 검출 신호는 매우 양호하였다 315 위치의 용접부 내면 루트부를 기준으로 상하에

각각 가공된 2개의 축방향 결함에 대한 위상배열 초

음파검사 결과를 Fig 31에 나타내었으며 결함으로 부

터의 반사 신호와 검출 정도가 모두 양호하였다

5 결 론

원전 주증기배관과 12 8 6 배관이 연결되는 분

기관 웰더렛 용접부는 파단면제 설계개념이 적용된

부위이다 동 부위에 대한 원전 최종안전성분석보고

서 요건에 의거 강화 가동중검사로 100 체적검사를

요구하고 있으나 해당 웰더렛 용접부의 복잡한 형상

으로 인해 체적검사인 초음파검사의 적용이 어려운

실정이다 기존 초음파검사방법(Conventional UT)으로

검사 기술기준 요건 충족에 어려움이 있어 이를 해결

하기 위해 위상배열 초음파검사기법을 적용하여 실험

하였다 웰더렛 상부에서 주배관과 웰더렛 용접부에

대한 위상배열 초음파검사를 수행하기 위해 현장과 동

일한 형태의 배관모형을 제작하고 결함 검출 적절성

을 평가하기 위해 내부에 인공결함을 원주 및 축 방향

으로 각각 가공하여 실험을 수행하였다 12 8 및 6 분기관 웰더렛 용접부에 대한 실증실험 및 신호평가

결과 원주 및 축 방향 결함의 검출을 위해 수행된 실

험결과는 다음과 같다 1) 배관모형 내부에 가공된 인공결함의 검출은 대부

분 양호하였으나 내부에 존재하는 테이퍼 면의 반사 신호와 인접한 결함의 검출신호가 혼합되어 나타났다

2) 위상배열 초음파검사는 배관모형 내부에 다중의

검사각이 적용되고 B-Scan(Sectorial View)을 동시에

지원하여 테이퍼 반사 신호 또는 용접부 루트부 신호

와 같은 유사지시 신호와 결함의 검출신호 사이의 구

분이 용이하였다3) 검사각 25˚~ 60˚ Sectorial Scan 주파수 20NHz

8 elements(1D) 8mm Aperture 및 004를 갖는 탐촉

자를 적용한 경우 모형 내부의 원주방향 및 축방향

결함검출이 양호하였다4) 탐촉자 웻지는 Rexolite 재질이며 피검체 접촉면

적(Foot Print)이 044 times 04로 모든 웰더렛 상부 및 용

접비드 상부에서 적용이 가능하였다

참고문헌

1 한국수력원자력(주) 원자력발전기술원 ldquo주증기배

관 웰더렛 용접부 실증실험 보고서rdquo 2011 2 KPD-UT-01 탄소강 배관 용접부의 초음파검사 기

량검증 절차서 3 CIVA 8090 Users Manual

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 45

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

1개 135 위치에 1개 225 위치에 1개 및 315 위치에

2개를 각각 가공하였다축방향 결함 검출을 위해 25˚~ 60˚ Sectorial Scan을

적용하여 용접부 위(On weld)에서 실험을 수행하였다 45˚ 135˚ 225˚ 위치에 있는 축방향 결함의 검출 신호

를 Fig 18에 나타내었다 배관모형의 용접부 상부에

서 수행한 실험 결과 축방향 결함에 대한 검출 신호

는 모두 양호하였다 또한 315 위치에 용접부 내면 루

트부를 중심으로 상하부에 가공된 축방향 인공결함에

대한 검출 신호를 Fig 19에 나타내었으며 결함 1 및

2에 대한 검출신호는 모두 양호하였다

422 8 배관모형 실험결과

8 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚ Sectorial Scan을 적용하였다 8 배관모형

은 12 배관모형과는 다르게 웰더렛 내부에 테이퍼 면

이 없어 혼합되는 초음파 신호가 없고 신호가 상대적

으로 양호하게 검출되었다 배관모형 0˚ 위치에 있는

2개의 원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결

Fig 20 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 21 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

Fig 22 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

과를 Fig 20에 나타내었다 신호 1은 첫 번째 결함의

초음파 검출 신호이며 신호 2는 두 번째 결함의 검

출 신호로 웰더렛 상부에서 탐촉자의 접촉 면적 및 검

사 가능거리가 적음에도 불구하고 두 개의 인공결함

에 대한 검출은 양호하였다 또한 배관모형 90˚ 위치에 있는 2개의 원주방향 결

함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 21에 나

타내었으며 검출 신호가 모두 양호하였다 0˚ 위치보

다는 탐촉자의 접촉면적 및 검사 가능거리가 상대적

으로 넓어 전후 주사가 가능하였다배관모형 180˚ 및 270˚ 위치에 각각 3개씩 가공된

원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를

Fig 22 및 23에 나타내었으며 검출 신호가 모두 양

호하였다 270˚ 위치는 180˚ 위치보다 상대적으로 탐

촉자 접촉 및 검사 가능거리가 넓어 실험을 위한 탐

촉자 적용이 유리하나 두 위치 모두 결함에 대한 검

출 정도에서 차이는 없는 것으로 나타났다8 배관모형 45 135 및 225 위치에 각각 1개씩 가

Fig 23 UT Signals of Circ Flaws at 270˚ Location

Fig 24 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 25 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

46 이승표 김진회

Transaction of the KPVP Vol 7 No 3

공된 축방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과

를 Fig 24에 나타내었으며 각 인공결함에 대한 초음

파검사 검출 신호는 매우 양호하였다 또한 315 위치에 내면 용접부 내면 루트부를 기준

으로 상하에 각각 가공된 2개의 축방향 결함에 대한

위상배열 초음파검사 결과를 Fig 25에 나타내었으며

결함으로 부터의 반사 신호와 검출 정도가 모두 양호

한 것으로 나타났다

423 6 배관모형 실험결과

6 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚의 Sectorial Scan을 적용하였다 6 배관

모형은 12 배관모형과 동일하게 웰더렛 내부에 테이

퍼 면(≒ 30˚ 경사면)이 존재하여 인접한 인공결함과

혼합되는 신호가 발생하였고 0 및 90 위치에서 실험

한 경우 검사 가능거리 및 폭이 좁은 상황임에도 불

구하고 검출 신호는 비교적 양호하였다 0˚ 위치에 있

는 2개의 원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사

결과를 Fig 26에 나타내었다 2개의 결함 사이에 테이

퍼 면이 존재하여 신호가 합성되어 나타나지만 구분

이 가능하였다 신호 1과 3은 첫 번째 및 두 번째 결

함의 초음파 검출 신호이며 신호 2는 테이퍼 면에서

반사된 유사지시 신호이다 세 개의 검출신호가 혼합

되어 나타나 보이지만 A-Scan 및 B-Scan의 신호해석

을 통해 신호의 구분이 가능하였다

Fig 26 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 27 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

6 배관모형 90˚ 위치에 있는 2개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 27에 나타

내었다 결함 1과 2의 앞부분에 테이퍼 면이 존재하

므로 신호 1은 테이퍼 면 반사 신호이며 신호 2는

결함 1의 검출신호로 두 신호가 혼합되어 나타나지

만 신호 해석에서 A-Scan 및 B-Scan을 활용하여 평가

하면 분리가 가능하였고 신호 3은 결함 2에 대한

검출 신호이다6 배관모형 180 위치에 있는 3개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 28에 나타

내었다 두 번째 결함과 테이퍼 면이 인접해 있어 신

호 2 및 3에서 나타난 것처럼 테이퍼 신호와 결함

2의 검출 신호가 혼합되어 나타나지만 A-Scan 및 B- Scan을 통한 신호 해석을 통해 분리 해석이 가능하였

다 신호 1 및 4는 결함 1과 3의 반사 신호이며 신

호 해석에 문제가 없고 검출이 양호하였다6 배관모형 270 위치에 있는 3개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 29에 나타

Fig 28 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

Fig 29 UT signals of Circ Flaws at 270˚ Location

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 47

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

Fig 30 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 31 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

내었다 첫 번째 결함과 두 번째 결함 사이에 테이퍼

면이 존재하고 있어 신호 1과 2에서 나타나듯이 결

함 1과 테이퍼 신호가 혼합되어 나타나지만 A-Scan 및 B-Scan의 신호 해석을 통해 분리가 가능하였다 신호 3 및 4는 결함 2와 3의 반사 신호이며 신호 해

석에 문제가 없고 검출이 양호하였다 배관모형 45˚ 135˚ 및 225 위치에 각각 1개씩 가공

된 축방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를

Fig 30에 나타내었으며 각 인공결함에 대한 초음파

검사 검출 신호는 매우 양호하였다 315 위치의 용접부 내면 루트부를 기준으로 상하에

각각 가공된 2개의 축방향 결함에 대한 위상배열 초

음파검사 결과를 Fig 31에 나타내었으며 결함으로 부

터의 반사 신호와 검출 정도가 모두 양호하였다

5 결 론

원전 주증기배관과 12 8 6 배관이 연결되는 분

기관 웰더렛 용접부는 파단면제 설계개념이 적용된

부위이다 동 부위에 대한 원전 최종안전성분석보고

서 요건에 의거 강화 가동중검사로 100 체적검사를

요구하고 있으나 해당 웰더렛 용접부의 복잡한 형상

으로 인해 체적검사인 초음파검사의 적용이 어려운

실정이다 기존 초음파검사방법(Conventional UT)으로

검사 기술기준 요건 충족에 어려움이 있어 이를 해결

하기 위해 위상배열 초음파검사기법을 적용하여 실험

하였다 웰더렛 상부에서 주배관과 웰더렛 용접부에

대한 위상배열 초음파검사를 수행하기 위해 현장과 동

일한 형태의 배관모형을 제작하고 결함 검출 적절성

을 평가하기 위해 내부에 인공결함을 원주 및 축 방향

으로 각각 가공하여 실험을 수행하였다 12 8 및 6 분기관 웰더렛 용접부에 대한 실증실험 및 신호평가

결과 원주 및 축 방향 결함의 검출을 위해 수행된 실

험결과는 다음과 같다 1) 배관모형 내부에 가공된 인공결함의 검출은 대부

분 양호하였으나 내부에 존재하는 테이퍼 면의 반사 신호와 인접한 결함의 검출신호가 혼합되어 나타났다

2) 위상배열 초음파검사는 배관모형 내부에 다중의

검사각이 적용되고 B-Scan(Sectorial View)을 동시에

지원하여 테이퍼 반사 신호 또는 용접부 루트부 신호

와 같은 유사지시 신호와 결함의 검출신호 사이의 구

분이 용이하였다3) 검사각 25˚~ 60˚ Sectorial Scan 주파수 20NHz

8 elements(1D) 8mm Aperture 및 004를 갖는 탐촉

자를 적용한 경우 모형 내부의 원주방향 및 축방향

결함검출이 양호하였다4) 탐촉자 웻지는 Rexolite 재질이며 피검체 접촉면

적(Foot Print)이 044 times 04로 모든 웰더렛 상부 및 용

접비드 상부에서 적용이 가능하였다

참고문헌

1 한국수력원자력(주) 원자력발전기술원 ldquo주증기배

관 웰더렛 용접부 실증실험 보고서rdquo 2011 2 KPD-UT-01 탄소강 배관 용접부의 초음파검사 기

량검증 절차서 3 CIVA 8090 Users Manual

46 이승표 김진회

Transaction of the KPVP Vol 7 No 3

공된 축방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과

를 Fig 24에 나타내었으며 각 인공결함에 대한 초음

파검사 검출 신호는 매우 양호하였다 또한 315 위치에 내면 용접부 내면 루트부를 기준

으로 상하에 각각 가공된 2개의 축방향 결함에 대한

위상배열 초음파검사 결과를 Fig 25에 나타내었으며

결함으로 부터의 반사 신호와 검출 정도가 모두 양호

한 것으로 나타났다

423 6 배관모형 실험결과

6 배관모형의 원주방향 및 축방향 결함 검출을 위

해 25˚~ 60˚의 Sectorial Scan을 적용하였다 6 배관

모형은 12 배관모형과 동일하게 웰더렛 내부에 테이

퍼 면(≒ 30˚ 경사면)이 존재하여 인접한 인공결함과

혼합되는 신호가 발생하였고 0 및 90 위치에서 실험

한 경우 검사 가능거리 및 폭이 좁은 상황임에도 불

구하고 검출 신호는 비교적 양호하였다 0˚ 위치에 있

는 2개의 원주방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사

결과를 Fig 26에 나타내었다 2개의 결함 사이에 테이

퍼 면이 존재하여 신호가 합성되어 나타나지만 구분

이 가능하였다 신호 1과 3은 첫 번째 및 두 번째 결

함의 초음파 검출 신호이며 신호 2는 테이퍼 면에서

반사된 유사지시 신호이다 세 개의 검출신호가 혼합

되어 나타나 보이지만 A-Scan 및 B-Scan의 신호해석

을 통해 신호의 구분이 가능하였다

Fig 26 UT Signals of Circ Flaws at 0˚ Location

Fig 27 UT Signals of Circ Flaws at 90˚ Location

6 배관모형 90˚ 위치에 있는 2개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 27에 나타

내었다 결함 1과 2의 앞부분에 테이퍼 면이 존재하

므로 신호 1은 테이퍼 면 반사 신호이며 신호 2는

결함 1의 검출신호로 두 신호가 혼합되어 나타나지

만 신호 해석에서 A-Scan 및 B-Scan을 활용하여 평가

하면 분리가 가능하였고 신호 3은 결함 2에 대한

검출 신호이다6 배관모형 180 위치에 있는 3개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 28에 나타

내었다 두 번째 결함과 테이퍼 면이 인접해 있어 신

호 2 및 3에서 나타난 것처럼 테이퍼 신호와 결함

2의 검출 신호가 혼합되어 나타나지만 A-Scan 및 B- Scan을 통한 신호 해석을 통해 분리 해석이 가능하였

다 신호 1 및 4는 결함 1과 3의 반사 신호이며 신

호 해석에 문제가 없고 검출이 양호하였다6 배관모형 270 위치에 있는 3개의 원주방향 결함

에 대한 위상배열 초음파검사 결과를 Fig 29에 나타

Fig 28 UT Signals of Circ Flaws at 180˚ Location

Fig 29 UT signals of Circ Flaws at 270˚ Location

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 47

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

Fig 30 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 31 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

내었다 첫 번째 결함과 두 번째 결함 사이에 테이퍼

면이 존재하고 있어 신호 1과 2에서 나타나듯이 결

함 1과 테이퍼 신호가 혼합되어 나타나지만 A-Scan 및 B-Scan의 신호 해석을 통해 분리가 가능하였다 신호 3 및 4는 결함 2와 3의 반사 신호이며 신호 해

석에 문제가 없고 검출이 양호하였다 배관모형 45˚ 135˚ 및 225 위치에 각각 1개씩 가공

된 축방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를

Fig 30에 나타내었으며 각 인공결함에 대한 초음파

검사 검출 신호는 매우 양호하였다 315 위치의 용접부 내면 루트부를 기준으로 상하에

각각 가공된 2개의 축방향 결함에 대한 위상배열 초

음파검사 결과를 Fig 31에 나타내었으며 결함으로 부

터의 반사 신호와 검출 정도가 모두 양호하였다

5 결 론

원전 주증기배관과 12 8 6 배관이 연결되는 분

기관 웰더렛 용접부는 파단면제 설계개념이 적용된

부위이다 동 부위에 대한 원전 최종안전성분석보고

서 요건에 의거 강화 가동중검사로 100 체적검사를

요구하고 있으나 해당 웰더렛 용접부의 복잡한 형상

으로 인해 체적검사인 초음파검사의 적용이 어려운

실정이다 기존 초음파검사방법(Conventional UT)으로

검사 기술기준 요건 충족에 어려움이 있어 이를 해결

하기 위해 위상배열 초음파검사기법을 적용하여 실험

하였다 웰더렛 상부에서 주배관과 웰더렛 용접부에

대한 위상배열 초음파검사를 수행하기 위해 현장과 동

일한 형태의 배관모형을 제작하고 결함 검출 적절성

을 평가하기 위해 내부에 인공결함을 원주 및 축 방향

으로 각각 가공하여 실험을 수행하였다 12 8 및 6 분기관 웰더렛 용접부에 대한 실증실험 및 신호평가

결과 원주 및 축 방향 결함의 검출을 위해 수행된 실

험결과는 다음과 같다 1) 배관모형 내부에 가공된 인공결함의 검출은 대부

분 양호하였으나 내부에 존재하는 테이퍼 면의 반사 신호와 인접한 결함의 검출신호가 혼합되어 나타났다

2) 위상배열 초음파검사는 배관모형 내부에 다중의

검사각이 적용되고 B-Scan(Sectorial View)을 동시에

지원하여 테이퍼 반사 신호 또는 용접부 루트부 신호

와 같은 유사지시 신호와 결함의 검출신호 사이의 구

분이 용이하였다3) 검사각 25˚~ 60˚ Sectorial Scan 주파수 20NHz

8 elements(1D) 8mm Aperture 및 004를 갖는 탐촉

자를 적용한 경우 모형 내부의 원주방향 및 축방향

결함검출이 양호하였다4) 탐촉자 웻지는 Rexolite 재질이며 피검체 접촉면

적(Foot Print)이 044 times 04로 모든 웰더렛 상부 및 용

접비드 상부에서 적용이 가능하였다

참고문헌

1 한국수력원자력(주) 원자력발전기술원 ldquo주증기배

관 웰더렛 용접부 실증실험 보고서rdquo 2011 2 KPD-UT-01 탄소강 배관 용접부의 초음파검사 기

량검증 절차서 3 CIVA 8090 Users Manual

원전 주증기배관 웰더렛 용접부 위상배열초음파검사 적용연구 47

한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월

Fig 30 UT Signals of Axial Flaw at Each Location

Fig 31 UT Signals of Axial Flaw at 315˚

내었다 첫 번째 결함과 두 번째 결함 사이에 테이퍼

면이 존재하고 있어 신호 1과 2에서 나타나듯이 결

함 1과 테이퍼 신호가 혼합되어 나타나지만 A-Scan 및 B-Scan의 신호 해석을 통해 분리가 가능하였다 신호 3 및 4는 결함 2와 3의 반사 신호이며 신호 해

석에 문제가 없고 검출이 양호하였다 배관모형 45˚ 135˚ 및 225 위치에 각각 1개씩 가공

된 축방향 결함에 대한 위상배열 초음파검사 결과를

Fig 30에 나타내었으며 각 인공결함에 대한 초음파

검사 검출 신호는 매우 양호하였다 315 위치의 용접부 내면 루트부를 기준으로 상하에

각각 가공된 2개의 축방향 결함에 대한 위상배열 초

음파검사 결과를 Fig 31에 나타내었으며 결함으로 부

터의 반사 신호와 검출 정도가 모두 양호하였다

5 결 론

원전 주증기배관과 12 8 6 배관이 연결되는 분

기관 웰더렛 용접부는 파단면제 설계개념이 적용된

부위이다 동 부위에 대한 원전 최종안전성분석보고

서 요건에 의거 강화 가동중검사로 100 체적검사를

요구하고 있으나 해당 웰더렛 용접부의 복잡한 형상

으로 인해 체적검사인 초음파검사의 적용이 어려운

실정이다 기존 초음파검사방법(Conventional UT)으로

검사 기술기준 요건 충족에 어려움이 있어 이를 해결

하기 위해 위상배열 초음파검사기법을 적용하여 실험

하였다 웰더렛 상부에서 주배관과 웰더렛 용접부에

대한 위상배열 초음파검사를 수행하기 위해 현장과 동

일한 형태의 배관모형을 제작하고 결함 검출 적절성

을 평가하기 위해 내부에 인공결함을 원주 및 축 방향

으로 각각 가공하여 실험을 수행하였다 12 8 및 6 분기관 웰더렛 용접부에 대한 실증실험 및 신호평가

결과 원주 및 축 방향 결함의 검출을 위해 수행된 실

험결과는 다음과 같다 1) 배관모형 내부에 가공된 인공결함의 검출은 대부

분 양호하였으나 내부에 존재하는 테이퍼 면의 반사 신호와 인접한 결함의 검출신호가 혼합되어 나타났다

2) 위상배열 초음파검사는 배관모형 내부에 다중의

검사각이 적용되고 B-Scan(Sectorial View)을 동시에

지원하여 테이퍼 반사 신호 또는 용접부 루트부 신호

와 같은 유사지시 신호와 결함의 검출신호 사이의 구

분이 용이하였다3) 검사각 25˚~ 60˚ Sectorial Scan 주파수 20NHz

8 elements(1D) 8mm Aperture 및 004를 갖는 탐촉

자를 적용한 경우 모형 내부의 원주방향 및 축방향

결함검출이 양호하였다4) 탐촉자 웻지는 Rexolite 재질이며 피검체 접촉면

적(Foot Print)이 044 times 04로 모든 웰더렛 상부 및 용

접비드 상부에서 적용이 가능하였다

참고문헌

1 한국수력원자력(주) 원자력발전기술원 ldquo주증기배

관 웰더렛 용접부 실증실험 보고서rdquo 2011 2 KPD-UT-01 탄소강 배관 용접부의 초음파검사 기

량검증 절차서 3 CIVA 8090 Users Manual