비파괴검사 전용 시뮬레이터를 이용한 와전류검사 신호 시뮬레이션
이태훈†· 조찬희*· 이희종*
Simulation of Eddy Current Testing Signals Using Simulation Software Dedicated to Nondestructive Testing
Tae-Hun Lee†, Chan-Hee Cho* and Hee-Jong Lee* (Received 16 June 2014, Revised 26 June 2014, Accepted 26 June 2014)
ABSTRACT
A simulation of eddy current testing has been utilized for predicting the signal characteristics to the various defects and developing the probes. Especially, CIVA which is a simulation tool dedicated to nondestructive testing has a good accuracy and speed, and provides a three-dimensional graphical user interface for improved visualization and familiar data displays consistent with NDE technique. Although internal validations have been performed by the CIVA software development specialists, an independent validation study is necessary for the accuracy assessment of the software prior to practical use. For this purpose, in this study, eddy current testing signals of ASME FBH calibration standard tube for bobbin probe were simulated using CIVA and the results were compared to the experimental inspected signals based on the relationship between each flaw signal in terms of amplitude and phase, and the shape of the Lissajous curve. And then we verified the accuracy of the simulated signals and the possible range for simulation. Overall, there is a good qualitative agreement between the CIVA simulated and experimental results in the absolute and differential modes at the two inspection frequencies.
Key Words : Eddy current testing(와전류탐상), Bobbin probe(보빈 탐촉자), Calibration standard tube(표준보정시험 편), Simulation(시뮬레이션)
†
*
책임저자, 회원, 한국수력원자력(주) 중앙연구원 E-mail: [email protected]
TEL: (042) 870-5564 FAX: (042) 870-5549 한국수력원자력(주) 중앙연구원
1. 서 론
원자력발전소 가동중검사 기술은 원자력법령 요 건에 따라 가동중인 원자력발전소 주요기기의 건전 성을 비파괴검사 방법으로 확인하여 계속 가동여부 를 결정하는 매우 중요한 기술이다. 원자력발전소는 사고 발생 시에 방사성 물질의 누출로 인하여 국민 의 건강과 환경에 피해를 줄 수 있기 때문에 원자로
냉각재계통을 구성하는 원자로, 증기발생기, 가압기, 배관 등과 같은 주요기기의 건전성을 장기검사계획 서에 따라 매 계획예방정비기간 중 평가하여 발전소 를 재가동하게 된다.
특히 증기발생기의 경우 1mm정도의 얇은 두께를 가지는 세관들로 압력경계를 유지하고 있으며, 매우 열악한 환경에 노출되어 있어 고온, 고압 의한 균열 (crack), 관과 관지지대 사이의 마모(wear), 덴트(dent) 등 다양한 종류의 결함들이 발생하므로 원전 수명과 관련하여 이 부위에 대한 비파괴 검사는 매우 중요하 다. 증기발생기 세관은 여러 가지 비파괴검사 기법 중 보빈탐촉자(Bobbin probe)와 RPC(Rotating Pancake
Coil) 탐촉자를 이용한 와전류탐상기법(ECT, Eddy Current Testing)이 널리 사용되고 있다. 보빈탐촉자 검사는 차동형(Differential type)과 절대형(Absolute type) 검사가 동시에 가능하며, 검사속도가 빠르고 세관 전 영역에 대한 검사가 가능하지만 축방향 결 함에는 민감한 반면 원주방향 결함 검출에는 둔감한 단점을 가지고 있으며, RPC 탐촉자 검사는 축방향 및 원주방향의 결함 검출 성능이 우수하지만 검사속 도가 매우 느리기 때문에 보빈 탐촉자를 이용한 1차 검사 이후 튜브 시트 상단이나 결함 의심부위에 대 해서만 정밀검사를 수행한다.
비파괴검사 분야에 대한 시뮬레이션은 신호 평가 및 장비 개발에 있어 많은 도움을 준다. 특히 실험적 으로 조절하기 어려운 변수들에 관한 연구가 가능하 고, 결함에 따른 신호의 예측 및 신호 품질 비교할 수 있다. 또한 시제품을 제작에 있어 탐촉자 설계 변 수들을 최적화하고 및 사전검증을 하여 설계, 제작 및 실행에 따른 불필요한 비용과 시간 절약할 수 있 다. 와전류 검사의 시뮬레이션은 결함의 종류에 따 른 신호특성 확인1,2), 표준 보정 시험편의 실제 신호를 모사 신호를 대체하는 가능성 검토연구3) 및 탐촉자 개 발4-6)을 위해 활용되어 왔다. 이러한 연구에서는 주로 OPEARA-3D1,2), VIC-3D3,4), MAXWELL5) 등과 같은 상 용 전자기 수치해석 프로그램이 사용되어 왔다.
본 연구에서는 비파괴검사 전용 시뮬레이터인 CIVA (CEA)의 와전류(ET) 모쥴을 이용하여 와전류검사 신호 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이터의 활용 에 있어, CIVA 소프트웨어 개발자가 내부적으로 타 당성 검증을 시행하겠지만, 시뮬레이션의 활용을 확 대하기 위해서는 여러 검사 조건들에서 소프트웨어 의 정확도를 평가하는 독립적인 유효성 연구가 요구 된다. 따라서 본 연구에서는 원자력발전소 증기발생 기 검사에 사용되는 표준보정시험편에 대하여 보빈 탐촉자 와전류검사 신호 시뮬레이션을 시행하고, 실 제 검사에서 취득된 신호와 비교함으로써 그 정확도 를 검증하고, 시뮬레이션이 적용 가능한 범위에 대 해 검토하고자 하였다.
2. 보빈탐촉자 검사 모델링
2.1 CIVA 시뮬레이터
본 연구에 사용된 CIVA 10.1는 비파괴검사에 특
화된 시뮬레이션 툴로서 초음파(UT), 와전류(ET), 방사 선 검사(RT)에 대한 시뮬레이션이 가능하고, 와전류 검 사 시뮬레이션에 있어 그린함수법(Green’s formalism) 를 기반으로 한 체적적분법(Volume Integral Method) 를 사용하며, 정확도가 높으며, 계산속도가 빠르다는 장점이 있다7). 또한 각 비파괴 평가 기술과 동일한 형태의 화면표시와 시각적으로 개선된 3차원 그래픽 유저인터페이스(GUI)를 제공하기 때문에 사용자가 손쉽고 빠르게 시뮬레이션 활용이 가능하다.
2.2 증기발생기 와전류검사 및 표준보정시험편 증기발생기 와전류검사에서는 전열관 지지 구조 물 아래 또는 부근에서 주로 결함지시가 발견된다.
따라서 여러 가지 다른 주파수를 혼합하여 구조물에 서 나오는 방해신호를 소거하는 것이 필요하다. 이 러한 방해신호를 제거하게 되면 신호 진폭 또는 위 상각 분석법 등과 같은 적절한 분석기법을 적용하여 결함의 유형 및 깊이를 추정할 수 있게 된다. 기타 다른 비파괴검사법과 마찬가지로 와전류탐상검사법 은 시험 전열관의 상태를 상대적으로 결정하기 위해 표준보정시험편을 이용하며, 신호분석은 이러한 시 험편에서 획득된 보정선도에 의해 결정된다.
보빈탐촉자 신호평가는 ASME FBH Standard tube 의 인공결함 신호를 사용하여 위상각-대-결함깊이 보정곡선을 작성하고 이를 이용하여 결함의 깊이를 추정한다. ASME 표준보정시험편 형상은 Fig. 1과 같으며 이 표준보정시험편에는 Table 1 에서 정리된 바와 같이 관통홀(Through-wall Hole, TWH)과 함께 80%~20%의 깊이를 가지는 외면 평저공(Flat bottom hole, FBH), ID/OD groove로 결함이 형성되어 있으 며, 강자성체인 tube support ring(TSR)이 관 외경에 삽입되어 있다. 이번 연구에서 고려한 표준보정시험 편의 재질은 Alloy600이며, 외경은 0.75", 두께는 0.042"이다.
Fig. 1 ASME FBH Calibration Standard tube
Table 1 Dimensions of flaws in the ASME FBH calibration standard tube
A B C D E F G H
Depth AS a % of wall 100% 80% 60% 40% 20% N/A 10% 20%
Flaw Dia. 0.052” 5/64” 7/64” 3/16” 3/16 1/8±0.01” 1/16±0.01”
Flaw Type TWH FBH FBH FBH FBH TSR OD Groove ID Groove
2.3 해석모델 및 방법
본 연구에서는 비파괴전용 시뮬레이터인 CIVA의 ET 모쥴을 이용하여 해석을 수행하였다. 해석을 위 해 상기에서 기술된 표준보정시험편의 정보를 이용 하여 모델링하였다. 다만 CIVA의 와전류 모쥴의 경 우 보빈 탐촉자 시뮬레이션에 있어 복수의 결함의 해 석이 불가능하다. 또한 TSR과 같은 외부 구조물의 모 델링이 되지 않는 문제점이 있다. 이에 따라 Flaw E와 TSR은 해석에서 제외되었으며, Flaw A, B, C, D, G, H에 대하여 시뮬레이션을 각각 시행하고, 각 결함별 로 해석 후 MATLAB을 이용하여 결과를 통합하였다.
보빈 탐촉자 모델링에 있어 요구되는 설계 변수들 은 Fig. 2와 같다. 이러한 설계변수의 선정을 위해 기 존에 연구되었던 자료를 기초로 하여 결정하였으며
8-10), 사용된 설계변수는 Table 2와 같다. CIVA에서 각
각의 Flaw에 대하여 Fig. 3과 같이 해석모델을 만들고 절대형 모드와 차동형 모드로 550kHz와 300kHz의 시 험 주파수에 대하여 해석을 진행하였다.
Fig. 2 Schematic of the bobbin coil
Table 2 Design parameters for probe coil Design parameter value Inner Diameter(Di) 13.94mm Outer Diameter(Do) 15.49mm Height(H) 1.524mm Coil Gap(G) 1.40mm
Nb. of Turns 60
Fig. 3 The CIVA model for 100% through-wall hole in ASME calibration standard tube
3. 보빈탐촉자 시뮬레이션 결과
시뮬레이션 결과는 원자력 발전소의 증기 발생기 가동중검사 중 취득된 표준보정시험편의 신호와 비교 를 하였다. 실험데이터는 MIZ-70(ZETEC)과 Eddynet (ZETEC) 소프트웨어를 통해 취득되었다. 신호는 신 호평가지침서에 따라 보정한 후 위상각과 크기값의 항목으로 비교함으로써 시뮬레이션 신호의 정확성 여부를 비교하였다.
3.1 차동형 모드 결과
신호평가지침서에 따라 보빈 탐촉자 신호에 대하 여 실험결과와 시뮬레이션 결과 신호를 100% 관통 홀에 대하여 위상을 40°로 보정하였다.
시뮬레이션에서는 장비의 gain, driving current, impedance matching 등과 같은 부분을 모두 고려하 여 시뮬레이션을 수행할 수 없기 때문에 결과를 직 접적으로 정량화하여 비교하기는 어려우며, 100%
관통홀의 Vpp(Peak to Peak voltage)로 정규화하여 상대적인 비교를 하였다. 시뮬레이션과 실험데이터 의 리사쥬의 형상은 Fig. 4, 5와 같다. 두 결과를 비교
Table 3 Comparison of measured amplitudes and phase in the differential mode
Flaw A B C D G H
550kHz Diff. mode
Exper. Phase 40 86 114 139 153 8
Normalized Vpp 1.00 1.16 1.07 0.83 2.24 18.24
Simul. Phase 40 79.65 107.62 135.73 156.60 8
Normalized Vpp 1.00 1.15 1.03 0.79 2.12 19.49
300kHz Diff. mode
Exper. Phase 40 67 86 105 110 14
Normalized Vpp 1.00 1.24 1.23 1.03 3.03 13.23
Simul. Phase 40 60.28 77.43 96.30 110.34 11.25
Normalized Vpp 1.00 1.22 1.21 0.92 2.88 14.52 (a) CIVA simulation result
(b) Experimental inspection result
Fig. 4 Lissajou display of the CIVA simulation and experimental inspection in the differential mode at 550 kHz
(a) CIVA simulation result
(b) Experimental inspection result
Fig. 5 Lissajou display of he CIVA simulation and experimental inspection in the differential mode at 300 kHz
하였을 리사쥬의 형태는 로브 폭과 위상 퍼짐 정도 가 매우 유사한 것을 볼 수 있다. Table 3과 같이 측 정된 위상각과 진폭을 살펴보더라도, 위상각은 10도 범위내의 오차를 보이며, 진폭도 10%이내의 오차를 보여주고 있어 전반적으로 정성적 일치를 보인다.
오차의 원인은 표준보정시험편의 가공오차와 노이 즈에 기인한 것으로 판단된다.
3.2 절대형 모드 결과
절대형 모드의 시뮬레이션과 실험데이터 결과는 신호평가지침에 따라 100% 관통홀에 대하여 위상을 32±1°로 보정하였으며, 상대적인 비교를 위해 100%
(a) CIVA simulation result
(b) Experimental inspection result
Fig. 6 Lissajou display of he CIVA simulation and experimental inspection in the absolute mode at 550 kHz
관통홀의 Vpp로 정규화하였다. 각각의 결과에 대한 리사쥬형상은 Fig. 6과 7에 나타나 있다.
리사쥬 결과에서 신호의 크기와 위상각 퍼짐은 전 반적으로 일치하는 결과를 보이고 있다. 다만 시뮬 레이션 결과와 실험결과의 신호의 위치는 차이를 보 이고 있는데, 실험 데이터 취득간에 lift-off 영향으로 인해 신호의 위치가 변동된 것으로 판단되고, 시뮬 레이션에서는 이와 같은 무작위 변수를 모두 고려하 여 특성화하기에는 어려움이 있다. 또한 리사쥬의 로브폭과 같은 형상은 CIVA 시뮬레이션과 실험결과 가 잘 일치하지 않는 것을 볼 수 있다. 이는 실제 보빈 탐촉자의 신호를 취득할 때에는 2개의 코일중 하나의
(a) CIVA simulation result
(b) Experimental inspection result
Fig. 7 Lissajou display of the CIVA simulation and experimental inspection in the absolute mode at 300 kHz
Table 4 Comparison of measured amplitudes and phase in the absolute mode
Flaw A B C D G H
550kHz Abs. mode
Exper. Phase 31 84 106 129 146 356
Normalized Vpp 1.00 1.21 1.25 1.08 2.84 18.74 Simul Phase 32 73.19 102.65 130.99 150.85 359.41
Normalized Vpp 1.00 1.17 1.09 0.93 2.40 19.91
300kHz Abs. mode
Exper. Phase 33 61 75 92 100 0
Normalized Vpp 1.00 1.32 1.44 1.43 3.97 13.43
Simul Phase 32 53.83 72.34 92.24 103.79 1.52
Normalized Vpp 1.00 1.26 1.31 1.24 3.32 14.68
코일로 와전류 발생 및 수신을 하더라도 인접한 코 일의 상호 인덕턴스 영향에 인해 신호에 영향을 받 는 반면에 CIVA 시뮬레이션에서는 이러한 인접한 코일의 영향은 고려되지 않으며 단일 코일만이 해석 이 이루어지기 때문인 것으로 판단된다.
이러한 리사쥬의 위치의 차이나 로브폭은 불일치 하지만 Table 4와 같이 측정된 정규화된 진폭과 위 상각 측면에서는 전반적으로 정성적인 일치를 보여 주는 것을 확인할 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 비파괴전용 시뮬레이션 툴인 CIVA 의 활용에 앞서 소프트웨어의 정확도를 평가하는 유 효성 연구를 수행하였다. 이를 위해 원자력발전소 증기발생기 검사에 사용되는 표준보정시험편에 대 하여 보빈 프로브 와전류검사 신호 시뮬레이션을 시 행하고, 실제 검사에서 취득된 신호와 비교함으로써 그 정확도를 검증하고자 하였다.
시뮬레이션 결과와 실제 증기발생기 검사간에 취 득된 표준보정시험편의 신호를 비교하였을 때 리사 쥬의 형태에서 로브의 폭이나 위상각 퍼짐 측면에서 매우 일치하는 결과를 보여주고 있다. 다만 절대형 모드 결과에서 로브 폭이 일치하지 않는 결과를 보 이고 있는데, 이는 CIVA 시뮬레이션에서는 단일 코 일로만 해석이 이루어지고, 인접한 코일의 상호 인 덕턴스 영향을 해석할 수 없기 때문이다. 이와 함께 측정된 위상각과 진폭 측면에서는 전반적으로 정성 적인 일치를 보여주고 있어 이 시뮬레이터는 높은 정확도를 가진다고 평가할 수 있다 .
하지만 인접한 코일의 상호 인덕턴스 영향을 해석 할 수 없는 문제와 함께 보빈 탐촉자 검사 시뮬레이
션에 있어 복수의 결함을 한 번에 해석할 수 없고, 외 부 구조물을 모델링할 수 없어 TSR나 Tube support plate 등에서의 신호를 모사할 수 없다는 제한사항이 있음을 확인할 수 있었다. 이 시뮬레이터를 활용을 함에 있어 이러한 해석 제한 범위에 대해 충분한 고 려 후 사용이 필요하다.
향후 보빈 탐촉자 이외에 RPC와 X-probe와 같은 다중배열코일 프로브에 대한 해석과 다양한 검사 조 건에서의 해석이 필요하며, 이러한 시뮬레이션 활용 을 통해 현장에서 와전류 검사에 있어 신호평가에 필요한 전문적인 평가기준 설정에 도움을 주고 탐촉 자 설계 및 개발을 하는 데 있어 큰 도움이 될 것으 로 사료된다.
후 기
본 연구는 2013년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행 한 연구과제입니다. (No. 20131510200380)
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