Feasibility Study for Low Pressure Turbine Inspection of Nuclear Power Plant Using Shear Wave Phased Array Ultrasonic Transducer
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(2) 횡파 위상배열 초음파탐촉자를 이용한 원자력발전소 저압 터빈 검사 적용 타당성 연구. 9. 2. 이론적 배경. Fig. 1 Various NDT methods applying low pressure turbine. 고 할 수 있다. 저압터빈은 계획예방정비 기간중에 제 작사 권고 또는 규제요건에 의하여 검사를 수행하고 있으며, 부위별로 여러 가지 비파괴검사 기법이 적용되 고 있다. 터빈 로터에 적용되고 있는 비파괴검사 기법 은 Fig. 1과 같다. 원전 터빈검사에 적용되는 여러 가지 비파괴검사기 법 중 초음파검사는 대표적인 체적검사기법으로 활용 이 되어 왔으나 최근에는 초음파탐상검사 기술중의 하 나인 위상배열 초음파검사 기법(phased array ultrasonic testing technique)을 채택한 검사기술 개발 및 검사가 더욱 증가되고 있는 추세이다2-3). 특히 원자력발전소 저압터빈 블레이드 루트와 같이 복잡한 형상을 가진 대상에 대한 검사에서는 위상배열 초음파탐상기법의 장점이 극대화 된다고 할 수 있다. 그러나 위상배열 초음파탐촉자를 사용하더라도 넓은 각도 범위로 초음파 빔을 생성하기 위해서는 설계시 에 고려되어야 할 인자들이 많을 뿐만 아니라 높은 굴 절각도로 유효한 초음파 빔을 생성하고 검사를 수행하 기 위해서는 결과적으로 위상배열 초음파탐촉자의 전 면에 웻지를 부착하여야 한다. 그러나 기본적으로 일 반 초음파탐촉자에 비하여 크기가 큰 위상배열 초음 파탐촉자에 웻지를 부착하게 되면 탐촉자의 전단길이 (front length)가 급격하게 증가하게 되고 이로 인하여 터빈 1단에 부착된 블레이드와 같이 작은 접촉면적을 가진 부위에서는 초음파탐촉자의 접근성에 제한을 주 게 되는 경우가 많다4). 본 연구에서는 횡파형 위상배열 초음파탐촉자를 이 용하여 표준형 원전의 저압터빈 블레이드 루트와 디스 크 검사에 적용하기 위한 타당성 연구를 수행하고자 하 였다. 이를 위하여 웻지를 부착하지 않고 감도가 높은 횡파를 효과적으로 발생할 수 있는 횡파형 위상배열 초 음파로 블레이드 루트부와 디스크에 가공된 인공 결함 의 검출능과 길이 측정의 정확성을 확인함으로써 향 후 터빈검사에 적용 가능성을 확인하고자 한다.. 일반적인 초음파 탐상검사는 하나의 진동자를 사용 하여 정해진 굴절각도로 검사를 수행한다. 그러나 위 상배열초음파검사는 하나의 탐촉자 내부에 다수의 압 전소자를 배열하고 탐촉자를 움직이지 않고 각 압전 소자들의 시간지연을 제어하는 값을 포함하는 집속 규 칙(focal law)을 적용함으로써 검사 재질내에서 초음 파의 굴절 각도, 집속 깊이(focused depth), 집속점에서 의 빔의 반경(focal spot size)과 같은 다양한 변수들을 제어 할 수 있는 초음파검사 기술이다. 일반적으로 위상배열 초음파를 이용한 빔의 집속은 근거리음장영역(near-field) 이내에서 이루어진다. 위 상배열 초음파 탐촉자의 근거리음장은 식 (1)과 같이 탐촉자의 구경(A)과 파장(λ)에 의하여 결정된다. 따라 서 구경이 클수록, 또는 압전소자의 수가 많을수록 근 거리음장은 커지게 되며 집속할 수 있는 집속능력이 증가하게 된다.. . (1). . 그리고 주어진 탐촉자의 구경과 주파수로부터 얻을 수 있는 굴절각의 범위는 근거리음장 식의 반대로서 크기가 작고 파장이 클수록 넓어지게 된다. 초음파 탐 촉자의 굴절 각도는 식(2)와 같이 계산된다. sin . . (2). 그리고 특정 깊이 z에서의 위상배열 초음파의 빔 직 경 d는 식(3)에서와 같이 파장에 비례하고 크기에 반 비례하여 나타난다. 따라서 주파수가 클수록 집속 빔 의 크기는 작아지게 된다. . . (3). 초음파탐상검사에서 횡파는 종파에 비하여 파장이 짧아 재질내 입자의 크기 또는 조직 특성에 기인한 다 양한 형태의 속성에 민감하게 영향을 받게되어 감도는 좋아지지만 재질내에서의 투과력은 상대적으로 낮게 된다. 그러므로 탄소강 또는 스테인리스 강 내의 결함 검출을 위한 일반 초음파탐상검사에서는 투과력 저하 에 비해 결함에 대한 감도가 좋은 횡파 모드를 발생시. 한국압력기기공학회 논문집 제9권 제1호 2013년 9월.
(3) 10. 윤병식 ․ 김용식 ․ 김진회. Fig. 3 Photo of shear wave phased array probe. Fig. 2 Access limitation difference for blade root caused by phased array probe with wedge and without wedge. 켜 검사에 적용하고 있다. 또한 검사대상에 횡파를 발 생시키기 위해서는 굴절각도와 재질의 음속을 고려하 여 웻지를 제작하고 부착하여 횡파를 발생하였다. 위상배열 초음파검사 기법은 웻지를 사용하지 않고. Table 1 Specification of phased transducer for shear wave. array. ultrasonic. Parameter. Design Value. Frequency. 5MHz. No. of elements in primary axis. 32. Primary axis pitch. 0.3mm. Inter element spacing. 0.1mm. Width of element. 7.0mm. Total active length. 9.5mm. 도 높은 각도의 굴절각을 발생할 수 있으나 특정각도 에서 발생되는 그레이팅 로브(grating lobe)에 의하여 5). 결함으로부터 얻어지는 신호의 평가가 어렵게 된다 . 특히 블레이드 루트에서는 이러한 웻지의 사용으로 인 하여 접근성이 제한되어 검사를 수행하지 못하는 경우 가 발생함에 따라 웻지가 하나의 장애물로 작용하는 경 우가 있다. Fig. 2는 웻지를 부착하였을 경우와 웻지 가 부착되지 않았을 때 터빈 블레이드 루트 검사에서 의 접근성에 대한 예를 나타내었다. 그림에서 보는 바 와 같이 웻지가 부착되었을 경우 검사 영역에서 탐촉자 를 이동할 수 있는 공간이 제한되어 유효한 검사결과를 얻기 어렵게 된다.. Fig. 4 Directivity plot of shear wave phased array probe. 3. 위상배열 초음파탐촉자 특성 평가. 이 진동하도록 하였다. 결과적으로 그레이팅 로브를 최소화 할 수 있게 된다.. 본 연구에서는 배관 용접부 검사용으로 설계된 횡 파 위상배열 초음파탐촉자를 사용하였으며, 탐촉자의 형상과 세부 사양은 Fig. 3 및 Table 1과 같다.. 횡파형 위상배열 초음파탐촉자가 각도별도 발생하 는 초음파빔의 특성을 분석하기 위하여 Fast Nearfield Method6)에 의하여 음장을 계산하였다.. 횡파형 위상배열 초음파탐촉자는 진동자를 따라 전 파되는 측면 빔 모드(lateral mode)를 최소화하여 결과 적으로 각각의 압전소자들이 진동할 때 주위 소자와 독. Fig. 4는 Table 1의 파라미터를 이용하여 계산한 각 도별 지향성(directivity)을 나타내었다. Fig. 4에서 부 터 굴절 각도별로 주 빔(main beam)과 간섭되거나 인. 립적이 될 수 있다. 따라서 압전소자의 모서리에서 강 력한 횡파가 발생할 수 있도록 하였고 압전소자가 파 장보다 작게 설계함으로써 하나의 포인트 소스와 같. 접한 음향빔이 나타하지 않았으며, 상대적으로 크기 가 작은 사이드 로브(side lobe)가 주 빔의 양쪽에 나 타났으나 크기가 작아 검사신호에 영향을 미치지 않을. Transaction of the KPVP, Vol. 9, No. 1.
(4) 11. 횡파 위상배열 초음파탐촉자를 이용한 원자력발전소 저압 터빈 검사 적용 타당성 연구. 것으로 예상되었다. 지향성 그림에서 알 수 있는 것과 같이 각도가 증가함에 따라 주 빔의 크기가 감소하여. 그리고 실제 블레이드 루트검사에 적용되었을 때 결 함에 대한 응답신호를 평가하기 위하여 저압터빈 1단. 나타났다. 본 연구에 사용된 위상배열 초음파탐촉자에 대한 특성을 평가하기 위하여 모델링을 통하여 음장해석을. 블레이드 형상을 이용하여 응답신호를 확인하였다. Fig. 6은 모델링 결과를 나타내었다. 모델링결과에서 나타 난 신호의 진폭은 상대진폭으로써 터빈의 형상으로부. 실시하였다. 모델링은 프랑스 CEA사에서 개발한 비파 7) 괴평가 전용 모델링 프로그램인 CIVA 를 사용하였으 며, 초음파 모델링시 사용된 해는 Kirchhoff 근사 해를. 터 반사한 신호를 고려하지 않아 상대적으로 큰 진폭 으로 나타났으며, 결함이 가공된 위치에서 반사된 신 호를 확인할 수 있었다.. 적용하였다. 횡파 위상배열 초음파탐촉자가 블레이드 재질인 12% 크롬강에 직접 접촉한 상태에서 재질내에 횡파를 0°에서 50°까지 발생하여 주빔 이외에 주변에. 4. 실험장치 및 방법. 서 발생될 수 있는 음장을 확인하였다. Fig. 5는 0°에 서 50°까지 계산한 초음파 음장 모델링 결과를 나타내 었다.. 4.1 결함시험편 실험을 위하여 표준형 원전의 저압터빈 블레이드 1, 3단 및 디스크 형상을 제작하고 루트부에 EDM(electric. 낮은 굴절각도에서는 지향도(directivity plot)에서와 같이 주 빔 주변으로 음향간섭으로 인한 음향파가 미세 하게 발생되었으나 높은 각도에서는 Main beam 주위 에 그레이팅 로브 및 사이드로브가 발생하지 않았다.. (a) 20°. (b) 30°. Fig. 7 Blade and disc specimen for experiment (c) 40°. (d) 50°. Fig. 5 The beam computation result for designed shear wave phased array probe. Table 2 Flaw specification of turbine disc specimen (unit : mm) No. Size(l×d×w). 1. 5.0×0.3×0.15. 2. 5.0×0.5×0.15. 3. 5.0×1.0×0.15. 4. 5.0×0.5×0.15. 5. 5.0×1.0×0.15. 6. 5.0×1.0×0.15. 7 8 9 10. Fig. 6 Flaw response modelling result for 1st stage blade root. 11 12. 1.0×0.3×0.15 3.0×0.5×0.15 10.0×2.0×0.15. Tilt(deg) 45. 25 0 45 25 45 25 45 25. 한국압력기기공학회 논문집 제9권 제1호 2013년 9월.
(5) 12. 윤병식 ․ 김용식 ․ 김진회. discharge machining) 노치를 가공하였다. 실험에 사용 된 블레이드와 디스크는 Fig. 7과 같다.. 5. 실험결과. 제작된 시험편의 터빈 디스크 재질은 B50A373B9 인 Ni-Cr-Mo-V강이며, 터빈 블레이드는 B50A947A4 규격으로써 12% Cr 강이다. 터빈 블레이드에는 길이. 터빈 블레이드 외부 표면에 위상배열 초음파탐촉자 를 접촉하여 데이터를 취득하였으며, 취득한 데이터. 5mm, 깊이 0.5mm가 가공되어 있으며, 디스크에는 Table 2와 같은 결함이 일렬로 배열되어 있다.. 4.2 실험장치 본 실험에 사용된 위상배열 초음파장치는 128 채널 구동이 가능한 ZETEC사의 Dynaray를 사용하였다. Dynaray를 제어하고 신호를 수집하기 위하여 컴퓨터 와 TCP/IP 통신으로 연결하여 위상배열 초음파장비를 제어하고 신호를 취득하였다. 취득된 신호는 자체 개발 한 위상배열 초음파 신호 평가 프로그램 Sonicstation 을 사용하였다. 위상배열 초음탐촉자의 위치를 위상배 열 초음파탐상기에 입력하기 위하여 회전형 엔코더를 탐촉자 몸체와 체결하고 함께 이동하도록 하였다. 4.3 실험 방법 실험을 위하여 위상배열 초음파탐촉자를 위상배열 초음파 장비에 연결하고 탐촉자 몸체와 엔코더를 체결 하여 실험을 하였다. 블레이드는 시험편의 폭이 제한되 어 있어 엔코더를 이용한 B-scan 주사가 이루어지지지 않아 고정된 위치에서 신호를 취득하였다. 디스크 시 험편은 탐촉자를 접촉할 수 있는 면적이 넓어 엔코더 를 원주방향으로 이동하면서 신호를 취득하였다. 위상 배열 탐촉자를 구동하기 위한 설정값을 Sonicstaion에 입력한 후에 초음파 빔을 0°에서 50°까지 생성할 수 있 는 집속 규칙을 적용 하였다. 실험에 사용된 장비의 설 정값은 Table 3과 같다.. 에 대하여 결함의 검출여부를 평가하였다. Fig. 8은 1단 터빈의 블레이드 첫 번째 후크에 가공된 EDM 노 치에서 반사된 신호를 나타낸다. EDM 노치가 수직면 에서 45° 각도로 경사지게 가공이 되어 있어 블레이 드 외부 표면에 접촉한 탐촉자의 굴절각이 45°인 상 태에서 결함의 진폭 값이 가장 크게 나타났다. Fig. 9는 3단 블레이드의 3번째 후크에 가공된 결함 에 대한 실험 결과이다. 1단 블레이드에서와 동일한 위치에서 실험을 하였으며, 39.5°에서 결함이 검출되 었다. 1단 블레이드에 비하여 낮은 굴절각도에서 검 출이 되었는데 이는 블레이드의 단수가 증가함에 따 라 블레이드 루트부의 두께가 증가하므로 낮은 굴절 각도에서 결함이 검출되기 때문이다. 또한 빔거리가 증 가하여 동일한 검사감도에서 신호의 진폭 값이 감소. Fig. 8 Experimental result for 1st hook of 1st stage blade root. Table 3 Experimental parameters for phased array pulse receiver Parameter . Setting value. Gain. 25dB. Digitizing frequency. 100MHz. Inspection mode. Pulse-echo. Steering angle. 0°～50°. Angle resolution. 1°. Voltage. 40V. Pulse Width. 100ns. Transaction of the KPVP, Vol. 9, No. 1. Fig. 9 Experimental result for 3rd hook of 3rd stage blade root.
(6) 횡파 위상배열 초음파탐촉자를 이용한 원자력발전소 저압 터빈 검사 적용 타당성 연구. 13. 하여 나타났다. 터빈 디스크는 블레이드와 달리 탐촉자의 접근이. 대 오차는 1.89mm이며 RMSE(root mean square error) 는 1.1mm 나타나 길이 측정결과가 신뢰성이 있는 것. 용이한 형상으로 되어있다. 이에 따라 디스크의 측면 에서 탐촉자를 이동하면서 엔코더를 이용하여 B-scan 신호를 취득할 수 있으므로 디스크 원주방향으로 탐. 으로 나타났다.. 촉자를 이동하면서 신호를 취득하였다. Fig. 10은 디 스크 1단의 1번 후크에 대한 실험 결과를 나타낸 그림 이다. 실험 결과 가공된 12개의 결함이 모두 검출되었. 4. 결 론 표준형 원전 저압터빈 블레이드 루트 및 디스크 검 사에 웻지를 사용하는 기존의 검사방법이 아닌 웻지. 다. 디스크는 블레이드에 비하여 두께가 두꺼워 낮은 굴절각도인 37°에서 검출이 되었다. 디스크 실험결과에서 B-scan 신호에서 나타난 신호. 를 부착하지 않은 횡파형 위상배열 초음파탐촉자를. 를 이용하여 결함의 길이 측정이 가능하였다. 길이측 정은 6dB drop 방법을 적용하였다. 길이 측정결과는 Table 4와 같다. 길이측정 결과 최. 파탐촉자를 사용한 저압터빈 검사에 대한 특성을 확. 사용한 검사의 적용성에 대한 연구를 수행하였다. 배 관 용접부 검사용으로 제작된 횡파형 위상배열 초음 인하기 위해 지향성 및 결함 응답신호 모델링을 실시 한 결과 검사에 영향을 미칠 수 있는 그레이트 로브는 관찰되지 않아 적용이 가능함을 확인하였다. 저압터 빈 1단과 3단 블레이드 루트에 가공된 인공결함에 대 한 결함 검출실험을 수행한 결과 결함 발생가능성이 높은 후크(hook) 모서리 부분에 가공된 결함을 검출 할 수 있었다. 또한 디스크 1단의 루트부에 길이와 깊 이 및 경사각이 다르게 가공된 12개의 결함을 삽입하 고 이에 대한 검출 및 길이 측정 결과 12개 결함이 모두 검출이 되었으며, 길이 측정결과 RMSE 값이 1.1mm로 신뢰성이 높은 것으로 나타났다. 따라서 웻. Fig. 10 Experimental result for 1st hook of 1st stage disc Table 4 Flaw length measurement result for 1st stage disc (unit : mm) No. Size (l×d×w). 1. 5.0×0.3×0.15. 2. 5.0×0.5×0.15. 3. 5.0×1.0×0.15. 4. 5.0×0.5×0.15. 5. 5.0×1.0×0.15. 6. 5.0×1.0×0.15. 7 8 9 10 11 12. 1.0×0.3×0.15 3.0×0.5×0.15 10.0×2.0×0.15. Tilt angle 45. 25. Measured length. Deviation. 5.86. 0.85. 5.86. 0.86. 6.84. 1.84. 4.89. 0.11. 5.65. 0.65 1.84. 0. 6.84. 45. 2.84. 1.84. 25. 2.12. 1.12. 45. 4.88. 1.89. 25. 4.89. 1.89. 45. 9.77. 0.23. 25. 11.73. 1.73. 지를 부착하지 않은 횡파 위상배열 초음파탐촉자를 터빈검사에 적용하였을 경우, 초음파탐촉자를 접촉시 키기가 협소한 블레이드 측면에서 수행되는 초음파검 사 기술의 검사 신뢰성을 향상 시킬 수 있을 것으로 예 상된다.. 참고문헌 1. EPRI, 2005, “Ultrasonic Inspection of Steam Turbine Blade Roots : Interim report” TR-1011680, pp. 1-25. 2. Yang, S. H., Yoon, B. S. and Kim, Y. S., 2006, “A Study on the Flaw Evaluation in the Straddle Mount Type Low Pressure Turbine Disc Using Phased Array Ultrasonic Technique”, KSNT, Vol. 26, No. 4, pp. 231*238. 3. Wustenberg H, A. Erhard and G. Shenk, 2000, “Some Characteristic Parameters of Ultrasonic Phased Array Probes and Equipment”, NDT.net, No. 4.. 한국압력기기공학회 논문집 제9권 제1호 2013년 9월.
(7) 14. 윤병식 ․ 김용식 ․ 김진회. 4. Yoon, B. S., Lee, H. J., Braconnier, D., 2012, “Design and Performance Evaluation of Shear Wave Phased Array Ultrasonic Transducer”, KSNT, Vol. 32, No.2, pp. 185-191. 5. Shi-Chang Wooh, Yijun Shi,1998, “Influence of phased array element size on beam steering behavior”, Ultrasonics, Vol. 36, pp.737-749.. Transaction of the KPVP, Vol. 9, No. 1. 6. Sung-Jin Song, Chang-Hwan Kim, 2002, “Simulation of 3-D radiation beam patterns propagated through a planar interface from ultrasonic phased array transducers”, Ultrasonics, Vol. 40, pp.519-524. 7. CIVA : Simulation software for Non Destructive Testing, www-civa.cea.fr..
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