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Phased Array UT · TOFD 심화
PAUT 빔 조향·DAC/DGS, TOFD 회절파, S/E 스캔, 결함 사이징
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왜 PAUT·TOFD인가?
전통 UT(Conventional UT)는 단일 결정 탐촉자로 한 방향만 검사 → 시간 多, 결함 사이징 정확도 ↓. Phased Array UT(PAUT)와 TOFD는 차세대 NDT로 ASME·ISO·EN 코드에서 RT 대체·보완 기법으로 공식 채택되었으며, 시험·실무 출제 빈도가 빠르게 증가하고 있습니다.
ASME 코드 채택 흐름
| 코드 | PAUT | TOFD | RT 대체 |
|---|---|---|---|
| ASME V Article 4 (2003~) | ◎ 정식 | ◎ 정식 | — |
| ASME Code Case 2235 | — | — | ◎ RT 100% 대체 허용 |
| ASME Section VIII Div.1 | ○ | ○ | Code Case 2235 적용 시 ○ |
| API 1104 (파이프라인) | ◎ | ◎ | Annex C 명시 |
| ISO 17640 / 13588 / 10863 | ◎ | ◎ | — |
특히 두꺼운 압력용기·해양 플랜트·풍력 타워에서 RT의 방사선 위험·시간 부담을 회피하고자 PAUT로 전면 전환되고 있습니다.
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1. Phased Array UT (PAUT) 원리 — 빔 조향과 집속
다수의 압전 소자(통상 16~128개)를 직선·곡선으로 배열하고, 각 소자의 여기 시간(Pulser Delay)을 ns 단위로 제어하여:
- 빔 각도 조향(Steering) — 0~70° 범위 가변 (전자식)
- 빔 집속(Focusing) — 깊이별 초점 가변
- 빔 스캐닝(Scanning) — 탐촉자 이동 없이 영역 스캔
3대 스캔 모드
| 모드 | 약자 | 설명 |
|---|---|---|
| S-Scan | Sectorial | 한 위치에서 부채꼴로 각도 스윕 — 가장 보편 |
| L-Scan | Linear | 동일 각도로 선형 이동 — 길이 방향 스캔 |
| E-Scan | Electronic | L-Scan의 전자식 버전, 그룹 단위 활성화 |
Wedge(쐐기) 조합 — PAUT 탐촉자는 보통 60°/55° 쐐기 위에 부착하여 횡파(S-wave)를 모재에 입사. 굴절 각도 = arcsin(C_wedge × sin(θ_wedge) / C_steel).
**S-Scan 영상 해석법** - **가로축**: 결함의 X 위치 (모재 두께 방향) - **세로축**: 결함의 Y 위치 (탐촉자로부터 거리) - **컬러**: 반사 신호 강도 (적색=강, 청색=약) - 한 화면에 **30~70° 모든 각도**가 동시 표시되므로, 결함이 어느 각도에서 가장 잘 보이는지 직관적으로 판단 가능
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2. 캘리브레이션 — DAC vs DGS
UT 결함 크기 평가의 2대 표준 방식:
| 방식 | 원리 | 특징 |
|---|---|---|
| DAC (Distance Amplitude Correction) | 표준 시험편의 SDH(Side-Drilled Hole) 또는 FBH(Flat-Bottom Hole) 반사파를 거리별로 측정해 보정 곡선 작성 | 시험편 의존 — 모재 두께·재질별로 별도 시험편 |
| DGS (Distance-Gain-Size) | 이론적 빔 확산·결함 크기 관계식으로 계산식 기반 평가 | 시험편 불필요, 빠름. 일부 ASME 적용 |
DAC 보정 절차
1. 표준 시험편 SDH(보통 Ø1.5~3mm)를 다양한 깊이에서 검출
2. 각 깊이별 반사파 진폭 측정 → DAC 곡선 작성
3. 실제 모재의 결함 신호를 DAC 곡선과 비교
4. DAC 100% 초과 = 합격 한도 초과 (코드별 한도 상이)
ASME V Article 4 평가 기준
- 부분 용입(Partial Joint Penetration) 결함: DAC 50% 초과 시 기록
- 평가 임계: DAC 100% 또는 −6dB
- 길이 측정: −6dB Drop 방법
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3. Time of Flight Diffraction (TOFD) 원리
PAUT의 펄스-반사법과 달리, 결함 끝(Tip)에서 발생하는 회절파의 도달 시간을 측정하여 결함 높이를 정밀 산출.
측정 원리
```
송신기(Tx) ────[래터럴 웨이브]──── 수신기(Rx)
\ /
\ 결함 ⤴(상단 회절) /
\ ⤵(하단 회절)/
\____ [후벽 반사파]___/
```
4개의 신호 도달 순서:
1. Lateral Wave — 표면을 따라 직진 (가장 빠름)
2. Top Tip Diffraction — 결함 상단 끝 회절파
3. Bottom Tip Diffraction — 결함 하단 끝 회절파
4. Backwall Reflection — 후벽 직각 반사 (가장 느림)
결함 높이 H 산출:
$$H = \sqrt{(c \cdot t_2/2)^2 - S^2} - \sqrt{(c \cdot t_1/2)^2 - S^2}$$
- c: 음속 (강 종파 ~5,900 m/s, 횡파 ~3,230 m/s)
- t₁·t₂: 상·하단 회절파 도달 시간
- S: 송·수신기 절반 간격(PCS/2)
TOFD의 강점
- 결함 높이 정확도 ±1mm (RT는 길이만, PAUT는 ±2mm)
- 결함 방향과 무관 — 회절파는 모든 결함 끝에서 발생
- 빠른 스캔, 영구 기록 (B-Scan 영상)
TOFD의 약점
- 데드 존(Dead Zone) — 표면 근처(Lateral Wave 영역)·후벽 근처 결함 검출 어려움
- 회절파가 약해 신호 해석에 숙련 필요
- 결함 길이 정확도는 PAUT보다 낮음
**PAUT + TOFD 조합 운영이 표준** 현장 표준 운영은 두 기법을 **상호 보완**으로 동시에 적용합니다. - **표면 근처·후벽 근처** → PAUT가 강함 (TOFD 데드존 보완) - **결함 높이 측정** → TOFD가 강함 (PAUT 보완) - **결함 길이 측정** → PAUT가 강함 - **결함 검출률(POD)** → 조합 시 95% 이상 ASME Code Case 2235(RT 100% 대체)는 사실상 PAUT + TOFD 조합을 전제로 합니다.
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4. 결함 사이징·기록·평가 흐름
검출(Detection) → 사이징(Sizing) → 분류(Categorization) → 평가(Assessment)
| 단계 | 목적 | 방법 |
|---|---|---|
| 검출 | 결함 유무 판단 | PAUT S-Scan + TOFD B-Scan 동시 |
| 사이징 | 길이·높이·위치 측정 | 길이=−6dB / 높이=Tip Diffraction |
| 분류 | 결함 유형 판별 | 신호 모양·위치·방향 |
| 평가 | 합격/불합격 판정 | ASME VIII / API 1104 / BS 7910 |
결함 유형별 PAUT 신호 특징
| 결함 | S-Scan 특징 | TOFD 특징 |
|---|---|---|
| 균열(Crack) | 좁고 강한 신호, 결함 면 수직 각도에서 최대 | Top·Bottom Tip 명확 |
| 융합불량(LOF) | 개선면을 따라 선형, 큰 각도에서 강함 | Tip 약함, 면 반사 강함 |
| 용입부족(LOP) | 루트 근처, 0°에서 강함 | Backwall 차단 |
| 기공(Porosity) | 작은 점상 신호 다발 | 약한 산란 |
| 슬래그 혼입 | 부정형 신호 | 중간 강도 |
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5. 검사 인증·자격 — Level 1/2/3
PAUT·TOFD는 숙련도가 결과를 좌우하므로 자격 인증이 엄격합니다.
ISO 9712 / ASNT SNT-TC-1A / EN 473
| 등급 | 권한 | 표준 자격 |
|---|---|---|
| Level 1 | 검사 보조, 데이터 수집 | 단순 측정만 |
| Level 2 | 독립 검사·결과 판정·보고서 작성 | 현장 검사원 표준 |
| Level 3 | 절차서 작성·승인·교육, 다른 등급 시험 감독 | 책임 기술자 |
PAUT 추가 요건 (ASME V Article 4 Appendix XI / KSA E-110)
- Level 2 자격 + PAUT 특화 교육 80~120시간
- 실기 시험 (시험편 결함 검출률 ≥ 90%)
- 매 3~5년 재인증
TOFD 추가 요건 (ISO 10863)
- Level 2 자격 + TOFD 특화 교육 40~80시간
- 결함 사이징 정밀도 시험 합격
한국에서는 한국비파괴검사학회(KSNT) 또는 한국산업인력공단 비파괴검사기사 시험과 별도로 PAUT/TOFD 특수 자격을 운영합니다.
**시험·실무 빈출 포인트 정리** 1. PAUT는 다수 소자의 **여기 시간 제어**로 빔을 조향한다 (전자식 빔 조향) 2. **DAC** = 시험편 기반, **DGS** = 이론식 기반 → 모재 두께·재질에 따라 선택 3. TOFD는 **회절파 도달 시간**으로 결함 **높이**를 정밀 측정 (±1mm) 4. TOFD 데드존(표면·후벽 근처)은 **PAUT로 보완** 5. **ASME Code Case 2235** = RT 100% 대체 허용 (PAUT+TOFD 조합 전제) 6. 결함 길이 측정 표준 = **−6dB Drop**, 결함 높이 = Tip Diffraction 7. PAUT/TOFD 검사원은 Level 2 + 특화 교육 필수
1
장비 셋업 + 캘리브레이션
PAUT 탐촉자(예: 5L64 — 5MHz, 64 element) 선택. 모재와 동일 재질·두께의 표준 시험편(SDH·FBH 포함)으로 DAC 곡선 작성. TOFD는 PCS·각도·Wedge 결정.
2
스캔 영역 매핑 + 결함 검출
PAUT S-Scan으로 30~70° 부채꼴 스캔. TOFD B-Scan 동시 기록. 두 영상에서 의심 신호 위치 매핑.
3
결함 사이징 — 길이·높이·위치
길이는 PAUT −6dB Drop 방법. 높이는 TOFD Top·Bottom Tip Diffraction 시간차. 위치는 X·Y·Z 좌표 기록.
4
평가 + 보고서
결함 정보(길이·높이·위치·유형)를 ASME VIII / API 1104 / BS 7910 합격 기준과 비교. 데이터 영구 기록(B-Scan·S-Scan 이미지 + 사이징 표) 보고서로 발행.
🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 7
Phased Array UT(PAUT)의 빔 조향(Steering) 원리는?