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초음파 위상배열 시스템을 이용한 원자로 압력용기 크랙 검출에 대한 연구

A study on the crack detection of atomic pressure vessel with ultrasound phased array system

초록/요약 도움말

본 논문은 초음파 위상 배열 시스템을 이용하여 비파괴 검사 장비에 사용할 수 있는 빔포밍 알고리즘을 구현하고 실제 장비에 적용하였다. 의료용 초음파와는 달리 산업용에서 사용하는 초음파 비파괴 장비는 인체와 상이하게 틀린 매질의 특성과 검사 환경으로 인해 기존 빔포밍 알고리즘에 굴절을 고려해야 한다. 특히 검사체가 초음파 프로브에 수직으로 위치하는 수직 탐상이 아니고, 배관과 같이 수평으로 긴 부분을 검사하는 웨지가 있는 환경에서는 웨지에서의 초음파의 전달 속도가 무시할 수 없을 정도로 크다. 웨지가 장착되는 경우는 기존의 싱글 엘리먼트를 이용하는 수직 탐상과는 달리 위상배열 시스템을 이용하여 빔을 조향 해야만 한다. 또한 프로브와 검사체 사이에 매질이 존재함으로써 필연적으로 초음파 진행 속도가 틀리고, 검사체와 프로브가 수직이 아니게 되어 굴절이 일어나게 된다. 더구나 빔을 수평으로 긴 거리를 전달시키고, 넓은 각도를 한 화면에 보기 위해서는 웨지와 검사체 간의 굴절률이 커야만 하고 굴절률이 크기 때문에 웨지에서의 전달 시간을 무시할 수 없게 된다. 제안된 빔포밍 알고리즘은 웨지에서의 에러와 검사체의 에러가 서로 부호가 틀려 더함으로써 전체 에러가 보상됨을 이용한다. 에러 보상 알고리즘은 굴절이 상대적으로 완만하게 변하는 5cm 이후의 크랙을 검출하는데 탁월한 효과를 지닌다. 상대적으로 굴절이 급격하게 변하는 검사체의 표면을 보는 경우에는 에러가 커지게 되는데, 근거리의 에러를 보상하기 위해 프로브 구경을 깊이에 따라 증가시키는 다이나믹 구경 콘트롤을 이용하였다. 구경 콘트롤을 통해 근거리에서 에러가 많은 엘리먼트는 빔포밍에서 제외되고, 빔포밍이 진행되면서 엘리먼트가 점점 많이 사용되면서 어는 일정 위치 이후에는 전체 엘리먼트가 사용된다. 경사각 탐상을 위해 프로브를 웨지에 장착 후 송신하게 되면 매질의 임피던스가 틀려지게 되는 부분에서 입사각이 존재하게 되고, 이 경우 모드 변환에 의해 횡파가 발생하게 된다. 발생된 횡파는 기존의 종파에 비해 약 절반의 속도를 가지며, 종파와는 다른 굴절각을 가지며 진행하게 된다. 종파에 비해 파장이 작아, 작은 크랙을 검출하는데 우수한 성능을 보인다. 제안된 빔포밍 알고리즘은 초음파 비파괴 검사에서 위상배열 시스템을 이용하여 발생된 횡파를 종파와 더불어 검사체의 크랙 검출에 이용할 수 있다. 본 논문은 굴절을 보상하는 초음파 비파괴 경사각 탐상의 빔포밍 알고리즘을 제안하였고, 기존 선진 장비와의 이미지 비교와 원자로 압력 용기 크랙 검출 실험을 통해 제안된 빔포밍의 타당성 및 우수성을 검증하였다.

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초록/요약 도움말

The beamforming algorithm was proposed which can be used in nondestructive testing using the ultrasound phased array system, and also applied to real system. Unlike the medical ultrasound system, ultrasound nondestructive system in industrial region should consider the refraction phenomenon which occurs due to the characteristics of medium which are different from human body and testing environment. Especially, the specimen is not located vertically with the ultrasound probe and the testing environment which have wedge is used for horizontally long pipe, the transmission time through the wedge is large enough not to be ignored. If the wedge is installed, unlike the vertical testing with a single element, beam should be steered using the phased array system. Also the medium between the probe and the specimen cause the refraction due to the difference of the ultrasound velocity. Moreover the index of refraction should be large to transmit the beam much further and to view the large area. The large index of refraction make the transmission time of wedge medium to be important in beamforming. The proposed beamforming compensate the total error by adding the errors which have the opposite direction each other. This error compensation algorithm have an excellent effect on crack detecting above the 5cm where refraction change relatively slowly. In case detecting the near surface of specimen where refraction change rapidly, the error become larger, so the dynamic aperture control is used to compensate the near field errors. Through the dynamic aperture control, the elements which have larger error are excluded in near field beamforming, as the beamforming progress, the more elements are used. Eventually all elements are used above the reference depth. If the probe is installed in wedge and transmitted in angle incident testing, the incident angle exists where the impedance of medium differs and the shear wave are generated by mode conversion at the interface. The generated shear wave have half a speed than longitudinal wave, transmit to other angle. Compared to longitudinal wave, the shear wave have a short wavelength, so it shows the better performance in a small crack detection. The proposed beamforming algorithm can use the shear wave along with the longitudinal wave using the phased array system. This thesis proposed the beamforming algorithms which compensate the refraction in angle beam nondestructive testing, and verified its validity and excellence by comparing the image with the existing equipment and by detecting the cracks in atomic pressure vessel.

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