“극한 환경까지 빈틈없이”… 표준연, 안전 검사 사각지대 해소할 초음파 센서 개발

- ‘유도관’ 기술로 검사 대상에 원격 설치하여 전 방향 결함을 정밀 탐지 - - 센서 설치 어려운 고위험 현장도 실시간 고속 검사 가능… 산업 안전성 한층 높인다 -

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)은 ‘유도관(Waveguide)’을 적용해 검사 대상에 센서를 직접 부착하지 않고 모든 방향의 결함을 정밀하게 찾아낼 수 있는 초음파 센서 기술을 개발했다. 이번 기술은 열기나 유독 가스 등으로 인해 표면에 직접적으로 센서 설치가 어려웠던 고위험 산업 시설의 안전사고 예방과 검사 사각지대 해소에 기여할 것으로 전망된다.

▲ KRISS 연구진이 개발한 초음파 센서를 대형 배관에 설치해
측정되는 초음파 신호와 배관에 가해지는 온도 조건을 분석하고 있다.

비파괴 검사는 구조물을 파괴하지 않고 초음파 신호를 이용해 내부 결함을 찾아내는 안전 검사 기술이다. 항공우주, 원자력, 대형 플랜트 등 안전이 최우선되는 산업 현장에서 구조물의 신뢰성을 확보하는 핵심 기술로 꼽힌다.

 

하지만 기존 비파괴 검사용 초음파 센서는 원자력 발전소의 고온 배관이나 유해 화학물질 저장고와 같은 극한 환경의 구조물에는 사용할 수 없었다. 검사 대상 표면에 밀착하여 설치해야 하는 특성상 강한 열기나 부식성 물질에 노출돼 파손되는 경우가 잦았고,  작업자 접근이 차단된 위험 지역은 센서 부착 자체가 불가능했기 때문이다.

 

또한 기존 센서는 360도 전 방향을 검사하기 위해 여러 개의 센서를 이어 붙이는 분절형 구조로 설계됐는데, 각 센서의 파동을 하나의 신호로 합치는 과정에서 간섭과 왜곡이 발생해 검사 정밀도가 떨어지는 문제가 있었다.

▲ KRISS가 개발한 유도관 기반 전 방향 초음파 센서 모식도

 

KRISS 비파괴측정그룹은 매개체인 유도관을 도입해 이 문제를 해결했다. 유도관을 통해 초음파 신호를 감지하는 센서 영역이 검사 대상 표면에 직접 닿지 않게 원격으로 설치하여 고위험 조건에서도 운용 가능한 새로운 형태의 센서를 개발한 것이다.

 

핵심 기술은 원통형 유도관 내부에서 마치 빨래를 짜듯 ‘비틀림 진동’을 일으킨 뒤, 이를 고르게 정렬해 검사 대상에 전달하는 것이다. 이 방식을 활용하면 센서를 검사 대상과 멀리 떨어뜨려 설치해도 전 방향으로 파동이 균일하게 퍼져 정밀한 검사가 가능하다. 특히 유도관은 다양한 재질과 형상으로 설계할 수 있고, 끝단을 구조물의 곡면에 맞게 절삭할 수도 있어 다양한 환경 조건과 복잡한 형태의 구조물에도 안정적으로 적용할 수 있다.

▲ KRISS가 개발한 유도관 기반 전 방향 초음파 센서의 구조 및 성능 측정 결과

 

실험 결과, 개발된 센서는 약 95%의 방향 균일성과 고순도 파동을 구현해 전 검사 구간에 걸쳐 고른 신호를 포착할 수 있는 성능을 입증했다. 신호 강도 역시 기존 분절형 방식보다 13.7배 이상 향상돼 넓은 영역에 대한 신속한 스캐닝과 정밀 영상화가 가능해졌다.

▲ KRISS 연구진이 개발한 유도관 기반 전 방향 초음파 센서를 들여다보고 있다.

 

이번 기술은 기존 비파괴 검사가 불가했던 극한 환경 구조물의 실시간 모니터링을 가능하게 해 산업 현장의 안전성을 한층 높일 것으로 기대된다. 또한 고가의 센서를 여러 개 배치하는 대신, 저렴한 유도관 구조의 단일 센서만으로도 넓은 영역을 검사할 수 있어 검사 비용을 대폭 절감할 것으로 전망된다.

▲ KRISS 비파괴측정그룹

(가장 좌측부터 차례대로 김승일 근로UST연구학생, 정주영 근로학연연구학생, 승홍민 선임연구원, 박찬욱 박사후연구원, 박춘수 비파괴측정그룹장)

 

KRISS 비파괴측정그룹 승홍민 선임연구원은 “이번에 개발한 센서는 액체 환경에서도 신호 성능이 우수해 물에 잠겨 있는 대형 구조물까지 정밀하게 검사할 수 있다.”라며 “높은 신뢰성과 범용성을 바탕으로 다양한 산업 시설의 사고 예방 시스템에 즉시 적용될 수 있고 그동안 검사하지 못했던 사각지대를 탐상하여 대형 재난 사고 예방에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

 

이번 연구성과는 KRISS 기본사업의 지원을 받았으며, 기계공학 분야 저명한 국제학술지 Mechanical Systems and Signal Processing(IF 8.9)에 지난 12월 게재됐다.