NDT란 무엇인가?
제조업계에서는 비파괴 검사(non-destructive testing, NDT)라는 말을 흔히 듣게 됩니다. 그런데 이는 실제로는 무슨 뜻일까요? NDT는 제품을 손상시키지 않고 제품의 특성을 측정하거나 평가하는 모든 프로세스를 설명하는 포괄적인 용어입니다. 이 글에서는 최상의 NDT 결과를 얻기 위한 잠재적인 작업 흐름, 애플리케이션 및 기술을 살펴봅니다.
이미지 출처: Zetec NDT
비파괴 평가(evaluation), 조사(examination) 또는 검사(inspection)라고도 하는 비파괴 검사는 항공우주 및 방위산업에서 중공업에 이르기까지 모든 분야에서 사용됩니다. 이는 수많은 기술을 설명하는 포괄적인 용어로, 모두 비슷한 용도로 사용됩니다.
본질적으로 NDT는 높은 수준의 품질, 안정성 및 규정 준수를 보장하기 위해 제품을 빠르고 정확하게 측정하는 것입니다. 어떤 프로세스를 선택하든 두 가지 핵심 기준을 충족해야 합니다. 즉, 객체의 작동 중단을 최소화해야 하고 손상을 유발하지 않아야 합니다.
제품 손상과 낭비를 방지하면 지속 가능성과 비용 측면에서 분명한 이점이 있습니다. NDT의 장점에 대해서는 곧 자세히 살펴보기로 하고 이 시점에서는 파괴 검사와 비교하여 NDT의 다양한 프로세스를 정의하는 것부터 시작하는 것이 가장 좋을 것입니다.
요점
NDT는 객체나 재료를 재사용하거나 재검사할 수 있도록 손상을 입히지 않고 특성을 분석하는 것입니다.
파괴 검사 대 비파괴 검사
파괴 시험 중에는 인장기, 클램프 및 기타 기계를 사용하여 샘플 제품을 말 그대로 파괴 지점까지 밀어붙입니다. 목표는 보통 간단합니다. 시편의 한계를 발견하고 인장 강도 및 내충격성과 같은 주요 특성을 확인하는 것입니다.
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예를 들어 거시 단면, 인장 시험, 3점 굽힘 시험과 같은 프로세스를 통해 잠재적인 약점을 발견하면서 재료 특성, 유연성, 신뢰성을 검사합니다. 그러나 이러한 방법은 제품을 사용할 수 없게 만들어 중요한 구성 요소 검사에는 적합하지 않습니다.
반면, 비파괴 검사(NDT)를 사용하면 객체를 전혀 손상시키지 않고 분석할 수 있습니다. 3D 스캐닝과 같은 비접촉 측정 기술을 사용하여 구조 부품의 무결성을 평가하면 결함을 조기에 발견하고 유지보수를 계획할 수 있습니다. 이러한 수준의 고급 계획을 통해 궁극적으로 부품 고장으로 인한 비용과 가동 중단 시간을 줄일 수 있습니다.
비파괴 검사의 장점
물론 NDT보다 DT(파괴 검사)가 더 유리한 상황도 있습니다. 하지만 비파괴 검사 방법이 경제적인 측면에서 더 나은 경우가 훨씬 더 많습니다. 샘플을 지속적으로 파기하는 것은 그것을 재사용하는 것보다 비용이 더 많이 들 수밖에 없습니다. 또한 다시 제조하는 데는 시간이 걸리기 때문에 파괴 검사는 더 길고 노동 집약적인 프로세스가 됩니다.
그리고 모니터링 사용 사례도 있습니다. 교량 점검과 같은 애플리케이션에서는 시간 경과에 따른 인프라의 강도를 추적하고 열화 속도를 모니터링하는 것이 유용합니다. 마찬가지로 검사 중에 제품이 파손된 경우 반복 영향 평가가 불가능합니다. 이는 취약점을 조기에 발견하고 해결할 수 있는 NDT의 예방적 특성을 강조합니다.
요점
시간 경과에 따른 제품 또는 빌드를 모니터링하면 결함을 실시간으로 식별하고 더 악화되기 전에 수정할 수 있습니다.
마지막으로 편의성이 있습니다. NDT는 현장에서 수행할 수 있는 경우가 많으므로 검사를 위해 제품을 제거할 필요가 없고 제조 공정을 계속 진행할 수 있습니다. 파괴 검사는 특수한 현장 외부의 검사 장비가 필요할 수도 있으므로 실행하기에 실용성이 훨씬 더 떨어질 수 있습니다.
전반적으로 파괴 시험은 그 나름대로의 역할이 있습니다. 하지만 비파괴 검사는 더 빠르고, 더 저렴하고, 더 편리하며, 덜 방해가 되면서도 한 차원 높은 수준의 장기 분석을 제공합니다. NDT를 채택해야 하는 이유에 대해 알아보았습니다. 이제 사용 가능한 다양한 검사 기술에 대해 살펴보겠습니다.
비파괴 검사 방법
육안 NDT
일반적으로 예비 단계로 간주되는 육안 NDT는 기본적으로 육안이나 거울, 보어스코프, 비디오스코프와 같은 장비를 사용하여 표면 결함을 찾는 프로세스입니다.
이미지 출처: TÜV Rheinland
육안 NDT를 통해 발견되는 일반적인 문제로는 구조적 무결성에 영향을 줄 수 있는 부식, 피로, 균열 등이 있습니다. 따라서 이 기술은 특히 부품이 용접을 통해 어떻게 융합되었는지 평가하는 데 유용합니다. 또한 육안 NDT는 ‘상식적인’ 검사에도 사용할 수 있어 사용 불가능한 부품을 추가로 검사하는 데 시간을 낭비하지 않게 해 줍니다.
가장 쉽게 접근할 수 있는 NDT 형태 중 하나인 육안 검사는 수많은 산업 분야에서 제조 초기 단계에 사용됩니다. 도구가 비교적 저렴한 경우가 많고 제품 손상을 일으키지 않으며 단순하기 때문에 쉽게 채택할 수 있습니다. 그러나 프로세스가 매우 주관적일 수 있고 조건에 따라 결과가 달라질 수 있습니다. 일관성과 신뢰성을 높이기 위해 표면 하부 분석이 필요할 수 있습니다.
요점
육안 검사는 다소 초보적인 것처럼 보일 수 있지만 다단계 검사 파이프라인의 첫 단계에 불과한 경우가 많습니다.
초음파 NDT
고주파를 사용하면 물성을 분석하고, 결함을 감지하고, 재료와 객체의 치수를 측정할 수 있습니다. 이 초음파 NDT(또는'UT') 프로세스는 매우 정밀하고 활용도가 다양하여 내부 이상을 식별하고 무결성을 검증하는 데 이상적인 것으로 알려져 있습니다.
일반적으로 이 기술의 침투력을 통해 한쪽 면만 접근할 수 있는 가려진 제품을 검사할 때에도 빠르고 정확하게 감지할 수 있습니다. 특정 상황에서 더 나은 결과를 제공하는 다양한 변형의 초음파 NDT도 있습니다. 예를 들어, 전단파 및 위상 배열은 표면과 평행하고 여러 각도에서 결함을 감지합니다.
이미지 출처: IUT de Bordeaux
초음파 두께 검사는 부품에 충격파를 보내고 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 두께는 부식의 핵심 척도인 경우가 많기 때문에 파이프라인 누출이 빈번하게 발생하는 석유 및 가스 같은 분야에 일반적으로 적용됩니다. 객체가 액체에 잠겨 있는 경우, 정확도를 높이기 위해 파동 전달을 강화할 수도 있습니다. 그러나 '초음파 침수'는 일반적으로 가장 복잡한 수중 분석에 사용됩니다.
방사선 NDT
방사선 검사도 내부 구조를 분석하는 NDT 방법이지만 초음파가 아닌 X선과 감마선을 사용하여 제품 결함을 식별하는 것이 다릅니다.
실제로 이 프로세스에서는 제품을 방사선원과 검출기 사이에 놓습니다. 방사선을 부품에 쏘면 제조업체는 침투, 산란, 흡수 수준을 통해 두께와 밀도에 편차가 있는 부분을 파악할 수 있습니다. 물론 방사선 검사는 기술의 특성상 엄격하게 규제됩니다. 따라서 차폐, 보호 장비, 유자격 직원의 고용을 통해 위험을 제한하는 것은 모두 안전에 필수적입니다.
그렇긴 하지만 이 기술 자체는 압력 용기를 위한 석유 및 가스 산업이나 항공기 부품의 비행 준비를 보장하는 데 사용할 수 있는 항공 산업에서 이미 검증되었습니다. 휴대성과 시간 소모적 특성으로 인해 애플리케이션에 제한이 있습니다. 또한 방사선 촬영은 얇은 층으로 이루어진 부품에는 효과적이지 않습니다. 그러나 이 기술은 매우 까다로운 분야에서 두각을 나타내고 있는 것으로 보입니다.
요점
X선과 감마선은 제조업체가 엄격한 산업용으로 제작된 부품의 깊은 내부를 볼 수 있는 초음파 NDT에 대한 대안이 되고 있습니다.
와전류 NDT
와전류 검사는 비파괴 검사에 전자기를 활용합니다. 이는 부품에 직접 파동 펄스를 발사하는 대신 검사 표면 옆에 전원이 공급되는 코일을 설치하고 그 주변에 전자기장을 생성하는 것을 의미합니다. 필드 내부에서는 별도의 수신기 코일을 사용하여 국부적인 전류 또는 '와전류'와의 상호 작용을 모니터링할 수 있습니다.
이미지 출처: IndiaMART
전류 및 위상 변동은 전도도, 투자율 및 잠재적으로 결함 존재의 변화를 나타냅니다. 교류의 주파수를 조정하면 특정 깊이에서 문제를 감지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 주파수가 높아지면 객체 표면 근처의 결함을 찾는 데 사용할 수 있습니다. 깊은 결함의 경우 그 반대이지만 저주파 스캔 또한 덜 민감하므로 선명도와 도달 범위 사이에 균형을 맞춰야 합니다.
이러한 다양한 침투 수준은 비전도성 부품이나 샘플 객체 표면과 평행하게 이어지는 영역의 결함을 감지하지 못하는 등의 다른 문제들로 인해 더욱 복잡해집니다. 하지만 이 방법은 빠르고 설정이 쉬우며 한 번에 사용 가능한 결과를 제공합니다. 또한 객체 내부 깊숙한 곳까지 들여다볼 수 있어 복잡한 설계의 검사에 이상적입니다.
자기 입자 NDT
전류 기반 NDT의 또 다른 형태인 자기 입자 검사(MT)도 있습니다. 와전류 NDT와 마찬가지로 MT는 결함 감지를 위해 전류로 표면을 충전하지만 철, 니켈, 코발트 같은 강자성 물질로만 작동합니다.
다른 검사 기법과 비교했을 때 자기 입자 NDT는 많은 장점이 있습니다. 휴대성이 뛰어나고 저렴하며 설치가 빠를 뿐만 아니라 코팅된 재료로 작업할 때에도 얕은 표면의 미세한 균열을 찾아내는 데 적합합니다. 그러나 크기, 모양, 재질 및 자계 방향에 대한 제한이 있습니다. 마찬가지로 제품 내부 깊숙한 곳에 있는 결함은 도달할 수 없을 수 있으며, 이를 해결하기 위해 큰 전류를 사용하면 부품이 타버릴 수 있습니다.
요점
와전류 및 자기 입자 비파괴검사는 전류 내 방해를 측정하는 두 가지 방법을 통해 잠재적인 제품 문제를 발견합니다.
음향 방출 NDT
NDT는 비파괴적이지만, 항상 비접촉식인 것은 아닙니다. 샘플 객체에 센서를 장착해야 하는 프로세스인 음향 방출을 예로 들어보겠습니다. 음향파는 부품에 방출되고, 센서는 반사된 '응력파'를 감지합니다. 이러한 응력파의 파장은 높은 압력이나 부하를 나타내며 무결성에 따라 강도가 증가합니다.
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음향 방출 NDT는 부품에 진동을 보내기만 하면 되기 때문에 이 기술 자체는 사용자가 작업을 중단할 필요가 없습니다. 제품은 사용 중 또는 개발 검사를 통해서도 검사할 수 있습니다. 또한 부식에서 섬유 파손에 이르기까지 모든 것을 감지할 수 있어 활용도가 매우 높으며 열악한 환경에서도 원격으로 수행할 수 있습니다.
반면에 음향 방출은 정적인 결함 감지 및 위치에 국한됩니다. 시간이 지남에 따라 발생하는 결함을 진단하고 수정하려면 추가 분석이 필요한 경우가 많습니다.
염색 침투액 NDT
실제로 염색 침투액 검사는 비다공성 샘플을 제거 가능한 액체 염료로 코팅하여 내부의 모든 기공과 균열로 스며들게 합니다. 그런 다음 다양한 색상의 현상액을 사용하여 후속 검사 중에 결함을 두드러지게 표시할 수 있습니다.
다공성, 탄성 또는 스펀지와 같은 부품은 일반적으로 이 방법으로 작업할 수 없습니다. 전통적으로 강철이나 철 부품을 평가하는 데 사용되어 왔지만 염료 개발로 플라스틱 수지, 유리, 도자기로 적용 범위가 계속 넓어지고 있습니다. 이 프로세스는 비용이 저렴하고 단순하며 숨겨진 채널을 찾을 수 있기 때문에 단조, 주조 및 용접 검사에서 특히 널리 사용되고 있습니다.
그러나 사용 가능한 결과를 얻으려면 사전 세척이 필수적입니다. 침투액제는 종종 유해한 화학물질로 만들어지는 경우가 많기 때문에 이 NDT 기술은 유지 관리가 어려울 수 있습니다.
요점
염색 침투액 NDT 같은 기술은 비접촉 방식은 아니지만 검사 중에 결함을 빠르고 쉽게 식별할 수 있습니다.
누출 검사 NDT
누출 검사는 어느 정도 생각하시는 대로 정확하게 작동하는 NDT의 한 형태입니다. 누출 검사 중에는 압력 및 진공 시스템에 힘을 가하여 외부가 손상되었는지, 원하는 용량으로 작동하는지 확인합니다. 흥미로운 점은 이 프로세스를 현장에서 수행할 수 있으며, 표시액을 추가하여 육안으로 쉽게 검사할 수 있다는 것입니다.
방법론 자체도 매우 유연합니다. 간단한 기포부터 방사성 가스까지 모든 것을 사용하여 압력을 확인할 수 있으므로 식품 포장 공장, 전자 공장, 석유 및 가스 시설 등 누출이 발생할 수 있는 곳이라면 어디든 적용할 수 있습니다. 물론 특정 검사 가스를 사용하면 여러 가지 안전 문제를 고려해야 하지만, (액체 코팅으로 인한 오염 가능성 때문에) 더 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있습니다.
3D 스캐닝
기존의 NDT 방식에 비해 3D 스캐닝은 표면 하부 형상을 캡처하는 데는 덜 효과적이지만, 매우 유연하고 정확하며 정밀하기 때문에 검사에 매우 귀중한 자산입니다. Artec Leo와 같은 무표적 방식의 무선 스캐너는 완전히 비접촉식이며 이동성이 뛰어나므로 케이블이나 오염 위험 없이 어디서나 사용할 수 있습니다.
최고 정확도가 몇 마이크론밖에 되지 않고 범위가 수백m에 달하는 3D 스캐닝은 애플리케이션 규모에도 제한이 없습니다. 작은 부품을 검사하든 큰 구조물을 검사하든 상관없이 적합한 스캐닝 기술이 있습니다. 100% 데이터 세트가 필요한 경우 몇 분 만에 완벽한 3D 모델을 생성하는 디스플레이가 내장된 ‘포인트 앤 슛’(point-and-shoot) 장치도 있습니다.
그에 맞는 고급 소프트웨어 없다면 3D 스캐너를 가질 필요가 없습니다. 다행히 Artec Studio와 같은 프로그램은 계속해서 발전하여 데이터 품질 캡처를 개선하고 새로운 기능을 추가하여 새로운 애플리케이션에 적용할 수 있게 해 줍니다. 예를 들어 HD 모드를 사용하면 섬세한 선과 까다로운 표면을 놀라운 해상도로 포착할 수 있습니다. 또한, 내장된 측정 및 분석 도구를 통해 단일 플랫폼에서 디지털화와 검사가 점점 더 통합되고 있습니다.
요점
3D 스캐닝은 비접촉식 데이터 캡처, 확장성, 높은 정확도, 빠른 속도가 독특하게 결합되어 있어 산업 검사에 이상적입니다.
애플리케이션
석유 및 가스
석유 및 가스 산업에서 파이프라인 파열은 매우 흔한 일입니다. 중요한 것은 추가 손상, 환경 문제 및 이동 중단의 가능성을 최소화하기 위해 가능한 한 빨리 문제를 해결하는 것입니다. NDT는 여기서 균열과 부식을 빠르고 정확하게 조기에 감지할 수 있는 중요한 역할을 합니다.
Team, Inc.는 Artec Leo를 사용하여 파열된 파이프 주변의 형상을 직접 캡처합니다. 그런 다음 엔지니어가 원격으로 맞춤형 파이프 클램프를 개발하여 신속하게 수리할 수 있도록 현장에 배치합니다.
건설
NDT를 생각할 때 가장 먼저 떠오르는 애플리케이션은 아닐 수 있지만 건설 및 토목 공학은 대규모 검사의 완벽한 예입니다. 도로, 교량, 터널과 같은 인프라의 문제를 식별하고 해결하는 것은 공공 안전에 매우 중요합니다.
다행히도 GoMeasure3D와 같은 Artec 3D 골드 인증 파트너가 이미 나서고 있습니다. 이 팀은 장거리 LiDAR 스캐너 Artec Ray II와 함께 Artec Leo를 사용하여 미국 리치먼드에서 7.6m 높이의 홍수 방벽을 검사할 수 있는 방법을 시연했습니다. Voestalpine도 철도 검사에 작업 흐름을 유사한 방식으로 사용하여 방대한 철도 노선에서 결함을 발견하여 고장을 예방합니다.
요점
NDT는 도로, 벽, 교량, 철도와 같은 공공 인프라의 상태를 모니터링하는 데 적합합니다.
자동차
자동차에는 비파괴 검사가 약간 다르게 적용됩니다. 하지만 차량이 공장에서 출고된 후 안전하고 신뢰할 수 있게 하는 데 있어 비파괴 검사는 여전히 중요한 부분입니다. 자동차 프레임과 섀시는 용접을 통해 제작, 수리, 수정되는 경우가 많으며 이러한 접합부에는 검사가 필요합니다.
자동차 생산 라인 전반에서 NDT는 품질 관리를 위해 다양한 지점에서 사용됩니다. 이는 엔진 구성 요소와 같이 주조로 제작된 부품의 결함을 감지하거나 타이어 또는 서스펜션 시스템을 심층적으로 검사하여 도로 주행이 가능한 상태인지를 확인하는 데 사용될 수 있습니다.
항공우주
민간용이든 군사용이든 모든 항공우주 부품은 비행 적합성을 입증하기 위해 까다로운 산업 표준을 충족해야 합니다. 날개, 동체, 랜딩 기어 등의 요소는 엄청난 압력과 온도 변화를 견딜 수 있어야 합니다. 이러한 경우 1mm 미만의 편차조차도 엄청난 결과를 초래할 수 있습니다.
그렇기 때문에 일부 제조업체는 검사 및 리버스 엔지니어링을 위해 3D 스캐닝과 같은 기술을 사용하고 있습니다. 예를 들어 3DMakerWorld에서는 수요에 따라 예비 부품을 제작하고자 하는 고객을 위해 실험용 항공기 Sadler Vampire의 3D 모델을 제작했습니다.
제조
아마도 후보 목록에서 가장 널리 사용되는 애플리케이션인 NDT는 품질 관리 분야에서 제조업 전반에 걸쳐 큰 인기를 끌고 있을 것입니다. 주조품, 단조품, 용접품은 모두 공장 현장에 배치하기 전에 검사를 해야 합니다. 가공된 부품, 코팅, 심지어 다른 곳에서 가져온 원자재도 사양에 맞는지 확인해야 합니다.
따라서 특정하고 고유한 생산 NDT 애플리케이션을 분명히 파악하기 어려울 수 있지만 위에서 언급한 접근 방식 중 다수가 널리 사용되고 있습니다. 한 가지 예를 들자면, Element는 예비 채광용 부품 검사를 위해 오랫동안 검증되고 정확도가 높은 Artec Eva를 사용합니다.
요점
많은 제조업체가 이미 기존 NDT 기술의 대안으로 1mm 미만의 정확도를 가진 3D 스캐닝을 사용하고 있습니다.
에너지
NDT의 최종 대형 애플리케이션은 발전 산업입니다. 거대한 터빈 블레이드나 발전기 로터를 생각해 보십시오. 이 중 다수는 균열에 취약합니다. 발전소는 또한 지속적인 유지보수가 필요한 파이프 네트워크의 핵심 장소이기도 합니다. 비파괴 검사는 이러한 분야 등에서 모든 것이 안전하고 정상적으로 작동하도록 유지하는 데 필수적입니다.
