FMC/TFM(Full Matrix Capture/Total Focusing Method)가 몇 년 전 NDT 산업에 도입되었을 때 이 방식은 검사 시간과 결과를 최적화할 획기적인 기술로 인식되었습니다. 하지만 시간이 지나면서 특히 용접 검사 애플리케이션에서 여러 제약과 문제가 드러났습니다.
프로브 선택에서 보정 수행에 이르기까지 검사자는 관련 규정을 준수하는 최적화된 검사 전략을 수립하기 위해 필수적으로 여러 선택을 해야 합니다.
이 글을 작성하던 당시에 FMC 또는 TFM에 적용되는 규정이 포함된 유일한 NDT 산업 규정은 ASME 보일러 및 압력 용기 규정(BPVC)이었습니다. 이 규정의 4조 V절(2019년)에는 다음 부록이 포함되어 있습니다.
- 필수 부록 XI FMC(Full Matrix Capture)
- 비필수 부록 F FMC(Full Matrix Capture)를 사용한 용접부 검사
- 특정 직원 요구 사항과 교육 개요 1조 V절
다음은 이 규정을 준수하는 용접 검사용 TFM 전략을 수립하기 위한 4가지 필수 사항입니다.
1. 최적의 프로브 선택
표준 위상 배열 초음파 검사(PAUT)에서 프로브 선택은 검사의 성공에 필수적입니다. TFM은 PAUT와 동일한 물리학 원리를 따르기 때문에 선택하는 프로브도 그만큼 중요합니다. 지정된 프로브의 성능은 다음 특성의 조합에 따라 달라집니다.
- 요소 개수
- 요소 피치/폭
- 주파수/파장
검사자는 애플리케이션 유형, 검사할 부품의 특성, 해당 부품의 표적 관심 영역에 적합하도록 이러한 특성을 최상으로 조합해야 합니다. 예를 들어 고주파수와 결합된 큰 개구부(요소 피치와 요소 수의 곱)는 일반적으로 부품의 더 깊은 위치에서 초점화를 개선하지만, 저주파수와 결합된 작은 개구부는 표면과 가까운 영역에서 초점화를 개선합니다.
TFM 검사에서는 여러 개의 파형 세트(전파 모드에 따라 그룹화된 빔 세트)가 있으므로 적절한 모델링 도구가 없으면 이러한 매개변수가 각 세트에 미치는 영향을 시각화할 수 없습니다. OmniScan™ X3 결함 탐상기의 AIM(Acoustic Influence Map) 도구를 사용하면 재료 속도와 결함 유형 및 방향을 고려하여 여러 프로브 사이의 관심 영역에서 감도 커버리지를 비교할 수 있습니다.
아래 이미지에는 AIM 도구를 사용하여 FMC/TFM 검사용 프로브 선택을 안내하는 방법이 나와 있습니다. 네 가지 프로브 모델의 AIM 감도 커버리지가 표시되어 있습니다. 파형 세트(2T), 투입 재료 속도 및 결함 유형(구 모양)은 4개의 맵에서 모두에서 동일합니다.
프로브 모델: 5L64-A32. 요소 개수: 64개. 주파수: 5MHz. 피치: 0.5mm.
프로브 모델: 5L64-A2. 요소 개수: 64개. 주파수: 5MHz. 피치: 0.6mm.
프로브 모델: 10L64 A31. 요소 개수: 64개. 주파수: 10MHz. 피치: 0.31mm.
프로브 모델: 5L64 NW1. 요소 개수: 64개. 주파수: 5MHz. 피치: 1mm.
맵의 색상은 각 맵의 최대 예상 진폭에 상대적이므로 색상이 나타내는 민감도 수준을 올바르게 해석하는 방법을 알고 있어야 합니다. 그 이유는 "감도 지수" 판독값이 제공되기 때문입니다. AIM과 감도 지수에 대한 간략한 설명은 이 어플리케이션 노트를 확인하십시오.
이 네 가지 AIM 모델을 비교해 보면 피치와 주파수가 결과 감도 맵에 중요한 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다. 이 예에서 프로브 4개 중 2개만이 TT 모드의 관심 영역(ROI)에서 적절한 커버리지를 제공합니다(5L64-A32 및 5L64-A2 프로브). 이 경우에 ROI를 포함하는 적색 파형에서 더 높은 데시벨 수치를 나타내는 더 높은 감도 지수 판독값(25.20 및 20.02)으로 인해 두 번째 모델이 더 적합합니다.
2. 모델링 도구를 사용한 스캔 도면 최적화
스캔 도면 최적화는 성공적인 검사 전략에 있어 필수적입니다. ASME 규정에 따라 FMC/TFM 스캔 도면에는 적어도 검사 볼륨 커버리지와 용접 접합 기하 형상이 표시되어야 하며, 사용되는 파형 세트, 그리드 밀도 정보 및 스캔 패턴(지수 및 스캔 오프셋, 0 기준점, 필요한 스캔 라인 수)이 포함되어야 합니다.
프로브 포커싱 기능, 부품 기하 형상, 예상되는 결함 유형 및 방향을 고려하여 최적의 파형 세트를 선택하는 일은 TFM 검사를 설정하는 동안 검사자가 마주하는 가장 큰 과제로 꼽힙니다.
OmniScan X3 장비의 AIM 도구는 감도 커버리지 추정에 이러한 모든 매개변수를 고려하므로 적절한 파형 세트와 지수 오프셋을 쉽게 선택할 수 있습니다.
아래 스크린샷 4개는 펄스-에코 전파 모드 파형 세트 2개(2T 및 4T)와 셀프 탠덤(self-tandem) 전파 모드 파형 세트 2개(3T 및 5T)에 대한 AIM 감도 맵을 보여 줍니다.
P/E 모드(2T 및 4T)의 경우 결함 유형이 구형으로 설정되고 셀프 탠덤 모드(3T 및 5T)의 경우 결함 유형이 0° 평면으로 설정됩니다. 이러한 (4)개 모드는 다중 그룹 설정에 적합한 조합을 나타냅니다. 이 모든 4개용 프로브는 SA32-N55S 웨지에 장착된 5L64 A32 모델로, 25mm 탄소강판의 이중 V 용접부 중심선에서 -12mm 오프셋 위치에 배치됩니다.
3. 강력한 진폭 충실도 및 엔벨로프 알고리즘을 갖춘 소프트웨어
진폭 충실도(AF)는 TFM 그리드 해상도로 인해 발생하는 표시의 최대 진폭 변동을 측정한 수치(dB 단위)입니다. AF는 주로 프로브 주파수 및 대역폭, 재료 속도, 그리드 해상도 및 적용된 엔벨로프에 따라 달라집니다.
규정을 준수하기 위해 AF는 2dB를 초과해서는 안 됩니다. 허용 오차를 초과하는 경우, 검사자는 요구 사항에 부합할 때까지 해상도를 높이거나 구역 크기를 줄이거나 프로브 주파수를 높일 수 있습니다.
OmniScan X3 장비는 가로 축뿐만 아니라 모든 그리드 축(가로, 세로 및 전파 축)에서 가장 높은 측정치에 해당하는 AF 값을 표시합니다. 용접 애플리케이션에서는 전파 축이 가장 중요합니다.
이론적이고(계산상) 실제적인 AF 검증이 모두 규정을 준수해야 한다는 점에 유의해야 합니다.
TFM 엔벨로프는 두 가지 TFM 이미지의 표준을 계산하여 얻습니다. 하나는 표준 획득 FMC 데이터를 사용하고 다른 하나는 힐버트 변환 FMC를 사용하여 계산됩니다. 이 엔벨로프는 이미지의 신호 진동을 제거하여 최대 진폭 측정치의 강건성을 향상시켜 크기 조정 정확도를 높입니다. 정보가 손실되지 않고 신호만 처리됩니다.
TFM 엔벨로프을 활성화하면 다음과 같은 이점이 있습니다.
- 진폭 기반 크기 조정 방법(예: 6dB 드롭법)에서 보다 쉽게 크기 조정
- 동일한 그리드 해상도에서 진폭 충실도 개선
- 동일한 AF에서 더 빠른 획득 속도
TFM 엔벨로프 형상에 대해 자세히 알아보려면 "엔벨로프 형상에서 TFM(Total Focusing Method) 사용"을 읽어 보시기 바랍니다.
4. 다중 그룹 구성 기능
규정을 준수하는 설정에는 다음 두 가지 이유로 다중 그룹 구성이 필요합니다.
- 규정에 따라 2T 또는 2L와 같은 직접 경로는 전체 볼륨 커버리지에 적합하지 않습니다.
- 보정 프로세스에서 경로 검증을 수행하려면 쓰루월(through-wall) 슬롯의 전체 범위를 검출해야 합니다. 보정 중에 사용되는 이미징 경로는 검사에 사용되는 이미징 경로와 동일해야 합니다.
PAUT를 사용해 본 검사자는 2T 파형 세트로 하나의 그룹만 사용하고 시스템 설정에서 부품 두께를 두 배로 늘려 표준 부채꼴 스캔에 견줄만한 결과를 재현하려고 했습니다. 하지만 하나의 파형 세트만을 사용한 이 구성은 경로 검증 요구 사항을 통과하는 데 필요한 보정 블록의 쓰루월 슬롯의 전체 범위를 검출할 수 없기 때문에 이 방법을 사용하지 않는 것이 좋습니다.
규정 요구 사항에 부합하려면 3T 및 5T와 같은 셀프 탠덤(self-tandem) 파형 세트를 포함한 다중 그룹 구성이 필요합니다. OmniScan X3 결함 탐상기를 사용하면 AF 및 해상도 품질에 영향을 주지 않고 최대 4개의 그룹을 구성하고 실행할 수 있습니다.
여기에는 쓰루월 슬롯을 향하는 보정 블록에 배치된 5L64-A32 프로브를 사용한 설정 사진(위)이 나와 있습니다. 오른쪽 이미지는 다중 그룹 설정의 결과 최종 보기의 스크린샷입니다. 이것은 슬롯의 전체 범위가 3T 및 5T 셀프 탠덤 모드를 통해 검출된다는 것을 명확하게 보여 줍니다. 이미지 및 데이터 제공: K Shane Walton(University of Ultrasonics).
최적의 보정을 위한 팁:
- 표준 PAUT와 마찬가지로, 두꺼운 구성 요소의 TFM 검사에서는 용접부 볼륨을 완전히 커버할 수 있도록 다양한 지수 오프셋을 사용한 다중 스캔이 필요할 수 있습니다. 이 경우에 경로 검증은 동일한 지수 오프셋(최종 스캔에 사용)을 사용하여 수행해야 하며 쓰루월 슬롯의 전체 범위가 검출됨 입증해야 합니다.
- 보정 블록 두께: 보정 블록 두께가 검사 부품 두께의 ±5% 이하일 때 최적의 결과를 얻습니다.
TFM 검사 및 규정 준수와 관련된 잘못된 통념과 사실에 대해 자세히 알고 싶으신가요? 이제 온디맨드 방식으로 제공되는 "TFM(Total Focusing Method)을 사용하는 동안 규정 준수 보장(Ensuring Code Compliance While Using the Total Focusing Method)" 웹 세미나에서 확인할 수 있습니다.
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백서: TFM Acoustic Influence Map
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