오스테나이트계 강 용접부에서 Metamodel 기반 TFM 기법의 결함검출 최적화에 관한 연구 :Metamodel-based Optimization of Total Focusing Method for Defect Detection in Austenitic Steel Welds

김성민

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김성민 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 박익근

발행연도: 2022

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이용수4

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

오스테나이트계 강 용접부에서 Metamodel 기반 TFM 기법의 결함검출 최적화에 관한 연구

김성민 2022.01 학위논문

2021

시뮬레이션 기반 오스테나이트계 강 용접부의 Total Focusing Method(TFM) 모드 전파거동 기초연구

김성민 , 조갑호 , 박익근 한국비파괴검사학회 춘계학술대회 초록집 2021.06 학술대회자료

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오스테나이트계 강은 우수한 기계적 성질과 내식성으로 원자력 및 화력발전설비의 보일러 및 배관 용접부에 활용되고 있다. 고온·고압의 환경에서 운영되는 발전설비의 구조 및 기기는 결함의 발생 가능성이 높아 비파괴검사를 통한 건전성 확보가 필요하다. 하지만 오스테나이트계 강 용접부는 개선면과 내부의 응고 속도 차이로 인한 주상결정의 이방성 구조를 가지고 있어 초음파 빔을 조향할 경우 결정립계에서 초음파 굴절과 모드 변환이 발생하여 결함의 특성화에 어려움이 있다. 이에 위상배열초음파탐상검사(PAUT)를 이용한 빔 전파거동 분석과 최신 초음파탐상검사 기법인 FMC/TFM 기법에 대한 연구가 이루어지고 있다. FMC는 관심영역의 모든 송·수신 조합의 A-scan 데이터를 수집하는 기법으로 TFM은 데이터 후처리를 통해 재구성된 이미지를 형성하는 기법이다. FMC/TFM은 다양한 초음파 경로와 모드의 해석이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 결함의 종류, 위치, 형상 등과 같은 특성에 따라 영상화 결과가 상이하며, 이로 인해 결함 평가를 위한 검사 조건 선정에 어려움이 있다.
본 연구에서는 오스테나이트계 강 용접부에서 최적의 TFM 검사 조건을 도출하고자 민감도 분석, Metamodel, 초음파 전파거동 시뮬레이션을 통한 최적화 연구를 수행하였다. 시뮬레이션을 위해 용접부 결정립을 Ogilvy 기법을 이용하여 모델링하였으며 결함의 특성(Y peak, Depth, Height)과 검사 조건(Frequency, Index offset)을 변수로 선정하였다. 민감도 분석 결과 결함의 깊이가 검사 결과에 가장 큰 영향을 미치는 주요인자임을 확인하였으며 이외의 변수와의 Metamodel 분석으로 결함의 깊이에 따른 최적 검사 조건을 도출하였다. 이후 오스테나이트계 강 용접부와 결함을 모델링하여 실제 검사와 동일한 조건에서의 Metamodel 분석 및 초음파 전파거동 시뮬레이션을 통해 결함 위치에 따른 최적의 검사 조건과 TFM 모드를 도출하였다. 해당 최적 조건에서 결함검출 시뮬레이션을 통해 영상화 특성을 확인하고 실험적으로 검증하였다. 이를 통해 Metamodel 기반 최적화로 모든 결함을 검출하여 오스테나이트계 강 용접부에서의 결함 검출능을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과를 통해 검사가 어려운 대상체에서의 건전성 확보를 위한 최적 조건 선정에 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.

Austenitic steel has excellent mechanical properties and corrosion resistance, so it is used in boilers and pipe welding parts of nuclear power plants and thermal power plants. The structure of power generation facilities operated in high temperature and pressure environments has a high possibility of defects, so it is necessary to ensure integrity through nondestructive testing. However, the austenitic steel weld has an anisotropic structure of columnar crystal due to the difference solidification rate between the improvement surface and inside. So when the ultrasonic beam is steered, ultrasonic refraction and mode conversion occured at the grain boundary, making it difficult to characterize defects. Therefore, research on beam propagation behavior analysis using phased array ultrasonic testing(PAUT) and FMC/TFM technique is being conducted. FMC is a technique that collects A-scan data of all transmission and reception combinations in the region of interest. TFM is a technique that reconstructs an image through data post-processing. FMC/TFM has the advantage of being able to analyze various ultrasound paths and modes. However, it difficult to select the inspection conditions for defect evaluation. because the imaging results are different depending on characteristics such as the defect type, location, and shape.
In this study, optimization studies were conducted through sensitivity analysis, metamodel, and ultrasonic propagation behavior simulation to obtain the optimal TFM inspection conditions for austenitic steel welds. For the simulation, the grains of the weld were modeled using the Ogilvy technique, and the characteristics of defects(Y peak, Depth, Height) and inspection conditions(Frequency, Index offset) were selected as variables. As a result of the sensitivity analysis, it was confirmed that the depth of the defect is the key factor that has the greatest influence on the inspection result, and the optimal inspection conditions according to the depth of the defect were obtained through metamodel analysis with other variables. After that, defects of austenitic steel weld were modeled under the same conditions as actual inspections, and optimal inspection conditions and TFM modes were obtained according to defect locations through metamodel analysis and ultrasonic propagation behavior simulation. Imaging characteristics were confirmed and experimentally verified through defect detection simulation under the optimal conditions. Through this, it was confirmed that the defect detection ability in austenitic steel welds could be improved by detecting all defects with Metamodel-based optimization. It is expected that the results of this study can be used to select the optimal conditions for ensuring the integrity of structure that are difficult to inspection.

#Total Focusing Method(TFM) #Metamodel #Simulation #Optimization

목 차
표목차 ⅰ
그림목차 ⅰ
I. 서 론 1
1.1 연구 배경 및 필요성 1
1.2 연구 목적 및 내용 3
II. 이론 5
2.1 위상배열 초음파탐상검사(PAUT) 기법 5
2.2 Full Matrix Capture(FMC)?Total Focusing Method(TFM) 기법 9
2.3 오스테나이트 강 이방성 용접부 16
2.4 Metamodel 기반 최적 설계 18
III. Metamodel 기반 TFM 최적화 시뮬레이션 22
3.1 개요 22
3.2 시뮬레이션 조건 23
3.3 Metamodel 기반 TFM 최적화 26
3.4 초음파 전파거동 및 결함검출 시뮬레이션 47
IV. TFM 최적화의 실험적 검증 53
4.1 실험 장치 및 방법 53
4.2 실험 결과 및 고찰 55
V. 결론 58
참고문헌 60
영문초록(Abstract) 66
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