TOFD 결함의 종류와 판독 방법 – 고정밀 초음파 검사 해석 가이드

TOFD 결함의 종류와 판독 방법 – 고정밀 초음파 검사 해석 가이드

비파괴검사(NDT)는 구조물의 안전성과 신뢰성을 확보하기 위한 필수 절차이며, 그 중에서도 **TOFD(Time of Flight Diffraction)**는 결함의 크기와 깊이를 고정밀로 측정할 수 있는 고급 검사 기법으로 널리 활용되고 있습니다. 특히 용접부 내부 결함 평가에 뛰어난 성능을 발휘해, 원자력, 화력 발전소 배관, 중압기기 용접부 등 고신뢰성이 요구되는 분야에서 필수적으로 사용되고 있습니다.

이번 글에서는 TOFD 검사에서 나타나는 결함의 종류와 판독 방법에 대해 실무 관점에서 자세히 설명드리겠습니다.

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TOFD 검사란?

TOFD는 초음파의 **회절파(diffraction wave)**를 이용하여 내부 결함을 탐지하는 검사 방법입니다. 송신 탐촉자에서 발생한 초음파가 재료 내부를 진행하다가 결함의 **끝단(상단, 하단)**에서 회절되어 수신 탐촉자로 전달되며, 이 회절파의 도달 시간을 분석하여 결함의 위치, 깊이, 크기를 정밀하게 파악할 수 있습니다.

기존의 반사파 기반 검사 방식과 달리, TOFD는 결함의 방향이나 형상에 영향을 덜 받기 때문에 높은 신뢰도를 자랑하며, 특히 용접 내부의 수직 균열, 용입 불량, 용접 결함 등 검출이 까다로운 결함에도 효과적입니다.

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TOFD에서 주로 검출되는 결함의 종류

1. 용접 균열 (Crack)

• 특징: 결함의 상하 끝단에서 회절파가 뚜렷하게 나타남
• 형상: 세로로 길게 형성되는 경우가 많아, 상단팁(Tip Diffraction)과 하단팁이 평행하게 나타남
• 위험도: 매우 높음 – 피로 파괴 및 파열 가능성

2. 용입 불량 (Lack of Fusion)

• 특징: 용접금속과 모재 사이 접합이 불완전하여 초음파가 경계면에서 강하게 반사되거나 회절
• 형상: 경계면을 따라 수평 형태로 나타나며 반사 신호가 길게 연장됨
• 위험도: 중간~높음 – 응력집중 지점이 될 수 있음

3. 슬래그 혼입 (Slag Inclusion)

• 특징: 불규칙하고 다공성 형태의 신호, 음향 속도가 다름
• 형상: 회절파가 약하고 다중 반사파가 혼재함
• 위험도: 중간 – 응력 집중 및 피로 원인 가능

4. 기공 (Porosity)

• 특징: 미세한 공기방울 형태로 작고 약한 회절파
• 형상: TOFD 영상상에 작고 무질서한 점 모양으로 나타남
• 위험도: 낮음 – 분산되어 있을 경우는 허용 가능

5. 응고수축공 (Shrinkage Cavity)

• 특징: 용접부 냉각 중 형성된 공동, 결함의 중심에서 회절파 발생
• 형상: 비교적 큰 반사 신호를 동반한 회절파
• 위험도: 중간 – 위치나 크기에 따라 위험성 다름

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TOFD 판독의 핵심 포인트

TOFD 판독은 단순히 신호를 보는 것이 아닌, 신호의 시간 차이, 강도, 형상 등을 종합적으로 해석해야 합니다.

1. A-Scan과 D-Scan 판독

• A-Scan: 시간에 따른 신호 파형을 표시 – 회절파 도달 시간 확인에 유리
• D-Scan: 시간축에 따른 단면 형상 이미지 제공 – 결함의 위치 및 크기 시각화

2. TOFD 신호 해석 순서

1. **Back Wall Echo(BWE)**와 Lateral Wave 식별
   → 기준 신호 설정
2. 결함 회절파 탐지
   → Lateral Wave와 BWE 사이의 비정상 신호가 회절파
3. 상하팁(Tip) 거리 계산
   → 결함의 실제 높이 산정 가능
4. 위치 좌표화 및 크기 분석
   → 검사 결과 보고서 작성 시 중요

3. 결함 높이 계산 예시

TOFD는 **상단 회절파와 하단 회절파의 시간차(Δt)**를 이용해 결함의 높이를 계산할 수 있습니다. 초음파 속도(V)와 시간차를 알고 있으면:

복사편집

결함 높이 = (Δt × V) / 2

정확한 보정과 신호 해석을 통해 결함 높이를 mm 단위로 도출 가능하며, 이 값은 평가 기준(예: ASME Code Case, ISO 10863 등)과 비교하여 합부 판정을 내리게 됩니다.

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판독 시 주의사항

• Dead Zone: Lateral Wave 근처는 결함 신호와 중첩되어 초기 결함이 감지되지 않을 수 있음
• 스캐너 속도와 해상도 조정: 너무 빠르거나 해상도가 낮으면 미세 결함이 누락될 수 있음
• 결함 유사 신호 식별: 스크래치, 기포, 용접 비드 등에서 발생하는 위음(False Indication)을 구분할 수 있는 경험 필요

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마무리

TOFD는 결함의 정량 평가에 매우 탁월한 검사 기법입니다. 단순한 존재 유무를 넘어, 결함의 크기와 위치를 정밀하게 측정할 수 있기 때문에, 고위험 재료나 부품의 품질관리에서 없어서는 안 될 도구입니다.