음향방출시험의 방법과 표준]

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음향방출시험의 방법과 표준

에이티에스 2024. 10. 29. 10:42

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음향 방출 테스트(Acoustic Emission Testing) 는 초음파 응력파의 방출을 사용하여 재료의 결함을 식별하는 검사 방법입니다. 이러한 초음파는 초음파 검사에서와 같이 외부 소스에서 유입되지 않고 검사되는 재료 내부에서 발생합니다. 음향 방출 테스트는 음향 방출(AE), 음향 테스트(AT, 음향 NDT 또는 AE 테스트)라고도 합니다.

음향 방출 검사는 비파괴 검사(즉, 검사자가 재료에 해를 끼치지 않고 재료에 대한 데이터를 수집할 수 있도록 하는 검사)의 가장 일반적이고 유용한 방법 중 하나입니다.

음향 방출 테스트의 주요 장점은 검사자가 재료를 손상시키지 않고 재료의 전체 하중 이력을 테스트할 수 있다는 것입니다.

역사적으로 AE는 관련 비용이 높기 때문에 고가의 구조물을 검사하고 유지 관리하는 데만 사용되었습니다. 그러나 새로운 개발은 AE 장비의 비용을 낮추는 데 도움이 되었으며 다양한 검사 응용 분야에서 더 쉽게 접근할 수 있게 되었습니다.

자기 입자 테스트 또는 염료 침투 테스트와 같은 다른 NDT 방법과 비교할 때 음향 방출 테스트는 비교적 새로운 것입니다.

1980년대 초에 검사관이 고분자 매트릭스 복합재(PMC)를 테스트하는 방법으로 처음 사용되었습니다. 음향 방출을 기록하는 데 사용되는 센서는 압전 재료를 사용합니다. 압전성은 기계적 응력의 도입에 의한 전하의 생성입니다.

크레인을 사용하여 화강암 슬래브를 버스 꼭대기에 설치하는 것을 예로 들어보면 무거운 화강암이 버스 위로 밀려 내려와 응력과 전하를 생성합니다. 그리고 이러한 전하는 압전의 한 유형입니다.

압전성은 1880년 피에르 퀴리(Pierre Curie)와 폴 자크 퀴리(Paul-Jacques Curie)라는 두 형제에 의해 처음 발견되었습니다. 그러나 1920년대 초반까지 Walter Cady라는 발명가가 전자 발진기를 안정화하기 위해 압전을 사용하는 실험을 할 때까지 많은 용도로 사용되지 않았습니다.

약 60년 후, 연구원들은 고분자 매트릭스 복합재의 결함을 식별하기 위해 압전을 테스트하기 시작했습니다. 오늘날 음향 방출 테스트에 사용되는 센서는 기계적 파동을 생성하기 위해 진동 전기장을 적용하기 때문에 압전 음파 센서라고 합니다.

그런 다음 이 파동은 재료를 통해 이동하여 검사관이 측정할 수 있는 전기장이 됩니다.

AE는 유망한 NDT 방법이지만 아직 초기 단계이며 완전히 신뢰할 수 있는 독립형 검사 기술이 되기까지는 수년간의 연구 개발이 필요합니다. AE를 위한 흥미로운 새로운 애플리케이션 중 하나는 지진이 실제로 발생하기 전에 이를 감지하는 데 사용하는 것이지만 이 애플리케이션도 개발 초기 단계에 있습니다.

1. 음향방출 시험이란?

음향 방출 테스트에서 검사자는 하나 이상의 센서를 사용하여 고체 물질의 표면을 통과하는 탄성 초음파를 기록합니다.

음파가 물체 표면 위를 또는 물체 표면을 통과할 때 발생하는 모든 결함은 속도와 진폭 측면에서 해당 파동을 변경할 수 있습니다. 그리고 검사자는 결함의 존재를 식별하기 위해 이러한 변경 사항을 찾습니다.

음향 방출 테스트에 일반적으로 사용되는 초음파의 범위는 20 킬로헤르츠(KHZ) 및 1 메가헤르츠(MHZ)입니다.

(1 KiloHertZ는 1,000 헤르츠 또는 초당 사이클과 같고, 1 MegaHertZ는 100 만 헤르츠 또는 초당 사이클과 같습니다.)

초음파. 초음파와 초음파라는 용어는 인간이 들을 수 없을 정도로 높은 음파를 말합니다.
음향 방출. 음향 방출이라는 용어는 재료 내의 국부적 인 소스에서 에너지를 빠르게 방출하는 동안 일시적인 파동이 생성되는 것을 말합니다.

1) 음향 방출의 원인

음향 방출은 재료가 무거운 하중을 받거나 극한의 온도로 인해 스트레스를 받을 때 발생합니다.

이러한 방출은 일반적으로 방출하는 구조물에 가해지는 일종의 결함 또는 손상에 해당하며, 이러한 손상은 검사자가 AE 테스트를 수행할 때 찾는 것입니다.

음향 방출원에는 다음이 포함될 수 있습니다.

위상 변환
열 응력
냉각 크래킹
녹는
결합 및/또는 섬유 고장

2) 음향방출의 응용

일반적으로 AE를 사용하여 다음을 찾습니다.

부식 - 다양한 유형의 재료 표면에서 발생
코팅 제거 - 재료에 적용된 보호 코팅 제거
결함/결함 - 용접 모니터링 및 기타 일반적인 결함 감지용
누출 - 파이프 시스템 또는 저장 탱크
부분 방전 - 고전압에 노출되는 구성 요소에서

특히 섬유의 경우 AE는 일반적으로 균열, 부식, 박리 및 파손을 테스트하는 데 사용됩니다.

다음은 음향 테스트를 위한 가장 일반적인 응용 분야입니다.

비행기 수명 추정
교량 검사
콘크리트 부식 모니터링
광산 벽 안정성 검사
압력 용기 검사
구조적 무결성 검사
풍력 터빈 검사

2. 음향방출 시험의 특징

1) 음향 방출 테스트 vs. 초음파 테스트

음향 검사와 초음파 검사는 모두 초음파를 사용하지만 별개의 검사 방법입니다. 음향 방출 NDT에서 검사자는 재료에 존재하는 결함으로 인한 음향 방출을 "청취"합니다.

AE 테스트는 구조물에 과부하가 걸렸는지 여부를 판단하는 데 특히 유용하며, 제조 중에 사용할 수 있는 유일한 NDT 방법입니다. 테스트 재료나 구조 자체가 음향 방출을 방출하기 때문에 외부 에너지를 사용할 필요가 없습니다(초음파 테스트와 달리).

반면에 초음파 검사에서 검사자는 외부 소스의 재료 구조를 통해 초음파를 보냅니다. 파도가 중단되면 중단 지점에 결함이 있음을 나타냅니다.

2) 음향 방출 테스트의 장단점

음향 테스트는 작동 중인 고장 메커니즘을 직접 측정할 수 있기 때문에 널리 사용되는 NDT 방법이지만, 이는 검사자가 재료의 결함을 찾는 데 일반적으로 사용하는 이유 중 하나일 뿐입니다.

다음은 음향 방출 NDT에 대한 장단점입니다.

- 장점

실패 메커니즘에 대한 직접적인 측정을 제공합니다
매우 민감합니다
데이터를 즉시 제공합니다.
테스트되는 재료에 비파괴적입니다.
이를 통해 구조를 전역적으로 모니터링할 수 있습니다
압력이 높거나 방사선이 조사되거나 고온인 환경을 포함한 위험한 환경에서 사용할 수 있습니다
원격으로 수행할 수 있으며, 다른 NDT 방법을 사용하여 테스트하기 어려울 수 있는 재료의 결함을 감지할 수 있습니다

- 단점

AE의 단점 중 하나는 여전히 비교적 새로운 NDT 방법이기 때문에 항상 신뢰할 수 있는 것은 아니라는 것입니다.

NDT 방법으로서의 음향 테스트의 주요 단점은 다음과 같습니다.

유용성은 일반적으로 결함을 자세히 설명하는 것이 아니라 결함을 찾는 것으로 제한되며, 즉, 상용 음향 테스트 시스템은 발견된 손상 정도에 대한 정성적 추정치만 제공할 수 있습니다
시간이 지나도 변하지 않는 결함(즉, 움직이거나 성장하지 않는 결함)은 감지할 수 없습니다
구현하는 속도가 느릴 수 있습니다.
AE 신호는 매우 약할 수 있으므로 정확한 판독을 위해 노이즈 감소 및 신호 식별이 중요하므로 사용하기 어려울 수 있습니다

3. 음향 방출 기법

AE 테스트를 사용하기 위해 검사자는 검사하려는 물체의 표면을 철저히 청소하는 것부터 시작합니다. 청소 후, 그들은 검사하려는 구조물이나 재료에 음향 방출 센서를 배치합니다. 센서는 적절한 접촉 매질, 즉 음향 신호의 전송을 돕는 매체를 사용하여 구조물에 장착해야 합니다. 이러한 목적으로 접착제 또는 그리스가 일반적으로 사용됩니다.

일단 부착되면 센서는 재료에 존재하는 모든 응력파를 전기 신호로 변환하여 검사자가 읽을 수 있도록 합니다. 검사자는 차폐 동축 케이블을 사용하여 센서에서 모니터로 데이터를 공급하여 판독 가능한 결과와 원시 데이터의 형태로 정보를 표시합니다. 데이터를 사용할 수 있게 되면 검사자는 데이터를 해석하여 검사 중인 물체에 응력이 있는 위치를 식별하고 해당 응력으로 인한 결함의 가능한 위치를 찾습니다.

검사자가 주어진 구조에 필요한 센서의 양에 대한 결정은 다음을 포함한 몇 가지 요인에 따라 이루어집니다.

재료 또는 구조의 복잡성
구조체의 크기
테스트되는 재료의 유형

1) 카이저 효과(Kaiser Effect)

Kaiser 효과는 이전에 물체에 가해진 응력 수준이 초과될 때까지 물체에 음향 방출이 없는 것을 나타냅니다. 이 효과는 1950년 Kaiser라는 연구원이 금속이 이전에 받았던 최대 응력량을 "기억"할 수 있다는 것을 발견했을 때 처음 발견되었습니다.

카이저 효과(Kaiser effect)로 인해 구조물이 손상 응력을 받고 있을 수 있으며, 응력이 구조물이 이전에 경험한 응력량을 초과하지 않은 경우 검사자가 AE를 사용하여 식별할 수 없습니다.

2) 음향 방출 시험 장비

다음은 음향 NDT에 사용되는 음향 방출 장비의 유형입니다.

2-1) 트랜스듀서 / 센서 / 스트레인 게이지

음향 방출 데이터를 수집하는 장치는 다음과 같습니다.

압전 트랜스듀서
압전 센서
스트레인 게이지

AE 테스트를 위한 가장 일반적인 트랜스듀서 세트는 두 세트의 디지털 간 트랜스듀서로 구성되며, 이는 지퍼처럼 배열된 두 개의 연동 빗 모양의 금속 전극 어레이로 구성된 장치입니다. 변환기 중 하나는 전기장 에너지를 기계적 파동 에너지로 변환하고 다른 변환기는 기계적 파동 에너지를 다시 전기장으로 변환합니다.

다음은 다양한 유형의 음향 NDT 센서입니다.

두께 전단 모드 : 금속 증착 속도를 측정합니다.
변위 게이지 : 구조물에 가해지는 응력으로 인한 변위의 음향 방출을 전자 판독값으로 변환하는 스트레인 게이지입니다.
액셀러레이터 게이지 : 구조물에 가해지는 응력으로 인한 속도의 음향 방출을 전자 판독값으로 변환하는 스트레인 게이지입니다.
벌크 음파 장치(BAW) : 재료 또는 구조의 기판을 통해 파동을 전파하는 기계입니다. 표면파 장치
표면 음파 센서(SH-SAW) : 재료 표면의 음향 방출을 감지하는 데 사용되는 BAW 장치 유형입니다.
표면 횡파 센서(STW) : 재료 표면의 음향 방출을 감지하는 데 사용되는 BAW 장치 유형입니다.

2-2) 저잡음 전치 증폭기

저잡음 전치 증폭기는 센서의 출력을 증폭하여 검사자가 읽을 수 있도록 합니다.

이러한 장치와 올바른 교육을 통해 검사자는 육안으로 보이지 않을 수 있는 재료의 결함 위치를 식별할 수 있습니다.

4. 음향 방출 테스트 표준 및 코드

음향 방출 테스트는 검사관이 정보 제공 목적, 즉 특정 코드나 표준 집합을 준수할 필요가 없는 검사를 위해 자주 사용합니다. 그러나 음향 테스트는 코드 기반 검사에도 일반적으로 사용됩니다.

이러한 검사를 위해 검사관은 서면 절차를 따라야 하고 테스트를 수행하는 사람이 관련 표준 기관에서 그렇게 하도록 인증받아야 한다는 요구 사항을 포함하여 테스트를 수행하는 방법에 대한 특정 단계를 따라야 합니다.

다음은 널리 사용되는 몇 가지 음향 테스트 코드입니다.

ASME(미국기계공학회)

ASTM(미국재료시험협회)

CEN(유럽 표준화 위원회)

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