1960-80년대 국내의 화학산업은 정부의 주도하에 대규모의 생산 설비를 갖추게 되었다. 이러한 설비 중 정유, 화학, 가스 등의 위험물을 저장하는 탱크는 설치 기간이 30년이 넘어가는 지금 노후화에 따라 재료 내에서 생긴 균열, 변형, 부식 등은 설비의 파손 원인으로 주요 요인 중 하나로 부식을 들 수 있다[1,2]. 내부 부식은 두께 감육의 원인이 되며, 이는 위험물 누출 사고로 이어져 대형 화제를 일으킬 수 있다. 이러한 사고를 막기 위해서는 부식에 의한 두께 감육을 빠르게 파악할 수 있는 비파괴검사의 필요성이 부각되고 있다[2]. 기존 저장탱크의 부식 상태 및 모니터링은 위험물안전관리에 관한 세부기준 제 153조에에 따라 저장탱크의 옆판, 지붕판, 기둥, 사다리 등의 부식 및 도장상태는 검사자의 접근을 통한 육안 검사 및 극부 계측 검사가 수행되고 있다. 이때, 위험물 저장 탱크 루프 검사의 경우 작업자가 눈에 보이는 부식 부분은 피할 수 있지만, 눈에 보이지 않는 부식으로 인하여 검사 시 작업자의 추락 등 고소 낙하 사고가 종종 발생하는 실정이다. 이러한 옥외 저장 탱크의 위험성을 고려 시 무인화 또는 검사자의 안전을 보장할 수 있는 유무선 조작이 가능한 신뢰성 높은 비파괴검사 방안이 필요하다. 이에, 다양한 로봇 기반 기술과 환경 정보를 제공하는 IT 기술과의 접목을 통해 위험환경에서 원격 조작이 가능한 검사 로봇 시스템을 활용하고자 하는 기술 개발이 활발히 진행되고 있다[3]. 해외의 경우 GE Inspection Robotics, Gecko Robotics, Eddyfi 등에서 크롤러 로봇에 고화질 카메라 및 비파괴 센서 등을 부착하여 저장 탱크의 두께를 측정할 수 있는 플랫폼 개발에 앞장서고 있다[4,5]. 기존의 모바일 로봇, 이동형 검사 장치 기술은 감육 부위에서 고소 낙하 방지, 측면 부착력 등에 의한 무게 제약 조건으로 인해 비파괴검사 시스템의 경량화가 요구된다. 또한, 위험물 저장 탱크는 직경이 15 m부터 60 m 이상으로, 검사 범위가 매우 대면적으로 검사를 위해서는 고속 스캐닝이 가능한 비파괴검사 시스템이 요구된다.

전자기 음향 탐촉자(Electro-Magnetic Acoustic Transducer; EMAT)의 경우 외부의 자계를 도체 표면에 근접함으로서 발생한 자기변형에 의해 도체 자체가 가진되기 때문에 비접촉으로 초음파 신호의 송수신이 가능하며, 다양한 초음파 모드를 용이하게 발생시킬 수 있는 특성을 지닌다[6,7]. 이러한 EMAT은 종래의 접촉식 초음파 기법에서 사용되는 접촉식 초음파 탐촉자와 달리 거친 부분을 가진 면이나 도장면을 제거하지 않아도 되는 장점을 가지고 있어 고속 스캐닝에 매우 유리하다. 또한, EMAT의 경우 비접촉식으로 별도의 접촉 매질이 필요하지 않기 때문에, 물 공급 펌프 등의 설비가 요구되지 않아 전체 시스템의 경량화 측면에서도 매우 유리한 장점을 가지고 있다. 하지만, 넓은 불감영역과 낮은 에너지 전환효율로 인한 신호대잡음비 (Signal to noise Ratio;SNR) 등의 문제로 기존의 펄스-에코 방식의 두께 측정 방법을 적용하는 경우 반사 신호의 도착 시간이나 펄스의 왕복 진행 시간을 정확하게 식별하기 어려워 두께 측정 정확도가 낮아 신뢰도 있는 검사가 어렵다. 이에, 수많은 반사파에 대한 평균 개념으로 펄스의 왕복 진행 시간을 도출이 가능한 다중 반사파를 이용한 신호처리 기술을 적용하여, 두께 측정의 신뢰도를 개선하고자 하였다.

1. 전자기 음향 탐촉자(EMAT)

EMAT에 의한 초음파 송·수신 원리는 Fig. 1과 같이 피검사체에 대한 정자장 B를 가하고 와전류 J를 유도하면 피검사체 표면에 발생한 로렌츠 힘이 와전류의 고주파 진동에 따라서 주기적으로 변동하기 때문에 초음파로 변환된다[6]. 구동력은 피검사체 표면의 자장 강도와 와전류의 곱에 비례한다. 수신은 전자 유도의 법칙에 따르고 피검사체 표면의 초음파 진동 U와 정자장 B에 의하여 센서 코일에 야기된 기전력이 초음파 수신 신호로서 관측된다. 따라서 수신 신호 강도는 초음파 진동 강도와 부가 자장의 곱에 비례한다. 송·수신을 합쳐서 생각하면 EMAT의 수신 신호 강도는 부가 자장의 자승에 비례하고 센서 코일에 통전한 전류에 비례한다[8].

Figure 1. (Color online) Wave generation mechanism of the EMAT.

기존의 펄스-에코 방식의 두께 측정 방법은 체적파(종파,횡파)를 이용해 저면 반사 신호의 시간차를 이용해 측정한다[9]. 검사 대상이 자성체인 경우 자왜효과에 의해 EMAT은 종파와 횡파가 동시에 발생하며, 초음파 수신 신호가 상당히 약해지는 특성이 있다[10]. 이에, 횡파용 EMAT이 주로 사용되고 있다. 횡파의 경우 Fig. 2와 같이 코일과 자석을 적절히 배치하여 횡파를 발생시킬 수 있다. 힘 방향은 피검사체면과 평행이 되도록하며, 고주파 전기 신호로 센서 코일을 구동함으로써 피검사체 수직 방향으로 전파하는 초음파를 발생시킬 수 있다.

Figure 2. (Color online) EMAT Structure for Transverse Wave Generation.

2. 다중 반사파를 이용한 두께 측정 원리

Figure 3과 같이 펄스-에코를 이용한 두께 측정의 경우 저면 반사 신호 사이의 충분한 시간 분리와 반사 신호의 도착 시간을 정확하게 식별이 가능한 경우 시간 도메인 상에서 펄스의 왕복 진행 시간(Δ)은 Eq. (1)과 같다. 여기서 C는 재료의 종파 또는 횡파 속도이다.

Figure 3. (Color online) Principle of wall-thinning inspection using multiple reflection wave.

하지만, 노이즈 등으로 SNR이 낮고, 초음파 펄스의 거리분해능에 근접한 비교적 얇은 경우에는 시간 도메인에서 반사 신호의 높이를 이용해 신호의 왕복 진행 시간(Δ)을 정확하게 식별하기 어렵다. 반면, 저면에서 2회 이상 반사된 반사 신호를 이용하는 경우 저면 반사 신호가 도달할 때마다 특성 변위가 발생하여, 왕복 이동 거리에 따라 주기적인 신호 패턴(Pattern)을 형성하게 된다. 이때, 신호 패턴의 주파수(f)는 다중 반사된 신호의 왕복 진행 시간(Δ)의 역수이며, Eq. (2)와 같은 관계를 갖는다.

이때, 초음파의 속도가 재료에서 균일하다고 가정하면, 두께는 Eq. (3)과 같다.

여기서, 신호 패턴의 주파수(f)는 다중 반사 신호의 포락선(Envelope)을 추출하고, 푸리에(Fourier) 변환하는 경우 신호 패턴의 주파수 스펙트럼이 지배적으로 나타난다.

1. 전자기 음향 탐촉자(EMAT) 제작

EMAT은 대표적으로 영구자석과 센서 코일로 구성된다. 영구자석은 정자기장을 부가할 수 있는 네오디움을 주로 사용하고 있다[11]. 초음파의 신호 세기는 자력과 비례하므로 좋은 정자기장을 부가할 수 있는 자석을 사용하는 것이 유리하다. 와전류 또는 유도 자장을 발생시키고 야기 전압을 검출하기 위한 센서 코일의 형상은 Fig. 2에서 설명한 바와 같은 유형으로 분류될 수 있다. Spiral 코일의 경우 한 방향으로 동심원을 그리기 때문에 상호 인덕턴스에서 같은 방향으로 자기장이 더해져 작은 값으로 큰 인덕턴스 값을 만들 수 있다[12]. 대신 손실이 심해 사용에 주의를 가질 필요가 있다. Linear 코일의 경우 크게 Racetrack과 Butterfly 형상이 주로 사용되고 있다. Racetrack 코일의 경우 권선 사이의 간격이 파장을 설정할 수 있어 EMAT이 특정 주파수에서 잘 작동하도록 조정할 수 있다. Butterfly coil의 경우 대칭 구조로 인해 외부 요인에 의한 전자기 간섭에 훨씬 덜 민감하며 같은 면적에 비해 밀도가 훨씬 높고 도달 범위가 더 높다[13]. 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 대표적인 3가지 형상의 코일을 적용하여 EMAT 제작하였다.

Figure 4. (Color online) Principle of wall-thinning inspection using multiple reflection wave.

2. 저장 탱크 목업에서 두께 측정

목업은 현장 검사 조건을 고려하여, 위험물 저장 탱크에 대표적으로 사용되는 탄소강 소재를 적용하였다. 검사 대상체의 두께는 저장 탱크의 외벽의 경우 높이에 따라 다르나 7–30 mm 범위이며, 루프의 경우 약 5 mm이다. 실제 저장 탱크의 두께 범위를 고려하여, 본 연구에서는 실험적 검증을 위해 Fig. 5와 같이 8, 12, 16, 20, 25, 32 mm의 두께를 갖는 탄소강 시험편을 제작하였다. 또한, 실제 위험물 저장 탱크는 부식 방지를 위해 도장면을 구성하므로, 실제 검사환경을 최대한 반영하고자 동일하게 도장면을 구성하였다.

Figure 5. (Color online) Details of Mock-up.

제작된 3종류의 EMAT을 이용해 목업에서 두께 측정을 수행하였다. 두께 측정을 위해 Fig. 6과 같이 실험장치를 구성하였다. Pulser-Receiver를 이용해 중심주파수 2 MHz의 1 사이클 정현파(Sine Wave) 전류를 EMAT에 인가하여 초음파를 발생시키고, 30 dB 증폭하여 저면 반사 신호를 오실로스코프를 통해 취득 후 신호처리를 통해 두께를 측정하였다. Figure 7은 두께 8 mm에서 다중반사파를 이용한 두께 측정 결과를 보여준다. (a)는 수신된 다중 반사 시간 도메인 신호이며, (b)는 (a) 신호를 절대값을 취한 후 국소 최대값들을 연결하여 구성된 포락선, (c)는 포락선에 대해 푸리에 변환 결과를 보여주며, 최대값을 갖는 주파수가 200 kHz를 나타낸다. 시편의 횡파 속도는 3200 m/s이므로, Eq. (3)을 통해 두께를 계산하면 측정된 두께 값이 8 mm임을 알 수 있다.

Figure 6. (Color online) Diagram of Experimental Equipment.

Figure 7. (Color online) Result of Thickness Measurement at 8 mm.

Figure 8–10은 각각 제작된 Spiral, Racetrack, Butterfly EMAT을 이용해 측정된 다중 반사 신호와 주파수 분석 결과를 보여준다. 전체적으로 노이즈로 인한 SNR이 낮다. 특히, 두께가 얇아질수록 노이즈로 인해 시간 도메인에서 펄스의 왕복 진행 시간(Δ)을 측정이 어려운 것을 확인할 수 있다.

Figure 8. (Color online) Results of multi-reflection waveform and frequency analysis of spiral EMAT.

Figure 8–10의 다중 반사 신호에 대한 두께값과 측정 오차율을 Table 1에 정리하였다. 측정 결과 8–32 mm두께 범위 내에서 다중 반사 신호를 이용한 두께 측정이 가능함을 보여준다. 특히, 기존의 시간 도메인에서 측정이 어려운 얇은 두께에서도 비교적 정확하게 측정이 가능하였다. 전체 측정 오차율은 5% 이내로 나타났으며, 종류별 평균 측정 오차율은 Spiral = 2%, Racetrack = 1.3%, Buterfly = 0.9%로 Buterfly가 측정 정확도가 가장 높게 나타났다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 외부 요인에 의한 전자기 간섭에 훨씬 덜 민감하며 상대적으로 노이즈의 영향이 적어 나타난 결과로 사료된다. 또한, 측정 오차율은 두께가 얇아질수록 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 초음파 펄스 거리 분해능의 영향으로 생각된다. 결론적으로 다중 반사 신호를 이용한 신호처리를 통해 EMAT으로 두께 측정이 가능함을 확인하였다. 향후 실제 부식 환경에서 다양한 표면 상태 및 결함에 대한 추가적인 시험을 수행하여 신호처리 프로세스 등을 최적화하고 오차율을 개선할 필요가 있다고 판단된다.

Table 1 Thickness of the specimens in Fig. 5 measured by the 3 types of EMAT.

Step	1	2	3	4	5	6
Spiral	Thickness (mm)	8.28	12.42	16.35	20.21	25.32	32.30
	Error rate (%)	3.44	3.53	2.16	1.04	1.24	0.94
Race track	Thickness (mm)	8.37	11.96	16.15	20.19	24.85	31.92
	Error rate (%)	4.5	0.31	0.94	0.94	0.62	0.25
Buterfly	Thickness (mm)	8.08	12.22	15.96	19.84	25.35	32.08
	Error rate (%)	0.94	1.86	0.25	0.82	1.3	0.25

본 연구에서는 위험물 저장탱크의 실시간 부식(감육) 모니터링 기술 개발의 기초 연구로서 로봇에 고속 스캐닝이 가능하며, 경량화된 비파괴검사 시스템 탑재를 위해 EMAT 검사 시스템을 제안하였다. EMAT을 이용한 위험물 저장 탱크의 감육 검사의 신뢰도를 개선하여 현장 적용성을 재고하고자, EMAT과 목업 시험편을 설계/제작하고 실험적 검증을 통해 감육을 측정할 수 있음을 확인하였다. 하지만, EMAT의 구조 특성상 코일이 노출되어 있어 SNR이 낮으며, 일반적인 접촉식 초음파검사 대비 상대적으로 낮은 RF 신호를 나타냈다. 이에, 두께 측정에 다중 반사파를 이용한 주파수 분석 방법을 적용한 결과 오차율 5%로 이내로 두께 측정이 가능함을 확인하였다. 아직까지는 기초 연구로서 EMAT의 다양한 설계 변수, 로봇 탑재 환경 등을 고려한 실증 연구가 후속 연구로서 추가적으로 진행될 필요가 있다고 사료 된다. 이러한 후속 연구를 통해 EMAT의 최적화가 수행되고, 최적화된 EMAT을 로봇 시스템에 탑재함으로써 무선 원격 지원 로봇 시스템을 활용한 비파괴검사의 효율을 극대화 시킬 수 있을 것으로 예상된다.

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국산업기술평가관리원(KEIT)과 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다. (No. 20009316) (No. 2021M2E6A1084980)