PAUT 결함 크기 측정 기법

1. 결함 크기 측정이 중요한 이유

결함 검출(Detection) vs 크기 측정(Sizing)
- 검출: 결함의 존재 여부를 확인하는 단계입니다.
- 크기 측정: 결함의 길이(Length), 높이(Through-wall Height), 깊이(Depth)를 정량적으로 평가하는 작업입니다.
핵심 입력 파라미터: 결함 크기는 구조물의 잔존 수명 평가(Fitness for Purpose, FFS), 허용 한계(Acceptance Criteria), 균열 성장률 예측의 핵심 데이터로 활용됩니다. 크기를 정확히 측정하지 못하면 보수나 교체 여부를 판단할 수 없습니다.

주요 측정 파라미터 정의

결함 길이 (Length): 탐촉자 이동 방향 기준 결함의 연장 범위
결함 높이 (Through-wall Height): 두께 방향 기준 결함의 수직 크기 (잔여 벽 두께 결정에 가장 중요한 파라미터)
결함 깊이 (Depth): 표면에서 결함 상단까지의 거리

NDT A-Z (Ed Ginzel): “Flaw sizing is critical to engineering evaluations to assess wear limits, crack growth rates and fitness of purpose criteria. Accuracy required is not always possible and each technique has its advantages and disadvantages.”

2. AVG / DGS — 진폭 비교법

2-1. 원리

AVG/DGS는 결함 에코 진폭을 동일 거리의 기준 반사체인 평저공(Flat Bottom Hole, FBH) 에코와 비교하여 결함의 **등가 크기(Equivalent Reflector Size, ERS)**를 추정하는 방법입니다.
탐촉자 제조사의 DGS 커브나 장비 내장 AVG 기능을 이용해 거리별 진폭 기준값을 설정하고, 결함 에코의 dB 차이를 분석해 크기를 환산합니다.

2-2. 장단점

장점: 별도의 탐촉자 이동 없이 단일 위치에서 크기 추정이 가능하며, 표준 장비로 신속하게 합격/불합격 판정을 내릴 수 있습니다.
단점: 결함의 수직 높이 정보를 직접 제공하지 않으며, 결함 방향과 표면 상태에 매우 민감합니다. 균열처럼 반사율이 낮은 결함은 과소 평가될 가능성이 있습니다.
적용 한계: 기공, 개재물 같은 구형 결함에는 비교적 잘 적용되지만 균열과 같은 선형 결함에는 한계가 있으며, 빔 방향과 결함 방향이 다르면 반사율이 급격히 감소합니다.

3. 6 dB Drop — 반진폭법

3-1. 원리

결함 에코 진폭이 **최대값의 절반(-6 dB)**이 되는 두 탐촉자 위치 사이의 거리를 결함 크기로 정의합니다.
-6 dB 지점은 빔의 중심축이 결함 끝단에 위치할 때에 해당합니다.
탐촉자를 이동시키며 A-Scan 진폭 변화를 추적하고, 최대 에코 위치 중심으로 좌우로 이동해 -6 dB로 떨어지는 두 지점을 기록해 측정합니다.

$$ ext{결함 크기} pprox ext{탐촉자 이동 거리 (에코 진폭이 최대 대비 -6 dB인 두 지점 사이)}$$

3-2. 적용 조건

결함이 빔 폭보다 클 때 유효합니다. 결함이 빔 폭보다 작으면 탐촉자 이동에 따른 진폭 변화가 결함 크기가 아닌 단순 빔 폭만 반영하게 됩니다.
탐촉자 이동 방향: 결함 길이 측정 시에는 스캔 방향으로 이동하지만, 수직 높이 측정 시에는 빔 각도 변환 또는 TOFD 병행이 필요합니다.

3-3. 장단점

장점: 절차가 단순하고 표준 장비로 구현이 용이하며, 자동화 시스템에 적용하기 쉽습니다.
단점: 빔 폭에 의존하므로 주파수 및 초점 상태에 따라 정확도가 변합니다. 깊은 위치의 소형 결함에서는 오차가 증가하며, 수직 높이 측정에는 직접 적용할 수 없습니다.
PAUT 활용: PAUT에서는 집속 빔을 이용해 빔 폭을 좁힐 수 있으므로 6 dB Drop 적용 시 측정 정확도가 크게 향상됩니다. 특히 E-Scan과 결합하면 결함 길이 측정의 일관성이 높아집니다.

4. 팁 회절 (Tip Diffraction / Satellite Pulse)

4-1. 원리

균열과 같은 선형 결함의 끝단(Tip)에 초음파가 입사하면 전 방향으로 방사되는 **회절파(Diffracted Wave)**가 발생합니다. 이 회절파의 도달 시간(Time of Flight) 차이를 이용해 결함 높이를 측정합니다.
주 반사 에코(R) 이후 시간적으로 뒤따라오는 미약한 위성 신호(Satellite Pulse, s)가 회절파이며, 두 신호의 도달 시간 차($\Delta t$)로 결함 깊이를 계산합니다.

$$ ext{결함 높이 } h = f(\Delta t, ext{음속}, ext{빔 각도})$$

표면 개구 결함(Surface Breaking Crack)의 경우 루트(하단)와 팁(상단) 각각에서 회절파가 발생하므로 두 신호의 $\Delta t$로 결함 높이를 직접 측정합니다.

4-2. 적용 조건 및 특성

진폭 비의존(Amplitude-Independent): 회절파의 도달 시간만 활용하므로 결함 방향이나 표면 상태의 영향을 덜 받습니다.
최적 각도: $40^\circ \sim 50^\circ$ 경사각 탐촉자에서 정확도가 높습니다. 각도가 수평에 가까워질수록 팁-루트 간 $\Delta t$가 감소하여 측정이 어려워집니다.
신호 강도: 회절파는 반사파보다 에너지가 매우 작으므로 신호 잡음비(SNR) 확보가 핵심입니다.

4-3. 장단점

장점: 표준 UT 장비로 구현 가능하며, 진폭 비의존성 덕분에 결함 방향에 강건하고 결함 높이를 직접 측정할 수 있습니다.
단점: 회절 신호가 미약해 고감도 셋업이 필수적이며, 모든 각도에서 효과적이지 않고 거친 결함 표면에서는 신호가 산란될 수 있습니다.

5. TOFD (Time of Flight Diffraction)

5-1. 원리

팁 회절 원리를 체계화한 기법으로, 송신 탐촉자와 수신 탐촉자를 결함 양측에 배치하여 결함 상단(Upper Tip)과 하단(Lower Tip)의 회절파 도달 시간 차($\Delta t$)로 결함 높이를 정밀 측정합니다.
- 측면파 (Lateral Wave): 표면을 따라 직접 전달되는 파 (기준 시간 $t_0$로 사용)
- 상단 팁 회절파: 결함 상부 끝단에서 발생 (도달 시간 $t_1$)
- 하단 팁 회절파: 결함 하부 끝단에서 발생 (도달 시간 $t_2$)
- 후면벽 반사파: 후면벽에서 반사되는 파 (결함 관통 여부 확인)

$$ ext{결함 높이} = rac{v}{2} imes (t_2 - t_1) \quad ( ext{v: 재료 내 음속})$$

5-2. TOFD의 특성 및 한계

특성: 단일 패스로 전 두께 범위의 결함 검출 및 크기 측정이 가능합니다. 진폭 비의존성으로 결함 방향 영향을 최소화하며, 음속 정밀도 내(일반적으로 $\pm 1 ext{ mm}$ 이내)에서 높은 수직 크기 측정 정확도를 보여줍니다. 데이터는 B-Scan 기반으로 기록되어 오프라인 분석이 가능합니다.
한계: 표면 근방 사각지대(Dead Zone)에서는 측면파와 상단 회절파가 겹쳐 얕은 결함 검출이 어렵고, 후면벽 근방에서도 후면벽 반사파와 하단 회절파가 겹칠 수 있습니다. 또한 빔 방향과 수직이 아닌 경사 결함에서는 회절파 강도가 감소합니다.

현장 Tip: TOFD는 측정 정확도가 높아 원자력, 압력용기 등 고안전 검사에서 PAUT와 병행 적용됩니다. PAUT로 결함을 검출하고 TOFD로 높이를 정밀 측정하는 조합이 가장 효과적입니다.

6. 존 분할법 (Zonal Method)

6-1. 원리

시험체 두께를 여러 구역(Zone)으로 나누고 각 구역에 집속된 빔을 배치하여, 결함이 몇 개의 구역에 걸쳐 존재하는지를 통해 수직 크기를 추정합니다.
예시: 두께 $10 ext{ mm}$ 용접부를 5개 구역(각 $2 ext{ mm}$)으로 나눈 경우, 결함이 2개 구역에서 검출되면 수직 크기 상한을 최대 $4 ext{ mm}$로 추정합니다.
PAUT의 집속 빔(Focal Law) 기능과 결합하면 단일 탐촉자로 전 구역을 동시에 검사할 수 있어 고속 자동화 검사에 유리합니다.

$$ ext{결함 수직 크기 상한 추정값} = ext{검출 구역 수} imes ext{구역 두께}$$

6-2. 장단점

장점: 자동화 용접 검사에 최적화되어 있으며 검사 속도가 매우 빠릅니다.
단점: 크기 측정 정밀도가 설정한 구역 크기 단위로 제한되며, 전용 집속 탐촉자 또는 PAUT 장비가 필요합니다. 진폭 기반이므로 결함 방향에 민감합니다.

7. 결함 크기 측정 기법 종합 비교

기법	기반 원리	장점	단점 / 제한	정확도
AVG (DGS)	진폭 비교	간단한 합격/불합격 판정, 다양한 형상 적용	결함 수직 높이 정보 없음, 결함 방향 민감	중간
6 dB Drop	진폭 반감	표준 장비로 구현, 절차 단순	빔 폭에 의존, 소형 결함·깊은 위치 오차 큼	중간
TOFD	회절 시간	단일 패스 전 두께 커버, 진폭 비의존, 매우 정확	양면 접근 또는 단면 복잡 셋업, B-Scan 필요	높음
팁 회절	회절 신호 $\Delta T$	표준 장비 사용 가능, 진폭 비의존	신호 미약, 모든 각도 효과적이지 않음	높음
Satellite Pulse	회절 위성 신호	표준 장비로 구현, 공극·선형 결함 모두 적용	각도 제한 ($40 \sim 50^\circ$ 유리), 신호 미약	중간
존 분할법	집속 빔 구역	자동화 검사에 최적, PAUT와 결합 효과적	집속 탐촉자 고가, 크기 측정 구역 단위로 제한	중간~높음
MultiModal	다중 모드	빠르고 정확, 진폭 비의존	전용 탐촉자 고가, 기법 제한적	높음

8. 검사 조건별 선택 기준

검사 조건	권장 기법	선택 이유
대형 결함, 합격/불합격 판정 중심	AVG (DGS)	간단하고 빠른 go/no-go 판정에 최적
용접부 결함 높이(수직 크기) 측정	TOFD 또는 팁 회절	진폭 비의존, 높은 수직 크기 측정 정확도
PAUT S-Scan 결합 고속 검사	6 dB Drop + 존 분할법	PAUT 집속 빔과 결합, 전 두께 구역별 크기 추정
접근 제한 단면 검사	TOFD (단면 접근형)	한쪽 표면에서 양방향 빔 운용 가능
작은 결함, 정밀 평가 필요	팁 회절 또는 MultiModal	진폭 비의존, 결함 끝단 회절 신호 직접 활용
자동화 용접 검사 라인	존 분할법 (PAUT 집속)	다수 구역 동시 검사, 고속 처리에 적합

9. PAUT 환경에서의 결함 크기 측정 실무

6 dB Drop + S-Scan: S-Scan의 각도별 A-Scan에서 결함 길이를 측정하여 고각도 분해능 기반의 향상된 정확도를 얻습니다.
존 분할 + E-Scan: 각 Focal Law의 집속 구역을 독립적인 존으로 활용해 고속 자동 검사를 수행합니다.
PAUT + TOFD 병행: PAUT로 결함 위치와 길이를 선별한 뒤, TOFD로 수직 높이를 정밀 검증하는 고안전 표준 조합입니다.
오프라인 포스트 프로세싱: 전체 원시 데이터를 저장한 후 사후 게이트 재설정, 측정 기법 전환, 복수 측정값 비교 분석이 가능합니다.

신뢰성 확보의 3요소: 결함 크기 측정의 신뢰도는 탐촉자 교정, 기준 블록(Reference Block) 설정, 운용자 자격에 의해 최종 결정됩니다. 아무리 정밀한 기법도 올바른 교정이 선행되지 않으면 무용지물입니다.

SEONGSANLAB | Study Series — NDT 기초