비파괴검사 기술의 진화: 회절파 시간 측정법(TOFD)이란?
구조물이나 용접부 내부에 생긴 미세 균열은 눈으로 볼 수 없기 때문에, 이를 검출하는 기술이 곧 산업안전의 핵심이 된다. 기존 초음파 탐상 기법은 반사된 신호를 통해 결함을 추정하는 방식이지만, 최근에는 보다 정밀하고 신뢰도 높은
회절파 시간 측정법(TOFD: Time of Flight Diffraction)이 주요 산업 현장에서 널리 활용되고 있다. 이 방식은 특히 용접부 내부 균열 검출에 특화되어 있어, 발전소 배관, 고압 용기, 화학 플랜트 설비의 검사에 필수적으로 도입되고 있다.
1. TOFD의 원리: 회절파를 이용한 위치 측정
TOFD는 초음파의 ‘회절파(diffraction wave)’를 이용해 결함을 감지하는 고정밀 검사 기법이다. 기본적으로 두 개의 탐촉자(probe)를 검사 대상의 양쪽에 배치하는데, 하나는 초음파를 송신하고, 다른 하나는 수신을 담당한다. 초음파는 재료 내부를 통과하면서, 균열이나 결함의 끝단(tip)에서 회절되는 성질을 가진다.
TOFD는 이러한 회절파가 수신기에 도달하는 시간을 매우 정확하게 측정해, 결함까지의 거리(깊이)와 위치를 계산한다. 이름 그대로 “Time of Flight”, 즉 ‘도달 시간’을 기반으로 데이터를 분석하는 방식이다. 회절파는 일반적인 반사파보다 에너지는 작지만, 오히려 결함의 가장자리에서만 생성되므로, 위치 측정에 있어 매우 정밀하다.
2. 기존 UT와 다른 점은?
기존의 일반 초음파 탐상(UT)은 송신된 초음파가 결함에 반사되어 되돌아오는 반사파를 분석하는 방식이다. 이 방식은 결함의 존재 여부는 잘 파악하지만, 정확한 위치와 크기, 깊이 추정이 어렵다는 한계가 있다. 또한 결함의 형태나 방향이 반사 조건과 맞지 않으면, 반사파가 발생하지 않아 놓칠 수 있다.
반면 TOFD는 반사파가 아닌 회절파를 사용하기 때문에, 결함의 크기나 방향에 관계없이 양 끝에서 발생하는 회절파를 감지할 수 있다. 게다가 초음파의 전달 시간만으로 위치를 계산하므로, 매우 정밀한 두께 측정과 결함 크기 분석이 가능하다.
3. TOFD의 구성과 절차
TOFD 시스템은 다음과 같은 구성 요소로 이루어진다:
- 송신 탐촉자 (Transmitter): 고주파 초음파를 시험체 내부로 보냄
- 수신 탐촉자 (Receiver): 결함에서 회절된 초음파를 감지
- TOFD 전용 스캐너: 두 탐촉자를 일정 거리로 고정하여 평행하게 이동시킴
- 파형 분석 소프트웨어: 수신된 회절파의 시간 정보를 실시간으로 분석
검사 시에는 두 탐촉자를 구조물 표면에 평행하게 배치하고, 일정 속도로 스캐닝을 진행한다. 수신기는 연속적으로 회절파를 감지하며, 이를 시간-깊이 축의 파형 이미지로 변환한다. 이후 전문 해석 소프트웨어를 통해 결함의 정확한 위치, 크기, 깊이를 판독할 수 있다.
https://youtu.be/bw6CeDq6F0o?si=TBbEMykOc1aljNPq
4. TOFD의 장점과 한계
TOFD는 다음과 같은 장점을 가진다:
- 매우 정밀한 깊이 측정 가능 (±0.5mm 이하)
- 결함의 방향, 형상에 구애받지 않음
- 검사 데이터의 디지털 저장 및 후처리 용이
- 반복 측정 시 정확한 결함 성장 추적 가능
하지만 단점도 있다. 얇은 재료(6mm 이하)에서는 회절파 구분이 어렵고, 표면 결함에는 민감도가 떨어질 수 있다. 또한 TOFD 신호 해석에는 경험이 필요하며, 고가의 장비와 고숙련 작업자가 요구된다.
5. 실무 적용 사례와 확대 추세
TOFD는 특히 다음과 같은 분야에서 적극적으로 도입되고 있다.
- 원자력발전소의 증기배관, 원자로 용접부 검사
- 석유화학 플랜트의 고압 탱크, 배관 검사
- 조선 산업의 대형 선체 구조 검사
- 용접 후 열처리 전/후 용접부 건전성 확인
국내에서도 KEPIC, ASME 등 주요 기술 규정에서 TOFD를 정식 검사 방식으로 채택하고 있으며, 검사 이력을 전산화하여 정량적 수명 예측과 디지털 안전 관리에 활용하는 추세다. 향후에는 AI 기반 TOFD 해석 기술도 등장해, 검사 효율성과 정확도는 더욱 향상될 것으로 예상된다.