ECT는 코일에 교류전류를 인가하면 시험편과 코일사이에 교류자기장이 발생
하고, 교류자기장의 수직방향으로 와전류가 흐르게 된다. 이 와전류는 시험편에 존 재하는 결함에 의해 왜곡이 발생하는 것을 유한요소법(FEM, Finite Elements Method) 을 이용하여 수치해석을 적용하기 전 맥스웰방정식의 관계식들을 Eq (15)~(19)과 같 이 나타내었다[30-31].
∇ × 𝐻⃗⃗ = 𝐽 = 𝐽⃗⃗ + 𝐽𝑠 ⃗⃗⃗ 𝑒 (15)
∇ ∙ 𝐵⃗ = 0 (16)
∇ × 𝐸⃗ = −𝜕𝐵⃗
𝜕𝑡 (17)
𝐵⃗ = μ𝐻⃗⃗ (18)
𝐽𝑒
⃗⃗⃗ = σ𝐸⃗ (19)
Eq (15)의 𝐻⃗⃗ 는 자계의 세기, 𝐽 는 총 전류밀도, 𝐽⃗⃗ 𝑠 는 전원 전류밀도, 𝐽⃗⃗⃗ 𝑒 는 와 전류밀도이며, Eq (16)의 𝐵⃗ 는 자속밀도이고, Eq (18)의 μ는 투자율, Eq (19) σ 는 전 도도이다.
위의 맥스웰방정식을 적용하기 위해서 수치해석 프로그램인 ANSYS (Ver.11.0
SP1 UP20070830, EMAG)를 이용하였다, Fig. 2-6과 Table 2-2은 해석대상체의 수치해
석을 시행하기 위해 3D모델링과 각 요소들의 조건을 나타냈다. Fig. 2-6에서 자기장 방향은 z축 방향이며, r축 방향은 시험편에 수직 방향이다. 시험편의 투자율은
25H/m 이고, 전기 저항율은 4.99×10-7Ω∙ m 인 강자성체 재질인 9Cr-1Mo으로 가정
하였다. 또한, 자기센서 윗 부분에 0.1 mm 두께와 5 mm 길이로 3층으로 감겨 있으 며, 코일에는 주파수 300Hz의 교류전류 0.1 Arms를 적용하였다. 코일에 교류전류를 입력하였을 때 시험편에 z방향으로 교류자기장이 인가된다. 또한, 시험편은 30 × 30 × 40 mm 의 크기로 모델링하고, 시험편 중앙에 위치하는 깊이가 0.5 mm 이고
길이 2 mm인 결함을 모사하였다. 자기센서와 시험편 내벽의 거리인 lift-off는 1.55
mm이다. Fig. 2-8과 2-9는 상술한 조건으로 수치해석을 한 결과를 나타내며, 3차원
벡터장으로 표현하였다.
Fig. ２-6 3D FEM modeling
수치해석을 하기 위해 Table 2-2는 각 요소들의 조건을 나타냈다. Table 2-2에서 MURX는 비투자율(relative permeability) 𝜇𝑟이며, 물질의 투자율 𝜇 와 진공의 투자율 𝜇 와의 비를 나타낸다. RSVX는 전기 저항율(electrical resistivity) 𝜌을 나타내며, 단위 는 Ω∙ m 이다. 또한, 전기 저항율은 전도도(conductivity) σ의 역수이며 전술한 Eq.
(11)과 같다.
Fig. 2-7과 Fig. 2-8은 수치해석 결과를 나타낸다. Fig. 2-7은 전류밀도가 시험편
표면을 따라 Ɵ축 방향으로 분포되며, 유도전류가 결함부위에서 왜곡되는 것을 것 알 수 있다. Fig. 2-8은 자기장이 시험편 내벽면을 타고 외벽면까지에 z축 방향 으로 분포됨을 알 수 있다. 따라서, 소구경배관의 이면결함도 검사할 수 있다.
Table ２-2 Component characteristics and sizes of FEM simulation (ECT)
MURX: Relative Permeability, RSVX: Electrical Resistivity [Ω∙ m]
Item Material Properties Size
[mm]
Mesh size [mm]
Ansys model
Specimen 9Cr-1Mo
MURX 25 RSVX 4.99E-7
12.7 × 17.3 ×30 1 SOLID117,
1
Coil Copper MURX 1
0.1 × 0.3 × 5 120 turns 0.1 A @ 300Hz
0.5 SOLID117
Magnetic
Sensor Air MURX 1 8.6 × 9.6 × 20 1 SOLID117
Environment Air MURX 1 30 × 30 × 40 2 SOLID117
Fig. ２-7 Vector field of the current density in pipe specimen
Fig. ２-8 Contour display of the radial component of magnetic flux density in pipe specimen
제３절 부분포화 와전류탐상법
높은 투자율을 가진 강자성체 재질인 시험편으로부터 결함신호를 구분하기 어 렵기 때문에 높은 보자력을 가진 자석을 이용하여 재질의 투자율을 국부적으로 일 정하게 만들어 재질의 상태를 상자성체 재질과 유사하게 만들어 와전류를 이용하 여 검사하였다. 이러한 부분포화 와전류탐상법은 주로 페라이트 계에 속하는 자성 이 높은 강자성체 재질에 적용한다[32].
Fig. 2-9는 영구자석을 통해 시험편 내부에 자기장이 인가하여, 시험편을 국부 적인으로 포화시키고, 코일에 인가된 교류전류를 통해 와전류를 발생시키기 위한 부분포화 와전류 탐상법의 개요도를 나타낸다. 결함에서 와전류의 왜곡이 발생하며, 최종적으로 전기장의 분포를 자기센서로 검출한다.
Fig. ２-9 Principles of partial saturation eddy current testing