18년 2회차

초음파탐상시험은 음파의 반사를 이용하여 용접부 내부의 공극(블로홀), 균열, 이물질 등을 검출할 수 있으므로 정답이다.

• 자분탐상시험: 강자성 재료에만 적용되므로 알루미늄이나 동관(비자성체)의 검출에는 부적합하다.
• 침투탐상시험: 표면 개방 결함 검출에 효과적이므로 용접부의 표면 균열, 핀홀 등 검출에 광범위하게 적용되며, 비파괴검사 중 가장 널리 사용되는 방법이다.
• 와전류탐상시험: 전기 전도성이 있는 금속 재료에만 적용되므로 세라믹관(비도전체)의 결함검출에는 부적합하다.

수소저장합금은 수소 흡장·방출의 반복 가능성이 핵심 특성이다. "수소가 방출되면 금속수소화물은 원래의 수소저장 합금으로 되돌아가지 않는다"가 틀린 이유는 수소 방출 후 원래의 합금으로 복원된다는 원리에 위배되기 때문이다.

• 금속수소화물 생성: 정확한데, 합금이 수소와 반응하여 금속수소화물(MH) 형태로 저장된다.
• 흡장 시 팽창·방출 시 수축: 맞는데, 흡장 시 격자 팽창으로 부피 증가, 방출 시 수축한다.
• 분화: "분화"는 오타로 보이나 의도상 반복 사용 시 성능 저하를 의미하는데, 실제로는 합금의 특정 부위가 미세하게 손상되거나 표면이 활성을 잃을 수 있으므로 참이다.

따라서 수소 방출 후에도 가역적으로 원래 합금 상태로 돌아가며 재사용할 수 있다는 점에서 이 보기가 유일하게 거짓 명제다.

저수소계 용접봉은 용접 아크에서 발생하는 수소량을 최소화하도록 설계되어, 용접금속에 확산되는 수소를 크게 줄여 냉균열 발생을 억제한다.

용접봉의 내균열성은 용접금속이 냉각 과정에서 발생하는 응력을 견디는 능력을 의미하며, 특히 수소에 의한 냉균열(콜드크랙)을 방지하는 능력이 중요하다. 고산화티탄계, 고셀룰로오스계, 라임티타니아계 용접봉은 각각 산화성 슬래그, 높은 용접속도, 우수한 작업성 등의 특징을 가지지만 수소 저감 능력에서 저수소계보다 열등하므로, 내균열성이 저수소계에 비해 낮다.

서브머지드 아크 용접(SAW)의 특징을 평가하는 문항이다. SAW는 자동화 장비로 초기 투자비가 매우 크고 설치비도 상당히 높은 편이어서 대량생산이나 중공업(조선, 파이프라인 등) 분야에서 주로 사용되므로, "장비의 가격이 저가이고, 설치비가 저렴하다"는 틀렸다. 나머지 보기는 모두 SAW의 일반적 장점이다.

• 용입이 깊다: SAW의 핵심 장점으로 높은 에너지 집중으로 깊은 용입을 얻는다.
• 용융속도와 용착속도가 빠르다: 다른 수동 용접법보다 3~5배 빠르다.
• 개선가공의 높은 정밀도를 요한다: 대면적 용접으로 개선가공의 정밀한 치수 유지가 필요한 특징이다.

용접입열(Heat Input)은 $Q = \frac{V \times I \times 60}{v}$ 공식으로 계산된다. 여기서 V는 아크전압(V), I는 용접전류(A), v는 용접속도(cm/min)이다. 300A × 25V × 60 ÷ 15cm/min = 7500 × 60 ÷ 15 = 450000 ÷ 15 = 30000 J/cm이므로 단위 길이 1cm당 발생하는 용접입열은 30000J/cm이다.

물베이스 유화제는 물에 용해되어 있어 농도 조절이 가능하므로 4번이 틀렸다. 물베이스 유화제는 기름베이스와 달리 물로 희석하여 농도를 조절할 수 있으며, 이를 통해 유화시간을 일정하게 유지할 수 있다는 장점이 있다. 1번은 맞으며(물·기름베이스 모두 최종 세척은 물 사용), 2번도 맞다(물베이스가 경제적), 3번도 맞다(붓칠법은 침투탐상 기준에서 부적절한 방법).

침투액의 적심성(습윤성)은 액체가 고체 표면을 잘 적셔서 퍼지는 정도를 의미하며, 접촉각 θ가 작을수록 적심성이 좋다. 접촉각이 0°에 가까울수록 완전 습윤이며, 침투탐상용 침투액은 미세 균열까지 잘 스며들어야 하므로 접촉각이 작은 45°~60° 사이일 때 적심성이 가장 우수하다. 접촉각이 90° 이상이면 액체가 표면에서 구슬처럼 뭉쳐 퍼지지 않아 침투성이 나쁘다.

침투액(penetrant)의 특성은 시험체 내부의 미세한 결함까지 침투했다가 표면으로 빠져나올 수 있어야 하므로, 세척제와 반응하지 않는다는 조건은 오히려 침투액 제거를 어렵게 만든다. 침투액은 세척제(보통 물이나 유기용제)와 반응하거나 유화되어 제거 가능해야 한다.

• 증발이나 건조가 느려야 한다: 적절한데, 침투액이 천천히 건조되어야 표면에 남아 결함 부위를 표시할 수 있기 때문이다.
• 표면에서 얇은 막 형성: 적절하게 해석하면 침투 후 표면의 과잉 침투액을 제거할 때 얇은 층이 남아 형광이나 색상을 표시하는 역할을 하므로 필요하다.
• 시험체와 화학 반응을 하지 않아야 한다: 침투액이 시험체와 반응하면 침투 특성이 변하거나 시험체를 손상시킬 수 있으므로 필수 조건이다.

따라서 세척제와의 반응성이 높아야 하는 성질을 '반응하지 않아야 한다'고 표현한 "물 등의 세척제와 반응하지 않아야 한다"가 가장 부적절하다.

침투액의 성능을 좌우하는 주요 특성을 검토하면, 점도는 침투액 제조 시 기본 특성으로 결정되지만 온도 변화에 따라 크게 변한다는 것이 옳다.

• 응집력이 클수록 성능이 좋다: 오답으로, 침투액 분자 간 응집력이 크면 오히려 표면장력이 높아져 침투성이 저하되므로, 침투성능을 위해서는 응집력이 작아야 한다.
• 응집력은 표면장력과 무관: 오답으로, 응집력은 분자 간 인력의 크기이며 표면장력의 주요 결정 요인이므로 무관하지 않다.
• 접촉각이 클수록 적심성 양호: 오답으로, 접촉각이 작을수록 침투액이 시험편 표면에 잘 젖어 침투가 용이하므로, 접촉각이 크면 젖음성이 나빠져 침투가 어렵다.

모세관 현상은 표면장력과 적심성(wettability)에 의해 결정되는 물리 현상이다. 침투액이 균열 내에서 자발적으로 퍼져나가고 상승하려면 침투액이 피검사체 표면을 잘 적셔야 하는데, 이것이 바로 적심성이다. 적심성이 좋을수록 접촉각이 작아져 모세관력이 커지므로 침투액이 미세한 균열 깊숙이 침투하고 나오게 된다. 유화는 유성 침투액의 제거성과 관련되고, 비중과 점성은 침투 깊이나 속도에 영향을 주지만 모세관 현상의 본질적 메커니즘은 아니다.

후유화성 침투탐상시험에서 유화제는 친수성(물에 녹는 성질)을 가진 물질로, 비극성인 염색침투액이나 형광침투액과 반응하여 물로 세척 가능한 에멀젼 상태로 변환하는 것이 주된 기능이다.

침투 후 유화제를 도포하면 침투액 표면에만 선택적으로 반응하여 물로 쉽게 씻어낼 수 있도록 하므로, 결함부에 남은 침투액은 보존되어 현상 시 검출된다. 이는 비유화성(침투액이 친유성이라 물로 직접 세척 불가)과 달리 후유화성의 핵심 특징으로, 물 세척 가능성 확보가 유화제의 정의적 역할이다.

모세관 안의 흐름은 푸아죄유 관계에 따라 유속이 반지름의 제곱에 비례한다. 이 관계에서 침투속도는 액체의 밀도와 중력가속도에는 비례하고, 점성에는 반비례한다.

침투탐상시험에서 화재 위험성은 침투제와 현상제에 포함된 유기용제의 함유량과 휘발성에 따라 결정된다. 용제제거성 침투제는 고농도의 유기용제(석유계 용매)를 포함하고 있어 인화점이 낮으며 휘발성이 높고, 속건식현상제도 유기용제 기반으로 빠르게 휘발하면서 화재 위험성을 증가시킨다.

• 수세성 형광침투제·수용성 습식현상제: 수세성 형광침투제는 물로 세척 가능하므로 용제 함유량이 적고, 수용성 현상제는 물 기반이므로 화재 위험성이 낮다.
• 건식현상제 조합: 건식현상제는 분말 형태로 유기용제를 포함하지 않는다.

따라서 용제제거성+속건식 조합이 유기용제의 함유량이 가장 많고 휘발성도 높아 화재 위험성이 가장 크다.

후유화성 염색침투탐상검사는 침투액에 계면활성제(유화제)를 섞거나 별도로 처리하여 침투액을 제거하는 방식으로, 수세성에 비해 침투액이 결함 내부에 더 오래 머물러 있어 미세한 결함과 얕은 결함의 신호를 더 명확하게 포착할 수 있다. 반면 복잡한 형상이나 거친 시험체는 오히려 세척 시 침투액 제거가 어려워 위음성(미검출)이 증가하며(1, 3번 오류), 후유화성은 유화제 처리와 세척 과정이 추가되어 세척이 더 복잡하다(4번 오류).

침투탐상 시험에서 사용하는 물베이스 유화제는 규정농도에서 3% 이상 차이가 날 때 폐기되거나 농도 조정되어야 한다. KS B 0816 규정에 따르면 유화제의 농도 관리는 시험 신뢰성을 위해 중요하며, 이 범위를 초과하면 침투액의 성능이 저하되어 탐상 결과의 신뢰도가 떨어지므로 엄격히 관리된다.

석유제품 중 황 함유량은 BaSO₄ 침전물의 무게 변화를 이용하여 계산된다. 시료에서 얻은 BaSO₄ 무게(P)에서 블랭크 무게(B)를 뺀 순무게를 시료 무게(W)로 나누고, 황(S)과 BaSO₄의 분자량 비(32/233)를 곱하여 황의 무게 백분율을 구한다.

공식은
$\text{황함유량}(\%) = \frac{(P-B) \times 32}{W \times 233} \times 100$
이며, 이를 정리하면
$\frac{(P-B) \times 32.06}{233 \times W} \times 100$
형태가 되어 정답의 식과 일치한다.

블랭크 보정은 시약과 장비의 불순물을 제거하기 위한 필수 과정이고, 분자량 비는 황 원자 1개가 BaSO₄ 분자 1개에 대응되는 화학량론에 근거한다.

KS B 0816(침투탐상 시험방법)에서 규정하는 용제 제거성 침투액의 제거 방법은 세척액이 스며든 헝겊 또는 종이수건으로 제거하는 것이다. 용제 제거성 침투액은 적절한 용제를 적용한 후 헝겊이나 수건으로 닦아내어 제거해야 하며, 이 방식이 침투액의 효율적이고 안전한 제거를 보장한다.

• 세척제를 다량으로 적용: 세척제 과다 적용으로 인한 침투지시 손상 위험으로 부적합하다.
• 검사품에 용제를 직접 분무: 직접 분무로 인한 침투액 확산과 비효율성으로 부적합하다.
• 세척액에 직접 침지: 침지에 의한 침투지시 제거 우려로 부적합하다.

ASME Section V Article 6 표준침투탐상검사(PT)에서 오스테나이트계 스테인리스강을 시험할 때, 침투액 내 염화물 부식성을 제어하기 위해 할로겐(주로 염소) 함유량을 제한한다. 오스테나이트계 스테인리스강은 염화물에 대한 감수성이 높아 총 할로겐의 중량을 1% 이내로 유지하여 공식(pitting corrosion)을 방지해야 한다. 이는 페라이트계 스테인리스강의 3% 이하 기준보다 훨씬 엄격한 제한이다.

KS B 0816(침투탐상 시험방법 및 침투지시모양의 분류)에서 선상 결함은 결함 길이가 나비의 3배 이상인 경우로 정의된다. 이는 갈라짐(crack)과 구별되는 기타 결함(주로 핀홀, 기공 등이 일렬로 연결된 형태)의 형태 판정 기준으로, 길이와 나비의 비율을 통해 선형성을 판단하는 지표다. 결함이 길이 방향으로 충분히 길어야 선상 결함으로 분류되므로 3배 이상의 기준이 적용된다.

KS B 0816의 A형 대비시험편(A형 표준片)은 도금된 크롬판에 인위적인 균열을 넣은 것으로, 크기는 A:50mm, B:75mm, C:1.5mm(도금두께 구분용 얇은 판) 형태로 제작된다. 이 대비시험편은 실제 결함과의 심각성 비교가 아니라 침투탐상제(탐상제)의 성능 및 조작방법(현상시간, 세척방법 등)의 적정 여부를 확인하기 위한 목적으로 사용된다. 따라서 크기와 사용목적을 모두 바르게 짝지은 것은 4번이다.

표준침투탐상검사에서 물베이스 유화제의 유화처리는 담금(Immersing) 또는 분무(Spraying)의 두 가지 방법으로 규정된다. 물베이스 유화제는 수용성으로 물에 쉽게 분산되는 특성이 있어 붓기나 솔질보다는 담금이나 분무를 통해 균일하게 도포할 수 있으며, 이는 ASME Section V Article 6의 표준침투탐상 절차에서 규정하고 있는 방식이다.

침투탐상 재료 성능시험 중 습식 현상제는 침투액에 스며든 결함을 표면에 현상시키는 역할을 하므로, 농도 시험이 가장 중요하다. 농도는 현상제의 활성도와 현상능력을 직접 결정하며, 적절한 농도 범위를 벗어나면 결함 검출 감도와 신뢰성이 현저히 저하된다. 흡입력, 입자성, 수분함량은 현상 효율성에 영향을 주지만 농도에 비해 검출 성능에 미치는 영향이 상대적으로 적다.

침투탐상시험법은 침투액의 종류와 제거방식에 따라 분류되며, 세척 용이성과 표면 거칠기 적합성을 고려해야 한다. 수세성 염색침투탐상시험법은 침투액에 유화제가 포함되어 있어 물로 직접 세척할 수 있어 세척 조작이 가장 쉽고, 염색침투액이 수용성이므로 표면이 거친 시험체에서도 결함 검출이 용이하다. 용제제거성 방법들(1, 3번)은 용제를 사용해야 하므로 세척이 번거롭고, 후유화성 형광침투탐상시험법(4번)은 형광침투액을 사용하며 별도의 후유화제가 필요하므로 세척 절차가 더 복잡하다.

윙크 자이글로는 제트엔진 부품처럼 사용 중 부하를 받는 부품에 하중(부하)을 가한 상태로 침투처리를 하고 지시모양을 관찰하는 특수침투탐상법이다. 하전입자법은 대전 입자를 이용하고, 여과입자법은 다공질 재료에서 입자가 걸러져 쌓이는 현상을 이용한다. 에칭법은 부식으로 표면을 드러내는 방법이다.

표면결함은 표면에 작용하는 응력과 외부분위기의 영향으로 인해 발생하는 손상이다. 피로균열(2번)은 반복 응력에 의해 표면에서 시작되고, 크리프균열(3번)은 고온에서 시간에 따른 변형으로 표면에 발생하며, 부식피로균열(4번)은 부식과 피로의 상승작용으로 표면에서 발생한다. 반면 편석(segregation)은 응고 과정에서 합금 원소가 불균일하게 분포하는 주조 결함으로서, 재료 내부의 미시조직 현상이며 표면 응력이나 외부분위기와 무관하게 발생한다.

표면이 거친 주강품은 잉여 침투액이 요철에 남기 쉽다. 따라서 물로 쉽게 세척되는 수세법(수세성 침투탐상)이 가장 적합하다. 극간법은 자분탐상의 자화 방법이므로 침투탐상 방법이 아니다.

형광 침투탐상은 암실에서 시험체 표면에 자외선(블랙라이트)을 조사하면서 형광 지시모양을 관찰한다. 후유화성 형광법에서는 유화제를 쓰고, 습식현상법은 건조를 현상처리 후에 한다. 세척처리도 자연광이 아니라 자외선 아래에서 확인한다.

A형 대비시험편은 알루미늄 합금판(두께 약 8~10mm, 크기 약 50×75mm)으로 만든다. 한 면 중앙부를 버너로 520~530℃까지 가열한 뒤 물을 뿌려 급랭하면 균열이 생긴다. 이후 중앙에 폭 2mm, 깊이 약 1.5mm의 홈을 가공해 두 면으로 나눈다.

수세성 형광 침투 탐상법은 고감도 침투액을 사용할 수 있다는 것이 실제 특징이므로 "고감도 침투액을 사용 할 수 없다"가 장점이 아닌 것이다. 침투 탐상법은 오히려 고감도 침투액을 사용하여 미세 결함의 감지력을 높이는 방식이 표준이므로, 이는 명백히 거짓이자 장점이 아니다.

침투 탐상법의 주요 장점은 복잡한 형상의 시험체도 표면의 미세한 결함을 감지할 수 있고, 넓은 면적을 효율적으로 검사할 수 있으며, 소형 부품의 대량 탐상에 매우 적합하다는 점이다.

후유화성 형광침투탐상의 침투액은 유화제를 적용하기 전까지 물에 씻기지 않는다. 그래서 수분이 섞여도 성능 저하가 적고 온도의 영향도 적어, 고온 시험체에 적합하다. 반면 수세성 침투액은 유화제가 미리 들어 있어 수분 혼입과 온도 변화에 민감하다.

휴대용 자외선조사등(UV lamp)에 사용되는 수은전구는 100W가 가장 널리 사용된다. 휴대용 자외선조사등은 현장에서 세균 번식, 표면 오염, 누수 탐지 등을 검사할 때 사용되는데, 10W는 출력이 너무 약하고 1000W는 휴대성이 떨어지기 때문에 실용성과 검사 효율의 균형을 고려할 때 100W 수은전구가 표준으로 널리 통용된다.

넓은 면적을 단 한 번의 조작으로 시험하기 위해서는 침투액 제거 과정이 빠르고 효율적이어야 한다. 수세성 형광 침투탐상시험법은 침투액이 물에 용해되어 물로 직접 세척할 수 있으므로, 용제 제거나 유화제를 사용하는 다른 방법들보다 신속하고 간단하게 대면적을 처리할 수 있다.

• 용제제거성·후유화성 방법: 추가 단계(용제 도포, 유화제 처리)가 필요해 시간이 더 소요된다.
• 후유화성 염색 침투탐상: 형광보다 감도가 낮아 대면적 검사에 부적합하다.

따라서 작업 효율성과 생산성을 고려할 때 수세성 형광 침투탐상시험법이 가장 우수하다.