Image Comparison of Curved and Flat Panel Detectors for the Application of Digital Radiography Testing in Pipe Welds

배관 원둘레 이음 용접부의 디지털 방사선 투과 검사 적용을 위한 커브드 및 평면형 검출기의 영상 비교

Abstract

The detector for digital radiography testing, which is currently mainly used, consists of a detector with a flat structure, making it impossible to fully adhere to the digital radiography testing of the test object with curvature. In this study, a curved panel detector capable of adhering to curvature was fabricated to improve the quality of the digital image during the digital radiography testing of piping welds at industrial sites, and digital radiography images using flat and curved panel detectors were obtained for 6in pipes with different nominal thickness. As a result of the experiment, it was confirmed that the flat panel detector does not fully adhere to the pipe, resulting in a gap between the outer part of the pipe and the detector, resulting in a difference in the unsharpness and diffusion of the digital image. On the other hand, it was confirmed that the curved panel detector minimizes the gap between the pipe outer part and the detector, so that digital image diffusion is less than that of the flat panel detector. The higher the confidence of the image, the lower the quality and error in reading, so it is believed that higher quality images can be obtained than conventional flat panel detectors when using detectors that can be closely attached to the inspection object.

현재 주로 사용되고 있는 디지털 방사선 검사용 검출기는 평면형의 구조를 가진 검출기로 이루어져 있어 곡률을 가진 검사 대상물의 디지털 방사선 검사 시 완전한 밀착이 불가능 하였다. 본 연구는 산업현장에서 배관 용접부를 대상으로 한 디지털 방사선 투과 검사 시 디지털 영상의 상질 개선을 위하여 곡률에 밀착이 가능한 커브드 형태의 검출기를 제작하였고, 공칭 두께가 각기 다른 6" 배관을 대상으로 평면형 검출기와 커브드 검출기를 사용한 디지털 방사선 영상을 획득하였다. 실험 결과, 평면형 검출기는 배관과 완전한 밀착이 되지 않아 배관 외곽부와 검출기 사이의 틈이 생기게 되고, 이로 인해 불선명도 차이가 생기면서 디지털 영상의 확산이 발생하는 것을 확인하였다. 반면, 커브드형 검출기는 배관 외곽부와 검출기 사이의 틈을 최소화 하여 평면형 검출기에 비해 디지털 영상의 확산이 적은 것을 확인하였다. 영상의 확신이 클수록 상질의 저하 및 판독의 오류가 발생할 수 있기 때문에 검사 대상물과 밀착이 가능한 검출기의 사용시 기존 평면형 검출기 보다 양질의 영상을 획득 가능할 것으로 사료된다.

Ⅰ. INTRODUCTION

디지털 방사선을 이용한 검사는 현재 인간을 치료하는 의료현장부터 공항 검색, 용접부 및 구조물 검사와 같은 산업현장에 이르기까지 다양한 분야에 이용되고 있다. 디지털 방사선은 이전 필름을 이용한 방사선 검사와 다르게 촬영 즉시 영상을 확인할 수 있고 데이터의 보존도 쉽기 때문에 여러 분야에 활용이 가능하다. 특히 의료현장에서는 많은 연구와 기술이 개발되어 이제는 의료 행위에 없어서는 안 되는 필수 기술로 자리 잡았다.

산업현장에서도 기존의 필름 방사선 검사 시스템을 대체하기 위하여 많은 시도와 연구가 선행되고 있다. 국내 연구 중인 디지털 방사선 시스템의 경우, 화력발전소 냉수 벽 용접부 검사에 대한 디지털 방사선 플랫폼의 적용^[1], 항공우주 산업용 알루미늄 주강품 검사를 위한 실시간 디지털 방사선 시스템 개발^[2] 등 산업현장에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 또한 본 연구의 대상인 용접부를 대상으로 디지털 방사선과 필름 방사선의 상질 비교^[3], 디지털 방사선을 이용한 용접부 검사 기술^[4] 등의 연구가 진행되었다.

디지털 방사선 기술을 적용할 시 의료현장과 산업현장의 가장 큰 차이점은 검사 대상이다. 의료용 방사선은 검사 대상의 주가 인체이기 때문에 인간의 체형 및 신체 부위에 집중되는 촬영 기술이 발달하여 있다^[5]. 하지만 산업현장에서는 검사 대상물의 크기, 두께, 형태가 모두 다르기 때문에 동일한 촬영 방식을 적용한다는 것은 무리가 있다.

특히, 배관 용접부처럼 외면에 굴곡이 있는 대상물의 경우 검출기(Detector)와 대상물 표면에 접촉이 제대로 되지 않아 불 선명도(Unsharpness)가 높아지고 이에 따라 외곽부 확산이 일어나 영상의 상질이 저하되는 경우가 발생한다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 평면형 검출기에서 벤딩이 가능한 검출기의 연구 개발이 진행되고 있지만 현재까지 산업현장의 적용은 미비한 상태이다.

본 연구는 벤딩이 가능한 검출기의 개발 단계로 커브드 형태를 가지는 검출기를 제작하였다. 커브드 형 검출기와 기존의 평면형 검출기를 비교하기 위해 동일한 촬영 조건, 대상물을 적용하여 디지털 방사선 검사를 실시하였다. 이를 토대로 나타나는 디지털 방사선 영상의 상질을 확인하고 용접부 형태, 영상의 확산 등을 비교한 후, 도출되는 차이점을 통해 실제 벤딩이 가능한 검출기의 적용 가능성을 제시하고자 한다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 실험 재료

디지털 방사선 촬영의 영상 획득을 위한 대상으로 탄소강 재질의 배관형 용접부를 시험편으로 하였다. 두께 차이에 대한 영상을 확인하고자 3.4 mm, 7.11 mm, 10.97 mm의 두께를 가진 3개의 배관용접부 시험편을 Fig. 1-(a)와 같이 준비하였다. 배관의 외경은 커브드 검출기의 촬영 배치 시 Fig. 1-(b)와 같이 검출기 표면과 가장 밀착도가 높은 6″ 으로 하였다. 산업 현장에서 주로 사용되는 대표적인 공칭 두께는 10 ~ 80 스케줄(sch) 이다. 그중에서 10, 40, 80 스케줄에 해당하는 3.4 mm, 7.11 mm, 10.97 mm 를 정하였다.

Fig. 1. Pipe type and Pipe in closed contact with Curved panel Detector.

방사선원으로는 일반 산업현장에서 주로 사용되는 γ-ray의 종류 중 ⁷⁵Se 12 Ci 선원을 사용하였다. 실험에 사용되는 검출기는 ¹⁹²Ir 또는 ⁷⁵Se 선원의 25 Ci 이상을 사용할 경우 투과되는 방사선 에너지가 높아 검출기 내부 센서에 안 좋은 영향을 줄 수 있다. 따라서 ⁷⁵Se 선원의 25 Ci 미만인 12 Ci를 사용하였다. 디지털 방사선 영상을 수집하는 커브드 및 평면형 검출기의 세부 특성은 Table 1과 같다.

Table 1. Specifications of Detector

평면형 및 커브드 검출기는 레이언스 사의 제품을 사용하였다. 커브드 검출기는 최대 100R의 곡률을 가진 외형의 검사 대상물에 밀착할 수 있도록 Fig. 2와 같이 검출기 외형을 제작하였다. 검출기 패널은 100R 형태에 맞추어 벤딩 후 제작되었다.

Fig. 2. 100R Curved Detector Radius.

커브드 검출기의 양자효율 (DQE: Detective Quantum Efficiency)는 검출기 패널을 1000회 벤딩하여 밴딩 전, 후의 성능을 비교하였다. Fig. 3에서 벤딩 전, 후의 양자효율(DQE) 은 최대 1.3% 차이를 나타내며 일반적인 평면형 검출기의 측정 오차 수준이 ± 3 %임을 감안할 때 영상의 성능 저하는 없는 것으로 확인하였다.

Fig. 3. DQE of Curved Detector.

디지털 영상의 확인 시 영상을 나타내는 모니터는 화면(Display)에서 나타나는 디지털 영상의 표현을 위해 밝기(Brightness), 명암비(Contrast Ratio), 화소의 최소 요건을 만족하여야 한다. ISO 17636-2 규격에 명시된 모니터의 최소 요건은 밝기 250 cd, 명암비 250:1, 100만 화소의 화면이다. 본 연구에 사용된 모니터 조건에 모두 부합됨을 확인하였다^[6].

디지털 방사선 촬영 시 검출기를 연결해 검출기에 노출되는 방사선의 노출시간을 설정하고 영상을 수집 및 판독하는 용도로 사용되는 모니터 및 컴퓨터의 세부 특성은 Table 2와 같다.

Table 2. Specifications of Display and Computer

실험 후 획득하는 디지털 영상을 확인하여야 한다. 가시적인 확인을 위해 imageJ 소프트웨어를 디지털 영상 해석에 사용하였다.

2. 실험 준비

본 연구에 사용되는 검사 대상물인 배관 용접 시험편에 영상의 상질을 확인할 방법은 ISO 19232-5 규격에 명시되어 있다. 선형 투과도계(IQI)와 기본 공간 분해능의 최소 요건 및 불 선명도를 확인할 수 있는 쌍선형 투과도계(Duplex wire IQI)^[7]를 Fig. 4와 같이 용접부 근처에 배치하였다.

Fig. 4. IQI and Duplex Wire IQI placed on Weld Test Piece.

또한 불 선명도를 최소화하기 위해 검출기 중심부에 배관 용접부와의 틈이 없도록 서로 밀착하였다. 촬영 배치가 최종 완료된 모습은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5. Digital Radiography of Collimator, Weld Test Piece and Detector.

3. 실험 방법

평면형 및 커브드 검출기를 이용한 디지털 촬영 시 시험편, SDD, 방사선원의 세기, 선원 노출 방향, 선원 노출시간 등 디지털 방사선 촬영 시 요구되는 변수 인자가 있다. 이를 모두 같은 조건으로 하여 실험하였다. 디지털 방사선 촬영 조건은 Table 3과 같다.

Table 3. Digital Radiography Testing Conditions

본 실험을 통해 얻을 수 있는 디지털 영상 데이터의 올바른 평가를 위하여 획득한 영상의 상질 기준을 먼저 확인하여야 한다. ISO 17636-2에서 디지털 영상의 상질 기준은 선형 투과도계의 식별선 확인, 쌍 선형 투과도계를 이용한 기본 공간 분해능(SR_b) 및 영상의 정규화된 신호 대 잡음비(SNR_N)가 있다^[6].

본 실험의 배관 촬영 배치 시 이중벽 이중 영상(DWDI) 을 적용하기 때문에 배관의 외경을 투과 두께로 한다. 기본 공간 분해능(SR_b)은 쌍 선의 프로파일에서 변조 깊이(dip) 값이 20 % 미만이 되는 첫 번째 쌍선을 읽는다. 변조 깊이 값을 구하는 공식은 다음 Eq. (1) 과 같으며 프로파일의 예는 Fig. 6와 같다^[8].

Fig 6. Profile of Duplex Wire IQI D4.​​​​​​​

dip : 100 × (A + B - 2C)/(A + B)       (1)

정규화된 신호 대 잡음비(SNR_N) 은 ISO 16371-1, 17636-2 규격에 따라 디지털 영상의 관심 영역 중 20x55픽셀 내의 1,100개 신호 데이터의 평균(Imeas)과 표준편차(σPSL100)를 나눗셈하여 측정된 신호대 잡음비(SNR_measured)를 공식 Eq. (2)와 같이 구한다. 이후 공식 Eq. (3) 와 같이 측정된 신호 대 잡음비(SNR_measured)에 기본 공간 분해능(SR_b)를 대입하여 정규화된 신호 대 잡음비(SNR_N)를 구한다. 공식 Eq. (3)의 기본 공간 분해능(SR_b) 값은 Fig. 7과 같이 SDD 1 m 거리에서 검출기를 노출해 나타나는 영상에서의 최대 기본 공간 분해능(SR_b) 값이며, 평면형은 0.16(D8), 커브드 형은 0.16(D8) 값을 확인하였다^[6,9].

Fig. 7. Placement for Flat and Curved panel Detector SR_b value verification.​​​​​​​

SNR_measured = I_meas / σ_PSL100       (2)

\(\begin{aligned}S N R_{N}=S N R_{\text {measured }} \times \frac{88.6 \mu m}{S R_{b}}\end{aligned}\)       (3)

III. RESULT

1. 기본 공간 분해능 및 선형 투과도계(SR_b & Linear IQI)

기본 공간 분해능(SR_b)은 촬영한 모재에 배치된 쌍 선형 투과도계의 프로파일을 확인해야 한다. ISO 17636-2 규격에 따르면 본 실험에 사용된 배관용접부 시험편의 외경이 6″ 이다. 따라서 쌍 선형 투과도계의 5번째 쌍 선(D5) 의 변조 깊이(dip) 가 20 % 미만이 되는 첫 번째 쌍 선이어야 한다^[6].

실험을 통해 획득한 디지털 방사선 영상에 대하여 Eq. (1) 공식을 대입하여 기본 공간 분해능(SR_b)값을 도출하였다. 평판형 및 커브드 형 검출기에서 촬영한 전체 영상들에 대해 Fig. 8과 같이 쌍 선형 투과도계 D3, D4, D5의 영역을 설정하여 프로파일 하였다. Fig. 4와 같이 프로파일 된 신호에서 가운데(D4) 및 우측 첫 번째 신호(D5)의 변조 깊이(dip) 값을 구한 결과, 전체 영상에서 D4 쌍 선이 20 %를 넘는 깊이가 확인되었고 20 % 미만이 되는 첫 번째 쌍 선은 D5로 확인되었다. 각 영상의 변조 깊이(dip) 값은 Table 4과 같다.

Fig 8. Profile area of Duplex Wire IQI D3, D4, D5.​​​​​​​

Table 4. Dip for Basic Spatial Resolution Verification​​​​​​​

프로파일 확인 결과, 20 % 변조 깊이(dip) 값의 미만이 되는 첫 번째 쌍 선은 3.4 mm에는 D5, 7.11 mm에는 D5, 10.97 mm에는 D5로 확인되어 기본 공간 분해능(SR_b) 값을 만족하는 것이 확인되었다.

선형 투과도계는 촬영하고자 하는 모재의 투과두께(Penetrated thickness)에 따라 상질 확인의 기준이 다르다. 본 영상은 촬영 배치 시 이중벽 이중 영상(DWDI) 를 적용하고 있다. 따라서 방사선이 배관 두께를 두 번 투과하므로 투과 두께는 배관 두께 × 2 를 적용하여야 한다^[6].

ISO 17636-2 규격에 요구되는 투과 두께별 선형 투과도계 최소 식별 선은 Table 5와 같다. 커브드 및 평판형 검출기로 촬영된 디지털 영상 확인 결과 최소 식별 선 확인이 가능하였다.

Table 5. Linear IQI value of Digital Radiography image according to Detector type​​​​​​​

2. 정규화된 신호 대 잡음비(SNR_N)

정규화된 신호 대 잡음비(SNR_N) 의 확인을 위해서는 ISO 16371-1, 17636-2 규격에 명시된 것처럼 영상의 관심 영역(ROI: Region of interest) 중 20 × 55 픽셀을 확인한다. 관심 영역에 나타나는 1,100개의 신호 데이터를 공식 Eq. (2), Eq. (3)에 따라 계산하였다. ⁷⁵Se 선원을 사용하였을 때 규격에서 요구하는 최소 정규화된 신호 대 잡음비(SNR_N) 값은 70이다^[6,9].

촬영된 디지털 영상 데이터의 정규화된 신호 대 잡음비(SNR_N) 확인 결과, Table 6과 같이 규격에서 요구하는 최소 정규화된 신호 대 잡음비(SNR_N) 값을 만족하는 것이 확인되었다.

Table 6. SNR_N value of Digital Radiography image according to Detector type​​​​​​​

3. 영상 비교

본 실험을 통하여 획득한 3.4, 7.11, 10.97 mm 두께의 배관 용접부 디지털 영상을 같은 밝기 조건으로 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 9. pipe Digital image for Flat and Curved panel Detectors.​​​​​​​

그중에서 배관 외곽부의 비교 확인이 가장 용이한 3.4 mm 배관 용접부의 영상을 확인하였다.

Fig. 9-(a)의 평면형 검출기 영상의 확인 결과, 영상 중앙부의 선명도는 커브드 검출기 영상에 비해 선명하게 나타났다. 곡률이 심하게 발생하는 배관의 외곽 부분은 중심부에서 멀어질수록 배관과 검출기 사이에 틈이 커지면서 영상의 확산이 심해지고 선명도가 낮아지는 것을 확인하였다.

Fig. 9-(b)의 커브드 형 검출기 영상은 평면형 검출기 영상보다 중앙부 선명도는 낮았지만, 배관의 외곽 부분은 확산이 비교적 작고 선명도가 높은 것을 확인하였다. 7.11 mm, 10.97 mm 두께의 배관 영상도 Fig. 7과 동일하게 확산하는 차이가 나타났다. 이는 커브드 형 검출기가 곡률인 배관 외곽까지 밀착되면서 배관 외곽부의 확산을 최소화한 것으로 사료된다.

Fig. 9-(a)의 영상의 외곽부처럼 영상이 확산하여 선명도가 떨어지는 경우 해당 부위의 영상 판독이 불가하여 그만큼 신뢰성이 떨어진다. 따라서 위 영상의 경우 판독 불가한 범위를 제외하고 가능한 범위를 판독할 수 있는 구간으로 하게 된다. 판독할 수 있는 구간의 범위가 상대적으로 좁아지기 때문에 신뢰성 있는 영상의 확보를 위해선 판독할 수 있는 구간을 중복되게 하여 배관 용접부의 디지털 방사선 촬영 횟수가 증가하게 된다.

Fig. 10은 동일한 밝기 조건에서 7.11 mm 두께 배관 용접부의 좌측 외곽부를 확대한 영상이다. 3.4, 10.97 mm 두께의 배관 용접부는 외곽부의 인공 결함이 삽입되어 있지 않아 배제하였다. Fig. 10의 용접부 내부에는 길이 10 mm의 예리한 선형의 인공 결함이 삽입되어 있고 결함의 위치는 용접부 중앙으로 용접선과 평행하게 배치되어 있다.

Fig. 10. 7.11 mm pipe Digital image for Flat and Curved panel Detectors.(Left Outer)​​​​​​​

Fig. 10-(a)의 평면형 검출기 영상은 영상의 확산 때문에 검사 대상 부위인 용접부 확인이 불분명하다. Fig. 10-(b)의 커브드 형 검출기의 경우 배관 외곽부 끝에 약간의 확산이 확인되지만 길이 10 mm의 인공 결함을 육안으로 확인할 수 있었다.

Fig. 10-(b)에서 확인되는 인공 결함은 영상 중앙부 위치처럼 선명하게 확인되진 않는다. 하지만 곡률 형태의 배관 디지털 방사선 촬영 시 기존 평면형 검출기에서 판독 불가능한 부위가 커브드 형 검출기로 판독 가능하다는 것이 확인되었다.

이는 배관 용접부의 디지털 방사선 투과 검사 시 영상의 판독 가능 범위가 늘어남에 따라 평면형 검출기와 비교하였을 때 커브드 형 검출기의 촬영 횟수가 감소할 수 있는 가능성이 확인된 것으로 사료된다.

IV. DISCUSSION

배관 외곽부의 영상을 비교한 결과는 검출기와 시험편의 밀착 여부에 따른 차이를 확인하고자 하였다. 결과는 기존 평면형 검출기에서 미확인된 부분이 커브드 형 검출기로 확인되었다. 본 논문에 삽입된 그림 형식에서는 두 영상의 차이가 작게 확인될 수 있다. 하지만 원본 데이터(.raw)를 비교하였을 땐 두 영상의 차이가 확연하게 나타났다.

방사선 투과 검사 시 검사 대상물과 검출기 사이의 거리가 이격된 영상보다 거리가 최소화될수록 영상의 정확한 판독이 가능하다는 점은 이미 이론 및 실무적인 사실이다. 본 연구는 배관 용접부의 방사선 검사 시 대상물과 검출기 사이의 거리를 최소화하기 위해 커브드 형 검출기를 제작하였고 각각의 영상을 비교하여 그 차이를 확인하였다. 거리, 선원, 시간 등 동일한 조건에서 같은 시험편을 사용하였다. Fig. 10의 두 영상의 결과가 다르다는 것은 다른 조건은 모두 같기에 배관 외곽부에서 검출기와 시험편의 거리에 따른 차이가 영상으로 나타난 것으로 사료된다.

방사선 투과 검사 시 검사 대상물과 필름 또는 검출기와의 밀착 여부는 영상 평가 시 중요한 요소이다. 검사 대상물과 검출기 사이에 밀착된 부분과 빈 곳이 불규칙하게 배치될수록 방사선이 물체를 투과해 검출기에 도달되는 차이 때문에 영상의 확산이 나타나게 되고, 이는 영상 평가 시 중요한 변수로 나타나게 된다.

의료현장의 경우 의료의 목적으로 방사선 검사를 하므로 검사 대상물은 사람의 신체로 한정되어 있다. 또한 의료시설 내 지정된 장소에서만 방사선 노출이 허용되므로 방사선은 X-ray를 주로 사용한다. 이에 따라 방사선 종류 및 대상물이 정해져 있어 이를 통해 집중적인 상질의 연구가 진행되어 왔다^[10,11]. 하지만 산업현장에서는 용접부, 주강품, 압력용기 등 다양한 검사 대상물이 존재한다. 특히 배관 원둘레 이음 용접부의 경우 원형의 구조로 이루어져 있어 검출기와의 밀착이 어려운 실정이다.

디지털이 아닌 필름을 이용한 방사선 투과 검사의 경우 필름의 유연성을 활용하여 원형의 구조물에 완전한 밀착이 가능하다. 그러나 시중에 사용중인 검출기의 경우 평면형이 주를 이루고 있기 때문에 디지털 방사선 투과 검사 적용 시 필름처럼 완전한 밀착이 불가능하다. 이는 영상의 상질에 영향을 주어 산업현장에서 디지털 방사선 투과 검사 도입이 어려운 이유 중 하나가 된다. 원형의 배관에 디지털 방사선 투과 검사 시 검사 조건 및 영상의 상질을 높이기 위한 연구가 진행되고 있다. 하지만 검출기의 구조적인 문제로 인해 대상물과 밀착되지 않는 근본적인 문제는 여전히 존재한다.

디지털 방사선 검사 시 방사선 에너지를 전기적 신호로 변환하여 영상을 표현하는 검출기가 검사 대상물에 밀착할 수 있도록 구조적으로 표현된다면, 디지털 영상의 확산을 최소화하고 더 나은 상질로 개선하여 다양한 현장에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

V. CONCLUSION

본 연구는 배관의 원둘레 이음 용접부에 대한 디지털 방사선 투과 검사 시 기존 평면형 검출기와 연구를 위해 제작된 커브드 형 검출기를 이용하여 디지털 방사선 영상을 획득하였다. 촬영한 영상을 서로 비교하면서 원형의 검사 대상물에 밀착 배치가 가능한 검출기의 영상에 대한 차이를 확인하였다.

현재 디지털 방사선 투과 검사법은 기존의 필름 방사선 투과 검사법을 대체하여 여러 분야 현장에서 점진적으로 적용되고 있다. 다양한 구조물을 검사해야 하는 산업현장에서는 디지털 방사선 투과 검사의 도입 시 촬영 조건, 검사 방법 등과 함께 검사 대상물과 밀착되어 배치할 수 있는 검출기의 조건이 필수적이라 할 수 있다. 본 논문에서 실험한 커브드 형 검출기의 영상 데이터가 참고되어 검사 대상물과 유기적으로 밀착이 가능한 검출기가 개발된다면 기존 디지털 방사선 영상보다 나은 상질의 영상을 획득하는 것과 판독 가능 범위 증가에 따른 검사 환경의 개선이 가능할 것으로 사료된다.