지식더하기 비파괴 검사

시속 900킬로미터로 하늘을 나는 여객기의 엔진 날개(블레이드)에 눈에 보이지 않는 1밀리미터짜리 미세한 금(크랙)이 하나라도 가 있다면 어떻게 될까? 비행 중 엔진이 산산조각이 나며 수백 명이 목숨을 잃는 끔찍한 대참사가 벌어질 것이다. 그렇다고 비행기 엔진이나 수만 톤짜리 현수교 다리에 금이 갔는지 확인하겠다고 멀쩡한 쇳덩어리를 반으로 쪼개보거나 망치로 부숴볼 수는 없는 노릇이다. 공학자들은 겉껍질을 단 1나노미터도 흠집 내지 않고 금속 뱃속의 상태를 투시경처럼 훤히 들여다보는 기가 막힌 꼼수를 찾아냈다. 소리를 튕겨내고 방사선을 쏘아 숨어있는 암 덩어리(결함)를 찾아내는 산업계의 청진기, '비파괴 검사(NDT, Nondestructive Testing)'의 파동 물리학 속으로 들어가 보자.

소리의 메아리로 균열을 찾다, 초음파 탐상

비파괴 검사에서 가장 흔하게 쓰이는 마법은 '초음파'다. 산에서 "야호!" 하고 소리치면 절벽에 부딪힌 메아리가 되돌아오듯, 검사관은 쇳덩어리 표면에 초음파 탐촉자(마이크 같은 기계)를 대고 인간의 귀에는 들리지 않는 엄청난 고주파 소리(초음파)를 금속 내부로 팍! 하고 쏘아 보낸다. 멀쩡한 철판이라면 소리가 철판의 맨 반대쪽 끝벽(바닥)까지 갔다가 튕겨서 1초 만에 깔끔하게 돌아올 것이다. 그런데 만약 철판 중간에 보이지 않는 공기구멍(기공)이나 실금이 쫙 가 있다면? 초음파 파동은 바닥까지 가지 못하고 중간에 있는 균열에 부딪혀서 예상보다 훨씬 빠른 0.5초 만에 튕겨서(산란) 돌아와 버린다. 모니터에 비정상적인 메아리 파동이 일찍 찍히면, "아, 3센티미터 깊이에 금이 가 있구나!" 하고 내부의 병을 귀신같이 찾아내는 것이다.

뼈 사진을 찍듯 금속을 투시하다, 방사선 탐상(X-ray)

초음파로도 헷갈릴 때는 병원에서 엑스레이(X-ray)로 뼈 사진을 찍는 것과 완벽하게 똑같은 방식을 쓴다. 용접을 마친 두꺼운 가스 파이프 뒤에 필름을 대놓고, 앞에서 강력한 엑스레이나 감마선을 냅다 쏴버린다. 방사선은 쇳덩어리를 통과하며 약해지는데, 만약 파이프 내부에 텅 빈 공기구멍이나 갈라진 틈이 있다면 그 빈 공간으로는 방사선이 훨씬 쌩쌩하게 잘 통과한다. 결과적으로 필름을 인화해 보면, 빈 공간을 통과한 방사선 때문에 그 부분만 필름이 유독 시커멓게 타버린 자국(결함)이 선명하게 나타난다. 쇳덩어리의 배를 가르지 않고 내부 장기의 종양을 완벽하게 찍어낸 것이다.

색깔로 스며드는 형광 액체, 침투 탐상

복잡한 기계가 없을 땐 아주 원초적이고 직관적인 화학 마술을 쓴다. 금속 겉표면에 눈에 안 보이는 미세한 실금이 갔는지 확인하기 위해, 검사관은 아주 묽고 새빨간 물감(침투액)을 금속 표면에 쫙 뿌린다. 모세관 현상에 의해 빨간 물감이 아주 미세한 실금 속으로 스멀스멀 깊게 스며들어 간다. 잠시 후 겉에 묻은 붉은 물감을 걸레로 깨끗하게 싹 닦아낸 뒤, 하얀색 분필 가루(현상액)를 표면에 덧바른다. 그러면 하얀 가루가 스펀지처럼 작용해서, 아까 실금 속에 숨어 들어갔던 빨간 물감을 밖으로 쭈욱 빨아 올린다. 멀쩡해 보이던 하얀 쇳덩어리 위로 갑자기 새빨간 피(균열)가 선명하게 번져 오르며 숨어있던 크랙이 백일하에 드러나게 된다.

자석의 힘으로 끌어당기다, 자분 탐상

쇳덩어리에 강력한 자석(전자석)을 걸어 자기장을 쫙 흐르게 한 뒤, 철 가루를 표면에 뿌려보는 방법도 있다. 멀쩡한 철판이면 자기장이 고르게 흘러 철 가루가 얌전하지만, 철판에 금이 가 있으면 그 틈새에서 자기장이 삐져나와 자석의 N극과 S극이 비정상적으로 엉키게 된다(누설 자속). 흩뿌린 철 가루들이 이 틈새 주변으로 시커멓게 뭉쳐붙으면서 숨겨진 금(크랙)의 모양을 그대로 그려내는 기막힌 원리다. ![왼쪽에는 강도를 확인하기 위해 망치로 파이프를 부수는 작업자를 보여주고, 오른쪽에는 빛나는 초음파 지팡이를 사용하여 완벽하게 손상되지 않은 파이프를 안전하게 스캔하는 미래지향적인 엔지니어를 보여주는 분할 화면](https://image.pollinations.