JP2003043016A

JP2003043016A - 非破壊き裂深さ判定法

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Publication number: JP2003043016A
Application number: JP2002001830A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Fukutomi; 広幸福冨; Takashi Ogata; 隆志緒方
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2001-05-22
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2022-01-08
Also published as: JP4020361B2

Abstract

(57)【要約】【課題】構造物に生じたき裂深さを非破壊で簡便にか
つ精度よく判定する。【解決手段】き裂形状が既知のき裂を測定して得られ
るき裂検出信号の最大信号振幅とき裂深さとの関係を示
す曲線を求め、該曲線からき裂長さと最大信号振幅との
関係を示す複数の曲線を求め、該曲線のうち、き裂長さ
に応じて最大信号振幅が変化する領域からき裂長さ毎に
異なるき裂深さ検定曲線を求める一方、き裂長さに応じ
て最大信号振幅が変化しない領域からは単一のき裂深さ
検定曲線を求め、これら検定曲線のうち判定対象き裂の
き裂長さに合致するものを利用してき裂深さを判定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、き裂の形状の影響
を受けて変化するき裂検出信号の最大信号振幅とき裂深
さとの関係を示す検定曲線を利用して任意長さのき裂の
深さを判定する非破壊評価手法の改良に関する。さらに
詳述すると、本発明は、ガスタービン動翼の劣化評価な
ど、構造物の保守技術さらにはコーティング材の適切な
リコーティング時期の判断やリコーティングの可否につ
いての判断に有用な非破壊き裂深さ判定法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、構造物のき裂の深さは、人工き裂
を用いて渦電流法などによる探傷試験で測定された結果
から事前に作成された検定曲線を利用して判定されてい
る。ここで利用される検定曲線は、放電加工（Electric
discharged machining：ＥＤＭ）によるノッチ（き
裂）やドリル孔などの、き裂長さが一定で所望深さに加
工されたき裂（人工き裂）を試験体にいれておき、同じ
試験条件で測定して得られた検出信号を利用して作成さ
れる。この場合、検出情報としては、検出信号の最大振
幅またはそのときの位相角のうちいずれかが用いられ、
当該情報に基づきき裂深さが判定されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、探傷試
験時に得られる信号の振幅情報と位相情報は共にき裂長
さやき裂幅による影響を受けることから、き裂長さやき
裂幅がき裂サンプル（人工き裂）から外れると、誤差が
大きくなり、き裂深さを精度よく判定できないという問
題がある。

【０００４】例えば、振幅によってき裂深さを判定する
場合、き裂長さに応じて検定曲線のカーブが図１８
（ａ）に破線で示すように変わってしまい、任意の長さ
を有するき裂の深さを判定できない場合がある。また、
ＥＤＭノッチは実際の疲労き裂（幅がほとんどない）に
比べて幅が広いため、幅による影響も無視できない。こ
の問題に対処するには、様々な長さの人工き裂を数多く
作成して多数の検定曲線をあらかじめ求めておくことが
考えられるが、手間がかかりすぎることから多数の検定
曲線を採用することは現実には困難である。

【０００５】また、位相によってき裂深さを判定する場
合も同様に、き裂長さおよびき裂幅が変化すると位相角
が変化する場合があり、例えば、図１８（ｂ）に破線で
示すように変わってしまい、任意の長さを有するき裂の
深さを判定できない場合がある。このため、判定精度を
上げるには、様々な長さの人工き裂を数多く作成して多
数の検定曲線をあらかじめ求めておかなければならず、
手間がかかりすぎることから現実に無数の検定曲線を採
用することは困難である。しかも、この信号位相情報に
よるき裂深さ判定方法は、位相角が信号の基準点の決め
方によりき裂深さ判定に影響を及ぼすほど変化すること
から、再現性を確保するためには高精度な測定が要求さ
れるという問題を有している。

【０００６】さらに、実際の構造物では、複数のき裂が
密集して発生する場合があり、例えば図１９に示すよう
に隣接するき裂１０１の間隔がプローブ１０２の探傷領
域よりも狭くなる（図１９でいえば、き裂間隔が１ｍｍ
である）ようなことがある。この場合、それぞれのき裂
の検出信号が干渉して単一のき裂の信号より大きくなっ
てしまい、個々のき裂１０１を認識できなくなってしま
う問題を有している。この結果、き裂深さを実際のき裂
深さよりも深く見積もってしまい、有害なき裂１０１で
あると誤判定してしまうことがある。

【０００７】また、複数のき裂が密集して発生した結
果、き裂が基準深さを超えた位置まで到達しているかど
うか判定できなくなる問題もある。例えばガスタービン
初段動翼には、初期段階において図２０（ａ）のように
深さがほぼ等しい隣接した複数のき裂１０１が発生し
（初期き裂発生時）、その後、損傷が進行するに従って
き裂１０１が耐食コーティング１０３と基材１０４の境
界に到達し、そのうちのいずれかが起点となり、図２０
（ｂ）のようにき裂１０１がさらに基材１０４へ伝播す
るという性質が見られる。ここで、個々のき裂１０１が
プローブ１０２の探傷領域よりも狭い程度に密集してい
る場合、初期き裂発生時とき裂１０１が基材１０４に伝
播した時とについて試験片を測定してみると、図２０
（ｃ）および図２０（ｄ）に示すようなき裂検出信号が
得られる。基材１０４に達したき裂１０１がある場合は
それに対応した信号が現れ、他の出力信号が相対的に無
視できるようになるため基材１０４に達した深いき裂を
識別することが可能だが、初期き裂発生時には個々のき
裂１０１を識別できるような信号のピークは見られず、
深さ判定に用いることのできるデータが得られないため
き裂１０１が基材１０４に達しているかどうか判定でき
ない。

【０００８】そこで、本発明は、信号の振幅情報を利用
して構造物に生じたき裂深さを非破壊で判定する非破壊
き裂深さ判定法を改善し、き裂に関する検出信号から簡
便かつ精度よくき裂深さを判定できるようにすることを
目的とする。併せて、本発明は、狭い領域に密集して発
生したき裂の深さを精度よく求め、またはこのようなき
裂が基材などに到達しているかどうか判定することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願発明者らは、き裂形
状特にき裂長さによる影響を加味した精度の高いき裂深
さ判定が可能かどうか種々検討した。図５（ｂ）に示す
ように、き裂幅が一定であってもき裂の長さが異なれば
最大信号振幅から得られるき裂深さは異なる。また、図
５（ａ）に示すように、き裂幅一定でもき裂深さが異な
ればき裂長さ−最大信号振幅の関係を示す関数は異なる
曲線となり、最大信号振幅から得られるき裂長さは異な
る。ところが、この図５（ａ）に示す関数では、使用し
たプローブの探傷領域（例えば図５（ａ）の場合は長さ
４mmまで）ではき裂長さに伴い最大信号振幅も増大する
が、探傷領域を越えると収束して最大信号振幅はき裂長
さの影響を受けずにほぼ一定となる傾向が分かった。そ
して、発明者らは、このグラフ上の複数の関数を用いる
ことで、き裂長さが増大する領域からはき裂長さ毎に異
なる複数のき裂深さ−最大信号振幅曲線すなわちき裂深
さ検定曲線が、また、き裂長さが一定の領域からは１本
のき裂深さ検定曲線がそれぞれ求められることを知見す
るに至った。

【００１０】本願発明はかかる知見に基づくものであ
り、請求項１記載の発明は、構造物に生じたき裂の深さ
を非破壊で判定する非破壊き裂深さ判定法において、き
裂形状が既知のき裂を測定して得られるき裂検出信号の
最大信号振幅とき裂深さとの関係を示す曲線を求め、該
曲線からき裂長さと最大信号振幅との関係を示す複数の
曲線を求め、該曲線のうち、き裂長さに応じて最大信号
振幅が変化する領域からき裂長さ毎に異なるき裂深さ検
定曲線を求める一方、き裂長さに応じて最大信号振幅が
変化しない領域からは単一のき裂深さ検定曲線を求め、
これら検定曲線のうち判定対象き裂のき裂長さに合致す
るものを利用してき裂深さを判定するようにしている。
ここで、曲線には直線が含まれる。

【００１１】この判定法によると、検出された構造物上
のき裂あるいは人工き裂サンプルの既知の形状要素（例
えばき裂長さやき裂幅）とこれらき裂の検出信号（例え
ば渦電流法による出力信号の最大信号振幅）とが関連づ
けられ、形状要素と検出信号とを関連づける各関数の係
数があらかじめ求められる。これにより、き裂の長さ等
と最大信号振幅とを対応付ける検定曲線が得られ、判定
対象である構造物のき裂形状がき裂サンプルのそれとは
異なる場合であっても、検定曲線からき裂深さを精度よ
く判定することが可能となっている。例えば、図９
（ａ）に示すようにき裂長さｌと探傷領域ｌｃとの関係
を示すき裂データが得られた場合、図９（ｂ）に示すよ
うにき裂長さｌ毎のき裂深さ検定曲線を求めることがで
き、き裂長さｌに対応したき裂深さｄを判定することが
できる。

【００１２】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の非破壊き裂深さ判定法において、き裂はき裂長さが
等しく、このき裂長さによって定まるき裂深さ−最大信
号振幅を示す単一の曲線を求め、該単一の曲線上の複数
の点をき裂長さ−最大信号振幅を示すグラフの同一き裂
長さ上にプロットし、各プロット点を通るき裂長さ−最
大信号振幅を表す各曲線の関数の係数を求めるようにし
ている。この場合、図１（ａ）に示すように単一の曲線
が得られ、この曲線上の少なくとも２点の点を抽出する
ことにより、図１（ｂ）に示すようにき裂長さが等しく
最大信号振幅が異なる複数の点が得られる。

【００１３】さらに、請求項３記載の発明は、請求項２
記載の非破壊き裂深さ判定法において、き裂として人工
き裂を用い、各関数の係数をあらかじめ決定する際に、
人工き裂を用いた測定により得られたき裂幅と最大信号
振幅との関係をき裂幅を零とした値に校正して用いるよ
うにしている。

【００１４】この非破壊き裂深さ判定法では、人工のき
裂サンプル（例えばＥＤＭノッチ）からテストデータを
得るが、このき裂サンプルのき裂幅が判定対象たる構造
物上のき裂幅よりも幅広であることから、この分を校正
して幅の差分による影響を排除した関数（き裂深さｄ−
最大信号振幅Ｒ）を得る（図１（ａ））。次に、校正後
の関数上の複数の点をき裂長さｌ−最大信号振幅Ｒのグ
ラフにプロットし（図１（ｂ））、各関数の係数（傾
き）を求める。そうすると、き裂長さｌ−最大信号振幅
Ｒの関数が複数求まるから（図１（ｃ））、これを基に
き裂長さｌ毎にき裂深さｄ−最大信号振幅Ｒの係数（傾
き）が異なる複数の検定曲線を求める（図１（ｄ））。
ここで、最大信号振幅とき裂長さとの関数は、図５
（ａ）に示すようにプローブの最大探傷領域を越えるま
では増大し、その後収束する関数を描くことが実験的に
判っていることから、き裂長さが定まれば関数も定ま
る。この場合、これら複数の検定曲線はき裂長さｌの違
いに応じた関数となるので、判定対象き裂の実際のき裂
長さｌに対応した検定曲線を選択して利用することによ
り、き裂形状の違い（この場合はき裂長さの違い）を加
味したき裂深さｄを精度よく判定することが可能とな
る。

【００１５】また、請求項１から３のいずれかに記載の
非破壊き裂深さ判定法において、き裂深さ検定曲線は、
最大振幅信号以外の信号等を利用して求めることもでき
る。例えば、請求項４記載の発明のように、き裂検出信
号の最大信号振幅の代わりにき裂検出信号の最大振幅時
の位相角を用いてき裂深さを判定することができるし、
あるいは請求項５記載の発明のように、き裂検出信号の
最大信号振幅の代わりにき裂検出信号の最大振幅時の水
平成分および垂直成分を用いてき裂深さを判定すること
もできる。

【００１６】請求項６記載の発明は、請求項１から５の
いずれかに記載の非破壊き裂深さ判定法において、隣接
した複数のき裂のき裂間隔とき裂検出信号との相関関係
から、各き裂が隣接するき裂の検出信号に干渉する臨界
間隔を予め求めておき、目視により得られたき裂間隔が
この臨界間隔よりも狭い場合にはき裂検出信号の高出力
の要因がき裂の密集にあるかどうか検証し、この要因を
考慮してき裂深さを判定するものである。

【００１７】深さがほぼ等しい複数のき裂の間隔ａとそ
の検出信号の関係は例えば図１１に示すようになる。す
なわち、き裂間隔が狭くなるとそれぞれのき裂の検出信
号が干渉し合い、単一のき裂の場合よりも検出信号が大
きくなる一方、間隔が臨界間隔（符号ａ_cで表示）より
も大きくなると干渉はなくなり、それぞれのき裂を個々
に認識することができる。そこで、本発明では、密接状
態と単体状態とでどれくらいき裂深さの評価曲線が変わ
るか予め求めておき、き裂が密集している場合があるこ
とを考慮してこのような評価曲線を準備するようにして
いる。そして、この評価曲線を利用し、判定対象物にお
けるき裂間隔がこの臨界間隔ａ_cよりも狭いかどうかを
見極め、狭い場合にはき裂が密集していることの影響を
考慮することによって、高出力が得られてもそこから即
座に有害なき裂であると決めつけるような誤った判定を
なくすことが可能となる。また、き裂が密集しているこ
との影響を考慮した上でいずれかのき裂が基準深さを超
える位置まで到達しているかどうか（例えばガスタービ
ン初段動翼におけるき裂がコーティングを超えて基材ま
で到達したかどうか）の判定が可能となる。

【００１８】ここで、非破壊き裂深さ判定法に用いるき
裂検出信号は、渦電流法、電位差法、磁気漏洩法あるい
は超音波を入射することによって得られるいずれかの信
号とすることが好ましい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

【００２０】図１〜図１７に本発明を適用した非破壊き
裂深さ判定法の一実施形態を示す。この非破壊き裂深さ
判定法は、き裂の影響を受けて変化するき裂検出信号の
最大信号振幅とき裂の長さ、幅、深さとの関係を多項式
で近似し、既知形状例えば人工き裂や廃棄部品等の実機
に発生したき裂（これらを総称して既知のき裂形状と呼
ぶ）のき裂を用いた測定により関数の係数をあらかじめ
決定し、この決定に基づきき裂長さ毎に任意に作成され
るき裂深さ検定曲線を利用して、ガスタービン動翼等の
構造物に生じたき裂の深さを非破壊で判定するものであ
る。

【００２１】本実施形態では、き裂検出信号としては渦
電流法による最大信号振幅Ｒを用いる。ここで、この最
大信号振幅Ｒがき裂の測定条件ｃおよびき裂形状ｇを変
数とする関数である場合に、この最大信号振幅Ｒを例え
ばき裂長さｌ、き裂深さｄおよび幅ｗに関する多項式で
近似、換言すると、実験で得られたデータを多項式で表
現するようにしている。そして、形状既知のき裂とその
最大信号振幅Ｒからそれぞれの多項式の係数を決定して
おく。これにより、き裂深さを計算で、またはグラフか
ら求めるための検定曲線があらかじめ得られる。この場
合、測定条件ｃは例えばコイルに流す電流量、周波数、
コイルの形状、検出方式、リフトオフなどであるが、一
定条件下に測定を行うことにより、定数として処理でき
る。

【００２２】このようにして得られた検定曲線を利用す
れば、き裂検出信号の最大信号振幅Ｒ、き裂長さｌ、き
裂幅ｗを用いてき裂深さｄを計算で（またはグラフか
ら）求めることができる。しかも、き裂長さが人工のき
裂サンプルのき裂長さより長くてもあるいは短くても精
度よくかつ簡単にき裂深さが求められる。また、目視検
査により観測されたき裂長さを利用することで、これに
見合う検定曲線を求めてき裂深さをより簡単に判定する
ことも可能となる。き裂検出信号は、渦電流法を利用し
て求めてもよいし超音波を利用して求めてもよい。渦電
流法の場合、交流電流を流したコイルを導体に近づける
と導体には渦電流が生じ、仮に渦電流流路内にき裂があ
る場合、き裂によって渦電流が乱され、渦電流による磁
束が変化するので、この変化をコイルのインピーダンス
変化として観測することができる。また、超音波法の場
合、弾性体内のき裂に超音波が衝突するとき、超音波は
回折もしくは反射するので、この回折もしくは反射波を
測定することによりき裂の有無を判定できる。

【００２３】しかも、本実施形態におけるき裂深さ測定
においては、図１２に示すように、基材７の表面側に例
えば耐食コーティングやセラミックコーティングのよう
な非金属コーティング８が金属コーティングを介してあ
るいは直接に施されている場合にも、このような非金属
コーティング８から何ら影響を受けることなく金属コー
ティング上のき裂６の深さｄ、あるいはコーティングを
超えて基材７に達したき裂６の深さ（図中矢示した長
さ）ｄを測定することができる。すなわち、この場合に
おける非金属コーティング８は渦電流試験法（Eddy Cur
rent Testing、以下「ＥＣＴ」という）においては空気
層と同じであり、単なるギャップでしかないためコーテ
ィングがない場合と同等にき裂深さ測定が可能である。
このような非金属コーティング８の具体例としては、例
えばガスタービンの初段動翼・静翼におけるセラミック
ス（イットリウム安定化ジリコニア）の耐熱コーティン
グ（一般にＴＢＣと呼ばれている）などがある。また、
図１５に示すように耐熱コーティング（図中符号９で示
す）が施されている場合、耐熱コーティング９と基材７
の間のボンドコート１０は耐食コーティングとほぼ同じ
材料である。この場合でも、耐熱コーティング９下のき
裂深さｄの推定に適用できる。

【００２４】また、き裂深さ測定に際しては、密接した
複数のき裂どうしが干渉し合う場合の影響を考慮するこ
とが好ましい。き裂間隔ａがプローブの分解能を超えて
狭く密集した場合にも、干渉による影響を考慮すること
で誤判定を防止することができる。

【００２５】き裂深さｄがほぼ等しい複数のき裂のき裂
間隔ａとその検出信号との関係を示すと図１１に示す検
定曲線のようになる。すなわち、き裂間隔ａが狭くなる
とそれぞれのき裂検出信号が干渉してしまい信号の値が
単一のき裂の場合より大きくなる一方で、き裂間隔ａが
臨界間隔ａ_cより大きければ干渉はなくなり、それぞれ
のき裂を個々に認識できるようになる。この点、本実施
形態では、隣接した複数のき裂のき裂間隔ａとき裂検出
信号との相関関係を予め求めておき、目視により得られ
たき裂間隔ａが臨界間隔（本明細書でいう臨界間隔と
は、隣接するき裂の検出信号が互いに干渉し合うような
き裂間隔の臨界値であり、プローブによっては探傷領域
ｌ_cとほぼ一致する）ａ_cよりも狭い場合にはき裂検出信
号の高出力の要因がき裂の密集にあるかどうか検証し、
この要因を考慮してき裂深さを判定するようにしてい
る。き裂が密集しているかどうかの判断やき裂間隔ａの
測定は目視により行うことを想定しているが、目視に代
わる方法によって判断等しても構わない。

【００２６】また、ＥＣＴにより個々のき裂を識別でき
ない場合には次の手段を講ずる。まず、耐食コーティン
グと基材の境界に達した複数のき裂が極めて狭い間隔で
隣接している状態での図１３（ａ）の信号（振幅あるい
は位相）を表す数式１

【数１】を事前に求める。Ｓ’を図１３（ａ）に示すようなしき
い値とし、この値を基準にき裂がコーティング内にある
か基材に達しているかを判断する。

【００２７】なお、このようにＥＣＴによっては識別で
きないき裂の深さｄを推定するにはさらなる処理が必要
となる。初期き裂発生時の場合は、それぞれのき裂深さ
ｄが等しいと仮定し、図１４に示すように信号比を求め
ておき、き裂間隔ａにより決まる信号比を得られた信号
に乗じ、き裂深さ判定法により変換された信号からき裂
深さｄを推定する。ここで用いる信号比は、単一き裂信
号と複数の密集したき裂信号との信号比である。一方、
図１３（ｂ）の場合、コーティング内のき裂信号より大
きな信号が得られるき裂に対しては、干渉の影響が小さ
くなるので、図１３（ｂ）の信号からき裂深さｄを推定
できる。しかしながら、干渉の影響がある場合、その度
合いが基材に達したき裂深さｄによって変化するため、
き裂深さｄを精度よく推定することは原理的に困難であ
る。

【００２８】なお、上述の実施形態ではき裂検出信号の
最大信号振幅を用いてき裂深さｄを判定しているが、こ
こで用いるき裂深さ検定曲線は、最大振幅信号以外の信
号等を利用して求めることもできる（図１６参照）。例
えば、最大信号振幅の代わりにき裂検出信号の最大振幅
時の位相角を用いてき裂深さｄを判定することができ
る。渦電流は表面からの深さによって位相が遅れる性質
を有している。そして、この渦電流の位相の遅れは被測
定対象物の表面からの距離・深さに比例する。したがっ
て、き裂の深さによって渦電流の位相が異なることとな
る。したがって、この場合、上述のき裂検出信号（ＥＣ
Ｔ信号）を最大信号振幅から位相角に置き換えるだけ
で、検定曲線の求め方は最大信号振幅の場合と同じであ
る。位相角を用いた具体例を図１７に示すが、この図１
７においては、位相角という代わりに位相角差と表示し
ている。ここでいう位相角差は位相角１−位相角０であ
り、位相角１はき裂がある場合の位相（角）、位相角０
はき裂がない場合の位相（角）である。

【００２９】この場合、具体的には、人工のき裂サンプ
ル（例えばＥＤＭノッチ）からテストデータを得、き裂
幅を校正して幅の差分による影響を排除した関数（き裂
深さｄ−位相角差）を得る（図１７（ａ））。次に、校
正後の関数上の複数の点をき裂長さｌ−位相角差のグラ
フにプロットし（図１７（ｂ））、き裂長さｌ−位相角
差の関数を複数求め（図１７（ｃ））、これを基にき裂
長さｌ毎にき裂深さｄ−位相角差の係数（傾き）が異な
る複数の検定曲線を求めればよい（図１７（ｄ））。な
お、最大信号振幅を用いた場合と位相角差を用いた場合
とでは関数の傾きが異なっているが（図１（ａ）および
図１７（ａ）参照）、複数の点をプロットした後で傾き
の異なる複数の検定曲線が得られる点で両者は変わると
ころがない。

【００３０】また、検定曲線を求めるには最大信号振幅
あるいは位相角差が得られればいいことから、き裂検出
信号の最大信号振幅あるいは位相角差を直接求める代わ
りにき裂検出信号の最大振幅時の水平成分および垂直成
分を用いてき裂深さｄを判定することも可能である（図
１６参照）。

【００３１】

【実施例】以下、本発明のき裂深さ判定方法を1100℃級
ガスタービン初段動翼に発生する疲労き裂の判定に適用
した例を、試験片の作製、渦電流測定システム、き裂深
さ判定、そしてき裂深さ比較に分けて説明する。

【００３２】（試験片の作製）1100℃級ガスタービン初
段動翼の基材に用いられているニッケル超合金IN738LC
製の、図３に示すような中細りの中実丸棒試験片(平行
部中心径10mmφ)に、耐食コーティングに用いられるCoC
rAlYを厚さが0.2mmになるように溶射した後、長さ２mm
〜８mm、幅0.5mm、深さ0.1mm〜0.4mmの周方向き裂（ノ
ッチ）を放電加工（ＥＤＭ）し、表面き裂模擬試験片を
作製した。また、コーティング溶射前の別の試験片にも
同形状のノッチを加工して、ノッチ部を粒径10mm〜45mm
のジリコニアを溶射することにより電気絶縁した後にCo
CrAlYを溶射し、内在き裂模擬試験片を作製した。

【００３３】（渦電流測定システム）中実丸棒試験片の
曲面をラスタースキャンするための渦電流測定システム
１を構築した。この渦電流測定システム１は、図４に示
すように渦電流探傷器２、プローブ３、スキャナ４およ
び制御装置５によって、中軸丸棒試験片の平面部をＡス
キャン(１点測定)し、または曲面部をラスタースキャン
することができるように構成されている。

【００３４】本試験で用いた渦電流探傷器２は、４チャ
ンネルの物理チャンネルを有し、アブソリュート型／デ
ィファレンシャル型プローブおよびトランスミット−レ
シーブ型プローブのすべてのプローブ３を接続可能であ
る。アブソリュート型プローブなどは内部のブリッジ回
路を平衡にするため、試験用プローブ以外にそれと同仕
様の比較用プローブを必要とするが、本実施例の渦電流
探傷器２は、ブリッジ回路の平衡を電気的に調節するこ
とができるため、比較用プローブを必要としない。試験
周波数範囲は１kHz〜６MHzと通常の渦電流探傷器より広
い帯域である。

【００３５】また、探傷データとプローブ位置データを
高速に取得できるだけでなく、検査結果を審査する者が
現場に常駐せずにリアルタイムで探傷結果を判定するこ
とができるようにするため、スキャナ４から得られるプ
ローブ３の位置情報を処理するエンコーダを渦電流探傷
器２に増設するとともに、渦電流探傷器２を制御装置５
にEther(イーサー) ケーブルで接続した。スキャナ４は
中実丸棒試験片の曲面に対して、ラスタースキャンが可
能である。軸方向の可動距離は80mmであり、軸方向およ
び周方向の移動間隔はそれぞれ0.1mmおよび１度であ
る。

【００３６】制御装置５は得られた探傷データに対し
て、多重周波数演算やき裂深さ−最大信号振幅もしくは
き裂深さ−信号位相角の関係を用いた検定曲線作成など
の演算機能を有し、制御および信号処理を行う。

【００３７】（き裂深さ判定）き裂長さおよび幅による
影響を考慮して、最大信号振幅を用いて深さを判定する
手法を実施した。ここでは、き裂深さ、長さなどが既知
のＥＤＭノッチ（放電加工による人工き裂）に対する信
号の最大信号振幅を用いて上記の関数の係数を定めるこ
とによりき裂深さを判定する検定曲線を作成することと
した。まず、き裂形状と渦電流法によるき裂検出信号の
最大信号振幅を関連づける関数系を有限要素法による電
磁界解析により数値解析的に求めた。

【００３８】具体的には、測定条件ｃおよびき裂形状ｇ
を変数とする関数として数式２のように表現される最大
信号振幅Ｒは、

【数２】Ｒ＝ｆ(c，g) を以下に示すようにき裂長さｌ、深さｄおよび幅ｗに関
する多項式で近似した。このように近似することによ
り、き裂長さｌ等がパラメータとなり、き裂長さｌ等に
よる誤差を含まない正しい曲線に近い形でパラメータに
特化した曲線が得られる。そして、形状が既知なき裂サ
ンプルとその最大信号振幅Ｒからそれぞれの係数α，β
およびγを決定し検定曲線を作成した。

【数３】

【数４】

【数５】

【００３９】ここで、本測定法によるき裂深さ判定のた
めの検定曲線を図２に示す。（き裂長さ−最大信号振
幅）の関数に示すように、最大信号振幅はき裂長さｌに
比例するように増えるが、き裂長さｌが探傷領域の大き
さｌｃを越えた後は一定となった。数式３〜数式５の各
関数を決定するため、き裂長さｌ等が異なるき裂の最大
信号振幅Ｒを数値解析により予測した。また、き裂長
さ、深さおよび幅をそれぞれ変化させた場合の最大信号
振幅Ｒの変化は図５に示すようになった。図からわかる
ように、（き裂長さ−最大信号振幅）の関係を示す曲線
は、き裂幅ｗが一定（ｗ＝0.2mm）でもき裂深さｄによ
って異なるものとなった（図５（ａ））。また、（き裂
深さ−最大信号振幅）の関係を示す曲線は、き裂幅ｗが
一定（ｗ＝0.2mm）でもき裂長さｌによって異なるもの
となった（図５（ｂ））。さらに、（き裂幅−最大信号
振幅）の関係を示す曲線は、き裂長さｌが一定（ｌ＝８
mm）でもき裂深さｄによって異なるものとなった（図５
（ｃ））。

【００４０】また、図５に示すように、最大信号振幅Ｒ
とき裂長さｌとの間には、探傷領域（この場合は４mm）
を越えるとき裂長さｌが最大信号振幅Ｒの値に対しては
変化がなくなるがそれまではき裂長さｌと最大信号振幅
Ｒの値との間には比例増大する傾向が認められた（図５
（ａ））。また、最大信号振幅Ｒとき裂深さｄとの間に
は曲線で示される２次関数的関係があり（図５
（ｂ））、さらに、最大信号振幅Ｒとき裂幅ｗとの間に
は直線で示される１次関数的関係があることが認められ
た（図５（ｃ））。そして、これらの各関係を利用する
ことにより、図１（ｄ）に示すようにき裂長さごとの複
数のき裂深さ用検定曲線（ｌ＜ｌｃ用）及びｌ≧ｌｃ用
の単一のき裂深さ検定曲線が得られた。

【００４１】なお、いかなるプローブ３を用いた場合に
もこのような曲線が得られることが確認できたので、こ
の結果から数式３〜数式５を以下のように書き直す（数
式６〜数式８）。

【数６】

【数７】

【数８】ただし、上述のようにｌｃは探傷領域に相当し、通常は
プローブセンサ部の大きさの２〜３倍程度であり、

【数９】で示される。

【００４２】（き裂深さ比較）続いて、上述のき裂深さ
判定法を検証するため、コーティングされた中実丸棒試
験片に疲労試験により人工的に疲労き裂を入れ、ＥＣＴ
による測定結果からき裂深さを判定し、推定された深さ
と破壊試験によって観察されたき裂深さを比較した。

【００４３】本提案手法に基づき、ＥＤＭノッチの最大
信号振幅Ｒを用いて検定曲線を作成し、疲労き裂の深さ
を判定した。この手順では、図７に示すように、スキャ
ンデータの取得後（ステップ１）、き裂を検出し（ステ
ップ２）、き裂が存在する場合には（ステップ２；Ｙｅ
ｓ）、き裂検出信号の最大信号振幅を抽出し（ステップ
３）、次のき裂長さの決定ステップ（ステップ４）に進
み、き裂が存在しない場合には（ステップ２；Ｎｏ）、
終了する（ステップ１１）。き裂の数Ｎｃをカウント
し、１番目のき裂（Ｎ＝１）に関し、目視あるいはスキ
ャンデータからの読みとりによりき裂長さｌを決定する
（ステップ４）。その後、このき裂長さｌが探傷領域ｌ
ｃより小さいか否かを判定し（ステップ５）、き裂長さ
ｌが探傷領域ｌｃより小さい場合には（ステップ５；Ｙ
ｅｓ）、そのき裂長さｌに応じた検定曲線（関数）を選
択し（ステップ６）、一方、き裂長さｌが探傷領域ｌｃ
と同じかそれより長い場合は（ステップ５；Ｎｏ）、単
一のｌ≧ｌｃ用検定曲線（関数）を選択する（ステップ
７）。そして、選択された検定曲線を利用して最大信号
振幅から、すなわち決定された関数に最大信号振幅を入
力することによりき裂深さを求める（ステップ８）。そ
して、判定したき裂の数が上記き裂数Ｎｃと一致するか
どうか判定し（ステップ９）、一致しなければ（ステッ
プ９；Ｎｏ）、Ｎに１を加算してからステップ４の前に
ジャンプし、再度次のき裂について同様の判定を行う
（ステップ１０，ステップ４〜８）。これをき裂数Ｎｃ
だけ繰り返してから、判定処理を終了する。

【００４４】ここで、検定曲線を求めるフローを図６に
示す。まず、等しい長さのＥＤＭノッチを測定してき裂
深さ−最大信号振幅曲線（図１（ａ）の破線）を作成す
る（ステップ１１）。その後、疲労き裂の幅を考慮して
き裂深さ−最大信号振幅曲線をき裂幅−最大信号振幅曲
線（図５（ｃ））を用いて校正する（ステップ１２、図
１の（ａ））。そして、き裂深さ−最大信号振幅曲線
（図１（ａ）の実線）からき裂長さ−最大信号振幅曲線
（図１（ｂ）（ｃ））を作成し（ステップ１３）、き裂
長さ−最大信号振幅曲線（図１（ｃ））から、ｌ≧ｌｃ
用の単一曲線（図１（ｄ）のｌｎ）およびｌ＜ｌｃ用の
複数の曲線（図１（ｄ）のｌ_１…ｌ_２）の深さ判定用の
検定曲線を作成する（ステップ１４）。

【００４５】以上のフローにしたがって、実際に検定曲
線を図１に示す手順により求めた。まず、き裂形状を特
にき裂長さｌに特化させ、ＥＤＭノッチからテストデー
タを得たが、判定対象たる実機のき裂幅が極狭であるこ
とから、校正して幅の差分による影響を排除した関数
（き裂深さｄと最大信号振幅Ｒとの関係を表す関数）を
得た（図１（ａ））。ここでは実機のき裂形状に則して
き裂幅ｗを０とおいた。次に、校正後の関数上の点を複
数点プロットするとともに、き裂長さｌと最大信号振幅
Ｒとの関係を示す関数上にこれらの点をプロットし（図
１（ｂ））、各関数の係数（傾き）を求めた。そうする
と、き裂長さｌと最大信号振幅Ｒの関数が複数求まるか
ら（図１（ｃ））、これを基にしてき裂深さｄと最大信
号振幅Ｒの関係を示す、係数（傾き）が異なる複数の関
数を求めた（図１（ｄ））。この場合、これら複数の関
数はき裂長さｌの違いに応じた関数となるので、判定対
象き裂の実際のき裂長さｌに対応した関数を選択し利用
することによってき裂形状の違いによる影響（この場合
はき裂長さｌの違いによる影響）を加味したき裂深さｄ
を精度よく判定することができた。

【００４６】なお、上述の実施例では検定曲線の作成の
ため長さ２mm 、深さ0.1mm〜0.4mmのＥＤＭノッチの最
大信号を用い、使用したプローブの大きさが２mm程度だ
ったため数式５の探傷領域ｌｃを５mmとした。以上の測
定結果を従来手法と比較したグラフを図８に示す。図中
の従来手法１および従来手法２はそれぞれ長さ８mmのき
裂の最大信号振幅Ｒおよび長さ２mmのき裂の最大信号振
幅Ｒに対応するき裂深さを判定した結果である。同図よ
り、本実施例の非破壊き裂深さ判定法は従来手法よりき
裂長さによらずにき裂深さを精度良く判定できることか
ら、提案手法の有効性を確認することができた。

【００４７】なお、上述の実施形態は本発明の好適な実
施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発
明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能で
ある。例えば、本実施例においては非破壊き裂深さ判定
法を検証するため表面疲労き裂を判定したが、本発明は
コーティング直下の内在き裂を判定する場合にも十分有
効である。

【００４８】例えば、プローブコイルにより試験片に発
生した渦電流は、表皮効果によって、試験片表面から離
れるに従って、その振幅と位相が変化する。薄肉配管の
探傷試験では、この渦電流の位相の変化に起因するＥＣ
Ｔ信号の位相変化により、管内面のき裂と外面き裂を判
別することができる。この方法は表面・内在き裂を判定
するために利用できる可能性があり、ここでは特に図示
しないが、表面き裂および内在き裂模擬試験片に対して
ラスタースキャンを行った結果得られたＥＣＴ信号(水
平成分)の等高線図からは、内在ノッチも表面ノッチと
同様に検出できることが判っている。ここで、表面ノッ
チおよび内在ノッチによる信号の最大信号振幅とその位
相は、図１０に示すように位相分離性があることから、
位相に着目することによって表面き裂と内在き裂を判定
することが可能となる。

【００４９】また、本実施例で挙げた試験体の中実丸棒
試験片は、1100℃級ガスタービン初段動翼を想定してい
るため、材質的には基材とコーティングからなる複合材
料としているが、電磁気的にはほぼ等価となることか
ら、単一材料と考えて支障がない。よって、本発明は、
例示しているようなガスタービンの初段動翼の探傷試験
に適用範囲が限られるものではなく、単一材料から成る
一般的な試験体の探傷試験へも適用可能であることは言
うまでもない。

【００５０】また、本発明の非破壊き裂深さ判定をする
際、き裂長さのデータは、スキャンデータから読みとる
場合だけでなく、目視検査により観測したき裂長さを用
いてもよい。この場合、スキャンデータからき裂長さを
求める代わりに、目測したき裂長さを入力することによ
り信号振幅とき裂深さの関数・検定曲線を選定してき裂
深さを求めることができる。き裂長さは、例えば塗料を
き裂に埋め込んで浸透探傷法により求めることができ
る。あるいは、き裂検出信号を電位差法を利用して求め
ることができるし、磁気漏洩法を利用して求めることも
できる。電位差法の場合、第１および第２の電極に定電
流を流し、第３および第４の電極で電圧を測定すると、
仮に第３および第４の電極の近傍にき裂がある場合、第
３および第４の電極の端子間の電圧が変化するので、こ
の端子間電圧によってき裂の有無を判定できる。また磁
気漏洩法の場合、磁性体が磁化したときき裂から磁束が
漏洩するので、この漏洩磁束を磁気センサで検出するこ
とによりき裂の有無を判定できる。

【００５１】更に、本実施例では、人工き裂を用いてき
裂深さ判定用の検定曲線を作成することについて主に説
明したが、実際に使用されて疲労き裂が生じた廃棄部品
などを用いて、最大信号振幅とき裂深さとの関数の係数
を求めることもできる。この場合には、人工き裂を用い
る場合と異なりき裂幅の影響を受けないので、疲労き裂
の幅を考慮して最大信号振幅と亀裂深さの関数の係数を
最大信号振幅とき裂幅曲線・関数を用いて校正する必要
がない。

【００５２】また、本実施例では、等しい長さの人工き
裂を測定して１本の最大信号振幅−き裂深さ曲線を作成
し、これから複数の最大信号振幅−き裂長さ曲線を作成
して、任意のき裂長さごとの深さ判定用の検定曲線を作
成するようにしているが、これに限定されるものではな
く、場合によっては、異なる長さのき裂を用いた複数の
データから得るようにしても良い。

【００５３】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、請求項
１記載の非破壊き裂深さ判定法によると、き裂長さ毎の
き裂深さの検定曲線を利用してき裂深さを判定するの
で、任意の形状のき裂の深さを判定により簡便にかつ精
度よく求めることができる。これにより、構造物に発生
する任意長さのき裂に対して高精度な深さ判定が可能と
なるため、構造部の健全性評価に対して知見を得ること
ができる。しかも、き裂長さの測定数以上の任意のき裂
長さ毎の検定曲線が必要に応じて得られる。

【００５４】また、請求項２記載の非破壊き裂深さ判定
法によると、き裂はき裂長さが等しく、このき裂長さに
よって定まるき裂深さ−最大信号振幅を示す単一の曲線
を得るので、この曲線上の少なくとも２点から、き裂長
さが等しく最大信号振幅が異なる複数の点が得られる。
したがって、き裂長さ−最大信号振幅を示すグラフに各
点をプロットすると直線状となることから、き裂長さ−
最大信号振幅を示す曲線の関数の係数を求めやすい。し
かも、１つのき裂長さに関する異なるき裂深さを測定で
求めるだけで任意のき裂長さ毎の検定曲線が得られる。

【００５５】また、請求項３記載の非破壊き裂深さ判定
法によると、構造物のき裂とき裂サンプルとのき裂幅の
差を校正して幅の差分による影響を排除した関数を得て
からき裂長さ毎の検定曲線を求めているので、人工き裂
を用いてデータを得る場合にも、人工き裂と測定しよう
とするき裂との間の幅の違いによる影響を排除してき裂
深さを精度よく簡便に判定することができる。

【００５６】また、請求項４記載の非破壊き裂深さ判定
法によれば、き裂検出信号の最大信号振幅の代わりにき
裂検出信号の最大振幅時の位相角を用いてき裂深さを判
定することができる。

【００５７】また、請求項５記載の非破壊き裂深さ判定
法によれば、き裂検出信号の最大信号振幅の代わりにき
裂検出信号の最大振幅時の水平成分および垂直成分を用
いてき裂深さを判定することができる。

【００５８】さらに、請求項６記載の非破壊き裂深さ判
定法によると、隣接したき裂のき裂深さが同程度と仮定
し、き裂間隔ａとき裂検出信号との相関関係から、密接
状態と単体状態とでどれくらい評価曲線が変わるか予め
求めておくようにしているので、この曲線を基にき裂間
隔ａが狭い場合にはき裂検出信号の高出力の要因がき裂
の密集にあるかどうか検証し、この要因を考慮してき裂
深さを判定することができる。したがって、き裂が密集
していることの影響を考慮することができ、高出力が得
られてもそこから即座に有害なき裂であると判断を下す
ような誤った判定をなくすことが可能となる。また、き
裂が密集していることの影響を考慮した上でいずれかの
き裂が基準深さを超える位置まで到達しているかどうか
の判定も行うことができる。

【００５９】また、請求項７記載の非破壊き裂深さ判定
法によると、渦電流法、電位差法、磁気漏洩法あるいは
超音波を入射することによって得られるいずれかの信号
を判定法に用いるき裂検出信号とすることで、き裂深さ
をより精度よく判定することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の非破壊き裂深さ判定法により検定曲線
を求める手順を示すグラフで、（ａ）き裂深さ−最大信
号振幅、（ｂ）き裂長さ−最大信号振幅、（ｃ）き裂長
さ−最大信号振幅、（ｄ）検定曲線（き裂深さ−最大信
号振幅）を示す各関数である。

【図２】非破壊き裂深さ判定法において最大信号振幅Ｒ
とき裂の長さ、深さおよび幅とを対応付ける検定曲線図
である。

【図３】本実施例の中実丸棒試験片の形状を示す図であ
る。

【図４】渦電流測定システムの接続例を示す図である。

【図５】き裂形状によって最大振幅信号が異なる場合を
例示するグラフで、（ａ）き裂長さ−最大信号振幅、
（ｂ）き裂深さ−最大信号振幅、および（ｃ）き裂幅−
最大信号振幅の各関数である。

【図６】検定曲線を求める手順の一例を示すフローであ
る。

【図７】き裂深さ判定手順の一例を示すフローである。

【図８】き裂深さ推定結果と実測された結果の比較を示
すグラフである。

【図９】本発明の一実施形態を示す（ａ）ＥＣＴによる
スキャンデータ、（ｂ）新しいき裂深さ検定曲線の一例
を示す図である。

【図１０】表面ノッチおよび内在ノッチによる信号の最
大信号振幅とその位相の関係を示すグラフである。

【図１１】深さがほぼ等しい複数のき裂の間隔とその検
出信号との関係を示すグラフである。

【図１２】非金属コーティングが施された基材（構造
物）の部分断面形状を示す図である。

【図１３】複数のき裂に対するセンサ（プローブ）位置
とその検出信号との関係を示すグラフで、（ａ）は深さ
がほぼ等しい隣接した複数のき裂の場合、（ｂ）は損傷
が進行しき裂が耐食コーティングと基材の境界に到達し
た場合である。

【図１４】複数き裂と単一き裂信号の比を示すグラフで
ある。

【図１５】ＴＢＣ付き動翼におけるコーティングの構成
例を示す図である。

【図１６】き裂検出信号の振幅（最大信号振幅）、位相
角、水平成分および垂直成分を示した図である。

【図１７】非破壊き裂深さ判定法により検定曲線を求め
る手順を示すグラフで、（ａ）き裂深さ−位相角差、
（ｂ）き裂長さ−位相角差、（ｃ）き裂長さ−位相角
差、（ｄ）検定曲線（き裂深さ−位相角差）を示す各関
数である。

【図１８】従来の非破壊き裂深さ判定法における（ａ）
信号振幅とき裂深さとの関係、（ｂ）信号位相とき裂深
さとの関係の一例を示すグラフである。

【図１９】従来の非破壊き裂深さ判定法の一例を示す図
で、複数のき裂が密集して発生している場合のき裂間隔
と信号との関係を示している。

【図２０】従来の非破壊き裂深さ判定法の一例を示す図
で、（ａ）深さがほぼ等しい隣接した複数のき裂と
（ｃ）その検出信号、（ｂ）基材へ伝播したき裂と
（ｄ）その検出信号を示す。

【符号の説明】

６き裂ａき裂間隔ａ_c 臨界間隔

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 29/22 ５０１Ｇ０１Ｎ 29/22 ５０１Ｆターム(参考） 2G024 AD05 BA21 CA18 FA02 2G047 AA06 AC05 BC10 BC18 GA20 GG28 GG29 GG36 GJ21 2G053 AA11 AA14 AB21 AB22 BA02 BA13 BA24 BB11 BC02 BC07 BC14 CA03 CA17 CB05 CC00 CC07 DA01 DB06 DB19 2G060 AA10 AE28 AF15 EA01 EA04 EA06 EA08 KA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】構造物に生じたき裂の深さを非破壊で判
定する非破壊き裂深さ判定法において、き裂形状が既知
のき裂を測定して得られるき裂検出信号の最大信号振幅
とき裂深さとの関係を示す曲線を求め、該曲線からき裂
長さと最大信号振幅との関係を示す複数の曲線を求め、
該曲線のうち、き裂長さに応じて最大信号振幅が変化す
る領域からき裂長さ毎に異なるき裂深さ検定曲線を求め
る一方、き裂長さに応じて最大信号振幅が変化しない領
域からは単一のき裂深さ検定曲線を求め、これら検定曲
線のうち判定対象き裂のき裂長さに合致するものを利用
してき裂深さを判定することを特徴とする非破壊き裂深
さ判定法。
【請求項２】前記き裂はき裂長さが等しく、このき裂
長さによって定まるき裂深さ−最大信号振幅を示す単一
の曲線を求め、該単一の曲線上の複数の点をき裂長さ−
最大信号振幅を示すグラフの同一き裂長さ上にプロット
し、各プロット点を通るき裂長さ−最大信号振幅を表す
各曲線の関数の係数を求めることを特徴とする請求項１
記載の非破壊き裂深さ判定法。
【請求項３】前記き裂として人工き裂を用い、前記各
関数の係数をあらかじめ決定する際に、前記人工き裂を
用いた測定により得られたき裂幅と最大信号振幅との関
係をき裂幅を零とした値に校正して用いることを特徴と
する請求項２記載の非破壊き裂深さ判定法。
【請求項４】前記き裂検出信号の最大信号振幅の代わ
りに前記き裂検出信号の最大振幅時の位相角を用いるこ
とを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の非破
壊き裂深さ判定法。
【請求項５】前記き裂検出信号の最大信号振幅の代わ
りに前記き裂検出信号の最大振幅時の水平成分および垂
直成分を用いることを特徴とする請求項１から３のいず
れかに記載の非破壊き裂深さ判定法。
【請求項６】隣接した複数のき裂のき裂間隔とき裂検
出信号との相関関係から、各き裂が隣接するき裂の検出
信号に干渉する臨界間隔を予め求めておき、目視により
得られたき裂間隔がこの臨界間隔よりも狭い場合には前
記き裂検出信号の高出力の要因が前記き裂の密集にある
かどうか検証し、この要因を考慮してき裂深さを判定す
ることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の
非破壊き裂深さ判定法。
【請求項７】前記き裂検出信号は、渦電流法、電位差
法、磁気漏洩法あるいは超音波を入射することによって
得られるいずれかの信号であることを特徴とする請求項
１から６のいずれかに記載の非破壊き裂深さ判定法。