JP2004101281A

JP2004101281A - 核燃料部材中の水素濃度の非破壊測定方法

Info

Publication number: JP2004101281A
Application number: JP2002261406A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Ishii; 石井　良明; Masafumi Nakatsuka; 中司　雅文; Shinji Ishimoto; 石本　慎二
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd
Current assignee: Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】電磁超音波共鳴法による水素濃度非破壊測定法の測定精度を向上させる。
【解決手段】被測定部材１１の表面付近に磁石およびコイル１３を配置し、コイルに高周波電流を与えることによって被測定部材の表面付近の磁束密度を変動させ、磁束密度の変動によって被測定部材からの超音波を発生させ、電磁超音波センサによって超音波振動を受信するとともに、高周波電流の周波数を変化させて共鳴周波数を求め、共鳴周波数に基いて被測定部材中の水素濃度を求める。１個のコイルを、そのコイルの長軸が被測定部材の弾性特性の軸方向（例えば圧延方向）に一致しないように配置し、コイルと被測定部材との相対位置関係を変えずに、弾性特性の軸方向とコイルの長軸の方向のずれに基いて二つの共鳴周波数を求め、これら二つの共鳴周波数（例えばこれらの差）を用いて被測定部材中の水素濃度を求める。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電性部材中の水素濃度の非破壊的測定方法および装置に係り、特に、電磁超音波共鳴法による測定方法およびそのための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の金属材料中の水素濃度の測定方法として、試料小片に切断した後、融解して試料中の水素を他のガスと共に抽出し、抽出ガスの熱伝導度から水素ガス量を計測し、濃度を算出する破壊試験法が一般的に採用されている。
【０００３】
しかしながら、従来の破壊試験後の溶融法では、分析結果の精度は数十ｐｐｍと高い利点がある反面、対象金属材料を切断して分析用の小片に加工する工程が必須であり、かつ測定には熟練者が慎重に実施することが必要である。
【０００４】
さらに、測定対象物が放射性物質の場合には、試料切断等の加工のために法律上の要求を満たす施設が必要な上に、測定作業者の被爆防止と汚染防止や、分析器の遮蔽設備と排気装置を備えることが必須であり、分析はこれらの多大の設備を具備した施設内に限られ、分析コストが大幅に増加するという欠点があった。
【０００５】
他の水素濃度の測定の物理的方法として、コイルを含む渦電流センサのプローブを用いる方法が考えられている。すなわち、渦電流センサのプローブを被測定物の表面に配置し、コイルを交流によって励起することによって、導電性の被測定物には電磁誘導によって渦電流が発生する。分析対象金属中に析出した水素化物割合の多少によって、金属の電導率や透磁率のような電磁気的性質がわずかながら変化するので、水素濃度の測定に応用することができる。
【０００６】
このような電磁誘導原理を応用した方法は、非破壊的測定が可能であるという利点は大きい。しかし、測定信号に含まれるノイズの原因となる因子数が多く、例えば、コイルと試料との間隔、表面の凹凸、試験片の電磁気的な性質、測定環境、測定速度の影響が、重畳されるために、精度を向上させるための技術的な課題が多いのが現状である。
【０００７】
さらに、電磁誘導現象と超音波共鳴現象とを組み合わせた方法（電磁超音波共鳴法）が、日本原子力学会予稿集（２００１年春の年会、Ｌ４４）に開示されている。この方法では、永久磁石または電磁石とコイルとを被測定物の表面に配置し、コイルに高周波を与えることにより試料表面近傍の磁束密度を変動させ、同変動によって試料表面に直接的に弾性波を発生させるとともに試料の板厚を往復してきた超音波振動を受信する機能からなる電磁超音波センサを用いる。そして、当該高周波の周波数を変化させて反射波同士が振動を強め合う共鳴状態を達成させ、共鳴特性から水素濃度を演算する。
【０００８】
上記電磁超音波共鳴法の例を、図４を参照して説明する。被測定物１１は、ジルコニウム合金からなる圧延板材である。コイル１３の長軸方向を被測定物１１の圧延方向１２に対して一致させた状態（０度方向。図中１３ａで示す）で共鳴周波数ｆｔを求めた後に、コイル１３を機械的な方法で９０度回転して、圧延方向に対して９０度方向（板の横方向。図中１３ｂで示す）で共鳴周波数ｆｒを求める。
【０００９】
共鳴周波数ｆｔ、ｆｒを求めるにあたっては、周波数可変型の局所発信器１４および共鳴周波数特性を測定・記録する手段１５を用いる。こうして得られた共鳴周波数ｆｔ、ｆｒに基いて、水素濃度算出手段１６によって水素濃度を算出する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来方法では、コイル１３から発信される弾性波の偏向方向を被測定物１１の圧延方向およびそれに対して直角の方向とが一致するようにコイル１３を測定毎に回転させて配置し直すために、測定位置が不可避的にわずかに移動する。このために、厳密には両共鳴周波数はそれぞれわずかに異なった板厚に対する値になる。
【００１１】
すなわち、超音波の音速をｃ、共鳴の次数をｎ、板厚をｄとすると、共鳴周波数ｆは
ｆ＝ｎｃ／（２ｄ）
であるので、例えば、被測定物の公称板厚０．６３５ｍｍがわずかに０．００５ｍｍ増加しても共鳴周波数は約０．０８％低下することになる。
【００１２】
一方、本測定体系では受信信号の強度特性から直接的に水素濃度を求めるのではなく、共鳴周波数の差（ｆｔ−ｆｒ）を水素濃度と関連付けている。このため、ｆｔとｆｒを測定するために、コイルを配置し直すとき、板厚などの変動により、水素濃度の相対誤差が拡大されるという課題がある。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するものであって、その目的は、電磁超音波共鳴法による水素濃度非破壊測定法またはそのための装置において、その測定精度を向上させ、もって低水素濃度領域への適用を可能にすることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するものであって、請求項１に記載の発明は、異方性の弾性特性を有する導電性の被測定部材の表面付近に磁石およびコイルを配置し、このコイルに高周波電流を与えることによって前記被測定部材の表面付近の磁束密度を変動させ、この磁束密度の変動によって前記被測定部材からの超音波を発生させ、電磁超音波センサによって前記超音波振動を受信するとともに、前記高周波電流の周波数を変化させて共鳴周波数を求め、この共鳴周波数に基いて前記被測定部材中の水素濃度を求める水素濃度測定方法において、前記コイルは長軸を有し、前記コイルはそのコイルの長軸が前記被測定部材の弾性特性の軸方向に一致しないように配置し、前記コイルは１個であって、そのコイルと前記被測定部材との相対位置関係を変えずに、前記弾性特性の軸方向と前記コイルの長軸の方向のずれに基いて二つの共鳴周波数を求め、これら二つの共鳴周波数に基いて前記被測定部材中の水素濃度を求めること、を特徴とする。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水素濃度測定方法において、前記水素濃度を求めるにあたり、前記二つの共鳴周波数の差を用いること、を特徴とする。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の水素濃度測定方法において、前記被測定部材は圧延金属材料であって、前記被測定部材の弾性特性の軸方向は前記圧延金属材料の圧延方向であること、を特徴とする。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の水素濃度測定方法において、前記コイルはトラック状に巻いた渦巻きコイルであって、前記磁石は、前記コイル部でそのコイルの長軸方向に垂直な方向に磁束ができるように配置すること、を特徴とする。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の水素濃度測定方法において、前記コイルの長軸方向と前記被測定部材の弾性特性の軸方向とのなす角度が１５度ないし７５度の範囲内であること、を特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の水素濃度測定方法において、前記被測定部材は放射線環境下にあること、を特徴とする。
【００１９】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の水素濃度測定方法において、前記被測定部材は六方晶金属からなる合金であること、を特徴とする。
【００２０】
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の水素濃度測定方法において、前記被測定部材はジルコニウム合金からなる板もしくは管であること、を特徴とする。
【００２１】
また、請求項９に記載の発明は、異方性の弾性特性を有する導電性の被測定部材の表面付近に配置される磁石およびコイルと、前記被測定部材の表面付近の磁束密度を変動させ、この磁束密度の変動によって前記被測定部材からの超音波を発生させるように前記コイルに高周波電流を与える手段と、前記超音波振動を受信する電磁超音波センサと、前記高周波電流の周波数を変化させる手段と、前記電磁超音波センサで得られた信号に基いて共鳴周波数を求める手段と、この共鳴周波数に基いて前記被測定部材中の水素濃度を求める手段と、を有する水素濃度測定装置において、前記コイルは長軸を有し、前記コイルはその長軸が前記被測定部材の弾性特性の軸方向に一致しないように配置され、前記共鳴周波数を求める手段は、前記コイルと前記被測定部材との相対位置関係を変えずに、前記弾性特性の軸方向と前記コイルの長軸の方向のずれに基いて二つの共鳴周波数を求めるように構成され、前記水素濃度を求める手段は、前記二つの共鳴周波数に基いて前記被測定部材中の水素濃度を求めるように構成されていること、を特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る水素濃度測定方法および装置の実施の形態を説明する。ただし、従来技術と共通または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
図１は本発明に係る水素濃度測定装置のブロック図である。
【００２３】
被測定物１１は導体であって、例えばジルカロイ−２（商標）と呼ばれるジルコニウム合金を圧延し、その後の真空焼鈍工程と圧延工程を繰り返し、約０．６３５ｍｍまで薄肉化した板である。板厚の位置による変動は、圧延に用いたロールの表面での凹凸に依存して決まるが、通常、１０ｍｍ×１０ｍｍの面積内では±０．０１ｍｍ程度の厚さの変動に抑えられている。
【００２４】
このようにジルコニウム合金が圧延加工されると、材料を構成する結晶の方位が特定の方向に集中するいわゆる集合組織を形成することが知られており、その材料では基本結晶格子は六方晶であり、同結晶の底面に垂直な方向（Ｃ軸方位）は圧延面に垂直な方向に集中している。この集合組織が形成されることによって、その材料の弾性特性は等方的ではなく、直交異方性状態が生じている。
【００２５】
被測定物１１の表面上に、永久磁石または電磁石からなる静磁場発生部に隣接させてコイル１３が配置されている。このコイル１３は、例えば、長さ約１５ｍｍ×幅約１０ｍｍのトラック状（レーストラック状）のもので、長軸（長手方向）と短軸（長手方向に垂直）を有する。このコイル１３を、後述の局所発信器１４によって励起して、振動磁場および渦電流を生じさせるようになっている。コイル１３は、図示の例では単一コイルであって、信号の送信用と受信用を兼ねている。他の例として、同一構造の２枚のコイルによって送信と受信を個別に行なうこともできる。
【００２６】
被測定物１１の外表面にコイル１３を近接させて配置する。近接状況は非接触でも許容されるが、密着させる方が強い信号になるので好ましい。被測定物１１が放射性物質のような遮蔽を要する場合には、コイル１３に電気的につながった延長ケーブル（図示せず）を用いて被測定物１１を水中に沈めることによって遮蔽するか、または遮蔽能力が大きい材料からなる遮蔽体構造物の中に収納する（図示せず）。したがって、一般にはセンサのコイル１３と被測定物１１との間隙に薄い水もしくは空気の層を介在させる。
【００２７】
コイル１３は、被測定物１１の圧延方向すなわち圧延板の長手方向１２およびその直角方向に対して一致させない方向に設置する。例えば、圧延方向１２に対して４５゜方向に設置する。
【００２８】
局所発信器１４は周波数可変型であって、最高数ｋｗの高出力を有するパルス発生器からなる信号発生部から、単一周波数からなるいわゆるバースト波信号でコイル１３を励起して、弾性波を生じさせる。バースト波周波数は、２０ＭＨｚまでの任意の帯域を３００〜５００Ｈｚの刻みでスウィープできる。周波数は、０．１Ｈｚの精度で設定できる。コイル１３で受信した信号のうち発信バースト波の周波数成分だけをアナログ信号を経て検出し、スペクトルデータ（振幅および位相）を数値化する受信部も具備している。
【００２９】
局所発信器１４の出力は、共鳴周波数測定・記録手段１５に入力される。共鳴周波数測定・記録手段１５は、例えば電子計算機であって、発生周波数等の測定条件を制御する機能と受信信号から被測定物１１の共鳴周波数および振幅を記録し出力するデータ収集機能を具備する。
【００３０】
具体的には、バースト波の周波数をスウィープしたときの共鳴周波数を求めるが、コイル１３の長軸方向を被測定物１１の圧延方向１２およびその直角方向に対して一致させない場合には、圧延方向１２に振動が偏向している横波による共鳴周波数ｆｒと、圧延方向１２に対して直角方向（板の横方向）に偏向している横波による共鳴周波数ｆｔが得られる。
【００３１】
共鳴周波数測定・記録手段１５の出力である共鳴周波数ｆｒおよびｆｔは、水素濃度算出手段１６に入力されて、水素濃度が算出される。水素濃度算出手段１６には被測定物１１中の各水素濃度レベルと同材料の超音波共鳴特性関係を収録したデータベースが保存され、このデータベースに、測定した超音波共鳴特性を照合して、水素濃度を確定する。
【００３２】
具体的には、次式で示されるｆｔとｆｒとの相対的な差δを求める。
δ＝（ｆｔ−ｆｒ）／ｆ
ここで、ｆはｆｔとｆｒの平均であり、ｆ＝（ｆｔ＋ｆｒ）／２　で定義される。このδの大きさは被測定物の水素濃度の増加とともに増加することが知られており、同相関データベースとδとを比較して水素濃度を演算し、同定することができる。
【００３３】
次に、以上説明した装置・方法によって得られた水素濃度の精度について、図４に示した公知例による測定結果との対比において説明する。
まず、本実施の形態では、図１を用いて詳述したようにセンサ中のコイル１３の長軸方向を被測定物１１の圧延方向１２に対して一致させないので、圧延方向１２に振動が偏向している横波と圧延方向１２に対して直角方向（板の横方向）に偏向している横波とによる二つの共鳴周波数（各ｆｒおよびｆｔ）が得られる。ここで、本実施の形態では、コイルを同一のコイル位置に固定した状態で測定しているので、二つの共鳴周波数ｆｔ、ｆｒは厳密に同一板厚に対する共鳴周波数を検出可能である。その結果、二つの共鳴周波数の差（ｆｔ−ｆｒ）を計算したときに、被測定物１１の板厚の不均一などによる影響が相対誤差として拡大されて表れることがない。
【００３４】
図２に、コイルの方向（コイルの長手方向）と被測定物の圧延方向とが作る角度と共鳴周波数の測定時の信号強度の相対値の関係を示す。前述の従来技術では、信号強度が最大になる０度と９０度の２方向について測定していたのに対して、本実施の形態では、図２に示すように、一つのコイル位置で、二つの共鳴が観察される角度（すなわち０度と９０度以外の角度）にコイルを固定して測定を行なう。図２から、０度ではｆｔの信号が最大強度になるのに対して、ｆｒの信号強度はゼロであることがわかる。また、角度が増加するに従ってｆｔ強度は低下するが同時にｆｒの信号も検出されるようになる。
【００３５】
本発明では、コイルの一つの位置でｆｔとｆｒの両方が検出される範囲であれば、任意の角度に適用可能である。例えばコイルの長手方向と被測定物の圧延方向とのなす角度が１５度から７５度の範囲内の任意の角度では、二つの信号とも実質的に検出可能であるので好ましい。さらに、４５度を中心にした３０度から６０度の範囲内では、両信号共強いのでさらに好ましいことがわかる。
【００３６】
図３は、本実施の形態の効果の例を定量的に示すものである。ここでは例として、公称板厚が０．６３５ｍｍの２種類の板（板Ａおよび板Ｂ）を用いて、従来技術と本実施の形態とによる測定値の標準偏差を求めた結果をまとめて示す。図３に示すように、従来技術に基いて求めたδの標準偏差は、２種類の板Ａ、Ｂに対して０．１３、０．０８であるのに対して、本実施の形態の測定方法に基くと、標準偏差が、それぞれ０．０６、０．０２に低減している。
【００３７】
水素濃度が約１５０ｐｐｍ増加するとδが０．１程度増加すると仮定して、これらの標準偏差を水素濃度に換算すると、それぞれ、１９５、１２０ｐｐｍおよび９０、３０ｐｐｍになり、標準偏差が検出限界とした場合には、従来法での水素濃度の検出下限界は約１９０ｐｐｍであるのに対して、本実施の形態では、検出下限界が約９０ｐｐｍまで低下することがわかる。
【００３８】
なお、上述の例では、板厚が０．６３５ｍｍの平板の場合としたが、板厚はこれに限定されるものではなく、かつ形状は平板に限る必要もなく、例えば円筒もしくは薄板構造物であっても本発明が適用可能なのは明らかである。
【００３９】
さらに、本発明では、コイルを複数の方向に回転することなしに、複数の共鳴周波数が検出可能な方向にコイルを固定することが重要であって、図３の例に限ることはなく、０度および９０度を除いた角度範囲であればよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、材料中の水素濃度を高精度に測定可能であり、材料中の水素濃度検出の下限値が低下するので、低い水素濃度領域でも測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水素濃度測定装置の一実施の形態を示すブロック図。
【図２】コイル長手方向と圧延方向の間の角度に対する共鳴周波数の強度測定結果を表すグラフ。
【図３】本発明の実施の形態および従来技術による水素濃度測定装置での共鳴周波数の相対差の測定結果を示す表。
【図４】従来の水素濃度測定装置を示すブロック図。
【符号の説明】
１１…被測定物、１２…圧延方向、１３…コイル、１４…局所発信器、１５…共鳴周波数測定・記録手段、１６…水素濃度算出手段。

Claims

異方性の弾性特性を有する導電性の被測定部材の表面付近に磁石およびコイルを配置し、このコイルに高周波電流を与えることによって前記被測定部材の表面付近の磁束密度を変動させ、この磁束密度の変動によって前記被測定部材からの超音波を発生させ、電磁超音波センサによって前記超音波振動を受信するとともに、前記高周波電流の周波数を変化させて共鳴周波数を求め、この共鳴周波数に基いて前記被測定部材中の水素濃度を求める水素濃度測定方法において、
前記コイルは長軸を有し、前記コイルはそのコイルの長軸が前記被測定部材の弾性特性の軸方向に一致しないように配置し、
前記コイルは１個であって、そのコイルと前記被測定部材との相対位置関係を変えずに、前記弾性特性の軸方向と前記コイルの長軸の方向のずれに基いて二つの共鳴周波数を求め、
これら二つの共鳴周波数に基いて前記被測定部材中の水素濃度を求めること、
を特徴とする水素濃度測定方法。
請求項１に記載の水素濃度測定方法において、前記水素濃度を求めるにあたり、前記二つの共鳴周波数の差を用いること、を特徴とする水素濃度測定方法。
請求項１または２に記載の水素濃度測定方法において、前記被測定部材は圧延金属材料であって、前記被測定部材の弾性特性の軸方向は前記圧延金属材料の圧延方向であること、を特徴とする水素濃度測定方法。
請求項１ないし３のいずれかに記載の水素濃度測定方法において、
前記コイルはトラック状に巻いた渦巻きコイルであって、
前記磁石は、前記コイル部でそのコイルの長軸方向に垂直な方向に磁束ができるように配置すること、を特徴とする水素濃度測定方法。
請求項１ないし４のいずれかに記載の水素濃度測定方法において、前記コイルの長軸方向と前記被測定部材の弾性特性の軸方向とのなす角度が１５度ないし７５度の範囲内であること、を特徴とする水素濃度測定方法。
請求項１ないし５のいずれかに記載の水素濃度測定方法において、前記被測定部材は放射線環境下にあること、を特徴とする水素濃度測定方法。
請求項１ないし６のいずれかに記載の水素濃度測定方法において、前記被測定部材は六方晶金属からなる合金であること、を特徴とする水素濃度測定方法。
請求項７に記載の水素濃度測定方法において、前記被測定部材はジルコニウム合金からなる板もしくは管であること、を特徴とする水素濃度測定方法。
異方性の弾性特性を有する導電性の被測定部材の表面付近に配置される磁石およびコイルと、前記被測定部材の表面付近の磁束密度を変動させ、この磁束密度の変動によって前記被測定部材からの超音波を発生させるように前記コイルに高周波電流を与える手段と、前記超音波振動を受信する電磁超音波センサと、前記高周波電流の周波数を変化させる手段と、前記電磁超音波センサで得られた信号に基いて共鳴周波数を求める手段と、この共鳴周波数に基いて前記被測定部材中の水素濃度を求める手段と、を有する水素濃度測定装置において、
前記コイルは長軸を有し、前記コイルはその長軸が前記被測定部材の弾性特性の軸方向に一致しないように配置され、
前記共鳴周波数を求める手段は、前記コイルと前記被測定部材との相対位置関係を変えずに、前記弾性特性の軸方向と前記コイルの長軸の方向のずれに基いて二つの共鳴周波数を求めるように構成され、
前記水素濃度を求める手段は、前記二つの共鳴周波数に基いて前記被測定部材中の水素濃度を求めるように構成されていること、
を特徴とする水素濃度測定装置。