JP2005326238A

JP2005326238A - 超音波ｔｏｆｄ法によるき裂進展監視方法及び装置

Info

Publication number: JP2005326238A
Application number: JP2004144005A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kanetani; 章宏金谷; Masataka Nagae; 正隆永江
Original assignee: Kyushu Electric Power Co Inc
Current assignee: Kyushu Electric Power Co Inc
Priority date: 2004-05-13
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2005-11-24

Abstract

【課題】設備の稼働中に正確にき裂深さを測定でき、き裂の進展を動的に監視することができる、超音波ＴＯＦＤ法によるき裂進展監視方法及び装置を提供すること
【解決手段】被検体１における超音波の縦波の伝搬速度の温度変化データを予めデータ記憶手段５に記憶し、データ処理手段７が超音波ＴＯＦＤ法による測定データから被検体１のき裂深さを算出する際に、測定時の被検体１の温度に対応する超音波の縦波の伝搬速度をデータ記憶手段５に記憶されている前記温度変化データより取得して使用するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＴＯＦＤ（Time of Flight Diffraction）法により被検体のき裂の進展を動的に監視する方法及びその装置に関する。

ＴＯＦＤ法は超音波による非破壊検査法の一つであり、従来から、被検体のき裂深さ等を測定するために広く利用されている。

き裂深さ測定に使用する従来のＴＯＦＤ法は、図６に示すように、被検体１中のき裂２を中心として、超音波を送信する送信探触子３と、送信探触子３からの超音波を受信する受信探触子４を対称に配置し、送信探触子３及び受信探触子４を同調させてき裂２部分に平行及び垂直に走査する方法である。送信探触子３から送信された超音波は、被検体１の表面直下をラテラル波として伝搬して、第１波信号として受信探触子４に受信される。また、被検体１にき裂がない場合、底面反射波が第２波として伝搬して、受信探触子４に受信される。一方、被検体１にき裂２がある場合、き裂２に投射された超音波の縦波はき裂先端部２ａで回折波を発生する。この回折波は３６０°全方向に放射伝搬して、受信探触子４に受信される。

そして、このき裂先端２ａからの回折波とラテラル波の伝搬時間差からき裂深さｄが算出される。具体的には、図７に示すように、送信探触子３、受信探触子４及びき裂先端部２ａがそれぞれ直角三角形の頂点にあるものとして、下記の数式（１）によってき裂深さｄを算出する。

ｄ＝１／２×（Ｗ^２−４Ｓ^２）^１／２・・・（１）
ｄ：き裂深さ
Ｗ：送信探触子からき裂先端部までと受信探触子からき裂先端部までの距離の和
Ｓ：素子間距離（送信探触子と受信探触子との間の距離×１／２）
数式（１）中のＷは、き裂先端部２ａからの回折波（超音波の縦波）の伝搬時間と伝搬速度から算出でき、Ｓは、ラテラル波（超音波の縦波）の伝搬時間と伝搬速度から算出できる。

このように、ＴＯＦＤ法によれば、比較的簡単にき裂深さを測定することができることから、その適用範囲の拡大、また測定精度・効率の向上等を目的として、特許文献１〜９に見られるように、様々な改良技術が提案されている。
特開平１１−３１６２１５号公報特開２００１−５０９３８号公報特開２００１−２１５２１８号公報特開２００１−２２８１２８号公報特開２００１−３０５１２４号公報特開２００１−３２４４８４号公報特開２００２−５９０４号公報特開２００２−３１６３２号公報特開２００４−５３４６２号公報

これまで、ＴＯＦＤ法によるき裂深さの測定は、設備の定期修理時等に設備を停止して行うことが一般的であり、その測定によってき裂が発見されれば、その部品を交換するようにしていた。

これに対して、今後は、設備の修理費節減、長寿命化を図る目的から、き裂を有していても健全性が確認できれば交換せずに継続使用するという考え方が主流になると推測される。これにあたっては、各部位に発生したき裂の進展状況を継続して監視することが必要となり、そのためには、設備を停止せずに稼働させた状態で、き裂深さを測定する技術が必要となる。

しかし、従来のＴＯＦＤ法によるき裂深さの測定方法は、上述のとおり設備の停止を前提としており、常温で測定を行うものであるため、温度が上昇して高温となる設備の稼働中におけるき裂深さの測定にはそのまま適用することはできない。

すなわち、ＴＯＦＤ法では、き裂深さの算出にあたって、先に数式（１）で説明したように超音波の縦波の伝搬速度が必要であり、従来は常温での測定であったため超音波の縦波の伝搬速度は固定値を使用すれば良かったが、設備の稼働中には温度が変化し、その温度変化に応じて超音波の縦波の伝搬速度が変化するため、従来どおり固定値を使用した場合、正確なき裂深さの算出結果は得られない。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、設備の稼働中に正確にき裂深さを測定でき、き裂の進展を動的に監視することができる、超音波ＴＯＦＤ法によるき裂進展監視方法及び装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、予め、被検体における超音波の縦波の伝搬速度の温度変化データを求めておき、超音波ＴＯＦＤ法により被検体のき裂深さを測定して算出する際に、測定時の被検体の温度に対応する超音波の縦波の伝搬速度を前記温度変化データより求めて使用するようにした。

すなわち、本発明は、超音波ＴＯＦＤ法により被検体中のき裂深さを継続的に測定してき裂深さの進展を監視する超音波ＴＯＦＤ法によるき裂進展監視方法であって、予め、被検体における超音波の縦波の伝搬速度の温度変化データを求め、超音波ＴＯＦＤ法により被検体のき裂深さを測定して算出する際に、測定時の被検体の温度に対応する超音波の縦波の伝搬速度を前記温度変化データより求めて使用するものである。

また、本発明のき裂進展監視装置は、被検体における超音波の縦波の伝搬速度の温度変化データを記憶するデータ記憶手段と、超音波ＴＯＦＤ法による測定データから被検体のき裂深さを算出するデータ処理手段とを備え、データ処理手段が、被検体のき裂深さを算出する際に、測定時の被検体の温度に対応する超音波の縦波の伝搬速度を前記データ記憶手段に記憶されている前記温度変化データより取得して使用するものである。

このき裂進展監視装置は、データ処理手段が被検体のき裂深さを算出する際に使用する超音波の縦波の伝搬速度を、前記データ記憶手段に記憶されている前記温度変化データより取得してデータ処理手段に入力するデータ入力手段を備えることができる。

本発明によれば、設備の稼働中に温度が変化しても正確なき裂深さを得ることができる。したがって、各部位に発生したき裂の進展状況を動的に継続して監視することができ、設備の修理時期等を適切に把握できることから、設備の修理費節減、長寿命化を図ることができる。

以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明のき裂進展監視装置の構成図である。同図に示すき裂進展監視装置は、被検体１中のき裂２の深さを測定するために、超音波を送信する送信探触子３と送信探触子３からの超音波を受信する受信探触子４を備える。この送信探触子３と受信探触子４は、従来と同様に、被検体１中のき裂２を中心として対称に配置し、同調させてき裂２部分に平行及び垂直に走査する。図１における被検体１は、例えば稼働中の発電設備のタービン部品であり、その温度は５５０℃程度である。したがって、送信探触子３と受信探触子４としては、耐熱温度が５５０℃以上のものを使用する。

送信探触子３と受信探触子４によって得られた画像データ、超音波信号データ等の測定データは、データ収集手段５に送信され収録される。また、データ記憶手段６には、予め測定した被検体１における超音波の縦波の伝搬速度の温度変化データが記憶されている。この温度変化データは、本願発明者の測定によると、図２に示すように、傾きが負の正比例関係にあることがわかった。なお、データ収集手段５及びデータ記憶手段６は、通常のメモリ装置によって構成できる。

コンピュータのＣＰＵからなるデータ処理手段７は、データ収集手段５からＴＯＦＤ法による測定データを受信するとともに、データ記憶手段６に記憶されている超音波の縦波の伝搬速度の温度変化データより、測定時の被検体１の温度（５５０℃）に対応する超音波の縦波の伝搬速度を求める。そして、データ処理手段７は、上記数式（１）によってき裂深さｄを算出する。以上の測定と演算を継続的（連続的あるいは断続的）に行うことにより、き裂深さの進展を監視することができる。

なお、測定時の被検体１の温度に対応する超音波の縦波の伝搬速度については、予め、データ記憶手段６に記憶されている温度変化データに基づいて求め、キーボード等のデータ入力手段８によってデータ処理手段７に入力することもできる。この場合、データ記憶手段６としては、コンピュータのメモリには限定されず、図２に示したような温度変化データを記載した紙媒体をとしてもよい。

表１に示す試験片を図３に示す形状に加工し、その試験片に、５５０℃で繰り返し荷重を加えながら、１０ｍｍ又は２０ｍｍの疲労き裂を導入し、上述した本発明の方法によりき裂の進展状況を測定した。また、コンプライアンス法によってもき裂の進展状況を測定した。さらに、試験後、試験片を低温で脆性破壊させ破面を観察し、き裂深さを実測した。

ここで、コンプライアンス法とは、試験片のスリット部にクリップ型変異計を取り付け、き裂の開口幅を測定し、荷重と開口幅の関係よりき裂深さを間接的に測定する方法である。

試験結果を図４、図５及び表２に示す。図４及び図５からわかるように、本発明の方法（ＴＯＦＤ法）とコンプライアンス法によるき裂深さの進展状況の測定結果は、ほぼ同じであることが確認された。

また、本発明の方法によるき裂深さの測定結果を実測値と比較すると、表２に示すように、−０．７５〜０．４１の誤差の範囲内に収まることが確認された。

本発明は、発電設備におけるタービン車室等の部位におけるき裂進展の監視に適用できる。また、発電設備以外にも石油、化学設備等の部品のき裂進展の監視に適用できる。

本発明のき裂進展監視装置の構成図である。超音波の縦波の伝搬速度の温度変化データを示す図である。試験片の形状を示す図である。本発明の方法によるき裂深さの進捗状況の測定結果である。コンプライアンス法によるき裂深さの進捗状況の測定結果である。ＴＯＦＤ法の原理を示す説明図である。ＴＯＦＤ法によるき裂深さの測定原理を示す説明図である。

符号の説明

１被検体
２き裂
２ａき裂先端部
３送信探触子
４受信探触子
５データ収集手段
６データ記憶手段
７データ処理手段
８データ入力手段

Claims

超音波ＴＯＦＤ法により被検体中のき裂深さを継続的に測定してき裂深さの進展を監視する超音波ＴＯＦＤ法によるき裂進展監視方法であって、
予め、被検体における超音波の縦波の伝搬速度の温度変化データを求め、超音波ＴＯＦＤ法により被検体のき裂深さを測定して算出する際に、測定時の被検体の温度に対応する超音波の縦波の伝搬速度を前記温度変化データより求めて使用する超音波ＴＯＦＤ法によるき裂進展監視方法。
超音波ＴＯＦＤ法により被検体中のき裂深さを継続的に測定してき裂深さの進展を監視する超音波ＴＯＦＤ法によるき裂進展監視装置であって、
被検体における超音波の縦波の伝搬速度の温度変化データを記憶するデータ記憶手段と、超音波ＴＯＦＤ法による測定データから被検体のき裂深さを算出するデータ処理手段とを備え、
データ処理手段が、被検体のき裂深さを算出する際に、測定時の被検体の温度に対応する超音波の縦波の伝搬速度を前記データ記憶手段に記憶されている前記温度変化データより取得して使用する超音波ＴＯＦＤ法によるき裂進展監視装置。
データ処理手段が被検体のき裂深さを算出する際に使用する超音波の縦波の伝搬速度を、前記データ記憶手段に記憶されている前記温度変化データより取得してデータ処理手段に入力するデータ入力手段を備えた請求項２に記載の超音波ＴＯＦＤ法によるき裂進展監視装置。