JP2011128055A - 金属部材の欠陥検査方法及び欠陥検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高クロム鋼などの金属部材中に発生した微小な欠陥を高精度に検出する。
【解決手段】金属部材とされる検査対象部の内部に第１の超音波を送信するとともに、該第１の超音波の反射波を受信して、第１の波形を取得する工程と、前記検査対象の内部に、前記第１の超音波と逆位相の第２の超音波を送信するとともに、該第２の超音波の反射波を受信して、第２の波形を取得する工程と、前記第１の波形と前記第２の波形とを合成した第３の波形を取得し、前記第３の波形に基づいて前記検査対象部に存在する欠陥を検出する工程とを含む金属部材の欠陥検査方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属部材の欠陥検査方法に関し、特にボイラ配管などの溶接部に発生する微小欠陥の有無を検査する方法、及び、その方法に用いられる欠陥検査装置に関する。

火力発電用ボイラなどに使用される配管の材料には２Ｃｒ鋼などの低合金鋼や、より高いクリープ強度及び耐酸化性を有する９Ｃｒ鋼などの高クロム鋼が使用されるが、運用中に高温・高圧蒸気条件に晒されることにより、クリープ損傷が発生する。
一方で、配管溶接部近傍では、溶接熱影響部（ＨＡＺ部）のクリープ強度が、配管母材と比較して低い。そのため、溶接部の損傷を早期に検出し、損傷度合いを正確に評価することが必要となっている。

クリープ損傷の検出方法としては、溶接部表面のレプリカを採取して組織観察し、クリープボイドの個数密度を計測する方法（レプリカ法）や、超音波探傷により内部の欠陥を検査する方法などが挙げられる。現状では、上記方法を単独又は組み合わせてクリープ損傷が評価される。

超音波探傷による欠陥検査方法は、探触子から超音波を送信し、欠陥で反射された超音波の反射波を検出することにより、欠陥の有無を検査する方法である。超音波探傷法の１つとして、ＴＯＦＤ（Time of Flight Diffraction）法が知られている。
また、特許文献１のように、超音波探傷により得た反射波を波形解析し、送信周波数の整数倍の周波数成分である高調波成分を抽出することにより微小欠陥を検出する非線形超音波法による探傷が提案されている。

特許第３７３５００６号公報（請求項１、段落［００１２］〜［００２０］）

ボイラの運用中に発生する微細欠陥は、５μｍ程度のクリープボイド（空孔）が密集した状態であり、亀裂などの欠陥に成長する前の状態である。クリープボイドの密集度合いは、運用時間が長くなるにつれて徐々に大きくなる。すると、クリープボイド同士の間隔が徐々に小さくなっていくため、クリープボイド同士が合体し、空孔が大きくなっていく。大きくなった空孔は、微小亀裂及び亀裂となり、最終的に亀裂が進展していくことで破壊に至る。高クロム鋼からなる配管では、予想よりも早く破壊が発生する場合があることから、損傷初期、すなわち微細欠陥が発生したときに損傷を検出する必要がある。
しかし、一般に超音波探傷で検出できる欠陥は、波長の１／４〜１／８程度の大きさを有するものが限界とされる。従って、ＴＯＦＤ法や特許文献１の非線形超音波法による探傷では、微小なクリープボイドが単独で存在する場合のみならず、微細欠陥の状態で存在する場合であっても、明瞭な反射エコーとして検出することは非常に困難であった。そのため、寿命末期までクリープ損傷の検出が困難であることが問題となっていた。

また、特許文献１の非線形超音波法は、微細欠陥を検出するまでの信号処理が煩雑であることも問題となっていた。

さらに、クリープによる損傷は、検査対象の外表面ではなく内部が最大であることから、レプリカ法では正確な欠陥検出が困難である。さらに、高クロム鋼では最大損傷部の深さ方向位置が時間経過とともに変化するので、従来の手法では外表面の損傷状況から最大損傷部の損傷状況を予測することが困難であった。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、高クロム鋼などの金属部材中に発生した微小な欠陥（クリープボイド）を、高精度に検出することができる検査方法、及び該検査方法に適用される検査装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、金属部材とされる検査対象部の内部に第１の超音波を送信するとともに、該第１の超音波の反射波を受信して、第１の波形を取得する工程と、前記検査対象の内部に、前記第１の超音波と逆位相の第２の超音波を送信するとともに、該第２の超音波の反射波を受信して、第２の波形を取得する工程と、前記第１の波形と前記第２の波形とを合成した第３の波形を取得し、前記第３の波形に基づいて前記検査対象部に存在する欠陥を検出する工程とを含む金属部材の欠陥検査方法を提供する。

また本発明は、検査対象部の内部に超音波を送信する送信用探触子と、前記検査対象部に送信された超音波の反射波を受信する受信用探触子と、前記送信用探触子及び前記受信用探触子が接続され、前記送信用探触子から超音波を送信させるとともに、前記受信用探触子で受信された反射波の波形を取得する超音波探傷器と、前記超音波探傷器に接続され、前記送信用探触子から送信される超音波の位相を反転させる波形切替器と、前記超音波探傷器に接続され、前記超音波探傷器が取得した互いに位相が反転した２つの超音波の反射波の波形を合成する波形処理手段とを備える欠陥検査装置を提供する。

位相が反転した２つの超音波をそれぞれ検査対象部位に送信し、その反射波を合成することにより得られる合成波では、健全部及び組織に起因するノイズに相当する波は相殺される一方で、欠陥に起因する高調波成分は増幅される。本発明は、反射波の合成波を取得しており、煩雑な波形解析は行っていないため、検査工程が簡便となるという利点を有する。さらに、金属部材の検査対象部位内部に存在するクリープボイドや微視亀裂などの微細な欠陥の情報を高精度に取得することができるという効果も奏する。
本発明によれば、高クロム鋼からなる部材においても、早期に微細な欠陥を検出することができる。

上記発明において、前記受信される第１の超音波の反射波及び第２の超音波の反射波の周波数帯域が、前記送信される第１の超音波及び第２の超音波の周波数帯域よりも高いことが好ましい。
こうすることで、受信感度が高くなり、検出精度が向上する。

上記金属部材の欠陥検査方法において、予め作成された、前記金属部材の損傷度と前記第３の波形との相関を表すマスターカーブと、前記検査対象部の前記第３の波形とを照合して、前記検査対象部の損傷度を取得する工程を更に含むことが好ましい。
また、上記欠陥検査装置において、前記波形処理手段で得られる合成された波形と、金属部材の損傷度と前記合成された波形との相関を表すマスターカーブとを照合して、前記検査対象部の損傷度を取得する損傷度推定手段を更に備えることが好ましい。

上記発明によれば、簡便な方法により検査対象部の損傷度を推定することができる。そのため、例えば金属部材が破損する前に部材を交換することができるようになり、保守管理の効率が向上する。

上記金属部材の欠陥検査方法において、前記第１の波形に基づいて検査対象部の第１の画像を取得する工程と、前記第３の波形に基づいて検査対象部の第２の画像を取得する工程と、前記第１の画像と前記第２の画像とを照合し、前記検査対象部内の前記欠陥の発生位置及び前記欠陥の大きさを判定する工程を更に含むことが好ましい。
また、上記欠陥検査装置において、前記超音波探傷器が取得した前記反射波の波形及び前記波形処理手段で得られる前記合成された波形とに基づいて、前記検査対象部の画像を作成する画像処理手段を更に備えることが好ましい。

上記発明によれば、微小欠陥を顕在化して検出でき、微小欠陥の正確な大きさを計測できる。さらに、超音波探傷画像においてノイズ成分を除去することが可能となる。

本発明によれば、超音波を用いた欠陥検出において、微小欠陥の情報を高い精度で容易に検出することができる。
更に、既知の損傷度が与えられた金属部材について取得された欠陥情報を表す波形に基づいて作成された損傷度と波形との関係を示すマスターカーブを用いることで、検査対象部の損傷度を評価することができる。
また、超音波探傷画像において、微小欠陥を顕在化させることができるとともに、ノイズ成分を除去することができる。

第１実施形態に係る欠陥検査方法に用いる欠陥検査装置の構成を表した概略図である。 （ａ）第１の超音波の反射波の波形、（ｂ）第２の超音波の反射波の波形、（ｃ）（ａ）及び（ｂ）の波形を合成した波形の模式図である。 検査対象部位の超音波探傷画像の概略を表す図であり、（ａ）ＴＯＦＤ法により得られる画像、（ｂ）本発明の欠陥検査方法により得られる画像である。

＜第１実施形態＞
図１に、第１実施形態に係る欠陥検査方法に用いる欠陥検査装置の構成を示す。欠陥検査装置１０は、超音波探傷器１１を備え、超音波探傷器１１に送信用探触子１２Ａ及び受信用探触子１２Ｂが接続される。また、超音波探傷器１１には、波形切替器１３及び波形処理手段１４が接続される。
波形切替器１３は、例えば位相共役波発生装置とされる。波形処理手段１４は、コンピュータとされる。

図１の欠陥検査装置を用いて、金属部材として溶接部を含むボイラ配管内部の欠陥を検査する方法を以下で説明する。金属部材は、９Ｃｒ鋼や１２Ｃｒ鋼などの高クロム鋼とされる。
高クロム鋼からなるボイラ配管２０の検査対象部位の表面に、送信用探触子１２Ａ及び受信用探触子１２Ｂが、溶接部２１を挟むように配置される。

超音波探傷器１１は、送信用探触子１２Ａに電圧を印加する。これにより、所定周波数を有する第１の超音波が、入射角度が検査対象部位の管厚に対して斜めとなるように検査対象部位内に送信される。送信用探触子１２Ａから送信される第１の超音波の周波数は、検査対象部位の深さに応じて、例えば１ＭＨｚから４０ＭＨｚの範囲で使い分ける。

検査対象部位内部に送信された第１の超音波は、配管表面（図１の矢印Ａ）及び内部（図１の矢印Ｂ）を伝播する。内部を伝播する超音波のうち、クリープボイドや亀裂などの欠陥２２に当たった超音波は、回折される。
回折された超音波及び配管内壁で反射された超音波は、反射波として受信用探触子１２Ｂに受信される。受信用探触子１２Ｂの受信周波数は、例えば１ＭＨｚから４０ＭＨｚとされる。このとき、例えば送信側の周波数を５ＭＨｚ、受信側の周波数を１０ＭＨｚというように、受信側の周波数を送信側の周波数よりも高く設定すると、受信感度が向上する。

超音波探傷器１１は、受信用探触子１２Ｂに受信された第１の超音波の反射波の波形（第１の波形）を取得する。

次いで、超音波探傷器１１は、波形切替器１３により位相が反転された電圧を送信用探触子１２Ａに印加する。これにより、第１の超音波と位相が反転した第２の超音波が、入射角度が検査対象部位の管厚に対して斜めとなるように検査対象部位内に送信される。第２の超音波の周波数は、第１の超音波の周波数と同一とされる。

第１の超音波の場合と同様に、欠陥により回折された第２の超音波及び配管内壁で反射された第２の超音波は、反射波として受信用探触子１２Ｂに受信される。
超音波探傷器１１は、受信用探触子１２Ｂに受信された第２の超音波の反射波の波形（第２の波形）を取得する。

超音波探傷器１１は、取得した第１の波形及び第２の波形を波形処理手段１４に送信する。波形処理手段１４は、第１の波形及び第２の波形を合成し、第３の波形を取得する。
図２は、（ａ）第１の波形、（ｂ）第２の波形、及び、（ｃ）第３の波形の一例である。同図における縦軸は反射波または合成波の高さであり、横軸は電圧印加開始からの経過時間である。

図２（ａ）,（ｂ）の左端の波形は、配管表面を伝播する超音波（図１における矢印Ａ）である。図２（ａ）,（ｂ）の右端の波形は、配管内壁で反射される超音波（図１における矢印Ｂ）である。図２（ａ），（ｂ）の上記波形より小さい２つの波形は、左から順に欠陥上端（探触子を配置した配管表面側）での回折波、欠陥下端（配管内壁側）での回折波である。

図２（ｃ）は、図２（ａ）の波形と図２（ｂ）の波形との和である。第１の波形及び第２の波形は位相が反転しているため、合成することで波の高さはほぼ０となる。しかし、欠陥に当たり発生したエコーには、送信される超音波の位相に依存しない波形成分（例えばチャープ波）が一部含まれている。すなわち、第１の超音波に含まれるチャープ波と第２の超音波に含まれるチャープ波は、同位相となる。従って、図２（ｃ）に示すように、チャープ波は合成されても打ち消されず、むしろ増幅されて明瞭なエコーとして検出される。従って、クリープボイドや微視亀裂などの微細欠陥が存在する場合にも、欠陥の情報が容易に取得されるとともに、欠陥が高精度で検出される。
なお、その他の成分（例えば回折波）には金属組織に起因するノイズも含まれる。ノイズは、回折波を合成することによって打ち消される。そのため、図２（ｃ）の合成波では、ノイズの影響も除去される。

＜第２実施形態＞
以下に、第２実施形態に係る欠陥検査方法として、第１実施形態で取得された第３の波形から、金属部材の損傷度を推定する方法を説明する。
本実施形態の検査方法に使用される欠陥検査装置は、図１の欠陥検査装置１０における超音波探傷器１１に、損傷度推定手段が更に接続されたものである。損傷度推定手段は、コンピュータとされ、波形処理手段１４と同一とされる。

超音波探傷器１１は、既知の損傷度が与えられた金属部材（高クロム鋼）について、第１実施形態と同様の工程により欠陥検査を実施する。波形処理手段１４は、既知の損傷度が与えられた金属部材について第３の波形を取得する。種々の損傷度が与えられた金属部材について、第３の波形が取得される。

損傷度推定手段は、波形処理手段１４で取得された第３の波形と、金属部材の損傷度との関係を示すマスターカーブを作成する。
具体的に、損傷度推定手段は、取得された第３の波形から、例えば微細欠陥を含む欠陥に相当するエコーの高さ（強度）といった信号を取得する。一般に、エコーの強度は欠陥寸法が大きくなるにつれて強くなる。つまり寿命消費率が大きくなるにつれて強くなる。そこで、取得した欠陥からの信号を取得し、寿命消費率で整理することで、エコー高さと寿命消費率との関係を示すマスターカーブを作成する。
マスターカーブは、コンピュータのメモリに格納される。

次に、超音波探傷器１１は、損傷度が不明とされるボイラ配管などの検査対象部位について、第１実施形態と同様の工程で欠陥検査を実施する。波形処理手段１４は、検査対象部位の第３の波形を取得する。
損傷度推定手段は、取得された検査対象部位の第３の波形を上述のマスターカーブと照合し、検査対象部位の損傷度を取得する。例えば、損傷度推定手段は、検査対象部位の第３の波形からエコー高さを取得する。損傷度推定手段は、得られた検査対象部位のエコー高さを、エコー高さと寿命消費率との関係を示すマスターカーブと照合し、寿命消費率を算出する。算出された寿命消費率は、検査対象部位の寿命消費率と推定される。

＜第３実施形態＞
以下に、第３実施形態に係る欠陥検査方法として、検査対象部位の探傷画像を取得する方法を説明する。
本実施形態の検査方法に使用される欠陥検査装置は、図１の欠陥検査装置１０における超音波探傷器１１に、画像処理手段が更に接続されたものである。画像処理手段は、コンピュータとされ、波形処理手段１４と同一とされる。

第１実施形態と同様の工程で、超音波探傷器１１は検査対象部位の欠陥検査を実施し、検査対象部位の第１の波形を取得する。超音波探傷器１１は、取得した第１の波形を画像処理手段に送信する。
超音波探傷器１１は、第１実施形態と同様の工程で、検査対象部位の第２の波形を取得する。波形処理手段１４は、第１実施形態と同様の工程で、超音波探傷器１１で取得された第１の波形及び第２の波形から第３の波形を取得する。波形処理手段１４は、取得した第３の波形を画像処理手段に送信する。

画像処理手段は、取得した第１の波形に基づいて、第１の画像を作成する。また、画像処理手段は、取得した第３の波形に基づいて、第２の画像を作成する。すなわち、作成された第１の画像及び第２の画像は、同じ探傷部位の画像である。

図３は、画像処理手段が作成した検査対象部位の超音波探傷画像の概略図である。
図３（ａ）は第１の画像であり、従来のＴＯＦＤ法により得られる超音波探傷画像に相当する。図３（ａ）では、検査対象部位表面（探傷面）及び検査対象部位底面に相当する模様が観測される。また、検査対象部位の内部に円弧状模様が観測される。模様Ｂは明瞭な円弧状となっている。一方、模様Ａ及びＣは、複数の円弧状模様が重なり、模様を明瞭に判別することができない。

図３（ｂ）は第２の画像であり、第１実施形態の欠陥検査方法により取得された第３の波形に基づく超音波探傷画像である。図３（ｂ）では、図３（ａ）における模様Ａ及びＢに対応する領域に円弧状の模様Ｄ及びＥが観測されるが、模様Ｃに対応する領域に模様は観察されない。

画像処理手段またはオペレータは、第１の画像と第２の画像とを比較する。
第１の画像では円弧状模様が不明確（模様Ａ）であり、第２の画像では明瞭な円弧状模様（模様Ｄ）が観測される場合、模様Ａ及び模様Ｄが観察される領域に、クリープボイドなどの微小欠陥が発生していると判定される。
第１の画像及び第２の画像で明瞭な円弧状模様（模様Ｂ及びＥ）が観測される場合、模様Ｂ及びＥが観察領域に、比較的大きな亀裂などの欠陥が発生していると判定される。
第１の画像では不明瞭な円弧状模様（模様Ｃ）が観測されるが、第２の画像では対応する箇所に模様が観測されない場合、模様Ｃは金属組織に起因するノイズと判定される。

比較的大きな欠陥の大きさは、第１の画像または第２の画像を用いて計測される。微小欠陥の大きさは、第２の画像を用いて計測される。

このように、従来のＴＯＦＤ法により得られる画像と、第１実施形態で説明した方法により取得される第３の波形から得られる画像とを比較することにより、微小欠陥を顕在化して検出でき、微小欠陥の大きさを計測できる。さらに、ノイズと微小欠陥とを区別して、ノイズ成分を除去することが可能となる。

１０ 欠陥検査装置
１１ 超音波探傷器
１２Ａ 送信用探触子
１２Ｂ 受信用探触子
１３ 波形切替器
１４ 波形処理手段
２０ ボイラ配管
２１ 溶接部
２２ 欠陥

Claims (7)

1. 金属部材とされる検査対象部の内部に第１の超音波を送信するとともに、該第１の超音波の反射波を受信して、第１の波形を取得する工程と、
   前記検査対象の内部に、前記第１の超音波と逆位相の第２の超音波を送信するとともに、該第２の超音波の反射波を受信して、第２の波形を取得する工程と、
   前記第１の波形と前記第２の波形とを合成した第３の波形を取得し、前記第３の波形に基づいて前記検査対象部に存在する欠陥を検出する工程とを含む金属部材の欠陥検査方法。
2. 前記受信される第１の超音波の反射波及び第２の超音波の反射波の周波数帯域が、前記送信される第１の超音波及び第２の超音波の周波数帯域よりも高い請求項１に記載の金属部材の欠陥検査方法。
3. 予め作成された、前記金属部材の損傷度と前記第３の波形との相関を表すマスターカーブと、前記検査対象部の前記第３の波形とを照合して、前記検査対象部の損傷度を取得する工程を更に含む請求項１及び請求項２に記載の金属部材の欠陥検査方法。
4. 前記第１の波形に基づいて検査対象部の第１の画像を取得する工程と、
   前記第３の波形に基づいて検査対象部の第２の画像を取得する工程と、
   前記第１の画像と前記第２の画像とを照合し、前記検査対象部内の前記欠陥の発生位置及び前記欠陥の大きさを判定する工程を更に含む請求項１及び請求項２に記載の金属部材の欠陥検査方法。
5. 検査対象部の内部に超音波を送信する送信用探触子と、
   前記検査対象部に送信された超音波の反射波を受信する受信用探触子と、
   前記送信用探触子及び前記受信用探触子が接続され、前記送信用探触子から超音波を送信させるとともに、前記受信用探触子で受信された反射波の波形を取得する超音波探傷器と、
   前記超音波探傷器に接続され、前記送信用探触子から送信される超音波の位相を反転させる波形切替器と、
   前記超音波探傷器に接続され、前記超音波探傷器が取得した互いに位相が反転した２つの超音波の波形を合成する波形処理手段とを備える欠陥検査装置。
6. 前記波形処理手段で得られる合成された波形と、金属部材の損傷度と前記合成された波形との相関を表すマスターカーブとを照合して、前記検査対象部の損傷度を取得する損傷度推定手段を更に備える請求項５に記載の欠陥検査装置。
7. 前記超音波探傷器が取得した前記反射波の波形及び前記波形処理手段で得られる前記合成された波形とに基づいて、前記検査対象部の画像を作成する画像処理手段を更に備える請求項５に記載の欠陥検査装置。

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