JP2014102157A

JP2014102157A - 電磁超音波発振子、材料劣化診断装置、及び材料劣化診断方法

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Publication number: JP2014102157A
Application number: JP2012254464A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Sasaki; 恵一佐々木; Daisuke Asakura; 倉大輔朝; Tetsuo Endo; 藤哲央遠; Takehiro Shirai; 井武広白
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2032-11-20
Also published as: JP6071461B2

Abstract

【課題】設置コストを削減する。
【解決手段】材料劣化診断装置は、金属製材料の表面に設けられた発振子１と、前記金属製材料の表面に設けられた光ファイバと、前記金属製材料中の振動に応じた前記光ファイバを透過する光の変動を電気信号に変換する光干渉計と、前記電気信号に基づいて前記金属製材料の厚さを算出し、前記金属製材料の劣化度を判定する計測・制御部と、を備える。発振子１は、電気コイル１２、及び電気コイル１２上に設けられ、前記金属製材料の表面方向に沿った磁場をかける磁石１１を有する。光干渉計は、発振子１により励起された振動に応じた前記光ファイバを透過する光の変動を電気信号に変換する。
【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、電磁超音波発振子、材料劣化診断装置、及び材料劣化診断方法に関する。

配管の減肉や腐食の検査に超音波探傷法が用いられている。超音波探傷法は、被試験体の表面に超音波を送受信する探触子を押し当て、内部に各種周波数の超音波を伝播させる。そして、被試験体内部の欠陥や裏面で反射して戻ってきた超音波を受信し、被試験体内部の状態を把握する。欠陥位置は超音波の送信から受信までに要する時間から測定され、欠陥の大きさは受信したエコーの強度や欠陥エコーの出現する範囲の測定によって求められる。

超音波による検査法は、原子力発電プラントにおいて、素材の板厚測定や、ラミネーション等の溶接欠陥の検出に用いられている。また、原子炉圧力容器回りのノズル開口部、ブランチ、配管継手を補強する溶接肉盛部の検査においてもこのような検査法が用いられている。

発電プラントでは、流れ加速型腐食（FAC: Flow Accelerated Corrosion）やエロージョンなどによって、配管のエルボ部やオリフィスの下流側などに減肉が生じ易い傾向があることが分かっている。このような知見に基づいて、配管減肉管理に関する規格（発電用設備規格JSME S CA1-2005）が日本機械学会により策定されている。規格化された配管減肉管理技術として、超音波厚さ測定器を使った配管厚さ測定が行われている。しかし、この手法は、測定の度に配管を覆う断熱材を解体／復旧する必要があるため、多大な時間とコストを要する。

そこで、低コストの減肉管理を実現するために、埋め込み型の定点測定用センサが開発されている。例えば、電磁超音波発振子(Electro Magnetic Acoustic Transducer :EMAT)と光ファイバ振動センサとを組み合わせた超音波光プローブが知られている。光ファイバ振動センサはポリイミドコーティングされ、ポリイミド系接着剤を用いて配管表面に貼り付けられる。電磁超音波発振子が、電磁力の作用によって配管内に超音波を直接励起し、励起された超音波の共振波が光ファイバ振動センサにより検出される。そして、検出結果を解析することによって、配管の厚さや内部欠陥の情報を得ることができる。

従来の埋め込み型の定点測定用センサは、超音波光プローブを配管表面の数千点の箇所に設置する必要があった。すなわち、電磁超音波発振子と光ファイバ振動センサとをそれぞれ数千個準備して設置しなければならず、設置コストの増加を招いていた。

内ヶ崎儀一郎他：「原子力と設計技術」大河出版（1980）、pp.226-250

本発明が解決しようとする課題は、設置コストを削減した材料劣化診断装置、この材料劣化診断装置に用いられる電磁超音波発振子、及び材料劣化診断方法を提供することである。

本実施形態によれば、材料劣化診断装置は、金属製材料の表面に設けられた発振子と、前記金属製材料の表面に設けられた光ファイバと、前記金属製材料中の振動に応じた前記光ファイバを透過する光の変動を電気信号に変換する光干渉計と、前記電気信号に基づいて前記金属製材料の厚さを算出し、前記金属製材料の劣化度を判定する計測・制御部と、を備える。前記発振子は、電気コイル、及び電気コイル上に設けられ、前記金属製材料の表面方向に沿った磁場をかける磁石を有する。光干渉計は、前記発振子により励起された振動に応じた前記光ファイバを透過する光の変動を電気信号に変換する。

本発明の実施形態に係る材料劣化診断装置の概略構成図。本発明の実施形態に係る電磁超音波発振子の概略構成図。本発明の実施形態に係る光ファイバセンサ部の概略構成図。本発明の実施形態に係る材料劣化診断装置の設置例を示す図。本発明の実施形態に係る材料劣化診断方法を説明する図。比較例による材料劣化診断方法を説明する図。比較例による材料劣化診断装置の設置例を示す図。本実施形態及び比較例による計測結果を示すグラフ。変形例による電磁超音波発振子の概略構成図。変形例による電磁超音波発振子の概略構成図。変形例による電磁超音波発振子の概略構成図。変形例による電磁超音波発振子の概略構成図。変形例による材料劣化診断装置の設置例を示す図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に本発明の実施形態に係る材料劣化診断装置の概略構成を示す。材料劣化診断装置は、電磁超音波発振子（以下ＥＭＡＴと称する）１、光ファイバセンサ部２、光源３、光干渉計４、計測・制御部５、波形信号発生器６、及びアンプ７を備えている。ＥＭＡＴ１及び光ファイバセンサ部２は、厚さ測定対象の金属の表面に配置される。厚さ測定対象は例えば原子力発電プラントや火力発電プラントの配管である。波形信号発生器６及びアンプ７は計測・制御部５の制御に基づいて、ＥＭＡＴ１に高周波電流を供給する。

図２に、ＥＭＡＴ１の概略構成を示す。ＥＭＡＴ１は、アンプ７に接続され、高周波電流が供給される電気コイル１２と、電気コイル１２上に載置された永久磁石１１とを有する。永久磁石１１は、円筒型磁石１１Ａと、円筒型磁石１１Ａの内部に設けられた円柱型磁石１１Ｂとを備えている。

永久磁石１１の材質は例えばサマリウムコバルトである。サマリウムコバルトは３５０〜４００℃の間に減磁点があるため、３５０℃以下の環境で使用することが好ましい。また、サマリウム鉄系の焼結磁石を用いてもよい。

永久磁石１１を鍍金（めっき）して酸化を防止するとともに、電気コイル１２をポリイミドコーティングしてもよい。このようにすることで、高温下でも発振パワーを保持することができる。

光ファイバセンサ部２の上面を図３（ａ）に示し、側面を図３（ｂ）に示す。図３（ａ）に示すように、光ファイバセンサ部２では光ファイバ２１が渦巻状に巻かれ円形平板になっている。光ファイバ２１の内側の一端が光干渉計４に接続され、内側から外側に一層の渦巻状に巻かれて外側の他端が光源３に接続されている。光ファイバ２１は、光源３から基準レーザ光が入力される。また、光ファイバ２１の中を透過する光の変動を光干渉計４が検出する。光ファイバ２１は金、ニッケル等の金属、又はシリカによりコーティングされている。

なお、図示はしないが、光干渉計４と光源３の光ファイバに対する接続関係が逆になっていてもよい。

図３（ａ）（ｂ）に示すように、この光ファイバ２１は、接着剤２３を用いて、シート材２２に貼着されている。シート材２２には例えばシリコン箔、ガラス箔、セラミック箔等の金属を含まないフレキシブルシート材を使用することができる。光ファイバ２１とシート材２２とを接着する接着剤２３は、光ファイバ２１をコーティングする材料によって異なり、例えば、光ファイバ２１が金コーティングされている場合には接着剤２３に金ペーストを使用する。また、光ファイバ２１がニッケルコーティングされている場合には接着剤２３に金ペースト又は銀ペーストを使用する。あるいはまた、光ファイバ２１がシリカコーティングされている場合には接着剤２３にガラスペーストを使用する。

図３（ｃ）に示すように、光ファイバ２１を、シート材２２及び樹脂シート２４で挟むような構成にしてもよい。シート材２２と樹脂シート２４との間に接着剤２３を充填して光ファイバ２１を固定する。樹脂シート２４には、耐熱性エポキシ、ポリベンゾイミダゾール、マイカ強化ポリ四フッ化エチレン、芳香族ポリエステルなどの耐熱性樹脂シートを用いることができる。

図４（ａ）、（ｂ）に、ＥＭＡＴ１及び光ファイバセンサ部２の配管４０への取り付けの一例を示す。図４（ｂ）は図４（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ＥＭＡＴ１は配管４０の断面に対して円周方向に８個（４５°間隔）、配管４０の軸方向に沿って所定間隔φ（φは配管４０の外径長さ）を空けて配置されている。

光ファイバセンサ部２は、配管４０の表面とＥＭＡＴ１とに挟まれて設けられる。光ファイバセンサ部２は、円周方向に２個（１８０°間隔）、配管の軸方向に沿って間隔３φを空けて配置されている。

ＥＭＡＴ１は、永久磁石１１の磁力によって配管４０に固定され、光ファイバセンサ部２は、配管４０の表面とＥＭＡＴ１とに挟まれて固定される。

本実施形態では、複数（図４（ａ）、（ｂ）で示す例では１２個）のＥＭＡＴ１に対して、１つの光ファイバセンサ部２を設けている。図４（ａ）、（ｂ）の破線で囲むように、１２個のＥＭＡＴ１と１つの光ファイバセンサ２とをグループ化し、１つの光ファイバセンサ２は、同一グループのＥＭＡＴ１により励起された超音波を検出する。

次に、このようにして配管４０に取り付けられたＥＭＡＴ１及び光ファイバセンサ部２を用いて配管４０の厚みを測定する方法を、図５（ａ）（ｂ）を用いて説明する。図５（ａ）は、配管４０上に積層された光ファイバセンサ部２及びＥＭＡＴ１の断面を示す。また、図５（ｂ）は、配管４０上に直接設けられたＥＭＡＴ１の断面を示す。配管４０の表面は曲面であるが、図５（ａ）、（ｂ）では便宜上平面で示す。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、渦巻状に巻かれた円形平板の電気コイル１２に高周波電流が流れると、電気コイルとほぼ同心円に配置された円筒型磁石１１Ａと円柱型磁石１１Ｂの磁化方向が反対向きになり、配管４０表面方向に沿った磁場が発生し、配管４０が振動して電磁超音波が発生する。波形信号発生器６（図１参照）によって電気コイル１２へ与える交流電流の周波数を変化させ、発生する電磁超音波の周波数を所望の周波数帯域でスイープさせる。

配管４０内部（管壁内部）の振動は、高温ひずみゲージのひずみ計測と同様の原理で光ファイバセンサ部２に伝わる。光源３から基準レーザ光が入力されている状態で光ファイバセンサ部２に振動が到達すると、光ファイバ２１が微小に伸び縮みして、レーザ光にドップラ効果や偏波面の変動が生じる。この変動（伸縮速度）を光干渉計４が光電変換により電圧値に変換することで、配管４０内に伝播する超音波の周波数を計測できる。

配管４０の内部で発生させる振動の周波数は、波形信号発生器６により、配管４０の厚さに応じて１Ｈｚ〜１０ＭＨｚの任意の周波数を選択することができる。計測・制御部５は、光ファイバ２１及び光干渉計４を介して、周波数１Ｈｚ〜２０ｋＨｚの振動や、２０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの超音波振動を検出する。

電磁超音波の周波数をスイープし、配管４０の厚みｄと、電磁超音波の波長λとの間にλ＝２ｄの関係が成り立つとき、入射波と反射波が共振し、出力波の振幅が大きくなる。この関係は、超音波の周波数ｆ、音速ｖを用いて、ｆ＝ｖ／２ｄと表すことができる。従って、共振周波数と音速により、配管４０の厚さを求めることができる。例えば、９ｍｍ厚の鋼板の場合、３００ｋＨｚの超音波を入力すると共振が起きる。

電気コイル１２に電流を流すＥＭＡＴ１は、計測・制御部５により順次切り替えられ、対応する光ファイバセンサ部２が超音波振動を検出する。本実施形態では、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、配管４０表面方向に沿った磁場を発生させることで、配管４０厚さ方向での共振のＳＮ比が高まる。そのため、ＥＭＡＴ１から離れた位置に設けられた光ファイバセンサ部２が共振信号を検出することができる。

（比較例）図６は、比較例による、配管４０上に積層された光ファイバセンサ部２００及びＥＭＡＴ１００の断面を示す。比較例によるＥＭＡＴ１００は、円柱状の永久磁石１１０と、電気コイル１２０とから構成されている。図６に示すように、電気コイル１２０に高周波電流が流れると、配管４００の厚さ方向に沿った磁場が発生する。光ファイバセンサ部２００は光ファイバセンサ部２と同様の構成である。

このようなＥＭＡＴ１００及び光ファイバセンサ部２００を図７（ａ）（ｂ）に示すように配置し、第ｎ＋１列のＥＭＡＴ１００＿１〜１００＿４を順に発振させ、第ｎ列の光ファイバセンサ部２００＿１で計測した共振のＳＮ比を図８に示す。図７（ｂ）は図７（ａ）の第ｎ列に相当する部分の断面図である。第ｎ列と第ｎ＋１列との間隔は、配管４００の外径長さφとなっている。ＥＭＡＴ１００＿１〜１００＿４は、それぞれ、光ファイバセンサ部２００＿１からみて円周方向に、０°、４０°、９０°、１３５°ずれた位置に設けられている。また、ＥＭＡＴ１００及び光ファイバセンサ部２００を本実施形態によるＥＭＡＴ１及び光ファイバセンサ部２に置き換えて、同様の計測を行った結果も図８に示す。

図８から、本実施形態によるＥＭＡＴ１を用いることで、光ファイバセンサ部２からみて軸方向にφ、円周方向に９０°ずれた箇所のＥＭＡＴ１により励起された超音波信号を十分なＳＮ比で計測できることがわかる。一方、比較例によるＥＭＡＴ１００では、配管４０の厚さ方向に沿った磁場が発生するため、共振のＳＮ比を高めることができない。

このように、本実施形態によれば、１つの光ファイバセンサ部２で、グループ化された、軸方向±φ、円周方向±９０°の領域に位置するＥＭＡＴ１による共振信号を検出することができる。光ファイバセンサ部２を、複数のＥＭＡＴ１に対し１つ準備すればよいため、材料劣化診断装置の設置コストを削減することができる。

上記実施形態において、ＥＭＡＴ１は、配管減肉管理規格で規定される測定点に設置することが好ましい。配管減肉管理規格では、配管のサイズが１５０Ａ（外径：約１６５ｍｍ）以上の場合は円周方向に８箇所（４５°間隔）の測定点、配管のサイズが１５０Ａ未満の場合は円周方向に４箇所（９０°間隔）の測定点を設けることが規定されている。また、配管の軸方向は、配管の外径長さ以下の間隔で測定点を設けることが規定されている。

上記実施形態では、永久磁石１１が円筒型磁石１１Ａ、及び円筒型磁石１１Ａの内部に設けられた円柱型磁石１１Ｂを備えていたが、図９（ａ）（ｂ）に示すように、円筒型磁石１１Ａに代えて、複数の直方体磁石１１Ｃを円周状に配置した構成にしてもよい。図９（ａ）は上面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のII−II線に沿った断面図である。複数の直方体磁石１１Ｃと円柱型磁石１１Ｂの磁化方向が反対向きになり、配管４０表面方向に沿った磁場を発生させることができる。ＥＭＡＴ１から離れた位置に設けられた光ファイバセンサ部２において共振信号を精度良く検出することができるため、複数のＥＭＡＴ１に対し光ファイバセンサ部２を１つ設ければよく、材料劣化診断装置の設置コストを削減することができる。

また、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、円筒型磁石１１Ａと円柱型磁石１１Ｂとの間にアモルファス合金などの高透磁率材料１１Ｄを設けるようにしてもよい。図１０（ａ）は上面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のIII−III線に沿った断面図である。高透磁率材料１１Ｄを設けることで、配管４０表面方向に沿ってさらに強い磁場を発生させることができる。

また、永久磁石１１がハルバッハ配列となるようにしてもよい。例えば、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、円筒型磁石１１Ａと円柱型磁石１１Ｂとの間に、磁石の内側から外側又は外側から内側に磁場が向くように磁化させた円筒型磁石１１Ｅを設けてもよい。図１１（ａ）は上面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のIV−IV線に沿った断面図である。このような構成にすることで、永久磁石１１の外径を増やさずに、配管４０表面方向に沿った磁場を約２倍に増強させることができる。

また、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、図１１（ａ）（ｂ）に示す構成から円筒型磁石１１Ａを省略して、構造を単純化させてもよい。図１２（ａ）は上面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。

上記実施形態では、光ファイバセンサ部２を配管４０とＥＭＡＴ１との間に設けていたが、図１３に示すように、光ファイバセンサ部２をＥＭＡＴ１とは独立に配置してもよい。例えば、配管４０の軸方向に隣接するＥＭＡＴ１の中間点に光ファイバセンサ部２を配置する。光ファイバセンサ部２は、この光ファイバセンサ部２からみて、軸方向±φ、円周方向±９０°の領域に位置するＥＭＡＴ１による共振信号を検出する。

以上説明した少なくともひとつの実施形態又は変形例によれば、材料劣化診断装置の設置コストを削減することができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ＥＭＡＴ
２光ファイバセンサ部
３光源
４光干渉計
５計測・制御部
６波形信号発生器
７アンプ
１１永久磁石
１２電気コイル
２１光ファイバ
４０配管

Claims

金属製材料の表面に設けられた発振子と、
前記金属製材料の表面に設けられた光ファイバと、
前記金属製材料中の振動に応じた前記光ファイバを透過する光の変動を電気信号に変換する光干渉計と、
前記電気信号に基づいて前記金属製材料の厚さを算出し、前記金属製材料の劣化度を判定する計測・制御部と、
を備え、
前記発振子は、電気コイル、及び前記電気コイル上に設けられ、前記金属製材料の表面方向に沿った磁場をかける磁石を有し、
前記光干渉計は、前記発振子により励起された振動に応じた前記光ファイバを透過する光の変動を電気信号に変換することを特徴とする材料劣化診断装置。
前記磁石は、
円筒型磁石と、
前記円筒型磁石の内部に設けられた円柱型磁石と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の材料劣化診断装置。
前記円筒型磁石と前記円柱型磁石との間に高透磁率材料が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の材料劣化診断装置。
前記磁石はハルバッハ配列磁石であることを特徴とする請求項１に記載の材料劣化診断装置。
ｘ個（ｘは１以上の整数）の前記光ファイバと、ｙ個（ｙはｙ＞ｘを満たす整数）の前記発振子と、を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の材料劣化診断装置。
金属製材料の表面に、光ファイバを挟んで、又は直接設けられる電磁超音波発振子であって、
電気コイル、及び前記電気コイル上に設けられ、前記金属製材料の表面方向に沿った磁場をかける磁石を有することを特徴とする電磁超音波発振子。
金属製材料の表面に設けられ、前記金属製材料の表面方向に沿った磁場をかける磁石を含む第２発振子と、前記金属製材料の表面に設けられた光ファイバと、を用いた材料劣化診断方法であって、
前記発振子により前記金属製材料中に振動を励起する工程と
前記振動に応じた前記光ファイバを透過する光の変動を電気信号に変換する工程と、
前記電気信号に基づいて、前記発振子の設置位置に対応する前記金属製材料の厚さを算出する工程と、
を備える材料劣化診断方法。