JP2016045169A - ねじ部の欠損評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】螺合した状態のねじ部の欠損を評価することが可能な雌ねじ部の欠損評価方法を提供する。【解決手段】評価対象となるねじ部を備えた螺合部材内を通り、当該螺合部材のねじ部の表面にて反射した超音波によりエコー強度を測定した対象ねじ部エコー強度と、欠損度合いが互いに異なる複数のねじ部を示すエコー強度と前記欠損度合いとが対応付けられたグラフが示すマスターカーブと、に基づいてねじ部の欠損を評価する。【選択図】図７

Description

本発明は、螺合されているねじ部の欠損評価方法に関する。

従来より、レーザ光のねじ山への照射及びその反射光の検出を行うレーザセンサと、レーザセンサを昇降させる昇降機構と、レーザセンサから送られてくる信号に基づいてねじ山の欠けの有無を判定する判別部とからなるねじ山の欠け検出装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。

特開２００６−７１３０３号公報

上記ねじ山の欠け検出装置は、レーザ光を直接ねじ山に照射するものであるため、対象となるねじ山は外部に露出していなければならない。このため、欠けの検出対象となるねじが螺合されている場合には、ねじを外さなければならない。

また、内部蒸気が高温高圧であり、経年により劣化しやすい蒸気タービン主要弁などの弁室に用いられる植え込みボルト及び植え込み部のねじ部は、高温高圧蒸気が漏洩しないように、その健全性を確認する必要があるが、上記のねじ山の欠け検出装置を使用する場合には、螺合されているねじ部を外して露出させた雌ねじ部の再取り付け後の安全性確認に多大な時間と労力を費やさなければならないという課題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、螺合した状態のねじ部の欠損を評価することが可能な雌ねじ部の欠損評価方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明のねじ部の欠損評価方法は、評価対象となるねじ部を備えた螺合部材内を伝搬し、当該螺合部材のねじ部の表面で反射した超音波によりエコー強度を測定した対象ねじ部エコー強度と、欠損度合いが互いに異なる複数のねじ部を示すエコー強度と前記欠損度合いとが対応付けられたグラフが示すマスターカーブと、に基づいてねじ部の欠損を評価することを特徴とするねじ部の欠損評価方法である。

このようなねじ部の欠損評価方法によれば、エコー強度の測定に用いる超音波は、螺合部材と外部、例えば空間や、隣接する他の部材との境界となるねじ部の表面で反射するので、螺合部材内を伝搬し、評価対象となるねじ部の表面にて反射した超音波により対象ねじ部エコー強度を測定することにより、評価対象となるねじ部を外部に露出させることなく、より正確にエコー強度を測定することが可能である。このため、螺合した状態のねじ部であっても螺合を外すことなく対象ねじ部エコー強度を測定できるので、容易に、かつ短時間に測定することが可能である。

また、欠損度合いが互いに異なる複数のねじ部を示すエコー強度と欠損度合いとが対応付けられたグラフが示すマスターカーブと、対象ねじ部エコー強度と、に基づいてねじ部の欠損を評価するので、評価対象となるねじ部のエコー強度を測定するだけで、評価対象となるねじ部の欠損を容易に評価することが可能である。

かかるねじ部の欠損評価方法であって、前記マスターカーブは、欠損度合いが互いに異なる複数種類のねじ山の断面が各々直線状に連なるように形成された模擬ねじ部を測定した模擬ねじ部エコー強度と各々の前記模擬ねじ部の欠損度合いとを対応付けた模擬ねじグラフ、および、互いにサイズが異なり欠損のない健全な前記ねじ部のエコー強度を測定した健全ねじ部エコー強度に基づいて求められ、前記模擬ねじグラフをねじ部の曲率に基づいて補正する補正係数、に基づいて生成されることが望ましい。

このようなねじ部の欠損評価方法によれば、模擬ねじは、欠損度合いが互いに異なるねじ山の断面が直線状に連なるように形成されているので、欠損度合いが互いに異なるねじ山をより正確に形成することが容易である。そして欠損度合いをより正確に、互いに異ならせて形成された模擬ねじ部のエコー強度を測定するので、湾曲したねじ山が欠損した状態を測定する場合より安定した数値が得られやすい。このため、欠損度合いが互いに異なるねじ山のエコー強度をより正確に測定することが可能である。

また、サイズが互いに異なるねじ部は、欠損のない健全な状態でエコー強度を測定するので、サイズによるエコー強度の相違がさらに正確に現れる。このため、サイズの相違、すなわち曲率の相違によるエコー強度への影響をより明確に把握することが可能であり、より正確な補正係数を求めることが可能である。
そして、より正確な補正係数によりグラフとねじ部の曲率とが対応づけられたマスターカーブを用いてねじ部の欠損が評価されるので、より正確な評価結果を得ることが可能である。

かかるねじ部の欠損評価方法であって、前記エコー強度は、アレイ探触子を用いて測定することが望ましい。
このようなねじ部の欠損評価方法によれば、アレイ探触子により一度に広い範囲のエコー強度を測定できるので、より早くねじ部の欠損を評価することが可能である。

かかるねじ部の欠損評価方法であって、前記エコー強度は、測定対象となる前記ねじ部の、欠損のない健全な状態における表面と直交する方向から伝搬された前記超音波により測定されることが望ましい。

このようなねじ部の欠損評価方法によれば、欠損のない健全な状態におけるエコー強度を最大値として欠損したねじ部のエコー強度を比較することができるので、より明確な評価をすることが可能である。

かかるねじ部の欠損評価方法であって、評価対象となる前記ねじ部は、雌ねじである。 このようなねじ部の欠損評価方法は、孔などの内側に形成されて表面側からは測定および確認がし難い雌ねじに特に適している。

本発明によれば、螺合した状態のねじ部の欠損を評価することが可能な雌ねじ部の欠損評価方法を提供することが可能である。

本発明に係るねじ部の評価方法において対象ねじ部エコー強度を測定する状態を示す斜視図である。 アレイ探触子の取付面の相違によるエコー強度への影響を示す図である。 健全なねじ部と欠損したねじ部とのエコーの反射状態の相違を示す図である。 健全なねじ部と欠損したねじ部のエコー強度がマッピングされて示された例を示す図である。 試験片の欠損状態とエコー強度との関係を示す図である。 ねじ部の曲率とエコー強度との関係を示す図である。 生成されたマスターカーブを示す図である。

以下、本発明の一実施形態について図を用いて説明する。
本実施形態では、蒸気タービン主要弁などに用いられる植え込みボルトが螺合されているねじ部の欠損を評価するねじ部の欠損評価方法をについて説明する。

本実施形態のねじ部の欠損評価方法は、植え込みボルトが螺合されているねじ部としての雌ねじに対して、発信した超音波が雌ねじにおいて外部との境界にて反射した超音波の強さを示す対象ねじ部エコー強度を測定した測定値と、予め生成しておいたマスターカーブとに基づいてねじ部の欠損を評価する。ここで、植え込みボルトが螺合されている雌ねじが評価対象となるねじ部であり、この雌ねじを備えた部材が螺合部材に相当する。

雌ねじの対象ねじ部エコー強度は、図１に示すように、植え込みボルト１が螺合されている雌ねじ２ａを備えた螺合孔２ｂを有する本体２（螺合部材）の、螺合孔２ｂの近傍に、複数の振動子が配列されたアレイ探触子３を取り付けて測定する。尚、図１においては、評価対象となる雌ねじが植え込みボルト１により隠れているため、隣接する螺合孔２ｂの雌ねじ２ａに符号を付している。

アレイ探触子を用いた測定は、超音波を用いて物体内部の傷等を検査する、所謂、超音波探傷試験のフェイズドアレイ法と同じ原理である。具体的には、振動子により発信され、アレイ探触子３が取り付けられた本体２内を伝搬し、雌ねじ２ａの表面（外部との境界）にて反射した超音波のエコーをアレイ探触子３にて受信し電気信号に変換して、コンピュータ等により演算することにより、雌ねじ２ａの欠損状態に応じた値として対象ねじ部エコー強度が測定され、また、その結果が表示される。

このとき、欠損がない健全な雌ねじの表面（フランク）にて反射したエコーのエコー強度が最大となるように、表面に対して直交する方向から超音波を発信する。また、アレイ探触子３の取り付け面には錆が発生している場合があり、図２に示すように、取り付け面に研磨を施す前のエコー強度が研磨後のエコー高さより低いことから、アレイ探触子を取り付ける際には、取り付け面の錆やスケールなどを除去すべく研磨などの表面処理を施すことが望ましい。

より具体的には、取り付けたアレイ探触子から、欠損のない健全な状態の雌ねじの表面と直交する方向から超音波を発信することにより、図３に示すように、健全な雌ねじ部では発信したアレイ探触子に跳ね返すようにエコーが反射し、欠損部では欠損状態に合わせて、発信したアレイ探触子の方向と異なる方向にエコーが反射する。ここで、雌ねじの一般的なねじ山の角度は６０度（フランク角３０度）であり、雌ねじが形成されている螺合孔が形成されている面等に垂直にねじ加工されていることから、加工されている孔の貫通方向に対し入射角度を３０度にすると測定面（フランク）に垂直に超音波を入射出する事が可能である。

このときアレイ探触子を用いることにより、瞬時に幅広い領域、すなわち複数のねじ山のエコー強度を測定することが可能であり、また、演算処理して、より早くマッピングし色の相違として表示することが可能である。図４は、健全なねじ部および欠損したねじ部にて測定したエコー強度をマッピングして示しており、図４の例では、エコー強度の相違が、色の濃淡により表されている。図４に示す反射エコー図は、上段が健全な雌ねじの複数のねじ山における反射エコー強度をマッピングして示しており、各ねじ山の頂部に相当する位置の色が淡く、ねじ山の谷部に相当する位置の色が濃くなっている。このように濃度の変化が現れていることからねじ山が高く突出していることが把握できる。一方、下段は、欠損させた試験片（雌ねじ）の複数のねじ山における反射エコー強度をマッピングして示しており、頂部に相当する位置であっても色が濃く現れている。このように濃度の変化が現れていないことからねじ山の高さが低く、頂部が欠損していることが視覚的に把握できる。このような濃度の相違により測定した雌ねじの、健全な雌ねじに対する欠損度合いを把握することができる。

測定した対象ねじ部エコー強度は、前述したようにマスターカーブに基づいて定量的に評価される。ここでマスターカーブは、以下のようにして予め生成されている。

マスターカーブを生成するには、まず、評価対象となるねじの健全な状態と同じフランク角度をなす試験片および評価対象となるねじの欠損度合いが互いに相違する複数の試験片（模擬ねじ）を形成する。このとき形成する試験片は、円柱状の部材の外周や孔の内周に設けるような螺旋状をなすものではなく、健全なねじ山や欠損したねじ山の断面が直線状に連なるように形成されている。

これらの試験片に対し、前述したアレイ探触子を用いて各々の模擬ねじ部エコー強度を測定する。本実施形態においては、欠損のない健全なねじ山を残ねじ山率１００％とし、残ねじ山率６２％および残ねじ山率２８％の試験片を用いて模擬ねじ部エコー強度を測定している。エコー入射角３０度にて測定した試験片の模擬ねじ部エコー強度は、図５に示す通りである。

試験片は、ねじ山の断面が直線状に連なるように形成されており、実際の雄ねじや雌ねじのように湾曲していない。これに対し、アレイ探触子から発信される超音波は３次元的に広がっていくので、同一の残ねじ山率のねじ部であっても、試験片を測定した模擬ねじ部エコー強度と実際の雄ねじや雌ねじを測定した対象ねじ部エコー強度とは測定値が相違する。

また、雄ねじ及び雌ねじはサイズによって湾曲率が相違する。すなわち、雄ねじや雌ねじは、健全な状態であっても、雄ねじが形成されているボルト等の外径または雌ねじが形成されている孔の内径によってエコー強度が相違する。このため、試験片を測定した模擬ねじ部エコー強度に基づいてねじ部の欠損を評価すると誤差が生じて正確な評価結果が得られない。

そこで、試験片を測定した模擬ねじ部エコー強度を、螺旋状に形成される雄ねじ及び雌ねじに対応させるために、互いにサイズが異なる健全なねじ部のエコー強度（健全ねじ部エコー強度）を測定し、サイズすなわち曲率と健全ねじ部エコー強度との相関を調べ、試験片を測定した模擬ねじ部エコー強度を雄ねじ及び雌ねじのエコー強度に対応させるための補正係数ｙを求めることとした。

補正係数ｙの求め方は、まず、ねじ山が健全な試験片、及び、呼び径がＭ８０、Ｍ５２、Ｍ２４を用い、各々の健全ねじ部エコー強度を測定してグラフ化する。グラフ化した結果を図６に示している。このグラフを示す関数（補正式）を求めることにより、曲率による補正係数ｙが（式１）のように求められる。
ｙ：補正係数
ｒ：ねじ半径［ｍ］
求められた補正係数ｙを、試験片を測定した模擬ねじ部エコー強度に加味することにより、ボルトサイズまたは雌ねじ孔の径に対する曲率による誤差が補正される。

次に、蒸気タービン車室に用いられている複数の植え込みボルトについて、エコー強度を測定し、図７に示すように横軸を欠損度合い、縦軸をエコー強度とするグラフを生成する。図７に示すように、実機において欠損度合いとエコー強度とに相関が認められ、信頼性も確保された。

次に、図７のグラフを評価の基準となるマスターカーブとし、雌ねじ部の欠損を評価する。たとえば、評価対象の植え込みボルトにおける製造メーカの取り替え推奨値として、「残ねじ山率７０％」が示されている場合には、マスターカーブから残ねじ山率７０％のときの、ねじ山のエコー強度を読み取る。図７の場合には、残ねじ山率７０％のときに、ねじ山のエコー強度が約５５％となることが示されている。すなわち、評価対象の雌ねじの対象ねじ部エコー強度を測定した際に、５５％より大きな値であった場合には、製造メーカの取り換え推奨値に達していないことが確認でき、５５％以下の値であった場合には、製造メーカの取り換え推奨値に達していることが確認できる。

また、上記評価結果に基づいて、植え込みボルトを継続して使用するか否かの判定基準を設定することも可能である。例えば、測定した対象ねじ部エコー強度が５５％より大きい場合には継続して使用可能と判断し、対象ねじ部エコー強度が４０％より大きく５５％以下の場合には、経過観察と判断し、４０％未満の場合には抜き取って検査すべきとの判断する、等の基準を設定することが可能である。

本実施形態のねじ部の欠損評価方法によれば、欠損の評価に用いるエコー強度は、螺合部材内を伝搬し、評価対象となるねじ部において外部との境界にて反射したエコーにより測定するので、外部に露出していないねじ部であっても評価することが可能である。すなわち、螺合した状態のねじ部であっても対象ねじ部エコー強度を測定できるので、螺合されている部位を外すことなく評価することが可能である。このため、容易に、かつ短時間に対象ねじ部エコー強度を測定して評価することが可能である。このとき、超音波は、測定対象の螺合部材と外部、例えば空間や、隣接する他の部材との境界で反射するので、正確にねじ部の欠損状態を測定することが可能である。

また、欠損度合いを互いに異ならせて形成した複数の模擬ねじ部の模擬ねじ部エコー強度と欠損度合いとを対応付けたマスターカーブと、対象ねじ部エコー強度と、に基づいてねじ部の欠損を評価するので、評価対象となるねじ部のエコー強度を測定するだけで、評価対象となるねじ部の欠損状態を容易に把握することが可能である。

また、マスターカーブは、欠損度合いが互いに異なるねじ山の断面が各々直線状に連なるように形成された試験片のエコー強度を測定して得られた模擬ねじ部エコー強度なので、欠損度合いが互いに異なるねじ山を容易にかつより正確に形成することが可能である。すなわち、直線状に連なるねじ山でなる試験片のエコー強度を測定するので、湾曲したねじ山が欠損した状態を測定するより安定した数値が得られやすいため、より正確に測定することが可能である。

また、サイズが互いに異なるねじ部は、欠損のない健全な状態でエコー強度を測定するので、サイズによるエコー強度の相違がより正確に現れる。このため、サイズの相違、すなわち曲率の相違によるエコー強度への影響をより明確に把握することが可能であり、より正確な補正係数を求めることが可能である。そして、より正確な補正係数により図５に示すグラフとねじ部の曲率とが対応づけられた、図７に示すマスターカーブを用いてねじ部の欠損が評価されるので、より正確な評価結果を得ることが可能である。

上記実施形態においては、評価対象となるねじ部を、孔の内周側に設けられ、表面側からは測定および確認がしにくい雌ねじとしたが、これに限るものではない。例えば、ボルト内を伝搬した超音波により雄ねじの表面にて反射した反射エコーの強度を測定して、雄ねじの欠損を評価しても構わない。また、上記実施形態においては、螺合している螺合部材を例に挙げて説明したが、必ずしも螺合していなくとも良い。

上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。

１ 植え込みボルト
２ 本体(螺合部材)
２ａ 雌ねじ
２ｂ 螺合孔
３ アレイ探触子

Claims (5)

1. 評価対象となるねじ部を備えた螺合部材内を伝搬し、当該螺合部材のねじ部の表面で反射した超音波によりエコー強度を測定した対象ねじ部エコー強度と、
   欠損度合いが互いに異なる複数のねじ部を示すエコー強度と前記欠損度合いとが対応付けられたグラフが示すマスターカーブと、
   に基づいてねじ部の欠損を評価することを特徴とするねじ部の欠損評価方法。
2. 前記マスターカーブは、
   欠損度合いが互いに異なる複数種類のねじ山の断面が各々直線状に連なるように形成された模擬ねじ部を測定した模擬ねじ部エコー強度と各々の前記模擬ねじ部の欠損度合いとを対応付けた模擬ねじグラフ、および、
   互いにサイズが異なり欠損のない健全な前記ねじ部のエコー強度を測定した健全ねじ部エコー強度に基づいて求められ、前記模擬ねじグラフをねじ部の曲率に基づいて補正する補正係数、
   に基づいて生成されることを特徴とする請求項１に記載のねじ部の欠損評価方法。
3. 前記エコー強度は、アレイ探触子を用いて測定することを特徴とする請求項１または２に記載のねじ部の欠損評価方法。
4. 前記エコー強度は、測定対象となる前記ねじ部の、欠損のない健全な状態における表面と直交する方向から伝搬された前記超音波により測定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のねじ部の欠損評価方法。
5. 評価対象となる前記ねじ部は、雌ねじであ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ねじ部の欠損評価方法。