JP2016511413A - 表面形状が不明な部品の超音波検査 - Google Patents

Abstract

ボルト頭部の、表面形状にばらつきがあるか不明である穴を介してボルトの非破壊体積検査を行う方法。この方法は最初に、ボルトの穴の表面形状をフェイズドアレイ超音波走査により突き止める。この最初の走査の結果を用いて第２の走査のフォーカルロウを設定し、体積検査を行う。【選択図】図４

Description

本実施態様は概して形状が不明な部品の非破壊検査に関し、具体的には、高経年化した原子炉におけるボルトの検査に関する。

商用原子力発電炉の運転者が経年劣化管理計画を実施するにあたって、一般的に超音波検査法を用いた体積検査によって特定のボルトの健全性を確認する必要性が生じている。超音波振動を利用した非破壊検査装置の使用については広く知られている。一般的に、電気パルスによって励起される圧電結晶に代表される超音波振動素子は、試験対象物の表面上に配置するか、または、試験対象物との間に、その表面と超音波振動素子の境界面とに形状がぴったり合うように設計されたウェッジを介在させる。一実施態様では、振動素子が超音波信号の送信とエコーの受信を交互に行う。圧電結晶はエコーの振動を変換して電気信号に戻し、制御装置による解析を可能にする。制御装置は、解析した信号を記録および／または表示することができる。試験対象物の内部構造にばらつき（例えば試験対象の金属部材の亀裂）がある場合、超音波振動素子と制御装置は、亀裂の位置と規模を示す画像を提供することができる。しかし、超音波振動素子と制御装置とには、画像の正確さに影響を与える制約がある。例えば、超音波振動素子は一般的に、試験対象物と係合する接触面を有する。この接触面は断面積が０．５０平方インチ（３．２３平方センチメートル）ほどのことがある。超音波ビームが確実に表面に進入し反射しないようにするには、超音波振動素子が試験対象物に係合する接触面がほぼ平坦であるのが望ましい。また試験対象物が、超音波振動素子の実質的に接触面全体に係合するのが望ましい。この構成にすると、超音波とエコーの進行距離を求めることができ、制御装置は、試験対象物の内部構造を実質的に正確に表現できる可能性がある。しかし、試験対象物の表面が平坦でない場合、信号・応答時間が影響を受け、制御装置による試験対象物の内部構造の表現が不正確になる可能性がある。

あいにく、商用原子炉で使用されるボルトの一部（例えばＡＮＳＩＢ １８．３に基づく六角穴付きねじ）は、穴の形状に大きなばらつきが許されている。さらに場合によっては、図１、２に示すように、ボルトゆるみ止めが使用されているため、ボルト表面のうち穴にしかアクセスできない構成になっている。図１は、原子炉構成機器１８の埋込穴１６に螺合する、円筒部１２とボルト頭部１４とを有する六角穴付きねじ１０の断面を示す。ボルト１０の頭部１４の中央には六角穴２０があり、この穴はボルトにより大きなばらつきがある。例えば、円錐角２２にばらつきのある可能性があり、また、穴２０の底の下隅部と中心部に平坦なところや肉盛り部２６があるかもしれない。図２は、六角穴２０を有し、ゆるみ止め２８に取り囲まれたボルト頭部１４の平面図である。当該ゆるみ止めは、仮付け溶接３０によって、ボルト頭部１４と原子炉構成機器１８との両方に固着されている。図２は、一部のボルト１０の体積検査を行うためにアクセス可能な比較的狭い領域を示している。

超音波検査法を適用するには、検査対象物の形状を理解する必要があり、そうして初めて、部品の完全な検査と反射信号の正しい解析が可能となる。図１、２に示したタイプのボルトを従来の超音波技術を用いて検査する先行技術の試みは、同じ組立体のボルトにさえ形状にばらつきがあるためうまく行っていない。原子炉のボルト締めされた或る特定の接合部の健全性を検証できないため、高い費用をかけてこれらのボルトを交換しなければならないこともある。

したがって、本発明の目的は、ボルト頭部の狭い領域しか目視できない状況で、ボルトを体積検査する改良型の非破壊検査法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、表面形状にばらつきのあるボルト向けにかかる超音波検査法を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、ボルトの表面形状が実質的に不明な場合でも有効に使用できる超音波検査法を提供することである。

前述の目的は、取付け具に固定され、頭部の穴の表面形状が不明かばらつきのあるボルトボルトを、当該表面が水に覆われた状態で非破壊検査する後述の方法によって達成できる。この方法は、ボルト頭部の上方の水中または水上にフェイズドアレイ超音波振動素子を、ビーム放射側の端部をボルト頭部に向けて配置するステップを含む。次にこの方法は、ビームを変化させる複数の組み合わせの制御パラメータを用いてフェイズドアレイ超音波ビームを走査し、ボルトの体積領域からの反射ビームまたは屈折ビームを監視する。さらにこの方法は、反射ビームまたは屈折ビームの監視結果からボルト頭部の表面形状を突き止め、先行ステップで突き止めた表面形状に対して最適化されたビームを生成する組み合わせの制御パラメータを用いてフェイズドアレイを調節する。次に、最適化されたビームを用いてボルトの体積走査を行うことにより、ボルトの欠陥を見つける。

ボルトの音波ビーム入射点は前記穴の中にあり、前記走査ステップおよび監視ステップは同じ振動素子を用いて行われるのが好ましい。当該振動素子は超音波振動素子リニアアレイであり、前記走査ステップは、前記ボルトの表面をビーム掃引する際に前記ビームの入射角を変化させるステップを含むのが望ましい。ボルト表面をビームで掃引する際に、ボルト中心線の周りで入射角を変化させるのが望ましい。ボルトの表面形状は、強度が最大の反射超音波信号から突き止めるのが好ましい。

一実施態様では、フェイズドアレイ超音波振動素子を調節するステップにおいて、複数の振動素子のうちいずれの素子を作動させるか、また、振動素子を作動させる順序を決める。前記走査ステップは、ボルト中心線の周りでフェイズドアレイ超音波振動素子を３６０度回転させるステップを含むのが望ましい。さらに、前記調節ステップは、先行ステップで突き止めた表面形状に基づいて、最適化されたビームを生成する制御パラメータを計算するステップを含むのが好ましい。

本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。

埋込穴に六角穴付きねじが挿入された原子炉構成機器の一部を示す断面図である。

図１に示すねじの頭部の平面図である。このねじは、原子炉容器構成機器の一部に仮付け溶接されたゆるみ止めに拘束されている。

本発明の好ましい実施態様に適用可能なフェイズドアレイ超音波検査装置の概略図である。

ボルトの穴の表面形状を特定するために穴の表面を走査するリニアアレイ超音波プローブの概略図である。

ボルトの穴の表面を走査した結果を示すグラフである。

１４０度の円錐角を有するボルトの表面形状を特定し、適切なフォーカルロウを設定した後に、同ボルトを体積走査した結果を示すグラフである。

１７０度の円錐角を有するボルトの表面形状を特定し、適切なフォーカルロウを設定した後に、同ボルトを体積走査した結果を示すグラフである。

超音波検査などの非破壊評価法は当技術分野で周知である。一般的には、１つ以上の振動素子を使用して検査対象の構造物に高周波数の音波を当てる。振動素子は一般的に、構造物に超音波を導入するため電圧によって励起される圧電結晶素子から成る。音波が、その伝搬媒質とはインピーダンスが有意に異なるもの（空隙、亀裂、その他の欠陥など）と相互作用すると、音波の一部が反射または回折して音源の方へ戻ってくる。戻ってきた音波を検出し、定量評価すると、反射媒体の特性が明らかになる。超音波検査の概念、特にフェイズドアレイ超音波技術については、「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」と題する書籍（Ｍｉｃｈａｅｌ Ｄ． Ｃ． Ｍｏｌｅｓ他著、Ｒ＆ＤＴｅｃｈ， Ｉｎｃ．、２００４年）に詳しい説明がある。

フェイズドアレイ超音波技術は、従来の超音波振動素子によるシングルエレメントプローブとは対照的に、マルチエレメントプローブの個々の素子をコンピュータ制御により励起（振幅、遅延など）するものである。圧電複合素子を励起することによって集束超音波ビームが生成されるが、ソフトウェアによって角度、焦点距離、焦点などのビームパラメータを変化させることが可能である。したがって、ビームを対象領域に対して「操作」（差し向けるなど）することにより亀裂やその他の欠陥を探すためのビーム散乱パターンを、コンピュータ制御により実現できる。

図３に示すのは、本実施態様に適用できるフェイズドアレイ超音波検査装置３２である。図３の例では、当該装置３２は、制御システム３６と通信関係にある１つ以上の超音波振動素子またはプローブ３４を含んでおり、当該制御システムは、プローブ３４から放射された超音波ビーム３８、４０を操作できるようになっている。なお、ここでいう「操作」は、超音波ビーム（例えば図２のビーム３８、４０）を制御するまたは差し向ける能力の意味である。このようにして、システム５０は、単一のプローブまたは振動素子３４と、振動素子３４を検査対象物４８に結合するための単一のウェッジ４６とを用いて、単一のプローブ取付け領域４４から対象物の拡張領域４２を検査できる効率的な方法を提供する。

プローブ３４のビームパラメータは、制御システム３６によって制御される。典型的な制御システム３６は、コンピュータ５０およびコントローラ５２を含む。コントローラ５２は、プローブ３４を操作できる周知のまたは適切なフェイズドアレイプローブ制御装置である。具体的には、コンピュータ５０は、所定のフォーカルロウ一式に従ってプローブ３４を操作するようにコントローラ５２をプログラミングするためのソフトウェアを含む。操作については、検査対象物４８の所望の箇所を検査するべくプローブ３４が所定のフォーカルロウに従って制御されるようにコントローラ５２をプログラミングするために、プローブ３４のフォーカルロウを集合的に構成する角度、焦点距離、焦点などのビームパラメータを、コンピュータ５０により入力し変更することができる。限定的ではない一例として、ＩｎｔｒａＰｈａｓｅの販売名で市販のフェイズドアレイプローブコントローラが知られているが、その販売元はＷｅｓＤｙｎｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（米国ペンシルベニア州所在のウェスチングハウス・エレクトリック・カンパニーＬＬＣの子会社）である。

図４に示すのは、検査対象のボルト１０の上方に配置されたシングルリニア超音波振動素子フェイズドアレイ３４である。様々な図面の中で、対応する構成要素を特定するために同様の参照符号を使用している。図２に示すように、ボルトの頭部１４を取り囲むゆるみ止め３０は仮付け溶接３０によってボルト頭部および原子炉構成機器に固着されているため、実際的にボルトを検査できる唯一の領域は六角穴２０である。この六角穴の表面形状は、前述のようにばらつきが大きいため、一般的には不明である。したがって、本実施態様では、参照符号５４で抽象的に示す水の中で検査が行われる。ここで、六角穴の形状にぴったり合うウェッジを形成するのは実際的ではないため、ウェッジの代わりに水を超音波エネルギーの結合媒質として使用する。超音波アレイは、入射角が図示のようにボルト中心線５６の周りで変化（掃引）するビーム３８、４０を発生するようにプログラミングされている。ボルト表面をビームで掃引すると、ビームがボルト表面に垂直な時に反射超音波の強度が最大になる。図５に示すのは、ボルトの穴の表面を走査して得た受信信号のグラフである。穴の円錐角２２（図１に示す）は、２つの応答ピーク間の角変位を測定することによって求めることができる。原則として、表面が平坦なボルトは反射が１回であり、円錐の底の面が平坦なボルトは反射が３回になりうる。

第１の実施態様では、最初に、六角穴２０の底の特徴的形状を突き止めるためにボルトを走査する。ボルトの体積検査のための最適化された音波ビームを生成するために、フェイズドアレイパラメータ、すなわちフォーカルロウを初期の表面走査で突き止めた穴の形状に基づき調節する。次に、新たなフォーカルパラメータを使用した走査によって、ボルトの体積検査を行う。一般的に、同じ振動素子を用いて走査を行う。このようにして、本実施態様に基づく初期走査で得られたボルトの表面形状の情報を用いて、後続の体積検査のための第２の走査で使用するフォーカルロウを計算する。表面形状を特定するための走査を行ったすぐ後に体積検査のための走査ができるように、第１の走査の結果に基づく計算を標準化または自動化することができる。

検査対象である特定のボルトのフォーカルロウを得た後に、そのフォーカルロウを用いて検査のための走査を行い、ボルト中心線の周りでプローブを３６０度回転させることにより、ボルトの全面的な体積検査を行う。

図６、７は、ボルトの検査用サンプルを超音波体積検査した結果のグラフ表示である。別の一実施態様では、第１の走査の結果が、コンピュータ画面から直接測定できる内径角度形状情報をオペレータに提供する。次に、測定された角度をフェイズドアレイデータ取得ソフトウェアに入力することにより、正しい内径形状情報に基づいて後続の走査を行うことができる。オペレータは、フォーカルロウの計算を実際に行う必要はない。

さらに別の実施態様では、オペレータは、前述の２つの実施態様におけるような、１回の走査でボルトの穴の内径形状を測定した後、測定された形状で補正される検査のための走査をプログラミングするのとは異なる操作を行う。第３の実施態様では、オペレータはフェイズドアレイシステムの１つの超音波検査（ＵＴ）チャンネルで内径ボルト形状を取得し、その他３つのチャンネルで欠陥を検出するために必要なデータを取得する。ここで、設定パラメータは、遭遇する可能性の高い様々な形状のボルトの所定の範囲を対象に、事前にプログラミングし、実行する。すなわち、第２のチャンネルは測定角が１５０度から１８０度のボルトを測定するように設定され、第３のチャンネルは測定角が１４０度から１４９度のボルトを測定するように設定され、第４のチャンネルは測定角が１２０度から１３９度のボルトを測定するように設定される。したがって、１回の走査が完了すると、４つのチャンネルのデータが得られる。オペレータは、第１のチャンネルで読み取った測定角の形状に基づいて、ボルトの状態を解析するためにその他３つのチャンネルのうちどれを選ぶべきかを決める。第３の実施態様では、オペレータがボルトを走査するのは１回だけでよい。

図６に示すのは、表面の形状を特定するための走査を行い、適切なフォーカルロウを適用した後に得た、円錐角が１４０度のボルトの走査結果である。参照符号５８は、ボルトの穴の表面による反射を表し、参照符号６０は、ボルトの頭部と円筒部との間の肉盛り部にある亀裂による反射を表す。図７に示すのは、表面の形状を特定し、適切なフォーカルロウを適用した後に得た、円錐角が１７０度のボルトの走査結果である。注目すべき点は、最初に表面の形状を特定してからその結果を利用してフォーカルロウを設定することにより、円錐角１７０度と１４０度の両方の検査用サンプルにおいて、音波入射面の方向に１５度の違いがあるにもかかわらず、頭部と円筒部との間の肉盛り部にある欠陥６０が同じように認識できることである。

本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。

Claims (10)

1. 取付け具（１８）に固定され、頭部（１４）の穴（２０）の表面形状が不明かばらつきのあるボルト（１０）を、当該表面が水（５４）で覆われた状態で非破壊検査する方法であって、
   当該ボルト（１０）の当該頭部（１４）の上方の水中または水上（５４）にフェイズドアレイ超音波振動素子（３４）を、ビーム放射側の端部を当該ボルト頭部に向けて配置するステップと、
   当該フェイズドアレイ（３４）の超音波ビーム（３８、４０）を、当該ビームを変化させる複数の組み合わせの制御パラメータを用いて走査するステップと、
   反射ビームまたは屈折ビーム（５８）を監視するステップと、
   当該反射ビームまたは屈折ビーム（５８）の監視結果から表面形状を突き止めるステップと、
   先行ステップで突き止めた表面形状に対して最適化されたビーム（３８、４０）を生成する組み合わせの制御パラメータで動作するように当該フェイズドアレイ（３４）を調節するステップと、
   当該最適化されたビーム（３８、４０）を用いて当該ボルトの体積走査を行うことにより、当該ボルト（１０）の欠陥を見つけるステップと
   から成る方法。
2. 前記ボルト（１０）の前記ビーム（３８、４０）の音波入射点が前記穴（２０）の中にある、請求項１の方法。
3. 前記走査ステップおよび監視ステップが同じ振動素子（３４）を用いて行われる請求項１の方法。
4. 前記振動素子（３４）が超音波振動素子リニアアレイである請求項１の方法。
5. 前記走査ステップが、前記ボルト（１０）の表面をビーム掃引する際に前記ビーム（３８、４０）の入射角を変化させるステップを含む、請求項１の方法。
6. ボルト中心線（５６）の周りで入射角を変化させる請求項５の方法。
7. 強度が最大の反射信号（５８）から表面形状を突き止める請求項６の方法。
8. フェイズドアレイ超音波振動素子（３４）を調節するステップにおいて、複数の振動素子のうちいずれの素子を作動させるか、また、振動素子を作動させる順序を決める、請求項１の方法。
9. 前記走査ステップが、前記ボルト中心線（５６）の周りで前記フェイズドアレイ超音波振動素子（３４）を３６０度回転させるステップを含む、請求項１の方法。
10. 前記調節ステップが、先行ステップで突き止めた表面形状に基づいて、前記最適化されたビーム（３８、４０）を生成する制御パラメータを計算するステップを含む、請求項１の方法。