JP2019184415A - 超音波探傷方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】拡散型の斜角探触子を用いるものの、被検体のねじ谷底側の部分に生じた欠陥からの反射波を特定することができる超音波探傷方法及び装置を提供する。【解決手段】拡散型の斜角探触子３は、胴体のフランジ１の上面に配置されて、中心軸１１の屈折角θがボルト穴２のフランク角αより小さくなるように設定された拡散型の超音波ビーム１０を送信する。超音波探傷方法は、斜角探触子３を移動して、斜角探触子３からの超音波ビーム１０の中心軸１１が到達する胴体のフランジ１のねじ谷底側部分の位置を変更する第１の手順と、ねじ谷底側部分の位置に応じて、その部分に欠陥が生じていると想定した場合に欠陥で反射されて斜角探触子３で受信される超音波の伝播時間ｔを演算し、この超音波の伝播時間ｔに対応するゲートを設定する第２の手順と、斜角探触子３で受信された超音波の振幅の経時変化を、ゲートと共に表示する第３の手順とを有する。【選択図】図９

Description

本発明は、被検体のねじ部の軸方向一方側の端面に配置された拡散型の斜角探触子を用いて、被検体のねじ谷底側の部分に欠陥が生じているかどうかを検査するのに好適な超音波探傷方法及び装置に関する。

第１の従来技術として、ボルトの端面に配置された拡散型の斜角探触子を用いて、ボルトのねじ山に欠陥（詳細には、割れ等の不連続部）が生じているかどうかを検査する超音波探傷方法がある（例えば特許文献１の図２等を参照）。

この方法では、斜角探触子は、ボルトの軸方向に対して斜めに拡散型の超音波ビームを送信しており、超音波ビームの中心軸の屈折角がボルトのフランク角（言い換えれば、ねじ山の中心線とねじ山の傾斜面との間の角度）と同じになるように設定されている。そして、ボルトのねじ山に欠陥が生じていなければ、フランク（言い換えれば、ねじ山の傾斜面）で反射された超音波が斜角探触子で受信される。一方、ボルトのねじ山に欠陥が生じていれば、フランクからの反射波が斜角探触子で受信されないか、若しくは、その振幅が小さくなる。したがって、フランクからの反射波の有無、若しくは、その振幅の大きさにより、欠陥が生じているかどうかを判断する。

第２の従来技術として、ボルトの端面に配置された集束型の斜角探触子を用いて、ボルトに欠陥が生じているかどうかを検査する超音波探傷方法がある（例えば特許文献１の図４等を参照）。

この方法では、斜角探触子は、ボルトの軸方向に対して斜めに集束型の超音波ビーム（言い換えれば、ビーム進行方向に沿ってビーム幅が縮小するもの）を送信しており、超音波ビームの中心軸の屈折角がボルトのフランク角より小さくなるように設定されている。そして、ボルトに欠陥が生じていれば、欠陥で反射された超音波が斜角探触子で受信される。一方、ボルトに欠陥が生じていなければ、欠陥からの反射波が斜角探触子で受信されない。したがって、欠陥からの反射波の有無により、欠陥が生じているかどうかを判断する。

特開２００２−５９０３号公報

原子力発電所では、定期検査時に、原子炉圧力容器の胴体から上蓋を取外して、胴体内の燃料棒の交換等の作業を行うと共に、種々の部位の検査を行う。その検査の一つとして、胴体のフランジのボルト穴の周辺部の検査がある。

詳しく説明すると、例えば、胴体のフランジの上面に配置された垂直探触子を用いて、胴体のフランジのねじ谷底側の部分（言い換えれば、ボルト穴の半径方向外側の部分）に欠陥が生じているかどうかを検査する。垂直探触子は、ボルト穴の軸方向に対して平行に超音波ビームを送信する。そして、胴体のフランジのねじ谷底側の部分に欠陥が生じていれば、欠陥で反射された超音波が垂直探触子で受信される。一方、胴体のフランジのねじ谷底側の部分に欠陥が生じていなければ、欠陥からの反射波が垂直探触子で受信されない。したがって、欠陥からの反射波の有無により、欠陥が生じているかどうかを判断する。

ここで、胴体のフランジの上面の凹凸を回避する等の理由から、上述した垂直探触子に代えて、拡散型の斜角探触子を用いたい場合がある。この斜角探触子は、ボルトの軸方向に対して斜めに拡散型の超音波ビーム（言い換えれば、ビーム進行方向に沿ってビーム幅が拡大するもの）を送信する。この場合、胴体のフランジのねじ谷底側の部分に欠陥が生じていれば、欠陥で反射された超音波が斜角探触子で受信される。しかし、集束型の斜角探触子を用いる場合とは異なり、ボルト穴のフランクで反射された超音波も斜角探触子で受信される。そのため、フランクからの反射波と識別して、欠陥からの反射波を特定する必要がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、拡散型の斜角探触子を用いるものの、被検体のねじ谷底側の部分に生じた欠陥からの反射波を特定することができる超音波探傷方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、代表的な本発明は、被検体のねじ部の軸方向一方側の端面に配置された拡散型の斜角探触子を用いて、前記被検体のねじ谷底側の部分に欠陥が生じているかどうかを検査する超音波探傷方法であって、前記斜角探触子は、中心軸の屈折角が前記ねじ部のフランク角より小さくなるように設定された拡散型の超音波ビームを送信しており、前記斜角探触子を移動して、前記斜角探触子からの超音波ビームの中心軸が到達する前記被検体のねじ谷底側の部分の位置を変更する第１の手順と、前記斜角探触子からの超音波ビームの中心軸が到達する前記被検体のねじ谷底側の部分の位置に応じて、その部分に欠陥が生じていると想定した場合に前記欠陥で反射されて前記斜角探触子で受信される超音波の伝播時間を演算し、この超音波の伝播時間に対応するゲートを設定する第２の手順と、前記斜角探触子で受信された超音波の振幅の経時変化を、前記斜角探触子の位置に応じて変動する前記ゲートと共に表示する第３の手順とを有する。

本発明によれば、拡散型の斜角探触子を用いるものの、被検体のねじ谷底側の部分に生じた欠陥からの反射波を特定することができる。

本発明の一実施形態における超音波探傷装置の構成を表すブロック図である。 本発明の一実施形態の検査対象である原子炉圧力容器の胴体のフランジのボルト穴の周辺部の構造を表す断面図である。 本発明の一実施形態における探触子移動装置の構造を表す断面図である。 本発明の一実施形態における探触子移動装置の構造を表す上面図である。 本発明の一実施形態における斜角探触子から送信された超音波ビームの具体例を表す断面図である。 図５中部分VIの拡大断面図である。 図５中部分VIIの拡大断面図である。 本発明の一実施形態における表示装置の表示画面の具体例を表す図である。 本発明の一実施形態における超音波探傷方法の手順を表すフローチャートである。

本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態における超音波探傷装置の構成を表すブロック図である。図２は、本実施形態の検査対象である原子炉圧力容器の胴体のフランジのボルト穴の周辺部の構造を表す断面図である。図３及び図４は、本実施形態における探触子移動装置の構造を表す断面図及び上面図である。図５は、本発明の一実施形態における斜角探触子から送信された超音波ビームの具体例を表す断面図である。図６は、図５中部分VIの拡大断面図であり、図７は、図５中部分VIIの拡大断面図である。図８は、本実施形態における表示装置の表示画面の具体例を表す図である。

原子炉圧力容器の胴体のフランジ１（被検体）は、全体を図示しないものの、円環状の構造をなしており、周方向に配列された複数のボルト穴２（雌ねじ部）を有している。胴体のフランジ１には、複数のボルト穴２にそれぞれ取付けられた複数のスタッドボルト（図示せず）を介して、上蓋（図示せず）が取付けられる。そのため、ボルト穴２のねじ谷底に応力が発生して、ねじ谷底を起点とした欠陥（詳細には、割れ等の不連続部）が生じる可能性がある。

そのため、本実施形態では、胴体のフランジ１のねじ谷底側の部分（言い換えれば、ボルト穴２の半径方向外側の部分）を検査対象とする。なお、検査は、上蓋及びスタッドボルトが取外された状態で行われる。また、胴体のフランジ１の上面におけるボルト穴２の近傍には段差（図示せず）があるため、本実施形態では、拡散型の斜角探触子３を採用する。

本実施形態の超音波探傷装置は、斜角探触子３と、斜角探触子３を移動する探触子移動装置４と、斜角探触子３による超音波の送受信を制御する超音波探傷器５と、情報処理装置６と、入力装置７と、表示装置８と、記憶装置９とを備えている。なお、情報処理装置６は、コンピュータ等で構成され、入力装置７は、キーボード等で構成されている。表示装置８は、ディスプレイ等で構成され、記憶装置９は、ハードディスク等で構成されている。

超音波探傷器５は、図示しないものの、パルサ及びレシーバ等を有している。超音波探傷器５のパルサは、斜角探触子３に駆動信号（電気信号）を出力する。斜角探触子３は、超音波探傷器５のパルサからの駆動信号に応じて胴体のフランジ１の内部に超音波ビーム１０（詳細は後述）を送信する。また、斜角探触子３は、胴体のフランジ１の内部で反射された超音波を受信し、受信した超音波を波形信号（電気信号）に変換して超音波探傷器５のレシーバに出力する。超音波探傷器５のレシーバは、斜角探触子３からの波形信号に対し所定の処理（詳細には、アナログ信号からデジタル信号への変換処理等）を行い、表示装置８へ出力する。

斜角探触子３は、胴体のフランジ１の上面（言い換えれば、ボルト穴２の軸方向一方側の端面）に配置されている。また、斜角探触子３は、ボルト穴２の軸方向（図５中上下方向）に対して斜めに拡散型の超音波ビーム１０（図５中二点鎖線で囲まれた部分で示すように、ビーム進行方向に沿ってビーム幅が拡大するもの）を送信するものであり、超音波ビーム１０の中心軸１１の屈折角θがボルト穴２のフランク角αより小さくなるように設定されている。具体的には、例えばボルト穴２のフランク角αが３０度であるため、超音波ビーム１０の中心軸１１の屈折角θが３０度未満となるように設定されている。なお、本実施形態では、屈折角θが１５度に設定されている。

例えば図６で示すように、斜角探触子３からの超音波ビーム１０の中心軸１１が到達する胴体のフランジ１のねじ谷底側の部分に、微小な欠陥１２（図６では便宜上、誇張して示す）が生じている場合、屈折角θ（但し、θ＜α）の方向に伝播した超音波が欠陥１２で反射（散乱）され、その反射波が斜角探触子３で受信される。また、屈折角θの方向に伝播した超音波がフランク１３Ａで反射されても、屈折角θとフランク角αの差異によって鏡面反射とならないため、その反射波が斜角探触子３で受信されない（若しくは、その振幅が小さくなる）。その一方で、図７で示すように、屈折角θ’（但し、θ’＝α）の方向に伝播した超音波がフランク１３Ｂで鏡面反射され、その反射波が斜角探触子３で受信される。

探触子移動装置４は、手動で斜角探触子３を移動する治具として構成されている。詳しく説明すると、探触子移動装置４は、胴体のフランジ１のボルト穴２に螺合するベース１４と、ベース１４に対してボルト穴２の軸まわりに回転可能に設けられた支持部１５と、支持部１５に対してボルト穴２の径方向にスライド可能に設けられた第１アーム１６と、第１アーム１６に対してボルト穴２の軸方向にスライド可能に設けられた第２アーム１７と、第２アーム１７に設けられ、斜角探触子を保持するホルダ１８とを備えている。

上述した構造により、探触子移動装置４は、斜角探触子３をボルト穴２の軸方向に移動して、斜角探触子３と胴体のフランジ１の上面の接触状態を調整することが可能である。また、斜角探触子３をボルト穴２の周方向に移動して、斜角探触子３からの超音波ビーム１０の中心軸１１が到達するねじ谷底側部分の周方向位置を変更することが可能である。また、斜角探触子３をボルト穴２の半径方向に移動して、斜角探触子３からの超音波ビーム１０の中心軸１１が到達するねじ谷底側部分の軸方向位置を変更することが可能である。なお、斜角探触子３の位置は、例えば支持部１５、第１アーム１６、及び第２アーム１７に記された目盛り等により、検査者が把握できるようになっている。

情報処理装置６は、機能的構成として、伝播時間演算部２０、ゲート設定部２１、閾値テーブル記憶部２２、及び閾値設定部２３を有している。情報処理装置６は、上述した斜角探触子３の位置や超音波ビーム１０の中心軸１１の屈折角θが、入力装置７によって入力されている。

情報処理装置６の伝播時間演算部２０は、斜角探触子３の半径方向位置ｒ（詳細には、図５で示すように、ボルト穴２の半径方向におけるボルト穴２のねじ谷底から斜角探触子３の中心までの距離）と超音波ビーム１０の中心軸１１の屈折角θに基づき、超音波ビーム１０の中心軸１１が到達するねじ谷底側部分の位置を演算し、その部分に欠陥が生じていると想定した場合に欠陥で反射されて斜角探触子３で受信される超音波の伝播時間ｔを演算する。すなわち、下記の式（１）を用いて、超音波の伝播時間ｔを演算する。式（１）中のｃは、胴体のフランジ１の音速である。
ｔ＝２×ｒ／（ｃ×sinθ） ・・・（１）

情報処理装置６のゲート設定部２１は、伝播時間演算部２０で演算された超音波の伝播時間ｔに対応するゲート（詳細には、斜角探触子３の送信タイミングに伝播時間ｔが加算された受信タイミングを基準として、時間幅を有するもの）を設定する。

情報処理装置６の閾値テーブル記憶部２２は、予め取得された超音波の伝播時間ｔと超音波の振幅の閾値との関係を示す閾値テーブルを記憶している。この閾値テーブルは、複数の模擬欠陥を有する試験体を用いた試験にて得られたデータに対し、内挿処理を施したものである。情報処理装置６の閾値設定部２３は、閾値テーブル記憶部２２で記憶された閾値テーブルを用いて、伝播時間演算部２０で演算された超音波の伝播時間ｔに対応する超音波の振幅の閾値を設定する。すなわち、超音波の伝播時間ｔの増大に応じて振幅の閾値を減少するように設定する。この振幅の閾値は、斜角探触子３で受信された超音波が欠陥で反射されたものかどうかを判断するためのものである。

表示装置８は、斜角探触子３で受信された超音波の振幅の経時変化を、超音波探傷器５から取得する。また、情報処理装置６で設定されたゲート及び振幅の閾値を、斜角探触子３の位置と共に、情報処理装置６から取得する。そして、斜角探触子３の位置毎に、例えば図８で示すように、斜角探触子３で受信された超音波の振幅の経時変化を、マーカ２４（図８中破線）と共に表示する。マーカ２４の横方向の長さは、ゲートを示し、マーカ２４の縦方向の位置は、振幅の閾値を示している。

図８の表示画面では、図６の欠陥１２からの反射波２５と、図７のフランク１３Ｂからの反射波２６が現れている。反射波２５は、マーカ２４で示されたゲート内に現れ、且つ、その振幅がマーカ２４で示された閾値を超えている。これにより、作業者は、反射波２５が欠陥からの反射波であると特定することができる。なお、ゲート及び振幅の閾値は、上述のように設定されるため、それらを示すマーカ２４は、斜角探触子３の半径方向位置に応じて変動する。

記憶装置９は、斜角探触子３の位置、斜角探触子３で受信された超音波の振幅の経時変化、ゲート、及び振幅の閾値を関連付けて記憶する。

次に、本実施形態の超音波探傷方法を説明する。図９は、本実施形態における超音波探傷方法の手順を表すフローチャートである。

まず、ステップＳ１０１にて、作業者は、入力装置７を操作して、斜角探触子３の半径方向位置ｒを情報処理装置６に入力する。ステップＳ１０２に進み、情報処理装置６の伝播時間演算部２０は、斜角探触子３の半径方向位置ｒと超音波ビーム１０の中心軸１１の屈折角θに基づき、超音波の伝播時間ｔを演算する。そして、情報処理装置６のゲート設定部２１は、超音波の伝播時間ｔに対応するゲートを設定する。その後、ステップＳ１０３に進み、情報処理装置６の閾値設定部２３は、伝播時間演算部２０で演算された超音波の伝播時間ｔに対応する超音波の振幅の閾値を設定する。

そして、ステップＳ１０４に進み、作業者は、探触子移動装置４を操作して、斜角探触子３を周方向に走査する。このとき、斜角探触子３は、超音波探傷器５からの駆動信号に応じて、胴体のフランジ１の内部に超音波ビームを送信する。また、斜角探触子３は、胴体のフランジ１の内部で反射された超音波を受信し、受信した超音波を波形信号に変換して超音波探傷器５へ出力する。超音波探傷器５は、斜角探触子３からの波形信号に対し所定の処理を行い、表示装置８へ出力する。

そして、ステップＳ１０５に進み、表示装置８は、斜角探触子３の周方向位置毎に、例えば図８で示すように、斜角探触子３で受信された超音波の振幅の経時変化を、マーカ２４と共に表示する。その後、探傷が完了していなければ、ステップＳ１０６の判定がＮＯとなってステップＳ１０７に移り、斜角探触子３の半径方向位置を変更する。そして、上述したステップＳ１０１〜Ｓ１０５を行う。

図８の表示画面では、超音波ビーム１０の中心軸１１の屈折角θとフランク角αの差異によって超音波の伝播時間が異なるため、欠陥１２からの反射波２５とフランク１３Ｂからの反射波２６を分離することができる。そして、作業者は、マーカ２４で示されたゲート内に反射波が存在するかどうかを確認し、ゲート内に反射波が存在すれば、その振幅がマーカ２４で示された閾値を超えているかどうかを確認し、振幅が閾値を超えていれば、超音波ビーム１０の中心軸１１が到達するねじ谷底側の部分の位置に生じた欠陥１２からの反射波と特定することができる。

したがって、本実施形態においては、拡散型の斜角探触子３を用いるものの、胴体のフランジ１のねじ谷底側の部分に生じた欠陥からの反射波を特定することができる。

なお、上記一実施形態において、情報処理装置６は、ゲート及び振幅の閾値を設定し、表示装置８は、斜角探触子３で受信された超音波の経時変化を、ゲート及び振幅の閾値を示すマーカ２４と共に表示する場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。例えば、情報処理装置は、ゲート及び振幅の閾値のうちのゲートのみを設定し、表示装置は、斜角探触子で受信された超音波の経時変化を、ゲートのみを示すマーカと共に表示してもよい。

また、上記一実施形態において、探触子移動装置４は、手動で探触子を移動するように構成された場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。例えば、探触子移動装置は、電動で探触子を移動するように構成されてもよい。

また、上記一実施形態において、情報処理装置６は、斜角探触子３の位置が入力装置７によって入力された場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。例えば、斜角探触子３の位置を検出するセンサを設け、情報処理装置６は、斜角探触子３の位置がセンサによって入力されてもよい。

なお、以上においては、本発明の適用対象として、被検体の雌ねじ部の軸方向一方側の端面に配置された拡散形の斜角探触子を用いて、被検体のねじ谷底側の部分（言い換えれば、雌ねじ部の半径方向外側の部分）に欠陥が生じているかどうかを検査する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、被検体の雄ねじ部の軸方向一方側の端面に配置された拡散形の斜角探触子を用いて、被検体のねじ谷底側の部分（言い換えれば、雄ねじ部の半径方向内側の部分）に欠陥が生じているかどうかを検査する場合に、本発明を適用してもよい。

１ 胴体のフランジ
２ ボルト穴
３ 斜角探触子
４ 探触子移動装置
６ 情報処理装置
８ 表示装置
１０ 超音波ビーム
１１ 中心軸
２４ マーカ

Claims (6)

1. 被検体のねじ部の軸方向一方側の端面に配置された拡散型の斜角探触子を用いて、前記被検体のねじ谷底側の部分に欠陥が生じているかどうかを検査する超音波探傷方法であって、
   前記斜角探触子は、中心軸の屈折角が前記ねじ部のフランク角より小さくなるように設定された拡散型の超音波ビームを送信しており、
   前記斜角探触子を移動して、前記斜角探触子からの超音波ビームの中心軸が到達する前記被検体のねじ谷底側の部分の位置を変更する第１の手順と、
   前記斜角探触子からの超音波ビームの中心軸が到達する前記被検体のねじ谷底側の部分の位置に応じて、その部分に欠陥が生じていると想定した場合に前記欠陥で反射されて前記斜角探触子で受信される超音波の伝播時間を演算し、この超音波の伝播時間に対応するゲートを設定する第２の手順と、
   前記斜角探触子で受信された超音波の振幅の経時変化を、前記斜角探触子の位置に応じて変動する前記ゲートと共に表示する第３の手順とを有することを特徴とする超音波探傷方法。
2. 請求項１に記載の超音波探傷方法において、
   前記斜角探触子で受信された超音波が欠陥で反射されたものかどうかを判断するための振幅の閾値を、前記超音波の伝播時間の増大に応じて減少するように設定する第４の手順を更に有し、
   前記第３の手順は、前記斜角探触子で受信された超音波の振幅の経時変化を、前記ゲート及び前記振幅の閾値と共に表示することを特徴とする超音波探傷方法。
3. 請求項１に記載の超音波探傷方法において、
   前記超音波ビームの中心軸の屈折角は、３０度未満となるように設定されたことを特徴とする超音波探傷方法。
4. 被検体のねじ部の軸方向一方側の端面に配置された拡散型の斜角探触子を用いて、前記被検体のねじ谷底側の部分に欠陥が生じているかどうかを検査する超音波探傷装置であって、
   前記斜角探触子は、中心軸の屈折角が前記ねじ部のフランク角より小さくなるように設定された拡散型の超音波ビームを送信しており、
   前記斜角探触子を移動して、前記斜角探触子からの超音波ビームの中心軸が到達する前記被検体のねじ谷底側の部分の位置を変更する探触子移動装置と、
   前記斜角探触子からの超音波ビームの中心軸が到達する前記被検体のねじ谷底側の部分の位置に応じて、その部分に欠陥が生じていると想定した場合に前記欠陥で反射されて前記斜角探触子で受信される超音波の伝播時間を演算し、この超音波の伝播時間に対応するゲートを設定する情報処理装置と、
   前記斜角探触子で受信された超音波の振幅の経時変化を、前記斜角探触子の位置に応じて変動する前記ゲートと共に表示する表示装置とを備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
5. 請求項４に記載の超音波探傷装置において、
   前記情報処理装置は、前記斜角探触子で受信された超音波が欠陥で反射されたものかどうかを判断するための振幅の閾値を、前記超音波の伝播時間の増大に応じて減少するように設定し、
   前記表示装置は、前記斜角探触子で受信された超音波の振幅の経時変化を、前記ゲート及び前記振幅の閾値と共に表示することを特徴とする超音波探傷装置。
6. 請求項４に記載の超音波探傷装置において、
   前記超音波ビームの中心軸の屈折角は、３０度未満となるように設定されたことを特徴とする超音波探傷装置。

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