JP2023069288A - クリープ損傷検出装置及びクリープ損傷検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べてクリープ損傷を正確に評価することのできるクリープ損傷検出装置及びクリープ損傷検出方法を提供する。【解決手段】超音波プローブと、前記超音波プローブを駆動するための超音波探傷器と、受信した超音波信号を信号処理する信号処理装置とを具備し、検査対象に対して前記超音波プローブを第１の角度と、前記第１の角度とは異なる第２の角度に傾けて複数回斜角探傷を実施し、前記信号処理装置で、前記第１の角度における欠陥指示位置と、前記第２の角度における欠陥指示位置とを抽出し、共通する位置の欠陥指示信号の信号レベルを比較することで、欠陥指示の欠陥状態を推定する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、クリープ損傷検出装置及びクリープ損傷検出方法に関する。

高Ｃｒ鋼は、蒸気温度５９３℃以上の超超臨界圧（ＵＳＣ）火力プラントで高温高圧配管材料として実機で多用されている。これら高Ｃｒ鋼が採用された火力プラントも運転開始後３０年を超える火力プランが増えてきている。こうしたプラントの高温下におかれる配管継手部などでは、クリープ損傷が発生する可能性があり、配管破損前に損傷を検知し取替などの保全工事を行うことで、火力プラントの安全性を担保することは重要である。このため、事前に調査した高Ｃｒ鋼のクリープ強度と実際の運転時間の管理から、配管などの余寿命を評価して計画的な交換などの保全工事が実施されている。

上記のように決まった時間の経過後に配管を交換する方法は、配管の余寿命に対して安全係数をかけた時間での交換が必要になる。このような保全とした場合には、実際に使える期間が短くなることとなり火力プラントの発電コストに影響する。そのため、発電コスト低減のため配管の寿命を使い切りたいという要求がある。

また、このような安全係数をかけて対処したとしても、物性のばらつきにより計算上の寿命より早く損傷が起こる可能性もあり、正確な余寿命を知りたいという要求もある。これらの要求に対して、配管継手の損傷度合い、あるいは余寿命を調査する種々の方法が提案されており、超音波を利用する方法（特許文献１，２）、表面レプリカなど検査対象からサンプルを切り出して評価する方法（特許文献３，４）、歪を測定する方法（特許文献５，６）他、多数の方法がある。

例えば、特許文献１では、フェーズドアレイ超音波探傷法（ＰＡＵＴ）を用いて、反射エコー高さを求め、このエコー高さから予め導出しておいた対応データと比較することでクリープボイドの個数密度を求め、クリープボイド個数密度からクリープ損傷量を求めるものである。ＰＡＵＴによりクリープボイドのみを確実に検出できれば、クリープ損傷量を正確に求めることも可能であるが、初期欠陥などのよりエコー高さの高い欠陥があった場合には、クリープ損傷量を過大評価してしまうことになる。このような誤検出を避けるため、火力プラント運転前に初期状態としての欠陥有無の情報があれば、差分をとることで運転中にクリープにより発生した損傷のみを区別して検出することができる。しかしながら、初期状態での検査データがないことも多く、クリープ損傷と初期欠陥を区別して検出できないことは課題である。

また、特許文献６では、検査対象からサンプルを取る必要があり、計測可能な回数が制限されることや、サンプルを採取した位置の局所的な評価は正確であるものの、サンプルを取る位置に依存してしまうことも考えられる。ここに示したように、種々提案されている方法にも一長一短があり、クリープ損傷を評価する決め手となる手法は未だないと考えられる。

特開２００３－１４７０５号公報 特許第６５８６２８０号公報 特許第３３７２４３７号公報 特開２００２－３１６３２号公報 特許第５０８６６１５号公報 特開平８－１４５８６４号公報

上述したとおり、従来から火力プラント等において高温に晒される部材のクリープ損傷を正確に評価することのできるクリープ損傷検出装置及びクリープ損傷検出方法の開発が望まれていた。

本発明は、このような従来の事情を考慮してなされたもので、従来に比べてクリープ損傷を正確に評価することのできるクリープ損傷検出装置及びクリープ損傷検出方法を提供することを目的とする。

実施形態のクリープ損傷検出装置は、超音波プローブと、前記超音波プローブを駆動するための超音波探傷器と、受信した超音波信号を信号処理する信号処理装置とを具備し、検査対象に対して前記超音波プローブを第１の角度と、前記第１の角度とは異なる第２の角度に傾けて複数回斜角探傷を実施し、前記信号処理装置で、前記第１の角度における欠陥指示位置と、前記第２の角度における欠陥指示位置とを抽出し、共通する位置の欠陥指示信号の信号レベルを比較することで、欠陥指示の欠陥状態を推定することを特徴とする。

実施形態によれば、従来に比べてクリープ損傷を正確に評価することのできるクリープ損傷検出装置及びクリープ損傷検出方法を提供することができる。

（a）は第１実施形態における第１の角度での超音波探傷検査実施時の概要を示す図、（ｂ）は探傷角度αを説明する図１（a）のＡ－Ａ矢視断面図。 欠陥指示がある場合の超音波信号の例を示す図。 欠陥指示位置を求める方法を示す図。 第１実施形態における第２の角度での超音波探傷検査実施時の概要を示す図。 第１実施形態の処理の手順の概略を示すフロー図。 補正不要となる超音波入射点を示す図。 第２実施形態における複数の位置での超音波探傷検査実施時の概要を示す図。 第２実施形態の処理の手順の概略を示すフロー図。

以下、実施形態に係るクリープ損傷検出装置及びクリープ損傷検出方法を、図面を参照して説明する。

本実施形態では、特に、前述した課題「初期状態での検査データがないことも多く、クリープ損傷と初期欠陥を区別して検出できない」ことを解決することができる。すなわち、超音波探傷において、初期の割れなどの溶接欠陥と、クリープボイドを区別するため、複数の探傷条件で超音波探傷を行い、クリープボイドと溶接割れの形状の差異による超音波の反射率の相違により、探傷条件により受信信号の信号レベルの変化が異なることを利用して、高精度にクリープボイドを検出する。

以下、第１実施形態について説明する。第１実施形態では、検査対象を溶接継手の熱影響部とする。この検査対象には、溶接金属部に初期からの欠陥がある可能性があり、また溶接熱影響部にクリープ損傷が発生している可能性もある。本実施形態は、このうち溶接熱影響部に発生するクリープ損傷を精度よく検出することのできる超音波探傷試験に関するものである。

図１(a)は、第１実施形態において、検査を実施している場合の概要を示す図であり、図１（ｂ）は、探傷角度αを説明する図１（a）のＡ－Ａ矢視断面図である。図１に示すように、クリープ損傷検出装置は、超音波プローブ１、超音波探傷器２、信号処理装置３、表示装置１０を具備している。また、図１において、４は、検査対象であり、この検査対象４の溶接線４ａの方向（ｙ方向）に対して、第１の角度１０２だけ超音波プローブ１を傾けて設置し（図１では第１の角度１０２を９０度として示している）、図１（ｂ）に示すように探傷角度αで溶接熱影響部を斜角探傷しながら、溶接線４ａと平行方向に超音波プローブ１を走査することで、有意欠陥の有無を調査する。

ここで、走査を伴わない各１点での探傷方法は、いわゆる斜角探傷法で、探傷角度１０４（α、図３参照）は一般的に、３０～７０度で、超音波プローブ１の超音波入射点から溶接熱影響部までの距離は、探傷角度１０４と、検査対象の注目領域の深さ位置に依存して決定する。

超音波プローブ１は、超音波探傷器２を接続して超音波探傷器２からのパルス状の電圧を印加することで超音波１０１を発信し、欠陥などで反射された超音波１０１は超音波プローブ１で受信され電気信号として超音波探傷器２に送信される。

超音波プローブ１で受信された信号の例を図２に示す。図２では、横軸を時間、縦軸を超音波信号レベル１０５としており、超音波１０１を発信した後、時間ｔ１に欠陥からの反射信号が得られたものとする。超音波探傷器２では、受信した超音波の電気信号をアナログーデジタル信号として信号処理装置３に送信する。信号処理装置３では超音波信号から欠陥の位置、超音波信号レベル１０５などをデータとして保存する。また、探傷結果は表示装置１０に欠陥指示として表示される。欠陥の位置（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）は超音波入射点を基準とすれば図３に示すように以下の式で求めることができる。

Ｌ１＝Ｖ×ｔ１／２ Ｌ１：伝播距離、Ｖ：超音波の音速
Ｘ１＝Ｌ１×ｓｉｎα×ｃｏｓ（第１の角度１０２）
Ｙ１＝Ｌ１×ｓｉｎα×ｓｉｎ（第１の角度１０２）
Ｚ１＝Ｌ１×ｃｏｓα
また、欠陥で反射した超音波信号レベルはＳ１とする。

図４に示すように、同様に第２の角度１０３で欠陥を検出する。第２の角度１０３と第１の角度１０２は超音波プローブ１の回転角度（一般的にスキューと言われている走査）が異なるのみで、手法としては同じである。第２の角度１０３で探傷した場合、欠陥の位置（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）は超音波入射点を基準とすれば以下の式で求めることができる。

Ｌ２＝Ｖ×ｔ２／２ Ｌ２：伝播距離、Ｖ：超音波の音速
Ｘ２＝Ｌ２×ｓｉｎα×ｃｏｓ（第２の角度１０３）
Ｙ２＝Ｌ２×ｓｉｎα×ｓｉｎ（第２の角度１０３）
Ｚ２＝Ｌ２×ｃｏｓα
また、欠陥で反射した超音波信号レベルはＳ２とする。

ここで、第１の角度１０２での探傷結果と第２の角度１０３での探傷結果からクリープボイド５を検出する手法を、図５を参照して説明する。図１、図４に示すように、検査対象４には、クリープボイド５と溶接線４ａと平行方向の面を持つ溶接欠陥６がそれぞれ１個ずつ存在するものとし、第１の角度１０２は溶接線４ａに対して垂直に入射するものとし、第２の角度１０３は溶接線４ａに対し垂直ではない角度で入射するものとする。

図１に示すように、第１の角度１０２（垂直）でクリープボイド５および上記の溶接欠陥６に入射した超音波１０１は、入射した方向に反射して戻ってくる。これに対して、図４に示すように、第２の角度１０３でクリープボイド５に入射した超音波１０１は第１の角度１０２同様、超音波１０１が入射した方向に反射して戻ってくる一方、溶接欠陥６に入射した超音波１０１は、反射の原理に従い入射方向とは別の方向へ伝播して行くため、超音波プローブ１で反射波を受信することはできない。

従って、第１の角度１０２での探傷では、２個の欠陥指示（ここでは、クリープボイド５からの反射波：（Ｘ１１，Ｙ１１，Ｚ１１）および溶接欠陥６からの反射波（Ｘ１２，Ｙ１２，Ｚ１２）とする）が検出され、第２の角度１０３での探傷では、１個の欠陥指示（クリープボイドからの反射波（Ｘ２１，Ｙ２１，Ｚ２１）とする）が検出される。

そこで、図５に示すように、まず、第１の角度１０２での探傷を行い（５０１）、この結果から欠陥指示の抽出を行い（５０２）、次に、第２の角度１０３での探傷を行い（５０３）、この結果から欠陥指示の抽出を行う（５０４）。

次に、信号処理装置３内ではまず、第１の角度１０２での探傷で得られた欠陥指示位置（Ｘ１１，Ｙ１１，Ｚ１１）と第２の角度１０３での探傷で得られた全ての欠陥指示位置を比較する（５０５）。比較の結果、（Ｘ１１，Ｙ１１，Ｚ１１）と（Ｘ２１，Ｙ２１，Ｚ２１）は同じあるいは近い位置と判定できる場合には、続いてそれぞれの反射波（欠陥指示信号）の信号レベルＳ１１とＳ２１を比較（５０６）する。一方、比較の結果同じあるいは近い位置ではないと判定された場合は、次の指示の判定へと移行する（５０７）。

上記の反射波の信号レベルＳ１１とＳ２１との比較の結果、信号レベルが同じあるいは近いと判定できる場合には、検出した指示はクリープボイド５と判定する（５０８）。一方、信号レベルが異なる場合はその他の欠陥と判定する（５０９）。

また、欠陥指示位置や信号レベルの比較に関して、簡単にはそれぞれの値の偏差にしきい値を設けて、しきい値以内であれば同一であると見なすなどの処理が考えられる。なお、Ｘ１１やＸ２１はそれぞれ超音波プローブ１の位置を基準としているため、超音波プローブ１の走査位置を記録し補正する必要があるが、簡単な計算で検査対象４上の絶対座標へ変換可能であるため、ここでは記述しない。

同様に、超音波信号レベルに関しても、伝播距離が異なる場合には、伝播距離に応じて補正するものとする。これらの補正は、超音波プローブ１の位置を、図６に示すように欠陥が発生すると想定する欠陥検出目標位置（クリープボイド５の位置）を中心に、検査対象４の表面の円弧上に設置し、これらの超音波入射点群１０６から超音波１０１を入射させることで、補正は不要となる。以上のように第１実施形態によれば、クリープボイド５と溶接欠陥６などを区別して検出することが可能である。

（第２実施形態）
次に、図７、図８を参照して第２実施形態について説明する。なお、図７において、図１、図４と対応する部分には同一の符号を付して重複した説明は省略する。第１実施形態では、超音波プローブ１を検査対象４の表面上で複数の角度に回転させて探傷することにより複数の条件での探傷結果を得て比較することで、クリープボイド５と溶接欠陥６を区別して検出した。第２の実施形態では、超音波プローブ１を検査対象４の表面上で回転させる代わりに、超音波プローブ１は、検査対象部位である溶接線４ａと直行するように配置し、溶接線４ａからの距離が異なる複数の位置で溶接線４ａと直行方向に走査して検査対象４の検査対象領域からの距離を変えることで、複数の探傷条件を得て、探傷結果を比較することでクリープボイド５と溶接欠陥６を区別して検出する。

すなわち、図８に示すように、まず、溶接線４ａからの距離が第１の距離である第１の位置１１１での探傷を行い（８０１）、この結果から欠陥指示の抽出を行い（８０２）、次に、溶接線４ａからの距離が第１の距離とは異なる第２の距離である第２の位置１１２での探傷を行い（８０３）、この結果から欠陥指示の抽出を行う（８０４）。

第２実施形態では、超音波探傷手法として、アレイ・プローブを用いたセクタスキャン法を適用した例を示す。第１の位置でセクタスキャンを実施した場合、検出した欠陥指示の最大信号レベルを得る探傷角度をα１、欠陥指示までの距離をＬ１、その時の超音波信号レベルをＳ１とし、第２の位置でも同様に、検出した欠陥指示の最大信号レベルを得る探傷角度をα２、欠陥指示までの距離をＬ２、その時の超音波信号レベルをＳ２とする。

次に、上記の結果から、位置の比較を行い（８０５）、位置が異なる場合は、次の指示の判断に移行し（８０６）、位置が同じ場合は、信号レベル変化の計算を行う。

ここで、欠陥指示は球状の欠陥であると仮定すれば、欠陥からの反射信号は等方的であり、超音波信号レベルの違いは伝播距離に依存した減衰のみであると考えられる。従って、第１の位置での超音波信号レベルＳ１と予め調査している減衰定数を使って、第２の位置での超音波信号レベルの計算値をシミュレーションにより求めてシミュレーション結果をＳ２’とし（８０７）、Ｓ２とＳ２’を比較する（８０８）。その欠陥Ｓ２とＳ２’の値の偏差にしきい値を設けて、その偏差がしきい値以内であれば検出した指示は球状欠陥、すなわちクリープボイド５であると判断する（８０９）。一方、しきい値を超える場合は、その他の欠陥と判定する（８１０）。

なお、ここではアレイ・プローブを用いたセクタスキャン法を適用した例を示したが、複数種類の斜角用超音波プローブを適用して、各検査位置で最大超音波信号レベルが得られる超音波プローブの探傷角度をα１、α２としても良い。また、複数種類の斜角用超音波プローブを適用し、それぞれのプローブを探傷位置で溶接線と垂直な方向に走査を行い、最大超音波信号レベルが得られる位置での欠陥指示迄の距離をＬ１、Ｌ２としても良い。
また、上記実施形態ではシミュレーションによる演算処理の例を示したが、探傷角度から強度を求める演算でも良いし、角度と反射強度のデータベースを活用した演算でも良い。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、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。

１……超音波プローブ、２……超音波探傷器、３……信号処理装置、４……検査対象、４ａ……溶接線、５……クリープボイド、６……溶接欠陥、１０……表示装置、１０１……超音波、１０２……第１の角度、１０３……第２の角度、１０４……探傷角度、１０５……超音波信号レベル、１０６……超音波入射点群、１１１……第１の位置、１１２……第２の位置。

Claims (6)

1. 超音波プローブと、前記超音波プローブを駆動するための超音波探傷器と、受信した超音波信号を信号処理する信号処理装置とを具備し、
   検査対象に対して前記超音波プローブを第１の角度と、前記第１の角度とは異なる第２の角度に傾けて複数回斜角探傷を実施し、
   前記信号処理装置で、前記第１の角度における欠陥指示位置と、前記第２の角度における欠陥指示位置とを抽出し、共通する位置の欠陥指示信号の信号レベルを比較することで、欠陥指示の欠陥状態を推定することを特徴とするクリープ損傷検出装置。
2. 前記超音波プローブの設置位置を、欠陥検出目標位置を中心とした円弧上とすることで欠陥位置や信号レベルの補正処理を不要とすることを特徴とする請求項１に記載のクリープ損傷検出装置。
3. 超音波プローブと、前記超音波プローブを駆動するための超音波探傷器と、受信した超音波信号を信号処理する信号処理装置とを具備し、
   検査対象に対して前記超音波プローブを検査対象部位からの距離が第１の距離と、前記第１の距離とは異なる第２の距離とにおいて複数回斜角探傷を実施し、
   前記信号処理装置で、前記第１の距離における欠陥指示位置と、前記第２の距離における欠陥指示位置とを抽出し、
   共通する位置の欠陥指示信号を球形の欠陥であると仮定しての演算を行い、抽出した欠陥信号の信号レベルの変化と、前記演算結果での信号レベルの変化を比較することで、欠陥指示の欠陥状態を推定することを特徴とするクリープ損傷検出装置。
4. 検査対象に対して超音波プローブを第１の角度と、前記第１の角度とは異なる第２の角度に傾けて複数回斜角探傷を実施し、
   前記第１の角度における欠陥指示位置と、前記第２の角度における欠陥指示位置とを抽出し、共通する位置の欠陥指示信号の信号レベルを比較することで、欠陥指示の欠陥状態を推定することを特徴とするクリープ損傷検出方法。
5. 前記超音波プローブの設置位置を、欠陥検出目標位置を中心とした円弧上とすることで欠陥位置や信号レベルの補正処理を不要とすることを特徴とする請求項４に記載のクリープ損傷検出方法。
6. 検査対象に対して超音波プローブを検査対象部位からの距離が第１の距離と、前記第１の距離とは異なる第２の距離とにおいて複数回斜角探傷を実施し、
   前記第１の距離における欠陥指示位置と、前記第２の距離における欠陥指示位置とを抽出し、
   共通する位置の欠陥指示信号を球形の欠陥であると仮定しての演算を行い、抽出した欠陥信号の信号レベルの変化と、前記演算結果での信号レベルの変化を比較することで、欠陥指示の欠陥状態を推定することを特徴とするクリープ損傷検出方法。

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