JP2703094B2 - 超音波による材料の劣化検出方法 - Google Patents

超音波による材料の劣化検出方法

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JP2703094B2 JP2089051A JP8905190A JP2703094B2 JP 2703094 B2 JP2703094 B2 JP 2703094B2 JP 2089051 A JP2089051 A JP 2089051A JP 8905190 A JP8905190 A JP 8905190A JP 2703094 B2 JP2703094 B2 JP 2703094B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は,超音波(非破壊)により管,各種圧力容器
等の構成材料の劣化を検出する材料の劣化検出方法に関
するものである。
(従来の技術) 高温,高圧,高放射線,腐食性溶液等の苛酷な使用条
件下にある各種プラントの管,圧力容器等は,長時間使
用すると,クリープ,水素脆化,照射脆化等の各種脆化
により,機器の構成材料が劣化する。
これらの劣化を早期に検出して,然るべき対策を講ず
ることにより,機器の安全運転を図る必要がある。
最近では,これらの脆化に対する各種の非破壊的脆化
検出方法が提案されている。超音波臨界角反射法もその
1つである。この超音波臨界角反射法は,液体−固体境
界における反射及び屈折の現象を利用している。即ち,
第4図に示すように縦波超音波(3)を液体(1)から
液体(1)と固体(2)との境界(11)へ角度θiをも
って入射させると,この縦波超音波(3)が角度θr
(=θi)の反射縦波超音波(4)として反射する。
このとき,固体(2)中では,屈折角度θの屈折縦
波(5)と屈折角度θsの屈折横波(6)とが発生す
る。この場合,液体(1)中の縦波音速をVW,固体
(2)中の縦波音速をVL,固体(2)中の横波音速をVS
とすると,次式が成立する。
VL>VS>VWの関係にあるときには,屈折角は常に入射
角θiよりも大きい。従って入射角θiを大きくしてゆ
けば,θ=0やθ=0を実現できる。
θ=90゜の場合は,上記式は次式になる。
VRは表面波音速である。
第5図(I)に示すように第4図の液体(1)を気体
(7)に変えた場合は,表面超音波(8)は,気体−液
体境界面(9)を長距離伝播するが,第5図(II)に示
すように液体−固体の場合,表面超音波(8)は急速に
減衰して,液体(1)中へ縦波成分(12)として反射す
る。
この反射した縦波成分(12)は,第6図に示すように
θi=θrの角度位置に送信用超音波センサ(14)と受
信用超音波センサ(13)とを配設し,送信用超音波セン
サ(14)からの超音波(15)を支持台(16)上の試験体
(17)へ入射して,試験体(17)の材料劣化を検出して
いる。
この試験体(17)にアルミニウム材を使用し,液体に
水を使用して,θi(=θr)を12゜〜44゜まで変化さ
せたときの,受信用超音波センサ(13)が受信する反射
超音波エネルギーの%を第7図に示した。
第7図のθmは超音波反射エネルギーが極小になる所
謂横波臨界角であり,この角度は,試験体の性質,即
ち,熱処理,塑性歪等材料の特性に極めて鋭敏に反応し
て,値が変化するので,それらの非破壊的な推定法に使
用されている。
なお第7図のEθmは,臨界角反射エネルギー値であ
り,この臨界角反射エネルギー値Eθm自身は,変化す
るので,材料の劣化検出に適用可能である。
(発明が解決しようとする課題) 前記第6図に示す従来の超音波による材料の劣化検出
方法は,試験体(17)の表面が平滑であって,試験体
(17)自身が小型な場合には,試験体(17)の材料劣化
を検出できるが,試験体(17)の表面に凹凸がある場合
には,試験体(17)の材料劣化を検出できない。また液
体を充填した圧力容器等の場合には,その内側から圧力
容器の材料劣化を検出できないという問題があった。
本発明は前記の問題点に鑑み提案するものであり,そ
の目的とする処は,劣化検出対象物の表面に凹凸があっ
ても,材料に超音波異方性があっても,材料の劣化を正
確に検出できる超音波による材料の劣化検出方法を提供
しようとする点にある。
(課題を解決するための手段) 上記の目的を達成するために,本発明の超音波による
材料の劣化検出方法は,送信用超音波センサから劣化検
出対象物上の測定点へ超音波を送出し,同測定点で反射
する超音波を受信用超音波センサにより受けて,材料の
劣化を検出するに当たり,前記送信用超音波センサと前
記受信用超音波センサとの相対位置を変えないで,同各
センサの中間位置に配設した送受信用超音波センサの軸
線を直交する方向に動かして,同送受信用超音波センサ
から測定点へ入射した後反射して同送受信用超音波セン
サへ戻る超音波の反射超音波エネルギーを最大にして,
測定点を通る法線を求め,次いで前記送信用超音波セン
サと前記受信用超音波センサとの相対位置を変えない
で,同各センサを前記法線を中心に360゜回転させ,任
意の回転ピッチ毎に,送信用超音波センサから測定点へ
入射した後反射して受信用超音波センサへ入る超音波の
入反射角を変えて,角度毎の臨界角値及び臨界角反射エ
ネルギー値を検出,記憶し,360゜の回転終了後,入反射
角の変化により得られた各臨界角値及び各臨界角反射エ
ネルギー値を加算平均化し,材質の超音波異方性の影響
が少ない臨界角値及び臨界角反射エネルギー値を得て,
この値の変化により材料の劣化を検出することを特徴と
している。
(作用) 送信用超音波センサから劣化検出対象物上の測定点へ
超音波を送出し,同測定点で反射する超音波を受信用超
音波センサにより受けて,材料の劣化を検出するに当た
り,前記送信用超音波センサと前記受信用超音波センサ
との相対位置を変えないで,同各センサの中間位置に配
設した送受信用超音波センサの軸線を直交する方向に動
かして,同送受信用超音波センサから測定点へ入射した
後反射して同送受信用超音波センサへ戻る超音波の反射
超音波エネルギーを最大にして,測定点を通る法線を求
め,次いで前記送信用超音波センサと前記受信用超音波
センサとの相対位置を変えないで,同各センサを前記法
線を中心に360゜回転させ,任意の回転ピッチ毎に,送
信用超音波センサから測定点へ入射した後反射して受信
用超音波センサへ入る超音波の入反射角を変えて,角度
毎の臨界角値及び臨界角反射エネルギー値を検出,記憶
し,360゜の回転終了後,入反射角の変化により得られた
各臨界角値及び各臨界角反射エネルギー値を加算平均化
し,材質の超音波異方性の影響が少ない臨界角値及び臨
界角反射エネルギー値を得て,この値の変化により材料
の劣化を検出する。
(実施例) 次に本発明の超音波による材料の劣化検出方法の実施
に使用する検出装置の構成例を第1図により説明する
と,第1図の(20)が圧力容器,(21)が同圧力容器
(20)の内面,(22)が同内面(21)に存在する凹凸
部,(13)が受信用超音波センサ,(14)が送信用超音
波センサ,(23)が送受信用超音波センサ(第2図の垂
直センサ),(24)が上記圧力容器(20)上の測定点,
(28)がレーザ装置,(29)が同レーザ装置(28)の光
軸,(30)が上記送受信用超音波センサ(23)の超音波
である。
次に前記第1図に示す検出装置の作用を具体的に説明
する。
先ず本検出装置を劣化検出対象物の付近に設置する。
劣化検出対象物が圧力容器(20)の場合には,本検出装
置を圧力容器(20)内の液中へ浸漬する。
本検出装置には,受信用超音波センサ(13)と送信用
超音波センサ(14)と送受信用超音波センサ(23)とが
組み込まれており,この送受信用超音波センサ(23)が
受信用超音波センサ(13)と送信用超音波センサ(14)
との中間に位置している。
この送受信用超音波センサ(23)は,測定点(24)ま
での水中距離を超音波(30)により検出可能なので,こ
の送受信用超音波センサ(23)を使用して,本検出装置
から圧力容器(20)の内面(21)までの水中距離を検出
する。
本検出装置には,レーザ装置(28)も組み込まれてい
る。このレーザ装置(28)の光軸(29)は,送受信用超
音波センサ(23)のZ軸(法線)(27)と交差するの
で,これらの送受信用超音波センサ(23)とレーザ装置
(28)とにより本検出装置を圧力容器(20)に対して正
しい位置にセツトする。
次いで測定点(24)を通るZ軸(法線)(27)を求め
る。この場合,超音波が検出対象面に垂直に入射したと
きに,反射超音波エネルギーが最大になるという原理を
利用して,測定点(24)を通るZ軸(法線)(27)を求
める。即ち,送信用超音波センサ(14)と受信用超音波
センサ(13)との相対位置を変えないで,送受信用超音
波センサ(23)のZ軸(法線)(27)を直交する2方向
に動かし(矢印(25)(26)参照),送受信用超音波セ
ンサ(23)から測定点(24)へ入射してそこから送受信
用超音波センサ(23)へ戻る超音波の反射超音波エネル
ギーを最大にして,測定点(24)を通るZ軸(法線)
(27)を求める。
このように測定点(24)を通るZ軸(法線)(27)を
求めたら,送信用超音波センサ(14)から測定点(24)
へ入射した後反射して受信用超音波センサ(13)へ入る
超音波の入反射角(第1図の(θi)(θr)参照)を
順次変えて,横波臨界角値θm及び臨界角反射エネルギ
ー値Eθmを検出するとともに,検出値を第7図に示す
ようにプロツトすればよいが,圧力容器(20)の材質に
超音波異方性があれば,横波臨界角値θm及び臨界角反
射エネルギー値Eθmが若干変化する可能性がある。
そこで第7図のプロツトの角度毎に,送信用超音波セ
ンサ(14)と受信用超音波センサ(13)との相対位置を
変えないで,これらのセンサ(14)(13)をZ軸(法
線)(27)を中心に360゜回転させ,任意の回転ピッチ
(例えば1゜とか,0.5゜とかの回転ピツチ)毎に,第7
図の横波臨界角値θm及び臨界角反射エネルギー値Eθ
mを検出,記憶し,360゜の回転終了後,入反射角の変化
により得られた各臨界角値θm及び各臨界角反射エネル
ギー値Eθmを加算平均化して,材質の超音波異方性の
影響が少ない臨界角値θm及び臨界角反射エネルギー値
Eθmを得る。
そして圧力容器(20)の構成材料が劣化していれば,
横波臨界角値θm及び臨界角反射エネルギー値Eθmが
第3図のように変化するので,この臨界角値θm及び臨
界角反射エネルギー値Eθmの変化に基づいて材料の劣
化を検出する。
前記のように送信用超音波センサ(14)と受信用超音
波センサ(13)とを回転させるのは,次の理由による。
即ち,材料への超音波入射方向が1方向に限定されてい
る場合,材質の超音波異方性がなければ,材料の劣化を
正しく検知できるが,材質に超音波異方性があれば,臨
界角値や臨界角反射エネルギー値の変化が超音波異方性
によるものか,劣化によるものか,不明になる。材料の
劣化は,材料に一様に発生すると考えられるので,健全
材の前記回転による平均値をとっておき,劣化があった
とき,その影響を平均値に付加して,材料の劣化を検出
する。
第2図は,前記検出方法のフローチヤート図である。
(発明の効果) 本発明の超音波による材料の劣化検出方法は前記のよ
うに送信用超音波センサから劣化検出対象物上の測定点
へ超音波を送出し,同測定点で反射する超音波を受信用
超音波センサにより受けて,材料の劣化を検出するに当
たり,前記送信用超音波センサと前記受信用超音波セン
サとの相対位置を変えないで,同各センサの中間位置に
配設した送受信用超音波センサの軸線を直交する方向に
動かして,同送受信用超音波センサから測定点へ入射し
た後反射して同送受信用超音波センサへ戻る超音波の反
射超音波エネルギーを最大にして,測定点を通る法線を
求め,次いで前記送信用超音波センサと前記受信用超音
波センサとの相対位置を変えないで,同各センサを前記
法線を中心に360゜回転させ,任意の回転ピッチ毎に,
送信用超音波センサから測定点へ入射した後反射して受
信用超音波センサへ入る超音波の入反射角を変えて,角
度毎の臨界角値及び臨界角反射エネルギー値を検出,記
憶し,360゜の回転終了後,入反射角の変化により得られ
た各臨界角値及び各臨界角反射エネルギー値を加算平均
化し,材質の超音波異方性の影響が少ない臨界角値及び
臨界角反射エネルギー値を得て,この値の変化により材
料の劣化を検出するので,圧力容器等の表面に凹凸部が
あっても,また材料に超音波異方性があっても,材料の
劣化を正確に検出できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係わる超音波による材料の劣化検出方
法を示す作用説明図,第2図は同検出方法のフローチヤ
ート図,第3図は材料劣化の検出(推定)要領を示す説
明図,第4図は従来の液体・固体間の超音波の伝播様式
を示す説明図,第5図は気体・固体間,及び液体・固体
間の表面波伝播様式の比較説明図,第6図は従来の超音
波による材料の劣化検出方法を示す作用説明図,第7図
はその測定結果の記録図例である。 (13)……受信用超音波センサ,(14)……送信用超音
波センサ,(20)……検出対象の圧力容器,(21)……
圧力容器(20)の内面,(22)……圧力容器(20)の内
面(21)の凹凸部,(23)……送受信用超音波センサ,
(24)……圧力容器(20)上の測定点,(27)……Z軸
(法線),(28)……レーザ装置,(29)……レーザ装
置(28)の光軸,(30)……送受信用超音波センサ(2
3)の超音波。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 正森 滋郎 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町1丁目1番 1号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (56)参考文献 特開 昭62−150663(JP,A) 特開 平2−296147(JP,A) 特開 平2−284705(JP,A) 特開 昭63−308557(JP,A) 特開 昭62−144064(JP,A) 特開 昭61−23965(JP,A) 特開 昭61−240158(JP,A) 特開 平1−158310(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】送信用超音波センサから劣化検出対象物上
    の測定点へ超音波を送出し,同測定点で反射する超音波
    を受信用超音波センサにより受けて,材料の劣化を検出
    するに当たり,前記送信用超音波センサと前記受信用超
    音波センサとの相対位置を変えないで,同各センサの中
    間位置に配設した送受信用超音波センサの軸線を直交す
    る方向に動かして,同送受信用超音波センサから測定点
    へ入射した後反射して同送受信用超音波センサへ戻る超
    音波の反射超音波エネルギーを最大にして,測定点を通
    る法線を求め,次いで前記送信用超音波センサと前記受
    信用超音波センサとの相対位置を変えないで,同各セン
    サを前記法線を中心に360゜回転させ,任意の回転ピッ
    チ毎に,送信用超音波センサから測定点へ入射した後反
    射して受信用超音波センサへ入る超音波の入反射角を変
    えて,角度毎の臨界角値及び臨界角反射エネルギー値を
    検出,記憶し,360゜の回転終了後,入反射角の変化によ
    り得られた各臨界角値及び各臨界角反射エネルギー値を
    加算平均化し,材質の超音波異方性の影響が少ない臨界
    角値及び臨界角反射エネルギー値を得て,この値の変化
    により材料の劣化を検出することを特徴とした超音波に
    よる材料の劣化検出方法。
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