JP3639958B2 - 亀裂の定量的非破壊評価方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波またはＸ線等を用いた金属製の管における亀裂の非破壊評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電所や航空機や船舶等で使用されている金属製の配管及び配管の溶接部等には、長年の使用により、亀裂が生じることがあり、これら亀裂の先端は鋭く、それゆえ応力が集中することになり、放置しておくと亀裂が進展し、配管が破壊されてしまうことがある。そのため、従来から各種の検査装置を用いて亀裂の発見、または亀裂の大きさを評価する方法が開発されてきた。例えば、超音波を配管の溶接部等の検査対象部位に照射して、反射してくるエコーの大きさから亀裂の発見、または亀裂の大きさを知る方法がある。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
また、Ｘ線を対象物に照射して透過するＸ線をカメラで撮影し、亀裂等の撮像を得るものがある。（例えば、特許文献２参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２６７６３８号公報（段落００１３、第２図）
【特許文献２】
特開平９−２９７１１１号公報（段落００２３、第４図）
【０００５】
【発明が解決しようとしている課題】
機械や構造物の運転に伴い配管等には負荷がかかり、亀裂が開口して進展するようになり、逆に運転を停止した状態で行われる検査時においては、無負荷のために一般に亀裂は閉じている場合がある。疲労亀裂の亀裂閉口はよく知られており、応力腐蝕割れにおいても、亀裂面間の酸化物は亀裂閉口の要因となり、亀裂の早期発見の観点から重要である微小な亀裂は、大きい亀裂よりも強く閉じている可能性がある。
【０００６】
しかしながら、特許文献１にあっては、超音波のエコーを用いて亀裂の検出を行っているために、検査対象となる部位を測定した際に、閉口した亀裂は、実際より小さい亀裂が存在すると誤った評価がなされるばかりか、ときには亀裂が発見されなくなる可能性があり、亀裂の検出や正確な大きさの評価が難しくなり、精度の高い検査ができなくなる。
【０００７】
また、特許文献２にあっては、Ｘ線を用いて亀裂の検出を行っており、Ｘ線は体積を有する開口している亀裂の検出には有効であるが、閉口している小さい亀裂の体積は極めて小さく、それゆえ健全な部分と亀裂の部分とでＸ線の減衰の変化が出難く、精度の高い亀裂の検出や評価が困難である。
【０００８】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、閉口した亀裂を開口させて亀裂の検出、または精度よく亀裂の大きさの評価ができる亀裂の定量的非破壊評価方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を解決するために、本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、金属製の管体の亀裂を所定の検査装置によって検出するために、前記管体の所定位置に歪みを発生させ、前記管体に存在する亀裂を開口させて顕在化させた状態で、前記検査装置を用いて前記管体を検査する亀裂の定量的非破壊評価方法であって、各管体が連続的に繋がっており、瞬間的に前記管体の両端が固定されている配管であることを条件に、前記管体を冷却処理することによって、前記管体の体積を収縮させ、管体長手方向に引っ張り応力を発生させ、この応力により亀裂を顕在化させて前記検査装置を用いて前記管体を検査するようにしたことを特徴としている。
この特徴によれば、管体にメカニカルな装置を取り付けたり、外す手間なく、外部からの冷却処理で熱変化を管体に与えるだけで、管体の内部に応力を与えることができ、管体に存在する亀裂が、この応力で顕在化されるようになり、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００１０】
本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、前記管体の少なくとも一部の断面全域を冷却することによって歪みを前記管体に与えて、亀裂を顕在化させて前記検査装置を用いて前記管体を検査するようにしたことが好ましい。
このようにすれば、管体の断面全域を冷却することにより、管体の長手方向に沿って管体に引張応力が与えられるようになり、管体に存在する亀裂が顕在化されるようになるので、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００１１】
本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、前記管体の検査対象となる部位を冷却し、前記検査装置を用いて前記管体の検査対象となる部位を検査するようにしたことが好ましい。
このようにすれば、冷却された部位には、引張応力が作用し、その他の部位には、圧縮応力が作用するようになるので、冷却された部位に存在する亀裂が顕在化されるようになり、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００１２】
本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、金属製の管体の亀裂を所定の検査装置によって検出するために、前記管体の所定位置に歪みを発生させ、前記管体に存在する亀裂を開口させて顕在化させた状態で、前記検査装置を用いて前記管体を検査する亀裂の定量的非破壊評価方法であって、各管体が連続的に繋がっており、瞬間的に前記管体の両端が固定されている配管であることを条件に、少なくとも前記管体の検査対象となる部位を除く、前記管体の部位を加熱し、加熱された部位を膨張させて管体内部に圧縮応力を発生させ、逆に検査対象となる部位に引張応力を発生させ、この応力により亀裂を顕在化させて前記検査装置を用いて前記管体を検査するようにしたことを特徴としている。
この特徴によれば、加熱された部位には、圧縮応力が作用し、その他の部位には、引張応力が作用するようになるので、管体の検査対象となる部位に存在する亀裂が顕在化されることになり、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。特に加熱に関しては、原理的に溶接部が溶融するまでのかなりの高温加熱が可能となり、高い応力を与えられる。
【００１３】
本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、前記管体の検査対象となる部位を冷却し、前記管体の検査対象となる部位以外の部位を加熱し、前記検査装置を用いて前記管体の検査対象となる部位を検査するようにしたことが好ましい。
このようにすれば、高い温度差を管体に与えることができ、評価精度が一段と向上する。また、冷却された検査対象となる部位の温度を即座に加熱できるとともに、その逆も可能となるため、検査装置を移動させながら、各部位を連続的に検査でき、検査時間の短縮に寄与できる。
【００１４】
本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、前記管体の加熱される部位が、前記管体の検査対象となる冷却される部位と、前記管体の中心軸を挟んで対向している部位であることが好ましい。
このようにすれば、冷却された部位には、引張応力が作用し、加熱された部分には、圧縮応力が作用するので、管体の中心軸を挟んで対向している部位同士が、冷却及び加熱されることで、より大きな応力を検査対象となる部位に与えることができ、亀裂がより顕在化し、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００１５】
本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、前記管体が液体窒素によって冷却処理された状態で、前記検査装置を用いて前記管体を検査するようにしたことが好ましい。
このようにすれば、液体窒素を用いることで、管体を短時間で極めて低い温度に冷却させられるばかりか、大きな応力を管体に作用させることができるようになり、管体を部分的に冷却させた状態で、亀裂を顕在化させることができる。
【００１６】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明すると、先ず図１は、本発明の第１実施形態における亀裂の定量的非破壊評価方法を示す図である。符号１は、発電所や航空機や船舶等で使用されている管体であり、この管体１は、ステンレス鋼で構成された金属製の配管２、３同士が溶接されており、溶接部４が形成されている。
【００１７】
溶接部４には、長年の使用により亀裂５が生じるため、この亀裂５を検出するために、超音波を用いた検査装置６、７を使って、亀裂５を検出する非破壊検査を行うことができる。超音波を用いた検査装置６、７を使用した場合には、検査装置の送信機６より送信された超音波は管体１内部で反射し、そのエコーが検査装置の受信機７で受信されることになり、受信されたエコーの波形から管体１内部に存在する亀裂５の評価を行うことができる。
【００１８】
亀裂５の位置は、送信された超音波が受信されるまでの時間から測定でき、亀裂５の大きさは、受信されたエコーの波形の高さ、あるいはエコーが出現する範囲から測定できる。しかし、亀裂５が閉口している場合には、受信されるエコーの波形が小さくなり、実際より小さい亀裂５があると判断されることがあるばかりか、亀裂５が検出されなくなることがある。
【００１９】
上記のような閉口した亀裂５による問題は、閉じた亀裂５を開いた状態にさせることで、亀裂５が顕在化するようになるので解消できる。亀裂５を顕在化させるためには、先ず、管体１を冷却処理することによって、管体１の体積を収縮させ、管体１が収縮することで生じる歪みにより、引張応力を管体１内部に発生させ、この応力が亀裂５を開口させるように作用するようになっている。
【００２０】
実際に管体１を検査する際には、図１に示すように、管体１の一部の外周に沿って液体窒素８を噴き付け、管体１の断面全域を冷却処理させる。金属製の管体１は、冷却された部分が収縮するので、管体１の全体には、長手方向に沿って引張応力が作用するようになり、この応力により亀裂５が顕在化されるようになる。一般に大きな設備内の配管系は各管体１が連続的に繋がっており、瞬間的には管体１は両端が固定されているとして、本処理を実施できる。
【００２１】
亀裂５が顕在化された状態で、検査装置の送信機６から超音波を送信し、亀裂５に反射されたエコーを検査装置の受信機７で受信する。亀裂５が顕在化されているので、検査装置による亀裂５の検出、及び亀裂５の実際の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００２２】
次に、管体１を冷却処理した際に管体１に働く応力について、図２を参照して説明する。応力とは、物体の内部で作用する力で、断面に作用する単位面積当たりの力であり、応力を式で表すと以下のようになる。
【数１】
【００２３】
図２に示すように、長さＬ０の管体１の両端が固定されており、この管体１の長さＬ１の区間の領域の断面全体を冷却したときに、亀裂５を顕在化させるための応力は、ヤング率をＥ、線膨張係数をα、冷却領域の温度変化量をΔＴとすると、発生する応力は以下のようになる。
【数２】
【００２４】
上述したヤング率とは、材質の固さの一つの目安であり、応力と歪みとの比のことを表し、歪みに対する応力の比例定数である。一般にこのヤング率の値が大きいほど材質は固く、変形させるのに力が必要であると考えてよい。また、線膨張係数とは、材質の持っている固有の性質を表しており、材質の温度が１℃上昇あるいは降下したときの変形量を示し、この線膨張係数と温度変化量によって、材質の温度が上昇したときには材質は膨張し、材質の温度が降下したときには、材質は収縮するという体積変化が生じるようになっている。
【００２５】
図２の冷却領域は、管体１の任意の位置でよく、管体１全体を冷却した場合を考えると、Ｌ１＝Ｌ０となり、発生する応力は、応力＝ＥαΔＴである。例えば、ステンレス鋼を冷却した際に発生する応力について説明すると、ステンレス鋼のヤング率Ｅと線膨張係数αは、
Ｅ＝約２１０００kgf/mm２
α＝約１５×１０−６［１/℃］（２０℃での値）
であるので、ステンレス鋼で形成された管体１全体を冷却したとき（Ｌ１＝Ｌ０）上記式（１）より、その応力を求める式は、
【数３】
【００２６】
２０℃の室温に置かれた冷却前の管体１全体の温度を２０℃とし、０℃の氷を用いて管体１全体の温度が０℃まで下げられたときには、温度変化量は、２０℃（ΔＴ＝２０）となるので、このとき管体１に発生する応力は、
【数４】
【００２７】
上記式（１）より、温度を下げるほど、その温度変化量に比例して管体１に発生する応力が大きくなり、亀裂５を顕在化させることができる。上記式では、氷を用いて管体１を冷却させていたが、液体窒素８等を管体１の内部に流入させたり、外部から管体１に噴き付けることで管体１を冷却させると、温度変化量のΔＴの値を大きくさせることができるので、より大きな応力を管体１に発生させることができるばかりか、管体１を短時間で極めて低い温度に冷却させることができる。ただし、この実施例の場合は、管体１の外部から管体１を冷却させている。
【００２８】
また、液体窒素８等を用いて管体１を冷却させる場合には、上述したように、管体１全体を冷却（Ｌ１＝Ｌ０）させなくてもよく、管体１を部分的に冷却（Ｌ１＜Ｌ０）させるだけでも、亀裂５を顕在化させるのに十分な応力を発生させることができる。
【００２９】
更に、管体１を部分的に冷却（Ｌ１＜Ｌ０）させる場合、その冷却領域の位置は、図２に示す、管体１の長手方向の左側や右側や亀裂５の存在する部位のどこでも同じ効果を得ることが可能であり、実際に機械や構造物の配管等を冷却する際には、都合の良い位置を冷却すればよいので検査のための冷却作業が容易になっている。
【００３０】
図２では、両端が固定されている管体１について説明したが、実際に機械や構造物の一部として用いられている管体１は、必ずしも両端が固定された状態であるとは限らない。しかし、本発明の場合は、熱変化という瞬間的に極めて自然に復元する処理を用い、短時間に検査作業を行えることになる。また最小限の装置で済むため、現場における機器の組付、組立、除去等の作業が不要となる。
【００３１】
次に、第２実施形態に係る亀裂の定量的非破壊評価方法につき、図３を参照して説明する。上記第１実施形態では、管体１の断面全域を冷却していたが、これに限らず、管体９の断面の部分的な冷却処理によっても、亀裂１０を顕在化させるために十分な応力を発生させることができる。
【００３２】
先ず、管体９の検査対象となる部位に液体窒素１１を噴き付け、検査対象となる部位を冷却処理させる。このとき冷却された部位は収縮し、内部には引張応力が生じるようになり、検査対象となる部位から管体９の中心軸を挟んで対向している部位には、圧縮応力が生じることになる。
【００３３】
この応力によって、検査対象となる部位に存在する亀裂１０を顕在化させることができ、検査装置１２、１３による亀裂１０の検出、及び亀裂１０の大きさの評価の精度を向上させることができる。この冷却処理の場合には、冷却処理させる管体９の領域は、検査対象となる部位から周方向に角度９０°程度以下の角度範囲、図３に示す管体９の下半分が有効である。
【００３４】
次に、第３実施形態に係る亀裂の定量的非破壊評価方法につき、図４を参照して説明する。上記第２実施形態では、管体９の検査対象となる部位を冷却処理させて応力を発生させていたが、これに限らず、管体１４を加熱処理させることによっても、亀裂１５を顕在化させるために十分な応力を発生させることができる。
【００３５】
先ず、上記第２実施形態とは逆に、管体１４の検査対象となる部位から管体１４の中心軸を挟んで対向している部位にスチーム１６を噴き付けることで加熱処理させると、加熱された部位は膨張し、内部には圧縮応力が生じるようになり、逆に検査対象となる部位には、引張応力が生じることになる。
【００３６】
この応力によって、検査対象に存在する亀裂１５を顕在化させることができ、検査装置１７、１８による亀裂１５の検出、及び亀裂１５の大きさの評価の精度を向上させることができる。この加熱処理の場合には、加熱処理させる管体１４の領域は、検査対象となる部位から周方向に角度９０°程度以上の角度範囲、図４に示す管体１４の上半分が有効である。
【００３７】
次に、第４実施形態に係る亀裂の定量的非破壊評価方法につき、図５を参照して説明する。上述した冷却処理と加熱処理は同時に行うことも可能である。
【００３８】
先ず、管体１９の検査対象となる部位に液体窒素２０を噴き付けると同時に、管体１９の検査対象となる部位から管体１９の中心軸を挟んで対向している部位にスチーム２１を噴き付ける。冷却された部位は収縮し、内部には引張応力が生じるようになり、加熱された部位は膨張し、内部には圧縮応力が生じるようになる。
【００３９】
管体１９の中心軸を挟んで対向している部位同士が、冷却処理及び加熱処理されることで、より大きな応力を検査対象となる部位に与えることができ、検査対象となる部位に存在する亀裂２２がより顕在化されることになる。そのため検査装置２３、２４による亀裂２２の検出、及び亀裂２２の大きさの評価の精度をより向上させることができる。
【００４０】
冷却と加熱を同時に行うことで、冷却処理された検査対象となる部位を、検査後にすぐに加熱処理させることができるので、冷却された部位の温度が、自然にもとの温度に戻るのを待つことなく、即座に検査対象となる部位を変えることができるようになるので、検査時間を短縮できるようになる。
【００４１】
そのため、管体１９の溶接部２５などを検査するときには、液体窒素２０とスチーム２１を噴き付ける部位を溶接部２５の外周に沿って、回転させながら移動させることで、冷却・加熱処理を繰り返しながら検査対象の部位を順次変えることができ、管体１９の溶接部２５を連続的に検査することができるようになる。
【００４２】
より詳しく冷却・加熱処理された管体１９について、図５を参照して説明すると、冷却・加熱処理を実施された管体１９の加熱された部位は膨張し、冷却された部位は収縮し、応力バランスによって冷却処理された部分の亀裂２２がより顕在化する。
【００４３】
このように管体１９は、冷却された部位に存在する亀裂２２は開口することになり、検査装置２３、２４によって亀裂２２を発見しやすくなるばかりか、亀裂２２の実際の大きさの測定ができるようになる。
【００４４】
応力を管体に与える方法は種々考えられるが、本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法では、管体を冷却処理、加熱処理、または冷却・加熱処理の組合せを実施することで、管体に歪みを発生させているので、何の治具等を使わずに管体に応力を与えることができるばかりか、検査後に熱処理を止めることで、管体の温度は自然にもとに戻るので、検査作業が容易に行えるようになっている。
【００４５】
以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。
【００４６】
例えば、上記実施例では、管体を冷却させる際に液体窒素を使用したが、これに限られるものではなく、液体ヘリウム、液体酸素、液体空気等を用いることでも同様な効果を期待できる。
【００４７】
また、管体を加熱させる際に、スチームを使用したが、これに限られるものではなく、電気抵抗の発熱を利用した発熱体やレーザーやガスバーナー等を用いて管体を加熱させることもできる。
【００４８】
上記実施例で用いられている超音波検査装置は、送信機と受信機の２台を用いて検査を行っているが、これに限らず、１台または３台以上で送信も受信も行える超音波検査装置を用いることも可能であり、さらにいろいろな角度で超音波を入射可能である。このように上記実施例に限定されるものではなく、種々の検査装置がこの発明に適用できることは自明である。
【００４９】
更に、上記実施例では、超音波を用いた検査装置を使用して検査を行っているが、本発明の亀裂の検査方法は、これに限らず、Ｘ線探傷技術、漏洩磁束探傷技術、過電流探傷技術、及びその他の探傷技術などにも使用することができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明は以下の効果を奏する。
（ａ）請求項１に記載の発明によれば、管体にメカニカルな装置を取り付けたり、外す手間なく、外部からの冷却処理で熱変化を管体に与えるだけで、管体の内部に応力を与えることができ、管体に存在する亀裂が、この応力で顕在化されるようになり、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００５１】
（ｂ）請求項２に記載の発明によれば、管体の断面全域を冷却することにより、管体の長手方向に沿って管体に引張応力が与えられるようになり、管体に存在する亀裂が顕在化されるようになるので、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００５２】
（ｃ）請求項３に記載の発明によれば、冷却された部位には、引張応力が作用し、その他の部位には、圧縮応力が作用するようになるので、冷却された部位に存在する亀裂が顕在化されるようになり、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００５３】
（ｄ）請求項４に記載の発明によれば、加熱された部位には、圧縮応力が作用し、その他の部位には、引張応力が作用するようになるので、管体の検査対象となる部位に存在する亀裂が顕在化されることになり、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。特に加熱に関しては、原理的に溶接部が溶融するまでのかなりの高温加熱が可能となり、高い応力を与えられる。
【００５４】
（ｅ）請求項５に記載の発明によれば、高い温度差を管体に与えることができ、評価精度が一段と向上する。また、冷却された検査対象となる部位の温度を即座に加熱できるとともに、その逆も可能となるため、検査装置を移動させながら、各部位を連続的に検査でき、検査時間の短縮に寄与できる。
【００５５】
（ｆ）請求項６に記載の発明によれば、冷却された部位には、引張応力が作用し、加熱された部分には、圧縮応力が作用するので、管体の中心軸を挟んで対向している部位同士が、冷却及び加熱されることで、より大きな応力を検査対象となる部位に与えることができ、亀裂がより顕在化し、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００５６】
（ｇ）請求項７に記載の発明によれば、液体窒素を用いることで、管体を短時間で極めて低い温度に冷却させられるばかりか、大きな応力を管体に作用させることができるようになり、管体を部分的に冷却させた状態で、亀裂を顕在化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における亀裂の定量的非破壊評価方法を示す図である。
【図２】管体を示した図である。
【図３】第２実施形態における亀裂の定量的非破壊評価方法を示す図である。
【図４】第３実施形態における亀裂の定量的非破壊評価方法を示す図である。
【図５】第４実施形態における亀裂の定量的非破壊評価方法を示す図である。
【符号の説明】
１ 管体
２、３ 配管
４ 溶接部
５ 亀裂
６ 検査装置の送信機
７ 検査装置の受信機
８ 液体窒素
９ 管体
１０ 亀裂
１１ 液体窒素
１２、１３ 検査装置
１４ 管体
１５ 亀裂
１６ スチーム
１７、１８ 検査装置
１９ 管体
２０ 液体窒素
２１ スチーム
２２ 亀裂
２３、２４ 検査装置
２５ 溶接部
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波またはＸ線等を用いた金属製の管における亀裂の非破壊評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電所や航空機や船舶等で使用されている金属製の配管及び配管の溶接部等には、長年の使用により、亀裂が生じることがあり、これら亀裂の先端は鋭く、それゆえ応力が集中することになり、放置しておくと亀裂が進展し、配管が破壊されてしまうことがある。そのため、従来から各種の検査装置を用いて亀裂の発見、または亀裂の大きさを評価する方法が開発されてきた。例えば、超音波を配管の溶接部等の検査対象部位に照射して、反射してくるエコーの大きさから亀裂の発見、または亀裂の大きさを知る方法がある。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
また、Ｘ線を対象物に照射して透過するＸ線をカメラで撮影し、亀裂等の撮像を得るものがある。（例えば、特許文献２参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２６７６３８号公報（段落００１３、第２図）
【特許文献２】
特開平９−２９７１１１号公報（段落００２３、第４図）
【０００５】
【発明が解決しようとしている課題】
機械や構造物の運転に伴い配管等には負荷がかかり、亀裂が開口して進展するようになり、逆に運転を停止した状態で行われる検査時においては、無負荷のために一般に亀裂は閉じている場合がある。疲労亀裂の亀裂閉口はよく知られており、応力腐蝕割れにおいても、亀裂面間の酸化物は亀裂閉口の要因となり、亀裂の早期発見の観点から重要である微小な亀裂は、大きい亀裂よりも強く閉じている可能性がある。
【０００６】
しかしながら、特許文献１にあっては、超音波のエコーを用いて亀裂の検出を行っているために、検査対象となる部位を測定した際に、閉口した亀裂は、実際より小さい亀裂が存在すると誤った評価がなされるばかりか、ときには亀裂が発見されなくなる可能性があり、亀裂の検出や正確な大きさの評価が難しくなり、精度の高い検査ができなくなる。
【０００７】
また、特許文献２にあっては、Ｘ線を用いて亀裂の検出を行っており、Ｘ線は体積を有する開口している亀裂の検出には有効であるが、閉口している小さい亀裂の体積は極めて小さく、それゆえ健全な部分と亀裂の部分とでＸ線の減衰の変化が出難く、精度の高い亀裂の検出や評価が困難である。
【０００８】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、閉口した亀裂を開口させて亀裂の検出、または精度よく亀裂の大きさの評価ができる亀裂の定量的非破壊評価方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を解決するために、本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、金属製の管体の亀裂を所定の検査装置によって検出するために、前記管体の所定位置に歪みを発生させ、前記管体に存在する亀裂を開口させて顕在化させた状態で、前記検査装置を用いて前記管体を検査する亀裂の定量的非破壊評価方法であって、各管体が連続的に繋がっており、瞬間的に前記管体の両端が固定されている配管であることを条件に、前記管体を冷却処理することによって、前記管体の体積を収縮させ、管体長手方向に引っ張り応力を発生させ、この応力により亀裂を顕在化させて前記検査装置を用いて前記管体を検査するようにしたことを特徴としている。
この特徴によれば、管体にメカニカルな装置を取り付けたり、外す手間なく、外部からの冷却処理で熱変化を管体に与えるだけで、管体の内部に応力を与えることができ、管体に存在する亀裂が、この応力で顕在化されるようになり、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００１０】
本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、前記管体の少なくとも一部の断面全域を冷却することによって歪みを前記管体に与えて、亀裂を顕在化させて前記検査装置を用いて前記管体を検査するようにしたことが好ましい。
このようにすれば、管体の断面全域を冷却することにより、管体の長手方向に沿って管体に引張応力が与えられるようになり、管体に存在する亀裂が顕在化されるようになるので、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００１１】
本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、前記管体の検査対象となる部位を冷却し、前記検査装置を用いて前記管体の検査対象となる部位を検査するようにしたことが好ましい。
このようにすれば、冷却された部位には、引張応力が作用し、その他の部位には、圧縮応力が作用するようになるので、冷却された部位に存在する亀裂が顕在化されるようになり、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００１２】
本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、金属製の管体の亀裂を所定の検査装置によって検出するために、前記管体の所定位置に歪みを発生させ、前記管体に存在する亀裂を開口させて顕在化させた状態で、前記検査装置を用いて前記管体を検査する亀裂の定量的非破壊評価方法であって、各管体が連続的に繋がっており、瞬間的に前記管体の両端が固定されている配管であることを条件に、少なくとも前記管体の検査対象となる部位を除く、前記管体の部位を加熱し、加熱された部位を膨張させて管体内部に圧縮応力を発生させ、逆に検査対象となる部位に引張応力を発生させ、この応力により亀裂を顕在化させて前記検査装置を用いて前記管体を検査するようにしたことを特徴としている。
この特徴によれば、加熱された部位には、圧縮応力が作用し、その他の部位には、引張応力が作用するようになるので、管体の検査対象となる部位に存在する亀裂が顕在化されることになり、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。特に加熱に関しては、原理的に溶接部が溶融するまでのかなりの高温加熱が可能となり、高い応力を与えられる。
【００１３】
本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、前記管体の検査対象となる部位を冷却し、前記管体の検査対象となる部位以外の部位を加熱し、前記検査装置を用いて前記管体の検査対象となる部位を検査するようにしたことが好ましい。
このようにすれば、高い温度差を管体に与えることができ、評価精度が一段と向上する。また、冷却された検査対象となる部位の温度を即座に加熱できるとともに、その逆も可能となるため、検査装置を移動させながら、各部位を連続的に検査でき、検査時間の短縮に寄与できる。
【００１４】
本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、前記管体の加熱される部位が、前記管体の検査対象となる冷却される部位と、前記管体の中心軸を挟んで対向している部位であることが好ましい。
このようにすれば、冷却された部位には、引張応力が作用し、加熱された部分には、圧縮応力が作用するので、管体の中心軸を挟んで対向している部位同士が、冷却及び加熱されることで、より大きな応力を検査対象となる部位に与えることができ、亀裂がより顕在化し、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００１５】
本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、前記管体が液体窒素によって冷却処理された状態で、前記検査装置を用いて前記管体を検査するようにしたことが好ましい。
このようにすれば、液体窒素を用いることで、管体を短時間で極めて低い温度に冷却させられるばかりか、大きな応力を管体に作用させることができるようになり、管体を部分的に冷却させた状態で、亀裂を顕在化させることができる。
【００１６】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明すると、先ず図１は、本発明の第１実施形態における亀裂の定量的非破壊評価方法を示す図である。符号１は、発電所や航空機や船舶等で使用されている管体であり、この管体１は、ステンレス鋼で構成された金属製の配管２、３同士が溶接されており、溶接部４が形成されている。
【００１７】
溶接部４には、長年の使用により亀裂５が生じるため、この亀裂５を検出するために、超音波を用いた検査装置６、７を使って、亀裂５を検出する非破壊検査を行うことができる。超音波を用いた検査装置６、７を使用した場合には、検査装置の送信機６より送信された超音波は管体１内部で反射し、そのエコーが検査装置の受信機７で受信されることになり、受信されたエコーの波形から管体１内部に存在する亀裂５の評価を行うことができる。
【００１８】
亀裂５の位置は、送信された超音波が受信されるまでの時間から測定でき、亀裂５の大きさは、受信されたエコーの波形の高さ、あるいはエコーが出現する範囲から測定できる。しかし、亀裂５が閉口している場合には、受信されるエコーの波形が小さくなり、実際より小さい亀裂５があると判断されることがあるばかりか、亀裂５が検出されなくなることがある。
【００１９】
上記のような閉口した亀裂５による問題は、閉じた亀裂５を開いた状態にさせることで、亀裂５が顕在化するようになるので解消できる。亀裂５を顕在化させるためには、先ず、管体１を冷却処理することによって、管体１の体積を収縮させ、管体１が収縮することで生じる歪みにより、引張応力を管体１内部に発生させ、この応力が亀裂５を開口させるように作用するようになっている。
【００２０】
実際に管体１を検査する際には、図１に示すように、管体１の一部の外周に沿って液体窒素８を噴き付け、管体１の断面全域を冷却処理させる。金属製の管体１は、冷却された部分が収縮するので、管体１の全体には、長手方向に沿って引張応力が作用するようになり、この応力により亀裂５が顕在化されるようになる。一般に大きな設備内の配管系は各管体１が連続的に繋がっており、瞬間的には管体１は両端が固定されているとして、本処理を実施できる。
【００２１】
亀裂５が顕在化された状態で、検査装置の送信機６から超音波を送信し、亀裂５に反射されたエコーを検査装置の受信機７で受信する。亀裂５が顕在化されているので、検査装置による亀裂５の検出、及び亀裂５の実際の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００２２】
次に、管体１を冷却処理した際に管体１に働く応力について、図２を参照して説明する。応力とは、物体の内部で作用する力で、断面に作用する単位面積当たりの力であり、応力を式で表すと以下のようになる。
【数１】
図２に示すように、長さＬ０の管体１の両端が固定されており、この管体１の長さＬ１の区間の領域の断面全体を冷却したときに、亀裂５を顕在化させるための応力は、ヤング率をＥ、線膨張係数をα、冷却領域の温度変化量をΔＴとすると、発生する応力は以下のようになる。
【数２】
上述したヤング率とは、材質の固さの一つの目安であり、応力と歪みとの比のことを表し、歪みに対する応力の比例定数である。一般にこのヤング率の値が大きいほど材質は固く、変形させるのに力が必要であると考えてよい。また、線膨張係数とは、材質の持っている固有の性質を表しており、材質の温度が１℃上昇あるいは降下したときの変形量を示し、この線膨張係数と温度変化量によって、材質の温度が上昇したときには材質は膨張し、材質の温度が降下したときには、材質は収縮するという体積変化が生じるようになっている。
【００２５】
図２の冷却領域は、管体１の任意の位置でよく、管体１全体を冷却した場合を考えると、Ｌ１＝Ｌ０となり、発生する応力は、応力＝ＥαΔＴである。例えば、ステンレス鋼を冷却した際に発生する応力について説明すると、ステンレス鋼のヤング率Ｅと線膨張係数αは、
Ｅ＝約２１０００kgf/mm２
α＝約１５×１０−６［１/℃］（２０℃での値）
であるので、ステンレス鋼で形成された管体１全体を冷却したとき（Ｌ１＝Ｌ０）上記式（１）より、その応力を求める式は、
【数３】
２０℃の室温に置かれた冷却前の管体１全体の温度を２０℃とし、０℃の氷を用いて管体１全体の温度が０℃まで下げられたときには、温度変化量は、２０℃（ΔＴ＝２０）となるので、このとき管体１に発生する応力は、
【数４】
上記式（１）より、温度を下げるほど、その温度変化量に比例して管体１に発生する応力が大きくなり、亀裂５を顕在化させることができる。上記式では、氷を用いて管体１を冷却させていたが、液体窒素８等を管体１の内部に流入させたり、外部から管体１に噴き付けることで管体１を冷却させると、温度変化量のΔＴの値を大きくさせることができるので、より大きな応力を管体１に発生させることができるばかりか、管体１を短時間で極めて低い温度に冷却させることができる。ただし、この実施例の場合は、管体１の外部から管体１を冷却させている。
【００２８】
また、液体窒素８等を用いて管体１を冷却させる場合には、上述したように、管体１全体を冷却（Ｌ１＝Ｌ０）させなくてもよく、管体１を部分的に冷却（Ｌ１＜Ｌ０）させるだけでも、亀裂５を顕在化させるのに十分な応力を発生させることができる。
【００２９】
更に、管体１を部分的に冷却（Ｌ１＜Ｌ０）させる場合、その冷却領域の位置は、図２に示す、管体１の長手方向の左側や右側や亀裂５の存在する部位のどこでも同じ効果を得ることが可能であり、実際に機械や構造物の配管等を冷却する際には、都合の良い位置を冷却すればよいので検査のための冷却作業が容易になっている。
【００３０】
図２では、両端が固定されている管体１について説明したが、実際に機械や構造物の一部として用いられている管体１は、必ずしも両端が固定された状態であるとは限らない。しかし、本発明の場合は、熱変化という瞬間的に極めて自然に復元する処理を用い、短時間に検査作業を行えることになる。また最小限の装置で済むため、現場における機器の組付、組立、除去等の作業が不要となる。
【００３１】
次に、第２実施形態に係る亀裂の定量的非破壊評価方法につき、図３を参照して説明する。上記第１実施形態では、管体１の断面全域を冷却していたが、これに限らず、管体９の断面の部分的な冷却処理によっても、亀裂１０を顕在化させるために十分な応力を発生させることができる。
【００３２】
先ず、管体９の検査対象となる部位に液体窒素１１を噴き付け、検査対象となる部位を冷却処理させる。このとき冷却された部位は収縮し、内部には引張応力が生じるようになり、検査対象となる部位から管体９の中心軸を挟んで対向している部位には、圧縮応力が生じることになる。
【００３３】
この応力によって、検査対象となる部位に存在する亀裂１０を顕在化させることができ、検査装置１２、１３による亀裂１０の検出、及び亀裂１０の大きさの評価の精度を向上させることができる。この冷却処理の場合には、冷却処理させる管体９の領域は、検査対象となる部位から周方向に角度９０°程度以下の角度範囲、図３に示す管体９の下半分が有効である。
【００３４】
次に、第３実施形態に係る亀裂の定量的非破壊評価方法につき、図４を参照して説明する。上記第２実施形態では、管体９の検査対象となる部位を冷却処理させて応力を発生させていたが、これに限らず、管体１４を加熱処理させることによっても、亀裂１５を顕在化させるために十分な応力を発生させることができる。
【００３５】
先ず、上記第２実施形態とは逆に、管体１４の検査対象となる部位から管体１４の中心軸を挟んで対向している部位にスチーム１６を噴き付けることで加熱処理させると、加熱された部位は膨張し、内部には圧縮応力が生じるようになり、逆に検査対象となる部位には、引張応力が生じることになる。
【００３６】
この応力によって、検査対象に存在する亀裂１５を顕在化させることができ、検査装置１７、１８による亀裂１５の検出、及び亀裂１５の大きさの評価の精度を向上させることができる。この加熱処理の場合には、加熱処理させる管体１４の領域は、検査対象となる部位から周方向に角度９０°程度以上の角度範囲、図４に示す管体１４の上半分が有効である。
【００３７】
次に、第４実施形態に係る亀裂の定量的非破壊評価方法につき、図５を参照して説明する。上述した冷却処理と加熱処理は同時に行うことも可能である。
【００３８】
先ず、管体１９の検査対象となる部位に液体窒素２０を噴き付けると同時に、管体１９の検査対象となる部位から管体１９の中心軸を挟んで対向している部位にスチーム２１を噴き付ける。冷却された部位は収縮し、内部には引張応力が生じるようになり、加熱された部位は膨張し、内部には圧縮応力が生じるようになる。
【００３９】
管体１９の中心軸を挟んで対向している部位同士が、冷却処理及び加熱処理されることで、より大きな応力を検査対象となる部位に与えることができ、検査対象となる部位に存在する亀裂２２がより顕在化されることになる。そのため検査装置２３、２４による亀裂２２の検出、及び亀裂２２の大きさの評価の精度をより向上させることができる。
【００４０】
冷却と加熱を同時に行うことで、冷却処理された検査対象となる部位を、検査後にすぐに加熱処理させることができるので、冷却された部位の温度が、自然にもとの温度に戻るのを待つことなく、即座に検査対象となる部位を変えることができるようになるので、検査時間を短縮できるようになる。
【００４１】
そのため、管体１９の溶接部２５などを検査するときには、液体窒素２０とスチーム２１を噴き付ける部位を溶接部２５の外周に沿って、回転させながら移動させることで、冷却・加熱処理を繰り返しながら検査対象の部位を順次変えることができ、管体１９の溶接部２５を連続的に検査することができるようになる。
【００４２】
より詳しく冷却・加熱処理された管体１９について、図５を参照して説明すると、冷却・加熱処理を実施された管体１９の加熱された部位は膨張し、冷却された部位は収縮し、応力バランスによって冷却処理された部分の亀裂２２がより顕在化する。
【００４３】
このように管体１９は、冷却された部位に存在する亀裂２２は開口することになり、検査装置２３、２４によって亀裂２２を発見しやすくなるばかりか、亀裂２２の実際の大きさの測定ができるようになる。
【００４４】
応力を管体に与える方法は種々考えられるが、本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法では、管体を冷却処理、加熱処理、または冷却・加熱処理の組合せを実施することで、管体に歪みを発生させているので、何の治具等を使わずに管体に応力を与えることができるばかりか、検査後に熱処理を止めることで、管体の温度は自然にもとに戻るので、検査作業が容易に行えるようになっている。
【００４５】
以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。
【００４６】
例えば、上記実施例では、管体を冷却させる際に液体窒素を使用したが、これに限られるものではなく、液体ヘリウム、液体酸素、液体空気等を用いることでも同様な効果を期待できる。
【００４７】
また、管体を加熱させる際に、スチームを使用したが、これに限られるものではなく、電気抵抗の発熱を利用した発熱体やレーザーやガスバーナー等を用いて管体を加熱させることもできる。
【００４８】
上記実施例で用いられている超音波検査装置は、送信機と受信機の２台を用いて検査を行っているが、これに限らず、１台または３台以上で送信も受信も行える超音波検査装置を用いることも可能であり、さらにいろいろな角度で超音波を入射可能である。このように上記実施例に限定されるものではなく、種々の検査装置がこの発明に適用できることは自明である。
【００４９】
更に、上記実施例では、超音波を用いた検査装置を使用して検査を行っているが、本発明の亀裂の検査方法は、これに限らず、Ｘ線探傷技術、漏洩磁束探傷技術、過電流探傷技術、及びその他の探傷技術などにも使用することができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明は以下の効果を奏する。
（ａ）請求項１に記載の発明によれば、管体にメカニカルな装置を取り付けたり、外す手間なく、外部からの冷却処理で熱変化を管体に与えるだけで、管体の内部に応力を与えることができ、管体に存在する亀裂が、この応力で顕在化されるようになり、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００５１】
（ｂ）請求項２に記載の発明によれば、管体の断面全域を冷却することにより、管体の長手方向に沿って管体に引張応力が与えられるようになり、管体に存在する亀裂が顕在化されるようになるので、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００５２】
（ｃ）請求項３に記載の発明によれば、冷却された部位には、引張応力が作用し、その他の部位には、圧縮応力が作用するようになるので、冷却された部位に存在する亀裂が顕在化されるようになり、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００５３】
（ｄ）請求項４に記載の発明によれば、加熱された部位には、圧縮応力が作用し、その他の部位には、引張応力が作用するようになるので、管体の検査対象となる部位に存在する亀裂が顕在化されることになり、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。特に加熱に関しては、原理的に溶接部が溶融するまでのかなりの高温加熱が可能となり、高い応力を与えられる。
【００５４】
（ｅ）請求項５に記載の発明によれば、高い温度差を管体に与えることができ、評価精度が一段と向上する。また、冷却された検査対象となる部位の温度を即座に加熱できるとともに、その逆も可能となるため、検査装置を移動させながら、各部位を連続的に検査でき、検査時間の短縮に寄与できる。
【００５５】
（ｆ）請求項６に記載の発明によれば、冷却された部位には、引張応力が作用し、加熱された部分には、圧縮応力が作用するので、管体の中心軸を挟んで対向している部位同士が、冷却及び加熱されることで、より大きな応力を検査対象となる部位に与えることができ、亀裂がより顕在化し、検査装置による亀裂の検出、及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させることができるようになる。
【００５６】
（ｇ）請求項７に記載の発明によれば、液体窒素を用いることで、管体を短時間で極めて低い温度に冷却させられるばかりか、大きな応力を管体に作用させることができるようになり、管体を部分的に冷却させた状態で、亀裂を顕在化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における亀裂の定量的非破壊評価方法を示す図である。
【図２】管体を示した図である。
【図３】第２実施形態における亀裂の定量的非破壊評価方法を示す図である。
【図４】第３実施形態における亀裂の定量的非破壊評価方法を示す図である。
【図５】第４実施形態における亀裂の定量的非破壊評価方法を示す図である。
【符号の説明】
１ 管体
２、３ 配管
４ 溶接部
５ 亀裂
６ 検査装置の送信機
７ 検査装置の受信機
８ 液体窒素
９ 管体
１０ 亀裂
１１ 液体窒素
１２、１３ 検査装置
１４ 管体
１５ 亀裂
１６ スチーム
１７、１８ 検査装置
１９ 管体
２０ 液体窒素
２１ スチーム
２２ 亀裂
２３、２４ 検査装置
２５ 溶接部
Claims (7)
- 金属製の管体の亀裂を所定の検査装置によって検出するために、前記管体の所定位置に歪みを発生させ、前記管体に存在する亀裂を開口させて顕在化させた状態で、前記検査装置を用いて前記管体を検査する亀裂の定量的非破壊評価方法であって、各管体が連続的に繋がっており、瞬間的に前記管体の両端が固定されている配管であることを条件に、前記管体を冷却処理することによって、前記管体の体積を収縮させ、管体長手方向に引っ張り応力を発生させ、この応力により亀裂を顕在化させて前記検査装置を用いて前記管体を検査するようにしたことを特徴とする亀裂の定量的非破壊評価方法。
- 前記管体の少なくとも一部の断面全域を冷却することによって歪みを前記管体に与えて、亀裂を顕在化させて前記検査装置を用いて前記管体を検査するようにした請求項１に記載の亀裂の定量的非破壊評価方法。
- 前記管体の検査対象となる部位を冷却し、前記検査装置を用いて前記管体の検査対象となる部位を検査するようにした請求項１に記載の亀裂の定量的非破壊評価方法。
- 金属製の管体の亀裂を所定の検査装置によって検出するために、前記管体の所定位置に歪みを発生させ、前記管体に存在する亀裂を開口させて顕在化させた状態で、前記検査装置を用いて前記管体を検査する亀裂の定量的非破壊評価方法であって、各管体が連続的に繋がっており、瞬間的に前記管体の両端が固定されている配管であることを条件に、少なくとも前記管体の検査対象となる部位を除く、前記管体の部位を加熱し、加熱された部位を膨張させて管体内部に圧縮応力を発生させ、逆に検査対象となる部位に引張応力を発生させ、この応力により亀裂を顕在化させて前記検査装置を用いて前記管体を検査するようにしたことを特徴とする亀裂の定量的非破壊評価方法。
- 前記管体の検査対象となる部位を冷却し、前記管体の検査対象となる部位以外の部位を加熱し、前記検査装置を用いて前記管体の検査対象となる部位を検査するようにした請求項１に記載の亀裂の定量的非破壊評価方法。
- 前記管体の加熱される部位が、前記管体の検査対象となる冷却される部位と、前記管体の中心軸を挟んで対向している部位である請求項５に記載の亀裂の定量的非破壊評価方法。
- 前記管体が液体窒素によって冷却処理された状態で、前記検査装置を用いて前記管体を検査するようにした請求項１、２、３、５または６の何れかに記載の亀裂の定量的非破壊評価方法。
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