JP4123931B2

JP4123931B2 - 損傷の評価方法

Info

Publication number: JP4123931B2
Application number: JP2002373395A
Authority: JP
Inventors: 忍大城戸; 孝一黒沢; 直人佐藤; 明彦平野; 賢彰田中
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP2004205303A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物の損傷を評価する評価方法及び評価システムに係り、特に損傷形態を特定する損傷の評価方法及び評価システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造物の損傷を評価する様々なシステムが提案されている。例えば、特許文献１では、肉眼によってのみ実施されていた浸透探傷試験結果を映像化して検査の信頼性を向上させるとともに検査時間を短縮するために、ＣＣＤカメラを用いて損傷を検出している。そして、検査対象部にＣＣＤカメラを対向させて２台配置し、観察結果をデジタル画像として記録し、記録した画像から損傷を検出している。また、特許文献２には、コンクリート構造物のひびわれを評価するために、デジタルカメラで撮像した表面状態を画像処理して１ピクセル以下のひび割れを検出することが記載されている。さらに、特許文献３には、原子力発電装置のシュラウドに発生した欠陥を、センシング装置を移動させて欠陥発生部の立体形状を演算するとともに、探傷装置が探傷信号を発信して欠陥の詳細な立体形状を演算することが記載されている。
【０００３】
特許文献４では、容易に探傷できない位置にある構造物等を探傷するために、焦点寸法が数μｍのＸ線を用いて被検査部位の透過Ｘ線を高感度イメージングプレートに拡大結像させ、これをレーザ操作して鮮鋭なデジタル画像化して現場で容易に視認可能な解析像を得ることが記載されている。特許文献５にはフェライト系鉄鋼材料を非破壊検査するために、レプリカを用いて材料表面の欠陥を検査することが記載されている。特許文献６には、シュウ酸により鋼表面をエッチングし、光学顕微鏡を通して取り込んだ画像の輝度分布から粒界の幅を求め、粒界の幅と鋭敏化の関係から鋭敏化の程度を自動的に判断することが記載されている。さらに、特許文献７には、水中にある構造物の表面からでもレプリカを高精度にかつ確実に採取するために、レプリカ採取部の先端部に設けた容器内にレプリカとの密着性に富み、かつレプリカ材の注入時に変形可能な部材を配置してレプリカを採取することが記載されている。
【特許文献１】
特開２００１−１４１６６４号公報
【特許文献２】
特開２００１−１２４５２２号公報
【特許文献３】
特開平１１−３２６５８０号公報
【特許文献４】
特開２００２−２４３６６６号公報
【特許文献５】
特開平８−１６０００８号公報
【特許文献６】
特開平４−２９０９５９号公報
【特許文献７】
特開２００２−７１５３７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記各公報に記載の損傷評価においては、損傷形態を厳密に調べようとする場合には有効であるが、現場作業で損傷を早期にかつ簡便に調べることについては、従分には考慮されていない。つまり、特許文献１ではデジタル画像に記憶させて損傷を調べ検査時間の短縮を図っているが、装置が複雑になり作業現場その場で簡易に損傷を判断することは困難である。特に、原子力装置のように配管が複雑にめぐらされ、その他の多数の部品が容器内部に含まれている時に溶接個所等の損傷を現場の作業員が調査することについては、損傷の検出も損傷の形態の判断も短時間で実行することが求められるが、この特許文献１ではその点の配慮が不十分である。
【０００５】
特許文献２ではコンクリート構造物の微細亀裂を調べるものであるから、金属の微細損傷のように拡大像を精査するものではなく、かつ調査現場でそのまま損傷がどのような原因に起因するものかを現場作業者が判断できるようにはなっていない。
【０００６】
特許文献６には、光学顕微鏡を通して取り込んだ画像の輝度分布から粒界の幅を求め、粒界の幅と鋭敏化の関係から鋭敏化の程度を自動的に判断することが記載されているが、粒界を求める画像を作成するための事前処理が必要であり、また粒界の幅の測定等には熟練を要するという不具合がある。
【０００７】
特許文献７には、水中にある構造物でもレプリカを採取することにより表面状態を観察可能にすることが記載されているが、採取したレプリカから早期にかつ簡易に損傷形態を把握することについては、十分には考慮されていない。
【０００８】
本発明は上記従来の技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は作業現場で早期にかつ簡便に構造物の損傷を把握できるようにすることにある。本発明の他の目的は、不慣れな作業者でも、撮像された画像から容易に損傷を把握できるようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特徴は、構造物の表面状態を撮像して損傷形態を評価する損傷の評価方法において、撮像された表面状態から損傷を検出し、この損傷を構成する線から複数の線分を抽出し、抽出された複数の線分の総長さまたは平均損傷長さと結晶粒度または平均粒界長さとの関係から損傷形態を評価するものである。
【００１０】
そしてこの特徴において、線分の長さは、撮像画面を２値化して求めた線に、幅と長さの比が一定で異なる長さの線分を複数有する基準ゲージを用いて抽出するのがよい。さらに、２値化した線に基準ゲージが有する長さの異なる複数の線分を当てはめ、このゲージの複数の線分の線幅内に２値化した線が入るところまでを線分として抽出するのがよい。さらにまた、抽出された隣り合う２本の線分が有する関係に基づいて損傷形態を判断するのが好ましい。
【００１１】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、構造物の表面状態を撮像して損傷形態を評価する損傷の評価方法において、撮像された表面結晶状態から発生した損傷を複数の線分として抽出し、この複数の線分の中で隣り合う線分のなす角度、隣り合う線分により仮想的に構成した平行四辺形の面積、隣り合う線分の長さの比の少なくともいずれかと一方の線分の長さとの比に基いて損傷形態を評価するものである。
【００１２】
そしてこの特徴において、複数の線分の中で隣り合う線分のなす角度、隣り合う線分により仮想的に構成した平行四辺形の面積、隣り合う線分の長さの比の少なくともいずれかと一方の線分の長さとの比が、予め定めた値より大きいときは粒界割れと判断するのがよい。また線分の抽出においては、幅と長さの比が一定で異なる長さの複数の線分を有する複数の基準ゲージを用意し、この基準ゲージを２値化された損傷の線に当てはめて抽出するのが好ましい。
【００１３】
上記目的を達成するさらに他の特徴は、構造物の表面を撮像する手段と、この撮像手段により撮像された表面状態を拡大して示す手段と、この拡大された画像を２値化する手段と、２値化された画像に表示された損傷から複数の線分を抽出する際に用いる基準ゲージを記憶する手段と、基準ゲージを用いて抽出した複数の線分の中で隣り合う線分の状態を演算する手段とを損傷の評価システムが備えることにある。そして、画像を２値化する手段はプログラムであり、線分状態を演算する手段は他のプログラムであるのがよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る構造物の損傷評価システムの一実施例を、図面を用いて説明する。図１は、損傷評価システムを用いて損傷を評価するフローチャートであり、図２は構造物の表面状態を複写する一実施例の縦断面図、およびその複写方法を示す図である。図３は、複写された表面状態を用いて損傷を評価するシステムの斜視図及び構造物の表面の撮像を説明する図である。
【００１５】
本実施例は、水中にある構造物の表面に発生した損傷をいわゆるレプリカ採取法に基いて採取した複写表面に基いて評価する例である。図２により、水中にある構造物から複写表面を作成する様子を説明する。原子力容器等、作業者がアクセス困難な場合に用いられる。図示しないロボットアームの先端には、ポール１６が取付けられている。ポール１６を図示しない移動機構により垂直方向に移動させて、先端を水中に配置された構造物１の被検査部に対面させる。ポール１６の先端部にはポールの延びる方向にほぼ直角に延びる転写機構１０が取付けられている。
【００１６】
転写機構１０は、ポール１６への取付け部であるベース１０ａと、このベース１０ａに取付けられ２種類のレプリカ素材を収納する収納部１０ｂと、損傷検査部に混合したレプリカ素材を接触させるための転写溜まり部１８と、収納部１０ｂに収納したレプリカ素材を混合して転写溜まり部１８に送る混合ノズル１７を保持するための保持部材１０ｃ、１０ｄとを有している。転写溜まり部１８は矩形の凹部である。レプリカ素材の収納部１０ｂには、ノズル１７側に主材を収納する大容器部１１と、硬化材を収納する小容器部１２とが縦に並んで形成されている。大容器部１１と小容器部１２のノズル１７側端部には両容器部１１、１２に収容された主材と硬化材を転写時に混合するための混合室１３ａが形成されている。
【００１７】
大容器部１１と小容器部１２の背面側には、これら２つの容器部１１、１２に収納された主材と硬化材をノズル１７側に押し出すためのエアシリンダ１３が配設されている。エアシリンダ１３にはエアホース１５が接続されており、エアホース１５はポール１６及びマニピュレータ内またはそれらに沿って延びており、図示しない制御装置に接続されている。エアシリンダ１３の背面側にはピストン１４が設けられている。
【００１８】
このように構成した転写機構１０を用いて、構造物１の被検査部１ａについて、レプリカを作成する様子を以下に説明する。レプリカ作成には、大容器部１１に収納された主材と小容器部１２収納された硬化材の２液を混合して用いる。これらの２液は、混合された後所定時間放置すれば硬化する２液混合樹脂である。被検査部１ａに遠隔操作で転写機構１０を接近させる。図示しない制御装置からの指令により、シリンダ１３を介してピストン１４に圧力が加えられると、主材と硬化材は混合室１３ａに押し出される。このとき、ピストン１４にエアホース１５を介して、遠隔から圧力が付与される。
【００１９】
エアシリンダ１３で押し出された主材と硬化材は、混合室１３ａから混合ノズル１７に導かれて混合され、混合ノズル１７の先端に取付けられた転写材溜り部１８に押し出される。転写溜まり部１８の容積に応じた量の２液混合樹脂１９が押し出されたら、予め定めた時間だけそのままの状態を維持して２液混合樹脂１９を硬化させる。２液硬化樹脂１９が硬化したら、転写溜まり部１８から硬化した２液硬化樹脂１９だけを取出だす。取出された２液硬化樹脂１９は、被検査部１ａの状態を転写したレプリカとなる。このレプリカに損傷２０が転写されていれば、レプリカ１９ａの表面に線状または点状の痕が見られる。
【００２０】
以下、レプリカ１９ａを用いた本発明に係る評価方法の一例を、図１により説明する。第１の工程１００において、構造物１の表面状態を観察するために、レプリカ１９ａにより表面状態を転写する。表面状態をレプリカ１９ａに転写したら、表面の微細な情報を得るため詳細観察する（第２の工程１０１）。詳細観察には、可搬型のハンド光学顕微鏡３０を用いる。ハンド光学顕微鏡３０の観察により、損傷２０の詳細形状を明らかにして、損傷２０の発生メカニズムを推測するのに役立てる。そこで、被検査部１ａの表面を転写したレプリカ１９ａ上に損傷があるかどうかを判断する（第３の工程１０２）。損傷が無い場合は、損傷が無いことを記録１０８する。
【００２１】
損傷がある場合には、図3に示した画像処理装置を用いて画像処理する。具体的には、被検査部１ａを転写したレプリカ１９ａの上方から、ハンド光学顕微鏡３０に付設したＣＣＤカメラ３１を用いてレプリカ１９ａの表面画像１９ｂを撮像し、計算機３２に取り込む。計算機３２には、画像処理プログラムが搭載されている。取り込んだ表面画像１９ｂには、レプリカ１９ａ表面に転写された損傷痕２０も含まれる。これらを計算機３２の表示手段３２ａに表示させるとともに、計算機３２が備えるハードディスクまたは記憶手段３３に記憶する（第４の工程１０３）。なお、この工程１０３においては、被検査部１ａを表面状態を評価するのに必要な大きさまで、拡大表示及び記録する。
【００２２】
損傷痕２０の開口幅が小さく、予め定めた倍率では殆んど開口していないような場合には、光学系の観察機器で観察することが可能である。しかし、損傷痕２０の開口幅が非常に大きく、予め定めた倍率では画面の大部分を開口幅が占有するようなときは、損傷痕２０の境目であるエッジ部を見定めることが困難である。そのような場合には、走査型電子顕微鏡を用いる。走査型電子顕微鏡を用いると、凹凸が平坦に観察される。そのため、開口幅が大きくても、損傷痕２０のエッジを見定めることができる。
【００２３】
走査型電子顕微鏡を持ち込むことが困難な現場作業等のときは、光学系の観察装置を用いざるを得ない。この場合、レプリカ１９ａの表面画像を斜めから撮像する。最初の観察で損傷痕２０のエッジと考えた位置に、光学式顕微鏡の焦点を合わせる。その状態のまま、レプリカ１９ａを傾けて、エッジの部分を見定める。走査型電子顕微鏡または光学式顕微鏡のいずれかを用いることにより、損傷痕２０の開口形態に依らず、損傷痕２０のエッジを判定できる。
【００２４】
損傷痕２０の境目であるエッジが見定められたので、計算機３２を用いてレプリカ１９ａの表面画像１９ｂを画像処理する。図４に、この画像処理の流れを示す。初めに、表面画像１９ｂの明暗や輝度等を用いて、画像１９ｂを２値化処理する。２値化処理によりバックグラウンドノイズとなるレプリカ１９ａ自体からの影響が取除かれる。最終的に損傷痕２０が明瞭化された損傷画像１９ｃが画面上に現れる（第５の工程１０４）。２値化処理により、次工程以降の詳細評価の自動処理が可能になる。
【００２５】
２値化された損傷画像１９ｃに基づいて、損傷線４０を複数の直線セグメントに分割する。このセグメントは、損傷のメカニズムを解明するのに用いられる。従来セグメント化は作業者の経験に基づいて行われていた。図4に示したように明らかに直線の折れ曲がりのような場合には、不慣れな作業者でもセグメント化の誤差は少ない。しかしながら折れ曲がり部が明瞭でない場合には、セグメント化による誤差が増大し、損傷の評価にも重大な影響が現れるおそれがあった。
【００２６】
そこで本発明においては、熟練者でも未熟練者でも同程度の精度でセグメント化できるようにしている。すなわち、本発明者らにより損傷の形態とセグメント長にはある相関があることが知られたので、その相関関係に基く基準ゲージを作成し、その基準ゲージを各セグメントに当てはめることとした。
【００２７】
損傷の代表的な形態である粒界割れと粒内割れにおける損傷の幅w５０と長さλ５１の関係を、結晶粒度毎に求めておく（ステップ1２０）。この様子を図５を用いて説明する。図５では、粒界割れのみを示した。粒界割れ５２が見られた試験片について、任意の複数の領域を拡大して、例えば2００倍に拡大して金属組織５３を観察する。この金属組織５３には、特定の幅と長さの関係を有する粒界割れ５２が多数見られるから、この領域における粒界の幅ｗ５０と長さλを、測定する。複数の領域における幅ｗと長さλの比であるアスペクト比について、頻度分布５５を求める。この頻度分布について、平均アスペクト比を求める。この平均アスペクト比と同じアスペクト比を有し、長さの異なる種々の基準ゲージ素片５４を作成する。その際、基準ゲージ素片５４の最大長さλ_ｍａｘを、複数観察された金属組織５３の最大長さとする。
【００２８】
この基準ゲージ素片を２値化画像１９ｃの損傷線４０に当てはめていく。その際、セグメントとして考えられる線に複数の基準ゲージ素片を大きい方から順に当てていく。基準ゲージ素片が大きすぎると、ゲージ素片長がセグメントとして考えられる損傷線を越えてしまう。そこでより大きいゲージ素片を使って損傷線に当てはめてみる。一方、基準ゲージ素片が小さすぎると、セグメントの幅はゲージ素片からはみ出す。そこでより大きいゲージ素片を使って損傷線に４０当てはめる。このようにして順次ゲージ素片の大きさを変え、ほぼ基準ゲージ素片が占める矩形状の面積内に損傷線４０が収まるときに、そのゲージ素片の長さをセグメント長とする（第６の工程1０５）。この手順を損傷線４０全体にわたり繰り返す。これにより、最終的に、２値化された画像全体をセグメント化する。
【００２９】
次に、個々のセグメント５６の長さλ１５１の平均値、被検査部１ｂ内またはその一部に含まれるセグメント５６の合計長さ、被検査部１ｂ内またはその一部におけるセグメント５６長さの頻度分布、隣りあうセグメント５６同士がなす角度θ、隣りあうセグメント５６で仮想的に形成した平行四辺形の辺の比R、または平行四辺形の面積Sの少なくともいずれかを演算する（第７の工程１０６）。
【００３０】
次の第８の工程１０７では、第７の工程１０６で得られたセグメントの特徴に基づいて損傷の発生要因を評価する。その際、予め結晶粒度と第７の工程１０６で求めたパラメータの関係を明らかにしておく。図６に、各パラメータと平均粒界長さの関係の例を示す。この関係図は、結晶粒度の異なる試験片ごとに、損傷の代表的な形態である粒界割れ６１と粒内割れ６０のゲージ素片５４を割り当てて求められる。
【００３１】
ここで、同じ粒界長さであれば、平均損傷長さλ_avr、損傷全長さλ_all、交差角度θ、隣り合うセグメントの長さ比Ｒ，隣り合うセグメントで仮想的に形成される四辺形の面積Ｓのいずれもが、粒界割れ６１の方が粒内割れ６０より大となる。また、粒界長さが長くなるにつれ、上記各値は線形的に増大する。さらに、平均損傷長さλ_avrと損傷全長さλ_allについては、粒界割れ６１の幅（グラフのＹ軸方向長さ）がほぼ一定になるので、その平均値を基準ゲージ素片の長さに使うと便利である。
【００３２】
なお個々のセグメント長さの頻度分布を見ると、粒界割れ６１ではピークが１箇所であるが、粒内割れ６０では粒界割れ６１のピークを挟んで長短両側にピークが現れることが知られた。この特徴が、粒界割れと粒内割れを識別する１つの指標であることは上述したとおりである。
【００３３】
平均粒界長さと結晶粒度には相対関係が成立するので、平均粒界長さの代わりに結晶粒度を用いても良い。第７の工程１０６で得られた結果を、図６のいずれかのグラフにプロットし、その領域が粒界割れ（ＩＧ）６１の領域であるか、粒内割れ（ＴＧ）６０の領域であるか評価する。
【００３４】
以上の一連の工程を記録し、図６に示した各パラメータと平均粒界長さの関係図に反映させる（第9の工程１０８）。この作業により、データベースが更新され、評価精度が向上する。なお、第１の工程から第９の工程までの一連の作業は、人の手を介して実行することも可能であるが、損傷のデジタル化や基準ゲージによるセグメント化を用いることにより、第４工程以降の作業を自動化できる。
【００３５】
上記実施例においては、レプリカにより被検査部の表面状態を観察しているが、かメラや光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡等の観察機器を用いて直接観察してもよいし、アルコールに可溶なフィルムや非弾性ゴム等により転写したものを用いてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、予め用意した基準ゲージを２値化して得られた構造物の損傷線に適用して損傷から複数の線分を抽出したので、作業現場で簡便にかつ短時間で損傷を評価できる。その結果、不慣れな作業員でも確実に損傷形態を評価できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る損傷形態の判別の一実施例のフロー図である。
【図２】本発明に係る遠隔転写装置の一実施例の縦断面図及びそれを用いた撮像図の例である。
【図３】本発明に係る損傷形態判別装置の一実施例の斜視図及びそれを用いた判別図の例である。
【図４】損傷形態の判別法を説明する図である。
【図５】損傷形態の判別法を説明する図である。
【図６】損傷形態の判別法を説明する図である。
【符号の説明】
１…構造物、１ａ…被検査部、１０…転写機構、１１…大容器部、１２…小容器部、１３…エアシリンダ、１４…ピストン、１５…エアホース、１６…ポール、１７…混合ノズル、１８…転写材溜り部、１９ａ…レプリカ、２０…損傷痕、３０…ハンド光学顕微鏡、３１…CCDカメラ、３２…計算機、３３…記録媒体、４０…２値化された損傷線、５０…粒界割れ幅、５１…粒界割れ長さ、５２…粒界割れ、５４…基準ゲージ素片、５５…損傷の幅と長さの関係、６０…粒内割れ（TG）、６１…粒界割れ（IG）、６２…結晶粒度に起因する固有値。

Claims

構造物の表面状態を撮像して、粒界割れと粒内割れとを識別する損傷の評価方法において、
撮像された表面状態から損傷を検出し、この損傷を構成する線から複数の線分を抽出し、抽出された複数の線分の総長さまたは平均損傷長さと、結晶粒度または平均粒界長さと、の関係から粒界割れと粒内割れとを識別することを特徴とする損傷の評価方法。
前記線分の長さは、撮像画面を２値化して求めた線に、幅と長さの比が一定で異なる長さの線分を複数有する基準ゲージを用いて抽出されることを特徴とする請求項１に記載の損傷の評価方法。
前記基準ゲージが有する長さの異なる複数の線分を２値化した線に当てはめ、この基準ゲージの複数の線分の線幅内に２値化した線が入るところまでを線分として抽出することを特徴とする請求項２に記載の損傷の評価方法。