JP4373627B2

JP4373627B2 - 構造物欠陥深さ測定方法

Info

Publication number: JP4373627B2
Application number: JP2001253006A
Authority: JP
Inventors: 順一高林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2021-08-23
Also published as: JP2003066016A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は構造物に存在する欠陥の寿命評価を行う上で必要となる欠陥の深さを測定する構造物欠陥深さ測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
構造物の非破壊検査においては、検出された欠陥の深さと強度上許容される模擬欠陥の深さとを比較して欠陥の検出感度及び合否を決定している。しかし、重要な構造物において合格範囲ではあるが欠陥が発見された場合、及び欠陥として検出されてもすぐに補修できない場合などにおいて、構造物の寿命評価を行うために欠陥の深さを測定する必要があった。
【０００３】
この欠陥深さ測定方法としては、渦流探傷法、電気抵抗法、超音波探傷における端部エコー法などがあるが、渦流探傷法や電気抵抗法では探傷面側に欠陥がなければ測定できない上に測定誤差も大きかった。また、超音波探傷における端部エコー法は探傷面と反対側から発生した欠陥でも測定できるものの、欠陥端部で発生する回析波は極めて微弱であるため、結晶粒界ノイズ等との分離判別が非常に困難であり,特にオーステナイト系等減衰の大きな材料の溶接熱影響部に発生した応力腐食割れ（ＳＣＣ）では欠陥が結晶粒界に沿って樹枝状に微細に進展していることもあって確実に欠陥深さを検出することは困難であった。
【０００４】
また、他の方法として構造物の保全技術の一つとして、構造物の複数箇所に音響センサを配置し、構造物を使用している期間中継続して構造物内で発生している微細な音を監視することにより、欠陥が発生、進展したとき発する破壊音を検知して、各センサが破壊音を捕らえた時間差等より、地震の震源地計測と同じ三角測量によって欠陥の位置を同定するアコースティックエミッション（以下、ＡＥと略す）法がある。しかしこのＡＥ方法では欠陥が発生、進展する瞬間しか欠陥を検出することができず、また、継続監視中外部からの雑音が常に入るため、欠陥信号とノイズの分離が難しい上、長期間に渡る監視が必要であった。
【０００５】
さらに、欠陥のある構造物の欠陥先端に対して縦波超音波を入射すると欠陥先端の進展方向に対して４５°下方向にモード変換した横波超音波が発生する（特願平６−１１９８３３号参照）が、ＳＣＣのように結晶粒界に沿って欠陥が進展している先端の進展方向が明確でない欠陥では、発生した横波を検知することが困難な上に音の伝播ルートが明確でないことから、算出された欠陥先端位置の精度もかなり悪かった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の構造物欠陥深さ測定方法では、欠陥の深さを測定することは困難であり、特にオーステナイト系等減衰の大きな材料の溶接熱影響部に発生したＳＣＣの結晶粒界に沿って樹枝状に進展した欠陥先端は結晶粒界との識別が困難なためほとんど判別不可能であった。
【０００７】
本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであり、その課題は、強制的に欠陥を微細に進展させることにより、継続監視すること無しに欠陥の深さを正確に測定できる構造物欠陥深さ測定方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の構造物欠陥深さ測定方法の発明は、事前の検査で検知された構造物の欠陥の直上に外力発生器を設置するとともにこの外力発生器を取り囲む位置に３個以上の音響センサを配置し、この外力発生器によって局所的に外力を加えて欠陥を進展させ、欠陥から発生する破壊音をそれぞれの音響センサが受信した時間の差と音響センサの位置とから破壊音発生位置を検出することを特徴とする。
【００１１】
請求項１によれば、溶接熱影響部に発生しやすい応力腐食割れや疲労割れ等の欠陥深さを極めて精度良く測定することが可能となる。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の構造物欠陥深さ測定方法において、あらかじめ外力発生器と複数の音響センサが配置してある一体化モジュールとしたことを特徴とする。
請求項２によると、外力発生器と複数の音響センサが一体化モジュールされているので、音響センサの位置確認が必要なくなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態（請求項１対応）である構造物欠陥深さ測定方法を実施する構成図であり、同図（ａ）は基本的配置図、同図（ｂ）はその断面図である。
【００１５】
図に示すように、本実施形態では、事前の非破壊検査等で検知された構造物４のひびや割れ等の欠陥３の直上に、欠陥３を強制的に進展させる外力発生器１がセットされ、この外力発生器１を取り囲むように複数個の音響センサ２がセットされている。
【００１６】
本発明は上述したＡＥ法の原理を利用し、ＡＥ法の課題である欠陥の進展を長期に渡って待つことをなくすため、外力によって強制的に欠陥を微細進展させるものである。従って任意のときに外力を加えることで、欠陥先端からの破壊音を検知してＡＥ法に基づいて欠陥サイズ、特に欠陥深さが測定可能となり、ＳＣＣのように形状が複雑で検出しづらい欠陥の深さ測定を精度良く実施できる。
【００１７】
次に、本発明で使用される外力発生器の各種形式について図２ないし図６を参照して説明する。
図２は爆破式打撃型外力発生器であり、上部に電極１１を配置した筒状容器１０内に凸部１３ａを有するピストン１３を設け、筒状容器１０とピストン１３とで作る空間に火薬１２がつめられている。
【００１８】
図３はエアノック式打撃型外力発生器であり、筒状容器１８内にピストン１７が設けられ、このピストン１７と筒状容器１８の天上との間にスプリング１４を取り付けたシャフト１５を設けている。スプリング１４は下部のリリースバルブ１６から加圧エアが吹き込まれると、ピストン１７が上方に移動する。
【００１９】
図２及び図３に示す外力発生器１は、火薬またはスプリングによりピストンを急激に押し下げ、ピストンの中心部に取り付けた凸部またはシャフト１５の先端による打撃により欠陥部３に衝撃を加え、この時に欠陥３先端に応力がかかるため欠陥３が微細に進展する。
【００２０】
図４は圧電素子式振動型外力発生器であり、プレート２０に圧電素子２１とダンパ２２が取付けられている。
図５は機械式振動型外力発生器であり、プレート２５にモータ２３と偏芯ホイール２４が取付けられている。
【００２１】
図４および図５に示す外力発生器は、圧電素子２１によるピエゾ効果もしくは偏芯ホイール２４による機械的な振動を発生させ、欠陥３を有する材料を共振周波数で振動させる。これにより材料に大きな衝撃力を与えることなく欠陥３の先端に応力を加え、欠陥３を微細に進展させることとなる。
【００２２】
図６はレーザ式熱歪外力発生器であり、プレート３０にレーザ発振器３１、レンズ３２及び冷却ノズル３３が取付けられている。この外力発生器はレーザ等を用いて材料表面を急加熱させ、このとき発生する熱歪により同様に欠陥3を微細進展させるものである。
【００２３】
上述したように、本発明は外力発生器による外力を構造物の欠陥部に与えることで、欠陥３が微細に進展し、欠陥３先端の進展部から破壊に伴い音が発生する。この時発生する破壊音を、欠陥周囲に配置した音響センサ２で受信し、各々の音響センサ２の受信時間差等より地震の震源場所を求めるのと同じ方法で計算することにより、音の発生位置つまり欠陥３の先端部位置を検知することが可能となる。
【００２４】
また、欠陥の先端位置を正確に検知するためには、各受信用音響センサ２の位置関係を精度良く把握しておく必要がある。音響センサ２は通常圧電素子で構成されているため、電気的に励起させれば音を発生する。したがって各々のセンサ２を順に励起して音を発生させ、他のセンサ２でこの音を受信して音発生位置を解析すれば、お互いの位置関係を正確に把握することが可能となる。
【００２５】
この欠陥検知方法によれば、検査装置側から発信した音の反射を捕らえる超音波探傷試験方法と異なり、音の発生源が欠陥先端部のみで結晶粒界や形状等の擬似エコー源が無いので、欠陥の先端位置の誤認が少なくなる。
【００２６】
図７は本発明の第２実施形態（請求項２対応）の斜視図である。
図に示すように、本実施形態はあらかじめプレート５上に外力発生器１と音響センサ２を既知の位置に配置して一体化モジュールとしているので、このプレート５ごと検査位置にセットすることにより音響センサ２の位置確認は必要無くなる。また構造物内の欠陥位置同定は図１の第１実施形態と同様であるので、その説明は省略する。
【００２７】
図８は本発明の第３実施形態の構成図であり、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ部分の拡大図である。
同図に示すように、欠陥３のある構造物４０に縦波超音波探触子４１を載置し、それを囲むように横波用音響センサ４２を配置している。縦波超音波探触子４１より欠陥先端に対して縦波超音波４３を入射すると、欠陥先端の進展方向に対して４５゜下方向にモード変換した強い横波超音波４４が発生する。
【００２８】
しかし本実施形態によれば欠陥３の周囲に複数個の音響センサ４２を配置しているため、欠陥先端でモード変換し、任意の方向へ伝播する横波４４を検知することが可能な上、各音響センサ４２で音を受信した時間の差から欠陥位置を検出するため、精度も向上する。
【００２９】
以上に述べたような計算された欠陥先端位置は、通常計算された数値として提供されることとなる。しかし特にＳＣＣ等の場合欠陥先端が一つとは限らない上、数値だけでは欠陥の分布状況など判り難い点があることより、計算結果に基づき検出した欠陥位置を検査体計上に重ね合せて三次元的に表示させることにより、第三者等にも感覚的にもわかりやすく欠陥の状況を明示することが可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、溶接熱影響部に発生しやすい応力腐食割れや疲労割れ等の欠陥深さを極めて精度良く測定することが可能となるので、容器や構造物等の安全評価、残寿命の推定、補修量の検出を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成図であり、同図（ａ）は基本的配置図、同図（ｂ）は同図（ａ）の断面図。
【図２】本発明で使用される爆破式打撃型外力発生器の概略図。
【図３】本発明で使用されるエアノック式打撃型外力発生器の概略図。
【図４】本発明で使用される圧電素子式振動型外力発生器の概略図。
【図５】本発明で使用される機械式振動型外力発生器の概略図。
【図６】本発明で使用されるレーザ式熱歪型外力発生器の概略図。
【図７】本発明の第２実施形態の構成図。
【図８】本発明の第３実施形態の構成図であり、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ部分の拡大図。
【符号の説明】
１…外力発生器、２…音響センサ、３…欠陥、４…構造物、５…固定プレート、１０…筒状容器、１１…電極、１２…火薬、１３，１７…ピストン、１４…スプリング、１５…シャフト、１６…リリースバルブ、１８…筒状容器、２０，２５，３０…プレート、２１…圧電素子、２２…ダンパ、２３…モータ、２４…偏芯ホイール、３１…レーザ発信器、３２…レンズ、３３…冷却ノズル、４０…構造物、４１…縦波超音波探触子、４２…横波用音響センサ、４３…縦波、４４…モード変換した横波。

Claims

事前の検査で検知された構造物の欠陥の直上に外力発生器を設置するとともにこの外力発生器を取り囲む位置に３個以上の音響センサを配置し、この外力発生器によって局所的に外力を加えて欠陥を進展させ、欠陥から発生する破壊音をそれぞれの音響センサが受信した時間の差と音響センサの位置とから破壊音発生位置を検出することを特徴とする構造物欠陥深さ測定方法。
請求項１記載の構造物欠陥深さ測定方法において、あらかじめ外力発生器と複数の音響センサが配置してある一体化モジュールとしたことを特徴とする構造物欠陥深さ測定方法。