JP4423158B2

JP4423158B2 - 電磁超音波探傷方法

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Publication number: JP4423158B2
Application number: JP2004296294A
Authority: JP
Inventors: 将史成重; 良昭永島; 哲也松井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: JP2006105906A

Description

本発明は電磁超音波センサによる金属製構造物の探傷技術に係り、特に比較的肉厚の筒材を対象とした探傷に好適な超音波探傷方法と装置に関するものである。

非破壊検査技法の代表的な存在である超音波探傷技法は、従来から高度な信頼性が要求される原子力プラントに広く用いられているが、ここで、近年は、原子力プラントの高経年化が進み、これに伴い、例えばサーマルスリーブ配管の溶接部など、これまで検査対象とされていなかった箇所への検査ニーズが高まってきた。

ところで、例えばサーマルスリーブ配管の溶接部を検査する場合、その箇所が狭隘であるため、炉内から検査用センサをアクセスすることは困難であり、従って、仮に炉外から検査が可能にできれば、検査時間の短縮やアクセスのための機構が簡素化されるなどの理由により、検査コストの大幅な削減に結び付く。

そこで、このような観点から、炉外から検査するための検査装置や検査方法が従来技術として提案されている(例えば、特許文献１参照。)。

しかしながら、従来技術では、圧電型超音波探触子をセンサとしており、実用上の問題点がある。例えば、探傷時の接触媒質の塗布や自動探傷の際の圧電型超音波探触子の押しつけ機構を必要とする点である。

特に、サーマルスリーブの検査の場合は、水中での検査となり、超音波の漏洩のない水平せん断(ＳＨ)波を用いるため、粘性の高い接触媒質と強力な押付圧(１０ｋｇｆ以上)を必要としており、従って、圧電型探触子を用いた炉外からの超音波探傷は困難であった。

そこで、電磁超音波センサを用いた超音波探傷技法が従来から提案されており、この場合、接触媒質の塗布やセンサの押し付けを要することなく水平せん断波を発生させることができ、炉外からのサーマルスリーブの検査が可能になる。

この電磁超音波センサは、図１６に示すように、永久磁石１とコイル２で構成されている。そして、まず永久磁石１は、複数個の永久磁石をＮ極とＳ極が交互になるように配列したもので、この永久磁石１の下にコイル２を配置し、電磁的な相互作用により超音波の励起と検出が得られるものであり、ここで、３は電磁超音波センサを表わす。

次に、この電磁超音波センサ３の動作原理について、図１７(a)、(b)により説明する。ここで、まず図１７(a)は送信用として動作させた場合の電磁超音波センサを３ａで表わしたもので、次に図１７(b)は、受信用として動作させた場合の電磁超音波センサを３ｂで表わしたものであり、何れの場合もコイル２が検査対象となる金属製構造物４ａ、４ｂの表面に接するようにして使用される。

また、これら図１７(a)、(b)において、○印の中に・印を付したマーク(矢を前方から見た状態を表わすシンボル)は、電流の方向が紙面の表側を向いていることを表わし、○印の中に×印を付したマーク(矢を後方から見た状態を表わすシンボル)は、電流の方向が紙面の裏側を向いていることを表わしており、ここで、Ｌは永久磁石１の幅を表わしている。

そして、まず、送信用のコイル２ａに、図１７(a)に示す向きに交流電流を流したとする。そうすると、このコイル２ａに接している金属製構造物４ａ内にコイル電流と逆向きの渦電流Ｉが生じる。このとき、送信用のコイル２ａの上の上にある永久磁石１ａにより、矢印の向きに磁束密度Ｂの磁場が形成されている。

そこで、この場合は、磁束密度Ｂの磁場と渦電流Ｉにより、金属製構造物４ａの中に、矢印の方向にローレンツ力Ｆ(∝Ｉ×Ｂ)が発生し、機械的な歪みを金属製構造物４ａの中に誘起させ、この歪みによる振動が超音波(弾性波)を励起させ、金属製構造物４ａ内に伝搬されることになり、超音波送信用のセンサとして動作することになり、このとき送信用のコイル２ａに供給される交流電流の周波数ｆは、送信周波数ｆとも呼ばれる。

次に、この電磁超音波センサでは、超音波の検出も、励起の場合と同様、電磁的な作用を利用する。すなわち、図１７(b)に示すように、金属製構造物４Ｂ内を伝搬する超音波が検出側の電磁超音波センサ３ｂの下に到達したとすると、超音波の振動方向と永久磁石１ｂの磁場方向の双方に垂直な方向に渦電流Ｉが発生する。

そして、この渦電流Ｉにより磁束が発生し、受信用のコイル２ｂと鎖交すると、電圧が検出用のコイル２ｂに誘起され、従って、超音波が電気信号として検出されることになり、受信用のセンサとして動作することになる。

次に、電磁超音波センサ３のコイル２に周波数ｆの正弦波電流を流した場合の超音波の送信出力分布について、図１８により説明すると、このときの送信周波数ｆと超音波の入射角θの関係は次の式(1)で表される。

図示のように、入射角θは、超音波の伝播方向Ｕが法線Ｈとなす角度で定義され、式(1)のλは波長、Ｌは永久磁石の幅であり、従って、この式(1)から、送信周波数ｆを高くする程、入射角θが小さくなることが判る。

一方、このときの超音波の放射パターンの鋭さを意味する指向特性Ｄ(θ)は次の式(2)で表わされる。

ここで、Ｍは永久磁石の配列数であり、従って、この式(2)から、超音波の指向特性Ｄ(θ)を上げ、鋭い超音波ビームを得るためには、磁石の配列数Ｍを大きくする必要があることが判る。
特開２００１−１３１１６号公報

上記従来技術は、電磁超音波センサによる超音波の指向特性向上に限度がある点に配慮がされておらず、検査対象内での多重反射波の存在による信号対雑音比の低下に問題があった。

既に説明したように、電磁超音波センサによる超音波の送信出力分布は、上記した式(1)と式(2)から容易に計算できる。そこで、いま、一例として、寸法Ｌ＝４．２ｍｍの永久磁石１を４列(Ｍ＝４)に配列した電磁超音波センサのコイル２に、周波数ｆ＝３７５ｋＨｚの電流を供給し、材質がＳＵＳ３０４からなる金属製構造物４の中に超音波を励起したとすると、この場合の超音波送信出力分布は、図１９に示すようになる。

この場合、超音波の送信出力は、確かに式(1)で決定される伝搬方向で最大振幅を示しているが、図示のように、入射角θ＝６０°の方向でも比較的大きな振幅成分をもっていて、あまり鋭いビームは得られていないことが判る。

勿論、永久磁石１の配列数Ｍを増加してやれば、超音波の拡がりが抑えられることは、式(2)から明らかであるが、電磁超音波センサの寸法との兼ね合いから、これ以上に増やすのはかなり難しい。

そのため、従来技術では、伝播方向を表面(θ＝９０°)方向に合わせて超音波を送信するようにしても斜角成分(θ＜９０°)の発生が避けられず、これにより金属製構造物４の板厚方向で底面反射を繰り返す超音波成分が現われ、これが、電磁超音波センサを用いた欠陥検査においては、底面多重反射波として観測され、この結果、単独の欠陥から複数の信号が観測されてしまうという結果になっていた。

そこで、次に、図１９に示す指向特性の電磁超音波センサを、図２０に示すように、例えば原子炉容器の配管の欠陥の検査に適用した場合を想定して更に詳しく説明することにする。

ここで、この図２０は、容器壁７を貫通して設けられている配管５の断面図で、この配管５を検査対象物とし、これに存在する欠陥６を検出する際の電磁超音波センサ３による送信超音波の伝搬経路を模式的に表したものである。

この場合、図１９に示されているように、超音波の振幅は配管５の表面に水平な方向(θ＝９０°)において最大であり、従って、配管表面を伝搬した直接到達波８による反射波が最大振幅で観測される。

しかし、これと同時に、斜角入射成分(θ＜９０°)の存在により、１回底面反射到達波９や２回底面反射到達波１０として示すように、底面多重反射波も現われてしまうので、これらによる反射波も観測されてしまう。

ここで、これら直接到達波８と１回底面反射到達波９、それに２回底面反射到達波１０は、各々の伝搬距離の違いに依存して現われる時間軸上での位置の違いを観測することにより識別が可能になるが、レベルからは識別できない。

しかも、ここでは配管５の欠陥６だけを反射源と想定しているが、実際には配管５が容器壁７を貫通して溶接されている部分も反射源となり得るので、底面多重反射による反射波信号も多数、重なり合ってしまい、この結果、送受信波形のＳＮ比を低下させてしまうのである。

本発明の目的は、電磁超音波センサを用いた超音波探傷において、単独の欠陥による反射波が時間軸方向に広がっていてもＳＮ比良く欠陥の測定と評価が得られるようにした超音波探傷方法と装置を提供することにある。

上記目的は、電磁超音波センサを用いた超音波探傷方法において、前記電磁超音波センサの送信周波数を逐次、変更し、変更の都度、受信される反射波の時間軸波形を取得し、取得した複数の時間軸波形を、電磁超音波センサの位置からの距離に対する反射波波形に変換して表示し、前記時間軸波形の取得は、前記電磁超音波センサの送信周波数の変更により送信波の入射角を変え、或る反射源からの直達反射波と底面反射回数が２回までの底面多重反射波を逐次的に測定し、送信周波数毎に時間軸反射波波形データを取得する処理であり、前記電磁超音波センサ位置からの距離に対する反射波波形への変換は、送信周波数毎の反射波波形データから特定の距離にある欠陥からの直達反射波又は底面反射回数が２回までの底面多重反射波から、それらの一方が観測されている時間軸反射波波形データを抽出し、その時間軸反射波波形の中で或る距離に対応する所望の時間の反射波を取り出し相互に加算平均して特定距離の反射波とする処理であることにより達成される。

このとき、前記時間軸反射波波形データを抽出する処理と、前記所望の時間の反射波の取り出し処理は、送信超音波の伝搬経路と観測時間、及び検査対象物内の音速からコンピュータにより実行されるようにしてもよく、前記電磁超音波センサによる送受信波が水平せん断波であるようにしてもよい。

本発明によれば、電磁超音波センサの位置を基点とする軸方向の距離に対する反射波波形データに変換処理したので、底面多重反射波があっても、同一の反射源による信号を単一の信号として評価できる。

また、本発明によれば、波形変換処理した反射波波形データの重ね合わせにより信号のＳＮ比が向上されるので、同一の反射源による信号を単一の信号として評価できることと相俟って、複雑な形状の検査対象物でも欠陥の選別が可能になる。

以下、本発明による電磁超音波探傷方法と電磁超音波探傷装置について、図示の実施形態により詳細に説明する。

図１は、本発明による電磁超音波探傷装置の一実施形態で、図において、まず、１１は送信用電磁超音波センサで、図１９で説明した電磁超音波センサ３と同じく永久磁石１とコイル２で構成され、コイル２の上に幅Ｌ＝４．２ｍｍの永久磁石１を４列に並べたものが用いられている。

次に、１２は送信用マッチング回路で、市販のインピーダンス素子を組み合わせて送信回路の整合をとることができるようにしたものであり、以下、１３は電力増幅器で、１４はパルサレシーバであり、何れも製品として市販されているものである。

次に、１５はコンピュータで、時間軸に現われる反射波波形データを保存すると共に、電磁超音波センサから欠陥までの距離に対する反射波波形データへの変換処理(後述)を行うプログラムが格納されている。そして、１６はモニタで、１７は受信信号増幅器であり、これらも市販品である。

また、１８は受信用マッチング回路で、これも市販のインピーダンス素子を組み合わせたもので、受信回路の整合をとる働きをし、次に１９は受信用電磁超音波センサで、これは送信用電磁超音波センサ１１と同じ構成のものが用いられている。

そして、送信用電磁超音波センサ１１は送信用マッチング回路１２と電力増幅器１３を介してパルサレシーバ１４に接続され、受信用電磁超音波センサ１９は受信用マッチング回路１８と受信信号増幅器１７を介して、パルサレシーバ１４に接続されている。

受信用電磁超音波センサ１９から供給される信号は、パルサレシーバ１４を介して、当該パルサレシーバ１４から出力される制御信号と共にコンピュータ１５に入力され、モニタ１６により波形が観測できるようになっている。

次に、この電磁超音波探傷装置の動作について、更に詳しく説明すると、まず、パルサレシーバ１４はパルス電圧を発生するパルサーとしての働きとパルス信号を受信する働きをするすもので、パルサーとしては、内部クロックを発生させ、これにより超音波の励起周波数となる送信周波数ｆの交流電圧を発生させる働きをする。

そして、この交流電圧は電力増幅器１３によって増幅され、送信用マッチング回路１２を介して送信用電磁超音波センサ１１に供給され、コイル２に周波数ｆの交流電流が流されるようにする。

こうして送信用電磁超音波センサ１１内のコイル２に周波数ｆの交流電流が流されると、既に説明したように、検査対象の中で周波数ｆの超音波振動が励起され、検査対象の中に伝搬されてゆく。ここでの超音波振動は水平せん断波となり、このときの水平方向とは、検査対象物の送信用電磁超音波センサ１１が設置されている面と平行な方向のことである。

水平せん断波として伝搬された超音波は、欠陥があると、そこで反射され、反射波が受信用電磁超音波センサ１９に戻ると交流電圧の信号に変換され、検出された信号は受信用マッチング回路１８を介して受信信号増幅器１７に供給される。

そこで、受信信号増幅器１７は、供給された交流電圧を増幅し、パルサレシーバ１４は交流電圧信号を処理し、デジタル信号としてコンピュータ１５に入力し、この結果、コンピュータ１５は該デジタル信号を保持し、モニタ１６に検出信号波形として表示させる。

ここで、図２は、このときのコンピュータ１５による処理を表わすフローチャートで、コンピュータ１５は、まず、電磁超音波センサ１１、１９を用いて超音波の送受信を行い、その時間軸の反射波波形データを取得すると同時にコンピュータに保存する(ステップ２０１)。

ここで、超音波の送信と受信に２個の電磁超音波センサ１１、１９を用いている理由は、主としてコイル２の素線の太さとターン数が送信用と受信用でかなり異なり、実際には共用が難しいことに由来する。

次に、時間軸方向の反射波波形データを電磁超音波センサ１１(１９)の放射軸方向の距離に対する反射波波形データに変換処理し(ステップ２０２)、次いで、電磁超音波センサ１１(１９)からの距離に対する反射波波形を表示させる(ステップ２０３)。そして、オペレータは、この表示を確認して、処理を終了するのである。

次に、ステップ２０１による処理の詳細について説明する。ここで、まず、図３は、図２０の破線で囲った範囲を切り出して表示したもので、従って、容器壁７の左側が容器の外部で右側が内部になり、配管５は容器壁７を貫通し、この貫通した部分で相互に溶接接合され、電磁超音波センサ３は容器外部の配管上に配置にされていることになる。

このとき配管５は比較的肉厚のもので、その厚みをｙとすると、これは超音波波長λ(１／ｆ)より大きく、ｙ＞λになっているものとし、ここで、最大振幅の超音波が配管５内を伝播する経路を模式的に示したのが図３の(a)、(b)、(c)である。

そして、図３の(a)は超音波が配管表面を伝搬した直接到達波８だけの場合で、同図(b)は超音波が１回底面反射した１回底面反射到達波９だけの場合、そして、同図３(c)は超音波が２回底面反射した２回底面反射到達波１０だけの場合を示している。

そこで、コンピュータ１５は、このような検査形態のもとで送信用電磁超音波センサ１１(３ａ)のコイル２ａ(図１７)に供給すべき送信周波数ｆを逐次、変更させ、変更させる毎に受信用電磁超音波センサ１９で検出されてくる反射波信号を取り込む。

既に図１８により説明したように、送信用電磁超音波センサ１１のコイル２ａに供給される交流電流の周波数ｆを変えると、超音波の入射角θが変わり、周波数ｆを高くすると入射角θが小さくなる。従って、このときコンピュータ１５は、超音波の入射角θを逐次、変更させては、その都度、新たに検出される反射波信号を取り込んでいることになる。

次に、このようにして入射角θを変えたときの反射波の波形について、図４により説明すると、このときの反射波波形には、図示のように、配管５と容器壁７の貫通溶接部からの反射波と、配管５内に存在している欠陥６からの反射波による波形となる。

そこで、この図４では、まず、直接到達波８による欠陥６からの反射波、つまり図３(a)のときの反射波を直達反射波Ｒ０として、その波形を図４の(a)に示してある。

次に、１回底面反射到達波９による欠陥からの反射波、つまり図３(b)のときの反射波は１回底面反射波Ｒ１とし、同じく図４の(b)に示し、２回底面反射到達波１０による欠陥からの反射波、つまり図３(c)のときの反射波は２回底面反射波Ｒ２として、同じく図４の(c)に示してある。

ここで、反射波の振幅は到達波の強度に依存するから、図３(a)に示すように、最大振幅が配管５の表面に水平な方向(入射角θ＝９０°)にあるとき、つまり直接到達波８のときは、図４(a)に示すように、直達反射波Ｒ０の振幅が最大になる。

また、図３(b)のような斜角方向に最大振幅を持つ伝搬経路の場合、つまり１回底面反射到達波９のときは、図４(b)に示すように、底面１回反射波Ｒ１の振幅が最大となり、直達反射波Ｒ０と底面２回反射波Ｒ２は小さくなる。

そして、図３(c)の場合も同様、図４(c)に示すように、底面２回反射波Ｒ２の振幅が大きくなり、直達反射波Ｒ０と底面１回反射波Ｒ１は小さくなる。

ここで、底面反射回数をｉとすると、この底面反射回数ｉが大きくなると伝搬経路が長くなるので超音波が減衰し、到達波の強度が低下するので、図５の(n)に示すように、反射波の振幅は小さくなる。

以上のことから、送信周波数ｆを変更して入射角θを変えることにより、送信用電磁超音波センサ１１から欠陥６に向けて送信される超音波として、理論上は、底面反射回数ｉが０の直接到達波８から、底面反射回数ｉが１の１回底面反射到達波９、底面反射回数ｉが２の２回底面反射到達波１０、更には底面反射回数ｉがｉ_max の底面多重反射到達波(図示してない)まで任意に選択できることになる。

次に、これら直達反射波や底面多重反射波の波形の観測時間について説明すると、この観測時間は、音速ｖが一定であることを前提とすると、往復伝搬経路の長さに依存し、しかも、この往復伝搬経路長は単純な幾何学的な計算から求めることができる。ここで、音速とは、検出対象物体内での超音波の伝搬速度のことである。

いま、図３において、電磁超音波センサ３から配管軸方向の距離ｘの位置までの往復伝搬距離ｌ(x,i)は、底面多重反射波の回数ｉを用いて、次の式(3)で表わされる。

そして、これにより、底面多重反射回数ｉの反射波の観測時間ｔ(x,i)は、次の式(4)となる。

このとき、底面多重反射回数ｉを過度に増加させると、底面反射ロスや拡散減衰の影響が大きくなり、反射波信号のＳＮ比が低下してしまう。そこで、反射波信号のＳＮ比を高く保てる最小入射角θ_min までのデータを取得するようにするが、このときの底面反射最大回数ｉ_max は、最小入射角θ_min を用いて次の式(5)を満たす最大の自然数である。

以上のことを踏まえ、次に、図２のステップ２０２による処理について説明すると、このステップ２０２では、上記したステップ２０１で取得した時間軸上でのデータを、電磁超音波センサからの軸方向の距離に対する反射波波形データに変換する処理を実行するものである。

上述のように、このときの時間軸上での反射波波形データは、欠陥６からの直達反射波と底面多重反射波がそれぞれ最大となるように選択的に測定されている。

そこで、これらの反射波データをＤＡＴＡ(i)とし、図５の(a)〜(n)に示すように、底面反射回数ｉ＝０のデータＤＡＴＡ(i=0)から、底面反射回数ｉ＝ｉ_max のデータＤＡＴＡ(i=ｉ_max)までの波形データを抽出する。

ここで、軸方向距離ｘにある欠陥６からの反射波の観測時間ｔ(x,i)は、データＤＡＴＡ(i)毎に異なるが、式(4)により計算できるから、各データＤＡＴＡ(i)の観測時間ｔ(x、i)を始点とする任意の時間幅Δｔの波形を任意に抽出することができる。

例えば、図５(a)のデータＤＡＴＡ(i=0)では、時間ｔ₀ から時間ｔ₀＋Δｔまでの破線で囲った範囲の波形が欠陥６による直達反射波Ｒ０の波形であり、同図(b)のデータＤＡＴＡ(i=1)では、時間ｔ₁ から時間ｔ₁＋Δｔまでの範囲の波形が欠陥６による底面１回反射波Ｒ１の波形で、同図(c)のデータＤＡＴＡ(i=2)では、時間ｔ₂ から時間ｔ₂＋Δｔまでの範囲の波形が欠陥６による底面２回反射波Ｒ２の波形である。

このときの時間幅Δｔは任意の距離幅Δｘを音速ｖで割った値であり、従って、同一の欠陥６による直達反射波Ｒ０と底面１回反射波Ｒ１、それに底面２回反射波Ｒ２をそれぞれ抽出することができる。

そこで、図６に示すように、これらの抽出波形、すなわち直達反射波Ｒ０と底面１回反射波Ｒ１、それに底面２回反射波Ｒ２を加算平均して、軸方向距離ｘから軸方向距離ｘ＋Δｘまでの位置の波形データとする。そして、この処理操作を軸方向距離ｘを変えて同様に行い、電磁超音波センサ３からの距離を横軸とした反射波波形データを作成する。

これにより、同一の欠陥６により発生する複数の反射波を単一の信号として評価することができ、しかも、このときには、加算平均によるノイズ低減の定理から加算平均したデータ数(ｉ_max＋１)の平方根に比例してＳＮ比の改善が得られることになる。

以上のことを具体例により更に詳しく説明すると、まず、本発明の実施形態を図２０に示した原子炉容器の配管の欠陥の検査に適用した場合を想定する。そして、このとき、配管５の厚さｙ＝０．０２ｍとし、電磁超音波センサ３から欠陥６までの距離ｘ＝０．２ｍとする。

また、このとき、距離ｘが０．２ｍ以上(ｘ≧０．２ｍ)では、入射角θ＜６０°の成分は減衰が大きく波形が観測されないものとし、且つ、波形変換における距離幅Δｘ＝０．０２ｍで、音速ｖ＝３１５０ｍ／ｓとする。従って、時間幅Δｔ＝Δｘ／ｖ＝０．０２／３１５０＝６．３５μｓとなる。

そこで、距離ｘ＝０．２ｍの距離軸に対する波形変換を行なうことにし、まず、式(5)にｘ＝０．２、ｙ＝０．０２、θ＝６０°を代入すると、最大底面反射回数ｉ_max＝２が得られる。そこで、図５(a)に示すように、直達反射波によるＤＡＴＡ(i=0)と、図５(b)に示すように、１回底面反射波によるＤＡＴＡ(i=1)、それに図５(c)に示すように、２回底面反射波によるＤＡＴＡ(i=2)を取得する。

そして、まず、データＤＡＴＡ(i=0)については、往復伝搬距離ｌ(0.2,0)＝０．４ｍであるため、時間ｔ₀〔ｔ₀＝ｌ(0.2,0)／ｖ＝０．４／３１５０＝１２７．０μｓ〕を始点として、時間幅Δｔ〔Δｔ＝６．３５μｓ〕の波形データを抽出する。そうすると、これにより、図５(a)に示されているように、直達反射波Ｒ０の波形データが抽出されたことになる。

次に、データＤＡＴＡ(i=1)においては、往復伝搬距離ｌ(0.2,1)＝０．４０８ｍであるため、時間ｔ₁〔ｔ₁＝ｌ(0.2,1)／ｖ＝０．４０８／３１５０＝１２９．５μｓ〕を始点とし、時間幅Δｔ〔Δｔ＝６．３５μｓ〕の波形データを抽出する。そうすると、これにより、今度は、図５(b)に示されているように、１回底面反射波Ｒ１の波形データが抽出されたことになる。

更に、ＤＡＴＡ(i=2)においては、往復伝搬距離ｌ(0.2,2)＝０．４３１ｍであるため、時間ｔ₂〔ｔ₂＝ｌ(0.2,2)／ｖ＝０．４３１／３１５０＝１３６．８μｓ〕を始点とし、やはり時間幅Δｔ〔Δｔ＝６．３５μｓ〕の波形データを抽出する。そうすると、これにより、今度は、図５(c)に示されているように、２回底面反射波Ｒ２の波形データが抽出されたことになる。

そこで、これらを加算平均し、水平距離軸ｘ＝０．２ｍ〜０．２２ｍの波形データとし、次いで水平距離軸ｘ＝０．２２ｍ〜０．２４の波形データを加算平均する。そして、このようなデータ処理を繰り返し、逐次、軸方向距離軸のデータを作成してゆくのである。

従って、これにより図２のステップ２０２による処理が終了することになるので、この後、ステップ２０３に移行し、ステップ２０２で波形変換処理した結果をモニタで表示する。そして、この表示されたモニタ波形を確認し、処理を終了する。

次に、この実施形態による観測結果について、従来技術による場合と比較して説明する。このときの検査形態は図２０に示す通りで、この場合、人工的に付与した欠陥６が用いられている。

ここで、まず、図７は、図２０の検査形態について、従来技術により観測した時間軸による反射波波形で、この場合、容器を貫通する溶接箇所と人工的に付与した欠陥からの反射波が観測されているが、両反射波とも底面多重反射が生じており、従って、単一の反射源から複数の反射波が発生し、これにより反射波信号のＳＮ比が低下していることが良く判る。

次に、図８は、上記した本発明の実施形態により、図２０の検査形態について評価した結果であり、図７の従来技術の場合と比較して明らかなように、容器を貫通する溶接箇所と人工的に付与した欠陥からの反射波が1つの信号としてＳＮ比良く評価されていることが判る。

そして、この結果、本発明の実施形態によれば、容器を貫通する配管についても容器外側からの超音波探傷が可能なことが判る。

ここで、以上は、本発明の第１の実施形態であり、この場合、検査対象物が図２０に示すように、配管５の場合であり、従って、このときは、電磁超音波センサ３の位置を配管５の周方向の或る位置にして送信周波数ｆを逐次、変更して測定を行うことに加えて、電磁超音波センサ３の位置を配管５の周方向にも逐次、変更し、各周方向位置で同じく送信周波数ｆを逐次、変更して測定を行うことにより、配管５の全周に渡る検査を完了させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。ここで、まず、この第２の実施形態でも、装置構成は、第１の実施形態と基本的には同じで、相違している点は、超音波探傷に際して送信周波数を変えるのではなく、これに代えて電磁超音波センサの位置を配管軸方向に逐次、変えて測定するようにしたものである。

従って、この第２の実施形態では、図２のステップ２０１とステップ２０２での処理が第１の実施形態と異なっているだけなので、以下、第１の実施形態と同様、図２０の破線で囲った範囲を切り出した検査形態を考え、これを図９に示し、以下、これにより動作について説明する。

まず、この図９でも、容器壁７の左側が容器の外部で右側が内部になり、配管５は容器壁７を貫通し、この貫通した部分で相互に溶接接合され、電磁超音波センサ３は容器外部の配管上に配置にされ、このとき配管５は比較的肉厚のもので、その厚みをｙとすると、これは超音波波長λ(１／ｆ)より大きく、ｙ＞λになっている点は、図３の場合と同じである。

そして、この図９では、電磁超音波センサ３による超音波送信出力分布を、例えば図１９に示すようにし、これにより直接到達波８と１回底面反射到達波９が支配的に現われるようにした場合を示したものである。

ここで、まず、図９の(a)は、電磁超音波センサ３を基準位置Ｘ₀ に配置したときの状態で、次に同図(b)は、基準位置Ｘ₀＋ΔＸにしたときであり、更に同図(c)は、基準位置Ｘ₀＋２ΔＸにしたときである。このときの基準位置Ｘ₀ とは、欠陥６の配管軸方向の距離ｘの基点になっている位置のことである。

次に、この図９の場合の検査結果例を図１０に示す。この図で、時間軸の最初に現われる反射波波形が直達反射波であり、時間的に遅れた反射波波形が底面１回反射波である。

そこで、次に、この場合のコンピュータ１５によるステップ２０１とステップ２０２の処理について説明すると、まず、ステップ２０１の処理では、電磁超音波センサ３の基準位置Ｘ₀ を決める。図９の場合は、最初の電磁超音波センサ３の位置とする。

そして、測定に際しては、電磁超音波センサ３を逐次、基準位置Ｘ₀ から既知の長さΔＸづつ、つまり位置Ｘ₀＋０から位置Ｘ₀＋ΔＸ、位置Ｘ₀＋２ΔＸと移動させ、その都度、反射波を検出し、図１０に示すように、各位置での反射波波形データＤＡＴＡ(X₀)、ＤＡＴＡ(X₀+ΔX)、ＤＡＴＡ(X₀+2ΔX)を取り込む。

そして、ステップ２０２の波形変換処理では、各反射波波形データＤＡＴＡ(X₀)、ＤＡＴＡ(X₀+ΔX)、ＤＡＴＡ(X₀+2ΔX)を時間Δｔ(Δｔ＝ΔＸ／ｖ)だけずらして加算平均する。これにより、多重反射波成分は位相のずれた形で足し合わされるので、レベルが減少し、直達反射波成分のみが残る。

そこで、これにより図２のステップ２０２による処理が終了することになるので、以後は第１の実施形態と同じで、この後、ステップ２０３に移行し、ステップ２０２で波形変換処理した結果をモニタで表示する。そして、この表示されたモニタ波形を確認し、処理を終了する。

従って、この第２の実施形態によっても、上記第１の実施形態と同様、容器を貫通する溶接箇所と人工的に付与した欠陥からの反射波が1つの信号としてＳＮ比良く評価でき、この結果、容器を貫通する配管についても容器外側からの超音波探傷が可能なことが判る。

なお、ここに説明した第２の実施形態でも、検査対象物は、図２０に示すように、配管５であり、従って、この場合も、電磁超音波センサ３の位置を配管５の周方向の或る位置にした上で、電磁超音波センサ３の位置を配管５の軸方向で逐次、変更して測定を行うことに加えて、電磁超音波センサ３の位置を配管５の周方向にも逐次、変更して測定を行うことにより、配管５の全周に渡る検査を完了させることができる。

ところで、図１１は、原子炉炉心スプレイ系配管の概観図で、図１２は、そのサーマルスリーブの断面拡大図であり、このような原子炉冷却系配管は炉外に突き出され、突き出したノズル部は２重管構造になっており、内側の溶接部の先が図示されているように、サーマルスリーブである。なお、このような配管ノズル構造を持つものには、他にも再循環水入口や給水ノズルがある。

そこで、このようなサーマルスリーブの炉外からの検査に、本発明の実施形態を適用した場合について、図１３により説明すると、まず、図示のように、電磁超音波センサＥＭＡＴ(Electromagnetic Acoustic Transducer)をノズル部表面に配置する。この場合、接触媒質や押付圧なく、炉外からアクセスできる。

ここで適用した電磁超音波探傷装置は第１の実施形態で説明したものと同様であり、この場合の送信超音波の伝搬経路が図１３に示されている。このとき電磁超音波センサＥＭＡＴの送信出力は、式(1)で決まる入射角θで、式(2)で決まる或る広がり幅をもって分布しているため、図示のように様々伝搬経路の反射波が観測される。

ここで、○付き数字１は欠陥からの直達反射波で、○付き数字２は欠陥からの多重反射波であり、○付き数字３、４はセーフエンド分岐部からの反射であり、従って、このようなサーマルスリーブ検査の場合、式(3)から式(5)に示した関係式は成り立たないが、その形状・寸法は既知であるため、電磁超音波センサの送信波の入射角から伝搬経路を決定することは可能である。

従って、いま、送信周波数ｆを逐次、変え、入射角を逐次、変えて反射波信号を測定すると、○付き数字１の経路による反射波と○付き数字２の経路による反射波、○付き数字３の経路による反射波、それに○付き数字４の経路による反射波が次々と最大振幅となって観測される。

そこで、このようにして取得した反射波波形データをセットとし、これをサーマルスリーブ溶接部の或る方向の水平距離軸として、第１の実施形態で説明した変換方法に従ってデータ処理する。その例を図１４に示す。

この図１４では、上記した４種の例の反射波が観測されているが、これらのうち、伝搬距離が短い経路である○付き番号４による反射波が、時間軸上で最初に観測されている。そして、この○付き番号４による反射波のうちで最大振幅となる反射波は、入射角θが小さいＤＡＴＡ(2)である。

同様にして、○付き番号１の経路と○付き番号２の経路、○付き番号３の経路の反射波についても、入射角θに応じて振幅が変化する。このような反射波波形データを入射角から既知の伝搬経路を考慮して水平距離軸方向の距離に対する反射波に変換すると、図１５に示すようになる。

この図１５から明らかなように、この場合、セーフエンド分岐部からの反射波とサーマルスリーブ溶接部の欠陥からの反射波が別に観測されており、従って、この実施形態によれば、図１１と図１２に示したサーマルスリーブについての測定も可能になることが判る。

本発明による電磁超音波探傷装置の一実施形態を示すブロック構成図である。本発明の一実施形態による超音波探傷処理を示すフローチャートである。本発明の第１の実施形態の動作を説明するための検査対象の一例を示す模式図である。本発明の第１の実施形態による時間軸反射波波形の一例を示す波形図である。本発明の第１の実施形態における軸方向距離軸への波形変換処理を説明するための波形図である。本発明の第１の実施形態における軸方向距離に対する反射波波形の一例を示す波形図である。従来技術による反射波波形の測定例を示す波形図である。本発明の第１の実施形態による反射波波形の測定例を示す波形図である。本発明の第２の実施形態の動作を説明するための検査対象の一例を示す模式図である。本発明の第２の実施形態による時間軸反射波波形の一例を示す波形図である。サーマルスリーブが存在する炉心スプレイ配管の概念図である。サーマルスリーブ及び検査位置の断面拡大図である。本発明の実施形態をサーマルスリーブとセーフエンドの検査に適用した場合の超音波の伝搬経路を示す模式図である。本発明の実施形態をサーマルスリーブとセーフエンドの検査に適用した場合に観測される時間軸反射波波形の一例を示す波形図である。本発明の実施形態をサーマルスリーブとセーフエンドの検査に適用し時間軸反射波波形を水平距離軸反射波波形に変換した場合の反射波波形の一例を示す波形図である。電磁超音波センサの一例を示す説明図である。電磁超音波センサによる超音波発生原理の説明図である。電磁超音波センサによる超音波の伝搬方向の一例を示す説明図である。電磁超音波センサによる超音波の指向特性の一例を示す説明図である。電磁超音波センサによる容器貫通部の配管の検査形態の一例を示す説明図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ：永久磁石
２、２ａ、２ｂ：コイル
３：電磁超音波センサ
４：金属製構造物
５：配管
６：欠陥
７：容器壁
８：直達反射波
９：１回底面反射波
１０：２回底面反射波
１１：送信用電磁超音波センサ
１２：送信用マッチング回路
１３：電力増幅器
１４：パルサレシーバ
１５：コンピュータ
１６：モニタ
１７：受信信号増幅器
１８：受信用マッチング回路
１９：受信用電磁超音波センサ

Claims

電磁超音波センサを用いた超音波探傷方法において、
前記電磁超音波センサの送信周波数を逐次、変更し、変更の都度、受信される反射波の時間軸波形を取得し、
取得した複数の時間軸波形を、電磁超音波センサの位置からの距離に対する反射波波形に変換して表示し、
前記時間軸波形の取得は、
前記電磁超音波センサの送信周波数の変更により送信波の入射角を変え、或る反射源からの直達反射波と底面反射回数が２回までの底面多重反射波を逐次的に測定し、送信周波数毎に時間軸反射波波形データを取得する処理であり、
前記電磁超音波センサ位置からの距離に対する反射波波形への変換は、
送信周波数毎の反射波波形データから特定の距離にある欠陥からの直達反射波又は底面反射回数が２回までの底面多重反射波から、それらの一方が観測されている時間軸反射波波形データを抽出し、その時間軸反射波波形の中で或る距離に対応する所望の時間の反射波を取り出し相互に加算平均して特定距離の反射波とする処理であることを特徴とする超音波探傷方法。
請求項１に記載の超音波探傷方法において、
前記時間軸反射波波形データを抽出する処理と、前記所望の時間の反射波の取り出し処理は、送信超音波の伝搬経路と観測時間、及び検査対象物内の音速からコンピュータにより実行されることを特徴とする超音波探傷方法。
請求項１に記載の超音波探傷方法において、
前記電磁超音波センサによる送受信波が水平せん断波であることを特徴とする超音波探傷方法。