JP5258683B2 - 材料劣化診断装置及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は、材料劣化診断装置及び方法に係り、特に原子力発電プラントや火力発電プラントなどにおける配管の劣化診断を行う材料劣化診断装置及び方法に関する。
配管の減肉や腐食の検査に超音波探傷法が用いられている。超音波探傷法は、被試験体の表面に超音波を送受信する探触子を押し当て、内部に各種周波数の超音波を伝播させる。そして、被試験体内部の欠陥や裏面で反射して戻ってきた超音波を受信し、被試験体内部の状態を把握する。欠陥位置は超音波の送信から受信までに要する時間から測定され、欠陥の大きさは受信したエコーの強度や欠陥エコーの出現する範囲の測定によって求められる。
超音波による検査法は、原子力発電プラントにおいて、素材の板厚測定や、ラミネーション等の溶接欠陥の検出に用いられている。また、原子炉圧力容器回りのノズル開口部、ブランチ、配管継手を補強する溶接肉盛部の検査においてもこのような検査法が用いられている（例えば非特許文献１参照）。
発電プラントでは、流れ加速型腐食（FAC: Flow Accelerated Corrosion）やエロージョンなどによって、配管のエルボ部やオリフィスの下流側などに減肉が生じ易い傾向があることが分かっている。このような知見に基づいて、配管減肉管理に関する規格（発電用設備規格JSME S CA1-2005）が日本機械学会により策定されている。規格化された配管減肉管理技術として、超音波厚さ測定器を使った配管厚さ測定が行われている。しかし、この手法は、測定の度に配管を覆う断熱材を解体／復旧する必要があるため、多大な時間とコストを要する。
そこで、低コストの減肉管理を実現するために、埋め込み型の定点測定用センサが開発されている。例えば、電磁超音波発振子(Electro Magnetic Acoustic Transducer :EMAT)と光ファイバ振動センサとを組み合わせた超音波光プローブが知られている。電磁超音波発振子は、電磁力の作用によって配管内に超音波を直接励起する。光ファイバ振動センサは配管表面に接着剤で貼り付けられ、励起された超音波の共振波を検出する。検出結果を解析することによって、配管の厚さや内部欠陥の情報を得ることができる（例えば非特許文献２乃至４参照）。
このような技術を発電所の給水系配管の減肉管理に適用する場合、センサの配管への取り付け箇所には長期間の耐久性や３００℃を超える耐熱性が求められるが、従来のような接着剤による取り付けでは、せいぜい２５０℃〜３００℃程度の耐熱性を実現するにとどまっていた。
内ヶ崎儀一郎他：「原子力と設計技術」大河出版（1980）、pp.226-250
佐々木、高橋他「光ファイバドップラセンサを用いた電磁超音波共鳴法による金属厚さ測定」溶接構造シンポジウム2006講演論文集(2006年11月)
高橋、佐々木他「光ファイバドップラを利用した電磁超音波共振法による金属配管厚さ測定」保全学会「第１回検査・評価・保全に関する連携講演会」資料（2008年1月）
山家、高橋、阿彦「火力発電プラントにおける配管減肉の測定技術」東芝レビュー、 Vol.63, No.4 (2008) pp.41-44
本発明は、超音波光プローブを用いた診断の長期信頼性を向上させることができる材料劣化診断装置および方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様による材料劣化診断装置は、スポット溶接により金属製材料の表面に接合された金属箔及び前記金属箔に圧着された樹脂シートを含む圧着膜と、前記圧着膜に貼着され、光源から光が入力される光ファイバと、前記光ファイバ上に設けられ、前記金属製材料中に振動を与える発振子と、前記金属製材料中の振動に応じた前記光ファイバを透過する光の変動を電気信号に変換する光干渉計と、前記電気信号に基づいて前記金属製材料の厚さを算出し、前記金属製材料の劣化度を判定する計測・制御部と、を備えるものである。
本発明の一態様による材料劣化診断方法は、スポット溶接又はろう付けにより金属製材料の表面に接合された金属箔と前記金属箔に圧着された樹脂シートとを含む圧着膜に貼着された光ファイバに光を入力し、前記光ファイバ上に設けられた発振子から前記金属製材料中に振動を与え、前記金属製材料中の振動に応じた前記光ファイバを透過する光の変動を光干渉計により電気信号に変換し、前記電気信号に基づいて前記金属製材料の厚さを算出して、前記金属製材料の劣化度を判定するものである。
本発明によれば、超音波光プローブを用いた材料劣化診断の長期信頼性を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）図１に本発明の第１の実施形態に係る材料劣化診断装置の概略構成を示す。材料劣化診断装置は、電磁超音波発振子（以下ＥＭＡＴと称する）１、光ファイバセンサ部２、光源３、光干渉計４、計測・制御部５、波形信号発生器６、及びアンプ７を備える。ＥＭＡＴ１及び光ファイバセンサ部２により構成される超音波光プローブは厚さ測定対象の金属８の表面に配置される。厚さ測定対象は例えば原子力発電プラントや火力発電プラントの配管である。波形信号発生器６及びアンプ７は計測・制御部５の制御に基づいて、ＥＭＡＴ１に高周波電流を供給する。
図２（ａ）に、ＥＭＡＴ１の概略構成を示す。ＥＭＡＴ１は、永久磁石１１及び電気コイル１２を有する。永久磁石１１の材質は例えばサマリウムコバルトである。電気コイル１２はアンプ７に接続され、高周波電流が供給される。
光ファイバセンサ部２の上面を図２（ｂ）に示し、側面を図２（ｃ）に示す。光ファイバセンサ部２では光ファイバ２１が渦巻状に巻かれ円形平板になっている。光ファイバ２１の内側の一端が光干渉計４に接続され、内側から外側に一層の渦巻状に巻かれて外側のもう一方の他端が光源３に接続されている。なお、図示はしないが、光干渉計４と光源３の光ファイバに対する接続関係が逆になっていてもよい。この光ファイバ２１は、金属箔２２及び樹脂シート２３が圧着された圧着膜２４の樹脂シート２３側に貼着されている。圧着膜２４は十数〜数百μｍ厚の金属箔２２（スポット溶接が容易であれば、金属箔にかえて該厚さよりも厚い金属薄板であっても問題はない。）と十数〜数百μｍ厚の樹脂シート２３とを、物理的圧力をかけることにより固着させたものである。
例えば、金属箔２２は鉄箔、樹脂シート２３はポリイミドシートであり、光ファイバ２１はポリイミドシートにポリイミド系接着剤で接着され、圧着膜２４と一体化される。
圧着膜２４の樹脂シート２３は、光ファイバ２１が接着される領域のみ設けられており、その他の領域では金属箔２２が露出している。これは、四角形の圧着膜を形成した後に、光ファイバ２１が接着される領域以外の樹脂シート２３をエッチング除去することで得られる。また、予め光ファイバ２１が接着される領域と同様の形状の樹脂シートを用意しておき、この樹脂シートと金属箔を圧着することでも得られる。
光ファイバ２１は、光源３から基準レーザ光が入力される。また、光ファイバ２１の中を透過する光の変動を光干渉計４が検出する。
図３を用いて、超音波光プローブを金属８の表面に取り付ける方法を説明する。なお、図３（ａ）、（ｂ）、（ｄ）は超音波光プローブ等の縦断面を示し、図３（ｃ）は上面を示す。
まず、図３（ａ）に示すように、光ファイバ２１が接着された圧着膜の金属箔２２側を金属８（例えば炭素鋼）の表面に配置する。ここでは、金属８は配管であり、表面が曲面になっているものとした。このとき、金属箔２２と金属８表面とを接着剤等で仮止めしてもよい。
続いて、図３（ｂ）に示すように、スポット溶接により金属箔２２と金属８とを接合する。スポット溶接は複数箇所に行われる。例えば図３（ｃ）に示すように、光ファイバ２１が設けられている円環領域の内側及び外側に等間隔に複数箇所スポット溶接が行われる。なお、図３（ｃ）では、スポット溶接箇所の説明のため、光ファイバ２１のうち、渦巻き状に巻かれた部分から延びて光源３、光干渉計４に接続される光ファイバの図示は省略した。
そして、図３（ｄ）に示すように、光ファイバ２１上に電気コイル１２及び永久磁石１１を順に配置する。通常、永久磁石１１は磁力によって金属８に固定され、電気コイル１２は永久磁石１１と光ファイバ２１との間に挟まれて固定されるが、位置ずれを防ぐために接着剤などで固定してもよい。
このようにして金属８に取り付けられた超音波光プローブを用いて金属８の厚みを測定する方法を説明する。電気コイル１２は、高周波電流が流れると、電磁誘導作用に伴って発生するローレンツ力や磁歪によって金属８を振動させ、金属８内部に電磁超音波を発生させる。波形信号発生器６によって電気コイルへ与える交流電流の周波数を変化させ、発生する電磁超音波の周波数を所望の周波数帯域でスイープさせる。
金属８内部の振動は、高温ひずみゲージのひずみ計測と同様の原理で光ファイバセンサ部２に伝わる。光源３から基準レーザ光が入力されている状態で光ファイバセンサ部２に振動が到達すると、光ファイバ２１が微小に伸び縮みして、レーザ光にドップラ効果や偏波面の変動が生じる。この変動（伸縮速度）を光干渉計４が光電変換により電圧値に変換することで、金属８内に伝播する超音波の周波数を計測できる。
電磁超音波の周波数をスイープし、金属８の厚みｄと、電磁超音波の波長λとの間にλ＝２ｄの関係が成り立つとき、入射波と反射波が共振し、出力波の振幅が大きくなる。この関係は、超音波の周波数ｆ、音速ｖを用いて、ｆ＝ｖ／２ｄと表すことができる。従って、共振周波数と音速により、金属８の厚さを求めることができる。例えば、９ｍｍ厚の鋼板の場合、３００ｋＨｚの超音波を入力すると共振が起きる。
図４に、本実施形態に係る材料劣化診断装置の配管への取り付けの一例を示す。超音波光プローブ４０を配管４１の外面に取り付け、配管４１の内面と外面から多重反射した共振超音波信号を計測・制御部５により解析することで、配管４１の厚さを測定する。配管４１の材質は例えば炭素鋼である。上述のように、超音波光プローブ４０の光ファイバが取り付けられた圧着膜の金属箔はスポット溶接により配管４１に接合される。
計測・制御部５は、配管４１の腐食や減肉などの劣化に関する判定閾値を含む診断データベースを有しており、光干渉系４から受け取った原波形や、原波形に信号処理を施した結果と、診断データベースとを照合して、配管４１の劣化度を判定する。
超音波光プローブ４０は、あらかじめ配管４１と断熱材４２との間に埋め込んでおくことで、オンラインでの厚さ測定（劣化度判定）が可能となる。配管４１の厚さ測定にあたり、断熱材４２を解体／復旧する必要がないので、プラントの安全性や設備稼働率を高めることができる。
なお、配管減肉管理規格では、配管の厚さ測定点の位置が配管径に応じて決められており、配管のサイズが１５０Ａ（外径：約１６５ｍｍ）以上の場合は周方向に８箇所（４５°間隔）、サイズが１５０Ａ未満の場合は周方向に４箇所（９０°間隔）となっている。また、配管の軸方向については、配管の外径長さ以下の間隔で配管の厚さを測定することが決められている。
本実施形態では、光ファイバ２１と一体化された圧着膜２４の金属箔２２を配管等の厚さ測定対象の金属表面にスポット溶接で取り付けるため、金属に接着剤で取り付ける場合よりも接合強度が高くなり、耐熱性や耐久性等の信頼性を長期に渡って向上させることができる。また、施工が容易であり、安価な材料で実施することができる。
上記実施形態では、永久磁石１１にサマリウムコバルトを使用した例について説明したが、サマリウムコバルトは３５０〜４００℃の間に減磁点があるため、３５０℃以下の環境で使用することが好ましい。
鍍金（めっき）して酸化を防止した永久磁石１１と、ポリイミドコーティングした電気コイルを用いることで、高温下でも発振パワーを保持することができる。
上記実施形態における樹脂シート２３には、耐熱性エポキシ、ポリベンゾイミダゾール、マイカ強化ポリ四フッ化エチレン、芳香族ポリエステルなどの少なくともいずれか１つの耐熱性樹脂シートを用いても良い。
また、金属箔２２には、鋼箔やステンレス箔など、配管の材質と熱係数が近い材料の箔を用いることが好適である。
なお、光ファイバ２１自体は、金、ニッケル、シリカ、ポリイミドなどの耐熱性コーティングや細管での保護処理を施すことで、高温（７５０℃程度）までセンシングが可能である。
上記実施形態に係る材料劣化診断装置の超音波光プローブは、配管のエルボ部やオリフィス部下流など、統計的に減肉しやすいと考えられている箇所に取り付けることが好適である。
上記実施形態において厚さ測定対象の金属（配管）内部で発生させる振動の周波数は、波形信号発生器６により、金属の厚さに応じて１Ｈｚ〜１０ＭＨｚの任意の周波数を選択することができる。計測・制御部５は、光ファイバ２１及び光干渉系４を介して、周波数１Ｈｚ〜２０ｋＨｚの振動や、２０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの超音波振動を検出する。
上記実施形態では図２（ｃ）に示すように光ファイバ２１の表面が露出していたが、図５に示すように、光ファイバ２１を樹脂シート２３ａ及び２３ｂで挟むような構成にしてもよい。樹脂シート２３ａと２３ｂとの間にポリイミド系接着剤５０を充填してもよい。
上記実施形態では図２（ｂ）に示すように、圧着膜２４の樹脂シート２３は、光ファイバ２１が接着される領域にのみ設けられていたが、これに限らず、スポット溶接が可能となるように、金属箔２２の一部が露出されていればよい。例えば、図６（ａ）に示すように、樹脂シート２３を光ファイバ２１が接着される領域を含む四角形状にしてもよい。この場合、スポット溶接は、図６（ｂ）に示すように、樹脂シート２３を囲むように行われる。
スポット溶接を行う際は、圧着膜２４と事前に接着した光ファイバ２１を金属８の表面に配置して接着剤で溶接前の仮止めをしておくと、金属箔２２を金属８にスポット溶接するのに作業がしやすい。また、スポット溶接を行い金属箔２２を金属８表面に接合した後、金属箔２２と金属８との間に接着剤を含浸させ、接合強度をさらに高めるようにしてもよい。
（第２の実施形態）図７に本発明の第２の実施形態に係る材料劣化診断装置の超音波光プローブの概略構成を示す。上記第１の実施形態では、図３に示すように、超音波光プローブの金属箔２２がスポット溶接により金属（配管）８の表面に接合されていたが、本実施形態では金属箔２２がろう材７０により金属８表面にろう付けされる。ろう材７０には例えば高温はんだを用いることができる。
このように、金属箔２２を金属８にろう付けすることでも、接着剤で取り付ける場合よりも接合強度が高くなり、耐熱性や耐久性等の信頼性が長期に渡って向上させることができる。
本実施形態では、上記第１の実施形態のようにスポット溶接を行わないので、樹脂シート２３は金属箔２２の全面に形成されていてもよい。
（第３の実施形態）図８に本発明の第３の実施形態に係る材料劣化診断装置の超音波光プローブの概略構成を示す。上記第１の実施形態では、図３に示すように、圧着膜２４の金属箔２２側を金属８表面に配置していたが、本実施形態では樹脂シート２３側が金属８表面に配置される。なお、光ファイバ２１は金属箔２２に接着剤で接合される。
樹脂シート２３を金属８側に配置し、接着剤で樹脂シート２３と金属８表面とを仮止めした後に、スポット溶接を行う。このような構成でも、上記第１の実施形態と同様に、光ファイバセンサを金属（配管）に接着剤のみで接合する場合よりも接合強度が高くなり、耐熱性や耐久性等の信頼性が長期に渡って向上させることができる。
スポット溶接後に、金属箔２２と金属８表面とを接着剤又は接着剤含浸ガラスクロス材で接着してもよい。これにより接合強度をさらに高めることができる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
劣化診断対象となる配管である金属８の材料は炭素鋼などの磁性体に限定されず、非磁性体であってもよい。この場合、スポット溶接もしくはろう付けされた金属箔２２（もしくは金属薄板）が磁性体であれば永久磁石１１は磁力で固定されるので問題はない。なお、金属箔２２（もしくは金属薄板）も同じく非磁性体であった場合には、永久磁石１１は金属８及び金属箔２２に対し磁力で固定されないので、他の設置される複数の永久磁石とあわせて上から固定治具で固定すればよい。
１ ＥＭＡＴ
２ 光ファイバセンサ部
３ 光源
４ 光干渉計
５ 計測・制御部
６ 波形信号発生器
７ アンプ
８ 金属
１１ 永久磁石
１２ 電気コイル
２１ 光ファイバ
２２ 金属箔
２３ 樹脂シート
２ 光ファイバセンサ部
３ 光源
４ 光干渉計
５ 計測・制御部
６ 波形信号発生器
７ アンプ
８ 金属
１１ 永久磁石
１２ 電気コイル
２１ 光ファイバ
２２ 金属箔
２３ 樹脂シート
Claims (6)
- スポット溶接により金属製材料の表面に接合された金属箔及び前記金属箔に圧着された樹脂シートを含む圧着膜と、
前記圧着膜に貼着され、光源から光が入力される光ファイバと、
前記光ファイバ上に設けられ、前記金属製材料中に振動を与える発振子と、
前記金属製材料中の振動に応じた前記光ファイバを透過する光の変動を電気信号に変換する光干渉計と、
前記電気信号に基づいて前記金属製材料の厚さを算出し、前記金属製材料の劣化度を判定する計測・制御部と、
を備える材料劣化診断装置。 - 前記光ファイバは前記樹脂シート上に設けられており、前記金属箔の前記樹脂シートが圧着された領域の外側の複数箇所が前記スポット溶接により前記金属製材料の表面に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の材料劣化診断装置。
- 前記樹脂シートが前記金属製材料の表面に接しており、前記光ファイバが前記金属箔に貼着されていることを特徴とする請求項１に記載の材料劣化診断装置。
- 前記金属箔と前記金属製材料の表面とが、接着剤又は接着剤含浸ガラスクロス材により接着されていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の材料劣化診断装置。
- 金属製材料の表面にろう付けされた金属箔及び前記金属箔に圧着された樹脂シートを含む圧着膜と、
前記樹脂シートに貼着され、光源から光が入力される光ファイバと、
前記光ファイバ上に設けられ、前記金属製材料中に振動を与える発振子と、
前記金属製材料中の振動に応じた前記光ファイバを透過する光の変動を電気信号に変換する光干渉計と、
前記電気信号に基づいて前記金属製材料の厚さを算出し、前記金属製材料の劣化度を判定する計測・制御部と、
を備える材料劣化診断装置。 - スポット溶接又はろう付けにより金属製材料の表面に接合された金属箔と前記金属箔に圧着された樹脂シートとを含む圧着膜に貼着された光ファイバに光を入力し、
前記光ファイバ上に設けられた発振子から前記金属製材料中に振動を与え、
前記金属製材料中の振動に応じた前記光ファイバを透過する光の変動を光干渉計により電気信号に変換し、
前記電気信号に基づいて前記金属製材料の厚さを算出して、前記金属製材料の劣化度を判定する材料劣化診断方法。
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