JP5406881B2 - 耐熱超音波センサ及びその設置方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐熱超音波センサ及びその設置方法に係り、特に、原子力発電プラント、火力発電プラント及び化学プラントなどのプラントにおいて運転中に高温になる構造部材を対象にした減肉、き裂進展及び構造部材の材料変化などを監視するのに好適な耐熱超音波センサ及びその設置方法に関するものである。

従来、発電プラントなどのプラントでは、運転中に高温になる構造部材の健全性を評価するため、プラントの定期検査において構造部材の検査対象部位を検査可能な温度まで低下させるか、あるいは温度の低下を予測して検査対象部位の検査を実施している。その検査においては、構造部材表面の健全性を評価する表面検査であれば目視検査及び渦電流検査を、減肉及びき裂など構造部材の内部あるいは裏面の健全性を評価する体積検査であれば、超音波検査を用いている。しかしながら、近年において、発電プラントの高経年化、検査効率の向上、さらにはプラントの稼働率向上の観点から、プラント運転時における高温環境下で、連続的に構造部材の健全性を監視したいとの要望が高まっている。

従来の定期検査における超音波検査では、検査対象物が配管であってその減肉を検査する場合、及び検査対象物が単純な形状を有する構造部材である場合には、単一素子の超音波センサ（１つの圧電素子を有する）が用いられている。また、近年、検査対象物が複雑な形状を有する構造部材、及び構造部材の溶接部近傍の検査には、アレイ型の超音波センサ（複数の圧電素子を有する）が用いられるようになった。

以上に述べた各超音波センサでは、その製作過程において、単結晶の圧電材料からなる圧電素子、または細い円柱状の圧電素子をエポキシ系樹脂で固化したコンポジット素子が、前面板と呼ばれる樹脂板の表面にエポキシ系接着剤で接着して固定される。また、超音波センサの内部には、圧電素子を制動し波数を制御するためにバッキング材が用いられている。このバッキング材も主成分としてエポキシ系樹脂を用いている場合が多い。このため、単一素子の超音波センサ及びアレイ型超音波センサは、一般に柔軟性がない。これらの超音波センサを、曲面の表面を有する検査対象物のその曲面に当て検査を行う場合には、前面板の先端に取付けるシューに曲面を形成することによって対応している。

一方、曲面の表面を有する検査対象物に対して超音波検査を行うために、可撓性のある材料（ポリイミドなど）で前面板を構成し、さらにこの前面板に取り付ける圧電素子としてフレキシブルなコンポジット材を用いたシート状の超音波センサが提案されている（例えば、曲がる、そして薄〜い垂直探触子、シート探触子（（有）アイ・エス・エル 技術資料）参照）。

さらに、Proc. of 2006 IEEE Ultrasonics Symposium “A Piezoelectric Membrane Sensor for Biomedical Monitoring”pp.800-803に記載されているように、ポリイミドフィルムの上に、ゾルゲル法を用いて薄い圧電セラミックスを形成することにより、フレキシブルな圧電素子が製造できることが知られている。

また、運転中の発電プラントなどの高温環境下で使用可能な単一型超音波センサやアレイ型超音波センサが提案されている（特許第２９８６５８１号公報、特許第４２４４１７２号公報及び特開平８−２２３６９６号公報参照）。

特許第２９８６５８１号公報に記載された耐熱超音波センサは、ＳｉＣ系またはＳｉ_３Ｎ_４系セラミックス製である前面板を有し、この前面板にＰｂＮｂ_２Ｏ_６系またはＰｂＴｉＯ_３系の圧電振動子を、はんだにより接合している。この耐熱超音波センサは、約２５０℃程度の高温で使用が可能である。

特許第４２４４１７２号公報に記載された耐熱超音波センサは、正極電極と負極電極の間に、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、酸化亜鉛等が含まれる圧電セラミックス材料で構成された超音波振動子を配置している。この耐熱超音波センサは、７００℃までは問題なく使用が可能である。

特開平８−２２３６９６号公報に記載された耐熱超音波センサは、チタン酸鉛系セラミックを圧電材料として用いた複数の圧電体を有しており、３００℃までの使用が可能である。

また、耐熱超音波センサを検査対象物の表面に取り付ける設置方法の一例が、特開平１１−３０４７７７号公報に記載されている。この設置方法では、軟質緩衝金属板を耐熱超音波センサと高温の検査対象物との間に配置し、耐熱超音波センサを検査対象物の表面に向かって押付けてその軟質緩衝金属板を塑性変形させて耐熱超音波センサを検査対象物の表面に密着させている。

ゾルゲル膜の製作方法が、T.IEE Japan, Vol. 121-E, No.9, (2001)'Preparation of piezoelectric PZT micro-discs by sol-gel method'及びJ. Am. Ceram. Soc., 91 [7] pp.20792082 (2008) 'Low-Temperature Synthesis of Bismuth Titanate by an Aqueous SolGel Method'に記載されている。

特許第２９８６５８１号公報 特許第４２４４１７２号公報 特開平８−２２３６９６号公報 特開平１１−３０４７７７号公報

曲がる、そして薄〜い垂直探触子、シート探触子（（有）アイ・エス・エル 技術資料）(http://www1.kcn.ne.jp/~isl/pdf/sheet01j.pdf) Proc. of 2006 IEEE Ultrasonics Symposium "A Piezoelectric Membrane Sensor for Biomedical Monitoring"pp.800-803 T.IEE Japan, Vol. 121-E, No.9, (2001)'Preparation of piezoelectric PZT micro-discs by sol-gel method' J. Am. Ceram. Soc., 91 [7] pp.20792082 (2008) 'Low-Temperature Synthesis of Bismuth Titanate by an Aqueous SolGel Method'

運転中の発電プラントなどのプラントでは、検査対象物である高温の構造部材は、配管等の外面に曲面を有する部材が多い。特に、超音波センサを用いて検査を行いたい溶接部の表面は、曲面形状になっている。特開平１１−３０４７７７号公報に記載されているように、軟質緩衝金属板を耐熱超音波センサと高温の構造部材の間に配置し、軟質緩衝金属板を塑性変形させて耐熱超音波センサを検査対象物の表面に密着させる場合には、軟質緩衝金属板を耐熱超音波センサと高温の構造部材の間に配置して塑性変形させる必要があるため、耐熱超音波センサの取り付けが面倒であり、耐熱超音波センサの構造部材の表面への取り付けに長時間を要する。

そして薄〜い垂直探触子、シート探触子（（有）アイ・エス・エル 技術資料）、及び
Proc. of 2006 IEEE Ultrasonics Symposium “A Piezoelectric Membrane Sensor for Biomedical Monitoring”pp.800-803に記載されたそれぞれの超音波センサは、エポシキ系接着剤及び樹脂、さらには前面板にポリイミドを使用しているため、上限の耐熱温度が８０℃程度である。８０℃を超える温度では、エポシキ系接着剤及び樹脂が熱的損傷により接着面からはく離するため、その超音波センサで超音波の送・受信ができなくなる。したがって、これらの超音波センサは、運転中において、発電プラントなどのプラントの高温の構造部材に対する検査に用いることができない。

本発明の目的は、プラント運転中においてプラントの構造部材の欠陥を精度良く検出できる耐熱超音波センサ及びその設置方法を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、可撓性を有する金属板と、金属板の上に取り付けられて、厚みが０．５ｍｍ以下のキューリ点が２００℃以上の圧電セラミックス部と、圧電セラミックス部の上に配置されて圧電セラミックス部に接続された電極部材とを備え、金属線メッシュが電極部材に取り付けられていることにある。

可撓性を有する金属板の上に、厚みが０．５ｍｍ以下のキューリ点が２００℃以上の圧電セラミックス部が取り付けられているので、金属板を曲げても圧電セラミックス部にひび割れが生じない。このため、耐熱超音波センサを検査対象物である、プラントの構造部材の曲面を有する表面に取り付ける際に、耐熱超音波センサの可撓性を有する金属板を、その構造部材の曲面の曲率に合わせて曲げても、圧電セラミックス部が金属板からはがれず、前記曲率で曲げられて圧電セラミックス部が正常に取り付けられている金属板を、構造部材の曲面上にこの曲面に沿って取り付けることができる。このため、圧電セラミックス部で発生した超音波を検査対象物に効率良く入射することができ、その超音波の入射により検査対象物で生じた反射波を効率良く圧電セラミックス部で受信できる。また、金属板及びキューリ点が２００℃以上の圧電セラミックス部が存在するので、プラントの運転中において高温になっている構造部材に耐熱超音波センサを取り付けることができる。したがって、プラントの運転中において高温になる構造部材の表面に曲面が形成された箇所で構造部材に生じている欠陥（き裂及び減肉等）を精度良く検出することができる。

本発明によれば、プラントの運転中において高温になる構造部材に生じている欠陥を精度良く検出することができる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の耐熱超音波センサの縦断面図である。 図１に示す耐熱超音波センサの電気絶縁カバーを外した状態での平面図である。 図１に示す耐熱超音波センサを、曲面を有する配管の外面に設置した状態を示す説明図である。 図１に示す耐熱超音波センサを、保温材が取り付けられた配管において、保温材と配管の間に配置してその配管の外面に設置した状態を示す説明図である。 本発明の他の実施例である実施例２の耐熱超音波センサの縦断面図である。 図５に示す耐熱超音波センサの電気絶縁カバーを外した状態での平面図である。 本発明の他の実施例である実施例３のマルチ耐熱超音波センサの縦断面図である。 図７に示すマルチ耐熱超音波センサの電気絶縁カバーを外した状態での平面図である。 本発明の他の実施例である実施例４のマルチ耐熱超音波センサの縦断面図である。 図９に示すマルチ耐熱超音波センサの絶縁カバーを外した状態での平面図である。

本発明の実施例を、以下に説明する。

本発明の好適な一実施例である実施例１の耐熱超音波センサを、図１及び図２を用いて詳細に説明する。

本実施例の耐熱超音波センサ１は、金属薄板（可撓性を有する金属板）２、圧電セラミックス膜３、金属薄膜（電気部材）４、金属線メッシュ５及び同軸ケーブル７を備えている。金属薄板２の形状は矩形であり、圧電セラミックス膜３、金属薄膜４及び金属線メッシュ５のそれぞれの形状は円形である。

金属薄板２は、可撓性を有する金属板であり、例えば、ステンレス鋼で作られて０．１ｍｍの厚みを有する。金属薄板２は、耐熱超音波センサ１を取り付ける検査対象物（例えば、図３に示す配管１２）を構成する金属材料の熱膨張係数に対して±２０％以内の熱膨張係数を有する金属材料で構成する。検査対象物がステンレス鋼で作られている場合には、金属薄板２としてステンレス鋼を用いることが望ましい。金属薄板２の金属材料を、検査対象物を構成する金属材料の熱膨張係数に対して±２０％以内の熱膨張係数を有する金属材料にする理由は、高温状態の検査対象物とこの検査対象物の表面に取り付けた、耐熱超音波センサ１の金属薄板２との熱膨張差が大きくなると、その熱膨張差により発生する応力に起因して金属薄板２が検査対象物からはく離するのを避けるためである。

圧電セラミックス膜３が金属薄板２の一面に形成されている。電極である金属薄膜４が圧電セラミックス膜３の上面に取り付けられる。さらに、金属線メッシュ５が、金属薄膜４の上面に取り付けられ、金属薄膜４を覆っている。同軸ケーブル７の芯線９が接続点６で金属線メッシュ５に接続されている。同軸ケーブル７は、グランド部である金属製の固定部材８で金属薄板２に固定される。電気絶縁カバー１０が、金属薄板２に取り付けられて、圧電セラミックス膜３、金属薄膜４、金属線メッシュ５、接続点６、固定部材８、及び同軸ケーブル７からむき出しになった芯線９を覆っている。

金属薄板２の厚みは、音響的な整合層の役割を果たすため、その上に形成される圧電セラミックス膜３の圧電セラミックで生じる振動の周波数に基づいて得られる厚さ以下に設定される。具体的には、金属薄板２の厚さをＴ、金属薄板２内の音速をＶ、圧電セラミックス膜３の圧電セラミックスで生じる振動の周波数をＦとしたとき、金属薄板２の厚みは、式（１）を満足するように設定される。

Ｔ≦Ｖ／４Ｆ ……（１）
例えば、金属薄板２がステンレス鋼製である場合、金属薄板２内の音速は約５８００ｍ／ｓである。圧電セラミックス膜３の圧電セラミックで生じる振動の周波数が５ＭＨｚである場合には、金属薄板３の厚みは、式（１）に５８００ｍ／ｓ及び５ＭＨｚを代入することにより、０．２９ｍｍ以下となる。この結果に基づいて、金属薄板２の厚みを０．２ｍｍにした。

また、耐熱超音波センサ１の柔軟性を向上させて可撓性を持たせる観点から、金属薄板２の柔軟性を確認してその厚みを決定し、決定したその厚み及び金属薄板２内の音速を式（１）に代入して圧電セラミックス膜３の圧電セラミックスで生じる振動の周波数Ｆを求めてもよい。そして、この周波数Ｆで振動する圧電セラミックス膜３の厚みを決める。圧電セラミックス膜３の圧電セラミックスで生じる振動の周波数Ｆは、圧電セラミックスの材質及び圧電セラミックス膜３の厚みに基づいて決めることができる。このため、圧電セラミックスの材質が決まれば、圧電セラミックス膜３の厚みは、その振動の周波数Ｆによって求めることができる。

圧電セラミックス膜３は、２００℃以上のキューリ点を有する圧電セラミックスによって形成される。この圧電セラミックスとしては、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ_ｘ，Ｔｉ_１−ｘ）Ｏ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２）、リン酸ガリウム（ＧａＰＯ_４）、及びこれらの物質から選ばれた少なくとも二種類の物質の混合物の中から選択された一種類の物質を用いる。

金属薄板２上への円形の圧電セラミックス膜３の形成は、圧電セラミックスとなる上記した物質のうち一種類の物質（例えば、チタン酸鉛）を用いて、Proc. of 2006 IEEE Ultrasonics Symposium “A Piezoelectric Membrane Sensor for Biomedical Monitoring”pp.800-803、T.IEE Japan, Vol. 121-E, No.9, (2001)'Preparation of piezoelectric PZT micro-discs by sol-gel method'、及びJ. Am. Ceram. Soc., 91 [7] pp.20792082 (2008) 'Low-Temperature Synthesis of Bismuth Titanate by an Aqueous SolGel Method'に記載されているように、ゾルゲル法により行われる。圧電セラミックス膜３の厚みは、Proc. of 2006 IEEE Ultrasonics Symposium “A Piezoelectric Membrane Sensor for Biomedical Monitoring”pp.800-803に記載されているように、ゲル化された液状圧電セラミックスの金属薄板２への塗布回数で調節できる。圧電セラミックス膜３は金属薄板２上に直接形成することができる。金属薄板２上への圧電セラミックス膜３の形成は、スプレーコート法（液状圧電セラミックスの吹き付け）、ディップ法（液状圧電セラミックス内への金属薄板２の浸漬）またはT.IEE Japan, Vol. 121-E, No.9, (2001)'Preparation of piezoelectric PZT micro-discs by sol-gel method'に記載されているように、スピンコート法によって行っても良い。

本実施例での圧電セラミックス膜３の厚みは、例えば、０．１ｍｍである。圧電セラミックス膜３の厚みは０．５ｍｍ以下にする。圧電セラミックス膜３の厚みが０．５ｍｍを超えると、可撓性を有する金属薄板を曲げたときに圧電セラミックス膜３にひび割れが生じて圧電セラミックス膜が金属薄板２からはがれ、耐熱超音波センサ１の機能が消失する。このような事態は、圧電セラミックス膜３の厚みを０．５ｍｍ以下にすることにより避けることができる。圧電セラミックス膜３の形成に用いられる前述した物質のうち、チタン酸鉛以外の物質で形成した圧電セラミックス膜３においても、上記した理由で、厚みを０．５ｍｍ以下にする。

金属薄膜５の材質はニッケル（ニッケル系合金含む）、銀、金または白金であり、金属薄膜５の厚みは０．１ｍｍ〜０．２ｍｍである。本実施例では、金属薄膜５の厚みは、例えば、０．２ｍｍになっている。電極である金属薄膜４の圧電セラミックス膜３上への形成は、蒸着、メッキ、スパッタリングまたはスクリーンコーティングによりニッケル（ニッケル系合金含む）、銀、金及び白金のいずれかの金属を、圧電セラミックス膜３上に付着させることによって行われる。

金属線メッシュ５が、金属薄膜４の上を覆っており、金属ペースト、ろう付け及び高温はんだのいずれかを用いて金属薄膜４に接合される。その高温はんだとしては、耐熱超音波センサ１が設置される場所の最高温度よりも高い溶融温度を有するはんだを用いる。金属線メッシュ５を構成する材料は、ニッケル（ニッケル系合金含む）、銀、金または白金などの、高温環境において、酸化及び腐食に耐性があり、さらに耐熱性がある同軸ケーブル７の心線９との接続性の良い材料を用いる。金属線メッシュ５を構成するそれぞれの金属線は、単線ではなく複数の細線を撚り合せた撚り線を用いている。金属線メッシュ５は、金属ペースト、ろう付け及び高温はんだのいずれかを用いて金属薄膜４の上面に接合されている。金属ペースト等の接合材料が金属線メッシュ５の間に入り込むため、金属線メッシュ５は、可撓性を維持しつつ高温で安定に電気的導通が得られる電極を構成する。

固定部材８で金属薄板２に固定されている耐熱同軸ケーブル７の芯線９は、金属ペースト、ろう付け及び高温はんだのいずれかにより接続点６で金属線メッシュ５に接続される。さらに、耐熱同軸ケーブル７を金属薄板２に固定する固定部材８は、金属ペースト、ろう付け及び高温はんだのいずれかの接合材料を用いて金属薄板２に固定される。耐熱同軸ケーブル７のグランド線が、グランド部でもある固定部材８に接続される。電気絶縁カバー１０は、耐熱性絶縁シート、ガラス繊維及びセラミックス繊維のいずれかで構成され、耐熱超音波センサ１の要素である圧電セラミックス膜３、金属薄膜４、金属線メッシュ５、接続点６、固定部材８、及び同軸ケーブル７からむき出しになった芯線９を電気的に外部部材から絶縁し、圧電セラミックス膜３の圧電セラミックスを破壊から保護する機能を有している。電気絶縁カバー１０は、機械的に金属薄板２に固定し、または耐熱接着剤を用いて金属薄板２に接着しても良い。

芯線９は、金属線メッシュ５に編み込まれて金属線メッシュ５に接続される。芯線９が金属線メッシュ５に編み込まれているので、芯線９は金属線メッシュ５からはがれることはない。

本実施例の耐熱超音波センサ１は可撓性の金属薄板２の上に０．５ｍｍ以下の厚みを有する圧電セラミックス膜３を形成しているので、金属薄板２を曲げることによって、表面に曲面を形成して高温状態になる、検査対象である構造部材（例えば、配管）のその曲面の形状に合わせて、耐熱超音波センサ１の金属薄板２及び圧電セラミックス膜３を曲げることができる。このため、金属薄板２の、構造部材の曲面に対向する裏面の大部分（実質的に全面）を、構造部材のその曲面に接触させることができ、金属薄板２の裏面の、構造部材の曲面と接触する領域が、著しく増加する。具体的には、金属薄板２の裏面の実質的に全面を、構造部材の、その裏面と対向する曲面に厚みが均一な耐熱接合材の薄い層を介して接触させることができる。

本実施例では、金属薄膜４の厚みも０．１ｍｍ〜０．２ｍｍと薄いため、金属薄膜４によって、圧電セラミックス膜３を形成した金属薄板２を曲げることに支障が生じることはない。

金属薄板２としてステンレス鋼を用い、キューリ点が２５０℃のチタン酸鉛を用いて圧電セラミックス膜３を形成している本実施例の耐熱超音波センサ１は、キューリ点よりも低い２００℃の高温になる構造物に対する超音波を用いた検査を実施することができる。前述したチタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸ビスマス及びリン酸ガリウムにおいて、キューリ点が最も高い物質はニオブ酸リチウムであってこのキューリ点は１２００℃であり、キューリ点が最も低い物質はチタン酸鉛であってこのキューリ点は２５０℃である。それらの物質のいずれかで構成した圧電セラミックス膜３を有する耐熱超音波センサ１は、その物質に対応して、２００℃から１０００℃の高温状態になる構造部材に対して超音波を用いた検査を実施することができる。

圧電セラミックス膜３に含まれる圧電セラミックスとして使用できる物質を表１に示す。表１には、圧電セラミックスとして使用できる物質のキューリ点及びその物質の使用温度が示される。

電極である金属薄膜４に取り付けた金属線メッシュ５に芯線９を接続しているので、本実施例では、芯線９が金属線メッシュ５から剥がれにくくなり、芯線９と金属薄膜４の電気的な接続関係が損なわれることはない。芯線９を金属ペースト等の接合剤を用いて金属薄膜４に直接接続した場合には、芯線９が金属薄膜４から剥がれ易く、圧電セラミックス膜３への電圧の印加が不能になって圧電セラミックスにおける超音波の発生ができなくなる。金属薄膜４に取り付けた金属線メッシュ５に芯線９を接続している本実施例では、芯線９と金属薄膜４との電気的な接続関係が維持されなくて圧電セラミックスにおける超音波の発生が途絶えるという事態が生じない。

また、撚り線で構成されている金属線メッシュ５は金属線の軸方向に伸び縮みできるので、高温状態における金属線メッシュ５と芯線９の熱膨張差を金属線メッシュ５で吸収することができる。このため、その熱膨張差によって、芯線９が金属線メッシュ５から剥がれることを防止することができる。さらに、金属線メッシュ５を用いることによって、圧電セラミックス膜３を形成した金属薄板２を、耐熱超音波センサ１を取り付ける検査対象物の曲面を有する表面に合わせて曲げるときにも、金属線メッシュ５が伸びるので、金属薄板２を曲げた後においても、芯線９と金属薄膜４との電気的な接続関係を維持することができる。

本実施例では、撚り線を用いて金属線メッシュ５を構成しているが、単線である細線を用いて金属線メッシュ５を構成しても良い。このような単線である細線を用いて構成した金属線メッシュを用いても、撚り線により構成された金属線メッシュ５と同様な効果を得ることができる。

本実施例の耐熱超音波センサ１を用いた発電プラント、例えば、原子力プラントの構造部材（例えば、配管）の超音波検査を、図３を用いて説明する。耐熱超音波センサ１の金属薄板２を、耐熱超音波センサ１を取り付ける検査対象物である、原子力プラントの構造部材である配管１２の外面の曲率と同じ曲率になるように、曲げる。その後、金属薄板２の裏面に超音波の伝播特性の良い無機系高温接着剤１１を塗布する。この無機系高温接着剤１１を塗布した、金属薄板２の裏面を配管１２の外面に対向させてその外面に接触させ、耐熱超音波センサ１を配管１２に向かって押し付ける。このようにして、耐熱超音波センサ１が、耐熱接合材である無機系高温接着剤１１により、表面に曲面を有する検査対象物である配管１２の外面に取り付けられる。もし、耐熱超音波センサ１の配管１２からの落下防止策が必要な場合には、耐熱超音波センサ１を、耐熱性絶縁シート、ガラス繊維またはセラミックス繊維を用いて配管１２に機械的にさらに固定しても良い。また、無機系高温接着剤１１の替りに、高温はんだを用いて耐熱超音波センサ１の金属薄板２を配管１２の外面に取り付けても良い。金属薄板２を配管１２の外面に接合する際には、無機系高温接着剤１１または高温はんだの厚みを均一にする。この結果、耐熱超音波センサ１による配管１２の検査精度が向上する。

耐熱超音波センサ１を、既設の原子力発電プラントであれば、この原子力発電プラントの定期検査期間において、また、新設の原子力発電プラントであれば、最初の運転開始前において、それぞれの原子力発電プラントにおける検査対象物である、例えば、配管１２に、上記したように、取り付けられる。新設及び既設のそれぞれの原子力発電プラントが運転を開始した後においても、配管１２等の検査対象物に対して、耐熱超音波センサ１による超音波検査を継続して実行する。

配管１２を対象にした、耐熱超音波センサ１による超音波検査について、説明する。同軸ケーブル７の芯線９により印加された電圧は、接続点６、金属線メッシュ５及び金属薄膜４を介して圧電セラミックス膜３に印加される。圧電セラミックス膜３の圧電セラミックスは、電圧の印加により振動し、超音波を発生する。この超音波は、圧電セラミックスから送信され、金属薄板２を経て配管１２に入射される。超音波の入射により、配管１２で反射された反射波が圧電セラミックス膜３の圧電セラミックスで受信される。圧電セラミックスは、反射波の受信により受信信号を出力する。この受信信号は、金属薄膜４、金属線メッシュ５及び接続点６を通り、さらに、耐熱同軸ケーブル７の芯線９を経て後述の超音波送受信器に入力される。

原子力発電プラントの運転時において、配管１２は内部を流れる炉水により加熱されて１００〜３００℃になる。しかしながら、耐熱超音波センサ１は、金属薄板２を用いて、金属薄膜２の表面の一面にキューリ点が２５０℃のチタン酸鉛を用いて圧電セラミックスを形成しているので、配管１２に耐熱超音波センサ１を取り付けた状態で、原子力発電プラントの運転時においても、２００℃までの高温になる配管１２の超音波検査を実施することができる。さらに高い温度の３００℃の高温になる配管１２の超音波検査を実施するためには、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸ビスマス、リン酸ガリウム、窒化アルミニウムなど更にキューリ点の高い圧電セラミックスを形成する必要がある。耐熱超音波センサ１を、配管１２等の、原子力発電プラントの構造部材に取り付けることによって、原子力発電プラントの運転中においても、その構造部材の健全性を監視することができる。また、その構造部材に減肉またはき裂が生じている場合には、原子力発電プラントの運転中において、減肉またはき裂の進展の度合いを監視することができる。

特に、厚みが０．１ｍｍである金属薄板（可撓性を有する金属板）２を用いてこの金属薄板２の表面の一面に厚みが０．１ｍｍである圧電セラミックス膜３を形成しているので、圧電セラミックス膜３が割れることなく、圧電セラミックス膜３を形成した金属薄板２を自由に曲げることができる。このため、前述したように、圧電セラミックス膜３を形成した金属薄板２を、配管１２の外面の曲率に合せて、すなわち、配管１２外面の曲率と同じ曲率で曲げることができる。検査対象物である配管１２の外面の曲面の形状に合わせて曲げた金属薄板２を、配管１２の外面の曲面に沿って配置してこの曲面に取り付けることができるため、圧電セラミックス膜３の圧電セラミックスで発生した超音波を、配管１２の外面の曲面から配管１２内に効率よく入射させることができ、その入射された超音波が配管１２に生じた欠陥（減肉及びき裂等）で反射して生じた反射波を効率良くその圧電セラミックスで受信できる。また、金属板２及びキューリ点が２００℃以上の圧電セラミックス膜３が存在するので、原子力発電プラントの運転中において高温になっている配管１２の曲面に、上記したように、耐熱超音波センサ１を取り付けることができる。このため、耐熱超音波センサ１は、原子力発電プラントの運転中においても、配管１２に生じた欠陥（減肉及びき裂等）を精度良く検出することができ、その欠陥の進展の度合いを精度良く監視することができる。特に、金属薄板２と配管１２の外面の間に存在して金属薄板２と配管１２の外面に取り付けている無機系高温接着剤１１の厚みを、金属薄板２の裏面の前面において均一にすることができる。このため、耐熱超音波センサ１による配管１２に生じた欠陥（減肉及びき裂等）の検出精度がさらに向上する。

本実施例の耐熱超音波センサ１は、前述のように、金属薄板２、金属薄膜４及び金属線メッシュ５などを用いて、薄くかつ可撓性を有する構造にしているため、耐熱超音波センサ１の自重を軽くすることができる。このため、耐熱超音波センサ１の取り扱いが容易になり、耐熱超音波センサ１の配管１２等の、検査対象物である構造部材への取り付けも容易になる。また、耐熱超音波センサ１の配管１２等の、検査対象物である構造部材への取り付けには、特開平１１−３０４７７７号公報に記載されたような軟質緩衝金属板を塑性変形させるような大きな押しつけ力が不要である。また、本実施例はシューの使用が不要である。

発電プラント及び化学プラントにおいては、保温材が、高温状態になる配管及び容器等の外面に取り付けられているケースが多い。本実施例の耐熱超音波センサ１を保温材に取り囲まれている配管または容器等の外面に取り付け、プラントの運転時において、その配管または容器の欠陥（減肉及びき裂等）を検出し、その欠陥の進展を監視することができる。

保温材で取り囲まれた配管または容器等の外面への耐熱超音波センサ１の取り付けを、配管を対象に、図４を用いて説明する。

例えば、原子力発電プラントでは、保温材１３が、配管１２の外面を取り囲んで配置され、配管１３に取り付けられている。このような配管１２に対しては、耐熱超音波センサ１を配管１２と保温材１３の間に配置して、耐熱超音波センサ１を配管１２の曲面を有する外面の曲面に、前述したように、取り付ける。耐熱超音波センサ１の配管１２の外面への取り付けに際しては、取り付ける箇所の保温材１３を配管１２から取り外し、前述したように、耐熱超音波センサ１の金属薄板２を配管１２の外面の曲率に合わせて曲げ、例えば、無機系高温接着剤１１によって、曲げた金属薄板２を配管１２の外面に取り付ける。耐熱超音波センサ１の無機系高温接着剤１１による配管１２の外面への取り付けが終了した後、耐熱性絶縁シート、ガラス繊維、セラミックス繊維などの予備固定具１４を用いて、耐熱超音波センサ１を配管１２に固定する。その後、取り外した保温材１３を配管１２に取り付ける。このとき、耐熱超音波センサ１は保温材１３で覆われている。耐熱超音波センサ１の配管１２への取り付けには、予備固定具１４を用いなくても良い。

耐熱超音波センサ１の金属線メッシュ５に芯線９が接続されている耐熱同軸ケーブル７は、配管１２と保温材１３の間を通して、配管１２の軸方向における保温材１３の合わせ目から保温材１３の外部に取り出され、超音波送受信器１５に接続される。超音波送受信器１５はデータ収録装置１６に接続される。

前述したように、圧電セラミックス膜３が形成された金属薄板２を、配管１２の外面の曲率に合わせて曲げることができるので、厚みの薄い耐熱超音波センサ１を配管１２と保温材１３の間に容易に配置することができる。したがって、高温状態になる、保温材１３に覆われた配管１２における欠陥（減肉及びき裂等）の検出、及びその欠陥の監視を、耐熱超音波センサ１を用いて原子力発電プラントの運転中に行うことができる。

前述したように、圧電セラミックス膜６の圧電セラミックスで発生した超音波は、配管１２に入射される。この超音波の入射によって配管１２で生じた反射波は、圧電セラミックスで受信され、反射波の受信信号が出力される。この受信信号が、耐熱同軸ケーブル７の芯線９を通って、超音波送受信器１５に入力される。超音波送受信器１５は、入力した受信信号を処理し、配管１２に欠陥（減肉及びき裂等）が生じているかを検出する。超音波送受信器１５は、入力した受信信号、及び欠陥が生じている部分の情報を、データ収録装置６０５に格納する。

配管１２に生じている減肉は、以下のようにして検出することができる。超音波受信器１５は、配管１２の内面で反射された反射波（底面反射エコー）の受信信号を入力し、この反射波の受信時間とこの反射波を発生させるために配管１２に入射した超音波の入射時間の差、及び配管１２を伝わる音速に基づいて配管１２の肉厚を算出する。算出された肉厚の時間変化を計測することによって、配管１２の減肉を監視することができる。

また、配管１２内に生じているき裂の検出は、き裂が生じる可能性の高い、配管１２の部位に耐熱超音波センサ１を設置し、配管１２において、底面反射エコーよりも時間的に早い位置（配管１２の外面に近い位置）でエコーが発生したかを確認することによって行われる。このき裂の深さ（き裂の高さ）は、配管１２の内面(底面)からのエコーとき裂の上端で生じるエコーの時間差を求め、この時間差に配管１２内での音速を掛けて求めることができる。

耐熱超音波センサ１の圧電セラミック膜３に用いる物質は、耐熱超音波センサ１を取り付ける、プラントの構造部材の温度に対応して設定しても良い。例えば、沸騰水型原子力発電プラントにおいて、原子炉に接続される給水配管の、高圧給水加熱器の最終段よりも下流では給水配管の温度が運転中で２１０℃になるので、給水配管のこの部分の外面に取り付ける耐熱超音波センサ１の圧電セラミックス膜３にはチタン酸ジルコン酸鉛を用いる。また、沸騰水型原子力発電プラントにおいて、原子炉に接続される再循環系配管及び主蒸気配管は運転中で約２８０℃になるので、これらの配管の外面に取り付ける耐熱超音波センサ１の圧電セラミックス膜３にはチタン酸ビスマスを用いる。加圧水型原子力発電プラントにおいて、原子炉及び蒸気発生器に接続される一次冷却水配管は運転中で３２０℃になるので、一次冷却水配管の外面に取り付ける耐熱超音波センサ１の圧電セラミックス膜３にはチタン酸ビスマスを用いる。火力発電プラントにおいて、ボイラに接続される主蒸気配管の温度が運転中で６００℃になるので、主蒸気配管の外面に取り付ける耐熱超音波センサ１の圧電セラミックス膜３にはニオブ酸リリウムを用いる。
上記の例示に限らず、それぞれの配管の温度よりも高い温度のキューリ点を有する物質で構成された圧電セラミックス膜３を有する耐熱超音波センサ１であれば、そのキューリ点よりも低い温度の複数の配管に設置することができる。

本発明の他の実施例である実施例２の耐熱超音波センサを、図５及び図６を用いて説明する。

本実施例の耐熱超音波センサ１Ａは、実施例１の耐熱超音波センサ１において、圧電セラミックス膜３を、小片である複数の結晶性圧電セラミックス１７Ａを含む圧電セラミックス集合体１７に替えた構成を有している。耐熱超音波センサ１Ａの他の構成は耐熱超音波センサ１と同じである。

小片の結晶性圧電セラミックス１７Ａは、市販されている単結晶の圧電セラミックスを割って使用する。各結晶性圧電セラミックス１７Ａは、無機系高温接着剤によって、底面が金属薄板２の表面の一面に、上面が金属薄膜４の下面にそれぞれ接着される。結晶性圧電セラミックス１７Ａの底面を金属薄板２の上面に接合している無機系高温接着剤の接合部１８が、金属薄板２の上面に形成される。各結晶性圧電セラミックス１７Ａは、無機系高温接着剤の替りに、金属ペースト、ろう付けまたは高温はんだによって金属薄板２及び金属薄膜４に接着しても良い。複数の結晶性圧電セラミックス１７Ａを含む圧電セラミックス集合体１７の高さ（実施例１における圧電セラミックス膜３の厚みに相当）、すなわち、各結晶性圧電セラミックス１７Ａの高さは、実施例１における圧電セラミックス膜３の厚みと同じである０．５ｍｍである。圧電セラミックス集合体１７の高さ、すなわち、各結晶性圧電セラミックス１７Ａの高さは０．５ｍｍ以下にする。

小片の結晶性圧電セラミックス１７Ａの寸法（小片の直径）は、耐熱超音波センサ１Ａを取り付ける設置対象物の曲面を有する表面の曲率半径に応じて決定する。小片の結晶性圧電セラミックス１７Ａの代表寸法（小片の直径）は、設置対象物の曲面の曲率半径の５分の１以下の大きさ、例えば、１．０ｍｍとする。小片の結晶性圧電セラミックス１７Ａの直径を設置対象物の曲面の曲率半径の５分の１以下の大きさにしているので、多数の小片の結晶性圧電セラミックス１７Ａが接着された金属薄板２を、設置対象物の曲面に沿って曲げた場合でも、それらの結晶性圧電セラミックス１７Ａが金属薄板２から剥がれることを防止できる。

結晶性圧電セラミックス１７Ａは、２５０℃以上のキューリ点を有する圧電セラミックスである、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ_ｘ，Ｔｉ_１−ｘ）Ｏ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２）、リン酸ガリウム（ＧａＰＯ_４）、及び窒素化アルミニウム（ＡｌＮ）のいずれかの単結晶の小片である。

結晶性圧電セラミックス１７Ａの相互間は、なにも詰めないで空間の状態にする。また、各結晶性圧電セラミックス１７Ａを取り付けた金属薄板２の可撓性を妨げない程度に、結晶性圧電セラミックス１７Ａの相互間に非導電性無機系接着剤を流し込んで、その相互間を非導電性無機系接着剤で埋めても良い。

本実施例の耐熱超音波センサ１Ａは、原子力発電プラントの配管または容器等の曲面を有する表面に、図３または図４に示すように、取り付ける。この耐熱超音波センサ１Ａによって、配管または容器に生じている欠陥（減肉及びき裂等）の検出、及びその欠陥の監視を行う。

本実施例の耐熱超音波センサ１Ａによれば、実施例１で生じる各効果を得ることができる。

本発明の他の実施例である実施例３の耐熱超音波センサを、図７及び図８を用いて説明する。

本実施例の耐熱超音波センサ１Ｂは、実質的に、実施例１の耐熱超音波センサ１を複数用いたものである。換言すれば、耐熱超音波センサ１Ｂは、複数の耐熱超音波センサ１、例えば、３個の耐熱超音波センサ１において、金属薄板２及び電気絶縁カバー１０を共有した構成を有する。具体的には、複数（例えば、３つ）の耐熱圧電素子部１９を、可撓性を有して厚みが例えば０．２ｍｍである金属薄板２の上面に並べて配置し、それぞれの耐熱圧電素子部１９を金属薄板２の上面に設けている。

それぞれの耐熱圧電素子部１９は、実施例１の耐熱超音波センサ１と同様に、圧電セラミックス膜３、金属薄膜４、金属線メッシュ５及び同軸ケーブル７を備えている。円形の圧電セラミックス膜３は、実施例１と同様に、ゾルゲル法により金属薄板２の上面に形成される。本実施例では、３つの耐熱圧電素子部１９が設けられる関係上、円形で厚みが例えば０．５ｍｍである３つの圧電セラミックス膜３が金属薄板２の上面に所定の間隔をおいて形成される。厚み０．２ｍｍの金属薄膜４が圧電セラミックス膜３の上に設けられ、金属線メッシュ５が金属薄膜５の上面に取り付けられる。固定部材８で金属薄板２に固定された耐熱同軸ケーブル７の芯線９が、接続点６で金属線メッシュ５に接続される。

電気絶縁カバー１０が、金属薄板２に取り付けられて、各耐熱圧電素子部１９を覆っている。

本実施例の耐熱超音波センサ１Ｂも、金属薄板２を検査対象物である構造部材の配管１２の外面の曲率に合わせて曲げ、図３に示すように、原子力発電プラントの配管１２の外面に取り付ける。また、この耐熱超音波センサ１Ｂは、保温材１３で囲まれた配管１２に対しては、金属薄板２を配管１２の外面の曲率で曲げた状態で、図４に示すように、配管１２の外面に取り付けられて保温材１３と配管１２の間に配置される。

本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。また、本実施例は、耐熱超音波センサ１Ｂが複数（例えば、３つ）の耐熱圧電素子部１９を有しているので、配管１２等の検査対象物である構造部材に対して、複数個所での欠陥（減肉及びき裂等）の検出、及びその欠陥の監視を、原子力発電プラントの運転中に行うことができる。

耐熱超音波センサ１Ｂの各耐熱圧電素子部１９において、圧電セラミックス膜３の替りに、実施例２の耐熱超音波センサ１Ａに用いられる、小片である複数の結晶性圧電セラミックス１７Ａを含む圧電セラミックス集合体１７に替えても良い。

本発明の他の実施例である実施例４の耐熱超音波センサを、図９及び図１０を用いて説明する。

本実施例の耐熱超音波センサ１Ｃは、実施例３の耐熱超音波センサ１Ｂのように、複数（例えば、７つ）の耐熱圧電素子部１９Ａを有する。耐熱圧電素子部１９Ａは耐熱超音波センサ１Ｂに用いられた円形の耐熱圧電素子部１９を矩形にしただけであり、耐熱圧電素子部１９Ａの構成は耐熱圧電素子部１９と同じである。すなわち、耐熱圧電素子部１９Ａも、圧電セラミックス膜３、金属薄膜４、金属線メッシュ５及び同軸ケーブル７を有する。それぞれの耐熱圧電素子部１９Ａの圧電セラミックス膜３は、ゾルゲル法により、金属薄板２の上面に間隔をおいて形成されている。これらの耐熱圧電素子部１９Ａは、金属薄板２に取り付けられた電気絶縁カバー１０で覆われている。本実施例では、圧電セラミックス膜３、金属薄膜４及び金属線メッシュ５のそれぞれの形状は矩形である。７つの耐熱圧電素子部１９Ａが並列に金属薄板２の上面に配置されている。

本実施例の耐熱超音波センサ１Ｃも、金属薄板２を検査対象物である構造部材の配管１２の外面の曲率に合わせて曲げ、図３に示すように、原子力発電プラントの配管１２の外面に取り付ける。また、この耐熱超音波センサ１Ｃは、保温材１３で囲まれた配管１２に対しては、金属薄板２を配管１２の外面の曲率で曲げた状態で、図４に示すように、配管１２の外面に取り付けられて保温材１３と配管１２の間に配置される。

本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。また、本実施例は、耐熱超音波センサ１Ｃが複数（例えば、７つ）の耐熱圧電素子部１９Ａを有しているので、配管１２等の検査対象物である構造部材に対して、複数個所での欠陥（減肉及びき裂等）の検出、及びその欠陥の監視を、原子力発電プラントの運転中に行うことができる。さらには、フェーズドアレイ法、または波形の合成法である開口合成法により、検査対象物の内部を画像化して欠陥の進展等を監視することができる。

耐熱超音波センサ１Ｂの各耐熱圧電素子部１９において、圧電セラミックス膜３の替りに、実施例２の耐熱超音波センサ１Ａに用いられる、小片である複数の結晶性圧電セラミックス１７Ａを含む圧電セラミックス集合体１７に替えても良い。

実施例１から実施例４の耐熱性超音波センサは、沸騰水型原子力発電プラント及び加圧水型原子力発電プラント等の原子力発電プラントだけでなく、火力発電プラント及び化学プラントの、運転中に高温になり局面を表面に有する構造部材に適用することができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…耐熱超音波センサ、２…金属薄板、３…圧電セラミックス膜、４…金属薄膜、５…金属線メッシュ、６…接続点、７…耐熱同軸ケーブル、９…芯線、１０…電気絶縁カバー、１２…配管、１３…保温材、１５…超音波送受信器、１６…データ収録装置、１７…圧電セラミックス集合体、１７Ａ…結晶性圧電セラミックス、１９，１９Ａ…耐熱圧電素子部。

Claims (9)

1. 可撓性を有する金属板と、前記金属板の上に取り付けられて、厚みが０．５ｍｍ以下のキューリ点が２００℃以上の圧電セラミックス部と、前記圧電セラミックス部の上に配置されて前記圧電セラミックス部に接続された電極部材と、前記金属板に取り付けられ、前記圧電セラミックス部及び前記電極部材を覆っている電気絶縁カバーとを備え、金属線メッシュが前記電極部材に取り付けられていることを特徴とする耐熱超音波センサ。
2. 前記圧電セラミックス部が前記金属板の上に形成された圧電セラミックス膜である請求項１に記載の耐熱超音波センサ。
3. 前記圧電セラミックス膜がゾルゲル法で形成された圧電セラミックス膜である請求項２に記載の耐熱超音波センサ。
4. 前記圧電セラミックス部が前記金属板に接合された複数の結晶性圧電セラミックス片で形成されている請求項１に記載の耐熱超音波センサ。
5. ケーブルの芯線が前記金属線メッシュに接続されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の耐熱超音波センサ。
6. 前記芯線が前記金属線メッシュに編み込まれている請求項５に記載の耐熱超音波センサ。
7. 前記圧電セラミックス部及び前記電極部材を含む複数の圧電素子部を有し、それぞれの前記圧電素子部の前記圧電セラミックス部が前記金属板の上に取り付けられており、前記電気絶縁カバーが前記複数の圧電素子部を覆っている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の耐熱超音波センサ。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項の耐熱超音波センサの前記金属板を、プラントの構造部材の曲面を有する表面の前記曲面に合わせて曲げ、前記曲げられた金属板を前記構造部材の前記曲面に沿って配置して前記曲げられた金属板を前記曲面に取り付けることを特徴とする耐熱超音波センサの設置方法。
9. 前記構造部材が保温材で覆われている場合には、前記構造部材の、前記耐熱超音波センサの前記金属板を取り付ける部分に存在する前記保温材を取り外し、前記曲げられた金属板を前記曲面に取り付けて保温材を、前記金属板が取り付けられた前記耐熱超音波センサを覆った状態で前記構造部材に取り付ける請求項８に記載の耐熱超音波センサの設置方法。

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