JP5784793B2

JP5784793B2 - 材料劣化診断装置

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Publication number: JP5784793B2
Application number: JP2014097958A
Authority: JP
Inventors: 恵一佐々木; 倉大輔朝; 家信雄山; 橋雅士高
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2030-12-06
Also published as: JP2014139590A

Description

本発明は、材料劣化診断を行う材料劣化診断装置に関する。

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。光ファイバ振動センサはポリイミドコーティングされ、ポリイミド系接着剤を用いて配管表面に貼り付けられる。電磁超音波発振子が、電磁力の作用によって配管内に超音波を直接励起し、励起された超音波の共振波が光ファイバ振動センサにより検出される。そして、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、センサ取り付け箇所には長期間にわたる耐久性や、３００℃を超える耐熱性が求められるが、従来のポリイミド系接着剤を用いた取り付けでは、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を提供することを課題とする。

本発明の一態様による材料劣化診断装置は、第１接着剤により金属製材料の表面に第１面が接着されたシート材と、金、ニッケル、又はシリカによりコーティングされ、第２接着剤により前記シート材の第２面に接着された光ファイバと、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、前記第１接着剤は、金属ペースト、ガラスペースト、又はセラミック系接着剤である。

本発明の一態様による材料劣化診断装置は、部分溶接により金属製材料の表面に接合された金属メッシュと、前記金属メッシュに接着され、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。

本発明によれば、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。

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図である。同第１の実施形態に係るＥＭＡＴの概略構成図である。同第１の実施形態に係る光ファイバセンサ部の概略構成図である。同第１の実施形態に係る超音波光プローブの取り付け方法を説明する図である。同第１の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図である。本発明の第２の実施形態に係る光ファイバセンサ部の概略構成図である。同第２の実施形態に係る超音波光プローブの取り付け方法を説明する図である。

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に、ＥＭＡＴ１の概略構成を示す。ＥＭＡＴ１は、アンプ７に接続され、高周波電流が供給される電気コイル１２と、電気コイル１２上に載置された永久磁石１１とを有する。永久磁石１１の材質は例えばサマリウムコバルトである。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。

永久磁石１１を鍍金（めっき）して酸化を防止するとともに、電気コイル１２をポリイミドコーティングしてもよい。このようにすることで、高温下でも発振パワーを保持することができる。

光ファイバセンサ部２の上面を図３（ａ）に示し、側面を図３（ｂ）に示す。図３（ａ）に示すように、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他端が光源３に接続されている。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。光ファイバ２１は金、ニッケル等の金属、又はシリカによりコーティングされている。

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。

図３（ｂ）に示すように、この光ファイバ２１は、接着剤２３を用いて、シート材２２に貼着されている。シート材２２には例えばシリコン箔、ガラス箔、セラミック箔等の金属を含まないフレキシブルシート材を使用することができる。光ファイバ２１とシート材２２とを接着する接着剤２３は、光ファイバ２１をコーティングする材料によって異なり、例えば、光ファイバ２１が金コーティングされている場合には接着剤２３に金ペーストを使用する。また、光ファイバ２１がニッケルコーティングされている場合には接着剤２３に金ペースト又は銀ペーストを使用する。あるいはまた、光ファイバ２１がシリカコーティングされている場合には接着剤２３にガラスペーストを使用する。

図３（ｃ）に示すように、光ファイバ２１を、シート材２２及び樹脂シート２４で挟むような構成にしてもよい。シート材２２と樹脂シート２４との間に接着剤２３を充填して光ファイバ２１を固定する。樹脂シート２４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耐熱性樹脂シートを用いることができる。

次に、超音波光プローブを金属８の表面に取り付ける方法を、図４（ａ）、（ｂ）に示す超音波光プローブ等の縦断面を用いて説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、接着剤２３を用いて一方の面（第２面）に光ファイバ２１が接着されたシート材２２を準備する。そして、このシート材の他方の面（第１面）を、金属８（例えば炭素鋼）の表面に、耐熱性の高い接着剤３１を用いて接着する。ここでは、金属８が配管であり、表面が曲面になっているものとした。シート材２２と金属８とを接着する接着剤３１は、シート材２２の材料によって異なる。例えば、シート材２２がシリコン箔である場合は、接着剤３１に金属ペーストが使用される。金属ペーストには、例えば銀ペースト等の、５００℃程度の耐熱性を有するものを用いることができる。

また、シート材２２がガラス箔である場合は、接着剤３１にガラスペーストが使用される。ガラスペーストは３８０℃程度の耐熱性を有する。ガラスペーストには、例えば、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、ＰｂＯを含むものや、ＳｉＯ_２、ＺｎＯ、ＲＯを含むものなどを使用することができる。

また、シート材２２がセラミック箔である場合は、接着剤３１に耐熱性無機接着剤（ニッセラコート）等のセラミック系高温接着剤が使用される。セラミック系高温接着剤は７００℃程度の耐熱性を有する。

そして、図４（ｂ）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。

厚さ測定対象の金属８の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及び光干渉計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。

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５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。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、光ファイバ２１が接着されたシート材２２が、接着剤（接着剤３１）を用いて配管４１に接着される。超音波光プローブ４０は、配管４１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。

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、光干渉計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、金属又はシリカでコーティングされた光ファイバ２１が接着されたフレキシブルシート材２２を、配管等の厚さ測定対象の金属表面に耐熱性の高い接着剤２３で取り付けるため、従来のようなポリイミドワニスで金属表面に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、シート材２２に、シリコン箔、ガラス箔、セラミック箔等の金属を含まないフレキシブルシート材を使用するため、シート材２２に金属箔を使用する場合と比較して、電磁界遮蔽を小さくすることができ、材料劣化診断装置の診断精度を向上させることができる。

（第２の実施形態）図６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。本実施形態は、図３に示す第１の実施形態と比較して、光ファイバ２１を金属メッシュ２５に接着する点が異なる。図６において、図３に示す第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。金属メッシュ２５の材料は例えば鉄である。

次に、図６に示すような構成の光ファイバセンサ部２を有する超音波光プローブを、金属８の表面に取り付ける方法を、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す超音波光プローブ等の縦断面を用いて説明する。

まず、図７（ａ）に示すように、接着剤２３を用いて光ファイバ２１が接着された金属メッシュ２５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。金属メッシュ２５を金属８の表面に押し当てると、金属メッシュ２５の凸部（図示せず）が金属８表面に点接触する。このとき、金属メッシュ２５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７（ｂ）に示すように、溶接電源（図示せず）を用いて、金属メッシュ２５に電流を流し、金属８表面に点接触している金属メッシュ２５の凸部を溶かす。これにより、金属メッシュ２５と金属８とが部分溶接され、金属メッシュ２５が金属８に接合される。

そして、図７（ｃ）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。

本実施形態では、光ファイバ２１が接着された金属メッシュ２５を配管等の厚さ測定対象の金属表面に部分溶接で取り付けるため、金属表面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、光ファイバ２１を金属メッシュ２５に接着するため、光ファイバ２１を金属箔に接着する場合と比較して、メッシュ構造である分だけ電磁界遮蔽を小さくすることができ、材料劣化診断装置の診断精度を向上させることができる。

なお、上記第１及び第２の実施形態において、劣化診断対象となる配管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。上記第１の実施形態のように、配管に接着されるシート材２２に金属が含まれない場合は、永久磁石１１は磁力で固定されないので、他の永久磁石とあわせて上から固定治具で固定する。

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。

１ＥＭＡＴ
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シート材
２３接着剤
２４樹脂シート
２５金属メッシュ
３１接着剤

Claims

部分溶接により金属製材料の表面に接合された金属メッシュと、
前記金属メッシュに接着され、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、電磁力により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。
前記光ファイバが金コーティングされている場合、前記光ファイバは金ペーストにより前記金属メッシュに接着され、
前記光ファイバがニッケルコーティングされている場合、前記光ファイバは金ペースト又は銀ペーストにより前記金属メッシュに接着され、
前記光ファイバがシリカコーティングされている場合、前記光ファイバはガラスペーストにより前記金属メッシュに接着され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。