JP5959306B2 - 渦電流探傷装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属構造材や小口径配管などに発生した欠陥を非破壊検査する渦電流探傷装置及び方法に関する。

蒸気発生器における伝熱管等の小口径配管の外面或いは内面の欠陥検査には、磁場を利用した渦電流探傷試験（Ｅｄｄｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｅｓｔｉｎｇ：ＥＣＴ）を適用した渦電流探傷装置が用いられる。

この渦電流探傷装置は、磁場を発生する励磁コイルと磁場変化を検出する検出コイルとを１つのコイルが兼ねる自己誘導型と、２つのコイルを用いる相互誘導型とがある。いずれの場合においても、励磁コイルに交流電流を供給して励磁磁場を形成し、被検査体表面に渦電流を発生させる。そして、前記渦電流の分布が欠陥により変化することを利用し、渦電流分布の変化による二次的な磁場変化を検出コイルが検出することで、欠陥の検出を行うものである。

特許文献１には、管検査用のプローブのセンサ素子に３次元的に配置したコイル構造を適用し、管軸に対して傾斜した渦電流を被検査体に発生することで、管軸方向欠陥及び管周方向欠陥に対し検出感度を略同一に設定できるプローブ構造が開示されている。

特開２００８−１９７０１６号公報

ＥＣＴでは、プローブの励磁コイル及び検出コイルに対する欠陥の方向によって、欠陥の検出感度が異なる。つまり、欠陥の検出感度は、励磁コイルが被検査体に形成する渦電流の方向に依存しており、欠陥に対して垂直な方向に流れる渦電流を形成させた場合には検出感度が高くなるが、欠陥に対して平行な方向に流れる渦電流を形成させた場合には検出感度が低下してしまう。

特許文献１におけるプローブの励磁コイルの配置では、走査方向に対して傾斜した渦電流を形成するので、管軸方向欠陥と管周方向欠陥を同程度の検出感度で検出することが可能であるが、形成する渦電流が一意の方向であるため、欠陥の方向によっては、欠陥の検出感度が著しく低下する場合が生ずる。

本発明の実施形態の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、欠陥の方向に依存した欠陥の検出感度の低下を抑制できると共に、欠陥を高感度に検出できる渦電流探傷装置及び方法を提供することにある。

本発明に係る実施形態の渦電流探傷装置は、複数の励磁コイル及び検出コイルを備え被検査体の表面を走査可能な探傷プローブと、前記励磁コイルへ励磁電流を供給する励磁器と、前記検出コイルから検出信号を取得して前記被検査体の欠陥を検出する検出器と、を有する渦電流探傷装置であって、前記探傷プローブは、前記励磁コイルを直線状に配列した励磁コイル列が２列以上設置され、前記検出コイルを直線状に配列した１列以上の検出コイル列が、前記励磁コイル列間で且つ前記励磁コイルが配列される配列位置とは異なる位置に配列して設置されてなり、更に、前記励磁コイル列は、奇数列目の励磁コイル列における前記各励磁コイルの中心が、偶数列目の励磁コイル列における前記各励磁コイルの中心に対し、前記励磁コイル列の列方向においてずらした位置に位置づけられよう配列されてなり、前記励磁器が供給する励磁電流によって、隣り合う前記励磁コイル列のそれぞれの前記励磁コイル間で前記被検査体に、前記励磁コイル列に対し傾斜して渦電流が流れると共に、この渦電流の向きが異なる傾斜角に交互に切り換えられ、この切り換えられた状態で前記検出コイル及び前記検出器により、前記被検査体の欠陥が検出されるよう構成されたことを特徴とするものである。

また、本発明に係る実施形態の渦電流探傷方法は、奇数列目の列における励磁コイルのそれぞれの中心が偶数列目の列における前記励磁コイルのそれぞれの中心に対し列方向にずらした位置となるように前記励磁コイルを直線状に配列して設置された２列以上の励磁コイル列と、前記励磁コイル列間で且つ前記励磁コイルが配列される配列位置とは異なる位置に検出コイルを直線状に配列して設置された１列以上の検出コイル列とを備え、被検査体の表面を走査する探傷プローブを用意し、隣り合う前記励磁コイル列のそれぞれの前記励磁コイル間で前記被検査体に、前記励磁コイル列に対し傾斜する渦電流を流し、この渦電流の向きを異なる傾斜角に交互に切り換えながら、前記検出コイルにより前記被検査体の欠陥を検出することを特徴とするものである。

本発明の実施形態によれば、様々な方向の欠陥を高感度に検出できる。この結果、欠陥の方向に依存した欠陥の検出感度の低下を抑制できると共に、欠陥を高感度に検出できる。

本発明に係る渦電流探傷装置の第１実施形態における探傷プローブを示す斜視図。 図１の探傷プローブの励磁コイル列及び検出コイル列を展開して示す展開図。 図１の探傷プロープの励磁コイルへ励磁電流を供給する励磁系統を主に示すシステム構成図。 図１の探傷プロープの検出コイルから検出信号を取得する検出系統を主に示すシステム構成図。 図１及び図２の励磁コイルが形成する渦電流の一例を示す説明図。 図１及び図２の励磁コイルが形成する渦電流の他の例を示す説明図。 本発明に係る渦電流探傷装置の第２実施形態における探傷プローブの励磁コイル列及び検出コイル列を展開して示す展開図。 図７の探傷プローブの励磁コイルへ励磁電流を供給する励磁系統を示すシステム構成図。 探傷プローブの第１変形形態における励磁コイル列及び検出コイル列を展開して示す展開図。 探傷プローブの第２変形形態を示す斜視図。

以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１〜図６）
図１は、本発明に係る渦電流探傷装置の第１実施形態における探傷プローブを示す斜視図であり、図３は、図１の探傷プローブの励磁コイルへ励磁電流を供給する励磁系統を主に示すシステム構成図である。

図３に示す渦電流探傷装置１０は、金属構造材や小口径配管、本実施形態では原子力プラントの蒸気発生器の伝熱管などにおける被検査体としての小口径配管の欠陥を非破壊検査するものである。この渦電流探傷装置１０は、複数の励磁コイル１４及び検出コイル１５を備え被検査体の表面を走査可能な探傷プローブ１１（図１）と、この探傷プローブ１１の励磁コイル１４へ励磁電流を供給する励磁器１２と、探傷プローブ１１の検出コイル１５から検出信号を取得して被検査体の欠陥を検出する検出器１３と、を有して構成される。

ここで、図１に示す探傷プローブ１１は、蒸気発生器の伝熱管などの小口径配管内に挿入されて、この被検査体としての小口径配管の内面を走査するものである。そして、渦電流探傷装置１０は、探傷プローブ１１の励磁コイル１４へ励磁器１２から励磁電流（交流電流）を供給して励磁磁場を形成し、この励磁磁場により被検査体の表面に渦電流を発生させる。この渦電流の分布が欠陥によって変化することを利用して、渦電流の分布の変化による２次的な磁場の変化を検出コイル１５が検出することで、この検出コイル１５の検出信号から検出器１３が被検査体の欠陥を検出する。

前記探傷プローブ１１は、図１及び図２に示すように、円柱形状のケーシング１９の外表面に、励磁コイル１４を直線状に等間隔に配列して２列以上（本実施形態では２列）設置された励磁コイル列１６Ａ及び１６Ｂと、検出コイル１５を直線状に等間隔に配列し、前記ケーシング１９の外表面で励磁コイル列１６Ａと１６Ｂとの間に１列以上（本実施形態では２列）設置された検出コイル列１７Ａ及び１７Ｂと、を有して構成される。

このうち、励磁コイル列１６Ａ及び１６Ｂについては、奇数列目（本実施形態では１列目）の励磁コイル列１６Ａの各励磁コイル１４の中心が、偶数列目（本実施形態では２列目）の励磁コイル列１６Ｂの各励磁コイル１４の中心に対し、励磁コイル列１６Ａ及び１６Ｂの列方向において前記等間隔の１／２ずらした位置に位置づけられる。また、検出コイル列１７Ａ及び１７Ｂについては、１列目の検出コイル列１７Ａの各検出コイル１５の中心が、２列目の検出コイル列１７Ｂの各検出コイル１５の中心に対し、検出コイル列１７Ａ及び１７Ｂの列方向において一致する位置に位置づけられる。更に、検出コイル列１７Ａ及び１７Ｂは、励磁コイル列１６Ａ及び１７Ｂに平行に設置されている。

図３に示す前記励磁器１２は位相・振幅制御機構１８を備える。この位相・振幅制御機構１８は、励磁コイル列１６Ａ及び１６Ｂのそれぞれの励磁コイル１４と個別に接続され、各励磁コイル１４へ任意の位相差及び任意の振幅の励磁電流（交流電流）を供給可能に構成される。更に、この位相・振幅制御機構１８は、励磁コイル列１６Ａ及び１６Ｂの励磁コイル１４へ、位相差及び振幅の異なる複数種類の励磁電流を経時的に切り換えて供給可能とする。

例えば、位相・振幅制御機構１８は、図５及び図６に示すように、１列目の励磁コイル列１６Ａにおいては、同一振幅で且つ位相差が異なる（例えば位相差０、位相差π）異なる種類の励磁電流を、隣接する励磁コイル１４に、切り換えることなく連続して供給する。また、位相・振幅制御機構１８は、２列目の励磁コイル列１６Ｂにおいては、同一振幅で且つ位相差が異なる（例えば位相差０、位相差π）異なる種類の励磁電流を、隣接する励磁コイル１４に経時的に切り換えて供給する。

より具体的には、位相・振幅制御機構１８は、１列目の励磁コイル列１６Ａにおいて互いに隣接する励磁コイル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅ、１４Ｆ、１４Ｇ及び１４Ｈと、２列目の励磁コイル列１６Ｂにおいて互いに隣接する励磁コイル１４Ｉ、１４Ｊ、１４Ｋ、１４Ｌ、１４Ｍ、１４Ｎ、１４Ｏ及び１４Ｐへ、次のように励磁電流を供給する。

即ち、位相・振幅制御機構１８は、１列目の励磁コイル列１６Ａにおいて一つ置きに配置された励磁コイル１４Ａ、１４Ｃ、１４Ｅ及び１４Ｇへ、位相差πの励磁電流を連続して供給し、一つ置きに配置された励磁コイル１４Ｂ、１４Ｄ、１４Ｆ及び１４Ｈへ、位相差０の励磁電流を連続して供給する。

また、位相・振幅制御機構１８は、２列目の励磁コイル列１６Ｂにおいて一つ置きに配置された励磁コイル１４Ｉ、１４Ｋ、１４Ｍ及び１４Ｏと励磁コイル列１４Ｊ、１４Ｌ、１４Ｎ及び１４Ｐとへ、位相差０の励磁電流と位相差πの励磁電流とを経時的に交互に切り換えて供給する。この場合、全ての励磁コイル１４Ａ〜１４Ｐへ供給される励磁電流の振幅は、略同一値である。

このような励磁電流が励磁器１２の位相・振幅制御機構１８から、隣り合う励磁コイル列１６Ａと１６Ｂのそれぞれの励磁コイル１４へ供給されることによって、これらの励磁コイル列１６Ａと１６Ｂのそれぞれの励磁コイル１４付近において被検査体に流れる渦電流は、隣り合う励磁コイル列１６Ａと１６Ｂにおいて、位相差の異なる励磁電流が流れる励磁コイル１４間（図５及び図６の斜線領域）で強め合い、位相差の同一な励磁電流が流れる励磁コイル１４間（図５及び図６の網掛け領域）で弱め合う。この結果、隣り合う励磁コイル列１６Ａと１６Ｂにおいて、位相差の異なる励磁電流が流れる励磁コイル１４を橋渡しするような渦電流α（図５の実線表示）、渦電流β（図６の実線表示）が被検査体に、励磁コイル列１６Ａ、１６Ｂの列方向に対し傾斜して流れる。

これらの渦電流α、βは、励磁コイル列１６Ａ、１６Ｂの列方向に対し異なる傾斜角、即ち励磁コイル列１６Ａ、１６Ｂの列方向に対する直角方向に対し線対称な向きの渦電流である。そして、これらの渦電流α、βは、励磁コイル列１６Ｂにおいて励磁コイル１４Ｉ、１４Ｋ、１４Ｍ、１４Ｏと、励磁コイル１４Ｊ、１４Ｌ、１４Ｎ、１４Ｐとに、位相差０の励磁電流と位相差πの励磁電流とが経時的に交互に切り換えられて供給されることにより交互に生じるものである。

更に、これらの渦電流α、βの少なくとも一つは、被検査体に発生した管軸方向欠陥１、管周方向欠陥２に対して略同一の角度で交差する。また、渦電流αが斜め方向欠陥３に交差する角度と、渦電流βが斜め方向欠陥４に交差する角度は略同一であり、かつ渦電流α、βが管軸方向欠陥１や管周方向欠陥２に交差する角度よりも直角に近い角度で交差する。したがって、感度の関係は、（渦電流α、βの管軸方向欠陥１に対する感度）≒（渦電流α、βの管周方向欠陥２に対する感度）＜（渦電流αの斜め方向欠陥３に対する感度）≒（渦電流βの斜め方向欠陥４に対する感度）となる。

図４に示すように、前記検出器１３は位相検波機構２０及びスイッチング機構２１を備え、スイッチング機構２１を介して位相検波機構２０が全ての検出コイル１５に接続される。スイッチング機構２１は、隣り合う励磁コイル列１６Ａ、１６Ｂのそれぞれの励磁コイル１４間で、励磁コイル列１６Ａ、１６Ｂの列方向に対し傾斜して流れる渦電流α、βに対応する領域の検出コイル１５を、検出信号を取得すべき検出コイル１５として経時的に選択する。これにより、位相検波機構２０は、スイッチング機構２１にて選択された検出コイル１５から検出信号を取得し、検出コイル列１７Ａ及び１７Ｂの全ての検出コイル１５から検出信号を取得する。

更に、位相検波機構２０は、位相差が異なる複数種類の励磁電流の信号を合成した合成信号を参照信号とし、この参照信号に基づき、検出コイル１５からの検出信号を検波して被検査体の欠陥を検出する。

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）を奏する。
（１）励磁器１２が供給する励磁電流によって、探傷プローブ１１における隣り合う励磁コイル列１６Ａ、１６Ｂのそれぞれの励磁コイル１４間で被検査体に、線対称な向きの渦電流α、βが交互に切り換えられながら流れる。これらの渦電流α、βが、被検査体に発生した管軸方向欠陥１、管周方向欠陥２に対して略同一の角度で交差し、更に、渦電流αが斜め方向欠陥３に対して、渦電流βが斜め方向欠陥４に対して略直角に交差することから、様々な方向の欠陥を高感度に検出できる。この結果、欠陥の方向に依存した欠陥の検出感度の低下を抑制できると共に、欠陥を高感度に検出できる。

［Ｂ］第２実施形態（図７、図８）
図７は、本発明に係る渦電流探傷装置の第２実施形態における探傷プローブの励磁コイル列及び検出コイル列を展開して示す展開図である。図８は、図７の探傷プローブの励磁コイルへ励磁電流を供給する励磁系統を示すシステム構成図である。この第２実施形態において、前記第１実施形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施形態の渦電流探傷装置３０が前記第１実施形態と異なる点は、探傷プローブ３１の励磁コイル列３２Ａ、３２Ｂにおける直線状に配列された隣接する励磁コイル３３の巻線方向が互いに反転されると共に、これらの励磁コイル３３が直列に接続されて励磁器３５に接続された点である。

尚、本第２実施形態における探傷プローブ３１の励磁コイル３３の空間的配置、検出コイル１５の空間的配置及び巻き線方向、並びに検出器１３の構成は前記第１実施形態と同様である。

本第２実施形態の励磁コイル列３２Ａでは、図７に示すように、互いに隣接する励磁コイル３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ、３３Ｅ、３３Ｆ、３３Ｇ及び３３Ｈのうち、一つ置きに配置された励磁コイル３３Ｂ、３３Ｄ、３３Ｆ及び３３Ｈが順巻きに、一つ置きに配置された励磁コイル３３Ａ、３３Ｃ、３３Ｅ及び３３Ｇが逆巻きに構成される。また、励磁コイル列３２Ｂでは、互いに隣接する励磁コイル３３Ｉ、３３Ｊ、３３Ｋ、３３Ｌ、３３Ｍ、３３Ｎ、３３Ｏ及び３３Ｐのうち、一つ置きに配置された励磁コイル３３Ｉ、３３Ｋ、３３Ｍ及び３３Ｏが順巻きに、一つ置きに配置された励磁コイル３３Ｊ、３３Ｌ、３３Ｎ及び３３Ｐが逆巻きに構成されている。

そして、図８に示すように、励磁コイル列３２Ａの励磁コイル３３Ａ〜Ｈが直列接続されて励磁器３５の位相・振幅制御機構３６に接続され、更に、励磁コイル列３２Ｂの励磁コイル３３Ｉ〜３３Ｐが直列に接続されて励磁器３５の位相・振幅制御機構３６に接続される。

従って、位相・振幅制御機構３６から励磁コイル列３２Ａ、３２Ｂの励磁コイル３３へ励磁電流が供給されたとき、順巻きの励磁コイル３３と逆巻きの励磁コイル３３との間で位相差がπの励磁電流が流れることになる。このため、励磁コイル列３３Ａと３３Ｂへ供給する励磁電流を同一向きまたは逆向きに切り換えることで、前記第１実施形態の場合と同様に、隣り合う励磁コイル列３２Ａ、３２Ｂのそれぞれの励磁コイル３３間で被検査体に、渦電流α、βが交互に切り換えられて流れることになる。

この結果、本実施形態においても、前記第１実施形態の場合と同様な効果（１）を奏するほか、次の効果（２）を奏する。
（２）励磁コイル列３２Ａと３２Ｂのそれぞれの励磁コイル３３が直列に接続されて励磁器３５の位相・振幅制御機構３６に接続されたことから、結線数が減少し、渦電流探傷装置３０の製作性を向上させることができる。

以上実施形態について説明してきたが、本発明は、上述のような実施形態の具体的構成に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。

例えば、励磁コイル列は、２列の励磁コイル列１６Ａ、１６Ｂに限らず、図９に示すように、３列の励磁コイル列１６Ａ、１６Ｂ及び１６Ｃであってもよい。更に、励磁コイル列１６Ａのそれぞれの励磁コイル１４の中心は、励磁コイル１６Ｂのそれぞれの励磁コイル１４の中心に対し、励磁コイル列１６Ａ及び１６Ｂの列方向において一致した位置に位置づけられてもよい。

また、第１実施形態において、励磁器１２の位相・振幅制御機構１８から探傷プローブ１１の励磁コイル列１６Ａ、１６Ｂにおける隣接する励磁コイル１４のそれぞれに、位相差０の励磁電流と位相差πの励磁電流ではなく、位相差−π／２の励磁電流と位相差π／２の励磁電流を供給してもよく、または、位相差がπ／２刻みで異なる励磁電流を供給してもよい。

また、第１実施形態において、励磁器１２の位相・振幅制御機構１８から探傷プローブ１１の励磁コイル列１６Ａ、１６Ｂの励磁コイル１４へ供給する励磁電流の振幅値が同一の場合を述べたが、励磁コイル１４毎に異なった振幅値の励磁電流を供給してもよい。

更に、第１及び第２実施形態の探傷プローブ１１、３１は、原子力プラントにおける蒸気発生器の伝熱管などの小口径配管に挿入されるものを述べたが、図１０に示す探傷プローブ４１のように、原子力プラントにおける原子炉管台や原子炉圧力容器の炉底部などのような金属構造材の表面上を走査するものでもよい。この探傷プローブ４１では、平板または直方体形状のケーシング４２の表面に、複数の励磁コイル１４が配列された２列以上、例えば２列の励磁コイル列１６Ａ、１６Ｂと、この励磁コイル列１６Ａ、１６Ｂ間に、複数の検出コイル１５が配列された１列以上、例えば２列の検出コイル１７Ａ、１７Ｂとが設置されている。

１ 管軸方向欠陥
２ 管周方向欠陥
３、４ 斜め方向欠陥
１０ 渦電流探傷装置
１１ 探傷プローブ
１２ 励磁器
１３ 検出器
１４ 励磁コイル
１５ 検出コイル
１６Ａ、１６Ｂ 励磁コイル列
１７Ａ、１７Ｂ 検出コイル列
３０ 渦電流探傷装置
３１ 探傷プローブ
３２Ａ、３２Ｂ 励磁コイル列
３３ 励磁コイル
３５ 励磁器
α、β 渦電流

Claims (6)

1. 複数の励磁コイル及び検出コイルを備え被検査体の表面を走査可能な探傷プローブと、
   前記励磁コイルへ励磁電流を供給する励磁器と、
   前記検出コイルから検出信号を取得して前記被検査体の欠陥を検出する検出器と、を有する渦電流探傷装置であって、
   前記探傷プローブは、前記励磁コイルを直線状に配列した励磁コイル列が２列以上設置され、前記検出コイルを直線状に配列した１列以上の検出コイル列が、前記励磁コイル列間で且つ前記励磁コイルが配列される配列位置とは異なる位置に配列して設置されてなり、
   更に、前記励磁コイル列は、奇数列目の励磁コイル列における前記各励磁コイルの中心が、偶数列目の励磁コイル列における前記各励磁コイルの中心に対し、前記励磁コイル列の列方向においてずらした位置に位置づけられよう配列されてなり、
   前記励磁器が供給する励磁電流によって、隣り合う前記励磁コイル列のそれぞれの前記励磁コイル間で前記被検査体に、前記励磁コイル列に対し傾斜して渦電流が流れると共に、この渦電流の向きが異なる傾斜角に交互に切り換えられ、この切り換えられた状態で前記検出コイル及び前記検出器により、前記被検査体の欠陥が検出されるよう構成されたことを特徴とする渦電流探傷装置。
2. 前記励磁器は、励磁コイル列のそれぞれの励磁コイルへ任意の位相差の励磁電流を供給可能に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の渦電流探傷装置。
3. 前記励磁器は、励磁コイル列の励磁コイルへ、位相差の異なる複数種類の励磁電流を経時的に切り換えて供給可能に構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の渦電流探傷装置。
4. 前記検出器は、隣り合う励磁コイル列のそれぞれの励磁コイル間で、前記励磁コイル列に対し傾斜して流れる渦電流に対応して、検出信号を検出すべき検出コイルを選択し、この選択した検出コイルから検出信号を取得するよう構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の渦電流探傷装置。
5. 前記励磁コイル列は、直線状に配列された隣接する励磁コイルの巻き線方向が互いに反転されると共に、これらの励磁コイルが直列に接続されて励磁器に接続されたことを特徴と
   する請求項１または４に記載の渦電流探傷装置。
6. 奇数列目の列における励磁コイルのそれぞれの中心が偶数列目の列における前記励磁コイルのそれぞれの中心に対し列方向にずらした位置となるように前記励磁コイルを直線状に配列して設置された２列以上の励磁コイル列と、前記励磁コイル列間で且つ前記励磁コイルが配列される配列位置とは異なる位置に検出コイルを直線状に配列して設置された１列以上の検出コイル列とを備え、被検査体の表面を走査する探傷プローブを用意し、
   隣り合う前記励磁コイル列のそれぞれの前記励磁コイル間で前記被検査体に、前記励磁コイル列に対し傾斜する渦電流を流し、この渦電流の向きを異なる傾斜角に交互に切り換えながら、前記検出コイルにより前記被検査体の欠陥を検出することを特徴とする渦電流探傷方法。

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