JP6893187B2

JP6893187B2 - 超音波検査装置

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Publication number: JP6893187B2
Application number: JP2018026816A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　睦三; 睦三鈴木
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2018-02-19
Filing date: 2018-02-19
Publication date: 2021-06-23
Anticipated expiration: 2038-02-19
Also published as: JP2019144036A

Description

本発明は、送信用斜角探触子及び受信用斜角探触子を備えた超音波検査装置に関する。

検査部位に欠陥が生じているか否かを検査する超音波検査方法の一つとして、送信用斜角探触子と受信用斜角探触子を用いる二探触子法が知られている。送信用斜角探触子は、検査部位に超音波ビーム（言い換えれば、ビーム軸を中心としてビーム分布を有する超音波）を送信する。受信用斜角探触子は、検査部位に欠陥が存在する場合に、欠陥で反射された超音波ビームを受信する。制御装置は、受信用斜角探触子で受信された超音波ビームに関する情報（詳細には、例えば、超音波の振幅の経時変化、若しくは、それから得られた情報）を表示又は記憶する。検査者は、この情報により、検査部位に欠陥が生じているか否かを確認する。

特許文献１に記載の二探触子法では、検査部位は、例えば平板状の母材に形成された溶接部である。送信用斜角探触子及び受信用斜角探触子は、溶接部を挟んで一方側及び反対側にそれぞれ配置される。送信用斜角探触子は、溶接線に対して垂直な仮想平面に沿ったビーム送信方向（言い換えれば、ビーム軸の方向）で超音波ビームを送信するように、母材の表面に配置される。受信用斜角探触子は、前述の仮想平面に沿ったビーム受信方向（言い換えれば、ビーム軸の方向）で超音波ビームを受信するように、母材の表面に配置される。

特開２００５−２７４５８３号公報

上述した二探触子法では、検査結果の信頼性を高めるために、送信用斜角探触子のビーム送信方向と受信用斜角探触子のビーム受信方向の関係が適正であるか否かを確認することが好ましい。特許文献１の場合を例にとって説明すると、送信用斜角探触子のビーム送信方向と受信用斜角探触子のビーム受信方向は、上述の仮想平面に沿っていれば適正である。しかし、例えば母材の表面に凹凸があるか、若しくは、送信用斜角探触子及び受信用斜角探触子を保持するマニピュレータに歪みが生じた等の理由により、送信用斜角探触子の姿勢又は受信用斜角探触子の姿勢が不適切になると、送信用斜角探触子のビーム送信方向又は受信用斜角探触子のビーム受信方向が上述の仮想平面から逸れてしまう。このような場合に検査部位に欠陥が存在しても、受信用斜角探触子は、欠陥で反射された超音波ビームを受信しないか、若しくは、受信強度（言い換えれば、超音波の振幅）が低くなる可能性がある。一方、検査部位に欠陥が生じていなければ、受信用斜角探触子は、超音波ビームを受信しないか、若しくは、受信強度が低くなる。したがって、検査部位に欠陥が生じていないという検査結果の信頼性を高めるためには、送信用斜角探触子のビーム送信方向と受信用斜角探触子のビーム受信方向の関係が適正であるか否かを確認することが好ましい。

本発明の目的は、送信用斜角探触子のビーム送信方向と受信用斜角探触子のビーム受信方向の関係が適正であるか否かを確認することができ、検査結果の信頼性を高めることができる超音波検査装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、検査部位に超音波ビームを送信する送信用斜角探触子と、前記検査部位で反射された超音波ビームを受信する受信用斜角探触子と、前記送信用斜角探触子及び前記受信用斜角探触子を保持するマニピュレータと、前記受信用斜角探触子で受信された超音波ビームに関する情報を表示又は記憶する処理を実行する制御装置とを備えた超音波検査装置において、重力方向と前記送信用斜角探触子のビーム送信方向の間の第１の角度を検出する第１の角度検出器と、重力方向と前記受信用斜角探触子のビーム受信方向の間の第２の角度を検出する第２の角度検出器とを備え、前記制御装置は、前記第１の角度検出器で検出された第１の角度と前記第２の角度検出器で検出された第２の角度との差分を演算し、この差分が予め設定された所定の範囲内にあるか否かを判定し、その判定結果を報知又は記憶する処理を実行する。

本発明によれば、送信用斜角探触子のビーム送信方向と受信用斜角探触子のビーム受信方向の関係が適正であるか否かを確認することができ、検査結果の信頼性を高めることができる。

本発明の一実施形態の被検体である原子炉圧力容器の下鏡部を下側から見た図である。図１中断面II−IIによる下鏡部の鉛直断面図である。本発明の一実施形態における超音波検査装置の構成を表すブロック図である。本発明の一実施形態における送信用斜角探触子及び受信用斜角探触子の配置を表す、下鏡部を下側から見た図である。図４中断面Ｖ−Ｖによる下鏡部の鉛直断面に、溶接部の欠陥及び送信用斜角探触子のビーム送信方向を投影して表す図である。図４中断面VI−VIによる下鏡部の鉛直断面に、溶接部の欠陥及び受信用斜角探触子のビーム受信方向を投影して表す図である。本発明の一実施形態における制御装置のアラーム制御の処理内容を表すフローチャートである。

本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態の被検体である原子炉圧力容器の下鏡部を下側から見た図であり、図２は、図１中断面II−IIによる下鏡部の鉛直断面図である。図３は、本実施形態における超音波検査装置の構成を表すブロック図である。図４は、本実施形態における送信用斜角探触子及び受信用斜角探触子の配置を表す、下鏡部を下側から見た図である。図５は、図４中断面Ｖ−Ｖによる下鏡部の鉛直断面に、溶接部の欠陥及び送信用斜角探触子のビーム送信方向を投影して表す図である。図６は、図４中断面VI−VIによる下鏡部の鉛直断面に、溶接部の欠陥及び受信用斜角探触子のビーム受信方向を投影して表す図である。

原子炉圧力容器の下鏡部は、球冠形状のドーム部１１と、円錐台の側部形状の下鏡ペタル部１２とを有し、それらが円筒形状の溶接部１３で接合されている。ドーム部１１には、複数の制御棒駆動機構ハウジング１４が形成され、下鏡ペタル部１２には、複数のインターナルポンプケーシング１５が形成されている。

本実施形態の超音波検査装置は、原子炉圧力容器の下鏡部の溶接部１３に欠陥１６（詳細には、溶接部１３の境界面に沿って生じる面状の内部欠陥）が生じているか否かを検査するためのものである。この超音波検査装置は、送信用斜角探触子２１、受信用斜角探触子２２、マニピュレータ２３、送受信装置２４、制御装置２５、記憶装置２６、及び表示装置２７を備えている。なお、制御装置２５はコンピュータ又は電子部品を搭載した基板等で構成され、記憶装置２６はハードディスク等で構成され、表示装置２７はディスプレイ等で構成されている。

制御装置２５は、機能的構成として、探傷制御部２８、差分演算部２９、及び判定部３０を有している。制御装置２５の探傷制御部２８は、マニピュレータ２３を介して送信用斜角探触子２１及び受信用斜角探触子２２の位置を制御すると共に、送受信装置２４を介して送信用斜角探触子２１及び受信用斜角探触子２２による超音波ビームの送受信を制御するようになっている。

送受信装置２４は、図示しないものの、パルサ及びレシーバを有している。送受信装置２４のパルサは、制御装置２５の探傷制御部２８からの指令に応じて送信用斜角探触子２１に駆動信号（電気信号）を出力する。送信用斜角探触子２１は、送受信装置２４のパルサからの駆動信号に応じて超音波ビームを溶接部１３に送信する。受信用斜角探触子２２は、溶接部１３に欠陥１６が存在する場合に、欠陥１６で反射された超音波ビームを受信し、受信した超音波ビームを波形信号（電気信号）に変換して送受信装置２４のレシーバに出力する。送受信装置２４のレシーバは、受信用斜角探触子２２からの波形信号に対し所定の処理（詳細には、アナログ信号からデジタル信号への変換処理等）を行い、制御装置２５に出力する。

制御装置２５の探傷制御部２８は、送受信装置２４のレシーバからの波形信号により、受信用斜角探触子２２で受信された超音波ビームに関する情報を取得しており、この情報を記憶装置２６で記憶すると共に、表示装置２７で表示する処理を実行する。具体的に説明すると、例えば、受信用斜角探触子２２で受信された超音波の振幅の経時変化をそのまま、若しくは、送信用斜角探触子２１の送信タイミングを基準として設定された時間範囲における超音波の振幅の経時変化を抽出して、記憶装置２６で記憶すると共に、表示装置２７で表示する。あるいは、例えば、受信用斜角探触子２２で受信された超音波の振幅が予め設定された閾値より大きい場合に、溶接部１３に欠陥１６が存在すると判定し、その判定結果を記憶装置２６で記憶すると共に、表示装置２７で表示する。なお、前述した情報は、送信用斜角探触子２１及び受信用斜角探触子２２の位置情報などに基づいて算出された探傷位置情報と関連付けられて、記憶装置２６で記憶すると共に、表示装置２７で表示することが好ましい。また、前述した処理は、記憶装置２６の記憶又は表示装置２７の表示のうちのいずれ一方のみでもよい。

マニピュレータ２３は、送信用斜角探触子２１及び受信用斜角探触子２２を保持して、送信用斜角探触子２１及び受信用斜角探触子２２をインターナルポンプケーシング１５等と干渉しないように下鏡ペタル部１２の表面に配置するためのものである。マニピュレータ２３は、例えば、溶接部１３に沿って延在する円環状の軌道レール３１と、軌道レール３１に沿って移動する駆動装置３２Ａ，３２Ｂとで構成されている。

駆動装置３２Ａは、軌道レール３１上を走行可能な移動体３３Ａと、移動体３３Ａの周方向位置での下鏡ペタル部１２の円錐台母線方向（図４中直線Ｋ_１の方向）に沿ってスライド可能なように移動体３３Ａに設けられたアーム３４Ａと、アーム３４Ａの先端側に設けられて送信用斜角探触子２１を支持する回転軸３５Ａとを有している。そして、制御装置２５の探傷制御部２８からの指令に応じて、移動体３３Ａが移動すると共にアーム３４Ａがスライドすることにより、送信用斜角探触子２１の位置を制御するようになっている。なお、回転軸３５Ａは、下鏡ペタル部１２の円錐台母線方向に対し垂直な軸心まわりで回転可能とし、これによって下鏡ペタル部１２の円錐台母線方向と送信用斜角探触子２１のビーム送信方向（図４及び図５中直線Ｓ_１の方向）の間の角度（首振り角）を調整可能としている。

駆動装置３２Ｂは、軌道レール３１上を走行可能な移動体３３Ｂと、移動体３３Ｂの周方向位置での下鏡ペタル部１２の円錐台母線方向（図４中直線Ｋ_２の方向）に沿ってスライド可能なように移動体３３Ｂに設けられたアーム３４Ｂと、アーム３４Ｂの先端側に設けられて受信用斜角探触子２２を支持する回転軸３５Ｂとを有している。そして、制御装置２５の探傷制御部２８からの指令に応じて、移動体３３Ｂが移動すると共にアーム３４Ｂがスライドすることにより、受信用斜角探触子２２の位置を制御するようになっている。なお、回転軸３５Ｂは、下鏡ペタル部１２の円錐台母線方向に対し垂直な軸心まわりで回転可能とし、これによって下鏡ペタル部１２の円錐台母線方向と受信用斜角探触子２２のビーム受信方向（図４及び図６中直線Ｓ_２の方向）の間の角度（首振り角）を調整可能としている。

送信用斜角探触子２１は、重力方向（言い換えれば、鉛直方向）である溶接部１３の円筒軸方向に対し垂直な仮想平面（言い換えれば、水平面）に沿ったビーム送信方向で超音波ビームを送信するように、下鏡ペタル部１２の表面に配置されている。受信用斜角探触子２２は、前述した仮想平面に沿ったビーム受信方向で超音波ビームを送信するように、下鏡ペタル部１２の表面に配置されている。これにより、溶接部１３の欠陥１６を高感度に検出することが可能である。

ここで、本実施形態では、角度検出器３６Ａ，３６Ｂが回転軸３５Ａ，３５Ｂにそれぞれ設けられている。角度検出器３６Ａは、その感度軸が送信用斜角探触子２１のビーム送信方向と平行になるように配置されており、重力方向と送信用斜角探触子２１のビーム送信方向の間の角度θ_１を検出するようになっている。角度検出器３６Ｂは、その感度軸が受信用斜角探触子２２のビーム受信方向と平行になるように配置されており、重力方向と受信用斜角探触子２２のビーム受信方向の間の角度θ_２を検出するようになっている。各角度検出器は、例えば微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical system）であって、加速度を検出する加速度センサと、この加速度センサの検出結果に基づいて、重力方向とビーム送信方向又はビーム受信方向の間の角度を演算する演算器とを有している。また、演算器で演算された角度を制御装置２５に無線送信する通信機を有してもよい。

制御装置２５の差分演算部２９及び判定部３０は、角度検出器３６Ａ，３６Ｂで検出された角度θ_１，θ_２に基づいてアラーム制御を行うようになっている。このアラーム制御を、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態における制御装置のアラーム制御の処理手順を表すフローチャートである。

ステップＳ１にて、制御装置２５の探傷制御部２８は、例えば送信用斜角探触子２１及び受信用斜角探触子２２を移動させるたびに、差分演算部２９に指令を出力する。差分演算部２９は、この指令に応じて、角度検出器３６Ａで検出された角度θ_１と角度検出器３６Ｂで検出された角度θ_２との差分Δθ（＝θ_１−θ_２）を演算する。その後、ステップＳ２に進み、判定部３０は、差分演算部２９で演算された差分Δθが予め設定された所定の範囲（本実施形態では、超音波ビームの幅等を考慮して設定されており、例えば−１０度から１０度までの範囲）内であるか否かを判定する。

例えば差分Δθが所定の範囲内にある場合は、ステップＳ２の判定がＹＥＳとなって、アラーム制御が終了する。一方、例えば差分Δθが所定の範囲内にない場合は、ステップＳ２の判定がＮＯとなって、ステップＳ３及びＳ４に移る。ステップＳ３にて、判定部３０は、ビーム方向エラー（すなわち、送信用斜角探触子２１のビーム送信方向と受信用斜角探触子２２のビーム受信方向の関係が不適正であることを意味するエラー）を、好ましくは上述した探傷位置情報と関連付けて、記憶装置２６で記憶する。ステップＳ４にて、判定部３０は、ビーム方向エラーを報知装置で報知する。具体的には、例えばビーム方向エラーを表示装置２７で表示するか、若しくは、ブザー（図示せず）を吹鳴させる。なお、判定部３０は、ステップＳ３及びＳ４のうちのいずれ一方のみを実行してもよい。

以上のようにして本実施形態においては、送信用斜角探触子２１のビーム送信方向と受信用斜角探触子２２のビーム受信方向の関係が適正であることを確認することができる。したがって、溶接部１３に欠陥が生じていないという検査結果が得られた場合に、その検査結果の信頼性を高めることができる。

なお、上記一実施形態において、角度検出器３６Ａ又は３６Ｂは、加速度を検出する加速度センサと、加速度センサの検出結果に基づいて、重力方向とビーム送信方向又はビーム受信センサの間の角度を演算する演算器とを有する場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。角度検出器３６Ａ又は３６Ｂは、例えば、角速度を検出するジャイロセンサと、ジャイロセンサの検出結果に基づいて、重力方向とビーム送信方向又はビーム受信方向の間の角度を演算する演算器とを有してもよい。また、角度検出器３６Ａ又は３６Ｂは、例えば、液封入容量式の（詳細には、封入された液体の静電容量の変化により、重力方向とビーム送信方向又はビーム受信方向の間の角度を演算する）傾斜角センサを有してもよい。

なお、以上において、検査部位は、円錐台の側部形状の下鏡ペタル部１２（母材）に形成された円筒形状の溶接部１３であり、送信用斜角探触子２１は、重力方向である溶接部１３の円筒軸方向に対し垂直な仮想平面に沿ったビーム送信方向で超音波ビームを送信するように、下鏡ペタル部１２の表面に配置されており、受信用斜角探触子２２は、前述の仮想平面に沿ったビーム受信方向で超音波ビームを受信するように、下鏡ペタル部１２の表面に配置された場合を例にとって説明したが、これに限られない。検査部位は、例えば円錐の側部形状の母材に形成された円筒形状の溶接部であってもよい。

あるいは、検査部位は、例えば平板状の母材に形成された溶接部であってもよい（例えば特許文献１参照）。このような変形例では、送信用斜角探触子は、溶接線に対し垂直な第１の仮想平面（若しくは、溶接線に対し傾斜した第２の仮想平面）に沿ったビーム送信方向で超音波ビームを送信するように、母材の表面に配置される。受信用斜角探触子は、前述の第１の仮想平面（若しくは、溶接線に対し傾斜した第３の仮想平面）に沿ったビーム受信方向で超音波ビームを受信するように、母材の表面に配置される。そして、例えば母材の表面に凹凸があるか、若しくは、マニピュレータに歪みが生じた等の理由により、送信用斜角探触子の姿勢又は受信用斜角探触子の姿勢が不適切になれば、重力方向と送信用斜角探触子のビーム送信方向の間の第１の角度又は重力方向と受信用斜角探触子のビーム受信方向の間の第２の角度が不適正になる。制御装置は、第１の角度と第２の角度の差分が予め設定された所定の範囲内にないと判定した場合に、その判定結果を報知又は記憶する処理を実行する。これにより、検査者は、送信用斜角探触子のビーム送信方向が第１の仮想平面（若しくは第２の仮想平面）から逸れているか、又は受信用斜角探触子のビーム受信方向が第１の仮想面（若しくは第３の仮想平面）から逸れていることを確認することができる。したがって、本変形例においても、送信用斜角探触子のビーム送信方向と受信用斜角探触子のビーム受信方向の関係が適正であるか否かを確認することができ、検査結果の信頼性を高めることができる。

１２下鏡ペタル部
１３溶接部
２１送信用斜角探触子
２２受信用斜角探触子
２３マニピュレータ
２５制御装置
３６Ａ，３６Ｂ角度検出器

Claims

検査部位に超音波ビームを送信する送信用斜角探触子と、
前記検査部位で反射された超音波ビームを受信する受信用斜角探触子と、
前記送信用斜角探触子及び前記受信用斜角探触子を保持するマニピュレータと、
前記受信用斜角探触子で受信された超音波ビームに関する情報を表示又は記憶する処理を実行する制御装置とを備えた超音波検査装置において、
重力方向と前記送信用斜角探触子のビーム送信方向の間の第１の角度を検出する第１の角度検出器と、
重力方向と前記受信用斜角探触子のビーム受信方向の間の第２の角度を検出する第２の角度検出器とを備え、
前記制御装置は、前記第１の角度検出器で検出された第１の角度と前記第２の角度検出器で検出された第２の角度との差分を演算し、この差分が予め設定された所定の範囲内にあるか否かを判定し、その判定結果を報知又は記憶する処理を実行することを特徴とする超音波検査装置。
請求項１に記載の超音波検査装置において、
前記検査部位は、円錐の側部形状又は円錐台の側部形状の母材に形成された円筒形状の溶接部であり、
前記送信用斜角探触子は、重力方向である前記溶接部の円筒軸方向に対して垂直な仮想平面に沿ったビーム送信方向で超音波ビームを送信するように、前記母材の表面に配置されており、
前記受信用斜角探触子は、前記仮想平面に沿ったビーム受信方向で超音波ビームを受信するように、前記母材の表面に配置されたことを特徴とする超音波検査装置。
請求項１に記載の超音波検査装置において、
前記第１及び第２の角度検出器は、傾斜角センサ、加速度センサ、及びジャイロセンサのうちのいずれかを有することを特徴とする超音波検査装置。