JP6995028B2

JP6995028B2 - 超音波探傷方法

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Publication number: JP6995028B2
Application number: JP2018155475A
Authority: JP
Inventors: 和也江原; 弘文大内; 佑己大島
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2018-08-22
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2038-08-22
Also published as: JP2020030095A

Description

本発明は、原子炉圧力容器の胴体のフランジのボルト穴の周辺部のうち、フランジの径方向におけるボルト穴より内側である部分に生じた欠陥を検知するのに好適な超音波探傷方法に関する。

特許文献１は、ボルトの外周部に生じた欠陥を検知する超音波探傷方法を開示している。この超音波探傷方法では、例えば垂直探触子をボルトの端面に配置し、ボルトの軸方向に対して平行に超音波を送信する。そして、例えばボルトの軸方向に対して垂直な方向に延在する欠陥（詳細には、割れ等）が生じていれば、欠陥で反射された超音波が垂直探触子で受信される。これにより、ボルトの外周部に生じた欠陥を検知する。

特開２００２－５９０３号公報

沸騰水型原子力発電プラントでは、定期検査時に、原子炉圧力容器の胴体から上蓋を取外して、胴体内の燃料棒の交換等の作業を行うと共に、種々の部位の検査を行う。その検査の一つとして、胴体のフランジのボルト穴（雌ネジ）の周辺部の検査が望まれている。

詳しく説明すると、プラントの運転中、胴体のフランジのボルト穴の周辺部では、ボルト穴の軸方向に対して垂直な方向に引張応力が加わる。そのため、ボルト穴の軸方向に対して垂直な方向に延在する欠陥（詳細には、割れ等）が生じる可能性がある。そこで、上述した超音波探傷方法を採用することが考えられる。すなわち、例えば垂直探触子を胴体のフランジの主面（上面）に配置し、ボルト穴の軸方向に対して平行に超音波を送信する。そして、例えばボルト穴の周辺部に欠陥が生じていれば、欠陥で反射された超音波が垂直探触子で受信される。これにより、ボルト穴の周辺部に生じた欠陥を検知する。

ところが、フランジの径方向におけるボルト穴より内側には、上蓋との機密性を保つためのシート面が形成されている（後述の図１～図３参照）。このシート面は、フランジの主面から上側に段差して形成されている。そして、フランジの主面とシート面の境界からボルト穴までの距離が狭くなっている部分（言い換えれば、フランジの主面の面積が小さくなっている部分）には、垂直探触子を配置することができない。したがって、ボルト穴の周辺部のうち、フランジの径方向におけるボルト穴より内側である部分に生じた欠陥を検知することが困難である。

そこで、例えば、送受信用斜角探触子をシート面に配置し、ボルト穴の半径方向の内側に向けて斜めに超音波を送信する方法が考えられる。しかし、この場合、送受信用斜角探触子は、欠陥からの反射波だけでなく、ボルト穴のフランク（言い換えれば、ネジ山の傾斜面）からの反射波も受信する。そのため、欠陥が小さければ、欠陥からの反射波とボルト穴のフランクからの反射波との識別が困難になり、欠陥の検知精度が低下する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、原子炉圧力容器の胴体のフランジのボルト穴の周辺部のうち、フランジの径方向におけるボルト穴より内側である部分に生じた欠陥を精度よく検知することができる超音波探傷方法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、原子炉圧力容器の胴体のフランジのボルト穴の周辺部のうち、前記フランジの径方向における前記ボルト穴より内側である部分に生じた欠陥を検知する超音波探傷方法であって、前記フランジの径方向における前記ボルト穴より内側にて前記フランジの主面から上側に段差して形成されたシート面を回避しつつ、前記フランジの径方向における前記ボルト穴より内側に位置するように、且つ、前記フランジの径方向中心と前記ボルト穴の径方向中心を結ぶ基準線を境として前記フランジの周方向一方側及び反対側にそれぞれ位置するように、送信用アレイ探触子及び受信用アレイ探触子を前記フランジの主面に配置し、前記送信用アレイ探触子を構成し且つ前記基準線に対して垂直な方向に配列された複数の振動子の送信タイミングを制御して超音波の送信角を可変制御すると共に、前記受信用アレイ探触子を構成し且つ前記基準線に対して垂直な方向に配列された複数の振動子の受信タイミングを制御して超音波の受信角を可変制御することにより、前記基準線に対して垂直な方向及び前記ボルト穴の軸方向に延在する仮想平面を探傷する。

本発明によれば、原子炉圧力容器の胴体のフランジのボルト穴の周辺部のうち、フランジの径方向におけるボルト穴より内側である部分に生じた欠陥を精度よく検知することができる。

本発明の検査対象である原子炉圧力容器の胴体のフランジの構造を表す上面図である。図１中部分IIの拡大図である。図２中断面III－IIIによる鉛直断面図である。本発明の一実施形態における超音波探傷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アレイ探触子及び受信用アレイ探触子の配置を表す上面図である。図５中断面VI－VIによる鉛直断面図に、送信用アレイ探触子、受信用アレイ探触子、並びに超音波の送信経路及び受信経路を投影して表す図である。図５中断面VII－VIIによる鉛直断面図であって、具体例として超音波の送信角の可変範囲と超音波の受信角の可変範囲を表す。

まず、本発明の検査対象について説明する。図１は、本発明の検査対象である原子炉圧力容器の胴体のフランジの構造を表す上面図である。図２は、図１中部分IIの拡大図である。図３は、図２中断面III－IIIによる鉛直断面図である。

原子炉圧力容器の胴体のフランジ１は、フランジ１の径方向外側に位置する円環状の主面（上面）２と、主面２に穿たれた複数のボルト穴３と、フランジ１の径方向内側（言い換えれば、フランジ１の径方向におけるボルト穴３より内側）に位置し、フランジ１の主面２から上側に段差して形成された円環状のシート面４とを有している。

本発明の一実施形態の超音波探傷方法は、フランジ１のボルト穴３の周辺部５（図２及び図３中二点鎖線で示す範囲。詳細には、例えば、ボルト穴３の半径方向にて３０mm程度、ボルト穴３の軸方向にて百数十mm程度の範囲）のうち、フランジ１の径方向におけるボルト穴３より内側である部分（特に、図２及び図３中ハッチングで示す範囲６）に生じた欠陥を検知することを目的とする。

詳しく説明すると、図２で示すように、フランジ１の主面２とシート面４の境界からボルト穴３までの距離が数mm程度であって狭くなっている部分（言い換えれば、主面２の面積が小さくなっている部分）には、垂直探触子７（詳細には、例えば直径20mm程度の振動子を有するもの）を配置することができない。そのため、垂直探触子７を用いた場合に探傷できない範囲６が存在する。なお、超小型の垂直探触子（図示せず）をフランジ１の主面２に配置する方法も考えられるが、この方法では、超音波の強度が弱くなるため、ボルト穴３の深さ方向にて探傷できない範囲（図示せず）が存在する。

そこで、本発明の一実施形態の超音波探傷方法では、後述するように、送信用アレイ探触子１１及び受信用アレイ探触子１２をフランジ１の主面２に配置して、フランジ１のボルト穴３の周辺部５のうち、フランジ１の径方向におけるボルト穴３より内側である部分（特に、上述した範囲６）に生じた欠陥を検知する。

次に、本発明の一実施形態の超音波探傷方法について説明する。図４は、本発明の一実施形態における超音波探傷装置の構成を表すブロック図である。図５は、本発明の一実施形態における送信用アレイ探触子及び受信用アレイ探触子の配置を表す上面図である。図６は、図５中断面VI－VIによる鉛直断面図に、送信用アレイ探触子、受信用アレイ探触子、並びに超音波の送信経路及び受信経路を投影して表す図である。図７は、図５中断面VII－VIIによる鉛直断面図であって、具体例として超音波の送信角の可変範囲と超音波の受信角の可変範囲を表す。

本実施形態の超音波探傷装置は、送信用アレイ探触子１１、受信用アレイ探触子１２、送受信装置１３、制御装置１４、記憶装置１５、及び表示装置１６を備えている。送受信装置１３は、パルサ１７、レシーバ１８、遅延制御部１９、及び波形合成部２０を有している。なお、制御装置１４はコンピュータ等で構成され、記憶装置１５はハードディスク等で構成され、表示装置１６はディスプレイ等で構成されている。

送信用アレイ探触子１１及び受信用アレイ探触子１２は、フランジ１のシート面４を回避するように、主面２に配置されている。詳細には、フランジ１の径方向におけるボルト穴３より内側（図５の上側）に位置するように、且つ、フランジ１の径方向中心Ｏ_１（上述の図１参照）とボルト穴３の径方向中心Ｏ_２を結ぶ基準線Ｌを境としてフランジ１の周方向一方側（図５の左側）及び反対側（図５の右側）にそれぞれ位置するように、フランジ１の主面２に配置されている。なお、送信用アレイ探触子１１の位置と受信用アレイ探触子１２の位置は、入れ替わってもよい。

更に詳しく説明すると、送信用アレイ探触子１１は、基準線Ｌに対して垂直な方向（図５及び図７の左右方向）及びボルト穴３の軸方向（図６及び図７の上下方向）に延在する仮想平面に沿った送信経路Ｓ_１で超音波を送信するように配置されている。受信用アレイ探触子１２は、前述した仮想平面に沿った受信経路Ｓ_２で超音波を受信するように配置されている。

送信用アレイ探触子１１は、少なくとも一方向（本実施形態では、基準線Ｌに対して垂直な方向）に配列された複数の振動子を有しており、これらの振動子は、送受信装置１３のパルサ１７からの駆動信号によって超音波を送信する。受信用アレイ探触子１２は、少なくとも一方向（本実施形態では、基準線Ｌに対して垂直な方向）に配列された複数の振動子を有しており、これらの振動子は、欠陥８で反射された超音波を受信して波形信号に変換し、送受信装置１３のレシーバ１８へ出力する。

送受信装置１３は、制御装置１４からの指令に応じて、送信用アレイ探触子１１による超音波の送信角θ_１を、例えば図７で示すような範囲Ｒ_１内で可変制御すると共に、受信用アレイ探触子１２による超音波の受信角θ_２を、例えば図７で示すような範囲Ｒ_２内で可変制御する。すなわち、超音波の送信角θ_１と受信角θ_２の組み合わせを変更することにより、フランジ１のボルト穴３の周辺部５のうち、フランジ１の径方向におけるボルト穴３より内側である部分（特に、範囲６）を探傷するようになっている。

詳しく説明すると、送受信装置１３の遅延制御部１９は、制御装置１４からの指令に応じて、超音波の送信角θ_１に対応する送信遅延パターンをパルサ１７に出力する。パルサ１７は、送信遅延パターンに基づいて、送信用アレイ探触子１１の各振動子へ駆動信号を出力するとともに、各駆動信号の出力タイミング（すなわち、各振動子の超音波の送信タイミング）を変化させる。これにより、送信用アレイ探触子１１の全体による超音波の送信角θ_１を制御する。

送受信装置１３の遅延制御部１９は、制御装置１４からの指令に応じて、超音波の受信角θ_２に対応する受信遅延パターンを波形合成部２０に出力する。波形合成部２０は、受信遅延パターンに基づき、レシーバ１８からの各波形信号の入力タイミング（すなわち、各振動子の超音波の受信タイミング）を変化させて合成する。これにより、受信用アレイ探触子１２の全体による超音波の受信角θ_２を制御しながら、受信用アレイ探触子１２で受信した超音波の振幅の経時変化を取得する。

制御装置１４は、送受信装置１３の波形合成部２０で取得された超音波の振幅の経時変化を、超音波の送信角θ_１と受信角θ_２の組み合わせに関連付けさせて、記憶装置１５に記憶させると共に、表示装置１６に表示させる。検査者は、表示装置１６で表示された超音波の振幅が所定の閾値を超えているか否かにより、欠陥が生じているか否かを確認することができる。

なお、制御装置１４は、送信用アレイ探触子１１及び受信用アレイ探触子１２の位置や超音波の送信角θ_１及び受信角θ_２に基づき、鉛直断面上の探傷位置（詳細には、超音波の送信経路Ｓ_１と受信経路Ｓ_２が交差する位置）とこれに対応する時間ゲートを演算し、この時間ゲートにおける超音波の振幅を抽出してもよい。そして、各探傷位置における超音波の振幅を色で示す二次元探傷画像を生成し、この画像を記憶装置１５に記憶させると共に、表示装置１６に表示させてもよい。また、制御装置１４は、超音波の振幅が所定の閾値を超えているか否かにより、欠陥が生じているか否かを判定し、その判定結果を記憶装置１５に記憶させると共に、表示装置１６に表示させてもよい。

以上のように、本実施形態では、原子炉圧力容器の胴体のフランジ１のボルト穴３の周辺部５のうち、フランジ１の径方向におけるボルト穴３より内側である部分（特に、範囲６）に生じた欠陥を検知することができる。例えば、送受信用斜角探触子をフランジ１のシート面４に配置し、ボルト穴３の半径方向の内側に向かって斜めに超音波を送信する場合を想定すれば、この場合と比べ、本実施形態では、ボルト穴３のフランクからの反射波を受信するのを低減することができる。また、例えば、送信用アレイ探触子１１に代えて、単一の振動子を有する送信用斜角探触子をフランジ１の主面２に配置すると共に、受信用アレイ探触子１２に代えて、単一の振動子を有する受信用斜角探触子をフランジ１の主面２に配置する場合を想定すれば、この場合とは異なり、本実施形態では、探傷の深さに応じて探触子間の距離を変更する必要がない。そのため、探触子間の距離の増大に伴う超音波のビーム拡大を抑えることができ、ボルト穴３のフランクからの反射波を受信するのを低減することができる。したがって、本実施形態では、欠陥を精度よく検知することができる。

また、本実施形態では、送信用アレイ探触子１１は、基準線Ｌに対して垂直な方向及びボルト穴３の軸方向に延在する仮想平面に沿った送信経路Ｓ_１で超音波を送信し、受信用アレイ探触子１２は、前述した仮想平面に沿った受信経路Ｓ_２で超音波を受信する。これにより、ボルト穴３の軸方向に対して垂直な方向に延在する欠陥が生じた場合、この欠陥に対して垂直な仮想平面に沿って超音波が伝播することになる。これにより、受信用アレイ探触子１２で受信する超音波の振幅を高めることができる。したがって、欠陥を精度よく検知することができる。

また、本実施形態では、送信用アレイ探触子１１及び受信用アレイ探触子１２をフランジ１の主面２に配置するので、シート面４の損傷を防止することができる。

１フランジ
２主面
３ボルト穴
４シート面
５ボルト穴の周辺部
８欠陥
１１送信用アレイ探触子
１２受信用アレイ探触子

Claims

原子炉圧力容器の胴体のフランジのボルト穴の周辺部のうち、前記フランジの径方向における前記ボルト穴より内側である部分に生じた欠陥を検知する超音波探傷方法であって、
前記フランジの径方向における前記ボルト穴より内側にて前記フランジの主面から上側に段差して形成されたシート面を回避しつつ、前記フランジの径方向における前記ボルト穴より内側に位置するように、且つ、前記フランジの径方向中心と前記ボルト穴の径方向中心を結ぶ基準線を境として前記フランジの周方向一方側及び反対側にそれぞれ位置するように、送信用アレイ探触子及び受信用アレイ探触子を前記フランジの主面に配置し、
前記送信用アレイ探触子を構成し且つ前記基準線に対して垂直な方向に配列された複数の振動子の送信タイミングを制御して超音波の送信角を可変制御すると共に、前記受信用アレイ探触子を構成し且つ前記基準線に対して垂直な方向に配列された複数の振動子の受信タイミングを制御して超音波の受信角を可変制御することにより、前記基準線に対して垂直な方向及び前記ボルト穴の軸方向に延在する仮想平面を探傷することを特徴とする超音波探傷方法。