JP7372209B2

JP7372209B2 - 超音波検査装置

Info

Publication number: JP7372209B2
Application number: JP2020095311A
Authority: JP
Inventors: 将裕三木; 佑己大島; 泰一郎山田; 泰広仁平
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2020-06-01
Filing date: 2020-06-01
Publication date: 2023-10-31
Anticipated expiration: 2040-06-01
Also published as: JP2021189056A

Description

本発明は、大型の構造物を検査する超音波検査装置に関する。

発電プラントや化学プラントでは、大型の構造物（詳細には、例えば液体を貯える圧力容器又はタンク等）の損傷が発生しないように、適切な運転管理が行われている。しかし、大型構造物に割れや減肉等の欠陥がまれに発生する。そのため、非破壊検査である超音波検査を定期的に実施して、大型構造物の状態を把握することが重要である。超音波検査では、超音波センサを用いて、大型構造物に超音波を送信すると共に、大型構造物に欠陥がある場合に欠陥で反射された反射波を受信する。これにより、大型構造物の欠陥を検知する。

特許文献１は、燃料貯蔵プールの側壁を検査する超音波検査装置を開示する。この超音波検査装置は、大別して、検査ユニットと制御系で構成されている。検査ユニットは、超音波センサと、超音波センサをプールの側壁に接触させた状態で移動させるスキャナ（詳細には、Ｘ軸走査機構及びＹ軸走査機構）とを備える。

制御系は、スキャナを制御する駆動制御装置と、超音波センサから超音波を送信させると共に、超音波センサで受信された反射波の情報を取得する超音波探傷器と、スキャナの制御情報から得られた超音波センサの位置情報と反射波の情報との組み合わせを収録するデータ収録装置と、データ収録装置で収録された反射波の情報に基づいて欠陥の評価を行うデータ処理装置とを備える。

特開２００５－３３７８８４号公報

プラントの休止時間を短縮する観点から、超音波センサの移動速度を高めて、検査時間を短縮することが望ましい。しかしながら、超音波センサの高速移動に伴い、超音波センサと被検体の表面との摩擦によって超音波センサのびびり振動が発生する可能性がある。すなわち、検査結果の信頼性が損なわれる可能性がある。

本発明の目的は、検査結果の信頼性を確保しつつ、検査時間の短縮を図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、超音波センサと、前記超音波センサから被検体に超音波を送信させると共に、前記超音波センサで受信された反射波の情報を取得する超音波制御装置と、前記超音波センサを前記被検体に接触させた状態で移動させるスキャナと、前記スキャナを制御するスキャナ制御装置と、前記スキャナの制御情報から得られた前記超音波センサの位置情報に基づいて前記被検体の検査位置を演算し、前記被検体の検査位置と前記反射波の情報との組合せを取得する計算機とを備えた超音波検査装置において、前記超音波センサのびびり振動によって変化する検出信号を取得する検出装置を備え、前記計算機は、前記検出装置で取得された検出信号に基づいて前記超音波センサのびびり振動が発生したかどうかを判定し、前記超音波センサのびびり振動が発生したと判定した場合に、前記超音波センサの移動速度を減少させる指令を前記スキャナ制御装置へ出力する。

本発明によれば、検査結果の信頼性を確保しつつ、検査時間の短縮を図ることができる。

本発明の一実施形態における超音波検査装置の要部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検査ユニットの構造を被検体の一部と共に表す斜視図である。本発明の一実施形態におけるプローブの構造を表す側面図である。本発明の一実施形態における渦電流センサのコイルを表す図である。本発明の一実施形態における渦電流制御装置で取得されたへこみ信号を説明するための図である。本発明の一実施形態における渦電流制御装置で取得されたびびり信号を説明するための図である。本発明の一実施形態における超音波検査装置の制御手順を表すフローチャートである。本発明の第１の変形例における超音波検査装置の要部構成を表すブロック図である。本発明の第２の変形例における超音波検査装置の要部構成を表すブロック図である。

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、本実施形態における超音波検査装置の要部構成を表すブロック図である。図２は、本実施形態における検査ユニットの構造を被検体の一部と共に表す斜視図である。図３は、本実施形態におけるプローブの構造を表す側面図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本実施形態における渦電流センサのコイルを表す平面図及び断面図である。

本実施形態の超音波検査装置は、原子炉圧力容器の側壁１（被検体）の内面を検査するためのものであり、大別して、検査ユニット１０と制御系３０で構成されている（図１参照）。検査ユニット１０は、プローブ１１と、プローブ１１を側壁１の外面に沿って移動させるスキャナ１２とを備える（図２参照）。

プローブ１１は、超音波センサ１３と、超音波センサ１３に付設された渦電流センサ１４と、超音波センサ１３及び渦電流センサ１４が側壁１の外面に追従するように、超音波センサ１３及び渦電流センサ１４を回転可能に支持するジンバル１５と、超音波センサ１３、渦電流センサ１４、及びジンバル１５を覆うケース１６とを備える（図３参照）。超音波センサ１３は、圧電素子（図示せず）を有する。渦電流センサ１４は、銅線などの細電線を多重に巻いたコイル１７を有する（図４（ａ）及び図４（ｂ）参照）。

スキャナ１２は、側壁１の外側に設けられ、側壁１の周方向Ｘに延在するレール１８と、レール１８に沿って移動可能に設けられた移動体１９と、レール１８に沿って移動体１９を移動させる第１の駆動機構（図示せず）と、移動体１９に接続され、側壁１の軸方向Ｙに延在する支持アーム２０と、支持アーム２０に沿って移動可能に設けられたスライダ２１と、支持アーム２０に沿ってスライダ２１を移動させる第２の駆動機構（図示せず）と、プローブ１１のケース１６を貫通してジンバル１５とスライダ２１を連結する連結部材２２とを備える。スキャナ１２は、超音波センサ１３及び渦電流センサ１４を側壁１に接触させた状態で移動させるようになっている。

制御系３０は、スキャナ１２（詳細には、上述した第１及び第２の駆動機構）を制御するスキャナ制御装置３１と、超音波センサ１３を制御する超音波制御装置３２と、渦電流センサ１４を制御する渦電流制御装置３３と、スキャナ制御装置３１、超音波制御装置３２、及び渦電流制御装置３３を制御する計算機３４とを備える。なお、図示しないものの、計算機３４には入力装置（詳細には、キーボードやマウス等）及び表示装置（ディスプレイ）が接続されている。

計算機３４は、詳細を図示しないものの、プログラムを記憶するＲＯＭと、プログラムに従って処理を実行するＣＰＵと、処理結果を記憶するＲＡＭとを有する。計算機３４は、機能的構成として、検査結果収録部３５、振動判定部３６、及び速度指令部３７を有する。

スキャナ制御装置３１は、計算機３４からの指令に応じて第１の駆動機構を駆動させて、側壁１の周方向Ｘにおけるプローブ１１の位置（すなわち、超音波センサ１３の位置）を設定する。また、スキャナ制御装置３１は、計算機３４からの指令に応じて第２の駆動機構を駆動させて、側壁１の軸方向Ｙにプローブ１１（すなわち、超音波センサ１３）を移動させる。また、スキャナ制御装置３１は、第１及び第２の駆動機構の制御情報から得られた超音波センサ１３の位置情報を計算機３４に出力する。

計算機３４の検査結果収録部３５は、スキャナ制御装置３１からの超音波センサ１３の位置情報に基づいて、側壁１の検査位置（詳細には、側壁１の内面において超音波が到達する位置）を演算する。なお、計算機３４の検査結果収録部３５は、超音波センサ１３の位置と側壁１の検査位置の関係を予め取得して記憶し、この関係を用いて側壁１の検査位置を演算してもよい。

超音波制御装置３２は、詳細を図示しないものの、パルサ及びレシーバを有する。パルサは、計算機３４からの指令に応じて、超音波センサ１３の圧電素子（図示せず）に駆動信号（電気信号）を出力する。これにより、超音波センサ１３の圧電素子は、側壁１の内面に向けて超音波を送信する。超音波センサ１３の圧電素子は、側壁１の内面に欠陥が生じている場合に欠陥で反射された反射波を受信し、波形信号（電気信号）に変換してレシーバに出力する。レシーバは、波形信号に対し所定の処理を行って計算機３４に出力する。

計算機３４の検査結果収録部３５は、上述した側壁１の検査位置と超音波制御装置３２から得られた波形情報（詳細には、波形信号、又はこれに基づいて得られた情報）との組み合わせを取得して収録する。なお、計算機３４は、前述した波形情報に基づいて欠陥の有無などを評価する機能を有してもよい。

ところで、発電プラントの休止時間を短縮する観点から、原子炉圧力容器の側壁１の軸方向Ｙにおけるプローブ１１の移動速度（すなわち、超音波センサ１３の移動速度）を高めて、検査時間を短縮することが望ましい。しかしながら、超音波センサ１３の高速移動に伴い、超音波センサ１３と側壁１の外面との摩擦によって超音波センサ１３のびびり振動が発生する可能性がある。すなわち、検査結果の信頼性が損なわれる可能性がある。そのため、本実施形態では、渦電流センサ１４及び渦電流制御装置３３を用いて、後述の検出信号を取得する。

渦電流制御装置３３は、渦電流センサ１４のコイル１７に励磁電流を流して磁場を発生させ、側壁１に渦電流を誘起させる。そして、側壁１の渦電流の変化をコイル１７のインピーダンスの変化として検出し、その検出信号を取得する。例えば図５（ａ）で示すように側壁１の外面にへこみ２がある場合、渦電流制御装置３３は、図５（ｂ）で示すように、渦電流センサ１４と側壁１の外面との間の距離に応じて長周期で変化する検出信号（へこみ信号）を取得する。一方、例えば超音波センサ１３と共に渦電流センサ１４のびびり振動が発生した場合、渦電流制御装置３３は、図６（ａ）で示すように、短周期で変化する検出信号（びびり信号）を取得する。

計算機３４の振動判定部３６は、渦電流制御装置３３で取得された検出信号に基づいて、超音波センサ１３のびびり振動が発生したかどうかを判定する。詳しく説明すると、まず、渦電流制御装置３３で取得された検出信号を周波数分析し、ピーク周波数（言い換えれば、対応するレベルが極大値で且つ周波数毎に設定された閾値を超える周波数）を抽出する。へこみ信号であれば、例えば図５（ｃ）で示すようにピーク周波数Ｆ１を抽出し、びびり信号であれば、例えば図６（ｂ）で示すようにピーク周波数Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を抽出する。そして、ピーク周波数が所定の基準値Ｆ０以上のものがあるかどうかにより、超音波センサ１３のびびり振動が発生したかどうかを判定する。

超音波センサ１３のびびり振動が発生したと判定された場合に、計算機３４の速度指令部３７は、側壁１の軸方向Ｙにおけるプローブ１１の移動速度（すなわち、超音波センサ１３の移動速度）を減少させる指令をスキャナ制御装置３１へ出力するようになっている。

次に、本実施形態の超音波検査装置の制御手順を、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態における超音波検査装置の制御手順を表すフローチャートである。

ステップＳ１０１にて、スキャナ制御装置３１は、計算機３４からの指令に応じて第１の駆動機構を駆動させて、側壁１の周方向Ｘにおけるプローブ１１の位置を設定する。ステップＳ１０２にて、計算機３４の速度指令部３７は、側壁１の軸方向Ｙにおけるプローブ１１の移動速度を初期化する指令（詳細には、例えば高速、中速、及び低速の三段階に調整可能であれば、高速の指令）をスキャナ制御装置３１へ出力する。

ステップＳ１０３に進み、スキャナ制御装置３１は、計算機３４からの指令に応じて第２の駆動機構を駆動させて、側壁１の軸方向Ｙにプローブ１１を移動させる。これと同時に、超音波制御装置３２は、計算機３４からの指令に応じて、超音波探傷を行う。すなわち、超音波センサ１３が移動しながら、超音波センサ１３から側壁１の内面に向けて超音波を送信させると共に、超音波センサ１３で受信された反射波の情報を取得する。また、渦電流制御装置３３は、計算機３４からの指令に応じて、渦電流計測を行う。すなわち、渦電流センサ１４が移動しながら、渦電流センサ１４のコイル１７に励磁電流を流して磁場を発生させ、側壁１に渦電流を誘起させる。そして、側壁１の渦電流の変化をコイル１７のインピーダンスの変化として検出し、その検出信号を取得する。

ステップＳ１０４に進み、計算機３４の振動判定部３６は、渦電流制御装置３３で取得された検出信号を周波数分析し、ピーク周波数を抽出する。ステップＳ１０５に進み、計算機３４の振動判定部３６は、ピーク周波数が所定の基準値Ｆ０以上のものがあるかどうかにより、超音波センサ１３のびびり振動が発生したかどうかを判定する。

ピーク周波数が所定の基準値Ｆ０以上のものがある場合（すなわち、超音波センサ１３のびびり振動が発生したと判定された場合）、ステップＳ１０５の判定がＹＥＳとなり、ステップＳ１０６に移る。ステップＳ１０６にて、計算機３４の速度指令部３７は、側壁１の軸方向Ｙにおけるプローブ１１の移動速度（すなわち、超音波センサ１３の移動速度）を減少させる指令をスキャナ制御装置３１へ出力する。スキャナ制御装置３１は、この指令に応じて、プローブ１１の移動速度を段階的に減少させる。第１段階であれば、高速から中速に変更する。

ステップＳ１０６の終了後、ステップＳ１０７に移る。ステップＳ１０５にてピーク周波数が所定の基準値Ｆ０以上のものがない場合（すなわち、超音波センサ１３のびびり振動が発生していないと判定された場合）、ステップＳ１０７に移る。

ステップＳ１０７に進み、計算機３４は、プローブ１１が軸方向Ｙの終点に到達したかどうかを判定する。プローブ１１が軸方向Ｙの終点に到達していなければ、ステップＳ１０７の判定がＮＯとなり、ステップＳ１０３～Ｓ１０５の手順を繰り返す。なお、プローブ１１の移動速度を中速に変更した後であっても、ステップＳ１０５にてピーク周波数が所定の基準値Ｆ０以上のものがある場合（すなわち、超音波センサ１３のびびり振動が発生したと判定された場合）、ステップＳ１０６に進み、プローブ１１の移動速度を低速に変更する。

プローブ１１が軸方向の終点に到達すれば、ステップＳ１０７の判定がＹＥＳとなり、ステップＳ１０８に移る。ステップＳ１０８にて、計算機３４は、プローブ１１が周方向Ｘの終点に到達したかどうかを判定する。プローブ１１が周方向Ｘの終点に到達していなければ、ステップＳ１０８の判定がＮＯとなり、ステップＳ１０１に戻る。すなわち、プローブ１１の周方向位置を変更して、上述した手順を繰り返す。なお、プローブ１１の移動速度が中速又は低速に変更された後であっても、プローブ１１の周方向位置が変更されれば、ステップＳ１０２にて、プローブ１１の移動速度を高速に戻す。プローブ１１が周方向Ｘの終点に到達すれば、ステップＳ１０８の判定がＹＥＳとなり、超音波検査が終了する。

以上のように本実施形態では、超音波センサ１３のびびり振動が発生しなければ、超音波センサ１３の移動速度を高め、超音波センサ１３のびびり振動が発生すれば、超音波センサ１３の移動速度を低める。したがって、検査結果の信頼性を確保しつつ、検査時間の短縮を図ることができる。

なお、上記一実施形態において、超音波検査装置は、超音波センサ１３のびびり振動によって短周期で変化すると共に側壁１の外面の起伏によって長周期で変化する検出信号を取得する検出装置として、渦電流センサ１４及び渦電流制御装置３３を備えた場合を例にとって説明したが、これに限られない。例えば図８で示す第１の変形例のように、超音波検査装置は、前述した検出装置として、超音波センサ１３と側壁１の外面の間の距離を検出する測距計２３（詳細には、例えば高分解能を有するレーザ式の測距計）を備えてもよい。計算機３４の振動判定部３６は、測距計２３で取得された検出信号を周波数分析してピーク周波数を抽出し、ピーク周波数が所定の基準値以上のものがあるかどうかにより、超音波センサ１３のびびり振動が発生したかどうかを判定する。このような変形例においても、上記一実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態又は第１の変形例において、特に説明しなかったが、例えば図９で示す第２の変形例のように、計算機３４は、起伏計測部３８を有してもよい。計算機３４の起伏計測部３８は、検出信号の周波数分析で得られたピーク周波数が所定の基準値以Ｆ０以下のものがあるかどうかにより、側壁１の外面に起伏（へこみ）があるかどうかを判定する。そして、側壁１の外面に起伏があると判定した場合、検出信号に基づいて側壁１の外面の起伏を計測する。計算機３４の検査結果収録部３５は、起伏計測部３８で計測された側壁１の外面の起伏を用いて、側壁１の検査位置を補正する。これにより、検査精度の向上を図ることができる。

また、上記一実施形態において、被検体は、原子炉圧力容器の側壁１である場合を例にとって説明したが、これに限られず、他の大型構造物（詳細には、例えば液体を貯える圧力容器又はタンク等）であってもよい。

１原子炉圧力容器の側壁（被検体）
１２スキャナ
１３超音波センサ
１４渦電流センサ（検出装置）
２３測距計（検出装置）
３１スキャナ制御装置
３２超音波制御装置
３３渦電流制御装置（検出装置）
３４計算機

Claims

超音波センサと、
前記超音波センサから被検体に超音波を送信させると共に、前記超音波センサで受信された反射波の情報を取得する超音波制御装置と、
前記超音波センサを前記被検体に接触させた状態で移動させるスキャナと、
前記スキャナを制御するスキャナ制御装置と、
前記スキャナの制御情報から得られた前記超音波センサの位置情報に基づいて前記被検体の検査位置を演算し、前記被検体の検査位置と前記反射波の情報との組合せを取得する計算機とを備えた超音波検査装置において、
前記超音波センサのびびり振動によって変化する検出信号を取得する検出装置を備え、
前記計算機は、前記検出装置で取得された検出信号に基づいて前記超音波センサのびびり振動が発生したかどうかを判定し、前記超音波センサのびびり振動が発生したと判定した場合に、前記超音波センサの移動速度を減少させる指令を前記スキャナ制御装置へ出力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、
前記計算機は、前記検出装置で取得された検出信号を周波数分析してピーク周波数を抽出し、ピーク周波数が所定の基準値以上のものがあるかどうかにより、前記超音波センサのびびり振動が発生したかどうかを判定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、
前記検出装置は、前記超音波センサのびびり振動によって短周期で変化すると共に前記被検体の表面の起伏によって長周期で変化する検出信号を取得しており、
前記計算機は、前記検出装置で取得された検出信号に基づいて前記被検体の表面の起伏を計測し、前記被検体の表面の起伏を用いて前記被検体の検査位置を補正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、
前記検出装置は、前記超音波センサに付設された渦電流センサと、前記渦電流センサのコイルに励磁電流を流して磁場を発生させ、前記被検体に誘起された渦電流の変化を前記渦電流センサのコイルのインピーダンスの変化として検出する渦電流制御装置とで構成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、
前記検出装置は、前記超音波センサと前記被検体の表面の間の距離を検出する測距計で構成されたことを特徴とする超音波検査装置。