JPH022923A - チューブの超音波非破壊検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、細いチューブの超音波非破壊検査装置であっ
て、チューブ内に挿入可能な＾、・ソドを備え、チュー
ブ内でのセンタリング手段と、へ・ソドに長手方向の軸
線に沿った直線運動と該軸線のまわりの回転運動とを伝
える手段とを打する型のらのに関する。

本発明は、加圧水型原子力発電所の蒸気発生器内のチュ
ーブの超音波非破壊検査に用いるのに特に適している。

〔従来技術〕

ヘッドをチューブ内でセンタリングし且つヘッドの軸線
をチューブの軸線と一致部ち平行にさローる手段をヘッ
ドに装備した検査装置が、既に公知である。このヘッド
は超音波トランジューサ手段を含んでおり、このトラン
ジューサ手段は、流体中に浸すことによりチューブの壁
に連絡されており、バースト波の形の超音波ビームを送
り、長手方向に向いた疵に起因するエコーを検出する。

〔発明が解決しようとする課題〕

渦電流検査装置と比較して、超音波を使用する装置には
明らかな欠点がある。即ち、ひび割れのような疵に起因
して発生したエコーは、疵の向きによって非常に変化す
る。もしも例えば１つの超音波トランジューサを使用し
てチューブの子午線面に沿った方向にビームを放ったな
ら、長手方向のひび割れや複雑な形状の長いひび割れの
長手方向の部分を検出することは困難である。

本発明の目的は、改良された超音波検査装置を提供する
ことにある。より詳細には本発明の目的は、チューブの
軸線に対して長手方向に向いた疵だけでなく周囲に拡大
した疵をも検査できる超音波検査装置を提供することに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

この目的のために、トランジューサ手段は、チューブの
子午線面内にチューブの壁に直交する方向に対して一定
角度で収束ビームを放つ少なくとも１つの第１の超音波
トランジューサと、チューブの直径に平行に且つ該直径
から離れた位置に収束ビームを放ち、これにより該ビー
ムがチューブの壁に対して斜めになる少なくとも１つの
第２の超音波トランジューサとを備えている。

経験は、周囲に拡大した疵の検出は長手方向の疵の存在
によっては隠されないということと、第２のトランジュ
ーサのビームが約４５°の角度で壁内で屈折した場合に
は長手方向の疵はくさび効果によって確実に検出される
ということを示している。今日、収束した超音波ビーム
を発生ずる直径６ｍｍのトランジューサが存在している
。このトランジューサは、チューブの直径に平行に且つ
該直径から十分能して配置することができるので、今日
の原子力発電所で使用されるような熱交換チューブにお
いてこの条件を満たすことができる。

横方向のひび割れの検出は、直径が変化するチューブの
区域（例えばチューブプレートに密接した膨張した区域
の端部）では特に困難である。直径が変化する子午線面
区域を通って向けられた超音波ビームの投射角の変化は
、測定の妨げとなり且つ円形のひび割れを隠す。本発明
の好適な実施例では、２つの第１のトランジューサを対
称に配置することによってこの困難に打ち勝っている。

即ち、直径の変化が所定区域での検出を一方のトランジ
ューサに関して妨げる場合でも、他方のトランジューサ
が、妨げられていない部位を通してこの区域にビームを
向けるのである。

また第２のトランジューサも、余分に、または検出速度
の増大のために、または特定の検出方向において別の近
接し且つ平行なひび割れに隠されたひび割れの検出漏れ
の危険を削減するために、２つ対称に配置してよい。

ひび割れを検出するだけでなくひび割れが壁の外側と内
側のどちらにおいているのかを確認することをも望む場
合には、壁の厚さ内をたどる行路の長さを正確に決定し
なければならない。しかし、伝達時間の測定は、チュー
ブの内側及び壁の中の全行路の決定を可能にするだけで
ある。トランジューサと内壁との間の距離のあらゆる変
化は、測定の妨げになる。

これらの変化を考慮に入れて、チューブの内側表面のす
ぐ近くに位置し且つ壁からトランジューサに向けて反射
されたビームの一部を反射するようにＭ度的に配置され
た超音波反射器がヘッドに装備されている。反射された
ビームの伝達時間は、流体内を伝４つった予備距離を表
わしており、ひび割れの位置の明確な決定を可能にする
。

このような修正即ちサーボ手段は、高い程度の正確さを
有している。何故なら、同一のビー１３を検出用と修正
用に用いているからである。経験は、満足のいくエコー
を得るためには、非常に小さな直径の（一般には約１ｍ
ｍ四方の面積の）反射器で十分であることを示している
。こめ反射器をトランジューサとチューブの壁との間の
音響的伝辻の監視用に使用し、連絡の程度が不十分であ
る場合（例えば泡がトランジューサと壁との間に介在し
ている場合）には測定値を除外するようにしてもよい。

〔実施例〕

第１図に略本したような熱交換器チューブを検査するヘ
ッドの一般的構成及び特定の実施例を例として説明する
。第１図を参照して、チューブｌＯはチューブプレート
１２内で半径が大きくなってプレートＩ２に固定されて
いる。チューブＩＯは、直径の変化する長さＸの区域を
有している。

この区域は、半径の大きくなった部位の端部をチューブ
の通常の部位に連結している。もしも中間の区域の直径
が引張り内力の低減のために変形しているのなら、チュ
ーブｌＯの長さｙの区域に第２の直径の変化をらた仕て
らよい。

蒸気発生チューブは、一般に、ｒ　ｌＮＣ０ＮＥＬ６０
０Ｊとして知られているクロム−ニッケルー鉄の合金製
である。このようなチューブ（特に半径の大きくなった
区域の端部）には、応力腐食を原因として粒子間にひび
割れが生じやすい。ひび割れのほとんどは、長手方向に
向いている。この長手方向のひび割れの時間的進展はよ
く−知られており、チューブを破壊するまでにひび割れ
が成長する危険はない。しかし、横方向のひび割れも生
じ得る。

この横方向のひび割れは非常に迅速に拡大し、そして、
それが検出されたときには、対応のチューブには予防処
置として栓をしなければならない。

従って、検査装置は疵の存在だけでなく疵のｆｆ＋度位
置をも決定できることが重要である。

以下に説明する装置では、収束超音波ビームを発生する
少なくとも１つのトランジューサか使用されている。そ
のビームの投射「１は、ビームか、チューブの壁の内側
の垂線に対して４５°となって、長手方向に向いた疵を
検出できろようなｆｆ１度である。ひび割れ１４は、そ
れから、ひび割れとチューブの壁の内側表面（第２図）
または外側表面（第３図）とにより形成された角でのビ
ーム１６の反射に基づいて検出される。焦点を合わせた
即ち収束したビームを用いるのが好都合である。

このビームは、バースト波モードで放たれろ。収東ビー
ム発生用の直径的６ｍｍの小型トランジューサが、既に
公知である。内側表面の疵の場合には、検出は、ビーム
が外側表面で１回または２回以上はね返り（同一行路で
の往復進行）をして行なわれる。実際には、２回以上の
はね返りに対応する検出は、減衰が大きいので除外する
のが好ましい。

適当なエコーを選択するためにタイミングゲートを使用
するとよい。

外側表面の疵（第３図）の検出は、例えば半回のはね返
りまたは１回生のはね返りで行なわれる。

ひび割れの位置は、ビームの伝達の往復時間から導かれ
ろ。

一般には、横波モードを用いるのが望ましい。

何故なら、縦波モードには常に横波モードが随伴しく（
苗波モードのほうが速度が大きいことが原因である）、
これにより、検出した疵の位置が曖昧になるからである
。更に、分解能は横波のほうかよく、横波の波長は縦波
の波長の殆ど半分だからである。

このことは、ｌＮＣ０ＮＥＬのような材質に関して反射
角ｒ−４５°を達成するために約２０°の投射角ｉを選
ぶことに帰着する。

横方向の疵の検出用トランジューサに関して以上に述べ
た指標は、約２０°の投射角が各トランジューサの軸線
とチューブの直径方向の線との間に特定の距離を要求す
る縦方向の疵の検出の場合（少なくとも各トランジュー
サの軸線がチューブの直径と平行な場合（第４図））に
も妥当する。

１１カ述の通り、横方向の疵を検出する１つのトランジ
ューサの使用は、ひび割れが直径の変化によって隠され
た場合にはそのひび割れを気付かれないままにする。こ
の困難に打ち勝つために、２つのトランジューサ１８ａ
、１８ｂが、横方向のひび割れに関して対称的に配置さ
れる。トランジューサ１８ａ、１８ｂを互い違いに配置
することにより、トランジューサ１８ａ、１８ｂがヘッ
ドの１回転当たりの直線進行距離の半ステツプだけ離れ
た相捕的な区域を探るようにするのが好都合である。こ
れにより、投射角の偏りや、ひび割れによって生じろ影
効果が別の近くの平行なひび割れを隠すことが部分的に
解消される。トランジューサ１８ａ、＋８ｂは、検査ヘ
ッドの螺旋移動鋳に１回転当たりの進行距離の半ステツ
プだけ長手方向に互いにオフセットされた区域を検査す
るように配置してもよい。例えば１回転当たり１ｍｌ１
１の螺旋形進行距離ステップにおいて０．５ｍｍのオフ
セットを用いて検査所要時間を短縮させるのがよい。

２つのトランジューサを互いに向き合う位置で使用する
ことの利点は、直径の変化を原因とするデッドゾーンが
なくなることである。第１図を参照して、方向２０から
到達するビームは、妥当でない投射を原因として、検出
を可能にしない。しかし他方、ビーム２２は検出を可能
にする。

ヘッドの池の２つのトランジューサ２４ａ、２４ｂは、
長手方向に向いた疵の検出用のものである。トランジュ
ーサ２４ａ、２４ｂは、互いに平行に向き合って据え付
けられている（第６図）。

つまり、トランジューサ２４ａ、２４ｂは互いに平行な
ビームを発生する。長手方向の軸線に沿ってのトランジ
ューサ２４ａと２４ｂとのオフセットら、ヘッド１回転
当たりの進行距離の半ステツプの奇数倍であるのが好都
合である。

チューブの壁の内側表面と外側表面とのどちらに疵が付
いているのかを、超音波パルスの往復時間を所定値と比
較することによって決定することができる。このような
決定は、１回はね返ったエコー及び１回生はね返ったエ
コーの伝達時間に対応した時間測定ゲートを使用するこ
とによって行なうことができる。しかし、これら２つの
エコーは非常に短い時間ｔだけしか離れていない。

ｔ　＝　ｅ　ｒ　２　／　Ｖ　ｔ ここで、ｅはチューブの厚さである（熱交換チューブの
場合にはｌｌｌｌＩｎの範囲の大きさである）。もしも
チューブがＩ　Ｎ　ＣＯＮ　Ｅ　Ｌ製であれば、■。

＝３０２０ｍ、ｓ−’であり、伝達時間ｔ＝ｏ、−１２
Ｉｔ　ｓになる。

時間りの短かさを考慮するなら、予備伝達時間ａ（第７
図）の長さに関するあらゆるエラーは、判定のエラーの
原因となり得る。今日、チューブの内径はいくらかの公
差を伴ってしか決定されておらず、そしてヘッドのセン
タリングは完璧ではない。

この困難に打ち拵つために、選択ゲート用に使用する時
間基準は、超音波パルスの伝達時間ではなく、容易に同
定できるエコーの受信時間とする。

このエコーの出現時間は、予備伝達時間ａに関して伝達
時間と同じ変化法則を有している。

投射角ｉは大きな角度であるので、チューブの壁からト
ラノンユーザに向けて反射されるエネルギーは基準エコ
ーを供給するには不十分であり、また、時間基準提供用
の第２のトランジューサの使用に利用できる十分なスペ
ースはない。

第７図に示すように、基準エコーは例えば対応のトラン
ジューサ１８ａに対して固定された反射器２６によって
伝えられる。トランジューサ１８１及び反射器２６は、
共通の支持体２８に固定されている。支持体２８は、チ
ューブの壁の内側表面で反射したエネルギーの総量がト
ランジューサ１８ａに戻ってくるような角度位置で反射
器２Ｇを保持している。この配列に関し、時間ゲートの
調節によるザーボコントロール用に使用される反射ビー
ム３０の角度は、メインビームの角度と同じであり、そ
して予備伝達時間の修正を正確なものにする。壁の内側
表面の衝撃地点は検出ビームとザーボコントロールビー
ムとに関して同一なので、この修正は一層正確になる。

それから、測定位置において修正が正確に行なわれる。

第８図は、第５図及び第６図に示したようなトランジュ
ーサの配列を用いた測定ヘッドの１つの可能な構成を示
す。このヘッドは、屈曲式管３２の端部に固定されてい
る。管３２は、ヘッドを熱交換器チューブに沿って移動
させる役割と、トラノンユーザとの電気的接続のための
通路を形成する役割を果たしている。ヘッドはいくつか
の互いに連結した部分から成っている。ヘッドには、チ
ューブ内への挿入を容易にする先細の先端とセンタリン
グ装置とを有する端部部分３４が設けられている。この
ような装置からは高い正確性は要求されない。何故なら
、偏りは反射器の使用によって補償されるからである。

図示のように、センタリング装置は３つのボール３６で
形成されており、このポール３Ｇは、ばね４０の圧力を
受けるプッシャ３８によって所定の外方向の位置に向け
て片寄らされている。センタリング装置は、より簡単な
装置例えば屈曲性あるブラシに取り替えてもよい。セン
タリング装置の基本的目的は、投射角を許容限界内に維
持することにある。

ヘッドの作動部分は管部分４２として形成されている。

管部分・１２は、軸線方向に細長い形状をした窓をａし
ており、トランジューサを収納している。各トラノンー
ザは、第８図の平行六面体形の支持体２８のような支持
体に据え付けられている。

この作動部分は、センタリング装置を有するスリーブ４
６に連結されている。このセンタリング装置は、端部部
分３４のものと同じであってよい。

トラノンユーザと遠くの電子回路とを接続するワイヤが
管３２内を通っている。

例として、Ｉ　ＯＭ　Ｉ−Ｉ　ｚの周波数で作動する直
径（３ｍｍの収束超音波ビーム発生トランジューサを投
射角２０°で使用することにより、熱交換器チューブに
おいて満足すべき結果が得られた。この直径のチューブ
に関しては、もっと高い周波数例えば！５または２０Ｍ
Ｉ〜Ｉｚで作動するのが一層好ましい。そうすることが
、トランジューサの最小の直径と、収束と、許容可能な
ヘッド１回転当たりの進行距離ステップと、距離ａ（第
７図）とをチューブの内径と両立させようとする努力の
妥協点を見いだすために最薄であると思イっれる。

＋ｉｉｊ述の熱交換チューブの場合には、各トラノンユ
ーザ２４ａ、２４ｂの軸線と該軸線に平行なチューブの
直径との間の距離が３．５ｍｍであることが、最適の投
射角２０°の達成を可能にし、よい結果をもたらした。

第９図は、ヘッドとともに使用するのに適し、Ｃ−スキ
ャンエコーグラフィ用に適し、且つエコーに関し通常の
構成のコンピュータ（図示仕ず）による使用に適した回
路を示したブロック図である。ヘッドは、駆動機構に支
持された管３２の端部に固定されている。駆動機構は、
ヘッドに螺旋形の運動を伝える。駆動機構には、ヘッド
の角度位置及び軸線方向上の位置を測定する通常の測定
手段が装備されている。測定手段は、コンピュータに接
続されている。

回路は、検出シーケンスを反復的にトリガーするタイミ
ング発生器５０を備えている。その反復率は、ヘッドの
進行速度の関数として選ばれる。

この発生器５０を、ヘッドの回転によって制御されるａ
１度エンコーダ４８とすることにより、測定がヘッドの
移動検出と無関係になるようにしてもよい。発生器５０
またはエンコーダ４８は発生器５２を制御し、発生器５
２は、トランジューサを励起する電気パルスと４倍低い
周波数の同期信号とを発生ずる。マルチプレクサ５４は
４つのトランジーサ１８１、ＩＥｌｂ、２４ａ、２４ｂ
を連続的に発生器５２に接続する。トランジューサを励
起するパルスとそれに関連したエコーとは、受信器５６
に受信される。受信器５６は増幅回路と整流回路とフィ
ルター回路とを備えており、受信器５６の出ノＪは、３
つのアナログゲート５８い　５８、．５８３に接続され
ている。ゲート５８．は、反射したサーボコントロール
エコーを通すために同期出力６０に接続されている。こ
のために、ゲート５８．は、遅延素子（図示せず）によ
り、発生器５２によるパルスの発生から一定時間の遅延
の後に開く。他の２つのゲート５Ｂ、、５８３は、同期
及びザーボ信号に対して異なる遅延で開く。

この遅延時間及びゲートの開いている時間は、各ゲート
５８□、５８３が夫々「内側」、「外側」の疵からのエ
コーを単独に取り出すように決められている。ゲート５
８い　５８７．５８３の出力Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、コン
ピュータに接続されている。

Ａ−スキャンエコーグラフィに関しては、４つのトラン
ジューサの中から１つのトランジューサを選択するため
にマルチプレクサ５４から発生したパルス信号は、オシ
ロスコープ６２の掃引トリガリング人力に与えられる。

オシロスコープ６２は、受信器５６からの出力信号を受
信する。反射したザーボエコーと、疵からのエコーと、
背景からのエコーとが、ＣＲＴデイスプレィに現われる
。

この実施例では、マルチプレクサの存在により、超音波
システム内の素子の数が限定されている。

便宜のために、このシステムを４つの単一チャンネルの
超音波ユニットで構成してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はチューブプレートに固定された区域の熱交換チ
ューブの概略断面図、第２図及び第３図は壁の内側表面
（第２図）または外側表面（第３図）にあいた周辺に拡
大したひび割れをくさび効果によって検出するために成
る選択された角度で子午線平面に向いた超音波ビームの
たどる行路を示す図、第４図は第３図と同様に直径に平
行に向いたビームを用いた長平方向のひび割れの検出を
示す図、第５図及び第６図は夫々長手方向の平面を通っ
た横断面、第５図の平面Ｖｌ−Ｖｌに沿った横断面にお
けるヘッド内の４つのトランジューサの配置を示す図、
第７図はトランジューサの支持体に固定された予備行路
測定用反射器を示す図、第８図はヘッドの構成を示す図
、第９図は第８図のヘッドに接続された回路のブロック
図である。 １０・・・チューブ、１２・・・チューブプレート、１
４・・・ひび割れ、１６．２０．２２．３０・・・超音
波ビーム、１８ａ、１８ｂ、２イ＆、２４　ｂ−）ラン
ジューサ、２６・・・反射器、２８・・・支持体、３２
・・・屈曲式管、３４・・・端部部分、３６・・ボール
、３８・・・ブツシャ、４０・・・ばね、４２・・・管
部分、４６・・・スリーブ、４８・・・エンコーダ、５
ｏ・・・タイミング発生器、５２・・・発生器、５４・
・・マルチプレクサ、５Ｇ・・・受信器、５８７．５８
．．５８３・・・アナログケート、６０・・・同期出力
、６２・・・オシロスコープ出願人　工しクトリシテ　
ドウ　フランス図面の浄吉（内容に変更な１ Ｙランシ゛１−ザ 手 続 ンｍ 正 ｌｋ （方式） ％式％ 発明の名称 チューブの超音波非破壊検査装置 補正をする考 事件との関係　　特許出願人 工しクトリシテ　ドウ　フランス

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）長手方向の軸線を有すると共に、チューブ内に該
   チューブの長手方向の軸線に沿って挿入可能なヘッドと
   、前記ヘッドをチューブ内でセンタリングするセンタリ
   ング手段と、前記ヘッドに前記長手軸線に沿った直線運
   動と該軸線のまわりの回転運動とを伝える運動伝達手段
   とを備え、 前記ヘッドは複数の超音波トランジューサ手段を含んで
   おり、該トランジューサ手段は、流体を介してチューブ
   の壁にバースト波の形の超音波ビームを前記軸線に対し
   て一定角度の方向に送り、該ビームのエコーを検出する
   ように配列されており、 前記トランジューサ手段は、 前記軸線を含んだ平面内で該軸線に直交する方向に対し
   て一定角度で収束ビームを放つ少なくとも１つの第１の
   超音波トランジューサと、前記軸線に直交する線に平行
   に且つ該線から離れた位置に収束ビームを放ち、これに
   よりビームがチューブの壁に対して斜めになる少なくと
   も１つの第２の超音波トランジューサと を備えた、直径に比較して薄い厚みを持つチューブの超
   音波非破壊検査装置。
2. （２）前記ヘッドは前記軸線に直交する平面に関して対
   称に配置された２つの第１の超音波トランジューサを有
   する特許請求の範囲第１項記載の装置。
3. （３）前記ヘッドは前記長手軸線に直交する平面に関し
   て対称に配置された２つの第２の超音波トランジューサ
   を有する特許請求の範囲第１項記載の装置。
4. （４）前記２つの第２の超音波トランジューサは、ヘッ
   ド１回転当たりのヘッドの直線移動距離の半分だけ前記
   長手軸線方向にオフセットされている特許請求の範囲第
   ３項記載の装置。
5. （５）前記ヘッドは、前記長手軸線に直交する平面に関
   して対称に配置された２つの第２の超音波トランジュー
   サを有する特許請求の範囲第２項記載の装置。
6. （６）前記第１及び第２の超音波トランジューサの少な
   くとも１つには、チューブの壁の内側表面でのビームの
   エコーを受信して該エコーを各自のトランジューサに向
   けて反射する反射器が装備された特許請求の範囲第１項
   記載の装置。
7. （７）前記ヘッドは、導入領域のチューブの内外の疵に
   応じて各エコーを分ける範囲ゲートを有する回路に接続
   されており、該ゲートは、前記反射器からのエコーに応
   答して発生した信号に同期している特許請求の範囲第６
   項記載の装置。
8. （８）前記第１及び第２の超音波トランジューサは、各
   該トランジューサから放たれたビームのチューブの壁内
   での角度がチューブの壁に直交する線に対して約４５°
   になるように角度的に配置されている特許請求の範囲第
   １項記載の装置。
9. （９）前記センタリング手段は、前記ヘッド内に保持さ
   れた複数のボールを備えており、該ボールは、前記軸線
   のまわりに角度的に間隔をあけて配置され弾力性ある押
   圧手段によって該ヘッドの放射状外向きに付勢されてい
   る特許請求の範囲第１項記載の装置。