JPH0356852A - 超音波検査方法 - 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」 この発明は、超音波を用いて行う非破壊検査方法に係わ
り、特に、原子炉用核燃料棒令構成する燃料彼覆管の健
金性を検査する超笥波検１〜方法に関−４゛る。

「従来の技術」 第１．　１図は、発電用原子炉の一種である加圧水型軽
水炉に装荷される核燃料棒を示すものである。

この図に示すように、核燃料棒は、管状の燃料被覆管ｌ
の内部に複数個の円柱状の二酸化ウラン燃料ペレット２
・・・と、燃料ペレヅト２を押さえるコイルばね３と挿
入し、燃料彼覆管１の両端部をそれぞれ端栓４．４て封
止した構成のものである。

このような核燃料棒においては、その製造工程において
厳密な品質管理が要求される。特に、外観検査では発見
できないような欠陥、例えば、燃料被覆管１の表面に達
しない管内内部に生じているクラック、ボア、介在物等
の欠陥については、その有無を非破壊検査により検査す
る必要がある。

この非破壊検査の一つとして超音波深傷法が知られてい
るが、従来、上記燃料被覆管ｌの健全性を検査する超音
波深傷法の一例として斜角探傷法（一般に、管体の検査
に使用される）が知られている。

これは、燃料被覆管ｌの表面に斜角探触子から斜めに超
音波パルスを放射して、この超音波パルスを燃料被覆管
ｌの内部をジグザグに伝播させ、欠陥に当たって反射し
てきたエコーを探触子て捕らえてエコーの強さで欠陥を
探傷するしのである。

また、−Ｌ記斜角深傷法の他に垂直探傷法がある。

これは、燃料被覆管１の表面に探触子から垂直に超音波
パルスを放射して、燃料披覆管の表面で反射した表面エ
コーと底面で反射した底面エコーとを探触子で捕らえ、
さらに、表面エコーおよび底面エコーに掛からないゲー
トを掛け、燃料被覆管の表面エコー信号と底面エコー信
号との間のエコー信号を測定するものであり、燃料被覆
管ｌの内部に欠陥があった場合、表面エコー信号と底面
エコー信号との間のエコー信号に欠陥エコー信号が現れ
るので、これにより欠陥の仔無を調べることができろと
いうものである。

「発明が解決しようとする課題」 ところが、上記斜角探傷法においては、超音波パルスが
燃料被覆管１内をジグザグに伝播して欠陥に当たって反
射し、この反射パルスが再び燃料披覆管１内をジタザク
に伝播して探触子に戻ってくる途中に反射パルスが大き
く減衰および拡散し易いため、探触子てこの反射パルス
を確実に捕みえ難い。したがって、欠陥のＴ７在を検知
ずろにはかなりの数の方向から探傷しなければならず、
しかも、このようにして欠陥の存在を検知できてし、欠
陥がないとの積極的な保証をずろことはできなかった。

また、上記垂直探傷法において（よ、表面エコー信号お
よび底面エコー信号が、発振パルスの幅やダンピング特
性等により時間幅を持ったものになるので、ゲート信号
が掛けられる範囲は被検査物の肉厚に対して検査領域か
制限されてくる。このため、燃料被覆管のように、肉厚
か薄いものの場合、検査領域の比率が下がって、特に、
表面近傍や底面に近い部分の欠陥を探傷することが困難
である。

加えて、この垂直探傷法では欠陥からの正反ｑｔを期待
しているが、欠陥からの反射エコーの方向性が欠陥によ
ってまちまちであるため、種々の欠陥に対応するには限
度があり、欠陥からの欠陥信号を捕らえたものに対して
は欠陥の存在を明示できるが、欠陥が無いとの積極的な
保証をすることはできなない−Ｌに、欠陥からの正反射
エコーのみを検知することになり、各種欠陥の反射効率
で検出）＝Ｂ　＋ｚが左右されるという問題かあ。た。

「発明の目的」 この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、欠
陥の有無を容易かつ確実に検知して、被検査物の健全性
を検査することができる超音波検査方法を提供すること
を目的としていろ。

１３８を解決するための手段」 上記目的を達成するために、この発明の超音波検査方法
は、被検査物に、探触子から超音波パルスを垂直に放射
し、被検査物の表面で反射した表面エコーと、底面で反
射した底面エコーとを上記探触子で捕らえ、これら表面
エコーおよび底面エコーにそれぞれ表面エコー抽出ゲー
トおよび底面エコーｒ＋ｈ出ゲートを掛け、ゲートが掛
けられた表面エコー信号と底面エコー信号とを評価する
ことにより上記被検査物の健全性を検査することを特徴
としている。

「作用ｊ この発明の超音波検査方法にあっては、正常非検谷物に
対し垂直探傷で表面エコー信号と底面エコー信号がほぼ
同じ位になる様に探傷条件を設定した時、被検査物の表
面で反射した表面エコーと、底面で反射した底面エコー
にそれぞれ表面エコー抽出ゲートおよび底面エコー抽出
ゲートを掛けたので、表面エコー信号および底面エコー
信号をボ確に抽出することができろ。被検査物の内部に
欠陥が存在していた場合、超音波パルスの太郎分は欠陥
部で拡散反射し、残りの一郎はこの欠陥部を透過むよび
回折して底面に達する。この底面で反射した底面エコー
は、さらに上記欠陥部でその大部分が拡故反射され、残
りの一部分が欠陥部を透過皮び回折して探触子に戻って
くる。したがって、この底面エコー信号のピーク値が表
面エコー信号のピーク値に比べ、格段に小さくなるか、
もしくはほとんど無くなるので、これにより、欠陥のｆ
７在を検知することかできる。

一方、欠陥が存在しない場合、被検査物に放射された超
音波パルスか被検査物の内部で拡散反射されることかな
く、底面で反射した底面エコーら拡牧反０・１されろこ
とかＧいので、底面エコー信号のピーク１７７．が表面
エコー信号のピーク値とほぼ等しくなり、これにより、
欠陥が無いことを保証することができる。また、管内面
に傷（へこみ、肌浣れ等）かあると、底面での反射時の
正反射分が減るため、底面エコービータ信号が小さくな
る。

なお、底面エコーの強度変化は被検査物へ入射された超
音波パルスが強くなればそれだけ強い底面エコー信号を
感知し、誤検知の可能性がでてくるが、これを防＋Ｌず
るために表面エコー信号をモニターし、その変化を見て
いくことにより、この誤検知の可能性をぢくすることが
できる。まｆこ、表面エコー信号は被検査物の表面状態
によっても変化する！コめ表面の高感度のセンサの役割
ら果たす。

「実施例」 以下、この発明の超音波検査方法の−尖施例を第１図な
いし第・１図を参照して説明する。

第１図｝よ、この発明の超音波検査方法を吏施ずるため
の装置の眼略構成を示す乙のであり、図において符号１
０は表示器としてブラウン管を有する超音波探傷装置本
体、ｌ２は圧電素子（７？Ｘ気音響変換素子）によって
構成されろ探触子てあり、これらはケーブルｌ３を介し
て接続されている，また１４は水が注入された水槽であ
り、この水｛１７１４の一側面に形成された挿入口１４
ａから燃科披覆管１が挿入され、他側面に形成された排
出１」１４ｂから取り出されるようになっている。

そして探触子１２を水槽４内の水中にその軸線を燃料被
覆管ｌの軸線に直交させて配置し、第２図に示すように
、探触子ｌ２の先端から燃料被覆管ｌの表面に垂直に超
音波バルスＰを放射する。

この超音波バルスＰは、水を媒体として燃料彼覆管１の
表面まて伝播し、その表面Ｓで反射した表面エコーＳＰ
は、水中を放射時とは逆方向へ伝播して再び探触子１２
まで戻ってくる。

一方、燃料披覆管１の表面Ｓに達した超音波パルスＰの
一部は燃料被覆管ｌの内部に進入して行くが、その進入
方向に欠陥が存在していた場合と、存在していなかった
場合とについて説明する。

，１−ｕわち、欠陥が存在していた場合、燃料被覆管ｌ
の内部を進行しｒこ超音波パルスＰの大部分は欠陥部Ｆ
で拡故反射し、この欠陥部Ｆで正反射した欠陥エコーＦ
ｌｆよ燃料被覆管ｌ内を放射時とは逆方向へ伝播し、さ
らに水中を伝播して再び探触子１２に戻ってくる。

まｆコ、欠陥部Ｆに達した超宿波バルスＰの残りの−１
１；シナ：１欠崩部Ｆを透過して燃料被覆管１の内１，
１面（底面）Ｂて反射し、この底面Ｂで反射した底面エ
コーＢＰ，は放射時とは逆方向に伝播し、再び欠陥部Ｆ
でその大部分が拡散反射し、残りの一部分かこの欠陥部
Ｆを透過して伝播し、さらに水中を伝播して探触子ｌ２
に戻ってくる。

このように、探触子ｌ２から超音波パルスＰを燃料彼覆
７７ｌに放射すると、この探触子１２に、表而エコ−Ｓ
Ｐ．欠陥．Ｉ．コ−Ｆ，、底而工Ｏ　−　Ｂ　Ｐか順次
戻ってくるが、表面エコーＳＰと、底面エコーＢＰ．に
それぞれ表面エコー抽出ゲートおよび底面エコー抽出ゲ
ートを掛けて、表面エコー信号と底面エコー信号をそれ
ぞれブラウン管２に表示する。この場合、第３図、第３
図Ａおよび第３図Ｂに示すように、表面エコー信号には
ピークが現れるが、底面エコー信号には、底面エコーＢ
Ｐ，の大部分が上記欠陥部Ｆにおいて拡散反射されるた
めピークが現れない。したがって、この底面エコー信号
と表面エコー信号とを比較することに上り、燃料被覆管
ｌの内部が正常でべいことを検珀４−ることかできる。

また、欠陥部Ｆが大きくなるに伴い、底面エコー信号の
強度が小さくムるので、欠陥ｉ！ｆ＜Ｆの大きさらある
程度認識することができる。

また、上記の操作に加えて、表面エコーＳＰと底面エコ
ーＢＰｌとの間にこれらに掛からないゲートを掛け、表
面エコー信号と底面エコー信号との間のエコー信号を７
４１１１定する。この場合、第３図Ｃに示すように、欠
陥エコー信号が現れるので、これにより欠陥の有無を確
認４−ることかてきるか、これは、欠陥が表面波の影響
を受けない燃料被覆管Ｉの厚さ方向にあった場合に確認
できろしのであり、欠陥が表面波の影響下にある表面の
近くにある場合、欠陥エコーが表面波のテールに掛かっ
て欠陥信号を分離できなく、安定した探傷はできず、あ
くまでも確認のために行ったものであり、本発明の趣旨
とするところではない。

一方、欠陥が存在していなかった場合、燃料彼覆管ｌの
内部を進行した超音波パルスＰは底面で反射し、この底
面で反射した底面エコーＢＰ．は燃料披覆管！内を放射
時とは逆方向へ伝播し、さらに水中を伝播して再び探触
子１２に戻ってくる。

このように、探触子１２から超音波パルスＰを燃料彼覆
管ｌに放射すると、この探触子１２に、表而エコーＳＰ
、底面エコーＩＭＰ．が順次戻ってくるが、これら表面
エコーＳＰと、底面エコーＢＰ１にそれぞれ表面エコー
抽出ゲートおよび底面エコー抽出ゲートを掛けて、表面
エコー信号と底面エコー信号をそれぞれブラウン管２に
表示する。この現含、第４図、第・１図Ａおよび第４図
Ｂに示すように、表面エコー信号に｝よビークが現れ、
底面エコー信号に乙、−Ｌ記の上うに底而エコー１３　
Ｐが欠陥部Ｆにおいて拡散反射されることがないためピ
ークが現れる。この底面エコー信号のピークは表面エコ
ー信号とほぼ同等かあるいは若干小さく出るように設定
してあるので、この底面エコー信号と表面エコー信号と
を比較することにより、燃料彼覆管１の内部の欠陥が無
いことを保証４−るこどができる。ま７二、検査する燃
料被覆管１の表而Ｓの面粗度が規洛値より高い場合、ｌ
記表面エコーＳ　Ｐの表面Ｓての散乱か大きくなるので
、表面エコーＳＰのパルス信号のピーク値か、設定した
基準値より低くなる。したがって、表面エコーＳＰのパ
ルス信号を検出することにより、燃料被覆管１の表面の
而徂度を検査することもできろ。

そして、このようム検査を燃料被覆管１を回転させ、さ
らに探触子１２あるいは燃料被覆管１をその軸線方向に
移動させて行うことに上り、燃料被覆管ｌの全周面に亙
って欠陥の有無を調べ、燃料ｖｉ．覆管ｌの健全性を検
査する。

上記の超音波検査方法によれば、燃料披覆管ｌの表而Ｓ
に、探触子ｌ２から超音波パルスＰを垂直に牧ｑ・１シ
、燃科披覆管ｌの表面Ｓで反射した表面エコーＳＰと、
底而Ｂて反射した底面エコーＢＰ　ｌとを探触ｒ−１２
で捕らえ、これら表面エコーＳＦ’　Ｊ；よび底而エコ
ーＩ３Ｐ．にそれぞれ表面エコー抽出ゲートおよび底而
エコー抽出ゲ・一トを掛けたので、表面エコー信号およ
び底面エコー信号を正確に抽出することができる。燃料
被覆管ｌの内部に欠陥が存在してＬ）た場合、超音波バ
ルスＰの人部分は欠陥部Ｆで拡散反Ｑ・１シ減衰する。

残りの−・部はこの欠陥部Ｆを透過して底而に達し、こ
の底而Ｂを反射した底面エコーＢＰ．は、さらに上記欠
陥部Ｆでその大部分が拡散反射され、残りの一部分が欠
陥郎Ｆを透過して探触子に戻ってくる。

したがって、この底面エコー信号のピーク値が表面エコ
ー信号のピーク値に比一・、格段に小さくなるか、らし
くはほとんど無くなるので、これにより、欠陥の存在を
検知することができろ。一方、欠陥が存在しない場合、
燃料披覆管Ｉに枚射ざ杷た超音波バルスＰが燃料被覆管
の内部で拡散反射されることかなく、底面Ｂを反射した
底面エコーＢ　Ｐ　，し拡散反射さイ１ることか少ない
ので、底面エコー信号のピーク値が表面エコー信号のピ
ーク値と：王ぼ等し＜ム；フ、これにより、欠陥が無い
ことを保証することがてきる。よって、燃料披覆管ｌの
内部の欠陥の有無を確実に検知して、燃料被覆管１の健
全性を容易かつ確実に検査することができる。また、管
内而にへこみ等の欠品かある場合には底而Ｂて反Ｑ＝ｔ
ケるとき、その正反射”；’Ｅｈ＜減るため、底面エコ
ー信号が減少する。このことにより管内而の欠陥に対し
ても有効である。

「実験例」 次に、実験例を挙げてこの発明の超音波検査方法の効果
をより明確にする。

各種欠陥により６踵類の彼険査物を用意して、それぞれ
の被検査物にこの発明の超音波検査方法を適用した。

そして、表面エコーおよび底面エコーにそれぞれ表面エ
コー抽出ゲートおよび底面エコー抽出ゲートを掛け、ゲ
ートが掛けられた表面エコー信号Ｓ　Ｐと底面エコー信
号ＢＰのピークの高さを調べるとともに、表面エコーと
底面エコーとに掛からないゲート信号を掛け、表面エコ
ー信号と底面エコー信号との間に生じる欠陥エコー信号
Ｆｌのピークの高さを調べた。その結果を第１表に示す
。

また、上記被検査物の超音波深傷による表面、欠陥、底
面エコーの信号およびゲートを掛けた後の信号を第５図
ないし第１０図に示す。なお、各図と各信号は次頁の第
２表に示すように対応している。

第 ２ 表 上記第１表および図から明らかなように、欠陥がない被
検査物では、底面エコー信号ＢＰに顕著なピークが現れ
ており、欠陥エコー信号Ｆｌにはピークが現れていない
。

中央部に欠陥がある被検査物では、底面エコー信号ＢＰ
にピークが現れておらず、欠陥エコー信号Ｆ１にピーク
が現れている。

表面直下部および深部（底面近傍）に欠陥がある被検査
物では、底面エコー信号ＢＰにピークが現れておらず、
欠陥エコー信号Ｆｌにもピークか現れていない。これは
、従来の垂直探傷法で、探｛３ずることができない表面
および底面近傍の欠陥を探傷することができることを意
味している。

割れ欠陥がある被検査物では底面エコー信号Ｂ１）にピ
ークが現れておらず、欠陥エコー信号Ｆ１にピークが現
れている。

以Ｊ二のように、被検査物に欠陥がある場合、表而エコ
ー信号Ｓ　ＩＩ）にピークが現れているにもかかわらず
、底面エコー信号ＢＰに全てピークが現れないか、また
は小さいので、被検査物の全肉厚に勺：一）て欠陥の有
無を確実に検知して、被検査物の健全性を容易かつ確実
に検査することかできる。

１−゛発明の効果」 以−Ｌ説明したように、この発明の超音波検査方法によ
れば、被検査物の表面に垂直に超音波パルスを放射し、
表面で反射した表面エコーと、底面て反射した底面エコ
ーにそれぞれ表面エコー抽出ゲートおよび底面エコー抽
出ゲートを掛けたので、表面エコー信号および底面エコ
ー信号を正確に抽出することができる。被検査物の内部
に欠陥が存在していた場合、底面エコーの大部分が欠陥
部で拡故反射されるので、この底面エコー信号のピーク
値が表面エコー信号のピーク値に比べ、格段に小さくな
るか、もしくはほとんど無くなるので、これにより、欠
陥の存在を検知することができ、一方、欠陥が存在しな
い場合、底面エコーが拡牧反射されることがないので、
底面エコー信号のピーク値が表面エコー信号のピーク値
とほぼ等しくなり、これにより、欠陥が無いことを保証
ずろことができる。よって、被検査物の内部の欠陥の有
無を確実に検知して、被検査物の健全性を容易かつ確実
に検査することができる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図ないし第４図はこの発明の超音波検査方法の一実
施例を説明するためのものであり、第１図は超音波探傷
装置の概略構成図、第２図は探触子から燃料被覆管に超
音波パルスを放射している状態を示す断面図、第３図は
内部に欠陥がある燃料被覆管における超音波パルスのパ
ルス信号を示す図、第３図Ａはゲートを掛けた後の表面
エコー信号を示す図、第３図Ｂはゲートを掛けｎ後の底
面エコー信号を示す図、第３図Ｃはゲートを掛けた後の
欠陥エコー信号を示す図、第４閏は欠陥がない燃料被覆
管における超音波パルスのパルス信号を示す図、第４図
Ａはゲートを掛けた後の表面エコー信号を示す図、第４
図Ｂはケートを掛けた後の底面エコーｆ３号を示す図、
第４図Ｃはゲートを掛けた後の欠陥エコー信号を示す図
、 第５図ないし第１０図は、実験例における表面、底面お
よび欠陥エコー信号を示す図、第１ｌ図は核撚ｔ＋棒の
断面図である。 １・・・・・燃料被覆管（被検査物）、ｌ２・・探触子
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被検査物に、探触子から超音波パルスを垂直に放射し、
   被検査物の表面で反射した表面エコーと、底面で反射し
   た底面エコーとを上記探触子で捕らえ、これら表面エコ
   ーおよび底面エコーにそれぞれ表面エコー抽出ゲートお
   よび底面エコー抽出ゲートを掛け、ゲートが掛けられた
   表面エコー信号と底面エコー信号とを評価することによ
   り上記被検査物の健全性を検査することを特徴とする超
   音波検査方法。