JPH0545141B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、導電性の材料で構成される原子力機
器、蒸気タービン、水車等の構造部材表面のき裂
形状検出方法及び装置に係わり、特にき裂の進展
状態を正確に把握する上で不可欠なき裂形状の検
出を精度よく検出する方法及び装置に関する。

〔発明の背景〕

き裂周辺に電流を流し、き裂をはさんで電圧を
測定することによつてき裂の進展状態を測定する
ようにしたものとして特開昭58−215545がある。
しかし、この方法によれば電流供給端子や電圧測
定端子の取付位置が固定されているためき裂発生
場所が特定位置に決つている場合はき裂の進展状
態を把握することは可能であるが、き裂位置が電
圧測定端子の中央にない場合にはき裂深さの検出
精度は低下するし、またき裂の形状を検出するこ
とは極めて困難であるという欠点があつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、構造部材に生じた表面き裂の
形状を精度良く検出可能な方法及び装置を提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

本発明は、導電性の構造部材表面に給電端子対
によつて直流電流を印加し、給電端子対の間に位
置する電位測定端子により表面のき裂の発生位置
及び形状を検出する方法及び装置に関し、前記電
位測定端子を部材表面に走査させて表面の電位分
布を測定し、電位分布からき裂の発生方向を検出
して、次に検出した前記き裂の方向に沿つて詳細
な電位分布を求め、予め解析して求めておいた
種々の形状のき裂の電位分布のマスターカーブと
前記電位分布とを比較してき裂の形状を決定する
もので、き裂の進展状態を把握する上で不可欠な
き裂形状の検出を精度よく検出できる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を説明する。第１図は
表面き裂近傍での電位分布を示す等電位線図であ
る。これは厚さ20mmの平板にき裂長さ30mm、深さ
15mmの半円き裂がある場合について有限要素法に
より解析して求めた結果で、材質が異なつても電
位の絶対値が変化するだけでその分布形状は不変
なものである。き裂面の電位分布に注目すると、
等電位線はき裂面にもぐり込む。き裂面にもぐり
込む等電位線の数はき裂深さに応じて変化する。
また電位分布はき裂面に対して対象な分布を示す
ことが分かる。即ち、き裂をはさんで電位は逆の
分布を示すことから、き裂位置を判定することは
容易である。勿論、き裂をはさんで電位差を測定
すると、き裂のあるところでは電位差は大きくな
るため検出できる。

次に、き裂周辺の電位分布を計算した結果を第
２図に示す。これは第１図に示したき裂について
求めたもので、き裂からＹ軸方向に１，２，３，
４，５，10mm離れた位置におけるＸ軸方向の電位
分布である。第２図から分かるようにき裂から10
mm離れた位置でもき裂形状はある程度判定するこ
とが可能である。しかし、離れた位置では電位が
ゆるやかに下降しているため、き裂形状の精度良
い検出は困難である。特に表面のき裂先端を特定
するのは困難である。ところが測定位置がき裂に
近付くと表面のき裂先端において電位分布に特異
点が現われるので、表面のき裂先端を決定するこ
とが容易である。また電位はき裂深さに比例す
る。従つてき裂に沿つてき裂の極近傍でき裂先端
の前方から電位分布を測定するか、き裂をはさん
で電位差を測定すればき裂形状を決定できる。

第３図に放電加工によりき裂を模擬したき裂を
いれたSUS304の平板においてき裂から１mm離れ
た位置で測定した電位差とき裂深さとの関係を示
す。き裂のアスペクト比ａ／ｃ（ａ：き裂深さ
ｃ：き裂長さ）は1.0，0.5および0.25である。多
少のばらつきはあるものの電位差はアスペクト比
に無関係にき裂深さに比例する。従つてき裂の形
状はき裂近傍の電位分布を測定するこにより精度
よく検出できる。

第４図に構造部材の表面き裂形状の検出装置の
模式図を示す。表面き裂１１を有する構造部材１
に複数の給電端子対２を介して直流定電流電源３
から直流電流を印加する。測定端子４は給電端子
対２の中央に給電端子対２に平行に複数本を一列
に等間隔で配置してある。給電端子対２と測定端
子４とは、不導体基板（図示せず）に取付け、該
基板を駆動装置５に取付け、走査機構を持つ。測
定端子４間の電位差はスキヤナー６を介して微小
電圧計７で測定する。微小電圧計７の出力はイン
ターフエス８を介してマイクロコンピユータ９に
取り込まれる。取り込んだ電位差は予めマイクロ
コンピユータ９に記憶させたマスターカーブとの
比較演算によりき裂形状を決定する。き裂形状の
結果はＸ−Ｙプロツタ１０に表示される。給電端
子対２と測定端子４を取り付けた基板である探傷
ヘツド（第５図参照）の位置決めは駆動装置５で
行われ、駆動装置５はマイクロコユピユータ９で
制御される。

第５図はき裂形状検出装置の駆動装置５の詳細
図である。駆動装置５は測定端子４と給電端子対
２を備えた探傷ヘツド４０をＺ軸まわりにステツ
ピングモータ５０により回転可能とし、測定端子
４および給電端子対２を部材表面に押し付けるた
めの空気シリンダー４９を具備している。さらに
駆動装置５は探傷ヘツド４０を２次元平面上を移
動可能とするために、Ｘ軸５１及びＹ軸５２の駆
動機構を持ち、おのおのの座標軸はモータ５３，
５３′及び減速機５４，５４′によつて駆動され
る。Ｙ軸５２は側板５５，５５′に固定され、側
板５５，５５′には圧縮空気で作動する吸盤５６
が取り付けてあり、部材表面に駆動装置５を固定
する機能を持つ。Ｘ，Ｙ座標軸駆動用モータ５
３，５３′は位置決め制御装置５７に接続され、
位置決め制御装置５７は計測制御システム５８に
よつて制御される。第５図では探傷ヘツド４０は
例えば後述の第９図に示すような給電端子対２と
測定端子４の配置を採つている。き裂の発生する
方向は部材によつて大体決まつており、給電端子
対２および測定端子４をき裂と平行になるように
設定して、Ｘ軸５１，Ｙ軸５２方向に走査して駆
動装置５の移動可能な材料表面の電位分布を測定
する。き裂が無ければ測定端子２間には電位差は
生じない。き裂のある付近では電位差が生じ、表
面を初めから細かく走査すると測定時間が長大と
なる。そこで最初は探傷ヘツド４０を測定間隔を
粗くして走査して電位分布を求めてき裂の発生位
置を判定し、次にき裂発生位置周辺だけを細かく
走査して詳細な電位分布を求めてき裂形状を決定
すればよい。最初の粗く測定するときの間隔は第
２図でも分かるように10mm以上であつても十分で
ある。

第６図はき裂形状の検出方法の更に具体的な説
明図である。き裂１１を有する構造部材１に直流
電流を流し、その表面での電位分布１４を測定端
子４を走査しながら測定し、コンピユータ９に入
力する。ここでマスターカーブ１７と比較演算を
行い、基本のき裂形状１５ａを決定する。この形
状１５ａを用いてコンピユータ１６により有限要
素法等の数値解析を行い電位分布１７を求める。
これと実測した電位分布１４と比較し、両者が等
しくなるようにき裂形状に１５ｂ及び１５ｃのよ
うに修正を加え、再び計算により電位分布を求め
る。この過程を繰返し、最終的に実測した電位分
布１４と計算から求めた電位分布１７が一致した
ときのき裂１８を表面き裂形状とするものであ
る。この方法によれば複雑な形状のき裂であつて
も精度よくき裂形状を検出することが可能であ
る。

なお、き裂形状が単純なときは、数種類のマス
ターカーブを組合せる方法によつてもき裂形状を
決定することも可能である。

第７図から第１２図は本発明の給電端子対及び
測定端子の配列について実施例を示したものであ
る。

第７図に示すように給電端子対２と測定端子４
は不導体の基板である探傷ヘツド４０に取り付け
られ、給電端子対２の中央に測定端子４を設けて
いる。構造部材にき裂がない場合には測定端子４
は等電位線上にあるため、測定端子４間に電位差
は生じないが、第２図に示したようにき裂が存在
する場合にはき裂周辺の電場の乱れから測定端子
４間に電位差が生じる。この電場の乱れを検出す
るための端子配列の実施例を第８図から第１２図
に示す。

第８図は一組の給電端子対２の中央に測定端子
４を複数個配列したものである。

第９図は電位差を測定する領域に均一な電場を
形成するために給電端子対２を等間隔に複数個並
べて、その中央に測定端子４を設けたものであ
る。

第１０図は給電端子対２による電流密度が同じ
電流密度になる位置に測定端子４が存在するよう
に給電端子対２の中央で、且つ隣り合う給電端子
対２の中央に位置するようにしたものである。

第１１図は電位差の連続的な分布を測定するた
めに、給電端子対２を等間隔に並べた中央に２個
の測定端子４を設け、一方を固定とし、他方を給
電端子対２の中央を直線的に移動可能なものとし
たものである。

第１２図はき裂の発生位置を効率よく検出する
ために第８図に示した端子配列のものに更に測定
端子４の中央に測定端子４と直角方向にき裂発生
位置検出用として測定端子２４を２個設けたもの
である。

以上の第８図から第１２図の給電端子対２およ
び測定端子４の配列はき裂に平行な電位分布を測
定するための配列となつている。

第１３図は給電端子対２を等間隔で平行に配列
し、給電端子対２の中心と測定端子対２５の中心
が一致するように測定端子対２５を等間隔に、且
つそれぞれの測定端子対が隣り合う給電端子対２
の中央にくるように多数配列したものである。こ
のように配置することにより、スキヤニングが不
要になる。

第４図は給電端子、及び測定端子の電極構造を
示したものである。（従来はステンレス鋼や工具
鋼の丸棒の先端を円錐状にしたものを用いてい
た。従つて測定試料が軟らかい材料の場合には測
定試料を傷つけ、また硬い材料の場合には電極の
先端が摩耗するため、測定に当たつては測定位置
を変える度に測定ヘツドを持ち上げては移動しな
ければならなかつた。）測定ヘツドを測定試料に
押し付けたまま連続的に電位差分布を測定できる
ようにしたものである。電極ロツド３１の先端に
円筒３４を設け、その中にバネ３２、銀または銀
箔のスペーサ３９及び鋼球３３が入れてあり、そ
れぞれは電気的に接続されている。この電極構造
によれば鋼球３３が銀のスペーサ３９を介してバ
ネ３２により部材の表面に押し付けられ、且つ電
極の移動に伴い鋼球３３が回転するため、電位分
布測定の際、連続的な測定と測定時間の短縮が可
能となる。

第１５図は電極の他の実施例の構造を示したも
のである。電極ロツド３１の先端に一方を密閉し
た円筒３６を取付け、解放側に銀の膜３８をは
り、その内部を２つの部分にしきり、銀の膜３８
の内側に液体状の物質３７を入れ、他方にバネ３
９を入れる。これにより電極は構造部材の表面状
態に応じて銀の膜３８が変形し、確実な接触が可
能となる。

第１６図は給電端子２１に銀の平板２２を用い
たものである。比抵抗が十分に小さい銀を電極材
料に用いているため、この電極間に平行な電場領
域が確保できるという効果がある。

第１７図は給電端子３１の電極の先端に銀のブ
ラシ３５を設けたものである。これを給電端子と
すればブラシにより接触面積の増大と比抵抗の小
さな銀により給電端子の接触抵抗の低減ができ
る。

第１８図は複数の給電端子対２にそれぞれ独立
した定電流電源２３を設け、それらに流す電流を
制御する制御システムである。このシステムによ
れば給電端子対２の接触状態に関係なく一定電流
を供給できるため、均一な電場が形成できる。

第１９図はき裂形状検出装置の他の実施例を示
したものである。第１９図では第５図と異なり、
直流電流供給のための給電端子１００は探傷ヘツ
ドには設けられておらず、電位分布の測定方法も
異なる。第１９図では給電端子１００は駆動装置
５の側板５５，５５′に等間隔に多数設けてあり、
電極の部分は絶縁して空気作動のシリンダー１０
５の先端に取り付けてある。これにより駆動装置
５の内側では全体が電場が均一となる。電位分布
測定用の測定端子１０１，１０２の中一方の測定
端子１０１は側板５５′に固定してあり、他方の
測定端子１０２は探傷ヘツド４０に取り付けられ
ており、いずれも空気作動のシリンダーにより測
定試料に押し付けられる構造となつている。従つ
て電位分布は一方の測定端子１０２だけを走査す
れば測定できる。このとき測定端子１０２をＹ軸
５２方向に走査すると固定された測定端子１０１
との間の電位差はＹ軸方向の距離に比例して増加
するが、き裂があるところではき裂の前方で電位
差は距離との比例関係よりも大きくなり、き裂の
後方では距離との比例関係よりも小さくなる。こ
のき裂前方および後方との間の電位差からき裂深
さを求めるものである。

第２０図にこの装置を用いて求めたき裂周辺の
電位分布の模式図を示す。ただし、第２０図では
分かり易くするために距離との比例関係からのず
れ、言い換えると基準電位からのずれで電位分布
を表示した。き裂の周辺では電位分布に乱れが生
じるので、最初に測定端子１０２をＸ軸、Ｙ軸方
向ともに粗い間隔で走査して、き裂発生位置を検
出し、次にき裂の周辺、特にき裂の前後の電位差
を測定するとによりき裂の形状を精度よく判定す
るものである。勿論、探傷ヘツド４０に取り付け
る測定端子４は１個でなく、複数個を等間隔で設
けて、一度に数箇所の電位を測定すれば計測時間
を短縮できる。また側板５５′に固定した測定端
子１０１は用いず、探傷ヘツド４０に測定端子４
を等間隔で２列設けておき、これをＸ軸、Ｙ軸方
向に走査して電位差分布を求め、き裂位置とき裂
形状を検出してもよい。

上述の実施例によれば、直流電流を供給する複
数の給電端子対と電位差を測定する複数の測定端
子とから成る探傷ヘツドをき裂を有する構造部材
の表面を走査することにより、これらの電位差の
変化からき裂発生位置が検出でき、次に、そのき
裂に対してき裂方向に直交するように直流電流を
印加し、き裂の近傍でき裂に沿つた電位分布を測
定、或いはき裂をはさんで電位差を測定し、この
電位差から予め求めておいたマスターカーブを用
いてき裂形状を精度よく検出できる。このため、
き裂の進展状態を正確に把握できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、構造部材
表面の電位分布を測定し、これと予め求めておい
たき裂形状の電位分布のマスターカーブと比較す
ることによつてき裂の形状を決定するものである
から、き裂の進展状態を正確に把握する上で不可
欠なき裂形状の検出を精度良く検出できる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図から第２０図は本発明に係わるき裂形状
検出方法及び装置の実施例の説明図で、第１図は
有限要素法の解析によつて求めた表面き裂周辺の
電位分布図で中央の実線がき裂、破線は等電位線
であり、第２図は第１図に示した電位分布のき裂
近傍のき裂に平行な方向の電位分布図、第３図は
ステンレス鋼において得られた各測定位置におけ
る電位差とき裂深さとの関係図、第４図はき裂検
出装置の実施例の概略外観図、第５図は、き裂検
出装置の詳細図、第６図は実施値と解析とから求
めた電位分布より表面き裂形状を決定する手法を
フローチヤートで示す具体的な説明図、第７図は
給電端子対と電位測定端子とからなる探傷ヘツド
の構造図、第８図は給電端子対と電位測定端子の
配置の実施例の平面図、第９図は各端子の配置の
他の実施例の平面図、第１０図は各端子の配置の
更に他の実施例の平面図、第１１図は各端子の配
置の更に他の実施例の平面図、第１２図は各端の
配置の更に他の実施例の平面図、第１３図は各端
子の配置の更に他の実施例の平面図、第１４図は
給電端子と電位測定端子の電極構造図、第１５図
は電極の更に他の実施例の構造図、第１６図は給
電端子の電極構造図、第１７図は給電端子の更に
他の実施例の構造図、第１８図は給電端子毎に独
立した定電流源を有する他の実施例の説明図、第
１９図は給電端子を駆動装置の側板に取付けたき
裂検出装置の実施例の外観図、第２０図はき裂を
有する構造部材表面を走査して得られた電位分布
の模式図である。 １……構造部材、２……給電端子、３……直流
電源、４……測定端子、５……駆動装置、６……
スキヤナー、７……微小電圧計、８……インター
フエース、９……マイクロコンピユータ、１０…
…Ｘ−Ｙプロツター、１１……表面き裂、１４…
…実測より求めたき裂周辺の電位分布、１５……
数値解析を行うための初期き裂形状、１６……コ
ンピユータ、１７……数値解析より求めた電位分
布、１８……最終的に決定したき裂形状、３１…
…電極ロツド、３２……バネ、３３……鋼球、３
４……円筒、４０……探傷ヘツド、４９……空気
作動シリンダー、５０……ヘツド回転用モータ、
５１……Ｘ軸、５２……Ｙ軸、５３，５３′……
モータ、５４，５４′……減速機、５５……側板、
５６……吸盤、５７……位置決め制御装置、５８
……計測制御装置、１００……給電端子、１０
１，１０２……測定端子、１０５……空気作動シ
リンダー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 構造部材表面に供給端子対によつて直流電流
   を印加し、給電端子対の間の電位測定端子によ
   り、き裂を検出する方法において、前記電位測定
   端子を走査させて電位分布を測定し、電位分布か
   らき裂の発生位置及びき裂の発生方向を検出し
   て、次に検出した前記き裂の方向に沿つて電位分
   布を求め、予め解析して求めておいた種々の形状
   のき裂の電位分布のマスターカーブと前記電位分
   布とを比較してき裂の形状を決定することを特徴
   とするき裂形状検出方法。 ２ 直流定電流電源に接続されて構造部材に直流
   の定電流を印加する給電端子対と、前記給電端子
   対の間に配置されて構造部材表面の電位分布を測
   定する電位測定端子と、前記給電端子対または電
   位測定端子の少なくとも一方を取付ける探傷ヘツ
   ドと、探傷ヘツドを定位置に支持する支持部材と
   からなるき裂形状検出装置において、前記探傷ヘ
   ツドを構造部材表面に沿つてＸ−Ｙ方向に移動す
   る駆動装置と、予め解析して求めておいた種々の
   形状のき裂の電位分布のマスターカーブと電位測
   定端子間の電位差を比較してき裂形状を決定する
   マイクロコンピユータと、探傷ヘツドの位置を制
   御する位置決め制御装置及び計測制御系システム
   とからなることを特徴とするき裂形状検出装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の装置において、
   探傷ヘツドに一組の給電端子対と前記給電端子対
   の間に複数個の電位測定端子を直列に取付けるこ
   とを特徴とするき裂形状検出装置。 ４ 特許請求の範囲第２項記載の装置において、
   探傷ヘツドに複数組の給電端子対を並列に取付
   け、更に前記給電端子対の間、及び互いに他方の
   給電端子対の前後の給電端子とを結ぶ間に電位測
   定端子を直列に取付けることを特徴とするき裂形
   状検出装置。 ５ 特許請求の範囲第２項記載の装置において、
   探傷ヘツドに複数組の給電端子対を並列に取付
   け、更に互いに他方の給電端子対の前後の給電端
   子とを結ぶ間に電位測定端子を直列に取付けるこ
   とを特徴とするき裂形状検出装置。 ６ 特許請求の範囲第２項記載の装置において、
   探傷ヘツドに複数組の給電端子対を並列に取付
   け、更に、前記給電端子の間に固定した電位測定
   端子及び給電端子対の間を給電端子と平行に移動
   可能な電位測定端子とを取付けることを特徴とす
   るき裂形状検出装置。 ７ 特許請求の範囲第２項記載の装置において、
   探傷ヘツドの間に複数組の給電端子対を並列に取
   付け、更に前記給電端子の間に直列に電位測定端
   子を取付けるとともに、前記電位測定端子をはさ
   んで一対の電位測定端子を取付けることを特徴と
   するき裂形状検出装置。 ８ 特許請求の範囲第２項記載の装置において、
   探傷ヘツドに複数組の給電端子対を並列に取付
   け、更に前記給電端子対の間に複数組の電位測定
   端子対を取付けることを特徴とするき裂形状検出
   装置。 ９ 特許請求の範囲第２項記載の装置において、
   探傷ヘツドに電位測定端子を取付け、前記測定端
   子の両側の支持部材に複数組の給電端子対を並列
   に取付け、前記電位測定端子と前記給電端子対の
   一方との間の支持部材に電位測定端子を直列に取
   付けることを特徴とするき裂形状検出装置。