JPH0772121A - 金属材料の劣化検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高温環境下で使用する含フェライト系ステンレ
ス鋼等の金属材料の実機部材の脆化の程度を非破壊的に
かつ精度よく検知する。 【構成】超電導励磁コイル２３の超電導状態を維持する
ために冷却材１３０を充填する非磁性材料からなり、か
つ外部と断熱された容器１１０を被測定体１の表面に配
置し、容器１１０中にコイル２３を位置せしめ、コイル
２３の中央に低温で動作可能な磁気センサ３１を置く。
冷却材１３０は再循環され、容器１１０及びコイル２３
の外側には磁気シールド１００，１１０が配される。 【効果】小形の励磁コイルで強力な磁場が得られるの
で、局所の劣化診断評価が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、劣化検査装置に係り、
特に、化学プラント及び原子力プラント等の高温環境下
で使用される含フェライト系ステンレス鋼等の金属材料
の実機部材における高温時効脆化損傷の検知に好適な測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の脆化測定方法の例としては、特開
昭５４−６１９８１号公報、特開昭６１−２８８５９号
公報に記載のような方法がある。この内特開昭５４−６
１９８１号公報では、オーステナイト系ステンレス溶接
金属の脆化の有無を初期のδフェライト量が５％以上減
少したことで判定するとしてある。◆特開昭６１−２８
８５９号公報は、被測定体の磁気特性の変化によって劣
化を検知する方法を提案する。

【０００３】尚、この他に測測定体の磁気特性を利用し
てその組織状態を監視する方法として特開昭５６−１６
８５４５号公報記載の技術が、また磁気特性自体の検知
に関するものとして特開昭５９−１０８９７０号公報記
載の技術が、夫々提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記特開昭５４−６１
９８１号公報記載の従来技術では、高温で使用される金
属材料の内で、特に、含フェライト系ステンレス鋼を例
にとれば、高温長時間の使用により時効脆化を起こすこ
とが、すでに知られている。これは、およそ６００℃以
上の比較的高温においては、σ相の析出に起因するσ脆
化が生じ、また、４００℃から５００℃の範囲では、い
わゆる４７５℃脆化が生じることによる。しかし、４７
５℃脆化は、４００℃以下の温度範囲においても長時間
使用中に生じうる可能性があり、含フェライト系ステン
レス鋼の実機部材の高温での使用には十分の配慮が必要
である。

【０００５】しかしながら、上記従来技術は、５００℃
以下の脆化については配慮されておらず、４７５℃脆性
の程度を検出できなかった。◆また、実機溶接部の初期
フェライト量は溶接位置で異なり、ばらつきも大きい。
さらに、実機では、溶接箇所が膨大であるため、全部の
溶接部及び機器材料の初期フェライト量を全て監視する
ことは困難である。すなわち、従来技術は、初期フェラ
イト量が不明な箇所には適用できないため、実機で実用
化できないという問題があった。

【０００６】一方、渦流検査法（Ｅｄｄｙ Ｃｕｒｒｅ
ｎｔ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ 以下ＥＣＴという）の
例としては、特開昭５５−１４１６５３号公報記載の技
術がある。この従来例は、被測定材のＥＣＴ値と使用前
の被測定体、あるいはそれと同種材質の材料を被測定体
の初期熱処理と同様の熱処理を施したもののＥＣＴ値を
比較し、その値が正か負かによって鉄基合金の劣化状態
を判定する方法を示している。

【０００７】しかし、正負によって判定するのみである
から、定量的な測定はできなかった。 この他、特開昭
６１−２８８５９号公報提案の技術では、磁気特性の初
期値を測定しておく必要があり、特開昭５９−１０８９
７０号、同５６−１６８５４５号各公報提案の技術は単
に材料特性の測定に止まり劣化検知には流用できない。

【０００８】本発明の目的は、高温環境下で使用する含
フェライト系ステンレス鋼等の金属材料の実機部材の脆
化の程度を非破壊的にかつ精度良く検知できる装置を提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、材料の時効
劣化に伴って変化する材料の磁気的な特性を測定するこ
とにより材料の劣化の程度を判定することができる。材
料の磁気特性を示す代表例として挙げ得る磁気ヒステリ
シスの形態は、材料の劣化の程度とよく対応している。
すなわち、この磁気特性の変化から金属材料等の被測定
体の劣化の程度を推定できる。また、重回帰分析等の統
計的データ処理により高い相関で金属材料の劣化の程度
を推定できる。

【００１０】被測定体を効率良く励磁するためには、励
磁コイルに超電導材料のコイルを採用することも考えら
れる。◆また、磁界の検出には検出コイルと積分器の代
わりに高精度の磁気測定が可能な超電導量子干渉素子あ
るいは半導体のホール素子の磁気センサ装置を用いて行
うこともできる。

【００１１】本願第１番目の発明は、被測定体に磁場を
印加し、それによって前記被測定体に生じた磁気の変化
から劣化を検出する金属材料の劣化検査装置において、
前記被測定体の磁気特性を検出する磁気測定装置の励磁
コイルに超電導コイルを備え、励磁コイルの中央に低温
でも動作する磁気センサを配置し、全体を防水型断熱容
器に封入し、冷却材を循環させるタイプの超電導システ
ム冷却装置を備えた励磁システム及びセンサシステムを
特徴とする。

【００１２】本願第２番目の発明は、被測定体の一部か
ら採取した極小試験片の劣化度を評価する装置におい
て、前記極小試験片の磁気特性を検出する磁気測定装置
の励磁コイルに超電導コイルを備え、励磁コイルの中央
に差動型超電導ピックアップコイルを配置した超電導量
子干渉素子磁気センサを備え、差動型超電導ピックアッ
プコイルの内部を外部から試験片が挿入可能な空間を設
けて、他の全体を防水型断熱容器に封入し、冷却材を循
環させるタイプの超電導システム冷却装置を備えた金属
材料の劣化評価装置を特徴とする。

【００１３】本願第３番目の発明は、原子炉機器材料の
劣化を磁気的に診断するにおいて、原子炉炉内機器を検
査するため、原子炉格納容器上部のクレーンから検査装
置を釣下げためのケーブルと原子炉圧力容器炉壁に検査
装置を固定するための吸盤と検査装置を３次元に走査す
る機能を備えた防水型検査駆動装置を特徴とする。

【００１４】本願第４番目の発明は、原子炉一次系統配
管材料の劣化を磁気的に診断するにおいて、配管を軸方
向に移動するための駆動機構と周方向に検査装置を走査
するための駆動機構からなり、磁気のノイズを低減する
磁気シールドを備えた検査駆動装置を特徴とする。

【００１５】（磁場印加手段）代表的な磁場印加手段と
しては励磁コイルが挙げられる。

【００１６】（磁気特性）代表的な磁場特性は磁気ヒス
テリシス特性である。◆例えば磁気ヒステリシスループ
の複数パラメータ（磁気ヒステリシスループ面積、残留
磁束密度、飽和磁化等）を検出し、予め求めておいた磁
気ヒステリシスの複数のパラメータの変化と金属材料の
劣化の関係の重回帰分析等の統計的データ処理により前
記被測定体の劣化の程度を判定するデータ処理演算装置
を用いることが有効である。

【００１７】また、他の例として、磁気ヒステリシスル
ープの複数のパラメータ（磁気ヒステリシスループ面
積、残留磁束密度、飽和磁化等）を検出して材料の処女
材の状態のばらつきを正規化し、予め求めておいた磁気
ヒステリシスの複数の正規化したパラメータの変化と金
属材料の劣化の関係のデータ処理により前記被測定体の
劣化の程度を判定するデータ処理演算装置を用いること
も有効である。

【００１８】（未使用材）本明細書において未使用材と
は当該材料の未使用状態のもの、即ち処女材、受入れ材
を意味する。未使用材（受入材、初期状態）の磁気特性
は例えば初期フェライト量が目安となる。

【００１９】（付帯設備）例えば消磁装置が挙げられ
る。即ち測定体を消磁する消磁装置を備え、消磁後に励
磁する励磁力を変えて複数の磁気ヒステリシスループを
求め、起磁力の変化に伴う磁気ヒステリシスループの複
数のパラメータ（磁気ヒステリシスループ面積、残留磁
束密度、飽和磁化等）の変化を検出して、この変化によ
る金属材料の劣化を判定するデータ処理演算装置を用い
ることが有効である。

【００２０】また、例えばフィードバック制御型励磁装
置が挙げられる。即ち、測定する磁気ヒステリシスルー
プの最大磁束密度を設定し、励磁する起磁力を高精度に
フィードバック制御して材料の磁気ヒステリシスループ
検出するフィードバック制御型励磁装置を具備すること
が望ましい。

【００２１】（演算装置）使用に好適なデータ処理演算
装置の代表例は、磁気ヒステリシスループの形態と金属
材料の劣化度の対応を求めたデータベースにより、測定
した被測定体の磁気ヒステリシスループを正規定し、そ
の形態が最も近いデータベースの磁気ヒステリシスルー
プの劣化度を被測定体の劣化度と判定するデータ処理演
算装置である。より具体的には被測定体の材料の飽和磁
化まで励磁して求めた磁気ヒステリシスループの形態と
金属材料の劣化度の対応を求めたデータベースにより、
測定した被測定体の磁気ヒステリシスループを正規化
し、その形態が最も近いデータベースの磁気ヒステリシ
ステループの劣化度を被測定体の劣化度と判定するデー
タ処理演算装置である。

【００２２】他に例えば、フーリエ変換により磁気ヒス
テリシスループの高調波歪成分を検出し、前記高調波歪
成分の値の変化から金属材料の劣化を判定するデータ処
理演算装置も有効である。

【００２３】（劣化の目安）劣化の目安は本明細書中に
詳述するが、例えば金属材料の組織変化に伴う破壊靭性
値の低下の推定が便利である。

【００２４】（磁気センサ）磁気センサとしては、超電
導量子干渉素子が最適である。例えば磁気センサ装置に
精密な磁気変化を捕らえる為の超電導量子干渉素子を用
いた励磁システム及びセンサシステムの使用が簡便であ
る。

【００２５】

【作用】金属材料は一般に高温環境中で長時間使用する
と内部組織に変化を生じ、強度が低下する。特に含フェ
ライト系ステンレス鋼において顕著であるように、高温
時効の熱処理時間の増加に伴い強度は低下する。

【００２６】本発明者らは、含フェライト系ステンレス
鋼等の金属材料の高温加熱による脆化について種々検討
した結果、高温時効に伴い、金属材料の電気抵抗率ρや
透磁率μなどの電磁気的特性及び硬さや金属組織などの
機械的性質も変化することを発見し、本発明に至った。
特に、材料の高温時効脆化と磁化特性の変化とがよく対
応することを見出し、受入れ材（未処理材）と高温処理
材の磁気ヒステリシスの測定結果では、被測定体は脆化
の程度により磁気ヒステリシスループの面積（磁気ヒス
テリシスロス）や残留磁束密度等に変化が生じているこ
とを見出した。すなわち、この現象を利用すれば、含フ
ェライト系ステンレス鋼等の金属材料の脆化の進行程度
を精度良く検知することができることになる。

【００２７】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。◆ （第１実施例に係る全体システム）図１は、本発明によ
る金属材料の劣化検査装置を実施するためのシステム構
成の一例を示したものである。この図において、１は原
子力プラント等に用いられる機器あるいは配管等の被測
定体である。２は前記被測定体１を励磁するための励磁
システムであり、３は磁気を検出するための磁気センサ
システムである。４は磁化コントローラユニット、５は
データ処理ユニット、６は劣化度演算ユニット、７はデ
ータベース、８は表示ユニットである。９は励磁システ
ム２及び磁気センサシステム３の走査駆動装置、１０は
走査駆動制御装置である。

【００２８】被測定体１の表面には励磁システム２及び
磁気センサシステム３に対向配置してある。励磁システ
ム２及び磁気センサシステム３を走査するための走査駆
動装置９は、走査駆動制御装置１０に接続されており、
制御を受ける。

【００２９】励磁システム２及び磁気センサシステム３
は、磁化コントロールユニット４に接続され、励磁及び
磁気検出の測定及び制御を受ける。励磁及び磁気検出の
データは、磁気コントローラユニット４に取り込まれ、
最適磁化状態の設定がなされる。このデータは、データ
処理ユニット５で各劣化パラメータごとに処理される。
データ処理ユニット５で処理された各劣化パラメータご
とのデータは、予め求めておいた材料のデータベース７
に基づいて劣化度演算ユニット６にて比較演算され、前
記被測定体１の劣化度が判定される。この結果は、表示
ユニット８に出力される。

【００３０】（励磁システム及び磁気センサシステムの
例）励磁システム２及び磁気センサシステム３の詳細を
図２に示す。励磁システム２は、励磁する磁化電流の波
形を制御するための波形制御型発振器２１とこれを増幅
するためのアンプ２２、被測定体１を磁化するための励
磁コイル２３からなる。アンプ２２からは、励磁コイル
２３の起磁力の信号が出力される。この信号は磁気コン
トローラユニット４に取り込まれる。励磁コイル２３及
び被測定体１を通る磁束Ｂは磁気センサ３１で検知す
る。磁気センサ３１の出力は、変換器３２を介して磁気
コントローラユニット４に取り込まれる。

【００３１】（磁化コントローラユニットの例）磁化コ
ントローラユニット４の詳細を図３に示す。磁化コント
ローラユニット４は、磁化ヒステリシスループ合成装置
４０、磁束密度入力インターフェイス装置４１、起磁力
入力インタフェイス装置４２、磁気特性出力メモリ装置
４３、基準値設定装置４４及び差動増幅制御装置４５か
らなる。

【００３２】被測定体１を励磁するための励磁システム
２の起磁力は、起磁力入力インターフェイス４２を介し
て磁気ヒステリシスループ合成装置４０に取り込まれ
る。また、起磁力によって誘起される磁束を検知するホ
ール素子や検知コイルと積分器等からなる磁気センサシ
ステム３の出力は、磁束密度入力インターフェイス送置
４１介して磁気ヒステリシスループ合成装置４０に取り
込まれる。これらのデータは、磁気ヒステリシスループ
合成装置４０で磁気ヒステリシスループに合成される。
この磁気ヒステリシスループは、基準値設定装置４４に
予め設定された条件と比較され、その差分が差動増幅制
御装置４５で増幅され、励磁システム２にフィードバッ
クされ、最適な励磁状態に設定される。この時の磁気ヒ
ステリシスループのデータは、磁気特性出力メモリ装置
４３を介して出力される。

【００３３】（走査駆動装置の例）図１における励磁シ
ステム２及び磁気センサシステム３を走査するための駆
動装置９の詳細を沸騰水形原子炉に適用した実施例につ
いて図４及び図６を用いて説明する。

【００３４】図４は、沸騰水形原子炉の断面図のであ
る。６００は原子炉格納容器、６１０は原子炉圧力容
器、６１１は制御棒、６１２は再循環給水ポンプ、６１
３は一次系配管、６１４は炉心、６１５は炉水である。
原子炉格納容器６００の上部にはクレーン６２０があ
る。このクレーン６２０に走査駆動装置９が釣り下げら
れてあり、原子炉圧力容器６１０の炉水６１５中の内壁
に走査駆動装置９が配置されている。走査駆動装置９は
ケーブル９００で原子炉格納容器６００の外に配置され
た制御装置９１０等に接続され、遠隔操作で動作する。

【００３５】図６は、原子炉圧力容器内壁点検Ｘ−Ｙ走
査型駆動装置の一例である。走査駆動装置９は、４本の
支柱を持つフレーム８９１、原子炉圧力容器６１０の内
壁に固定するための吸盤８９２及び真空ポンプ８９３と
フレーム８９１をＸ軸上に移動するためのＸ軸モータ８
９５、ギアボックス８９６及び駆動シャフト８９８並び
にＹ軸上に移動するためのＹ軸モータ８９７、ギアボッ
クスを備えたエアシリンダ８９９及び駆動シャフト８９
４からなり、エアシリンダ８９９の先端には励磁システ
ム２及び磁気センサシステム３が装備してある。

【００３６】他の実施例として沸騰水形原子炉の配管系
に適用した例について図５、図７及び図８を用いて説明
する。◆図５は、図４と同様の沸騰水形原子炉の断面図
である。走査駆動装置９は一次系配管６１３に配置され
ている。走査駆動装置９はケーブル９００で原子炉格納
容器６００の外に配置された制御装置９１０等に接続さ
れ遠隔操作で動作する。

【００３７】図７は一次系配管６１３を示したものであ
る。配管の母材６３０にはＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６
Ｌのオーステナイト系ステンレス鋼材が用いられ、配管
の溶接部６３１にはＳＵＳ３０８等の溶接棒が用いられ
る。このため、配管の溶接部６３１はオーステナイト相
とフェライト相が混在する２相金属組織状態になってい
る。

【００３８】図８は、原子炉配管系点検用駆動装置の一
例である。走査駆動装置９は、２分割可能な固定リング
８１０と一次系配管６１３の周方向に回転可能な回転リ
ング８１１からなる。固定リング８１０には、軸方向駆
動モータ８２０、ギアボックス８２１及び位置検出用エ
アコーダ８２６、８２７からなる３組の軸方向移動機構
がある。軸方向の移動量は、ローラ８２４及び位置検出
用エアコーダ８２６、８２７で検出し、軸方向移動機構
にフィードバックされる。回転リング８１１は、複数の
プーリ８２５により固定リング８１０に保持され、周方
向の位置検出機能を備えた周方向回転モータ８２３で駆
動する。回転リング８１１の一部には励磁システム２及
び磁気センサシステム３が装備したヘッド部８５０があ
る。なお、駆動モータ８２０、８２３、エンコーダ８２
６、８２７、及びヘッド部８５０には磁気測定に磁気ノ
イズが影響しないように磁気シールドが施こされてあ
る。

【００３９】（原理説明）本実施例の動作原理を図９、
図１０、図１１を用いて説明する。◆金属材料は、図９
に示すように高温環境中で長時間使用すると、内部組織
に変化を生じ、強度が低下する。図１２に含フェライト
系ステンレス鋼の４７５℃熱処理を施こした時効材のシ
ャルピー衝撃試験結果を示す。高温時効の熱処理時間の
増加に伴い強度が低下している。

【００４０】発明者らは、含フェライト系ステンレス鋼
等の金属材料の高温加熱による脆化について種々検討し
た結果、高温時効に伴い、金属材料の電気抵抗率ρや透
磁率μなどの電磁気的特性及び硬さや金組織などの機械
的性質も変化することがわかった。特に、図１０、図１
１に示すように、材料の高温時効脆化と磁化特性の変化
とがよく対応することを見出した。図１０、図１１の受
入れ材と高温熱処理材の磁気ヒステリシスの測定結果で
は、被測定体は脆化の程度により磁気ヒステリシスルー
プの面積（磁気ヒステリシスロス）や残留磁束密度等に
変化が生じていることを見出した。この現象を利用し
て、特に含フェライト系ステンレス鋼等の金属材料の脆
化の進行程度を精度良く検知できる。

【００４１】（動作手順の例）さて、上記図１〜図８に
示す如く構成したシステムにおいて、本発明の測定動作
の例を図１３のフローチャートにより説明する。

【００４２】ステップ１：まず、駆動装置９を原子炉の
機器及び配管等の被測定体１の表面に配置し、駆動装置
９を測定系の原点にセットする。◆ ステップ２：検査範囲を入力する。

【００４３】ステップ３：測定開始とともに、駆動装置
９は測定開始点に移動する。◆ ステップ４：測定開始。測定データを採取する。

【００４４】ステップ５：測定中、データは磁化コント
ロールユニット４に記憶する。◆ ステップ６：測定終了後、駆動装置９は次の測定位置に
移動する。

【００４５】ステップ７：測定装置９が最終位置に達し
たか否かを判定する。◆“Ｎｏ”ならステップ４へ“Ｙ
ｅｓ”なら測定終了方向のステップ８へ移る。

【００４６】ステップ８：測定データを磁化コントロー
ルユニット４からデータ処理ユニット５に入力して処理
され、演算ユニット６に転送される。

【００４７】ステップ９：測定データを統計用データ処
理方法で処理し、データベースを用いて、時効脆化の程
度を判定する。この結果は、外部記録装置に出力され、
表示ユニット８に表示される。

【００４８】（データ処理の例）図１３におけるステッ
プ９の統計的データ処理の詳細を以下、図を用いて説明
する。◆金属材料として例えば含フェライト系ステンレ
ス鋼の場合、高温時効の劣化に伴い磁気ヒステリシスル
ープは、図１０、図１１に示すように変化する。図１０
は受入れ材についての磁束密度（Ｂ）−起磁力（Ｈ）特
性図であり、図１１熱処理４７５℃／４４３時間後のＢ
−Ｈ特性図である。

【００４９】この変化する磁気ヒステリシスループは、
図１４及び図１５に示すように起磁力の大きさによって
磁気ヒステリシスループ面積率や残留磁束密度に変化が
あり、ある値以上の起磁力の領域では劣化材と処女材と
の間に明確な差が生じる。

【００５０】しかし、材料の初期フェライト量を推定で
きないと材料の劣化の程度は評価できない。図１４は超
磁力と磁気ヒステリシスループ面積率の関係を示す特性
図であり、図１５は超磁力と残留磁束密度の関係を示す
特性図であって、いずれも受入材（未処理材）と熱処理
後のものとを比率して示してある。ところが、図１６に
示す起磁力による最大磁束密度は、高温時効によってほ
とんど変化しないが、この最大磁束密度は材料の初期フ
ェライト量で決まる。図１６は起磁力と磁束密度振幅と
の関係を示す特性図である。

【００５１】２相ステンレス鋼の場合、材料の初期の磁
気特性はフェライト量に依存する。フェライト量が２倍
になれば、残留磁気、飽和磁気も２倍になる。このた
め、熱時効に依存せずフェライト量にのみ依存するパラ
メータで整理すれば、初期のフェライト量が推定できる
ため、磁気特性も推定できる。図１６に示す例のように
高磁界中での磁束密度振幅は、熱時効に依存しないた
め、このパラメータから初期磁気特性が推定できる。

【００５２】図１７は起磁力と正規化磁気ヒステリシス
ループとの関係を示す特性図であり、図１８は起磁力と
正規化残留磁束密度との関係を示す特性図である。図１
６乃至図１８はいずれも受入れ材と熱処理後の部材とを
比較して示してある。図１６及び図１７に示すように、
材料の初期フェライト量のばらつきを補正するため、最
大磁束密度で正規化した正規化磁気ヒステリシスループ
面積率や正規化残留磁束密度で材料の劣化を評価するこ
とが有効である。

【００５３】ここで、磁気ヒステリシスループの正規化
データとは、磁気ヒステリシスループにおいて劣化に依
存せず、初期の状態のバラツキが補正できるパラメータ
を一つとするようにした正規化磁気ヒステリシスループ
データをいい、２相ステンレス鋼の熱時効に関しては、
飽和磁気或いは高磁界中での磁束密度に対して正規化す
るものである。初期のフェライト量の補正の為に、熱時
効に依存しない最大磁束密度（飽和磁気或いは高磁界中
での磁束密度）で正規化すれば、どの劣化材も一つの較
正曲線で評価できる。

【００５４】すなわち、図１９に示すように測定、デー
タ採取（ステップ４）では、測定体を消磁し、起磁力の
小さい方から磁気ヒステリシスループを求め必要なデー
タを採取する。採取したデータは、データ処理（ステッ
プ９）で予め求めておいたマスターカーブや評価関数で
劣化度が判定される。

【００５５】このように、当該被測定体の材料について
起磁力を連続的あるいは離散的に変化させて磁気ヒステ
リシスループを求め、正規化した磁気ヒステリシスルー
プ面積及び残留磁束密度で整理した図１７及び図１８の
データを較正曲線として多くの鋼種についてデータベー
スを予め作成しておき、このデータベースと測定データ
を比較することで被測定体の初期のデータ無しに劣化度
が推定する。

【００５６】（判定方法の第２の例）他の判定法の実施
例として規定の起磁力で劣化材を励磁してその時の値か
ら劣化度を推定する方法がある。

【００５７】図１４及び図１５に示すように起磁力の大
きさによって磁気ヒステリシスループ面積率や残留磁束
密度に変化があり、ある値以上の起磁力の領域では劣化
材と処女材との間に明確な差が生じる。そこで、起磁力
を劣化検出を適した値に設定し、磁気ヒステリシスルー
プを求める。この磁気ヒステリシスループの磁気ヒステ
リシスループ面積、残留磁束密度及び最大磁束密度等の
各パラメータを劣化度を表わす劣化パラメータ（例え
ば、ローソン−ミーラー（Ｌａｌｓｏｎ−Ｍｉｌｌｅ
ｒ）則のＰ値）で整理すると、図２０及び図２１のよう
になる。

【００５８】すなわち、測定した磁気ヒステリシスルー
プ面積、残留磁束密度及び最大磁束密度から劣化パラメ
ータＰ値が求まり、材料の劣化度が推定できる。そこ
で、図２０及び図２１のようにデータをデータベースと
して構築することにより、材料の劣化度を推定できる。
例えば、予め材料の劣化パラメータを図２２及び図２３
のようなシャルピー衝撃値あるいは破壊靭性値ＫＩＣ等
としたデータベースであれば、金属材料の破壊強度も評
価できる。

【００５９】（判定方法の第３の例）また、磁気ヒステ
リシスループを求める方法として起磁力を一定の値に設
定する方法の他に、磁束密度を一定の値に設定する方法
がある。これを図２４に示す。励磁する磁束密度を一定
の値として起磁力を高精度に制御して磁気ヒステリシス
ループを求めるため、測定データの再現性や精度が容易
に向上できる。

【００６０】（判定方法の第４の例）他の判定法の実施
例として、磁気ヒステリシスループの形態（パターン）
から材料の劣化度を推定する方法がある。

【００６１】図１０、図１１に示すように、磁気ヒステ
リシスループの形態（パターン）は材料の劣化と対応し
ている。そこで、磁気ヒステリシスループ形態から劣化
度を推定する方法を図２５に示す。

【００６２】図２５の測定、データ採取（ステップ４）
では、測定体を消磁し、一定の起磁力による磁化あるい
は、飽和磁化を選択し磁気ヒステリシスループを求め必
要なデータを採取する。採取したデータは、データ処理
（ステップ９）で磁気ヒステリシスループを正規化し、
予め求めておいた基準の磁気ヒステリシスループのデー
タベースとのパターンマッチングをする。その結果、測
定した磁気ヒステリシスループ形態に最も近い磁気ヒス
テリシスループをデータベースより選択し、その磁気ヒ
ステリシスループの劣化度から被測定体の劣化度や破壊
強度を推定する。（判定方法の第５の例）他の判定法の
実施例を図２６に示す。図１３のデータ処理（ステップ
９）において、測定した磁気ヒステリシスループによ
り、起磁力にサイン（ｓｉｎ）波を入力した場合の磁束
密度の出力波形を求めて、この磁束密度の波形の歪みを
フーリエ変換で求め、各高調波成分の大きさと位相差か
ら回復分析等の統計的処理により求めておいたデータベ
ースから材料の劣化度を求める。

【００６３】（第２実施例に係る全体システム）他の実
施例を図２７に示す。図２７は、測定体を試料１１とし
て採取できる場合の実施例である。小形の試料１１を励
磁コイル２３内に挿入し、励磁電源ユニット２０で励磁
する。試料１１には差動コイル３１０が設けてあり、コ
イルの出力は積分器３２０で積分され、磁束を求める。
以下、図１の実施例と同様に処理される。

【００６４】（超電導システム利用による実施例）他の
実施例として、励磁システム２及び磁気センサシステム
３を超伝導システムを用いた例を図２８から図３０に示
す。

【００６５】図２８は、励磁コイル２３に超伝導システ
ムを用いて強力な磁場で被測定体１を励磁し、検出精度
を向上させるものである。本実施例の構造は、超電導励
磁コイル２３の超電導状態を維持するために冷却材１３
０を充填する非磁性材料からなる容器１１０を被測定体
１の表面に配置し、その容器１１０中に超電導励磁コイ
ル２３が位置している。超電導励磁コイル２３の中央に
低温で動作可能な磁気センサ３１がある。容器１１０
は、断熱材１２０で外部との断熱をしている。冷却材１
３０は、冷却装置４１０で再循環冷却されている。容器
１１０及び励磁コイル２３の外側には磁気シールド１０
０及び１１０があり、外部磁気及び励磁磁場の最適化を
図っている。励磁コイル２３及び磁気センサ３１は、接
続ケーブル５００で磁化コントローラユニット４と接続
されている。

【００６６】この実施例によれば、小形の励磁コイルで
強力な磁場が得られるため、局所の劣化診断評価が可能
となる。

【００６７】図２９の実施例は、図２８の実施例の磁気
センサとして検出感度の高い超電導量子干渉素子（ＳＱ
ＵＩＤ）３４０を用いた場合のものである。励磁コイル
２３の中央に超電導量子干渉素子用のピックアップコイ
ル３３０を配置し、磁気シールド１０１の外部に超電導
量子干渉素子３４０を配置して磁気の測定を行う。

【００６８】この実施例によれば、磁場の検出を高感度
にできるため、材料劣化の検出を飛躍的に向上させるこ
とができる。

【００６９】また、試料１１が採取できる場合の実施例
を図３０に示す。超電導励磁コイル２３は超電導状態を
維持するために冷却材１３０を充填する非磁性材料から
なるの容器１１０の中にあり、容器１１０は、断熱材１
２０で外部との断熱をしている。超電導励磁コイル２３
の中央には２つの孔があり、外部から試料１１が挿入で
きる。この領域では均一な磁場となるように超電導励磁
コイル２３を配置されている。２つの孔には、差動コイ
ルのピックアップコイル３３０を配置し、磁気シールド
された超電導量子干渉素子３４０で磁気の測定を行う。
この２つの孔の一方に試料１１、他方に基準試料１２を
挿入した試料の磁気特性の変化分だけを検出することが
できる。

【００７０】この実施例によれば材料の磁気特性の変化
を高精度に検出できるため、磁場のひずみを精度良く測
定でき、材料の劣化評価の精度を向上させることができ
る。

【００７１】

【発明の効果】本発明によれば、高温で使用される金属
材料の脆化の程度を非破壊的にかつ迅速に検知できるの
で脆化損傷を未然に防ぐことかが可能であり、実機の安
全性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による劣化検出装置の一例を示す全体シ
ステム図である。

【図２】図１の例に係るシステム中、励磁システム及び
磁気センサシステムの内部構成図である。

【図３】同じく磁気コントローラユニットの内部構成図
である。

【図４】図１のシステムを用いた沸騰水形原子炉の断面
図である。

【図５】図４の一代案を示す沸騰水形原子炉の断面図で
ある。

【図６】図４の例における原子炉圧力容器内壁点検用Ｘ
−Ｙ−走査型駆動装置の例を示す斜視図である。

【図７】図５の例における一次系配管の部分断面斜視図
である。

【図８】同じく原子炉配管系点検用駆動装置の斜視図で
ある。

【図９】金属を高温長時間曝したときの金属組織変化の
説明図である。

【図１０】受入れ材の磁束密度と起磁力との関係を示す
特性図である。

【図１１】熱処理後の金属部材の磁束密度と起磁力との
関係を示す特性図である。

【図１２】金属部材の熱処理の時効時間に対するシャル
ピー吸収エネルギー残有率の関係を示す特性図である。

【図１３】図１の実施例における動作手順を示すフロー
図である。

【図１４】金属部材の起磁力と磁気ヒステリシスループ
面積率との関係を示す特性図である。

【図１５】金属部材の起磁力と残留磁束密度との関係を
示す特性図である。

【図１６】金属部材の起磁力と磁束密度振幅との関係を
示す特性図である。

【図１７】金属部材の起磁力と正規化磁気ヒステリシス
ループ面積との関係を示す特性図である。

【図１８】金属部材の磁束密度を一定とした場合の起磁
力と正規化残留磁束密度との関係を示す特性図である。

【図１９】本発明の劣化判定方法例のフロー図である。

【図２０】金属部材の正規化磁気ヒステリシスループ面
積と劣化パラメータとの関係を示す特性図である。

【図２１】金属部材の正規化残留磁束密度と劣化パラメ
ータとの関係を示す特性図である。

【図２２】金属部材の正規化残気ヒステリシスループ面
積とシャルピー衝撃値との関係を示す特性図である。

【図２３】金属部材の正規化残留磁束密度とシャルピー
衝撃値との関係を示す特性図である。

【図２４】金属部材の起磁力と磁束密度のヒステリシス
ループとの関係を示す特性図である。

【図２５】本発明の一実施例として磁気ヒステリシスル
ープ形態から劣化度を推定する方法のフロー図である。

【図２６】同じく磁気ヒステリシスループからフーリエ
変換を経由して劣化度を求めるフロー図である。

【図２７】本発明の第２実施例に係る劣化検出装置の全
体システム図である。

【図２８】本発明の他の実施例において超電導システム
を利用した場合の装置断面図である。

【図２９】本発明の他の実施例において超電導システム
を利用した場合の装置断面図である。

【図３０】本発明の他の実施例において超電導システム
を利用した場合の装置断面図である。

【符号の説明】

１…被測定体、２…励磁システム、３…磁気センサシス
テム、４…磁化コントロールユニット、５…データ処理
ユニット、６…演算ユニット、７…データベース、８…
表示ユニット、９…駆動装置、１０…駆動制御装置、１
１…試料、１２…基準試料、２０…励磁電源ユニット、
２１…発振器、２２…アンプ、２３…励磁コイル、３１
…磁気センサ、３２…変換器、４０…磁気ヒステリシス
・ループ合成装置、４１…磁束密度入力インターフェイ
ス、４２…起磁力入力インターフェイス、４３…磁気特
性出力メモリ装置、４４…基準値設定装置、４５…差動
増幅制御装置、９１…フレーム、９２…吸盤、９３…真
空ポンプ、９４…駆動シャフト、９５…Ｘ軸モータ、９
６…ギアボックス、９７…Ｙ軸モータ、９８…駆動シャ
フト、９９…ギアボックスを備えたエアシリンダ、１０
０及び１０１…磁気シールド、１１０…非磁性材料の容
器、１２０…断熱材、１３０…冷却材、３１０…差動検
知コイル、３２０…積分器、３３０…ピックアップコイ
ル、３４０…超電導量子干渉素子、４００…冷却パイ
プ、４１０…冷却装置、５００…ケーブル、６００…原
子炉格納容器、６１０…原子炉圧力容器、６１１…制御
棒、６１２…再循環給水ポンプ、６１３…一次系配管、
６１４…炉心、６１５…炉水、６２０…クレーン、６３
０…配管の母材、６３１…配管の溶接部、８１０…２分
割可能な固定リング、８１１…回転リング、８２０…駆
動モータ、８２０，８２１…ギアボックス、８２４…ロ
ーラ、８２５…プーリー、８２６…エンコーダ、８２７
…位置検出用エンコーダ、８５０…ヘッド部、８９１…
フレーム、８９２…吸盤、８９３…真空ポンプ、８９５
…Ｘ軸モータ、８９６…ギアボックス、８９７…Ｙ軸モ
ータ、８９８…駆動シャフト、８９９…ギアボックスを
備えたエアシリンダ、９００…ケーブル、９１０…制御
装置、ｉ…電流、Ｂ…磁束密度、Ｈ…起磁力。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 真琴 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 清水 翼 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 高久 和夫 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定体に磁場を印加し、それによって前
   記被測定体に生じた磁気の変化から劣化を検出する金属
   材料の劣化検査装置において、前記被測定体の磁気特性
   を検出する磁気測定装置の励磁コイルに超電導コイルを
   備え、励磁コイルの中央に低温でも動作する磁気センサ
   を配置し、全体を防水型断熱容器に封入し、冷却材を循
   環させるタイプの超電導システム冷却装置を備えた励磁
   システム及びセンサシステムを特徴とする金属材料の劣
   化検査装置。
2. 【請求項２】被測定体の一部から採取した極小試験片の
   劣化度を評価する装置において、前記極小試験片の磁気
   特性を検出する磁気測定装置の励磁コイルに超電導コイ
   ルを備え、励磁コイルの中央に差動型超電導ピックアッ
   プコイルを配置した超電導量子干渉素子磁気センサを備
   え、差動型超電導ピックアップコイルの内部を外部から
   試験片が挿入可能な空間を設けて、他の全体を防水型断
   熱容器に封入し、冷却材を循環させるタイプの超電導シ
   ステム冷却装置を備えた金属材料の劣化評価装置。
3. 【請求項３】原子炉機器材料の劣化を磁気的に診断する
   において、原子炉炉内機器を検査するため、原子炉格納
   容器上部のクレーンから検査装置を釣下げるためのケー
   ブルと原子炉圧力容器炉壁に検査装置を固定するための
   吸盤と検査装置を３次元に走査する機能を備えた防水型
   検査駆動装置を特徴とする金属材料の劣化検査装置。
4. 【請求項４】原子炉一次系統配管材料の劣化を磁気的に
   診断するにおいて、配管を軸方向に移動するための駆動
   機構と周方向に検査装置を走査するための駆動機構から
   なり、磁気のノイズを低減する磁気シールドを備えた検
   査駆動装置を特徴とする金属材料の劣化検査装置。