JPS5954902A - 被覆管の肉厚を非破壊で測定する方法および装置 - 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】 □〔発明の技術分野〕 この発明は被覆管の肉厚を非破壊で測定する方□　　法
および装置に係りく特に原子炉炉心部に使用される核燃
料要素とじてのジルコニウムライナ被覆管の肉厚の非破
壊測定方法およびその装置に関する。

〔発明の技術的背景とその藺一点〕　　　　□原子炉の
炉心部に赫核燃料を収容した燃料被覆：　　１　：　　
　　　　　　　　。

、管、が呼けられている。この舶料被覆管は核癲料の＊
＋−によ多発生した秋分裂生感物を周囲の冷却媒体中に
逸出させるのを防止することを主な機能としておシ、そ
の素材には、比較的高温まで強靭でか２極めて安宮性を
有する、ジルカロイ−２、ジルカロイ−４などのジルコ
ニウム合金が広く用いられている。このジルーニ□つ□
ム合金は延展性も良好で冷却媒体に非反応性である等の
優れた性質を有するが、ジルコニウム合金からなる燃料
被覆管は、原子炉の炉出力を急激に上昇さぜた場合、核
燃料との相互作用により破損が生ずる恐れがあった。こ
の破損の原因とじて、燃料被覆管と核燃料との間の熱膨
張率の差などに基づく機材的相互作用と、核分裂生成物
に含まれる腐食性生成物による腐食作用との重畳作用に
よる応力腐食割れが考えられている。

燃料被覆管の応力腐蝕割れを防止するために、第１図に
示すようなジルコニウムライナ燃料被覆管１が開発され
ている。この燃料被覆管１は、・ジルコニウム合金製の
被覆管本体２の内周に純ジルコニウム被膜３を施こした
ものである。被覆管本体２に、ジルコニウム合金より軟
質の純ジルコニウム（ビッカース硬度：ジルカロイ−２
１ｄ１７０ＤＰＨ％　純ジルコニウムは約７９ＤＰＩで
ある。）で内張シしてジルコニウムライナ層３を設は石
ととによシ、このジルコニウムライナ層３で燃料被覆管
１に作用する応力を緩和し、かつ腐食性核分裂生成物の
被覆管本体２への直接接触を阻止して応力腐食割れによ
る燃料被覆管１の破損を抑制している。

しかるに、□燃料被覆管１の破損抑制機能を保証するた
めには、燃料被覆管１の全周かつ全長にわたって所定の
被膜厚の純ジルコニウムが内張シされていることが要求
される。ところが、現在採用されている燃料被覆管のジ
ルコニウム合金被覆管本体とジルコニウムライナ層との
肉厚を測定する方法は、燃料被覆管の両端を切断し、切
断面を光学的に測定して肉厚を決定すＺ破壊測定法であ
る。

しかし寿から、燃料被覆管を切断じて一切断面を光学的
に測定する破壊測定法は、□測定作業が面倒でありＪｆ
ｔｌ１１定に長時間を要するだけでなく、燃料被覆管の
全長にわたる肉厚測定が不可能で、燃料被覆管の品質管
理上多くめ問題があうた。

′１発明の目的〕 この発明は上述した点と考慮し、被覆管の全長にわたシ
、被覆管本体の肉厚およびライナ層の肉厚を非破壊で簡
単に測定するととができる被覆管の肉厚を非破壊で測定
する方法および装置を提供することを目自勺・とする６
　　　、　　　　　　、：〔発明の概要〕、′　　　・
　　・　□・　　・。

この目的を達成するために１．この発明においては、被
覆管本体にライナ層を施しだ被覆管の肉厚を測定する方
法において、交流電流したコイルをライナ層に接近また
は接触させ、被覆管本体とライナ層の電気抵抗率の差に
起因する交流の位相差から、ライナ層の厚さを測定する
一方、燃料被覆管に超音波パルスを発振させ１．上記燃
料被覆管の外表面と内表面とから反射される超音波の反
射時間０差を求め・し反射−間０差に１り求やられる数
値を、測定されたライナ層の層厚で較正して、被覆管の
肉厚を求める被覆管の肉厚を非破壊で測定する方法（第
１番目の発明）で提供するものである。

また、この発明は上記の目的を連球するために、被覆管
本体にライナ層を施した被覆管の肉厚を測定する装置に
おいて、上記被覆管のライナ層の厚さを測定する渦電流
式肉厚測定系と、上記被覆管の外表面および内表面から
反射□される超音波の反射時間を求める超音波測定系と
、上記両測定系からの測定信号が入力される演算系とか
ら女り、上記演算系は超音波測定系で測定された超音波
の反射時間の差力〒ら得られた値を材料Ω物性値や渦電
流式肉厚測定系で求められたライナ層の厚さで較正して
被覆管のライナ層や被覆管本体の肉厚を、演算するよう
に設定したことを特徴とする被覆管の肉厚を非破壊で測
定する装置（第２番目の発明）を提供するものである。

〔発明の実施例〕

この発明の一実施例について添付図面を参照して説明す
る。・　　・　　　　　　　　　。

第２図はこの発明に係る被覆管肉厚の非破壊測定装置の
測定原理を示すブロック図であｐｌこの発明は核燃料・
（バリヤ燃料）を充填した燃料被覆管１のジルコニウム
合金製被覆管本体２の肉厚と純ジルコニウムを内張シし
たライナＮ３の層厚（第１図参照）とを非破壊で測定す
るのに適用した例を示す。

第２図において、符号１０は渦電流を利用した。渦電流
式肉厚側・足糸を示し、午の肉厚測定系１０は後述する
測定原理によ）、燃料声覆管：１のライナ層３の層厚、
が測定、、されるようＫなっており、その測定信号ａは
演算系１１に入ソ〕されるｄ　　　。

一方、演算系１１ｖｒ−は超音波測定系１２からの測寓
信号すが入力され・る。超音波測定糸１２は鵠超音波を
利用して材料の厚さを測・定する公知の技、術を応用し
たものであり、その測定原理については後述する。しか
己て、両測定兎１ｏ　、　１２で測定された測定信号ａ
Ｓ、ｂは演算系１１（入力されて演算され、この演算信
号Ｃは記録系１３に出力され、ここで配録される。　　
　　　　　　　　、　　　　　　　・　　、′次に、渦
電流式肉厚測定、系ＩＯの測定原理について、第３図、
・を参照して説明する。・　　　　　　。

第３図に示すように、コイルＬ５Ｖｒ−交流電源１６か
ら交流を流してこのディル１５を導電性材料、λ７に近
づけると、電磁誘導作用により導電性材料１７に渦電流
１８が生ずる。この渦電流１８．の大へさけ、材料の抵
抗率や変化、準磁、率の変化、材料、形状Ω変化、コイ
ルと材料間の距離の変化等の要因により変化するので予
めこれを考慮してお、く。一方、導電性材料１７に発生
した渦電流１８は電磁誘導作用によ少フィル１５に影響
を与え、；イルエ５のインビダンスを変化させる。した
がって、コイル］５のインビダンスの変化を測定装置（
図示せず）で捕えれば導電性材料について種々の情報が
得られる。

ところで、燃料被覆管１の被覆管本体２にジルカロイ−
２のジルコニウム合金を用いた場合、被覆管本体２と純
ジルコニウムのライナ層３の電気抵抗率はそれぞれ約７
０μΩ鋼、釣菌μΩαであり、両者間に約４０−１の抵
抗率の差がある。そして、との抵抗率の差は、コイル１
５から得られる交流電流の位相の差となって表われ、こ
の位相差は純ジルコニウムを内張すしたライナ層３の厚
さによシ変化する。変化する範囲は、ジルコニウム合金
のみによる位相と、純シルコニリムのみによる位相との
間であり、この範囲内で純シルコニリムの膜厚に応じて
変動する。

したがって、純ジルコニウムのライナ層３の厚さが既知
である燃料被覆管の試料を用いて、渦電流式肉厚測定系
１００位相変化信号を予め較正しておけば、未知のライ
ナ層厚被測定試料（燃料被覆管）に対して位相の変化か
ら純ジルコニウムのライナ層の測定を行なうことができ
る。

その際、コイル１５のインビダンス変化を与える外的因
子、例えばコイルと試料間の距離の変化、試料の形状変
化を除くために、プローブ型コイルを用いるとよい。プ
ループ型試験コイルを制作し、このコイルを純ジルコニ
ウムのライナ層３に接触させ、コイルにＩＭＨ２の高い
（交流）周波数をかけて試験したところ、第４図に示す
ように、従来の光学的測定により得られた燃料被覆管の
純ジルコニウムのライナ層厚と渦電流法による出力との
間に、直線関係が得られた。この第４図は、渦電流法に
より燃料被覆管１の被覆管本体２に内張すされるライナ
層３の厚さが測定可能であることを示している。

次に、超音波測定系１２の測定原理について説明する。

超音波を利用した材料１９の肉厚測定原理は、例えば第
５図に示す通夛であシ、超音波探傷機（超音波発振器）
２０のＡ点から発振される超音波パルスが材料１２０表
面Ｂ点および０点でそれぞれ反射し、Ａ点まで戻るまで
の時間のずれと、材料１９中を走る超音波の速度から材
料（燃料被覆管）の肉厚を求めるものである。　。

今、Ａ点から発振された超音波パルスがＢ点および０点
で反射してＡ点まで戻る時間をｔｌ、ｔｚとし、材料１
９内を走る超音波の速度をυとすると、材料１９の肉厚
ｄは、 で表わされる。ここで、・材料１９内を走る超音波速度
υは材料の、物性値に一義的に依存し、次式で表わされ
る。

υ＝５不ロフ届；百歪宣・・・（２） ただし、　Ｅ：ヤング率 、　　　　σ：ボアソン比 ρ：材料の密度、□である。

しかして、超音波による測定方法を燃料被覆管１に適用
した場合、純ジルコニウムのライナ層３と被覆管本体２
の界面からの反射はほとんど期待できず、仮に界面から
の反射が生じたとしてもライナ層３が厚さ１００μｍ以
下と非常に薄いだめ、超音波パルスの分離がほとんど不
可能である。しだがって、この超音波測定原理を利用し
たものは、−補管（材料）１２の場合と同様、燃料被覆
管１の外表面および内表面からの超音波の反射時間ｔ１
、ｔｚは、検出装！（図示せず）によシ求められるが、
実際の燃料被覆管１は２層管であシ、各層の超音波速度
は第２式に示すように材料の物性値により異なるため、
この超音波法からでは直接燃料被覆管１の肉厚を求める
ことができず、第１式を補正した式として第３式が得ら
れる。

ただし、ａｌ＝被覆管本体の肉厚（未知数）ｄ２：ライ
ナ層の厚さ　（未知数） ｄＩ＋１２：燃料被覆管の肉厚 υ１：被覆管本体中の超音波速度　１ υ２＝ライヂ層中の超音波速度、でおる。

一方、燃料被覆管１のライナ層３の厚さａ２は渦電流法
によシ求められているので、この厚さｄ２を第３式に挿
入すると、被覆管本体２の肉厚を求めることができ、こ
れから燃料被覆管１の肉厚っけ次式で求めることかで・
きる。　　　　　　　□Ｄ＝ａｔ＋ｄ２−＝　（（ｔｚ
−ｔ　１　）／ｙ籏２）　−ｖ　ｘ−ｆ４２°°へ４）
第４式の演算は、演算系１１で行なわれ、これにより燃
料被覆管１の内厚およびライナ層３の厚さを求めること
かできる・。求められた燃料被覆管１の肉厚およびライ
ナ層１の厚さ、被覆管本体２の肉厚は記録系１３に出方
され、ここで記録される。

なお、この発明においては、超音波法と渦電流法を組み
合せ・る也とによシ、、燃料被覆管１および多イナ層３
の肉厚を非破壊で測定する方法について述べたが、被測
定物は燃料被覆管に限らず、一般的な金属材料の２層管
からなる被覆管の各層厚を測定するととができる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、この発明に係る被覆管の肉厚を非
破壊で測定する方法および装置に□お・いては、被覆管
□のライナ層の厚′さを測定す・る渦電流式肉厚測定系
と、被覆管の外表、面および内表面で反射される超音波
の反射時間・を求める超・音波測定系と、これらの両測
定系から測定される信号が入力される演算系とからなシ
、演算系は；超音波測定系で測定された被覆管の外表面
および内表面からの超音波の反射時間の差から求められ
た値を、材料の物性値華渦電流式肉厚測定系で測定され
だライナ層の厚さで較正して被覆管の肉厚を演算するよ
年設定した。。ア、ユ層管からヶ、被覆ｇｔｖ肉厚およ
びライナ層の層厚、被覆管本体の層厚を、渦電流法と超
音波法を組み合せることで、非破壊で被覆管全長にわた
多測定することができ、かつこの測定も非破壊測定であ
るから簡単かつ短時間に行なうことができ、この結果と
して被覆管の品質を充分に保証することができる等の効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は核燃料を収容する燃料被覆管の断面図、第２図
はこの発明に係る被覆管の肉厚を非破壊・で測定する装
置の測定原理を示す図、第３図は上記非破壊測定装置に
組み込まれる渦電流式肉厚測定系の測定原理を説明する
図、第４図は渦電流式肉厚測定系の測定によｐ得られた
出力（交流の位相差）と従来の破壊測定法である晃−的
測定による被覆管のライナ層厚との関係を水手グラフ、
′柄図は上記非破壊測定装置に繊み込まれる超音波測定
系←［ｉ→←明する歯である。 １・・・燃料被覆管、２・・・被覆管本体、３ライオ、
岬、１０・・・渦電流式肉厚測定系、１１・・・演算系
、１２・・・超音波測定系、１３・・・記−系Ｊ！５・
・；９．４．次、１６・・・導電性材料、１８・・・渦
電流、１９・・・材料、加・・・超音波測定系。 出願人代理人　　波多野　、久　、： 第４　図 弔　５　図 手続補正書・、（自発）′ □　　　　　　　　昭和５８年１月Ｓ１日特許庁長官　
　若　杉、和　夫　　殿　　　。 １゜事件の表示 昭和５７年特許願第１６５０９５号□ ２、発明の名称 被覆管の肉厚を非破壊で測定する方法 お工び装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人　　　、 （３０７）東京芝浦電隼株式会社 （はが１名） ４、代　理　人（郵便番号１０５） 東京都港区新橋五丁目１４番２号 ６、補正により増加する発明の数 ７、補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄 ８、補正の内容 （１）：、明□細、書□第５′頁第１５行〜第１６行記
載、の「１７０ＤＰＨＪ、・□、を１約１７ｃ）、ＤＰ
ｌｌｊに訂正す、る。 （２）■同書第１２頁第・・１３行記載の「次式」を「
例えば次式」に訂正する。 （３）・同書第１３′頁第１６行記載の［

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被覆管本体にライナ層を施した被覆管の肉厚を測定
   する方法において、交流電流を流したコイルをライナ層
   に接近または接触させ、被覆管本体とライナ層の電気抵
   抗率の差に起因する交流の位相差から、ライオ層の厚さ
   を測定する一方、□被覆管に超音波ノ愕ルスを発振させ
   、上記被覆管の外表面と内表面とから反射される超音波
   の反射時間の差を求め、この反射時間の差によシ求めら
   れ不数値を、担１定されｆｃライナ層の層厚で較正して
   、被覆管の肉厚を求めることを特徴とする、被覆管の肉
   厚を非破壊で測定する方法。　　　　　　　　　　　。 ２、コイルにはプローブ型コイルが便用される特許請求
   の範囲第１項に記載の被覆管の肉厚を非破壊で測定する
   方法。 ３、被覆管は、核燃料を収容する燃料被覆管であシ、被
   覆管本体はジルコニウム合金からな９、この被覆管本体
   の内周面に施されるライナ層は純ジルコニウムからなる
   特許請求の範囲第１項に記載の被覆管の肉厚を非破壊で
   測定する方法。 ４′、被覆管本体にライナ層を施した被覆管の肉厚を測
   定する装置において、上記被覆管の２．イナ屡の厚さを
   測定する渦電流式肉厚測定系と、上、記被覆管の外表面
   および内表面から反射される超音波の反射時間を求める
   超音波測定系と、上記両測定系からの測定信号が入力さ
   れる演算系とからなシ、上記演算系は、超音波測定系で
   測定された上記超音波の反射時間の差から得られた値を
   、材料の物性値や渦電流式肉厚測定系で求められたライ
   ナ層の厚さで較正して被覆管の肉厚を演算するように設
   定したことを特徴とする被覆管の肉厚を非破壊で測定す
   る装置。 ５、被覆管は核燃料を収容する燃料被覆管であ〕、この
   燃料被覆管の被覆管本体はジルコニウム合金からなシ、
   上記被覆管本体の内周面に純ジル・、１・・＝ラム製の
   、７１不町ｊ施された特、り杏、ｆ、、−、、、、、。 間第１′項に記載あ一一管の肉厚を非破壊で遍定−□す
   る装置。　　　　　　　・　□。 ６、渦電流式肉臂測宥系は；！覆誉のライナ層に　　′
   □接近あるいは接触せしめられるプローブ型コイルと、
   このコイルに交流電流を流す交流電源と、　　□上記コ
   イルのインビーダン：ニスの変化を測定する測定装置と
   からなり、交流電流□を流したコイルを被覆管ライナ層
   に接近あるいｄ接触さ吐ることにより、被覆管本採とラ
   イナーとの電気抵抗率の差に起因する交流の位相差から
   ？イナ層の　。 厚さ布検出す６１うに構盛した竺許１求′）範囲第４項
   に記載の被覆管の肉厚を非破壊で測定する装置。 ７、超音波測定系は被覆管の表面に超音波を発振させる
   超音波発振器と、、発振された超音波の被覆管外表面と
   内表面とからの反射時間をそれぞれ検出する検出装置と
   からなシ、検出装置からの検出信号を演算系に出力する
   ように設定され□　、た・特許請求の範囲第４項に記載
   の被覆管の肉厚、　、を非破壊で測定する装置。 、ｌ、ｌｌｌ’ｔ、１．、””、（：１