JPS6058418B2 - ジルコニウム合金材の欠陥検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ジルコニウム合金材の欠陥検出方法に関す
る。

ジルコニウム合金材は、例えばジルコニウム合金圧力
管として重水炉に使用されるなどしている。

このようなものに欠陥が存在すると、プラントが正常に
機能せずにトラブルが生じたり、場合によつては重大な
事故が招来されるおそれがあ・る。従つてこれらの欠陥
の有無、及び欠陥の状態を測定することが要せられるの
であり、かかる方法としては、超音波探傷法、放射線や
磁気を用いる方法、浸透探傷法などがある。例えばこの
内超音波探傷法を例にとつて説明すると、この方法は・
材料の表面より超音波パルスを入射し、欠陥部からのパ
ルス反射の有無を検知して欠陥を知るものである。従つ
て、予想される欠陥近傍にて、欠陥方向に対しパルス入
射しなければ検出ができないという問題を有する。かつ
、この超音波探傷法にしても、他の放射線、磁気、浸透
などによる方法にしても、これら被破壊検査法は局所的
検査法であり、広範囲にわたる欠陥の判別はできないも
のである。更に、これら従来の方法は静的状態下での材
料の欠陥を知るものであり、運転状態での検査ができな
いという問題点がある。一方、広範囲にわたる欠陥を判
別する方法として、物体に力を加えた場合に欠陥部から
発生する工ミッションを捕えるアコーステイツクエミツ
シヨン（ＡＥ）法が最近注目され始めている。

この蔀法は、材料が塑性変形、相転移あるいはき裂の形
成に伴なつて一部のエネルギを弾性波として放出するこ
とを利用し、音響的に材料の状態を判定するものである
。この方法は、欠陥部から上述の如くして発生する工ミ
ッション（ＡＥ信号）を捕える址センサを設けるととも
に、該ＡＥセンサは鮭信号が物体中を伝播する途中で減
衰して消滅してしまわない範囲に配置し、もつてＡＥセ
ンサに到着する佃信号の有無にて欠陥が存在するか否か
判別するとともに、各々のＡＥセンサへの蔀信号の到着
する時間差等を計測し、これにより欠陥の位置を識別す
ることができる。この方法は、センサが欠陥に対してど
の位置にあつても欠陥の検出が可能であるという利点を
有する。しかしかかるＡＥ法では、物体に力を加えるこ
とにより物体に存在する欠陥からＡＥ信号を発生させる
ので、力の加え方によつては物体の破壊の．おそれがあ
るという問題がある。即ち、第１図に示すように荷重を
Ｏ−Ｐ１のように加えてＡＥ信号を発生させた後に荷重
をＰ１−ＰＯの如く除去した場合に、次にＡＥ信号を得
るため再び荷重をＰ。″→Ｐ１″と加えても、址信号は
発生しない。よつて．蔀信号を再度得るためには、第１
図の荷重Ｐｌ，Ｐｌ″よりも大きい荷重を加えなければ
ならない。このような現象をカイザー効果とい。荷重の
かけ方とＡＥ信号のカウントレートとの関係は同図の下
部に示してあるが図の如くこのカイザー効果Ｋ・の問は
蔀信号は殆ど発生せず、Ｐ／以上の荷重で再び信号が発
生する。従つて、このカイザー効果があるため、址法で
は常時物体に加わつている以上の力を加えて検査する必
要がある。よつて万一、物体に存在する欠陥が大きい場
合には、佃法を適用せんとして荷重を高くすると、物体
の破壊を招く危険があるわけである。上記事情であるか
ら、実際上はＡＥ信号の発生した部分を超音波などを用
いる非破壊検査法で再検査する必要があり、検査に長時
間を要してしまう。更に、物体の形状や構造によつては
、超音波などの検査方法が適用できない場合も多々あり
、その時は本当に欠陥が存在するか否かの判定ができな
くなるというｊ欠点を有するものてある。本発明の目的
は、ジルコニウム合金材の欠陥を検出するに当つて、上
記したような従来のＡＥ法の問題点を解消して、破壊を
招くおそれなく被検体の欠陥を容易かつ確実に検出・判
定てきる欠陥検出方法を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明は、ジルコニウム合金
はその製造時から水素を含むものであり、かつ加熱する
と脆い水素化物は固溶されるが、応力を加えたまま冷却
すると再び水素化物を析出し、かつ欠陥が存在すると水
素化物は欠陥部の応力集中によりきわめて割れ易くなる
という性質を利用する。

このように水素化物が割れた時の址信号を計測すれば、
欠陥の有無を判別できるわけである。即ち、本発明は、
水素を含有するジルコニウム合金材を加熱して水素化物
を固溶させ、次いで圧力を加えた状態で該ジルコニウム
合金材を冷却することにより水素化物を析出させ、その
際に生じ得るＡＥ信号を検出することによつて、ジルコ
ニウム合金材の欠陥を検出するものである。

以下、本発明の実施の一例について、図面を参照しつつ
説明する。

この実施例は、本発明を重水炉に使用されているジルコ
ニウム合金圧力管の欠陥判別に適用したものである。重
水炉は第２図に示す如く、多数のジルコニウム合金圧力
管１にて構成されており、各々の圧力管１が軽水炉の圧
力容器に相当する重要な強度部材となつている。

ジルコニウム合金は前述のとおり、製造時から水素を含
有するが、運転中も冷却水より水素を吸収して次第に脆
化するという性質を有する。このため、圧力管１に製造
時の傷や燃料交換時の傷、或いは水素化物や硫黄などの
非金属介在物等の欠陥があると、運転中の荷重（応力）
変動により該欠陥から疲れき裂が発生し、更にこのき裂
が進展して、脆性破壊するおそれがある。よつて圧力管
１の使用期間中の欠陥の有無を実機にて正確に、しかも
短時間で測定すべく、本発明を適用するものである。ジ
ルコニウム合金を加熱すると、それに含ませる脆い水素
化物は固溶し、次いで応力を加えたまま冷却すると再度
水素化物を析出する性質をもつことは前記したとおりて
ある。

この場合、水素化物は引張応力に対して直角な方向で配
向する。かかる水素化物は合金材に欠陥がない時は割れ
にくいが、傷その他の欠陥があると欠陥部の応用集中に
より割れ易くなるものである。一方、本例のジルコニウ
ム合金圧力管１は、冷却水を沸騰させないため、当該圧
力管１には常に圧力が加わつているので常に応力がかか
つており、かつ炉の温度の変動があるので、結局水素化
物の固溶と析出とが行われることになる。従つて、この
時生じ得る水素化物の割れに伴なうＡＥ信号を計測すれ
ば欠陥があるか否かの判別ができるわけであり、本例で
はこのことを利用して本発明を適用している。本例にお
いては、予め実機（重水炉の圧力管）と同様の状態で小
型の試験片に応力を加えつつ温度を変化させ、その時の
址信号の発生状況を測定しておく。これによつてＡＥ信
号の発生状況と温度、材料中の水素濃度、及び応力拡大
係数Ｋ。との対応を調べておくのである。（なお応力拡
大係数はＫ，＝Ｆ・σＶ７ｉで定義されるものあり、こ
こでＦは欠陥の形状による係数、σは作用している応力
、ａは欠陥の大きさである。

）このように予め各要素の対応関係を調べた上で、実機
圧力管１の保持温度或いは温度変化による址信号の発生
状況を測定して欠陥を検出するとともに、上記小型試験
片における結果と対比することにより、欠陥寸法をも推
測するのである。

（なお、第２図中、２は力ランドリアタンク、３は冷却
水出口、４は冷却水入口である。５は重水を示す）。

次に、本例における実際の測定結果について述べる。

まず、試験片による各要素の対応関係の測定について述
べる。試験片は、実測との対応関係を向上させるべく、
圧力管自体から採取したもので、厚さ４．２Ｔｍ，幅７
ｗｎ，長さ７『の片を用い、水素を約２５ｐｐｍ１（２
，７０ｐｐｍＨ２，３００ｐｐｍＨ２と強制的に富化し
ておく。かつ０．３Ｗ１深さの疲労き裂を片振り圧縮の
繰り返しによつて付加した後、試験に供する。試験は５
００ＭＰａ，３５０ＭＰａ，１５０ＭＰａの３種類の応
力を試験片に加えた後、この試験片を２７０℃以上に加
熱して水素化物を固溶し、更に３０℃／ｈの速度て冷却
して水素化物を析出させることによつて行なつた。この
過程で、試験片の加熱及び冷却時のＡＥ信号を計測して
、温度、水素濃度及び応力拡大係数と佃信号の対応を調
べた。第３図に冷却過程ての征信号の単位時間当りのカ
ウント数ＤＥ／Ｄｔと温度との関係をグラフにて示す。

図の縦軸がＡＥカウント数を１時間当りの数にて示すも
のであり、横軸が温度（℃）を示すものである。図中、
符号１〜■で示す特性が水素濃度７０〜３００ｐｐｍＨ
２の結果であり、各特性１〜■は各々応力拡大係数Ｋ，
が１５，１０，５ＭＰａＪヤ（ｍは前記のにＹの単位：
メートル）の場合である。特性■は水素濃度が１５〜２
５ｐｐｍで、応力拡大係数Ｋ，が１５ＭＰａＶヤの場合
の結果である。このグラフによると、２７０℃以上の温
度に保持した場合の蔀信号の発生は極めて少ないが、保
持温度を２３０℃及至１００℃に下げた場合にはＡＥ信
号のカント数ＤＥ／Ｄｔが急激に増加することが判る。
このピークは特性１では２３０℃前後、特性■，■では
２００℃前後、特性■では１４０℃前後で現れている。
しかし一方、１００℃以下になると、各特性１〜■のＡ
Ｅ信号の発生に余り差がなくなる。従つて、このグラフ
の結果から、欠陥を精度よく判定するには、圧力管を２
７０℃に保持して水素化物を固溶させた後、水素化物を
析出させるべく冷却して１００〜２３０℃で保持すれば
よいことが判る。

但し、加熱状態の温度は、実際上は２７０℃まで上げな
くとも、例えば現在使用されている圧力管の使用最低温
度が２４０〜２５０℃であるので、これに応じて約２５
０℃以上として用いても有効なものである。第４図は、
試験片を２７０℃に保持した後、各温度に１〜３時間保
持した場合の鮭信号のカウント数ＤＥ／Ｄｔと応力拡大
係数ＫＩとの関係例を示すものである。

特性１″〜■″は、水素濃度７０〜３００ｐｐｍＨ２で
の結果である。その内特性１″は保持温度が２００℃，
特性■″は同じく２３０℃，特性■″が２７０゜Ｃに保
持した時の結果である。また特性■″は１５〜２５ｐｐ
ｍＨ２〜３００ｐｐｍＨ２で１５０℃に保持した結果を
示す。このグラフを見ると、水素濃度７０〜３００ｐｐ
ｍの場合のの特性１″〜■″の内、２００℃で保持した
時の特性１″が最もＡＥカウント数が多く、かつ址カウ
ント数の変化に対する応力拡大係数Ｋ！の変化も明瞭で
あることが判る。

従つて、この特性１″〜■″の場合のように水素濃度が
７０〜３００ｐｐｍＨ２の時には、１５０〜２３０２３
０℃）で保持して計測することにより欠陥部の応力拡大
係数Ｋ１が精度よく求められる。同様に１５〜２５ｐｐ
ｍＩ−［２（特性■″）では、１００〜１５００Ｃでの
保持で址カウント数ＤＥ／Ｄｔを計測すれば、欠陥部の
応力拡大係数Ｋ！を精度よく知ることができることがわ
かる。このようにして欠陥部の応力拡大係数Ｋ，を把握
すれば、欠陥部に作用する応力は既知であるから、欠陥
寸法を知ることがででる。

即ち、応力拡大係数Ｋ，が判れば、まず圧力管の材料に
固有な破壊靭性値Ｋｃとの比較にて圧力管が破壊するか
否かの判定が可能となる。また、圧力管の欠陥は第５図
に示す楕円で代表できる。かつジルコニウム合金製圧力
管の場合、万一、製造時の欠陥が存在するとした場合で
も、ａく０．１７ｍ，２ｃ〈３Ｔａである（Ａ，ｃは各
々第５図に示すように楕円形欠陥の短半径である。）更
に、欠陥からき裂が進展するとした場合、き裂の進展は
管の半径方向と軸方向とに同じ割合で進展する場合とそ
うでない場合とが考えられるが、実験によるとジルコニ
ウム．合金材では半径方向と軸方向との進展割合が１：
１〜１：２．５の範囲である。よつて万一圧力管に欠陥
があつたとしても、最大でａ＝０．１ｍ，２ｃ＝３ｗｎ
であるから、き裂が半径方向と軸方向とで同じ割合に進
展したとしても、欠陥寸法は欠陥の軸Ｉ方向長さ？と肉
厚方向ａとの関係がａ／２Ｃ＝１／２と、ａ／２ｃ＝１
／５との間の範囲にあると考えてよい。従つて、Ｋ！＝
ＦＯＪ；ｉの式において、Ｋ，，σは既知であり、Ｆは
安全を見積り表面欠陥部の場合のの１．１２を採用すれ
ば、これによ・つて欠陥寸法が推測されることになる。
なお、ここでＦ＝１．１２をとつたのは、有限物体に欠
陥が存在する場合、これによりＫ！／Ｆは最大となるの
で、欠陥のａはこの価を用いることで、安全側のａが与
えられることになるからである。以上の結果に見られる
ように圧力管の保持温度を１００〜２３０℃の範囲で変
化させ、ＡＥ信号のカウント及び単位時間当りのカウン
ト数ＤＥ／Ｄｔを計測することにより、欠陥の有無・欠
陥の寸法が検出できる。

次に、重水炉において用いられる実際のジルコニウム圧
力管に本方法を適用した実施例について述べる。

この場合の特性は第６図にグラフにて示ｌすが、図の横
軸は時間、図の縦軸は上部に温度（℃），下部に圧力ｐ
（Ｋ９／ＣｒｆＬ）をとつたものである。測定に当つて
は図示の如く、運転の途中にて内圧を一定の状態にする
。運転温度は、まず特性Ａにて示すように、２７０℃て
保持した状態から１００℃まで連続的に変化させる。こ
の時の温度変化速度は、１０℃／ｈ〜６０℃／ｈが最適
である。かかる温度変化時（つまり特性Ａて示す間）の
各温度における佃信号の単位時間当りのカウント数ＤＥ
／Ｄｔを計測する。この計測において、該カウント数（
１Ｅ／Ｄｔが変化する場合に欠陥が存在することになる
。また、特性Ｂの如く２００℃付近で保持し、カウント
数ＤＥ／Ｄｔを計測する。これまでにカウント数ＤＥ／
Ｄｔが変化しない場合には更に１５（代）付近で保持す
る。この時にもカウント数ＤＥ／Ｄｔが変化しない場合
には、圧力管に欠陥が存在しないということてある。カ
ウント数ＤＥ／Ｄｔが変化する場合に欠陥が存在するこ
とがわかるわけであるが、この時はこのカウント数ＤＥ
／Ｄｔの変化を先きの小型試験片での結果（第４図）と
対比することにより、応力拡大係数ＫＩを求めることが
でき、従つて前述した方法で欠陥の寸法が把握できるの
である。第６図の例で、炉を停止する場合の実施方法に
ついて説明すると。

通常の炉停止の場合は、負荷圧力を下げながら連続的に
温度を下げるが、欠陥の検出の場のには第６図の如く負
荷圧力ｐは運転時と同じくしておく。ＡＥ信号発生に要
する応力を維持するためである。このように圧力ｐを保
持したまま、温度のみを変化させて更に址信号の単位時
間当りのカウント数ＤＥ／Ｄｔを計測する。これにより
、欠陥の検出及び寸法の把握をなすことができる。なお
第６図中、符号イは起動、口は運転、ハは中間検査、二
は運転、ホは停止の各段階を示すものである。

第７図に、層τンサの取付け構造の一実施例を示す。

本例では圧力管１の両端にＡＥセンサ６をバンドにて取
付ける。蔀センサ６の信号はケーブル８を介してプリア
ンプ７に送られ、ここで増幅された後更にメインアンプ
９で増幅され、次いで征解析装置１０にて位置標定並び
にＡＥカウント数の計測がなされる。この構造では、圧
力管１毎にＡＥセンサ６が取付けられるので、圧力管１
の欠陥位置を正確に標定できる。ＡＥセンサの取付構造
の別例を第８図に示す。

これは圧力管１同士の間の、ＡＥ信号が減衰しない範囲
にＡＥセンサ６を適宜配設したものである。この例であ
るとＡＥセンサ６の数が少なくてすむので、経済的に出
来るという利点を有する。但し、第７図の実施例に比し
、位置評定の精度が若干劣るものである。上記詳述した
ように、本発明のジルコニウム合金材の欠陥検出方法は
、被検体にＡＥ法を用いるに当つて、水素を含有するジ
ルコニウム合金材を加熱して水素化物を固溶させ、次い
で応力を加えた状態で該ジルコニウム合金材を冷却する
ことにより水素化物を析出させ、その際に生じ得る蔀信
号の検出により欠陥を検出するものであるので、カイザ
ー効果の影響をなくすためプラント等被検体に過負荷を
与えるという従来の佃法に不可欠な工程は不要になり、
もつて被検体の破壊などの恐れを解消できるという効果
を有する。

かつ本発明によれば、欠陥を広範囲に、しかもプラント
等の運転状態において知ることがてき、欠陥を容易かつ
確実に検出・判定できるものである。更に、プラント等
の定期検査時のみでなく、電力の剰余がある場合にはい
つでも実施することが可能であるという利点を有する。
また、ジルコニウム合金材の欠陥は定性的に検出できる
ばかりでなく、その寸法等を半定量的に検出できるもの
である。なお、上述の各実施例は、その具体的な構成に
より、更に多くの作用効果を有するものではあるが、本
発明はかかる実施例に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は厄法の一般的な作用を説明するためのグラフで
ある。 第２図は本発明を適用し得るジルコニウム合金材の圧力
管を用いた重水炉炉心断面を示す図である。第３図は本
発明の実施の一例における温度とＡＥ信号の発生状況と
の関係を示すグラフ、第４図は同じく応力拡大係数とＡ
Ｅ信号発生状況との関係を示すグラフ、第５図は同じく
欠陥の形状説明図である。第６図は同例における温度変
化等測定条件の方法の一例を説明する図、第７図は同じ
くＡＥセンサの取付け構造の一例を示す図、第８図イ，
口は同じくＡＥセンサ取付け構造の別例を示す図である
。１・・・・・・ジルコニウム合金材（ジルコニウム合
金圧力管）、６・・・・・φＥセンサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水素を含有するジルコニウム合金材を加熱状態にし
   て水素化物を固溶させ、次いで応力を加えた状態で該ジ
   ルコニウム合金材を冷却することにより水素化物を析出
   させ、その際に生じ得るアコーステイツクエミツシヨン
   信号を検出することによつて前記ジルコニウム合金材の
   欠陥を検出するジルコニウム合金材の欠陥検出方法。 ２ 水素化物を固溶させるための前記加熱の状態の温度
   が２５０℃以上であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載のジルコニウム合金材の欠陥検出方法。 ３ 水素化物を析出させるための前記冷却の状態の温度
   が１００℃及至２３０℃であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項または第２項のいずれかに記載のジルコ
   ニウム合金材の欠陥検出方法。 ４ 予め一定の欠陥を有する試験片を被検体と同様の状
   態で各種条件下に測定しておき、これにより得たデータ
   と被検体の測定結果とを比較対応させることにより欠陥
   の検出と判定を行うことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項及至第３項のいずれかに記載のジルコニウム合金材
   の欠陥検出方法。 ５ ジルコニウム合金材が重水炉に用いるジルコニウム
   合金圧力管であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項及至第４項のいずれかに記載のジルコニウム合金材の
   欠陥検出方法。 ６ アコーステイツクエミツシヨン信号を検知するＡＥ
   センサを前記ジルコニウム合金圧力管の各々の両端部に
   取付けたことを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載
   のジルコニウム合金材の欠陥検出方法。 ７ アコーステイツクエミツシヨン信号を検知するＡＥ
   センサを前記ジルコニウム合金圧力管同士の間の信号が
   減衰しない範囲に適宜配設したことを特徴とする特許請
   求の範囲第５項に記載のジルコニウム合金材の欠陥検出
   方法。