JPS61239154A - き裂形状検出方法及び装置 - 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
ことによっ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湯所が特定位
置に決っ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っ
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って
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
法において、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って詳細
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３０ｍ。

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、材質が異なっても電位の
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。き装面の電位分布に注目すると、等電位線はき装面
にもぐり込む。き装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。また電位分布はき装面に対して
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゜４，５．１０ｍ＋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１０ｍ５＋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。従ってき裂に沿って
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５
ＵＳ３０４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。従っ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である。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、ｍ
室端子４間の電位差はスキャナー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ニス８
を介してマイクロコンピュータ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ュータ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プロッタ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
傷ヘッド（第１図参照）の位置決めは駆動装置５で行わ
れ、駆動装置５はマイクロコニピユータ９で制御される
。

第５図はき裂検出装置の駆動装置１１５の詳細図である
。駆動袋［５は測定端子４と給電端子対２を備えた探傷
ヘッド４０をＺ軸まわりにステッピングモータ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は探傷ヘッド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’　によって駆動される。Ｙ軸５
２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５３，５３’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
によって制御される。第５図では探傷ヘッド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
の配置を採っている。き裂の発生する方向は部材によっ
て大体法まっており、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
ヘッド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１０ｇ１以上であっても十分である６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、コンピュ
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を用いてコンピュータ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１５０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っても精度よく
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っ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ッド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
配列となっている。

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
ャニングが不要になる。

第１４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。従って測定試料が
軟らかい材料の場合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、測定に当っては
測定位置を変える度に測定ヘッドを持ち上げては移動し
なければならなかった。）測定ヘッ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。電極ロッド３１の先端に円筒３４を設け、
その中にバネ３２、銀また銀箔のスペーサ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
。電極ロッド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３９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は探傷ヘッ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１０５の先端に取り付けであ
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は探傷ヘッド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っている。従って電位分布は一
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、探傷ヘッド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５
５′に固定した測定端子１０１は用いず、探傷ヘッド４
０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
傷ヘッ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った電位分
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ってき裂
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
析によっ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図は実測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ャートで示
す具体的な説明図、第７図は給電端子対と電位測定端子
とからなる探傷ヘッドの構造図、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１
９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
キャナー、７・・・微小電圧計、８・・・インターフェ
ース、９・・・マイクロコンピュータ、１０・・・Ｘ−
Ｙプロッター、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・・・コンピュータ、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・・・電極ロッド、３２・・
・バネ、３３・・・鋼球、３４・・・円筒、４０・・・
探傷ヘッド、４９・・・空気作動シリンダー、５０・・
・ヘッド回転用モータ、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、１０１，１０２・・・測定端子、１０５・
・・空気作動シリンダー。 （′ 代理人　弁理士　小川勝馬、−一−２゛畜　１　　図 冨２図 芝裂先鳩 ！裂巾→（か５　の２巨或１ｘ（ｒｎφｔり第　３　図 ヱ　３２５猥ユ　　　　久　　　（り１〃遅）■　４　
図 頁　５　図 第　　乙　　図 ％ｓ図 夏Ｉ１図 冨　１２　　図 第７３図 冨　１４　　図 第Ｉ５図 ％　　ｔ６　　図 冨　／７　図 冨　／ｆｆ　　図 電／ｑ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、構造部材表面に給電端子対によって直流電流を印加
   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
   って電位分布を求め、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ッドと、探傷ヘッドを定位置に支持
   する支持部材とからなるき裂形状検出装置において、前
   記探傷ヘッドを構造部材表面に沿って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ュ
   ータと、探傷ヘッ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
   ッ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
   ッ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
   ッ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
   ッ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
   ッ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
   ッ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
   ッ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。