JPS62225951A - ボルト等の劣化検査装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明はタービン等高温で使用される機器の材質劣化
検査装置に係り、特にボルト等の有孔部材の劣化検査装
置に関する。

（従来の技術） 蒸気タービンのケーシングや弁等の高温状態で使用され
る機器のボルト締結部１こは、使用中のボルトのゆるみ
を防ぐためにボルト組立時に加熱し締付ける高温ボルト
が使用されている。この高温ボルトは、張力が作用しつ
つ長時間高温にさらされているためにクリープや焼戻し
脆化および疲労等の材質的な劣化損傷が生じ、亀裂の発
生・伝播等が発生する場合が有るが、亀裂発生によるト
ラブルを防止する為に従来は定期検査時にボルトを取り
はずした状態で外観、寸法および硬さ測定を行い、これ
らの計測結果が規定の範囲から外れた場合には交換する
という手順をとることが一般的であった。

しかし、外観や寸法の変化は劣化の結果を表わしている
にすぎず、材質的劣化の進行程度を評価するものではな
く、硬さ測定では軟化は計測できるが脆化を評価するこ
とはできない。また、脆化を推定する手法として近年電
気化学的手法が試みられており、電気化学釣針８１ｇ値
の変化とシャルピー衝撃試験の破面遷移温度の」１昇が
対応することが知られているが、上記２つの手法ともに
計測に使用する検出器部分の形状寸法等の制約から適用
できる被検体の形状寸法、取付は状態等が限られており
、高温ボルトの張力の作用している部分には適用できな
い。

他の非破壊的劣化検出法としては超音波を応用する事が
考えられるが、基礎的な技術としては次の如き実験結果
が知られている。すなわち、金属材料が高温において応
力を負荷され続けたために受けるクリープ損傷において
は材料内に発生したミクロ的ボイドあるいはクラックに
よる密度減少と超音波音速の変化が対応することが知ら
れており（例えば松本他、日本非破壊検査協会第３４巻
第２号Ｐ１４０参照）、また不純物元素の析出等による
焼戻し脆化および疲労損傷については超音波の減衰特性
あるいは磁界中における超音波の減衰特性が変化するこ
とが知られている（例えば小播他、および僻地、いずれ
も日本非破壊検査協会００４−ＷＧ８報告書）。

（発明が解決しようとする問題点） 以上に述べたように高温使用環境下におけるクリープ損
傷や焼戻し脆化、疲労損傷等の材質的劣化を評価するた
めの〃ｘ理内的実験結果ついては数種の報告があるが、
いずれも検出部の寸法形状及び構成のゆえに高温ボルト
を分解・取りはずしを行わない状態では、応力が作用し
材質的劣化がより進行している高温ポル１〜長手方向の
中央部あるいはネジ部近傍の劣化状態を計測するこＰ不
可能であった。また、これらの原理的技術の中でも比較
的適用対象に対する制限が少ないと考えられる超音波の
応用手法についても通常の超音波探触子を用いているの
で、高温状態に長時間さらされ、表面が酸化している高
温ボルトには適用できない。

従って高温ボルトのクリープ損傷、焼戻し脆化および疲
労損傷等による材質劣化を、ボルトを分解・取りはすし
を行うことなく非破壊的に検査および評価できる技術を
確立することは強く要望されているが現時点ではかかる
要望を実現するための手４一 段は知られていない。

本発明は」１記事情に鑑みてなされたものであり、高温
ボルトの高温長期連続使用による材質的劣化の程度を、
定期検査時にボルトを分解・取りはずすことなく、応力
が作用して劣化の程度が他の部分より大きいと考えられ
るボルト中央部やねじ部近傍について検査可能であり、
かつ高温環境下で形成された表面酸化膜の存在に影響さ
れない検査装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明による高温ボルトの劣化検査装置はかかる目的を
達成するために、材質劣化による超音波特性の変化に着
目した計測を行うが、この際に通常の超音波探触子の如
き伝音媒質を必要とせず非接触でも超音波の送受信が可
能であり、かつ表面の酸化状態等による変化を受けにく
い電磁超音波法を用いるために劣化検出装置の検出ヘッ
ドは２個の超音波発生用電磁超音波探触子を有し、一方
の電磁超音波探触子のコイルにパルス電流を印加して超
音波を送信し、ボルト材中を伝播してくる超音波を他方
の電磁超音波探触子で検出することにより、ボルト材中
を伝播する際の音速および、一定の強度の超音波を送信
して超音波の伝播減衰の程度を計測し、また超音波が伝
播する経路に磁場を与える為の電磁石を内蔵し、超音波
の伝播減衰に対する磁界の影響を計測するよう構成した
ことを特徴としている。

すなわち、本発明は送信用電磁超音波探触子とこれと一
定距離隔てて保持される受信用電磁超音波探触子と、こ
れら各探触子間の超音波伝播系路に磁界を印加する電磁
石とを備え、さらにこれら各探触子および電磁石をボル
ト等の孔壁に押圧する機構を付設して構成される検査ヘ
ッドと、この検査ヘッドを先端に取着された操作ロンド
と、前記送信用電磁超音波探触子に接続されたパルス電
源と、前記受信用電磁超音波探触子に接続された増幅器
と、前記電磁石に接続された励磁用電源と、これらパル
ス電源および励磁用電源を制御する手段と、送信から受
信に至るまでの所要時間がら送信された超音波が伝播す
るときの音速を求める手段と、送信波と受信波の関係か
ら伝播による超音波の減衰量を求める手段と、求められ
た音速の変化からクリープ損傷による劣化を評価する第
一の評価手段と、求められた減衰量から焼戻し脆化およ
び／または疲労損傷による劣化を評価する第２の評価手
段とを備えたボルト等の劣化検査装置であり、特にその
うち、検査ヘッドについては、その電磁石が板状の基台
部とこの基台部の両端の一方の面に半円状に突出するよ
う形成された作用部とを有し、送信用電磁超音波探触子
および受信用電磁超音波探触子は接触面が半円状の曲面
であってその接触面が前記電磁石の前記作用部と同一曲
面上昇に位置するよう前記基台に取着され、一方、前記
基台の他方の面にはバネ状部材を介して半円状の断面形
状を有し吸着用電磁石を内蔵した押え板がその曲面が外
方へ向くよう取着され、検査ヘッドは全体として断面長
円形状に構成される。

（作用） 上記の構成によれば、送信用電磁超音波探触子−７＝ によりボルト材に励起された超音波はボルト材中を伝播
し、このとき受信用電磁超音波探触子により検出される
までの時間と両探触子間の距離に基いて伝播時の音速を
求め、この音速の経年的な変化を計測することにより、
クリープ損傷によるミクロ的ボイドの生成に起因する密
度変化を推定することが可能となる。また送信用電磁超
音波探触子から常に一定強度の超音波を励振し、ボルト
材中を伝播する際に減衰を受けた超音波を受信用探触子
で受信し、その強度の変化を波高値あるいは周波数分析
により計測することにより、不純物元素の析出による焼
戻し脆化を推定し、更にこの超音波の減衰を計測する際
に連続的に強度を変化させることのできる磁場を与え、
磁界の変化に伴う超音波減衰の変化から焼戻し脆化およ
び疲労損傷の程度を推定することが可能となる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例に係る劣化検査装置の全体構
成を示すもので、高温ボルト１の軸方向に穿孔されたヒ
ータ孔２には検査ヘッド３が挿入され、この検査ヘッド
３は操作ロッド４に接続されて外部からヒータ孔２内に
おける位置を設定できるようになっている。検査ヘッド
３は操作ロッド４を通したケーブル５で制御計測演算装
置６に接続されている。この制御計測演算装置６には検
査ヘッド３に電力を供給する電源や、これを制御しまた
超音波の伝播速度や減衰を算出したりするための演算器
、さらにその結果を表示、記憶する機器が内蔵されてい
る。

第２図および第３図は検査ヘッド３の詳細を示すもので
、検査ヘッド３は全体が断面半円状の検査ヘッド計測部
３ａと押え板部３ｂをバネ７を介して接続して断面長円
状の棒状体として構成されている。検査ヘッド計測部３
ａには、コアとなる板状の基台部８ａとこの基台部８ａ
の両端の一方の面に半円上に突出するよう形成された作
用部８ｂと上記基台部８ａに巻回されたコイル８ｃから
なる電磁石８が内蔵され、この電磁石８の基台部８ａに
は一定の距離を隔てて送信用電磁超音波探触子９および
受信用電磁超音波探触子１０が取着されている。これら
各探触子９，１０はコイル部分９ａ、１０ａと永久磁石
部分９ｂ、１０ｂとからなり、その形状は電磁石８の作
用部８ｂと同様に半円状で、それぞれ超音波発振面およ
び受信面が曲面となるように構成されている。しかして
検査ヘッド部３ａは全体がケース１１に収納され、電磁
石８の基台部８ａの裏面のみが鉄等の磁性体からなる吸
着板１２で覆われたものとなっている。

上記吸着板１２にはコイル状バネ７の一端が固定され、
このコイル状バネ７の他端には全体が半円状のケース１
３で形成された押え板部３ｂが固定されている。この押
え板部３ｂには上記バネ７に相当する位置に架は渡すよ
うに吸着用電磁石１４が跨設して内蔵され、吸着用電磁
石１４のコイル１４ａが励磁されたときには上記バネ７
の弾性力に抗して計測部３ａは押え板部３ｂに引き寄せ
られるようになっている。

第４図は制御計測演算装置６の構成を示すもので、検査
ヘッド３に収納された受信用電磁超音波探触子１０、送
信用電磁超音波探触子９、電磁石８、吸着用電磁石１４
はそれぞれケーブル５を介して増幅器１５、励振用パル
ス電源１６、励磁用電源１７、吸着用電源１８に接続さ
れている。

励振用パルス電源１６で発生された電流パルスはケーブ
ル５を介して超音波励振用探触子９に送られる。ボルト
材中を伝播した超音波は超音波受信用探触子１０により
電気信号に変換され、増幅器１５で増幅された後にピー
ク振幅値計測回路１９と音速測定回路２０に導びかれ、
超音波が伝播したことによる減衰と超音波が励振されて
から受信されるまでの時間からボルト材の音速が測定さ
れる。また超音波の減衰特性におよぼす磁界の影響を計
測するために、磁場発生用電磁石８には励磁用電源１７
から電流が供給される。これら機器による超音波の励振
、超音波の受信・増幅、磁界の発生、超音波の減衰の測
定および音速の」り定は全て制御計測計算器２１の一連
の命令により行われるとともに、計測結果も数値情報と
して記録され記憶装置２２に保存され、更にその一部は
表示装置２３に表示される。なお、計測の開始前および
終了後に行う検出ヘッド３のヒータ孔２への挿入および
引き抜きの際には、第３図に示した吸着用電磁石１４に
電流を供給するために、吸着用電源１８が動作する。

以上の構成による実施例の作用を第５図〜第６図を参照
して説明する。第５図の概念図に示す如く、紙面に垂直
な方向に巻回された超音波励振用コイル９ａにおいては
、隣接するコイルに交互に逆方向電流が供給された場合
に、コイルの周期Ｐと発生する超音波の周波数ｆ、音速
Ｖおよび超音波の入射角θの間には（１）式の関係が成
立する。

θ＝ｓｕｎ’（−）　　　・・・・・・■φｆ 従って超音波励振用コイル９ａと永久磁石９ｂで構成さ
れる電磁超音波探触子で、高温ボルトヒータ孔内壁２ａ
から入射角θ方向に送信された超音波が高温ボルト外表
面１ａで反射してくる位置に超音波受信用コイル１０ａ
と永久磁石１０ｂで構成される受信用電磁超音波探触子
を配置することにより、高温ボルトの材質的影響を受け
た超音波を受信することが可能であり、受信された超音
波のピーク振幅値の変化や受信波形の周波数解析および
、それらに対する磁界Ｈの影響を制御計測計算器２１を
用い解析することにより、不純物元素の析出に起因する
焼戻し脆化や疲労損傷を検査・評価することが可能とな
る。また超音波の入射角Ｏと高温ボルトの寸法で決まる
一定な超音波伝播経路を伝播するのに要する時間を計測
し、ボルト材の音速を測定することによりクリープ損傷
による密度変化を検出することも可能である。

以上に述べた超音波の送信および受信は、いずれも電磁
超音波探触子を用いて行っているが、通常の超音波探触
子を用いる場合は被験材表面との接触状態による影響が
大きいのに対し、電磁超音波探触子を用いることで高温
ボルト内面の酸化膜の耐着等表面状態に影響されにくい
計測を行うことができる。

第６図は検査ヘッド３をヒータ孔２に出し入れする際と
超音波特性計測時の機構部分の作用を示すものである。

検査ヘッド３を出し入れする際には第６図（ａ）に示す
如く押え板吸着用電磁コイル１４ａに電流が供給され検
査ヘッド計測部３ａが検査ヘッド押え板部３ｂに吸着さ
れ検査ヘッド３の直径が小さくなる為に検出ヘッドのヒ
ータ孔２への出し入れが容易になり、また超音波特性計
測時には第６図（ｂ）の如く押え板張着用電磁石コイル
１４ａへの電流が供給されなくなることによりコイルバ
ネ７が伸びて検査ヘッド計測部３ａと検査ヘッド押え板
部３ｂを高温ポルｌ−ヒータ孔２の内壁に押し当てるこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、高温ボルトのヒー
タ孔への出し入れが容易であり、かつヒータ孔内面の酸
化等表面状態に比較的影響されにくい電磁超音波探触子
を用いて応力が作用している高温ボルト中央部等任意の
部分の超音波減衰特性や音速、および減衰特性の磁界に
よる影響を計測できるために、クリープ損傷や焼戻し脆
化および疲労損傷による材質的な劣化を定期検査時にボ
ルトを分解・取りはずすことなく検査することが可能と
なり、高温環境下で長期連続使用される高温ボルトの健
全性評価と寿命評価に多大な効果をもたらすことが可能
な高温ポル１への劣化検査装置を提供することができる
。

なお本発明は高温ボルトのみならずタービンロータ等の
材質劣化を受ける恐れの有る有孔構造物に対して、その
要旨を逸脱しない範囲で寸法や超音波の伝播方向等を変
えて適用できることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による高温ボルトの劣化検査装置の全体
構成を示す図、第２図は本発明の実施例による検査ヘッ
ドの構成を示す斜視図、第３図は検査ヘッド押え板部の
断面図、第４図は制御計測演算装置の構成を示すブロッ
ク図、第５図は劣化検査の様子を示す説明図、第６図は
検査ヘッドの着脱の様子を示す説明図である。 １・・・ボルト、２・・・ヒータ孔、３・・・検査ヘッ
ド、４・・・操作ロンド、６・・・制御計測演算装置、
７・・・バネ、　　８・・・電磁石、 ９・・・送信用電磁超音波探触子、 １０・・・受信用電磁超音波探触子、 １４・吸着用電磁石。 第１図 第２図 第３図 第４図 第６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）送信用電磁超音波探触子とこれと一定距離隔てて
   保持される受信用電磁超音波探触子と、これら各探触子
   間の超音波伝播系路に磁界を印加する電磁石とを備え、
   さらにこれら各探触子および電磁石をボルト等の孔壁に
   押圧する機構を付設して構成される検査ヘッドと、この
   検査ヘッドを先端に取着された操作ロッドと、前記送信
   用電磁超音波探触子に接続されたパルス電源と、前記受
   信用電磁超音波探触子に接続された増幅器と、前記電磁
   石に接続された励磁用電源と、これらパルス電源および
   励磁用電源を制御する手段と、送信から受信に至るまで
   の所要時間から送信された超音波が伝播するときの音速
   を求める手段と、送信波と受信波の関係から伝播による
   超音波の減衰量を求める手段と、求められた音速の変化
   からクリープ損傷による劣化を評価する第１の評価手段
   と、求められた減衰量から焼戻し脆化および／または疲
   労損傷による劣化を評価する第２の評価手段とを備えた
   ボルト等の劣化検査装置。
2. （２）検査ヘッドを構成する電磁石は、板状の基台部と
   この基台部の両端の一方の面に半円状に突出するよう形
   成された作用部とを有し、送信用電磁超音波探触子およ
   び受信用電磁超音波探触子は接触面が半円状の曲面であ
   ってその接触面が前記電磁石の前記作用部とほぼ同一曲
   面上に位置するよう前記基台に取着され、一方、前記基
   台の他方の面にはバネ状部材を介して半円状の断面形状
   を有する吸着用電磁石を内蔵した押え板がその曲面が外
   方へ向くよう取着され、検査ヘッドは全体として断面長
   円形状に構成されている特許請求の範囲第１項記載のボ
   ルト等の劣化検査装置。