JPS6232347A - 材料の非破壊劣化試験方法 - 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】 縛 ３、発明の詳な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は、各種の材料を破壊することなく放射線断層測
定を行うことにより、諸材料の劣化個所とその程度を測
定する非破壊検査に関する。

〔従来の技術〕

金属、セラミックス、有機高分子など、すべての材料に
ついて、劣化の問題はそれらの材料を使用する場合の大
きな問題であることば言うまでもない、劣化の原因はこ
れまた数多くある。たとえば、長年月使用による劣化、
使用環境による劣化２応力による劣化、熱による劣化、
材料が不純であったための劣化など数多い。これらの劣
化は材料がその機能を失なうことを意味し、気がつかな
い場合には物的２人的事故にも通じ、問題は大きい。

従ってこのような材料の劣化の程度を定量的に調査し、
その場所を検出しさらには材料の余命を推定する試験方
法が要望されるが、現状では残念ながら良法がない。一
般には材料から試験材を切り出し、光学Ｗ４微鏡やＸ線
マイクロアナライザーなどの分析機器を使用して劣化を
徴査する破壊検査法が行なわているが、試験材の切り出
し、研磨などに長時間を要し、かつ高度の熟練度を必要
とする場合が多く、また、劣化の程度を定量的に数値化
するなどには適さないことが多い。また、材料によって
はこうした切り出しや研磨に適しないものもある。また
、この方法はパその場″（オンライン）での試験にはま
ったく適さない。

最近Ｘ線の透過試験により、劣化の程度を調査しようと
する試みも行なわれているが、Ｘ線の通過経路のすべて
の劣化の程度が足し合されたような形で求められるで１
表面だけが劣化した材料や内部の一部だけが劣化した材
料の調査には、劣化検出の程度が低く、かつ材料内のど
こが劣化しているか場所の特定ができない。

一方、放射線（Ｘ線）撮影装置とコンピューターとを組
合わせて、人体の横断面を測定する所謂コンピューター
断面撮影法（ＣＴ法：　ＣｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄＴ　
ｏｍｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｓ　ｃａｎｎｅｒ）が開発され
、従来１１１１ができなかった人体内部組織に対しても
鮮明な映像が得られるために、医療分野において広く活
用されている。

本発明者は、ＣＴ法の工学的応用について長年月研究を
重ね、すでに無機物よりなる試料の任意横断面に放射線
を透過する試験方法について発明し、特願昭５５−１４
３７１９号（特開昭５７−６７８４６号）として特許出
願した。この工学的応用の一連の研究において、さらに
、劣化した材料の測定を実施したところ、劣化の程度を
きわめて定量的に求めることができ、かつその劣化箇所
が容易にわかるということを見出し、本発明に至ったも
のである。

〔発明の目的〕

本発明は無機、有機の工業用材料の劣化の程度を定量的
に求め、かつ、劣化の場所を明らかにする非破壊試験方
法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、試験しようとする材料（以下被験材料という
）の横断面に対し、細束の放射線を、多数の方向から順
次照射し、そ扛ぞれの照射における材料の透過放射線の
強度を検出し、該検出結果から横断面の個々の個所にお
ける放射線吸収の程度を定量的に求め、次の（１）式に
より材料の劣化個所と程度とを測定することを特徴とす
る材料の非破壊劣化試験方法である。

Ｄ　＝−Ｘ　Ｋ　　　　　　　　　　　　・・・（１）
Ｉｔ。

但し、Ｄは劣化の程度、Ｉｔは劣化した材料の透過放射
線強度、ＩｔＯは劣化していない材料の透過放射線強度
、には定数例えばに＝１００゜以下図面を参照して本発
明方法について説明する。

第１図は本発明方法の説明図で、■はＸ線管。

２は試料台、３は検出器でこれらはＸ線検査室１６内に
収容しである。２′は試料台上に載置した被験材料であ
る。４は試料台２を回転および直線運動させる作動を司
る試料台コントローラ、５はＸ線管１の作動を制御する
Ｘ線コントローラで、これらはシステムコントロール６
を介してコンピュータ１１に接続する。７はデータ収集
ユニットでその一方は検出器３と接続し、他方はコンピ
ュータ１１に接続する。８はディスプレイ、９は該ディ
スプレイ８と接続するカメラである。１０はセレクタチ
ャネルである。１２はメモリ、１３は高速再構成ユニッ
ト、１４はディスク、１５はフロンピーディスクで、こ
れらはいずれもコンピュータ１１に接続する。また、１
７はＤＭＡバス、１８はＩ１０バス、１９はセレクタパ
スである。

第２図にＸ線検査室１６の詳細を示す。第２図で、２０
はＸ線管１から放射されるＸ線ビーム。

２１はＸ線管側コリメータ、２２はリファレンス検出器
、２３は被験材料、２′はトラバース線、２４はコリメ
ータフレーム、２５は検出器側コリメータである。

本発明方法により、材料の劣化試験を行うには。

被験材料２’　　（直径５０＋ｓ以下、高さ１００ｍｍ
程度）を試料台２上に載置し、Ｘ線管ｌから１２０〜４
２０ＫＶの高圧Ｘ線を被験材料２′に照射する。すなわ
ち、第２図に示すようにＸ線管１から被験材料２１　に
対して６′のファン状のＸ線ビーム２ｏを照射すると、
該Ｘ線ビームはＸ線源側コリメータ２１を通過し、さら
に被験材料２′　を透過し、検出器側コリメータ２１を
通過し、検出器３に−達し、透過したＸ線の強度が検出
される。なお、この装置は第二世代方式であるので、Ｘ
線の強度の検出は被験材料２′　がトラバース線２３に
沿って直線運動している最中に行われる。この一工程の
Ｘ線強度の検出が終了すると被験材料２′　を６°回転
させ、さらに前記の同様の操作によりＸ線強度を検出す
る。この工程を３０回繰返すと被験材料２′の半周にわ
たって透過Ｘ線の強度が測定される６なお、この場合の
Ｘ線ビームはコリメータにより０．５１１Ｉ＋ｅ　Ｘ　
Ｏ，５ｍｍの角状に絞られている。また、透過Ｘ線の強
度の測定に要する時間は材料の種類にもよるが概ね１０
分以内である。

このようにして測定された透過Ｘ線強度のデータを前記
（１）式に適用して劣化の程度りを求める。

さらに、このデータは第３ａ、ｂ、ｅおよびｄ図に示す
ような方法によって断面像に構成される。

第３ａ図および第３ｂ図は、上下に貫通した孔２６を設
けた直径５０ｍｍの円柱状の被験材料２′の。

斜線で示す横断面の測定を行う場合で、第３ｃ図はその
横断面へのＸ線照射態様を示す横断面図である。第３ｃ
図に示すようにＸ線２７を照射して得られた透過Ｘ線強
度のデータ２８をもとに、第３ｄ図に示すように最も一
般的な断面像再構成法であるフィルタート・バック・プ
ロジェクション（Ｆ　１ｌｔｅｒｅｄ　Ｂ　ａｃｋ　Ｐ
　ｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）法によって断面像を再構成する
。この方法は、第３ｃ図に示すような一方向からの透過
Ｘ線強度のデータをそのままコンピュータ１１のメモリ
１２上にバックプロジェクションするのではなく、再構
成された断面像が、偽像などのない鮮明で正確なものに
なるように電気的なフィルター処理を行った後、バック
プロジェクションするのである。すなわち前記の２４０
方向からのデータ２８をトラバース速度で補正し、さら
にリファレンス検出器２２で測定したＸ線量の経時変化
により補正を加え一対数変換した後、コンピュータ１１
のメモリ１２上に透過してきた方向に逆投影を行い、鮮
明で正確な画像を再構成する。この断面像はディスプレ
イ８に示されるがこれは２４ｏ　ｘ　２４０あるいは５
１２Ｘ５１２などの画素における濃淡の集ったものであ
る。すなわち上記の数多くの微小部分における放射線の
透過したものの強度の集合体である。被験材料が劣化す
ると放射線が放射された場合の透過の程度が異る（一般
に透過し易くなる）ので劣化の場所、程度を知ることが
できる。

ここで劣化の程度を正確に表わすには、劣化していない
最初の材料の放射線の透過の程度を予め測定しておく。

すなわち劣化していない材料を透過した放射線の強度を
ＩｔＯとし、劣化したと思われる材料を透過した騒射線
の強度をＩｔとするると劣化の程度りは百分率で、（２
）式で得られる。

■し Ｄ　＝　−Ｘ　１００　　　　　　　・・・（２）Ｉｔ
Ｏ この場合、予めＩｔｇを求めておく必要があるが１通常
装置が安定していればＩｔｏの値はほぼ一定である。こ
の値の測定は通常、水か空気でＯレベルを、目的とする
材料よりすこし放射線を透過しにくい物質で１００レベ
ルをあわせて測定すればよい。

例えばコンクリートなどの測定の場合、アルミニウム、
鉄などの測定の場合、鋼などの測定の場合で１００レベ
ルをあわせればよい。以上のＤ値は容易に放射線断層測
定においては画面上の数多くの画素（２４０Ｘ　２４０
，５１２　Ｘ　５１２等）すべてについて得られる。Ｄ
値で表わした画面は劣化を二次元的に示し、場所を示す
、さらにコンピュータをっかえば、すべての画素の平均
値も得られる。これはその材料の変化の程度を定量的に
示す。

なお１本装置はＣＴスキャナーの第２世代の方式の説明
であったが、ＣＴスキャナーには現在第４世代までが知
られており、また、試料が回転したり動いたりする方式
のものや、試料は回転したり動いたすせずに、放射線管
と検出器が回転したり動いたりする方式のものなど種々
あり、本発明をこれらに限定するものではない、また、
本装置は４２０ＫＶのＸ線を使用しているが、放射線と
してさらに高圧のＸ線、コバルト６０などのγ線、カル
ホルニウム２５などの中性子線なども十分に使用される
ものである。なお、Ｘ線を使用する場合には、結果をよ
り正確にするために、鉄、クロム。

亜鉛などの金属フィルターを透過させて単色化すること
も大いに効果がある。また、試料も径５０■■の円筒に
限定するものではなく、たとえば、　６ＭＶのＸ線を使
用すれば径６０ｃｍの鉄鋼試料内の断層像測定もきわめ
て容易に行なわれる。

なお、本発明の方法は、」１記の装置に限定されるもの
ではない、放射線を用いた断層測定装置であれば使用で
きるので、材料が有機物のような場合には１２０ＫＶ程
度の人体用ＣＴスキャナーを使用できるが、勿論上記の
装置を有機物材料の場合に適用してもよい。

〔実施例１〕 北九州から出土した鉄斧（１世紀頃製造されたものと見
られる）の劣化状態を本発明の方法で測定した。この鉄
斧（２０Ｘ４５Ｘ８８ｍｍ）をビー力（径４９ｍ）に入
れ、まわりを約１００メツシユの鉄粉で埋め、第１図に
示したＸ線断層測定装置にかけて測定した。θレベルは
空気、１００レベルはステンレスｍ　（ＳＵＳ３０４）
どした。結果を第４図に示す。この試料は周辺が長年月
のために風化していたが、中味は劣化しておらず、金属
鉄３１が残っていた。

第４図で斜線の部分３２は風化している部分であり、斜
線の部分はＤ値で１９０へ−２１０（平均値２０１）で
あった（この部分は特殊で最初の試料が別にと九ないの
で、Ｉｔ、ｏは第４図の金属鉄の真中での測定値とした
）。この試料には多数のクランク３３も認めらｊ］、八
〇またその後の詳細な検Ｓ・を結果によれば、斜線の部
分は金属鉄が酸化されて酸化鉄となっていることがわか
った８ 〔実施例２〕 高炉羽目付近において９年間使用したカーボンレンガを
、高炉を休止し解体するどきに羽口伺近から３種類（Ａ
、Ｂ、Ｃ）を試料として採取した。

試料Ａは鉄皮側から１０−５試料Ｂは鉄皮側から４０１
、試料Ｃは鉄皮側から８０−の場所からとった。

採取したカーボンレンガはそ扛ぞれ断面ＩＱＸ１０ｃｍ
。

畏さ２０ｃ＋ｍのものであり、大きすぎて、第１図のＸ
線断層測定装置内に人か、ることができなかった。

しかし、Ｘ線装置の構成は人体の場合と同じであったの
で、通常の医療用の断層測定装置を使用して検討した。

θレベルは空気、１００レベルは未使用の同種類のカー
ボンレンガとした、結果を第５，６図に示す。第５図は
試料Ｂの劣化状態を示す。この試料においては外面３７
から劣化が進んでおり、クラック３６の部分の先端にお
いては劣化はカーボンレンガ内部に深く進行しているこ
とがわかる（３５）、３４は劣化していない部分である
。第５図で斜線の部分がとくに劣化している部分であり
、Ｄ値で２００〜３１０（平均値２５０）であった。

Ｉｔｏは未使用の同種のカーボンレンガで測定した。第
５図の結果から全画素のＤ値の平均値を求め、試料の採
取箇所（鉄皮側からの距離、Ｌ３）との関係でプロット
した結果を第６図に示す。第６図の結果によれば、鉄皮
側ではほとんど劣化していないが、鉄皮からはなれて溶
鉄側になるにつれて劣化が進んでいることがわかる。一
般にＤ値が３００を越えたカーボンレンガは劣化が進み
すぎ。

はとんど強度がなく、全くその用をなしていない。

鉄皮側から８０１の位置で採取した試料Ｃはほとんどそ
の状態に近（、レンガとしての余命はほとんどなかった
と云える。

〔実施例３〕 台湾における機橋構造杭などとして重防食鋼管杭がよく
使用されている。この重防食鋼管杭はポリエチレン被覆
によって防食性（耐海水性、耐候性など）を出している
。このポリエチレン被覆の劣化はとりもなおさず防食性
の低下となり、重要な問題である。このポリエチレン被
覆は、鋼管にショツトブラストしたのち加熱し、プライ
マーを塗布し、接着剤を被覆し、つづいてポリエチレン
樹脂を被覆して検査して仕上げる。従ってポリエチレン
が熱によってどのように劣化するか調べることが重要で
あり、オーブンを用いた劣化試験というのが一般に行な
わわ、でいるが、定量的な劣化の評価法が現在ない、そ
こで本発明の方法で劣化の評価を試みた。測定装置とし
ては第１図に示したＸ線断層測定装置を用いたが、とく
にわずかな劣化も感度高く検出するためにＸ線源口と試
料管に鉄フィルタ（１０ｍｓ＋厚さ）をつけてＸ線を単
色化して測定した。ｉｏｏ℃で２０００．４０００．６
０００．８０００゜１００００時間オーブン劣化試験を
した試料（４Ｘ４ｃｍ。

厚さ４　ｍ　）を劣化試験しない試料１個とともにたば
ねて、ビーカーに入れ、固定して測定した。測定はＯレ
ベルを空気、１００レベルをアルミニウムとして行なっ
た。結果を第７図に示した。この場合は一つの試料内で
は劣化はほぼ均一に進行し、表面からというような進行
の仕方はしていなかったので、測定断面（４Ｘ４０ｍ）
のＤ値の平均値を求めて、１００℃でのオーブン熱処理
時間に対してプロットし、第７図をつくった。加熱時間
が長くなるにつれて劣化はますます進行することがわか
る。

ポリエチレンの樹脂試料の熱劣化についてさらに詳細に
調べると、　Ｄ　＝（Ｉ　ｔ／　Ｉ　ｔｏ　）Ｘ　１０
０が１１５を越えるときわめてもろくなり、ひびが入っ
て被覆の役には立たないことがわかった。第７図から予
測すると、この試験をｔｔｏｏｏ〜１２０００時間する
とＤ値は１１５を越えると予測され、この時間で実際試
験した試料は予測どおり強度がなく、役に立たなかった
。

なお本発明方法によれば、被覆鋼管を直接測定し被覆物
の劣化状態をその場で調べることも当然可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、従来困難であっ
た、非破壊、非接触で、材料の劣化の強度と劣化場所と
を調へることができ、その効果はばかり知れない。劣化
の程度を正確、迅速、非破壊、非接触で知ることができ
ることは、材料や構造物の余命をも正確に予測すること
になり、適用範囲はきわめて広い。また、本発明の試験
法はその特徴から構造物をとりこわすことなくその劣化
の状態を知り、余命を予測することもできる点で画期的
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を一態様で実施する装置構成を示
すブロック図である。第２図は第１図に示すＸ線断層撮
影装置のコリメータ部を詳細に示す断面図である。第３
ａ図は被験材の測定横断面を示す斜視図、第３ｂ図は該
横断面を拡大して示す平面図、第３ｃ図は該横断面と照
射Ｘ線の方向を示す平面図、第３ｄ図は第３ｃ図に示す
態様でＸ線を照射して得たデータと、それを処理してメ
モリ上に処理データを逆投影して記憶したデータ分布と
の関係を示す平面図である。 第４図は古代鉄斧の劣化状態を示す、測定データで再現
された横断面図、第５図は高炉に使用したカーボンレン
ガ（試料Ｂ）の平均劣化状態を示す、測定データで再現
された横断面図、第６図は前記のカーボンレンガの鉄皮
側からの距離と平均劣化状態（Ｄ）の平均値との関係を
示すグラフ、第７図は有機高分子材料であるポリエチレ
ン樹脂の、１００℃の熱処理時間（Ｈｒ）と平均劣化状
態（Ｄ）の平均値との関係を示すグラフである。 １：Ｘ線　　　　　　　２：試料台 ３：検出器　　　　　　４：試料台コンｌ−ローラ５：
Ｘ線コントローラ ６：システムコンソール ７：データ収集ユニット ８：ディスプレイ　　　９：カメラ １０：セレクタチャンネル １１：コンピュータ　　　１２：メモリ１３：高速再構
成ユニット １４：ディスク １５：フロッピーディスク １．６：）ｌ検査室　　　　１７：ＤＭＡバス１８　：
　Ｉ１０バス　　　　　１９：セレクタパス２０：ＸＡ
Ｓビーｌｓ　　　　　２１　：　ＸＭ＊：１リメータ２
２：リファレンス検出器 ２３：トラバース線　　　２４：コリメータフレーム２
５：検出器側フレーム　２６：孔 ２７：Ｘ線　　　　　　　２８：透過Ｘ線データ２９：
フィルタ後Ｘ線データ ３０：メモリ３１：劣化していない部分３２：劣化部分
　　　　　３３：クラツク３４：劣化していない部分 ３５：劣化部分　　　　　３６：クラツク３７：外面 第２■ 東３ａワ 〒３Ｃゾ ０゜ 第３ｂ■

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 試験しようとする材料の横断面に対して、細束の放射線
   を多数の方向から順次照射し、それぞれの照射における
   材料の透過放射線の強度を検出し、該検出結果から横断
   面の個々の個所における放射線吸収の程度を定量的に求
   め、下記（１）式から材料の劣化個所と程度を測定する
   ことを特徴とする材料の非破壊劣化試験方法： Ｄ＝Ｉｔ／Ｉｔ＿０×Ｋ・・・（１） 但し、Ｄは劣化の程度、Ｉｔは劣化した材料の透過放射
   線強度、Ｉｔ＿０は劣化していない材料の透過放射線強
   度、Ｋは定数。