JPS63241348A - 金属材料の劣化検査方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、金属材料の劣化検査方法に係り、特に、化学
プラント及び原子カプラントの高温環境下で使用されて
いる含フェライト系ステンレス鋼等の金属材料実機部材
の高温時効脆化損傷の検知に好適な測定に関する。

〔従来の技術〕

従来の脆化測定方法の例としては、特開昭５４−６１９
８１号に記載のような方法がある。ここには、オーステ
ナイト系ステンレス鋼溶接金属の脆化の有無を初期のδ
フエライト量が５％以上減少したことで判定するとしで
ある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

高温で使用される金属材料の内で、特に含フェライトス
テンレス鋼を例にとれば、−高温長時間の使用により時
効脆化を起こすことがすでに知られている。これは、お
よそ６００℃以上の比較的高温においてはσ相の析出に
起因するσ相脆化が生じ、また、４００℃〜５００”Ｃ
の範囲においては。

いわゆる４７５℃脆性が生じることによる。しかし、４
７５℃脆性は、４００℃以下の温度範囲においても長時
間使用中に生じうる可能性があり、含フェライトステン
レス鋼実機部材の高温での使用には十分の配慮が必要で
ある。

しかしながら上記従来技術は、５００”Ｃ以下の脆化に
ついては配慮されておらず、４７５℃脆性の程度を検出
できなかった。

また、実機溶接部の初期フェライト量は溶接位置で異な
り、ばらつきも大きい。さらに実機では溶接箇所が膨大
であるため、全部の溶接部のフェライト量を監視するこ
とは困難である。したがって、初期フェライト量の不明
な箇所には、従来技術は適用できないという問題があっ
た。

一方、渦電流測定法（Ｅｄｄｙ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｔｅ
ｓｔＭｅｔｈｏｄ、以下ＥＣＴという）の例としては、
特開昭５５−１４１６５３号「強析出硬化型鉄基合金の
劣化状態判定方法」がある。この従来例は、鉄基合金の
劣化状態を、初測定材のＥＣＴ値と、使用前の被測定材
またはそれと同種材質の材料を被測定材の初期熱処理と
同様の熱処理を施したものをＥＣＴ値を比較し、その値
が正か負かによって判定する方法を示している。

しかしながら、正負によって判定するのみであるから、
定量的な測定ができなかった。

本発明の目的は、高温環境下で使用する含フェライト系
ステンレス鋼などの金属材料実機部材の脆化の程度を非
破壊的にかつ精度よく検知できる方法を提供することに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

金属材料の電気的な特性は、高温で長時間使用に伴って
変化することに着目し、交流ブリッジを用いて、基準に
対する被測定体の不平衡電圧の絶対値と位相角並びに金
属材料のかたさ、組織などの機械的性質の変化を比較し
て金属材料の脆化の程度を決定する金属材料の劣化検査
方法を提案するものである。

具体的には、３つの測定方法を提案している。

まず、第１の方法においては、基準に対する劣化材の交
流ブリッジの不平衡電圧を測定し、この不平ｔＭ雷電圧
り劣化材の初期状態における不平衡電圧を推定する。こ
の劣化材の初期推定不平衡電圧と測定不平ｔＭ電圧との
変化量から金属材料の劣化の程度を算出する。なお、測
定周波数を変えて同様に評価を行うことで劣化の程度の
確実精度は向上させる。

一方、第２の方法においては、劣化した材料の表面の−
・部にエツチングなどの処理を施こしてレプリカ法等で
組織の情報を採り、劣化材の初期の状態における不平衡
電圧を推定する。この初期推定不平衡電圧と劣化材の不
平衡電圧との変化量から金属材料の劣化の程度を算出す
る。

さらに、第３の方法においては、劣化材の硬さ等の値と
不平衡電圧を測定し、この２つ以上のパラメータとの関
係から劣化材の脆化の程度を評価する。

いずれの方法においても、劣化材の判定結果は定量的と
なる。

〔作用〕

金属材料は、高温環境中で長時間使用すると、内部組織
に変化を生じ、強度が低下する。これに伴い、金属材料
の電気抵抗率ρや透磁率μなどの電気的特性及び硬さや
金属組織などの機械的性質も変化することがわかる。例
えば、含フェライト系ステンレス鋼などの高温加熱によ
る脆化について種々検討した結果、脆化の程度とＥＣＴ
の不平衡電圧の間に一定の相関々係のあることから、こ
の関係を利用して、含フェライト系ステンレス鋼等の金
属材料の脆化度を、特に、劣化材の不平衡電圧の絶対値
及び位相角の値、レプリカ法等による金属組織の情報あ
るいは硬さ等の測定結果から、劣化材の初期状態を推定
することによって、脆化の進行程度を精度良く検知する
ことができる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、本発明による金属材料の劣化検査方法を実施
するためのシステム構成の一例を示す図である。図にお
いて、１は原子カプラント等に用いられる配管であり、
被測定体である。また、２Ａ、２Ｂは探触子コイル、３
はその走査駆動装置、４は走査駆動制御装置、５は渦電
流探偏器、６はコンピュータ、７は外部記憶装置、８は
外部記録装置、１００はデータ処理装置、２００は金属
の内部組織ａ蒸装置、２１０は硬さ計測装置である。被
測定体１の表面には探触子コイル２Ａを配置してあり、
基準となる試験片１１の表面には探触子コイル２Ｂを配
置しである。

走査駆動装置３の詳細を第２図に示す。

被測定体であるパイプ１の外周には、移動用リング３０
があり、移動リング３０には１２０°間隔で駆動車輪４
１．補助車軸３６．連結シャフト４０、モータ３６．ベ
ルト３５及びギャップセンサ３９からなる駆動機構が設
けである。駆動車輪４１はベルト３５を介してエンコー
ダ付ステッピングモータ３６で駆動される。また、駆動
車輪４１は連結シャフト４ｏに固定してあり、外周リン
グ３０に取り付けである。連結シャフト４ｏの他方には
補助車軸３４が設けてあり、駆動車輪４１と補助車軸３
４は、連結シャフト４０の弾性変形の範囲でパイプ１に
適当な力で押し付けられている。外周リング３０の姿勢
制御は、３つのギャップセンサ３９を連結シャフト４０
の真上に配置して外周リング３０のねじれの状態を検出
、補正することで行う。外周リング３０には、固定棒３
１で固定リング３２が取り付けてあり、固定リング３２
の内側には固定リング３２に接して回転する回転リング
３３が設けである。回転リング３３の内面はラック構造
で、ピニオンギア３８を持つモータ３７で回転する。回
転リング３３には。

コイル２Ａを設けたシリンダ２ｏと硬さを計測する硬さ
計２１０と表面を研摩する研摩装置１２１゜エツチング
処理装置１４０からなる表面処理装置と光源２０１．ズ
ーム機能を有するビデオカメラ２０２からなる表面ｉ蒸
装置が取り付けである。

これらがパイプ表面上を移動可能な機構となっている。

コイル２人を上下させるシリンダ部２０の詳細を第３図
に示す。探触子コイル２Ａは、ボールねじ機構２２を介
してモータ２３により被測定体１に押し付けられる。こ
の押し付は力は、ロードセル２１で検出する。また、コ
イルの上下移動量は、ギャップセンサ２４で検出する。

探触コイルは、回転リング３３により、周方向の移動が
でき、外周リング３ｏの軸方向の移動できる。

研摩装置１２１の詳細を第４図に示す。回転研摩ヘッド
１２６は連結レバー１２２を介してモータ１２３で回転
する。連結レバー１２２は、直交方向に駆動するシリン
ダ１２４で動作し、被測定体１表面に押し付けられ、表
面を研摩できる。研摩装置１２１は、回転リング３３に
より周方向の移動ができる。

エツチング装置１４０の詳細を第５図に示す。

被測定体１の表面をエツチング処理するためのセル１４
３には、被測定体１と接する端にはゴム状の物質１４２
を設け、セル１４３の密閉を図っている。セル１４３は
ロードセル１４７付のシリンダ１４５で一定圧力で押し
付けられる。セル１４３には、エツチング液１５０と中
和液１５１が切り換えバルブ１４９で選択され、ポンプ
１４８で供給される。シリンダ１４５は回転リング３３
に固定され、周方向の移動ができる。

組織ｉＩ！祭装＠２００の詳細を第６図に示す。組織観
察装置２００は、光源２０１と拡大鏡２０３を有するビ
デオカメラ２０２とこれらを回転リング３３に固定する
治具２０４からなる。回転リング３３により周方向の移
動が可能である。

硬さ計測装置２１０の詳細を第７図に示す。圧子２１１
はロードセル２１２を有するシャフト２１４の先端に設
けである。シャフト２１４はボールねじ機構２１３でモ
ータ２１５で上下する。

圧子２１１の変位はギャップセンサ２１６で測定できる
。硬さ計測装［２１０は、回転リングに固定され２周方
向の移動が可能である。

被測定体１の表面には、探触子コイル２Ａを配置してあ
り、基準とする試験片１１の表面には、探触子コイル２
Ｂを配置しである。

走査ｌ５ｌｉｘ動装置３のモータ及びその他部動部と信
号系は、走査駆動制御装置４に接続されており、制御を
受ける。

２個の探触子コイルは、コイル形状は直径３＋＋ｍ巻数
７０ターンのものを絶縁性樹脂の中に埋め込み、同じ特
性を持つ。これらの探触子コイルは、交流ブリッジ回路
を持つ渦電流探傷器５に接続され、等価的に第２４図に
示す回路を形成している。

渦電流探傷器５は、周波数範囲り、Ｃ，〜５ＭＨｚで自
動平衡機能を有している。ここで、測定した不平衡電圧
の絶対値と位相角は、デジタル信号に変換され、コンピ
ュータ６に取り込まれる。

コンピュータ６は、インターフェイスを介して、駆動制
御装置４．渦電流探傷器５．外部記憶装置７、外部記録
装置８を制御する。ここでは、コンピュータ６に１６ビ
ツトＣＰＵを用い、外部記憶装置７としてフロッピーデ
ィスクをパラレルインターフェイスで接続しである。ま
た、駆動制御装置４とは、ペリファリ・インターフェイ
ス・アダプタ（Ｐ’ＩＡ）を介して、一方、渦電流探傷
器５とはＧＰ−ＩＢインターフェイスを介して、データ
をやりとりするようになっている。

また、研摩装置１２１．エツチング処理装置１４０は、
駆動制御装置４で制御され、金属組織の観察結果及び硬
さ等のデータは、データ処理装置１００で処理され、コ
ンピュータ６に取り込まれる。

さて、上記の如く構成したシステムにおいて、本発明の
測定方法を実行するメインルーチンを、第８図のフロー
チャートにより説明する。

まず、駆動装置３を原子炉の配管等の被測定体１の表面
に配置し、駆動装置：３を測定系の原点にセットする。

そこでコンピュータ６から時効劣化の検査範囲と後述の
測定方法とを選択して入力する。測定開始とともに、駆
動装置３は測定開始点に移動し、入力された測定方法に
従って渦電流を測定し、３つの評価のうち１つを実施す
る。測定終了後、駆動装置３は次の測定位置に移動する
。

同様に検査を繰り返し、駆動装置３が最終位置に達する
まで続ける。測定中のデータは、フロッピーディスク７
に記憶される。測定終了後、測定データはフロッピーデ
ィスク７からコンピュータ６に再び取り込まれる。この
データは、先に指定された測定方法に対応じてデータ処
理方法で処理され１時効脆化の判定材料となる。その結
果は外部記録装置８に出力され、あるいはコンピュータ
のＣＲＴに表示される。

第９図は、ＥＣＴのデータ収集段階を示すフローチャー
トであり、第８図のステップ０内を詳細に表わしている
。ここではまず、周波数Ｊを決定する。次に、任意の基
準試験片１１に探触子コイル２Ｂを押し付けて平衡をと
り、それから、探触子コイル２Ｂをリフトオフしく持ち
上げ）、リフトオフ信号を位相角Ｏ″にセットして、キ
ャンセルすべきオフセット値を測定する。探触子コイル
２Ａをパイプ（被測定体）１の内面に押し付けた後、探
触子コイル２Ａと２Ｂを切換えて、不平衡電圧の絶対値
と位相角とを渦電流探傷器５で測定する。このデータは
、コンピュータ６を介してフロッピーディスク７に記憶
される。その後、周波数Δｆだけ高くして再びルーチン
を繰り返し、周波数が最終周波数になったら測定を終り
、データ処理に移行する。

なお、測定データはフロッピーディスクに一旦格納する
と述べたが、コンピュータ６内のＤＲＡＭ等からなる内
部メモリの容量が充分な場合は、そこに蓄積しても良く
、次の段階のデータ処理の速度が速くなることは勿論で
ある。また、大容量のハードディスクを利用することも
できる。

第８図のステップ０に対応する評価ｌの詳細を第１０図
から第１３図を用いて説明する。

第１０図は、ＥＣＴ信号のみの評価フローチャートであ
り、第８図のステップ０を一詳細に表わしている。フロ
ッピーディスク７に記憶していた測定位置、不平衡電圧
の絶対値２位相角のデータをコンピュータ６に取り付込
む。

ところで、材料の劣化試験によ九ば、処女材の不平衡電
圧は、第１１図に示すように、材料のばらつきで絶対値
を変化するが、特定の周波数では一定の位相角θｌの方
向に現われた。また、材料の劣化は、位相角０２の方向
に現われ、劣化の程度は、処女材の不平衡電圧と劣化後
の不平衡電圧の差Δ■とよく対応があった。

そこで、第１２図に示すように、測定した劣化材の不平
衡電圧から、劣化方向ベクトルと処女材のベクトル方向
との交点を求め、これを劣化の初期推定値Ｖｓとし、Ｖ
ｓと劣化材の不平ｔＦＪ電圧の差ΔＶを求める。この劣
化の不平衡電圧Δ■と材料の強度との対応は、第１３図
に示すように、初期推定値Ｖｓの劣化マスターカーブを
予め求めておき、これを用いて、ΔＶに対応する材料の
強度（例えばＫＩｃ）を算出する。このように第１０図
のフローチャートに従って上述の評価を行った後、測定
位置と評価した値を外部記録装置８に出力し、他の測定
位置について同じルーチンを繰り返し行う。

次に、第８図のステップ■及び＠に対応する組織の観察
及び評価の詳細を第１４図から第１８図を用いて説明す
る。

第１４図は、第８図のステップ■の内部組織の検査のフ
ローチャートである。

検査位置を読み込み、研摩装置１２１を移動して、一定
研摩時間Ｋｔｉｍｅの開被測定体２を研摩する。研摩終
了後、同一位置に、エツチング装置１４０を移動して、
一定時間Ｋｔｉｍｅの間研摩位置をエツチング処理する
。エツチング処理後、ｌｌｔ察装置２０２で金属組織を
画像処理し、相の面積比を演算する。この結果をメモリ
に記憶する。

なお、被測定体１の表面を表面処理装置で処理した後、
この表面をレプリカあるいは超音波顕微鏡などの表面観
察装置でも金属組織のデータを測定することもできる。

この状態の一例を第１６図に示す。第１６図のような２
相金属組織を持つ場合は５００℃以下の高温時効では、
金属組織に大きな変化がないことから、マトリックス組
織に対する析出組織の面積比あるいは結晶粒径などから
、劣化の初期の物性を推定できる。

第１５図は、第８図のステップ＠の評価２の詳細フロー
チャートを示す。

不平衡電圧及び劣化材の組織面積比をメモリから読み込
む。処女材において第１７図のようなマスターカーブを
採用しておくことにより容易に劣化材の初期状態が推定
できる。第１８図より、求めた劣化材の初期不平衡電圧
Ｖｓと劣化材の飲手ｉ電圧との差ΔＶを求めて、上述し
たように第１３図に従って金属材料の劣化の程度を評価
できる。

第８図のステップＯ及び［相］に対応する硬さ及び評価
３の詳細を第１９図から第２３図を用いて説明する。

第１．９図は、第８図のステップ［相］の硬さ測定のフ
ローチャートである。

検査位置を読み込み、装置を移動する。圧力を押し付は
硬さを測定する。

第２０図は、第８図のステップ［相］の詳細フローチャ
ートである。

実験において５時効劣化に伴い、例えば、不平衡電圧と
硬さの関係は、第２１図に示すような傾向にあることを
確認した。すなわち、劣化に伴う変化する２つのパラメ
ータより、材料の劣化を推定する。第２２図に示すよう
に、劣化材の値を、劣化方向に延長し、処女材のカーブ
と交差した位置を初期推定値Ｈｏとして劣化材との差を
パラメータｘｏで表わす。このｘｏとＨｏの値より、予
め求めておいた強度とパラメータＸ。どの関係（第２３
図）より劣化材の劣化の程度を評価できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高温で使用される金属材料の脆化の程
度を非破壊的にかつ迅速に検知できるので脆化損傷を未
然に防ぐことが可能であり、実機機の安全性を高めるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のシステム構成図、第２図は、
本発明の実施例によるパイプの測定装置の斜視図、第３
図は、第２図中の探触子コイルの押し付は機構の斜視図
、第４図は、第２図中の研摩装置の斜視図、第５図は、
第２図中のエツチング処理装置の斜視図、第６図は、第
２図中の観察装置の斜視図、第７図は、第２図中の硬さ
測定装置の斜視図、第８図は本発明の実施例における作
動メインルーチンのフローチャート図、第９図は、第８
図中のＥＣＴ測定のフローチャート図、第１０図は、第
８図中の評価１のフローチャートで。 第１１図から第１３図は、第１０図のフローチャート中
での説明の為のグラフ図、第１４図は、本発明の実施例
における内部組織の検査フローチャート、第１５図は第
８図中の評価２のフローチャート図、第１６図から第１
８図は、第１５図のフローチャートの説明の為の解説図
、第１９図は、第８図中の硬さ測定のフローチャート図
、第２０図は、第８図中の評価３のフローチャート図、
第２１図から第２３図は第２０図のフローチャート説明
の為の解説図、第２４図は渦電流探傷器の等価回路図で
ある。 １・・・被測定体、２Ａ、２Ｂ・・・探触子コイル、３
・・・走査駆動装置、４・・・走査駆動制御装置、５・
・・渦電流探傷器、６・・・コンピュータ、７・・・外
部記憶装置、８・・・記録装置、１１・・・基準試験片
、１００・・・データ処理装置、１２１・・・研摩装置
、１４０・・・エツチング処理装置、２００・・・組織
Ｒ察装置、２０１・・・光源、２０２・・・ビデオカメ
ラ、２１０・・・硬さ計測装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被測定体と基準試験片とに交流信号を印加しそれら
   に生じた渦電流を交流ブリッジ回路で検出する渦電流探
   傷法による金属材料の劣化検査方法において、 特定の基準試験片を選択し、交流信号の周波数を変えな
   がら交流ブリッジ回路の不平衡電圧と位相角とのデータ
   を収集するＡステップと、金属材料の処女材と劣化材の
   関係より予め求めておいた校正曲線を用いて、劣化材の
   初期不平衡電圧を推定するＢステップと、 劣化材の初期推定不平衡電圧と測定した不平衡電圧の差
   から、予め求めておいた校正曲線と比較し、被測定体の
   強度を算出するＣステップとからなることを特徴とする
   金属材料の劣化検査方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、Ｂステップで劣化
   材の初期状態を推定するために、劣化材の金属組織等を
   測定し、結晶粒径や相の面積率より、予め求めておいた
   校正曲線と比較し、劣化材の初期不平衡電圧を推定する
   ステップを用いたことを特徴とする金属材料の劣化検査
   方法。 ３、被測定体と基準試験片とに交流信号を印加し、それ
   らに生じた渦電流を交流ブリッジ回路で検出する渦電流
   探傷法において、 特定の基準試験片を選択し、交流信号の周波数を変えな
   がら交流ブリッジ回路の不平衡電圧と位相角とのデータ
   を収集するＡステップと、被測定体の硬さ、ヤング率、
   音速等の機械的性質を測定するＢステップと、 不平衡電圧と機械的性質の２以上のパラメータとの関係
   を求め、予め求めておいたパラメータの校正曲線と比較
   し、被測定体の劣化を判定するＣステップと、 からなることを特徴とする金属材料の劣化検査方法。