WO2004079361A1 - 亀裂の定量的非破壊評価方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、金属製の管体1の亀裂5を所定の検査装置6、7によって検出する非破壊評価方法であって、管体1の所定位置に冷却処理、加熱処理、または冷却・加熱処理を実施することにより歪みを発生させ、管体1に存在する亀裂5を開口させて顕在化させた状態で、検査装置6、7を用いて管体1を検査する。

Description

明細書 亀裂の定量的非破壊評価方法 技術分野

本発明は、 超音波または X線等を用いた金属製の管における亀裂 の非破壊評価方法に関する。 背景技術

発電所や航空機や船舶等で使用されている金属製の配管及び配管 の溶接部等には、 長年の使用によ り、 亀裂が生じるこ とがあ り、 こ れら亀裂の先端は鋭く、 それゆえ応力が集中するこ とにな り、 放置 しておく と亀裂が進展し、 配管が破壊されて しまう こ とがある。 そ のため、 従来から各種の検査装置を用いて亀裂の発見、 または亀裂 の大きさを評価する方法が開発されてきた。 例えば、 超音波を配管 の溶接部等の検査対象部位に照射して、 反射して く るエコーの大き さから亀裂の発見、または亀裂の大きさを知る方法がある。 （例えば、 特許文献 1参照）

また、 X線を対象物に照射して透過する X線をカメ ラで撮影し、 亀裂等の撮像を得るものがある。 (例えば、 特許文献 2参照）

【特許文献 1 】

特開 2 0 0 2 — 2 6 7 6 3 8号公報 （段落 0 0 1 3、 第 2 図）

【特許文献 2 】

特開平 9 — 2 9 7 1 1 1号公報 （段落 0 0 2 3、 第 4図） 機械や構造物の運転に伴い配管等には負荷がかか り、 亀裂が開口 して進展するよう にな り、 逆に運転を停止した状態で行われる検査 時においては、無負荷のために一般に亀裂は閉じている場合がある。 疲労亀裂の亀裂閉 Pはよ く知られてお り、応力腐蝕割れ【：：おいても、 亀裂面間の酸化物は亀裂閉 □の要因とな り、 亀裂の早期発見の観点 から重要である微小な亀裂はヽ 大きい亀裂よ り も強く 閉じている可 能性がある。

しかしながら、 特許文献 1 にあっては 、 超音波のェコ一を用いて 亀裂の検出を行つているために 、 検査対象となる部位を測定した際 に、 閉口 した亀裂は 、 実 よ 小さい亀裂が存在する と誤つた評価 がなされるばかり か 、 ときには亀裂が発見されな く なる可能性があ り、 亀裂の検出や正確な大ぎさの評価が難し く な り、 精度の高い検 査ができな く なる

また、 特許文献 2 にめ ては 、 X線を用いて亀裂の検出を行って お り、 X線は体積を有する P している亀裂の検出には有効である が、 閉口 している小さい亀裂の体積は極めて小さ く、 それゆえ健全 な部分と亀裂の部分とで X線の減衰の変化が出難く、 精度の高い亀 裂の検出や評価が困難である。

本発明は、 このような問題点に着目 してなされたもので、 閉口 し た亀裂を開口させて亀裂の検出、 または精度よ く亀裂の大きさの評 価ができる亀裂の定量的非破壊評価方法を提供するこ とを目的とす る 発明の開示

上記の目的を解決するために、 本発明の亀裂の定量的非破壊評価 方法は、 金属製の管体の亀裂を所定の検査装置によつて検出する非 破壊評価方法であって、 前記管体の所定位置にヽ 冷却処理、 加熱処 理、 または冷却 · 加熱処理を実施するこ とによ り歪みを発生させ、 前記管体に存在する亀裂を開口させて顕在化させた状態で、 前記検 査装置を用いて前記管体を検査するこ とを特徴と している。

この特徴によれば、 管体にメカニカルな装置を取り付けた り 、 外 す手間な く、 外部からの熱変化を管体に与えるだけで、 管体の内部 に応力を与えるこ とができ、 管体に存在する亀裂が、 この応力で顕 在化されるよう にな り、 検査装置による亀裂の検出、 及び亀裂の大 きさの評価の精度を向上させる こ とができるよう になる。

本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、 前記管体の少なく とも 一部の断面全域を冷却するこ とによって歪みを前記管体に与えて、 亀裂を顕在化させて前記検査装置を用いて前記管体を検査するよう にしたこ とが好ま しい。

このよう にすれば、 管体の断面全域を冷却するこ とによ り、 管体 の長手方向に沿って管体に引張応力が与えられるよう にな り、 管体 に存在する亀裂が顕在化されるよう になるので、 検査装置による亀 裂の検出、 及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させるこ とができ るよつになる。

本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、 前記管体の検査対象と なる部位を冷却し、 前記検査装置を用いて前記管体の検査対象とな る部位を検査するよう にしたこ とが好ま しい。

このよう にすれば、 冷却された部位には、 引張応力が作用し、 そ の他の部位には、 圧縮応力が作用するよう になるので、 冷却された 部位に存在する亀裂が顕在化される よう にな り、 検査装置による亀 裂の検出、 及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させるこ とができ るよう になる。

本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、 少な く とも前記管体の 検査対象となる部位を除く、 前記管体の部位を加熱し、 前記検査装 置を用いて前記管体の検査対象となる部位を検査するよう にしたこ とが好ま しい。

このよう にすれば、 加熱された部位には、 圧縮応力が作用し、 そ の他の部位には、 引張応力が作用するよう になるので、 管体の検査 対象となる部位に存在する亀裂が顕在化されるこ とにな り、 検査装 置による亀裂の検出、 及び亀裂の大きさの評価の精度を向上させる こ とができるよう になる。 特に加熱に関しては、 原理的に溶接部が 溶融するまでのかな り の高温加熱が可能とな り、 高い応力を与えら れる。

本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、 前記管体の検査対象と なる部位を冷却し、 前記管体の検査対象となる部位以外の部位を加 熱し、 前記検査装置を用いて前記管体の検査対象となる部位を検査 するよう にしたこ とが好ま しい。

このよう にすれば、 高い温度差を管体に与えるこ とができ、 評価 精度が一段と向上する。 また、 冷却された検査対象となる部位の温 度を即座に加熱できる と ともに、 その逆も可能となるため、 検査装 置を移動させながら、 各部位を連続的に検査でき、 検査時間の短縮 に寄与できる。

本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、 前記管体の加熱される 部位が、 前記管体の検査対象となる冷却される部位と、 前記管体の 中心軸を挟んで対向している部位である こ とが好ま しい。

このよう にすれば、 冷却された部位には、 引張応力が作用し、 加 熱された部分には、 圧縮応力が作用するので、 管体の中心軸を挟ん で対向している部位同士が、 冷却及び加熱されるこ とで、 よ り大き な応力を検査対象となる部位に与える こ とができ、 亀裂がよ り顕在 化し、 検査装置による亀裂の検出、 及び亀裂の大きさの評価の精度 を向上させるこ とができるよう になる。

本発明の亀裂の定量的非破壊評価方法は、 前記管体が液体窒素に よつて冷却処理された状態で、 前記検査装置を用いて前記管体を検 査するよう に したこ とが好ま しい。

このようにすれば、 液体窒素を用いるこ とで、 管体を短時間で極 めて低い温度に冷却させられるばか り か、 大きな応力を管体に作用 させるこ とができるよう にな り、管体を部分的に冷却させた状態で、 亀裂を顕在化させるこ とができる。 ' 図面の簡単な説明 第 1 図は、 第 1実施形態における亀裂の定量的非破壊評価方法を 示す図である。

第 2 図は、 管体を示した図である。

第 3 図は、 第 2実施形態における亀裂の定量的非破壊評価方法を 示す図である。

第 4図は、 第 3実施形態における亀裂の定量的非破壊評価方法を 示す図である。

第 5 図は、 第 4実施形態における亀裂の定量的非破壊評価方法を 示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する と、先ず図 1 は、 本発明の第 1実施形態における亀裂の定量的非破壊評価方法を示す 図である。 符号 1 は、 発電所や航空機や船舶等で使用されている管 体であ り、 この管体 1 は、 ステンレス鋼で構成された金属製の配管 2、 3 同士が溶接されてお り、 溶接部 4が形成されている。

溶接部 4 には、 長年の使用によ り亀裂 5 が生じるため、 この亀裂 5 を検出するために、 超音波を用いた検査装置 6、 7 を使って、 亀 裂 5 を検出する非破壊検査を行う こ とができる。 超音波を用いた検 査装置 6、 7 を使用 した場合には、 検査装置の送信機 6 よ り送信さ れた超音波は管体 1 内部で反射し、 そのエコーが検査装置の受信機 7で受信されるこ とにな り、 受信されたエコーの波形から管体 1 内 部に存在する亀裂 5の評価を行う こ とができる。

亀裂 5 の位置は、 送信された超音波が受信されるまでの時間から 測定でき、 亀裂 5の大きさは、 受信されたエコーの波形の高さ、 あ るいはエコーが出現する範囲から測定できる。 しかし、 亀裂 5 が閉 口している場合には、 受信されるエコーの波形が小さ く な り、 実際 よ り小さい亀裂 5 がある と判断されるこ とがあるばか りか、 亀裂 5 が検出されな く なるこ とがある。 上記のような閉口した亀裂 5 による問題は、 閉じた亀裂 5 を開い た状態にさせるこ とで、 亀裂 5 が顕在化するよう になるので解消で きる。 亀裂 5 を顕在化させるためには、 先ず、 管体 1 を冷却処理す るこ とによって、 管体 1 の体積を収縮させ、 管体 1 が収縮する こ と で生じる歪みによ り、 引張応力を管体 1 内部に発生させ、 この応力 が亀裂 5 を開口させる よう に作用するよう になっている。

実際に管体 1 を検査する際には、 図 1 に示すよう に、 管体 1 の一 部の外周に沿って液体窒素 8 を噴き付け、 管体 1 の断面全域を冷却 処理させる。 金属製の管体 1 は、 冷却された部分が収縮するので、 管体 1 の全体には、 長手方向に沿って引張応力が作用するよう にな り、 この応力によ り亀裂 5 が顕在化されるようになる。 一般に大き な設備内の配管系は各管体 1 が連続的に繋がってお り、 瞬間的には 管体 1 は両端が固定されている と して、 本処理を実施できる。

亀裂 5 が顕在化された状態で、 検査装置の送信機 6から超音波を 送信し、 亀裂 5 に反射されたエコーを検査装置の受信機 7で受信す る。亀裂 5が顕在化されているので、検査装置による亀裂 5 の検出、 及び亀裂 5の実際の大きさの評価の精度を向上させるこ とができる よう になる。

次に、 管体 1 を冷却処理した際に管体 1 に働く応力について、 図 2 を参照して説明する。 応力とは、 物体の内部で作用する力で、 断 面に作用する単位面積当た りの力であ り、 応力を式で表すと以下の よつ ίしな る。

【数 1 】

Bf画に雄えお力

断醱積

図 2 に示すよう に、 長さ L。の管体 1 の両端が固定されてお り、 この管体 1 の長さ L の区間の領域の断面全体を冷却したときに、 亀裂 5 を顕在化させるための応力は、 ヤング率を E、 線膨張係数を α、 冷却領域の温度変化量を Δ Τ とする と、 発生する応力は以下の よう になる

【数 2 】

aし i ΔΤ"

ί&力 = Ε 上述したヤング率とは、 材質の固さの一つの目安であ り、 応力と 歪みとの比のこ とを表し、 歪みに対する応力の比例定数である。 一 般にこのヤング率の値が大きいほど材質は固く、 変形させるのに力 が必要である と考えてよい。 また、 線膨張係数とは、 材質の持って いる固有の性質を表してお り、 材質の温度が 1 °C上昇あるいは降下 したときの変形量を示し、 この線膨張係数と温度変化量によって、 材質の温度が上昇したときには材質は膨張し、 材質の温度が降下し たときには、 材質は収縮する という体積変化が生じるよう になって いる

図 2の冷却領域は、 管体 1 の任意の位置でよ く 、 管体 1全体を冷 却した場合を考える と、 L _{1 =} L。とな り、 発生する応力は、 応力： E ひ Δ Tである。 例えば、 ステンレス鋼を冷却した際に発生する応 力について説明する と、 ステンレス鋼のヤング率 E と線膨張係数ひ は、

E =約 2 1 0 0 0 kgf /mm ²

ひ =約 1 5 X 1 0 — ⁶ [ 1 /°C ] ( 2 0 °Cでの値）

であるので、 ステンレス鋼で形成された管体 1 全体を冷却したとき ( L , = L ₀ ) 上記式 （ 1 ) よ り、 その応力を求める式は、

2 0 °Cの室温に置かれた冷却前の管体 1全体の温度を 2 0 °Cと し、 0 °Cの氷を用いて管体 1全体の温度が 0 °Cまで下げられたときには、 温度変化量は、 2 0 °〇 （ Δ Τ = 2 0 ) となるので、 このとき管体 1 に発生する応力は、 【数 4】 6≤

上記式 （ 1 ) よ り、 温度を下げるほど、 その温度変化量に比例し て管体 1 に発生する応力が大き く な り、 亀裂 5 を顕在化させるこ と ができる。 上記式では、 氷を用いて管体 1 を冷却させていたが、 液 体窒素 8等を管体 1 の内部に流入させた り、 外部から管体 1 に噴き 付けるこ とで管体 1 を冷却させる と、 温度変化量の Δ Τの値を大き く させるこ とができるので、 よ り大きな応力を管体 1 に発生させる こ とができるばか り か、 管体 1 を短時間で極めて低い温度に冷却さ せるこ とができる。 ただし、 この実施例の場合は、 管体 1 の外部か ら管体 1 を冷却させている。

また、 液体窒素 8等を用いて管体 1 を冷却させる場合には、 上述 したよう に、 管体 1全体を冷却 ( L ！ = L 0 ) させな く てもよ く、 管 体 1 を部分的に冷却 ( L < L。） させるだけでも、 亀裂 5 を顕在化 させるのに十分な応力を発生させるこ とができる。

更に、 管体 1 を部分的に冷却 ( L ！ < L 0 ) させる場合、 その冷却 領域の位置は、 図 2 に示す、 管体 1 の長手方向の左側や右側や亀裂 5の存在する部位のどこでも同じ効果を得る こ とが可能であ り、 実 際に機械や構造物の配管等を冷却する際には、 都合の良い位置を冷 却すればよいので検査のための冷却作業が容易になっている。

図 2では、 両端が固定されている管体 1 について説明したが、 実 際に機械や構造物の一部と して用いられている管体 1 は、 必ずしも 両端が固定された状態である とは限らない。 しかし、 本発明の場合 は、 熱変化という瞬間的に極めて自然に復元する処理を用い、 短時 間に検査作業を行えるこ とになる。 また最小限の装置で済むため、 現場における機器の組付、 組立、 除去等の作業が不要となる。

次に、 第 2実施形態に係る亀裂の定量的非破壊評価方法につき、 図 3 を参照して説明する。 上記第 1実施形態では、 管体 1 の断面全 域を冷却していたが、 これに限らず、 管体 9 の断面の部分的な冷却 処理によっても、 亀裂 1 0 を顕在化させるために十分な応力を発生 させるこ とができる。

先ず、 管体 9 の検査対象となる部位に液体窒素 1 1 を噴き付け、 検査対象となる部位を冷却処理させる。 このとき冷却された部位は 収縮し、 内部には引張応力が生じるよう にな り、 検査対象となる部 位から管体 9 の中心軸を挟んで対向している部位には、 圧縮応力が 生じるこ とになる。

この応力によって、 検査対象となる部位に存在する亀裂 1 0 を顕 在化させるこ とができ、検査装置 1 2、 1 3 による亀裂 1 0の検出、 及び亀裂 1 0 の大きさの評価の精度を向上させる こ とができる。 こ の冷却処理の場合には、 冷却処理させる管体 9 の領域は、 検査対象 となる部位から周方向に角度 9 0 ° 程度以下の角度範囲、 図 3 に示 す管体 9 の下半分が有効である。

次に、 第 3実施形態に係る亀裂の定量的非破壊評価方法につき、 図 4 を参照して説明する。 上記第 2実施形態では、 管体 9 の検査対 象となる部位を冷却処理させて応力を発生させていたが、 これに限 らず、 管体 1 4 を加熱処理させるこ とによつても、 亀裂 1 5 を顕在 化させるために十分な応力を発生させる こ とができる。

先ず、 上記第 2実施形態とは逆に、 管体 1 4の検査対象となる部 位から管体 1 4の中心軸を挟んで対向している部位にスチーム 1 6 を噴き付けるこ とで加熱処理させる と、 加熱された部位は膨張し、 内部には圧縮応力が生じるよう にな り、 逆に検査対象となる部位に は、 引張応力が生じるこ とになる。

この応力によって、 検査対象に存在する亀裂 1 5 を顕在化させる こ とができ、 検査装置 1 7、 1 8 による亀裂 1 5 の検出、 及び亀裂 1 5 の大きさの評価の精度を向上させるこ とができる。 この加熱処 理の場合には、 加熱処理させる管体 1 4の領域は、 検査対象となる 部位から周方向に角度 9 0 ° 程度以上の角度範囲、 図 4 に示す管体 1 4の上半分が有効である。 次に、 第 4実施形態に係る亀裂の定量的非破壊評価方法につき、 図 5 を参照して説明する。 上述した冷却処理と加熱処理は同時に行 う こ とも可能である。

先ず、 管体 1 9 の検査対象となる部位に液体窒素 2 0 を噴き付け る と同時に、 管体 1 9 の検査対象となる部位から管体 1 9 の中心軸 を挟んで対向している部位にスチーム 2 1 を噴き付ける。 冷却され た部位は収縮し、 内部には引張応力が生じるよう にな り、 加熱され た部位は膨張し、 内部には圧縮応力が生じるよう になる。

管体 1 9の中心軸を挟んで対向している部位同士が、 冷却処理及 び加熱処理されるこ とで、 よ り大きな応力を検査対象となる部位に 与えるこ とができ、 検査対象となる部位に存在する亀裂 2 2がよ り 顕在化されるこ とになる。 そのため検査装置 2 3、 2 4による亀裂 2 2 の検出、 及び亀裂 2 2 の大きさの評価の精度をよ り 向上させる こ とができる。

冷却と加熱を同時に行う こ とで、 冷却処理された検査対象となる 部位を、 検査後にすく'に加熱処理させるこ とができるので、 冷却さ れた部位の温度が、 自然にも との温度に戻るのを待つこ とな く、 即 座に検査対象となる部位を変えるこ とができるよう になるので、 検 査時間を短縮できるよう になる。

そのため、 管体 1 9 の溶接部 2 5 などを検査する ときには、 液体 窒素 2 0 とスチーム 2 1 を噴き付ける部位を溶接部 2 5の外周に沿 つて、 回転させながら移動させるこ とで、 冷却 · 加熱処理を繰り返 しながら検査対象の部位を順次変えるこ とができ、 管体 1 9 の溶接 部 2 5 を連続的に検査するこ とができるよう になる。

よ り詳しく冷却 · 加熱処理された管体 1 9 について、 図 5 を参照 して説明する と、 冷却 · 加熱処理を実施された管体 1 9 の加熱され た部位は膨張し、 冷却された部位は収縮し、 応力バラ ンスによって 冷却処理された部分の亀裂 2 2 がよ り顕在化する。

このよう に管体 1 9 は、 冷却された部位に存在する亀裂 2 2 は開 口するこ とにな り、 検査装置 2 3、 2 4 によって亀裂 2 2 を発見し やすく なるばか り か、 亀裂 2 2 の実際の大きさの測定ができるよう になる。

応力を管体に与える方法は種々考えられるが、 本発明の亀裂の定 量的非破壊評価方法では、 管体を冷却処理、 加熱処理、 または冷却 · 加熱処理の組合せを実施するこ とで、 管体に歪みを発生させている ので、 何の治具等を使わずに管体に応力を与えるこ とができるばか りか、 検査後に熱処理を止めるこ とで、 管体の温度は自然にも とに 戻るので、 検査作業が容易に行えるよう になつている。

以上、 本発明の実施例を図面によ り説明してきたが、 具体的な構 成はこれら実施例に限られるものではな く、 本発明の要旨を逸脱し ない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、 上記実施例では、 管体を冷却させる際に液体窒素を使用 したが、 これに限られるものではな く、 液体ヘリ ウム、 液体酸素、 液体空気等を用いるこ とでも同様な効果を期待できる。

また、 管体を加熱させる際に、 スチームを使用 したが、 これに限 られるものではな く、 電気抵抗の発熱を利用 した発熱体やレーザー やガスバーナ一等を用いて管体を加熱させる こ ともできる。

上記実施例で用いられている超音波検査装置は、 送信機と受信機 の 2台を用いて検査を行つているが、 これに限らず、 1台または 3 台以上で送信も受信も行える超音波検査装置を用いるこ とも可能で あ り、 さ らにいろいろな角度で超音波を入射可能である。 このよう に上記実施例に限定されるものではな く、 種々の検査装置がこの発 明に適用できるこ とは自明である。

更に、 上記実施例では、 超音波を用いた検査装置を使用して検査 を行っているが、 本発明の亀裂の検査方法は、 これに限らず、 X線 探傷技術、 漏洩磁束探傷技術、 過電流探傷技術、 及びその他の探傷 技術などにも使用するこ とができる。

Claims

請求の範囲

1 . 金属製の管体の亀裂を所定の検査装置によって検出する非破壊 評価方法であって、 前記管体の所定位置に、 冷却処理、 加熱処理、 または冷却 · 加熱処理を実施するこ とによ り歪みを発生させ、 前記 管体に存在する亀裂を開口させて顕在化させた状態で、 前記検査装 置を用いて前記管体を検査するこ とを特徴とする亀裂の定量的非破 壊評価方法。

2 . 前記管体の少なく とも一部の断面全域を冷却するこ とによって 歪みを前記管体に与えて、 亀裂を顕在化させて前記検査装置を用い て前記管体を検査する よう にした請求項 1 に記載の亀裂の定量的非 破壊評価方法。

3 . 前記管体の検査対象となる部位を冷却し、 前記検査装置を用い て前記管体の検査対象となる部位を検査するよう に した請求項 1 に 記載の亀裂の定量的非破壊評価方法。

4 . 少な く とも前記管体の検査対象となる部位を除く、 前記管体の 部位を加熱し、 前記検査装置を用いて前記管体の検査対象となる部 位を検査するよう に した請求項 1 に記載の亀裂の定量的非破壊評価 方法。

5 . 前記管体の検査対象となる部位を冷却し、 前記管体の検査対象 となる部位以外の部位を加熱し、 前記検査装置を用いて前記管体の 検査対象となる部位を検査するよう に した請求項 1 に記載の亀裂の 定量的非破壊評価方法。

6 . 前記管体の加熱される部位が、 前記管体の検査対象となる冷却 される部位と、 前記管体の中心軸を挟んで対向している部位である 請求項 5 に記載の亀裂の定量的非破壊評価方法。

7 . 前記管体が液体窒素によって冷却処理された状態で、 前記検査 装置を用いて前記管体を検査するよう にした請求項 1、 2、 3、 5 または 6の何れかに記載の亀裂の定量的非破壊評価方法。