大型素子アレイプローブを用いたフェーズドアレイ UT リニアスキャンの分解能向上
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カテゴリ: 第14回
1.緒言
今般の超音波探傷試験(Ultrasonic testing: UT)では、サイズや探傷屈折角度が固定されている単眼プローブに変わり、探傷位置や探傷屈折角、フォーカス深さなどを電子走査により可変なフェーズドアレイ超音波探傷(Phased Array Ultrasonic Testing: PAUT)技術が適用されるケースが増えてきている[1,2]。特に、高度な安全性が求められる原子力発電プラントでは、シュラウド溶接線や制御棒駆動機構(CRD: Control Rod Drive)ハウジング/スタブチューブ溶接部等にいち早く適用されてきた[3]。しかしながらPAUTであっても、溶接部やオーステナイト系ステンレス鋳鋼といった粒界や溶金境界のノイズで欠陥が検出困難な対象へは一部を除いて十分な適用が成されてこな かった。特にオーステナイト系ステンレス鋳鋼はASMEにおいてもUT適用対象に含めていく動きがあり、それらに適用可能なUT技術の確立が急がれている。 著者らはそれらを解決するため、Full matrix capture (FMC)をベースに複数探傷屈折角のリニアスキャン結果からノイズと欠陥エコーを識別する技術を開発してきた[4,5]。粒界ノイズと欠陥でエコー強度の探傷屈折角依存性が異なることに着目し、傾向を解析することでノイズと欠陥の識別に一定の目処を得た。その一方、規格によっては厚板の鋳鋼に対しては1 MHz以下の低周波アレイプローブの適用を推奨する場合がある。低周波アレイプローブは十分な出力を得るために一つ一つの素子幅 (素子ピッチ)が大きく設定されている場合が多く、数MHz帯のアレイプローブを使った場合に比べてリニアスキャンのB-Scopeを形成するA-Scopeの密度が大きく低下する。そのため、低周波プローブを用いると上述した リニアスキャンベースの探傷法では欠陥検出性やサイジング精度が大きく低下してしまう。そこで著者らは、B-Scopeにおいて通常は素子ピッチと同じ幅でシーケンシャルに形成される焦点の間に仮想的な焦点を設け、その仮想座標にフォーカスするよう遅延時間を計算する、仮想素子分割技術を開発した。その仮想焦点を複数設け、それぞれで得られた遅延時間を用いてA-Scopeを合成することで、通常のリニアスキャンで得られる音線よりも細かいピッチでA-Scopeの描画が可能となる。本稿では、原理の解説およびFEMで得た波形を用いた性能検証結果を述べる。
2.原理
仮想素子分割アルゴリズムについて、概念図をFig.1に 示す。4素子を同時駆動させる水浸法でのリニアスキャン を想定する。ここで素子の番号は左から順にE1、E2...と し、素子を同時駆動させて音線を形成する組合せをシー ケンス(S)と呼称する。E1~E4を駆動させる場合をS1、 E2~E5 を駆動させる場合をS2とする。またそれぞれの 実シーケンスにおける同時駆動素子群の中心座標をC、 焦点座標をF とする。Fig.1(a)に示されているのは、通常 のリニアスキャンB-Scopeで見られるようなS1の次にS2 の音線が形成される例である。図中の素子への囲みは実 シーケンスごとの同時駆動素子の範囲であり、音線は素 子中心からのメインビームのみを記載している。仮想素 子分割はFig.1(b)に示すようにS1とS2の間(ここでは中 間点)に仮想シーケンスSv12aを設けるものである。仮 想シーケンスSv1aの音線はFig.1(b)に仮想的な同時駆動 領域を示すように、Cv1aを中心座標として仮想焦点Fv1a へ集束するような音線をE1~E5の素子を駆動させて形 成される。しかし、仮想シーケンスにおいてこのまま5 素子分の波形を合成してはSN比や強度の観点から実シ ーケンスS1、S2と不整合が生じる。そこで同時駆動領域 の両端にあたるE1およびE5を用いて送受信した波形に は重みづけ指数を乗じることで、不整合を低減させた。 上述した仮想素子分割アルゴリズムを用い、例えばシ ーケンス間に3つの仮想シーケンスを設けることで、Fig.2 に示すようなB-Scopeの概念図が得られる。Fig.2(a)は通 常の音線のみで構成されたB-Scope、Fig.2(b)は仮想シー ケンスを加えたB-Scopeである。ここで実線は実シーケ ンスの音線(実音線)、破線が仮想シーケンスの音線(仮 想音線)で、Fig.2(b)は実シーケンス間に3つの仮想シー ケンスを設けてある。これにより、通常はアレイプロー ブのピッチに依存した密度でしか得られないA-Scopeの 音線数が仮想的に4倍に増加可能となる。 Array probe Water Steel S1 S2 (a) Conventional liner scanning Array probe Water F1 Steel Sv1a E1 E2 E3 E4 E5 E6 C1 C2 Cv1a F2 F2 (b) Virtual element separation method Fig.1 Schematic diagram of virtual element separation method Fv1a Fv1a Fv1a (a) (b) Actual sound beam Virtual sound beam (a) Conventional and (b) Virtual element separation method Fig.2 Schematic diagram of B-Scope image - 529 - Array probe Array probe Water SteelArray probe SteelArray probe Water SteelE1 E2 E3 E4 E5 E6 C1 C2 F1 F2 F2 3.性能検証 3.1 数値解析モデル 開発したアルゴリズムを、FEM 数値解析を用いて得ら れた波形で検証した。数値解析には、ComWAVE(伊藤 忠テクノソリューションズ製)を用いた。解析モデルを Fig.3に示す。本解析では、50 mmの板厚をもつオーステ ナイト系ステンレス鋼を測定対象とした20 mmギャップ の水浸法を想定した。測定対象には 25 mm 深さにφ 3.2 mmの横穴(Side drilled hole: SDH)を導入した。超音波を 送受信するアレイプローブは小型素子アレイとして 0.8 mmピッチ64chのものと、大型素子アレイとして素子幅 が4倍かつ開口幅が同等となる3.2 mm ピッチ16ch のも の2パタンを定義した。周波数は0.5 MHzで共通とした。 また、モデル側面からの反射波を回避するためモデル両 端を吸収帯とし、厚さは12 mm とした。超音波の送受信 は、通常の PAUT のように遅延時間等を設けず、ソフト 上で任意の条件でB-Scope化が可能となるように、1素子 ごとの送受信波形を全てサンプリングする FMC と同じ 形式で行った。 イの結果であり、3.2mm ピッチ素子を 4ch 同時駆動させ た。B-Scopeは3.2mm ピッチ、13 本の実音線のみで構成 されている。Fig.4(c)は、仮想素子分割を適用した大型素 子アレイで得られた B-Scope であり、3.2mm ピッチ素子 を4ch 同時駆動させた。仮想シーケンスはFig.2と同様に 実シーケンス間に 3 本を設けた。これにより B-Scope は 0.8mm ピッチ、13 本の実音線と 36 本の仮想音線、合計 49 本の音線で構成されている。いずれの結果においても、 表面エコーと底面エコーの間にSDHからのエコーが明瞭 に観察された。大型素子アレイで得られたB-Scopeには、 SDH の左上部に当たる部分に並行線のようなノイズが観 察された。これは大型化したアレイ素子内で発生した多 重反射が重畳したものであり、仮想素子分割によって発 生するグレーティングローブのようなノイズとは異なる。 仮想素子B-Scope上のSDH に着目すると、Fig.4(a)ではエ コーが滑らかなローカスカーブを形成しているが、 Fig.4(b)では、音線数が少ないため階段状にエコー位置が 変遷している。一方で、Fig.4(c)ではFig.4(a)と同様に滑ら かなローカスカーブが得られた。定量的な方位分解能を 議論すると、音線密度の高い Fig.4(a)、(c)では分解能 0.8 mm で欠陥位置が評価できるのに対し、Fig.4(b)では 3.2mm 分解能での評価となる。Fig.5 に SDH エコーのピ ーク時間位置プロットを示す。Fig.5(a)は小型素子アレイ、 (b)は仮想素子分割を行った大型素子アレイの結果である。 両者とも40番目の音線を頂点とした同様の結果が得られ た。これにより、仮想素子分割を用いることで大型素子 のアレイプローブを用いても高精度なリニアスキャン B-Scopeが得られる可能性が示唆された。 Absorption area 12mm mm0 2Water Steel Array probe area Absorption area 12mm Absorption area 12mm m m5 2φ 3.2mm SDH イの結果であり、3.2mm ピッチ素子を 4ch 同時駆動させ た。B-Scopeは3.2mm ピッチ、13 本の実音線のみで構成 されている。Fig.4(c)は、仮想素子分割を適用した大型素 子アレイで得られた B-Scope であり、3.2mm ピッチ素子 を4ch 同時駆動させた。仮想シーケンスはFig.2と同様に 実シーケンス間に 3 本を設けた。これにより B-Scope は 0.8mm ピッチ、13 本の実音線と 36 本の仮想音線、合計 49 本の音線で構成されている。いずれの結果においても、 表面エコーと底面エコーの間にSDHからのエコーが明瞭 に観察された。大型素子アレイで得られたB-Scopeには、 SDH の左上部に当たる部分に並行線のようなノイズが観 察された。これは大型化したアレイ素子内で発生した多 重反射が重畳したものであり、仮想素子分割によって発 生するグレーティングローブのようなノイズとは異なる。 仮想素子B-Scope上のSDH に着目すると、Fig.4(a)ではエ コーが滑らかなローカスカーブを形成しているが、 Fig.4(b)では、音線数が少ないため階段状にエコー位置が 変遷している。一方で、Fig.4(c)ではFig.4(a)と同様に滑ら かなローカスカーブが得られた。定量的な方位分解能を 議論すると、音線密度の高い Fig.4(a)、(c)では分解能 0.8 mm で欠陥位置が評価できるのに対し、Fig.4(b)では 3.2mm 分解能での評価となる。Fig.5 に SDH エコーのピ ーク時間位置プロットを示す。Fig.5(a)は小型素子アレイ、 (b)は仮想素子分割を行った大型素子アレイの結果である。 両者とも40番目の音線を頂点とした同様の結果が得られ た。これにより、仮想素子分割を用いることで大型素子 のアレイプローブを用いても高精度なリニアスキャン B-Scopeが得られる可能性が示唆された。 イの結果であり、3.2mm ピッチ素子を 4ch 同時駆動させ た。B-Scopeは3.2mm ピッチ、13 本の実音線のみで構成 されている。Fig.4(c)は、仮想素子分割を適用した大型素 子アレイで得られた B-Scope であり、3.2mm ピッチ素子 を4ch 同時駆動させた。仮想シーケンスはFig.2と同様に 実シーケンス間に 3 本を設けた。これにより B-Scope は 0.8mm ピッチ、13 本の実音線と 36 本の仮想音線、合計 49 本の音線で構成されている。いずれの結果においても、 表面エコーと底面エコーの間にSDHからのエコーが明瞭 に観察された。大型素子アレイで得られたB-Scopeには、 SDH の左上部に当たる部分に並行線のようなノイズが観 察された。これは大型化したアレイ素子内で発生した多 重反射が重畳したものであり、仮想素子分割によって発 生するグレーティングローブのようなノイズとは異なる。 仮想素子B-Scope上のSDH に着目すると、Fig.4(a)ではエ コーが滑らかなローカスカーブを形成しているが、 Fig.4(b)では、音線数が少ないため階段状にエコー位置が 変遷している。一方で、Fig.4(c)ではFig.4(a)と同様に滑ら かなローカスカーブが得られた。定量的な方位分解能を 議論すると、音線密度の高い Fig.4(a)、(c)では分解能 0.8 mm で欠陥位置が評価できるのに対し、Fig.4(b)では 3.2mm 分解能での評価となる。Fig.5 に SDH エコーのピ ーク時間位置プロットを示す。Fig.5(a)は小型素子アレイ、 (b)は仮想素子分割を行った大型素子アレイの結果である。 両者とも40番目の音線を頂点とした同様の結果が得られ た。これにより、仮想素子分割を用いることで大型素子 のアレイプローブを用いても高精度なリニアスキャン B-Scopeが得られる可能性が示唆された。 イの結果であり、3.2mm ピッチ素子を 4ch 同時駆動させ た。B-Scopeは3.2mm ピッチ、13 本の実音線のみで構成 されている。Fig.4(c)は、仮想素子分割を適用した大型素 子アレイで得られた B-Scope であり、3.2mm ピッチ素子 を4ch 同時駆動させた。仮想シーケンスはFig.2と同様に 実シーケンス間に 3 本を設けた。これにより B-Scope は 0.8mm ピッチ、13 本の実音線と 36 本の仮想音線、合計 49 本の音線で構成されている。いずれの結果においても、 表面エコーと底面エコーの間にSDHからのエコーが明瞭 に観察された。大型素子アレイで得られたB-Scopeには、 SDH の左上部に当たる部分に並行線のようなノイズが観 察された。これは大型化したアレイ素子内で発生した多 重反射が重畳したものであり、仮想素子分割によって発 生するグレーティングローブのようなノイズとは異なる。 仮想素子B-Scope上のSDH に着目すると、Fig.4(a)ではエ コーが滑らかなローカスカーブを形成しているが、 Fig.4(b)では、音線数が少ないため階段状にエコー位置が 変遷している。一方で、Fig.4(c)ではFig.4(a)と同様に滑ら かなローカスカーブが得られた。定量的な方位分解能を 議論すると、音線密度の高い Fig.4(a)、(c)では分解能 0.8 mm で欠陥位置が評価できるのに対し、Fig.4(b)では 3.2mm 分解能での評価となる。Fig.5 に SDH エコーのピ ーク時間位置プロットを示す。Fig.5(a)は小型素子アレイ、 (b)は仮想素子分割を行った大型素子アレイの結果である。 両者とも40番目の音線を頂点とした同様の結果が得られ た。これにより、仮想素子分割を用いることで大型素子 のアレイプローブを用いても高精度なリニアスキャン B-Scopeが得られる可能性が示唆された。 Fig.3 FEM model of performance verification 3.2 性能検証 ここで得られた数値解析波形を用いて B-Scope を再構 築した結果をFig.4 に示す。全てのB-Scopeはフォーカス 深さをSDHに合わせた垂直探傷とした。Fig.4(a)は小型素 子アレイで得られた B-Scope であり、0.8mm ピッチ素子 を16ch同時駆動させて電子走査したものである。B-Scope は 0.8mm ピッチ 49 本の実音線のみで構成されている。 Fig.4(b)は、仮想素子分割を適用していない大型素子アレ (a) (b) (c) (a) Small element array, (b) Large element array without virtual element separation method and (c) Large element array with virtual element separation method Fig.4 B-Scope images - 530 - Surface BottomSDH Surface Surface BottomSDH BottomSDH Surface Surface Surface BottomSDH BottomSDH BottomSDH (b) (a) Small element array (b) Large element array Fig.5 Echo peak plot 4.結言 本論文では、低周波化のために素子幅が大型化された アレイプローブのリニアスキャン高精度化への検討につ いて述べた。B-Scopeにおいて通常は素子ピッチと同じ幅 でシーケンシャルに形成される実焦点の間に仮想的に焦 点を設け、その仮想座標にフォーカスするように計算し た遅延時間を用いて A-Scope を合成する仮想素子分割技 術を開発した。FEMで得られた波形を用いてB-Scopeを 描画したところ、大型素子アレイであっても仮想素子分 (a) 割を用いることで音線密度の高い小型素子アレイと同等 の精度が得られることが示唆された。今後は、本技術を 実試験等に適用し、有効性を検証していく。 参考文献 [1] 森忠夫、柏谷英夫、内田邦治、古村一朗、長井敏: 電子走査形超音波探傷技術および装置、日本機械学 会誌、87(793)、1984、pp.1341-1346 [2] I. Komura, S. Nagai, H. Kashiwaya, T. Mori and M. Arii ; Improve Ultrasonic Testing by Phased Array Technique and its Application, Nuclear Engineering and Design, 87, 1985, pp.185-191 [3] I. Komura, S. Nagai and J. Takabayashi ; Water gap phased array UT technique for inspection of CRD Housing/Stub tube weldment, Proc. of 14th Int. Conf. on NDE in Nuclear Industry, 1996, pp.305-310 [4] S. Yamamoto J. Semboshi, A. Sugawara, M. Ochiai, K. Tsuchihashi, H Adachi and K. Higuma; Phased array ultrasonic inspection technique for cast austenitic stainless steel parts of nuclear power plant, Proceedings of ICONE 24, 2016, ICONE24-60256 [5] 山本摂、千星淳、菅原あずさ、土橋健太郎、安達弘 幸、日隈幸治:ポスト処理フェーズドアレイ UT に よる鋳鋼内欠陥のサイジング精度向上、日本保全学 会第十三回学術講演会要旨集、2016、pp.253-258 - 531 -“ “大型素子アレイプローブを用いたフェーズドアレイ UT リニアスキャンの分解能向上“ “山本 摂,Setsu YAMAMOTO,菅原 あずさ,Azusa SUGAWARA,千星 淳,Jun SEMBOSHI,落合 誠,Makoto OCHIAI,土橋 健太郎,Kentaro TSUCHIHASHI,山本 智,Satoshi YAMAMOTO
今般の超音波探傷試験(Ultrasonic testing: UT)では、サイズや探傷屈折角度が固定されている単眼プローブに変わり、探傷位置や探傷屈折角、フォーカス深さなどを電子走査により可変なフェーズドアレイ超音波探傷(Phased Array Ultrasonic Testing: PAUT)技術が適用されるケースが増えてきている[1,2]。特に、高度な安全性が求められる原子力発電プラントでは、シュラウド溶接線や制御棒駆動機構(CRD: Control Rod Drive)ハウジング/スタブチューブ溶接部等にいち早く適用されてきた[3]。しかしながらPAUTであっても、溶接部やオーステナイト系ステンレス鋳鋼といった粒界や溶金境界のノイズで欠陥が検出困難な対象へは一部を除いて十分な適用が成されてこな かった。特にオーステナイト系ステンレス鋳鋼はASMEにおいてもUT適用対象に含めていく動きがあり、それらに適用可能なUT技術の確立が急がれている。 著者らはそれらを解決するため、Full matrix capture (FMC)をベースに複数探傷屈折角のリニアスキャン結果からノイズと欠陥エコーを識別する技術を開発してきた[4,5]。粒界ノイズと欠陥でエコー強度の探傷屈折角依存性が異なることに着目し、傾向を解析することでノイズと欠陥の識別に一定の目処を得た。その一方、規格によっては厚板の鋳鋼に対しては1 MHz以下の低周波アレイプローブの適用を推奨する場合がある。低周波アレイプローブは十分な出力を得るために一つ一つの素子幅 (素子ピッチ)が大きく設定されている場合が多く、数MHz帯のアレイプローブを使った場合に比べてリニアスキャンのB-Scopeを形成するA-Scopeの密度が大きく低下する。そのため、低周波プローブを用いると上述した リニアスキャンベースの探傷法では欠陥検出性やサイジング精度が大きく低下してしまう。そこで著者らは、B-Scopeにおいて通常は素子ピッチと同じ幅でシーケンシャルに形成される焦点の間に仮想的な焦点を設け、その仮想座標にフォーカスするよう遅延時間を計算する、仮想素子分割技術を開発した。その仮想焦点を複数設け、それぞれで得られた遅延時間を用いてA-Scopeを合成することで、通常のリニアスキャンで得られる音線よりも細かいピッチでA-Scopeの描画が可能となる。本稿では、原理の解説およびFEMで得た波形を用いた性能検証結果を述べる。
2.原理
仮想素子分割アルゴリズムについて、概念図をFig.1に 示す。4素子を同時駆動させる水浸法でのリニアスキャン を想定する。ここで素子の番号は左から順にE1、E2...と し、素子を同時駆動させて音線を形成する組合せをシー ケンス(S)と呼称する。E1~E4を駆動させる場合をS1、 E2~E5 を駆動させる場合をS2とする。またそれぞれの 実シーケンスにおける同時駆動素子群の中心座標をC、 焦点座標をF とする。Fig.1(a)に示されているのは、通常 のリニアスキャンB-Scopeで見られるようなS1の次にS2 の音線が形成される例である。図中の素子への囲みは実 シーケンスごとの同時駆動素子の範囲であり、音線は素 子中心からのメインビームのみを記載している。仮想素 子分割はFig.1(b)に示すようにS1とS2の間(ここでは中 間点)に仮想シーケンスSv12aを設けるものである。仮 想シーケンスSv1aの音線はFig.1(b)に仮想的な同時駆動 領域を示すように、Cv1aを中心座標として仮想焦点Fv1a へ集束するような音線をE1~E5の素子を駆動させて形 成される。しかし、仮想シーケンスにおいてこのまま5 素子分の波形を合成してはSN比や強度の観点から実シ ーケンスS1、S2と不整合が生じる。そこで同時駆動領域 の両端にあたるE1およびE5を用いて送受信した波形に は重みづけ指数を乗じることで、不整合を低減させた。 上述した仮想素子分割アルゴリズムを用い、例えばシ ーケンス間に3つの仮想シーケンスを設けることで、Fig.2 に示すようなB-Scopeの概念図が得られる。Fig.2(a)は通 常の音線のみで構成されたB-Scope、Fig.2(b)は仮想シー ケンスを加えたB-Scopeである。ここで実線は実シーケ ンスの音線(実音線)、破線が仮想シーケンスの音線(仮 想音線)で、Fig.2(b)は実シーケンス間に3つの仮想シー ケンスを設けてある。これにより、通常はアレイプロー ブのピッチに依存した密度でしか得られないA-Scopeの 音線数が仮想的に4倍に増加可能となる。 Array probe Water Steel S1 S2 (a) Conventional liner scanning Array probe Water F1 Steel Sv1a E1 E2 E3 E4 E5 E6 C1 C2 Cv1a F2 F2 (b) Virtual element separation method Fig.1 Schematic diagram of virtual element separation method Fv1a Fv1a Fv1a (a) (b) Actual sound beam Virtual sound beam (a) Conventional and (b) Virtual element separation method Fig.2 Schematic diagram of B-Scope image - 529 - Array probe Array probe Water SteelArray probe SteelArray probe Water SteelE1 E2 E3 E4 E5 E6 C1 C2 F1 F2 F2 3.性能検証 3.1 数値解析モデル 開発したアルゴリズムを、FEM 数値解析を用いて得ら れた波形で検証した。数値解析には、ComWAVE(伊藤 忠テクノソリューションズ製)を用いた。解析モデルを Fig.3に示す。本解析では、50 mmの板厚をもつオーステ ナイト系ステンレス鋼を測定対象とした20 mmギャップ の水浸法を想定した。測定対象には 25 mm 深さにφ 3.2 mmの横穴(Side drilled hole: SDH)を導入した。超音波を 送受信するアレイプローブは小型素子アレイとして 0.8 mmピッチ64chのものと、大型素子アレイとして素子幅 が4倍かつ開口幅が同等となる3.2 mm ピッチ16ch のも の2パタンを定義した。周波数は0.5 MHzで共通とした。 また、モデル側面からの反射波を回避するためモデル両 端を吸収帯とし、厚さは12 mm とした。超音波の送受信 は、通常の PAUT のように遅延時間等を設けず、ソフト 上で任意の条件でB-Scope化が可能となるように、1素子 ごとの送受信波形を全てサンプリングする FMC と同じ 形式で行った。 イの結果であり、3.2mm ピッチ素子を 4ch 同時駆動させ た。B-Scopeは3.2mm ピッチ、13 本の実音線のみで構成 されている。Fig.4(c)は、仮想素子分割を適用した大型素 子アレイで得られた B-Scope であり、3.2mm ピッチ素子 を4ch 同時駆動させた。仮想シーケンスはFig.2と同様に 実シーケンス間に 3 本を設けた。これにより B-Scope は 0.8mm ピッチ、13 本の実音線と 36 本の仮想音線、合計 49 本の音線で構成されている。いずれの結果においても、 表面エコーと底面エコーの間にSDHからのエコーが明瞭 に観察された。大型素子アレイで得られたB-Scopeには、 SDH の左上部に当たる部分に並行線のようなノイズが観 察された。これは大型化したアレイ素子内で発生した多 重反射が重畳したものであり、仮想素子分割によって発 生するグレーティングローブのようなノイズとは異なる。 仮想素子B-Scope上のSDH に着目すると、Fig.4(a)ではエ コーが滑らかなローカスカーブを形成しているが、 Fig.4(b)では、音線数が少ないため階段状にエコー位置が 変遷している。一方で、Fig.4(c)ではFig.4(a)と同様に滑ら かなローカスカーブが得られた。定量的な方位分解能を 議論すると、音線密度の高い Fig.4(a)、(c)では分解能 0.8 mm で欠陥位置が評価できるのに対し、Fig.4(b)では 3.2mm 分解能での評価となる。Fig.5 に SDH エコーのピ ーク時間位置プロットを示す。Fig.5(a)は小型素子アレイ、 (b)は仮想素子分割を行った大型素子アレイの結果である。 両者とも40番目の音線を頂点とした同様の結果が得られ た。これにより、仮想素子分割を用いることで大型素子 のアレイプローブを用いても高精度なリニアスキャン B-Scopeが得られる可能性が示唆された。 Absorption area 12mm mm0 2Water Steel Array probe area Absorption area 12mm Absorption area 12mm m m5 2φ 3.2mm SDH イの結果であり、3.2mm ピッチ素子を 4ch 同時駆動させ た。B-Scopeは3.2mm ピッチ、13 本の実音線のみで構成 されている。Fig.4(c)は、仮想素子分割を適用した大型素 子アレイで得られた B-Scope であり、3.2mm ピッチ素子 を4ch 同時駆動させた。仮想シーケンスはFig.2と同様に 実シーケンス間に 3 本を設けた。これにより B-Scope は 0.8mm ピッチ、13 本の実音線と 36 本の仮想音線、合計 49 本の音線で構成されている。いずれの結果においても、 表面エコーと底面エコーの間にSDHからのエコーが明瞭 に観察された。大型素子アレイで得られたB-Scopeには、 SDH の左上部に当たる部分に並行線のようなノイズが観 察された。これは大型化したアレイ素子内で発生した多 重反射が重畳したものであり、仮想素子分割によって発 生するグレーティングローブのようなノイズとは異なる。 仮想素子B-Scope上のSDH に着目すると、Fig.4(a)ではエ コーが滑らかなローカスカーブを形成しているが、 Fig.4(b)では、音線数が少ないため階段状にエコー位置が 変遷している。一方で、Fig.4(c)ではFig.4(a)と同様に滑ら かなローカスカーブが得られた。定量的な方位分解能を 議論すると、音線密度の高い Fig.4(a)、(c)では分解能 0.8 mm で欠陥位置が評価できるのに対し、Fig.4(b)では 3.2mm 分解能での評価となる。Fig.5 に SDH エコーのピ ーク時間位置プロットを示す。Fig.5(a)は小型素子アレイ、 (b)は仮想素子分割を行った大型素子アレイの結果である。 両者とも40番目の音線を頂点とした同様の結果が得られ た。これにより、仮想素子分割を用いることで大型素子 のアレイプローブを用いても高精度なリニアスキャン B-Scopeが得られる可能性が示唆された。 イの結果であり、3.2mm ピッチ素子を 4ch 同時駆動させ た。B-Scopeは3.2mm ピッチ、13 本の実音線のみで構成 されている。Fig.4(c)は、仮想素子分割を適用した大型素 子アレイで得られた B-Scope であり、3.2mm ピッチ素子 を4ch 同時駆動させた。仮想シーケンスはFig.2と同様に 実シーケンス間に 3 本を設けた。これにより B-Scope は 0.8mm ピッチ、13 本の実音線と 36 本の仮想音線、合計 49 本の音線で構成されている。いずれの結果においても、 表面エコーと底面エコーの間にSDHからのエコーが明瞭 に観察された。大型素子アレイで得られたB-Scopeには、 SDH の左上部に当たる部分に並行線のようなノイズが観 察された。これは大型化したアレイ素子内で発生した多 重反射が重畳したものであり、仮想素子分割によって発 生するグレーティングローブのようなノイズとは異なる。 仮想素子B-Scope上のSDH に着目すると、Fig.4(a)ではエ コーが滑らかなローカスカーブを形成しているが、 Fig.4(b)では、音線数が少ないため階段状にエコー位置が 変遷している。一方で、Fig.4(c)ではFig.4(a)と同様に滑ら かなローカスカーブが得られた。定量的な方位分解能を 議論すると、音線密度の高い Fig.4(a)、(c)では分解能 0.8 mm で欠陥位置が評価できるのに対し、Fig.4(b)では 3.2mm 分解能での評価となる。Fig.5 に SDH エコーのピ ーク時間位置プロットを示す。Fig.5(a)は小型素子アレイ、 (b)は仮想素子分割を行った大型素子アレイの結果である。 両者とも40番目の音線を頂点とした同様の結果が得られ た。これにより、仮想素子分割を用いることで大型素子 のアレイプローブを用いても高精度なリニアスキャン B-Scopeが得られる可能性が示唆された。 イの結果であり、3.2mm ピッチ素子を 4ch 同時駆動させ た。B-Scopeは3.2mm ピッチ、13 本の実音線のみで構成 されている。Fig.4(c)は、仮想素子分割を適用した大型素 子アレイで得られた B-Scope であり、3.2mm ピッチ素子 を4ch 同時駆動させた。仮想シーケンスはFig.2と同様に 実シーケンス間に 3 本を設けた。これにより B-Scope は 0.8mm ピッチ、13 本の実音線と 36 本の仮想音線、合計 49 本の音線で構成されている。いずれの結果においても、 表面エコーと底面エコーの間にSDHからのエコーが明瞭 に観察された。大型素子アレイで得られたB-Scopeには、 SDH の左上部に当たる部分に並行線のようなノイズが観 察された。これは大型化したアレイ素子内で発生した多 重反射が重畳したものであり、仮想素子分割によって発 生するグレーティングローブのようなノイズとは異なる。 仮想素子B-Scope上のSDH に着目すると、Fig.4(a)ではエ コーが滑らかなローカスカーブを形成しているが、 Fig.4(b)では、音線数が少ないため階段状にエコー位置が 変遷している。一方で、Fig.4(c)ではFig.4(a)と同様に滑ら かなローカスカーブが得られた。定量的な方位分解能を 議論すると、音線密度の高い Fig.4(a)、(c)では分解能 0.8 mm で欠陥位置が評価できるのに対し、Fig.4(b)では 3.2mm 分解能での評価となる。Fig.5 に SDH エコーのピ ーク時間位置プロットを示す。Fig.5(a)は小型素子アレイ、 (b)は仮想素子分割を行った大型素子アレイの結果である。 両者とも40番目の音線を頂点とした同様の結果が得られ た。これにより、仮想素子分割を用いることで大型素子 のアレイプローブを用いても高精度なリニアスキャン B-Scopeが得られる可能性が示唆された。 Fig.3 FEM model of performance verification 3.2 性能検証 ここで得られた数値解析波形を用いて B-Scope を再構 築した結果をFig.4 に示す。全てのB-Scopeはフォーカス 深さをSDHに合わせた垂直探傷とした。Fig.4(a)は小型素 子アレイで得られた B-Scope であり、0.8mm ピッチ素子 を16ch同時駆動させて電子走査したものである。B-Scope は 0.8mm ピッチ 49 本の実音線のみで構成されている。 Fig.4(b)は、仮想素子分割を適用していない大型素子アレ (a) (b) (c) (a) Small element array, (b) Large element array without virtual element separation method and (c) Large element array with virtual element separation method Fig.4 B-Scope images - 530 - Surface BottomSDH Surface Surface BottomSDH BottomSDH Surface Surface Surface BottomSDH BottomSDH BottomSDH (b) (a) Small element array (b) Large element array Fig.5 Echo peak plot 4.結言 本論文では、低周波化のために素子幅が大型化された アレイプローブのリニアスキャン高精度化への検討につ いて述べた。B-Scopeにおいて通常は素子ピッチと同じ幅 でシーケンシャルに形成される実焦点の間に仮想的に焦 点を設け、その仮想座標にフォーカスするように計算し た遅延時間を用いて A-Scope を合成する仮想素子分割技 術を開発した。FEMで得られた波形を用いてB-Scopeを 描画したところ、大型素子アレイであっても仮想素子分 (a) 割を用いることで音線密度の高い小型素子アレイと同等 の精度が得られることが示唆された。今後は、本技術を 実試験等に適用し、有効性を検証していく。 参考文献 [1] 森忠夫、柏谷英夫、内田邦治、古村一朗、長井敏: 電子走査形超音波探傷技術および装置、日本機械学 会誌、87(793)、1984、pp.1341-1346 [2] I. Komura, S. Nagai, H. Kashiwaya, T. Mori and M. Arii ; Improve Ultrasonic Testing by Phased Array Technique and its Application, Nuclear Engineering and Design, 87, 1985, pp.185-191 [3] I. Komura, S. Nagai and J. Takabayashi ; Water gap phased array UT technique for inspection of CRD Housing/Stub tube weldment, Proc. of 14th Int. Conf. on NDE in Nuclear Industry, 1996, pp.305-310 [4] S. Yamamoto J. Semboshi, A. Sugawara, M. Ochiai, K. Tsuchihashi, H Adachi and K. Higuma; Phased array ultrasonic inspection technique for cast austenitic stainless steel parts of nuclear power plant, Proceedings of ICONE 24, 2016, ICONE24-60256 [5] 山本摂、千星淳、菅原あずさ、土橋健太郎、安達弘 幸、日隈幸治:ポスト処理フェーズドアレイ UT に よる鋳鋼内欠陥のサイジング精度向上、日本保全学 会第十三回学術講演会要旨集、2016、pp.253-258 - 531 -“ “大型素子アレイプローブを用いたフェーズドアレイ UT リニアスキャンの分解能向上“ “山本 摂,Setsu YAMAMOTO,菅原 あずさ,Azusa SUGAWARA,千星 淳,Jun SEMBOSHI,落合 誠,Makoto OCHIAI,土橋 健太郎,Kentaro TSUCHIHASHI,山本 智,Satoshi YAMAMOTO