電磁超音波共鳴法を用いた配管減肉検査における底面形状の影響
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カテゴリ: 第11回
1.緒言
原子力・火力発電設備の配管において,経年化が進む ことにより流れ加速型腐食や液滴衝撃エロージョンによ る配管減肉が問題となり,その管理が課題となっている. 非接触による肉厚測定が可能な電磁超音波探触子 (Electromagnetic acoustic transducer, EMAT)を用いた電磁 超音波共鳴法(Electromagnetic acoustic resonance method, EMAR)を配管減肉のモニタリングに適用する研究がな されている[1, 2].EMAR法は板厚方向に伝播する超音波 が共鳴する現象に基づくもので,受信信号を増幅し SN 比を改善することができる.また,探傷表面の状態に左 右されにくく,高温環境下での肉厚測定にも使用されて いる[3,4,5].しかし,肉厚が複雑に変化する減肉部においては,超 音波が散乱して共鳴スペクトルの振幅が低下し,また底面の凹凸や傾斜により複数の共鳴周波数を検出すること となる.そのため,肉厚の評価が困難となる場合がある. そこで,筆者らは,電磁超音波共の信号処理法とし てN周期加算法(Superposition of nth compression, SNC) を提案している[6].本研究は,送信するバースト波の周波数を掃引して周 波数ごとの受信信号のスペクトル解析する EMAR 法と パルス波を送信し受信されるエコー波から高速フーリエ 変換(Fast Fourier Transform, FFT)によりスペクトル強度 を得るPulse-EMAR法の二種類の測定法を用いる.また, 底面形状試験片として傾斜面,R 形状面,鱗片状の凹凸 を用いて底面の影響を評価する.
2.試験方法
バースト波を試験体に入射すると,超音波は試験体の 両面で反射を繰り返し,波長が試験体内の伝播距離の整 数倍のとき入射波と反射波の位相がそろうため共鳴現象 高木 敏行 〒980-8577 仙台市青葉区片平2-1-1 東北大学流体科学研究所 未到エネルギー研究センター システムエネルギー保全研究分野 が生ずる.この現象を用いた測定法がEMARである.本 研究では,試験周波数範囲を1.5 MHz から3.5MHz とし E-mail : takagi@ifs.touhoku.ac.jp
10kHz 間隔でバースト波を100μs 間送信して,発信終了 後 25μs~225 μs 間の受信信号を同期検波により 0.5kHz ごとのスペクトル強度を得る. 一方、Pulse-EMAR 法は,試験体にパルス波を送信す ると底面と表面で超音波が反射してエコー波が繰り返さ れる.本研究では試験周波数を2MHz とし,送信パルス を1パルス,送信後の25μs~1,025 μs間の受信信号をFFT 解析により0.5kHz ごとのスペクトル強度を得る. これらの得られた信号に対して SNC 法により基本共 鳴周波数を求める.SNC法は,共鳴周波数が整数倍の時 に周期的に現れることを利用した解析法である.すなわ ち,EMARの測定結果の周波数軸を1/nだけ縮小するこ とで,n 次の共鳴周波数 fnの強度を基本周波数 f1の強度 に重ね合わせることができる.下式に表すように,EMAR の測定結果の周波数を 1/n とした波形を重ね合わせたス ペクトル強度の平均の最大値から,基本共鳴周波数 f1を 求め,さらに音速を用いて肉厚に変換することができる. このときの最大スペクトル強度をSNCピーク値とする.
ここで,x (f)はSNCスペクトル強度,arg max (argument of the maximum)は SNC スペクトル強度が最大の時の周波 数,m は重ね合わせた共鳴周波数の数である.また,厚さ 10mm の平坦部のSNCピーク値を1とし標準化する. なお,本研究に使用する EMAT は発信コイルが直径 10mm(巻数40)で,受信コイルが直径20mm(巻数80) の上に永久磁石10×20×20mm3が配置されている. 12010510150θ Fig.1 Schematic of the specimens with inclined bottoms. R150 -75Fig.2 Schematic of the specimen with R shape bottom. 3.試験片 材質がSS400の三種類の試験片を用意する.図1に傾 斜底面,図2にR形状底面,図3に鱗片状底面のそれぞ れの試験片形状を示す.傾斜底面試験片は底面の傾きを 1°,2°,3°,4°,5°として長さ方向に 15mm 間隔の位置 で肉厚測定をする.R底面試験片はR形状の中央を0と して外側に 5mm 間隔で肉厚を測定する.鱗片状底面試 験片は厚さ 10mm の板に直径 3mm のボールミルで深さ 0.4mm の球状の穴を 2mm 間隔で加工してあり,鱗片形 状の中央で肉厚測定する.鱗片形状は美浜発電所3号機 二次系配管破損事故に関する原子力安全・保安院関西電 力(株)の報告書の破断個所での形状を模している.“ “?電磁超音波共鳴法を用いた配管減肉検査における底面形状の影響 “ “浦山 良一,Ryoichi URAYAMA,ジョン マンチョル,Jeong Man Chul,原 翔一郎,Syoichiro HARA,高木 敏行,Toshiyuki TAKAGI,内一 哲哉,Tetsuya UCHIMOTO,丹治 和宏,Kazuhiro TANJI
原子力・火力発電設備の配管において,経年化が進む ことにより流れ加速型腐食や液滴衝撃エロージョンによ る配管減肉が問題となり,その管理が課題となっている. 非接触による肉厚測定が可能な電磁超音波探触子 (Electromagnetic acoustic transducer, EMAT)を用いた電磁 超音波共鳴法(Electromagnetic acoustic resonance method, EMAR)を配管減肉のモニタリングに適用する研究がな されている[1, 2].EMAR法は板厚方向に伝播する超音波 が共鳴する現象に基づくもので,受信信号を増幅し SN 比を改善することができる.また,探傷表面の状態に左 右されにくく,高温環境下での肉厚測定にも使用されて いる[3,4,5].しかし,肉厚が複雑に変化する減肉部においては,超 音波が散乱して共鳴スペクトルの振幅が低下し,また底面の凹凸や傾斜により複数の共鳴周波数を検出すること となる.そのため,肉厚の評価が困難となる場合がある. そこで,筆者らは,電磁超音波共の信号処理法とし てN周期加算法(Superposition of nth compression, SNC) を提案している[6].本研究は,送信するバースト波の周波数を掃引して周 波数ごとの受信信号のスペクトル解析する EMAR 法と パルス波を送信し受信されるエコー波から高速フーリエ 変換(Fast Fourier Transform, FFT)によりスペクトル強度 を得るPulse-EMAR法の二種類の測定法を用いる.また, 底面形状試験片として傾斜面,R 形状面,鱗片状の凹凸 を用いて底面の影響を評価する.
2.試験方法
バースト波を試験体に入射すると,超音波は試験体の 両面で反射を繰り返し,波長が試験体内の伝播距離の整 数倍のとき入射波と反射波の位相がそろうため共鳴現象 高木 敏行 〒980-8577 仙台市青葉区片平2-1-1 東北大学流体科学研究所 未到エネルギー研究センター システムエネルギー保全研究分野 が生ずる.この現象を用いた測定法がEMARである.本 研究では,試験周波数範囲を1.5 MHz から3.5MHz とし E-mail : takagi@ifs.touhoku.ac.jp
10kHz 間隔でバースト波を100μs 間送信して,発信終了 後 25μs~225 μs 間の受信信号を同期検波により 0.5kHz ごとのスペクトル強度を得る. 一方、Pulse-EMAR 法は,試験体にパルス波を送信す ると底面と表面で超音波が反射してエコー波が繰り返さ れる.本研究では試験周波数を2MHz とし,送信パルス を1パルス,送信後の25μs~1,025 μs間の受信信号をFFT 解析により0.5kHz ごとのスペクトル強度を得る. これらの得られた信号に対して SNC 法により基本共 鳴周波数を求める.SNC法は,共鳴周波数が整数倍の時 に周期的に現れることを利用した解析法である.すなわ ち,EMARの測定結果の周波数軸を1/nだけ縮小するこ とで,n 次の共鳴周波数 fnの強度を基本周波数 f1の強度 に重ね合わせることができる.下式に表すように,EMAR の測定結果の周波数を 1/n とした波形を重ね合わせたス ペクトル強度の平均の最大値から,基本共鳴周波数 f1を 求め,さらに音速を用いて肉厚に変換することができる. このときの最大スペクトル強度をSNCピーク値とする.
ここで,x (f)はSNCスペクトル強度,arg max (argument of the maximum)は SNC スペクトル強度が最大の時の周波 数,m は重ね合わせた共鳴周波数の数である.また,厚さ 10mm の平坦部のSNCピーク値を1とし標準化する. なお,本研究に使用する EMAT は発信コイルが直径 10mm(巻数40)で,受信コイルが直径20mm(巻数80) の上に永久磁石10×20×20mm3が配置されている. 12010510150θ Fig.1 Schematic of the specimens with inclined bottoms. R150 -75Fig.2 Schematic of the specimen with R shape bottom. 3.試験片 材質がSS400の三種類の試験片を用意する.図1に傾 斜底面,図2にR形状底面,図3に鱗片状底面のそれぞ れの試験片形状を示す.傾斜底面試験片は底面の傾きを 1°,2°,3°,4°,5°として長さ方向に 15mm 間隔の位置 で肉厚測定をする.R底面試験片はR形状の中央を0と して外側に 5mm 間隔で肉厚を測定する.鱗片状底面試 験片は厚さ 10mm の板に直径 3mm のボールミルで深さ 0.4mm の球状の穴を 2mm 間隔で加工してあり,鱗片形 状の中央で肉厚測定する.鱗片形状は美浜発電所3号機 二次系配管破損事故に関する原子力安全・保安院関西電 力(株)の報告書の破断個所での形状を模している.“ “?電磁超音波共鳴法を用いた配管減肉検査における底面形状の影響 “ “浦山 良一,Ryoichi URAYAMA,ジョン マンチョル,Jeong Man Chul,原 翔一郎,Syoichiro HARA,高木 敏行,Toshiyuki TAKAGI,内一 哲哉,Tetsuya UCHIMOTO,丹治 和宏,Kazuhiro TANJI