ポスト処理ファーズドアレイUTによる鋳鋼内欠陥のサイジング精度向上
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カテゴリ: 第13回
1.緒言
原子力発電所等、高い安全性が要求されるプラント構造物健全性保証においては、非破壊検査技術として超音波探傷(UT: Ultrasonic Testing)が広く用いられている。中でも、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 (PAUT: Phased Array Ultrasonic Testing)技術は、機械走査や探傷条件に応じたプローブ入替えを要する単眼プローブに置き換わって、使用されるケースが増えてきている [1,2]。特に原子力発電プラントにおいては、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適用され[3]、実績を上げてきた。しかしながら PAUT は、複雑形状表面をもつ 対象には超音波の入射やプローブ設置が困難なこと、溶接部やステンレス鋳鋼の場合は粒界や溶金境界のノイズが欠陥と判別困難なことから、それらには十分な適用がなされてこなかった。 複雑形状部に対しては、対象形状にあわせて変形するフレキシブルプローブや[4]、対象にフィットするソフトシュー(ゲル等)と形状に合わせたビーム制御を用いることにより、その改善が図られてきた[5,6]。 溶接部やオーステナイトステンレス鋳鋼のような粗大化した粒界を持つ対象も、その改善のために様々な提案がなされてきた[7]。それらの多くは、対象に応じて最適なプローブを用いる、もしくは複数のプローブから得た データを統合してノイズと欠陥エコーを識別したりサイジングしたりするものであり、各々に大きな効果が期待できる。一方で、対象に応じたプローブの作り込みや評価方法の検証が必要となる。 著者らは、鋳鋼内探傷技術の汎用化を目的として通常のアレイプローブを用いて得られた複数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た。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、複数の探傷条件(例えば探傷屈折角)を連続的に解析し、強度の変化傾向を評価することで、同強度の指示であってもノイズと欠陥が識別可能となる。しかし、探傷条件を増やすことで現場の検査に要する時間も増加する問題が生じる。そこで、これまでナトリウム中の可視化技術等[8]で得た知見をもとに、全パタンの生波形を同時に収録しソフトウエア上で任意の探傷条件結果を得るポスト処理技術[9,10]と、上述の判定アルゴリズムを組合せたPAUT システムを構築した。これにより、現場での検査時間を増やすことなく、膨大な探傷条件の評価が可能となる。また、任意条件のデータが得られる特性を生かして、複数探傷屈折角条件ので得られたB-Scopeを合成してSN比の高い映像を得る手段も提案する。本論文では、システムの原理や構成を述べるとともに、オーステナイトステンレス鋳鋼内に導入した模擬欠陥(スリット)での性能検証結果を示す。
2.測定原理 本技術のフローをFig.1に示す。本技術は、オンサイト における全パタン波形収録と、オフサイトでの波形処理 の 2 段階が存在する。波形収録では、アレイプローブを 構成する n 個の素子のうち 1 つずつ用いて超音波を送信 し、計測対象表面で反射した超音波を全ての素子(素子1 ~素子 n)で受信することにより、n×n パタンの生波形 を得る。ここで、超音波送信時に励起する素子数を複数 にすることで、感度向上が図れることがわかっており[11]、 本システムもその機能を実装している。オフサイトの波 形処理は、(1) 指定した探傷屈折角に応じた遅延時間にし たがって生波形を合成することにより探傷屈折角ごとの B-Scopeを得るステップ、(2) 指定領域におけるエコー強 度の探傷屈折角依存性を算出するステップ、(3) 探傷屈折 角のある範囲の B-Scope 画像を合成するステップから成 る。オフサイトにおける波形処理について詳述する。(1) のステップにおいては、所望の探傷屈折角およびフォー カス深さに相当する遅延時間および送受信素子指定に従 って、生波形を時間軸移動して位相整合し、B-Scopeを得 θ = θ + ? θ Fig.1 Inspection flowchart る。この時、探傷屈折角の範囲を θ 0から θ Nに定め、増分 を θ? とする。(2) 上記ステップで得られたB-Scopeにお ける特定画像範囲に着目してそのエコー強度を抽出し、 横軸を探傷屈折角、縦軸をエコー強度とした強度の探傷 屈折角依存性が得られる。ここで、エコー強度の変化傾 向を観察することで、ノイズと欠陥での強度変化傾向の 違いが判別される。(3) 上述した探傷屈折角依存性を考慮 し、任意の探傷屈折角範囲(ここでは θ sから θ eまでとし、 それぞれ θ sと θ eは、 θ 0 ? θ e < θ s ? θ N の範囲を満たす)を 選択し、当該範囲のB-Scopeを合成することでSN 比の高 い合成 B-Scope が得られる。全映像化範囲に焦点を結ん で映像化する開口合成法もしくはそれに類する TFM (Total Focusing Method)等の映像化法と異なり、本技術 は任意の角度範囲の情報を選択して合成可能である。そ のため、従来の45 ゜探傷や60 ゜探傷といった探傷屈折角 の情報を残したまま、SN 比の高いB-Scopeを得られるの が特徴である。また、異方性材料等音速が異なる対象で は、開口合成法のように全ての波形を合成する処理を行 うと伝搬経路によって音速が変化し、必ずしも欠陥エコ ーが強め合わない場合がある。その観点からも、任意の 探傷屈折角を選択して合成可能な本システムは、開口合 - 254 - Probe set and matching confirmation On-site Off-site θ s ~ θ e Full-matrix raw wave acquisition Set θ = θ 0θ = θ N? True False Wave synthesizing B-scope construction Echo intensity extraction θ dependency of echo intensity calculation B-scope image merging ( ) Defect detection and sizing 成で得られない欠陥の検出に有効である可能性がある。 3.試験装置 3.1 装置構成 開発したPAUTシステムの概念図をFig.2 に示す。探傷 器は東芝製3 次元UT 装置(T-PA256(3D))を用いた。 T-PA256(3D)は、256ch のパルサレシーバを有し、最大 256ch のアレイプローブを同時励起した探傷が可能であ る。また、全波形収録機能を有しており、256ch×256ch の受信波形をアウトプットできる。その際、全波形デー タ量が500MBを超える大容量となる場合があるため、光 ファイバ伝送を備えた高速データ伝送回路を設けること でPCへのデータ伝送速度500MB/sを実現した。PCには 受信信号をオフライン処理するGPUユニット4枚から成 る高速信号処理システムを実装した。 通常ポスト処理を行う場合、超音波の送信時は 1 素子 のみを用いるが、本システムでは送信時に同時に駆動す る素子数を 1ch から 256ch まで任意に定められる。本論 文では、励起に1chを用いた場合と、3chを用いた場合で 結果を比較した。また、3chを同時駆動する場合は平面波 となるよう、遅延時間は設けなかった。 プローブには、128ch のリニアアレイ(中心周波数 2 MHz、ピッチ0.85 mm、奥行幅25 mm)を使用した。ア レイプローブと試験体の間は 45mm の隙間を設けて水を 充填し、水浸法による探傷を行った。 Detector(T-PA256(3D)) PC GPU unit High-speed data transfer circuit Array probe Water Cast stainless steel specimen Fig.2 Experimental setup Control signal Waveform data 3.2 試験体 本技術の検証で用いた模擬欠陥を導入した試験体の模 式図を Fig.3 に示す。試験体材料は SUS316L 系ステンレ ス鋳鋼とし、試験体形状は板厚51 mm、長さ250 mm、奥 行幅40 mmとした。EDMスリットは、深さ8.5 mm、奥 行幅20 mm、開口幅1 mm以内の条件とし、試験体中心 から長手方向に 5 mm ずれた位置に導入した。探傷面と なる試験体表面(上面)は、サンドブラスト加工を施し ただけの、鋳肌面とした。 Top view 0 15 020 4EDM slit Front view 1 5125 5 0.825[mm] Fig.3 EDM slit fabricated specimen 4.試験結果 4.1 EDM スリット試験体の測定結果 EDM スリットを導入した試験体の測定結果を Fig.4 に示 す。ここで示すのは、全て得られた生波形をポスト処理 して構成したリニアスキャンの B-Scope である。Fig.4(a) は送信に 1ch を用いた場合、Fig.4(b)は送信に 3ch を用い た場合であり、それぞれB-Scope の探傷屈折角は25 ゜、 同時駆動素子(合成に用いる生波形数)数は32ch分とし た。ここで、それぞれの B-Scope におけるソフトゲイン はスリット端部エコーの波高値が 50%となる条件で統一 した。この結果、3ch送信時のノイズ波高値が1ch 送信時 のそれに対し半分以下の値を示すことがわかった。 また、1ch励起と3ch 励起のそれぞれについて、スリッ ト端部および粒界ノイズの探傷屈折角依存性をFig.5に示 す。Fig.5(a)では、スリット端部エコー、Fig.5(b)にはノイ ズの探傷屈折角依存性を示す。スリット相当位置は B-Scope 中の実線、ノイズ相当領域は破線の内部とした。 ここで、1ch送信時の結果を示したのは塗りつぶしの実線、 - 255 - 3ch送信時の結果を示したのが、白抜きの破線である。ス リット端部はどちらにおいても25 ゜付近で明瞭な強度の Noise area 瞭なピークが観察されたが、3chの端部エコー強度の方が 高く、1chに対して3.8倍であった。一方で、ノイズ強度 は1ch送信時でも3ch送信時でも大きな違いは得られず、 最大でも1.1 倍程度しか違わなかった。この結果より、探 傷屈折角依存性で見ても、励起素子の増加が有効である ことがわかった。 Noise (b) B-Scope image of slit (3ch) Fig.4 Measurement results of slit in cast austenitic stainless specimen ピークが得られたが、ノイズはどちらの結果においても 明確なピークを示さなかった。また、励起素子数で傾向 を比較すると、1ch送信、3ch送信ともに端部エコーは明 Tip Corner Corner Tip Corner 次に、2章にて定義したB-Scope映像の合成結果につい て述べる。ここでは3ch送信のデータを用い、それぞれ sθ を 20 ゜、 eθ を 30 ゜、 θ? を 1 ゜として探傷結果を合成し た。Fig.6 にその合成結果を示す。Fig.6(a)は単純な加算平 均の結果であり、Fig.6(b)は本システムを用いて得られた 合成結果である。それぞれの B-Scope 横に示したのは、 図中破線断面における強度波形である。加算平均結果で は、スリット端部とコーナ部のエコーに加えて表面近く の粒界ノイズが高強度で検出された。その一方、本シス テムで合成した結果では、それらのノイズが低減されス リット端部とコーナ部のエコーのみが明瞭に映像化でき た。 これらの結果から、本技術は欠陥エコーと同等の強度 をもつ粒界ノイズの低減が可能であり、ステンレス鋳鋼 の探傷精度向上に有効であることが確認できた。 次に、2章にて定義したB-Scope映像の合成結果につい て述べる。ここでは3ch送信のデータを用い、それぞれ sθ を 20 ゜、 eθ を 30 ゜、 θ? を 1 ゜として探傷結果を合成し た。Fig.6 にその合成結果を示す。Fig.6(a)は単純な加算平 均の結果であり、Fig.6(b)は本システムを用いて得られた 合成結果である。それぞれの B-Scope 横に示したのは、 図中破線断面における強度波形である。加算平均結果で は、スリット端部とコーナ部のエコーに加えて表面近く の粒界ノイズが高強度で検出された。その一方、本シス テムで合成した結果では、それらのノイズが低減されス リット端部とコーナ部のエコーのみが明瞭に映像化でき た。 これらの結果から、本技術は欠陥エコーと同等の強度 をもつ粒界ノイズの低減が可能であり、ステンレス鋳鋼 の探傷精度向上に有効であることが確認できた。 1ch 3ch Noise Tip Corner (a) Refraction angle dependency of slit tip echo intensity (a) B-Scope image of slit (1ch) Noise area Tip 1ch 3ch Fig.5 Analyzing result of refraction angle dependency of (b) Refraction angle dependency of noise intensity echo intensity - 256 - Tip TipCorner 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 Technique for inspection Inspection of CRD Housing/Stub tube Tube weldmentWeldment, Proc. of 14th Int. Conf. on NDE in Nuclear Industry, 1996, pp.305-310 [4] S. Mahaut, O. Roy, C. Beroni and B. Rotter; Development of Phased Array Techniques to Improve Characterization of Defect Located in a Component of Complex Geometry, Ultrasonics 40, 2002, pp.165-169 [5] R. Long and P. Cawley ; Phased Array Inspection of Irregular Surfaces, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation ,25, 2006, pp. 814-821. [6] 三浦崇広、山本摂、落合誠、三橋忠浩、安達弘幸、 山本智、末園暢一:曲面を持つ配管ノズル部から探 傷可能なフェーズドアレイ超音波探傷技術の開発、 日本保全学会第 7 回学術講演会要旨集、2010、 pp.50-54 [7] 安全研究年報(平成 24 年度)、独立行政法人原子力 Corner (b) B-scope image (Merging) Fig.6 SNR improvement of B-scope using plural refraction angle conditions 5.結言 本論文では、全パタンの生波形を同時に収録しソフト ウエア上で任意の探傷条件結果を得るポスト処理技術と、 探傷屈折角に応じて欠陥エコーとノイズで強度変化が異 なることを利用した判定アルゴリズムを組合せた PAUT システムについて述べた。 本システムを用いてステンレス鋳鋼に導入したスリッ トで性能検証を行った。超音波送信時に同時励起する素 子を 1ch から 3ch に増加させたことで、スリット端部エ コー強度が3.8倍に向上することが確認できた。また、特 にスリット端部エコー強度の卓越していた探傷屈折角 25 ゜を中心に、B-Scopeを合成したところ、粒界ノイズが 大幅に低減され、スリット端部とコーナ部だけが高いSN 比で映像化された。 本システムは、エコー強度の探傷屈折角依存性を解析 できる性能を有することから、単にステンレス鋳鋼にお けるUTのSN比を向上させるだけでなく、これまで検査 員の経験や技量に基づいて識別していたノイズと欠陥を Specimen bottom TipCorner TipCorner 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 Technique for inspection Inspection of CRD Housing/Stub tube Tube weldmentWeldment, Proc. of 14th Int. Conf. on NDE in Nuclear Industry, 1996, pp.305-310 [4] S. Mahaut, O. Roy, C. Beroni and B. Rotter; Development of Phased Array Techniques to Improve Characterization of Defect Located in a Component of Complex Geometry, Ultrasonics 40, 2002, pp.165-169 [5] R. Long and P. Cawley ; Phased Array Inspection of Irregular Surfaces, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation ,25, 2006, pp. 814-821. [6] 三浦崇広、山本摂、落合誠、三橋忠浩、安達弘幸、 山本智、末園暢一:曲面を持つ配管ノズル部から探 傷可能なフェーズドアレイ超音波探傷技術の開発、 日本保全学会第 7 回学術講演会要旨集、2010、 pp.50-54 [7] 安全研究年報(平成 24 年度)、独立行政法人原子力 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 Technique for inspection Inspection of CRD Housing/Stub tube Tube weldmentWeldment, Proc. of 14th Int. Conf. on NDE in Nuclear Industry, 1996, pp.305-310 [4] S. Mahaut, O. Roy, C. Beroni and B. Rotter; Development of Phased Array Techniques to Improve Characterization of Defect Located in a Component of Complex Geometry, Ultrasonics 40, 2002, pp.165-169 [5] R. Long and P. Cawley ; Phased Array Inspection of Irregular Surfaces, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation ,25, 2006, pp. 814-821. [6] 三浦崇広、山本摂、落合誠、三橋忠浩、安達弘幸、 山本智、末園暢一:曲面を持つ配管ノズル部から探 傷可能なフェーズドアレイ超音波探傷技術の開発、 日本保全学会第 7 回学術講演会要旨集、2010、 pp.50-54 [7] 安全研究年報(平成 24 年度)、独立行政法人原子力 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 Technique for inspection Inspection of CRD Housing/Stub tube Tube weldmentWeldment, Proc. of 14th Int. Conf. on NDE in Nuclear Industry, 1996, pp.305-310 [4] S. Mahaut, O. Roy, C. Beroni and B. Rotter; Development of Phased Array Techniques to Improve Characterization of Defect Located in a Component of Complex Geometry, Ultrasonics 40, 2002, pp.165-169 [5] R. Long and P. Cawley ; Phased Array Inspection of Irregular Surfaces, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation ,25, 2006, pp. 814-821. [6] 三浦崇広、山本摂、落合誠、三橋忠浩、安達弘幸、 山本智、末園暢一:曲面を持つ配管ノズル部から探 傷可能なフェーズドアレイ超音波探傷技術の開発、 日本保全学会第 7 回学術講演会要旨集、2010、 pp.50-54 [7] 安全研究年報(平成 24 年度)、独立行政法人原子力 安全基盤機構、2013 [8] M. Komai, M. Izumi, H. Karasawa, N. Satou, T. Suzuki, M. Maruyama, T. Shioyama, T. Terashima, S. Nagai, M. Tamura and S. Fujimori; Development of Under Sodium Inspection Techniques for FBR(3), Proceedings of ICON 6, 1997, ICONE6-6122 [9] C. Holmes, B. Drinkwater and P. Wilcox: The post-processing of ultrasonic array data using the total focusing method, Insight: Non-Destructive Testing and Condition Monitoring 64(11), 2004, pp.677-680 Specimen bottom TipCorner Specimen surface Tip Corner Corner (a) B-scope image (Averaging) 客観的な傾向に基づいて判定できるポテンシャルを持っ ており、サイジング精度の向上に寄与できる可能性があ る。 今後は、本システムを疲労き裂や応力腐食割れ等の実 欠陥に適用し、その有効性を検証していく。 客観的な傾向に基づいて判定できるポテンシャルを持っ ており、サイジング精度の向上に寄与できる可能性があ る。 今後は、本システムを疲労き裂や応力腐食割れ等の実 欠陥に適用し、その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 Technique for inspection Inspection of CRD Housing/Stub tube Tube weldmentWeldment, Proc. of 14th Int. Conf. on NDE in Nuclear Industry, 1996, pp.305-310 [4] S. Mahaut, O. Roy, C. Beroni and B. Rotter; Development of Phased Array Techniques to Improve Characterization of Defect Located in a Component of Complex Geometry, Ultrasonics 40, 2002, pp.165-169 [5] R. Long and P. Cawley ; Phased Array Inspection of Irregular Surfaces, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation ,25, 2006, pp. 814-821. [6] 三浦崇広、山本摂、落合誠、三橋忠浩、安達弘幸、 山本智、末園暢一:曲面を持つ配管ノズル部から探 傷可能なフェーズドアレイ超音波探傷技術の開発、 日本保全学会第 7 回学術講演会要旨集、2010、 pp.50-54 [7] 安全研究年報(平成 24 年度)、独立行政法人原子力 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 Technique for inspection Inspection of CRD Housing/Stub tube Tube weldmentWeldment, Proc. of 14th Int. Conf. on NDE in Nuclear Industry, 1996, pp.305-310 [4] S. Mahaut, O. Roy, C. Beroni and B. Rotter; Development of Phased Array Techniques to Improve Characterization of Defect Located in a Component of Complex Geometry, Ultrasonics 40, 2002, pp.165-169 [5] R. Long and P. Cawley ; Phased Array Inspection of Irregular Surfaces, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation ,25, 2006, pp. 814-821. [6] 三浦崇広、山本摂、落合誠、三橋忠浩、安達弘幸、 山本智、末園暢一:曲面を持つ配管ノズル部から探 傷可能なフェーズドアレイ超音波探傷技術の開発、 日本保全学会第 7 回学術講演会要旨集、2010、 pp.50-54 [7] 安全研究年報(平成 24 年度)、独立行政法人原子力 Specimen surface 客観的な傾向に基づいて判定できるポテンシャルを持っ ており、サイジング精度の向上に寄与できる可能性があ る。 今後は、本システムを疲労き裂や応力腐食割れ等の実 欠陥に適用し、その有効性を検証していく。 - 257 - [10] 中畑 和之, 平田 正憲, 廣瀬 壮一:全波形サンプリ ング処理方式を利用した散乱振幅からの欠陥再構成、 非破壊検査56(6)、2010、pp.277-283 [11] H. Karasawa, T. Ikeda, S. Matsumoto, T. Hamajima and H. Isobe; 3D-SAFT ULTRASONIC INSPECTION EQUIPMENT “MatrixeyeTM”, JRC-NDE 2009, 2010 - 258 -“ “ポスト処理ファーズドアレイUTによる鋳鋼内欠陥のサイジング精度向上“ “山本 摂,Setsu YAMAMOTO,千星 淳,Jun SEMBOSHI,菅原 あずさ,Azusa SUGAWARA,土橋 健太郎,Kentaro TSUCHIHASHI,安達 弘幸,Hiroyuki ADACHI,日隈 幸治,Koji HIGUMA
原子力発電所等、高い安全性が要求されるプラント構造物健全性保証においては、非破壊検査技術として超音波探傷(UT: Ultrasonic Testing)が広く用いられている。中でも、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 (PAUT: Phased Array Ultrasonic Testing)技術は、機械走査や探傷条件に応じたプローブ入替えを要する単眼プローブに置き換わって、使用されるケースが増えてきている [1,2]。特に原子力発電プラントにおいては、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適用され[3]、実績を上げてきた。しかしながら PAUT は、複雑形状表面をもつ 対象には超音波の入射やプローブ設置が困難なこと、溶接部やステンレス鋳鋼の場合は粒界や溶金境界のノイズが欠陥と判別困難なことから、それらには十分な適用がなされてこなかった。 複雑形状部に対しては、対象形状にあわせて変形するフレキシブルプローブや[4]、対象にフィットするソフトシュー(ゲル等)と形状に合わせたビーム制御を用いることにより、その改善が図られてきた[5,6]。 溶接部やオーステナイトステンレス鋳鋼のような粗大化した粒界を持つ対象も、その改善のために様々な提案がなされてきた[7]。それらの多くは、対象に応じて最適なプローブを用いる、もしくは複数のプローブから得た データを統合してノイズと欠陥エコーを識別したりサイジングしたりするものであり、各々に大きな効果が期待できる。一方で、対象に応じたプローブの作り込みや評価方法の検証が必要となる。 著者らは、鋳鋼内探傷技術の汎用化を目的として通常のアレイプローブを用いて得られた複数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た。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、複数の探傷条件(例えば探傷屈折角)を連続的に解析し、強度の変化傾向を評価することで、同強度の指示であってもノイズと欠陥が識別可能となる。しかし、探傷条件を増やすことで現場の検査に要する時間も増加する問題が生じる。そこで、これまでナトリウム中の可視化技術等[8]で得た知見をもとに、全パタンの生波形を同時に収録しソフトウエア上で任意の探傷条件結果を得るポスト処理技術[9,10]と、上述の判定アルゴリズムを組合せたPAUT システムを構築した。これにより、現場での検査時間を増やすことなく、膨大な探傷条件の評価が可能となる。また、任意条件のデータが得られる特性を生かして、複数探傷屈折角条件ので得られたB-Scopeを合成してSN比の高い映像を得る手段も提案する。本論文では、システムの原理や構成を述べるとともに、オーステナイトステンレス鋳鋼内に導入した模擬欠陥(スリット)での性能検証結果を示す。
2.測定原理 本技術のフローをFig.1に示す。本技術は、オンサイト における全パタン波形収録と、オフサイトでの波形処理 の 2 段階が存在する。波形収録では、アレイプローブを 構成する n 個の素子のうち 1 つずつ用いて超音波を送信 し、計測対象表面で反射した超音波を全ての素子(素子1 ~素子 n)で受信することにより、n×n パタンの生波形 を得る。ここで、超音波送信時に励起する素子数を複数 にすることで、感度向上が図れることがわかっており[11]、 本システムもその機能を実装している。オフサイトの波 形処理は、(1) 指定した探傷屈折角に応じた遅延時間にし たがって生波形を合成することにより探傷屈折角ごとの B-Scopeを得るステップ、(2) 指定領域におけるエコー強 度の探傷屈折角依存性を算出するステップ、(3) 探傷屈折 角のある範囲の B-Scope 画像を合成するステップから成 る。オフサイトにおける波形処理について詳述する。(1) のステップにおいては、所望の探傷屈折角およびフォー カス深さに相当する遅延時間および送受信素子指定に従 って、生波形を時間軸移動して位相整合し、B-Scopeを得 θ = θ + ? θ Fig.1 Inspection flowchart る。この時、探傷屈折角の範囲を θ 0から θ Nに定め、増分 を θ? とする。(2) 上記ステップで得られたB-Scopeにお ける特定画像範囲に着目してそのエコー強度を抽出し、 横軸を探傷屈折角、縦軸をエコー強度とした強度の探傷 屈折角依存性が得られる。ここで、エコー強度の変化傾 向を観察することで、ノイズと欠陥での強度変化傾向の 違いが判別される。(3) 上述した探傷屈折角依存性を考慮 し、任意の探傷屈折角範囲(ここでは θ sから θ eまでとし、 それぞれ θ sと θ eは、 θ 0 ? θ e < θ s ? θ N の範囲を満たす)を 選択し、当該範囲のB-Scopeを合成することでSN 比の高 い合成 B-Scope が得られる。全映像化範囲に焦点を結ん で映像化する開口合成法もしくはそれに類する TFM (Total Focusing Method)等の映像化法と異なり、本技術 は任意の角度範囲の情報を選択して合成可能である。そ のため、従来の45 ゜探傷や60 ゜探傷といった探傷屈折角 の情報を残したまま、SN 比の高いB-Scopeを得られるの が特徴である。また、異方性材料等音速が異なる対象で は、開口合成法のように全ての波形を合成する処理を行 うと伝搬経路によって音速が変化し、必ずしも欠陥エコ ーが強め合わない場合がある。その観点からも、任意の 探傷屈折角を選択して合成可能な本システムは、開口合 - 254 - Probe set and matching confirmation On-site Off-site θ s ~ θ e Full-matrix raw wave acquisition Set θ = θ 0θ = θ N? True False Wave synthesizing B-scope construction Echo intensity extraction θ dependency of echo intensity calculation B-scope image merging ( ) Defect detection and sizing 成で得られない欠陥の検出に有効である可能性がある。 3.試験装置 3.1 装置構成 開発したPAUTシステムの概念図をFig.2 に示す。探傷 器は東芝製3 次元UT 装置(T-PA256(3D))を用いた。 T-PA256(3D)は、256ch のパルサレシーバを有し、最大 256ch のアレイプローブを同時励起した探傷が可能であ る。また、全波形収録機能を有しており、256ch×256ch の受信波形をアウトプットできる。その際、全波形デー タ量が500MBを超える大容量となる場合があるため、光 ファイバ伝送を備えた高速データ伝送回路を設けること でPCへのデータ伝送速度500MB/sを実現した。PCには 受信信号をオフライン処理するGPUユニット4枚から成 る高速信号処理システムを実装した。 通常ポスト処理を行う場合、超音波の送信時は 1 素子 のみを用いるが、本システムでは送信時に同時に駆動す る素子数を 1ch から 256ch まで任意に定められる。本論 文では、励起に1chを用いた場合と、3chを用いた場合で 結果を比較した。また、3chを同時駆動する場合は平面波 となるよう、遅延時間は設けなかった。 プローブには、128ch のリニアアレイ(中心周波数 2 MHz、ピッチ0.85 mm、奥行幅25 mm)を使用した。ア レイプローブと試験体の間は 45mm の隙間を設けて水を 充填し、水浸法による探傷を行った。 Detector(T-PA256(3D)) PC GPU unit High-speed data transfer circuit Array probe Water Cast stainless steel specimen Fig.2 Experimental setup Control signal Waveform data 3.2 試験体 本技術の検証で用いた模擬欠陥を導入した試験体の模 式図を Fig.3 に示す。試験体材料は SUS316L 系ステンレ ス鋳鋼とし、試験体形状は板厚51 mm、長さ250 mm、奥 行幅40 mmとした。EDMスリットは、深さ8.5 mm、奥 行幅20 mm、開口幅1 mm以内の条件とし、試験体中心 から長手方向に 5 mm ずれた位置に導入した。探傷面と なる試験体表面(上面)は、サンドブラスト加工を施し ただけの、鋳肌面とした。 Top view 0 15 020 4EDM slit Front view 1 5125 5 0.825[mm] Fig.3 EDM slit fabricated specimen 4.試験結果 4.1 EDM スリット試験体の測定結果 EDM スリットを導入した試験体の測定結果を Fig.4 に示 す。ここで示すのは、全て得られた生波形をポスト処理 して構成したリニアスキャンの B-Scope である。Fig.4(a) は送信に 1ch を用いた場合、Fig.4(b)は送信に 3ch を用い た場合であり、それぞれB-Scope の探傷屈折角は25 ゜、 同時駆動素子(合成に用いる生波形数)数は32ch分とし た。ここで、それぞれの B-Scope におけるソフトゲイン はスリット端部エコーの波高値が 50%となる条件で統一 した。この結果、3ch送信時のノイズ波高値が1ch 送信時 のそれに対し半分以下の値を示すことがわかった。 また、1ch励起と3ch 励起のそれぞれについて、スリッ ト端部および粒界ノイズの探傷屈折角依存性をFig.5に示 す。Fig.5(a)では、スリット端部エコー、Fig.5(b)にはノイ ズの探傷屈折角依存性を示す。スリット相当位置は B-Scope 中の実線、ノイズ相当領域は破線の内部とした。 ここで、1ch送信時の結果を示したのは塗りつぶしの実線、 - 255 - 3ch送信時の結果を示したのが、白抜きの破線である。ス リット端部はどちらにおいても25 ゜付近で明瞭な強度の Noise area 瞭なピークが観察されたが、3chの端部エコー強度の方が 高く、1chに対して3.8倍であった。一方で、ノイズ強度 は1ch送信時でも3ch送信時でも大きな違いは得られず、 最大でも1.1 倍程度しか違わなかった。この結果より、探 傷屈折角依存性で見ても、励起素子の増加が有効である ことがわかった。 Noise (b) B-Scope image of slit (3ch) Fig.4 Measurement results of slit in cast austenitic stainless specimen ピークが得られたが、ノイズはどちらの結果においても 明確なピークを示さなかった。また、励起素子数で傾向 を比較すると、1ch送信、3ch送信ともに端部エコーは明 Tip Corner Corner Tip Corner 次に、2章にて定義したB-Scope映像の合成結果につい て述べる。ここでは3ch送信のデータを用い、それぞれ sθ を 20 ゜、 eθ を 30 ゜、 θ? を 1 ゜として探傷結果を合成し た。Fig.6 にその合成結果を示す。Fig.6(a)は単純な加算平 均の結果であり、Fig.6(b)は本システムを用いて得られた 合成結果である。それぞれの B-Scope 横に示したのは、 図中破線断面における強度波形である。加算平均結果で は、スリット端部とコーナ部のエコーに加えて表面近く の粒界ノイズが高強度で検出された。その一方、本シス テムで合成した結果では、それらのノイズが低減されス リット端部とコーナ部のエコーのみが明瞭に映像化でき た。 これらの結果から、本技術は欠陥エコーと同等の強度 をもつ粒界ノイズの低減が可能であり、ステンレス鋳鋼 の探傷精度向上に有効であることが確認できた。 次に、2章にて定義したB-Scope映像の合成結果につい て述べる。ここでは3ch送信のデータを用い、それぞれ sθ を 20 ゜、 eθ を 30 ゜、 θ? を 1 ゜として探傷結果を合成し た。Fig.6 にその合成結果を示す。Fig.6(a)は単純な加算平 均の結果であり、Fig.6(b)は本システムを用いて得られた 合成結果である。それぞれの B-Scope 横に示したのは、 図中破線断面における強度波形である。加算平均結果で は、スリット端部とコーナ部のエコーに加えて表面近く の粒界ノイズが高強度で検出された。その一方、本シス テムで合成した結果では、それらのノイズが低減されス リット端部とコーナ部のエコーのみが明瞭に映像化でき た。 これらの結果から、本技術は欠陥エコーと同等の強度 をもつ粒界ノイズの低減が可能であり、ステンレス鋳鋼 の探傷精度向上に有効であることが確認できた。 1ch 3ch Noise Tip Corner (a) Refraction angle dependency of slit tip echo intensity (a) B-Scope image of slit (1ch) Noise area Tip 1ch 3ch Fig.5 Analyzing result of refraction angle dependency of (b) Refraction angle dependency of noise intensity echo intensity - 256 - Tip TipCorner 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 Technique for inspection Inspection of CRD Housing/Stub tube Tube weldmentWeldment, Proc. of 14th Int. Conf. on NDE in Nuclear Industry, 1996, pp.305-310 [4] S. Mahaut, O. Roy, C. Beroni and B. Rotter; Development of Phased Array Techniques to Improve Characterization of Defect Located in a Component of Complex Geometry, Ultrasonics 40, 2002, pp.165-169 [5] R. Long and P. Cawley ; Phased Array Inspection of Irregular Surfaces, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation ,25, 2006, pp. 814-821. [6] 三浦崇広、山本摂、落合誠、三橋忠浩、安達弘幸、 山本智、末園暢一:曲面を持つ配管ノズル部から探 傷可能なフェーズドアレイ超音波探傷技術の開発、 日本保全学会第 7 回学術講演会要旨集、2010、 pp.50-54 [7] 安全研究年報(平成 24 年度)、独立行政法人原子力 Corner (b) B-scope image (Merging) Fig.6 SNR improvement of B-scope using plural refraction angle conditions 5.結言 本論文では、全パタンの生波形を同時に収録しソフト ウエア上で任意の探傷条件結果を得るポスト処理技術と、 探傷屈折角に応じて欠陥エコーとノイズで強度変化が異 なることを利用した判定アルゴリズムを組合せた PAUT システムについて述べた。 本システムを用いてステンレス鋳鋼に導入したスリッ トで性能検証を行った。超音波送信時に同時励起する素 子を 1ch から 3ch に増加させたことで、スリット端部エ コー強度が3.8倍に向上することが確認できた。また、特 にスリット端部エコー強度の卓越していた探傷屈折角 25 ゜を中心に、B-Scopeを合成したところ、粒界ノイズが 大幅に低減され、スリット端部とコーナ部だけが高いSN 比で映像化された。 本システムは、エコー強度の探傷屈折角依存性を解析 できる性能を有することから、単にステンレス鋳鋼にお けるUTのSN比を向上させるだけでなく、これまで検査 員の経験や技量に基づいて識別していたノイズと欠陥を Specimen bottom TipCorner TipCorner 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 Technique for inspection Inspection of CRD Housing/Stub tube Tube weldmentWeldment, Proc. of 14th Int. Conf. on NDE in Nuclear Industry, 1996, pp.305-310 [4] S. Mahaut, O. Roy, C. Beroni and B. Rotter; Development of Phased Array Techniques to Improve Characterization of Defect Located in a Component of Complex Geometry, Ultrasonics 40, 2002, pp.165-169 [5] R. Long and P. Cawley ; Phased Array Inspection of Irregular Surfaces, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation ,25, 2006, pp. 814-821. [6] 三浦崇広、山本摂、落合誠、三橋忠浩、安達弘幸、 山本智、末園暢一:曲面を持つ配管ノズル部から探 傷可能なフェーズドアレイ超音波探傷技術の開発、 日本保全学会第 7 回学術講演会要旨集、2010、 pp.50-54 [7] 安全研究年報(平成 24 年度)、独立行政法人原子力 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 Technique for inspection Inspection of CRD Housing/Stub tube Tube weldmentWeldment, Proc. of 14th Int. Conf. on NDE in Nuclear Industry, 1996, pp.305-310 [4] S. Mahaut, O. Roy, C. Beroni and B. Rotter; Development of Phased Array Techniques to Improve Characterization of Defect Located in a Component of Complex Geometry, Ultrasonics 40, 2002, pp.165-169 [5] R. Long and P. Cawley ; Phased Array Inspection of Irregular Surfaces, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation ,25, 2006, pp. 814-821. [6] 三浦崇広、山本摂、落合誠、三橋忠浩、安達弘幸、 山本智、末園暢一:曲面を持つ配管ノズル部から探 傷可能なフェーズドアレイ超音波探傷技術の開発、 日本保全学会第 7 回学術講演会要旨集、2010、 pp.50-54 [7] 安全研究年報(平成 24 年度)、独立行政法人原子力 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 Technique for inspection Inspection of CRD Housing/Stub tube Tube weldmentWeldment, Proc. of 14th Int. Conf. on NDE in Nuclear Industry, 1996, pp.305-310 [4] S. Mahaut, O. Roy, C. Beroni and B. Rotter; Development of Phased Array Techniques to Improve Characterization of Defect Located in a Component of Complex Geometry, Ultrasonics 40, 2002, pp.165-169 [5] R. Long and P. Cawley ; Phased Array Inspection of Irregular Surfaces, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation ,25, 2006, pp. 814-821. [6] 三浦崇広、山本摂、落合誠、三橋忠浩、安達弘幸、 山本智、末園暢一:曲面を持つ配管ノズル部から探 傷可能なフェーズドアレイ超音波探傷技術の開発、 日本保全学会第 7 回学術講演会要旨集、2010、 pp.50-54 [7] 安全研究年報(平成 24 年度)、独立行政法人原子力 安全基盤機構、2013 [8] M. Komai, M. Izumi, H. Karasawa, N. Satou, T. Suzuki, M. Maruyama, T. Shioyama, T. Terashima, S. Nagai, M. Tamura and S. Fujimori; Development of Under Sodium Inspection Techniques for FBR(3), Proceedings of ICON 6, 1997, ICONE6-6122 [9] C. Holmes, B. Drinkwater and P. Wilcox: The post-processing of ultrasonic array data using the total focusing method, Insight: Non-Destructive Testing and Condition Monitoring 64(11), 2004, pp.677-680 Specimen bottom TipCorner Specimen surface Tip Corner Corner (a) B-scope image (Averaging) 客観的な傾向に基づいて判定できるポテンシャルを持っ ており、サイジング精度の向上に寄与できる可能性があ る。 今後は、本システムを疲労き裂や応力腐食割れ等の実 欠陥に適用し、その有効性を検証していく。 客観的な傾向に基づいて判定できるポテンシャルを持っ ており、サイジング精度の向上に寄与できる可能性があ る。 今後は、本システムを疲労き裂や応力腐食割れ等の実 欠陥に適用し、その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 Technique for inspection Inspection of CRD Housing/Stub tube Tube weldmentWeldment, Proc. of 14th Int. Conf. on NDE in Nuclear Industry, 1996, pp.305-310 [4] S. Mahaut, O. Roy, C. Beroni and B. Rotter; Development of Phased Array Techniques to Improve Characterization of Defect Located in a Component of Complex Geometry, Ultrasonics 40, 2002, pp.165-169 [5] R. Long and P. Cawley ; Phased Array Inspection of Irregular Surfaces, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation ,25, 2006, pp. 814-821. [6] 三浦崇広、山本摂、落合誠、三橋忠浩、安達弘幸、 山本智、末園暢一:曲面を持つ配管ノズル部から探 傷可能なフェーズドアレイ超音波探傷技術の開発、 日本保全学会第 7 回学術講演会要旨集、2010、 pp.50-54 [7] 安全研究年報(平成 24 年度)、独立行政法人原子力 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 Technique for inspection Inspection of CRD Housing/Stub tube Tube weldmentWeldment, Proc. of 14th Int. Conf. on NDE in Nuclear Industry, 1996, pp.305-310 [4] S. Mahaut, O. Roy, C. Beroni and B. Rotter; Development of Phased Array Techniques to Improve Characterization of Defect Located in a Component of Complex Geometry, Ultrasonics 40, 2002, pp.165-169 [5] R. Long and P. Cawley ; Phased Array Inspection of Irregular Surfaces, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation ,25, 2006, pp. 814-821. [6] 三浦崇広、山本摂、落合誠、三橋忠浩、安達弘幸、 山本智、末園暢一:曲面を持つ配管ノズル部から探 傷可能なフェーズドアレイ超音波探傷技術の開発、 日本保全学会第 7 回学術講演会要旨集、2010、 pp.50-54 [7] 安全研究年報(平成 24 年度)、独立行政法人原子力 Specimen surface 客観的な傾向に基づいて判定できるポテンシャルを持っ ており、サイジング精度の向上に寄与できる可能性があ る。 今後は、本システムを疲労き裂や応力腐食割れ等の実 欠陥に適用し、その有効性を検証していく。 - 257 - [10] 中畑 和之, 平田 正憲, 廣瀬 壮一:全波形サンプリ ング処理方式を利用した散乱振幅からの欠陥再構成、 非破壊検査56(6)、2010、pp.277-283 [11] H. Karasawa, T. Ikeda, S. Matsumoto, T. Hamajima and H. Isobe; 3D-SAFT ULTRASONIC INSPECTION EQUIPMENT “MatrixeyeTM”, JRC-NDE 2009, 2010 - 258 -“ “ポスト処理ファーズドアレイUTによる鋳鋼内欠陥のサイジング精度向上“ “山本 摂,Setsu YAMAMOTO,千星 淳,Jun SEMBOSHI,菅原 あずさ,Azusa SUGAWARA,土橋 健太郎,Kentaro TSUCHIHASHI,安達 弘幸,Hiroyuki ADACHI,日隈 幸治,Koji HIGUMA