サブハーモニック超音波フェーズドアレイによる閉じたき裂サイジング
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カテゴリ: 第13回
1.はじめに
発電プラントでは供用期間増大に伴い疲労き裂や応力腐食割れ(stress corrosion crack: SCC)が発生するが、安全な運転には、これらを定期検査時に非破壊で高精度サ イジングすることが肝要である。特に、最重要なき裂深 さのサイジングは、原理的に超音波でのみ可能であるた め、広く用いられてきた。超音波を用いると、空隙を伴 うき裂(開いたき裂)では、母材・空気間の音響インピ ーダンスの差により、き裂端部や根元で反射・散乱する ため、検出・サイジングが可能である。しかし、圧縮残 留応力やき裂面間の酸化物生成により閉じたき裂では、 超音波が透過するため、過小評価や見逃しを引き起こす。 この解決法として、超音波と界面(き裂などの欠陥) の非線形相互作用を利用した方法(非線形超音波)が注 目を集めている。これは、大振幅超音波(周波数 f )の 引張応力でき裂閉口部を一時的に開かせ、開閉振動させることで、その部位で発生する高調波( 2 f 、 f3 、...)やサブハーモニック波( f 2/ 、 f 3/ 、...)を用いる。特に、サブ ハーモニック波は閉じたき裂でのみ発生するため、選択性に優れ、時間分解能も高い[1,2]。 この知見に基づき、我々は閉じたき裂深さをサイジング可能な映像法SPACE(subharmonic phased array for crack evaluation)を開発[3-6]し、その有効性を示してきた。本報では、その適用例について報告する。
2.閉じたき裂の映像法SPACE k閉じたき裂の深さサイジングのための映像法 SPACE の概念図を図 1 に示す[3,4]。送信側探触子(LiNbO3(LN) 振動子により試作)により大振幅超音波を入射することで、き裂の開口部では基本波(周波数 f )の線形散乱が 起こり、閉口部では開閉振動により分調波(周波数f /2) が発生する。これをアレイ探触子で受信し、ディジタルフィルタで各成分を分離後、遅延則に従いシフト加算する。これにより、基本波(fundamental array: FA)像およびサブハーモニック波(subharmonic array: SA)像を得る。 これにより、開いたき裂と閉じたき裂が映像化できる。このように、送受信別の探触子を用いる方式をLN SPACE と呼ぶ。一方、送受信に同一のアレイ探触子を用いる方式(単一アレイSPACE)も開発してきた[5,6]。単一アレイSPACEでは、遅延則に従い大電圧のバースト波で各素子を励振することで、集束効果により入射波の大振幅化を実現する。特に、アレイ探触子単体を設置すれば良い だけのため、シンプルであり、狭い検査面への適用性にも優れる。 周波数 フィルタ LiNbO3 単結晶振動子 図1 閉じたき裂の映像法LN SPACEの概念図 3.実験結果 LN SPACEの疲労き裂への適用例を示す[3,4]。模擬試験 片として、アルミニウム合金 A7075 を選択し、3 点曲げ 疲労試験により、異なる疲労条件で2種類の深さ20 mm の疲労き裂を導入した。励振条件には、入射周波数7 MHz、 サイクル数 3 を選択し、図 2 に示す条件で計測した。き 裂が開口する条件(Kmax=5.3、Kmin=0.6 MPa・m1/2)で導入 された疲労き裂では、FA 像(図3(a))で端部が観察され、 SA像(図3(b))で観察されなかった。これより、開いた き裂はFA像で映像化できることが確認された。一方、き 裂が閉口する条件(Kmax=4.3、Kmin=0.6 MPa・m1/2)で導入 された疲労き裂では、FA 像(図3(d))で観察されなかっ たき裂端部が、SA像(図3(e))で初めて明瞭に観察され た。これより、SA 像が閉じたき裂の映像化に有効である ことが実証された。 次に、単一アレイSPACEの原子炉部材への適用例を示 す[5,6]。模擬試験片として、原子炉容器を想定して、粗 大結晶粒を有するステンレス鋼 SUS304 の溶接熱影響部 に、原子炉実機と同様の高温高圧水環境下(288 °C)で SCCを導入した。励振条件には、入射周波数7 MHz、サ f(基本波像) 開いた き裂 閉じた き裂 信号発生器 信号処理回路 増幅器 f f, f/2 f/2(サブハーモニック像) アレイ探触子 ... (a) FA (b) SA (c) (d) FA (e) SA (f) 図3 LN SPACEによる疲労き裂の映像化結果: (a-c) 開いたき裂、(d-f) 閉じたき裂 10mm 1900/07/09 12:00:00アレイ探触子(32素子、 ) 図4 単一アレイSPACE の測定条件 - 260 - 溶接部 40 ... 19 75SCC 60点 送信焦点 イクル数 3 を選択し、図 4 に示す条件で計測した。その 結果、FA 像(図5(a))では、映像化範囲全体に渡って、 多数の応答が観察されたが、SCCは映像化されなかった。 これは、粗大結晶粒の多重散乱によると考えられる。一 方、SA 像(図 5(b))では、点 A、B、C のように明瞭な 輝点としてSCCが映像化された。これにより、き裂深さ が19.5 mm と計測された。さらに、サブハーモニック波 の発生を確認するため、点A、B、Cにおけるシフト加算 波形を抽出し、時間・周波数解析(ウェーブレット変換) を行った(図 6)。その結果、粗大結晶粒からの線形散乱 の応答(7 MHz)は全体に渡って観察されたのに対し、 サブハーモニック波(3.5 MHz)は音速と幾何学的関係か ら計算された映像化用時間範囲でのみ、基本波とは分離 して観察された。これにより、閉じたき裂でのサブハー モニック波の発生が確認された。以上より、粗大結晶粒 を有する難検査材料のSCCに対しても、SPACEが有効で あることが実証された。 LiNbO3 単結晶振動子 アレイ探触子(32素子、 ) 40 80 85 3 201900/06/18き裂端部 き裂端部 底面 5mm き裂端部 き裂端部 底面 映像化範囲 角度:14~60° 深さ:10~50mm 図2 LN SPACEの測定条件 5mm A 0.010 -0.01 10 1110 11 10 11 9 10 11 Time [μs] Time [μs] Time [μs] 図6 SA像の応答(図5(b)の点A、B、C)の シフト加算波形とウェーブレット変換結果 4.おわりに 閉じたき裂の深さサイジングのため、サブハーモニ ック波とフェーズドアレイを組み合わせた閉じたき裂 の映像法SPACE を開発し、閉じた疲労き裂やSCC で その有効性を実証した。 現在、き裂の更なる高選択性映像化を実現するため、 更なる大振幅超音波入射のため、SPACE の送信探触子 を高度化[7]するとともに、熱応力を用いた簡易的な閉 じたき裂の映像法[8]も開発している。また、き裂長さ の計測法として、表面波を用いたフェーズドアレイ映 像法[9]の開発にも取り組んでいる。 謝辞 本研究の一部は、日本学術振興会科学研究費補助金(基 盤B:15H014139、挑戦的萌芽:26630340)の補助により C B 0.01 10 11 11 9 10 10Time [μs] 75 3.5 0RMS 0.01範囲 00:00:00?0.0110 11 ?0.0110 11 Time [μs] Time [μs] 図5 単一アレイSPACEによるSCC の映像化結果 0.010?0.019 10 11 行われた。 参考文献 [1] K. Yamanaka, T. Mihara, and T. Tsuji, “Evaluation of closed cracks by model analysis of subharmonic ultrasound”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, 2004, pp.3082-3087. [2] Y. Ohara, T. Mihara, and K. Yamanaka, “Effect of adhesion force between crack planes on subharmonic and DC responses in nonlinear ultrasound”, Ultrasonics, Vol.44, 2006, pp.194-199. [3] Y. Ohara, T. Mihara, R. Sasaki, T. Ogata, S. Yamamoto, Y. Kishimoto, and K. Yamanaka, “Imaging of closed cracks using nonlinear response of elastic waves at subharmonic frequency”, Applied Physics Letters, Vol.90, 2007, pp.011902-1-3. [4] Y. Ohara, S. Yamamoto, T. Mihara, and K. Yamanaka, “Ultrasonic evaluation of closed cracks using subharmonic phased array”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.47, No.5, 2008, pp.3908-3915. [5] 小原良和、堀之内聡、新宅洋平、柴崎亮、山口雄一、 田上稔、山中一司、“単一アレイのサブハーモニック 超音波フェーズドアレイ SPACE の開発とステンレ ス鋼溶接部の閉じた応力腐食割れの高選択性映像 化”、非破壊検査、Vol.60、No.11、2011、pp.658-664. [6] A. Sugawara, K. Jinno, Y. Ohara, and K. Yamanaka, “Closed-crack imaging and scattering behavior analysis using confocal subharmonic phased array”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.54, 2015, pp.07HC08-1-8. [7] T. Mihara, G. Konishi, Y. Miura, and H. Ishida, “Accurate sizing of closed crack using nonlinear ultrasound of SPACE with high voltage transformer”, Vol.1581, No.727, 2014, pp.727-732. [8] Y. Ohara, K. Takahashi, S. Murai, and K. Yamanaka, “High-selectivity imaging of closed cracks using elastic waves with thermal stress induced by global preheating and local cooling”, Vol.103, 2013, pp.031917-1-5. [9] A. Ouchi, A. Sugawara, Y. Ohara, and K. Yamanaka, “Subharmonic phased array for crack evaluation using surface acoustic wave”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.54, 2015, pp.07HC05-1-6. - 261 -“ “サブハーモニック超音波フェーズドアレイによる閉じたき裂サイジング“ “小原 良和,Yoshikazu OHARA,菅原 あずさ,Azusa SUGAWARA,山中 一司,Kazushi YAMANAKA,三原 毅,Tsuyoshi MIHARA
発電プラントでは供用期間増大に伴い疲労き裂や応力腐食割れ(stress corrosion crack: SCC)が発生するが、安全な運転には、これらを定期検査時に非破壊で高精度サ イジングすることが肝要である。特に、最重要なき裂深 さのサイジングは、原理的に超音波でのみ可能であるた め、広く用いられてきた。超音波を用いると、空隙を伴 うき裂(開いたき裂)では、母材・空気間の音響インピ ーダンスの差により、き裂端部や根元で反射・散乱する ため、検出・サイジングが可能である。しかし、圧縮残 留応力やき裂面間の酸化物生成により閉じたき裂では、 超音波が透過するため、過小評価や見逃しを引き起こす。 この解決法として、超音波と界面(き裂などの欠陥) の非線形相互作用を利用した方法(非線形超音波)が注 目を集めている。これは、大振幅超音波(周波数 f )の 引張応力でき裂閉口部を一時的に開かせ、開閉振動させることで、その部位で発生する高調波( 2 f 、 f3 、...)やサブハーモニック波( f 2/ 、 f 3/ 、...)を用いる。特に、サブ ハーモニック波は閉じたき裂でのみ発生するため、選択性に優れ、時間分解能も高い[1,2]。 この知見に基づき、我々は閉じたき裂深さをサイジング可能な映像法SPACE(subharmonic phased array for crack evaluation)を開発[3-6]し、その有効性を示してきた。本報では、その適用例について報告する。
2.閉じたき裂の映像法SPACE k閉じたき裂の深さサイジングのための映像法 SPACE の概念図を図 1 に示す[3,4]。送信側探触子(LiNbO3(LN) 振動子により試作)により大振幅超音波を入射することで、き裂の開口部では基本波(周波数 f )の線形散乱が 起こり、閉口部では開閉振動により分調波(周波数f /2) が発生する。これをアレイ探触子で受信し、ディジタルフィルタで各成分を分離後、遅延則に従いシフト加算する。これにより、基本波(fundamental array: FA)像およびサブハーモニック波(subharmonic array: SA)像を得る。 これにより、開いたき裂と閉じたき裂が映像化できる。このように、送受信別の探触子を用いる方式をLN SPACE と呼ぶ。一方、送受信に同一のアレイ探触子を用いる方式(単一アレイSPACE)も開発してきた[5,6]。単一アレイSPACEでは、遅延則に従い大電圧のバースト波で各素子を励振することで、集束効果により入射波の大振幅化を実現する。特に、アレイ探触子単体を設置すれば良い だけのため、シンプルであり、狭い検査面への適用性にも優れる。 周波数 フィルタ LiNbO3 単結晶振動子 図1 閉じたき裂の映像法LN SPACEの概念図 3.実験結果 LN SPACEの疲労き裂への適用例を示す[3,4]。模擬試験 片として、アルミニウム合金 A7075 を選択し、3 点曲げ 疲労試験により、異なる疲労条件で2種類の深さ20 mm の疲労き裂を導入した。励振条件には、入射周波数7 MHz、 サイクル数 3 を選択し、図 2 に示す条件で計測した。き 裂が開口する条件(Kmax=5.3、Kmin=0.6 MPa・m1/2)で導入 された疲労き裂では、FA 像(図3(a))で端部が観察され、 SA像(図3(b))で観察されなかった。これより、開いた き裂はFA像で映像化できることが確認された。一方、き 裂が閉口する条件(Kmax=4.3、Kmin=0.6 MPa・m1/2)で導入 された疲労き裂では、FA 像(図3(d))で観察されなかっ たき裂端部が、SA像(図3(e))で初めて明瞭に観察され た。これより、SA 像が閉じたき裂の映像化に有効である ことが実証された。 次に、単一アレイSPACEの原子炉部材への適用例を示 す[5,6]。模擬試験片として、原子炉容器を想定して、粗 大結晶粒を有するステンレス鋼 SUS304 の溶接熱影響部 に、原子炉実機と同様の高温高圧水環境下(288 °C)で SCCを導入した。励振条件には、入射周波数7 MHz、サ f(基本波像) 開いた き裂 閉じた き裂 信号発生器 信号処理回路 増幅器 f f, f/2 f/2(サブハーモニック像) アレイ探触子 ... (a) FA (b) SA (c) (d) FA (e) SA (f) 図3 LN SPACEによる疲労き裂の映像化結果: (a-c) 開いたき裂、(d-f) 閉じたき裂 10mm 1900/07/09 12:00:00アレイ探触子(32素子、 ) 図4 単一アレイSPACE の測定条件 - 260 - 溶接部 40 ... 19 75SCC 60点 送信焦点 イクル数 3 を選択し、図 4 に示す条件で計測した。その 結果、FA 像(図5(a))では、映像化範囲全体に渡って、 多数の応答が観察されたが、SCCは映像化されなかった。 これは、粗大結晶粒の多重散乱によると考えられる。一 方、SA 像(図 5(b))では、点 A、B、C のように明瞭な 輝点としてSCCが映像化された。これにより、き裂深さ が19.5 mm と計測された。さらに、サブハーモニック波 の発生を確認するため、点A、B、Cにおけるシフト加算 波形を抽出し、時間・周波数解析(ウェーブレット変換) を行った(図 6)。その結果、粗大結晶粒からの線形散乱 の応答(7 MHz)は全体に渡って観察されたのに対し、 サブハーモニック波(3.5 MHz)は音速と幾何学的関係か ら計算された映像化用時間範囲でのみ、基本波とは分離 して観察された。これにより、閉じたき裂でのサブハー モニック波の発生が確認された。以上より、粗大結晶粒 を有する難検査材料のSCCに対しても、SPACEが有効で あることが実証された。 LiNbO3 単結晶振動子 アレイ探触子(32素子、 ) 40 80 85 3 201900/06/18き裂端部 き裂端部 底面 5mm き裂端部 き裂端部 底面 映像化範囲 角度:14~60° 深さ:10~50mm 図2 LN SPACEの測定条件 5mm A 0.010 -0.01 10 1110 11 10 11 9 10 11 Time [μs] Time [μs] Time [μs] 図6 SA像の応答(図5(b)の点A、B、C)の シフト加算波形とウェーブレット変換結果 4.おわりに 閉じたき裂の深さサイジングのため、サブハーモニ ック波とフェーズドアレイを組み合わせた閉じたき裂 の映像法SPACE を開発し、閉じた疲労き裂やSCC で その有効性を実証した。 現在、き裂の更なる高選択性映像化を実現するため、 更なる大振幅超音波入射のため、SPACE の送信探触子 を高度化[7]するとともに、熱応力を用いた簡易的な閉 じたき裂の映像法[8]も開発している。また、き裂長さ の計測法として、表面波を用いたフェーズドアレイ映 像法[9]の開発にも取り組んでいる。 謝辞 本研究の一部は、日本学術振興会科学研究費補助金(基 盤B:15H014139、挑戦的萌芽:26630340)の補助により C B 0.01 10 11 11 9 10 10Time [μs] 75 3.5 0RMS 0.01範囲 00:00:00?0.0110 11 ?0.0110 11 Time [μs] Time [μs] 図5 単一アレイSPACEによるSCC の映像化結果 0.010?0.019 10 11 行われた。 参考文献 [1] K. Yamanaka, T. Mihara, and T. Tsuji, “Evaluation of closed cracks by model analysis of subharmonic ultrasound”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, 2004, pp.3082-3087. [2] Y. Ohara, T. Mihara, and K. Yamanaka, “Effect of adhesion force between crack planes on subharmonic and DC responses in nonlinear ultrasound”, Ultrasonics, Vol.44, 2006, pp.194-199. [3] Y. Ohara, T. Mihara, R. Sasaki, T. Ogata, S. Yamamoto, Y. Kishimoto, and K. Yamanaka, “Imaging of closed cracks using nonlinear response of elastic waves at subharmonic frequency”, Applied Physics Letters, Vol.90, 2007, pp.011902-1-3. [4] Y. Ohara, S. Yamamoto, T. Mihara, and K. Yamanaka, “Ultrasonic evaluation of closed cracks using subharmonic phased array”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.47, No.5, 2008, pp.3908-3915. [5] 小原良和、堀之内聡、新宅洋平、柴崎亮、山口雄一、 田上稔、山中一司、“単一アレイのサブハーモニック 超音波フェーズドアレイ SPACE の開発とステンレ ス鋼溶接部の閉じた応力腐食割れの高選択性映像 化”、非破壊検査、Vol.60、No.11、2011、pp.658-664. [6] A. Sugawara, K. Jinno, Y. Ohara, and K. Yamanaka, “Closed-crack imaging and scattering behavior analysis using confocal subharmonic phased array”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.54, 2015, pp.07HC08-1-8. [7] T. Mihara, G. Konishi, Y. Miura, and H. Ishida, “Accurate sizing of closed crack using nonlinear ultrasound of SPACE with high voltage transformer”, Vol.1581, No.727, 2014, pp.727-732. [8] Y. Ohara, K. Takahashi, S. Murai, and K. Yamanaka, “High-selectivity imaging of closed cracks using elastic waves with thermal stress induced by global preheating and local cooling”, Vol.103, 2013, pp.031917-1-5. [9] A. Ouchi, A. Sugawara, Y. Ohara, and K. Yamanaka, “Subharmonic phased array for crack evaluation using surface acoustic wave”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.54, 2015, pp.07HC05-1-6. - 261 -“ “サブハーモニック超音波フェーズドアレイによる閉じたき裂サイジング“ “小原 良和,Yoshikazu OHARA,菅原 あずさ,Azusa SUGAWARA,山中 一司,Kazushi YAMANAKA,三原 毅,Tsuyoshi MIHARA