AEセンサを用いた鋼棒、鋼管の健全性評価技術の開発 2 (2) 理論的検討
公開日:
カテゴリ: 第13回
1.緒言
原子力発電所では、非常に多くの配管や基礎ボルトが用いられている。これらの基礎ボルトや配管などの鋼棒、鋼管は、周辺環境(設置場所や内部流体、機械振動など)により経年劣化(腐食、摩耗、き裂など)が発生する可能性が潜在している 1。従って、機器・構造物の安全性・信頼性を確保する観点より、鋼棒、鋼管の経年劣化を検出する非破壊検査技術が望まれている。このような鋼棒、鋼管の健全性を検査する手法として、一般的には詳細検査として超音波検査やスクリーニング検査として目視検査や打音検査が採用されている 2-4。打音検査は、ハンマーで打撃し、その時の打撃音とハンマーを通した打感との二つから、検査員が異常の有無を判定する手法であるが、レーザーを用いた加振・検出方法による非破壊探傷法 5や鉄球とマイクロフォンを用いた打音検査法 6 が研究されている。打音法の研究では、固有値解析や周波数応答解析 5、音響解析 6、動的解析 7などをデータ取得方法に合わせた理論解析が用いられており、実験と比較されている。本研究では、鋼管や鋼棒等の部材の健全性評価を詳細検査に比べて、より効率的で簡便に実施できるスクリーニング検査手法としてAE(acoustic emission)センサを用いた部材の状態評価方法を構築した。 前報では、鋼棒、鋼管に対する固有値解析および周波数応答解析による実験との比較を報告した。 本報では、鋼管に対し健全なモデルと配管内面の腐食減肉を模擬したモデルを作製し、有限要素法を用いた時刻歴応答解析を実施して打撃時の固有周波数の変化について時刻歴応答解析を用いて検討した。また、本検査システムを用いた鋼管の健全性評価による実験結果とも比較し、妥当性を検討した。
2.解析対象およびモデル、解析条件
解析対象とした鋼管は、直径139.8mm、長さ1005mm、板厚4.5mm の鉄製 (SS400:ヤング率2.06×105[MPa]、ポアソン比0.3、材料密度7.9×10-9[ton/mm3])とし、健全および全周腐食(10mm幅 1mm、2mm 減肉)をモデル化した(図 1)。作成したモデルの条件およびメッシュ分割後の節点および要素数を表1、2に示す。打撃は、7.5×10-5秒間100Nの荷重を設定し、時刻歴応答解析として2.5×10-5秒刻みで5.0×10-3秒まで計算した。
Hammering point Constraint line Constraint line Corrosion Table1 Finite element model. Corrosion location 300mm from the end, width 10mm. Corrosion depth 1mm or 2mm depth. Constraints 150mm from both ends. Hammering point On the corrosion part. Table2 Number of node and element. Node Element Soundness 820,397 3,542,576 1mm corrosion 827,996 3,554,764 2mm corrosion 825,979 3,544,886 ※The mesh was resolved using tetrahedral primary element. Soundness 1mm corrosion 2mm corrosion Fig.2 Dynamic analysis results of the steel pipe. 3.解析結果と考察 AE センサを用いた部材の状態評価法は、AE センサが 設置されている検査対象が発する打音信号を受信する ことにより部材の状態評価を実施する。 AE センサは主に速度に応答していることから、AE センサの設置位置の節点速度を抽出し、実験と同様に FFT(高速フーリエ変換)を実施して周波数分布を得 た。健全および 1mm 腐食、2mm 腐食モデルの周波数 分布を図 2 に示す。図 2 では横軸に周波数を示し、縦 軸はそれぞれの周波数分布における最大値で規格化し た値を示す。腐食量の増加に従い、ピーク周波数が低 周波側にシフトする傾向が得られた。また、実験の健 全な鋼管のピーク周波数は約 3650Hz と、概ね一致し た結果が得られ、モデルの妥当性が確認できた。 本研究では、鋼管の健全および全周腐食を模擬した FEM 解析モデルを作成し、時刻歴応答解析を実施する ことにより、以下の結果が得られた。 (1) 健全な鋼管モデルに比べ、腐食を模擬したモデ ルは、打撃により得られるピーク周波数が低周 波側にシフトする傾向が得られた。 (2) 健全モデルにおいて、実験と概ね一致する結果 が得られたため、モデルの妥当性が確認できた。 参考文献 [1] “高浜発電所 3 号炉 高経年化技術評価書”, 関西 電力株式会社(2014). [2] 小平小次郎, 米谷豊, 河野尚幸, 馬場淳史, 黒崎裕一, “基礎ボルトの超音波探傷技術の適用と開発”, 非 破壊検査第59 巻6号, pp.254-258, 2010. [3] 秋山哲治, 清宮理, 北澤壮介, 内藤英晴, “合成部材 でのコンクリート充填性検査としての打音法の適用 性”, コンクリート工学年次論文集, Vol.25, No.1, 2003 [4] 竹之内博行, 榎園正義, 谷倉泉, 半澤貢, “ボルトの 疲労き裂検出に対する超音波探傷法の適用性”, 土 木学会論文集, No.404(1989), pp443-449 [5] 橘肇, 中本啓介, “リモートセンシングを用いた非破 壊探傷法の研究(その 2)”, 駒井ハルテック技報, Vol.5(2015), pp37-42 [6] 園田佳巨, 中山歩, 三好茜, “音響解析を用いた回転 式打音検査法の診断メカニズムに関する基礎的研 究”, 構造工学論文集, Vol.54A(2008 年 3 月), pp599-606 [7] 浅野雅則, 鎌田敏郎, 国枝稔, 六郷恵哲“コンクリー ト内部欠陥の寸法および深さと打音特性値の定量的 関係”, コンクリート工学年次論文集, Vol.23, No.1(2001), pp589-594 - 274 - Fig.1 Model dimensions of the steel pipe. 4.結言“ “AEセンサを用いた鋼棒、鋼管の健全性評価技術の開発 2 (2) 理論的検討“ “小川 良太,Ryota OGAWA,松永 嵩,Takashi MATSUNAGA,匂坂 充行,Mitsuyuki SAGISAKA,鵜飼 康史,Yasufumi UKAI,礒部 仁博,Yoshihiro ISOBE
原子力発電所では、非常に多くの配管や基礎ボルトが用いられている。これらの基礎ボルトや配管などの鋼棒、鋼管は、周辺環境(設置場所や内部流体、機械振動など)により経年劣化(腐食、摩耗、き裂など)が発生する可能性が潜在している 1。従って、機器・構造物の安全性・信頼性を確保する観点より、鋼棒、鋼管の経年劣化を検出する非破壊検査技術が望まれている。このような鋼棒、鋼管の健全性を検査する手法として、一般的には詳細検査として超音波検査やスクリーニング検査として目視検査や打音検査が採用されている 2-4。打音検査は、ハンマーで打撃し、その時の打撃音とハンマーを通した打感との二つから、検査員が異常の有無を判定する手法であるが、レーザーを用いた加振・検出方法による非破壊探傷法 5や鉄球とマイクロフォンを用いた打音検査法 6 が研究されている。打音法の研究では、固有値解析や周波数応答解析 5、音響解析 6、動的解析 7などをデータ取得方法に合わせた理論解析が用いられており、実験と比較されている。本研究では、鋼管や鋼棒等の部材の健全性評価を詳細検査に比べて、より効率的で簡便に実施できるスクリーニング検査手法としてAE(acoustic emission)センサを用いた部材の状態評価方法を構築した。 前報では、鋼棒、鋼管に対する固有値解析および周波数応答解析による実験との比較を報告した。 本報では、鋼管に対し健全なモデルと配管内面の腐食減肉を模擬したモデルを作製し、有限要素法を用いた時刻歴応答解析を実施して打撃時の固有周波数の変化について時刻歴応答解析を用いて検討した。また、本検査システムを用いた鋼管の健全性評価による実験結果とも比較し、妥当性を検討した。
2.解析対象およびモデル、解析条件
解析対象とした鋼管は、直径139.8mm、長さ1005mm、板厚4.5mm の鉄製 (SS400:ヤング率2.06×105[MPa]、ポアソン比0.3、材料密度7.9×10-9[ton/mm3])とし、健全および全周腐食(10mm幅 1mm、2mm 減肉)をモデル化した(図 1)。作成したモデルの条件およびメッシュ分割後の節点および要素数を表1、2に示す。打撃は、7.5×10-5秒間100Nの荷重を設定し、時刻歴応答解析として2.5×10-5秒刻みで5.0×10-3秒まで計算した。
Hammering point Constraint line Constraint line Corrosion Table1 Finite element model. Corrosion location 300mm from the end, width 10mm. Corrosion depth 1mm or 2mm depth. Constraints 150mm from both ends. Hammering point On the corrosion part. Table2 Number of node and element. Node Element Soundness 820,397 3,542,576 1mm corrosion 827,996 3,554,764 2mm corrosion 825,979 3,544,886 ※The mesh was resolved using tetrahedral primary element. Soundness 1mm corrosion 2mm corrosion Fig.2 Dynamic analysis results of the steel pipe. 3.解析結果と考察 AE センサを用いた部材の状態評価法は、AE センサが 設置されている検査対象が発する打音信号を受信する ことにより部材の状態評価を実施する。 AE センサは主に速度に応答していることから、AE センサの設置位置の節点速度を抽出し、実験と同様に FFT(高速フーリエ変換)を実施して周波数分布を得 た。健全および 1mm 腐食、2mm 腐食モデルの周波数 分布を図 2 に示す。図 2 では横軸に周波数を示し、縦 軸はそれぞれの周波数分布における最大値で規格化し た値を示す。腐食量の増加に従い、ピーク周波数が低 周波側にシフトする傾向が得られた。また、実験の健 全な鋼管のピーク周波数は約 3650Hz と、概ね一致し た結果が得られ、モデルの妥当性が確認できた。 本研究では、鋼管の健全および全周腐食を模擬した FEM 解析モデルを作成し、時刻歴応答解析を実施する ことにより、以下の結果が得られた。 (1) 健全な鋼管モデルに比べ、腐食を模擬したモデ ルは、打撃により得られるピーク周波数が低周 波側にシフトする傾向が得られた。 (2) 健全モデルにおいて、実験と概ね一致する結果 が得られたため、モデルの妥当性が確認できた。 参考文献 [1] “高浜発電所 3 号炉 高経年化技術評価書”, 関西 電力株式会社(2014). [2] 小平小次郎, 米谷豊, 河野尚幸, 馬場淳史, 黒崎裕一, “基礎ボルトの超音波探傷技術の適用と開発”, 非 破壊検査第59 巻6号, pp.254-258, 2010. [3] 秋山哲治, 清宮理, 北澤壮介, 内藤英晴, “合成部材 でのコンクリート充填性検査としての打音法の適用 性”, コンクリート工学年次論文集, Vol.25, No.1, 2003 [4] 竹之内博行, 榎園正義, 谷倉泉, 半澤貢, “ボルトの 疲労き裂検出に対する超音波探傷法の適用性”, 土 木学会論文集, No.404(1989), pp443-449 [5] 橘肇, 中本啓介, “リモートセンシングを用いた非破 壊探傷法の研究(その 2)”, 駒井ハルテック技報, Vol.5(2015), pp37-42 [6] 園田佳巨, 中山歩, 三好茜, “音響解析を用いた回転 式打音検査法の診断メカニズムに関する基礎的研 究”, 構造工学論文集, Vol.54A(2008 年 3 月), pp599-606 [7] 浅野雅則, 鎌田敏郎, 国枝稔, 六郷恵哲“コンクリー ト内部欠陥の寸法および深さと打音特性値の定量的 関係”, コンクリート工学年次論文集, Vol.23, No.1(2001), pp589-594 - 274 - Fig.1 Model dimensions of the steel pipe. 4.結言“ “AEセンサを用いた鋼棒、鋼管の健全性評価技術の開発 2 (2) 理論的検討“ “小川 良太,Ryota OGAWA,松永 嵩,Takashi MATSUNAGA,匂坂 充行,Mitsuyuki SAGISAKA,鵜飼 康史,Yasufumi UKAI,礒部 仁博,Yoshihiro ISOBE