自作した電磁超音波探触子による欠陥の画像化
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カテゴリ: 第2回
1. 緒言
原子力プラントをはじめとするエネルギー関連施設 の非破壊評価技術は保全技術の中でも重要な位置を占 めている。欠陥の探傷法として、超音波は透過性がよ いので広範囲に応用されているが、圧電素子や磁歪素 子による従来の方法は、滑らかな面を持っ評価対象に ●結合剤を介して接触させなければならないなどの制約 がある。それに対して、コイルと永久磁石から構成さ れる電磁超音波探触子(EMAT)は、非接触で超音波の送 受信が可能である。そのため、対象物が運動中や表面 が塗膜や錆に覆われている対象や、高速スキャンや遠 隔操作が可能なため、高温、狭隘、放射線下などの過 酷な環境での非破壊評価に応用が期待されている[1]。 しかし、既存の EMAT は送受信効率の低さ、送信波の モードの複雑さや指向性が原因で、微小な欠陥の同定 やサイジングなど実用的な探傷のためには制約が多く、 多数の EMAT を配列したアレイタイプをもちいて単一 の EMAT の性能を補うことが行われている。そこで、 EMAT による超音波送受信の理論・実験・シミュレー ションを通じて、その最適設計法、受信波形の処理技 術、欠陥の画像化技術を確立するとともに、欠陥探傷 に適した EMAT を製作して、より広範囲に応用が可能 な欠陥検査技術の確立を目指す。EMAT には、コイルによる渦電流と磁石からの静磁 場により生じるローレンツ力を利用する方法と、励磁 コイルによる変動磁場下の強磁性体の磁歪を利用する 方法がある[2[[3]。ローレンツ型 EMAT の基本原理は Ludwig [4]や Thompson [5]により研究され、Ogi ら[3] により有限要素法を用いた数値解析も行われている。 また Mitsuda ら[6]により EMAT による受信機構を含め ての超音波探傷のシミュレーション、船岡ら[7]により EMAT による欠陥の超音波画像化がおこなわれている。 1. 本研究では自作 EMAT を用いた人工欠陥の探傷をお こなった。2章では EMAT の送受信機構を示し、3 章 では EMAT による受信波に対する波形処理法や超音波 画像化法を示す。さらに4章では自作した EMAT の基 本的性能および、探傷試験の結果を示す。
2. EMAT による超音波の送受信機構 EMAT の基本構成は、静磁場を発生させる永久磁石 と変動磁場を励起あるいは検出するコイルからなる。 Fig.1 は横波用のローレンツ型 EMAT の概略図である。 コイルに紙面と垂直な方向に高周波電流が流れると、 コイル周辺に変動磁場が発生し、導体試料表面近傍で は電磁誘導の法則により、この変動磁場を打ち消す向 きに渦電流が生じる。その際に永久磁石によるバイア ス磁場下で渦電流の担い手である自由電子にローレン
59ツ力が働く。このローレンツ力の影響を受けた自由電 子が試料内のイオンと衝突することにより弾性波が発 生する。一方、受信過程は送信過程とは逆の過程をた どる。送信過程で生じた弾性波が試料内を伝ばし、欠 陥や試料底部で反射した後に EMAT 側の試料表面部分 に戻り、表面を振動させる。その振動が永久磁石によ る静磁場下で起こることにより試料表面近傍に渦電流 が生じる。この渦電流の時間変化が周囲の磁場変動を 起こし、電磁誘導の法則により EMAT コイルに電圧変 化が生じる。このときのコイルの電圧変化が EMATに よる超音波の受信信号となる。swamonamamotionwe monousMONSTEINSMusournerSpecimenSasseminessmasessess suressBRANSMessorestionsecontosestenesersonsessensentszoMagnetFig.1 Sketch of EMATVoltage [mV]10Time fus 30Fig.2 Simulated received waveform by EMATこのような EMAT による超音波の送受信過程を支配 する方程式は電磁場方程式と運動方程式からなる。こ こでは、EMATによる探傷がx y面の2次元問題に帰 着する場合を考える。電場と磁束密度および導体試料 表面近傍に生じる渦電流密度は、スカラーポテンシャ ルとベクトルポテンシャルにより以下のようにあらわ される。B=V×A、EGAB＝=V xB=V×A、E----＝=oE = of 0.1+vo)ISE = -O --1このとき、電磁場を支配する Maxwell 方程式は次のよ うになる。AM - mato + + n)volvo + + ““ )- volvo + + ““ * a) -o (e)EMAT 近傍の静磁場と試験片中の渦電流密度から決定 されるローレンツ力が弾性波を励起する。試験片の各 点における変位を u=(us, u)とすると、運動方程式はF = Jex B-) + F-3Pm 32＝= = uAu + (2 + Hm)▽(▽・u) + F-3で与えられる。これらの基礎式に対して、静磁場と渦 電流解析をそれぞれ有限要素法、運動方程式を差分法 を用いて解いて、式(1)からコイルに生じる起電力を求 めると、Fig.2 のような受信波形が得られる。3. EMAT による欠陥の超音波画像EMAT を試料表面に沿って直線的に走査して、欠陥 の探傷と画像化のシミュレーションを行う。EMAT は 左右対称に2つのコイルと2つの永久磁石を配置する。 一辺が3.0mmの正方形状の永久磁石を 4.0mm離れた場 所に平行に、1.0mm×1.0mm のコイルをその上側に配 置し、コイルと試料の間隔が 1.0mm となるようにした。 EMAT の駆動電流は、振幅 1.0× 10'A/m2、周波数を 1.0MHz とする正弦波 1 周期を左右のコイルで符号が 逆になるように与える。Fig.3 は計算で求めた受信波形 を、EMAT の位置から縦方向に濃淡の直線として描い た超音波原画像である。原画像では、欠陥と試料表面 における波の多重反射や、波が拡散して斜めに欠陥に 到達、帰還することによる欠陥端から斜め上方に伸び るゴーストが現れ、欠陥像が明瞭に現れていない。ま た、入射波のパルス幅により、欠陥像の奥行きも広が って見える。60403010十-54-28-32-1661632Fog.3 Simulated original ultrasonic image by EMAT403|130Fig.4 Improved ultrasonic image by ALOK method1 mm MagnetCoilagnet| 24 mm10mmFig.4 Improved ultrasonic image by ALOK method23 mm6mmN||s4-23mm1.6mmCoil44 mmFig.5 Shape and size of self-produced EMAT0。そこで欠陥の画像を明瞭化させるために受信波形に デコンボリューション処理を施す。これは、反射波と 入射波のフーリエスペクトルの比を逆フーリエ変換す ることにより、受信波形に含まれる入射パルスと同形 のパルスの位相差を正確に求め、低周波の入射波形に よる欠陥像をより鮮明にすることができる。さらに、 探触子から斜め方向に入射し、反射してくる波も受信 波形に含まれていることを考慮にいれ、材料内部の反 射点の位置を探触子から同心円状に配置する。さらに、 EMAT が波を送受信する感度には方向性があることを 考慮して、中心方向で最大値となる重み関数をかける ALOK 法を採用する。このような処理をおこない、 EMAT の拡散性と指向性を考慮した結果を Fig.4 に示 す。原画像の欠陥端から伸びているゴーストが減少し、 欠陥像がより明瞭になることが分かる。。Amplitude [V]。。。oooooooo20Position [mm]Fig.6 Beam width by EMAT3. 自作 EMAT による欠陥探傷ここでは、EMAT コイルとして 0.2mm 径のポリウレ タン皮膜銅線をトラック状に 44 巻きしたものを作成 した。銅線を厚さ 0.08mm の粘着シートに貼り付けな がらコイル状に巻き、永久磁石として NEOMAX-48BH (磁束密度 1.143T、10×15×6mm)を用いた (Fig.5)。自 作 EMAT の特性を Fig.6-Fig.8 に示す。なお、送信波 の中心周波数は約 2.5MHzである。Fig.6 からは、送信 波面において、波の強度がほぼ一定の平面が伝ぱする ことが分かる。Fig.7 からは波の指向性は良好であるこ とがわかる。 Fig.8 は、送信波の強度とリフトオフと の関係を示す。この図からは、EMAT は非接触で超音 波の送受信が可能であるが、できるだけ検査対象に近 づけた方が変換効率がよいことが分かる。24 mm1 mm MagnetCoilmhw |23 mmIsh 23mm|23 mm1.6mm44 mmFig.5 Shape and size of self-produced EMAT3E+200。。ooooo820000 ooo 0000。」20-1001-10 Position [mm]Fig.6 Beam width by EMAT1.51E+201000。。Amplitude [V]。ooooooooooo ooooooLuluLLLLLLLLLLLLLLL -102010Position [mm]Fig.6 Beam width by EMATAmplitude [V]EMAT size-50 -40 -30 -20 -10 0 1020304050Angle a [°]Fig. 7 Directivity of transmitted wave by EMATI prometAmplitude????????????????????????????????????????????????????????????????10. 20. 40. 60. 81 11.21.4 Lift off [mm]Fig. 8 Influence of lift-off to transmitted amplitudeFig. 8 Influence of lift-off to transmitted amplitude謝辞本研 公募事 電所の 部であ201221.9415.26参考 [1] 日[2] 超 [3] H.1036424S12 18 24 30 (a) Normal crackNoEle35catvca-CASE199 [4] R.pp. [5] R.28.42..Nei21.8113.26[6] TaAn Ele Ap200 [7] 船19.08画48sa [mm]No. [8] 坪(b) Oblique crack25.4221.94 ...15.263.6810_s_124321064(c) Wastage Fig. 9 Ultrasonic images of defects by self-prepared EMAT最後に、Fig.9に自作 EMAT による欠陥の探傷例を示 す。それぞれの欠陥像やそのサイズなどが比較的よい」 精度で同定できることが分かった。今後は、さらに高 精度な探傷のために、シミュレーションを援用した EMAT の最適設計と製作をおこなう予定である。* 本研究は経済産業省革新的実用原子力技術開発提案 公募事業(フィージビリテイスタデイ分野)「原子力発 電所の保全品質高度化に関する技術開発」の成果の一 部である。参考文献 [1] 日本材料科学会編, 先端材料シリーズ, 超音波と材料,裳華房,1992. [2] 超音波便覧編集委員会編, 超音波便覧, 丸善, 1999. [3] H. Ogi, M. Hirao, K. Minoura and H. Fukuoka, QuasiNonlinear Analysis of Lorentz-Type EMAT by Finite Element Method, Trans. JSME, Vol. 61A, pp. 638-645,1995. [4] R. Ludwig and X.-W. Dai, J. Appl. Phys., Vol.60,pp.89-98, 1991. [5] R. B. Thompson, Physical Axoustics 19, Academic Press,New York, 1988. [6] Takahiro Mitsuda and Eiji Matusmoto, NumericalAnalysis of Ultrasonic Inspection using Electromognetic Acoustic Transducer, Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics 23, pp.60-67,2002. [7] 船岡, 松本, 電磁超音波探触子を用いた内部欠陥の画像化シミュレーション, 日本 AEM学会誌, Vol.10,No.4, pp.378-383,2002. [8] 坪井始編著,数値電磁解析法の基礎,養賢堂, 1994.- 62 -“ “自作した電磁超音波探触子による欠陥の画像化“ “大下 敬之,Takayuki OHSHITA,松本 英治,Eiji MATSUMOTO,琵琶 志朗,Shiro BIWA
原子力プラントをはじめとするエネルギー関連施設 の非破壊評価技術は保全技術の中でも重要な位置を占 めている。欠陥の探傷法として、超音波は透過性がよ いので広範囲に応用されているが、圧電素子や磁歪素 子による従来の方法は、滑らかな面を持っ評価対象に ●結合剤を介して接触させなければならないなどの制約 がある。それに対して、コイルと永久磁石から構成さ れる電磁超音波探触子(EMAT)は、非接触で超音波の送 受信が可能である。そのため、対象物が運動中や表面 が塗膜や錆に覆われている対象や、高速スキャンや遠 隔操作が可能なため、高温、狭隘、放射線下などの過 酷な環境での非破壊評価に応用が期待されている[1]。 しかし、既存の EMAT は送受信効率の低さ、送信波の モードの複雑さや指向性が原因で、微小な欠陥の同定 やサイジングなど実用的な探傷のためには制約が多く、 多数の EMAT を配列したアレイタイプをもちいて単一 の EMAT の性能を補うことが行われている。そこで、 EMAT による超音波送受信の理論・実験・シミュレー ションを通じて、その最適設計法、受信波形の処理技 術、欠陥の画像化技術を確立するとともに、欠陥探傷 に適した EMAT を製作して、より広範囲に応用が可能 な欠陥検査技術の確立を目指す。EMAT には、コイルによる渦電流と磁石からの静磁 場により生じるローレンツ力を利用する方法と、励磁 コイルによる変動磁場下の強磁性体の磁歪を利用する 方法がある[2[[3]。ローレンツ型 EMAT の基本原理は Ludwig [4]や Thompson [5]により研究され、Ogi ら[3] により有限要素法を用いた数値解析も行われている。 また Mitsuda ら[6]により EMAT による受信機構を含め ての超音波探傷のシミュレーション、船岡ら[7]により EMAT による欠陥の超音波画像化がおこなわれている。 1. 本研究では自作 EMAT を用いた人工欠陥の探傷をお こなった。2章では EMAT の送受信機構を示し、3 章 では EMAT による受信波に対する波形処理法や超音波 画像化法を示す。さらに4章では自作した EMAT の基 本的性能および、探傷試験の結果を示す。
2. EMAT による超音波の送受信機構 EMAT の基本構成は、静磁場を発生させる永久磁石 と変動磁場を励起あるいは検出するコイルからなる。 Fig.1 は横波用のローレンツ型 EMAT の概略図である。 コイルに紙面と垂直な方向に高周波電流が流れると、 コイル周辺に変動磁場が発生し、導体試料表面近傍で は電磁誘導の法則により、この変動磁場を打ち消す向 きに渦電流が生じる。その際に永久磁石によるバイア ス磁場下で渦電流の担い手である自由電子にローレン
59ツ力が働く。このローレンツ力の影響を受けた自由電 子が試料内のイオンと衝突することにより弾性波が発 生する。一方、受信過程は送信過程とは逆の過程をた どる。送信過程で生じた弾性波が試料内を伝ばし、欠 陥や試料底部で反射した後に EMAT 側の試料表面部分 に戻り、表面を振動させる。その振動が永久磁石によ る静磁場下で起こることにより試料表面近傍に渦電流 が生じる。この渦電流の時間変化が周囲の磁場変動を 起こし、電磁誘導の法則により EMAT コイルに電圧変 化が生じる。このときのコイルの電圧変化が EMATに よる超音波の受信信号となる。swamonamamotionwe monousMONSTEINSMusournerSpecimenSasseminessmasessess suressBRANSMessorestionsecontosestenesersonsessensentszoMagnetFig.1 Sketch of EMATVoltage [mV]10Time fus 30Fig.2 Simulated received waveform by EMATこのような EMAT による超音波の送受信過程を支配 する方程式は電磁場方程式と運動方程式からなる。こ こでは、EMATによる探傷がx y面の2次元問題に帰 着する場合を考える。電場と磁束密度および導体試料 表面近傍に生じる渦電流密度は、スカラーポテンシャ ルとベクトルポテンシャルにより以下のようにあらわ される。B=V×A、EGAB＝=V xB=V×A、E----＝=oE = of 0.1+vo)ISE = -O --1このとき、電磁場を支配する Maxwell 方程式は次のよ うになる。AM - mato + + n)volvo + + ““ )- volvo + + ““ * a) -o (e)EMAT 近傍の静磁場と試験片中の渦電流密度から決定 されるローレンツ力が弾性波を励起する。試験片の各 点における変位を u=(us, u)とすると、運動方程式はF = Jex B-) + F-3Pm 32＝= = uAu + (2 + Hm)▽(▽・u) + F-3で与えられる。これらの基礎式に対して、静磁場と渦 電流解析をそれぞれ有限要素法、運動方程式を差分法 を用いて解いて、式(1)からコイルに生じる起電力を求 めると、Fig.2 のような受信波形が得られる。3. EMAT による欠陥の超音波画像EMAT を試料表面に沿って直線的に走査して、欠陥 の探傷と画像化のシミュレーションを行う。EMAT は 左右対称に2つのコイルと2つの永久磁石を配置する。 一辺が3.0mmの正方形状の永久磁石を 4.0mm離れた場 所に平行に、1.0mm×1.0mm のコイルをその上側に配 置し、コイルと試料の間隔が 1.0mm となるようにした。 EMAT の駆動電流は、振幅 1.0× 10'A/m2、周波数を 1.0MHz とする正弦波 1 周期を左右のコイルで符号が 逆になるように与える。Fig.3 は計算で求めた受信波形 を、EMAT の位置から縦方向に濃淡の直線として描い た超音波原画像である。原画像では、欠陥と試料表面 における波の多重反射や、波が拡散して斜めに欠陥に 到達、帰還することによる欠陥端から斜め上方に伸び るゴーストが現れ、欠陥像が明瞭に現れていない。ま た、入射波のパルス幅により、欠陥像の奥行きも広が って見える。60403010十-54-28-32-1661632Fog.3 Simulated original ultrasonic image by EMAT403|130Fig.4 Improved ultrasonic image by ALOK method1 mm MagnetCoilagnet| 24 mm10mmFig.4 Improved ultrasonic image by ALOK method23 mm6mmN||s4-23mm1.6mmCoil44 mmFig.5 Shape and size of self-produced EMAT0。そこで欠陥の画像を明瞭化させるために受信波形に デコンボリューション処理を施す。これは、反射波と 入射波のフーリエスペクトルの比を逆フーリエ変換す ることにより、受信波形に含まれる入射パルスと同形 のパルスの位相差を正確に求め、低周波の入射波形に よる欠陥像をより鮮明にすることができる。さらに、 探触子から斜め方向に入射し、反射してくる波も受信 波形に含まれていることを考慮にいれ、材料内部の反 射点の位置を探触子から同心円状に配置する。さらに、 EMAT が波を送受信する感度には方向性があることを 考慮して、中心方向で最大値となる重み関数をかける ALOK 法を採用する。このような処理をおこない、 EMAT の拡散性と指向性を考慮した結果を Fig.4 に示 す。原画像の欠陥端から伸びているゴーストが減少し、 欠陥像がより明瞭になることが分かる。。Amplitude [V]。。。oooooooo20Position [mm]Fig.6 Beam width by EMAT3. 自作 EMAT による欠陥探傷ここでは、EMAT コイルとして 0.2mm 径のポリウレ タン皮膜銅線をトラック状に 44 巻きしたものを作成 した。銅線を厚さ 0.08mm の粘着シートに貼り付けな がらコイル状に巻き、永久磁石として NEOMAX-48BH (磁束密度 1.143T、10×15×6mm)を用いた (Fig.5)。自 作 EMAT の特性を Fig.6-Fig.8 に示す。なお、送信波 の中心周波数は約 2.5MHzである。Fig.6 からは、送信 波面において、波の強度がほぼ一定の平面が伝ぱする ことが分かる。Fig.7 からは波の指向性は良好であるこ とがわかる。 Fig.8 は、送信波の強度とリフトオフと の関係を示す。この図からは、EMAT は非接触で超音 波の送受信が可能であるが、できるだけ検査対象に近 づけた方が変換効率がよいことが分かる。24 mm1 mm MagnetCoilmhw |23 mmIsh 23mm|23 mm1.6mm44 mmFig.5 Shape and size of self-produced EMAT3E+200。。ooooo820000 ooo 0000。」20-1001-10 Position [mm]Fig.6 Beam width by EMAT1.51E+201000。。Amplitude [V]。ooooooooooo ooooooLuluLLLLLLLLLLLLLLL -102010Position [mm]Fig.6 Beam width by EMATAmplitude [V]EMAT size-50 -40 -30 -20 -10 0 1020304050Angle a [°]Fig. 7 Directivity of transmitted wave by EMATI prometAmplitude????????????????????????????????????????????????????????????????10. 20. 40. 60. 81 11.21.4 Lift off [mm]Fig. 8 Influence of lift-off to transmitted amplitudeFig. 8 Influence of lift-off to transmitted amplitude謝辞本研 公募事 電所の 部であ201221.9415.26参考 [1] 日[2] 超 [3] H.1036424S12 18 24 30 (a) Normal crackNoEle35catvca-CASE199 [4] R.pp. [5] R.28.42..Nei21.8113.26[6] TaAn Ele Ap200 [7] 船19.08画48sa [mm]No. [8] 坪(b) Oblique crack25.4221.94 ...15.263.6810_s_124321064(c) Wastage Fig. 9 Ultrasonic images of defects by self-prepared EMAT最後に、Fig.9に自作 EMAT による欠陥の探傷例を示 す。それぞれの欠陥像やそのサイズなどが比較的よい」 精度で同定できることが分かった。今後は、さらに高 精度な探傷のために、シミュレーションを援用した EMAT の最適設計と製作をおこなう予定である。* 本研究は経済産業省革新的実用原子力技術開発提案 公募事業(フィージビリテイスタデイ分野)「原子力発 電所の保全品質高度化に関する技術開発」の成果の一 部である。参考文献 [1] 日本材料科学会編, 先端材料シリーズ, 超音波と材料,裳華房,1992. [2] 超音波便覧編集委員会編, 超音波便覧, 丸善, 1999. [3] H. Ogi, M. Hirao, K. Minoura and H. Fukuoka, QuasiNonlinear Analysis of Lorentz-Type EMAT by Finite Element Method, Trans. JSME, Vol. 61A, pp. 638-645,1995. [4] R. Ludwig and X.-W. Dai, J. Appl. Phys., Vol.60,pp.89-98, 1991. [5] R. B. Thompson, Physical Axoustics 19, Academic Press,New York, 1988. [6] Takahiro Mitsuda and Eiji Matusmoto, NumericalAnalysis of Ultrasonic Inspection using Electromognetic Acoustic Transducer, Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics 23, pp.60-67,2002. [7] 船岡, 松本, 電磁超音波探触子を用いた内部欠陥の画像化シミュレーション, 日本 AEM学会誌, Vol.10,No.4, pp.378-383,2002. [8] 坪井始編著,数値電磁解析法の基礎,養賢堂, 1994.- 62 -“ “自作した電磁超音波探触子による欠陥の画像化“ “大下 敬之,Takayuki OHSHITA,松本 英治,Eiji MATSUMOTO,琵琶 志朗,Shiro BIWA