信号位相を利用したECT信号からのき裂指示の抽出
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カテゴリ: 第5回
1. はじめに
渦電流探傷試験(Eddy Current Testing, ECT)は、電磁 現象を利用した非破壊検査手法の一つであり、コイル で発生させた交流磁場により導体である試験体に渦電 流を誘導させ、試験体内に欠陥が存在するときには渦 電流の流れが変化することにより欠陥の検出を行う [1,2]。ECT では、この様な電磁誘導を利用するため、 プローブを試験体に接触させる必要が無く、また試験 結果が電気信号として得られ、高速な探傷が可能であ る。これらの特長から、原子力発電設備における代表 的な適用事例として、加圧水型原子炉の蒸気発生器伝 熱管の検査があり[2,3]、その検査指針として、JEAG 4208-2005 がある[4]。また、最近では、平成 19年9月に定期検査中の関西 電力・美浜発電所2号機において、蒸気発生器1次冷 却材入口管台溶接部の内表面に対して、残留応力を低 減させることを目的とするショットピーニングを実施 する際に、事前の健全性確認のため ECT による検査を 行ったところ、当該部において有意な信号指示が検出 され、その後の詳細な検査でき裂が確認された。 これを始まりとして、敦賀 2 号機、高浜 2 号機、3号機においても、蒸気発生器入口管台溶接部の内表面 に対する ECT による検査で有意な信号指示が検出さ れ、き裂が確認された[5]。このような経緯から、ECT の有用性が再認識され、現在、原子力発電設備の保全 において、ECT の適用範囲が広がりつつある。 - ECT では、検査を行う試験体において、欠陥がない 位置で得られる検出信号を基準とし、これを試験体の 他の各点で得られる検出信号と比較し、検出信号が変 化した点に欠陥があると判断する。よって、検査位置 に対する検出信号の分布において、信号変化が見られ る位置がそのまま欠陥がある位置と考えられ、欠陥と 検出信号の対応が直感的に分かりやすい結果が得られ る。しかしながら、実際の試験対象では、複雑な形状 や粗い表面による不規則なリフトオフの発生や溶接等 の加工による材料の導電率または透磁率の変化が原因 となり、検出信号に複雑なノイズが加わることによっ て欠陥の発見が困難となる。 - 本稿では、第2節で紹介するマルチコイル ECT シス テムにより得られるき裂指示の位相に関する特徴に着 目し、同ECT システムにおいて、上述のようなノイズ を含む検出信号からき裂指示のみを抽出する方法につ いて述べる。これにより、実際の応用において現れる 複雑な検出信号からき裂位置を特定することを目標と する。
Multi-coil ECT probeLaptop PC48-ch ECT deviceFig. 1 48-channel ECT device2.48 チャンネル渦電流探傷システム * 本研究では、文献[6]の研究において開発された ECT システムを使用した。2.1 システムの構成 * Fig. 1 に使用した ECT システムの構成を示す。本 ECT システムは、探傷装置、プローブ、制御用のノー ト PC から構成される。探傷装置には、アスワン電子(株)製の 48 チャンネ ル渦電流探傷装置(型式: A-2017)を使用した。プロ ーブは、探傷装置に合わせてアスワン電子(株)によ り製作されたマルチコイルECT プローブであり、Fig.2 に示すように2つのコイル列を持ち、これらのコイル 列はそれぞれ 17 個と 18 個のコイルで構成される。プローブを構成するこれらのコイルは、48 チャンネ ル渦電流探傷装置により、各瞬間において1個が励磁 コイルとして、1 個が検出コイルとして使用され、こ の励磁コイルと検出コイルの一つの組合せを1チャン ネルとして、探傷装置のマルチプレクサ回路のスイッ チング制御により各チャンネル間の相互干渉を回避し ながら48 チャンネルが使用される。Fig. 3 において各矢印がチャンネルごとの励磁コイ ルと検出コイルの組合せを表しており、矢印は励磁コ イルから検出コイルに向かっている。これらのチャン ネルは、Fig. 3 が示すようにTスキャンとUスキャン の2種類のスキャンパターンに分けられる。各スキャ ンパターンの最初と最後のチャンネル番号を Fig. 3 に おいてその検出コイルに付すことにより示す。検出されるき裂指示は、き裂長手方向と励磁・検出 コイルの並びの方向が一致するとき最も強く出るので、 Uスキャンで得られる検出信号はき裂長手方向がコイ17 coils 00000000000000000 OOOOOOOOOOOOOOOOOO18 coils Fig. 2 Multi-coil ECT probeScan direction@@@@@@ののののののののののか coil row 1 ◎6000ああああああありいめめめ coil row 2U-scan00000000000000000 coil row 1 20000000000000000 coil row 2T-scan3348Fig. 3Two types of scanning patternsル列に垂直なき裂の検出に、T スキャンで得られる検 出信号はき裂長手方向がコイル列と平行なき裂の検出 に使われる。1回の走査において、これらの合計 48 チ ャンネルは順次切り替えながら使用され、チャンネル ごとに検出信号が出力される。 1探傷装置とLANケーブルで接続されたノート PCでは、専用制御ソフトウェアにより探傷装置の動作を設 定し、探傷装置から出力されるUスキャンとTスキャ ンのそれぞれの検出電圧(VK 成分および 成分)を 受信する。これらの検出信号はノート PC のハードデ ィスクにデジタル形式で保存される。 このマルチコイル ECT プローブでは、一方向の移動179Vx (V)Vy(V)Vy(V)2015.10505101518505101520イージY(mm)Y(mm)X(mm)X (mm)1015!CRの15:10:505101550200613105051050Fig. 4 Detection signals of 48-ch ECT deviceで、コイル列幅の2次元領域が探傷でき、このとき保 存された検出信号データは、各種グラフ作成ソフトウ ェアなどにより2次元画像として表示させることがで きる。それぞれのスキャンパタ き裂方向を基準とするた トがコイル列に垂直な場 はスリットがコイル列に2.2 検出信号の性質 - Fig.4は、厚さ 10 mm のステンレス鋼平板の表面に ある幅 0.3 mm、長さ 10 mm、深さ 2 mm の矩形欠陥の 上を 48 チャンネル渦電流探傷装置により探傷したと きに得られる検出信号分布を数値計算により再現した ものである。左の2つはそれぞれ 1kと少 成分を3次 元表示したもので、右はこれらの信号のX-0 上のリサ ージュ波形である。プローブの走査方向にX軸をとり、 コイル列方向にY軸をとっており、コイル列方向のき 裂を探傷したときのTスキャンによる検出信号に対応 する。プローブを構成するコイルについては、コイルの寸 法が外径 2.5 mm、内径 1.0 mm、高さ 2.5 mm、巻数 520 回であり、コイル列を構成するコイルの中心間隔は 2.6 mm、2つのコイル列の中心間隔は 4.6 mm であり、ま た、励磁周波数は 100 kHz とした。 - 48 チャンネル渦電流探傷装置より出力される信号 は、チャンネル間の製造上のばらつきを補正し、また 検出信号に比較対象となる基準を設けるために、 SUS316 ステンレス鋼平板上の深さ 2 mm の全幅 EDM スリットから得られるき裂指示を基準として、このき 裂指示の成分が各チャンネルにおいて、信号振幅が最 大の点で (Vx,y)=(0,2) と出力されるように、元の信号 成分に掛けて調整するための複素定数をチャンネルご とに求め、これらの複素定数を常に探傷装置から出力 される検出信号に掛けている(これは、き裂指示が 少 成分に強く出るようにすることに対応する)。このとき、25 115 (0)1.14TX=0 05 , ,Tx(1)-05-1 0.5 115・205J,Cそれぞれのスキャンパターンに対して検出感度が良い き裂方向を基準とするために、U スキャンではスリッ トがコイル列に垂直な場合を基準とし、T スキャンで はスリットがコイル列に平行な場合を基準とする。Fig. 5 に数値計算により求めたき裂深さの変化に対 する検出信号の振幅と位相の変化を示す。厚さ 10 mm の SUS316 平板上にある幅 0.3 mm の全幅 EDM スリッ トの深さを 1 mm から5 mm まで変化させ、これらに 対する検出信号の振幅と位相をグラフにした。Uスキ ャンとTスキャンのそれぞれについて、スリットがコ イル列に垂直な場合と平行な場合の2通りの検出信号 を求めた。2.5Amplitude (V)+U-scan (ref. dir.) *T-scan (ref. dir.)0152 3 4 Crack depth (mm)U-scan (ref. dir.) *T-scan (ref. dir.)U-scan (non ref. dir.) -*-T-scan (non ref. dir.)Phase (degree)U-scan (ref. dir.) *T-scan (ref. dir.) +U-scan (non ref. dir.) * T-scan (non ref. dir.)Phase (degree)12345Crack depth (mm)Fig. 5 Crack depth dependency of ECT signals180この結果から分かるように、このプローブではき裂 深さが3mm 程度で振幅が飽和し、位相はUスキャン とTスキャンともに、それぞれ基準とする方向(ref. dir.) のき裂に対しては(0,2)の位相である900 から大きく変 化せず、また同様に基準とは逆の方向(non ref. dir.)のき 裂に対しては200° 付近の値を持つことが分かる。3.信号位相を利用したき裂指示の抽出ここでは、第 2.2 節で示した 48 チャンネル渦電流装 置により得られるき裂信号の特徴を利用した、検出信 号から不要なノイズを除去するための信号フィルタを 紹介する。 - Fig. 5 から分かるように、き裂深さが変化してもき 裂信号の位相は小さな範囲に収まることから、検出信 号分布の中から位相が適切な位相範囲に含まれている もののみを取り出すことにより、き裂指示以外の信号 を省くことができる。前述のように、基準方向のき裂 信号の位相が90°になるように調整している場合、実 際の信号では、き裂深さ、材質の変化、その他のノイ ズなどの要因で位相がずれることを考慮し、前後に 300 の幅を持たせ、指定位相範囲を 60° から120° とす る。ただし、これは各スキャンパターンで基準方向の き裂指示のみを取り出すことを意味するので、U スキ ャン信号からはコイル列と垂直な方向のき裂指示のみ を、T スキャン信号からはコイル列と平行なき裂指示 のみを取り出すことになる。これだけでも、ある程度のノイズを除去することが 可能であるが、複雑なノイズの位相がたまたま指定位 相範囲に入ることがあり、場合によっては広い範囲で ノイズが残ることがある。そのため、上記の処理を拡 張し、UスキャンとTスキャンともに基準とは逆の方 向のき裂に対する検出信号の位相も別の小さな範囲に 収まることを利用して、検出信号をき裂指示とみなす 条件をさらに絞り込むことを考える。48 チャンネル渦 電流探傷装置では、一つの探傷領域に対してUスキャ ンとTスキャンの両方の検出信号が同時に得られるこ * とから、各スキャンパターンの検出信号からき裂指示 を抽出する際に、同一のスキャンパターンの位相情報 だけでなく、もう一方のスキャンパターンの位相情報 を参照することにより、U スキャンとTスキャンのそ れぞれ対し2種類の位相条件を課すことができる。 ここで、一方のスキャンパターンの振幅分布に対して、同一のスキャンパターンの位相分布を使用するフ ィルタを主フィルタ(main filter)とし、異なるスキャン パターンの位相分布を使用するフィルタを副フィルタ (sub filter)とする。主フィルタの指定位相範囲は、前述 のように600 から120° とし、副フィルタの指定位相範 囲は、Fig. 5 のグラフを参考にして180° から 2400 とする。- また、副フィルタの処理において、異なるスキャン パターンの位相を参照するときに、プローブの走査方 向にX軸をとり、コイル列方向にY軸をとった場合、 各チャンネルから得られる検出信号は、励磁コイルと 検出コイルの中央付近における試験体の状態の影響を 強く受けるので、同一のプローブ位置でUスキャンと TスキャンはX方向に関して少しずれた場所を見てお り、異なるスキャンパターンではX方向にずらして対 応させる。また、UスキャンとTスキャンでは、チャ ンネルの数も構成も違うため、Y方向についても異な るスキャンパターンでのチャンネルの対応を与えなけ ればならない。4. 適用例ここでは、48 チャンネル ECT システムを使って実 際の試験体から得られたノイズを含む検出信号に対し て、第3節で提案したき裂指示の抽出方法を適用した 結果を紹介する。Fig.6に示す、溶接部に EDM き裂を入れた SUS304 平板を探傷し、その検出信号からき裂指示のみを取り 出す。EDM き裂は、溶接に沿っているものと溶接を横 切っているものの2種類があり、溶接線に沿っている 方はTスキャンの検出信号から、溶接線を横切ってい る方はUスキャンの検出信号からそれぞれき裂指示を 取り出した。プローブの仕様は、第 2.2 節のものと若 干異なり、コイルの寸法が外径 2.0 mm、内径 1.0 mm、スライEDM cracksfrontbackEDM cracks in the weld line181AmplitudeChannelXenimPhaseFiltered AmplitudeANPhase (degree)WAChannelChannel51015Xumin)110120 Xim.AmplitudePhaseFiltered Amplitude(シンChannelPhase Idegree)ChannelChannel110_152015101520Ximeni0_1020Xim.Ximm.(b) Crack along the weld lineAmplitudePhaseFiltered AmplitudePhase idegree)143{ titai!ChannelChannel0:00:0051015 X(mm)202530Stran)15 10 1520 2530Xtunne(a) Crack across the weld lineFig. 7 Detection signals of 48-ch ECT device 高さ 2.0 mm、巻数 300 回であり、コイル列を構成する コイルの中心間隔は 2.4 mm、2つのコイル列の中心間 隔は 4.6 mm であり、励磁周波数は 100 kHz とした。Fig. 7は主フィルタのみを使用した結果である。左 の2つは、それぞれフィルタ適用前の検出信号の振幅 と位相分布であり、一番右がフィルタ適用後の振幅分 布である。フィルタ適用前の振幅分布では、き裂指示 とともに、縦に走る溶接線の指示が確認でき、位相分 布からは、それらの信号位相の違いがはっきり見える。 振幅が小さい領域では、少しのノイズで位相が大きく 変化するため、複雑な位相分布を持つ傾向にある。そ して、フィルタ適用後の振幅分布からは、き裂指示の みが取り出せたことが分かる。Fig. 8 は、米国原子力規制委員会(USNRC)が主催す る国際共同研究プロジェクト PINC (Program for the Inspection of Nickel-alloy Components)の一環として行 われた、異種金属溶接部試験体を用いたラウンドロビ ン試験において、本 ECT システムにより得られた 2 つの探傷領域の検出信号である(プロジェクトの詳細 については紹介記事[7]を参照されたい)。こちらは、 すべて振幅分布であり、左からフィルタ適用前、主フ ィルタのみ適用、主・副フィルタを適用の順で並んで いる。プローブの仕様は第 2.2 節のものと同じで、励磁周波数は 100 kHz である。このラウンドロビン試験で使われた試験体の溶接部 には応力腐食割れ(SCC)が入っているとされているが、 き裂位置はまだ公開されておらず(2008年5月現在)、 現状ではこの結果から適切な評価はできないが参考と して掲載する。 - この結果では、主フィルタだけではノイズが取りき れず、主・副の2つのフィルタによりき裂指示と思わ れる単純な信号のみを取り出すことができた。 * 基本的な概念では、主フィルタのみでかなりのノイ ズが除去できると考えられるが、実際には、き裂指示 の位相に近い位相を持つノイズが検出されたり、また、 き裂指示自体も様々な要因で基準と若干ずれた位相を 持ったりするため、主フィルタのみでは決定的にノイ ズを取りきれないことがあり、その場合、さらに抽出 条件を絞れる副フィルタが有用となる。5.まとめ1. 本稿では、48 チャンネル ECT システムにより得ら れるき裂指示の信号位相の性質を示し、その特徴から、 信号位相に着目して検出信号からノイズを除去し、信 号指示のみを抽出する方法を紹介した。182Raw dataMainMain & SubA.AChannelChannelChannel05101S202530324045X(mm)0510 1520253034045Ximin)05.10 15202530354045Xinun(b) Scanning area 1Raw dataMainMain & SubMainMain & SubMANAJAVAIMAChannelChannel05.10 152025303540450510 1520253034045X(min)(b) Scanning area 1MainMain & SubMAVALChannelChannel10 1020304050607080Ximum)1.02030405060708E+15X(mm)(a) Scanning area 2 Fig. 8 Detection signals of 48-ch ECT deviceRaw dataChannel1.02030405060708E+15X(mm)信号振幅と同一のスキャンパターンの位相を利用し た主フィルタと、信号振幅とは別のスキャンパターン の位相を利用する副フィルタの2つのフィルタについ て考え、検出信号をき裂指示と判断する条件を厳しく することにより、き裂指示に似たノイズを除去する方 法を提案した。 参考文献「11 (社)日本非破壊検査協会, 非破壊検査技術シリー ズ 渦流探傷試験 III (2003) [2] 池田忠夫,渦流探傷技術の保守検査への適用例, 非破壊検査, Vol. 49, No. 3, pp. 176-182 (2000) 「31 高松洋,宮健三,陳振茂, 加圧水型原子力発電所に おける電磁非破壊検査技術開発の経緯, 日本 AEM 学 会誌, Vol. 8, No. 1, pp. 95-101 (2000)[4] (社)日本電気協会, 軽水型原子力発電所用蒸気発 生器伝熱管の供用中検査における渦流探傷試験指針, JEAG 4208-2005 (2005) [S] 原子力安全・保安院, 蒸気発生器一次冷却材出入口 管台溶接部内表面におけるき裂への対応について(解 説), 原子力安全・保安院 報道発表 (Feb. 5, 2008) [6] 西水亮ほか,複雑形状部検査のための渦電流探傷 システムの開発, 日本原子力学会誌和文論文誌, Vol. 7, No. 2, pp. 142-151 (2008) [7] 河野克己, 高木敏行, 千種直樹,「ニッケル基合金 機器の検査に関するプログラム(PINC)」の概況, 保全 学, Vol. 6, No. 1, pp. 67-69 (2007)183
“ “?信号位相を利用した ECT 信号からのき裂指示の抽出“ “山本 敏弘,Toshihiro YAMAMOTO,八島 建樹,Kenji YASHIMA,高木 敏行,Toshiyuki TAKAGI,内一 哲哉,Tetsuya UCHIMOTO
渦電流探傷試験(Eddy Current Testing, ECT)は、電磁 現象を利用した非破壊検査手法の一つであり、コイル で発生させた交流磁場により導体である試験体に渦電 流を誘導させ、試験体内に欠陥が存在するときには渦 電流の流れが変化することにより欠陥の検出を行う [1,2]。ECT では、この様な電磁誘導を利用するため、 プローブを試験体に接触させる必要が無く、また試験 結果が電気信号として得られ、高速な探傷が可能であ る。これらの特長から、原子力発電設備における代表 的な適用事例として、加圧水型原子炉の蒸気発生器伝 熱管の検査があり[2,3]、その検査指針として、JEAG 4208-2005 がある[4]。また、最近では、平成 19年9月に定期検査中の関西 電力・美浜発電所2号機において、蒸気発生器1次冷 却材入口管台溶接部の内表面に対して、残留応力を低 減させることを目的とするショットピーニングを実施 する際に、事前の健全性確認のため ECT による検査を 行ったところ、当該部において有意な信号指示が検出 され、その後の詳細な検査でき裂が確認された。 これを始まりとして、敦賀 2 号機、高浜 2 号機、3号機においても、蒸気発生器入口管台溶接部の内表面 に対する ECT による検査で有意な信号指示が検出さ れ、き裂が確認された[5]。このような経緯から、ECT の有用性が再認識され、現在、原子力発電設備の保全 において、ECT の適用範囲が広がりつつある。 - ECT では、検査を行う試験体において、欠陥がない 位置で得られる検出信号を基準とし、これを試験体の 他の各点で得られる検出信号と比較し、検出信号が変 化した点に欠陥があると判断する。よって、検査位置 に対する検出信号の分布において、信号変化が見られ る位置がそのまま欠陥がある位置と考えられ、欠陥と 検出信号の対応が直感的に分かりやすい結果が得られ る。しかしながら、実際の試験対象では、複雑な形状 や粗い表面による不規則なリフトオフの発生や溶接等 の加工による材料の導電率または透磁率の変化が原因 となり、検出信号に複雑なノイズが加わることによっ て欠陥の発見が困難となる。 - 本稿では、第2節で紹介するマルチコイル ECT シス テムにより得られるき裂指示の位相に関する特徴に着 目し、同ECT システムにおいて、上述のようなノイズ を含む検出信号からき裂指示のみを抽出する方法につ いて述べる。これにより、実際の応用において現れる 複雑な検出信号からき裂位置を特定することを目標と する。
Multi-coil ECT probeLaptop PC48-ch ECT deviceFig. 1 48-channel ECT device2.48 チャンネル渦電流探傷システム * 本研究では、文献[6]の研究において開発された ECT システムを使用した。2.1 システムの構成 * Fig. 1 に使用した ECT システムの構成を示す。本 ECT システムは、探傷装置、プローブ、制御用のノー ト PC から構成される。探傷装置には、アスワン電子(株)製の 48 チャンネ ル渦電流探傷装置(型式: A-2017)を使用した。プロ ーブは、探傷装置に合わせてアスワン電子(株)によ り製作されたマルチコイルECT プローブであり、Fig.2 に示すように2つのコイル列を持ち、これらのコイル 列はそれぞれ 17 個と 18 個のコイルで構成される。プローブを構成するこれらのコイルは、48 チャンネ ル渦電流探傷装置により、各瞬間において1個が励磁 コイルとして、1 個が検出コイルとして使用され、こ の励磁コイルと検出コイルの一つの組合せを1チャン ネルとして、探傷装置のマルチプレクサ回路のスイッ チング制御により各チャンネル間の相互干渉を回避し ながら48 チャンネルが使用される。Fig. 3 において各矢印がチャンネルごとの励磁コイ ルと検出コイルの組合せを表しており、矢印は励磁コ イルから検出コイルに向かっている。これらのチャン ネルは、Fig. 3 が示すようにTスキャンとUスキャン の2種類のスキャンパターンに分けられる。各スキャ ンパターンの最初と最後のチャンネル番号を Fig. 3 に おいてその検出コイルに付すことにより示す。検出されるき裂指示は、き裂長手方向と励磁・検出 コイルの並びの方向が一致するとき最も強く出るので、 Uスキャンで得られる検出信号はき裂長手方向がコイ17 coils 00000000000000000 OOOOOOOOOOOOOOOOOO18 coils Fig. 2 Multi-coil ECT probeScan direction@@@@@@ののののののののののか coil row 1 ◎6000ああああああありいめめめ coil row 2U-scan00000000000000000 coil row 1 20000000000000000 coil row 2T-scan3348Fig. 3Two types of scanning patternsル列に垂直なき裂の検出に、T スキャンで得られる検 出信号はき裂長手方向がコイル列と平行なき裂の検出 に使われる。1回の走査において、これらの合計 48 チ ャンネルは順次切り替えながら使用され、チャンネル ごとに検出信号が出力される。 1探傷装置とLANケーブルで接続されたノート PCでは、専用制御ソフトウェアにより探傷装置の動作を設 定し、探傷装置から出力されるUスキャンとTスキャ ンのそれぞれの検出電圧(VK 成分および 成分)を 受信する。これらの検出信号はノート PC のハードデ ィスクにデジタル形式で保存される。 このマルチコイル ECT プローブでは、一方向の移動179Vx (V)Vy(V)Vy(V)2015.10505101518505101520イージY(mm)Y(mm)X(mm)X (mm)1015!CRの15:10:505101550200613105051050Fig. 4 Detection signals of 48-ch ECT deviceで、コイル列幅の2次元領域が探傷でき、このとき保 存された検出信号データは、各種グラフ作成ソフトウ ェアなどにより2次元画像として表示させることがで きる。それぞれのスキャンパタ き裂方向を基準とするた トがコイル列に垂直な場 はスリットがコイル列に2.2 検出信号の性質 - Fig.4は、厚さ 10 mm のステンレス鋼平板の表面に ある幅 0.3 mm、長さ 10 mm、深さ 2 mm の矩形欠陥の 上を 48 チャンネル渦電流探傷装置により探傷したと きに得られる検出信号分布を数値計算により再現した ものである。左の2つはそれぞれ 1kと少 成分を3次 元表示したもので、右はこれらの信号のX-0 上のリサ ージュ波形である。プローブの走査方向にX軸をとり、 コイル列方向にY軸をとっており、コイル列方向のき 裂を探傷したときのTスキャンによる検出信号に対応 する。プローブを構成するコイルについては、コイルの寸 法が外径 2.5 mm、内径 1.0 mm、高さ 2.5 mm、巻数 520 回であり、コイル列を構成するコイルの中心間隔は 2.6 mm、2つのコイル列の中心間隔は 4.6 mm であり、ま た、励磁周波数は 100 kHz とした。 - 48 チャンネル渦電流探傷装置より出力される信号 は、チャンネル間の製造上のばらつきを補正し、また 検出信号に比較対象となる基準を設けるために、 SUS316 ステンレス鋼平板上の深さ 2 mm の全幅 EDM スリットから得られるき裂指示を基準として、このき 裂指示の成分が各チャンネルにおいて、信号振幅が最 大の点で (Vx,y)=(0,2) と出力されるように、元の信号 成分に掛けて調整するための複素定数をチャンネルご とに求め、これらの複素定数を常に探傷装置から出力 される検出信号に掛けている(これは、き裂指示が 少 成分に強く出るようにすることに対応する)。このとき、25 115 (0)1.14TX=0 05 , ,Tx(1)-05-1 0.5 115・205J,Cそれぞれのスキャンパターンに対して検出感度が良い き裂方向を基準とするために、U スキャンではスリッ トがコイル列に垂直な場合を基準とし、T スキャンで はスリットがコイル列に平行な場合を基準とする。Fig. 5 に数値計算により求めたき裂深さの変化に対 する検出信号の振幅と位相の変化を示す。厚さ 10 mm の SUS316 平板上にある幅 0.3 mm の全幅 EDM スリッ トの深さを 1 mm から5 mm まで変化させ、これらに 対する検出信号の振幅と位相をグラフにした。Uスキ ャンとTスキャンのそれぞれについて、スリットがコ イル列に垂直な場合と平行な場合の2通りの検出信号 を求めた。2.5Amplitude (V)+U-scan (ref. dir.) *T-scan (ref. dir.)0152 3 4 Crack depth (mm)U-scan (ref. dir.) *T-scan (ref. dir.)U-scan (non ref. dir.) -*-T-scan (non ref. dir.)Phase (degree)U-scan (ref. dir.) *T-scan (ref. dir.) +U-scan (non ref. dir.) * T-scan (non ref. dir.)Phase (degree)12345Crack depth (mm)Fig. 5 Crack depth dependency of ECT signals180この結果から分かるように、このプローブではき裂 深さが3mm 程度で振幅が飽和し、位相はUスキャン とTスキャンともに、それぞれ基準とする方向(ref. dir.) のき裂に対しては(0,2)の位相である900 から大きく変 化せず、また同様に基準とは逆の方向(non ref. dir.)のき 裂に対しては200° 付近の値を持つことが分かる。3.信号位相を利用したき裂指示の抽出ここでは、第 2.2 節で示した 48 チャンネル渦電流装 置により得られるき裂信号の特徴を利用した、検出信 号から不要なノイズを除去するための信号フィルタを 紹介する。 - Fig. 5 から分かるように、き裂深さが変化してもき 裂信号の位相は小さな範囲に収まることから、検出信 号分布の中から位相が適切な位相範囲に含まれている もののみを取り出すことにより、き裂指示以外の信号 を省くことができる。前述のように、基準方向のき裂 信号の位相が90°になるように調整している場合、実 際の信号では、き裂深さ、材質の変化、その他のノイ ズなどの要因で位相がずれることを考慮し、前後に 300 の幅を持たせ、指定位相範囲を 60° から120° とす る。ただし、これは各スキャンパターンで基準方向の き裂指示のみを取り出すことを意味するので、U スキ ャン信号からはコイル列と垂直な方向のき裂指示のみ を、T スキャン信号からはコイル列と平行なき裂指示 のみを取り出すことになる。これだけでも、ある程度のノイズを除去することが 可能であるが、複雑なノイズの位相がたまたま指定位 相範囲に入ることがあり、場合によっては広い範囲で ノイズが残ることがある。そのため、上記の処理を拡 張し、UスキャンとTスキャンともに基準とは逆の方 向のき裂に対する検出信号の位相も別の小さな範囲に 収まることを利用して、検出信号をき裂指示とみなす 条件をさらに絞り込むことを考える。48 チャンネル渦 電流探傷装置では、一つの探傷領域に対してUスキャ ンとTスキャンの両方の検出信号が同時に得られるこ * とから、各スキャンパターンの検出信号からき裂指示 を抽出する際に、同一のスキャンパターンの位相情報 だけでなく、もう一方のスキャンパターンの位相情報 を参照することにより、U スキャンとTスキャンのそ れぞれ対し2種類の位相条件を課すことができる。 ここで、一方のスキャンパターンの振幅分布に対して、同一のスキャンパターンの位相分布を使用するフ ィルタを主フィルタ(main filter)とし、異なるスキャン パターンの位相分布を使用するフィルタを副フィルタ (sub filter)とする。主フィルタの指定位相範囲は、前述 のように600 から120° とし、副フィルタの指定位相範 囲は、Fig. 5 のグラフを参考にして180° から 2400 とする。- また、副フィルタの処理において、異なるスキャン パターンの位相を参照するときに、プローブの走査方 向にX軸をとり、コイル列方向にY軸をとった場合、 各チャンネルから得られる検出信号は、励磁コイルと 検出コイルの中央付近における試験体の状態の影響を 強く受けるので、同一のプローブ位置でUスキャンと TスキャンはX方向に関して少しずれた場所を見てお り、異なるスキャンパターンではX方向にずらして対 応させる。また、UスキャンとTスキャンでは、チャ ンネルの数も構成も違うため、Y方向についても異な るスキャンパターンでのチャンネルの対応を与えなけ ればならない。4. 適用例ここでは、48 チャンネル ECT システムを使って実 際の試験体から得られたノイズを含む検出信号に対し て、第3節で提案したき裂指示の抽出方法を適用した 結果を紹介する。Fig.6に示す、溶接部に EDM き裂を入れた SUS304 平板を探傷し、その検出信号からき裂指示のみを取り 出す。EDM き裂は、溶接に沿っているものと溶接を横 切っているものの2種類があり、溶接線に沿っている 方はTスキャンの検出信号から、溶接線を横切ってい る方はUスキャンの検出信号からそれぞれき裂指示を 取り出した。プローブの仕様は、第 2.2 節のものと若 干異なり、コイルの寸法が外径 2.0 mm、内径 1.0 mm、スライEDM cracksfrontbackEDM cracks in the weld line181AmplitudeChannelXenimPhaseFiltered AmplitudeANPhase (degree)WAChannelChannel51015Xumin)110120 Xim.AmplitudePhaseFiltered Amplitude(シンChannelPhase Idegree)ChannelChannel110_152015101520Ximeni0_1020Xim.Ximm.(b) Crack along the weld lineAmplitudePhaseFiltered AmplitudePhase idegree)143{ titai!ChannelChannel0:00:0051015 X(mm)202530Stran)15 10 1520 2530Xtunne(a) Crack across the weld lineFig. 7 Detection signals of 48-ch ECT device 高さ 2.0 mm、巻数 300 回であり、コイル列を構成する コイルの中心間隔は 2.4 mm、2つのコイル列の中心間 隔は 4.6 mm であり、励磁周波数は 100 kHz とした。Fig. 7は主フィルタのみを使用した結果である。左 の2つは、それぞれフィルタ適用前の検出信号の振幅 と位相分布であり、一番右がフィルタ適用後の振幅分 布である。フィルタ適用前の振幅分布では、き裂指示 とともに、縦に走る溶接線の指示が確認でき、位相分 布からは、それらの信号位相の違いがはっきり見える。 振幅が小さい領域では、少しのノイズで位相が大きく 変化するため、複雑な位相分布を持つ傾向にある。そ して、フィルタ適用後の振幅分布からは、き裂指示の みが取り出せたことが分かる。Fig. 8 は、米国原子力規制委員会(USNRC)が主催す る国際共同研究プロジェクト PINC (Program for the Inspection of Nickel-alloy Components)の一環として行 われた、異種金属溶接部試験体を用いたラウンドロビ ン試験において、本 ECT システムにより得られた 2 つの探傷領域の検出信号である(プロジェクトの詳細 については紹介記事[7]を参照されたい)。こちらは、 すべて振幅分布であり、左からフィルタ適用前、主フ ィルタのみ適用、主・副フィルタを適用の順で並んで いる。プローブの仕様は第 2.2 節のものと同じで、励磁周波数は 100 kHz である。このラウンドロビン試験で使われた試験体の溶接部 には応力腐食割れ(SCC)が入っているとされているが、 き裂位置はまだ公開されておらず(2008年5月現在)、 現状ではこの結果から適切な評価はできないが参考と して掲載する。 - この結果では、主フィルタだけではノイズが取りき れず、主・副の2つのフィルタによりき裂指示と思わ れる単純な信号のみを取り出すことができた。 * 基本的な概念では、主フィルタのみでかなりのノイ ズが除去できると考えられるが、実際には、き裂指示 の位相に近い位相を持つノイズが検出されたり、また、 き裂指示自体も様々な要因で基準と若干ずれた位相を 持ったりするため、主フィルタのみでは決定的にノイ ズを取りきれないことがあり、その場合、さらに抽出 条件を絞れる副フィルタが有用となる。5.まとめ1. 本稿では、48 チャンネル ECT システムにより得ら れるき裂指示の信号位相の性質を示し、その特徴から、 信号位相に着目して検出信号からノイズを除去し、信 号指示のみを抽出する方法を紹介した。182Raw dataMainMain & SubA.AChannelChannelChannel05101S202530324045X(mm)0510 1520253034045Ximin)05.10 15202530354045Xinun(b) Scanning area 1Raw dataMainMain & SubMainMain & SubMANAJAVAIMAChannelChannel05.10 152025303540450510 1520253034045X(min)(b) Scanning area 1MainMain & SubMAVALChannelChannel10 1020304050607080Ximum)1.02030405060708E+15X(mm)(a) Scanning area 2 Fig. 8 Detection signals of 48-ch ECT deviceRaw dataChannel1.02030405060708E+15X(mm)信号振幅と同一のスキャンパターンの位相を利用し た主フィルタと、信号振幅とは別のスキャンパターン の位相を利用する副フィルタの2つのフィルタについ て考え、検出信号をき裂指示と判断する条件を厳しく することにより、き裂指示に似たノイズを除去する方 法を提案した。 参考文献「11 (社)日本非破壊検査協会, 非破壊検査技術シリー ズ 渦流探傷試験 III (2003) [2] 池田忠夫,渦流探傷技術の保守検査への適用例, 非破壊検査, Vol. 49, No. 3, pp. 176-182 (2000) 「31 高松洋,宮健三,陳振茂, 加圧水型原子力発電所に おける電磁非破壊検査技術開発の経緯, 日本 AEM 学 会誌, Vol. 8, No. 1, pp. 95-101 (2000)[4] (社)日本電気協会, 軽水型原子力発電所用蒸気発 生器伝熱管の供用中検査における渦流探傷試験指針, JEAG 4208-2005 (2005) [S] 原子力安全・保安院, 蒸気発生器一次冷却材出入口 管台溶接部内表面におけるき裂への対応について(解 説), 原子力安全・保安院 報道発表 (Feb. 5, 2008) [6] 西水亮ほか,複雑形状部検査のための渦電流探傷 システムの開発, 日本原子力学会誌和文論文誌, Vol. 7, No. 2, pp. 142-151 (2008) [7] 河野克己, 高木敏行, 千種直樹,「ニッケル基合金 機器の検査に関するプログラム(PINC)」の概況, 保全 学, Vol. 6, No. 1, pp. 67-69 (2007)183
“ “?信号位相を利用した ECT 信号からのき裂指示の抽出“ “山本 敏弘,Toshihiro YAMAMOTO,八島 建樹,Kenji YASHIMA,高木 敏行,Toshiyuki TAKAGI,内一 哲哉,Tetsuya UCHIMOTO