Ｕ字管を含む配管系におけるマイクロ波探傷法による軸方向き裂の検知
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カテゴリ: 第5回
1. 緒言
原子力プラントの構造の健全性の確保、稼働率の向 上のためには、非破壊検査技術の高速化、高精度化が 必要不可欠である。現在、非破壊検査技術として渦電 流探傷法(ECT)、超音波探傷法(UT)が多くの研究者によ って開発されており、年々、その精度は向上している。 しかしながら、大型配管にこれらの技術を適用する場 合、プローブの巨大化、検査時間の増加は避けられな い問題である。ここで、非破壊検査法の1つであるマイクロ波探傷 法について述べる。 TE モードのマイクロ波 (E=0, H:10, ただしzは配管の軸方向を表す。)を円管内に伝播させ た場合、円管内面に周方向に表面電流が流れる。円管 内に軸方向き裂が存在する場合、この表面電流が乱さ れ、マイクロ波に影響を与えるため、入射波、反射波、 透過波の振幅、位相より軸方向き裂の情報を得ること が可能である。また TM モードのマイクロ波(E,40, H=0)を円管内に伝播させた場合、円管内面に軸方向 に表面電流が流れる。円管内に周方向き裂が存在する 場合、この表面電流が乱されるため、同様にして周方 向き裂の情報を得ることが可能である。マイクロ波探 傷はき裂存在、き裂位置の高速検知が可能であり、マ イクロ波探傷法を実用化できれば、既存の非破壊検査 技術とマイクロ波探傷法を組み合わせることによって、 非破壊検査に要する時間の短縮および費用の削減が可能であると考えられる。まず、単純な周方向き裂の探傷に対してマイクロ波 探傷法が適用可能かが過去の研究[1-5]において検証さ れた。遮断周波数以上の円形 TMoモードのマイクロ波 を周方向き裂のある SUS304 製のストレート管に入射 した場合の反射波がき裂の情報を含んでいることが明 らかにされ、さらにマイクロ波の反射振幅比の時間領 域測定を行った結果、計測器で発振されたマイクロ波 が被測定管のき裂で反射して計測器に戻ってくるまで の時間、すなわち TOF の計算値が、実験において反射 損失大きく変動する時間とおおよそ一致することがわ かった。これは周方向き裂位置がマイクロ波探傷法に よって同定できることを示している。また、軸方向き 裂のある SUS304 製のストレート管に遮断周波数以上 の円形 TEモードを入射した結果、周方向き裂の場合 と同様に TOF の計算値が、実験において反射損失大き く変動する時間とおおよそ一致することを確認した[6]。これまでの研究では単純なストレート配管にマイク ロ波探傷法を適用してきた。本研究では、マイクロ波 探傷法が複雑な配管系においても適用可能であること を示すことを目的とし、TELモードのマイクロ波によ りU字管を含む SUS304 配管系において軸方向き裂の 位置同定を試みる。
2. 実験方法 2.1 実験体系
Fig. 1~Fig. 3 に本研究で用いるマイクロ波探傷法の 実験体系を示す。いずれにおいても実験体系はネット ワークアナライザ、モード変換器、テーパ導波管、被Fig. 3 Experimental Set-up (3): Longitudinal Crack at U-bend測定管、無反射終端で構成されている。ネットワーク アナライザから発振されたマイクロ波は同軸ケーブル を介してモード変換器の矩形導波管部に矩形 TEL.モー ドとして入射される。モード変換器は銅製の矩形導波 管と円形導波管を接続した形になっており、矩形 TE10 モードのマイクロ波はモード変換器内で円形 TE モー ドと円形 TM モードに変換される。その後、マイクロ 波は銅製のテーパ導波管を経由して、被測定管に進 する。被測定管内で反射したマイクロ波はネットワ クアナライザで計測され、透過したマイクロ波はパラ フィン製の無反射終端で吸収される。モード変換器内 にはプランジャーが設置されており、このプランジャ-1ー位置を変えることにって、特定のモードを共振させ、 別の特定のモードを抑制することができる。共振条件、 抑制条件を式(1)、式(2)に示す。L = a.m+1 (共振条件) (1)(抑制条件)ただし、L はプランジャー面と矩形導波管の中心線と の距離、1は管内波長、m は整数である。管内波長 は周波数 f および、遮断周波数 fcを用いて以下の式で 表すことができる。29223マイクロ波は遮断周波数以下では配管内を伝播するこ とはできない。 . 続いて、本研究で用いる被測定管について述べる。 被測定管は全て内径 34mm、肉厚 2mm の SUS304 製シ ームレス管である。 測定対象となる軸方向き裂は、Fig. 4に示すような幅 0.3mm、長さ4mm のもので、人工的 に被測定管の外側から回転刃で削って作成している。 本研究では以下の3種類の配管系での軸方向き裂の位 置同定を試みる。 1)実験体系1 Fig. 1のようにストレート管のみで構成 されいてる配管系に軸方向き裂が存在する場合: き裂位置(図中経路 CD) 3380mm 2)実験体系2 Fig. 2 のようにストレート管とU字管で 構成されている配管系で、U 字管の先にあるストレ ート管に軸方向き裂が存在する場合: き裂位置(図中経路 CD) 4460mm 3) 実験体系3 Fig.3 のようにストレート管とU字管で 構成されている配管系で、U 字管に軸方向き裂が存 在する場合: き裂位置(図中経路 CD) 4560mm2.2 測定手順 1. 本研究では散逸パラメータのうち反射波特性を表す Snをデータとして取得する。 円管内面のマイクロ波探 傷法での測定手順は以下の通りである。 1)き裂のない被測定管において S (Datal)を得る。 2) き裂のある被測定管において S (Data2)を得る。 3)AS=(Data2)-(Datal)を計算する。上記の手順で得られたAS」と時間(マイクロ波が発 振された時間をゼロとする)との関係により、き裂位 置の同定を行う。2.3 TOF の評価法 1本研究ではマイクロ波の TOF(Time Of Flight)を用いて、き裂の位置を同定する。マイクロ波の TOF を計 算するのに必要な群速度 vg は光速 c、比透磁率像、比 誘電率ER、マイクロ波の周波数」、遮断周波数fcを用い て以下の式で与えられる。(4) 8 T HER V' (f) いずれの実験においてもマイクロ波の経路は Fig. 1~ Fig. 3 の図中の ABCDCBA として、群速度より理論的 に TOF を計算して、実験結果と比較を行う。また、実 験で得られた TOF と郡速度より、き裂位置の計算を行 い、その精度を評価する。本実験ではマイクロ波の周波数帯域を 5.2GHz~ 6.0GHz とする。Fig. 5 に本実験で用いる被測定管にお ける群速度の分散曲線を示すが、この周波数帯域は軸 方向き裂検知に有効な円形 TEモードのみを発生させ る範囲である。3. 結果と考察 3.1 プランジャー位置の決定 - Fig. 6にプランジャー位置 L を 90mm~180mm と変 化させた場合の周波数領域、時間領域におけるASI」の 分布の例として、実験体系2で得られたものを示す。 Fig.6 より、周波数領域では、ASが帯状に分布してい ることが読み取れる。これは、式(1)、式(2)に従って、 円形TE モードのマイクロ波が共振しているプランジ[2] H. Hashizume, T.Shibta, S.Kitajima, Y.Uchigaki,K.Ogura, “Fundamental Study of NDT method using electromagnetic waves”, Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics, Vol. 24, 2003,pp.263-270. [3] H. Hashizume, T. Shibata, K. Yuki, “Crack DetectionMethod using Electromagnetic Waves”, International Journal of Applied Electromagnetics, Vol. 20, 2004,pp.171-178. [4] T. Shibata, H.Hashizume, S.Kitajima, K.Ogura, |“Experimental Study on NDT method using electromagnetic waves”, Journal of Materials processingTechnology, Vol. 161, 2005, pp.348-352. [5] K. Abbasi, S.Ito, H.Hashizume, K. Yuki, ““Evaluation ofCircumferential Crack Location in Pipes by Electromagnetic Waves”, Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics, Vol. 28, 2007,pp.117-124. [6] K. Abbasi, S.Ito, H.Hashizume, “Microwave Detectionof Longitudinal Crack and Identification of Its Location in Straight Pipe”, Journal of Power and Energy Systems, Vol. 2, 2008, pp.538-544.4.結論本研究ではマイクロ波探傷法により複雑形状の配管系 に存在する軸方向き裂の位置を同定できることを示すこと を目的として、マイクロ波探傷法を人工的な軸方向スリット を有する U 字管を含む配管系に適用した。本研究は以下 のように結論づけられる。 1) 円形 TELモードのマイクロ波を用いることにより、軸方向き裂の存在、位置を示す信号が得られた。 2) TOF のデータを用いることにより、U字管を含む複 雑な配管系においても、軸方向き裂の位置の予測ができる可能性があることが示された。 3) 現状では、1 つのき裂に対しても、き裂位置候補が 複数あり、また、その精度もプラスマイナス 200mm 程度であった。今後はノイズ低減はより正確なデー タ処理法の導入などにより精度を上げていくこと、 周方向き裂や減肉などの検知が可能となるように 本手法を拡張していくことが課題となる。謝辞1. 本研究は独立行政法人原子力安全基盤機構の委託研 究「原子力安全基盤調査研究」の成果の一部である。参考文献[1] K. Sugawara, H. Hashizume, S. Kitajima,“Development of NDT method usinelectromagnetic waves”, JSAEM Studies in Applied Electromagneticsand Mechanics, Vol. 10, 2001, pp.313-316. 本研究は独立行政法人原子力安全基盤機構の委託研「原子力安全基盤調査研究」の成果の一部である。 - 296 -
“ “?U字管を含む配管系におけるマイクロ波探傷法による軸方向き裂の検知“ “伊藤 悟,Satoshi ITO,橋爪 秀利,Hidetoshi HASHIZUME,アッバシ カブス,Kavoos ABBASI
原子力プラントの構造の健全性の確保、稼働率の向 上のためには、非破壊検査技術の高速化、高精度化が 必要不可欠である。現在、非破壊検査技術として渦電 流探傷法(ECT)、超音波探傷法(UT)が多くの研究者によ って開発されており、年々、その精度は向上している。 しかしながら、大型配管にこれらの技術を適用する場 合、プローブの巨大化、検査時間の増加は避けられな い問題である。ここで、非破壊検査法の1つであるマイクロ波探傷 法について述べる。 TE モードのマイクロ波 (E=0, H:10, ただしzは配管の軸方向を表す。)を円管内に伝播させ た場合、円管内面に周方向に表面電流が流れる。円管 内に軸方向き裂が存在する場合、この表面電流が乱さ れ、マイクロ波に影響を与えるため、入射波、反射波、 透過波の振幅、位相より軸方向き裂の情報を得ること が可能である。また TM モードのマイクロ波(E,40, H=0)を円管内に伝播させた場合、円管内面に軸方向 に表面電流が流れる。円管内に周方向き裂が存在する 場合、この表面電流が乱されるため、同様にして周方 向き裂の情報を得ることが可能である。マイクロ波探 傷はき裂存在、き裂位置の高速検知が可能であり、マ イクロ波探傷法を実用化できれば、既存の非破壊検査 技術とマイクロ波探傷法を組み合わせることによって、 非破壊検査に要する時間の短縮および費用の削減が可能であると考えられる。まず、単純な周方向き裂の探傷に対してマイクロ波 探傷法が適用可能かが過去の研究[1-5]において検証さ れた。遮断周波数以上の円形 TMoモードのマイクロ波 を周方向き裂のある SUS304 製のストレート管に入射 した場合の反射波がき裂の情報を含んでいることが明 らかにされ、さらにマイクロ波の反射振幅比の時間領 域測定を行った結果、計測器で発振されたマイクロ波 が被測定管のき裂で反射して計測器に戻ってくるまで の時間、すなわち TOF の計算値が、実験において反射 損失大きく変動する時間とおおよそ一致することがわ かった。これは周方向き裂位置がマイクロ波探傷法に よって同定できることを示している。また、軸方向き 裂のある SUS304 製のストレート管に遮断周波数以上 の円形 TEモードを入射した結果、周方向き裂の場合 と同様に TOF の計算値が、実験において反射損失大き く変動する時間とおおよそ一致することを確認した[6]。これまでの研究では単純なストレート配管にマイク ロ波探傷法を適用してきた。本研究では、マイクロ波 探傷法が複雑な配管系においても適用可能であること を示すことを目的とし、TELモードのマイクロ波によ りU字管を含む SUS304 配管系において軸方向き裂の 位置同定を試みる。
2. 実験方法 2.1 実験体系
Fig. 1~Fig. 3 に本研究で用いるマイクロ波探傷法の 実験体系を示す。いずれにおいても実験体系はネット ワークアナライザ、モード変換器、テーパ導波管、被Fig. 3 Experimental Set-up (3): Longitudinal Crack at U-bend測定管、無反射終端で構成されている。ネットワーク アナライザから発振されたマイクロ波は同軸ケーブル を介してモード変換器の矩形導波管部に矩形 TEL.モー ドとして入射される。モード変換器は銅製の矩形導波 管と円形導波管を接続した形になっており、矩形 TE10 モードのマイクロ波はモード変換器内で円形 TE モー ドと円形 TM モードに変換される。その後、マイクロ 波は銅製のテーパ導波管を経由して、被測定管に進 する。被測定管内で反射したマイクロ波はネットワ クアナライザで計測され、透過したマイクロ波はパラ フィン製の無反射終端で吸収される。モード変換器内 にはプランジャーが設置されており、このプランジャ-1ー位置を変えることにって、特定のモードを共振させ、 別の特定のモードを抑制することができる。共振条件、 抑制条件を式(1)、式(2)に示す。L = a.m+1 (共振条件) (1)(抑制条件)ただし、L はプランジャー面と矩形導波管の中心線と の距離、1は管内波長、m は整数である。管内波長 は周波数 f および、遮断周波数 fcを用いて以下の式で 表すことができる。29223マイクロ波は遮断周波数以下では配管内を伝播するこ とはできない。 . 続いて、本研究で用いる被測定管について述べる。 被測定管は全て内径 34mm、肉厚 2mm の SUS304 製シ ームレス管である。 測定対象となる軸方向き裂は、Fig. 4に示すような幅 0.3mm、長さ4mm のもので、人工的 に被測定管の外側から回転刃で削って作成している。 本研究では以下の3種類の配管系での軸方向き裂の位 置同定を試みる。 1)実験体系1 Fig. 1のようにストレート管のみで構成 されいてる配管系に軸方向き裂が存在する場合: き裂位置(図中経路 CD) 3380mm 2)実験体系2 Fig. 2 のようにストレート管とU字管で 構成されている配管系で、U 字管の先にあるストレ ート管に軸方向き裂が存在する場合: き裂位置(図中経路 CD) 4460mm 3) 実験体系3 Fig.3 のようにストレート管とU字管で 構成されている配管系で、U 字管に軸方向き裂が存 在する場合: き裂位置(図中経路 CD) 4560mm2.2 測定手順 1. 本研究では散逸パラメータのうち反射波特性を表す Snをデータとして取得する。 円管内面のマイクロ波探 傷法での測定手順は以下の通りである。 1)き裂のない被測定管において S (Datal)を得る。 2) き裂のある被測定管において S (Data2)を得る。 3)AS=(Data2)-(Datal)を計算する。上記の手順で得られたAS」と時間(マイクロ波が発 振された時間をゼロとする)との関係により、き裂位 置の同定を行う。2.3 TOF の評価法 1本研究ではマイクロ波の TOF(Time Of Flight)を用いて、き裂の位置を同定する。マイクロ波の TOF を計 算するのに必要な群速度 vg は光速 c、比透磁率像、比 誘電率ER、マイクロ波の周波数」、遮断周波数fcを用い て以下の式で与えられる。(4) 8 T HER V' (f) いずれの実験においてもマイクロ波の経路は Fig. 1~ Fig. 3 の図中の ABCDCBA として、群速度より理論的 に TOF を計算して、実験結果と比較を行う。また、実 験で得られた TOF と郡速度より、き裂位置の計算を行 い、その精度を評価する。本実験ではマイクロ波の周波数帯域を 5.2GHz~ 6.0GHz とする。Fig. 5 に本実験で用いる被測定管にお ける群速度の分散曲線を示すが、この周波数帯域は軸 方向き裂検知に有効な円形 TEモードのみを発生させ る範囲である。3. 結果と考察 3.1 プランジャー位置の決定 - Fig. 6にプランジャー位置 L を 90mm~180mm と変 化させた場合の周波数領域、時間領域におけるASI」の 分布の例として、実験体系2で得られたものを示す。 Fig.6 より、周波数領域では、ASが帯状に分布してい ることが読み取れる。これは、式(1)、式(2)に従って、 円形TE モードのマイクロ波が共振しているプランジ[2] H. Hashizume, T.Shibta, S.Kitajima, Y.Uchigaki,K.Ogura, “Fundamental Study of NDT method using electromagnetic waves”, Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics, Vol. 24, 2003,pp.263-270. [3] H. Hashizume, T. Shibata, K. Yuki, “Crack DetectionMethod using Electromagnetic Waves”, International Journal of Applied Electromagnetics, Vol. 20, 2004,pp.171-178. [4] T. Shibata, H.Hashizume, S.Kitajima, K.Ogura, |“Experimental Study on NDT method using electromagnetic waves”, Journal of Materials processingTechnology, Vol. 161, 2005, pp.348-352. [5] K. Abbasi, S.Ito, H.Hashizume, K. Yuki, ““Evaluation ofCircumferential Crack Location in Pipes by Electromagnetic Waves”, Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics, Vol. 28, 2007,pp.117-124. [6] K. Abbasi, S.Ito, H.Hashizume, “Microwave Detectionof Longitudinal Crack and Identification of Its Location in Straight Pipe”, Journal of Power and Energy Systems, Vol. 2, 2008, pp.538-544.4.結論本研究ではマイクロ波探傷法により複雑形状の配管系 に存在する軸方向き裂の位置を同定できることを示すこと を目的として、マイクロ波探傷法を人工的な軸方向スリット を有する U 字管を含む配管系に適用した。本研究は以下 のように結論づけられる。 1) 円形 TELモードのマイクロ波を用いることにより、軸方向き裂の存在、位置を示す信号が得られた。 2) TOF のデータを用いることにより、U字管を含む複 雑な配管系においても、軸方向き裂の位置の予測ができる可能性があることが示された。 3) 現状では、1 つのき裂に対しても、き裂位置候補が 複数あり、また、その精度もプラスマイナス 200mm 程度であった。今後はノイズ低減はより正確なデー タ処理法の導入などにより精度を上げていくこと、 周方向き裂や減肉などの検知が可能となるように 本手法を拡張していくことが課題となる。謝辞1. 本研究は独立行政法人原子力安全基盤機構の委託研 究「原子力安全基盤調査研究」の成果の一部である。参考文献[1] K. Sugawara, H. Hashizume, S. Kitajima,“Development of NDT method usinelectromagnetic waves”, JSAEM Studies in Applied Electromagneticsand Mechanics, Vol. 10, 2001, pp.313-316. 本研究は独立行政法人原子力安全基盤機構の委託研「原子力安全基盤調査研究」の成果の一部である。 - 296 -
“ “?U字管を含む配管系におけるマイクロ波探傷法による軸方向き裂の検知“ “伊藤 悟,Satoshi ITO,橋爪 秀利,Hidetoshi HASHIZUME,アッバシ カブス,Kavoos ABBASI