原子炉内構造物の溶接部に対する超音波検査技術
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カテゴリ: 第6回
1. 緒言
国内の原子力発電所においては運転年数が 30 年を 越える高経年化プラントが増加し、溶接部には応力腐 食割れ(Stress Corrosion Cracking、以下 SCC と略記) の発生が顕在化しており、予防保全工事も行われてい る。 沸騰水型原子炉(Boiling Water Reactor、以下 BWR と略記)の原子炉圧力容器(Reactor Pressure Vessel、以 TRPV と略記)、炉内構造物、配管などに対し、健全 性評価、補修を考慮した精度の高い検査技術が求めら れているが、当社では各検査部位に適した信頼性の高 い、高度検査技術開発を進めている。本報告では炉内 構造物と RPV との溶接部を対象とした検査技術につ いて述べる。
2.炉内構造物の検査技術Fig. 1 に沸騰水型原子炉の鳥瞰図と炉内構造物の一 例であるシュラウドサポートの模式図を示す。炉内構 造物の健全性を確認するため、通常、水中テレビカメ ラを用いた目視検査を実施している。目視検査でひび が確認された場合、ひびの寸法を測定し、その結果を もとに健全性を評価し、必要に応じて補修を行うこと となる。 連絡先:長沼潤一郎、〒317-0073 茨城県日立市幸町 3-1-1、日立 GE ニュークリア・エナジー(株)、電話: 0294-55-5950、 e-mail:junichiro.naganuma.vt@hitachi.comひびの寸法測定には、渦電流検査、超音波検査 (Ultrasonic Testing、以下UT と略記)が用いられ、渦 電流検査では一度のセンサ走査で広範囲の曲面を検査 可能なフレキシブルマルチコイルセンサを用いて、ひ びの表面長さを測定し、UT では主にフェーズドアレイ 法にてひびの深さを測定している。 以下では、UT 技術について詳細に述べる。PlateShroud SupportH9 weldRPVH11 weldFig. 1BWR bottom head area5583. ひびの深さ測定のための UT 技術 *炉内構造物の溶接部である H9 溶接部、H11 溶接部(Fig. 1 参照)は RPV に直接溶接された部位であり、 この部位の検査は構造強度評価の観点から重要である。 これらの溶接部にひびが生じた場合、RPV の内面(炉 内側)および外面 (炉外側)からのひびの寸法測定を 想定し、超音波によるひびの深さ測定技術を確立した [1]。3.1 RPV 内面からの UT 技術 1. 従来、BWR原子炉内構造物の溶接部に対する UT は RPV の内面から実施している。検査は、溶接部の表面 形状と試験対象部位の有効な深さ範囲への超音波伝播 効果を考慮して、適切な UT 手法を選択する必要があ るが、複雑形状の溶接部であるシュラウドサポート H9 および H11 溶接部では、超音波ビームの焦点範囲が溶 接部の曲面の影響により検査範囲を満足しない事象が 発生する。(Fig.2 参照)Focus point(a)Flat surface (b)Curved surface Fig. 2 Effect of beam focus on curved surfaceそこで、このような表面形状が曲面となる溶接部に ついては、アレイ探触子に音響レンズを用い、その有 効性を確認した。超音波ビームに対する音響レンズの 効果を Fig.3 に示す。 音響レンズは、ビームの焦点ポイントをより深くし て、広範囲でひびの深さの測定を可能にした。Fig.4に H9模擬試験体に対する RPV 内面 UTによる ひび深さの測定結果を示す。図中の Vertical は溶接線に 対して直交方向に付与された SCC の測定結果を示し、 Horizontal は溶接線に平行に付与された SCC の測定結 果を示す。RPV 内面 UT では、音響レンズを利用する ことによって、溶接部に付与した SCC を開口面側から 深さ約 30mm までのひび深さ測定が可能であることを 確認した。acoustic lensWaterWaterWaterBeam focus depth(a) Without lens (b) With lensFig. 3 Effect of acoustic lens14 VerticalHorizontalVertical O Horizontaloi Measurement Depth (mm)““o_1020 : 30 40 Decianed Danth (mm)506010 20 30 40 50Designed Depth (mm) Sizing results of H9 weld test piece (Accessed from inner RPV)Fig. 43.2 RPV 外面からの UT 技術 * RPV の外面からの検査の利点は、定期検査における 炉内検査や工事と並行して、H9 溶接部や H11 溶接部の 検査が実施でき、定期検査の工程短縮に貢献できる点 である。RPV 外面 UT では、RPV の板厚が約150mm と厚く、 探触子から遠方で超音波を集束可能なフェーズドアレ イ探触子を用いた探傷が必要となる。遠方で超音波を 集束させるために、アレイ探触子の振動子寸法の大型 化を実施した。(Fig.5 参照)また、電子スキャンに広角度範囲 (0°~70°程度) のセクタスキャンを用いて探傷範囲を画像化すること により、ひび深さを容易に測定できる。Fig. 6 に RPV 外面UTのモックアップ試験の様子と探傷結果を示す。 Fig. 6(b)は溶接線平行方向に付与したひびの探傷結 果の例であり、ひびの先端エコーを検出でき、ひびの 深さ測定が可能であることがわかる。さらに、クラッ ドと RPV 母材の境界部を検出することにより、ひび先559端の RPV 母材への進展の有無も評価できる。Sensor Aperture Small =Large白 150--------Depth (mm)Fig. 5Effect of sensor apertureScannerH9 WeldTip of CrackCladdingBottom echo、Array probeBoundaryGuideRPVRail(a)Test piece with UT device (b)Image of horizontal crack Fig. 6 H9 weld test piece with UT device and image ofhorizontal crackFig.7にH9模擬試験体に対するRPV 外面 UT による ひび深さの測定結果を示す。図中の Vertical は溶接線に 対して直交方向に付与された EDM の測定結果を示し、 Horizontal は溶接線に平行に付与されたEDM の測定結 果を示す。RPV 外面 UT では、ひび深さを精度良く測 定が可能であることが確認できた。 [2]? Vertical o HorizontalMeasurement Depth (mm)060 0 0 0010_2030405060Designed Depth (mm)Fig. 7Sizing results of H9 weld test piece (Accessed from outer RPV)Fig. 7- Fig. 8 に RPV 外面 UT でH9 溶接部と H11 溶接部を 検査するための走査機構を示す。RPV 外面 UT は、RPV の供用期間中検査(Inservice Inspection、以下 ISI と略 記)で用いる ISI 軌道上を走査機構が走行することで 検査することができる。Fig. 8H11 weld test piece with UT device4.結言炉内構造物模擬試験体に対して、RPV 内面および外 面からの UT によるひび深さ測定を実施し、以下を確 認した。 1) RPV内側探傷では音響レンズを利用することによって、溶接部に付与した SCC を開口面側からのひび 深さ測定が可能である。 2) RPV 外側探傷では、より大きい開口寸法の探触子を 用いて、広角度範囲のセクタスキャンを利用するこ とによって、ひびの深さ測定および RPV への進展 の有無の確認が可能である。参考文献[1] M. Miki, N. Kono, Y. Nonaka and K. Ehara,“Development of crack sizing method by ultrasonic testing on weld metal of nickel-based alloy ” , Proceedings of 6th International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear andPressurised Components, (2007) [2] N. Kono, M. Miki, K. Ehara, and Y. Nonaka,“Development of an Automated Inspection System for the BWR Reactor Bottom Head”, Proceedings of the 15th International Conference on Nuclear Engineering, (2007)560“ “原子炉内構造物の溶接部に対する超音波検査技術“ “長沼 潤一郎,Junichiro NAGANUMA,吉田 功,Isao YOSHIDA,小池 正浩,Masahiro KOIKE,米谷 豊,Yutaka KOMETANI,河野 尚幸,Naoyuki KOUNO
国内の原子力発電所においては運転年数が 30 年を 越える高経年化プラントが増加し、溶接部には応力腐 食割れ(Stress Corrosion Cracking、以下 SCC と略記) の発生が顕在化しており、予防保全工事も行われてい る。 沸騰水型原子炉(Boiling Water Reactor、以下 BWR と略記)の原子炉圧力容器(Reactor Pressure Vessel、以 TRPV と略記)、炉内構造物、配管などに対し、健全 性評価、補修を考慮した精度の高い検査技術が求めら れているが、当社では各検査部位に適した信頼性の高 い、高度検査技術開発を進めている。本報告では炉内 構造物と RPV との溶接部を対象とした検査技術につ いて述べる。
2.炉内構造物の検査技術Fig. 1 に沸騰水型原子炉の鳥瞰図と炉内構造物の一 例であるシュラウドサポートの模式図を示す。炉内構 造物の健全性を確認するため、通常、水中テレビカメ ラを用いた目視検査を実施している。目視検査でひび が確認された場合、ひびの寸法を測定し、その結果を もとに健全性を評価し、必要に応じて補修を行うこと となる。 連絡先:長沼潤一郎、〒317-0073 茨城県日立市幸町 3-1-1、日立 GE ニュークリア・エナジー(株)、電話: 0294-55-5950、 e-mail:junichiro.naganuma.vt@hitachi.comひびの寸法測定には、渦電流検査、超音波検査 (Ultrasonic Testing、以下UT と略記)が用いられ、渦 電流検査では一度のセンサ走査で広範囲の曲面を検査 可能なフレキシブルマルチコイルセンサを用いて、ひ びの表面長さを測定し、UT では主にフェーズドアレイ 法にてひびの深さを測定している。 以下では、UT 技術について詳細に述べる。PlateShroud SupportH9 weldRPVH11 weldFig. 1BWR bottom head area5583. ひびの深さ測定のための UT 技術 *炉内構造物の溶接部である H9 溶接部、H11 溶接部(Fig. 1 参照)は RPV に直接溶接された部位であり、 この部位の検査は構造強度評価の観点から重要である。 これらの溶接部にひびが生じた場合、RPV の内面(炉 内側)および外面 (炉外側)からのひびの寸法測定を 想定し、超音波によるひびの深さ測定技術を確立した [1]。3.1 RPV 内面からの UT 技術 1. 従来、BWR原子炉内構造物の溶接部に対する UT は RPV の内面から実施している。検査は、溶接部の表面 形状と試験対象部位の有効な深さ範囲への超音波伝播 効果を考慮して、適切な UT 手法を選択する必要があ るが、複雑形状の溶接部であるシュラウドサポート H9 および H11 溶接部では、超音波ビームの焦点範囲が溶 接部の曲面の影響により検査範囲を満足しない事象が 発生する。(Fig.2 参照)Focus point(a)Flat surface (b)Curved surface Fig. 2 Effect of beam focus on curved surfaceそこで、このような表面形状が曲面となる溶接部に ついては、アレイ探触子に音響レンズを用い、その有 効性を確認した。超音波ビームに対する音響レンズの 効果を Fig.3 に示す。 音響レンズは、ビームの焦点ポイントをより深くし て、広範囲でひびの深さの測定を可能にした。Fig.4に H9模擬試験体に対する RPV 内面 UTによる ひび深さの測定結果を示す。図中の Vertical は溶接線に 対して直交方向に付与された SCC の測定結果を示し、 Horizontal は溶接線に平行に付与された SCC の測定結 果を示す。RPV 内面 UT では、音響レンズを利用する ことによって、溶接部に付与した SCC を開口面側から 深さ約 30mm までのひび深さ測定が可能であることを 確認した。acoustic lensWaterWaterWaterBeam focus depth(a) Without lens (b) With lensFig. 3 Effect of acoustic lens14 VerticalHorizontalVertical O Horizontaloi Measurement Depth (mm)““o_1020 : 30 40 Decianed Danth (mm)506010 20 30 40 50Designed Depth (mm) Sizing results of H9 weld test piece (Accessed from inner RPV)Fig. 43.2 RPV 外面からの UT 技術 * RPV の外面からの検査の利点は、定期検査における 炉内検査や工事と並行して、H9 溶接部や H11 溶接部の 検査が実施でき、定期検査の工程短縮に貢献できる点 である。RPV 外面 UT では、RPV の板厚が約150mm と厚く、 探触子から遠方で超音波を集束可能なフェーズドアレ イ探触子を用いた探傷が必要となる。遠方で超音波を 集束させるために、アレイ探触子の振動子寸法の大型 化を実施した。(Fig.5 参照)また、電子スキャンに広角度範囲 (0°~70°程度) のセクタスキャンを用いて探傷範囲を画像化すること により、ひび深さを容易に測定できる。Fig. 6 に RPV 外面UTのモックアップ試験の様子と探傷結果を示す。 Fig. 6(b)は溶接線平行方向に付与したひびの探傷結 果の例であり、ひびの先端エコーを検出でき、ひびの 深さ測定が可能であることがわかる。さらに、クラッ ドと RPV 母材の境界部を検出することにより、ひび先559端の RPV 母材への進展の有無も評価できる。Sensor Aperture Small =Large白 150--------Depth (mm)Fig. 5Effect of sensor apertureScannerH9 WeldTip of CrackCladdingBottom echo、Array probeBoundaryGuideRPVRail(a)Test piece with UT device (b)Image of horizontal crack Fig. 6 H9 weld test piece with UT device and image ofhorizontal crackFig.7にH9模擬試験体に対するRPV 外面 UT による ひび深さの測定結果を示す。図中の Vertical は溶接線に 対して直交方向に付与された EDM の測定結果を示し、 Horizontal は溶接線に平行に付与されたEDM の測定結 果を示す。RPV 外面 UT では、ひび深さを精度良く測 定が可能であることが確認できた。 [2]? Vertical o HorizontalMeasurement Depth (mm)060 0 0 0010_2030405060Designed Depth (mm)Fig. 7Sizing results of H9 weld test piece (Accessed from outer RPV)Fig. 7- Fig. 8 に RPV 外面 UT でH9 溶接部と H11 溶接部を 検査するための走査機構を示す。RPV 外面 UT は、RPV の供用期間中検査(Inservice Inspection、以下 ISI と略 記)で用いる ISI 軌道上を走査機構が走行することで 検査することができる。Fig. 8H11 weld test piece with UT device4.結言炉内構造物模擬試験体に対して、RPV 内面および外 面からの UT によるひび深さ測定を実施し、以下を確 認した。 1) RPV内側探傷では音響レンズを利用することによって、溶接部に付与した SCC を開口面側からのひび 深さ測定が可能である。 2) RPV 外側探傷では、より大きい開口寸法の探触子を 用いて、広角度範囲のセクタスキャンを利用するこ とによって、ひびの深さ測定および RPV への進展 の有無の確認が可能である。参考文献[1] M. Miki, N. Kono, Y. Nonaka and K. Ehara,“Development of crack sizing method by ultrasonic testing on weld metal of nickel-based alloy ” , Proceedings of 6th International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear andPressurised Components, (2007) [2] N. Kono, M. Miki, K. Ehara, and Y. Nonaka,“Development of an Automated Inspection System for the BWR Reactor Bottom Head”, Proceedings of the 15th International Conference on Nuclear Engineering, (2007)560“ “原子炉内構造物の溶接部に対する超音波検査技術“ “長沼 潤一郎,Junichiro NAGANUMA,吉田 功,Isao YOSHIDA,小池 正浩,Masahiro KOIKE,米谷 豊,Yutaka KOMETANI,河野 尚幸,Naoyuki KOUNO