電磁超音波共鳴法を用いた配管厚さ寸法計測のための信号処理法
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カテゴリ: 第7回
1. 緒言
原子力プラントの高経年化に伴い、PWR2 次系配 管の流れ加速型腐食(FAC)等の減肉管理が重要とな っている。今後の点検箇所の増大が予想されること を考慮して、本研究では状態監視保全を取り入れた 新しい配管減肉診断手法について考察する。電磁超 音波探触子(Electromagnetic Acoustic Transducer : EMAT)は、磁石及び励磁コイルにより、ローレンツ 力を利用して超音波を発生させ、その超音波の変位 と磁場による渦電流の変化を誘導起電力として検出 する非破壊検査手法である。非接触で検査ができ、 高温環境下で使用可能なため、探傷子を配管を覆う 断熱材の内側に常時設置することが原理的に可能で あり、状態監視保全への適合性が高いと考えられて いる。しかし、実機配管の厚さ寸法計測を、電磁超 音波共鳴法(EMAR 法)を用いて行う場合、配管の減 肉形状によって SN 比が悪く取得信号からの寸法同 定が困難な場合が存在する。以下では EMAT の実用 性向上のために SN 比の悪い信号からでも配管の寸 法同定が可能な信号処理法を開発し、実機配管の厚 さ計測を行ったので報告する。
2.1 EMAT の原理EMAT は磁石とコイルから構成されている探触子 である。コイルに任意の電圧、周波数の交流電流を 流すことにより、変動磁場が生じ試験体の表面に渦 電流が発生する。磁石とコイルから発生した磁場と 渦電流の相互作用により、試験体の材質が非磁性体 の場合はローレンツ力、強磁性体の場合はローレン ツカと磁歪によって試験体の表面に振動が生じ、そ れが超音波として試験体中を伝播する。また、試験 体表面の振動による変位と磁場によって試験体表面 に渦電流が発生し、それによる磁束の変化によって コイルに誘導電流が生じ、これを電圧変化として検 出する。 2.2 共鳴法の原理EMAT によって、試験体内に超音波を発生させた場 合、特定の周波数で共鳴が発生する。共鳴周波数f. は以下の式で与えられる。ncfr2dcは音速、dは試験体の厚み、n は整数を表してい る。共鳴周波数は試験体材料固有の音速と試験体の 厚みにより決定する。周波数を掃引しながら、個々 の周波数の振幅を検出することによって得られる共 鳴スペクトルのピーク間隔 Af より試験体の厚みを 検出することができる。Fig.1 に材質 SS400、板厚 8[mm]での共鳴スペクトルのグラフを示す。- 198 -0(A) andano losues|0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 10.001werlinma humahawa www whelmed w ell * 0. 51 11.5frequency(MHz) Fig.1 resonance spectrum (SS400 8mm)3. EMAR 法による測定信号の処理法3.1 測定データの補正実機配管を EMAR 法によって測定を行った場合、 配管内部の減肉形状によって得られる共鳴スペクト ルが Fig.2 のように SN 比が悪く、ピークがはっきり しない場合がある。このように人間が肉眼で見ても 共鳴周波数が判断しにくいデータから Af を求める ことが可能な補正法を開発した。以下にその手順を 示す。 Fig.2 の減肉前の配管の厚みd を 12mm、測定音速c を 3195.993m/s、掃引周波数範囲 601~1600kHz、周 波数単位 1kHz、サンプル数 1000 と設定する。ここ で共鳴スペクトルデータを A(f)(601 <= f <=1600) と定義する。まず減肉前 の配管の厚みd と測定音速cより共鳴周波数間隔 Af を求める。of = 20次に測定した元データの単純移動平均 SMAP) (前後について Af の範囲)、全体平均 Avg を求める: 次に測定した元データの単純移動平均 SMAC f) (前後について Af の範囲)、全体平均 Avg を求める (Fig.3)。S+ASTA(R)k=f-AfSMACS) =2-2af +11600TA()Avg sk6011000 元データに全体平均をかけ、単純移動平均で割るこ とにより補正 1: Revl(f)を求める(Fig.4)。これによ って得られる信号が小さい周波数帯域の共鳴スペク トルのピークを際立たせることができる。Revl(f) = A(s) AvgSMAS) 配管の底面に凹凸がある場合、複数の箇所で共鳴が 発生し、共鳴スペクトルのピークが複数に分かれる 場合が存在する。この場合の補正法を示す。補正1 の加重移動平均(前後について AS / 8 の範囲)を求め 補正 2: Rev2(f) とする(Fig.5)。これによって複数に 分かれていたピークを1つにまとめることができる。Rev2(f) = k=f-as18『芝Rev2kg -1 f - k +1)2CH-1S-k+1)f+/8k%3Df-SO ex-dataFig.2 Ex-data of the resonance spectrumーx-data -moving averagetotal averageまりりかさか・・。Fig.3 Simple moving average and Total movingaverage of the resonance spectrum-ex-data revisioniFig.4 Revision1 of the resonance spectrummess exhitarevision! - revision2Fig.5 Revision2 of the resonance spectrum3.2 評価値の計算補正2のデータから評価値の計算を行い、Af を求める。共鳴周波数 f, = ““““は式の通り、nの整数2d 倍となっているため、配管の元の厚さから求められ199、る最少の共鳴周波数から 0.1kHz刻みで掃引範囲内 のfの補正2の値から補正2の全体平均値を引いた 値を足し合わせ、評価値 EV(f)として求める(Fig.5)。_min(1600 > S , > 601)S =1_max(1600 > S , > 601)16002Rev2(K) R2 Avg = *=1000 EV(f) = ERev2(5) - R2 Avgk=b評価値が最大となるfから配管の厚みを計算する。 評価値から周波数の共鳴しているポイントを示した グラフを Fig.7 に示す。|-evaluation valueFig.6 Evaluation value of the resonance spectrumex-data ---Pavisionrevision -resonance point total avaras (revision2PSIDIFig. 7 Resonance point and the resonance spectrum 4. 実地試験による検証関西電力(株)火力センターにおいて、実際に使用さ れたオリフィス下流部の直配管に周方向8分割、軸 方向7分割し、周方向は 1、2、3、4、5、6、7、8、 軸方向は Y、イ、ロ、ハ、ニ、ホ、ヘ(Y、I、Ro、 Ha、Ni、Ho、He)と名前をつけ、計 56 箇所の点につ いて EMAT を用い EMAR 法を使用して測定を行っ た。オリフィス下流部の模式図を Fig.8 に示す。さ らに UT を用いて測定したデータと比較を行う。測 定したデータの掃引周波数範囲は 601~1600kHz で あり、周波数単位は 1kHz、サンプル数は 1000 であ る。測定データの解析を行う際、測定プログラムに おいて減肉前の配管の厚みを 12.0mm、音速を 3195.993m/s と設定した。EMAT と UT の測定結果を Table 1 に、EMAT と UT の測定結果の差を Table 2 に示す。最大誤差 0.28mm、平均誤差 0.08mm、誤差 の中央値 0.07mm となり、オリフィス下流部の直配 管に関してはほぼ全ての箇所で正確に測定することに成功した。EMAT によって得た測定データ全て(56 点)をグラフにしたものを Fig.9 に、軸方向 1列(Y1、 イ1、ロ1、ハ1、ニ1、ホ 1、ヘ 1)について EMAT と UT を用いて測定したデータの比較グラフを Fig.10 に示す。これらのグラフから今回の計測箇所 では Y、イ、口の位置で FAC によって 2mm 程度の 減肉が発生していることが確認できる。また周方向 に関してはほぼ偏りなく、同じ量の減肉が発生して いることが確認できる。さらに Fig.10 に示されてい る減肉量の多い Y1、イ 1、口 1 の箇所について、 EMAR法によって得た共鳴スペクトルとその信号処 理結果を Fig.11、Fig.12、Fig.13、Fig.14、Fig.15、Fig.16 に示す。これらのデータから複数の箇所で補正法が 上手く機能して、厚み測定に効果を発揮することが 確認できる。upOrificePipeFACInsulation materialGoFlow1-310FunderFig.8 The view showing a frame format of downstreamregion of orificeTable 1 The list of measurement data of downstreamregion of orifice168.781 8.808.75 8.80 8.68 870845EMAR UT EMAR UT EMAR UT EMAR UT EMAR UT EMAR3.2018.581 8.708.60 8.648.63 8.70 8.50 8.73 8.66 8.80 8.70 10.87 10.79 11.00 10.90 10.81 10.86 10.90 10.90 10.79 10.95 10.9011.00 10.83 10.98 11.00111.00|8.50 10.98 11.00 10.83 10.90 10.64 10.708.50 8.601 8.83 8.80 8.77 8.80 10.95 11.00 10.98 11.00 11.028.61 8.70 8.68 8.70 8.768.90 10.79 10.70 10.928.83 8.80 8.68] 8.50 8.78 8.80 10,82 10.90 10,92 11.00 10.97 11.00 10.85 10.9 10.908.66 8.70 10.80 10.90 10.82 10.90 10.69 10.90 10.68 10.8018.90 8.90 8.74 8.80 8.70 8.80 11.05 11.10 10.98 11.00 11.08 11.00 10.92 11.00UTEMAR10.7211.04UT11111.111.10|Table 2 The difference of measurement result of EMATand UT5イロハ0.090:00 0.06 0.07 0.13 0.090.02 0.070.02 0.13 0.04 0.11 0.04 0.05 0.020.080.020.0800B0.08 003 0.050.280.21 0.120.170.060.090.0812mm){measurement point?Yィ ロハ - ホへ Fig 9.The graph of the measurement result (EMAR allpoints)20012.00(mm)106--EMARUT4・・・・・・・・・20.00 Y1 C1 D1 ハ1 D1 1 へ1(measurement point) Fig 10.The graph of the measurement result of EMARand UT (Y1 11 Ro1 Ha1 Ni1 Ho1 He1)03月-ex-data3Fig 11. The resonance spectrum in the Y1- e-datarevisionirevision2 - Pesonance point ---- total averag:(revision2)Fig 12.The signal processing result of the resonancespectrum in the Y1-ex-data20105...................Fig 13.The resonance spectrum in the 115・・・・・・・ex-data --revisionirevision --resonance pointtotal average (revision2)?ats1..0..............]Fig 14.The signal processing result of the resonancespectrum in the 1105W-ex-dataいのがいいね100012001さん!Fig 15.The resonance spectrum in the Ro1- ex-data -revisionirevision2 ---Pesonance point -total everageCrevision2)2 018020 2018! Fig 16.The signal processing result of the resonancespectrum in the Ro15.結言 - 今回の実地試験によって配管の厚さ寸法計測に関 してEMAT によって UT と同程度の定量的な評価が 可能であることを確認した。また上記の信号処理法 を用い処理を自動化することで、短時間での厚さ測 定が可能となる。今後はエルボゥ、レデゥーサ等の より複雑な構造を有する配管や、口径や減肉量の異 なる配管について実地試験を行い、EMAT の実機適 用が可能となる範囲について検討する必要がある。「謝辞本研究は経済産業省原子力安全・保安院の「平成 21 年度高経年化対策強化基盤整備事業」において実 施した研究であることを示し、関係各位に深甚の謝 意を表します。また EMAT による減肉定点監視の実 機適用試験を実施するにあたり、関西電力(株)火力セ ンター殿および INSS 殿のご協力を得られたことを 記し、ここに深甚の謝意を表します。参考文献 [1] 日本機械学会,配管減肉に関する技術的知見の現状,” 日本機械学会, (2005) [2] 村山理一,““電磁超音波検査の基礎,““非破壊検査, 51[2], 62-67(2002) [3] 藤澤和夫,““鉄鋼・非鉄分野における電磁超音波法の応用,““非破壊検査, 51[2],68-72(2002) [4] M. Hirao, H. Ogi, and H. Fukuoka, “ResonanceEMAT system for acoustoelastic stress measurementinsheet metals,““Rev.Sci. Instrum,64[11], 3198-3205(1993) [5] H. Ogi, M. Hirao, and T. Honda, “Ultrasonicattenuation and grain-size evaluation using electromagneticacoustic resonance,““J.Acoust.Soc.Am,98[1],458-464(1995)201“ “?電磁超音波共鳴法を用いた配管厚さ寸法計測のための信号処理法 “ “小島 史男,Fumio KOJIMA,小坂 大吾,Daigo KOSAKA,梅谷 浩介,Kousuke UMETANI
原子力プラントの高経年化に伴い、PWR2 次系配 管の流れ加速型腐食(FAC)等の減肉管理が重要とな っている。今後の点検箇所の増大が予想されること を考慮して、本研究では状態監視保全を取り入れた 新しい配管減肉診断手法について考察する。電磁超 音波探触子(Electromagnetic Acoustic Transducer : EMAT)は、磁石及び励磁コイルにより、ローレンツ 力を利用して超音波を発生させ、その超音波の変位 と磁場による渦電流の変化を誘導起電力として検出 する非破壊検査手法である。非接触で検査ができ、 高温環境下で使用可能なため、探傷子を配管を覆う 断熱材の内側に常時設置することが原理的に可能で あり、状態監視保全への適合性が高いと考えられて いる。しかし、実機配管の厚さ寸法計測を、電磁超 音波共鳴法(EMAR 法)を用いて行う場合、配管の減 肉形状によって SN 比が悪く取得信号からの寸法同 定が困難な場合が存在する。以下では EMAT の実用 性向上のために SN 比の悪い信号からでも配管の寸 法同定が可能な信号処理法を開発し、実機配管の厚 さ計測を行ったので報告する。
2.1 EMAT の原理EMAT は磁石とコイルから構成されている探触子 である。コイルに任意の電圧、周波数の交流電流を 流すことにより、変動磁場が生じ試験体の表面に渦 電流が発生する。磁石とコイルから発生した磁場と 渦電流の相互作用により、試験体の材質が非磁性体 の場合はローレンツ力、強磁性体の場合はローレン ツカと磁歪によって試験体の表面に振動が生じ、そ れが超音波として試験体中を伝播する。また、試験 体表面の振動による変位と磁場によって試験体表面 に渦電流が発生し、それによる磁束の変化によって コイルに誘導電流が生じ、これを電圧変化として検 出する。 2.2 共鳴法の原理EMAT によって、試験体内に超音波を発生させた場 合、特定の周波数で共鳴が発生する。共鳴周波数f. は以下の式で与えられる。ncfr2dcは音速、dは試験体の厚み、n は整数を表してい る。共鳴周波数は試験体材料固有の音速と試験体の 厚みにより決定する。周波数を掃引しながら、個々 の周波数の振幅を検出することによって得られる共 鳴スペクトルのピーク間隔 Af より試験体の厚みを 検出することができる。Fig.1 に材質 SS400、板厚 8[mm]での共鳴スペクトルのグラフを示す。- 198 -0(A) andano losues|0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 10.001werlinma humahawa www whelmed w ell * 0. 51 11.5frequency(MHz) Fig.1 resonance spectrum (SS400 8mm)3. EMAR 法による測定信号の処理法3.1 測定データの補正実機配管を EMAR 法によって測定を行った場合、 配管内部の減肉形状によって得られる共鳴スペクト ルが Fig.2 のように SN 比が悪く、ピークがはっきり しない場合がある。このように人間が肉眼で見ても 共鳴周波数が判断しにくいデータから Af を求める ことが可能な補正法を開発した。以下にその手順を 示す。 Fig.2 の減肉前の配管の厚みd を 12mm、測定音速c を 3195.993m/s、掃引周波数範囲 601~1600kHz、周 波数単位 1kHz、サンプル数 1000 と設定する。ここ で共鳴スペクトルデータを A(f)(601 <= f <=1600) と定義する。まず減肉前 の配管の厚みd と測定音速cより共鳴周波数間隔 Af を求める。of = 20次に測定した元データの単純移動平均 SMAP) (前後について Af の範囲)、全体平均 Avg を求める: 次に測定した元データの単純移動平均 SMAC f) (前後について Af の範囲)、全体平均 Avg を求める (Fig.3)。S+ASTA(R)k=f-AfSMACS) =2-2af +11600TA()Avg sk6011000 元データに全体平均をかけ、単純移動平均で割るこ とにより補正 1: Revl(f)を求める(Fig.4)。これによ って得られる信号が小さい周波数帯域の共鳴スペク トルのピークを際立たせることができる。Revl(f) = A(s) AvgSMAS) 配管の底面に凹凸がある場合、複数の箇所で共鳴が 発生し、共鳴スペクトルのピークが複数に分かれる 場合が存在する。この場合の補正法を示す。補正1 の加重移動平均(前後について AS / 8 の範囲)を求め 補正 2: Rev2(f) とする(Fig.5)。これによって複数に 分かれていたピークを1つにまとめることができる。Rev2(f) = k=f-as18『芝Rev2kg -1 f - k +1)2CH-1S-k+1)f+/8k%3Df-SO ex-dataFig.2 Ex-data of the resonance spectrumーx-data -moving averagetotal averageまりりかさか・・。Fig.3 Simple moving average and Total movingaverage of the resonance spectrum-ex-data revisioniFig.4 Revision1 of the resonance spectrummess exhitarevision! - revision2Fig.5 Revision2 of the resonance spectrum3.2 評価値の計算補正2のデータから評価値の計算を行い、Af を求める。共鳴周波数 f, = ““““は式の通り、nの整数2d 倍となっているため、配管の元の厚さから求められ199、る最少の共鳴周波数から 0.1kHz刻みで掃引範囲内 のfの補正2の値から補正2の全体平均値を引いた 値を足し合わせ、評価値 EV(f)として求める(Fig.5)。_min(1600 > S , > 601)S =1_max(1600 > S , > 601)16002Rev2(K) R2 Avg = *=1000 EV(f) = ERev2(5) - R2 Avgk=b評価値が最大となるfから配管の厚みを計算する。 評価値から周波数の共鳴しているポイントを示した グラフを Fig.7 に示す。|-evaluation valueFig.6 Evaluation value of the resonance spectrumex-data ---Pavisionrevision -resonance point total avaras (revision2PSIDIFig. 7 Resonance point and the resonance spectrum 4. 実地試験による検証関西電力(株)火力センターにおいて、実際に使用さ れたオリフィス下流部の直配管に周方向8分割、軸 方向7分割し、周方向は 1、2、3、4、5、6、7、8、 軸方向は Y、イ、ロ、ハ、ニ、ホ、ヘ(Y、I、Ro、 Ha、Ni、Ho、He)と名前をつけ、計 56 箇所の点につ いて EMAT を用い EMAR 法を使用して測定を行っ た。オリフィス下流部の模式図を Fig.8 に示す。さ らに UT を用いて測定したデータと比較を行う。測 定したデータの掃引周波数範囲は 601~1600kHz で あり、周波数単位は 1kHz、サンプル数は 1000 であ る。測定データの解析を行う際、測定プログラムに おいて減肉前の配管の厚みを 12.0mm、音速を 3195.993m/s と設定した。EMAT と UT の測定結果を Table 1 に、EMAT と UT の測定結果の差を Table 2 に示す。最大誤差 0.28mm、平均誤差 0.08mm、誤差 の中央値 0.07mm となり、オリフィス下流部の直配 管に関してはほぼ全ての箇所で正確に測定することに成功した。EMAT によって得た測定データ全て(56 点)をグラフにしたものを Fig.9 に、軸方向 1列(Y1、 イ1、ロ1、ハ1、ニ1、ホ 1、ヘ 1)について EMAT と UT を用いて測定したデータの比較グラフを Fig.10 に示す。これらのグラフから今回の計測箇所 では Y、イ、口の位置で FAC によって 2mm 程度の 減肉が発生していることが確認できる。また周方向 に関してはほぼ偏りなく、同じ量の減肉が発生して いることが確認できる。さらに Fig.10 に示されてい る減肉量の多い Y1、イ 1、口 1 の箇所について、 EMAR法によって得た共鳴スペクトルとその信号処 理結果を Fig.11、Fig.12、Fig.13、Fig.14、Fig.15、Fig.16 に示す。これらのデータから複数の箇所で補正法が 上手く機能して、厚み測定に効果を発揮することが 確認できる。upOrificePipeFACInsulation materialGoFlow1-310FunderFig.8 The view showing a frame format of downstreamregion of orificeTable 1 The list of measurement data of downstreamregion of orifice168.781 8.808.75 8.80 8.68 870845EMAR UT EMAR UT EMAR UT EMAR UT EMAR UT EMAR3.2018.581 8.708.60 8.648.63 8.70 8.50 8.73 8.66 8.80 8.70 10.87 10.79 11.00 10.90 10.81 10.86 10.90 10.90 10.79 10.95 10.9011.00 10.83 10.98 11.00111.00|8.50 10.98 11.00 10.83 10.90 10.64 10.708.50 8.601 8.83 8.80 8.77 8.80 10.95 11.00 10.98 11.00 11.028.61 8.70 8.68 8.70 8.768.90 10.79 10.70 10.928.83 8.80 8.68] 8.50 8.78 8.80 10,82 10.90 10,92 11.00 10.97 11.00 10.85 10.9 10.908.66 8.70 10.80 10.90 10.82 10.90 10.69 10.90 10.68 10.8018.90 8.90 8.74 8.80 8.70 8.80 11.05 11.10 10.98 11.00 11.08 11.00 10.92 11.00UTEMAR10.7211.04UT11111.111.10|Table 2 The difference of measurement result of EMATand UT5イロハ0.090:00 0.06 0.07 0.13 0.090.02 0.070.02 0.13 0.04 0.11 0.04 0.05 0.020.080.020.0800B0.08 003 0.050.280.21 0.120.170.060.090.0812mm){measurement point?Yィ ロハ - ホへ Fig 9.The graph of the measurement result (EMAR allpoints)20012.00(mm)106--EMARUT4・・・・・・・・・20.00 Y1 C1 D1 ハ1 D1 1 へ1(measurement point) Fig 10.The graph of the measurement result of EMARand UT (Y1 11 Ro1 Ha1 Ni1 Ho1 He1)03月-ex-data3Fig 11. 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Fig 16.The signal processing result of the resonancespectrum in the Ro15.結言 - 今回の実地試験によって配管の厚さ寸法計測に関 してEMAT によって UT と同程度の定量的な評価が 可能であることを確認した。また上記の信号処理法 を用い処理を自動化することで、短時間での厚さ測 定が可能となる。今後はエルボゥ、レデゥーサ等の より複雑な構造を有する配管や、口径や減肉量の異 なる配管について実地試験を行い、EMAT の実機適 用が可能となる範囲について検討する必要がある。「謝辞本研究は経済産業省原子力安全・保安院の「平成 21 年度高経年化対策強化基盤整備事業」において実 施した研究であることを示し、関係各位に深甚の謝 意を表します。また EMAT による減肉定点監視の実 機適用試験を実施するにあたり、関西電力(株)火力セ ンター殿および INSS 殿のご協力を得られたことを 記し、ここに深甚の謝意を表します。参考文献 [1] 日本機械学会,配管減肉に関する技術的知見の現状,” 日本機械学会, (2005) [2] 村山理一,““電磁超音波検査の基礎,““非破壊検査, 51[2], 62-67(2002) [3] 藤澤和夫,““鉄鋼・非鉄分野における電磁超音波法の応用,““非破壊検査, 51[2],68-72(2002) [4] M. Hirao, H. Ogi, and H. Fukuoka, “ResonanceEMAT system for acoustoelastic stress measurementinsheet metals,““Rev.Sci. Instrum,64[11], 3198-3205(1993) [5] H. Ogi, M. Hirao, and T. Honda, “Ultrasonicattenuation and grain-size evaluation using electromagneticacoustic resonance,““J.Acoust.Soc.Am,98[1],458-464(1995)201“ “?電磁超音波共鳴法を用いた配管厚さ寸法計測のための信号処理法 “ “小島 史男,Fumio KOJIMA,小坂 大吾,Daigo KOSAKA,梅谷 浩介,Kousuke UMETANI