ステンレス鋼溶接金属を透過したＵＴ(検出)確認試験研究の成果
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カテゴリ: 第7回
1. 緒言
ルボや管台等の形状的な条件から, 必要な探傷ができ 原子力発電設備の供用期間中検査(ISI:In-Serviceない探傷不可範囲が存在する。 Inspection)で要求される体積試験(超音波探傷試験 探傷不可範囲の低減策として, 炭素鋼の溶接継手の (UT; Ultrasonic Testing))において,構造上接近又は検場合,超音波探傷が可能な片側から溶接金属を透過し 査が困難な部位は,探傷不可範囲として取り扱ってき ての探傷による対応が考えられるが, ステンレス鋼溶 た。接の場合,一般的に用いられている横波斜角法では溶 - 近年,加圧水型軽水炉(PWR; Pressurized Water接部の柱状晶組織による音響異方性のため超音波の Reactor)の蒸気発生器一次冷却材入口管台溶接部に確透過性に難があることが知られている。[3] 認されたき裂が,ISI における探傷不可範囲であった(独)原子力安全基盤機構(JNES) の UTS プロジェ ことから, ISI における UT での探傷不可範囲の低減クト実証試験(41では, ステンレス鋼の溶接金属を透過 が求められている。2)する超音波は,縦波斜角が有効であることが示されて また、沸騰水型軽水炉(BWR;Boiling Water Reactor)おり,これを反映して JEAC4207-2008「軽水型原子力 発電設備の定期事業者検査でのUT 対象配管にも,エ発電所用機器の供用期間中検査における超音波探傷試験規程」では,溶接線を透過した探傷を行う範囲は 連絡先:小林 輝男超音波モードとして縦波が望ましいとしている。しか (財)発電設備技術検査協会し,当該箇所の探傷に縦波斜角法を適用するためには、 溶接・非破壊検査技術センターJEAC4207-2008 の 2010 項に規定されているように「欠 〒230-0044 横浜市鶴見区弁天町 14-1陥評価を行う上で、 予め欠陥検出精度及び欠陥寸法測 E-mail:kobayashi-teruo@japeic.or.jp定誤差の確認」が必要であることから, BWR の電力各
社とプラントメーカは共同研究で「ステンレス鋼溶接 金属を透過した UT 確認試験研究」を 2009 年度から 2011 年度にかけて実施している。 1. 本稿では 2009 年度に実施したオーステナイト系ス テンレス鋼同士の突合せ継手の溶接金属を透過した UT での検出に関する試験結果を報告する。2. 研究背景及び目的 -PWRプラントでき裂が確認された部位は, 構造上接 近又は検査が困難であるとして,電気事業法(昭和39 年法律第170号) 第55条第1項に規定する,定期事業 者検査として要求される体積試験 (UT)が行われて いない範囲であった。このことから原子力安全・保安 院 (NISA)から,同様の理由によりUTが行われてい ない箇所について,「定期事業者検査における超音波 探傷試験の代替措置計画策定について(指示)」(平成 20・02・05 原院第5号)が発行され,電気事業者に対し て,探傷不可範囲への対応が求められた。 探傷不可範囲がある継手のイメージをFig.1に示す。 形状的に超音波探触子の走査が行なえない部分が ある部位については, 探触子のサイズや入射角の変更 で探傷条件を満足できるケースもあるが, 一部には超 音波が溶接金属を透過する方式で,健全性の評価が必 要となる継手も存在している。(fig.2参照)探触子 ティー及び/溶接中心 レデューサー等パイプ探傷範囲 WIZA :探傷不可範囲Fig.1 探傷不可能範囲がある継手の例探触子探触子L 探傷範囲Fig.2 溶接金属を透過しての探傷例1. 本研究は, 探傷不可範囲の低減に有効と考えられる 溶接金属を透過した探傷の有効性の検証を目的とし て実施した。3. 探傷試験 3.1 体制探傷試験は、試験および試験結果の信頼性確保を図 るため第三者機関である(財)発電設備技術検査協会 (発電技検)構内において,同協会の管理の下,下記の メーカー(技術協力会社含む)が試験を実施した。 メーカー:日立G E ニュークリア・エナジー株式会社株式会社東芝 メーカーの技術協力会社:株式会社日立製作所株式会社IHI3.2 試験体探傷不可範囲の代替措置として溶接金属を透過し た超音波探傷が必要となる代表箇所として, BWR の原 子炉再循環系の配管の溶接継手部がある。このため, 試験対象は当該箇所と同等な材質で代表的な口径の 突合せ継手とし,基礎試験用には EDM ノッチの試験体, 実証試験用には実機における損傷モードを想定して, SCC(Stress Corrosion Cracking=応力腐食割れ)を 付与した試験体にて試験を実施することとした。 試験体材質:オーステナイト系ステンレス鋼 SUS316 口径(板厚):600A(35mm), 350A(25mm), 150A(10mm)試験体形状:幅 100mm×長さ 400mm 短冊状 (1) 基礎試験用基礎試験用の EDM ノッチ試験体は Table-1 に示すよ うに,軸方向位置として溶接中心からの距離をパラメ ータとした,3種類の深さの試験体を発電技検が所有 する試験体から選定して使用した。Table-1 基礎試験用 EDM ノッチ試験体一覧表溶接中心からの距離 4mm 7mm14mm 3mm600A | 600A, 350A 1600A, 350A 5mm600A 1 150A150A 10mm600A深さ(2) 実証試験用 - 実証試験用の SCC 試験体は, 基礎試験用の試験体と 同様に,軸方向位置及び深さがパラメータとなる試験 体を,発電技検が所有する試験体から選定した。さら に,検出性試験のための無欠陥の試験体も使用した。 - 試験体選定の目標値としての溶接中心からの距離 及び深さの組合せを Table-2 に示す。又, 試験体(例)の 写真を Fig.3 に示す。Table- 2実証試験用 SCC 試験体一覧表(目標値)溶接中心からの距離 4mm 7mm14mm 3mm150A 600A,150A 600A150A※ 5mm 350A×2350A 10mm| 600A, 350A 600A, 350A 15mm600A ※;SCC 付与が困難なため、疲労割れを採用深さ72Fig.3 試験体(例)の写真3.3 試験準備 - 試験は, メーカーがそれぞれ独自に探傷装置の選定 と探傷方法を定め,発電技検(NDEセンター)内の試験 場において基礎試験(オープン試験)および実証試験 (ブラインド試験)を実施した。EDMノッチの試験体を除く全ての試験体は内表面 及び側面と,き裂が付与されている側をマスキングし, 超音波探傷試験以外では試験体に関する情報が得ら れない状態で試験を実施した。試験体のマスキング状 況をFig.4に示す。Fig.4 試験体マスキング状況写真尚,EDMノッチの試験体を除く試験体は,試験体数 28体(試験データ数:31データ※)で実施した。 ※;28体の内、3体の無欠陥試験体について、溶接線 の両側から探傷することでデータ数を31とした。3.4 検査員技量確認試験に参加した検査員全員の,ISIでのUT, SUS材 へのUT及びフェーズドアレイ法(PA)等の,超音波 探傷試験経験年数をFig.5に示す。 超音波探傷試驗經驗年数■ISI-UT経験、 ロ SUS-UT経験、 ロPA経験経験年数(年)ABCD 検査員EFGFig.5 超音波探傷試験経験年数また、検査員全員に対し,15箇所(き裂有5箇所,無 欠陥10箇所)のブラインド試験を行い,き裂付与側か らのき裂検出及びき裂長さサイジングに関する技量 の確認を行なった。その結果,全員が5箇所のき裂を検出し,10箇所の 無欠陥を正確に評価した。また,長さサイジングの RMSE(2乗平均平方根誤差)は4.0~8.7mmの結果が得 られている。検査員全員のUTによる指示長さと内面 PTによる指示長さの差異をFig.6に示す。試驗從事者技量確認試驗UTによるき裂長さ測定値(ww)2040160 PT指示長さ測定値(mm)Fig.6 UT指示長さとPT指示長さの比較3.5 探傷方法及び探傷装置 - 実機において溶接金属を透過した探傷を行う場合, 形状やスペースの条件で,適用できる手法が限定され ることを想定し, 45°及び60°固定角斜角法と, PA 斜角法の3手法の検出性を評価した。超音波の種類は溶接金属に対して透過性の優れた 縦波を選択し,周波数は2MHz~4MHzを採用した。4.試験結果 4.1 基礎試験(EDM ノッチ) - EDM ノッチ試験体の,検出及び指示長さ測定を, PA 縦波斜角法(一部横波斜角法も適用),縦波 45°斜 角法及び縦波 60°斜角法で実施した。これらの手法に よる探傷で得られた指示長さと, EDM ノッチの実測 値との差異分布を Fig.7 に示す。また,これらの手法 の RMSE 及び誤差平均を Table-2 に示す。手法別検出指示長さ分布(EDMノッチ)4035UT指示長さ(mm)20UXEY◆PA;フェーズドアレイ斜角法●L45:縦波45°斜角法 5.0A L60;縦波60°斜角法 0.0 - 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0EDM実測値(mm) Fig.7 手法別検出指示長さ分布(EDM ノッチ)73Table-3手法別検出指示長さデータ(EDM ノッチ)探傷方法 | データ数 | RMSE |誤差平均」 | PA 斜角法6.44.8 縦波 45°斜角法5.64.9 「縦波 60°斜角法 158.318167.4Fig.7 及び Table-3 から,各手法共指示長さは実測値 と比較して長い値を示しており,保守的な結果が得ら れている。縦波 60°斜角法は,他の手法と比べて指 示長さが長い傾向にあるが,RMSE の値は 8.3mm で あり,有効な手法の一つと言える。4.2 実証試験(ブラインド試験)メーカー2 社によって, PA 斜角法, 固定角斜角法で, SCC(一部疲労き裂を含む)を付与した試験体と,無欠 陥の試験体で構成した試験体の,き裂検出及びき裂長 さ測定を,ブラインド方式で実施した。尚,メーカー 2社はそれぞれパーティションで仕切り,相互を隔離 した状態でTV カメラによる常時監視のもとで試験を 行なった。4.2.1 適用手法ステンレス鋼溶接部の溶接線を透過してのき裂検 出を目的としていることから,以下に示す斜角法が主 に採用されている。Table-4 実証試験適用手法 探傷手法 「A社「B社 備考 PA 「縦波|OTO 横波150A に適用※ | 固定角 45° | 縦波|O|0固定角 600 | 縦波|0|0|「横波| |0|150A に適用※ ] ※;150A 配管の場合,溶接金属を透過する距離が短い ことから横波を採用4.2.2 検出性(=欠陥識別性)SCC(一部疲労き裂を含む)を付与した試験体と,無 欠陥の試験体を順不同で探傷した結果,2社共適用し た全ての手法で,誤検出(=き裂を見逃す,或は無欠 陥をき裂有りと判定する誤判定)が無い結果であった。また,母材部に付与した深さ 1mm の EDM ノッチ を CRT の 80%となるように基準感度を設定して探傷 した結果, 全て基準感度の 20%以上で検出されており, 充分な検出能力を有することが確認された。検出性の判定を数値化することは困難であるが,き 裂からのエコーの識別性(=ノイズとの分離性)を, Table-5 に示すように 4 段階に分けそれぞれの得点を 設定して評価した。この評価による,き裂を検出した際のき裂深さと検 出性の関係を Fig.8に,また,き裂の面積(半楕円と想 定)と検出性の関係を Fig.9に示す。Table-5 検出難易度換算得点 探傷状況得点 エコー識別明瞭,単独手法で欠陥有無の判断が可能 1.0 エコー識別やや良,単独手法で欠陥有無の判断が可能 エコー識別不良,他手法と組み合わせで判断が可能 0.5 エコー識別不良, 他手法と組み合わせても判断が不可能」 0.00.9手法別き裂深さ(%t)と検出性検出性換算得点ΔΔΔ.◆PA;フェーズドアレイ斜角法 ● L45; 縦波45°斜角法 A L60; 縦波60°斜角法00.10.20.50.60.730% 40% き裂深さ(%t)Fig.8 手法別き裂深さと検出性手法別き裂面積と検出性 くき裂面積=長さ×深さから半楕円として計算>10 12 SR-|検出性換算得点●PA;フェーズドアレイ斜角法 ●L45:縦波45°斜角法 A L60:縦波60°斜角法1200400 600 800 1000 1200 1400 1600き裂面積(半楕円換算mm2)Fig.9 手法別き裂面積と検出性PA 斜角法及び縦波 45°斜角法では,実施した全て の試験体のき裂に対して,き裂のエコーが明瞭あるい はやや良の結果が得られ,溶接金属を透過した探傷の 有効性を確認できた。しかし,縦波 60°斜角法では, 比較的浅く長さが短いき裂(き裂面積が狭い)の場合, エコーの識別性が低下する結果であった。この結果か ら縦波 60°斜角法の実適用に際しては,単独での適 用は避けるのが望ましいと考えられる。 - なお, き裂検出性と試験体の板厚には相関関係は無 いが,本研究ではき裂深さを絶対値ではなく板厚比 (=き裂深さ/板厚×100%)として表現した。4.2.3 き裂長さサイジング - 検出された指示の消失点(ノイズとの分離限界点) を元に測定した結果をき裂の長さとし,内面 PT によ るき裂長さ測定値との比較を Fig.10 に示す。また,各 手法毎の測定値をPTによる測定値を真値としたRMS 誤差及び誤差平均値を Table-6 に示す。UT指示長さと内面PT長さの比較(PA:フェーズドアレイ斜角法)UT指示長さ(mm)0208040.0 11600 内面PT長さ(mm)UT指示長さと内面PT長さの比較(L45:縦波45°斜角法)UT指示長さ(mm)020608040.0 内面PT長さ(mm)30UT指示長さと内面PT長さの比較(L60;縦波60°斜角法)溶接金属0.20.1000.10.20.50.60.730.0% 40.0% 母材側からの測定値(%t)AA深さ測定方向の比較」 (L45:縦波45°斜角法)0.70.60.520608040.0 内面PT長さ(mm)溶接金属透過測定値(%t)Fig.10 UT 指示長さと PT 長さの比較0.30.20.1000.10.20.50.60.7e-6 手法別長さサイジング RMSE 及び誤差誤差」 誤差 梁傷方法 RMSEMax Min 角法 | 10.1 | 3.3 | 18.0 | -14.0 |(L60;縦波60° 斜角法) 80.030.0% 40.0% 母材側からの測定値(%t)UT指示長さ(mm)020608040.0 内面PT長さ(mm)Fig.10 UT 指示長さと PT 長さの比較誤差Table-6 手法別長さサイジング RMSE 及び誤差 探傷方法誤差 「RMSE | 平均 Max | Min] | PA 斜角法 | 10.1 | 3.3 | 18.0 | -14.0 | 「縦波45°斜角法 | 7.5 | 2.9 | 16.0 | -6.6 | 「縦波60°斜角法 | 9.8 | 5.7 | 22.5 | -7.8 |* UT 指示長さのグラフ及び手法別の長さサイジング の RMSE,誤差平均のデータから,実機での適用が想 定される全ての手法で良好な結果を得ている。 - 誤差に関しては超音波探傷の特徴である音波の広 がりの影響で、+側にずれる傾向を示している。誤差 平均においては全ての手法共保守的な結果であり, RMSE に関しては米国 ASME 規格※の PD 合格基準値 (19mm)を満足した結果である。* ; ASME Code Sec. X1,App. VIII Supplement 2 (オーステナイト系ステンレス鋼配管継手溶接部に関する PDI 認 証要件)・・・長さサイジングの RMSE は欠陥の真 の値に対して 0.75in(19mm)以下であること。4.2.4 深さサイジング 1. 本研究は,探傷不可範囲の低減を目的として, 溶接 金属を透過した探傷でのき裂の検出を主体に実施し た。ただし,き裂が検出された際にはその深さ測定が 必要となることから, 本研究では検出に適用した手法 での,き裂深さ測定の可能性を調査した。 - 溶接金属を透過しての深さ測定値と母材側からの き裂深さ測定値との比較を Fig.12 に示す。なお、き裂 深さサイジング精度と板厚には明確な関係は無いが、 本研究においては、3種類の板厚の試験体による3手 法での深さサイジングであることから、便宜上き裂の 深さは板厚の比(=き裂深さ/板厚×100%)を用い て表現した。深さ測定方向の比較 (PA:フェーズドアレイ斜角法)(%)型似点胸慶州一興70.0% 60.0% 50.0% 40.0% 30.0% 20.0% 10.0%00.10.120.0% 30.0% 40.0% 50.0%母材側からの測定値(%t)0.60.70.60.7深さ測定方向の比較 (L60: 縦波60°斜角法)0.70.6▼0.5▼0.4溶接金属透過測定値(%t)AAA0.3ANA0.2ΔΔΔ.0.1000.1AAAAA 20.0% 30.0% 40.0%母材側からの測定値(%t)0.50.60.7Fig.12 深さ測定方向の比較753.23.712また、手法毎の RMSE 及び深さ測定不能箇所数を Table-7 に示す。 Table-7 手法別 RMSE 等のデータ| PA | L45° | L60° | RMSE3.0 「深さ測定不能箇所数Fig-12 及び Table-7 に示す内容から,今回のき裂の 検出を目的とした装置による深さ測定の適用性確認 においては、多少のばらつきはあるものの全体的に良 好な結果が得られたと考えられる。また,深さ測定に 特化した探触子の適用などにより,更なる精度向上の 可能性はあるが,大まかなき裂深さの推定は,支障な く行えることが確認された。5.結言ステンレス鋼溶接金属を透過した超音波探傷によ るき裂の検出には, 縦波斜角法を用いることで所期の 目的を達成できることを確認した。また,溶接金属を 透過してのき裂深さ測定の可能性を確認できた。 参考文献 [1]「軽水型原子力発電所用機器の供用期間中検査における超音波探傷試験規程」JEAC4207-2008((社)日本 電気協会原子力規格委員会)解説-2620-1 [2]「定期事業者検査における超音波探傷試験の代替措置計画策定について」 平成20・02-05 原院第5号 「31 米山弘志「オーステナイト系溶接部の超音波探傷」溶接技術 1994年10月号 [4] (独)原子力安全基盤機構「平成 16年度原子力発電設備検査技術実証事業に関する報告書(超音波探傷試験における欠陥検出性及びサイジング精度に *関するもの) [総括版]平成17年4月[3][4]- 76 -“ “?ステンレス鋼溶接金属を透過したUT(検出)確認試験研究の成果“ “永田 義昭,Yoshiaki NAGATA,長谷川 勝広,Katsuhiro HASEGAWA,久米田 正邦,Masakuni KUMEDA,稲垣 哲彦,Tetsuhiko INAGAKI,中田 親秀,Chikahide NAKADA,太田 隆,Takashi OHTA,田口 豊,Yutaka TAGUCHI,米谷 豊,Yutaka KOMETANI,清水 康,Yasushi SHIMIZU,三橋 忠浩,Tadahiro MITSUHASHI,東海林 一,Hajime SHOHJI,山口 篤憲,Atsunori YAMAGUCHI,杉林 卓也,Takuya SUGIBAYASHI,小林 輝男,Teruo KOBAYASHI
ルボや管台等の形状的な条件から, 必要な探傷ができ 原子力発電設備の供用期間中検査(ISI:In-Serviceない探傷不可範囲が存在する。 Inspection)で要求される体積試験(超音波探傷試験 探傷不可範囲の低減策として, 炭素鋼の溶接継手の (UT; Ultrasonic Testing))において,構造上接近又は検場合,超音波探傷が可能な片側から溶接金属を透過し 査が困難な部位は,探傷不可範囲として取り扱ってき ての探傷による対応が考えられるが, ステンレス鋼溶 た。接の場合,一般的に用いられている横波斜角法では溶 - 近年,加圧水型軽水炉(PWR; Pressurized Water接部の柱状晶組織による音響異方性のため超音波の Reactor)の蒸気発生器一次冷却材入口管台溶接部に確透過性に難があることが知られている。[3] 認されたき裂が,ISI における探傷不可範囲であった(独)原子力安全基盤機構(JNES) の UTS プロジェ ことから, ISI における UT での探傷不可範囲の低減クト実証試験(41では, ステンレス鋼の溶接金属を透過 が求められている。2)する超音波は,縦波斜角が有効であることが示されて また、沸騰水型軽水炉(BWR;Boiling Water Reactor)おり,これを反映して JEAC4207-2008「軽水型原子力 発電設備の定期事業者検査でのUT 対象配管にも,エ発電所用機器の供用期間中検査における超音波探傷試験規程」では,溶接線を透過した探傷を行う範囲は 連絡先:小林 輝男超音波モードとして縦波が望ましいとしている。しか (財)発電設備技術検査協会し,当該箇所の探傷に縦波斜角法を適用するためには、 溶接・非破壊検査技術センターJEAC4207-2008 の 2010 項に規定されているように「欠 〒230-0044 横浜市鶴見区弁天町 14-1陥評価を行う上で、 予め欠陥検出精度及び欠陥寸法測 E-mail:kobayashi-teruo@japeic.or.jp定誤差の確認」が必要であることから, BWR の電力各
社とプラントメーカは共同研究で「ステンレス鋼溶接 金属を透過した UT 確認試験研究」を 2009 年度から 2011 年度にかけて実施している。 1. 本稿では 2009 年度に実施したオーステナイト系ス テンレス鋼同士の突合せ継手の溶接金属を透過した UT での検出に関する試験結果を報告する。2. 研究背景及び目的 -PWRプラントでき裂が確認された部位は, 構造上接 近又は検査が困難であるとして,電気事業法(昭和39 年法律第170号) 第55条第1項に規定する,定期事業 者検査として要求される体積試験 (UT)が行われて いない範囲であった。このことから原子力安全・保安 院 (NISA)から,同様の理由によりUTが行われてい ない箇所について,「定期事業者検査における超音波 探傷試験の代替措置計画策定について(指示)」(平成 20・02・05 原院第5号)が発行され,電気事業者に対し て,探傷不可範囲への対応が求められた。 探傷不可範囲がある継手のイメージをFig.1に示す。 形状的に超音波探触子の走査が行なえない部分が ある部位については, 探触子のサイズや入射角の変更 で探傷条件を満足できるケースもあるが, 一部には超 音波が溶接金属を透過する方式で,健全性の評価が必 要となる継手も存在している。(fig.2参照)探触子 ティー及び/溶接中心 レデューサー等パイプ探傷範囲 WIZA :探傷不可範囲Fig.1 探傷不可能範囲がある継手の例探触子探触子L 探傷範囲Fig.2 溶接金属を透過しての探傷例1. 本研究は, 探傷不可範囲の低減に有効と考えられる 溶接金属を透過した探傷の有効性の検証を目的とし て実施した。3. 探傷試験 3.1 体制探傷試験は、試験および試験結果の信頼性確保を図 るため第三者機関である(財)発電設備技術検査協会 (発電技検)構内において,同協会の管理の下,下記の メーカー(技術協力会社含む)が試験を実施した。 メーカー:日立G E ニュークリア・エナジー株式会社株式会社東芝 メーカーの技術協力会社:株式会社日立製作所株式会社IHI3.2 試験体探傷不可範囲の代替措置として溶接金属を透過し た超音波探傷が必要となる代表箇所として, BWR の原 子炉再循環系の配管の溶接継手部がある。このため, 試験対象は当該箇所と同等な材質で代表的な口径の 突合せ継手とし,基礎試験用には EDM ノッチの試験体, 実証試験用には実機における損傷モードを想定して, SCC(Stress Corrosion Cracking=応力腐食割れ)を 付与した試験体にて試験を実施することとした。 試験体材質:オーステナイト系ステンレス鋼 SUS316 口径(板厚):600A(35mm), 350A(25mm), 150A(10mm)試験体形状:幅 100mm×長さ 400mm 短冊状 (1) 基礎試験用基礎試験用の EDM ノッチ試験体は Table-1 に示すよ うに,軸方向位置として溶接中心からの距離をパラメ ータとした,3種類の深さの試験体を発電技検が所有 する試験体から選定して使用した。Table-1 基礎試験用 EDM ノッチ試験体一覧表溶接中心からの距離 4mm 7mm14mm 3mm600A | 600A, 350A 1600A, 350A 5mm600A 1 150A150A 10mm600A深さ(2) 実証試験用 - 実証試験用の SCC 試験体は, 基礎試験用の試験体と 同様に,軸方向位置及び深さがパラメータとなる試験 体を,発電技検が所有する試験体から選定した。さら に,検出性試験のための無欠陥の試験体も使用した。 - 試験体選定の目標値としての溶接中心からの距離 及び深さの組合せを Table-2 に示す。又, 試験体(例)の 写真を Fig.3 に示す。Table- 2実証試験用 SCC 試験体一覧表(目標値)溶接中心からの距離 4mm 7mm14mm 3mm150A 600A,150A 600A150A※ 5mm 350A×2350A 10mm| 600A, 350A 600A, 350A 15mm600A ※;SCC 付与が困難なため、疲労割れを採用深さ72Fig.3 試験体(例)の写真3.3 試験準備 - 試験は, メーカーがそれぞれ独自に探傷装置の選定 と探傷方法を定め,発電技検(NDEセンター)内の試験 場において基礎試験(オープン試験)および実証試験 (ブラインド試験)を実施した。EDMノッチの試験体を除く全ての試験体は内表面 及び側面と,き裂が付与されている側をマスキングし, 超音波探傷試験以外では試験体に関する情報が得ら れない状態で試験を実施した。試験体のマスキング状 況をFig.4に示す。Fig.4 試験体マスキング状況写真尚,EDMノッチの試験体を除く試験体は,試験体数 28体(試験データ数:31データ※)で実施した。 ※;28体の内、3体の無欠陥試験体について、溶接線 の両側から探傷することでデータ数を31とした。3.4 検査員技量確認試験に参加した検査員全員の,ISIでのUT, SUS材 へのUT及びフェーズドアレイ法(PA)等の,超音波 探傷試験経験年数をFig.5に示す。 超音波探傷試驗經驗年数■ISI-UT経験、 ロ SUS-UT経験、 ロPA経験経験年数(年)ABCD 検査員EFGFig.5 超音波探傷試験経験年数また、検査員全員に対し,15箇所(き裂有5箇所,無 欠陥10箇所)のブラインド試験を行い,き裂付与側か らのき裂検出及びき裂長さサイジングに関する技量 の確認を行なった。その結果,全員が5箇所のき裂を検出し,10箇所の 無欠陥を正確に評価した。また,長さサイジングの RMSE(2乗平均平方根誤差)は4.0~8.7mmの結果が得 られている。検査員全員のUTによる指示長さと内面 PTによる指示長さの差異をFig.6に示す。試驗從事者技量確認試驗UTによるき裂長さ測定値(ww)2040160 PT指示長さ測定値(mm)Fig.6 UT指示長さとPT指示長さの比較3.5 探傷方法及び探傷装置 - 実機において溶接金属を透過した探傷を行う場合, 形状やスペースの条件で,適用できる手法が限定され ることを想定し, 45°及び60°固定角斜角法と, PA 斜角法の3手法の検出性を評価した。超音波の種類は溶接金属に対して透過性の優れた 縦波を選択し,周波数は2MHz~4MHzを採用した。4.試験結果 4.1 基礎試験(EDM ノッチ) - EDM ノッチ試験体の,検出及び指示長さ測定を, PA 縦波斜角法(一部横波斜角法も適用),縦波 45°斜 角法及び縦波 60°斜角法で実施した。これらの手法に よる探傷で得られた指示長さと, EDM ノッチの実測 値との差異分布を Fig.7 に示す。また,これらの手法 の RMSE 及び誤差平均を Table-2 に示す。手法別検出指示長さ分布(EDMノッチ)4035UT指示長さ(mm)20UXEY◆PA;フェーズドアレイ斜角法●L45:縦波45°斜角法 5.0A L60;縦波60°斜角法 0.0 - 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0EDM実測値(mm) Fig.7 手法別検出指示長さ分布(EDM ノッチ)73Table-3手法別検出指示長さデータ(EDM ノッチ)探傷方法 | データ数 | RMSE |誤差平均」 | PA 斜角法6.44.8 縦波 45°斜角法5.64.9 「縦波 60°斜角法 158.318167.4Fig.7 及び Table-3 から,各手法共指示長さは実測値 と比較して長い値を示しており,保守的な結果が得ら れている。縦波 60°斜角法は,他の手法と比べて指 示長さが長い傾向にあるが,RMSE の値は 8.3mm で あり,有効な手法の一つと言える。4.2 実証試験(ブラインド試験)メーカー2 社によって, PA 斜角法, 固定角斜角法で, SCC(一部疲労き裂を含む)を付与した試験体と,無欠 陥の試験体で構成した試験体の,き裂検出及びき裂長 さ測定を,ブラインド方式で実施した。尚,メーカー 2社はそれぞれパーティションで仕切り,相互を隔離 した状態でTV カメラによる常時監視のもとで試験を 行なった。4.2.1 適用手法ステンレス鋼溶接部の溶接線を透過してのき裂検 出を目的としていることから,以下に示す斜角法が主 に採用されている。Table-4 実証試験適用手法 探傷手法 「A社「B社 備考 PA 「縦波|OTO 横波150A に適用※ | 固定角 45° | 縦波|O|0固定角 600 | 縦波|0|0|「横波| |0|150A に適用※ ] ※;150A 配管の場合,溶接金属を透過する距離が短い ことから横波を採用4.2.2 検出性(=欠陥識別性)SCC(一部疲労き裂を含む)を付与した試験体と,無 欠陥の試験体を順不同で探傷した結果,2社共適用し た全ての手法で,誤検出(=き裂を見逃す,或は無欠 陥をき裂有りと判定する誤判定)が無い結果であった。また,母材部に付与した深さ 1mm の EDM ノッチ を CRT の 80%となるように基準感度を設定して探傷 した結果, 全て基準感度の 20%以上で検出されており, 充分な検出能力を有することが確認された。検出性の判定を数値化することは困難であるが,き 裂からのエコーの識別性(=ノイズとの分離性)を, Table-5 に示すように 4 段階に分けそれぞれの得点を 設定して評価した。この評価による,き裂を検出した際のき裂深さと検 出性の関係を Fig.8に,また,き裂の面積(半楕円と想 定)と検出性の関係を Fig.9に示す。Table-5 検出難易度換算得点 探傷状況得点 エコー識別明瞭,単独手法で欠陥有無の判断が可能 1.0 エコー識別やや良,単独手法で欠陥有無の判断が可能 エコー識別不良,他手法と組み合わせで判断が可能 0.5 エコー識別不良, 他手法と組み合わせても判断が不可能」 0.00.9手法別き裂深さ(%t)と検出性検出性換算得点ΔΔΔ.◆PA;フェーズドアレイ斜角法 ● L45; 縦波45°斜角法 A L60; 縦波60°斜角法00.10.20.50.60.730% 40% き裂深さ(%t)Fig.8 手法別き裂深さと検出性手法別き裂面積と検出性 くき裂面積=長さ×深さから半楕円として計算>10 12 SR-|検出性換算得点●PA;フェーズドアレイ斜角法 ●L45:縦波45°斜角法 A L60:縦波60°斜角法1200400 600 800 1000 1200 1400 1600き裂面積(半楕円換算mm2)Fig.9 手法別き裂面積と検出性PA 斜角法及び縦波 45°斜角法では,実施した全て の試験体のき裂に対して,き裂のエコーが明瞭あるい はやや良の結果が得られ,溶接金属を透過した探傷の 有効性を確認できた。しかし,縦波 60°斜角法では, 比較的浅く長さが短いき裂(き裂面積が狭い)の場合, エコーの識別性が低下する結果であった。この結果か ら縦波 60°斜角法の実適用に際しては,単独での適 用は避けるのが望ましいと考えられる。 - なお, き裂検出性と試験体の板厚には相関関係は無 いが,本研究ではき裂深さを絶対値ではなく板厚比 (=き裂深さ/板厚×100%)として表現した。4.2.3 き裂長さサイジング - 検出された指示の消失点(ノイズとの分離限界点) を元に測定した結果をき裂の長さとし,内面 PT によ るき裂長さ測定値との比較を Fig.10 に示す。また,各 手法毎の測定値をPTによる測定値を真値としたRMS 誤差及び誤差平均値を Table-6 に示す。UT指示長さと内面PT長さの比較(PA:フェーズドアレイ斜角法)UT指示長さ(mm)0208040.0 11600 内面PT長さ(mm)UT指示長さと内面PT長さの比較(L45:縦波45°斜角法)UT指示長さ(mm)020608040.0 内面PT長さ(mm)30UT指示長さと内面PT長さの比較(L60;縦波60°斜角法)溶接金属0.20.1000.10.20.50.60.730.0% 40.0% 母材側からの測定値(%t)AA深さ測定方向の比較」 (L45:縦波45°斜角法)0.70.60.520608040.0 内面PT長さ(mm)溶接金属透過測定値(%t)Fig.10 UT 指示長さと PT 長さの比較0.30.20.1000.10.20.50.60.7e-6 手法別長さサイジング RMSE 及び誤差誤差」 誤差 梁傷方法 RMSEMax Min 角法 | 10.1 | 3.3 | 18.0 | -14.0 |(L60;縦波60° 斜角法) 80.030.0% 40.0% 母材側からの測定値(%t)UT指示長さ(mm)020608040.0 内面PT長さ(mm)Fig.10 UT 指示長さと PT 長さの比較誤差Table-6 手法別長さサイジング RMSE 及び誤差 探傷方法誤差 「RMSE | 平均 Max | Min] | PA 斜角法 | 10.1 | 3.3 | 18.0 | -14.0 | 「縦波45°斜角法 | 7.5 | 2.9 | 16.0 | -6.6 | 「縦波60°斜角法 | 9.8 | 5.7 | 22.5 | -7.8 |* UT 指示長さのグラフ及び手法別の長さサイジング の RMSE,誤差平均のデータから,実機での適用が想 定される全ての手法で良好な結果を得ている。 - 誤差に関しては超音波探傷の特徴である音波の広 がりの影響で、+側にずれる傾向を示している。誤差 平均においては全ての手法共保守的な結果であり, RMSE に関しては米国 ASME 規格※の PD 合格基準値 (19mm)を満足した結果である。* ; ASME Code Sec. X1,App. VIII Supplement 2 (オーステナイト系ステンレス鋼配管継手溶接部に関する PDI 認 証要件)・・・長さサイジングの RMSE は欠陥の真 の値に対して 0.75in(19mm)以下であること。4.2.4 深さサイジング 1. 本研究は,探傷不可範囲の低減を目的として, 溶接 金属を透過した探傷でのき裂の検出を主体に実施し た。ただし,き裂が検出された際にはその深さ測定が 必要となることから, 本研究では検出に適用した手法 での,き裂深さ測定の可能性を調査した。 - 溶接金属を透過しての深さ測定値と母材側からの き裂深さ測定値との比較を Fig.12 に示す。なお、き裂 深さサイジング精度と板厚には明確な関係は無いが、 本研究においては、3種類の板厚の試験体による3手 法での深さサイジングであることから、便宜上き裂の 深さは板厚の比(=き裂深さ/板厚×100%)を用い て表現した。深さ測定方向の比較 (PA:フェーズドアレイ斜角法)(%)型似点胸慶州一興70.0% 60.0% 50.0% 40.0% 30.0% 20.0% 10.0%00.10.120.0% 30.0% 40.0% 50.0%母材側からの測定値(%t)0.60.70.60.7深さ測定方向の比較 (L60: 縦波60°斜角法)0.70.6▼0.5▼0.4溶接金属透過測定値(%t)AAA0.3ANA0.2ΔΔΔ.0.1000.1AAAAA 20.0% 30.0% 40.0%母材側からの測定値(%t)0.50.60.7Fig.12 深さ測定方向の比較753.23.712また、手法毎の RMSE 及び深さ測定不能箇所数を Table-7 に示す。 Table-7 手法別 RMSE 等のデータ| PA | L45° | L60° | RMSE3.0 「深さ測定不能箇所数Fig-12 及び Table-7 に示す内容から,今回のき裂の 検出を目的とした装置による深さ測定の適用性確認 においては、多少のばらつきはあるものの全体的に良 好な結果が得られたと考えられる。また,深さ測定に 特化した探触子の適用などにより,更なる精度向上の 可能性はあるが,大まかなき裂深さの推定は,支障な く行えることが確認された。5.結言ステンレス鋼溶接金属を透過した超音波探傷によ るき裂の検出には, 縦波斜角法を用いることで所期の 目的を達成できることを確認した。また,溶接金属を 透過してのき裂深さ測定の可能性を確認できた。 参考文献 [1]「軽水型原子力発電所用機器の供用期間中検査における超音波探傷試験規程」JEAC4207-2008((社)日本 電気協会原子力規格委員会)解説-2620-1 [2]「定期事業者検査における超音波探傷試験の代替措置計画策定について」 平成20・02-05 原院第5号 「31 米山弘志「オーステナイト系溶接部の超音波探傷」溶接技術 1994年10月号 [4] (独)原子力安全基盤機構「平成 16年度原子力発電設備検査技術実証事業に関する報告書(超音波探傷試験における欠陥検出性及びサイジング精度に *関するもの) [総括版]平成17年4月[3][4]- 76 -“ “?ステンレス鋼溶接金属を透過したUT(検出)確認試験研究の成果“ “永田 義昭,Yoshiaki NAGATA,長谷川 勝広,Katsuhiro HASEGAWA,久米田 正邦,Masakuni KUMEDA,稲垣 哲彦,Tetsuhiko INAGAKI,中田 親秀,Chikahide NAKADA,太田 隆,Takashi OHTA,田口 豊,Yutaka TAGUCHI,米谷 豊,Yutaka KOMETANI,清水 康,Yasushi SHIMIZU,三橋 忠浩,Tadahiro MITSUHASHI,東海林 一,Hajime SHOHJI,山口 篤憲,Atsunori YAMAGUCHI,杉林 卓也,Takuya SUGIBAYASHI,小林 輝男,Teruo KOBAYASHI