水中レーザ溶接向け渦電流探傷試験の適用性評価
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カテゴリ: 第7回
1. 緒言
加圧水型原子炉(PWR)および沸騰水型原子炉 (BWR)の原子炉(圧力)容器や原子炉内構造物を対 象に、応力腐食割れ(SCC)に対する予防保全、補修 工法の一つとして、水中でのレーザ光照射によるク ラッド溶接工法の開発が進められている[1]。本水中 レーザ溶接工法では、レーザ溶接対象面に開先加工 を施した後、溶接を行い、溶接表面を研削加工する 手順が検討されている。このとき、開先加工面と研 削加工後のレーザ溶接面の水中環境における表面検 査が要求される。その検査手法として渦電流探傷試 験(ECT)が有力候補である。そこで、開先加工面お よびレーザ溶接後の表面研削加工面を模擬し、各表 面に放電加工(EDM)スリットを付与した試験体を用 いて ECT による探傷試験を行い、欠陥検出性を評価 した。ここでは、水中レーザ溶接施工の代表例とし て、PWR の原子炉冷却材出入口管台を選定した。
2. 模擬試験体、PWR 冷却材出入口管台の異材溶接継手部概略図 を Fig.1 に示す。同図中の(a)開先加工面と(b)レーザ 溶接後の表面研削加工面が表面検査の対象面である。開先加工面の形状を模擬した試験体(TP-1-1)、材質 を模擬した試験体(TP-1-2)、およびレーザ溶接後の表 面研削加工面の材質と表面状態を模擬した試験体 (TP-2)を準備した。TP-1-1、TP-1-2、および TP-2 の 概略図を Fig.2、Fig.3、および Fig.4 に示す。 連絡先: 小林徳康, 〒235-8523 横浜市磯子区新杉 田町 8, 株式会社東芝,電話 :045-770-2307, E-mail: noriyasu.kobayashi@toshiba.co.jp
er beam welding, PWR, BWRddingSurface inspection areaSafe end (Stainless steel)ter (10)Weld metal (Alloy 600)(a) Groove surfaceing layerStainless steel claddingSurface inspection areaNozzle (Low alloy steel)Safe end (Stainless steel)Weld butter (Alloy 600)Weld metal (Alloy 600)Laser cladding layer(Alloy 690)Surface inspection area(b) Grinded welding surfaceFig. 1 Schematic of dissimilar weld between reactorvessel and safe end
Material; 316L SS Unit; mmEDM Slit No. Length Depth Width(mm) | (mm) | (mm) | (1), (4), (7), (10) | 1.5 | 0.3
Fig.2 Schematic of TP-1-1
309L Stainless steelcladdingLow alloy steelWeld metal 316L (Alloy 600/ Stainless steelUnit; mmEDM Slit No. 「Length | Depth | Width(mm) | (mm) | (mm) | (1), (2), (3), (4),(5) | 1.5 | 0.3 | 0.2Fig.3 Schematic of TP-1-2140_
Laser cladding layer(Alloy 690)Base material; 316L SS Unit; mmEDM Slit No. 「Length | Depth | Width(mm) | (mm) | (mm) (1),(4)
Fig.4 Schematic of TP-2TP-1-1 では溶接部の開先面検査を模擬するために、 SUS316L 板材を開先面の形状に加工した。開先面の 各部(凸曲面、凹曲面、平面、傾斜面)における検 出性確認のために、長さ 1.5mm、深さ(0.3mm から 1mm)、幅 0.2mm の EDM スリットを付与した。TP-1-2 では異材継手部の表面検査を模擬するため に、低合金鋼上に SUS クラッド溶接した部材と、 SUS316L を 600 合金で溶接を行った。各材質および 異材境界部における検出性確認のために、長さ 1.5mm、深さ 0.3mm、幅 0.2mm の EDM スリットを 付与した。 - TP-2 ではレーザ溶接部の表面検査を模擬するた めに、開先加工を行った SUS316L 母材の開先面に対 し、耐食性の高い 690 合金のレーザ溶接を実施した 後、表面の研削加工を行った。検出性確認のために、 長さ 1.5mm、深さ(0.3mm から 1mm)、幅 0.2mm の EDM スリットをSUS316L 母材と 690 合金との境界 部および 690 合金上に付与した。3.試験装置および方法試験装置のブロック図を Fig.5 に示す。試験装置 は、ECT プローブ、ECT データ取得システム、X-Y スキャナ、スキャナコントローラ、ECT データ解析 システム、および模擬試験体から構成される。X-Y スキャナに取り付けた ECT プローブを模擬試験体 表面に設置する。ECT データ取得システムは ECT プローブとスキャナコントローラに接続され、ECT プローブを模擬試験体表面上で二次元走査しながら 探傷データを取得する。取得した探傷データは、ECT データ解析システムに送られ、振幅(感度)および 位相角等から欠陥検出のための解析を行う。探傷試験は Table1 に示す試験条件にて行った。使 用した ECT プローブは単一プローブであり、試験コ イルにはクロスコイルを用い、試験周波数 500kHz で探傷試験を行った。プローブの基準感度および位 相角は、深さ 1mm、幅 0.3mm、長さがプローブ外形 より長いEDM スリットを付与した SUS316L 製対比 試験片による探傷信号の感度を 100%、位相角を 90°に、各々設定した。各試験体での探傷試験に先立ち、対比試験片を用 いて気中と水中でのプローブ性能比較を行った。 Table2 に示すように、感度、位相角とも気中と水中 での探傷において、同等の値を示した。この結果か ら、水中での探傷が欠陥検出性に影響を与えないこ とを確認した。この結果から各試験体での探傷試験 は気中環境で行うこととした。
ECT data acquisitionsystemECT data analysissystemScanner controllerECT probeSpecimenX-Y scannerFig.5 Block diagram of test equipmentTable 1 Test conditions ECT probeSingle probe Test coilCross coil Test frequency500 kHz Test atmosphereIn air Specified sensitivity and phase angle | 100 %, 90 deg.Table2 Probe performance compared results betweenin-air and underwater Test atmosphere | Sensitivity (%) Phase angle (deg.) In air
4.試験結果TP-1-1、TP-1-2 および TP-2 の探傷試験結果を Table3、Table4 および Tables に、各々示す。ここで、 模擬欠陥(EDM スリット)検出の判定は信号の感度、 位相角等を基に行った。開先加工面の形状を模擬した TP-1-1 の探傷試験 結果から、凸曲面上、凹曲面上、平面上および傾斜 面上に付与した全ての EDM スリットからの欠陥指 示を確認した。開先加工面の材質を模擬した TP-1-2 の探傷試験結果から、SUS クラッド上、SUS クラッ ドと 600 合金との境界部、600 合金上、600 合金と SUS316L 母材との境界部および SUS316L 母材上に 付与した全ての EDM スリットからの欠陥指示を確 認した。レーザ溶接後の表面研削加工面の材質と表 面状態を模擬した TP-2 の探傷試験結果から、 SUS316L 母材と 690 合金との境界部および 690 合金 上に付与した全ての EDM スリットからの欠陥指示 を確認した。* 各試験体を用いた全ての探傷試験において、EDM スリットによる信号の感度は、深さ 0.5mm 以上の場 合、全て基準感度の 20%以上の指示であった。また、 深さ 0.3mm の EDM スリットについては、基準感度 の 20%未満の指示であった。Table3 Test results of TP-1-1 EDM | Depth | Surface | Material | Sensitivity* | Slit No. | (mm) | figure0.3 Convex 316L SScurve 0.5 Convex 316L SScurve Convex 316L SScurve Concave 316LSScurve Concave | 316L SScurve 1.0 | Concave 316L SScurve
TP-1-1 に付与したEDMスリット No.7(深さ0.3mm、 三面上に付与)のCスコープ表示を Fig.6 に示す。 コ図中の xy 平面が試験体表面に対応しており、z軸 F ECT の探傷信号振幅を示す軸である。この結果か -、EDM スリットが明確に検出できていることがわる。また、各試験体に付与した深さ 0.3mm の EDM -リットについても、Fig.6に示すCスコープ表示に ずる結果を示した。z (ECT signal amplitude)Distance)(Distance)g.6 C scope image of EDM slit No.7 on TP-1-1 以上の探傷試験結果から、水中レーザ溶接施工時 機械加工面(開先加工面およびレーザ溶接部表面、 らにそれら表面の異種金属境界) に対する ECT の 陥検出性として、深さ 0.3mm 以上の EDM スリッ を検出できることを確認し、ECT が水中レーザ溶 向け表面検査へ適用可能であることを確認した。 .結言 水中レーザ溶接施工時に要求される表面検査を想 し、EDM スリットを付与した模擬試験体を用いて ごT 探傷試験を行い、検出性を評価した。 その結果、水中レーザ溶接施工時の機械加工面に する ECT の欠陥検出性として、深さ 0.3mm 以上 EDM スリットを検出できることを確認し、ECT 水中レーザ溶接向け表面検査へ適用可能であるこ を確認した。 =考文献 ] 福田健,田村雅貴, 頓宮雄一, 河野渉, 小畑稔,森島康雄, ““水中レーザによるテンパービード 溶接技術の開発”, 日本機械学会第 15 回動力・ エネルギー技術シンポジウム, (2010) to be published.“ “?水中レーザ溶接向け渦電流探傷試験の適用性評価“ “小林 徳康,Noriyasu KOBAYASHI,糟谷 高志,Takashi KASUYA,上野 聡一,Souichi UENO,落合 誠,Makoto OCHIAI,湯口 康弘,Yasuhiro YUGUCHI
加圧水型原子炉(PWR)および沸騰水型原子炉 (BWR)の原子炉(圧力)容器や原子炉内構造物を対 象に、応力腐食割れ(SCC)に対する予防保全、補修 工法の一つとして、水中でのレーザ光照射によるク ラッド溶接工法の開発が進められている[1]。本水中 レーザ溶接工法では、レーザ溶接対象面に開先加工 を施した後、溶接を行い、溶接表面を研削加工する 手順が検討されている。このとき、開先加工面と研 削加工後のレーザ溶接面の水中環境における表面検 査が要求される。その検査手法として渦電流探傷試 験(ECT)が有力候補である。そこで、開先加工面お よびレーザ溶接後の表面研削加工面を模擬し、各表 面に放電加工(EDM)スリットを付与した試験体を用 いて ECT による探傷試験を行い、欠陥検出性を評価 した。ここでは、水中レーザ溶接施工の代表例とし て、PWR の原子炉冷却材出入口管台を選定した。
2. 模擬試験体、PWR 冷却材出入口管台の異材溶接継手部概略図 を Fig.1 に示す。同図中の(a)開先加工面と(b)レーザ 溶接後の表面研削加工面が表面検査の対象面である。開先加工面の形状を模擬した試験体(TP-1-1)、材質 を模擬した試験体(TP-1-2)、およびレーザ溶接後の表 面研削加工面の材質と表面状態を模擬した試験体 (TP-2)を準備した。TP-1-1、TP-1-2、および TP-2 の 概略図を Fig.2、Fig.3、および Fig.4 に示す。 連絡先: 小林徳康, 〒235-8523 横浜市磯子区新杉 田町 8, 株式会社東芝,電話 :045-770-2307, E-mail: noriyasu.kobayashi@toshiba.co.jp
er beam welding, PWR, BWRddingSurface inspection areaSafe end (Stainless steel)ter (10)Weld metal (Alloy 600)(a) Groove surfaceing layerStainless steel claddingSurface inspection areaNozzle (Low alloy steel)Safe end (Stainless steel)Weld butter (Alloy 600)Weld metal (Alloy 600)Laser cladding layer(Alloy 690)Surface inspection area(b) Grinded welding surfaceFig. 1 Schematic of dissimilar weld between reactorvessel and safe end
Material; 316L SS Unit; mmEDM Slit No. Length Depth Width(mm) | (mm) | (mm) | (1), (4), (7), (10) | 1.5 | 0.3
Fig.2 Schematic of TP-1-1
309L Stainless steelcladdingLow alloy steelWeld metal 316L (Alloy 600/ Stainless steelUnit; mmEDM Slit No. 「Length | Depth | Width(mm) | (mm) | (mm) | (1), (2), (3), (4),(5) | 1.5 | 0.3 | 0.2Fig.3 Schematic of TP-1-2140_
Laser cladding layer(Alloy 690)Base material; 316L SS Unit; mmEDM Slit No. 「Length | Depth | Width(mm) | (mm) | (mm) (1),(4)
Fig.4 Schematic of TP-2TP-1-1 では溶接部の開先面検査を模擬するために、 SUS316L 板材を開先面の形状に加工した。開先面の 各部(凸曲面、凹曲面、平面、傾斜面)における検 出性確認のために、長さ 1.5mm、深さ(0.3mm から 1mm)、幅 0.2mm の EDM スリットを付与した。TP-1-2 では異材継手部の表面検査を模擬するため に、低合金鋼上に SUS クラッド溶接した部材と、 SUS316L を 600 合金で溶接を行った。各材質および 異材境界部における検出性確認のために、長さ 1.5mm、深さ 0.3mm、幅 0.2mm の EDM スリットを 付与した。 - TP-2 ではレーザ溶接部の表面検査を模擬するた めに、開先加工を行った SUS316L 母材の開先面に対 し、耐食性の高い 690 合金のレーザ溶接を実施した 後、表面の研削加工を行った。検出性確認のために、 長さ 1.5mm、深さ(0.3mm から 1mm)、幅 0.2mm の EDM スリットをSUS316L 母材と 690 合金との境界 部および 690 合金上に付与した。3.試験装置および方法試験装置のブロック図を Fig.5 に示す。試験装置 は、ECT プローブ、ECT データ取得システム、X-Y スキャナ、スキャナコントローラ、ECT データ解析 システム、および模擬試験体から構成される。X-Y スキャナに取り付けた ECT プローブを模擬試験体 表面に設置する。ECT データ取得システムは ECT プローブとスキャナコントローラに接続され、ECT プローブを模擬試験体表面上で二次元走査しながら 探傷データを取得する。取得した探傷データは、ECT データ解析システムに送られ、振幅(感度)および 位相角等から欠陥検出のための解析を行う。探傷試験は Table1 に示す試験条件にて行った。使 用した ECT プローブは単一プローブであり、試験コ イルにはクロスコイルを用い、試験周波数 500kHz で探傷試験を行った。プローブの基準感度および位 相角は、深さ 1mm、幅 0.3mm、長さがプローブ外形 より長いEDM スリットを付与した SUS316L 製対比 試験片による探傷信号の感度を 100%、位相角を 90°に、各々設定した。各試験体での探傷試験に先立ち、対比試験片を用 いて気中と水中でのプローブ性能比較を行った。 Table2 に示すように、感度、位相角とも気中と水中 での探傷において、同等の値を示した。この結果か ら、水中での探傷が欠陥検出性に影響を与えないこ とを確認した。この結果から各試験体での探傷試験 は気中環境で行うこととした。
ECT data acquisitionsystemECT data analysissystemScanner controllerECT probeSpecimenX-Y scannerFig.5 Block diagram of test equipmentTable 1 Test conditions ECT probeSingle probe Test coilCross coil Test frequency500 kHz Test atmosphereIn air Specified sensitivity and phase angle | 100 %, 90 deg.Table2 Probe performance compared results betweenin-air and underwater Test atmosphere | Sensitivity (%) Phase angle (deg.) In air
4.試験結果TP-1-1、TP-1-2 および TP-2 の探傷試験結果を Table3、Table4 および Tables に、各々示す。ここで、 模擬欠陥(EDM スリット)検出の判定は信号の感度、 位相角等を基に行った。開先加工面の形状を模擬した TP-1-1 の探傷試験 結果から、凸曲面上、凹曲面上、平面上および傾斜 面上に付与した全ての EDM スリットからの欠陥指 示を確認した。開先加工面の材質を模擬した TP-1-2 の探傷試験結果から、SUS クラッド上、SUS クラッ ドと 600 合金との境界部、600 合金上、600 合金と SUS316L 母材との境界部および SUS316L 母材上に 付与した全ての EDM スリットからの欠陥指示を確 認した。レーザ溶接後の表面研削加工面の材質と表 面状態を模擬した TP-2 の探傷試験結果から、 SUS316L 母材と 690 合金との境界部および 690 合金 上に付与した全ての EDM スリットからの欠陥指示 を確認した。* 各試験体を用いた全ての探傷試験において、EDM スリットによる信号の感度は、深さ 0.5mm 以上の場 合、全て基準感度の 20%以上の指示であった。また、 深さ 0.3mm の EDM スリットについては、基準感度 の 20%未満の指示であった。Table3 Test results of TP-1-1 EDM | Depth | Surface | Material | Sensitivity* | Slit No. | (mm) | figure0.3 Convex 316L SScurve 0.5 Convex 316L SScurve Convex 316L SScurve Concave 316LSScurve Concave | 316L SScurve 1.0 | Concave 316L SScurve
TP-1-1 に付与したEDMスリット No.7(深さ0.3mm、 三面上に付与)のCスコープ表示を Fig.6 に示す。 コ図中の xy 平面が試験体表面に対応しており、z軸 F ECT の探傷信号振幅を示す軸である。この結果か -、EDM スリットが明確に検出できていることがわる。また、各試験体に付与した深さ 0.3mm の EDM -リットについても、Fig.6に示すCスコープ表示に ずる結果を示した。z (ECT signal amplitude)Distance)(Distance)g.6 C scope image of EDM slit No.7 on TP-1-1 以上の探傷試験結果から、水中レーザ溶接施工時 機械加工面(開先加工面およびレーザ溶接部表面、 らにそれら表面の異種金属境界) に対する ECT の 陥検出性として、深さ 0.3mm 以上の EDM スリッ を検出できることを確認し、ECT が水中レーザ溶 向け表面検査へ適用可能であることを確認した。 .結言 水中レーザ溶接施工時に要求される表面検査を想 し、EDM スリットを付与した模擬試験体を用いて ごT 探傷試験を行い、検出性を評価した。 その結果、水中レーザ溶接施工時の機械加工面に する ECT の欠陥検出性として、深さ 0.3mm 以上 EDM スリットを検出できることを確認し、ECT 水中レーザ溶接向け表面検査へ適用可能であるこ を確認した。 =考文献 ] 福田健,田村雅貴, 頓宮雄一, 河野渉, 小畑稔,森島康雄, ““水中レーザによるテンパービード 溶接技術の開発”, 日本機械学会第 15 回動力・ エネルギー技術シンポジウム, (2010) to be published.“ “?水中レーザ溶接向け渦電流探傷試験の適用性評価“ “小林 徳康,Noriyasu KOBAYASHI,糟谷 高志,Takashi KASUYA,上野 聡一,Souichi UENO,落合 誠,Makoto OCHIAI,湯口 康弘,Yasuhiro YUGUCHI