複雑形状をもつオーステナイト系ステンレス鋳鋼部材へのUT適用検討
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カテゴリ: 第15回
複雑形状をもつオーステナイト系ステンレス鋳鋼部材への UT 適用検討
UT application examination for complicated shape part of cast austenitic stainless steel
東芝エネルギーシステムズ（株）
山本
摂
Setsu YAMAMOTO
東芝エネルギーシステムズ（株）
菅原
あずさ
Azusa SUGAWARA
東芝エネルギーシステムズ（株）
千星
淳
Jun SEMBOSHI
東芝エネルギーシステムズ（株）
落合
誠
Makoto OCHIAI
Member
東芝エネルギーシステムズ（株）
土橋
健太郎
Kentaro TSUCHIHASHI
東芝エネルギーシステムズ（株）
山本
智
Satoshi YAMAMOTO
Member
Abstract
Recently, an application target of the phased array ultrasonic testing (PAUT) has been extended. However, it was known that PAUT was difficult to apply to components with complex and high damping materials such as cast austenitic stainless steel (CASS). The Authors have developed shape adaptive beam forming PAUT system for complicated shape parts and comprehensive PAUT conditions analysis system for CASS. Each PAUT systems based on full matrix capture (FMC) technique. In order to enhance an applicability of each system, we have combined them. For the verification of a detectability of combined system, joint part of CASS valve and piping which have axial thermal fatigue cracks was fabricated as a target. In this paper, principles and performance verification of the system would be represented.
Keywords: Ultrasonic testing, Phased array, Linear scanning, Complicated shape part
1 緒言
高度な安全性が求められる原子力発電プラントでは、き裂等のサイジング手法として通常の超音波探傷試験(UT)にかわって、フェーズドアレイ超音波探傷(Phased Array Ultrasonic Testing: PAUT)技術が適用されるケースが増えてきている[1,2]。通常の単眼プローブを用いたUT は探傷屈折角やフォーカス深さが固定されてしまうが、PAUT はそれらが電子 により であり探傷 の
示も なことから 後も適用 が 大してい と考えられる。
しかしながら、PAUT であっても表面形状が複雑だったり、オーステナイト系ステンレス鋳鋼(Cast austenitic stainless steel: CASS)等の高減衰材で構成されていたりす
連絡先:山本摂、〒235-8523 横浜市磯子区新杉田町8 東芝エネルギーシステムズ 株式会社
原子炉システム・量子応用技術開発部
E-mail: setsu.yamamoto@toshiba.co.jp
る対象には適用が十分に進んでこなかった。前者はプローブの安定した接触が困難なことや、超音波の予期せぬ反射や屈折のため探傷屈折角の制御が困難なことが原因 であった。そのため形状にあわせたビーム制御や、柔軟性をもつプローブの開発等が提案されてきた[3-6]。後者は、粗大な粒界における超音波伝搬効率の低下や粒界か らの散乱ノイズにより、検出対象である欠陥からの指示が十分な感度で得られないことが原因であった。これらに対しても、フォーカス プローブや探傷屈折角等の
を に 技術に開発により、探傷 度の 上がられてきている[7-10]。
一般に、製造方法から鑑みてもCASS で構成されている部材は、バルブや曲管部のように探傷面が曲面であることが多い。そのため、上記技術はそれぞれ単体ではな
、組合せて用いることで大幅にPAUT 適用 の 大が見込まれる。著者らの開発した上記技術はいづれも全波形をサンプリングしポスト処理で様々なPAUT を
なFull matrix capture (FMC)を ースとしてい
る[5,6,8-11]。そこで、著者らはFMC を ースとして両技術を組合せたPAUT システムを開発した。両技術を用いることで初めて探傷が なモデルとして、バルブ-配管継手の軸方 疲労き裂を想定し、探傷性 検証を行った。本論文では、原理の解説および試作試験体で測定した探傷 について述べる。
2 原理
Incident angle
Refraction angle
Center of usage elements
Incident point Focal point
本技術を用いた場合の、ある 1 測定点におけるデータ取得から信号処理完了までのフローをFig.1 に示す。step1 として、FMC で知られているように送信 子を切り替えながら 1 子または複 子で超音波を送信し、全 子で受信することで全パタンの生波形を取得する。step2 として、得られた生波形を元にして開口合成法等を用い表面形状を取得する。step3 として、step2 で得た表面形状を
Incident angle
Conventional PAUT
Center of usage elements
Incident point Focal point
反映し、所望の探傷屈折角や焦点深さといった探傷での遅延時間を算出する(Fig.2)。step4 でその遅延時間をもとに生波形を合成し、B-Scope を得る。step3 およびstep4 を step3 に入力する探傷 を えながら所望の回
(ここで、探傷屈折角の を? 0 から?N に定め、増分
を?? とする)繰り返すことで、鋳鋼内のノイズと欠陥の
に必要な探傷 を得ることができる(Fig.3)。ここ
Refraction angle
Shape adaptive beam steering PAUT Fig.2 Schematic diagram of sound beam of PAUT
Step1: Raw wave acquisition (FMC)
Step2: Surface profile measurement
Fig.1 Measurement flow of this PAUT system
Fig.3 Schematic diagram of Refraction angle scanning from ?0 to ?N
で得た種々 の探傷 を用い、step5 で各指示の0依存性を することで、欠陥とノイズの弁別を行う。このう step1 のみがオンサイトで必要な であり、それ以降はすべてオフライン、ポストプロセスでの信号処理となる。
3 性能検証
試験体設計
開発した PAUT システムの探傷性 を検証するため、軸方 、周方 両方に きを するバルブ-配管継手部の形状を模擬した試験体を試作し、周方 探傷でしか検出できない軸方 の疲労き裂を導入した。Fig.4 に試験体の概念 を示す。FIg.4(a)は、疲労き裂導入部の軸方 断面
、(b)は、A-A’面における周方 断面 である。 中字の単位は全て mm である。本試験体はあ まで形状模擬試験体のため、溶接中心に相当する位置も含めて一体 の CASS イン ットから り出しで した。疲労き裂導入位置は、溶接中心線に相当する位置から軸方 に定
められた探傷 の中で、表面が最も軸方 に曲面を
探傷結果
探傷 について述べる。プローブは中心周波 2MHz、
波、 子 128ch のものを用い、プローブ下端と曲率部と先端の距離が 30mm となるようにギャップを設けて水浸法で測定した。Fig.5 に探傷屈折角45゜での探傷(B-Scope)を示す。 軸は深さ方 、横軸は周方 を表しており Fig.5(a)は全体 、(b)は指示部の 大 である。表面の曲率に合わせて超音波が試験体内に入射し、き裂コーナおよび端部の位置で指示が得られていることを確 認した。Fig.6 に探傷屈折角を37゜から53゜まで2゜刻みに させて測定したときの B-Scope を示す。疲労き裂近傍の座標に着目してコーナおよび端部の指示が検出さ れているかを した。探傷屈折角 37゜の時点でコーナの指示は得られており、41゜から分離した端部指示が得られるようになった。その後、49゜まで連続して分離した指示が得られ続けたが、51゜以降は両指示とも識別が困難になった。このようにある探傷屈折角を中心に連続 した角度で指示 度を する指示を見出すことで欠陥と
10
Depth direction [mm]
する位置、すなわ 軸方 にも周方 にも形状補正が必
要な位置を選択した。き裂形状はアスペクト比3:1 とし、30
観察 なき裂長さが 9mm になるように管理して導入
した。s0
100
s0
Signal intensity [%]
Valve side
Center of weld joint
A
Fatigue
Piping side
70
90
-40
-200
0
20406080
9 crack
38
3
Circumferential direction [mm]
Normal B-Scope image
Inspection area
A'40
Depth direction [mm]
100
(a) Axial cross-sectional view
s0 60
70
80
1030
Signal intensity [%]
s0
0
s070
Circumferential direction [mm]
(b) A-A’ circumferential cross-sectional view Fig.4 Schematic diagrams of specimen
(b) Magnified B-Scope image
Fig.5 B-Scope images of circumferential flaw detection (? = 45 deg)
8= 37°8= 39°8= 41°
8= 43°8= 4s°8= 47°
8= 49°8= s1°8= s3°
Fig.6 Sequential B-Scope images (?0 = 37 deg, ?N = 53deg, ??? = 2 deg)
ノイズを弁別できることが著者らの知見で得られており[8,9]、ここで得られた指示は疲労き裂のコーナと端部であると推定できることがわかった。両指示の距離を探傷屈折角45゜時にA-Scope 指示位置から したところサイジング深さは約 3.5mm であり、設計深さである 3mm とよ 一致した。
4 結言
本論文では、複雑形状かつ高減衰な材料を対象として新たに開発した PAUT システムの原理および探傷性 検証 について述べた。材料としてはオーステナイト系ステンレス鋳鋼、形状としてはバルブ-配管継手の複雑形状部を探傷性 検証対象とし、軸方 に疲労き裂を導入した継手形状模擬試験体を試作した。開発した PAUT システムを用いて検証用試験体を測定した 、深さ3mm 疲労き裂の検出に成功した。また、本システムでのサイジング と疲労き裂設計深さの誤差は約0.5mm であった。 後は測定に供するき裂の や種類を更に増やしたり使用する周波 を させたりすることで、本システムの 効性および汎用性を検証してい 。
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