超音波可視化技術および数値解析を用いた焦点型電磁超音波探触子の評価
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カテゴリ: 第16回
超音波可視化技術および数値解析を用いた焦点型電磁超音波探触子の評価
Evaluation of Point Focusing EMAT using ultrasonic wave visualization system and finite element analysis
東北大学・工学研究科
手塚
晃世
Akitoshi
TEZUKA
Student Member
（一財）発電設備技術検査協会
山本
敏弘
Toshihiro
YAMAMOTO
Member
東北大学・流体科学研究所
孫
宏君
Hongjun
SUN
Member
東北大学・流体科学研究所
浦山
良一
Ryoichi
URAYAMA
東北大学・流体科学研究所
内一
哲哉
Tetsuya
UCHIMOTO
Member
東北大学・流体科学研究所
闇木
敏行
Toshiyuki
TAKAGI
Member
Electromagnetic acoustic transducer (EMAT) is suited to monitoring because of its non-contacting nature. However, a standard EMAT tends to give overestimating results because the estimated thickness is associated with the average of varying thickness over an area under the coil of EMAT. To solve this problem, Point-Focusing EMAT (PF EMAT), which concentrates ultrasonic waves at a certain point, was applied to thickness gauging. This study evaluates the focusing property of PF EMAT and its applicability to local pipe wall thinning evaluation. The ultrasonic waves focused on the back wall with PF EMAT were visualized in experiments. Then, the experimental results were compared with the corresponding simulation results obtained by 2D finite element method (FEM). Finally, the focusing effect with different specimen thickness was evaluated by 2D FEM.
Keywords: Non-destructive testing (NDT), Ultrasonic testing (UT), Point Focusing EMAT,
Ultrasonic wave visualization system, Finite element analysis, Pipe wall degradation, Decommissioning
1 緒言
東京電力福島第一原子力発電所では廃炉に向け，燃料 デブリの取り出しについて議論されている．核燃料の一 部が圧力容器を貫通し，格納容器へ溶け落ちた 1-3 号機では，圧力容器や格納容器の底に冷えて固まった燃料デブリが残存しており，廃炉に取り組むうえでこの燃料デブリを取り出すことは重要な課題とされている．
デブリ取り出しには気中工法や水中工法があるが，いずれの場合も切り出しに伴うデブリ粉塵や金属切粉が発
し，配管内の冷却水中を流れる．このような固液混相流が発 すると配管 面に 所的な減肉が発 し 的には に る れもある．したがって， 所的な減肉をニタリングによって管理することは重要である．
配管の厚さ測定法として電磁超音波探触子(EMAT)を用いた超音波厚さ測定が行われているが，従来の探触子ではプローブ面積下の平均的な厚さを測定するため，厚 さを大きく見積もり， 所的な減肉部の正確な厚さ測定が な場合がある[1]．そこで超音波を 所に集束さ る探触子(Point Focusing EMAT, PF EMAT)を配管肉厚測定に
用いて 所的な減肉部の厚さ測定を目指す．
本研究では試作した深さ20 mm において超音波を集束する PF EMAT の集束特性を超音波可視化技術および有限要素法を用いた数値解析により評価する．
2 焦点型電磁超音波探触子 (PF EMAT)[2]
PF EMAT は，式(1)に従い隣り合う音源から発信するSV (Shear vertical)波が，焦点で位相が冗ずれるように設計することで，各線音源から発信したSV 波を焦点に集束する． Fig. 1 (a)にその概念を，Fig. 1 (b)に試作した探触子を示す．
Ri+1 - Ri = .-/2 = vs /(2/)(1)
ここで，Ri は焦点と0 からi 目の音源の ，vs は 波の音 ， は 波の波 ，f は発信信号の 波数を示し， Fig. 1 (a)中のzF は焦点深さを示す．
3 可視化実験
超音波可視化装置((一財)発電設備技術検査協会所有)[3] を使用し，PF EMAT から発信した超音波を試験片裏面において可視化を行う． ル ー シー ー RPR-4000， RITEC 社製）で超音波を送受信して，超音波可視化システム UTS-101，JUST R&D 社製）で可視化装置のx-y ステージおよびRPR-4000 のトリガーを制御する．EMAT か
(b)
Fig. 1 Point Focusing EMAT[2]
C-scan(b) B-scan (exp. vs analysis) Fig. 3 Echo amplitude profile of PF EMAT
Fig. 2 2D model of numerical analysis
ら発信した信号は試験片裏面において面外成分を計測す る縦波用圧電探触子(2C0.5x0.5N)を用いて試験片裏面の2 次元平面上を0.2 mm ピッチで計測する．
4 数値解析
有限要素シミュ ーションソフトである COMSOL Multiphysics?を用いて超音波集束特性を 2 次元解析により実施して実験結果と比較する．また，焦点深さと異なる厚さの試験片裏面での超音波の分 を解析し比較する．2 次元解析はFig. 2 の解析 デルを用いて静磁場解析，渦電流解析，超音波伝搬解析の3 段階で行われる．
5 結果
可視化装置および解析による集束評価
Fig. 3 (a)に試験片裏面での 大値で 格化した超音波振幅の C スキャン画像を示す．Fig. 3 (a)より6dB ドロップ指示範囲で評価した有効ビーム径は 6.8 mm であった． また，Fig. 3 (b)にPF EMAT の中心線における実験値および数値解析での振幅のB スキャンを示す．Fig. 3 (b)より， 実験と解析のいずれも超音波の振幅がx =士1 付近においてピーク値をとり，x = 0 付近で大幅に小さくなった．
肉厚の変化による測定への影響評価
2 次元解析により試験片厚さを15 から25 mm に変化さ
たときの裏面での超音波の有効ビーム径および 大値をそれぞれFig. 4 (a), (b)に示す．Fig. 4 (a)より有効ビーム径は試験片厚さ15 から23 mm において3.6 から4.0 mm であり大きな変化はなかった．一方で，信号振幅の 大値は Fig. 4 (b)より試験片厚さに影響され設計した焦点深さである20 mm の時が 大となった．
(a) Sample thickness vs(b) Sample thickness vs Effective beam diameterMax. echo amplitude
Fig. 4 Effect of sample thickness (Analytical evaluation)
6 結言
本研究では焦点深さ20 mm に設計したPF EMAT の集束特性を，可視化装置を用いた実験および数値解析により評価した．実験により有効ビーム径は6.8 mmであった． また実験と解析の で，信号振幅の分 に 合性が見られたことから可視化装置は PF EMAT の集束特性の評価に有効と考えられる．さらに，試験片厚さとPF EMAT の焦点設計深さとの違いが，有効ビーム径および 大振幅に及ぼす影響を評価した．信号振幅の 大値は試験片厚さに影響されることが分かった．今後は受信信号を評価して，実用化への検 を行う．
謝辞
本研究の一部は，「文部科学省英知を結集した原子力科
学技術・ 成 ( ) により実施された「配管減肉の ニタリングと予測に基づく配管システムのリスク管理 の成果である．
参考文献
H. Sun and T. Takagi et al., “Effect of Scaly Structure on the Measurement of Pipe Wall Thickness using EMAT,” E-Journal of Advanced Maintenance 9, 1, (2017) 15-25.
T. Takishita, and H. Ogi et al., “Development of shear-vertical-wave point-focusing electromagnetic acoustic transducer,” Japanese Journal of Applied Physics 54, (2015) 07HC04.
山本敏弘 “EMAT が発 する超音波の可視化,” 溶 ・ 壊検査技術センター技術 ビュー 9, (2013) 17-21.