JP2009294163A - 粒界面亀裂検出方法及び粒界面亀裂検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】あらゆる方向へ進展する粒界面亀裂を適正に検出することができる粒界面亀裂検出方法を提供すること。
【解決手段】超音波伝播媒体３を介して超音波探触子６から検査対象物Ｗへ超音波を発振して、検査対象物Ｗに反射した反射波を受信子６ｂで受信し、前記反射波に含まれる高調波波形に基づいて演算される非線形超音波特性を画像処理して表示する粒界面亀裂検出方法において、前記超音波探触子６が前記検査対象物Ｗの表面に対して前記超音波を入射させる入射角を変えて前記反射波を入力し（Ｓ５〜Ｓ９）、前記入射角毎に入力した前記反射波に含まれる高調波波形に基づいて演算される非線形超音波特性を前記入射角毎に画像処理して表示する（Ｓ１０，Ｓ１１）。
【選択図】図２

Description

本発明は、粒界面亀裂を非破壊的に検出する粒界面亀裂検出方法及び粒界面亀裂検出装置に関する。

近年、環境問題が注目されている中、水素を燃料として二酸化炭素を排出しない燃料電池自動車（ＦＣＶ）の普及への期待が高まっている。しかし、水素は、自然界に十分に存在するものでなく、人工的に製造しなければならない。水素を製造するための改質装置をＦＣＶに搭載すると、ＦＣＶの小型化や軽量化を図りにくく、燃料電池による省エネ性を十分に発揮できない上に、ＦＣＶがコスト高になる。そのため、ＦＣＶの普及拡大には、ＦＣＶに燃料である水素を供給する施設が必要不可欠であることから水素ステーションが建設されている。

水素ステーションでは、天然ガスやガソリンの改質によって製造した水素ガスや、副性水素ガスを圧縮して水素ガスタンク内で保管している。水素ガスは、現段階では３５ＭＰａ〜４０ＭＰａに圧縮されて保管されるが、将来的には７０ＭＰａ〜８０ＭＰａに圧縮されて保管されると考えられている。水素ガスタンクには、ディスペンサが接続し、水素ガスタンクの水素ガスがディスペンサを介してＦＣＶへ供給される。

水素ステーションのような高圧水素設備では、配管やタンク等の金属固体材料が高圧な水素により脆くなり（水素脆性）、水素脆性亀裂を発生する恐れがある。一方、水素ステーションのようなインフラ設備では、配管やタンク等を設備から取り外して亀裂の検査を行うことはできない。そこで、インフラ設備の健全性を維持管理するために、水素脆性亀裂の発生を初期段階で把握する非破壊検査が必要となる。

例えば超音波探傷による非破壊検査方法は、金属固体材料に超音波を伝播させ、金属固定材料に生じた欠陥に反射する超音波エコーから、欠陥を検出するものである。しかし、超音波探傷による非破壊検査方法は、例えば、閉じた亀裂のように、金属固体材料の超音波伝播経路にある欠陥が超音波の波長よりは遙かに小さい場合には、超音波が閉じた亀裂を通過して超音波エコーに区切りができず、欠陥を検出できない。
また例えば、放射線による非破壊検査方法は、放射線を金属固体材料に照射して、内部の欠陥を検出するものである。しかし、放射線による非破壊検査方法は、数ミクロンの亀裂の検出は検出できないことがあり、信頼性に問題がある。
そこで、例えば特許文献１及び特許文献２では、非線形超音波による非破壊検査方法が提案されている。

上記非線形超音波による非破壊検査方法では、金属固体材料と送信超音波探触子と受信超音波探触子とを水中に配置している。送信超音波探触子は、金属固体材料へ垂直又は斜めに大振幅超音波を入射させて走査し、金属固体材料の内部に超音波を伝播させる。受信超音波探触子は、金属固体材料から反射する反射波をコンピュータに出力する。コンピュータは、反射波に含まれる高調波波形に基づいて非線形超音波特性を演算し、非線形超音波特性を画像処理して表示する。このような非線形超音波による非破壊検査方法は、金属固体材料の内部に発生する高調波波形を用いるので、閉じた亀裂や数ミクロンの亀裂でも検出することができる。

特開２００６−６４５７４号公報 特開２００７−３１９７号公報

しかしながら、従来の非線形超音波による非破壊検査方法は、送信超音波探触子が金属固定材料に対して垂直又は斜めから一方向に超音波を入射していた。水素脆性亀裂は、一方向に二次元的に進展する疲労亀裂と異なり、粒界面に沿って亀裂が伝播するため、あらゆる方向へ三次元的に進展する特性を有する。従来の非線形超音波による非破壊検査方法は、検査対象物に対して一方向からのみ超音波を入射するため、粒界面に沿って複数の方向に三次元的に進展する欠陥を適正に検出できなかった。このような従来の非線形超音波による非破壊検査方法は、粒界面亀裂の長さ等の進展を見誤って金属固定材料の寿命評価を正確に行えない恐れがあるため、設備の健全性を維持管理するために使用するのが困難であった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、あらゆる方向へ進展する粒界面亀裂を適正に検出することができる粒界面亀裂検出方法及び粒界面亀裂検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る粒界面亀裂検出方法及び粒界面亀裂検出装置は、以下の構成を有する。
（１）超音波伝播媒体を介して超音波探触子から検査対象物へ超音波を発振して、検査対象物に反射した反射波を受信子で受信し、前記反射波に含まれる高調波波形に基づいて演算される非線形超音波特性を画像処理して表示する粒界面亀裂検出方法において、前記超音波探触子が前記検査対象物の表面に対して前記超音波を入射させる入射角を変えて前記反射波を入力し、前記入射角毎に入力した前記反射波に含まれる高調波波形に基づいて演算される非線形超音波特性を前記入射角毎に画像処理して表示する。

（２）（１）に記載の発明において、前記超音波探触子が前記検査対象物の表面に対して前記超音波を垂直に入射させる場合の前記入射角を０度としたとき、前記入射角を前記０度から±１０度の範囲内で変える。

（３）（１）又は（２）に記載の発明において、前記検査対象物が、圧縮した水素ガスを貯める水素ガスタンク、水素ガスが流れる水素ガス配管、液体水素を貯める液体水素タンク、又は、液体水素が流れる液体水素配管である。

（４）（１）乃至（３）の何れか一つに記載の発明において、入射角毎に画像処理した二次元画像を合成して三次元的に亀裂面を表示する三次元亀裂面表示画像を作成する。

（５）設備を構成する金属材料の粒界面亀裂を検出する粒界面亀裂検出装置において、検査対象物に所定周波数の超音波を入射する超音波探触子と、前記超音波が前記検査対象物に反射して発生する反射波を受信する受信子と、前記超音波探触子が前記検査対象物の表面に対して前記超音波を入射させる入射角を調整する入射角調整機構と、前記入射角調整機構によって調整される前記入射角毎に前記受信子が受信する前記反射波に含まれる高調波波形に基づいて演算した非線形超音波特性を画像処理して表示する画像処理部と、を有する。

（６）（５）に記載の発明において、前記入射角調整機構は、前記超音波探触子が前記検査対象物の表面に対して前記超音波を垂直に入射させる場合の前記入射角を０度としたとき、前記入射角を前記０度から±１０度の範囲内で調整するものである。

（７）（５）又は（６）に記載の発明において、前記検査対象物が、圧縮した水素ガスを貯める水素ガスタンク、水素ガスが流れる水素ガス配管、液体水素を貯める液体水素タンク、又は、液体水素が流れる液体水素配管である。

（８）（５）乃至（７）の何れか一つに記載の発明において、前記画像処理部が入射角毎に画像処理した二次元画像を合成して、三次元的に亀裂面を表示する三次元亀裂面表示画像を作成する画像合成部を有する。

上記構成を有する粒界面亀裂検出方法及び粒界面亀裂検出装置は、超音波探触子が検査対象物の表面に対して超音波を入射させる角度を入射角とし、この入射角を変えて反射波を入力し、入射角毎に入力した反射波に含まれる高調波波形に基づいて演算される非線形超音波特性を入射角毎に画像処理して表示する。

具体的には、例えば、超音波探触子が検査対象物に超音波を第１入射角で入射するように超音波探触子を第１位置に配置した状態で、超音波伝播媒体を介して検査対象物に超音波を入射する。検査対象物に入射した超音波は、検査対象物の内部に応力を生じさせる。検査対象物に粒界面亀裂がある場合には、超音波が粒界面亀裂の凹凸面で散乱し、反射波の強度にばらつきを生じる。一方、疲労破壊などのように目視可能な欠陥は、超音波が散乱しにくく、反射波の強度にばらつきを生じにくい。粒界面亀裂検出方法及び粒界面亀裂検出装置は、このようにして検査対象物に反射した反射波を、受信子で受信して入力する。

また、粒界面亀裂検出方法及び粒界面亀裂検出装置は、超音波探触子が検査対象物に超音波を第２入射角で入射するように超音波探触子を第２位置に配置した状態で、第１位置に超音波探触子を配置する場合と同様にして、反射波を入力する。

そして、粒界面亀裂検出方法及び粒界面亀裂検出装置は、第１及び第２入射角毎に入力した反射波に含まれる高調波波形に基づいて演算した非線形超音波特性を第１及び第２入射角毎に画像処理して表示する。上述したように、反射波は、粒界面亀裂が生じている部分では強度にばらつきを生じやすく、目視できる亀裂が生じている場合では強度にばらつきを生じにくい。そのため、第１及び第２入射角毎に表示される画像は、粒界面亀裂が生じている部分と、目視できる亀裂が生じている部分とで表示内容が異なり、粒界面亀裂の進展具合を判断できる。

粒界面亀裂はあらゆる方向へ三次元的に進展するが、粒界面亀裂検出方法及び粒界面亀裂検出装置は、第１及び第２入射角毎の反射波に基づいて画像を作成して表示する。そのため、例えば、第１入射角から超音波を入射しても粒界面亀裂を検出できない部分でも、第１入射角と異なる第２入射角から超音波を入射すると、粒界面亀裂を検出できることがある。また、第２入射角から超音波を入射した場合に検出される粒界面亀裂が、第１入射角から超音波を入射した場合に検出される粒界面亀裂より長く進展している場合がある。

よって、本発明の粒界面亀裂検出方法及び粒界面亀裂検出装置によれば、検査対象物に入射する超音波の入射角をかえながら反射波を受信し、その反射波に基づいて画像を作成して表示することにより、あらゆる方向へ進展する粒界面亀裂を適正に検出することができる。
尚、ここでは、説明を簡単にするために第１及び第２入射角を例に挙げて説明したが、入射角は３個以上設定して良いことは言うまでもない。

本発明の粒界面亀裂検出方法及び粒界面亀裂検出装置は、超音波探触子が検査対象物の表面に対して超音波を垂直に入射させる場合の入射角を０度としたとき、入射角を０度から±１０度の範囲内で変えるので、検査対象物に入射した入射波が検査対象物の粒界面以外の要因で散乱して反射波にノイズを生じさせることを抑制できる。

本発明の粒界面亀裂検出方法及び粒界面亀裂検出装置は、検査対象物が、圧縮した水素ガスを貯める水素ガスタンク、水素ガスが流れる水素ガス配管、液体水素を貯める液体水素タンク、又は、液体水素が流れる液体水素配管であるので、粒界面に沿って進展する水素脆性亀裂を検出することができる。

本発明の粒界面亀裂検出方法と粒界面亀裂検出装置は、入射角毎に画像処理した二次元画像を合成して三次元的に亀裂面を表示する三次元亀裂面表示画像を作成するため、亀裂面の進展度合いや進展方向を立体的に確認でき、便利である。

次に、本発明に係る粒界面亀裂検出方法及び粒界面亀裂検出装置の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、粒界面亀裂検出装置１の概略構成図である。
粒界面亀裂検出装置１及び粒界面亀裂検出方法は、例えば、水素ステーションのインフラ設備の維持管理に用いられる。

＜粒界面亀裂検出装置の構成＞
図１は、粒界面亀裂検出装置１の概略構成図である。
粒界面亀裂検出装置１は、水３を張った水槽２の中に、試験片（検査対象物）Ｗと、超音波探触子６が配置されている。超音波探触子６は、水３を介して試験片Ｗへ超音波（大振幅バースト波）を出力し、試験片Ｗの検査対象点に超音波を集束して入射する送信部６ａと、試験片Ｗからの反射波を受信する受信部６ｂを備える。超音波探触子６は、走査機構４に保持され、試験片Ｗに対して相対的に移動されるようになっている。走査機構４には、入射角調整機構５が設けられている。入射角調整機構５は、超音波探触子６を図中矢印Ｒに示すように回動させて超音波探触子６の向きを調整することにより、超音波探触子６が発する超音波が試験片Ｗの表面に入射する角度（入射角）θを調整する。

尚、本実施形態では、超音波探触子６が試験片Ｗに超音波を垂直に入射させる入射角θを０度とする。超音波探触子６を垂直位置から一方向（例えば図中反時計回り）に回動させた場合の入射角をプラスで表示し、超音波探触子６を垂直位置から他方向（例えば図中時計回り）に回動させた場合の入射角をマイナスで表示する。

粒界面亀裂検出装置１は、制御装置１０によって、走査機構４や入射角調整機構５の動作や、超音波探触子６が受信した反射波を入力し、入射角毎に画像を作成して表示する画像処理等が制御されている。

制御装置１０は、周知のコンピュータであるので、詳細な説明を省略する。制御装置１０は、信号発生部１１と、同期操作部１２と、入射角制御部１３と、増幅部１４と、波形記憶部１５と、波形処理部１６と、画像化部１７と、表示部１８とを備える。

信号発生部１１は、一定間隔で一定繰返数のバースト波信号を発生させるものである。信号発生部１１が発生するバースト波信号は、高出力アンプ７により増幅された後、超音波探触子６の送信部６ａに供給される。
同期操作部１２は、信号発生部１１で発生される信号に同期して走査機構４を駆動するものである。
入射角制御部１３は、大振幅バースト波が試験片Ｗに入射する入射角θに応じて超音波探触子６の向きを調整するように入射角調整機構５の駆動を制御するものである。

増幅部１４は、バンドパスフィルタ８を介して超音波探触子６の受信部６ｂに接続している。バンドパスフィルタ８は、受信部６ｂが受信した反射波（横波散乱波）から特定周波数の高調波を抽出する。増幅部１４は、バンドパスフィルタ８から高調波を入力して増幅させる。
波形記憶部１５は、増幅部１４で増幅された高調波をデジタル化したデジタル波形を収録する。
波形処理部１６は、波形記憶部１５に記憶された収録波形に対して、最大振幅、波形立ち上がり時間、包絡線などの非線形超音波特性を演算するものである。

画像化部１７は、波形処理部１６が演算した非線形超音波特性を画像処理するものである。
表示部１８は、画像化部１７が画像処理した結果を、グレイスケール階調あるいはカラー色調で二次元画像を表示する。
尚、本実施形態では、増幅部１４と波形処理部１６と画像化部１７と表示部１８が「画像処理部」に相当する。

＜粒界面亀裂検出方法＞
次に、粒界面亀裂検出方法について説明する。図２は、図１に示す制御装置１０が実行する粒界面亀裂検出プログラムのフローである。図３は、超音波探触子６と試験片Ｗとの位置関係を概念的に示す図である。
制御装置１０は、図示しない検出開始スイッチが押下されると、図２に示す粒界面亀裂検出プログラムを実行し、粒界面亀裂の検出を行う。

図２に示すように、制御装置１０は、入射角θや設定回数Ｎ、走査回数ｎ、波形記憶部１５を初期化する（ステップ１（以下「Ｓ１」と略記する。））。そして、図示しない操作部に入射角θをユーザに複数設定させる。例えば、ユーザは、入射角θとして０度（垂直）と４度と８度と−８度を設定する（Ｓ２）。そして、設定された入射角θに応じて設定回数Ｎを設定する。ユーザが入射角θとして０度とと４度と８度と−８度を設定した場合には設定回数Ｎを「４」に設定する（Ｓ３）。

そして、走査回数ｎに１をセットした後、入射角制御部１３に入射角調整機構５を駆動させ、入射角θを調整する。例えば図３の実線に示すように、入射角θが０度（垂直）になるように、超音波探触子６を試験片Ｗに対して垂直に配置する（この位置を「Ｐ１」とする。）（Ｓ４，Ｓ５）。

そして、図２及び図３に示すように、信号発生部１１から一定間隔で一定繰返数のバースト波信号を発生させ、それを高出力アンプ７で増幅してから超音波探触子６の送信部６ａへ送る。このとき、信号発生部１１がバースト波信号を発生させるタイミングと同期するように走査機構４を駆動させる。送信部６ａは、増幅された大振幅バースト波信号を超音波波動に変換する。送信部６ａが発振した大振幅バースト波は水中及び材料中で集束され、集束横波超音波として試験片Ｗの検査領域Ｖ内の検査対象点に達する（Ｓ６）。

一定周波数からなる集束横波超音波が、検査対象点にある微差凹凸面或いは音響インピーダンス差異のある微細領域に入射すると、試験片Ｗ内に繰り返し応力が発生し、マイクロクラック面の繰り返し打撃あるいは摩擦すべりにより励起される横波散乱波が発生する。横波散乱波は、集束超音波の送信経路と同じ経路で反射し、受信部６ｂに反射波として受信される。受信部６ｂは、反射波を電気信号に変換してバンドパスフィルタ８に出力する。バンドパスフィルタ８は、受信部６ｂから受信した電気信号から特定周波数を抽出し、増幅部１４に出力する。増幅部１４は、バンドパスフィルタ８によって抽出された特定周波数をデジタル波形に変換し、波形記憶部１５に記憶する。これにより、制御装置１０は、超音波探触子６を第１位置Ｐ１に配置した場合における高調波成分（高調波波形）を取得する（Ｓ７）。

以上の処理が終了すると、図２に示すように、走査回数ｎが設定回数Ｎか否かを確認する（Ｓ８）。現時点では、走査回数ｎが１であって、設定回数の「４」でないので、走査回数ｎに１を加算した後、入射角θを変更する（Ｓ８：ＮＯ、Ｓ９、Ｓ４）。例えば、入射角θを「０度」から「４度」にするように、入射角制御部１３に入射角調整機構５を駆動させ、超音波探触子６の配置を変更する（この位置を「Ｐ２」とする。）。以後、上記と同様にＳ５〜Ｓ９の処理を繰り返し、超音波探触子６を第２位置Ｐ２に配置した場合における高調波成分を取得する。

上記一例の処理は、設定された入射角θに対応するように超音波探触子６を回動させて配置し、各位置で高調波成分を取得するまで行う。例えば、入射角θが「０度と４度と８度と−８度」に設定されている場合には、図３に示すように、０度と４度と８度と−８度に対応するように超音波探触子６を第１〜第４位置Ｐ１〜Ｐ４にそれぞれ配置して高調波成分を取得する。

第１〜第４位置Ｐ１〜Ｐ４における高調波成分を取得したら、波形記憶部１５に記憶されているデジタル波形に対して最大振幅、波形立ち上がり時間、包絡線などの非線形超音波特性を波形処理部１６で演算する。そして、画像化部１７において、波形処理部１６の演算結果をグレイスケール階調あるいはカラー色調で２次元画像化する。そして、その二次元画像を表示部１８に表示する（Ｓ９：ＹＥＳ、Ｓ１１）。

＜水素脆性亀裂検出試験＞
次に、水素脆性亀裂検出試験について説明する。
実験は、水素脆性亀裂を形成した試験片Ｗを作成し、その試験片Ｗを上記粒界面亀裂検出装置１にセットして上記水素脆性亀裂検出プログラムを実行し、試験片Ｗの反射波に基づいて画像を作成して表示することにより行った。

図４は、実験で使用した試験片Ｗの平面図であって、（ａ）は試験片Ｗの平面図を示し、（ｂ）は試験片Ｗに進展した亀裂を概念的に示す図である。
図４の（ａ）及び（ｂ）に示す試験片Ｗには、応力腐食割れ標準試験法（日本学術振興会 材料強度と破壊第１２９委員会偏 応力腐食割れ標準試験法第１２９委員会基準、日本材料強度学会（１９８５））に準拠して作成した厚さ２５．４ｍｍのＷＯＬ（Wedge Opening Load）試験片を使用した。

試験片Ｗは、ＳＣＭ４４０を材質とする。試験片Ｗには、疲労破壊を入りやすくするために機械切欠を設け、その機械切欠の先端から疲労亀裂を導入することにより、疲労破壊予亀裂Ｘ１を形成する。そして、試験片Ｗには、遅れ破壊試験方法により応力負荷を加える。このように負荷を加えられた試験片Ｗは、蒸留水に塩化ナトリウムとチオシアン酸アンモニウム液を注入して作成した電解質に入れられ、ポテンシオスタットを用いて定電位法で陰極チャージを行うことにより、水素を内部に侵入させている。これにより、試験片Ｗには、図４（ｂ）に示すように、目視可能な疲労破壊予亀裂Ｘ１の先に水素脆性亀裂Ｘ２が進展する。

このようにして作成された試験片Ｗは、図１に示す水槽２の水３の中に配置される。実験では、粒界面亀裂検出装置１に入射角θを「０度、４度、８度、−８度」を設定した。

粒界面亀裂検出装置１は、図３に示すように、超音波の入射角θを０度にするために、超音波探触子６を試験片Ｗに対して垂直となる第１位置Ｐ１に配置する。図１に示す粒界面亀裂検出装置１は、信号発生部１１からの信号を高出力アンプ７で増幅して送信部６ａから１０μｍの振幅をもつ超音波を２０ＭＰａの周波数で発生させる。超音波は、試験片Ｗに対して垂直に入射し、試験片Ｗの内部で数十ＭＰａ程度の繰り返し応力を励起する。このとき、粒界面に沿って水素脆性が進展した部分では、マイクロクラック面などの界面に繰り返す打撃や摩擦すべりをもたらし、入射波の整数倍の高周波を持つ高調波を励起する。超音波探触子６の受信部６ｂは、試験片Ｗからの反射波を受信し、バイパスフィルタ８に出力する。バイパスフィルタ８は、特定周波数を抽出して高調波波形を、増幅部１４へ出力する。そして、増幅部１４が高調波波形を増幅して生成したデジタル波形を、波形記憶部１５に記憶する。

粒界面亀裂検出装置１は、入射角０度について高調波波形を取得すると、図３に示すように、入射角θを４度とするように超音波探触子６を第２位置Ｐ２へ移動させ、上記と同様にして、入射角４度について高調波波形を取得する。
そして、粒界面亀裂検出装置１は、入射角４度について高調波波形を取得したら、入射角８度、入射角−８度についても高調波波形を順次取得する。

設定された入射角θ（０度、４度、８度、−８度）についてそれぞれ高調波波形を入力すると、波形記憶部１５に記憶した各入射角θのデジタル波形を解析して処理する。そして、デジタル波形の増幅や伝播時間などを求めて画像化し、表示部１８に表示する。

図５〜図８は、水素脆性亀裂検出の実験結果を示す画面の一例である。図５〜図８に示すハッチングは、反射波の強度の大きさを示し、黒に近づくように濃くなるほど反射波の強度が大きく、白に近づくように薄くなるほど反射波の強度が小さい。図５〜図８の上方の図は、図４（ａ）のＺ部において発生した疲労破壊予亀裂Ｘ１と水素脆性亀裂Ｘ２を示す図であって、反射波の強度と亀裂との対応関係を示している。

図５〜図８に示すように、表示部１８に表示される画像は、反射波の同一強度が帯状に表示される部分と、反射波の強度が斑にばらついて表示される部分とを含む。水素脆性亀裂Ｘ２のように粒界面に沿って亀裂が進展する場合、亀裂の凹凸が多いため、試験片Ｗに入射した超音波が凹凸面で散乱し、入射時より強度を小さくしてばらつく。一方、疲労破壊予亀裂Ｘ１のように目視できる欠陥の場合、凹凸が少ないため、送信部６ａが発振する超音波が散乱しにくく、強度にばらつきを生じにくい。よって、反射波の強度が面的に表示されている部分は、疲労破壊予亀裂Ｘ１が発生し、反射波の強度が斑点状にばらついて表示されている部分は、水素脆性亀裂Ｘ２が発生していると判断できる。

ここで、入射角θを０度にするように超音波探触子６を第１位置Ｐ１に配置した場合には、図５のＹ１部分が反射波を検出しない部分を含み、水素脆性亀裂Ｘ２が進展していないように見える。
しかし、図６〜図８に示すように、入射角θを４度、８度、−８度にするように超音波探触子６を第２〜第４位置Ｐ２〜Ｐ４に配置すると、Ｙ１部分の反射波を検出し、水素脆性亀裂Ｘ２が進展していることが分かる。特に、図７及び図８に示すように、入射角θを８度、−８度にした場合には、Ｙ１部分において水素脆性亀裂Ｘ２が他の部分より長く進展していることが分かる。

また、入射角θを０度、４度、−８度にするように超音波探触子６を第１位置Ｐ１、第２位置Ｐ２、第４位置Ｐ４に配置した場合には、図５、図６、図８に示すＹ２部分が反射波を検出しない部分を含み、水素脆性亀裂Ｘ２があまり進展していないように見える。しかし、入射角θを８度にするように超音波探触子６を第３位置Ｐ３に配置した場合には、図７に示すＹ２部分が反射波を検出し、水素脆性亀裂Ｘ２が進展していることが分かる。

更に、入射角θを０度、−８度にするように超音波探触子６を第１位置Ｐ１、第４位置Ｐ４に配置した場合には、図５、図８に示すＹ３部分が反射波を検出しない部分を含み、水素脆性亀裂Ｘ２があまり進展していないように見える。しかし、入射角θを４度、８度にするように超音波探触子６を第２及び第３位置Ｐ２，Ｐ３に配置した場合には、図６及び図７に示すＹ３部分が反射波を検出し、水素脆性亀裂Ｘ２が進展していることが分かる。

よって、図５〜図８のＹ１〜Ｙ３部分に示すように、超音波の入射角θを変化させることにより、様々な粒界面に沿って亀裂を検出することができる。これは、超音波の入射角θを変えることにより、超音波が粒界面に沿ったそれぞれの亀裂部分で励起され、反射波の強度を変えるためである。この結果、入射角θを多数設定することにより、あらゆる方向に進展する水素脆性亀裂Ｘ２の進展具合や進展方向を確認し、水素脆性亀裂Ｘ２の長さを見誤ることを回避できるようになる。

尚、発明者らは、上記実験で使用した試験片Ｗを用いて、入射角θを変えて水素脆性亀裂Ｘ２の検出を行った。例えば、発明者らは、入射角θを０度、３度、６度、９度に設定し、周波数を４Ｍに設定して実験を行った。この結果、疲労破壊予亀裂Ｘ１が生じた部分では、反射波の強度が一定に表示され、水素脆性亀裂Ｘ２が生じた部分では、反射の強度が斑に表示された。よって、入射角θをプラス方向のみに変えても、水素脆性亀裂Ｘ２の検出が可能である。これは、逆に、入射角θをマイナス方向のみに変えても水素脆性亀裂Ｘ２の検出が可能であることを意味する。

このような実験を重ね、発明者らは、入射角θを±１０度の範囲内で設定すると、水素脆性亀裂Ｘ２を精度良く検出できることを確認した。通常、探触子６の配置を僅かにずらしただけでは、反射波の強度は変わらないようにも思われる。しかし、超音波は、分解能が細かいため、探触子６の配置を僅かにずらすだけでも試験片Ｗの内部組織を細かく解析し、水素脆性亀裂Ｘ２の進展具合を確認できる。よって、検査対象物がタンクや配管など平坦でないものであっても、探触子６の配置を僅かにずらして入射角θを変えるだけで水素脆性亀裂Ｘ２の進展具合や進展方向を確認できる。

＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態の粒界面亀裂検出装置１及び粒界面亀裂検出方法は、試験片Ｗに入射する超音波の入射角をかえながら反射波を受信し（図２のＳ５〜Ｓ９）、その反射波に基づいて画像を作成して表示することにより（図２のＳ１０，Ｓ１１）、あらゆる方向へ進展する粒界面亀裂を適正に検出することができる。この結果、本実施形態の粒界面亀裂検出装置１及び粒界面亀裂検出方法は、粒界面亀裂の長さ等の進展を大きく見誤ることがなく、金属固定材料の寿命評価を正確に行えるため、水素ステーション等のインフラ設備の健全性を維持管理するために使用することが可能である。

本実施形態の粒界面亀裂検出装置１及び粒界面亀裂検出方法は、超音波探触子６が試験片Ｗの表面に対して超音波を垂直に入射させる場合の入射角を０度としたとき、入射角を０度から±１０度の範囲内で変えるので、試験片Ｗに入射した入射波が検査対象物の粒界面以外の要因で散乱して反射波にノイズを生じさせることを抑制できる。

上記粒界面亀裂検出方法を適用した一実施例を説明する。図９は、図１に示す粒界面検出装置の実施例を示す概念図である。
上記粒界面亀裂検出方法は、例えば、水素ステーションに設置された水素ガスタンク５２（検査対象物の一例）の水素脆性亀裂Ｘ２を測定する粒界面亀裂検出装置５１に適用される。

図９（ａ）（ｂ）に示す水素ガスタンク５２は、ＳＣＭ４３５を材質とし、外周面の直径が３０ｃｍ、全長が４ｍの円柱形状をなす。水素ガスタンク５２は、材料の継ぎ目などに溶接５２ａが施されている。水素脆性亀裂Ｘ２は、溶接５２ａが施された箇所に進展しやすいと考えられる。

そこで、粒界面亀裂検出装置５１は、水素ガスタンク５２の溶接５２ａに対応する箇所に容器５３を設置する。そして、その容器５３に水３を張って局部的な水浸状態を作り出す。そして、その水３に超音波探触子６の先端部分を浸し漬ける。超音波探触子６は、容器５３に組み付けられた走査装置５４によって２軸方向に移動自在に保持されると共に、入射角調整装置５７により向きを変えて超音波の入射角θを変えられるようになっている。

超音波探触子６と走査装置５４と入射角調整装置５７は、配線５５を介して制御装置５６に接続されている。制御装置５６は、高出力アンプ７、バンドパスフィルタ８、信号発生部１１、同期走査部１２、入射角制御部１３、増幅部１４、波形記憶部１５、波形処理部１６、画像化部１７、表示部１８等を備え、ワンボックスにされて持ち運び容易にされている。

尚、水素ステーションのインフラ設備を点検する場合には、配管やタンクの全箇所を隈無く検査することは現実的でない。そこで、例えば、水素ガスタンク５２や配管の一部に欠陥を意図的に設け、他の部分に先駆けて水素脆性亀裂Ｘ２が入りやすい点検場所を設けておくと良い。これにより、粒界面亀裂検出装置５１を特定の点検場所に設置すれば、当該タンクや配管の中で最も水素脆性亀裂Ｘ２が進展している部分を確実に検査できる。

上記構成の粒界面亀裂検出装置５１は、超音波探触子６を容器５３の水に浸すようにセットし、水素ガスタンク５２を走査する。超音波探触子６が発振する超音波は、設定された入射角θに従って水素ガスタンク５２の表面から内部に侵入する。そして、例えば、水素ガスタンク５２の流路面から水素脆性亀裂Ｘ２が進展している場合には、その水素脆性亀裂Ｘ２の凹凸面に超音波がぶつかって散乱し、反射波（横波散乱波）を生じる。制御装置５６は、受信部６ｂが受信する水素ガスタンク５２の反射波に基づいて高調波強度を測定し、その測定結果を画像化して表示部１８に表示する。

検査担当者は、表示部１８の表示内容を見て、水素脆性亀裂Ｘ２の進展具合を確認して評価する。水素脆性亀裂Ｘ２の評価は、例えば、高調波強度が斑に表示される領域の全長が、所定値を超えるか否かにより行い、所定値を超えた場合に水素ガスタンク５２の交換を要すると判断する。

尚、粒界面亀裂検出装置５１は、入射角θを±９０度とするように超音波探触子６を配置しなくても、入射角θが±１０度の範囲で超音波探触子６を移動させれば、水素脆性亀裂Ｘ２の進展具合を進展方向を確認できるので、容器５３や走査機構５４、入射角調整機構５４をコンパクトにして小型化できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。
（１）例えば、上記実施形態では、上記実施形態では、試験片Ｗと超音波探触子６を水浸させる水浸反射法で説明したが、超音波を樹脂製楔で収束させて試験片Ｗに向けて発振させても良い。また、超音波伝播媒体をジェル状にして試験片の表面に塗布しても良い。
（２）例えば、上記実施形態では、送信部６ａと受信部６ｂを単一の超音波探触子６に設けたが、送信超音波探触子と受信超音波探触子の２つを設けてもよい。この場合、各探触子に走査機構４と入射角調整機構５を設けてもよいし、１つの走査機構４と一つの入射各調整機構５により送信超音波端子と受信超音波端子を一体的に移動しても良い。
（３）例えば、上記実施形態において、高調波のデジタル波形を同期加算して波形記憶部１５に記憶しても良い。
（４）例えば、上記実施形態では、周波数を２０Ｍに設定したが、周波数はこれに限定されず、例えば４Ｍとしても良い。この場合、図１０〜図１３に示すように画像の鮮明度は落ちるものの、予亀裂部分Ｘ１では強度が直線状に表示され、水素脆性亀裂部分Ｘ２では強度が斑にばらついて表示される。よって、周波数を４Ｍにしても、水素脆性亀裂Ｘ２の進展を検出することが可能である。
（５）上記実施形態では、粒界面亀裂の一例として水素脆性亀裂Ｘ２を挙げたが、水素脆性亀裂Ｘ２以外の粒界面亀裂にも粒界面亀裂検出装置１や粒界面亀裂検出方法を適用できる。
（６）上記実施形態では、試験片Ｗの表面に対して超音波を垂直に入射させる場合の入射角を基準位置にして入射角を変更したが、基準位置はこれに限定されない。そして、入射角を変える方向は上記実施形態で説明した方向に限定されない。
（７）上記実施形態では、入射角毎に演算した非線形超音波特性を画像処理して二次元画像を入射角毎に得た。これに対して、このようにして得られた二次元画像を合成して三次元的に亀裂面を表示する三次元亀裂面表示画像を作成するようにしてもよい。これによれば、亀裂面の進展度合いや進展方向を立体的に確認することができ、便利である。

本発明の実施形態に係る粒界面検出装置の概略構成図である。 図１に示す制御装置が実行する粒界面亀裂検出プログラムのフローである。 超音波探触子と試験片との位置関係を概念的に示す図である。 実験で使用する試験片を示す図である。（ａ）は試験片の平面図を示し、（ｂ）は試験片の内部に進展した亀裂を概念的に示す図である。 周波数を２０Ｍに設定して水素脆性亀裂を検出する実験結果を示す画面の一例であって、特に入射角θを０度に設定した場合を示す。 周波数を２０Ｍに設定して水素脆性亀裂を検出する実験結果を示す画面の一例であって、特に入射角θを４度に設定した場合を示す。 周波数を２０Ｍに設定して水素脆性亀裂を検出する実験結果を示す画面の一例であって、特に入射角θを８度に設定した場合を示す。 周波数を２０Ｍに設定して水素脆性亀裂を検出する実験結果を示す画面の一例であって、特に入射角θを−８度に設定した場合を示す。 図１に示す粒界面検出装置の実施例を示す概念図である。（ａ）は、水素ガスタンクの側面図であり、（ｂ）は、水素ガスタンクの断面図である。 周波数を４Ｍに設定して水素脆性亀裂を検出する実験結果を示す画面の一例であって、特に入射角θを０度に設定した場合を示す。 周波数を４Ｍに設定して水素脆性亀裂を検出する実験結果を示す画面の一例であって、特に入射角θを４度に設定した場合を示す。 周波数を４Ｍに設定して水素脆性亀裂を検出する実験結果を示す画面の一例であって、特に入射角θを８度に設定した場合を示す。 周波数を４Ｍに設定して水素脆性亀裂を検出する実験結果を示す画面の一例であって、特に入射角θを−８度に設定した場合を示す。

符号の説明

１，５１ 粒界面検出装置
６ 超音波探触子
６ｂ 受信部
１４ 増幅部
１６ 波形処理部
１７ 画像化部
１８ 表示部
５２ 水素ガスタンク
Ｗ 試験片（検査対象物）
Ｘ２ 水素脆性亀裂

Claims (8)

1. 超音波伝播媒体を介して超音波探触子から検査対象物へ超音波を発振して、検査対象物に反射した反射波を受信子で受信し、前記反射波に含まれる高調波波形に基づいて演算される非線形超音波特性を画像処理して表示する粒界面亀裂検出方法において、
   前記超音波探触子が前記検査対象物の表面に対して前記超音波を入射させる入射角を変えて前記反射波を入力し、前記入射角毎に入力した前記反射波に含まれる高調波波形に基づいて演算される非線形超音波特性を前記入射角毎に画像処理して表示する
   ことを特徴とする粒界面亀裂検出方法。
2. 請求項１に記載する粒界面亀裂検出方法において、
   前記超音波探触子が前記検査対象物の表面に対して前記超音波を垂直に入射させる場合の前記入射角を０度としたとき、前記入射角を前記０度から±１０度の範囲内で変える
   ことを特徴とする粒界面亀裂検出方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載する粒界面亀裂検出方法において、
   前記検査対象物が、圧縮した水素ガスを貯める水素ガスタンク、水素ガスが流れる水素ガス配管、液体水素を貯める液体水素タンク、又は、液体水素が流れる液体水素配管である
   ことを特徴とする粒界面亀裂検出方法。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載する粒界面亀裂検出方法において、
   入射角毎に画像処理した二次元画像を合成して三次元的に亀裂面を表示する三次元亀裂面表示画像を作成する
   ことを特徴とする粒界面亀裂検出方法。
5. 設備を構成する金属材料の粒界面亀裂を検出する粒界面亀裂検出装置において、
   検査対象物に所定周波数の超音波を入射する超音波探触子と、
   前記超音波が前記検査対象物に反射して発生する反射波を受信する受信子と、
   前記超音波探触子が前記検査対象物の表面に対して前記超音波を入射させる入射角を調整する入射角調整機構と、
   前記入射角調整機構によって調整される前記入射角毎に前記受信子が受信する前記反射波に含まれる高調波波形に基づいて演算した非線形超音波特性を、前記入射角毎に画像処理して表示する画像処理部と、
   を有することを特徴とする粒界面亀裂検出装置。
6. 請求項５に記載する粒界面亀裂検出装置において、
   前記入射角調整機構は、前記超音波探触子が前記検査対象物の表面に対して前記超音波を垂直に入射させる場合の前記入射角を０度としたとき、前記入射角を前記０度から±１０度の範囲内で調整するものである
   ことを特徴とする粒界面亀裂検出装置。
7. 請求項５又は請求項６に記載する粒界面亀裂検出装置において、
   前記検査対象物が、圧縮した水素ガスを貯める水素ガスタンク、水素ガスが流れる水素ガス配管、液体水素を貯める液体水素タンク、又は、液体水素が流れる液体水素配管である
   ことを特徴とする粒界面亀裂検出装置。
8. 請求項５乃至請求項７の何れか一つに記載する粒界面亀裂検出装置において、
   前記画像処理部が入射角毎に画像処理した二次元画像を合成して、三次元的に亀裂面を表示する三次元亀裂面表示画像を作成する画像合成部を有する
   ことを特徴とする粒界面亀裂検出方法。

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