JP2010127728A - 照射誘起応力腐食割れ予兆診断方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉、粒子加速器等の構造材料において発生する照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）のき裂発生以前の予兆を評価するシステムを提供すること。
【解決手段】交流磁化法により、被検体の第３高調波電圧値を測定し、予め求められている第３高調波電圧値の変化の大きさとＩＡＳＣＣ感受性の度合いとの相関関係を示すデータベースを参照して、被検体のＩＡＳＣＣ感受性の度合いを求める。さらに、前記被検体の渦電流法プローブ電圧を測定し、予め求められている渦電流法プローブ電圧値の変化とＩＡＳＣＣ感受性の度合いとの相関関係を示すデータベースを参照して、前記被検体のＩＡＳＣＣ感受性の度合いを求め、求められたＩＡＳＣＣ感受性の度合いが、前記第３高調波電圧値の変化から求められたＩＡＳＣＣ感受性の度合いから所定の誤差範囲にあるかどうかを求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子炉、粒子加速器等の構造材料において発生する照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）のき裂発生以前の予兆を監視するＩＡＳＣＣ予兆診断方法及びその装置に関する。

原子炉等の炉内構造物の構造材料としては、オーステナイトステンレス鋼が使用されているが、オーステナイトステンレス鋼は、繰り返し中性子照射を受けることによって粒界のＣｒ濃度等が変化し、その結果として、応力腐食割れを起す可能性が高まる。このため、従来より、原子炉等の安全性の確保及び寿命予測の観点から、炉内構造物の金属材料のＩＡＳＣＣ診断が様々な方法で実施されてきている（例えば、特許文献１や特許文献２を参照）。
特開平６−３３１７８２号公報 特開２００２−１４８３８３号公報

しかし、これまでのＩＡＳＣＣ診断技術は、いずれもすでに構造材料に微細き裂などの損傷が発生した後に、検知可能な診断法である。き裂などの損傷発生以前の設階での診断は困難であつた。(糟谷高志,遠藤久,内一哲哉,高木敏行「渦電流モニタリングシステムによる定量的き裂進展評価」日本機械学会論文集,Ａ編７２巻７１４号（２００６），ｐｐ．２０−２５)

本発明の目的は、原子炉、粒子加速器等の構造材料に、照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）によるき裂が発生する以前に、その予兆を監視できるＩＡＳＣＣ予兆診断方法と、そのための装置を提供することにある。

本発明者等は、オーステナイトステンレス鋼の照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）の対策について研究、実験を重ねてきた結果、交流磁化法によって得られる被検体からの第３高調波電圧値の変化がＩＡＳＣＣ感受性の度合いと極めてリニアな対応関係を持つことを発見した。

この結果得られた、本発明の１つの観点に係るＩＡＳＣＣ予兆診断方法は、交流磁化法により、被検体の第３高調波電圧値を測定し、予め求められている第３高調波電圧値の変化とＩＡＳＣＣ感受性の度合いとの相関関係を示すデータベースを参照して、被検体のＩＡＳＣＣ感受性の度合いを求める段階から構成される。

さらに、本発明者等は、渦電流法によって被検体の測定を行った際に得られるプローブ電圧の変化もまた、ＩＡＳＣＣ感受性の度合いと極めてリニアな対応関係を示すことを発見した。

この結果得られた、本発明の他の観点に係るＩＡＳＣＣ予兆診断方法は、前述の診断方法に、さらに、前記被検体の渦電流法プローブ電圧を測定し、予め求められている渦電流法プローブ電圧値の変化とＩＡＳＣＣ感受性の度合いとの相関関係を示すデータベースを参照して、前記被検体のＩＡＳＣＣ感受性の度合いを求め、求められたＩＡＳＣＣ感受性の度合いが、前記第３高調波電圧値の変化から求められたＩＡＳＣＣ感受性の度合いから所定の誤差範囲にあるかどうかを求める段階を有する。このような構成を取ることによって、より信頼性の高いＩＡＳＣＣ予兆診断を行うことができる。

前述の方法は、本発明の１つの観点によれば、構造物の壁面を交流磁化する励磁コイルと、前記構造物の壁面からの磁束を検出する検出コイルから構成されるセンサプローブと、予め求められている第３高調波電圧値の変化の大きさとＩＡＳＣＣ感受性の度合いとの相関関係を示すデータを記憶しているメモリを備え、前記センサプローブによって得られる第３高調波電圧値に基づいて、前記メモリを参照し、当該電圧値変化対応のＩＡＳＣＣ感受性の度合いを求めるように構成されたＩＡＳＣＣ予兆診断装置によっても実施することができる。

前述のＩＡＳＣＣ予兆診断装置において、前記構造物が原子炉構造物である場合には、前記センサプローブは、耐放射線性部材で被覆された前記励磁コイルと前記検出コイルが高透磁率材であるフェライトコア上に巻かれ、耐放射線性部材成形体ボビンで支持されているＩ型コアセンサであることが好ましい。より好適には、前記耐放射線性部材がポリエーテルエーテルケトン材又はポリイミド材であることが好ましい。Ｉ型コアセンサの周囲を耐放射線性部材で覆うことによって、放射線などに対する耐環境性を大幅に向上させることができる。

より好適には、前述のＩＡＳＣＣ予兆診断装置は、さらに、前記センサプローブを前記構造物の壁面上で位置決めするための位置決め装置を備え、該位置決め装置の軸方向駆動を超音波モータで行うことが好ましい。通常、非破壊検査において位置決めに使用するステッピングモータの場合、電磁ノイズが測定用プローブの検出信号に悪影響を与えるためである。

構造材料を用いた原子炉、粒子加速器等の機器のメンテナンス時に、本発明を利用し、き裂発生前の照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）の予兆を評価することで、より保守的な構造材料の健全性評価が可能となり、機器の安全性を高めることが出来る。また、効率的なメンテナンス計画を立てることが出来るので、経済性を高めることが可能となる。

最初に、本発明の一実施形態に係る、ホットセル内で行った照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）予兆診断装置の概略構成について、図１を用いて説明する。図１において、符号１０はホットセル内部を示し、２０はホットセル外部を示している。ホットセル内部１０には、交流磁気センサであるＩ型コアセンサ１３の他に、静的で微弱な漏洩磁束密度を測定するための直流磁気センサであるＦＧセンサ１１とＭＩセンサ１２が取り付けられている。本発明では、Ｉ型コアセンサ１３のみを使用して、交流磁化法による被検体の第３高調波電圧値の測定、及び渦電流法によるプローブ電圧値の測定を行う。また、診断位置を決めるための位置決め手段として、ＣＣＤカメラ１４と試験片が載せられたステージを所望の位置に移動させるための１軸ボールネジ駆動機構と超音波モータ１６が設けられている。また、磁気センサに悪影響を与えないように磁気センサから十分離れた位置に、直流磁気センサによる測定のために被検体の着磁や脱磁を行うための着脱磁励磁コイル１５が設けられている。

一方、ホットセル外部２０には、各種センサ１１、１２、１３からの検出信号を増幅するためのセンサアンプ２１、センサアンプ２１からの信号を処理するための信号処理ユニット２２、位置決め用の超音波モータ１６を駆動させる超音波モータドライバ２４、その超音波モータドライバ２４に駆動制御信号を与えるパワーユニット／ステージ制御ユニット２３、及び信号処理結果を表示する表示装置２５が設けられている。

以上の装置構成において、上述した以外の装置全体の基本動作はこれまでに周知の原子炉内の非破壊検査装置の動作と同様であるので、詳細については省略する。また、この実施形態では、ホットセル内での試験片観測によって、予兆診断を行うように構成されているが、実機においては、例えば、原子炉の構造材に直接レールを敷設して、遠隔操作によって上述のＩ型コアセンサ１３をレール上で移動させ、位置決めを行う。遠隔操作については、実験によって、信号減衰なしに１０ｍまでの遠隔操作が可能であることを確認した。

Ｉ型コアセンサ１３の概略構成を図２に示す。Ｉ型コアセンサ１３は、センサプローブ１３１とそのセンサプローブ１３１を支持するボビン１３２から構成されている。センサプローブ１３１の中心に延びるボビン１３２には、中心に直径１．２ｍｍφの高透磁率材であるフェライトコア１３３が埋め込まれて、励磁コイル１３４で励磁された磁束密度を高め、また上下の検出コイル１３５、１３６の検出感度を高める役目を果たしている。ボビン１３２は、耐放射線性の高い材料であるポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）材で形成され、耐放射線性を確保している。また励磁コイル１３４と上下の検出コイル１３５、１３６は、耐放射線性の高い材料であるポリイミド（ＰＩ）材で被覆されており、耐放射線性を確保している。なおボビン１３２を、ポリイミド（ＰＩ）材で形成し、励磁コイル１３４と上下の検出コイル１３５、１３６をポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）材で被覆しても良いし、ボビン１３２と励磁コイル１３４と上下の検出コイル１３５、１３６の被覆にポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）材のみを使用しても良いし、ポリイミド（ＰＩ）材のみを使用しても良い。

次に、実機を対象にした場合のＩＡＳＣＣ予兆診断方法の手順を、図３を参照して説明する。図３のフローチャートにおいて、初めに基準となるデータを得るため、炉外にてＩＡＳＣＣ感受性が０の未照射ステンレス鋼を用いて、交流磁化法による第３高調波電圧値の測定及び渦電流法に使用する測定装置の０点調整を行う（ステップ２００）。次に、定期点検などの原子炉のメンテナンス時に、Ｉ型コアセンサプローブ１３を遠隔操作で原子炉内に挿入し、位置決めして構造材表面に密着させる（ステップ３００）。次に、構造材に関しての交流磁化法による第３高調波電圧値の測定及び渦電流法によるプローブ電圧値の測定を行う（ステップ４００）。次に、予め試料片を使用して作成し、信号処理ユニット２２のメモリ（図示せず）に記憶してあるＩＡＳＣＣ感受性／第３高調波電圧値変化のデータベースを参照して、ＩＡＳＣＣ感受性を評価する（ステップ５００）。また、同様にして予めメモリに記憶されているＩＡＳＣＣ感受性／渦電流法プローブ電圧値変化のデータベースを参照して、ステップ５００で求めたＩＡＳＣＣ感受性の信頼性を評価する（ステップ６００）。両者のＩＡＳＣＣ感受性が実質的に同等でない場合には、測定環境に問題があったものとしてステップ３００に戻り、再度ステップ６００までの手順を実行する。一方、両者の感受性が実質的に同等である場合には、さらに先のステップに進み、プローブ位置を移動させた後、ステップ３００からステップ６００の手順を繰り返し、炉内構造材のＩＡＳＣＣ感受性マップを作成し（ステップ７００）、信号処理ユニット２２のメモリに記憶する。ここで両者のＩＡＳＣＣ感受性が実質的に同等とは、例えば両者のＩＡＳＣＣ感受性が２０％以内を言う。

上述のようにして、炉内構造材のＩＡＳＣＣ感受性マップを作成しておくことにより、次回メンテナンス時には、ＩＡＳＣＣ感受性の高い箇所を特に重点的に点検を行うことで、メンテナンスを効率的に正確に行うことが可能となる。

次に、図４から図９を参照し、本発明の原理となるＩＡＳＣＣ感受性（％）と第３高調波強度（ｄＢ）（基準電圧に対する比率）の関係、及びＩＡＳＣＣ感受性（％）とプローブ電圧（a.u.）の関係について説明する。各図においてＨＰ３０４、ＨＰ３１６、ＨＰ３０４／Ｃ、ＨＰ３０４／Ｓｉ、ＨＰ３０４／Ｐ、ＨＰ３０４／Ｓは、いずれも高純度モデルオーステナイト系ステンレス合金である。これらの合金は、ＳＵＳ３０４の不純物元素濃度が極力少なくなるように作成したＨＰ３０４を基に、それぞれＭｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ等の元素を個別に添加して作成したものである。その後、試験片を切り出し、所定の中性子照射を行った。試験片のつかみ部の直径は１１ｍｍφであり、この端部の磁気測定を行い、軽水炉条件の高温水中でのＳＳＲＴ試験（Slow Strain Rate Technique:低歪速度引張試験）を行って、ＩＡＳＣＣ感受性（％）の評価を行った。

図４にＨＰ３０４等の高純度モデルオーステナイト系ステンレス合金照射材について取得した交流磁化法による第３高調波強度（ｄＢ）の測定結果とＩＡＳＣＣ感受性（％）の評価結果の関係を示す。本実施例では、励磁周波数は１０ｋＨｚであり、検出コイル１３５、１３６で検出された電圧値をフーリエ変換して、基本波の電圧値や第３高調波電圧値の成分を求めた。図４から、ＩＡＳＣＣ感受性（％）の上昇に伴い、第３高調波強度（ｄＢ）がほぼリニアに上昇する、正の相関関係があることがわかる。なおここでは、第３高調波強度（ｄＢ）として第３高調波の電圧１Ｖを０ｄＢと換算している。つまり第３高調波電圧値の変化とＩＡＳＣＣ感受性（％）とは、１対１の対応関係が存在することを示している。また、図５に同じ照射材の渦電流法による位相平面上（Ｖｘ,Ｖｙ）での評価結果を示す。ここでは、これまでの研究においてＩＡＳＣＣ感受性がOとなったＨＰ３１６の１dpa照射材を基準として測定を行った。

この位相平面上での評価結果から得られたプローブ電圧の相対値(a.u.)と、ＩＡＳＣＣ感受性（％）との関係をプロットしたグラフを図６に示す。ここでプローブ電圧の相対値（a.u.）とは、√（Ｖｘ^２＋Ｖｙ^２）と定義した。交流磁化法による結果に比較してばらつきが大きくなったが、ＩＡＳＣＣ感受性（％）の上昇に伴い、プローブ電圧が上昇する、正の相関関係が得られた。図４に示した、交流磁化法によって取得した第３高調波強度のＩＡＳＣＣ感受性（％）への依存性のデータのばらつきは、これまでに発明者等が得た漏洩磁束密度のＩＡＳＣＣ感受性（％）への依存性の場合と同程度である。交流磁化法の場合は励磁周波数の調整により漏洩磁束密度に比べ、深さ変化に基づく情報を取得することができる。そのため、交流磁化法は、試験片表面に生成した酸化層や表面粗さの影響を分離して評価でき、漏洩磁束密度測定に比較して実機への適用性がより高い。

以上の交流磁化法と渦電流法による評価は、同じセンサプローブ、同じ測定装置を用いて行うことが出来る。そのため、実機への適用の際にも構造材の同じ測定箇所に対して、交流磁化法と渦電流法の評価を並行して行い、その結果を比較検討することによって、適切なＩＡＳＣＣ予兆診断を行うことが出来る。また、つかみ部の直径が１１ｍｍφの試験片について評価を行い、ＩＡＳＣＣ感受性と相関性のある磁気データを取得できたことから、実機構造材の例えば壁面のような比較的複雑な形状をした部位についても、適切な位置合わせ等を行うことにより、交流磁化法、渦電流法によるＩＡＳＣＣ予兆診断を行うことができる。

次に、ＳＵＳ３１６Ｌ照射材の交流磁化法による第３高調波強度（ｄＢ）の測定結果と、これまでに得られたＩＡＳＣＣ感受性（％）の評価結果の関係をプロットしたグラフを図７に示す。ＩＡＳＣＣ感受性（％）の上昇に伴い、第３高調波強度が上昇する、正の相関関係が得られた。

また、図８に同じ照射材の渦電流法による位相平面上での評価結果を示す。ここでは、これまでの研究においてＩＡＳＣＣ感受性（％）が０となった０．１２dpa照射材を基準として測定を行った。この位相平面上（Ｖｘ,Ｖｙ）での評価結果から得られたプローブ電圧の相対値と、ＩＡＳＣＣ感受性（％）との関係をプロットしたグラフを図９に示す。ＩＡＳＣＣ感受性の上昇に伴い、プローブ電圧が上昇する、正の相関関係が得られた。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲を逸脱しない限り、本願の請求項に含まれる。例えば、本願の実施形態においては、第３高調波電圧値を利用しているが、検出感度の向上が図られれば、第５高調波や第７高調波電圧を利用できる。また、上述の実施形態では、位置決め精度を上げるために１軸ボールネジ駆動機構で行っているが、大型の構造部材の検査では、従来のＸ−Ｙの２軸方向に移動できる位置決め装置の使用が効率的である。

本発明の一実施形態に係る照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）予兆診断装置の概略構成図である。 Ｉ型コアセンサ１３の概略構成を示す図である。 ＩＡＳＣＣ予兆診断方法の手順を示すフローチャートである。 交流磁化法による第３次高調波強度（ｄＢ）の測定結果とＩＡＳＣＣ感受性（％）の評価結果の関係を示す図である。 渦電流法による位相平面上（Ｖｘ,Ｖｙ）のプローブ電圧分布を示す図である。 渦電流法プローブ電圧値測定結果とＩＡＳＣＣ感受性（％）の評価結果の関係を示す図である。 交流磁化法による第３次高調波強度（ｄＢ）の測定結果とＩＡＳＣＣ感受性（％）の評価結果の関係を示す図である。 渦電流法による位相平面上（Ｖｘ,Ｖｙ）のプローブ電圧分布を示す図である。 渦電流法プローブ電圧値測定結果とＩＡＳＣＣ感受性（％）の評価結果の関係を示す図である。

符号の説明

１１、１２ 直流磁気センサ
１３ Ｉ型コアセンサ
１４ ＣＣＤカメラ
１５ 着脱磁励磁コイル
１６ 超音波モータ
２１ センサアンプ
２２ 信号処理ユニット
２３ パワーユニット／ステージ制御ユニット
２４ 超音波モータドライバ
２５ 表示装置
１３１ センサプローブ
１３２ ボビン
１３３ フェライトコア
１３４ 励磁コイル
１３５、１３６ 検出コイル

Claims (6)

1. 交流磁化法により、被検体の第３高調波電圧値を測定し、予め求められている第３高調波電圧値の変化とＩＡＳＣＣ感受性の度合いとの相関関係を示すデータベースを参照して、被検体のＩＡＳＣＣ感受性の度合いを求めるＩＡＳＣＣ予兆診断方法。
2. 請求項１に記載のＩＡＳＣＣ予兆診断方法において、さらに、前記被検体の渦電流法プローブ電圧を測定し、予め求められている渦電流法プローブ電圧値とＩＡＳＣＣ感受性の度合いとの相関関係を示すデータベースを参照して、前記被検体のＩＡＳＣＣ感受性の度合いを求め、求められたＩＡＳＣＣ感受性の度合いが、前記第３高調波電圧値から求められたＩＡＳＣＣ感受性の度合いから所定の誤差範囲にあるかどうかを求めることを特徴とするＩＡＳＣＣ予兆診断方法。
3. 構造物の壁面を交流磁化する励磁コイルと、
   前記構造物の壁面からの磁束を検出する検出コイルから構成されるセンサプローブと、
   予め求められている第３高調波電圧値の変化とＩＡＳＣＣ感受性の度合いとの相関関係を示すデータを記憶しているメモリを備え、
   前記センサプローブによって得られる第３高調波電圧値に基づいて、前記メモリを参照し、当該電圧値変化対応のＩＡＳＣＣ感受性の度合いを求めることを特徴とするＩＡＳＣＣ予兆診断装置。
4. 請求項３記載のＩＡＳＣＣ予兆診断装置において、前記構造物が原子炉構造物であり、前記センサプローブは、耐放射線性部材で被覆された前記励磁コイルと前記検出コイルが高透磁率材であるフェライトコア上に巻かれ、耐放射線性部材成形体ボビンで支持されているＩ型コアセンサであることを特徴とするＩＡＳＣＣ予兆診断装置。
5. 請求項４記載のＩＡＳＣＣ予兆診断装置において、前記耐放射線性部材がポリエーテルエーテルケトン材又はポリイミド材であることを特徴とするＩＡＳＣＣ予兆診断装置。
6. 請求項３乃至５のいずれかに記載のＩＡＳＣＣ予兆診断装置において、さらに、前記センサプローブを前記構造物の壁面上で位置決めするための位置決め装置を備え、該位置決め装置の軸方向移動が超音波モータで行われることを特徴とするＩＡＳＣＣ予兆診断装置。

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