JP2559401B2

JP2559401B2 - 金属材料の劣化検査方法

Info

Publication number: JP2559401B2
Application number: JP62074099A
Authority: JP
Inventors: 正広大高; 邦夫榎本; 邦夫長谷川; 智菅野; 英世斉藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-03-30
Filing date: 1987-03-30
Publication date: 1996-12-04
Anticipated expiration: 2011-12-04
Also published as: JPS63241348A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、金属材料の劣化検査方法に係り、特に、化
学プラント及び原子力プラントの高温環境下で使用され
ている含フエライト系ステンレス鋼等の金属材料実機部
材の高温時効脆化損傷の検知に好適な測定に関する。

〔従来の技術〕

従来の脆化測定方法の例としては、特開昭54−61981
号に記載のような方法がある。ここには、オーステナイ
ト系ステンレス鋼溶接金属の脆化の有無を初期のδフエ
ライト量が５％以上減少したことで判定するとしてあ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

高温で使用される金属材料の内で、特に含フエライト
ステンレス鋼を例にとれば、高温長時間の使用により時
効脆化を起こすことがすでに知られている。これは、お
よそ600℃以上の比較的高温においてはσ相の析出に起
因するσ相脆化が生じ、また、400℃〜500℃の範囲にお
いては、いわゆる475℃脆性が生じることによる。しか
し、475℃脆性は、400℃以下の温度範囲においても長時
間使用中に生じうる可能性があり、含フエライトステン
レス鋼実機部材の高温での使用には十分の配慮が必要で
ある。

しかしながら上記従来技術は、500℃以下の脆化につ
いては配慮されておらず、475℃脆性の程度を検出でき
なかつた。

また、実機溶接部の初期フエライト量は溶接位置で異
なり、ばらつきも大きい。さらに実機では溶接箇所が膨
大であるため、全部の溶接部のフエライト量を監視する
ことは困難である。したがつて、初期フエライト量の不
明な箇所には、従来技術は適用できないという問題があ
つた。

一方、渦電流測定法（Eddy Current Test Method、以
下ECTという）の例としては、特開昭55−141653号「強
析出硬化型鉄基合金の劣化状態判定方法」がある。この
従来例は、鉄基合金の劣化状態を、初測定材のECT値
と、使用前の被測定材またはそれと同種材質の材料を被
測定材の初期熱処理と同様の熱処理を施したものをECT
値を比較し、その値が正か負かによつて判定する方法を
示している。

しかしながら、正負によつて判定するのみであるか
ら、定量的な測定ができなかつた。

本発明の目的は、高温環境下で使用する含フエライト
系ステンレス鋼などの金属材料実機部材の脆化の程度を
非破壊的にかつ精度よく検知できる方法を提供すること
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

金属材料の電気的な特性は、高温で長時間使用に伴つ
て変化することに着目し、交流ブリツジを用いて、基準
に対する被測定体の不平衡電圧の絶対値と位相角並びに
金属材料のかたさ、組織などの機械的性質の変化を比較
して金属材料の脆化の程度を決定する金属材料の劣化検
査方法を提案するものである。

具体的には、２つの測定方法を提案している。

まず、第１の方法においては、基準に対する劣化材の
交流ブリツジの不平衡電圧を測定し、この不平衡電圧よ
り劣化材の初期状態における不平衡電圧を推定する。こ
の劣化材の初期推定不平衡電圧と測定不平衡電圧との変
化量から金属材料の劣化の程度を算出する。なお、測定
周波数を変えて同様に評価を行うことで劣化の程度の確
実精度は向上させる。

一方、第２の方法においては、劣化した材料の表面の
一部にエツチングなどの処理を施こしてレプリカ法等で
組織の情報を採り、劣化材の初期の状態における不平衡
電圧を推定する。この初期推定不平衡電圧と劣化材の不
平衡電圧との変化量から金属材料の劣化の程度を算出す
る。

いずれの方法においても、劣化材の判定結果は定量的
となる。

〔作用〕

金属材料は、高温環境下で長時間使用すると、内部組
織に変化を生じ、強度が低下する。これに伴い、金属材
料の電気抵抗率ρや透磁率μなどの電気的特性及び硬さ
や金属組織などの機械的性質も変化することがわかる。
例えば、含フエライト系ステンレス鋼などの高温加熱に
よる脆化について種々検討した結果、脆化の程度とECT
の不平衡電圧の間に一定の相関々係のあることから、こ
の関係を利用して、含フエライト系ステンレス鋼等の金
属材料の脆化度を、特に、劣化材の不平衡電圧の絶対値
及び位相角の値、レプリカ法等による金属組織の情報か
ら、劣化材の初期状態を推定することによつて、脆化の
進行程度を精度良く検知することができる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、本発明による金属材料の劣化検査方法を実
施するためのシステム構成の一例を示す図である。図に
おいて、１は原子力プラント等に用いられる配管であ
り、被測定体である。また、2A,2Bは探触子コイル、３
はその走査駆動装置、４は走査駆動制御装置、５は渦電
流探傷器、６はコンピユータ、７は外部記憶装置、８は
外部記録装置、100はデータ処理装置、200は金属の内部
組織観察装置、210は硬さ計測装置である。被測定体１
の表面には探触子コイル2Aを配置してあり、基準となる
試験片11の表面には探触子コイル2Bを配置してある。

走査駆動装置３の詳細を第２図に示す。

被測定体であるパイプ１の外周には、移動用リング30
があり、移動リング30には120゜間隔で駆動車輪41,補助
車輪36,連結シヤフト40,モータ36,ベルト35及びギヤツ
プセンサ39からなる駆動機構が設けてある。駆動車輪41
はベルト35を介してエンコーダ付ステツピングモータ36
で駆動される。また、駆動車輪41は連結シヤフト40に固
定してあり、外周リング30に取り付けてある。連結シヤ
フト40の他方には補助車輪34が設けてあり、駆動車輪41
と補助車輪34は、連結シヤフト40の弾性変形の範囲でパ
イプ１に適当な力で押し付けられている。外周リング30
の姿勢制御は、３つのギヤツプセンサ39を連結シヤフト
40の真上に配置して外周リング30のねじれの状態を検
出，補正することで行う。外周リング30には、固定棒31
で固定リング32が取り付けてあり、固定リング32の内側
には固定リング32に接して回転する回転リング33が設け
てある。回転リング33の内面はラツク構造で、ピニオン
ギア38を持つモータ37で回転する。回転リング33には、
コイル2Aを設けたシリンダ20と硬さを計測する硬さ計21
0と表面を研摩する研摩装置121,エツチング処理装置140
からなる表面処理装置と光源201,ズーム機能を有するビ
デオカメラ202からなる表面観察装置が取り付けてあ
る。これがパイプ表面上を移動可能な機構となつてい
る。

コイル2Aを上下させるシリンダ部20の詳細を第３図に
示す。探触子コイル2Aは、ボールねじ機構22を介してモ
ータ23により被測定体１に押し付けられる。この押し付
け力は、ロードセル21で検出する。また、コイルの上下
移動量は、ギヤツプセンサ24で検出する。探触コイル
は、回転リング33により、周方向の移動ができ、外周リ
ング30の軸方向の移動できる。

研摩装置121の詳細を第４図に示す。回転研摩ヘツド1
26は連結レバー122を介してモータ123で回転する。連結
レバー122は、直交方向に駆動するシリンダ124で動作
し、被測定体１表面に押し付けられ、表面を研摩でき
る。研摩装置121は、回転リング33により周方向の移動
ができる。

エツチング装置140の詳細を第５図に示す。被測定体
１の表面をエツチング処理するためのセル143には、被
測定体１と接する端にはゴム状の物質142を設け、セル1
43の密閉を図つている。セル143はロードセル147付のシ
リンダ145で一定圧力で押し付けられる。セル143には、
エツチング液150と中和液151が切り換えバルブ149で選
択され、ポンプ148で供給される。シリンダ145は回転リ
ング33に固定され、周方向の移動ができる。

組織観察装置200の詳細を第６図に示す。組織観察装
置200は、光源201と拡大鏡203を有するビデオカメラ202
とこれらを回転リング33に固定する治具204からなる。
回転リング33により周方向の移動が可能である。

硬さ計測装置210の詳細を第７図に示す。圧子211はロ
ードセル212を有するシヤフト214の先端に設けてある。
シヤフト214はボールねじ機構213でモータ215で上下す
る。圧子211の変位はギヤツプセンサ216で測定できる。
硬さ計測装置210は、回転リングに固定され，周方向の
移動が可能である。

被測定体１の表面には、探触子コイル2Aを配置してあ
り、基準とする試験片11の表面には、探触子コイル2Bを
配置してある。

走査駆動装置３のモータ及びその他駆動部と信号系
は、走査駆動制御装置４に接続されており、制御を受け
る。

２個の探触子コイルは、コイル形状は直径3mm巻数70
ターンのものを絶縁性樹脂の中に埋め込み、同じ特性を
持つ。これらの探触子コイルは、交流ブリツジ回路を持
つ渦電流探傷器５に接続され、等価的に第24図に示す回
路を形成している。

渦電流探傷器５は、周波数範囲D.C.〜5MHzで自動平衡
機能を有している。ここで、測定した不平衡電圧の絶対
値と位相角は、デジタル信号に変換され、コンピユータ
６に取り込まれる。

コンピユータ６は、インターフエイスを介して、駆動
制御装置4,渦電流探傷器5,外部記憶装置7,外部記録装置
８を制御する。ここでは、コンピユータ６に16ビツトCP
Uを用い、外部記憶装置７としてフロツピーデイスクを
パラレルインターフエイスで接続してある。また、駆動
制御装置４とは、ペリフアリ・インターフエイスアダプ
タ（PIA）を介して、一方、渦電流探傷器５とはGP−IB
インターフエイスを介して、データをやりとりするよう
になつている。

また、研摩装置121,エツチング処理装置140は、駆動
制御装置４で制御され、金属組織の観察結果及び硬さ等
のデータは、データ処理装置100で処理され、コンピユ
ータ６に取り込まれる。

さて、上記の如く構成したシステムにおいて、本発明
の測定方法を実行するメインルーチンを、第８図のフロ
ーチヤートにより説明する。

まず、駆動装置３を原子炉の配管等の被測定体１の表
面に配置し、駆動装置３を測定系の原点にセツトする。
そこでコンピユータ６から時効劣化の検査範囲と後述の
測定方法とを選択して入力する。測定開始とともに、駆
動装置３は測定開始点に移動し、入力された測定方法に
従つて渦電流を測定し、３つの評価のうち１つを実施す
る。測定終了後、駆動装置３は次の測定位置に移動す
る。同様に検査を繰り返し、駆動装置３が最終位置に達
するまで続ける。測定中のデータは、フロツピーデイス
ク７に記憶される。測定終了後、測定データはフロツピ
ーデイスク７からコンピユータ６に再び取り込まれる。
このデータは、先に指定された測定方法に対応してデー
タ処理方法で処理され、時効脆化の判定材料となる。そ
の結果は外部記録装置８に出力され、あるいはコンピユ
ータのCRTに表示される。

第９図は、ECTのデータ収集段階を示すフローチヤー
トであり、第８図のステツプ内を詳細に表わしてい
る。ここではまず、周波数を決定する。次に、任意の
基準試験片11に探触子コイル2Bを押し付けて平衡をと
り、それから、探触子コイル2Bをリフトオフし（持ち上
げ）、リフトオフ信号を位相角０゜にセツトして、キヤ
ンセルすべきオフセツト値を測定する。探触子コイル2A
をパイプ（被測定体）１の外表面に押し付けた後、探触
子コイル2Aと2Bを切換えて、不平衡電圧の絶対値と位相
角とを渦電流探傷器５で測定する。このデータは、コン
ピユータ６を介してフロツピーデイスク７に記憶され
る。その後、周波数Δだけ高くして再びルーチンを繰
り返し、周波数が最終周波数になつたら測定を終り、デ
ータ処理に移行する。

なお、測定データはフロツピーデイスクに一旦格納す
ると述べたが、コンピユータ６内のDRAM等からなる内部
メモリの容量が充分な場合は、そこに蓄積しても良く、
次の段階のデータ処理の速度が速くなることは勿論であ
る。また、大容量のハードデイスクを利用することもで
きる。

第８図のステツプに対応する評価１の詳細を第10図
から第13図を用いて説明する。

第10図は、ECT信号のみの評価フローチヤートであ
り、第８図のステツプを詳細に表わしている。フロツ
ピーデイスク７に記憶していた測定位置，不平衡電圧の
絶対値，位相角のデータをコンピユータ６に取り付込
む。

ところで、材料の劣化試験によれば、処女材の不平衡
電圧は、第11図に示すように、材料のばらつきで絶対値
を変化するが、特定の周波数では一定の位相角θ_１の方
向に現われた。また、材料の劣化は、位相角θ_２の方向
に現われ、劣化の程度は、処女材の不平衡電圧と劣化後
の不平衡電圧の差ΔＶとよく対応があつた。

そこで、第12図に示すように、測定した劣化材の不平
衡電圧から、劣化方向ベクトルと処女材のベクトル方向
との交点を求め、これを劣化の初期推定値Vsとし、Vsと
劣化材の不平衡電圧の差ΔＶを求める。この劣化の不平
衡電圧ΔＶと材料の強度との対応は、第13図に示すよう
に、初期推定値Vsの劣化マスターカーブを予め求めてお
き、これを用いて、ΔＶに対応する材料の強度（例えば
K_IC）を算出する。このように第10図のフローチヤート
に従つて上述の評価を行つた後、測定位置と評価した値
を外部記録装置８に出力し、他の測定位置について同じ
ルーチンを繰り返し行う。

次に、第８図のステツプ及びに対応する組織の観
察及び評価の詳細を第14図から第18図を用いて説明す
る。

第14図は、第８図のステツプの内部組織の検査のフ
ローチヤートである。

検査位置を読み込み、研摩装置121を移動して、一定
研摩時間Ktimeの間被測定体２を研摩する。研摩終了
後、同一位置に、エツチング装置140を移動して、一定
時間Ktimeの間研摩位置をエツチング処理する。エツチ
ング処理後、観察装置202で金属組織を画像処理し、相
の面積比を演算する。この結果をメモリに記憶する。

なお、被測定体１の表面を表面処理装置で処理した
後、この表面をレプリカあるいは超音波顕微鏡などの表
面観察装置でも金属組織のデータを測定することもでき
る。この状態の一例を第16図に示す。第16図のような２
相金属組織を持つ場合は500℃以下の高温時効では、金
属組織に大きな変化がないことから、マトリツクス組織
に対する析出組織の面積比あるいは結晶粒径などから、
劣化の初期の物性を推定できる。

第15図は、第８図のステツプの評価２の詳細フロー
チヤートを示す。

不平衡電圧及び劣化材の組織面積比をメモリから読み
込む。処女材において第17図のようなマスターカーブを
採用しておくことにより容易に劣化材の初期状態が推定
できる。第18図より、求めた劣化材の初期不平衡電圧Vs
と劣化材の軟平衡電圧との差ΔＶを求めて、上述したよ
うに第13図に従つて金属材料の劣化の程度を評価でき
る。

第８図のステツプ及びに対応する硬さ及び評価３
の詳細を第19図から第23図を用いて説明する。

第19図は、第８図のステツプの硬さ測定のフローチ
ヤートである。

検査位置を読み込み、装置を移動する。圧子211を押
し付け硬さを測定する。

第20図は、第８図のステツプの詳細フローチヤート
である。

実験において、時効劣化に伴い、例えば、不平衡電圧
と硬さの関係は、第21図に示すような傾向にあることを
確認した。すなわち、劣化に伴う変化する２つのパラメ
ータより、材料の劣化を推定する。第22図に示すよう
に、劣化材の値を、劣化方向に延長し、処女材のカーブ
と交差した位置を初期推定値H₀として劣化材との差をパ
ラメータx₀で表わす。このx₀とH₀の値より、予め求めて
おいた強度とパラメータx₀との関係（第23図）より劣化
材の劣化の程度を評価できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高温で使用される金属材料の脆化の
程度を非破壊的にかつ迅速に検知できるので脆化損傷を
未然に防ぐことが可能であり、実機機の安全性を高める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のシステム構成図、第２図は、
本発明の実施例によるパイプの測定装置の斜視図、第３
図は、第２図中の探触子コイルの押し付け機構の斜視
図、第４図は、第２図中の研摩装置の斜視図、第５図
は、第２図中のエツチング処理装置の斜視図、第６図
は、第２図中の観察装置の斜視図、第７図は、第２図中
の硬さ測定装置の斜視図、第８図は本発明の実施例にお
ける作動メインルーチンのフローチヤート図、第９図
は、第８図中のECT測定のフローチヤート図、第10図
は、第８図中の評価１のフローチヤートで、第11図から
第13図は、第10図のフローチヤート中での説明の為のグ
ラフ図、第14図は、本発明の実施例における内部組織の
検査フローチヤート、第15図は第８図中の評価２のフロ
ーチヤート図、第16図から第18図は、第15図のフローチ
ヤートの説明の為の解説図、第19図は、第８図中の硬さ
測定のフローチヤート図、第20図は、第８図中の評価３
のフローチヤート図、第21図から第23図は第20図のフロ
ーチヤート説明の為の解説図、第24図は渦電流探傷器の
等価回路図である。１……被測定体、2A,2B……探触子コイル、３……走査
駆動装置、４……走査駆動制御装置、５……渦電流探傷
器、６……コンピユータ、７……外部記憶装置、８……
記録装置、11……基準試験片、100……データ処理装
置、121……研摩装置、140……エツチング処理装置、20
0……組織観察装置、201……光源、202……ビデオカメ
ラ、210……硬さ計測装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菅野智土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者斉藤英世日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献特開昭60−225058（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−183359（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−62858（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】金属材料の被測定体と基準試験片とに交流
信号を印加し、それらに生じた渦電流を交流ブリツジ回
路で検出する渦電流探傷法による金属材料の劣化検査方
法において、先ず特定の基準試験片を選択し、その基準試験片と被測
定体とにおいて交流信号の周波数を変えながら交流ブリ
ツジ回路の不平衡電圧と位相角とのデータを収集するＡ
ステツプと、被測定体の処女材と劣化材の関係より予め求めておいた
劣化情報としての位相角を用いて、Ａステツプで計測し
た被測定体の不平衡電圧と位相角とのデータを基に被測
定体の初期状態の不平衡電圧と位相角を推定するＢステ
ツプと、Ｂステツプで推定した被測定体の初期状態の不平衡電圧
及び位相角と、Ａステツプで測定した不平衡電圧及び位
相角とのベクトル量の差から、予め求めておいた前記ベ
クトル量の差−金属材料強度の校正曲線を用いて被測定
体の強度を算出するＣステツプとからなることを特徴とする金属材料の劣化検査方法。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、被測定体
の初期状態の不平衡電圧と位相角を推定するＢステツプ
は、被測定体の金属組織にかかわる結晶粒径や相の面積
率より、被測定体の処女材と劣化材の関係より予め求め
ておいた金属組織−電気特性の校正曲線を用いて、被測
定体の初期状態の不平衡電圧と位相角を推定するステツ
プを用いたことを特徴とする金属材料の劣化検査方法。