JP2727298B2 - 膜付きボイラー管の腐蝕疲労亀裂を検出する方法 - Google Patents
膜付きボイラー管の腐蝕疲労亀裂を検出する方法Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に、膜付きボイラ
ー管の腐蝕疲労亀裂(傷)を検出する方法に関し、特
に、EMAT(電磁音響トランスジューサ)を用いて膜
付きボイラー管の腐蝕疲労亀裂を検出する探傷方法に関
する。
ー管の腐蝕疲労亀裂(傷)を検出する方法に関し、特
に、EMAT(電磁音響トランスジューサ)を用いて膜
付きボイラー管の腐蝕疲労亀裂を検出する探傷方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】腐蝕疲労は、化石燃料炊きユーティリテ
ィボイラーのボイラー管に生じる破損仕組みの一形態で
ある。腐蝕疲労は、機械的応力と腐蝕の相互作用の結果
である。常時応力負荷より周期的応力負荷の方が破壊作
用が大きく、従って、この種の破損の方が多く発生す
る。実際に起る破損は、ボイラー管の水接触面(即ち、
内周面)(「ID面」と称する)から生じる亀裂発生と
亀裂生長から成る。通常、多発亀裂が生じるが、そのう
ちの優勢な1つの亀裂が管壁貫通破損を惹起する。亀裂
は、通常、幅広で、酸化物が詰まっており、不規則な隆
起形状を有する。このような亀裂に基因する破損は、貫
流ボイラーとも称される万能圧力(UP)型ボイラーユ
ニットにおいて特に深刻である。
ィボイラーのボイラー管に生じる破損仕組みの一形態で
ある。腐蝕疲労は、機械的応力と腐蝕の相互作用の結果
である。常時応力負荷より周期的応力負荷の方が破壊作
用が大きく、従って、この種の破損の方が多く発生す
る。実際に起る破損は、ボイラー管の水接触面(即ち、
内周面)(「ID面」と称する)から生じる亀裂発生と
亀裂生長から成る。通常、多発亀裂が生じるが、そのう
ちの優勢な1つの亀裂が管壁貫通破損を惹起する。亀裂
は、通常、幅広で、酸化物が詰まっており、不規則な隆
起形状を有する。このような亀裂に基因する破損は、貫
流ボイラーとも称される万能圧力(UP)型ボイラーユ
ニットにおいて特に深刻である。
【0003】亀裂の生長方向は、通常、最大引張応力の
方向に対して垂直な方向であるが、応力状況によって
は、応力基因亀裂は、管の長手方向、周方向、あるいは
ときには何らかの角度で斜め方向に生長することもあ
る。UP型ボイラーユニットの水壁パネルでは亀裂は、
一般に長手方向に生じる。化石燃料炊きボイラーユニッ
トの水壁パネルを構成する管では、亀裂はID面に発生
して、半径方向に伝播し、破断は、通常、膜との溶接部
に発生するか、あるいは、炉側又はケーシング側の膜と
の溶接部から90°離れたところに発生する。
方向に対して垂直な方向であるが、応力状況によって
は、応力基因亀裂は、管の長手方向、周方向、あるいは
ときには何らかの角度で斜め方向に生長することもあ
る。UP型ボイラーユニットの水壁パネルでは亀裂は、
一般に長手方向に生じる。化石燃料炊きボイラーユニッ
トの水壁パネルを構成する管では、亀裂はID面に発生
して、半径方向に伝播し、破断は、通常、膜との溶接部
に発生するか、あるいは、炉側又はケーシング側の膜と
の溶接部から90°離れたところに発生する。
【0004】従来、ユーティリティボイラーにおいてこ
のような亀裂の発生を検出するための主要な方法は、X
線探傷法であった。しかしながら、X線探傷法には健康
面で危険であるという問題があり、X線の被曝を避ける
ために検出中広い区域に亙って人を立ち退かせなければ
ならない。このことに鑑みて、この種の破損をX線では
なく、超音波によって検出するいろいろな試みがなされ
てきた。そのような従来の超音波探傷法の1つは、時間
がかかるので、ボイラーの亀裂発生の危険度の高い部分
を捜すための探傷法としてしか役に立たないとされてい
る。しかも、直径3.81mm(150ミル) 以下の管
の場合に顕著にみられるように、SN比(信号対雑音
比)が劣るという重大な問題がある。
のような亀裂の発生を検出するための主要な方法は、X
線探傷法であった。しかしながら、X線探傷法には健康
面で危険であるという問題があり、X線の被曝を避ける
ために検出中広い区域に亙って人を立ち退かせなければ
ならない。このことに鑑みて、この種の破損をX線では
なく、超音波によって検出するいろいろな試みがなされ
てきた。そのような従来の超音波探傷法の1つは、時間
がかかるので、ボイラーの亀裂発生の危険度の高い部分
を捜すための探傷法としてしか役に立たないとされてい
る。しかも、直径3.81mm(150ミル) 以下の管
の場合に顕著にみられるように、SN比(信号対雑音
比)が劣るという重大な問題がある。
【0005】超音波探傷法に随伴する不都合な問題の1
つは、亀裂は膜付き管パネル(膜付き管で構成されたパ
ネル)の炉側と、ケーシング側の両方に同じ確率で発生
することである。従来の超音波探傷法では、超音波を複
雑な幾何学的形状を有する膜を通して伝播させる。超音
波探傷法に随伴するもう1つの不都合な問題は、ボイラ
ー管の寸法が小さいことである。ボイラー管は小径であ
るため、超音波くさびを受け入れるための余地が非常に
小さい。
つは、亀裂は膜付き管パネル(膜付き管で構成されたパ
ネル)の炉側と、ケーシング側の両方に同じ確率で発生
することである。従来の超音波探傷法では、超音波を複
雑な幾何学的形状を有する膜を通して伝播させる。超音
波探傷法に随伴するもう1つの不都合な問題は、ボイラ
ー管の寸法が小さいことである。ボイラー管は小径であ
るため、超音波くさびを受け入れるための余地が非常に
小さい。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従って、ボイラー管の
腐蝕疲労を検出するための別の探傷方法を求める要望が
ある。本発明は、従来の超音波探傷法より迅速で、SN
比がはるかに良好なボイラー管の腐蝕疲労亀裂検出方法
を提供することを課題とする。
腐蝕疲労を検出するための別の探傷方法を求める要望が
ある。本発明は、従来の超音波探傷法より迅速で、SN
比がはるかに良好なボイラー管の腐蝕疲労亀裂検出方法
を提供することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、電磁音響トランスジューサ(EMAT)
を用いて膜付きボイラー管の腐蝕疲労亀裂を検出する探
傷方法を提供する。本発明によれば、ボイラー管を検査
するために、SH(剪断)波を発生させ、SH波が次々
に跳ね返るときモード変換を受けないようにする。又、
超音波のビーム角は、周波数の調節によって容易に制御
することができる。
決するために、電磁音響トランスジューサ(EMAT)
を用いて膜付きボイラー管の腐蝕疲労亀裂を検出する探
傷方法を提供する。本発明によれば、ボイラー管を検査
するために、SH(剪断)波を発生させ、SH波が次々
に跳ね返るときモード変換を受けないようにする。又、
超音波のビーム角は、周波数の調節によって容易に制御
することができる。
【0008】従って、本発明の目的は、EMATを用い
て膜付きボイラー管の腐蝕疲労亀裂を検出する探傷方法
を提供することである。本発明の他の目的は、カプラン
ト(連結材)を必要とせず、従来の超音波探傷法よりS
N比が良好なボイラー管の腐蝕疲労亀裂検出方法を提供
することである。本発明の更に他の目的は、順次に起る
跳ね返りにおいてモード変換を受けないSH波を使用す
るボイラー管の腐蝕疲労亀裂検出方法を提供することで
ある。本発明の更に他の目的は、性能の信頼性が高く、
動作が迅速であり、経済的なボイラー管の腐蝕疲労亀裂
検出方法を提供することである。
て膜付きボイラー管の腐蝕疲労亀裂を検出する探傷方法
を提供することである。本発明の他の目的は、カプラン
ト(連結材)を必要とせず、従来の超音波探傷法よりS
N比が良好なボイラー管の腐蝕疲労亀裂検出方法を提供
することである。本発明の更に他の目的は、順次に起る
跳ね返りにおいてモード変換を受けないSH波を使用す
るボイラー管の腐蝕疲労亀裂検出方法を提供することで
ある。本発明の更に他の目的は、性能の信頼性が高く、
動作が迅速であり、経済的なボイラー管の腐蝕疲労亀裂
検出方法を提供することである。
【0009】
【実施例】図1を参照すると、ボイラー管12に位置づ
けされた2つのEMAT(電磁音響トランスジューサ)
コイル即ちセンサー10,20が示されている。ボイラ
ー管12は、斯界において周知の膜付き管パネル(膜付
き管で構成されたパネル)14の一部である。各EMA
Tコイル即ちEMATセンサー10,20は、隣接する
導線の間隔が0.762mm(0.030in) 〜1.
524mm(0.060in) の範囲となるように巻か
れた2個のメアンダー(曲折)巻きコイルから成る。好
適な1例は、7.9375mm(5/16in) ×1
5.875mm(5/8in) の断面寸法を有する各1
個のコイルに5つの隣接するループが巻かれたものであ
る。
けされた2つのEMAT(電磁音響トランスジューサ)
コイル即ちセンサー10,20が示されている。ボイラ
ー管12は、斯界において周知の膜付き管パネル(膜付
き管で構成されたパネル)14の一部である。各EMA
Tコイル即ちEMATセンサー10,20は、隣接する
導線の間隔が0.762mm(0.030in) 〜1.
524mm(0.060in) の範囲となるように巻か
れた2個のメアンダー(曲折)巻きコイルから成る。好
適な1例は、7.9375mm(5/16in) ×1
5.875mm(5/8in) の断面寸法を有する各1
個のコイルに5つの隣接するループが巻かれたものであ
る。
【0010】EMATコイル10と20は、図1に示さ
れるように、近接する膜付き管パネル(単に「膜パネ
ル」又は「ボイラー管パネル」とも称する)14上にほ
ぼ120°〜170°の間隔をおいて位置づけされる。
この構成では、任意の2個のEMATコイルをピッチ−
キャッチ(発信−受信)モードで使用することもでき、
あるいは、単一のEMATコイルをパルス−エコーモー
ドで用いることもできる。EMATコイル10,20
は、図1に示されるように、ボイラー管12に近接して
配置されたチタン製の摩耗板のような摩耗板16によっ
て保護される。別法として、EMATコイル10,20
をポリエチレンテープ又はチタンの薄板のような適当な
耐摩性材で覆ってもよい。
れるように、近接する膜付き管パネル(単に「膜パネ
ル」又は「ボイラー管パネル」とも称する)14上にほ
ぼ120°〜170°の間隔をおいて位置づけされる。
この構成では、任意の2個のEMATコイルをピッチ−
キャッチ(発信−受信)モードで使用することもでき、
あるいは、単一のEMATコイルをパルス−エコーモー
ドで用いることもできる。EMATコイル10,20
は、図1に示されるように、ボイラー管12に近接して
配置されたチタン製の摩耗板のような摩耗板16によっ
て保護される。別法として、EMATコイル10,20
をポリエチレンテープ又はチタンの薄板のような適当な
耐摩性材で覆ってもよい。
【0011】EMATコイル10,20と、摩耗板16
と、電磁石であるパルス付勢磁石(パルスによって付勢
される磁石)とで、EMAT組立体(単に「トランスジ
ューサ」とも称する)8を構成する。パルス付勢磁石1
8は、トランスジューサ8の他の構成部品と一緒に適当
なハウジング内に収容される。パルス付勢磁石18は、
本発明の方法に必要な磁界を供給する。膜パネル14の
ボイラー管12の走査は、機械的スキャナ(図示せず)
で機械的に、又は手操作で行う。
と、電磁石であるパルス付勢磁石(パルスによって付勢
される磁石)とで、EMAT組立体(単に「トランスジ
ューサ」とも称する)8を構成する。パルス付勢磁石1
8は、トランスジューサ8の他の構成部品と一緒に適当
なハウジング内に収容される。パルス付勢磁石18は、
本発明の方法に必要な磁界を供給する。膜パネル14の
ボイラー管12の走査は、機械的スキャナ(図示せず)
で機械的に、又は手操作で行う。
【0012】EMATセンサー10,20の配向は、そ
れらのセンサーの磁力線がEMAT導線に対して平行に
なるように定められる。ただし、磁力線とEMAT導線
とが、平行以外の他の角度をなすように構成してもよ
い。
れらのセンサーの磁力線がEMAT導線に対して平行に
なるように定められる。ただし、磁力線とEMAT導線
とが、平行以外の他の角度をなすように構成してもよ
い。
【0013】EMATコイル10,20は両方向性であ
るから、両方をパルス−エコーモードで作動させた場合
2つのコイル即ちセンサー間でクロストークが生じるの
を回避するために、変型実施例として単一のコイルを使
用してパルス−エコーモードで動作させることもでき
る。図2は、ボイラー管を走査するために単一センサー
型EMATコイル22を用いる変型実施例を示す。ただ
し、ボイラー管の異なる部分をカバーする(走査する)
ために2センサー型EMATコイルを交互に用いるよう
にしてもよい。例えば、第1のセンサーの下側の区域
は、第2のセンサーなしでは検査することができず、そ
の逆も同じである。
るから、両方をパルス−エコーモードで作動させた場合
2つのコイル即ちセンサー間でクロストークが生じるの
を回避するために、変型実施例として単一のコイルを使
用してパルス−エコーモードで動作させることもでき
る。図2は、ボイラー管を走査するために単一センサー
型EMATコイル22を用いる変型実施例を示す。ただ
し、ボイラー管の異なる部分をカバーする(走査する)
ために2センサー型EMATコイルを交互に用いるよう
にしてもよい。例えば、第1のセンサーの下側の区域
は、第2のセンサーなしでは検査することができず、そ
の逆も同じである。
【0014】電源(図示せず)によって駆動されるEM
ATパルス発信−受信機24は、伝播された超音波を受
け取り、オシロスコープ又はコンピュータ28にディス
プレーする。磁石パルス発信機26は、センサー22と
協同して、ボイラー管12を検査するためのSH剪断波
を発生する。
ATパルス発信−受信機24は、伝播された超音波を受
け取り、オシロスコープ又はコンピュータ28にディス
プレーする。磁石パルス発信機26は、センサー22と
協同して、ボイラー管12を検査するためのSH剪断波
を発生する。
【0015】図1に示された実施例では、EMATデー
タ取得装置(24,28)は、SH剪断波を発生する2
つのEMATコイル10,20のための2つのチャンネ
ルを備えている。EMATコイル10,20は、それら
から発せられた信号を受け取るオシロスコープ又はコン
ピュータ28に接続されている。オシロスコープ又はコ
ンピュータ28によるデータ取得は、少なくとも2つの
異なるモードで行われる。即ち、波形とウインドウが直
接ディスプレーされるか、あるいは、各ウインドウ中の
ピーク振幅がディスプレーされる。
タ取得装置(24,28)は、SH剪断波を発生する2
つのEMATコイル10,20のための2つのチャンネ
ルを備えている。EMATコイル10,20は、それら
から発せられた信号を受け取るオシロスコープ又はコン
ピュータ28に接続されている。オシロスコープ又はコ
ンピュータ28によるデータ取得は、少なくとも2つの
異なるモードで行われる。即ち、波形とウインドウが直
接ディスプレーされるか、あるいは、各ウインドウ中の
ピーク振幅がディスプレーされる。
【0016】図3及び4は、4つのウインドウでのデー
タ取得ディスプレーを示す。第1ウインドウW1は、初
期パルス励起の開始部位に設定されている。第4ウイン
ドウW4は、ボイラー管12の円周に沿っての1回の走
行完了位置に設定されている。図4は、その第3ウイン
ドウW3に自然傷からの信号を示している。この信号
は、第1ウインドウW1と第4ウインドウW4の間にあ
り、EMATコイル10,20が両方向性であるから、
その傷が炉側に存在するのか、ケーシング側に存在する
のかは分からない。このディスプレー上の縦点線は、横
軸線の使用された10の時間間隔を表す。これらの検査
結果は、31.75mm(1.25in) の外径(O.
D.)を有するボイラー管について得られたものであ
る。
タ取得ディスプレーを示す。第1ウインドウW1は、初
期パルス励起の開始部位に設定されている。第4ウイン
ドウW4は、ボイラー管12の円周に沿っての1回の走
行完了位置に設定されている。図4は、その第3ウイン
ドウW3に自然傷からの信号を示している。この信号
は、第1ウインドウW1と第4ウインドウW4の間にあ
り、EMATコイル10,20が両方向性であるから、
その傷が炉側に存在するのか、ケーシング側に存在する
のかは分からない。このディスプレー上の縦点線は、横
軸線の使用された10の時間間隔を表す。これらの検査
結果は、31.75mm(1.25in) の外径(O.
D.)を有するボイラー管について得られたものであ
る。
【0017】ボイラー管及び管壁の肉厚を一定とした場
合、ビーム角は臨界的な重要性を有する。ビーム角θと
周波数の関係は、下式によって与えられる。 sinθ=c/2Df ここで、f=周波数 c=剪断波速度 D=EMATコイルの隣接する導線間の間隔 実際の実施においては、適正なビーム角は、I.D.亀
裂を模して機械加工によって形成された切欠きで校正基
準を視検することによって決定される。
合、ビーム角は臨界的な重要性を有する。ビーム角θと
周波数の関係は、下式によって与えられる。 sinθ=c/2Df ここで、f=周波数 c=剪断波速度 D=EMATコイルの隣接する導線間の間隔 実際の実施においては、適正なビーム角は、I.D.亀
裂を模して機械加工によって形成された切欠きで校正基
準を視検することによって決定される。
【0018】いろいろな異なる径の管を検査するために
差し替え自在のEMATが必要とされる。酸化物コーチ
ングが無傷のままの管では、そうでない管に比べてSN
比がはるかに良好である。それは、おそらく、酸化物コ
ーチングの磁歪特性の故であろう。
差し替え自在のEMATが必要とされる。酸化物コーチ
ングが無傷のままの管では、そうでない管に比べてSN
比がはるかに良好である。それは、おそらく、酸化物コ
ーチングの磁歪特性の故であろう。
【0019】本発明の方法の1例として、2.63MH
zの周波数で作動させる場合、鋼管に対する好ましいビ
ーム角は、52.9゜である。管の外周が湾曲面である
から、ビーム角はSH剪断波が傷と交差する角度ではな
い。31.75mm(1.25in)の外径(O.
D.)を有するボイラー管の場合、最適周波数は、約
2.63MHz〜2.75MHzの範囲である。このビ
ーム角は、管の直径と管壁の肉厚の組み合わせによって
異なる。
zの周波数で作動させる場合、鋼管に対する好ましいビ
ーム角は、52.9゜である。管の外周が湾曲面である
から、ビーム角はSH剪断波が傷と交差する角度ではな
い。31.75mm(1.25in)の外径(O.
D.)を有するボイラー管の場合、最適周波数は、約
2.63MHz〜2.75MHzの範囲である。このビ
ーム角は、管の直径と管壁の肉厚の組み合わせによって
異なる。
【0020】以上、本発明を実施例に関連して説明した
が、本発明は、ここに例示した実施例の構造及び形態に
限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲から逸
脱することなく、いろいろな実施形態が可能であり、い
ろいろな変更及び改変を加えることができることを理解
されたい。
が、本発明は、ここに例示した実施例の構造及び形態に
限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲から逸
脱することなく、いろいろな実施形態が可能であり、い
ろいろな変更及び改変を加えることができることを理解
されたい。
【図1】図1は、膜付きボイラー管の一部分に装填され
た本発明の一実施例の概略断面図である。
た本発明の一実施例の概略断面図である。
【図2】図2は、ボイラー管パネルを検査するために用
いられる本発明の別の実施例の概略図である。
いられる本発明の別の実施例の概略図である。
【図3】図3は、1回の走行を示すコンピュータのディ
スプレー像の図である。
スプレー像の図である。
【図4】図4は、図3と同様の図であるが、自然傷が検
出された場合を示す。
出された場合を示す。
8:EMAT組立体(電磁音響トランスジューサ) 10,20:EMATコイル(センサー) 12:ボイラー管 14:膜付き管パネル(膜パネル) 16:摩耗板 18:パルス付勢磁石 22:EMATコイル(センサー) 24:EMATパルス発生−受信機 26:磁石パルス発信機 28:オシロスコープ又はコンピュータ
Claims (5)
- 【請求項1】 ボイラー管の腐蝕疲労亀裂を検出する方
法であって、2 つの電磁音響トランスジューサを膜付き管パネル上の
1つのボイラー管の外周にほぼ120゜〜170゜の間
隔をおいて該ボイラー管に近接させて位置づけし、 該電磁音響トランスジューサの少なくとも1つによって
超音波SH剪断波を発生させ、周波数を調節することができる 該超音波SH剪断波を所
定のビーム角で前記ボイラー管内へ伝播させ、該超音波
SH剪断波は該ボイラー管の周りを伝播する際順次に起
る跳ね返りにおいてモード変換を受けることがなく、 該ボイラー管からの戻り超音波SH剪断波を前記電磁音
響トランスジューサの少なくとも1つで測定し、 該戻り超音波SH剪断波からデータ取得手段によってボ
イラー管の腐蝕疲労亀裂を確認することから成る方法。 - 【請求項2】 腐蝕疲労亀裂を検出するために前記ボイ
ラー管を走査する工程を含むことを特徴とする請求項1
に記載の方法。 - 【請求項3】 前記超音波SH剪断波は、ボイラー管の
直径と管壁の肉厚に応じて1MHz〜4MHzの範囲の
周波数で発生させることを特徴とする請求項1に記載の
方法。 - 【請求項4】 前記超音波SH剪断波の周波数は、必要
に応じて1MHz〜4MHzの範囲で調節自在とするこ
とを特徴とする請求項3に記載の方法。 - 【請求項5】 前記所定のビーム角は、ボイラー管のサ
イズによって決定され、式sinθ=c/2Df(ここ
で、f=周波数、c=剪断波速度、D=EMATコイル
の隣接する導線間の間隔)によって所望のビーム角を得
るように前記超音波SH剪断波の周波数を調節すること
によって設定されることを特徴とする請求項4に記載の
方法。
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