JP4371364B2 - 厚肉構造物の自動超音波探傷装置および自動超音波探傷方法 - Google Patents
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Description
(i) 送信波形と底面や欠陥などの反射体からの波形から、音速、または反射体までの距離を求める機能(音速・距離測定機能)
(ii) 得られた信号に形状エコーや後方散乱波によるノイズが顕著な場合、これらを信号処理により除去する機能(ノイズ除去機能)
(iii) 後方散乱波の周波数、速度分散、減衰を用い、結晶粒の大きさを評価する機能(結晶粒評価機能)
(iv) 有限要素法により、粗大な結晶を有する材料1の超音波伝搬特性を予測する機能(超音波伝搬特性予測機能)
という各機能によって構成される。以下では、まず、これら各機能について順次説明し、その後、溶接部検査技術を向上させるためのハード面での測定技術について説明する。上述の各機能は、例えば自動超音波探傷装置に内蔵された制御処理装置ないしは制御処理回路に搭載されている。
まず、本実施形態においては、材料1中を伝搬する超音波の音速(「音速」とは一般的に音が空気中を伝搬する際の速度をいうが、本明細書では材料1中を伝搬する超音波の伝搬速度のことをも意味している)を実時間で測定し、測定した音速に基づいて、材料1中の欠陥をより高精度にサイジングすることとしている。すなわち、I)材料1中における超音波の音速(伝搬速度)は、き裂欠陥2のサイジング精度に大きな影響を与えるということに加え、II)対象となる材料1中での音速が当該材料1の経年劣化などによって変化する、という2点を踏まえ、材料1中における実際の伝搬速度を材料1ごとに把握してより正確な超音波探傷を実現できるようにしている。また、実際に超音波の音速を求める方法として、1)ゼロクロス法、2)相関関数法、3)位相スペクトル法を備え、これらのうちのいずれかを利用することとしている。
[数1]
Vp=2πfL/(−Δφ)
ここでLは伝搬時間、Δφは位相差、fは周波数である。
オーステナイト系鋼はフェライト系に比べ結晶粒が大きく、更に溶接部は母材の圧延組織に比べ結晶粒が大きいため、結晶粒界で反射、屈折し、散乱によるエコーが現れる。このエコーは林のように見えるので「林状エコー」と呼ばれる。探傷試験体がこのオーステナイト系鋼である場合には、溶接部は弾性異方性を有する粗大な柱状晶組織となるため、その溶接部を探傷する時、林状エコーがき裂欠陥2の端部エコーをマスクしてしまい、欠陥のサイジング精度が低下する場合がある。また、入射する超音波の波長と同等以上の結晶粒を有する材料1の場合には、後方散乱波によるノイズがSN比を低下させ、探傷精度が低下する場合がある。
また、本実施形態においては、仮に材料1の結晶粒が大きい場合にあっても、欠陥の検出性能が低下するのを防止して高いサイジング精度を維持する観点から、結晶粒のモニタリングを行うこととしている。すなわち、例えばステンレスといったオーステナイト系鋼の溶接金属や鋳造品はその結晶粒が大きいために、周波数の高い探傷用超音波に対し結晶粒間で散乱波を生じさせて信号を激しく減衰させる。このため、探傷用の信号のSN比が低下し、欠陥の検出性能が低下するという現象が生じる場合がある。その一方で、このような状況を回避するために探傷用超音波の周波数を低くすると超音波ビームの指向性が悪化し、サイジング精度が低下するという状況に陥る。そこで本実施形態では、材料1の結晶粒のモニタリングを行い、その大きさを正確に把握することにより当該結晶粒に最適な探傷周波数を選択し、欠陥の検出性能およびサイジング精度を向上させるようにしている。また、例えば熱時効処理すると結晶粒が大きくなるといわれているなど、結晶粒の大きさは環境や劣化状況に依存するので、このように結晶粒の大きさをモニタリングした場合には、材料1の劣化の程度や損傷の度合いを評価してその寿命を予測することができ、これによって事故防止や設備の延命を図ることが可能となる。
[数4]
(λ/D≫1のとき) α=AD3f4(Rayleigh散乱)
[数5]
(λ/D≒1のとき) α=BDf2(Stochastic散乱)
[数6]
(λ/D≪1のとき) α=CD-1(拡散散乱)
なお、材料1の結晶が使用中に大幅に変わるようなことはない。したがって、上記のように「λ/D」の大小を比べるにあたっては、製造時の結晶粒の値をもって上記いずれの式に用いるかを決定すればよい。
さらに本実施形態においては、探傷の同定、欠陥信号の識別などの精度をさらに向上させる観点から、有限要素法により波動伝搬を解析し可視化するようにしている。例えばオーステナイト系鋼の溶接部は当該溶接部において結晶が粗大化し、尚かつ弾性異方性を有しているという特性があるため、伝搬挙動が複雑となり、実験結果を解釈し難い面があるが、このように波動伝搬を有限要素法により解析し可視化することとすれば特性予測精度が向上する。
(1)高温蒸気管溶接部などの非破壊検査を高度化するため、1回の自動探傷でフェーズドアレイプローブ3と同時に従来のTOFDプローブ3を用いて測定を行う。
(2)従来の単一振動子を用いた精密探傷に対し、フェーズドアレイプローブ3を用いることにより、測定に有する時間を大幅に短縮(具体的には、例えば1/60程度)に短縮することを可能としている。
(3)フェーズドアレイプローブ3を用いた探傷(斜角探傷)により、欠陥の三次元位置が得られ、位置測定精度は軸方向および周方向においてそれぞれ平均二乗誤差で高精度であり(例示すると、0.64mm以下および2.27mm以下)、軸方向に2mm間隔の周方向き裂欠陥2を十分に識別できる。
(4)ちなみに、欠陥指示が重畳しない場合においては、き裂2の高さに関してはフェーズドアレイ法よりTOFD法の方が高さ測定精度が良く、長さに関してはフェーズドアレイ法の方が測定精度が良い。また、き裂欠陥2がTOFD法のDスキャン方向と垂直な方向に存在し、欠陥指示が重畳する場合にはフェーズドアレイ法が有効となる。
(5)TOFD法とフェーズドアレイ法を併用することにより、検知された欠陥指示から欠陥位置を測定することにより熱影響部のき裂2と溶接欠陥を識別し、かつ高精度に欠陥寸法を測定することが可能となる。
2 き裂(き裂欠陥)
3 プローブ
Claims (2)
- 厚肉構造物中に生じたき裂欠陥をTOFD法とフェーズドアレイ法の両方を適用して超音波で探傷する厚肉構造物の超音波探傷装置において、送信超音波波形と前記厚肉構造物の材料の底面や内在き裂欠陥などの反射エコーの波形とから当該材料中を伝搬する超音波の実際の音速ならびに反射体までの距離を、ゼロクロス法、相関関数法、位相スペクトル法のうちの少なくともひとつを利用して前記材料毎に計測する音速・距離測定手段と、受信波形に形状エコーや後方散乱波によるノイズが顕著に表れている場合にこれらノイズを空間平均法とウェーブレット変換法のいずれか一方または両方を適用した信号処理により当該ノイズ強度を低下させてこれと引き換えに欠陥信号を強調するノイズ除去手段と、前記材料中における複数種類の結晶粒の大きさに依存する超音波の周波数と減衰率との関係の測定結果、あるいはこれと同様に前記結晶粒の大きさに依存する前記超音波の背面散乱波の振幅と周波数特性の測定結果を利用して当該結晶粒の大きさを評価し、この評価結果に基づき当該結晶粒に最適な探傷周波数を選択する結晶粒評価手段と、前記超音波の波動伝搬の挙動が複雑な場合に当該波動伝搬を解析して可視化し、粗大な結晶を有する前記材料の超音波伝搬特性を予測可能とする超音波伝搬特性予測手段とを備えていることを特徴とする厚肉構造物の超音波探傷装置。
- 厚肉構造物中に生じたき裂欠陥をTOFD法とフェーズドアレイ法の両方を適用して超音波で探傷する厚肉構造物の超音波探傷方法において、送信超音波波形と前記厚肉構造物の材料の底面や内在き裂欠陥などの反射エコーの波形とから当該材料中を伝搬する超音波の実際の音速ならびに反射体までの距離を、ゼロクロス法、相関関数法、位相スペクトル法のうちの少なくともひとつを利用して前記材料毎に計測する音速・距離測定ステップと、受信波形に形状エコーや後方散乱波によるノイズが顕著に表れている場合にこれらノイズを空間平均法とウェーブレット変換法のいずれか一方または両方を適用した信号処理により当該ノイズ強度を低下させてこれと引き換えに欠陥信号を強調するノイズ除去ステップと、前記材料中における複数種類の結晶粒の大きさに依存する超音波の周波数と減衰率との関係の測定結果、あるいはこれと同様に前記結晶粒の大きさに依存する前記超音波の背面散乱波の振幅と周波数特性の測定結果を利用して当該結晶粒の大きさを評価し、この評価結果に基づき当該結晶粒に最適な探傷周波数を選択する結晶粒評価ステップと、前記超音波の波動伝搬の挙動が複雑な場合に当該波動伝搬を解析して可視化し、粗大な結晶を有する前記材料の超音波伝搬特性を予測可能とする超音波伝搬特性予測ステップとからなることを特徴とする厚肉構造物の超音波探傷方法。
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