JP4511487B2 - 水素に起因する損傷及び腐食減肉現象の検査方法 - Google Patents
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Description
石油精製装置や石油化学装置等の各種石油プラントにおける機器・配管等の耐圧部材には、炭素鋼、低合金鋼、ステンレス鋼が使用されているが、特に炭素鋼製および低合金鋼製の機器・配管の場合には、水素に起因する損傷が発生する場合がある。
まず、炭素鋼製機器・配管と接触する流体が硫化水素を含む場合には、硫化水素と水分により機器等を構成する鋼材が腐食し、その腐食により発生した水素の鋼材への浸入が発生する。そして、浸入した水素が局部に凝集した場合、鋼材の圧延方向に沿って平行な割れが発生する。この割れが、水素誘起割れ(HIC:Hydrogen Induced Cracking)と呼ばれる。このHICが発生しただけでは機器等を構成する鋼材の材料強度に与える影響は小さいのであるが、複数のHICが存在する場合に、HIC同士を板厚方向に沿って連結するような割れ(ステップ割れ)が発生すると鋼材の材料強度に与える影響が大きくなる。したがって、ステップ割れの検出はもちろん、その前提となるHICを検出することが、機器等の安全性を維持する上で非常に重要である。
また、高温高圧水素環境下で使用される機器・配管では水素侵食(HA:Hydrogen Attack)が発生する恐れがあり、このHAを防ぐために、一般的にC−0.5Mo、1Cr−0.5Mo、1.25Cr−0.5Mo、2.25Cr−1Mo等の低合金鋼が使用される。このHAとは、炭素鋼中の炭素と、運転条件において機器等を構成する鋼材に平衡固溶した水素が反応することによって、鋼材が脱炭されてメタンガスを生成したり、生成されたメタンガスが鋼材の結晶粒界に留まることによって結晶粒界に沿ってボイド状空洞(メタルバブル)やミクロフィッシャが形成され、鋼材の衝撃エネルギおよび破談強度、延性が低下する現象をいう。HAが発生すると、材料が劣化し割れ等が発生することによって機器等の安全性が低下するので、機器等の安全性を維持するためには、HAを検出することは非常に重要である。
本発明は、かかるHIC、HAなどの水素に起因する損傷や、腐食減肉現象を検査する検査方法に関する。
従来例1,2は、鋼材に超音波を供給する探触子を最適化することによって鋼材の表面から2mm以内の欠陥を精度よく検出することができるようにした技術であり、鋼材表面と欠陥との間で発生する多重反射を検出することにより欠陥の有無を判断している。
また、従来例3,4は、鋼材を挟むように送信子と受信子を配置し、受信子によって超音波が受信されるタイミングの差に基づいて欠陥の有無、位置を検出するものである。
第2発明の水素に起因する欠陥及び腐食減肉現象の検査方法は、検査対象に対して該検査対象内における所定の位置で集束する超音波を供給し、該検査対象の厚さ方向における超音波の集束位置を変化させながら検査対象の欠陥を検出する検査方法であって、超音波の集束位置を検査対象の表面に沿った方向にも移動させ、検査対象において反射される超音波の反射波を検出し、各集束位置で検出された全反射波に基づいて、検査対象内における反射波のエコー高さの分布を示したエコー高さ分布を形成し、エコー高さ分布における所定の値以上の強度を有する欠陥領域の分布に基づいて水素に起因する損傷を判別し、欠陥領域の連続性を評価することによって腐食減肉が生じている領域を判別し、検査対象の表面に沿った方向において、水素に起因する損傷を検査する検査領域を設定し、該検査領域の面積と該検査領域内において水素に起因する損傷が生じている部分の面積との割合を示す欠陥面積率を、前記腐食減肉が生じている領域を除いて、算出することを特徴とする。
第3発明の水素に起因する欠陥及び腐食減肉現象の検査方法は、第1発明において、欠陥領域の連続性を評価することを特徴とする。
第4発明の水素に起因する欠陥及び腐食減肉現象の検査方法は、第1または第2発明において、検査対象に対して、フェイズドアレイ探触子を用いて超音波を供給することを特徴とする。
第5発明の水素に起因する欠陥及び腐食減肉現象の検査方法は、第1、第3または第4発明において、前記検査領域の欠陥面積率が所定の値を超えている場合にのみ、検査領域を縮小して、縮小された検査領域における局所欠陥面積率を算出することを特徴とする。
第2発明によれば、検査対象内における所定の位置に超音波を集束させておりしかもその集束位置を検査対象内のほぼ全域に移動させるから、実質同等の欠陥であれば、その存在位置が異なってもその欠陥に起因する反射波の強度(エコー高さ)をほぼ同等にすることができる。よって、エコー高さ分布を形成すれば欠陥の存在状況を確認することができる。しかも、欠陥の性質により、反射率やその形状等に違いがあるので、欠陥領域の分布から水素誘起割れや水素侵食等の水素に起因する損傷と他の欠陥とを判別することができる。また、検査対象に斜めから超音波を供給すれば、水素誘起割れ同士が連結されたステップ割れ等の検査対象の厚さ方向に沿って形成される損傷も検出することができる。また、水素誘起割れや水素侵食等の損傷の広がりを確認できるので、検査対象の状況をより多角的に判断することができる。さらに、腐食減肉が発生している場合における欠陥面積率を過大評価することを抑えることができるので、検査対象の評価精度を向上させることができる。
第3発明によれば、水素誘起割れは長さの短い断続したクラックであるが、各種石油プラントにおける機器・配管等の耐圧部材に生じる腐食減肉は耐圧部材の内面に沿って連続して発生するので、欠陥領域の長さ・連続性に基づいて水素誘起割れと腐食減肉とを区別することができる。
第4発明によれば、超音波の集束位置を電子スキャンすることができるので、検査速度を向上させることができ、また、超音波の集束性を向上させることができる。
第5発明によれば、水素誘起割れや水素侵食等の損傷が局所に集中して発生しているのか、それとも、均一に分布しているのかを判断することができるので、検査領域が大きい場合における欠陥面積率が同じでも検査対象の状態の相違を把握することができる。
本発明は検査対象の内部に存在する水素に起因する損傷である水素誘起割れ(HIC)や水素侵食(HA)を検査する検査方法である。
まず、本発明の検査方法を説明する前に、本発明の検査方法に使用される検査装置について説明する。
前記ウェッジ4には、その端面にエンコーダ5が取り付けられている。このエンコーダ5は探触子走査方向におけるPA探触子ユニット2の位置を検知するものであり、後述する制御装置6にケーブルによって接続されている。このため、エンコーダ5は検知した位置情報を後述する制御装置6に送信することができる。
このPA探触子3の各振動子は受信器としても機能し、PA探触子3から発せられた超音波UWが検査対象I内部のHICやHAに伴って発生するボイド状空洞等で反射された反射波を受信することができる。
なお、探傷条件(超音波UWの集束深さ、電子スキャン幅等)に関する情報は、パソコン7を介して制御装置6へ伝達されており、パソコン7から伝達される情報を変更することによって探傷条件を変更することができる。この探傷条件には、有効検査幅に関する情報も含まれている。この有効検査幅とは、探触子走査方向と直交する方向に沿って超音波UWが集束する位置を電子スキャンしたときに、実際に超音波UW集束位置が移動する幅のことであり、PA探触子3の幅よりも狭くなる。
なお、Bscope画像、Cscope画像、Dscope画像とは、例えば、図4および図6に示すように、PA探触子ユニット2が移動する探触子走査方向をX軸、電子スキャンする方向(探触子走査方向と直交する方向)をY軸、検査対象Iの厚さ方向をZ軸とする、XYZ座標を設定した場合、XZ平面と平行な断面におけるエコー高さ分布を示した画像がBscope画像であり、XY平面と平行な断面におけるエコー高さ分布を示した画像がCscope画像であり、YZ平面と平行な断面におけるエコー高さ分布を示した画像がDscope画像である。
また、以下では検査対象Iの厚さ方向を単に板厚方向というが、板厚方向とは検査対象Iの表面に対して垂直な方向という意味であり、本願の検査方法により検査される対象が板状の部材に限定されることを意味するのではないのは、いうまでもない。
まず、図1の探傷ステップS00に示すように、PA探触子3から発生させる超音波UWの厚さ方向の集束位置を変化させながら電子スキャンさせ、かつ、PA探触子ユニット2を図4(B)における実線Tに沿って移動させる。すると、検査対象Iの一端から他端(図4(B)では上端から下端)まで、制御装置6に設定された所定の有効検査幅を有する領域について、検査対象I内部を検査することができる。
例えば、探触子走査方向の探傷データを1mm毎に取得し、かつ、PA探触子3の振動子ピッチ(探触子走査方向と直交する方向における電子スキャンピッチ)を1mmとすれば、1mmグリッド毎の探傷データを取得することができる。つまり、検査対象Iの表面に沿って、1mmグリッド毎の探傷データを取得することができるのである。
さらになお、超音波UWはその進行方向と平行な欠陥等では反射されなかったり反射されてもその強度が弱くなるため、板厚方向に沿って超音波を発信した場合、つまり、垂直探傷による検査を行った場合にはHIC同士を連結するステップ割れ等は検出することができない。しかし、超音波UWを板厚方向に対して斜めに発信する、つまり、斜角探傷による検査を行えば、板厚方向に沿って発生したステップ割れ等の欠陥であっても検出することができる。そして、超音波を板厚方向に対して斜めに供給する場合には、ウェッジ4として、楔形、つまり、PA探触子3が接触する面が検査対象Iの表面に対して傾斜した面を有する形状のものを使用すればよい。
本発明の検査方法は、上記のごとき検査装置1(図4参照)により、全反射波を検出してエコー高さ分布を形成し、このエコー高さ分布に基づいてHICやHA等の水素に起因する種々の損傷を判断するようにしたことにより、損傷の検出精度を向上させることができた点に特徴を有している。
なお、本発明の検査方法は、HICやHA等の水素に起因する種々の損傷の検査に使用することができるものであるため、以下では、代表としてHICを検査する場合を説明する。
まず、前述のPA探触子ユニットが反射波を検出する感度を設定するのであるが、5mmピッチで板厚が変化する内部に欠陥の存在しない試験片を使用し、この試験片の表面に向けて超音波UWを発信し、板厚の異なる位置における試験片からの反射波のエコー高さを測定する。この反射波は試験片の裏面で反射したものであるから、同じ強度の超音波UWを発信したときに、検出されるエコー高さが同じになるようにPA探触子ユニット2の距離振幅特性を補正すれば、超音波UWを反射する深さに起因するエコー高さの変化が生じることを防ぐことができる。
ついで、基準平坦穴(φ5.6mm)が形成された試験片(JIS STB N1試験片)において、基準平坦穴が形成されている面と逆の面から超音波UWを供給し、PA探触子ユニット2の基準感度として基準平坦穴の底面から反射される反射波のエコー高さが、Ascope画像のフルスケールを100%とすると、例えば、反射波のエコー高さがフルスケール80%のエコー高さとなるように設定する。
なお、所定のエコー高さは、検査する対象や検査状況により任意に設定でき、例えば、上述基準感度のエコー高さや、基準感度の1/2や1/4のエコー高さに設定することもできる。
具体的には、以下の方法によってHICと腐食減肉を判断している。
まず、Bscope画像、Dscope画像を表示させる。例えば、図3(A)のような検査対象Iの場合、Bscope画像、Dscope画像を表示させると図3(C)のような画像となる。
ついで、各画像において、検査対象Iの表面に沿った方向の各位置において、傷指示エコーのうち、最も深い位置に表示されている傷指示エコーの領域をバックエコーBEと認定する(図3(C)参照)。
そして、バックエコーBEと認定された領域の分布を確認する。具体的には、Bscope画像ではX方向、Dscope画像ではY方向にバックエコーBEが連続しているか否かを確認する。そして、バックエコーBEが連続している領域は検査対象Iの裏面からの反射波であり、バックエコーBEが不連続な領域にはHICが存在していると判断することができる(S02)。
これに対し、バックエコーBE領域の深さが正常な板厚よりも浅い場合には、バックエコーBE領域に腐食減肉が発生していると評価することができる。そして、バックエコーBE領域の深さと正常な板厚と比較したり、このバックエコーBE領域がどの程度広がっているかを確認すれば、腐食減肉の程度も把握できるから、検査対象Iについて、HICだけでなく腐食減肉も考慮した耐久性の評価をおこなうことができる。
一方、バックエコーBE領域の大部分が、正常な板厚よりも浅い場合には、その位置にはHICと腐食減肉とが混在している評価することができる。
しかし、HAに起因する損傷はある程度の連続性を有するので(図7参照)、上記の方法を採用しても腐食減肉と区別することは困難である。よって、HAの検査では、図1にのフローチャートにおいて、エコー高さ分布を形成した後(S01)、バックエコーBEの連続性判断(S02)を行わず、すぐにバックエコーBE領域の深さ判別(S04)を行えばよい。
なお、以下ではHICの面積率について説明するので、特許請求の範囲にいう欠陥面積率をHIC面積率で示し、特許請求の範囲にいう最大局所欠陥面積率を最大局所HIC面積率で示している。
なお、HIC面積率を検出する場合には、Cscope画像として、検査領域内の各点において、各点のAscope画像に表示される各板厚のエコー高さを、そのエコー高さに応じて色別表示させたエコー高さ分布画像を使用する。Cscope画像は、板厚毎の断面画像とすることも可能であるが、通常の使用や、HIC面積率を算出する場合は、送信波領域とバックエコーを除いた板厚領域の透過画像としている。送信波領域とは、PA探触子ユニット2から検査対象Iに発信された超音波UWの影響によって、反射波の正確なエコー高さを検出できない領域を意味する。
なお、閾値とするエコー高さは、検査する対象や検査状況により任意に設定できるのは、いうまでもない。
そして、全検査領域のHIC面積率、つまり、全検査領域の平均HIC面積率と最大局所HIC面積率を比較すれば、全検査領域内において、HICが局所に集中して発生しているのかそれとも均一に分布しているのかを判断することができる。すると、検査領域が大きい場合におけるHIC面積率が同じでも検査対象Iの状態の相違を把握することができ、より正確かつ厳密に検査対象Iの評価を行うことができる。
なお、腐食減肉の影響を除く方法は、腐食減肉が発生していない板厚領域だけでCscope画像を形成すればよい。
UW 超音波
HIC 水素誘起割れ
HA 水素侵食
BE バックエコー
1 検査装置
2 PA探触子ユニット
3 PA探触子
4 ウェッジ
5 エンコーダ
6 制御装置
7 パソコン
Claims (5)
- 検査対象に対して該検査対象内における所定の位置で集束する超音波を供給し、該検査対象の厚さ方向における超音波の集束位置を変化させながら検査対象の欠陥を検出する検査方法であって、
超音波の集束位置を検査対象の表面に沿った方向にも移動させ、
検査対象において反射される超音波の反射波を検出し、
各集束位置で検出された全反射波に基づいて、検査対象内における反射波のエコー高さの分布を示したエコー高さ分布を形成し、
エコー高さ分布における所定の値以上の強度を有する欠陥領域の分布に基づいて水素に起因する損傷を判別し、
検査対象の表面に沿った方向において、水素に起因する損傷を検査する検査領域を設定し、
該検査領域全域の面積と、該検査領域内において水素に起因する損傷が生じている部分の面積と、の割合を示す欠陥面積率と、
該検査領域内において、該検査領域よりも狭い所定の面積を有する局所領域の面積と、該局所領域内において水素に起因する損傷が生じている部分の面積と、の割合を示す局所欠陥面積率とを算出し、
算出された該局所欠陥面積率のうち、その値が最大となる最大局所欠陥面積率を算出する
ことを特徴とする水素に起因する損傷及び腐食減肉現象の検査方法。 - 検査対象に対して該検査対象内における所定の位置で集束する超音波を供給し、該検査対象の厚さ方向における超音波の集束位置を変化させながら検査対象の欠陥を検出する検査方法であって、
超音波の集束位置を検査対象の表面に沿った方向にも移動させ、
検査対象において反射される超音波の反射波を検出し、
各集束位置で検出された全反射波に基づいて、検査対象内における反射波のエコー高さの分布を示したエコー高さ分布を形成し、
エコー高さ分布における所定の値以上の強度を有する欠陥領域の分布に基づいて水素に起因する損傷を判別し、
欠陥領域の連続性を評価することによって腐食減肉が生じている領域を判別し、
検査対象の表面に沿った方向において、水素に起因する損傷を検査する検査領域を設定し、
該検査領域の面積と該検査領域内において水素に起因する損傷が生じている部分の面積との割合を示す欠陥面積率を、前記腐食減肉が生じている領域を除いて、算出する
ことを特徴とする請求項1記載の水素に起因する損傷及び腐食減肉現象の検査方法。 - 欠陥領域の連続性を評価する
ことを特徴とする請求項1記載の水素に起因する損傷及び腐食減肉現象の検査方法。 - 検査対象に対して、フェイズドアレイ探触子を用いて超音波を供給する
ことを特徴とする請求項1または2記載の水素に起因する損傷及び腐食減肉現象の検査方法。 - 前記検査領域の欠陥面積率が所定の値を超えている場合にのみ、検査領域を縮小して、縮小された検査領域における局所欠陥面積率を算出する
ことを特徴とする請求項1,3または4記載の水素に起因する損傷及び腐食減肉現象の検査方法。
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