JP7284181B2 - 被検査体の非破壊検査のためのフェイズドアレイ超音波振動子装置 - Google Patents

被検査体の非破壊検査のためのフェイズドアレイ超音波振動子装置 Download PDF

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Description

本出願は、非破壊検査用振動子に関し、より詳細には、原子力環境などの立ち入り制限区域にある機器を検査するためのフェイズドアレイ超音波振動子装置に関する。
沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）は、核燃料の炉心を収めた圧力容器内で水を加熱して発生させた蒸気により蒸気タービンを駆動して電力を発生する。原子炉内の様々な機器および構造物は、構造健全性を評価し、補修の必要性を判断するために、定期的な検査を受ける。超音波検査は、原子炉機器のひび割れを検知するための既知の技術である。ＢＷＲなどの原子炉を初めとする原子力環境内の多数の検査区域は立ち入りが制限されているため、検査ツールを用いて評価するのは容易ではない。ＢＷＲのシュラウドはそのような機器の一つである。
シュラウド自体とシュラウドに形成された溶接部は、ひび割れが生じていないかどうかを定期的に検査される。ひび割れがあると、シュラウドの構造健全性が損なわれる可能性がある。シュラウドの外面へのアクセスは、シュラウドの外面と原子炉圧力容器の内面との間の環状空間内の、隣接するジェットポンプ同士の間に限定される。
溶接により溶融する部分に隣接する熱影響部も含めた溶接部全体（「溶接領域」とも称される）が超音波検査の対象である。ひび割れの方向は一般的に、周方向（溶接部に対して平行）、軸方向（溶接部に対して垂直）または軸からずれている（溶接部に対して平行でも垂直でもない）場合がある。周方向および軸方向のひび割れを検出するための溶接領域の検査としては、1個以上の振動子を様々な回転軸で回転させる多数の走査を組み合わせる例が一般的である。
超音波（ＵＴ）検査は、高周波数の音波を用いて被検査体の内部構造を把握する方法である。超音波検査に使用される周波数は、人の可聴限度より数倍も高く、５００ｋＨｚ～２０ＭＨｚが最も一般的な周波数範囲である。高周波数の音波には指向性があり、鋼材の媒体中を進む音波ビームは、別の媒体との境界（被検査体のひび割れや空隙など）に到達すると反射して戻ってくるので、内部構造が分かる。
従来の超音波による溶接物検査法は、一般的に、所定の角度で媒体中を進む単一ビームを発生させるために単一または２素子の圧電結晶振動子を特定のくさび状支台の上に配置したものを使用する。溶接領域を様々な方向や角度で検査するには、複数のプローブが必要になろうが、個々の振動子を回転させる遠隔操作ツールにより実現しようとすると複雑さが増す。溶接部の検査にフェイズドアレイプローブを用いると、振動子要素の必要数が抑えられ、さらに重要な点として、必要となる振動子の操作が少なくて済む利点がある。この種のフェイズドアレイプローブは、１つ以上のフェイズドアレイサブアセンブリ（ＰＡＳＡ）を使用する。この種のＰＡＳＡには、１列または複数列のＵＴ素子をそれぞれ個別に励振することにより第１の方向で掃引するように単一または複数のビームを様々な角度（アレイ）で発生可能な単一の振動子アセンブリによって多数の超音波ビームを発生できるという利点がある。フェイズドアレイ方式には、発生したビームを、フェイズドアレイ振動子を回転させずに第２の方向に操作できるものもある。フェイズドアレイによるビームの掃引および操作能力は、圧電ＵＴ素子の数、ハウジング内のＵＴ素子の配置、およびＰＡＳＡに接続され、コンピューターによって動く超音波操作システムの働きによって決まる。
沸騰水型原子炉等の原子炉の検査および補修は、一般的に、検査を完全なものとするために、複雑なツールによってフェイズドアレイ振動子を位置決めまたは移動させることが必要となる可能性がある。発電所事業者には、放射線被ばくを減らし、費用とプラント運転停止の影響を軽減するために、遠隔操作装置の設置および取外し回数を減らしたい要望がある。したがって、改善が望まれる。
改良型フェイズドアレイ振動子装置は、単一のハウジング内に複数のフェイズドアレイサブアセンブリ（ＰＡＳＡ）を３対配置したものである。ＰＡＳＡはそれぞれ、原子力環境のような環境中の被検査体に対して合成された斜角の方向に配向される。フェイズドアレイ振動子装置をツールによって当該環境内に搬入し、フェイズドアレイ振動子装置上のＰＡＳＡを位置決めすると、様々な方向に発信される超音波信号により、当該ツール上のハウジングの配向を変更しなくても被検査体の完全な検査を行うことができる。
したがって、開示する本発明の思想の一態様は、ハウジング内の３個のくさび状支台の上に６個のＰＡＳＡを対を成すように配置したフェイズドアレイ振動子装置を提供する。
開示する本発明の思想の別の態様は、被検査体の超音波検査を実施するためにツールによって原子力環境などの環境中に搬入されるフェイズドアレイ振動子装置を提供する。
開示する本発明の思想の別の態様は、（例えば、ツール上の振動子装置の位置を変更するためにツールを当該環境から離脱させたり、振動子装置の位置を調整する追加の装置をツール上に設けたりするような）ツール上の振動子装置の位置の再設定を必要とせずに、被検査体の同じ部分を再度走査できるようにした、被検査体の完全な超音波検査が可能なフェイズドアレイ振動子装置を提供する。
したがって、開示する本発明の思想の一態様は、コンピューターと接続可能で、原子力環境内の被検査体に対する超音波検査作業を行うためにツールによって当該原子力環境に搬入可能な構造のフェイズドアレイ振動子装置であって、当該フェイズドアレイ振動子装置は、超音波検査作業の少なくとも一部を実施中に当該被検査体と係合する構造の係合面を備えた基部を有すると一般的に言えるハウジングと、各々が当該基部上にあって複数の超音波素子を具備すると一般的に言える、第１のＰＡＳＡ、第２のＰＡＳＡ、第３のＰＡＳＡ、第４のＰＡＳＡ、第５のＰＡＳＡ、第６のＰＡＳＡから成る複数のフェイズドアレイサブアセンブリ（ＰＡＳＡ）と、当該第１のＰＡＳＡは、前記係合面に対する第１の斜角と、第１の超音波信号を被検査体の内部に出力する構造を有し、当該第２のＰＡＳＡは、前記係合面に対する第２の斜角と、第２の超音波信号を被検査体の内部に出力する構造を有し、当該第３のＰＡＳＡは、前記係合面に対する第３の斜角と、第３の超音波信号を被検査体の内部に出力する構造を有し、当該第４のＰＡＳＡは、前記係合面に対する第４の斜角と、被検査体の傷情報を含む当該第１の超音波信号の少なくとも一部の反射波を受信し、それに応答して、コンピューターが検知可能な第１の出力信号を発生する構造を有し、当該第５のＰＡＳＡは、前記係合面に対する第５の斜角と、被検査体の傷情報を含む当該第２の超音波信号の少なくとも一部の反射波を受信し、それに応答して、コンピューターが検知可能な第２の出力信号を発生する構造を有し、当該第６のＰＡＳＡは、前記係合面に対する第６の斜角と、被検査体の傷情報を含む当該第３の超音波信号の少なくとも一部の反射波を受信し、それに応答して、コンピューターが検知可能な第３の出力信号を発生する構造を有することを特徴とするフェイズドアレイ振動子装置を提供する。
本発明の詳細を、添付の図面を参照して以下に説明する。
開示する本発明の思想による改良型フェイズドアレイ振動子装置の透視図である。
図１のフェイズドアレイ振動子装置を別の方向から見た図である。
フェイズドアレイ振動子装置のカバーをハウジングから取り外した状態で示す図１と同様の図である。
別の方向から見た図３と同様の図である。
図１のフェイズドアレイ振動子装置の正立面図である。
図５の線６－６に沿った断面図である。
被検査体の上にある図１のフェイズドアレイ振動子装置の端面図である。
図７の線８－８に沿った断面図である。
同様の数字は、明細書全体を通して同様の部分を指す。
本願の、数字４で示す改良型フェイズドアレイ振動子装置は、「フェイズドアレイ振動子装置」とも「振動子装置」とも呼称する。図１からわかるように、振動子装置４はコンピューター６と接続することができる。コンピューター６は、以下に詳説するように、振動子装置４とともに、非破壊検査を含む様々な作業を行うように実行可能な超音波操作システムを搭載している。図７からわかるように、振動子装置４は、被検査体１２に対する非破壊超音波（ＵＴ）評価を実施するために、当該装置が装着されたツール８（略示）により原子力環境１０などの環境内に搬入される。図７からわかるように、被検査体１２には溶接部１４がある。図７において、振動子装置４は、被検査体１２の表面上の、溶接部１４からわずかに離隔した位置にあり、したがって、被検査体１２の溶接部１４の近傍を超音波検査中である。振動子装置４を溶接部１４に近づけると、溶接部１４自体を検査できることが理解されよう。
図１～５からわかるように、振動子装置４は、ハウジング１８と、その内部の検出装置２０とを含むと言える。検出装置２０は、数字２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ、２４Ｅ、２４Ｆで示す（まとめて、または個別に数字２４で示すこともある）６個のＰＡＳＡを含むと言える。ＰＡＳＡ２４はそれぞれ、当該関連技術分野で広く知られている複数の超音波（ＵＴ）素子２６を含む。
図示の実施例において、各ＰＡＳＡ２４は、全部で２０個のＵＴ要素２６を、第１の軸に沿って４個ずつ、またそれを横断する方向の第２の軸に沿って５個ずつ配列したものである。ただし、本明細書に開示する精神から逸脱せずに、第１の軸および第２の軸のそれぞれに沿ってもっと多数または少数のＵＴ要素２６を並べたＰＡＳＡ２４の他の実施態様もあることがわかる。例えば、第１の軸に沿って２個、３個、または５個以上のＵＴ要素２６を並べたＰＡＳＡ２４がそうであろう。同様に、第２の軸に沿って２個、３個、４個、６個、７個、または８個以上のＵＴ要素２６を並べたＰＡＳＡ２４の別例もある。
検出装置２０はさらに、各々が一つのＰＡＳＡ２４の対応する個別の超音波要素２６に接続される複数の同軸ケーブルを一本にまとめたケーブル３０を具備するが、このケーブル３０はハウジング１８に取り付けられ、延伸する。ケーブル３０は通常、或る特定の距離離隔したところまで、すなわち原子力環境１０の外まで十分に延びる長さを有し、ハウジング１８とは反対側の端部にコンピューター６と接続してインターフェイスするための多数のコネクターを具備する。
図１～４からわかるように、ハウジング１８は基部３２とカバー３６を含むと言える。カバー３６は、図１と図２に示すように、基部３２の上に位置する。図３と図４では、カバー３６が基部３２から取り外されている。
基部３２は、数字３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ、３８Ｄで示す（まとめて、または個別に数字３８で示す場合もある）４つの側壁を含むと言える。側壁３８は長方形である。ハウジング１８の側壁３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ、３８Ｄには、数字４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄで示す（まとめて、または個別に数字４２で示す場合もある）４つの穴がそれぞれ１個ずつ設けられている。また、側壁３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ、３８Ｄはそれぞれ、端縁面４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄを有すると言える。端縁面４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄは、本明細書ではまとめて、または個別に数字４４で示す場合もある。図示の実施例の端縁面４４は、互いに同一平面上にあることがわかる。ツール８は穴４２に接続するが、当該ツールに、ジンバルのような、超音波検査中に、被検査体１２の外面の形状にかかわらず、ハウジング１８を被検査体１２にしっかり接触させることができる装置を設けるのが一般的である。
ハウジング１８は、カバー３６の内面、端縁面４４、側壁３８の内面を境界とする内部領域４６を有すると言える。ハウジング１８の内部領域４６には、数字４８、５０、５４で示す複数の支台があると言える。各支台４８、５０、５４は、くさび状の構造であり、それぞれ１個以上の側壁３８に取り付けられている。支台４８は、側壁３８Ａと３８Ｂに取り付けられている。支台５０は、側壁３８Ｂと３８Ｃに取り付けられている。支台５４は、側壁３８Ｄに取り付けられている。
図２～４からわかるように、各支台４８、５０、５４は、底壁５６、上壁６０、およびいくつかの側壁６２を有し、各側壁は底壁５６と上壁６０の間を延びている。本明細書に使用する「いくつかの」という表現およびその変化形は、広義には、１を含む任意のゼロでない量を指すものとする。つまり、支台５４には一対の側壁６２があるのに対し、支台４８および５０の側壁６２はそれぞれ一つである。
底壁５６はそれぞれ、ほぼ平面状の下面６４を含む。下面６４と端縁面４４とは互いに同一平面上にあり、振動子装置４が超音波検査作業を行うときは協働して被検査体１２に係合する係合面６６を形成する。
図３、４からわかるように、各支台４８、５０、５４の上壁６０は、中央の表面７２がほぼ平面である中央部７０、中央部７０に隣接し第１の支持面７８を有する第１の支持部７６、第１の支持部７６とは反対側で中央部７０に隣接する第２の支持面８４を有する第２の支持部８２より成ると言える。図６からわかるように、各支台４８および５０の上壁６０と、対応する底壁５６との間の角度はグロス角８６であり、各支台４８および５０の中央面７２と下面６４との間の角度も、図６からこのグロス角８６であることが明らかである。支台５４は、支台４８および５０と直交するが、同様の構造であることがわかる。図示の実施例のグロス角８６は２８度であるが、本願の開示の精神から逸脱せずに、これより大きいまたは小さい角度でもよいことがわかる。したがって、グロス角８６は斜角ということになるが、その理由は、本明細書では「斜角」を基準面に対して平行でも垂直でもない角度の広義に用いるからである。
図３、４、８からわかるように、各支台４８、５０、５４の第１の支持面７８はさらに、中央面７２に対して第１のルーフ角８８だけ傾斜している。すなわち、図８において、第１のルーフ角８８は支台５４の中央面７２と第１の支持面７８の間の角度であるが、同様の関係が支台４８および５０にも存在することがわかる。同様に、図８から、各支台４８、５０、５４の第２の支持面８４は中央面７２に対して第２のルーフ角９０だけ傾斜していることがわかる。図示の実施例では、第１のルーフ角８８と第２のルーフ角９０は約３．５度であるが、本願の開示の精神から逸脱せずに、この角度を大きくても小さくてもよい。
図３、４、８からわかるように、第１のルーフ角８８と第２のルーフ角９０は同じ大きさであるが、中央面７２に対して互いに逆方向である。第１のルーフ角８８と第２のルーフ角９０はともに同様な斜角である。第１の支持面７８と第２の支持面８４は、係合面６６に対して、グロス角８６の方向に傾斜するだけでなく、それぞれ第１のルーフ角８８および第２のルーフ角９０だけ傾斜しているので、第１の支持面７８と第２の支持面８４が係合面６６に対して傾斜する角度はそれらが合成されたものであり、中央面７２に対しては互いに反対方向且つ相補的であると言えることがわかる。
図３および図４からわかるように、ＰＡＳＡ２４Ａは、支台４８の第1の支持面７８上に、また、ＰＡＳＡ２４Ｂは支台４８の第２の支持面８４上に位置する。ＰＡＳＡ２４Ｃは、支台５０の第１の支持面７８上に、また、ＰＡＳＡ２４Ｄは支台５０の第２の支持面８４上に位置する。同様に、ＰＡＳＡ２４Ｅは、支台５４の第１の支持面７８上に、また、ＰＡＳＡ２４Ｆは支台５４の第２の支持面８４上に位置する。したがって、ＰＡＳＡ２４Ａと２４Ｂは支台４８上で対をなし、同様に、ＰＡＳＡ２４Ｃと２４Ｄは支台５０上で対をなし、ＰＡＳＡ２４Ｅと２４Ｆは支台５４上で対をなすことがわかる。ＰＡＳＡ２４をこのように対をなすように配置すると、各対の一方のＰＡＳＡ２４を送信機として、超音波信号をハウジング１８から被検査体１２の内部に向けて出力させるとともに、もう一方のＰＡＳＡ２４を受信機として、反射超音波信号を受信するように働かせることにより、被検査体１２の探傷が行える。
図５～７からわかるように、ＰＡＳＡ２４Ａと２４Ｂの対の一方は、一群の第１の超音波信号９１をハウジング１８からほぼ第１の方向９２に発信して被検査体１２の内部へ向かわせる。同様に、ＰＡＳＡ２４Ｃと２４Ｄの対の一方は、一群の第２の超音波信号９３をハウジング１８からほぼ第２の方向９４に発信して被検査体１２の内部へ向かわせる。同様に、ＰＡＳＡ２４Ｅと２４Ｆの対の一方は、一群の第３の超音波信号９５をハウジング１８からほぼ第３の方向９６に発信して被検査体１２の内部へ向かわせる。図５と６からわかるように、第１の方向９２と第２の方向９４は互いにほぼ反対の方向である。図５と７からわかるように、第３の方向９６は第１の方向９２と第２の方向９４にほぼ垂直の方向である。第１の方向９２、第２の方向９４、第３の方向９６は一般的に、第１の超音波信号９１、第２の超音波信号９３、第３の超音波信号９５がＰＡＳＡ２４からハウジング１８の外に放出される平面内の方向であることがわかる。これに関連して、図６と７から、第１の超音波信号９１、第２の超音波信号９３、第３の超音波信号９５は、ハウジング１８を第１の方向９２、第２の方向９４、第３の方向９６から出たあと、一般的に係合面６６の方へ向かい、被検査体１２の内部に伝搬して、そこで屈折することがわかる。また、第１の超音波信号９１、第２の超音波信号９３、第３の超音波信号９５の発生や、これらの信号のハウジング１８からの発射方向の制御および操作全般は、コンピューター６上で実行されて、ＰＡＳＡ２４を作動させる超音波操作システムによって駆動されることがわかる。
したがって、ＰＡＳＡ２４をこのようにハウジング１８上に配置すると、ハウジング１８から多方向に発生する超音波信号９１、９３，９５のような超音波検査信号により被検査体１２に対する非破壊超音波検査作業を行えることがわかる。ＰＡＳＡ２４は係合面６６したがって被検査体１２に対してこのように合成した傾斜角度を有するため、振動子装置４を検査対象領域に沿って一度通過させるだけで、様々な方向に分散する振動子装置４からの超音波信号により、被検査体１２の検査領域を完全にカバーすることができる。この振動子装置４の有利な点は、例えば同じ領域の検査を別の方向で行うために、振動子装置４を、例えばツール８から取り外して位置設定を変更する必要がないことである。これにより、時間、労力、費用をうまく節約でき、望ましい。
本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。

Claims (4)

  1. コンピューター（６）と接続可能で、原子力環境（１０）内の被検査体（１２）に対する超音波検査作業を行うためにツール（８）によって当該原子力環境に搬入可能な構造のフェイズドアレイ振動子装置（４）であって、当該フェイズドアレイ振動子装置は、
    超音波検査作業の少なくとも一部を実施中に当該被検査体と係合する構造の係合面（６６）を備えた基部（３２）を有するハウジング（１８）と、
    各々が当該基部上にあって複数の超音波素子（２６）を具備する、第１のＰＡＳＡ（２４Ａ）、第２のＰＡＳＡ（２４Ｂ）、第３のＰＡＳＡ（２４Ｃ）、第４のＰＡＳＡ（２４Ｄ）、第５のＰＡＳＡ（２４Ｅ）、第６のＰＡＳＡ（２４Ｆ）から成る複数のフェイズドアレイサブアセンブリ（ＰＡＳＡ）（２４）と、
    当該第１のＰＡＳＡは、前記係合面に対する第１の斜角（８６、８８）と、第１の超音波信号（９１）を被検査体の内部に出力する構造を有し、
    当該第２のＰＡＳＡは、前記係合面に対する第２の斜角（８６、８８）と、第２の超音波信号（９３）を被検査体の内部に出力する構造を有し、
    当該第３のＰＡＳＡは、前記係合面に対する第３の斜角（８６、８８）と、第３の超音波信号（９５）を被検査体の内部に出力する構造を有し、
    当該第４のＰＡＳＡは、前記係合面に対する第４の斜角（８６、９０）と、被検査体の傷情報を含む当該第１の超音波信号の少なくとも一部の反射波を受信し、それに応答して、コンピューターが検知可能な第１の出力信号を発生する構造を有し、
    当該第５のＰＡＳＡは、前記係合面に対する第５の斜角（８６、９０）と、被検査体の傷情報を含む当該第２の超音波信号の少なくとも一部の反射波を受信し、それに応答して、コンピューターが検知可能な第２の出力信号を発生する構造を有し、
    当該第６のＰＡＳＡは、前記係合面に対する第６の斜角（８６、９０）と、被検査体の傷情報を含む当該第３の超音波信号の少なくとも一部の反射波を受信し、それに応答して、コンピューターが検知可能な第３の出力信号を発生する構造を有し、
    当該第１のＰＡＳＡは、被検査体の内部に向かうように当該第１の超音波信号を当該係合面の上から見て当該ハウジングからその外部に向かうほぼ第１の方向（９２）に発信させるべく当該基部上に配置され、当該第２のＰＡＳＡは、被検査体の内部に向かうように当該第２の超音波信号を当該係合面の上から見て当該ハウジングからその外部に向かうほぼ第２の方向（９４）に発信させるべく当該基部の上に配置され、当該第１の方向と当該第２の方向は実質的に互いに反対向きであり、
    当該第３のＰＡＳＡは、被検査体の内部に向かうように当該第３の超音波信号を当該係合面の上から見て当該ハウジングからその外部に向かうほぼ第３の方向（９６）に発信させるべく当該基部の上に配置され、当該第３の方向は当該第１の方向と当該第２の方向に対して実質的に垂直である、フェイズドアレイ振動子装置。
  2. 当該ハウジングはさらに、各々がくさび状の構造で当該基部上にある、第１の支台（４８）、第２の支台（５０）、第３の支台（５４）より成る複数の支台を有し、当該第１のＰＡＳＡと当該第４のＰＡＳＡは当該第１の支台上にあり、当該第２のＰＡＳＡと当該第５のＰＡＳＡは当該第２の支台上にあり、当該第３のＰＡＳＡと当該第６のＰＡＳＡは当該第３の支台上にある、請求項１のフェイズドアレイ振動子装置。
  3. 当該第１の支台、当該第２の支台、当該第３の支台はそれぞれ、支持面（７８）を備えた支持部（７６）と、別の支持面（８４）を備えた別の支持部（８２）を有し、当該第１の支台、当該第２の支台、当該第３の支台はそれぞれ当該係合面に対してグロス角（８６）だけ傾斜し、当該支持面はそれぞれ当該グロス角の傾斜とは別に当該係合面に対してルーフ角（８８）だけ傾斜しているため当該係合面に対する当該支持面の斜角は第１の合成角であり、当該別の支持面はそれぞれ当該グロス角の傾斜とは別に当該係合面に対して当該ルーフ角とは反対方向にさらに別のルーフ角（９０）だけ傾斜しているため当該係合面に対する当該別の支持面の斜角は第２の合成角である、請求項２のフェイズドアレイ振動子装置。
  4. 当該第１のＰＡＳＡは当該第１の支台の当該支持面上にあり、当該第４のＰＡＳＡは当該第１の支台の当該別の支持面上にあり、当該第２のＰＡＳＡは当該第２の支台の当該支持面上にあり、当該第５のＰＡＳＡは当該第２の支台の当該別の支持面上にあり、当該第３のＰＡＳＡは当該第３の支台の当該支持面上にあり、当該第６のＰＡＳＡは当該第３の支台の当該別の支持面上にある、請求項３のフェイズドアレイ振動子装置。
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