JP7500259B2 - 超音波探傷方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超音波探傷方法に関する。

超音波探傷試験は、非破壊で構造材の表面および内部の健全性を確認できる技術であり、様々な分野で欠かせない検査技術となっている。小型の超音波送受信用圧電素子を並べ、圧電素子ごとにタイミング（遅延時間）をずらして超音波を発信することにより任意の波形を形成できるフェーズドアレイ超音波探傷試験（ＰＡＵＴ：Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔ）は、工業用途でも広く用いられている。所定の角度しか超音波を発信できない単眼プローブに比べ、１回の探傷で広範囲を探傷したり、複数の角度で探傷したり、ビームの制御によっては複雑形状に対応したりと、様々な点で拡張性がある。

特許第４０９６０１４号公報

今般、原子力や火力等の大規模発電プラントや社会インフラ設備は高経年化が進み、検査対象となる部位や検出すべき欠陥の種類が、従来に比べて増えてきている。

これまで検査が求められていた部位は、そもそも検査を想定して作られていたり、加工性の限界（溶接等）により検査対象が露出していたりと、超音波探傷におけるアクセスが容易な対象が大部分であった。一方、経年変化によって検査を想定していなかった部位でのリスクが顕在化してきており、そのような対象は製造時にＵＴ対象となっていない、一体鍛造等で検査対象位置の形状が複雑である等、通常の手法ではＵＴが適用できないケースがある。例えば原子炉内のジェットポンプを保持するライザーブレースアームの原子炉圧力容器との接合部は、通常の全周溶接の部分ではあるが、アクセス性の限られた原子炉内から探傷するには多くの探傷姿勢が要求される程度が大きくなり、これに対応するためには装置にかかる負担が大きくなる。すなわち、探傷姿勢の要求が多い場合、装置が複雑化し原子炉内の狭隘部へ侵入できない場合が出たり、それを回避するために姿勢ごとに装置を取り替えたりする場合には検査には膨大なコストを要することになる。

しかし一方で、当該溶接部の溶接線に直交するような欠陥（割れ）を探傷しようとした時、溶接部の直上にプローブを設置するしか探傷方法がなく、炉内作業工数の増大は避けられない。

沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器外から炉内溶接部を探傷する技術が知られているが、対象が容器貫通部（スタブチューブ）に限定されている。また、超音波の伝搬パスを想定したときに、原子炉圧力容器外から当該部位へ超音波を到達させることは非常に困難であり、所望の探傷性能が得られなくなる可能性がある。

そこで本発明の実施形態は、原子炉内のジェットポンプを保持するライザーブレースアームの原子炉圧力容器との接合部のようなアクセス性の限られた部位を、原子炉圧力容器内で、確実に探傷することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態に係る超音波探傷方法は、互いに面間に間隔をあけて中間空間を形成し同一の部材に溶接で取り付けられた２枚の板のそれぞれの溶接部を検査対象として欠陥を探傷する超音波探傷方法であって、プローブ保持部に保持され、複数の超音波素子が長手方向に配列され探傷面が超音波を屈折させる長軸方向のｘ軸と超音波の屈折に寄与しない短軸方向のｙ軸の２軸に分けられるプローブおよびその傾きを調節する短軸傾き補正部と長軸傾き補正部を前記中間空間内に挿入、設置する挿入設置ステップと、前記ｘ軸および前記ｙ軸に垂直な方向をｚ軸とし、前記検査対象に超音波が入射する面を基準面としたときに、前記短軸傾き補正部が、前記短軸方向に沿ったｙｚ平面における前記基準面の垂線と前記探傷面とがなす角である短軸傾きの調整を行う短軸側調整ステップと、前記長軸傾き補正部が、前記長軸方向に沿ったｘｚ平面における前記基準面の垂線と前記探傷面とがなす角である長軸傾きの調整を行う長軸側調整ステップと、前記検査対象を探傷する探傷ステップと、を有することを特徴とする。

第１の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示す縦断面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示す図１のＩＩ－ＩＩ線矢視断面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置におけるプローブおよびプローブ保持動作機構のプローブ近傍の構成を示す断面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の検査対象の例としてのライザ管のライザーブレースアームとその取り付け部を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の検査対象範囲を示す図６のＶ－Ｖ線矢視平面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の検査対象範囲を示す図５のＶＩ－ＶＩ線矢視側面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の対象部位としての平板の溶接部の溶接基準線長辺部を説明するための概念的な平面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の対象部位としての平板の溶接部の溶接基準線短辺部を説明するための概念的な側面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置のプローブおよびプローブ保持駆動機構の周辺部分を示す部分断面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置のプローブおよびプローブ保持駆動機構の変形例の周辺部分を示す第１の部分断面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置のプローブおよびプローブ保持駆動機構の変形例の周辺部分を示す第２の部分断面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置のプローブと検査対象に入射する超音波を示す概念的な平面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置のプローブと検査対象に入射する超音波を示す概念的な図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線矢視断面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置のプローブと検査対象に入射する超音波を示す概念的な図１２のＸＩＶ－ＸＩＶ線矢視断面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置のプローブの検査対象における基準面のとり方の例を示す第３の溶接層の近傍の平面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置のプローブの検査対象における基準面のとり方の例を示す第３の溶接層の近傍の側面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置が平板の溶接部の溶接基準線長辺部を検査対象部とする場合を示す平面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置が平板の溶接部の溶接基準線長辺部を検査対象部とする場合を示す側面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置のプローブから出射された超音波と溶接線との関係を示す概念的な斜視図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置のプローブから出射された超音波と溶接線との関係を示す概念的な平面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の設置角度補正機構における設置角度判定部による短軸傾きの判定方法を説明する第１の状態を示す概念的な部分断面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の設置角度補正機構における設置角度判定部による短軸傾きの判定方法を説明する第１の状態の場合の超音波信号強度の変化を示すグラフである。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の設置角度補正機構における短軸傾きの判定方法を説明する第２の状態を示す概念的な部分断面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の設置角度補正機構における短軸傾きの判定方法を説明する第２の状態の場合の超音波信号強度の変化を示すグラフである。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の検査対象部における溶接方向と直交方向に進展する縦割れが生じた場合を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の設置角度補正機構における設置角度判定部による長軸傾きの判定方法を説明する第１の状態を示す概念的な部分断面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の設置角度補正機構における設置角度判定部による長軸傾きの判定方法を説明する第１の状態の場合の超音波信号強度の変化を示すグラフである。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の設置角度補正機構における長軸傾きの判定方法を説明する第２の状態を示す概念的な部分断面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の設置角度補正機構における長軸傾きの判定方法を説明する第２の状態の場合の超音波信号強度の変化を示すグラフである。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示す図２の部分断面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷方法の手順を示すフロー図である。 第２の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示す縦断面図である。 第２の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示す図３２のＸＸＸＩＩＩ－ＸＸＸＩＩＩ線矢視断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る超音波探傷装置および超音波探傷方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重畳する説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る超音波探傷装置１００の構成を示す縦断面図、図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線矢視断面図である。また、図３は、超音波探傷装置１００におけるプローブ１１１およびプローブ保持動作機構１２０のプローブ１１１の近傍の構成を示す断面図である。

図１ないし図３は、本実施形態に係る超音波探傷装置１００を、原子炉圧力容器１の内側に設けられたライザーブレースアーム１０（図４）の原子炉圧力容器１内側への取り付け部分の部材である平板１３とその溶接部である平板溶接層１４、および平板１５とその溶接部である平板溶接層１６を検査対象部１８ａとしてその探傷のための探傷装置に適用した場合を例にとって示している。

原子炉圧力容器１は、原子炉圧力容器母材１ａと、原子炉圧力容器母材１ａの内面に形成された肉盛溶接部である原子炉圧力容器内面ライナを有する。以下、原子炉圧力容器内面ライナを第１の溶接層１ｂと呼ぶ。第１の溶接層１ｂの表面、すなわち原子炉圧力容器１の内側の面には、ライザーブレースアーム１０の取り付け範囲をカバーする大きさで矩形形状の第２の溶接層１２が形成されている。

平板１３は平板溶接層１４を介して、また、平板１５は平板溶接層１６を介して、第２の溶接層１２に取り付けられている。平板１３とその直下の平板１５は、これらに挟まれた中間空間１７を形成する。

超音波探傷装置１００は、プローブ１１１，プローブ保持駆動機構１２０、超音波探傷器１１３、および監視操作部１１４、機構制御部１１５、遠隔目視部１１６、および設置角度補正機構１３０を有する。

設置角度補正機構１３０は、設置角度判定部１３１および補正動作部１３２（図１０、１１参照）を有するが、詳細は後述する。

プローブ１１１は、検査対象部１８ａに対向する位置において超音波を発し、かつ、超音波を受信する。

プローブ１１１は、超音波を発生する機構と、超音波をダンピングするダンピング材と、超音波の発振面に取り付けられた前面板との、いずれかもしくはその組み合わせからなる構成であり、一般的に超音波探触子と称されるものである。超音波を発生する機構としては、セラミクス製、複合材料製、またはそれ以外の圧電効果により超音波を発生することができる圧電素子や高分子フィルムによる圧電素子、またはそれ以外の超音波を発生できる要素を有する。

また、プローブ１１１は、圧電素子を１つだけ有するものに限らず、圧電素子が１次元的に配列された一般的にリニアアレイプローブ、リニアアレイプローブの奥行き方向に圧電素子を不均一な大きさで分割した１．５次元アレイプローブ、圧電素子が２次元的に配列されたマトリクスアレイプローブ、リング状の圧電素子が同心円状に配列されたリングアレイプローブ、リングアレイプローブの圧電素子を周方向で分割した分割型リングアレイプローブ、圧電素子が不均一に配置された不均一アレイプローブ、円弧の周方向位置に素子を配置した円弧状アレイプローブ、球面の表面に素子を配置した球状アレイプローブなどでもよく、また他形状のアレイプローブでもよい。

プローブ１１１は、コーキングやパッキングにより装置化され、気中、水中を問わず利用できるものも含まれる。

図示はしないが、プローブ１１１の設置に際しては、指向性の高い角度を検査対象部１８ａに入射するために楔を利用することもある。楔は、超音波が伝搬可能で音響インピーダンスが把握できている等方材である。楔としては、アクリル、ポリイミド、ゲル、その他高分子などがあり、前面板と音響インピーダンスが近い、もしくは同じ材質を用いることもできるし、被検査対象と音響インピーダンスが近い、もしくは同じ材質を用いることもできる。また、段階的もしくは漸次的に音響インピーダンスを変化させる複合材料でもよい。また、楔内の多重反射波が探傷結果に影響を与えないように楔内外にダンピング材を配置したり、山型の波消し形状を設けたり、多重反射低減機構を有する場合もある。

プローブ１１１と楔、楔と検査対象部１８ａ、あるいはプローブ１１１と検査対象部１８ａの間は、音響接触媒質（図示しない）により音響的に結合される必要がある。音響接触媒質は、例えば水、グリセリン、マシン油、ひまし油、アクリル、ポリスチレン、ゲル等、超音波を伝搬できる媒質とする。なお、炉内のように完全水中環境としてプローブと検査対象部の間が伝搬媒質で満たされている場合は、別途、音響接触媒質を用いることはなくともよい。

超音波探傷器１１３は、超音波発信のための電位差をプローブ１１１に印加するとともに、プローブ１１１からの反射波の受信信号の増幅等の処理を行う。

超音波探傷器１１３は、任意波形の電圧を印加させる機能を有しており、印加電圧の波形はサイン波、のこぎり波、矩形波、スパイクパルス等が考えられ、正負両極の値をもついわゆるバイポーラでもよいし、正負どちらか片振りのユニポーラでもよい。また、正負どちらかにオフセットを付加してもよい。また、波形は単パルス、バーストもしくは連続波など印加時間や繰り返し周波数を増減させることもできる。プローブ１１１にアレイプローブを用いる場合は、チャンネルごとに電圧印加の有無や遅延時間に応じてタイミングを切り替える機構を用いることもできる。

監視操作部１１４は、超音波探傷器１１３から出力された検査対象部１８ａからの受信波形や、プローブ保持駆動機構１２０の現在位置を表示する表示部分を有するとともに、超音波探傷器１１３の条件設定やプローブ保持駆動機構１２０の条件設定、適宜の指示を入力可能な入力部分を有するユーザインタフェースである。ここで、超音波探傷器１１３の条件は、たとえば検査対象部１８ａへの超音波の入射角であり、プローブ保持駆動機構１２０の条件は、たとえば、探傷する想定欠陥との角度方向の指定などである。

監視操作部１１４の表示部分は、デジタルデータを表示できるものであればよく、いわゆるＰＣモニタ、テレビ、プロジェクタ、スマートフォン、タブレット端末等が考えられ、ブラウン管のように一度アナログ信号化してから表示させるものやオシロスコープ等の計測器画面そのものとの組み合わせでもよい。また、表示部分には設定した条件に応じて音や発光によりアラームを生じさせたり、タッチパネルとして操作を入力したりするいわゆるユーザインタフェース機能を有してもよい。

機構制御部１１５は、以上の各部の動作の相互関係の調整、全体のプロセスの進行制御などを行う。機構制御部１１５は、いわゆるＰＣに代表されるような汎用的に演算やデータ通信を行える機能を有する装置であって、上述した構成の一部または全部を内包もしくは通信ケーブルで接続できる構成とする。

以上のように、監視操作部１１４および機構制御部１１５は、計算機システムでもよいし、あるいは、ＰＣ、モニタ、制御盤等の複数の装置を組み合わせて構成してもよい。

遠隔目視部１１６（図１）は、いわゆるカメラであり、原子炉圧力容器１の内側では、水が張られているため水中利用に供せる機能を有するもの、もしくは防水機構の中に入れたもの等を用いてもよい。設置手段は据付や、ドローン等ロボットによる運搬、人力での運搬等が考えられ、一般的な他の手段を用いてもよい。また、遠隔目視部１１６は複数台用いてもよく、その種類や運搬方法なども全て組合せて用いることができる。

プローブ保持駆動機構１２０は、プローブ１１１を、検査対象部１８ａに対向する位置に移動するとともに、プローブ１１１の超音波の受発信面を測定対象部１８ａに対向する方向になるようにプローブ１１１の姿勢を調節する設置角度補正機構１３０の一部としても機能する。このため、プローブ保持駆動機構１２０は、３次元的に動作する。すなわち、必要に応じて、３軸方向の平行移動駆動と３軸周りの回転駆動の機能を有する各駆動部および支持軸を有する。また、プローブ１１１と検査対象部１８ａとの間隔を所定の値に維持するためにプローブ１１１と検査対象部１８ａとの間隔を測定する図示しないギャップセンサを有する。

設置角度補正機構１３０は、設置角度判定部１３１および補正動作部１３２を有する。設置角度判定部１３１および補正動作部１３２については、後述する。

プローブ保持駆動機構１２０は、支持部１２１、短軸傾き補正部１２２、長軸傾き補正部１２３、およびプローブ保持部１２５を有する。

図３においては、プローブ保持駆動機構１２０の支持部１２１のうちアクセス軸１２１ｂ、１２１ｃおよび最終軸１２１ａを示している。最終軸１２１ａはアクセス軸１２１ｂに、また、アクセス軸１２１ｂはアクセス軸１２１ｃにより支持されている。プローブ１１１は、プローブ保持部１２５により保持されている。プローブ保持部１２５は、短軸傾き補正部１２２により支持され、短軸傾き補正部１２２は長軸傾き補正部１２３に支持されている。

長軸傾き補正部１２３は、最終軸１２１ａに支持されている。短軸傾き補正部１２２は後述するプローブ１１１の短軸傾きを補正するようにその軸周りに周方向に回動する。また、長軸傾き補正部１２３は後述するプローブ１１１の長軸傾きを補正するようにその軸周りに周方向に回動する。したがって、最終軸１２１ａは、長手方向に伸縮するような直動軸ではなく、回動部を支持する回転軸である。なお、最終軸１２１ａは、自身が長手方向の軸を中心に回動するタイプの回転軸でもあってもよい。

最終軸１２１ａおよびそれが支持するプローブ１１１までの各部材の部分は、図１に示す上部平板１３と下部平板とに挟まれた中間空間１７内に挿入されて、探傷に必要な動作を行う。

平板１３と平板１５は、図１に示すように、ほぼ水平方向に配されている。したがって、平板１３と平板１５は、互いにほぼ平行に上下に配されており、詳細には、平行度は±１０度程度である。平板１３と平板１５との面間の間隔、すなわち、平板１３の下面と平板１５の上面との間隔、言い換えれば中間空間１７の高さは、約７６ｍｍである。

プローブ１１１およびその傾きを調節する後述する短軸傾き補正部１２２および長軸傾き補正部１２３は、上方および下方の検査対象部を探傷するために、最終軸１２１ａおよびそれが支持するプローブ１１１までの各部材の部分は、この上部平板１３と下部平板１５に挟まれた中間空間１７内に挿入され調節動作が可能な寸法に形成されている。このため、最終軸１２１ａおよびそれが支持するプローブ１１１までの各部材の部分は、上下にそれぞれ数ｍｍのクリアランスを確保して、上下の幅６０ｍｍ程度の大きさに構成する。

図４は、第１の実施形態に係る超音波探傷装置の検査対象の例としてのライザ管のライザーブレースアームとその取り付け部を示す斜視図である。なお、図４では、２つの平板のうち、下部平板１５側の表示を省略し、上部平板１３側のみを表示している。

原子炉圧力容器１は、前述のように、原子炉圧力容器母材１ａと、原子炉圧力容器内面ライナ（第１の溶接層）１ｂすなわち原子炉圧力容器母材１ａの内面に施された肉盛溶接部とを有する。

原子炉圧力容器母材１ａは、主に低合金鋼であるが、一般的な炭素鋼やオーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金等、あるいはその他の金属であってもよい。

第１の溶接層１ｂは、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、被覆アーク溶接、レーザ溶接、サブマージアーク溶接、エレクトロスラグ溶接等が考えられ、材料もオーステナイト系ステンレス鋼、ニッケル基合金に加え、一般的な炭素鋼や低合金鋼等であってもよい。また、肉盛りを複数層で行う場合、例えば初層等、所望の層において異なる材料や工法を用いたものでもよい。

また、第１の溶接層１ｂである原子炉圧力容器内面ライナの表面に形成される第２の溶接層１２についても、施工法および材料は、第１の溶接層１ｂと同様である。

沸騰水型原子炉においては、図示しないジェットポンプへの原子炉冷却材の供給側の配管であるライザ管１１がライザーブレースアーム１０によって、原子炉圧力容器１の内壁に取り付けられている。ライザーブレースアーム１０のうち、直接、原子炉圧力容器１の内壁に取り付けられるのは、平板１３および平板１５（図１）である。

平板１３および平板１５は、溶接により取り付けられる。また、平板１３および平板１５の取付け部分には、第１の溶接層１ｂの表面（原子炉圧力容器１の内表面）に、さらに、それぞれ、平板状の第２の溶接層１２が形成されている。したがって、平板１３の取付け部分には、第１の溶接層である第１の溶接層１ｂ、第２の溶接層１２、および第３の溶接層である平板溶接層１４が形成されている。また、平板１５の取付け部分には、第１の溶接層である第１の溶接層１ｂ、第２の溶接層１２、および第３の溶接層である平板溶接層１６が形成されている。

ここで、第３の溶接層である平板溶接層１４は、フルペネトレーションの開先による完全溶け込み溶接部である。溶接金属終端部から所定の範囲は、平板１３の全長以下であれば任意に定める範囲でよく、例えば１インチあるいは２５ｍｍ、２インチあるいは５０ｍｍ等を超音波探傷に求められる範囲としてよい。平板１５の平板溶接層１６についても同様である。

図５は、第１の実施形態に係る超音波探傷装置の検査対象範囲を示す図６のＶ－Ｖ線矢視平面図、図６は、図５のＶＩ－ＶＩ線矢視側面図である。

図５および図６に示すように、検査対象範囲１８は、平板１３については、平板溶接層１４および平板１３の平板溶接層１４の近傍の部分、また、平板１５については、平板溶接層１６および平板１５の平板溶接層１６の近傍の部分である。ここで、たとえば、平板溶接層１４の近傍の部分とは、第２の溶接層１２の表面から所定の距離の範囲の部分である。ここで、所定の範囲とは、板材の全長以下であれば任意に定める範囲でよく、例えば１インチあるいは２５ｍｍ、２インチあるいは５０ｍｍ等、超音波探傷に求められる範囲としてよい。平板溶接層１６の近傍の部分についても、同様である。

図７は、第１の実施形態に係る超音波探傷装置の対象部位としての上部平板１３の平板溶接層１４の溶接基準線長辺部２０ａを説明するための概念的な平面図、図８は、上部平板１３の平板溶接層１４の溶接基準線短辺部２０ｂを説明するための概念的な側面図である。

平板１３は、断面が長方形の板であり、幅の広い２つの長辺側面１３ａと、幅の狭い２つの短辺側面１３ｂとを有する。平板溶接層（第３の溶接層）１４の長辺側面１３ａに沿った側の部分を平板溶接長辺部１４ａ、平板溶接層（第３の溶接層）１４の短辺側面１３ｂに沿った側の部分を平板溶接短辺部１４ｂと呼ぶこととする。

ここで、溶接基準線２０を定義する。溶接基準線２０には、溶接基準線長辺部２０ａおよび溶接基準線短辺部２０ｂの２種類がある。

溶接基準線長辺部２０ａは、図７および図８に示すように、平板溶接長辺部１４ａの表面における仮想線である。長辺側面１３ａと平板溶接長辺部１４ａとの境界線と、長辺側面１３ａを第２の溶接層１２に向かって仮想的に延長した時の第２の溶接層１２との交線との中間位置にある仮想線を平板溶接長辺部１４ａの表面にずらした線を溶接基準線長辺部２０ａとする。ここで、ずらし方は、第２の溶接層１２に平行な状態で移動することにより行うものとする。

同様に、溶接基準線短辺部２０ｂは、平板溶接短辺部１４ｂの表面における仮想線である。短辺側面１３ｂと平板溶接短辺部１４ｂとの境界線と、短辺側面１３ｂを第２の溶接層１２に向かって仮想的に延長した時の第２の溶接層１２との交線との中間位置にある仮想線を平板溶接短辺部１４ｂの表面にずらした線を溶接基準線短辺部２０ｂとする。ここで、ずらし方は、同様に、第２の溶接層１２に平行な状態で移動することにより行うものとする。

あるいは、溶接基準線２０は、平板１３の長辺側面１３ａおよび短辺側面１３ｂの延長面で平板溶接層（第３の溶接層）１４を切断したと仮定したときに、両断端の表面ビード幅中点どうしを結んだ線分と定義してもよい。

溶接基準線２０は、１組の第３の溶接層１４および平板１３において、平板溶接長辺部１４ａの表裏１本ずつ、および平板溶接短辺部１４ｂの裏表１本ずつの、計４本を有することとなる。

図９は、第１の実施形態に係る超音波探傷装置１００のプローブ１１１の周辺部分を示す部分断面図である。

プローブ保持駆動機構１２０は、支持部１２１、短軸傾き補正部１２２、長軸傾き補正部１２３（図３０）、およびプローブ保持部１２５を有する。

支持部１２１は、プローブ１１１が検査対象範囲１８に位置するようにプローブ１１１を支持する。支持部１２１は、支持部１２１のプローブ１１１を支持する部分が移動するように図示しない駆動装置に結合し、移動駆動される。

短軸傾き補正部１２２は、支持部１２１のプローブ１１１側の端部近傍に配されており、プローブ保持部１２５の短軸側の角度を調整するために短軸側の回転が可能に構成されている。ここで、短軸側の回転とは、プローブ１１１の長手方向に垂直な断面上における回転である。

長軸傾き補正部１２３については、後に、図３０を引用しながら説明する。

プローブ保持部１２５は、プローブ１１１を保持する機能を有する。プローブ保持部１２５に、楔や音響接触媒質を保持する機能を持たせてもよい。

機構制御部１１５(図１)は、監視操作部１１４等からの検査対象部１８ａの指定に対応して、支持部１２１によるプローブ１１１の位置、短軸傾き補正部１２２によるプローブ１１１の方向を決定し、プローブ１１１が検査対象部１８ａに対向する位置、方向となるように制御する。

ここで、プローブ保持部１２５および短軸傾き補正部１２２は、プローブ１１１が保持された状態となるようなステージを有していてもよい。ステージは直動ステージのように位置を変化させられるものでもよいし、回転ステージやゴニオステージのように角度を変化させられるものでもよく、それらの組合せでもよい。また、水中を遊泳するもの、ドローンのように空中を遊泳するもの、多軸多関節アームを有するもの、人型のものや、それらを組合せたものであってもよい。

短軸傾き補正部１２２は、検査対象部１８ａとの間の距離を確保しながらプローブ１１１を回転させる。

図１０は、第１の実施形態に係る超音波探傷装置のプローブおよびプローブ保持駆動機構の変形例の周辺部分を示す第１の部分断面図、図１１は、第２の部分断面図である。

変形例によるプローブ保持駆動機構１２０ａにおいては、プローブ保持部１２５にバネ１２４が設けられている。バネ１２４は、プローブ保持部１２５とプローブ１１１との間に配され、バネ１２４の伸縮により、プローブ１１１とプローブ保持部１２５間の間隔が変化する。

図１０は、プローブ１１１が第３の溶接層１４から離れている状態を示している。一方、図１１は、プローブ１１１が第３の溶接層１４の表面に密着している状態を示している。プローブ１１１が第３の溶接層１４の表面に押し付けられると、短軸傾き補正部１２２は、外部からの回転力に抗することなくフリーな状態に移行する。この移行は、バネが所定の値だけ縮んだことを検出した場合に切り替えられる。この結果、プローブ１１１が第３の溶接層１４の表面に押し付けられることにより、プローブ１１１は、その表面が、第３の溶接層１４の表面に沿う方向になるような方向となる。なお、押し付ける部分はプローブ１１１本体でもよいし、付随する楔や、別途設けたスペーサ等でもよい。

以上のように、検査対象に押し付けることにより、プローブ１１１がその表面に沿う方向に補正することは、設置角度補正機構１３０の補正動作部１３２の動作であり、この場合、バネ１２４を有するプローブ保持駆動機構１２０が補正動作部１３２でもあるという構成となっている。

図１２は、第１の実施形態に係る超音波探傷装置のプローブと検査対象に入射する超音波を示す概念的な平面図、図１３は、図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線矢視断面図、図１４は、図１２のＸＩＶ－ＸＩＶ線矢視断面図である。

プローブ１１１の探傷面１１１ｓ（図１３、１３）は、超音波を屈折させる長軸方向（ｘ方向）、屈折に寄与しない短軸方向（ｙ方向）の２軸に分けられる。図１３は短軸方向に沿ったｙｚ平面上の断面図であり、図１４は長軸方向に沿ったｘｚ平面上の断面図である。プローブ１１１から検査対象５１に向けて発せられた超音波の主音線５２は、基準面Ｐで屈折した後に検査対象５１内を進行する。図１４に示すように、主音線Ｕは、ｘ方向の成分である主音線水平成分Ｕｈと、ｚ方向の成分である主音線垂直成分Ｕｖに分割できる。

ここで図１２ないし１３に示すように基準面Ｐとプローブの関係を定義する。

図１３の断面において、基準面Ｐから引いた垂線と、プローブ１１１の探傷面１１１ｓとの成す角を短軸傾きγと定義する。また、図１４において、基準面Ｐから引いた垂線と、探傷面１１１ｓとの成す角を長軸傾きφと定義する。短軸傾き補正部１２２によって回転角を制御するのは、この短軸傾きγを制御することである。

図１５は第１の実施形態に係る超音波探傷装置のプローブの検査対象における基準面のとり方の例を示す第３の溶接層の近傍の平面図、図１６は側面図である。基準面Ｐについては、たとえば、図１５、１５に示すように、第３の溶接層１４の平板溶接長辺部１４ａの表面など、プローブ１１１から超音波を入射する面を基準面Ｐとすることが望ましい。

ただし、平板溶接長辺部１４ａなどの溶接部の表面は、グラインダ等の手仕上げである場合が多いため、曲率や凹凸を有する面となる場合もある。以下、説明の便宜上、基準面Ｐを平面とみなす。

図１５、１５では、第３の溶接層１４の溶接長辺部１４ａと平板１３の表面との境界線と、溶接長辺部１４ａと第２の溶接層１２との境界線を通る平面を基準面Ｐとしている。基準面Ｐをこのように近似してもよいし、プローブ最下面等、管理したい座標系に応じてその他の面をとってもよい。

図１７は第１の実施形態に係る超音波探傷装置が平板の溶接部の溶接基準線長辺部を検査対象部とする場合を示す平面図、図１８は側面図である。

図１７、１７に示すような、第３の溶接層１４の溶接長辺部１４ａを検査対象部１８ａとして探傷するとき、プローブから入射された超音波は、第３の溶接層１４の溶接長辺部１４ａの表面から入射し、主音線Ｕは図１４に示すように、主音線水平成分Ｕｈと主音線垂直成分Ｕｖに分割できる。主音線水平成分Ｕｈは主音線Ｕを基準面Ｐへ投影した２次元の成分となる。

図１９は第１の実施形態に係る超音波探傷装置のプローブから出射された超音波と溶接線との関係を示す概念的な斜視図、図２０は平面図である。図１９、１９で示す例においては、主音線Ｕは、ｘｚ平面に沿って進行する。一方、溶接線５３は、ｘ方向に延びている。すなわち、図２０に示すように、平面図上、すなわち、基準面Ｐに投影した状態では、主音線Ｕと溶接線５３はほぼ同じｘ方向に延びている。いま、基準面Ｐに投影された溶接線５３と主音線Ｕの水平成分Ｕｈのなす角が、０°±ΔΦの範囲となるとき、溶接線５３と平行方向の探傷条件が成立しているというものとする。ここで、ΔΦは、たとえば２０°程度の値である。

ここで、探傷感度を最大化するためには、短軸傾きγを可能な限り９０°（探傷面１１１ｓに垂直）に制御する必要がある。この制御は、設置角度補正機構１３０により行われる。

設置角度補正機構１３０（図１）は、前述のように、設置角度判定部１３１および補正動作部１３２を有する。

設置角度判定部１３１は、短軸傾きγおよび長軸傾きΦ（図２６）が許容範囲にあるか否かを判定する。補正動作部１３２は、設置角度判定部１３１により短軸傾きγあるいは長軸傾きΦが許容範囲にあると判定されなかった場合に、これらを許容範囲内に移行させる。

以下に、短軸傾きγの判定と補正について説明する。なお、長軸傾きΦについては、後に、図２６ないし図３０を引用しながら説明する。

設置角度判定部１３１は、以下の図２１ないし図２４で説明するように、超音波の反射信号のレベルによって判定を行う。

図２１は、設置角度補正機構１３０における設置角度判定部１３１による短軸傾きの判定方法を説明する第１の状態を示す概念的な部分断面図であり、図２２は、第１の状態の場合の超音波信号強度の変化を示すグラフである。図２２において、横軸は時間軸、縦軸は超音波信号強度である。強度レベルがＡ１より大きくＡ２より小さい強度範囲Ａｐは、短軸傾きγが許容範囲内の時の強度範囲を示す。

今、基準面Ｐを図１５、１５に示した面とする。また、図２１の断面において、基準面に垂直な方向を垂直線Ｑで示す。

この第１の状態においては、プローブ１１１から発せられる超音波の主音線Ｕの方向は、垂直線Ｑの方向とほぼ一致している。すなわち、短軸傾きγ_１は、ほぼ９０°である。このため、超音波が第３の溶接層１４に入った後も、主音線は大きく屈折することなく、第３の溶接層１４のほぼ検査対象部１８ａの範囲を通っている。

このような好ましい角度で入射する場合は、図２２に示すように、第３の溶接層１４の表面で反射する超音波の強度は、所定の強度レベルＡ１より大きな値となる。また、このような反射波の強度を有する場合は、反射波の到達時間が所定の到達時間範囲Ｔｐとなる。したがって、反射波の強度が強度範囲Ａｐ内にあるときあるいは到達時間が所定の到達時間範囲Ｔｐとなるときは、短軸傾きγが許容範囲内であると判定される。

図２３は、設置角度補正機構１３０における設置角度判定部１３１による短軸傾きの判定方法を説明する第２の状態を示す概念的な部分断面図であり、図２４は、第２の状態の場合の超音波信号強度の変化を示すグラフである。

この第２の状態においては、プローブ１１１から発せられる超音波の主音線Ｕの方向は、垂直線Ｑの方向とほぼ一致している範囲にはない。すなわち、短軸傾きγ_２は、ほぼ９０°とは言えない角度である。このため、超音波が第３の溶接層１４に入った後、主音線は大きく屈折し、第３の溶接層１４のほぼ検査対象部１８ａの範囲を外れている。

このような好ましい角度を外れて入射する場合は、図２４に示すように、第３の溶接層１４の表面で反射する超音波の強度は、所定の強度レベルＡ１に到達せず、反射波の強度が強度範囲Ａｐを外れる。また、このような場合は、反射波の到達時間が所定の到達時間範囲Ｔｐよりも遅れたタイミングとなる。したがって、反射波の強度が強度範囲Ａｐを外れるときあるいは到達時間が所定の到達時間範囲Ｔｐより遅れるときは、短軸傾きγが許容範囲外であると判定される。

ここで、短軸傾きγの許容範囲は、主音線の方向が検査対象部１８ａの範囲内であるか否かを予め評価することにより設定することができる。この結果に基づいて、強度範囲Ａｐおよび到達時間範囲Ｔｐも予め設定することができる。

設置角度補正機構１３０における設置角度判定部１３１による判定は、以上のように反射波の大きさや伝搬時間の違いをもとに行われ、判別は、設置角度判定部１３１が自動的に実施する。なお、それぞれの結果は、監視操作部１１４の表示部にも表示されるので、検査員等が表示された波形をみて判定してもよい。

設置角度判定部１３１は、以上のような方式の他に、例えばレーザ距離計、超音波距離計、カメラ等のような非接触距離測定手段を用いて判定してもよい。あるいは、リミットスイッチやスペーサ等のような機械的に接触する手段でもよい。これらはプローブ１１１そのものにとりついてもよいし、プローブ保持部１２５や構造物そのものに取り付けてもよい。設置角度判定部１３１として、複数の種類や設置場所を組み合わせて用いることもできる。

設置角度判定部１３１による測定の結果、短軸傾きγが所定の範囲に収まっていない場合には、補正動作部１３２として短軸傾き補正部１２２を用いて、短軸傾きγを調整して、補正することができる。

あるいは、補正動作部１３２として、図１０、１０に示した方法によって、短軸傾きγを補正することができる。

なお、補正動作部１３２としては、単に検査対象部に押しつけて方向すなわち短軸傾きγを補正するのみではなく、例えば回転ステージ、ゴニオステージのような回転機構をプローブ保持部１２５および短軸傾き補正部１２２に持たせ、それらを制御することで最終的なγを所望の角度とすることでもよい。

図２５は、第１の実施形態に係る超音波探傷装置の検査対象部における溶接方向と直交方向に進展する縦割れ１４ｄが生じた場合を示す斜視図である。

図２５に示すような、第３の溶接層１４、１６における溶接方向と直交方向に進展する割れ、いわゆる縦割れである疲労き裂の検出には、以上のような設置角度補正機構１３０を用いる。融合不良、ブローホール、スラグ巻き込み等といった種々の溶接欠陥、応力腐食割れ等経年により発生する割れの検出にも有効である。また、水素フレーキングのような原子炉特有の欠陥検出にも有効である。上記した溶接欠陥以外の割れ等は第３の溶接層１４あるいは第３の溶接層１６を起点として上部平板１３あるいは下部平板１５までも進展し得るが、このような割れに対しても有効である。

次に、長軸傾きΦの判定と補正について説明する。

設置角度判定部１３１は、以下の図２６ないし図２９で説明するように、超音波の反射信号のレベルによって判定を行う。

図２６は、設置角度補正機構１３０における設置角度判定部１３１による長軸傾きの判定方法を説明する第１の状態を示す概念的な部分断面図であり、図２７は、第１の状態の場合の超音波信号強度の変化を示すグラフである。また、図２８は、第２の状態を示す概念的な部分断面図であり、図２９は、第２の状態の場合の超音波信号強度の変化を示すグラフである。図２６および図２８の断面は、プローブ１１１の長手方向、すなわち超音波素子の並ぶ方向に沿って、かつ、基準面Ｐに垂直な断面を示す。

図２７および図２９において、横軸は時間軸、縦軸は超音波信号強度である。強度レベルがＡ１より大きくＡ２より小さい強度範囲Ａｐは、長軸傾きΦが許容範囲内の時の強度範囲を示す。

長軸傾きΦは、図１４を引用しながら説明したように、この断面において、基準面Ｐに垂直な直線とプローブ１１１の探傷面１１１ｓとのなす角である。ここで、基準面Ｐは、たとえば、図１５、１５に示した面である。

第１の状態における長軸傾きΦ１が適切な場合は、図２７に示すように、第３の溶接層１４の表面で反射する超音波の強度は、所定の強度レベルＡ１より大きな値となる。また、このような反射波の強度を有する場合は、反射波の到達時間が所定の到達時間範囲Ｔｐとなる。したがって、基準面Ｐからの反射波の強度が強度範囲Ａｐ内にあるときあるいは到達時間が所定の到達時間範囲Ｔｐとなるときは長軸傾きΦが許容範囲内であると判定される。

一方、第２の状態における長軸傾きΦ２が適切ではない場合は、図２９に示すように、第３の溶接層１４の表面で反射する超音波の強度は、所定の強度レベルＡ１に達しない値となる。また、このような反射波の場合は、反射波の到達時間が所定の到達時間範囲より遅れる。したがって、短軸傾きγの判定と同様に、反射波の強度が強度範囲Ａｐを外れるときあるいは到達時間が所定の到達時間範囲Ｔｐより遅れるときは、長軸傾きΦが許容範囲外であると判定される。

なお、短軸傾きγの判定と同様に、設置角度判定部１３１による判定は、他の方法を用いての判定であってもよい。

図３０は、第１の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示す図２の部分断面図である。

図３０に示すように、プローブ保持駆動機構１２０が有する長軸傾き補正部１２３は、支持部１２１と短軸傾き補正部１２２との間にあって、補正動作部１３２として、プローブ保持部１２５の長手方向の傾きを調整する。

設置角度判定部１３１による測定の結果、長軸傾きΦが所定の範囲に収まっていない場合には、補正動作部１３２が有する長軸傾き補正部１２３が長軸傾きΦを補正することができる。なお、補正動作部１３２としては、短軸側と同様に、長軸側についても、他の方式を用いてもよい。

図３１は、第１の実施形態に係る超音波探傷方法の手順を示すフロー図である。図３１では、中間空間１７から探傷を行う場合を例にとって、手順を示している。

まず、プローブ保持部１２５に保持されたプローブ１１１およびその傾きを調節する短軸傾き補正部１２２と長軸傾き補正部１２３を、上部平板１３と下部平板１５に挟まれた中間空間１７内に挿入、設置する（ステップＳ１０）。

次に、短軸側調整を行う（ステップＳ２０）。詳細には、まず、設置角度補正機構１３０の設置角度判定部１３１が、短軸傾きγについての判定のための測定を行い（ステップＳ２１）、設置角度判定部１３１は、短軸傾きγが許容値内にあるか否かを判定する（ステップＳ２２）。

短軸傾きγが許容値内にあると判定されなかった場合（ステップＳ２２ ＮＯ）には、設置角度補正機構１３０の補正動作部１３２としての短軸傾き補正部１２２が短軸傾きγを調整し（ステップＳ２３）、ステップＳ２１からステップＳ２３を繰り返す。

短軸傾きγが許容値内にあると判定された場合（ステップＳ２２ ＹＥＳ）には、次の長軸側調整を行う（ステップＳ３０）。詳細には、まず、設置角度補正機構１３０の設置角度判定部１３１が、長軸傾きΦについての判定のための測定を行い（ステップＳ３１）、設置角度判定部１３１は、長軸傾きΦが許容値内にあるか否かを判定する（ステップＳ３２）。

長軸傾きΦが許容値内にあると判定されなかった場合（ステップＳ３２ ＮＯ）には、設置角度補正機構１３０の補正動作部１３２としての長軸傾き補正部１２３が長軸傾きΦを調整し（ステップＳ３３）、ステップＳ２１からステップＳ２３を繰り返す。

長軸傾きΦが許容値内にあると判定された場合（ステップＳ３２ ＹＥＳ）には、検査対象の探傷を行う（ステップＳ４０）。

以上の手順では、上部平板１３と下部平板１５に挟まれた中間空間１７内に第１プローブ１１１ａおよび第２プローブ１１１ｂを配置して、上部平板１３の検査対象部１８ａを下方から、また、下部平板１５の検査対象部１８ｂを上方から探傷する場合を例にとって説明したが、上部平板１３を上方から、また、下部平板１５を下方から探傷する場合については、配置上の制約が少ないため、通常の探傷が可能である。

以上のように、本実施形態によれば、原子炉内のジェットポンプを保持するライザーブレースアーム１０の原子炉圧力容器１との接合部のようなアクセス性の限られた部位を、原子炉圧力容器１内で、確実に探傷することができる。

［第２の実施形態］
図３２は、第２の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示す縦断面図、図３３は、図３２のＸＸＸＩＩＩ－ＸＸＸＩＩＩ線矢視断面図である。

本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形であり、本実施形態におけるプローブ保持駆動機構１２０ａは、支持部１２１の最終軸１２１ａに支持された第１プローブ１１１ａおよび第２プローブ１１１ｂの２つのプローブを有する。

プローブ保持駆動機構１２０ａが、上部平板１３と下部平板１５に挟まれた中間空間１７内から、上方および下方のそれぞれを探傷可能に構成されている。

具体的には、第１プローブ１１１ａは、上部平板１３の第３の溶接層１４近傍を探傷する。第１プローブ１１１ａは、プローブ保持部１２５ａに保持された状態で、短軸傾き補正部１２２ａによって短軸傾きγを、また、長軸傾き補正部１２３ａによって長軸傾きΦを、それぞれ調節される。

また、第２プローブ１１１ｂは、下部平板１５の第３の溶接層１６近傍を探傷する。第２プローブ１１１ｂは、プローブ保持部１２５ｂに保持された状態で、短軸傾き補正部１２２ｂによって短軸傾きγを、また、長軸傾き補正部１２３ｂによって長軸傾きΦを、それぞれ調節される。

プローブ保持部１２５ａに保持された第１プローブ１１１ａおよびその傾きを調節する短軸傾き補正部１２２ａと長軸傾き補正部１２３ａ、プローブ保持部１２５ｂに保持された第２プローブ１１１ｂおよびその傾きを調節する短軸傾き補正部１２２ｂと長軸傾き補正部１２３ｂ、およびこれらを支持する最終軸１２１ａは、上方および下方の検査対象部を探傷するために、上部平板１３と下部平板１５に挟まれた中間空間１７内に挿入され調節動作が可能な寸法に形成されている。具体的には、大の実施形態と同様に、上下の幅６０ｍｍ程度の大きさに構成されている。

以上のように、本実施形態によれば、アクセス性の限られた部位を、同様に確実に探傷することができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。また、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…原子炉圧力容器、１ａ…原子炉圧力容器母材、１ｂ…原子炉圧力容器内面ライナ（第１の溶接層）、１０…ライザーブレースアーム、１１…ライザ管、１２…第２の溶接層、１３…上部平板、１３ａ…長辺側面、１３ｂ…短辺側面、１４…平板溶接層（第３の溶接層）、１４ａ…平板溶接長辺部、１４ｂ…平板溶接短辺部、１４ｄ…縦割れ欠陥、１５…下部平板、１５ａ…長辺側面、１５ｂ…短辺側面、１６…平板溶接層（第３の溶接層）、１７…中間空間、１８…検査対象範囲、１８ａ…検査対象部、２０…溶接基準線、２０ａ…溶接基準線長辺部、２０ｂ…溶接基準線短辺部、５１…検査対象、５２…主音線、５３…溶接線、１００，１００ａ…超音波探傷装置、１１０…探傷機構、１１１…プローブ、１１１ａ…第１プローブ、１１１ｂ…第２プローブ、１１１ｓ…探傷面、１１３…超音波探傷器、１１４…監視操作部、１１５…機構制御部、１１６…遠隔目視部、１２０、１２０ａ…プローブ保持駆動機構、１２１…支持部、１２１ａ…最終軸、１２１ｂ、１２１ｃ…アクセス軸、１２２、１２２ａ、１２２ｂ…短軸傾き補正部、１２３、１２３ａ、１２３ｂ…長軸傾き補正部、１２４…バネ、１２５、１２５ａ、１２５ｂ…プローブ保持部、１２６…アクセス駆動部、１３０…設置角度補正機構、１３０…設置角度補正機構、１３１…設置角度判定部、１３２…補正動作部

Claims (1)

1. 互いに面間に間隔をあけて中間空間を形成し同一の部材に溶接で取り付けられた２枚の板のそれぞれの溶接部を検査対象として欠陥を探傷する超音波探傷方法であって、
   プローブ保持部に保持され、複数の超音波素子が長手方向に配列され探傷面が超音波を屈折させる長軸方向のｘ軸と超音波の屈折に寄与しない短軸方向のｙ軸の２軸に分けられるプローブおよびその傾きを調節する短軸傾き補正部と長軸傾き補正部を前記中間空間内に挿入、設置する挿入設置ステップと、
   前記ｘ軸および前記ｙ軸に垂直な方向をｚ軸とし、前記検査対象に超音波が入射する面を基準面としたときに、前記短軸傾き補正部が、前記短軸方向に沿ったｙｚ平面における前記基準面の垂線と前記探傷面とがなす角である短軸傾きの調整を行う短軸側調整ステップと、
   前記長軸傾き補正部が、前記長軸方向に沿ったｘｚ平面における前記基準面の垂線と前記探傷面とがなす角である長軸傾きの調整を行う長軸側調整ステップと、
   前記検査対象を探傷する探傷ステップと、
   を有することを特徴とする超音波探傷方法。
   

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