説明

超音波検査方法

【課題】従来以上に検査の精度や信頼性を向上させた超音波検査方法を提供する。
【解決手段】一部露出して埋設される検査対象物の露出側の端面から検査対象物内に超音波を入射し、検査対象物の減肉部からの遅れエコーにより減肉部を検査する超音波検査方法であって、減肉部を有する検査サンプルに超音波を入射して遅れエコーを取得し、遅れエコーの特徴から所定の手順により作成される減肉状況に関する指標を、検査サンプルの減肉部の実際の減肉状況と共にデータベース化し、検査対象物から遅れエコーを取得して所定の手順と同一の手順により得られる指標とデータベースを照合することにより、検査対象物の減肉状況を推定することを特徴とする超音波検査方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、腐食等により生じる棒材や平板等の検査対象物の減肉状況を超音波により非破壊で定量評価することができる超音波検査方法に関する。
【背景技術】
【0002】
原子力発電所等のプラントにおいて使用されるアンカーボルト等はコンクリート中に埋設して使用されるが、これらの埋設物は、外観では目視で確認することができないため、埋設物の健全性評価には、打音、超音波探傷等が用いられている。
【0003】
前者は、例えば、アンカーボルトの折損や緩みの検出を目的としたものである。一方、後者は、アンカーボルトのねじ部や茎部に発生する亀裂を、亀裂からの傷エコーを観測することにより検出しようとするものである。
【0004】
しかしながら、これらの技術では、腐食等により生じる減肉部(径の減少部分)からは、多くの場合顕著な傷エコーは返らないため、検出することが困難である。さらに、腐食の進行具合を定量することも困難である。
【0005】
そこで、例えば、コンクリート表面に露出しているアンカーボルトの頂部端面から超音波を入射し、他端で反射した底面エコーとそれに続くモード変換した遅れエコーを前記頂部端面で測定し、遅れエコーの振幅の減衰状況や底面エコーに対する振幅の相対的な減衰状況等から減肉量を求めることが提案されている(特許文献1)。
【0006】
また、板状の検査対象物の一端から超音波を入射し、縦波である直接反射波と、減肉部で反射して横波にモード変換した遅れエコーを測定し、ビーム行程路差を基に板厚の減肉を求める提案もなされている(特許文献2)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2001−305112号公報
【特許文献2】特開2002−202116号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、近年、原子力発電所等での埋設物の経年劣化評価は一層重要視されてきており、従来以上に検査の精度や信頼性を向上させることが強く望まれている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明者は、前記の課題を解決するため鋭意研究を行った結果、遅れエコーの波形が減肉部の位置や長さ、その他の腐食状況により変化することを見出し、本発明を完成するに至った。以下、各請求項の発明を説明する。
【0010】
請求項1に記載の発明は、
一部露出して埋設される検査対象物の露出側の端面から検査対象物内に超音波を入射し、前記検査対象物の減肉部からの遅れエコーにより前記減肉部を検査する超音波検査方法であって、
前記減肉部を有する検査サンプルに超音波を入射して遅れエコーを取得し、
前記遅れエコーの特徴から所定の手順により作成される減肉状況に関する指標を、前記検査サンプルの前記減肉部の実際の減肉状況と共にデータベース化し、
前記検査対象物から遅れエコーを取得して前記所定の手順と同一の手順により得られる指標と前記データベースを照合することにより、前記検査対象物の減肉状況を推定することを特徴とする超音波検査方法である。
【0011】
本請求項の発明は、前記検査対象物の減肉状況が反映される遅れエコーを用いて、減肉部の減肉状況を推定する発明である。
【0012】
具体的には、実際の減肉状況が判明している多くの検査サンプルについて、所定の手順で遅れエコーを利用した指標を取得し、指標と検査サンプルの実際の減肉状況との関係を、予めデータベース化しておき、検査対象物について検査を行う際には、所定の手順で検査対象物における指標を得、前記のデータベースと照合することにより、検査対象物の減肉状況を推定するものである。
【0013】
ここで、「遅れエコー」には遅れエコーに付随して現れるエコーも含まれる。また、減肉部の減肉状況を示す要素としては、減肉部の断面寸法、位置、長さ、形状、表面状態などがあり、基本的にはこれらの要素毎に指標が作成される。そして、本請求項の発明においては、これらの指標と実際の減肉状況との関係について、各指標間で影響し合うことを考慮して全てのデータをデータベース化するものであり、検査対象物から得られた指標について、前記した相互の影響をも考慮してデータベースを用いて総合的に判断が行われる。このため、精度の高い検査精度を得ることができる。
【0014】
請求項2に記載の発明は、
前記減肉部を有する検査サンプルに超音波を入射して時間遅れおよび遅れエコーの波形を取得し、
前記時間遅れにより得られる前記減肉部の断面寸法に関する第1指標と、
前記遅れエコーの波形の特徴を数値化して得られる前記減肉部の長さに関する第2指標と、
前記遅れエコーの波形の特徴を数値化して得られる前記減肉部の位置に関する第3指標を、
前記検査サンプルの前記減肉部の実際の断面寸法、長さおよび位置と共にデータベース化し、
前記検査対象物から時間遅れおよび遅れエコーの波形を取得して得られる第1〜第3の指標と前記データベースを照合することにより、前記検査対象物の減肉状況を推定することを特徴とする請求項1に記載の超音波検査方法である。
【0015】
本請求項の発明は、前記検査対象物の減肉状況が反映される遅れエコーの時間遅れと波形を用いて、減肉部の断面寸法、長さ、位置を推定する発明である。前記の減肉状況を示す要素のうち、減肉部の断面寸法、位置、長さは、減肉状況を判断するに当たって重要な要素であり、しかも、これらは遅れエコーに明確に現れるため、本請求項の発明では、これらに絞って検査対象物の減肉状況を推定する。
【0016】
具体的には、実際の減肉状況が判明している多くの検査サンプルについて、所定の手順で遅れエコーを利用した第1〜第3の指標を取得し、これらの指標と実際の減肉状況との関係を、予めデータベース化しておき、検査対象物について検査を行う際には、所定の手順で検査対象物における第1〜第3の指標を得、前記のデータベースと照合することにより、検査対象物の減肉状況を推定するものである。
【0017】
そして、本請求項の発明においても、前記の通り第1〜第3の各指標と、実際の減肉部の断面寸法、長さ、位置との関係について、各指標間で相互に影響し合うことを考慮して、全てのデータをデータベース化するものであり、検査対象物から得られた第1〜第3の指標について、前記した相互の影響をも考慮して、データベースを用いて総合的に判断が行われる。このため、精度の高い検査結果を得ることができる。
【0018】
請求項3に記載の発明は、
前記データベースに、さらに、前記減肉部が一様に形成されているかどうかを示す第4指標を、入射面の複数個所から超音波を入射して各底面波の音圧差により得て加え、
前記検査対象物から音圧を取得して得られる第4指標と前記データベースを照合することにより、前記検査対象物の減肉状況を推定することを特徴とする請求項2に記載の超音波検査方法である。
【0019】
本請求項の発明においては、減肉部が一様に形成されているかどうかを示す第4指標を加えて、総合的に判断しているため、減肉部の断面寸法、長さおよび位置をより一層的確に推定することができる。
【0020】
請求項4に記載の発明は、
前記第1指標は、次式から得られることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の超音波検査方法である。


ここで、Δtは時間遅れ、V、Vはそれぞれ縦波と横波の速度、dは減肉後の断面寸法である。
【0021】
上記の式において、dは減肉後の断面寸法を示しているが、減肉部の状況により正確な値とはならない恐れがある。本発明においては、得られたdを第1指標として他の指標の影響も考慮してデータベース化し、検査対象物から得られたdと他の指標の影響も考慮して、データベースを用いて総合的に判断することにより精度の高い減肉部の状況を推定することができる。
【0022】
なお、「減肉後の断面寸法」には、円柱の径、角材や板材の断面寸法も含まれる。
【0023】
請求項5に記載の発明は、
前記第2および第3の指標は、減肉のない健全部からの遅れエコーの波高に対する前記減肉部からの遅れエコーの波高の比率であることを特徴とする請求項2ないし請求項4のいずれか1項に記載の超音波検査方法である。
【0024】
本請求項の発明においては、遅れエコーの波形の特徴を数値化する手段として、数値化が容易で波形の特徴を的確にとらえることができる遅れエコーの波高の比率を採用するため、データベース化が容易になり、減肉状況を的確に推定することができる。
【発明の効果】
【0025】
本発明によれば、従来以上に検査の精度や信頼性を向上させて検査対象物の減肉状況を簡易かつ的確に推定することができる超音波検査方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】遅れエコーの発生と伝播の様子を模式的に示す図である。
【図2】エコーの特徴を調べるために作製した各種の評価試験用アンカーボルトを示す図である。
【図3】径の減少が生じた領域が上端面に近い場合の、反射波の振幅と戻って来る時間の関係を示す図である。
【図4】径の減少が生じた領域が底面に近い場合の、反射波の振幅と戻って来る時間の関係を示す図である。
【図5】減肉部が短い場合の反射波の振幅と戻って来る時間の関係を示す図である。
【図6】減肉部が長い場合の反射波の振幅と戻って来る時間の関係を示す図である。
【図7】腐食部の径をパラメーターとして得られた第2指標と減肉領域の長さとの関係を示す図である。
【図8】減肉領域の長さをパラメーターとして得られた第3指標と減肉部の発生位置との関係を示す図である。
【図9】側面の一部のみが腐食しているアンカーボルトの上端面における位置を一定の規則で変えて超音波探触子を当てて腐食箇所を探知している様子を示す図である。
【図10】減肉部が片側のアンカーボルトのエコーを示す図である。
【図11】減肉部が片側のアンカーボルトのエコーを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下、本発明の実施の形態に基づいて説明する。
【0028】
本実施の形態は、一部露出して埋設されるアンカーボルトの露出側の端面から検査対象物内に超音波を入射し、アンカーボルトの減肉部からの遅れエコーにより減肉部を検査する超音波検査方法である。
【0029】
遅れエコーについて図1を参照しつつ説明する。図1は、アンカーボルトを用いた遅れエコーの発生と伝播の様子を模式的に示す図である。図1において、10は超音波探触子であり、20はアンカーボルトであり、21はその上端面(図1では左側の端面)であり、22はその底面で(図1では右側の端面)ある。
【0030】
アンカーボルト20の上端面21から入射した超音波は、内面で反射せず直接底面22に到達して超音波探触子10に返ることにより受信されるエコー(図1のa,b)の他、41のようにアンカーボルト20の内面で反射しながら図1の1〜3に示すような経路を通過して底面22に達し、その後エコーとして受信されるもの等があり、これらは底面エコーと呼ばれる。一方、内面での反射の際には、一定の条件で縦波から横波へのモード変換が発生し(図1の4)、超音波の速度が変化することから、経路の違いによって底面エコーには一定間隔の時間的遅れが発生する。
【0031】
次に、本実施の形態の超音波検査方法に用いられる検査サンプル、指標およびデータベースについて説明し、続いてアンカーボルトの減肉状況の推定作業について説明する。
【0032】
(1)検査サンプル
超音波を用いた検査によりアンカーボルトに発生している腐食による減径やその位置あるいは程度を正確に検出するためには、腐食による減肉量や減肉箇所の位置等を種々変えた評価試験用アンカーボルトを作製し、そのアンカーボルトを対象にした超音波検査を行って腐食等の態様に応じてエコーが示す各種の特徴を確認しておく必要がある。このため、図2に示す(No1)から(No6)の評価試験用のアンカーボルトを作製した。
【0033】
図2に、作製した(No1)から(No6)までのアンカーボルト20の外形および径減少個所である減肉部23を示す。(No1)は直径60mm、軸方向長さが500mmの全長にわたって健全なアンカーボルトである。(No2)は、半楕円形状で最大深さが20mmの減肉部23を(No1)と同じアンカーボルトの片側に形成したものであり、(No3)は、半楕円形状で最大深さが15mmの減肉部23を(No1)と同じアンカーボルトの片側に形成したものである。なお、減肉部23の領域の軸方向の長さはいずれも50mmであり、上端面(超音波の入射面)から減肉部23の上端までの距離(減肉部23の位置)は140mmである。
【0034】
(No4)〜(No6)のアンカーボルトは断面台形状の減肉部23が全周にわたって形成されたものである。減肉部23の位置、長さおよび径を、表1に示す。
【0035】
(2)指標
(a)第1指標
第1指標は時間遅れにより得られる減肉部23の断面寸法に関する指標である。
【0036】
アンカーボルトの直径は、時間遅れのデータを用いて、以下の式により求められることが知られている。


ここで、Δtは時間遅れ、V、Vはそれぞれ縦波と横波の速度、dはアンカーボルトの直径である。
【0037】
上式より、アンカーボルトの直径dと時間遅れΔtとの間には一定の関係にあり、減肉によってdが減少すれば、Δtも減少することが分かる。従って、Δtをとらえることにより、減肉後のdを求めることができる。
【0038】
しかし、ここで得られたdは、一般に、実際の径とは必ずしも一致しないため、これを指標として用いる。これが第1指標である。なお、超音波探触子はクラウトクレーマー社製垂直探触子である。使用周波数は5MHzである
【0039】
(b)第2指標
第2指標は、減肉部領域のボルト軸方向の長さの違いにより現れる前記遅れエコーの波形の特徴を数値化したものである。以下、図3および図4を用いて説明する。
【0040】
図3は、減肉部が入射面に近い場合の反射波の振幅(波高)と戻って来る時間(μs)の関係を示す図である。図4は、減肉部が入射面から遠い場合の反射波の振幅と戻って来る時間(μs)の関係を示す図である。
【0041】
図中の符号60はアンカーボルトの底面22で反射して戻ってきたエコー(底面エコー)であり、70はモード変換により発生した遅れエコーであり、71はその内の健全な側面でモード変換したことによる遅れエコー(健全部からの遅れエコー)であり、72は同じく腐食により径が減少した側面でのモード変換による遅れエコーである。73は減肉に付随して現れる遅れエコーである。
【0042】
70は経路の一部が横波であるために底面波より遅れて観測されるが、観測時は縦波である。71は健全部からの遅れエコーであり、72は減肉部からの遅れエコーであり、残りは付随して現れる遅れエコーである。遅れエコーは図1で見られるような経路により現れる、健全部や減肉部でのモード変換の結果現れるようなわかりやすいエコーの他に、腐食部の位置、長さ、形状などにより側面や底面、底面の縁などで反射して複雑なエコーが付随して返る。そこで、さまざまなサンプルを製作してこれらを測定し、得られる遅れエコーのパターンをデータベース化して腐食状況を推定する。
【0043】
第2指標は、減肉領域の長さの違いにより現れる前記遅れエコーの波形の特徴を数値化することにより、減肉領域の長さを推定するために用いられる。
【0044】
図3と図4を比較すると、減肉部が入射面に近ければ健全部による遅れエコー71はピーク状となる(図3)が、遠い場合にはその傾向が弱くなっている(図4)ことが分かる。このため減肉に付随する遅れエコー73を健全部からのエコー71で除することにより得られた数値を第2指標として用いて減肉部の位置を判断する。
【0045】
(c)第3指標
第3指標は、減肉部の発生位置の違いにより現れる前記遅れエコーの波形の特徴を数値化したものである。
【0046】
図5および図6は、超音波の反射波の振幅と戻って来る時間(μs)の関係を示す図である。このうち、図5は減肉部の減肉領域が短い場合であり、図6は減肉部の減肉領域が長い場合である。なお、何れのアンカーボルトも、減肉部の減肉領域の中心の入射面からの距離は同じである。また、図中の符号60はアンカーボルトの底面22で反射して戻ってきたエコーであり、70はモード変換により発生した遅れエコーであり、71はその内の健全な側面でモード変換したことによる遅れエコー(健全部からの遅れエコー)であり、72は同じく腐食により径が減少した側面でのモード変換による遅れエコーである。73は減肉に付随して現れる遅れエコーである。
【0047】
図5と図6を比較すると、何れにおいても健全部からのエコー71がピークを示すのは同じであるが、減肉領域が短ければ健全部からのエコー71は低くなるが、減肉領域が長ければ減肉部からのエコー71は大きくなっていることが分かる。このため減肉部からの遅れエコー72を健全部からのエコー71で除することにより得られた数値を、入射面からの減肉部の位置を判断する第3指標に用いることが可能である。
【0048】
(d)第4指標
第4指標は、減肉部がアンカーボルトの軸回りに一様に形成されているかどうかを示す指標である。
【0049】
アンカーボルトの外周面の周方向の一様に減肉が発生している場合に比べて、周方向の一部のみが減肉しているいわゆる片側減肉の場合には検出精度が悪化する可能性がある。そこで、片側減肉の場合について図9〜図11を参照しつつ説明する。
【0050】
図10および図11は、(No2)の片側減肉のアンカーボルト20の上端面に超音波探触子を当てている様子を示す図であり、図10は腐食箇所(減肉部)の直上部に当てた場合を示し、図11は健全な箇所の直上部に当てた場合を示す。図9は、アンカーボルトの上端面における位置を変えて超音波探触子10を当て、腐食箇所を探知している様子を示す図である。
【0051】
図10および図11において、縦軸は振幅であり、横軸はエコーの返って来るのに要した時間(μs)であり、76は底面からのエコーであり、77は健全部からの遅れエコーであり、78は減肉部23からのエコーである。
【0052】
図10と図11を比較すると、減肉部23の直上に音波探触子10を当てた場合(図10)には、そうでない場合(図11)に比較して横波の2つの底面エコー76、77が顕著に小さくなっている。これにより腐食が発生した側面の位置を検知することが可能となる。
【0053】
図11と図12の何れにおいても、減肉部23からの小さなエコー78が見られるが、これによってアンカーボルトの入射面からのおおよその距離を推定することができる。
【0054】
そして、底面エコーの音圧が異なることを利用して、例えば、図9に示すようにアンカーボルトの上端面において複数点より超音波を入射し、対称性を考慮しても超音波の返りに大きな差異が見られるのであれば、そこに片側腐食があると推定することができる。
【0055】
(3)データベース
データベースは、検査に先立って、(No1)から(No6)のように予め減肉部の状況が判明している多くのサンプルについて、第1〜第4の指標を求め、各減肉部の実データと共に記憶させることにより作成されている。
【0056】
(4)評価
表1に、(No4)〜(No6)の評価試験用アンカーボルトにおいて得られた腐食部の径の評価値(第1指標)と実寸の差を示す。
【0057】
【表1】

【0058】
表1から、計算結果である評価値は、実寸とは一致しないが、最大でも5.4%という小さな誤差に納まっており、十分な精度で結果が得られていることが分かる。また、径減少領域が超音波源に近いと当該箇所の径を実際より大きく評価する傾向にあることが分かる。
【0059】
次に、(No4)〜(No6)の評価試験用アンカーボルトにおいて、腐食部の径をパラメーターとして得られた第2指標と減肉領域の長さ(実寸)との関係を図7に示す。
【0060】
図7に示すように、腐食部の長さが同じ場合でも、減肉部の径が小さいときは、第2指標の値が大きくなる傾向があることが分かる。なお、第2指標が0.3を超える場合には、減肉領域からの反射により現れるモード変換エコーの時間遅れが測定しやすくなるため、より的確に減肉領域の長さを判断することができる。
【0061】
次に、(No4)〜(No6)の評価試験用アンカーボルトにおいて、減肉領域の長さをパラメーターとして得られた第3指標と減肉部の発生位置(実寸)との関係を、図8に示す。
【0062】
図8に示すように、腐食部の径が同じ場合でも、減肉領域の長さが短くなるときは、第3指標の値が大きくなる傾向があることが分かる。なお、減肉領域においてモード変換するエコーが多くなるため、第3指標が0.2を超える場合には、より的確に減肉領域の長さを判断することができる。
【0063】
このように、第1〜第3の指標は、互いに関係し合っているため、これらの指標に基づく判定はデータベースとの照合に加えて総合的に行う必要があることが分かる。
【0064】
表2に、(No2)〜(No6)の評価試験用アンカーボルトにおいて得られた第1〜第4の指標と、その総合評価を示す。なお、この総合評価は、データベースとの照合に基づき、上記した総合的な評価を行ったものである。
【0065】
【表2】

【0066】
表2の総合評価を見ると、実測値に対して十分な精度の評価が行われており、本発明の検査方法が有用であることが分かる。
【0067】
以上、アンカーボルトを対象とした実施例を説明してきたが、本発明に係る処理は遅れエコーが観測できる物体に対して適用可能である。このため、アンカーボルトに限定されず、形状が似ているアンカーボルト、向い合せで平行な側面を持つ角棒や板材等に対しても適用可能である。
【0068】
なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【0069】
1〜4 超音波の経路
10 超音波探触子
20 アンカーボルト
21 アンカーボルトの上端面
22 アンカーボルトの底面
23 減肉部
41 超音波
60 底面エコー
70 遅れエコー
71 健全部からの遅れエコー
72 減肉部からの遅れエコー
73 付随する遅れエコー
76 底面エコー
77 健全部からの遅れエコー
78 減肉部からのエコー
Δt 時間遅れ
、V それぞれ縦波と横波の速度
d アンカーボルトの直径

【特許請求の範囲】
【請求項1】
一部露出して埋設される検査対象物の露出側の端面から検査対象物内に超音波を入射し、前記検査対象物の減肉部からの遅れエコーにより前記減肉部を検査する超音波検査方法であって、
前記減肉部を有する検査サンプルに超音波を入射して遅れエコーを取得し、
前記遅れエコーの特徴から所定の手順により作成される減肉状況に関する指標を、前記検査サンプルの前記減肉部の実際の減肉状況と共にデータベース化し、
前記検査対象物から遅れエコーを取得して前記所定の手順と同一の手順により得られる指標と前記データベースを照合することにより、前記検査対象物の減肉状況を推定することを特徴とする超音波検査方法。
【請求項2】
前記減肉部を有する検査サンプルに超音波を入射して時間遅れおよび遅れエコーの波形を取得し、
前記時間遅れにより得られる前記減肉部の断面寸法に関する第1指標と、
前記遅れエコーの波形の特徴を数値化して得られる前記減肉部の長さに関する第2指標と、
前記遅れエコーの波形の特徴を数値化して得られる前記減肉部の位置に関する第3指標を、
前記検査サンプルの前記減肉部の実際の断面寸法、長さおよび位置と共にデータベース化し、
前記検査対象物から時間遅れおよび遅れエコーの波形を取得して得られる第1〜第3の指標と前記データベースを照合することにより、前記検査対象物の減肉状況を推定することを特徴とする請求項1に記載の超音波検査方法。
【請求項3】
前記データベースに、さらに、前記減肉部が一様に形成されているかどうかを示す第4指標を、入射面の複数個所から超音波を入射して各底面波の音圧差により得て加え、
前記検査対象物から音圧を取得して得られる第4指標と前記データベースを照合することにより、前記検査対象物の減肉状況を推定することを特徴とする請求項2に記載の超音波検査方法。
【請求項4】
前記第1指標は、次式から得られることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の超音波検査方法。


ここで、Δtは時間遅れ、V、Vはそれぞれ縦波と横波の速度、dは減肉後の断面寸法である。
【請求項5】
前記第2および第3の指標は、減肉のない健全部からの遅れエコーの波高に対する前記減肉部からの遅れエコーの波高の比率であることを特徴とする請求項2ないし請求項4のいずれか1項に記載の超音波検査方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【公開番号】特開2011−158415(P2011−158415A)
【公開日】平成23年8月18日(2011.8.18)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−21852(P2010−21852)
【出願日】平成22年2月3日(2010.2.3)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 発行者名 特定非営利活動法人日本保全学会 刊行物名 日本保全学会第6回学術講演会要旨集 発行年月日 2009年8月3日
【出願人】(000165697)原子燃料工業株式会社 (278)
【Fターム(参考)】