JP5544581B2

JP5544581B2 - 超音波探傷方法

Info

Publication number: JP5544581B2
Application number: JP2009091859A
Authority: JP
Inventors: 義則武捨; 淳史馬場
Original assignee: Hitachi-GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Vernova Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2009-04-06
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2029-04-06
Also published as: JP2010243320A

Description

本発明は、超音波探傷方法に係り、特に、３００℃程度の温度環境で探傷する場合に被検査体と超音波探触子との間の音響接触媒質として金属を用いるに好適な超音波の送受信を行う際の音響接触方法に関し、特に超音波探傷方法に関する。

従来、発電プラントや化学プラントで使用している高温部材の健全性を評価する超音波探傷は、そのプラントの定期検査期間中に検査対象部温度を検査可能温度に低下させるかあるいは低下するのを見はからって実施している。

しかし、最近、検査効率向上の観点から、プラント稼働時に高温環境下で随時検査したり、高温環境下に超音波センサを長期に亘り設置し連続して対象物の変化を監視（モニタリング）したいとの要望が高まっている。

常温では、超音波探触子と被検査体との音響的接触は、主に液体の接触媒質を用いている。しかし、高温環境下では前記の接触媒質は蒸発するため使用できない。

そこで、高温環境でも音響的接触が安定して行える接触媒質あるいは接触方法が必要である。一般的に、高温環境での音響的接触は軟金属を介して行われることが知られている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。

特許第３４５７８４５号明細書特開平１１−３０４７７７号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載のように、被検査体と超音波探触子の間に軟金属を介して接触媒質とする方法は、大きな荷重を掛けて軟金属の塑性変形により両者を密着させるため、被検査体及び超音波探触子に荷重が掛ることになる。超音波探傷のために、超音波探触子に常時加重をかけると、超音波素子の接合部が剥がれる恐れがあり、また荷重印加装置を常に設置して置くため、超音波探触子保持部の構造が大がかりになり好ましくない。

本発明の目的は、超音波探触子及び被検査体に長期に亘り、荷重を掛けることなく超音波探傷が行える超音波探傷方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、超音波探触子と被検査体との間に金属を介して音響接触媒質とする超音波探傷方法であって、第１の金属を成膜した被検査体面に、その音波放射面に前記第１の金属と同じ材質の第２の金属を成膜した超音波探触子を、前記被検査体面及び超音波探触子に成膜した前記第１及び第２の金属とは異なる材質の第３の金属を介して密着させ、前記被検査体を探傷する前に、該密着部に所定の温度及び荷重を一定時間印加し、前記第１の金属、前記第２の金属及び前記第３の金属を拡散接合させた後、前記荷重を開放するようにしたものである。
かかる方法により、超音波探触子及び被検査体に長期に亘り、荷重を掛けることなく超音波探傷が行えるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記被検査体及び前記超音波探触子に成膜する前記第１及び第２の金属は、金又は銀であり、前記被検査体及び前記超音波探触子との間に介する前記第３の金属は銀又は金である。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記被検査体と前記超音波探触子の密着部に所定の温度及び荷重を印加する際に、前記密着部に振動を印加するようにしたものである。

（４）また、上記目的を達成するために、本発明は、超音波探触子と被検査体との間に金属を介して音響接触媒質とする超音波探傷方法であって、第１の金属を成膜した被検査体面に、その音波放射面に前記第１の金属とは異なる材質の第２の金属を成膜した超音波探触子を密着させ、前記被検査体を探傷する前に、該密着部に所定の温度及び荷重を一定時間印加し、前記第１の金属と前記第２の金属を拡散接合させた後、前記荷重を開放するようにしたものである。
かかる方法により、超音波探触子及び被検査体に長期に亘り、荷重を掛けることなく超音波探傷が行えるものとなる。

本発明によれば、超音波探触子及び被検査体に長期に亘り、荷重を掛けることなく超音波探傷が行えるものとなる。

本発明の一実施形態による超音波探触装置の構成を示す平面図及び断面図である。本発明の一実施形態による超音波探触装置に用いる拡散接合層の構成を示す断面図である。本発明の一実施形態による超音波探触装置による探触方法を示すフローチャートである。本発明の一実施形態による超音波探触装置に用いる拡散接合層の他の構成を示す断面図である。

以下、図１〜図３を用いて、本発明の一実施形態による超音波探触装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による超音波探触装置の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による超音波探触装置の構成を示す平面図及び断面図である。なお、図１において、図１（Ａ）は本実施形態による超音波探触装置の平面図であり、図１（Ｂ）のＡ−Ａ’断面を示している。図１（Ｂ）は本実施形態による超音波探触装置の断面図である。

耐熱超音波探触子１は、高温の配管２の外周の測定部位に設置され、配管２の肉厚を測定する。耐熱超音波探触子１と配管２の外周の測定部位との間は、拡散接合層３によって密着している。

配管２の減肉測定部位には、Ｕ字形の固定治具４と固定板５ａとが固定ネジ５ｂにより固定される。固定板５ａの中央に空けた空間５ｃに、耐熱超音波探触子１が設置される。耐熱超音波探触子１は、探触子固定板７ａと４本の探触子固定ネジ７ｂにより固定される。

さらに、探触子固定板７ａの上部に、例えば油圧シリンダ等の加圧装置８を設置する。加圧装置８は、加圧装置固定板６ａを加圧装置固定ネジ６ｂで押えて固定される。

次に、図２を用いて、本実施形態による超音波探触装置に用いる拡散接合層３の構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による超音波探触装置に用いる拡散接合層の構成を示す断面図である。なお、図２において、図１と同一符号は、同一部分を示している。

拡散接合層３は、金の成膜３ａ，３ｂと、銀シート３ｃとから形成される。

耐熱超音波探触子１の音波放射面には、金の成膜３ａが施されている。また、配管２の表面にも、金の成膜３ｂが施されている。ここで、金の成膜は、スパッタ法や蒸着法等の固相−気相接合、メッキ法などの固相−液相、あるいは固相-固相接合などによりなされ、その成膜方法には特にこだわらない。また、探触子１の音波放射面は、相手の被検査体（配管２）の表面の形状に合わせた形状となっている。図示の例では、探触子１の音波放射面は、配管２の外周の曲率半径に合った曲率半径を有している。

さらに、耐熱超音波探触子１の金の成膜３ａと、配管２の金の成膜３ｂとの間に、銀シート３ｃが挿入されている。

金の成膜３ａ，３ｂと銀シート３ｃの間は、高温状態で加圧することにより銀が金に容易に拡散して良好な拡散接合状態となり、一旦拡散接合されると加圧力を開放しても、また温度が低下しても安定した密着状態が保たれる拡散接合層３が形成される。この拡散接合層３により、耐熱超音波探触子１は、配管２に対して音響接触している。

ここで、金と銀を組合わせた理由は、例えば金同士を組合わせた場合に比べて濃度勾配（拡散勾配）があるため、より拡散が促進され良好な拡散接合状態を保つためである。従って、金と銀の組合わせ以外にも、相性が良く拡散接合がなされる材料の組合わせでも良い。例えば、第１の金属と第２の金属の組合せとしては、金と銅、銀とアルミ、銀とチタン、銀とジルコニウム、ニッケルとチタン、ニッケルとジルコニウム、ＳＵＳとチタン、ＳＵＳとジルコニウム等が挙げられる。

また、図１に示した例では、耐熱超音波探触子１の音波放射面に金の成膜３ａを施し、配管２に金の成膜３ｂを施し、その間に銀シート３ｃを挿入しているが、耐熱超音波探触子１の音波放射面に銀の成膜を施し、配管２に銀の成膜を施し、その間に金シートを挿入してもよいものである。従って、前述の金と銀の組合せ以外の例についても、例えば、金と銅の場合、耐熱超音波探触子１の音波放射面に金の成膜を施し、配管２に金の成膜を施し、その間に銅シートを挿入してもよく、また、耐熱超音波探触子１の音波放射面に銅の成膜を施し、配管２に銅の成膜を施し、その間に金シートを挿入してもよいものである。他の２種類の金属の組合せについて同様である。

次に、図３を用いて、本実施形態による超音波探傷装置による探傷方法について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による超音波探触装置による探触方法を示すフローチャートである。

最初に、ステップＳ１０において、音波放射面に金を成膜した耐熱超音波探触子１を用意する。また、耐熱超音波探触子１を当てる配管２の測定部位の外表面には金の成膜を施す。

次に、ステップＳ２０において、室温状態において、配管２の減肉測定部位に、固定治具４と固定板５ａを固定ネジ５ｂを用いて固定する。この後、固定板５ａの中央に空けた空間５ｃを利用して、耐熱超音波探触子１の音波放射面と配管２の測定部位の間に銀の金属シート３を挿み込んで、探触子固定板７ａと探触子固定ネジ７ｂで固定する。この時、耐熱超音波探触子１の音波放射面が検査体表面に垂直に当たるように、４本の各探触子固定ネジ７ｂの締め付け力を調整してその傾きを調整する。なお、垂直に当たったかどうかの傾きの調整は配管の内面反射波強度を、別途用意した超音波探傷器で監視し、反射波強度が最大になるようにする。さらに、前記探触子固定板７ａの上部に、例えば油圧シリンダ等の加圧装置８を置き、加圧装置固定板６ａを加圧装置固定ネジ６ｂで押えて加圧装置８を固定する。

次に、ステップＳ３０において、耐熱超音波探触子１と配管２の密着部の周囲に、例えば電磁誘導加熱器等の加熱装置９を配置し、前記密着部を配管２の運転温度（例えば３００℃）に加熱し、一定時間（例えば１時間）保持する。

次に、ステップＳ４０において、加圧装置８を作動して耐熱超音波探触子１と配管２の密着部に荷重（例えば数百ｋｇ以上）を印加し、一定時間（例えば１時間）保持する。

次に、ステップＳ５０において、加圧加熱した状態で、耐熱超音波探触子１と配管２の密着状態を確認するため、別途用意した超音波探傷器により、耐熱超音波探触子１を駆動して配管２の内面反射波１０を受信する。ここで、内面反射波の最適値は予め試験により把握して置く。もし、内面反射波強度１０が不十分と判定した場合は、ステップＳ３０の処理で加熱温度を上昇したり、ステップＳ４０の処理で印加荷重を高めたりして、内面反射波強度１０が十分に得られるまでその処理を繰り返す。

次に、ステップＳ６０において、ステップＳ５０により十分な音響接触を確認した後、加圧装置８による荷重を開放し、また、加熱装置９による加熱を停止する。なお、さらに、探触子固定ネジ７ｂを緩めてその荷重を数十ｋｇ以下にしてもよいものである。

次に、、ステップＳ７０において、耐熱超音波探触子１と配管２の密着部の温度が、低温状態（例えば室温など）で、ステップＳ５０と同様に、耐熱超音波探触子１を駆動して配管２の内面反射波１０を受信する。もし、内面反射波強度１０が不十分の場合は、ステップＳ３０の処理で加熱温度を上昇したり、ステップＳ４０の処理で印加荷重を高めたりして、ステップＳ５０の状態で内面反射波強度１０が十分に得られるまでその処理を繰り返す。

次に、ステップＳ８０において、ステップＳ７０により十分な音響接触を確認し、配管２に掛る荷重を開放した後、配管２が接続されたプラント装置は運転状態に入る。プラント装置の運転状態において、耐熱超音波探触子１を駆動して配管２の内面反射波１０を受信し、超音波探傷によるモニタリングを継続する。

そして、ステップＳ９０において、定常の運転状態においても、耐熱超音波探触子１を駆動して配管２の内面反射波１０を受信し、ステップＳ１００で運転開始時の反射波強度と、運転中に定期的に確認する反射波強度とを比較して音響接触の状態を確認する。もし、反射波強度が低下するなどの異常が発生した場合は、その原因を解明して排除した後運転を継続し、同時に超音波探傷を継続する。

なお、耐熱探触子１と被検査体２の密着部付近の装置、例えば固定板５ａの上面に加振装置１１を備え、前記耐熱探触子１と被検査体２の加熱時あるいは加圧時に密着部に振動を印加して、密着部の密着状態をさらに良好に促進することも可能である。

また、図２の説明では、耐熱超音波探触子１と配管２の間に銀のシートを挿入したが、予め耐熱超音波探触子１側か、あるいは配管２側に成膜しておいても同様な効果が得られる。

次に、図４を用いて、本実施形態による超音波探傷装置に用いる拡散接合層の他の構成について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による超音波探傷装置に用いる拡散接合層の他の構成を示す断面図である。なお、図４において、図２と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態において、拡散接合層３’は、金の成膜３ａと、銀の成膜３ｃ’とから形成される。

耐熱超音波探触子１の音波放射面には、金の成膜３ａが施されている。また、配管２の表面には、銀の成膜３ｃ’が施されている。

金の成膜３ａと銀の成膜３ｃ’とを、高温状態で加圧することにより銀が金に容易に拡散して良好な拡散接合状態となり、一旦拡散接合されると加圧力を開放しても、また温度が低下しても安定した密着状態が保たれる拡散接合層３’が形成される。この拡散接合層３’により、耐熱超音波探触子１は、配管２に対して音響接触している。

なお、成膜は、逆でもよく、耐熱超音波探触子１の音波放射面に銀の成膜を形成し、配管２の表面に金の成膜を形成してもよいものである。

以上説明したように、耐熱超音波探触子１と配管２の音響接触は、例えば金と銀の様に異種金属同士を組合わせ、高温状態で加圧することにより、より良好な密着状態が得られる。この良好な密着状態による音響接触は、その後の耐熱超音波探触子１と配管２の温度環境や加圧状況に影響されないで保持されるため、機器の運転中に対象配管などに大きな荷重を掛けることなく超音波探傷が出来るので、長期に亘り信頼性が高いモニタリングが行える。

本発明の探傷方法は、常温から３００℃程度の高温環境下まで広く利用可能で、原子力プラントや化学プラントなどの機器に設置して、配管の肉厚や欠陥探傷の長期モニタリングを行う探傷方法として利用可能である。

１…耐熱探触子
２…配管
３…拡散接合層
３ａ，３ｂ…金の成膜
３ｃ…銀シート
３ｃ’…銀の成膜
４…固定治具
５ａ…固定板
５ｂ，６ｂ，７ｂ…固定ネジ
６ａ…加熱装置固定板
７ａ…耐熱探触子固定板
８…加圧装置
９…電磁誘導加熱装置
１０…配管内面反射波
１１…加振装置

Claims

超音波探触子と被検査体との間に金属を介して音響接触媒質とする超音波探傷方法であって、
第１の金属を成膜した被検査体面に、その音波放射面に前記第１の金属と同じ材質の第２の金属を成膜した超音波探触子を、前記被検査体面及び超音波探触子に成膜した前記第１及び第２の金属とは異なる材質の第３の金属を介して密着させ、前記被検査体を探傷する前に、該密着部に所定の温度及び荷重を一定時間印加し、前記第１の金属、前記第２の金属及び前記第３の金属を拡散接合させた後、前記荷重を開放することを特徴とする超音波探傷方法。
請求項１記載の超音波探傷方法において、
前記被検査体及び前記超音波探触子に成膜する前記第１及び第２の金属は、金又は銀であり、前記被検査体及び前記超音波探触子との間に介する前記第３の金属は銀又は金であることを特徴とする超音波探傷方法。
請求項１記載の超音波探傷方法において、
前記被検査体と前記超音波探触子の密着部に所定の温度及び荷重を印加する際に、前記密着部に振動を印加することを特徴とする超音波探傷方法。
超音波探触子と被検査体との間に金属を介して音響接触媒質とする超音波探傷方法であって、
第１の金属を成膜した被検査体面に、その音波放射面に前記第１の金属とは異なる材質の第２の金属を成膜した超音波探触子を密着させ、前記被検査体を探傷する前に、該密着部に所定の温度及び荷重を一定時間印加し、前記第１の金属と前記第２の金属を拡散接合させた後、前記荷重を開放することを特徴とする超音波探傷方法。