JPH076936B2

JPH076936B2 - 欠陥検査方法

Info

Publication number: JPH076936B2
Application number: JP24742886A
Authority: JP
Inventors: 眞琴林; 正広大高; 明輔成瀬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-10-20
Filing date: 1986-10-20
Publication date: 1995-01-30
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPS63101742A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野］本発明は金属構造部材に発生したき裂の形状を検出する
き裂検出技術に係り、特に配管内面の表面き裂の形状を
管外面からオンラインで精度よく検出するのに好適な装
置に関する。

〔従来技術〕

従来のき裂検出方法としては超音波深傷法がある。超音
波深傷法にも種々あり、端部ピークエコー法、開口合成
法、ホログラフイ法などがある。それぞれ特徴を有して
いるが、き裂の検出で特に重要なき裂先端からのエコー
が得られないことがあり、その場合き裂の形状を判定で
きないという欠点があつた。また、運転中は配管周辺に
断熱材が巻いてあるため探触子を走査することができな
いため検出することは不可能である。本発明に関連した
ポテンシヤル法によるき裂形状検出については、特開昭
58−215545き裂検出装置（三菱重工業）があるが、き裂
の有無が定性的に判定できるだけで形状を検出すること
は不可能である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、超音波法の場合き裂先端近傍からの反
射エコーが得られない、あるいは運転中は探触子を設置
できないという物理的な問題があり、ポテンシャル法の
場合、き裂周辺に生じる特異な電場の乱れや給電端子周
辺での電位降下の影響を正確に把握していなかったため
に、き裂形状を精度良く検出することができなかった。

本発明の目的は、ポテンシャル法を用いて、配管内面に
生じた欠陥の位置と形状を精度良く検出する欠陥検査方
法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、配管表面に相互に離間した１組の給電端子
対により直流電流を供給し、該給電端子対の間において
１組又は複数組の電位差測定端子対により電位差を測定
して、該電位差から欠陥を検出する方法において、前記
配管表面に給電端子と電位差測定端子を兼用する端子を
マトリクス状に配置し、配管の軸方向に並んだ１組の端
子列と、これに対して180度離れて前記端子列に向い合
う１組の端子列との間に直流電流を供給し、該直流電流
を供給する端子間に配置され周方向に隣合う端子間に電
位差を測定し、該電位差の分布から前記配管の欠陥の位
置と形状を検出することを特徴とする欠陥検査方法を使
用することにより達成される。

〔作用〕

本発明によれば、配管表面にマトリクス状に配置した端
子のうち、配管の軸方向に並んだ１組の端子列と、これ
に対して180度離れて前記端子列に向い合う１組の端子
列との間に直流電流を供給し、該直流電流を供給する端
子間に配置され周方向に隣合う端子間の電位差を測定す
ることにより、給電端子周辺での電位降下に伴う不均一
電場の影響を低減できるので、均一電場のもとで欠陥の
位置と形状を精度良く検出することができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を説明する。第１図は本発明の
配管のき裂監視装置の一実施例を示すもので、第２図は
配管のき裂監視装置の制御・測定・演算システムの系統
図である。３はコンピユータ、４はデータやプログラム
を記憶させるためのハードデイスク等の外部記憶装置、
２はCRTである。コンピユータ３はインターフエース５
やGP−IBインターフエース６を介して計測装置を制御し
たり、測定値を取り込んで処理し、結果を出力する。第
１図において配管１の、特に溶接部19の周辺には軸方
向、および周方向共に等間隔で直流電流供給用と電位差
測定用を兼用した端子20がスポツト溶接等により取り付
けてある。端子20は通常は耐酸化性材料であるSUS304や
SUS316、あるいはNi等の細線を使用する。端子20は第１
図には示してないが、保温材の内側に設けた通路を通し
て保温材の外に導き、１本のケーブル21に纒めて測定装
置に接続される。この場合、端子20は配線途中で配管１
や端子同士とは絶縁されていなければならないので、短
い碍子管の仲を通すとか、端子表面を絶縁物で被覆しな
ければならない。端子20を保温材の外側で束ねて１本の
ケーブル内に収めても良いが、保温材の外側では温度が
低いので、通常の多芯ケーブルと接続した方が良い。な
お、端子20は全て給電端子切り換え用マルチプレクサー
９と２個の電位差測定端子切り換え用マルチプレクサー
10,11の３個のマルチプレクサーに接続される。

複数の安定化直流電源７から供給される直流電流はコン
ピュータ３により、インターフエース５を介して制御さ
れる電流極性変換装置８により、その極性を切り換えら
れてマルチプレクサー９に供給されて、更に電流供給先
が振り分けられて特定の端子20に電流が供給される。多
数の端子20の間の電位差は１台、または２台のマルチプ
レクサー10,11により測定する端子を切り換えられて微
小電位差計12に接続されて測定される。測定された電位
差はGP−IBインターフエース６を介してコンピユータ３
に転送される。コンピユータ３は後述の方法により配管
の軸方向、周方向の電位差分布よりき裂の形状を判定す
る。ここで、マルチプレクサー9,10,11および微小電位
差計12はGP−IBインターフエース６あるいはインターフ
エース５を介してコンピュータ３により制御されるもの
である。

第３図には配管外面における端子20の配置の展開図を、
第４図には軸方向断面を示す。一般に原子カプラントや
化学プラントにおける欠陥は応力腐食割れや腐食疲労に
よるものである。応力腐食割れは溶接部近傍の引張残留
応力が存在するところに発生し、腐食疲労は残留応力に
加えて形状が不連続である溶接金属のルート部に発生す
る。そのため、端子20の配置としては溶接部近傍という
ことになる。応力腐食割れは溶接熱影響部の周方向に発
生するが、稀に周方向に対して傾いて発生することがあ
る。本発明のポテンシヤル法による欠陥形状検出におい
てはできれば欠陥に対して垂直に電場を形成し、欠陥を
はさんで電位差分布を測定しなければならない。しか
し、オンラインで端子を固定して電位差分布を測定する
場合、き裂がどの方向に発生するかは予測できないの
で、端子20の配置としては周方向および軸方向の両方向
の電位差分布を測定できるようなものとしなければなら
ない。その１つの方法が第３図，第４図に示した端子配
置である。第３図では端子の位置だけが示してある。前
述のようにき裂は溶接熱影響部付近に発生するので、こ
の領域をカバーするように端子20を軸方向に等間隔で配
置する。同じように周方向にも全周に渡つて端子20を等
間隔で配置する。即ち、端子20をマトリクス状に配置す
る。このとき軸方向の配置においては両端の端子は給電
端子としてしか使用しないので、電場を均一にして測定
するために隣の端子とは配管の板厚以上の間隔を置いて
設置した方が良い。第４図では溶接金属19の上にも端子
20が配置してあるが、溶接金属19にき裂が発生すること
はないので、ここには配置しなくとも良い。また、原子
力プラントの配管の場合、定期検査時に超音波探傷でき
裂が発見されても、き裂が小さい場合には補修されるこ
となく、継続して使用されることがある。破壊力学的手
法によりき裂の進展予測がなされており、き裂が大きく
進展することはないが、しかし、より安全性を高めると
いうことで本方法によりき裂を監視して行く場合にはき
裂の周辺にだけ端子20を配置すれば良い。

電位差分布測定のフローチヤートを第５図に示す。初め
に、マルチプレクサー９を制御することにより配管の軸
方向の両端の給電専用の端子に直流電流を供給し、配管
の軸方向の電場を形成する。次に、多数の端子間の電位
差の測定である。まず、軸方向に隣り合つた端子間の電
位差をマルチプレクサー10,11により端子を切り換えて
測定する。次に周方向に隣り合つた端子間の電位差を測
定する。軸方向と周方向の電位差を１回測定すると、電
流極性変換装置８により直流電流の極性を切り換えて、
再び軸方向と周方向の電位差を測定する。次に、給電用
のマルチプレクサー９を切り換えて周方向に電場を形成
する。例えば、第６図に周方向の一断面における端子配
列を示したが、初めに180度向いあつたＡとＣの端子か
ら直流電流を供給する。給電端子の周辺では電位低下が
顕著で、電場が均一でないので、電位差を測定しても意
味がない。そのため、電位差としては第６図に示す例え
ば13 14 15 16 17 18の端子間の電位
差を測定する。次にA,Cの両端子付近の電位差を測定す
るために、A,Cの端子とは90度離れたＢとＤの端子から
直流電流を供給し、11 12 19 20の端子間の
電位差を測定する。この場合にも供給する直流電流の極
性を変えて、＋の電流を流したとき、−の電流を流した
ときの２回測定したものの振幅で評価する。このように
給電端子を切り換えることにより均一な電場における周
方向全体の電位差分布を測定することが可能である。測
定された電位差はGP−IBインターフエース６を通じてコ
ンピユータ３に転送され、データ処理される。電位差分
布測定結果に基づき、き裂の形状を測定し、判定された
き裂の形状をコンピュータ３のCRT画面上に表示すると
共に、プリンタに結果、およびき裂形状のハードコピー
を出力させる。

軸方向と周方向の２方向に電流を流す理由は前述した通
りであるが、以下に詳細を記す。今、き裂が配管の軸方
向に平行に入つている場合、軸方向に電流を流しても電
場は軸方向であるので電場はき裂によつて乱されること
はないので、測定される電位差分布はき裂がない場合と
全く同じとなり、き裂はないと判定されてしまうことに
なる。ところが、そのような配管の軸方向のき裂に対し
て周方向に電流を流すと、周方向電場はき裂によつて大
きく乱されるため電位差分布が生じ、その電位差分布の
乱れ方からき裂の大きさを判定することができる。も
し、き裂が配管の軸方向、および周方向の両方向に対し
て傾いて発生した場合には両方向から電流を流して測定
された電位差分布からその傾きを含めて形状を判定する
ことが可能である。

今、軸方向に電流を流しているとき、き裂が配管に発生
していなければ、測定される電位差は軸方向の端子間の
電位差は一定であり、周方向の端子間の電位差は零であ
る。き裂が周方向に発生すると電流はき裂の先端を迂回
して流れるので、配管の外側の方では電流密度が高くな
り、き裂をはさむ軸方向の端子間の電位差はき裂のない
所の端子間の電位差よりも大きい値を取るようになる。
同時にき裂に平行な方向には電位分布が生じるので、周
方向の端子間の電位差は零より大きくなる。従つて、単
純にはき裂がないところの電位差を基準電位差として電
位差比が1.0よりも大きくなつた端子間の間にき裂があ
ると判断され、き裂の発生位置と形状が電位差分布から
判定することが可能である。また、周方向の電位差が零
より大きい端子間にほぼ平行にき裂があると判断され、
軸方向の隣の端子間の電位差との比較により、上流側の
周方向の端子間の電位差が大きければ、下流側にき裂が
あると判断され、下流側の端子間の電位差が大きけれ
ば、上流側にき裂があると判断される。ただし、もしき
裂が軸方向に対して傾いている場合には電位差比が１よ
りも大きくなつている端子間の中央を結んだ所にき裂が
あると判断される。第７図にき裂位置の判定方法を示
す。第７図で○印は端子20の位置を示し、実線はき裂位
置を示している。軸方向に電場を加えて電位差分布を測
定すると、き裂をはさむ端子間の電位差が最も大きくな
る。その端子間のどの位置にき裂があるかは不明である
から、仮にその中央にあるとすると、□印で示した位置
となる。次に、周方向に電場を加えると同様に◇印の位
置にあると判定される。□印と◇印の両方を結んだ結果
を破線で示した。第７図では２例を示したが、いずれの
場合も実際のき裂位置と電位差分布から判定されるき裂
位置は大略一致する。

き裂に沿つた電位差分布からのき裂形状決定方法を以下
に示す。表面き裂形状決定法のフローチヤートを第８図
に示す。予め、汎用大型計算機により各種アスペクト
比、例えば、a/c＝1.0,0.5,0.25,0.1のき裂について電
場を解析し、き裂と反対側の表面のき裂面に垂直な方向
の電位差分布をコンピユータ３の記憶装置、または外部
記憶装置４に記憶させておく。記憶させる電位差分布の
一例としてアスペクト比a/c＝0.5の各き裂深さに対する
電位差分布を第９図に示す。第８図は板厚ｔ＝20mmの平
板の中央にき裂がある場合についてFEMによる電場を解
析して得られたものである。板厚ｔで基準化したき裂の
深さa/tはき裂中央の最深点で0,0.125,0.25,0.375,0.5,
0.625および0.75である。き裂がない（a/t＝０）の場合
には電位差はき裂からの距離ｚに比例する。一方、き裂
がある場合にはき裂から離れるにつれて電位差は段々大
きくなり、ある程度離れると電位差増分はほぼ一定であ
る。これらの電位差分布はｎ次近似してコンピュータ
３、または外部記憶装置４に記憶させておく。き裂形状
決定に当たつては最初に測定されたき裂周辺の電位差分
布から表面き裂長さ2c＊と最大電位差比V/V₀maxを求め
る。一例として第10図にFEMで電場を解析して得られた
き裂周辺での電位差比分布を示す。き裂のアスペクト比
はa/c＝0.25、最大き裂深さはａ＝12.5mm（a/t＝0.62
5）である。き裂がないところでは電位差はほぼ一定で
あり、そのような箇所の電位差を基準電位差として電位
差比分布を示してある。き裂のあるところでは電位差は
大きくなつており、この部分の電位差分布をｎ次近似す
る。近似曲線からき裂の最深点に対応する最大の電位差
比V/V₀maxを決定する。第10図の場合にはV/V₀max＝1.30
が得られた。き裂と反対側の表面における電位差分布に
おいてはき裂先端近傍では緩やかに電位差が増えるた
め、き裂の先端を特定することは困難である。種々のア
スペクト比のき裂について電位差分布とき裂先端位置と
の関係を調べた結果、最大電位差比V/V₀maxのピークの
約0.15付近にき裂先端があることが分かつた。第10図で
はV/V₀max＝1.30であるので、V/V₀＝１＋0.3×0.15＝1.
045と、４次近似曲線との交点から表面におけるき裂長
さ2c＊を求めると、2c＝110mが得られる。

次に、第９図に示した電位差分布から各種アスペクト比
a/cのき裂に対する電位差比V/V₀とき裂深さa/tの関係を
作成するために電位差比V/V₀とアスペクト比a/cの関係
を作成する。この場合、FEMによる電場解析では板厚ｔ
＝20mmの平板について解析しているので、測定端子間距
離ｄに対応した測定位置ｄ＊における電位差比V/V₀とア
スペクト比a/cの関係を作成しなければならない。従つ
て、被測定部材の板厚ｔ＊で補正されたｄ＊＝ｄ×20/t
＊の位置の各き裂深さa/tに対する電位差を求めて電位
差比V/V₀とアスペクト比a/cの関係を第11図のように作
成する。電位差比V/V₀とアスペクト比a/cの関係は各き
裂深さa/t毎にｎ次近似してコンピュータ３の記憶装置
４に記憶させる。次に、電位差比V/V₀とアスペクト比a/
cの関係を用いてアスペクト比a/c＝0.5に対する電位差
比V/V₀とき裂深さa/tの関係のマスターカーブを第12図
のように作成する。この場合にも電位差比V/V₀とき裂深
さa/tの関係はｎ次近似、例えば、５次近似する。この
マスターカーブに電位差分布を４次近似して得られた最
大電位差比V/V₀maxを代入してき裂深さａ＊を求める。
次で、板厚補正した表面き裂長さ2c＊（＝2c×20/t＊）
によりき裂のアスペクト比ａ＊/c＊を求め、マスターカ
ーブのアスペクト比a/cと比較する。両者が一致してい
なければ、改めて電位差比V/V₀とアスペクト比a/cの関
係を用いてアスペクト比a/c＝ａ＊/c＊に対する電位差
比V/V₀とき裂深さa/tの関係のマスターカーブを作成
し、最大電位差比V/V₀maxを代入してき裂深さａ＊を求
める。この作業を両者が一致するまで、例えば、a/cと
ａ＊/c＊の差が0.01以下となるまで繰り返す。一致した
ときのアスペクト比に対する電位差比V/V₀とき裂深さa/
tの関係のマスターカーブに各測定位置における電位差
比を代入することによりき裂全体の形状を決定するもの
である。この場合電位差比は各測定位置における電位差
比を代入しても良いし、ｎ次近似した電位差比分布を代
入しても良い。

第10図に示したき裂周辺の電位差分布について具体的に
計算した結果を示す。板厚はｔ＊＝20.0mmであり、測定
端子間距離はｄ＝20mmであるので、ｄ＊＝ｄ×20/t＊＝
20mmの位置における各アスペクト比の各き裂深さに対す
る電位差を求める。但し、き裂が測定端子の中央に来る
ようにして電位差を測定しているので、ｚ＝ｄ＊/2＝10
mmの位置の電位差を求め、第11図のような電位差比V/V₀
とアスペクト比a/cの関係を作成する。これらの関係を
用いて第12図に示すようにアスペクト比a/c＝0.5に対す
る電位差比V/V₀とき裂深さa/tの関係のマスターカーブ
を作成する。このカーブに最大電位差比V/V₀max＝1.30
を代入すると、ａ＊/t＝0.76となり、ａ＊＝15.2mmが得
られる。2c＊＝110mmよりき裂のアスペクト比はａ＊/c
＊＝15.2/55＝0.276となる。そこで、次にa/c＝0.276に
対するマスターカーブを作成してき裂深さを求めると、
ａ＊＝12.86mmが得られ、ａ＊/c＊＝0.234となる。再
び、a/c＝0.234に対するマスターカーブを作成してき裂
深さを求めると、ａ＊＝12.4mmが得られ、ａ＊/c＊＝0.
225となり、更に、a/c＝0.225に対するマスターカーブ
を作成してき裂深さを求めると、ａ＊＝12.3mmが得ら
れ、ａ＊/c＊＝0.224となり、アスペクト比がほぼ一致
する。このようにして求めた表面き裂形状と解析で使用
したき裂形状との対応を第13図に示す。表面のき裂先端
近傍の精度は多少悪いが、そこを除けば非常に良く一致
している。

ただし、上述の方法ではき裂が電場に対して垂直にある
場合に適用できるものであつて、第７図のように傾いて
いるき裂に対してはそのまま適用できない。そのような
場合には第７図の□印と◇印の各点の座標点を最小自乗
法により直線近似して垂直方向に対する角度を求めると
共に、両端座標からき裂長さ2c＊を求める。この時、き
裂の法線方向と電場方向とのなす角度をΘとすると、電
位差比V/V₀′はき裂が電場に対して直角にあるときの電
位差比V/V₀よりも小さくなり、第一次近似としてはV/
V₀′＝V/V₀・cosΘとなる。従つて、上述の方法でき裂
形状を求める場合には測定された電位差比V/V₀′をΘで
補正してV/V₀＝V/V₀′/cosΘにより評価することが必要
である。ただし、Θが45゜を超えると精度が悪くなるの
で、Θが45゜よりも小さい方の電場についての測定値を
使つて判定する方が良い。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明の欠陥検査方法によれば、給
電端子周辺での電位降下に伴う不均一電場の影響を低減
できるので、均一電場のもとで欠陥の位置と形状を精度
良く検出することができ、検査の信頼性を向上すると共
に、配管の健全性を高める効果もある。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明による配管のき裂監視装置の外観図、第
２図は第１図のき裂監視装置のシステム系統図、第３図
と第４図は第１図の装置の端子の配置を示す図、第５図
は本発明による電位差分布測定のフローチヤート図、第
６図は本発明による周方向の電位差分布測定の場合の給
電端子と測定端子の位置を示す図、第７図は本発明によ
るき裂位置の判定方法を示す図、第８図は本発明による
き裂形状の判定方法のフローチヤート、第９図は本発明
のFEMで得られたき裂部材のき裂と反対側の表面におけ
る電位差分布の一例を示すグラフ図、第10図は本発明の
FEMで得られたき裂部材のき裂と反対側の表面における
き裂周辺の電位差分布グラフ図、第11図は本発明による
電位差比とアスペクト比の関係の一例を示すグラフ図、
第12図は本発明による電位差比とき裂深さの関係を示す
グラフ図、第13図は本発明による解析に使用したき裂形
状と判定されたき裂形状との比較を示す図である。１……配管、２……CRT、３……コンピユータ、４……
外部記憶装置、５……インターフエース、６……GP−IB
インターフエース、７……直流電源、８……電流極性変
換装置、９……給電端子切り換え用マルチプレクサー、
10,11……測定端子切り換え用マルチプレクサー、12…
…微小電位差計、19……溶接金属、20……端子、21……
ケーブル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】配管表面に相互に離間した１組の給電端子
対により直流電流を供給し、該給電端子対の間において
１組又は複数組の電位差測定端子対により電位差を測定
して、該電位差から欠陥を検出する方法において、前記配管表面に給電端子と電位差測定端子を兼用する端
子をマトリクス状に配置し、配管の軸方向に並んだ１組の端子列と、これに対して18
0度離れて前記端子列に向い合う１組の端子列との間に
直流電流を供給し、該直流電流を供給する端子間に配置され周方向に隣合う
端子間の電位差を測定し、該電位差の分布から前記配管の欠陥の位置と形状を検出
することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の方法におい
て、前記直流電流を供給する端子の位置を周方向に移動さ
せ、マトリクス状に配置した全ての端子について、前記
電位差を測定することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項３】特許請求の範囲第１項または第２項に記載
の方法において、前記電位差の測定に加えて、軸方向の両端に配置した周方向に並んだ端子列の間に直
流電流を供給し、該端子列の間に配置され軸方向に隣合
う端子間の電位差も測定し、該電位差の分布も用いて前記欠陥の位置と形状を検出す
ることを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項４】特許請求の範囲第１項乃至第３項の何れか
に記載の方法において、前記供給する直流電流の向きを逆向きにして測定した前
記電位差の分布も用いて前記配管の欠陥の位置と形状を
検出することを特徴とする欠陥検査方法。