フェーズドアレイ TOFD による ステンレス さ Development of Measurement Technique for Crack Depth in Weld Zone of Thick Stainless Steel Pipe with Ultrasonic Phased Array TOFD Hitoshi Ishida * * (株) 安 システム システム 要約 が あり, が さ mm を えるよう オー ステナイト ステンレス において, さ が フェー ズドアレイ TOFD (time of flight diffraction) を しく した. こ , を くするために が 1 アレイ を する. 1 アレイ から ーム , 意 さ位 に および させるこ が きる. さらに, こ 異 る さ位 を み わせた 大 り による が1 に ある. さ mm ステンレス 体 スリット さ , さ エコー さについて以 こ が らかに った. 1 からラ テラル を する により, さに対して mm さ が あっ た. 2 位 さに対して, ーム さが に mm ずれた さ 大 mm あった. 3 , さ位 に ーム を させた , いエコー さが られ, さ位 に対して ーム さが mm ずれた に dB した. さらに, さ mm ステンレス 体 スリット, き および 割れ (stress corrosion cracking SCC) さを した. られた 以 おり あ る. 1 き および SCC を, SN 以 するこ が きた. 2 き に対して 大 mm , SCC に対して 大 mm , さ が あった. 以 から, アレイ を いたフェーズドアレイ TOFD が, い さ を するこ , mm ま ステンレス に あるこ を らかにした. キーワード , フェーズドアレイ , TOFD , ステンレス , , き , SCC Abstract Phased array TOFD time of flight diffraction method which makes possible to detecttipdiffraction echoes and measure crack depth in an austenitic stainless steel weld zone with a thickness of more than mm to which region it was difficultto apply ultrasonic test due to scattering of ultrasonic waves has been developed The developed method uses a single array transducer to have a short distance between incident points of transmitter and receiver in order to propagate ultrasonic waves in shorter pass in the weld region Transmitting and receiving ultrasonic beams from a single array probe can be set a crossing point and a focal point at desireddepth This method makes possible to scan with kinds of combination of crossing points and focal points of ultrasonic beam at a time We haveexamined fundamental characteristics of depth measurement with electric discharge machining slits on base metal of a stainless steel with a thickness of mm As the results 1 We could measure the slit depth with mm error from the slit depth with a estimating method of a lateral wave propagation time with back wall echo 2 The largest error of the depth measurement from the slit depth with the ultrasonic beam crossing point set atthe mm different point from the tip of the slit was mm 3 The largest error of the depth measurements due to the difference of focal point depth of ultrasonic beam was mm 4 The highesttip diffraction echo could be observed with the ultrasonic beam cross point set atthe tip of the slit The difference of mm between the cross point and the tip of the slit caused attenuation of tipdiffraction echo height in dB Furthermore We have measured a depth of electric discharge machining slits fatigue cracks and stress corrosion cracking SCC on stainless steel weldedpipe specimens with a thickness of mm
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超音波フェーズドアレイTOFD法による厚肉ステンレス鋼配管溶接部の欠陥深さ測定技術の開発Development of Measurement Technique for Crack Depth in Weld Zone
of Thick Stainless Steel Pipe with Ultrasonic Phased Array TOFD
石田 仁志 (Hitoshi Ishida)*
* (株) 原子力安全システム研究所 技術システム研究所
要約 超音波の散乱減衰が顕著であり, 超音波探傷試験が困難な厚さ25mmを超えるようなオーステナイト系ステンレス鋼溶接部において, 欠陥の端部回折波の識別と深さ測定が可能なフェーズドアレイTOFD (time of flight diffraction) 法を新しく開発した.
Abstract Phased array TOFD (time of flight diffraction) method which makes possible todetect tip diffraction echoes and measure crack depth in an austenitic stainless steel weld zone witha thickness of more than 25mm to which region it was difficult to apply ultrasonic test due toscattering of ultrasonic waves has been developed.The developed method uses a single array transducer to have a short distance between incident
points of transmitter and receiver in order to propagate ultrasonic waves in shorter pass in the weldregion. Transmitting and receiving ultrasonic beams from a single array probe can be set a crossingpoint and a focal point at desired depth. This method makes possible to scan with 16 kinds ofcombination of crossing points and focal points of ultrasonic beam at a time.
We have examined fundamental characteristics of depth measurement with electric dischargemachining slits on base metal of a stainless steel with a thickness of 35mm.
As the results: (1) We could measure the slit depth with 0.2mm error from the slit depth with aestimating method of a lateral wave propagation time with back wall echo. (2) The largest error ofthe depth measurement from the slit depth with the ultrasonic beam crossing point set at the 4mmdifferent point from the tip of the slit was 0.3mm. (3) The largest error of the depth measurementsdue to the difference of focal point depth of ultrasonic beam was 0.2mm. (4) The highest tipdiffraction echo could be observed with the ultrasonic beam cross point set at the tip of the slit. Thedifference of 4mm between the cross point and the tip of the slit caused attenuation of tip diffractionecho height in -6.8dB.Furthermore We have measured a depth of electric discharge machining slits, fatigue cracks and
stress corrosion cracking (SCC) on stainless steel welded pipe specimens with a thickness of 35mm.
1. はじめに
超音波探傷試験方法の一つであるTOFD法は, 欠
陥先端部での回折波の伝播時間を計測することによ
り, 欠陥先端部の表面からの深さ位置を高精度で測
定する手法であり, 端部回折波を利用した測定手法
の提案がなされた(1)~(3)後, 実用的な手法として発展
し, その適用方法について国内外で規定されるに至っ
ている(4)(5). TOFD法は, 伝播時間の計測による高精
度での深さの測定が可能なことと, 受信波形の信号
強度を輝度により表示し, 探触子移動に伴う輝度の
変化をいわゆるTOFD画像として記録することによ
り, 回折波の視認性に優れていることを特長とする.
TOFD法は, 原子力発電所の設備の維持に関する規
格(6)の適用の際必要となる欠陥の深さを同定するため
の測定手法の一つとして位置づけられている(7).
加圧水型原子力発電所 (pressurized water reactor:
PWR) の 1 次系配管材料は, 主冷却材管の鋳造2相
ステンレス鋼を除くと, 加圧器サージライン配管な
どのオーステナイト系ステンレス鋼がほとんどすべ
てである. このオーステナイト系ステンレス鋼の溶
接部においては, その柱状晶組織に起因する超音波
の散乱による減衰, 伝播経路の曲がりが顕著であり,
超音波の伝播経路が溶接部を横切るTOFD法は, 25
mmを超える板厚のステンレス鋼での適用は困難とさ
れており(8)(9), 通常の縦波斜角探触子を用いたTOFD
法による25mm を超える厚いステンレス鋼溶接部へ
の適用例はない. フェーズドアレイ装置とアレイ探
触子を用いたTOFD法による測定を, ステンレス鋼
およびインコネル溶接部に適用した例があるが, 検
査面から欠陥端部までの深さは20mm未満である(10).
欠陥の深さ測定において, TOFD法が複数の手法
を適用して総合的に判断するための手法の一つとさ
れている(7)ことから, TOFD法をステンレス鋼溶接部
においても欠陥深さ測定が可能な技術として確立し
ておくことが必要である.
本研究では, オーステナイト系ステンレス鋼配管
の溶接部において, 欠陥の端部回折波を的確にとら
え, その深さ測定が可能なことを目標に, フェーズ
ドアレイ法を用いたTOFD法を開発した. 国内外の
超音波探傷試験に係る検査員の資格試験の判定基準
を目安に, 真の欠陥深さに対して4.4mmを超えて過
小に測定されないこと(11), 真の欠陥深さに対する測
定値のばらつきを示すRMS (root mean square) 誤差
が3.2 mm以下であること(11)(12)を欠陥の深さ測定精度
の目標とし, さらに受信波形における欠陥端部回折
波の信号強度がSN比3以上で得られることにも留意
した.
開発した手法は, (1) 超音波の送信と受信を1個
のアレイ探触子により行うこと, (2) これにより超
音波伝播経路が短縮されること, (3) 超音波ビーム
軸を任意の深さ位置で交差と集束させることが可能
なこと, (4) 一度の探傷で最大16通りの交差点と集
束点の組み合わせを設定可能なこと, (5) TOFD法
本来の特徴である視認性に優れたTOFD画像での解
析が可能なことを, これまでにない特長としている.
2. 実験装置
2.1 TOFD法の原理
TOFD法の測定原理を図1に示す.この図の (1) に
示すように, TOFD法では, 縦波探触子を送信用と
受信用に別個に使用し, それぞれの超音波ビーム軸
を対向させて一定の間隔で配置する.
材料中に欠陥のない場合には, 両探触子間と材料
板厚とで構成される空間内において最も短い伝播経
路である表面を伝播するラテラル波, 最も長い経路
に相当する材料底面での反射波が受信される. すな
わち図1の (1) で示す経路TRとTBRにより, 図1の
(2)で示す受信波形において, 信号SS と信号SB が得
られる.
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As the results: (1) We could detect the tip diffraction echoes which have a signal noise ratio withmore than 2.4 from the fatigue cracks and SCCs. (2) The largest error of depth measurement fromthe fatigue cracks and SCCs were 0.2mm and 1.6mm respectively.Therefore we have evaluated that this newly developed phased array TOFD method had ability of
depth measurement with high accuracy and was applicable to depth measurement of cracks instainless steel weld regions with the thickness of up to 35mm.