(57)【要約】【課題】原子力発電プラントなどにおいて、炉水中の炉内機器構造物の表面に検出された亀裂が疲労亀裂であるか、あるいは応力腐食割れであるかを短時間の内に、容易に判別することのできる欠陥検査装置が求められている。【解決手段】検査対象構造物の表面に検出された欠陥の局部的範囲を走査し、欠陥の種別に応じた例えば亀裂の結晶粒界との一致度のような特徴的な特性量を計測し、この計測された検出信号をデータベースのデータと比較し欠陥種別を判定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象構造物の表面に検出された欠陥の局部的範囲を走査し、欠陥の種別に応じた特徴的な特性量を計測する欠陥種別判定装置と、この欠陥種別判定装置により計測された検出信号をデータベースのデータと比較し欠陥種別を判定する信号処理装置とからなる欠陥検査装置。
【請求項２】
欠陥種別判定装置に検査対象構造物表面の亀裂形状および検査対象構造物表面近傍の組織を超音波により映像化するプローブを搭載し、亀裂が結晶粒界に沿って伝播していることを検出することによりその亀裂が応力腐食割れであると判定し、前記亀裂が結晶粒界内を伝播していることを検出することによりその亀裂が疲労亀裂であると判定することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
【請求項３】
欠陥種別判定装置に検査対象構造物表面の亀裂形状を映像化する撮像装置を搭載し、得られた画像を画像処理し、亀裂の直進性を亀裂ベクトルの方向の分散度から算出する手段を備え、亀裂の直進性を示す亀裂ベクトルの方向の分散度が所定値以上の場合に亀裂を応力腐食割れであると判定し、前記所定値未満の場合に亀裂を疲労亀裂であると判定することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
【請求項４】
欠陥種別判定装置に検査対象構造物の亀裂面に直角な方向から材料表面に沿って超音波を入射するプローブを備え、亀裂面から反射して戻ってきた超音波の信号強度が所定値以上の場合に当該測定亀裂を疲労亀裂と判定し、所定値未満の場合に当該測定亀裂を応力腐食割れであると判定することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
【請求項５】
欠陥種別判定装置に検査対象構造物の亀裂面に直角な方向から材料表面に沿って超音波を入射する振動子と、亀裂面から反射して戻ってきた超音波を受信する複数個の振動子を、それぞれ単独に、またはアレイ探傷子の構成要素として備え、亀裂面からの超音波の反射指向性を評価し、その指向性の範囲が所定値以上の場合に当該測定亀裂を応力腐食割れであると判定し、前記所定値未満の場合に疲労亀裂と判定することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
【請求項６】
欠陥種別判定装置に検査対象構造物表面で検出された磁場を計測するための磁気検出器を搭載し、亀裂周辺のマルテンサイト変態の有無を測定し、マルテンサイト変態の検出によって当該測定亀裂を疲労亀裂であると判定することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
【請求項７】
欠陥種別判定装置に検査対象構造物表面で検出された電磁気特性を計測するコイルプローブを搭載し、亀裂周辺のマルテンサイト変態の有無を測定し、マルテンサイト変態の検出によって当該測定亀裂を疲労亀裂であると判定することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
【請求項８】
欠陥種別判定装置に検査対象構造物表面で検出された亀裂周辺を磁化するための励磁装置と、亀裂周辺の磁場分布の乱れを計測するための磁気光学素子と、磁気光学素子の情報を読み取るための光学装置を有するプローブを搭載し、亀裂周辺のマルテンサイト変態の有無を測定し、マルテンサイト変態の検出によって当該測定亀裂を疲労亀裂であると判定することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
【請求項９】
欠陥種別判定装置に検査対象構造物表面で検出された亀裂周辺の検査対象構造物表面のＸ線回折強度を計測するためのＸ線回折装置を搭載し、亀裂近傍を測定することにより亀裂に沿って疲労損傷領域が形成されている場合に疲労亀裂であると判定することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
【請求項１０】
欠陥種別判定装置に検査対象構造物表面で検出された亀裂周辺の水中の水素イオンを検出するセンサを搭載し、亀裂近傍の水素イオン濃度が亀裂から離れた位置よりも高いことを測定することとにより亀裂が応力腐食割れであると判定することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
【請求項１１】
請求項２乃至１１に記載の少なくとも二つの欠陥検査装置の欠陥種別判定情報をもとに、応力腐食割れまたは疲労亀裂を判定することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば原子力発電プラントの炉内機器構造物の表面に亀裂などの欠陥が検出された場合、その欠陥の種別を判定する欠陥検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子力発電プラントの定期点検においては、ＣＣＤカメラ等を水中に入れ、遠隔操作により炉内の機器、部品などの炉内構造物表面の目視検査が行われている。
この遠隔目視検査により構造物の表面に亀裂などの欠陥が検出された場合はその原因調査および対策、復旧などのために、それが本当に亀裂であるかどうかを確認し、亀裂と確認された場合はその欠陥種別の判定を行うためにさらに詳細な検査が行われている。
【０００３】
原子力発電プラントの炉内機器構造物は一般にステンレス鋼やインコネルなどのオーステナイト系材料で構成されている。
これらの炉内機器構造物の表面に亀裂が発生する要因としては、部材に繰り返し加わる荷重が運転中に変動することにより発生、伝播する疲労亀裂と、溶接部近傍に残留応力や負荷応力がかかった状態で、材料と腐食環境の組み合わせで発生、伝播する応力腐食割れとが考えられる。
【０００４】
遠隔目視検査により検出された亀裂が疲労亀裂であるのか、あるいは応力腐食割れであるのかを特定する欠陥の種別判定は非常に重要な作業である。例えば、その種別判定の結果によってその亀裂の発生原因の調査における検討すべき事項が全く異なってくるし、また、対策、復旧のための対応にも重大な影響を及ぼす。
【０００５】
従来、このように炉内機器構造物の表面において検出された亀裂が疲労亀裂であるか、あるいは応力腐食割れであるかの欠陥種別判定は、その欠陥部を研磨し、その材料に適したエッチング液で材料組織を観察可能な状態にし、その後にレプリカフィルムに組織を転写したものを顕微鏡下で組織観察するレプリカ法が採用されている。
【０００６】
このレプリカ法によれば、亀裂が結晶粒界に沿って伝播している粒界亀裂であるか、あるいは亀裂が結晶内を伝播している粒内亀裂であるかを判断することにより欠陥種別の判定を行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の、金属組織と亀裂の関係をレプリカを用いて観察する従来のレプリカ法による欠陥種別判定は大気中では特に問題無く実施可能であるが、原子力発電プラントの炉内機器の定期検査では、炉内機器構造物のほとんどの部分が炉水中に存在するため、エッチング液を用いたエッチング自体が困難であるとともに、原子力発電プラントにおける炉水は水質が厳しく管理されておりエッチング液が炉水に混入することは許されない。
また、炉内機器構造物からレプリカフィルムに組織を転写することも水中では困難である。
【０００８】
従って、従来このレプリカ法を実施するためには、欠陥種別判定時に炉水のレベルを欠陥部以下まで下げ、欠陥部を大気中に露出させた状態で行っている。
このために、欠陥検査の作業が面倒であるとともに、定期検査工程の多大な延長を招いていた。
【０００９】
本発明はかかる従来の課題を解決し、検査対象構造物の表面に検出された亀裂が疲労亀裂であるか、あるいは応力腐食割れであるかを短時間の内に、容易に検査することができる欠陥検査装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、検査対象構造物の表面に検出された欠陥の局部的範囲を走査し、欠陥の種別に応じた特徴的な特性量を計測する欠陥種別判定装置と、この欠陥種別判定装置により計測された検出信号をデータベースのデータと比較し欠陥種別を判定する信号処理装置とからなることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る欠陥検査装置の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施の形態を示す図で、１は例えば原子力発電プラントにおける圧力容器のような検査対象構造物、２はＣＣＤカメラなどによる遠隔目視検査により検査対象構造物１の表面に検出された亀裂などの欠陥、３は軌道式駆動機構、４は同じく自走式駆動機構で、前記軌道式駆動機構３及び自走式駆動機構４には、欠陥種別を判定すべき欠陥２の周辺の局部的範囲を細かく走査するための局部走査機構５が取り付けられており、この局部走査機構５の中には欠陥の種別に応じた特徴的な特性量を計測する欠陥種別判定用プローブヘッド６が設けられている。
【００１２】
この欠陥種別判定用プローブヘッド６からの検出信号はケーブル７を介して、検査対象構造物１の外部に設けられた計測装置８に送られ、さらにこの検出信号を処理するための信号処理装置９に送られる。信号処理により抽出された欠陥の特徴的な特性量は信号処理装置９の中に蓄えられている欠陥種別判定のためのデータベース１０のデータと比較され、欠陥の種別を判定する。その結果は表示装置１１に出力され、表示される。
【００１３】
また、計測に先だって欠陥部の研磨が必要な場合は局部操作機構５の中に欠陥種別判定用プローブヘッド６の代わりに機械的研磨装置あるいは電解研磨装置１２が取り付けられる。
【００１４】
このような本発明の第１の実施の形態によれば、従来のレプリカ法のようにエッチング液を用いないので欠陥種別判定用プローブヘッド６を局部走査機構５により炉水中で欠陥２の周辺を走査することができ、従って炉水レベルを欠陥部以下まで下げることなく短時間の内に、容易に欠陥種別の判定が行える。
【００１５】
次に本発明に係る欠陥検査装置の第２の実施の形態について図２（ａ）、（ｂ）および図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
第２の実施の形態では、図１（ｂ）に示す欠陥種別判定用プローブヘッド６の中に超音波探傷子１３が取り付けられている。ここで用いる超音波探傷子１３は超音波ビーム１４を鋭く収束させて検査対象構造物１に照射する探傷子であり、図２（ａ）に示すように収束点を検査対象構造物１の表面に設定して検査対象構造物１の表面と平行な面内で二次元の局部的走査を行うことにより図２（ｂ）に示すように、亀裂などの欠陥２を表面から見た欠陥像１５を含む画像１６として観察される。
【００１６】
次に図３（ａ）に示すように超音波ビーム１４の収束点をわずかに検査対象構造物１の内部に設定して検査対象構造物１の表面と平行な面内で二次元の局部的走査を行うことにより図３（ｂ）に示すように欠陥２を表面から見た欠陥像１５と、さらに結晶粒界の映像１７を含む画像１８が観察される。
【００１７】
したがって、これらの欠陥形状（伝播経路）だけが示されている画像と、欠陥形状（伝播経路）と検査対象構造物１の材料組織、すなわち結晶粒界とが示されている画像とを比較評価することによりこの欠陥２が結晶粒界を選択的に伝播しているか、あるいは結晶粒内を伝播しているかが評価でき、この欠陥２が結晶粒界を選択的に伝播している場合には応力腐食割れである点を、また結晶粒内を伝播している場合には疲労亀裂であることを判別することができる。
【００１８】
次に本発明に係る欠陥検査装置の第３の実施の形態について図４（ａ）、（ｂ）および図５を参照して説明する。
第３の実施の形態では、図１（ｂ）に示す欠陥種別判定用プローブヘッド６の中に図４（ａ）に示すようにＣＣＤカメラなどの撮像装置１９が取り付けられている。この撮像装置１９により撮影された図４（ｂ）に示す検査対象構造物１の表面の欠陥像１５は信号処理装置９において、図５に示すように亀裂の進行方向が変化するまでを一つの長さとするベクトル成分２０１、２０２……２０ｎに分解された欠陥像２０として表される。
【００１９】
さらに、信号処理装置９ではこれらのベクトルの方向θが計算され、最終的にベクトルの方向分布状態が表示される。
この結果から疲労亀裂のように亀裂伝播方向が頻繁に変化しない場合には亀裂方向ベクトルの分布は（Ａ）で示すように局在化し、応力腐食割れのように結晶粒界に沿って亀裂方向が変化する場合は（Ｂ）で示すように広いベクトル方向に分布することになる。
【００２０】
このように、亀裂方向ベクトルの分布から亀裂ベクトルの方向の分散度を亀裂の直進性として観察し、これをデータベースとして保有する亀裂ベクトルの方向とその相関関係を計測することにより亀裂ベクトルの方向の分散度が予め定められたデータベースに示された値以上の場合は亀裂が応力腐食割れであると判定し、その値未満の場合には疲労亀裂であることを判定することができる。
【００２１】
次に本発明に係る欠陥検査装置の第４の実施の形態について説明する。
第４の実施の形態では、あらかじめ検査対象構造物１の材料ごとの組織から作成された結晶粒界を表す方向ベクトル分布図を作成しておき、これと前述の第３の実施の形態で求めた亀裂方向ベクトルの分布図との相関をもとめ、この結果を基に亀裂方向ベクトル分布が予め定められた分布範囲より広い場合に亀裂が応力腐食割れであると判定し、また亀裂方向ベクトル分布が予め定められた分布範囲より狭い場合に疲労亀裂であると判定するものである。
【００２２】
次に本発明に係る欠陥検査装置の第５の実施の形態について図６を参照して説明する。
第５の実施の形態では、超音波プローブ２１から検査対象構造物１の欠陥面に直角な方向から材料表面に沿って超音波ビーム２２を入射させ、この入射した超音波ビーム２２は欠陥２に当たって反射し、超音波プローブ２１に戻って受信される。この際、この欠陥２が疲労亀裂の場合は亀裂面が比較的滑らかであるため、入射した超音波ビーム２２の大部分が反射して反射超音波の強度は高いが、亀裂が応力腐食割れである場合は亀裂面は結晶粒界に沿って凸凹があるために超音波ビーム２２は乱反射してしまい、入射方向に戻る超音波、すなわち反射超音波の強度は疲労亀裂の場合に比較して相対的に低下する。
【００２３】
このように、検査対象構造物１の欠陥面からの反射超音波の強度を評価することにより、反射超音波の強度が予めデータベースに入力された特性値より低い場合に当該の欠陥が応力腐食割れであると判定し、また上記反射超音波の強度が予めデータベースに入力された特性値以上の場合に疲労亀裂であることを判定することができる。
【００２４】
次に本発明に係る欠陥検査装置の第６の実施の形態を図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照して説明する。
第６の実施の形態では、図７（ａ）、（ｃ）に示すように、アレイ探傷子２３、または一列に並べた複数個の探傷子を用い、このアレイ探傷子２３から検査対象構造物１の亀裂２の欠陥面に直角な方向から材料表面に沿って超音波ビーム２２を入射させ、この入射した超音波ビーム２２は欠陥２に当たって反射し、反射超音波ビーム２４となってアレイ探傷子２３に受信される。この時、アレイ探傷子２３内の受信振動子を順次切り替えて行けば、図７（ｂ）のごとく受信超音波の強度分布、すなわちこの亀裂の超音波反射指向性を評価することができる。欠陥が疲労亀裂の場合の超音波反射指向性Ｃは亀裂面が比較的滑らかであるために集中した分布となるが、欠陥が応力腐食割れの場合の超音波反射指向性Ｄは亀裂面は結晶粒界に沿って凸凹しているために超音波が種々の方向に乱反射してしまい、幅広いものになる。
【００２５】
これをデータベースとして保有する亀裂の超音波反射指向性とその相関関係を計算することにより予め定められた相関関係の割合から指向性が所定の幅より広い場合に当該の欠陥が応力腐食割れであると判定し、また指向性が前述した所定の幅より狭い場合に疲労亀裂であると判定することができる。
【００２６】
次に本発明に係る欠陥検査装置の第７の実施の形態を図８を参照して説明する。
第７の実施の形態では、欠陥２が疲労亀裂である場合に、ステンレス鋼に生じるマルテンサイトの発生を検知して、この欠陥２が疲労亀裂であると判定しようとするものである。
【００２７】
すなわち、図８に示すように疲労亀裂２の先端、及び伝播した亀裂２の両側には負荷応力Ｐに応じた塑性変形領域２５が生じ、ステンレス鋼の場合はこれに伴って加工誘起マルテンサイト変態が生ずる。ステンレス鋼はオーステナイト系材料であり、非磁性材料であるが、生成したマルテンサイトは強磁性体であるので、自発磁化を持っている。この自発磁化を検出するために欠陥種別判定用プローブヘッド６に微弱な磁場を計測するための磁気ヘッド、ホール素子、フラックスゲート型素子、ＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉素子）センサなどの磁気検出器を搭載することにより疲労亀裂による欠陥を検出することができる。
【００２８】
また、オーステナイトとマルテンサイトの電磁気材料定数の違いを渦電流方式のコイルプローブで検出するようにしてもよいし、またさらに、欠陥周辺を励磁装置で磁化させ、マルテンサイトの存在による亀裂周辺の磁場分布の乱れを磁気光学素子とレーザ光源及びＣＣＤカメラなどからなる光学装置で測定し、当該の欠陥が疲労亀裂であることを判別することもできる。
【００２９】
次に本発明に係る欠陥検査装置の第８の実施の形態について説明する。
第８の実施の形態では、図８に示した前述の疲労亀裂２の先端及び周辺に形成される塑性変形領域２５内の転位の増殖などの疲労損傷を、欠陥種別判定用プローブヘッド６に搭載したＸ線回折強度で計測するもので、疲労損傷の増大によるＸ線回折強度の増加を計測し、この値が亀裂から離れた位置におけるＸ線回折強度と比較して増加していること、すなわち亀裂に沿って疲労損傷領域が形成されていることを検知して、当該の欠陥が疲労亀裂であることを判別するものである。
【００３０】
また本発明に係る欠陥検査装置の第９の実施の形態では、当該の欠陥が応力腐食割れである場合、局部的な腐食、溶解現象である応力腐食割れにともなって生ずる欠陥近傍の水素イオン濃度の増加を水素イオン濃度を測定するセンサを用いて検知することにより応力腐食割れであることを判別しようとするものである。
【００３１】
本発明の第１０の実施の形態では、第２の実施の形態から第９の実施の形態までの複数の情報を用いて図９に示すようにそれぞれ任意の少なくとも２つの情報、すなわち亀裂の結晶粒界との一致度３０、亀裂ベクトルの方向の分散度３１、亀裂ベクトルと粒界方向ベクトルとの一致度３２、亀裂からの超音波反射度の低下度３３、亀裂周辺のマルテンサイト否存在度３４、亀裂周辺の疲労損傷の否存在度３５、および亀裂周辺の水素イオン濃度の上昇度３６から導かれる判定結果（この例では応力腐食割れの場合）を用いて、データベースとの相関関係より欠陥種別の判定を行い３７、欠陥の種別に関する確率が評価、判定され３８、単独の情報からの結果よりも各段高い判定を行うことができる。
【００３２】
なお、本発明の実施の形態の説明においては原子力発電プラントの炉内機器構造物の欠陥検査装置について説明したが、本発明はこれに限定されること無く、一般の金属構造物の欠陥検査装置に対しても実施することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、検査対象構造物の表面に検出された亀裂が疲労亀裂であるか、あるいは応力腐食割れであるかを短時間の内に、容易に検査することができる欠陥検査装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図で、（ａ）は欠陥検査装置全体を示す斜視図、（ｂ）は要部拡大斜視図。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す図で、（ａ）は超音波探傷子を示す拡大正面図、（ｂ）は超音波画像を示す正面図。
【図３】同じく本発明の第２の実施の形態を示す図で、（ａ）は超音波探傷子を示す拡大正面図、（ｂ）は超音波画像を示す正面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す図で、（ａ）は撮像装置を示す拡大正面図、（ｂ）は撮像装置による亀裂の撮影画像を示す正面図。
【図５】同じく本発明の第３の実施の形態を示す図で、亀裂の表面形状から単位亀裂の亀裂方向ベクトルを解析する手段を説明する説明図。
【図６】本発明の第５の実施の形態を示す超音波プローブの正面図。
【図７】本発明の第６の実施の形態を示す図で、（ａ）はアレイ探傷子の平面図、（ｂ）は亀裂の超音波反射指向性を説明するための特性図、（ｃ）はアレイ探傷子の正面図。
【図８】本発明の第７の実施の形態における疲労亀裂伝播に伴う亀裂近傍の塑性変形領域の形成を説明する説明図。
【図９】本発明の第１０の実施の形態を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
１…検査対象構造物、２…亀裂、３…軌道敷駆動機構、４…自走式駆動機構、５…局部走査機構、６…欠陥種別判定用プローブヘッド、８…計測装置、９…信号処理装置、１０…データベース、１１…表示装置、１３…超音波探傷装置、１４…超音波ビーム、１５…欠陥像、１７…結晶粒界の映像、１９…撮像装置、２０…ベクトル成分、２１…超音波プローブ、２２…超音波ビーム、２３…アレイ探傷子、２４…反射超音波ビーム、２５塑性変形領域。
【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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