(57)【要約】【課題】き裂が微小な形状変化を示すような場合でも、精度良く、き裂形状変化を検出できるようにする。【解決手段】試験体のき裂の形状を同定するために、互いに形状が異なるき裂が形成された複数の予備試験体のき裂近傍の電圧印加位置に電圧を印加して電流を流したときのき裂の近傍の電位差測定位置における電位差を評価して電位差基準データを求め（Ｓ１およびＳ２）、電圧印加位置に電圧を印加して試験体に電流を流し、電位差測定位置における電位差を測定して電位差実測データを求め（Ｓ５）、き裂形状の変化に関する、各電位差測定位置における電位差実測データと電位差基準データとの、差の二乗およびそれらの総和の応答が、いずれも最小になるようなき裂形状を求めることにより、試験体のき裂の形状を同定する（Ｓ６）。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験体のき裂の形状を同定するき裂形状同定方法において、
互いに形状が異なるき裂が形成された複数の予備試験体のき裂近傍の電圧印加位置に電圧を印加して電流を流したときのき裂の近傍の複数の電位差測定位置における電位差を評価して電位差基準データを求める電位差評価予備工程と、
前記電圧印加位置に電圧を印加して前記試験体に電流を流し、前記電位差測定位置における電位差を測定して電位差実測データを求める電位差測定工程と、
き裂形状の変化に関する、各前記電位差測定位置における前記電位差実測データと前記電位差基準データとの、差の二乗およびそれらの総和の応答が、いずれも最小になるようなき裂形状を求めることにより、前記試験体の前記き裂の形状を同定する同定工程と、
を有することを特徴とするき裂形状同定方法。
【請求項２】
前記電位差評価予備工程は、前記試験体のき裂の影響が無視できる場所で、前記電位差評価工程と同一に配置された前記電圧印加位置および前記電位差測定位置に対して、電圧を印加して電流を流したときの基準電位差を評価し、この基準電位差で前記電位差測定位置における電位差を除して電位差実測データを求めるものである、
ことを特徴とする請求項１記載のき裂形状同定方法。
【請求項３】
前記電位差評価予備工程は、前記電位差測定位置における電位差を電位分布解析により評価するものであることを特徴とする請求項１記載のき裂形状同定方法。
【請求項４】
前記電位差評価予備工程は、模擬き裂が形成された予備試験体に電流を流し、前記電位差測定位置における電位差を測定するものであることを特徴とする請求項１記載のき裂形状同定方法。
【請求項５】
前記電圧印加位置は、前記試験体の前記き裂が開口する表面と同一表面およびその反対面の少なくとも一方に位置することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか記載のき裂形状同定方法。
【請求項６】
前記電位差測定位置は、前記試験体の前記き裂が開口する表面と同一表面およびその反対面の少なくとも一方に位置することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか記載のき裂形状同定方法。
【請求項７】
前記電圧印加位置は、前記き裂を挟むように位置することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか記載のき裂形状同定方法。
【請求項８】
前記電位差測定位置は、前記き裂を挟むように位置していることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか記載のき裂形状同定方法。
【請求項９】
前記電圧印加位置に電圧を印加して前記試験体に電流を流し、前記き裂形状の違いによる電位差の変化が無視できる参照電位測定位置おける電位差を測定する参照電位測定工程と、
前記同定工程で同定された前記き裂の形状を、前記参照電位測定位置における電位差に基づいて、補正する補正工程と、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか記載のき裂形状同定方法。
【請求項１０】
試験体のき裂の形状を同定するき裂形状同定システムにおいて、
電源と、
前記電源に接続された一対の電流印加プローブと、
電位差計と、
前記電位差計に接続された複数対の電位差測定プローブと、
互いに形状が異なるき裂が形成された複数の予備試験体のき裂近傍の電圧印加位置に電圧を印加して電流を流したときのき裂の近傍の複数の電位差測定位置における電位差を評価して求めた電位差基準データ、および、前記電圧印加位置に電圧を印加して前記試験体に電流を流し、前記電位差測定位置における電位差を測定して求めた電位差実測データを受け取り、き裂形状の変化に関する、各前記電位差測定位置における前記電位差実測データと前記電位差基準データとの、差の二乗およびそれらの総和の応答が、いずれも最小になるようなき裂形状を求めることにより、前記試験体の前記き裂の形状を同定するデータ収集・制御装置と、
を有することを特徴とするき裂形状同定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試験体に形成されたき裂形状の同定方法およびき裂形状同定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力プラントの原子炉一次系冷却水に接する原子炉圧力容器炉内構造物や原子炉一次系配管などの構造物においては、高温水に晒されて応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生する場合がある。このような構造物にＳＣＣなどによるき裂が発生した場合には、その構造健全性を評価するために、き裂の進展寿命を精度良く評価し、寿命予測を行う必要がある。そのために、使用環境を模擬した環境条件下において、破壊力学型試験片や配管形状の試験体を用いてき裂進展特性評価試験を実施し、対象材料のＳＣＣによるき裂進展特性データを採取する。
【０００３】
このような構造物にき裂が発生、進展する場合には、そのき裂は構造物表面に表面き裂の状態で形成されるため、このような形状のき裂が進展する際の形状変化を精度良く計測する必要がある。
【０００４】
平板状あるいは配管形状の試験体の表面に存在する半楕円状のき裂形状を検出する方法として、電位差法を用いる方法が開示されている。この方法は、き裂の近傍に複数の電位差計測用プローブを設置して計測電位差の分布からき裂形状を計測する方法である（たとえば非特許文献１ないし３参照）。
【０００５】
また、特許文献１には、平板状試験体の表面き裂に対する電位差法によるき裂形状の簡易評価方法に関しては、電位差法による計測電位差から電位差比を求め、別途作成したき裂長さと電位差比の関係を示すマスターカーブとの関係からき裂深さ、き裂の表面長さを決定する方法が開示されている。特許文献２には、深さが一様な場合における、き裂の深さを試料中の電位差によって測定する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平１０−３００６９８号公報
【特許文献２】特開２０００−１１１５０９号公報
【非特許文献１】林，外３名、「直流ポテンシャル法による表面き裂形状の検出」、材料、１９８４年、第３３巻、第３６８号、ｐ．６０２
【非特許文献２】林、外４名、「直流ポテンシャル法によるステンレス鋼パイプ内面疲労き裂形状の検出」、材料、１９８６年、第３５巻、第３９５号、ｐ．９３６
【非特許文献３】Y.Hashimoto，外４名、"Procedure of Crack Shape Determination by Reversing DC Potential Method"、Nuclear Engineering Design、１９９２年、１３８、ｐ．２５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
構造物表面に発生するＳＣＣによるき裂は一般的に半楕円形状であり、また、ＳＣＣによる進展は、疲労などとは異なり、き裂の進展量が小さい場合が多い。従来技術では、試験体表面の半楕円状のき裂が板厚方向に同様な形状で大きく変化していく状態に対する電位差法によるき裂形状検出方法は示されているものの、ＳＣＣ進展のような微小な形状変化を精度良く計測する手段、方法については知られていない。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、き裂が微小な形状変化を示すような場合でも、き裂形状変化を精度良く検出できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は、試験体のき裂の形状を同定するき裂形状同定方法において、互いに形状が異なるき裂が形成された複数の予備試験体のき裂近傍の電圧印加位置に電圧を印加して電流を流したときのき裂の近傍の複数の電位差測定位置における電位差を評価して電位差基準データを求める電位差評価予備工程と、前記電圧印加位置に電圧を印加して前記試験体に電流を流し、前記電位差測定位置における電位差を測定して電位差実測データを求める電位差測定工程と、き裂形状の変化に関する、各前記電位差測定位置における前記電位差実測データと前記電位差基準データとの、差の二乗およびそれらの総和の応答が、いずれも最小になるようなき裂形状を求めることにより、前記試験体の前記き裂の形状を同定する同定工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、試験体のき裂の形状を同定するき裂形状同定システムにおいて、電源と、前記電源に接続された一対の電流印加プローブと、電位差計と、前記電位差計に接続された複数対の電位差測定プローブと、互いに形状が異なるき裂が形成された複数の予備試験体のき裂近傍の電圧印加位置に電圧を印加して電流を流したときのき裂の近傍の複数の電位差測定位置における電位差を評価して求めた電位差基準データ、および、前記電圧印加位置に電圧を印加して前記試験体に電流を流し、前記電位差測定位置における電位差を測定して求めた電位差実測データを受け取り、き裂形状の変化に関する、各前記電位差測定位置における前記電位差実測データと前記電位差基準データとの、差の二乗およびそれらの総和の応答が、いずれも最小になるようなき裂形状を求めることにより、前記試験体の前記き裂の形状を同定するデータ収集・制御装置と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、き裂が微小な形状変化を示すような場合でも、き裂形状変化を精度良く検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係るき裂形状同定方法の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
［実施形態１］
図３は、本発明に係る実施形態１のき裂形状同定システムのブロック図である。
【００１３】
き裂形状同定システム９は、電位差計１０、直流電源１１、電流交番用スイッチ１２およびデータ収集・制御装置１３を有している。電位差計１０、直流電源１１および電流交番用スイッチ１２は、それぞれデータ収集・制御装置１３に接続されている。
【００１４】
直流電源１１には電流印加プローブ１６が電流印加線１７を介して接続されている。直流電源１１には、電流交番用スイッチ１２が接続されていて、電流印加プローブ１６に流す直流電流が交番できるようになっている。
【００１５】
電位差計１１には、電位差計測用プローブ１４が電位差計測線１５を介して接続されている。電位差計測用プローブ１４の間の電位差は電位差計１０を介して、データ収集・制御装置１３に伝達されるようになっている。
【００１６】
図４は、本発明に係る実施形態１のき裂形状同定システムの電流印加プローブおよび電位差計測用プローブを試験体への取り付け方法の詳細を示す図であって、（ａ）は試験体の表面図、（ｂ）は試験体の断面図である。
【００１７】
本実施形態では、試験体８の表面に形成された同定対象のき裂７の近傍の電位差測定位置にＡ３、Ａ２、Ａ１、Ａ０、Ａ１’、Ａ２’、Ａ３’の７対の電位差計測プローブ１４を設置している。なお、電位差測定位置をｉ（ｉ＝３，２，１，０，１’，２’，３’）と表すこととする。それぞれ対となる電位差計測プローブ１４は、図４（ｂ）で斜線で示すき裂７を挟むように試験体８の表面に図４（ａ）に示すように取り付けられる。電位差計測用プローブ１４は、たとえばスポット溶接により試験体８の表面に取り付けられる。また、電位差計測プローブ１４を挟む電圧印加位置に一対の電流印加プローブ１６の対が設けられている。電流印加プローブ１６は、たとえばスポット溶接により試験体８の表面に取り付けられる。
【００１８】
なお、電位差計測プローブ１４の対の数は７に限定されるものではなく、き裂の大きさや目標とするき裂の分解能などに応じて任意に設定することができる。
【００１９】
次に、このき裂形状同定システム９を用いたき裂計測方法について説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係る電位差法によるき裂形状同定方法の手順を示すフロー図である。
【００２１】
計測手順は、前段のデータベース作成部分Ａと、後段のき裂形状同定部分Ｂの２つの部分に分けられる。校正式の決定部分Ａは、工程Ｓ１から工程Ｓ４に分けられ、き裂形状同定部分Ｂは、工程Ｓ５および工程Ｓ６に分けられる。
【００２２】
データベース作成部分Ａでは、き裂近傍の複数の電位差計測用プローブ１４間で、様々なき裂形状に対応した電位差分布を求め、き裂形状と電位差に関する電位差分布基準データベースを作成する。
【００２３】
き裂近傍の複数の電位差計測用プローブ１４間でき裂７の形状が変化した場合の電位差の変化を評価する工程を電位差評価予備工程と呼ぶ。この工程は工程Ｓ１および工程Ｓ２に分けることができる。
【００２４】
図２は、き裂が形成された試験体の断面図である。
【００２５】
工程Ｓ１では、図２に示すような、き裂深さａ、き裂長さ２ｃの異なる複数の組み合わせの形状を有する表面き裂の形状を設定する。
【００２６】
工程Ｓ２では、工程Ｓ１で設定したき裂形状を有する複数の試験体８（予備試験体）を用い、電圧印加位置に電圧を印加して電流を流したときのき裂７近傍の電位差測定位置における電位差を評価する。まず、試験体８に一対の電流印加プローブ１６を、き裂７を挟む電圧印加位置に取り付ける。また、試験体８に、７対の電位差計測プローブ１４を、き裂７を挟む電位差測定位置に取り付ける。その後、電流印加プローブ１６の間に電圧を印加して、試験体８に電流を流し、電位差計測プローブ１４によって、電位差法により電位差測定位置における電位差を計測する。ここで、測定された電位差測定位置ｉ（ｉ＝３，２，１，０，１’，２’，３’）での電位差をＶｉとする。
【００２７】
電位差法としては一般に、直流法と交流法の２種類の手法が知られており、いずれの手法も採用することができる。ここでは、交番型の直流電位差法による計測システム９を用いている。
【００２８】
工程Ｓ３では、規格化するための固定値となる基準電位差を計測する。この工程を基準電位差評価予備工程と呼ぶ。
【００２９】
図５は、本発明に係る実施形態１のき裂形状同定システムの電流印加プローブおよび電位差計測用プローブを、基準電位差を計測するために試験体へ取り付ける方法の詳細を示す図であって、（ａ）は試験体の表面図、（ｂ）は試験体の断面図である。
【００３０】
工程Ｓ２とは異なり、き裂が無い試験体８または試験体８のき裂の影響が無視できる場所に、電流印加プローブ１６および電位差計測プローブ１４をそれぞれ取り付ける。このとき、電流印加プローブ１６および電位差計測プローブ１４を取り付ける基準電圧印加位置および基準電位差測定位置は、工程Ｓ２における電圧印加位置および電位差測定位置と同一の配置とする。電位差測定位置をｉ（ｉ＝３，２，１，０，１’，２’，３’）に対応する基準電位差測定位置をｉｒ（ｉ＝３，２，１，０，１’，２’，３’）と表し、電位差測定位置に取り付けられた電位差計測プローブＡ３、Ａ２、Ａ１、Ａ０、Ａ１’、Ａ２’、Ａ３’に対応する、基準電位差測定位置に取り付けられた電位差計測プローブ１４を、それぞれＡｒ３、Ａｒ２、Ａｒ１、Ａｒ０、Ａｒ１’、Ａｒ２’、Ａｒ３’と呼ぶ。測定された基準電位差測定位置ｉｒ（ｉ＝３，２，１，０，１’，２’，３’）での電位差をＶｉｒとする。
【００３１】
図６は、き裂近傍の電位差Ｖｉと基準電位差Ｖｉｒの特性例を示すグラフである。
【００３２】
なお、工程Ｓ２および工程Ｓ３において、試験体８を用いて実際に電位差法によって計測する代わりに、有限要素法などを用いた電位分布解析を行うことにより、電位差測定位置の電位差を求めてもよい。
【００３３】
工程Ｓ４では、工程Ｓ２において計測あるいは解析により求めた各電位差測定位置の電位差値を、工程Ｓ３で求めた固定値で除する。すなわち、電位差測定位置ｉ（ｉ＝３，２，１，０，１’，２’，３’）での電位差Ｖｉを、それぞれに対応する基準電位差測定位置ｉｒ（ｉ＝３，２，１，０，１’，２’，３’）における、き裂の無い部分の基準電位差Ｖｉｒで除する。これにより電位差測定位置ｉにおける規格化電位差（電位差分布基準データ）Ｖｉ／Ｖｉｒを求め、き裂深さａ、き裂長さｃの様々な組み合わせのき裂形状についての電位差分布基準データベースを作成する。この工程をデータベース作成工程と呼ぶ。
【００３４】
き裂形状同定部分Ｂでは、まず、対象とする試験体において電位差法による計測を行う。この工程を電位差測定工程（工程Ｓ５）と呼ぶ。次に、応答曲面法によりき裂形状を決定する。この工程を、同定工程（工程Ｓ６）と呼ぶ。
【００３５】
工程Ｓ５では、まず、工程Ｓ２と同様に、電圧印加位置に電圧を印加して電流を流したときのき裂７近傍の電位差測定位置における電位差を評価する。このとき、電流印加プローブ１６および電位差計測プローブ１４を取り付ける電圧印加位置および電位差測定位置は、工程Ｓ２における電圧印加位置および電位差測定位置と同一の配置とする。まず、試験体８に一対の電流印加プローブ１６を、き裂７を挟む電圧印加位置に取り付ける。また、試験体８に、７対の電位差計測プローブ１４を、き裂７を挟む電位差測定位置に取り付ける。その後、電流印加プローブ１６の間に電圧を印加して、試験体８に電流を流し、電位差計測プローブ１４によって、電位差法により電位差測定位置ｉにおける電位差Ｐｉを計測する。
【００３６】
また、工程Ｓ３と同様に、き裂が無い試験体８または試験体８のき裂の影響が無視できる場所に、電流印加プローブ１６および電位差計測プローブ１４をそれぞれ取り付ける。このとき、電流印加プローブ１６および電位差計測プローブ１４を取り付ける基準電圧印加位置および基準電位差測定位置は、工程Ｓ５における電圧印加位置および電位差測定位置と同一の配置とする。その後、電流印加プローブ１６の間に電圧を印加して、試験体８に電流を流し、電位差計測プローブ１４によって、基準電位差測定位置ｉｒにおける電位差Ｐｉｒを計測する。
【００３７】
さらに、各電位差測定位置の電位差Ｐｉを、各基準電位差測定位置の電位差Ｐｉｒで除して、規格化した電位差分布実測データＰｉ／Ｐｉｒを作成する。
【００３８】
工程Ｓ６では、各電位差測定位置（ｉ）について、電位差分布実測データと電位差分布基準データとの差の二乗（Ｐｉ／Ｐｉｒ−Ｖｉ／Ｖｉｒ）２の応答曲面と、全電位差測定位置についての、電位差分布実測データと電位差分布基準データとの差の二乗和Σ（Ｐｉ／Ｐｉｒ−Ｖｉ／Ｖｉｒ）２の応答曲面を求める。これらの応答曲面を用いて、いずれの電位差測定位置における応答も最小になるように、あるいは、それぞれの電位差測定位置におけるこれらの差および差の二乗和の応答も最小となるようなき裂形状（き裂深さａおよびき裂長さ２ｃ、あるいはａ／ｃ）を同定する。
【００３９】
なお、工程Ｓ６を同定工程と呼ぶ。
【００４０】
き裂を有する平板状あるいは配管形状の試験体８のき裂進展評価試験に、この方法を適用する場合には、試験の進行に伴い、定期的あるいは任意の時間の経過ごとに、き裂同定部分Ｂの工程Ｓ５および工程Ｓ６を繰り返し実行する。このようにして、電位差法による計測結果からき裂形状の決定を行うことにより、き裂形状の経時変化を計測することが可能となる。
【００４１】
なお、本実施形態では、電位差は基準電位差で除することにより規格化しているが、測定または評価した電位差そのものを用いてもよい。
【００４２】
［実施形態２］
本実施形態は、配管状試験体の内面に存在するき裂を、外面側から計測したり、平板状の試験体に存在するき裂をき裂の開口する表面の反対面から計測する場合のものである。
【００４３】
図７は、本発明に係る実施形態２のき裂形状同定システムの電流印加プローブおよび電位差計測用プローブを試験体への取り付け位置を示す図であって、（ａ）は試験体の表面図、（ｂ）は試験体の断面図である。
【００４４】
Ａ３、Ａ２、Ａ１、Ａ０、Ａ１’、Ａ２’、Ａ３’の７対の電位差計測プローブ１４および一対の電流印加プローブ１６は、図７（ｂ）で斜線で示すき裂７の反対面に、図７（ａ）で示すようにき裂の投影位置７Ｂを挟むように設置されている。このような状況で、実施形態１と同様に電位差法による計測を行うことにより、き裂形状の同定ができる。
【００４５】
なお、実施形態１と同様に、電流印加プローブ１６は、き裂７が開口する表面に取り付けてもよい。また、電位差計測プローブ１４は、き裂７が開口する表面に取り付けてもよい。
【００４６】
［実施形態３］
本実施形態は、実施形態１の電位差計測プローブ１４を８対とし、そのうちの１つを参照用電位差計測プローブ２０としたものである。
【００４７】
図８は、本発明に係る実施形態３のき裂形状同定システムの電流印加プローブおよび電位差計測用プローブを試験体への取り付け位置を示す図であって、（ａ）は試験体の表面図、（ｂ）は試験体の断面図である。
【００４８】
参照用電位差計測プローブ２０は、図７（ｂ）で斜線で示すき裂７の形状の変化によって電位差が生じない、き裂７から離れた参照電位測定位置に取り付けられる。この参照用電位差計測プローブ２０の位置において測定される電位差は、き裂７の形状の変化に応答しないが、温度の変動等の外的要因に応答する。したがって、電位差計測プローブ１４における計測電位差がき裂形状変化以外の外的要因の影響を受ける場合には、参照用電位差計測プローブによる計測電位差の変化で補償することにより、より精度の高い計測、すなわち、より精度の高いき裂形状の決定が可能となる。
【００４９】
なお、以上の説明は単なる例示であり、本発明は上述の各実施形態の各々を、精度の向上を図るために組み合わせて実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る実施形態１の電位差法によるき裂形状同定方法の手順を示すフロー図である。
【図２】き裂が形成された試験体の断面図である。
【図３】本発明に係る実施形態１のき裂形状同定システムのブロック図である。
【図４】本発明に係る実施形態１のき裂形状同定システムの電圧印加位置および電位差測定位置を示す図であって、（ａ）は試験体の表面図、（ｂ）は試験体の断面図である。
【図５】本発明に係る実施形態１のき裂形状同定システムの基準電圧印加位置および基準電位差測定位置を示す図であって、（ａ）は試験体の表面図、（ｂ）は試験体の断面図である。
【図６】き裂近傍の電位差と基準電位差の例を示すグラフである。
【図７】本発明に係る実施形態２のき裂形状同定システムの電圧印加位置および電位差測定位置を示す図であって、（ａ）は試験体の表面図、（ｂ）は試験体の断面図である。
【図８】本発明に係る実施形態３のき裂形状同定システムの電圧印加位置および電位差測定位置を示す図であって、（ａ）は試験体の表面図、（ｂ）は試験体の断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
７…き裂、７Ｂ…き裂の投影位置、８…試験体、９…き裂形状同定システム、１０…電位差計、１１…直流電源、１２…電流交番用スイッチ、１３・・・データ収集・制御装置、１４…電位差計測用プローブ、１５…電位差計測線、１６…電流印加プローブ、１７…電流印加線、２０…参照用電位差計測プローブ
【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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