(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物に生じたき裂の深さを非破壊で判定する非破壊き裂深さ判定法において、き裂形状が既知のき裂を測定して得られるき裂検出信号の最大信号振幅とき裂深さとの関係を示す曲線を求め、該曲線からき裂長さと最大信号振幅との関係を示す複数の曲線を求め、該曲線のうち、き裂長さに応じて最大信号振幅が変化する領域からき裂長さ毎に異なるき裂深さ検定曲線を求める一方、き裂長さに応じて最大信号振幅が変化しない領域からは単一のき裂深さ検定曲線を求め、これら検定曲線のうち判定対象き裂のき裂長さに合致するものを利用してき裂深さを判定することを特徴とする非破壊き裂深さ判定法。
【請求項２】
き裂形状が既知の前記き裂はき裂長さが等しく、このき裂長さによって定まるき裂深さ−最大信号振幅を示す単一の曲線を求め、該単一の曲線上の複数の点をき裂長さ−最大信号振幅を示すグラフの同一き裂長さ上にプロットし、各プロット点を通るき裂長さ−最大信号振幅を表す各曲線の関数の係数を求めることを特徴とする請求項１記載の非破壊き裂深さ判定法。
【請求項３】
前記き裂として人工き裂を用い、前記各関数の係数をあらかじめ決定する際に、前記人工き裂を用いた測定により得られたき裂幅と最大信号振幅との関係をき裂幅を零とした値に校正して用いることを特徴とする請求項２記載の非破壊き裂深さ判定法。
【請求項４】
前記き裂検出信号の最大信号振幅の代わりに前記き裂検出信号の最大振幅時の位相角を用いることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の非破壊き裂深さ判定法。
【請求項５】
前記き裂検出信号の最大信号振幅の代わりに前記き裂検出信号の最大振幅時の水平成分および垂直成分を用いることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の非破壊き裂深さ判定法。
【請求項６】
隣接した複数のき裂のき裂間隔とき裂検出信号との相関関係から、各き裂が隣接するき裂の検出信号に干渉する臨界間隔を予め求めておき、目視により得られたき裂間隔がこの臨界間隔よりも狭い場合には前記き裂検出信号の高出力の要因が前記き裂の密集にあるかどうか検証し、この要因を考慮してき裂深さを判定することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の非破壊き裂深さ判定法。
【請求項７】
前記き裂検出信号は、渦電流法、電位差法、磁気漏洩法あるいは超音波を入射することによって得られるいずれかの信号であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の非破壊き裂深さ判定法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、き裂の形状の影響を受けて変化するき裂検出信号の最大信号振幅とき裂深さとの関係を示す検定曲線を利用して任意長さのき裂の深さを判定する非破壊評価手法の改良に関する。さらに詳述すると、本発明は、ガスタービン動翼の劣化評価など、構造物の保守技術さらにはコーティング材の適切なリコーティング時期の判断やリコーティングの可否についての判断に有用な非破壊き裂深さ判定法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造物のき裂の深さは、人工き裂を用いて渦電流法などによる探傷試験で測定された結果から事前に作成された検定曲線を利用して判定されている。ここで利用される検定曲線は、放電加工（Electric discharged machining：ＥＤＭ）によるノッチ（き裂）やドリル孔などの、き裂長さが一定で所望深さに加工されたき裂（人工き裂）を試験体にいれておき、同じ試験条件で測定して得られた検出信号を利用して作成される。この場合、検出情報としては、検出信号の最大振幅またはそのときの位相角のうちいずれかが用いられ、当該情報に基づきき裂深さが判定されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、探傷試験時に得られる信号の振幅情報と位相情報は共にき裂長さやき裂幅による影響を受けることから、き裂長さやき裂幅がき裂サンプル（人工き裂）から外れると、誤差が大きくなり、き裂深さを精度よく判定できないという問題がある。
【０００４】
例えば、振幅によってき裂深さを判定する場合、き裂長さに応じて検定曲線のカーブが図１８（ａ）に破線で示すように変わってしまい、任意の長さを有するき裂の深さを判定できない場合がある。また、ＥＤＭノッチは実際の疲労き裂（幅がほとんどない）に比べて幅が広いため、幅による影響も無視できない。この問題に対処するには、様々な長さの人工き裂を数多く作成して多数の検定曲線をあらかじめ求めておくことが考えられるが、手間がかかりすぎることから多数の検定曲線を採用することは現実には困難である。
【０００５】
また、位相によってき裂深さを判定する場合も同様に、き裂長さおよびき裂幅が変化すると位相角が変化する場合があり、例えば、図１８（ｂ）に破線で示すように変わってしまい、任意の長さを有するき裂の深さを判定できない場合がある。このため、判定精度を上げるには、様々な長さの人工き裂を数多く作成して多数の検定曲線をあらかじめ求めておかなければならず、手間がかかりすぎることから現実に無数の検定曲線を採用することは困難である。しかも、この信号位相情報によるき裂深さ判定方法は、位相角が信号の基準点の決め方によりき裂深さ判定に影響を及ぼすほど変化することから、再現性を確保するためには高精度な測定が要求されるという問題を有している。
【０００６】
さらに、実際の構造物では、複数のき裂が密集して発生する場合があり、例えば図１９に示すように隣接するき裂１０１の間隔がプローブ１０２の探傷領域よりも狭くなる（図１９でいえば、き裂間隔が１ｍｍである）ようなことがある。この場合、それぞれのき裂の検出信号が干渉して単一のき裂の信号より大きくなってしまい、個々のき裂１０１を認識できなくなってしまう問題を有している。この結果、き裂深さを実際のき裂深さよりも深く見積もってしまい、有害なき裂１０１であると誤判定してしまうことがある。
【０００７】
また、複数のき裂が密集して発生した結果、き裂が基準深さを超えた位置まで到達しているかどうか判定できなくなる問題もある。例えばガスタービン初段動翼には、初期段階において図２０（ａ）のように深さがほぼ等しい隣接した複数のき裂１０１が発生し（初期き裂発生時）、その後、損傷が進行するに従ってき裂１０１が耐食コーティング１０３と基材１０４の境界に到達し、そのうちのいずれかが起点となり、図２０（ｂ）のようにき裂１０１がさらに基材１０４へ伝播するという性質が見られる。ここで、個々のき裂１０１がプローブ１０２の探傷領域よりも狭い程度に密集している場合、初期き裂発生時とき裂１０１が基材１０４に伝播した時とについて試験片を測定してみると、図２０（ｃ）および図２０（ｄ）に示すようなき裂検出信号が得られる。基材１０４に達したき裂１０１がある場合はそれに対応した信号が現れ、他の出力信号が相対的に無視できるようになるため基材１０４に達した深いき裂を識別することが可能だが、初期き裂発生時には個々のき裂１０１を識別できるような信号のピークは見られず、深さ判定に用いることのできるデータが得られないためき裂１０１が基材１０４に達しているかどうか判定できない。
【０００８】
そこで、本発明は、信号の振幅情報を利用して構造物に生じたき裂深さを非破壊で判定する非破壊き裂深さ判定法を改善し、き裂に関する検出信号から簡便かつ精度よくき裂深さを判定できるようにすることを目的とする。併せて、本発明は、狭い領域に密集して発生したき裂の深さを精度よく求め、またはこのようなき裂が基材などに到達しているかどうか判定することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、き裂形状特にき裂長さによる影響を加味した精度の高いき裂深さ判定が可能かどうか種々検討した。図５（ｂ）に示すように、き裂幅が一定であってもき裂の長さが異なれば最大信号振幅から得られるき裂深さは異なる。また、図５（ａ）に示すように、き裂幅一定でもき裂深さが異なればき裂長さ−最大信号振幅の関係を示す関数は異なる曲線となり、最大信号振幅から得られるき裂長さは異なる。ところが、この図５（ａ）に示す関数では、使用したプローブの探傷領域（例えば図５（ａ）の場合は長さ４mmまで）ではき裂長さに伴い最大信号振幅も増大するが、探傷領域を越えると収束して最大信号振幅はき裂長さの影響を受けずにほぼ一定となる傾向が分かった。そして、発明者らは、このグラフ上の複数の関数を用いることで、き裂長さが増大する領域からはき裂長さ毎に異なる複数のき裂深さ−最大信号振幅曲線すなわちき裂深さ検定曲線が、また、き裂長さが一定の領域からは１本のき裂深さ検定曲線がそれぞれ求められることを知見するに至った。
【００１０】
本願発明はかかる知見に基づくものであり、請求項１記載の発明は、構造物に生じたき裂の深さを非破壊で判定する非破壊き裂深さ判定法において、き裂形状が既知のき裂を測定して得られるき裂検出信号の最大信号振幅とき裂深さとの関係を示す曲線を求め、該曲線からき裂長さと最大信号振幅との関係を示す複数の曲線を求め、該曲線のうち、き裂長さに応じて最大信号振幅が変化する領域からき裂長さ毎に異なるき裂深さ検定曲線を求める一方、き裂長さに応じて最大信号振幅が変化しない領域からは単一のき裂深さ検定曲線を求め、これら検定曲線のうち判定対象き裂のき裂長さに合致するものを利用してき裂深さを判定するようにしている。ここで、曲線には直線が含まれる。
【００１１】
この判定法によると、検出された構造物上のき裂あるいは人工き裂サンプルの既知の形状要素（例えばき裂長さやき裂幅）とこれらき裂の検出信号（例えば渦電流法による出力信号の最大信号振幅）とが関連づけられ、形状要素と検出信号とを関連づける各関数の係数があらかじめ求められる。これにより、き裂の長さ等と最大信号振幅とを対応付ける検定曲線が得られ、判定対象である構造物のき裂形状がき裂サンプルのそれとは異なる場合であっても、検定曲線からき裂深さを精度よく判定することが可能となっている。例えば、図９（ａ）に示すようにき裂長さｌと探傷領域ｌｃとの関係を示すき裂データが得られた場合、図９（ｂ）に示すようにき裂長さｌ毎のき裂深さ検定曲線を求めることができ、き裂長さｌに対応したき裂深さｄを判定することができる。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の非破壊き裂深さ判定法において、き裂形状が既知のき裂はき裂長さが等しく、このき裂長さによって定まるき裂深さ−最大信号振幅を示す単一の曲線を求め、該単一の曲線上の複数の点をき裂長さ−最大信号振幅を示すグラフの同一き裂長さ上にプロットし、各プロット点を通るき裂長さ−最大信号振幅を表す各曲線の関数の係数を求めるようにしている。この場合、図１（ａ）に示すように単一の曲線が得られ、この曲線上の少なくとも２点の点を抽出することにより、図１（ｂ）に示すようにき裂長さが等しく最大信号振幅が異なる複数の点が得られる。
【００１３】
さらに、請求項３記載の発明は、請求項２記載の非破壊き裂深さ判定法において、き裂として人工き裂を用い、各関数の係数をあらかじめ決定する際に、人工き裂を用いた測定により得られたき裂幅と最大信号振幅との関係をき裂幅を零とした値に校正して用いるようにしている。
【００１４】
この非破壊き裂深さ判定法では、人工のき裂サンプル（例えばＥＤＭノッチ）からテストデータを得るが、このき裂サンプルのき裂幅が判定対象たる構造物上のき裂幅よりも幅広であることから、この分を校正して幅の差分による影響を排除した関数（き裂深さｄ−最大信号振幅Ｒ）を得る（図１（ａ））。次に、校正後の関数上の複数の点をき裂長さｌ−最大信号振幅Ｒのグラフにプロットし（図１（ｂ））、各関数の係数（傾き）を求める。そうすると、き裂長さｌ−最大信号振幅Ｒの関数が複数求まるから（図１（ｃ））、これを基にき裂長さｌ毎にき裂深さｄ−最大信号振幅Ｒの係数（傾き）が異なる複数の検定曲線を求める（図１（ｄ））。ここで、最大信号振幅とき裂長さとの関数は、図５（ａ）に示すようにプローブの最大探傷領域を越えるまでは増大し、その後収束する関数を描くことが実験的に判っていることから、き裂長さが定まれば関数も定まる。この場合、これら複数の検定曲線はき裂長さｌの違いに応じた関数となるので、判定対象き裂の実際のき裂長さｌに対応した検定曲線を選択して利用することにより、き裂形状の違い（この場合はき裂長さの違い）を加味したき裂深さｄを精度よく判定することが可能となる。
【００１５】
また、請求項１から３のいずれかに記載の非破壊き裂深さ判定法において、き裂深さ検定曲線は、最大振幅信号以外の信号等を利用して求めることもできる。例えば、請求項４記載の発明のように、き裂検出信号の最大信号振幅の代わりにき裂検出信号の最大振幅時の位相角を用いてき裂深さを判定することができるし、あるいは請求項５記載の発明のように、き裂検出信号の最大信号振幅の代わりにき裂検出信号の最大振幅時の水平成分および垂直成分を用いてき裂深さを判定することもできる。
【００１６】
請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の非破壊き裂深さ判定法において、隣接した複数のき裂のき裂間隔とき裂検出信号との相関関係から、各き裂が隣接するき裂の検出信号に干渉する臨界間隔を予め求めておき、目視により得られたき裂間隔がこの臨界間隔よりも狭い場合にはき裂検出信号の高出力の要因がき裂の密集にあるかどうか検証し、この要因を考慮してき裂深さを判定するものである。
【００１７】
深さがほぼ等しい複数のき裂の間隔ａとその検出信号の関係は例えば図１１に示すようになる。すなわち、き裂間隔が狭くなるとそれぞれのき裂の検出信号が干渉し合い、単一のき裂の場合よりも検出信号が大きくなる一方、間隔が臨界間隔（符号ａcで表示）よりも大きくなると干渉はなくなり、それぞれのき裂を個々に認識することができる。そこで、本発明では、密接状態と単体状態とでどれくらいき裂深さの評価曲線が変わるか予め求めておき、き裂が密集している場合があることを考慮してこのような評価曲線を準備するようにしている。そして、この評価曲線を利用し、判定対象物におけるき裂間隔がこの臨界間隔ａcよりも狭いかどうかを見極め、狭い場合にはき裂が密集していることの影響を考慮することによって、高出力が得られてもそこから即座に有害なき裂であると決めつけるような誤った判定をなくすことが可能となる。また、き裂が密集していることの影響を考慮した上でいずれかのき裂が基準深さを超える位置まで到達しているかどうか（例えばガスタービン初段動翼におけるき裂がコーティングを超えて基材まで到達したかどうか）の判定が可能となる。
【００１８】
ここで、非破壊き裂深さ判定法に用いるき裂検出信号は、渦電流法、電位差法、磁気漏洩法あるいは超音波を入射することによって得られるいずれかの信号とすることが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図１〜図１７に本発明を適用した非破壊き裂深さ判定法の一実施形態を示す。この非破壊き裂深さ判定法は、き裂の影響を受けて変化するき裂検出信号の最大信号振幅とき裂の長さ、幅、深さとの関係を多項式で近似し、既知形状例えば人工き裂や廃棄部品等の実機に発生したき裂（これらを総称して既知のき裂形状と呼ぶ）のき裂を用いた測定により関数の係数をあらかじめ決定し、この決定に基づきき裂長さ毎に任意に作成されるき裂深さ検定曲線を利用して、ガスタービン動翼等の構造物に生じたき裂の深さを非破壊で判定するものである。
【００２１】
本実施形態では、き裂検出信号としては渦電流法による最大信号振幅Ｒを用いる。ここで、この最大信号振幅Ｒがき裂の測定条件ｃおよびき裂形状ｇを変数とする関数である場合に、この最大信号振幅Ｒを例えばき裂長さｌ、き裂深さｄおよび幅ｗに関する多項式で近似、換言すると、実験で得られたデータを多項式で表現するようにしている。そして、形状既知のき裂とその最大信号振幅Ｒからそれぞれの多項式の係数を決定しておく。これにより、き裂深さを計算で、またはグラフから求めるための検定曲線があらかじめ得られる。この場合、測定条件ｃは例えばコイルに流す電流量、周波数、コイルの形状、検出方式、リフトオフなどであるが、一定条件下に測定を行うことにより、定数として処理できる。
【００２２】
このようにして得られた検定曲線を利用すれば、き裂検出信号の最大信号振幅Ｒ、き裂長さｌ、き裂幅ｗを用いてき裂深さｄを計算で（またはグラフから）求めることができる。しかも、き裂長さが人工のき裂サンプルのき裂長さより長くてもあるいは短くても精度よくかつ簡単にき裂深さが求められる。また、目視検査により観測されたき裂長さを利用することで、これに見合う検定曲線を求めてき裂深さをより簡単に判定することも可能となる。き裂検出信号は、渦電流法を利用して求めてもよいし超音波を利用して求めてもよい。渦電流法の場合、交流電流を流したコイルを導体に近づけると導体には渦電流が生じ、仮に渦電流流路内にき裂がある場合、き裂によって渦電流が乱され、渦電流による磁束が変化するので、この変化をコイルのインピーダンス変化として観測することができる。また、超音波法の場合、弾性体内のき裂に超音波が衝突するとき、超音波は回折もしくは反射するので、この回折もしくは反射波を測定することによりき裂の有無を判定できる。
【００２３】
しかも、本実施形態におけるき裂深さ測定においては、図１２に示すように、基材７の表面側に例えば耐食コーティングやセラミックコーティングのような非金属コーティング８が金属コーティングを介してあるいは直接に施されている場合にも、このような非金属コーティング８から何ら影響を受けることなく金属コーティング上のき裂６の深さｄ、あるいはコーティングを超えて基材７に達したき裂６の深さ（図中矢示した長さ）ｄを測定することができる。すなわち、この場合における非金属コーティング８は渦電流試験法（Eddy Current Testing、以下「ＥＣＴ」という）においては空気層と同じであり、単なるギャップでしかないためコーティングがない場合と同等にき裂深さ測定が可能である。このような非金属コーティング８の具体例としては、例えばガスタービンの初段動翼・静翼におけるセラミックス（イットリウム安定化ジリコニア）の耐熱コーティング（一般にＴＢＣと呼ばれている）などがある。また、図１５に示すように耐熱コーティング（図中符号９で示す）が施されている場合、耐熱コーティング９と基材７の間のボンドコート１０は耐食コーティングとほぼ同じ材料である。この場合でも、耐熱コーティング９下のき裂深さｄの推定に適用できる。
【００２４】
また、き裂深さ測定に際しては、密接した複数のき裂どうしが干渉し合う場合の影響を考慮することが好ましい。き裂間隔ａがプローブの分解能を超えて狭く密集した場合にも、干渉による影響を考慮することで誤判定を防止することができる。
【００２５】
き裂深さｄがほぼ等しい複数のき裂のき裂間隔ａとその検出信号との関係を示すと図１１に示す検定曲線のようになる。すなわち、き裂間隔ａが狭くなるとそれぞれのき裂検出信号が干渉してしまい信号の値が単一のき裂の場合より大きくなる一方で、き裂間隔ａが臨界間隔ａcより大きければ干渉はなくなり、それぞれのき裂を個々に認識できるようになる。この点、本実施形態では、隣接した複数のき裂のき裂間隔ａとき裂検出信号との相関関係を予め求めておき、目視により得られたき裂間隔ａが臨界間隔（本明細書でいう臨界間隔とは、隣接するき裂の検出信号が互いに干渉し合うようなき裂間隔の臨界値であり、プローブによっては探傷領域ｌcとほぼ一致する）ａcよりも狭い場合にはき裂検出信号の高出力の要因がき裂の密集にあるかどうか検証し、この要因を考慮してき裂深さを判定するようにしている。き裂が密集しているかどうかの判断やき裂間隔ａの測定は目視により行うことを想定しているが、目視に代わる方法によって判断等しても構わない。
【００２６】
また、ＥＣＴにより個々のき裂を識別できない場合には次の手段を講ずる。まず、耐食コーティングと基材の境界に達した複数のき裂が極めて狭い間隔で隣接している状態での図１３（ａ）の信号（振幅あるいは位相）を表す数式１
【数１】
0004020361.tif 000002
を事前に求める。Ｓ’を図１３（ａ）に示すようなしきい値とし、この値を基準にき裂がコーティング内にあるか基材に達しているかを判断する。
【００２７】
なお、このようにＥＣＴによっては識別できないき裂の深さｄを推定するにはさらなる処理が必要となる。初期き裂発生時の場合は、それぞれのき裂深さｄが等しいと仮定し、図１４に示すように信号比を求めておき、き裂間隔ａにより決まる信号比を得られた信号に乗じ、き裂深さ判定法により変換された信号からき裂深さｄを推定する。ここで用いる信号比は、単一き裂信号と複数の密集したき裂信号との信号比である。一方、図１３（ｂ）の場合、コーティング内のき裂信号より大きな信号が得られるき裂に対しては、干渉の影響が小さくなるので、図１３（ｂ）の信号からき裂深さｄを推定できる。しかしながら、干渉の影響がある場合、その度合いが基材に達したき裂深さｄによって変化するため、き裂深さｄを精度よく推定することは原理的に困難である。
【００２８】
なお、上述の実施形態ではき裂検出信号の最大信号振幅を用いてき裂深さｄを判定しているが、ここで用いるき裂深さ検定曲線は、最大振幅信号以外の信号等を利用して求めることもできる（図１６参照）。例えば、最大信号振幅の代わりにき裂検出信号の最大振幅時の位相角を用いてき裂深さｄを判定することができる。渦電流は表面からの深さによって位相が遅れる性質を有している。そして、この渦電流の位相の遅れは被測定対象物の表面からの距離・深さに比例する。したがって、き裂の深さによって渦電流の位相が異なることとなる。したがって、この場合、上述のき裂検出信号（ＥＣＴ信号）を最大信号振幅から位相角に置き換えるだけで、検定曲線の求め方は最大信号振幅の場合と同じである。位相角を用いた具体例を図１７に示すが、この図１７においては、位相角という代わりに位相角差と表示している。ここでいう位相角差は位相角１−位相角０であり、位相角１はき裂がある場合の位相（角）、位相角０はき裂がない場合の位相（角）である。
【００２９】
この場合、具体的には、人工のき裂サンプル（例えばＥＤＭノッチ）からテストデータを得、き裂幅を校正して幅の差分による影響を排除した関数（き裂深さｄ−位相角差）を得る（図１７（ａ））。次に、校正後の関数上の複数の点をき裂長さｌ−位相角差のグラフにプロットし（図１７（ｂ））、き裂長さｌ−位相角差の関数を複数求め（図１７（ｃ））、これを基にき裂長さｌ毎にき裂深さｄ−位相角差の係数（傾き）が異なる複数の検定曲線を求めればよい（図１７（ｄ））。なお、最大信号振幅を用いた場合と位相角差を用いた場合とでは関数の傾きが異なっているが（図１（ａ）および図１７（ａ）参照）、複数の点をプロットした後で傾きの異なる複数の検定曲線が得られる点で両者は変わるところがない。
【００３０】
また、検定曲線を求めるには最大信号振幅あるいは位相角差が得られればいいことから、き裂検出信号の最大信号振幅あるいは位相角差を直接求める代わりにき裂検出信号の最大振幅時の水平成分および垂直成分を用いてき裂深さｄを判定することも可能である（図１６参照）。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明のき裂深さ判定方法を1100℃級ガスタービン初段動翼に発生する疲労き裂の判定に適用した例を、試験片の作製、渦電流測定システム、き裂深さ判定、そしてき裂深さ比較に分けて説明する。
【００３２】
（試験片の作製）
1100℃級ガスタービン初段動翼の基材に用いられているニッケル超合金IN738LC製の、図３に示すような中細りの中実丸棒試験片(平行部中心径10mmφ)に、耐食コーティングに用いられるCoCrAlYを厚さが0.2mmになるように溶射した後、長さ２mm〜８mm、幅0.5mm、深さ0.1mm〜0.4mmの周方向き裂（ノッチ）を放電加工（ＥＤＭ）し、表面き裂模擬試験片を作製した。また、コーティング溶射前の別の試験片にも同形状のノッチを加工して、ノッチ部を粒径10mm〜45mmのジリコニアを溶射することにより電気絶縁した後にCoCrAlYを溶射し、内在き裂模擬試験片を作製した。
【００３３】
（渦電流測定システム）
中実丸棒試験片の曲面をラスタースキャンするための渦電流測定システム１を構築した。この渦電流測定システム１は、図４に示すように渦電流探傷器２、プローブ３、スキャナ４および制御装置５によって、中軸丸棒試験片の平面部をＡスキャン(１点測定)し、または曲面部をラスタースキャンすることができるように構成されている。
【００３４】
本試験で用いた渦電流探傷器２は、４チャンネルの物理チャンネルを有し、アブソリュート型／ディファレンシャル型プローブおよびトランスミット−レシーブ型プローブのすべてのプローブ３を接続可能である。アブソリュート型プローブなどは内部のブリッジ回路を平衡にするため、試験用プローブ以外にそれと同仕様の比較用プローブを必要とするが、本実施例の渦電流探傷器２は、ブリッジ回路の平衡を電気的に調節することができるため、比較用プローブを必要としない。試験周波数範囲は１kHz〜６MHzと通常の渦電流探傷器より広い帯域である。
【００３５】
また、探傷データとプローブ位置データを高速に取得できるだけでなく、検査結果を審査する者が現場に常駐せずにリアルタイムで探傷結果を判定することができるようにするため、スキャナ４から得られるプローブ３の位置情報を処理するエンコーダを渦電流探傷器２に増設するとともに、渦電流探傷器２を制御装置５にEther(イーサー) ケーブルで接続した。スキャナ４は中実丸棒試験片の曲面に対して、ラスタースキャンが可能である。軸方向の可動距離は80mmであり、軸方向および周方向の移動間隔はそれぞれ0.1mmおよび１度である。
【００３６】
制御装置５は得られた探傷データに対して、多重周波数演算やき裂深さ−最大信号振幅もしくはき裂深さ−信号位相角の関係を用いた検定曲線作成などの演算機能を有し、制御および信号処理を行う。
【００３７】
（き裂深さ判定）
き裂長さおよび幅による影響を考慮して、最大信号振幅を用いて深さを判定する手法を実施した。ここでは、き裂深さ、長さなどが既知のＥＤＭノッチ（放電加工による人工き裂）に対する信号の最大信号振幅を用いて上記の関数の係数を定めることによりき裂深さを判定する検定曲線を作成することとした。まず、き裂形状と渦電流法によるき裂検出信号の最大信号振幅を関連づける関数系を有限要素法による電磁界解析により数値解析的に求めた。
【００３８】
具体的には、測定条件ｃおよびき裂形状ｇを変数とする関数として数式２のように表現される最大信号振幅Ｒは、
【数２】
Ｒ＝ｆ(c，g)
を以下に示すようにき裂長さｌ、深さｄおよび幅ｗに関する多項式で近似した。このように近似することにより、き裂長さｌ等がパラメータとなり、き裂長さｌ等による誤差を含まない正しい曲線に近い形でパラメータに特化した曲線が得られる。そして、形状が既知なき裂サンプルとその最大信号振幅Ｒからそれぞれの係数α，βおよびγを決定し検定曲線を作成した。
【数３】
0004020361.tif 000003
【数４】
0004020361.tif 000004
【数５】
0004020361.tif 000005
【００３９】
ここで、本測定法によるき裂深さ判定のための検定曲線を図２に示す。（き裂長さ−最大信号振幅）の関数に示すように、最大信号振幅はき裂長さｌに比例するように増えるが、き裂長さｌが探傷領域の大きさｌｃを越えた後は一定となった。数式３〜数式５の各関数を決定するため、き裂長さｌ等が異なるき裂の最大信号振幅Ｒを数値解析により予測した。また、き裂長さ、深さおよび幅をそれぞれ変化させた場合の最大信号振幅Ｒの変化は図５に示すようになった。図からわかるように、（き裂長さ−最大信号振幅）の関係を示す曲線は、き裂幅ｗが一定（ｗ＝0.2mm）でもき裂深さｄによって異なるものとなった（図５（ａ））。また、（き裂深さ−最大信号振幅）の関係を示す曲線は、き裂幅ｗが一定（ｗ＝0.2mm）でもき裂長さｌによって異なるものとなった（図５（ｂ））。さらに、（き裂幅−最大信号振幅）の関係を示す曲線は、き裂長さｌが一定（ｌ＝８mm）でもき裂深さｄによって異なるものとなった（図５（ｃ））。
【００４０】
また、図５に示すように、最大信号振幅Ｒとき裂長さｌとの間には、探傷領域（この場合は４mm）を越えるとき裂長さｌが最大信号振幅Ｒの値に対しては変化がなくなるがそれまではき裂長さｌと最大信号振幅Ｒの値との間には比例増大する傾向が認められた（図５（ａ））。また、最大信号振幅Ｒとき裂深さｄとの間には曲線で示される２次関数的関係があり（図５（ｂ））、さらに、最大信号振幅Ｒとき裂幅ｗとの間には直線で示される１次関数的関係があることが認められた（図５（ｃ））。そして、これらの各関係を利用することにより、図１（ｄ）に示すようにき裂長さごとの複数のき裂深さ用検定曲線（ｌ＜ｌｃ用）及びｌ≧ｌｃ用の単一のき裂深さ検定曲線が得られた。
【００４１】
なお、いかなるプローブ３を用いた場合にもこのような曲線が得られることが確認できたので、この結果から数式３〜数式５を以下のように書き直す（数式６〜数式８）。
【数６】
0004020361.tif 000006
【数７】
0004020361.tif 000007
【数８】
0004020361.tif 000008
ただし、上述のようにｌｃは探傷領域に相当し、通常はプローブセンサ部の大きさの２〜３倍程度であり、
【数９】
0004020361.tif 000009
で示される。
【００４２】
（き裂深さ比較）
続いて、上述のき裂深さ判定法を検証するため、コーティングされた中実丸棒試験片に疲労試験により人工的に疲労き裂を入れ、ＥＣＴによる測定結果からき裂深さを判定し、推定された深さと破壊試験によって観察されたき裂深さを比較した。
【００４３】
本提案手法に基づき、ＥＤＭノッチの最大信号振幅Ｒを用いて検定曲線を作成し、疲労き裂の深さを判定した。この手順では、図７に示すように、スキャンデータの取得後（ステップ１）、き裂を検出し（ステップ２）、き裂が存在する場合には（ステップ２；Ｙｅｓ）、き裂検出信号の最大信号振幅を抽出し（ステップ３）、次のき裂長さの決定ステップ（ステップ４）に進み、き裂が存在しない場合には（ステップ２；Ｎｏ）、終了する（ステップ１１）。き裂の数Ｎｃをカウントし、１番目のき裂（Ｎ＝１）に関し、目視あるいはスキャンデータからの読みとりによりき裂長さｌを決定する（ステップ４）。その後、このき裂長さｌが探傷領域ｌｃより小さいか否かを判定し（ステップ５）、き裂長さｌが探傷領域ｌｃより小さい場合には（ステップ５；Ｙｅｓ）、そのき裂長さｌに応じた検定曲線（関数）を選択し（ステップ６）、一方、き裂長さｌが探傷領域ｌｃと同じかそれより長い場合は（ステップ５；Ｎｏ）、単一のｌ≧ｌｃ用検定曲線（関数）を選択する（ステップ７）。そして、選択された検定曲線を利用して最大信号振幅から、すなわち決定された関数に最大信号振幅を入力することによりき裂深さを求める（ステップ８）。そして、判定したき裂の数が上記き裂数Ｎｃと一致するかどうか判定し（ステップ９）、一致しなければ（ステップ９；Ｎｏ）、Ｎに１を加算してからステップ４の前にジャンプし、再度次のき裂について同様の判定を行う（ステップ１０，ステップ４〜８）。これをき裂数Ｎｃだけ繰り返してから、判定処理を終了する。
【００４４】
ここで、検定曲線を求めるフローを図６に示す。まず、等しい長さのＥＤＭノッチを測定してき裂深さ−最大信号振幅曲線（図１（ａ）の破線）を作成する（ステップ１１）。その後、疲労き裂の幅を考慮してき裂深さ−最大信号振幅曲線をき裂幅−最大信号振幅曲線（図５（ｃ））を用いて校正する（ステップ１２、図１の（ａ））。そして、き裂深さ−最大信号振幅曲線（図１（ａ）の実線）からき裂長さ−最大信号振幅曲線（図１（ｂ）（ｃ））を作成し（ステップ１３）、き裂長さ−最大信号振幅曲線（図１（ｃ））から、ｌ≧ｌｃ用の単一曲線（図１（ｄ）のｌｎ）およびｌ＜ｌｃ用の複数の曲線（図１（ｄ）のｌ１…ｌ２）の深さ判定用の検定曲線を作成する（ステップ１４）。
【００４５】
以上のフローにしたがって、実際に検定曲線を図１に示す手順により求めた。まず、き裂形状を特にき裂長さｌに特化させ、ＥＤＭノッチからテストデータを得たが、判定対象たる実機のき裂幅が極狭であることから、校正して幅の差分による影響を排除した関数（き裂深さｄと最大信号振幅Ｒとの関係を表す関数）を得た（図１（ａ））。ここでは実機のき裂形状に則してき裂幅ｗを０とおいた。次に、校正後の関数上の点を複数点プロットするとともに、き裂長さｌと最大信号振幅Ｒとの関係を示す関数上にこれらの点をプロットし（図１（ｂ））、各関数の係数（傾き）を求めた。そうすると、き裂長さｌと最大信号振幅Ｒの関数が複数求まるから（図１（ｃ））、これを基にしてき裂深さｄと最大信号振幅Ｒの関係を示す、係数（傾き）が異なる複数の関数を求めた（図１（ｄ））。この場合、これら複数の関数はき裂長さｌの違いに応じた関数となるので、判定対象き裂の実際のき裂長さｌに対応した関数を選択し利用することによってき裂形状の違いによる影響（この場合はき裂長さｌの違いによる影響）を加味したき裂深さｄを精度よく判定することができた。
【００４６】
なお、上述の実施例では検定曲線の作成のため長さ２mm 、深さ0.1mm〜0.4mmのＥＤＭノッチの最大信号を用い、使用したプローブの大きさが２mm程度だったため数式５の探傷領域ｌｃを５mmとした。以上の測定結果を従来手法と比較したグラフを図８に示す。図中の従来手法１および従来手法２はそれぞれ長さ８mmのき裂の最大信号振幅Ｒおよび長さ２mmのき裂の最大信号振幅Ｒに対応するき裂深さを判定した結果である。同図より、本実施例の非破壊き裂深さ判定法は従来手法よりき裂長さによらずにき裂深さを精度良く判定できることから、提案手法の有効性を確認することができた。
【００４７】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施例においては非破壊き裂深さ判定法を検証するため表面疲労き裂を判定したが、本発明はコーティング直下の内在き裂を判定する場合にも十分有効である。
【００４８】
例えば、プローブコイルにより試験片に発生した渦電流は、表皮効果によって、試験片表面から離れるに従って、その振幅と位相が変化する。薄肉配管の探傷試験では、この渦電流の位相の変化に起因するＥＣＴ信号の位相変化により、管内面のき裂と外面き裂を判別することができる。この方法は表面・内在き裂を判定するために利用できる可能性があり、ここでは特に図示しないが、表面き裂および内在き裂模擬試験片に対してラスタースキャンを行った結果得られたＥＣＴ信号(水平成分)の等高線図からは、内在ノッチも表面ノッチと同様に検出できることが判っている。ここで、表面ノッチおよび内在ノッチによる信号の最大信号振幅とその位相は、図１０に示すように位相分離性があることから、位相に着目することによって表面き裂と内在き裂を判定することが可能となる。
【００４９】
また、本実施例で挙げた試験体の中実丸棒試験片は、1100℃級ガスタービン初段動翼を想定しているため、材質的には基材とコーティングからなる複合材料としているが、電磁気的にはほぼ等価となることから、単一材料と考えて支障がない。よって、本発明は、例示しているようなガスタービンの初段動翼の探傷試験に適用範囲が限られるものではなく、単一材料から成る一般的な試験体の探傷試験へも適用可能であることは言うまでもない。
【００５０】
また、本発明の非破壊き裂深さ判定をする際、き裂長さのデータは、スキャンデータから読みとる場合だけでなく、目視検査により観測したき裂長さを用いてもよい。この場合、スキャンデータからき裂長さを求める代わりに、目測したき裂長さを入力することにより信号振幅とき裂深さの関数・検定曲線を選定してき裂深さを求めることができる。き裂長さは、例えば塗料をき裂に埋め込んで浸透探傷法により求めることができる。あるいは、き裂検出信号を電位差法を利用して求めることができるし、磁気漏洩法を利用して求めることもできる。電位差法の場合、第１および第２の電極に定電流を流し、第３および第４の電極で電圧を測定すると、仮に第３および第４の電極の近傍にき裂がある場合、第３および第４の電極の端子間の電圧が変化するので、この端子間電圧によってき裂の有無を判定できる。また磁気漏洩法の場合、磁性体が磁化したときき裂から磁束が漏洩するので、この漏洩磁束を磁気センサで検出することによりき裂の有無を判定できる。
【００５１】
更に、本実施例では、人工き裂を用いてき裂深さ判定用の検定曲線を作成することについて主に説明したが、実際に使用されて疲労き裂が生じた廃棄部品などを用いて、最大信号振幅とき裂深さとの関数の係数を求めることもできる。この場合には、人工き裂を用いる場合と異なりき裂幅の影響を受けないので、疲労き裂の幅を考慮して最大信号振幅と亀裂深さの関数の係数を最大信号振幅とき裂幅曲線・関数を用いて校正する必要がない。
【００５２】
また、本実施例では、等しい長さの人工き裂を測定して１本の最大信号振幅−き裂深さ曲線を作成し、これから複数の最大信号振幅−き裂長さ曲線を作成して、任意のき裂長さごとの深さ判定用の検定曲線を作成するようにしているが、これに限定されるものではなく、場合によっては、異なる長さのき裂を用いた複数のデータから得るようにしても良い。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１記載の非破壊き裂深さ判定法によると、き裂長さ毎のき裂深さの検定曲線を利用してき裂深さを判定するので、任意の形状のき裂の深さを判定により簡便にかつ精度よく求めることができる。これにより、構造物に発生する任意長さのき裂に対して高精度な深さ判定が可能となるため、構造部の健全性評価に対して知見を得ることができる。しかも、き裂長さの測定数以上の任意のき裂長さ毎の検定曲線が必要に応じて得られる。
【００５４】
また、請求項２記載の非破壊き裂深さ判定法によると、き裂はき裂長さが等しく、このき裂長さによって定まるき裂深さ−最大信号振幅を示す単一の曲線を得るので、この曲線上の少なくとも２点から、き裂長さが等しく最大信号振幅が異なる複数の点が得られる。したがって、き裂長さ−最大信号振幅を示すグラフに各点をプロットすると直線状となることから、き裂長さ−最大信号振幅を示す曲線の関数の係数を求めやすい。しかも、１つのき裂長さに関する異なるき裂深さを測定で求めるだけで任意のき裂長さ毎の検定曲線が得られる。
【００５５】
また、請求項３記載の非破壊き裂深さ判定法によると、構造物のき裂とき裂サンプルとのき裂幅の差を校正して幅の差分による影響を排除した関数を得てからき裂長さ毎の検定曲線を求めているので、人工き裂を用いてデータを得る場合にも、人工き裂と測定しようとするき裂との間の幅の違いによる影響を排除してき裂深さを精度よく簡便に判定することができる。
【００５６】
また、請求項４記載の非破壊き裂深さ判定法によれば、き裂検出信号の最大信号振幅の代わりにき裂検出信号の最大振幅時の位相角を用いてき裂深さを判定することができる。
【００５７】
また、請求項５記載の非破壊き裂深さ判定法によれば、き裂検出信号の最大信号振幅の代わりにき裂検出信号の最大振幅時の水平成分および垂直成分を用いてき裂深さを判定することができる。
【００５８】
さらに、請求項６記載の非破壊き裂深さ判定法によると、隣接したき裂のき裂深さが同程度と仮定し、き裂間隔ａとき裂検出信号との相関関係から、密接状態と単体状態とでどれくらい評価曲線が変わるか予め求めておくようにしているので、この曲線を基にき裂間隔ａが狭い場合にはき裂検出信号の高出力の要因がき裂の密集にあるかどうか検証し、この要因を考慮してき裂深さを判定することができる。したがって、き裂が密集していることの影響を考慮することができ、高出力が得られてもそこから即座に有害なき裂であると判断を下すような誤った判定をなくすことが可能となる。また、き裂が密集していることの影響を考慮した上でいずれかのき裂が基準深さを超える位置まで到達しているかどうかの判定も行うことができる。
【００５９】
また、請求項７記載の非破壊き裂深さ判定法によると、渦電流法、電位差法、磁気漏洩法あるいは超音波を入射することによって得られるいずれかの信号を判定法に用いるき裂検出信号とすることで、き裂深さをより精度よく判定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非破壊き裂深さ判定法により検定曲線を求める手順を示すグラフで、（ａ）き裂深さ−最大信号振幅、（ｂ）き裂長さ−最大信号振幅、（ｃ）き裂長さ−最大信号振幅、（ｄ）検定曲線（き裂深さ−最大信号振幅）を示す各関数である。
【図２】非破壊き裂深さ判定法において最大信号振幅Ｒとき裂の長さ、深さおよび幅とを対応付ける検定曲線図である。
【図３】本実施例の中実丸棒試験片の形状を示す図である。
【図４】渦電流測定システムの接続例を示す図である。
【図５】き裂形状によって最大振幅信号が異なる場合を例示するグラフで、（ａ）き裂長さ−最大信号振幅、（ｂ）き裂深さ−最大信号振幅、および（ｃ）き裂幅−最大信号振幅の各関数である。
【図６】検定曲線を求める手順の一例を示すフローである。
【図７】き裂深さ判定手順の一例を示すフローである。
【図８】き裂深さ推定結果と実測された結果の比較を示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態を示す（ａ）ＥＣＴによるスキャンデータ、（ｂ）新しいき裂深さ検定曲線の一例を示す図である。
【図１０】表面ノッチおよび内在ノッチによる信号の最大信号振幅とその位相の関係を示すグラフである。
【図１１】深さがほぼ等しい複数のき裂の間隔とその検出信号との関係を示すグラフである。
【図１２】非金属コーティングが施された基材（構造物）の部分断面形状を示す図である。
【図１３】複数のき裂に対するセンサ（プローブ）位置とその検出信号との関係を示すグラフで、（ａ）は深さがほぼ等しい隣接した複数のき裂の場合、（ｂ）は損傷が進行しき裂が耐食コーティングと基材の境界に到達した場合である。
【図１４】複数き裂と単一き裂信号の比を示すグラフである。
【図１５】ＴＢＣ付き動翼におけるコーティングの構成例を示す図である。
【図１６】き裂検出信号の振幅（最大信号振幅）、位相角、水平成分および垂直成分を示した図である。
【図１７】非破壊き裂深さ判定法により検定曲線を求める手順を示すグラフで、（ａ）き裂深さ−位相角差、（ｂ）き裂長さ−位相角差、（ｃ）き裂長さ−位相角差、（ｄ）検定曲線（き裂深さ−位相角差）を示す各関数である。
【図１８】従来の非破壊き裂深さ判定法における（ａ）信号振幅とき裂深さとの関係、（ｂ）信号位相とき裂深さとの関係の一例を示すグラフである。
【図１９】従来の非破壊き裂深さ判定法の一例を示す図で、複数のき裂が密集して発生している場合のき裂間隔と信号との関係を示している。
【図２０】従来の非破壊き裂深さ判定法の一例を示す図で、（ａ）深さがほぼ等しい隣接した複数のき裂と（ｃ）その検出信号、（ｂ）基材へ伝播したき裂と（ｄ）その検出信号を示す。
【符号の説明】
６  き裂
ａ  き裂間隔
ａc  臨界間隔
【図１】
0004020361.tif 000010
【図２】
0004020361.tif 000011
【図３】
0004020361.tif 000012
【図４】
0004020361.tif 000013
【図５】
0004020361.tif 000014
【図６】
0004020361.tif 000015
【図７】
0004020361.tif 000016
【図８】
0004020361.tif 000017
【図９】
0004020361.tif 000018
【図１０】
0004020361.tif 000019
【図１１】
0004020361.tif 000020
【図１２】
0004020361.tif 000021
【図１３】
0004020361.tif 000022
【図１４】
0004020361.tif 000023
【図１５】
0004020361.tif 000024
【図１６】
0004020361.tif 000025
【図１７】
0004020361.tif 000026
【図１８】
0004020361.tif 000027
【図１９】
0004020361.tif 000028
【図２０】
0004020361.tif 000029