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特集論

非破壊検査の信頼性向上を可能にしたフェーズドアレイUT 技術

文

フェーズドアレイブロープ
横穴試験片High-reliable Non-destructive Inspection Using
Phased-array Ultrasonic Testing
川1．はじめ浪精一＊ 1

黒川政秋＊ 2

増 本 光 一 郎＊ 3

これらの特徴を利用することにより，① 配管エルボやノにズル部などの複雑形状部の探傷，② ステンレス鋼溶接部や原子力発電所ではその安全性や信頼性を確保するために定ステンレス鋼鋳造材など超音波難透過材の検出性の向上，③期的に検査が行われており，配管や圧力容器の検査には主と圧力容器や配管の高速探傷，など従来の UT では困難な深傷して超音波を使った非破壊検査（以下 UT ： Ultrasonicが可能となる．

Testing）が適用されている．UT は材料の内部検査が可能で多くの箇所に適用されているが，ノズル部などの複雑な形状

3．フェーズドアレイ UT の高度化

部や溶接部などの超音波の透過性が悪い材料では検査の課題

前述したようにフェーズドアレイ UT によって従来技術でも残されている．また，近年原子力発電の健全性に関して社は困難な箇所の探傷が可能となるが，フェーズドアレイ UT会的に大きな影響を与える事象が相ついで発生している．その更なる高度化を目指して，２種類のフェーズドアレイ UTのため，UT による欠陥の定量化ニーズは高まりを見せておを開発した．

り，精度の高い UT 検査手法が望まれている．

3．1 マトリックスフェーズドアレイ

フェーズドアレイ UT は超音波を任意の角度へ発生させた一般のフェーズドアレイ UT はリニアアレイと呼ばれるもり，任意の位置へ集束させたりすることが可能で，今まで検ので，振動子を一次元配列した構造である．これに対してマ査が困難な複雑形状部や超音波難透過材の検査に有効であ

トリックスアレイは振動子を二次元に配列した構造であり，る．本報ではフェーズドアレイ UT の高度化として欠陥の検超音波ビームの三次元スキャンニングが可能となる（図１）．

出性を向上させたマトリックスアレイや欠陥の定量性を向上

主な特徴としては次の２つが挙げられる．

させた点集束型リニアアレイについて紹介する．

① 三次元ビームスキャンが可能で，欠陥の検出性の向上が

2.フェーズドアレイ UT の原理と主な適用先
通常の UT プローブは１つの圧電素子から構成されるのに期待できる．
② 超音波ビームの点集束が可能で，微小欠陥の検出性や分解能の向上が期待できる．

対してフェーズドアレイ UT のプローブは複数の圧電素子かこれらの特徴のうち，特に三次元ビームスキャンニングのら構成される．そしてこれらの圧電素子の送受信タイミング

特徴をいかした斜め欠陥検出用のマトリックスアレイプローを個々に制御することにより，合成波を任意の角度に振ったブを開発した．図２に今回開発したマトリックスアレイの振り，任意の位置に集束させたりすることが可能となる．フェ動子配置と概観を示す．プローブは音場解析等により，超音ーズドアレイ UT の特徴を簡単にまとめると次の３つが挙げ

波ビームの三次元スキャンニングの性能を評価し振動子の配られる．

置を決定している．

①超音波ビーム方向を任意に変えられる．

開発したマトリックスアレイにより試験片での斜め欠陥の②超音波の焦点位置を任意に変えられる．

検出性試験を行った．斜め欠陥を人工的に作った試験片に対③電子切替えにより高速探傷が可能．

して，プローブをジグザグに移動させながら超音波ビームを左右スキャンし，欠陥の検出を行う．試験結果を図３に示す．

ZYX

リニアアレイ

図１

マトリックスアレイ

マトリックスアレイの特徴

技術本部高砂研究所電子技術研究室
技術本部高砂研究所電子技術研究室主席 工博＊3
神戸造船所品質保証部原子力サービス品質管理課＊1＊270697151
68525072353653
34 49 672373
2237541348 66
2412 21 33
38746142555
7
2 5 11 20 32 47 65
3 1157539
4 10 19 31 46 64 85568269164076
18 30271745 63 84
5741282977
44 62
5842834378
61596082
798180

図２

開発したマトリックスアレイの概観

1920°

20°

10°

10°

35 mm

20％ t 10％ t 5％ t

プローブ

マトリックスアレイは斜め欠陥を明瞭に検出

リニアアレイは斜め欠陥の検出不可

0°0°20％t 10％t 5％t

図５溶接中スリットの探傷試験条件

20％t 10％t 5％t

斜め欠陥入り試験体
リニアフェーズドアレイUT マトリックスフェーズドアレイUT（首振りなし）（首振り角 0,10, 20 度合成）
（材質 SUS, 板厚 13 mm）

図３5〜50 ％ t

試 験 片：材質 SUS, 板厚 35 mm
スリット：深さ 5〜50 ％ t
深傷条件：底面から板厚 50 ％ t まで焦点位置を移動

評価値3.9 mm

評価値
17.2 mm

端部エコー

斜め欠陥の探傷試験結果
端部エコー
コーナエコー

コーナエコー50 ％ （t 17.5 mm）

図６

点集束型
リニアアレイの原理

図４

TOFD用
点集束型リニアアレイ

縦波端部エコー用
点集束型リニアアレイ

点集束型リニアアレイの原理とプローブ概観

10 ％ （t 3.5 mm）

溶接中欠陥の探傷試験結果

中欠陥の定量化試験を実施した．図５に示すように溶接部中央に人工欠陥を挿入し，点集束型リニアアレイプローブを使って母材部側から縦波斜角探傷により欠陥先端部のエコーを検出した．結果を図６に示す．

試験結果から，通常のリニアアレイでは欠陥の傾きが 20

溶接金属中の人工欠陥に対して欠陥コーナーからの反射波度になるとほとんど検出できなくなるのに対して，マトリッとともに欠陥先端からの回析波を明瞭に検出しており，これ

クスアレイでは０度から 20 度まですべての傾きの欠陥が明らにより欠陥の定量化が可能となる．コーナーからの反射波瞭に検出できていることが分かる．一般に UT 検査では斜めと先端部からの回析波の路程差より欠陥深さを評価すると，欠陥の検出を行うために手動でプローブの左右スキャンを行

実深さ 17.5 mm のスリットに対しては評価深さ 17.2 mm であっているが，マトリックスアレイを使うことによりプローブり，実深さ 3.5 mm のスリットに対しては評価深さ 3.9 mm との左右スキャンを行うことなく斜め欠陥の検出が可能とななり，溶接金属中のスリットに対しても高い精度で定量化がる．このため，マトリックスアレイは全自動深傷に適用でき，実現できた．

欠陥検出性の大幅な改善が期待できる．
3．2

点集束型リニアアレイ

4．まとめ

ステンレス鋼溶接金属中では粗大な結晶粒の影響によってフェーズドアレイ UT の高度化を目的として，２種類のフ超音波が散乱・屈折されるため通常 UT では欠陥先端を検出ェーズドアレイ UT を開発した．マトリックスアレイでは超して欠陥の定量化を行うことは困難である．このような超音音波ビームの三次元スキャンニングが可能となり，従来 UT波難透過材の検査では一般に超音波ビームの集束化が有効ででは検出が困難な斜め欠陥の検出が可能となった．また，点あるが，その中でも特に曲面振動子やマトリックスアレイな集束リニアアレイでは超音波ビームの点集束化が可能となどを用いた点集束タイプが超音波ビームの集束性に優れていり，従来 UT では困難であった溶接金属中の欠陥の定量化がると考えられる．しかし，曲面振動子は焦点深さが固定であ高精度で可能となった．

るため，深さが分からない欠陥に対しては適用が困難である．

高度フェーズドアレイ UT 技術は検査の信頼性を向上さ

また，マトリックスアレイは振動子数が非常に多いため，送せ，プラントの安定した稼動に大きく貢献するものである．

受信機も多数必要となり探傷器が非常に高価なものとなる．

今後，安心・安全な社会の実現に向け，本技術を展開していく．

そこで，深さ方向の焦点位置が可変で，かつ振動子数が少ない点集束型のリニアアレイを開発した．図４に点集束型リニ
アアレイの原理とプローブ外観を示す．点集束型リニアアレ
イはアレイ振動子の横方向に曲率を持たせた構造にすることにより，超音波ビームの点集束化を実現させている．
欠陥の定量化手法には一般に送受信プローブを対向配置さ

参 考 文 献（1）実吉純一ほか, 超音波技術便覧（新訂版）, 日刊工業新聞社（1985）p.368 〜 369（2）A. Birks, et al., Non Destructive Testing Handbook,second edition, v.7, Part3: Tests with closely positionedtransducers, ASNT publication

せた TOFD 法（Time of Flight Diffraction）と斜角探傷において欠陥先端部を検出する端部エコー法がある．今回 TOFD法と端部エコー法それぞれについて点集束型リニアプレイプ
ローブを開発したが，本報ではこのうち端部エコー法を使った欠陥定量化を紹介する．
開発した点集束型リニアアレイプローブを使って溶接金属

川浪精一黒川政秋

増本光一郎
三菱重工技報 Vol.41 No.1（2004_1）