技術紹介

CFRP 製タンクの水中伝播波による損傷位置標定
福本伸太郎 *1

西土Fukumoto Shintaro

Nishido Takayuki

大森隆幸 *2
真実

Oomori Mami

荒川敬弘 *3

Arakawa Takahiro*4

大森征一 *4

Oomori Seichi

炭素繊維強化プラスチック（CFRP）で製造された CFRP 製タンクを用いて、水耐圧試験を実施した。あらかじめタンク上部に損傷を付与しておき、損傷の進展や新たに発生した損傷箇所を、アコースティック・エミッション（AE）法により特定した。損傷位置の標定には、タンク内部の水中を伝播する波を用いた。
計測した AE（水中伝播波）による 3 次元位置標定を実施した結果、損傷箇所や破壊起点の位置標定ができていることを確認した。
キーワード：アコースティック・エミッション（AE）、3 次元位置標定、炭素繊維強化プラスチック（CFRP）が適用できる技術を確立しておく必要がある。

1. はじめに

なお、この技術は水素自動車の車載用のタンク宇宙製品への炭素繊維強化プラスチック（CFRP）や貯蔵用のタンクにおいても適用できることが考材の応用は、多くの例がある。宇宙製品の中には、えられる。

気蓄器と呼ばれる、衛星推進系の燃料タンクから2. AE 法によるタンクの位置標定

燃料を排出するためにガスを蓄えておく高圧のタンクがある。

AE 試験は圧力タンクの健全性評価手法として普（1）（3）-

この製造および輸送過程において、タンクに損及しており、ASME 等の規格も制定されている。

傷を与える可能性がある。または、それを補修す

AE 試験では、AE パラメータ解析によって AE のる場合がある。その際、損傷部や補修後の健全性発生位置を知ることが可能であり、「位置標定」を確認する方法として AE 計測が有力である。特と呼ばれる。このときの AE パラメータとは、試に、CFRP 製のタンクでは、製造後の耐圧試験、験対象物に取り付けた複数の AE センサで検知しおよびその後の非破壊検査によってタンクの健全た AE の発生数（Hit）から、同一事象ごとに分性を確認している。耐圧試験における AE 計測は、類し、各センサが検知した AE 波の到達時間差を試験中のどの段階でどこに損傷が生じたかを特定示す。一般的に AE による位置標定には、対象物できる。このため、耐圧試験時において AE 計測の表面を伝わる波（表面伝播波）を用いて求めら*1：研究開発センター 研究開発グループ*2：研究開発センター センター長 工学博士
*3：フェロー 工学博士
*4：検査事業部 技術部

技術士（建設部門） P. E.（Civil Eng.） 芝浦工業大学大学院非常勤講師

—

34—

（4）
（6）
-れる。しかしながら、CFRP 材は音響異方性（2） 寸 法： 外 径 260mm、 内 径 218±2mm、 全 長を有しており、一般的な位置標定方法の適用が難1150mm

しい。

（3）ライナ樹脂材料：ポリエチレン樹脂

過去、CFRP 製薄肉タンクの水耐圧試験におい（4）口金材質：アルミニウム 6061-T6て、人工的に発信した AE を用いて、AE が水中（5）保証圧：7 ～ 8MPaを良く伝播することを確認した。その水中を伝播（6）製造条件：T700 相当炭素繊維をフィラメンした波（水中伝播波）を複数の AE センサで検知

トワインダ（FW）加工によりヘリカルフープ巻することにより、3 次元位置標定の新たな知見をき仕上げ、樹脂ライナにフルラップ巻き付け加工

（7）

示した 。

し、熱硬化処理をした。製造後、保証圧まで加圧

本稿においては、この構造に類似した炭素繊維した。なお、T700 とは炭素繊維の商品名であり、巻き厚が 6mm の CFRP 製タンクを作製し、水耐宇宙製品によく使用されている。

圧試験を実施した。なお、人工的に発信した AE
3.2 試験装置

ではなく、昇圧により損傷が進展する際に発生する AE を用いた。位置標定は、水中伝播波による試験装置および使用センサを以下に示す。

3 次元とし、タンクに人工きずを付与した後の耐（1）AE 装置：Vallen 社製 AMSY-6 MB19

圧試験結果を用いた。また、位置標定の精度向上（2）AE セ ン サ：AE144A（ 周 波 数 帯 域 100 ～を目指した。

500kHz）（3）プリアンプ：AEP5（34dB）

3. 試験概要
3.1 CFRP 製タンクの仕様

3.3 センサ配置および人工きず

CFRP 製 タ ン ク の 外 観 お よ び 表 面 拡 大 写 真 を

図 2 に、タンクに取り付けたセンサ配置、お図 1 に示す。また、このタンクの仕様を以下によび人工きずを付与した箇所を示す。本試験では、示す。なお、保証圧とはメーカーがタンクの健全12 個のセンサを使用した。また、グラインダに性を保証する圧力であり、タンクが破断する圧力よる人工きずは、図 2 に示した通りであり、形ではない。

状や付与時の状況を図 3 に示す。

（1）炭素繊維巻き厚：6mm（a）タンク全体

図1（b）表面拡大

薄肉 CFRP 製タンク外観—35—

IIC REVIEW/2017/10. No.58

図2

センサ配置および人工きずを付与した箇所（a）断面図（b）人工きず付与の状況

図3

人工きずの形状

3.4 水耐圧試験

よび Press-test No.3 では、13MPa までの昇圧を 1 回

図 4 に水耐圧試験の工程を示す。Press-test No.1ずつ実施した。最終的に Press-test No.4 では、タでは、13MPa までの昇圧を 2 回実施した。その後、ンクが破断（29MPa）するまで昇圧させた。

タンクへ人工きずを付与した。Press-test No.2、お図4

水耐圧試験の工程—36—

4. 試験におけるタンクの損傷
4.1 カイザー効果の確認
カイザー効果とは、先行荷重を除荷し、再度負荷をかけた時に試験対象物が健全であれば先行荷重に至るまでは、AE がほとんど検出されない現（a）人工きず付与後象のことである。これは、破壊の進行中のような

図6

構造的に不安定な段階では存在しないので、構造（8）（b）Press-test No.2 後

人工きず付与箇所の損傷による変化後の損傷箇所の状況を示す。図 6 より、Press-test

安定性の指標として試験に利用できる 。
図 5 に Press-test No.1 および No.2 における、1No.2 後、人工きず箇所の底面にき裂が発生して秒ごとの AE Hit 数を示す。なお、緑線は水圧をいたことが確認できた。さらに、人工きず箇所端示している。横軸に試験時間、縦左軸に Hit 数を、部から、タンクの周方向に進展していたことが確

縦右軸に水圧を示している。図 5 より、Press-test

認できた。

No.1 では 13MPa の昇圧を 2 回繰り返しており、5. 水中伝播波による 3 次元位置標定

2 回目の昇圧過程において、13MPa までに Hit が5.1 表面伝播波と水中伝播波の分離なく、カイザー効果が成立しているのを確認した。
なお、2 回目の 13MPa 到達以降（360s 以降）に精度の良い結果を得るためには、水中を伝播しAE Hit が 見 ら れ る が、 圧 力 が 不 安 定 で、13MPaた AE データのみを用いて、3 次元位置標定をすより大きくなったためである。人工きず付与後のる必要がある。しかしながら、本試験で計測したPress-test No.2 では 8MPa 以降で Hit が計測されてAE データは表面伝播波と水中伝播波が混在しており、カイザー効果が不成立であることが確認でいた。計測条件の設定により、水中伝播波のみをきた。これは、13MPa までの昇圧過程において、計測することは困難であり、計測対象が変わる度新たなき裂が発生し、タンクの損傷が進展したたに設定変更が必要となる。そのため計測後の位置めであると考えられる。

標定解析において、両者を分離した。
音源と受信センサとの角度を考慮し、ある領域4.2 損傷箇所の変化に対して、解析に用いる受信センサを決めること

図 6 に人工きず付与後、および Press-test No.2

で分離を試みた。例えば図 7 に示すように、上（a）Press-test No.1（b）Press-test No.2

図5AE Hit 数（1 秒ごと）
—37—

IIC REVIEW/2017/10. No.58

図7

音源と受信センサとの角度を考慮した位置標定

部の赤い領域を標定する際には、対向側にある性を得やすいからである。図 8 に理論値と実測値AE センサ（赤丸）を用いる。

を示す。図 8 より、実測値と理論値では 90°まで近似した値となっており、特に 60°までは非常に5.2 水中伝播波の指向性近い値である。この結果より、本タンクにおいては、解析に用いる受信センサを決めるためには、水AE の発信源と受信センサとの角度が 0 ～ 60°にお中伝播波の指向性を考慮する必要がある。指向性いて水中伝播波を得られると考えた。とは、音が横に広がらないで目的の方向にすべての音エネルギーが、1 本のビームとなり直進する度合である。振動子の中心軸方向を 0°としたときの傾き角は、最も大きい音圧となる。この傾き角が大きくなると次第に音圧は弱くなり、最終的に 0 となる。音圧が 0 になったときの角度を指向角という。以下の式（1）より、指向角は振動子の直径に反比例し、波長に比例する。
j 0 ≈ 70C
l= 70( °)DE fDE（1）

図 8 発信源・受信センサの角度と相対エコー高さ

j0：指向角（°）
5.3 エリア標定

DE：振動子の直径（mm）
C ：波長（mm）

VisualAE（Vallen 社製）を用いて、位置標定をl ：波長（nm）する領域を決めた。図 9（a）より、タンクを横方  f ：周波数（Hz）

向から見たときは、3 つの領域とした。また（b）

指向角が大きければ指向角は鈍いといい、小さより、タンクを注水側から見たときは、4 つの領ければ鋭いという。

域とした。これらの領域をそれぞれ組み合わせ、発信源を VS150-RIC（振動子直径 f20）
、受信セ計 6 つの領域（① A-1 and B-1、② A-2 and C-1、③ンサを AE144A（振動子直径 f10）として、発信源・

A-3 and B-1、④ A-1 and B-2、⑤ A-2 and C-2、およ受信センサの角度と相対エコー高さの関係を理論

び⑥ A-3 and B-2）とした。図 10 に組み合わせた値として算出した。なお、f20 の VS150-RIC を発6 つの領域を示す。また、この位置標定法をエリ信源としたのは、f10 の AE144A と比べ振動子径ア標定と呼ぶことにした。

が大きく、指向性が鋭いため、水中伝播波の指向—38—

（a）タンクを横方向から見たときの三つの領域（b）タンクを注水側から見たときの四つの領域（A-1、A-2、A-3）（B-1、B-2、C-1、C-2）

図9エリア標定（ポリゴンプロセッサー）

図 106 つの領域

5.4 水中伝播波による 3 次元位置標定結果のセンサによって位置標定されている。

5.3 節で示した 6 つの領域は、それぞれ指定した

図 11 および図 12 に 3 次元位置標定結果を示す。

センサによって、位置標定された。例えば、図 7

図 11 は、すべての計測データを用い、領域分割における、タンク上部の赤い領域ならば、図 10 にも行っていない結果であり、図 12 は、エリア標おける領域②（A-2 and C-1）に該当し、ch6 ～ 12定による結果である。各図の（a）は、横軸に X（a）タンクを横方向から見た場合（X-Y 方向）（a）タンクを横方向から見た場合（X-Y 方向）（b）タンクを注水側から見た場合（Z-Y 方向）（b）タンクを注水側から見た場合（Z-Y 方向）

図 11

すべてのデータによる 3 次元位置標定

図 12—39—

エリア標定による 3 次元位置標定
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方向、縦軸に Y 方向として注排水口側を左側と過程を示す。図 13 より、き裂が損傷箇所端部から、した平面図である。（b）は横軸に Z 方向、縦軸タンクの周方向に進展していることが確認できに Y 方向として注排水口側から見た平面図であた。Press-test No.4 では破壊したとき、損傷箇所る。図中の緑点が位置標定された結果であり、こを中心として、周囲の CFRP が剥がれた。損傷幅

れらの位置が AE の発信源を示している。の胴回りの CFRP が膨らみ始め、25MPa では、表

図 11 より、標定結果がタンク上部に集中して面の CFRP が一部剥離した。最終的には、29MPaいることがわかる。しかしながら、本来 AE が発到達時に、その剥離が両側に広がり、破壊したこ生することのないタンク外や水中においても多数とが確認できた。の結果がある。一方、図 12 では、タンク内外の6. おわりに標定結果がなくなり、タンク上部に集中していることがわかる。

炭素繊維巻き厚が 6mm の CFRP 製タンクの水

これらの結果より、水中伝播波による 3 次元位耐圧試験において、昇圧により損傷が進展する際置標定において、以下の知見を得た。に発生し、水中を伝播した AE による 3 次元位置

（1）水耐圧試験中において、水中を伝播する AE標定を実施した。その結果、水中を伝播する AE信号を用いて 3 次元位置標定が可能である。

信号のみを使用する 3 次元位置標定（エリア標定）（2）エリア標定により、表面伝播波と水中伝播波を行うと、精度が良くなると言う知見を得た。本を良く分離でき、精度の良い標定結果が得られる。

稿 は 定 性 的 な 評 価 に と ど ま っ て い る が、 今 後CFRP 材の破壊機構を把握し、位置標定が適用で5.5 破断時におけるタンクの破壊過程きる損傷の大きさを検討していきたい。

図 13 に Press-test No.4 に お け る タ ン ク の 破 壊

図 13

Press-test No.4 におけるタンクの破壊過程—40—

（5） S. Murakami, K. Homma, T. Koike and M. Yamada：

参考文献

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Society for Mechanical Engineers, Latest edition（6） 中村英之、荒川敬弘、関根和喜、笠井尚哉、（2） ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section V,

前田守彦、鈴木裕晶：タンク AE 計測におけArticle 11, “Acoustic Emission Examination of

る液滴ノイズの識別及び除去方法の検討、圧Fiber Reinforced Plastic Vessels”, American

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Society for Mechanical Engineers，Latest edition（7） 中島富男、川﨑拓、佐藤明良：薄肉 CFRP 圧（3） 一般社団法人日本高圧力技術協会編：HPIS

力容器耐圧試験における AE 音源位置標定にG 110 TR 2005、AE 法による石油タンク底部関する実験的考察、日本機械学会論文集 A 編、の腐食損傷評価手法に関する技術指針、社団

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法人日本高圧力技術協会、2005 年（4） 金子敦史、竹本幹男：液体貯蔵円筒タンクのスティック・エミッション試験Ⅱ、社団法人

AE 伝 播 挙 動、 非 破 壊 検 査、Vol.51、No.11、日本非破壊検査協会、2008 年、p.8

2002 年、pp.718-725

研究開発センター
研究開発グループ研究開発センター センター長
工学博士 技術士（建設部門）
P. E.（Civil Eng.）
芝浦工業大学大学院非常勤講師

福本伸太郎

西土 隆幸

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

フェロー
工学博士

検査事業部
技術部

荒川 敬弘

大森 真実

TEL. 045-791-3550
FAX. 045-791-3555

TEL. 045-791-3523
FAX. 045-791-3547

検査事業部
技術部

大森 征一
TEL. 045-791-3523
FAX. 045-791-3547—41—

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