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INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-14

鋳造ステンレス鋼配管溶接部における軸方向き裂の大型探触子による検出性評価
An evaluation of detection ability of ultrasonic testing with a large aperture transducer
for axial cracks in cast stainless steel pipe welds
西川嘉人 (Yoshito Nishikawa)＊ 1

石田仁志 (Hitoshi Ishida)＊ 1

黒住保夫 (Yasuo Kurozumi)＊ 2

要約 加圧水型軽水炉の 1 次冷却材管等に使用されている鋳造ステンレス鋼は，その結晶構造により超音波の減衰や散乱が大きいため，超音波探傷試験は困難であるとされている．本研究では，これまでに INSS で開発した大口径集束 2 振動子探触子を用いた自動超音波探傷法を，鋳造ステンレス鋼中の溶接線を横切る疲労き裂に適用し，欠陥検出性について検証した．板厚 69mm に対する目標き裂深さ 6％のき裂は検出が可能で，目標き裂深さ 10％以上のき裂は，全ての探傷条件でき裂の検出が可能であった．
キーワード

超音波探傷，鋳造ステンレス鋼，大型探触子，疲労き裂，1 次冷却材管

Abstract
Ultrasonic testing is difficult to apply to cast stainless steel which is the materialof the main coolant pipes in pressurized water reactors, because of the large attenuation andscattering of ultrasonic waves caused by its macro structure. In this study, ultrasonic testing for
progression of axial fatigue cracks of a welded area in the test piece of cast stainless steel pipe was
performed using double big-size ultrasonic probes which were formerly developed in INSS. It
was found that detection of defects that were over 6％ of the target depth for the specimen
thickness of 69mm is possible, and detection of defects with over 10％ of the target depth ispossible for all test conditions.
Keywords

1.

ultrasonic testing, cast stainless steel, big-size probe, fatigue crack, main coolant pipe

緒言ること，特定の深さの感度を向上させるため送受信振動子を分割配置すること，超音波を集束させることが加圧水型軽水炉の 1 次冷却材管等に鋳造ステンレス有効であり，これまで INSS において，送受信分割型鋼が使用されている．鋳造ステンレス鋼は優れた耐食とし超音波を集束させた大口径集束 2 振動子探触子を性，溶接性を有するが，製造時の冷却過程において非開発し，1 次冷却材配管を模擬し製作した試験体の鋳常に大きな柱状晶が成長し，この巨大な結晶粒とその造ステンレス鋼溶接部付近に導入した周方向疲労き裂異方性が超音波の著しい散乱を発生させるとともに，の欠陥検出性を検証し，高い検出性能が確認できた

超音波ビームの方向を変更させるため，欠陥信号の(1)(2)．

SN 比の低下による欠陥識別性の低下や，欠陥位置のこれまでに周方向溶接部の溶接線に沿った疲労き裂誤認等を発生させることから，鋳造ステンレス鋼の超について検討を行ってきたが，本研究では先に述べた音波探傷検査は困難であるとされている．

大口径集束 2 振動子探触子を使用した自動超音波探傷

鋳造ステンレス鋼材に対して超音波探傷検査を行う

法を，鋳造ステンレス鋼配管の溶接線に直交する軸方ためには，結晶異方性の影響を小さくするため縦波モ

向疲労き裂に適用し，信号強度について評価した．

ードの超音波を使用すること，散乱減衰の影響を小さくするため 0.5〜1MHz の低周波数の超音波を使用す＊1＊2(株)原子力安全システム研究所 技術システム研究所
元(株)原子力安全システム研究所 技術システム研究所

現在(株)原子力エンジニアリング

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2.

試験体および試験方法

183

すき裂深さを目標値として設定し， 5 回疲労試験を実施し，各疲労き裂を付与した後超音波探傷試験を実2.1 軸方向疲労き裂試験体施した．疲労き裂の深さは試験体を切断して破面観察しないと正確な値は得られないが，内面からの電位差1 次冷却材管セーフエンド溶接部を模擬したステン測定法（EP 法）およびフェーズドアレイ超音波探傷レス鋳鋼遠心鋳造管とステンレス圧延鋼管の周方向溶法（PA-UT 法）でき裂深さを確認している．なお，接部に軸方向き裂を導入した試験体を使用した．表 1

本研究では，正確なき裂深さが得られていないため，に軸方向疲労き裂試験体の仕様を，図 1 に試験体の概略図面および写真を示す．

表1疲労き裂は，疲労試験機を用いて 3 点曲げにより，材質管内面の溶接部中央に溶接線に直交する軸方向に導入した．疲労き裂を導入するため，試験体に延長材を取形状・寸法り付けている．

欠陥種類
欠陥方向

疲労き裂を導入するための疲労試験は，図 2 に示すように 3 点曲げで繰り返し荷重を負荷した．表 2 に示

軸方向疲労き裂試験体の仕様

ステンレス鋳鋼(CF-8M)遠心鋳造材
ステンレス鋼圧延配管材(SUS304)
直管からの切り出し材(溶接接合)
L353×W400mm×t 69mm (418mmR)
疲労き裂
軸方向

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(a)

試験体概略図（延長材の部分は省略)⑂ປࡁ⿣䠄ୗ㠃䠅㻌✺ྜࡏ⁐᥋㒊

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図1試験体写真

軸方向疲労き裂試験体概略図および写真㺽㸦&)0㸦㸧ࢫࢸࣥࣞࢫ㗪㗰ᮦ

184

INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-143 Ⅼ᭤ࡆ⧞㏉ࡋⲴ㔜㈇Ⲵ
図2

表2
項目
目標深さ

初回
6%t(4.0mm)

疲労試験要領疲労き裂の目標深さ

第2回
8.4%t(5.8mm)

目標値である目標き裂深さに基づいて評価した．

第3回
10%t(6.9mm)

2.3

第4回
13%t(9.0mm)

第5回
16%t(11.0mm)

試験方法

今後疲労き裂破面の開放を予定しているが，各段階でのき裂深さを破面の開放後に確認するため，疲労き本研究で使用した装置の概要および写真を図 4 に示

裂導入時にビーチマークを合わせて導入し，疲労の進す．本研究においては，疲労試験体の自動超音波探傷展状況を確認できるようにしている．

を行うため，試験体探傷面を水没させることで接触媒質として水を使用し，XY スキャナーを用い探触子を

2.2

超音波探触子配管の周方向に往復させることで軸方向き裂を周方向に走査し，往復する毎に一定間隔で軸方向に移動させ鋳造ステンレス鋼の超音波探傷検査を行うために，る 縦 方 形 走 査 を 行 い，周 方 向 140mm × 軸 方 向前述のように大口径集束 2 振動子探触子を用いた．表

120mm の範囲で，配管外周から内周のき裂を探傷し3 および図 3 に探触子の仕様と写真を示す．本研究でた．

は，表 3 に示すように 4 種類の曲率をもった振動子と送受信器およびデータ処理装置として Zetec 社製の5 種類の屈折角を変えたくさび（ウェッジ）を組み合

超音波探傷装置 DYNARAY と制御・データ収集ソフ

わせた 20 種類の探触子を用いて試験を行った．

ト Ultra Vision を使用した．これにより，探触子との超音波信号の送受信を行うと同時に探触子位置情報も採取し，位置情報とともに各位置での受信波形（振幅᣺ືᏊ㸦㏦ಙ⏝㸧᣺ືᏊ㸦ཷಙ⏝㸧ࡃࡉࡧ㸦࢙࢘ࢵࢪ㸧

図3探触子写真

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表3185

探触子の仕様形式

縦波斜角 2 振動子

外形寸法
周波数

100 × 100 × 80mm
0.5MHz振動子形状

球面型（曲率は 4 種類）

屈折角33〜40°の 5 種類䝇䜻䝱䝘䞊ไᚚ䝴䝙䝑䝖
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(a)

装置概略図

(b)

装置写真

㻼㻯

図 4 装置概要および写真−時間データ）をパーソナルコンピュータに保存し探触子から発信され斜角で入射した後に，き裂等で反た．保存した探傷データを制御・データ収集ソフトで射され探触子で受信された超音波の時間（探触子から画像表示し，き裂の検出性の評価を行った．の距離）と振幅（信号強度）の関係を示す受信波形をき裂検出性を評価するため，き裂面と底面から構成示し，B スコープは探触子移動方向から投影した信号されるコーナー部から反射した受信信号（コーナーエ

強度を，C スコープは上面から投影した投影した信号コー）の振幅や SN 比を比較評価した．

強度を，D スコープは端面から投影した信号強度を

図 5 に探傷データ表示画像例を，図 6 にデータ表示
画像の B，C，D スコープの概念を示す．探傷データは画像表示すると，図 5 のように A，B，C，D スコープで表示される． A スコープは探傷位置において示している．図 6 に各方向の関係を示している．

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C ࢫࢥ࣮ࣉD ࢫࢥ࣮ࣉḞ㝗䝁䞊䝘䞊䜶䝁䞊㻌῝䛥᪉ྥ㻌᥈ゐᏊ㉮ᰝ᪉ྥ䠄࿘᪉ྥ䠅㻌䠝䝇䝁䞊䝥䛻䛿㉥䜹䞊䝋䝹఩⨨䛾ཷಙಙྕ䛜⾲♧䛥䜜䜛㻌

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図 5 探傷データ表示画像例㉮ᰝ᪉ྥC䝇䝁䞊䝥᥈ゐᏊ㉸㡢ἼD䝇䝁䞊䝥ᮦᩱ⁐᥋㒊
B䝇䝁䞊䝥
図63.

データ表示画像の B，C，D スコープの概念

試験結果

さ 6％ t の一部条件でコーナーエコーの識別ができなかった（表中×印）が，その他では全ての条件で全て3.1

試験結果概要の探触子でコーナーエコーが識別でき（表中○印），検出は可能であった．図 7〜図 11 に各目標深さにお表 4 に目標き裂深さ 6％ t におけるコーナーエコーける探傷データの表示画像の代表例を示す．

検出可否の結果を示す．探傷試験の結果，目標き裂深
表4屈折角Ａ屈折角Ｂ屈折角Ｃ屈折角Ｄ屈折角Ｅ

コーナーエコー検出可否（目標き裂深さ 6%t)

探触子曲率Ａ○○○○○

探触子曲率Ｂ○○○○○

探触子曲率Ｃ○○○○○

探触子曲率Ｄ×○○○○※目標き裂深さ 8.4% 以上では，全ての探触子で検出可能であった．
探触子曲率および屈折角は，小さい値から順にＡ〜Ｅ（Ｄ）としている．

INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-14C ࢫࢥ࣮ࣉD ࢫࢥ࣮ࣉB ࢫࢥ࣮ࣉA ࢫࢥ࣮ࣉ図7

図8

目標深さ 6%t 疲労き裂探傷データ表示画像例（探触子曲率 A，屈折角 D，SN 比 2.7)

C ࢫࢥ࣮ࣉD ࢫࢥ࣮ࣉB ࢫࢥ࣮ࣉA ࢫࢥ࣮ࣉ目標深さ 8.4%t 疲労き裂探傷データ表示画像例（探触子曲率 A，屈折角 A，SN 比 4.1)

187

188

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図9C ࢫࢥ࣮ࣉD ࢫࢥ࣮ࣉB ࢫࢥ࣮ࣉA ࢫࢥ࣮ࣉ目標深さ 10%t 疲労き裂探傷データ表示画像例（探触子曲率 C，屈折角 E，SN 比 6.8)

C ࢫࢥ࣮ࣉ

D ࢫࢥ࣮ࣉB ࢫࢥ࣮ࣉA ࢫࢥ࣮ࣉ図 10

目標深さ 13%t 疲労き裂探傷データ表示画像例（探触子曲率 C，屈折角 E，SN 比 10.2)

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C ࢫࢥ࣮ࣉD ࢫࢥ࣮ࣉB ࢫࢥ࣮ࣉA ࢫࢥ࣮ࣉ

図 11

189

目標深さ 16%t 疲労き裂探傷データ表示画像例（探触子曲率 C，屈折角 E，SN 比 10.0)

3.2 試験結果の評価変えて表示しており，値の小さいものから大きくなる順にＡからＥとしている．目標き裂深さ 10％ t 以上

図 12 に疲労き裂の最大エコー高さを示す．エコー

では規格化したエコー高さが 31.8 以上と高くなって高さは，試験体には基準となる直径 4.8mm の横穴をいる．屈折角 D と E の結果のばらつきが大きいが，設 け て お り，鋳 造 ス テ ン レ ス 鋼 の 配 管 外 表 面 か ら

屈折角 B から E では屈折角が大きくなるに従い，エ3/4t の位置の穴からの最大エコー高さを 100 としてコー高さが高くなる．屈折角 A の結果は屈折角 B の規格化した相対値であるエコー高さを各探触子で求め結果よりエコー高さが高めで，他と異なる傾向があたものとしている．図は探触子の屈折角ごとに記号をる．

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図 12

疲労き裂の最大エコー高さ㻝㻡㻞㻜

190

4.

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結言
鋳造ステンレス鋼溶接部の軸方向疲労き裂に対し，

大型 2 振動子探触子を用いた自動超音波探傷により検出性評価を実施した．
目標き裂深さ 6％ t（4mm）のき裂では，一部の条件で検出ができなかったが，その他の条件では全て検出ができた．
目標き裂深さ 10％ t（6.9mm）以上のき裂では，規格化したエコー高さが 31.8 以上あり，全ての条件でき裂の検出が可能であった．
本研究ではき裂の検出性について評価したが，今後，引き続き疲労き裂を進展させ信号強度について評価していくとともに，疲労き裂破面の切断調査を行ったうえで，深さのサイジングについても検討を行い，長さのサイジングと合わせて評価を行っていく予定である．

参考文献（１）黒住保夫，“鋳造ステンレス鋼の超音波探傷技術：鋳造ステンレス鋼試験片中疲労欠陥の深さ・長さ測定―端部エコー法による深さサイジ
ン グ（寸 法 測 定）―”，INSS Journal, Vol.12,p.251 (2005).
（２）黒住保夫，“鋳造ステンレス鋼の超音波探傷検査技 術 の 開 発” , INSS Journal, Vol.7, p.159(2000).