INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-13

183

レーザー超音波可視化装置による配管内面き裂の効率的超音波探傷法
An Efficient Method for Detecting Piping Inner Surface Cracking
Using a Laser Ultrasonic Visualizing Inspector
黒住

保夫 (Yasuo Kurozumi)＊ 1

高坪

純治 (Junji Takatsubo)＊ 2

江淵

高弘 (Takahiro Ebuchi)＊ 3

要約 原子力プラントの配管においては，プラントの運転中に種々の要因で発生する局部的な温度変動が原因で，高サイクル疲労が発生することがある．この高サイクル疲労に特徴的なことは，発生するき裂の向きおよび場所が，その時々の環境条件に強く影響を受けることにより，予測できないことである．このような事例の検査については，超音波探傷法を用いるのが一般的である．
しかし，超音波探傷法は検査範囲が超音波探触子の正面に限られているため，配管の広い範囲について 360°方向の検査をする必要がある上，検査自体の信頼性が低い．本研究では，このような方向の特定できないき裂を検査する方法として，独立行政法人産業技術総合研究所が開発したレーザー超音波可視化装置の適用性を検証した．その結果，種々の向きのき裂を効率的に検知できることがわかった．
キーワード

レーザー可視化，超音波探傷，疲労き裂

Abstract
In nuclear power plants, local temperature fluctuations that occur due to various
factors during plant operation may cause high-cycle fatigue in pipes. A typical feature ofhigh-cycle fatigue is that the orientation and location of cracking are difficult to predict because
the occurrence of cracking is strongly affected by changes in environmental conditions. Althoughultrasonic testing is generally used to detect flaws caused by high-cycle fatigue, the applicablerange of conventional ultrasonic testing is limited to the front area of the transducer, and so thescanning must be performed for 360°wide around the piping. Moreover, the conventional
ultrasonic testing device itself is not reliable. This study verified the applicability of the laser
ultrasonic visual inspector developed by the National Institute of Advanced Industrial Science andTechnology, which can detect cracking whose orientation is difficult to identify. The results
showed that the system can efficiently detect cracks in various orientations.
Keywords

laser ultrasonic visualizing, ultrasonic inspection, fatigue crack

1. 緒言

管の曲り部において，高温水と低温水の熱成層境界面が存在し，この温度変動による高サイクル疲労割れが

原子力プラントの配管においては，その起動停止に発見された．(1)これを受けて，原子力安全･保安院か伴う系統の熱過渡による疲労のほかに，プラントの運ら類似箇所に対し，検査を行うよう指示が出された．

転中に種々の要因で発生する局部的な温度変動が原因

具体的には，このような高サイクル疲労の発生の恐れ

で，高サイクル疲労が発生することがある．この高サのある領域に対し，非破壊検査として超音波探傷検査

イクル疲労に特徴的なことは，発生するき裂の向きを行う場合，き裂に対して直角に超音波が入射されるが，その時々の環境条件に強く影響を受けることによように探触子の向きを調整し，き裂の進展方向が予測

り，予測できないことである．

困難な場合は，360°方向の超音波探傷検査を行うこと

至近の例では，2007 年に玄海 2 号機の余剰抽出配
＊1
＊2
＊3

元(株)原子力安全システム研究所 技術システム研究所
元(独)産業技術総合研究所 計測フロンティア研究部門
非破壊検査(株) 技術本部 安全工学研究所とされた．(2) この指示に基づき，手探傷による超音

現在(株)原子力エンジニアリング
現在つくばテクノロジー(株)184INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-13

波探傷検査が行われた．このように広い範囲を 360°

管試験体を製作した．各試験体の内面には，方向を変方向手探傷するのには，大変な労力がかかる．しかもえた放電加工スリットを導入した．表 1 に製作した試

当該箇所は，原子力発電所の心臓部に近接しており，

験体の一覧表を示す．図 1，2 に，製作した試験体の作業エリアの放射線空間線量率が高いので，このよう例を示す．

に手間のかかる検査は，被ばく低減の観点からは好ま

2.2

しくない．

試験装置

その後，各発電所において対策工事が行われた．しかし，今後同様なトラブルが発生した場合に備え，よ(独)産業技術総合研究所が開発したレーザー可視化

り効率的な検査法を検討する必要がある．一方，(独)装置は，配管などの材料表面にパルスレーザーを走査

産業技術総合研究所においては，パルスレーザーを材させ，表面の熱ひずみにより発生した超音波が材料中

料表面に照射して超音波を発生させ，他方で受信したを伝播する様子を別に配置した超音波探触子で受信し超音波をリアルタイムで映像化し，材料内のき裂等ので映像化するものである．この超音波伝播映像が部材欠陥を即座に検出するレーザー可視化装置が開発され損傷により変化することから，き裂や腐食等の欠陥をた．(3)(4)

即座に検出・評価しようというものである．図 3 に，本研究では，このレーザー可視化装置を利用して，装置の概略図を示す．小型パルスレーザーから周期的

様々な方向に進展したき裂を効率的に検出できるか検に発信されたレーザー光を被検体表面で高速走査させ証するため，配管軸方向に対して傾きを持たせたき裂

る．各走査点では急激な熱ひずみによって超音波が発を有する試験体を用いて実験した．

生し，その伝搬波形を配管の一方に取り付けた超音波
探触子で検出する．レーザー照射範囲は，き裂の位置

2. 試験体および試験装置

を中心に，縦横 100 × 300mm または 100 × 600mmとし，レーザー照射ピッチは 1mm である．

2.1

試験体

信号の検出には，中心周波数 1MHz の垂直探触子と斜角探触子ならびに中心周波数 100kHz の AE セン

実機トラブル発生個所を模擬した長さ 2000mm，外サーを用い，配管端部に設置した．受信探触子とき裂

径 100mm，肉厚 8.6mm の SUS304 ステンレス鋼配との距離は，700mm である．表 2 に，使用した探触管試験体とその中央部に溶接を施したステンレス鋼溶子を示す．受信探触子は，き裂の正面に配置されてい接配管試験体，ならびに比較のため同形状の炭素鋼配るときに，最もよく信号を検出する．本研究では，図表1使用した試験体

材質

寸法(L × D × t, mm)

炭素鋼配管試験体

STPG-370

2000 × 100 × 8.6

EDM スリット，3 個(0°方向，45°方向，90°方向)
25L × 4.3d(50%t)× 0.5w(mm)2炭素鋼配管試験体

STPG-370

2000 × 100 × 8.6

EDM スリット，3 個(0°方向，45°方向，90°方向)
25L × 2.2d(25%t)× 0.5w(mm)3ステンレス鋼配管試験体

SUS3042000 × 100 × 8.6

EDM スリット，3 個(0°方向，45°方向，90°方向)
25L × 4.3d(50%t)× 0.5w(mm)4ステンレス鋼溶接配管試験体

SUS3042000 × 100 × 8.6

EDM スリット，2 個
0°方向(溶接線から 25mm，100mm)
25L × 4.3d(50%t)× 0.5w(mm)5ステンレス鋼溶接配管試験体

SUS3042000 × 100 × 8.66ステンレス鋼溶接配管試験体

SUS3042000 × 100 × 8.6

No.

試験体

1

欠陥

EDM スリット，2 個
0°方向(溶接線から 50mm，75mm)
25L × 4.3d(50%t)× 0.5w(mm)EDM スリット，2 個
45°方向(溶接線上 , 溶接線から 50mm)
25L × 4.3d(50%t)× 0.5w(mm)INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-13࿘᪉ྥḞ㝗r᪉ྥḞ㝗㸧

185㍈᪉ྥḞ㝗r᪉ྥḞ㝗㸧 ᗘ᪉ྥḞ㝗

r
r

PP
PPPPPP

図1

炭素鋼配管試験体 No.1

㽲

㽲
㽳

ṁធㇱ

45㫦ᣇะᰳ㒱㽳
50

1000mm
2000mm

図2

ステンレス鋼溶接配管試験体 No.6

ฃାត⸅ሶ

Ⴧ᏷ེ

㈩▤⹜㛎૕
ାภ෼㍳

ዊဳ䊌䊦䉴䊧䊷䉱䊷
⊒ାེ
2ゲ䊚䊤䊷

PC
೙ᓮ

図 3 レーザー可視化装置の概略図

186

INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-13

䐡
䐢

ヨ㦂య

䐠

᥈ゐᏊ
䐣

Y
ࡁ⿣

䐟

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X

0

䐦
䐥

࣮ࣞࢨ࣮↷ᑕ⠊ᅖ(a) ཷಙ᥈ゐᏊ఩⨨ࡢᙳ㡪ࢆㄪ࡭ࡿ࡜ࡁࡢ㓄⨨
ヨ㦂య

᥈ゐᏊղ

Y

᥈ゐᏊձ

ࡁ⿣

X

0

࣮ࣞࢨ࣮↷ᑕ⠊ᅖ(b) 㔜ࡡྜࢃࡏຠᯝ☜ㄆࡢ᫬ࡢ㓄⨨
図4使用した探触子
品番
V539
AE104

垂直探触子
AE センサー周波数
1MHz
100kHzY-axis(mm)表2

受信探触子の配置

50
100

50 100 150 200 250 300 350 400
X-axis(mm)⹜㛎૕Y-axis(mm)(a) ේᵄᒻ

50
100

50 100 150 200 250 300 350 400
X-axis(mm)࡟࡯ࠩ࡯⊒኿⿛ᩏⵝ⟎図5

Y-axis(mm)(b) Ꮕಽಣℂᵄᒻ50100

試験状況写真4(a)に示すように，き裂の正面から配管の周囲に 8 個

100

200
300
400
X-axis(mm)500(c) ᦨᄢᝄ᏷↹㕙
図6

進行波の差分処理および最大振幅の表示の探触子配置と，図 4(b)に示すように，き裂の正面(探触子①)と，これと 90°ずれた配管上部(探触子②)存在する．(a)には，通常の超音波探傷試験におけるの 2 箇所の受信探触子配置で試験した．図 5 に試験状

送信信号に相当する伝送波が含まれており，これを差況を示す．ただし，装置の制約上，同時にデータ採取

分処理する必要がある．差分処理した画像が(b)であ可能なチャンネル数は，2 である．

り，き裂からの反射波が観察される．この差分画像の各レーザー照射点から発生した超音波の球面波は，可視化装置によりレーザー照射領域を伝わる様子が表示される．図 6 に可視化画像を示す．図 6(a)，(b)は，ある時間における画像を示す．画面中央にき裂が振幅最大値を表示したものが(c)であり，中央のき裂が検出されている．

INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-13

3. 試験結果

187

照射範囲の各点についてき裂からの反射波の最大値の画像化データである．図の上から，それぞれ管軸方向

3.1 き裂方向および受信探触子位置が検出性に与える影響に対する傾斜角 0°，45°，90°のき裂の検出結果である．受信探触子に対して正面を向いている傾斜角 0°
のき裂場合，非常に鮮明に検出している．傾斜角 45°

図 3 に示したレイアウトでは，個々のレーザーの照

のき裂についても，検出は可能である．しかし，受信

射点から発生する球面波がき裂に反射し，このうち配探触子の方を向いていない傾斜角 90°のき裂について

管軸方向に進んだものを受信することになる．したがは，検出できなかった．予想どおり，き裂が探触子にって，き裂が受信探触子の方を向いている方が受信し対して傾きを持つと，検出性が悪くなった．

やすいことと，受信探触子が正面側にある方が受信し

図 8 は，傾斜角 0°，45°のき裂に対して探触子が①やすいことは，容易に想像できる．そこで，最初に炭から⑧の位置にあるときの検出信号の最大値をプロッ

素鋼配管試験体 No.1 を用いて配管軸方向に対するきトしたものである．傾斜角 0°のき裂の場合，探触子

裂の傾きと受信探触子の位置と受信強度の関係を調べがレーザー照射方向を向いている①にあるときと，反た．

対側の⑤にあるときに振幅が大きくなっている．一方

図 7 は，受 信 探 触 子 と し て 用 い た 垂 直 探 触 子(V539)の位置が図 4(a)の①にある場合に，レーザー

傾斜角 45°のき裂の場合，もともと振幅が小さいが，探触子の位置による変化は少ない．

Y-axis(mm)

図 9 は，①から⑧の各探触子位置で受信した検出信号の，き裂の方向に対する SN 比をプロットしたもの
(0㫦)

50
100

100

200

300
400
X-axis(mm)500である．傾斜角 0°のき裂に対して傾斜角 45°のき裂は，大きく SN 比が低下している．傾斜角 90°のき裂
は，検出不能である．また，傾斜角 0°のき裂では，

Y-axis(mm)Y-axis(mm)

探触子の位置による SN 比の変化が大きいが，傾斜角45°のき裂では探触子の位置によるちがいはほとんど

50
100

(45㫦)
100

200

300
400
X-axis(mm)

500

3.2

50
100

図7

(90㫦)
100

200

300
400
X-axis(mm)

き裂深さが検出性に与える影響について，き裂の深No.2 を用いて，炭素鋼配管試験体 No.1 のデータと䎜䎓 䎃䎃䎛䎓䎃䎃䎗䎓

比 較 す る こ と に よ り 検 証 し た．探 触 子 は，試 験 体
No.1 と同様，垂直探触子(V539)を用いている．図

ᦨᄢ୯
ᐔဋ୯

䎙䎓

䎃䎃䎙䎓
䎔䎘䎓

き裂深さが検出性に与える影響

さが配管肉厚の 25% である表 1 の炭素鋼配管試験体

500

炭素鋼配管試験体 No.1 の検出結果（最大振幅画
像）

䎔䎕䎓

ない．

䎔䎕䎓

䎃䎃䎗䎓

䎔䎛䎓

䎓

䎖䎖䎓

䎕䎔䎓

䎖䎓䎓
䎕䎚䎓

(0㫦)
図8

䎖䎓

䎃䎃䎕䎓

䎃䎃䎕䎓

䎕䎗䎓

ᦨᄢ୯
ᐔဋ୯

䎙䎓

䎃䎃䎙䎓
䎔䎘䎓

䎖䎓

䎜䎓 䎃䎃䎛䎓

䎔䎛䎓

䎓

䎖䎖䎓

䎕䎔䎓

䎕䎗䎓

䎖䎓䎓
䎕䎚䎓

(45㫦)

受信探触子の位置が検出性に与える影響（最大振幅のグラフ）

188

INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-13

54
ഴᩳゅ0㼻䛾䛝⿣3

ഴᩳゅ45㼻䛾䛝⿣2

ഴᩳゅ90㼻䛾䛝⿣

ᖹᆒ್

1
0

図 9 き裂の方向が検出性に与える影響（SN 比の変化）

54
3Ⅳ⣲㗰50%t䛝⿣Ⅳ⣲㗰25%t䛝⿣
Ⅳ⣲㗰
䛝⿣
ᖹᆒ್
Ⅳ⣲㗰
䛝⿣

2
1

ᖹᆒ್

0

(a) 䛝⿣ഴᩳゅ0㼻

5
4

Ⅳ⣲㗰
䛝⿣
Ⅳ⣲㗰
䛝⿣
Ⅳ⣲㗰50%t䛝⿣ᖹᆒ್Ⅳ⣲㗰25%t䛝⿣

3
2

ᖹᆒ್

1
0

(b) 䛝⿣ഴᩳゅ45㼻

図 10

き裂深さの違いによる SN 比の変化

10 は，傾斜角 0°，45°のき裂に対して，その深さが配3.3

配管の材質が検出性に与える影響

管肉厚の 50%，25% のときの SN 比を比較したものである．傾斜角 0°のき裂では，深さが小さくなるとと実機の配管はステンレス鋼製である．一般に炭素鋼

もに SN 比が低下しているが，傾斜角 45°のき裂でよりもステンレス鋼のほうが，結晶粒サイズが大きは，深さが変わっても SN 比はほとんど変わらなかっく，超音波の散乱減衰が大きい．図 11 は，ステンレ

た．

ス鋼配管試験体 No.3 を用いて行った試験の結果である．探 触 子 は，試 験 体 No.1 と 同 様，垂 直 探 触 子(V539)を用いている．図 6 の炭素鋼配管試験体の場

INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-13
὇⚛㍑

189

䈐ⵚ

὇⚛㍑
䈐ⵚ
合と比べ，検出信号の識別性が低下している．
ᐔဋ୯

4.

信号処理，重ね合わせの効果

図 12 は，傾斜角 0°，45°のき裂について，炭素鋼
配管試験体とステンレス鋼配管試験体の SN 比を比較

前章では，単独の垂直探触子(V539)を検出用に用したものである．ステンレス鋼配管試験体の検出信号

いて，炭素鋼配管試験体，ステンレス鋼配管試験体にの SN 比は，傾斜角 0°のき裂については，炭素鋼配より，受信探触子の位置，き裂の方向，き裂の深さ，管試験体の場合と比べかなり低下している．一方，傾試験体の材質がレーザー可視化結果に与える影響につ斜角 45°のき裂については，ステンレス鋼配管試験体

いて検証した．その結果，本方法により，広い範囲にの場合の方が低下するが，それほど大きな低下ではな

種々の方向で発生するき裂に対して，検出可能な範い．

囲，検出可能なき裂方向に制限があるものの，一度にまとめて検出できる見通しを得た．
本章では，この検出性をさらに向上させるために，

Y-axis(mm)Y-axis(mm)

探触子の受信帯域を変えることや，探触子の受信信号の最大値画像化データの信号処理を行うこと，ならび
(0㫦)

50
100

100

200

300
400
X-axis(mm)に複数の探触子の受信信号を重ね合わせることによる検出性向上効果について検討した．

500

受信信号の生データは，①伝送波の差分処理，②レーザーの各照射位置毎の最大値の平面表示により画像
(45㫦)

50
100

図 11

100

200

300
400
X-axis(mm)化されている．この画像化プロセスに対して，下記信号処理の検討を行った．

500①伝送波の差分処理

ステンレス鋼配管試験体 No.3 の検出結果（最大振幅画像）

当初行っていた方法は，各レーザービーム照射点の軸方向 1 ピクセル進む時間を，あらかじめ設定された材料中の超音波の音速に基づき計算し，その時間が経5
4
3

Ⅳ⣲㗰50%t䛝⿣䝇䝔䞁䝺䝇㗰50%t䛝⿣210(a) 䛝⿣ഴᩳゅ0㼻

5
4
3

Ⅳ⣲㗰50%t䛝⿣䝇䝔䞁䝺䝇㗰50%t䛝⿣210(b) 䛝⿣ഴᩳゅ45㼻

図 12

試験体材質の違いによる SN 比の変化

190

INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-13↹௝ಣℂ䈭䈚

50
100

150 200
X-axis(mm)

250

100
150 200
X-axis(mm)

250

100
50

100

150 200
X-axis(mm)

250

300

50

100

150 200
X-axis(mm)

250

300

50

100

150 200
X-axis(mm)

250

300

50
100

300

50

100

50

300

Y-axis(mm)Y-axis(mm)

100

50
100

300

信号処理の効果（垂直探触子，ステンレス鋼配管試験体 No.3，き裂傾斜角 0°）

均，2 次元移動メジアンを用いた．移動平均は，式

100SNᲧ䈏㜞䈒䈭䈦䈢ઙᢙ

250

100

50

図 13

150 200
X-axis(mm)5050⒖േ䊜䉳䉝䊮 5x5

100

Y-axis(mm)Y-axis(mm)50⒖േᐔဋ 5x5⋧੕⋧㑐Ꮕಽ
Y-axis(mm)Y-axis(mm)㖸ㅦ឵▚Ꮕಽ

(2)を用いて作成した．（このとき M,N はピクセルサ

὇⚛㍑

80

イズ）2 次元移動メジアンは，画像ピクセル内の中心䉴䊁䊮䊧䉴㍑

値をピクセル中心位置での画像データとして置き換え

60

た．ピクセルの要素数は，3 × 3，5 × 5，7 × 7 の 340種類実施した．
20

(i, j)=
0

㖸ㅦᏅಽ
図 14



1
∑ ∑ f (i+k, j+l)
(2M+1)(2N +1)  (2)⋧੕⋧㑐Ꮕಽ

図 13 は，垂直探触子(V539)を用いてステンレス鋼

差分法の違いが SN 比に与える効果

配管試験体 No.3 の傾斜角 0°のき裂の検出データに，
これら信号処理を施したものである．差分法の改良，過した後の画像データとの差分を得る方法(音速換算差分)であった．これに対する改良方法として，式(1)を用いて，ある点の波形と配管軸方向に 1 ピクセル進
んだ波形との相互相関を計算し，相関が最大となる kを時間差として補正し差分することとした．(相互相関差分)R ()=1 ∑ (n)・(n+k)(k=0, 1, 2……, N−1)
N 
(1)

②最大値の平面表示に対する画像処理

画像処理により検出信号の識別性が向上している．
図 14 は，炭素鋼配管試験体，ステンレス鋼配管試
験体の全てのデータについて，差分方法の違いが SN
比に与える影響をまとめたグラフである．データによっては，音速換算差分のほうが SN 比が高いケースがあるが，基本的には相互相関差分のほうが SN 比が高かった．
図 15 は，各条件で行った平滑化処理による SN 比向上効果をまとめたグラフである．グラフ中，non は元のデータ，ave3，ave5，ave7 は 3 × 3，5 × 5，7

最大値の平面表示に対する画像処理は，ノイズ除去

× 7 のブロックで移動平均を行ったもの，med3，によく利用されている平滑化処理とし，2 次元移動平

med5，med7 は 3 × 3，5 × 5，7 × 7 のブロックで

INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-13

図 16 は，垂直探触子(V539)を用いてステンレス鋼

16SNᲧ䈏㜞䈒䈭䈦䈢ઙᢙ191

配管試験体 No.3 の傾斜角 0°のき裂を，図 4(b)の①

14
12

὇⚛㍑

10

の位置で受信したデータと，①と②の位置で受信した

䉴䊁䊮䊧䉴㍑8

データを重ね合わせたデータである．いずれのデータ

6も，相互相関差分法，5 × 5 の移動メジアンによる平4滑化処理を施したものである．2 つの探触子のデータ

2を重ね合わせることにより，き裂信号の識別性が向上

0
non

図 15

ave3

ave5

ave7

med3

med5

med7

平滑化処理による SN 比向上効果

している．
これまでのデータは，全て垂直探触子(V539)によるものである．本探触子の周波数スペクトルによれ

Y-axis(mm)ば，信号の帯域は概ね 300〜600kHz であった．き裂と受信探触子の距離は，通常 500mm 以上と想定されるので，その間の超音波の散乱・減衰を考慮すると，

50

周波数の低い方が検出に有利ではないかと想像され

100
50

100

150 200
X-axis(mm)

250

300

る．このため，より低周波数で受信可能な中心周波数
100kHz の AE センサーを用いて比較を行った．図 17(a) ត⸅ሶ㽲න⁛に，ステンレス鋼配管試験体 No.3 の傾斜角 0°のきY-axis(mm)裂に対する受信周波数別の画像データを示す．これらのデータは，5 × 5 移動メジアン画像処理，重ね合わせ処理を施している．AE センサーのデータは，元の50

データに 50-200kHz，200-400kHz の周波数フィルタ

100
50

100

150 200
X-axis(mm)

250

300

(b) ត⸅ሶ㽲䈫ត⸅ሶ㽳䈱㊀䈰ว䉒䈞
図 16 2 つの探触子データの重ね合わせ効果(ステンレス鋼配管試験体 No.3，き裂傾斜角 0°，
5 × 5 移動メジアン)ーを施したものである．3 つのデータを比較すると，
200-400kHz，300-600kHz，50-200kHz の順で識別性が良かった．
図 18 は，同じ条件でデータ取得，画像処理したス
テンレス鋼配管試験体 No.3 の傾斜角 45°のき裂に対する受信周波数別の画像データを示す．傾斜角 0°のき裂と比べ著しく識別性が低下している．特に垂直探移動メジアンを行ったものを意味する．平滑化処理に

触子(300-600kHz)のデータは，き裂の識別がかなり

より，検出信号の SN 比が向上しているが，この中で困 難 で あ る．3 つ の デ ー タ を 比 較 す る と，

特に 5 × 5 の要素ブロックで行った移動メジアンの効200-400kHz，50-200kHz，300-600kHz の順で識別性

果が最も高かった．

が良かった．

つぎに，2 つの探触子で受信した検出信号を重ね合

傾斜角 0°，傾斜角 45°いずれのき裂の場合にも，わせることによる効果について検証した．図 4(b)の200-400kHz の周波数帯域のデータの識別性が最もよ

受信位置①および②で受信した信号を重ね合わせた．

かった．これは，レーザー照射により発信される超音

なお，重ね合わせに当たっては，受信位置がき裂から

波が広帯域であることと，受信探触子までの伝播距離

等距離ではないため，各受信探触子へのき裂からの信が長いことによる．一般に周波数が高いほど，き裂か号到達時間を精度よく測定する必要があるが，位相レら反射しやすい．一方，本実験のように伝播距離が長ベルでの調整は，き裂からの信号が小さい場合困難でい場合，広帯域の超音波の減衰が大きい．この減衰ある．このため，各受信探触子の各レーザー照射点のは，周波数が低いほど小さい．配管形状も含め，今回差分処理後の波形の相互相関を計算し，その最大値がの 試 験 条 件 に お い て は，こ の 両 者 の バ ラ ン ス がき裂からの信号であるとし，これを重ね合わせること

200-400kHz 付近で一番良かったためであると考えらにした．この方法により，各探触子での信号到達時間

れる．

に関係なく，複数信号の重ね合わせを行うことができる．

Y-axis(mm)INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-13

Y-axis(mm)

192

50
100
50

100

150 200
X-axis(mm)

250

300

50
100
50

50
100
50

100

150 200
X-axis(mm)

250

300

Y-axis(mm)Y-axis(mm)

250

100

150 200
X-axis(mm)

250

300

(b) AE䉶䊮䉰䊷(200 - 400kHz)100
150 200
X-axis(mm)

300

100
50

50

100

250

50

(b) AE䉶䊮䉰䊷(200 - 400kHz)50

150 200
X-axis(mm)(a) AE䉶䊮䉰䊷(50 – 200kHz)

Y-axis(mm)Y-axis(mm)(a) AE䉶䊮䉰䊷(50 – 200kHz)

100

50
100
50

300

100

150 200
X-axis(mm)

250

300

(c) ု⋥ត⸅ሶ(300 - 600kHz)(c) ု⋥ត⸅ሶ(300 - 600kHz)

図 17 受信周波数別の画像データ(ステンレス鋼配管試験体 No.3，き裂傾斜角 0°，
5 × 5 移動メジアン，重ね合わせ)

図 18 受信周波数別の画像データ(ステンレス鋼配管試験体 No.3，き裂傾斜角 45°，
5 × 5 移動メジアン，重ね合わせ)

5. 溶接試験体での検証

ついては，溶接部から 25mm 離れておれば，検出可能である．傾斜角 45°のき裂については，溶接線から原子力発電所でのトラブル事例 (1) では，ステンレ
ス鋼配管の溶接部を斜めに横断して疲労き裂が発生し50mm 離れていれば検出可能，溶接線上にある場合，
かろうじて検出可能である．

ていた．このように検査対象となる領域には，溶接部が含まれることがあるため，図 2 に示すような溶接を6.

考察施工したステンレス鋼配管試験体を製作して，溶接部がき裂検出性に与える影響について調べた．き裂の方向，き裂と溶接部の相対位置を考慮し，表 1 の試験体

レーザー可視化装置を用いて，配管内面に発生するき裂の効率的検出法が適用可能か検証した．

No.5, 6, 7 の 3 種類のステンレス鋼溶接配管試験体

最初に，基本的特性として，き裂の方向の影響，きを製作し，試験した．図 19，図 20 に，それぞれ垂直

裂深さの影響，対象配管材質の影響について調べた．

探触子(V539)と AE センサーで試験したデータを示

き裂の方向については，き裂が受信探触子の方向を向す．これらのデータは，5 × 5 移動メジアン画像処

いている傾斜角 0°と比べ，これより 45°傾くと大きく

理，重ね合わせ処理を施したものである．なお，傾斜検出性が低下し，軸方向(傾斜角 90°)き裂について

角 0°のき裂については，溶接部に最も近い 25mm のは，静止画像による検出は困難であった．き裂の深さ位置にあるもの以外は，溶接線から遠く，影響が少なの影響は，配管厚さの 50% と 25% のデータを比較すかったので，試験体 No.4 の 25mm の位置にあるき裂

ると，傾斜角 0°のき裂については SN 比が大きく低のデータのみ紹介する．図中の赤い点線は溶接線中下したが，傾斜角 45°のき裂では元々 SN 比が悪く，心，赤い矢印はき裂位置を表す．傾斜角 0°のき裂にその低下の程度は小さかった．配管材質がステンレス

Y-axis(mm)Y-axis(mm)INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-13

50
100
50

100

150 200
X-axis(mm)250

Y-axis(mm)Y-axis(mm)250

50Y-axis(mm)Y-axis(mm)
250

300

100

150 200
X-axis(mm)

250

300

(b) 45㫦ᣇะ䈐ⵚ䇮ṁធㇱ਄

100
150 200
X-axis(mm)

250

100

300

50

100

150 200
X-axis(mm)50(b) 45㫦ᣇะ䈐ⵚ䇮ṁធㇱ਄

50

100

(a) 0㫦ᣇะ䈐ⵚ䇮ṁធㇱ䉋䉍25mm

100
150 200
X-axis(mm)

100
50

50

100

50

300

(a) 0㫦ᣇะ䈐ⵚ䇮ṁធㇱ䉋䉍25mm

50

193

50
100

300

50

(c) 45㫦ᣇะ䈐ⵚ䇮ṁធㇱ䉋䉍50mm

100

150 200
X-axis(mm)

250

300

(c) 45㫦ᣇะ䈐ⵚ䇮ṁធㇱ䉋䉍50mm

図 19 ステンレス鋼配管溶接試験体の画像データ(垂直探触子 V539，5 × 5 移動メジアン，重ね合わせ)

図 20 ステンレス鋼配管溶接試験体の画像データ(AE センサー，5 × 5 移動メジアン，重ね合わせ)

鋼の場合，予想どおり炭素鋼と比べ検出性が低下したが，傾斜角 45°のき裂でも，かろうじて検出可能であき裂の検出も確認できる場合があったことから，本手った．実機で問題となる配管はステンレス鋼製である

法は，将来再び同様のトラブルが発生した場合に備えことから，基本特性試験より，本手法が適用不可ではて，動画の観察法も含め，さらに検討する価値がある

ないが，さらに検出性向上が必要なことが明らかになと考える．具体的な改良策は，受信探触子の多チャンった．

ネル化の検討および球面波に限らずより多様な超音波

このため，検出性向上策として，平滑化画像処理のを送信できることから，具体的な改良策として，超音

適用，データ重ね合わせ，受信周波数帯域の最適化を

波探触子から送信し，レーザービームで受信する方法行った．これらの向上策により，き裂検出性はかなりの検討などが考えられる．

向上した．実機の配管の状況に最も近いステンレス鋼
溶接配管試験体のデータから，き裂の方向が探触子の7.

結論受信方向に対し，傾斜角 45°以内であれば，検出可能であることがわかった．

溶接部を含む配管の広い範囲に発生し，その方向もしかしながら，傾斜角が 90°である軸方向き裂につ予測できないようなき裂を効率的に検出する方法としいては，静止画像による検出は不可能であった．広いて，レーザーによる超音波可視化装置を利用する手法

範囲に対して方向がわからないき裂の効率的検出法とを検討した．超音波進行方向に対して傾斜角 45°のき

して，本手法が適用可能であることは明らかにできた裂まで検出できることがわかった．

が，実際に適用するには，ステンレス鋼溶接配管試験
体により，傾斜角が 45°より大きい場合の検証と，き謝辞

裂深さが小さい場合の検証が必要である．
また，本報告では紹介していないが，受信信号最大

本研究遂行にあたり，レーザー可視化装置を所有す

値の静止画像ではなく，差分処理後の動画では軸方向

る独立行政法人産業技術総合研究所の高坪純治氏に

194

INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-13

は，装置の操作法等をご指導いただきました．非破壊検査株式会社の江淵高弘氏には，試験，信号処理法を立案・実施いただきました．ここに深甚なる謝辞を表
します．

参考文献
（１）九州電力, 玄海原子力発電所 2 号機第 20 回定期検査の状況について（余剰抽出配管ひび割れの原因と対策）, (2007)（２）原子力安全･保安院, 高サイクル熱疲労に係る
評 価 及 び 検 査 に 対 す る 要 求 事 項 に つ い て,
NISA-163b-07-1, (2007)（３）J Takatsubo, H Miyauchi, K Urabe, H Tsuda, N
Toyama, W Bo, Imaging of Scattered Waves
from Rear Slits by Using a Synchronizing
Differential Method with Laser UT Transactions of the Japan Society of MechanicalEngineers, Series A Vol. 75 No. 750, pp. 211-218(2009)（４）高坪純治,レーザー超音波可視化探傷技術の開発 動画映像による分かり易い探傷法の開発を目
指 し て , 検 査 技 術 Vol. 15(2010)

No. 1

pp. 24-30