INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-13

171

フェーズドアレイ非対称ビーム TOFD 超音波探傷法によるNi 基合金溶接部 SCC の測定（第 2 報）
―曲率のある欠陥開口面および非開口面測定への適用―
Measurement of depth of SCC in Ni based alloy weldment
by a Phased Array TOFD UT Method with asymmetrical ultrasonic beams(Ⅱ)―Application to measurement on the crack sideand the not crack side with nozzle shape―
石田

仁志 Hitoshi Ishida)＊ 1

遠藤賢 (Ken Endoh)＊ 2

北阪純一 (Junichi Kitasaka)＊ 2

要約 2008 年に大飯 3 号機原子炉容器出口管台異材継手部の内面に，軸方向に割れ面が走り，先端が尖鋭な応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking; SCC）が発見された．この割れは，内面側からの探傷に使用されていた従来の超音波探傷法では深さ測定が困難であった．
そのために，容器管台の異材継手部の応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking; SCC）の深さの内面（欠陥開口面）からの測定手法として開発した，① フェーズドアレイ法を用いた非対称超音波ビームによる TOFD(Time of Flight Diffraction) 超音波探傷法，② 異なる複数の屈折角条件による探傷結果を重ね合わせるマルチアングル合成法と組み合わせた評価法について，曲率のある管台内面（欠陥開口面）および管台外面（欠陥非開口面）に対する適用性を検討した．
開発手法は，容器管台内面の欠陥に対して，管台内面および容器外面から，測定および評価が可能なことを確認した．
キーワード

フェーズドアレイ非対称 TOFD 法，マルチアングル合成法，Ni 基合金溶接部，SCCAbstract
In 2008, stress corrosion cracking (SCC) was found on the inner surface of adissimilar metal weld of an outlet nozzle of the reactor vessel at the Ohi Nuclear Power Plant
Unit-3. The crack was running along the axial direction of the nozzle and had a sharp tip, which
made it difficult to measure the depth of SCC using existing ultrasonic testing (UT) techniques forthe inspection from the inner surface.
New UT methods were developed for measuring the depth of SCC on the inner surface (the crackside) of a dissimilar metal weld of a reactor vessel nozzle. They were, ① a TOFD UT method
using asymmetrical ultrasonic beams of a phased array method to scan at different refraction
angles and ② a combined evaluation method incorporating both ① and a multi-angle synthesis
method to synthesize measurement results at different refraction angles. The two methods wereevaluated by applying them to the inner surface (crack side) and the outer surface (non-crackside) of a nozzle shape.
The developed UT methods were found to be applicable to measurement and evaluation of thedepth of SCC on the inner surface by scanning from both the inner surface and the outer surface ofthe vessel nozzle.
Keywords

Phased array asymmetrical TOFD method, Multi-angle synthesis method, Ni based alloy
weldment, SCC

1.

はじめに部の内面に割れが発見され (1)，切削調査の結果，軸方向に割れ面を持ち，長さ 13mm，深さ 21mm の，2008 年に大飯 3 号機原子炉容器出口管台異材継手＊1＊2

原子力安全システム研究所
非破壊検査株式会社

技術システム研究所

尖鋭な先端の応力腐食割れ（Stress Corrosion Crack-172

INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-13

ing：SCC）であることが分かった．このような尖鋭な先端を持つ SCC の割れの開口面側からの深さ測定が課題であると考え，これに対する超音波探傷法を開発することとした．
割れの開口面側からの探傷に有効で，原理的に精度の良い深さ測定が可能な TOFD（Time of Flight Dif-਄㕙࿑ㅍାត⸅ሶfraction）法に着目し，超音波の減衰が大きい Ni 基合ᝄേሶ金溶接部に適用するために，フェーズドアレイ探触子ฃାត⸅ሶត⸅ሶ⒖േᣇะ

2sを用いて，フェーズドアレイ TOFD 法(2)の適用を選定した．
これまでに，フェーズドアレイ TOFD 法を基に，

ᰳ㒱

従来の手法にはない以下のような特徴を持つ新たな手法を開発している (3)．① 送信と受信の超音波ビームの屈折角および伝搬経路が異なる非対称とすること，② 屈折角と焦点深さの異なる条件の探傷結果を重ね

⿛ᩏⷺ β
ዮ᛬ⷺ α

ዮ᛬ⷺ α ’合わせること．
開発した手法は，特徴①からフェーズドアレイ非対称 TOFD 法，特徴②からマルチアングル合成法と名付け，平板試験体の Ni 基合金溶接部の SCC の開口面⿥㖸ᵄ䈱વ៝⚻〝⿥㖸ᵄ䈱વ᠞⚻〝(〒㔌 W )(〒㔌 W)
᧚ᢱὶὐ䋨੤ὐ䋩側から深さ測定手法としての有効性を確認した．

図1

本手法は欠陥端部エコーのような材料中の反射源をフェーズドアレイ非対称 TOFD 法

検出するものであり，探傷面が割れの開口面および非開口面のいずれの場合にも，また実機管台のような曲焦点(交点)を結ぶ線の中点における材料表面の法線と率を有する探傷面の場合にも，原理的に適用可能であの角度を走査角と呼んで表示することとしている．

ると考えられる．
本報では，実機のような曲率がある管台の内外面

2.2

マルチアングル合成法（欠陥開口面／非開口面）からの探傷について，開発した手法の適用性を検討した．

本手法は，複数の異なる走査角条件による探傷結果を重ね合わせる方法として考案した．超音波探傷試験

2.

測定手法の概要

における受信信号には，欠陥位置から得られる欠陥エコーと材料中のランダムな位置に生じる散乱波ノイズ

2.1

フェーズドアレイ非対称 TOFD 法がある．複数の異なる走査角による探傷データを重ね合わせることによって，欠陥エコーは重畳して強調さ

図 1 にフェーズドアレイ非対称 TOFD 法の概念をれ，散乱波ノイズは相殺されて低減すると考えた．

示す．従来のフェーズドアレイ TOFD 法では，送信図 2 にマルチアングル合成法の概念を示す．表面と受信の超音波ビームが対象であるのに対して，送信（探傷面）からの深さ d1の位置に割れ先端のある開口と受信とで異なる屈折角を持つ超音波ビームを持ち，欠陥と同じく深さ d2 の位置に材料中欠陥がある材料

異なる深さに加えて，さらに異なる方向の任意の位置を，焦点深さ d1 , d2 で探傷した場合を例に示していに焦点（交点）を設定することを可能とするものである．

る．送信用と受信用のフェーズドアレイ探触子を一定

焦点深さ d1 で探傷すると，異なる走査角にて表面間隔で向い合せに配置して移動させる．フェーズアレからの深さ d1 の開口欠陥の端部エコーが得られる．

イ探触子には，2 次元行列の配列をもつマトリクスア

また，異なる走査角条件でそれぞれ異なる位置で得ら

レイ探触子を使用することとした．

れる散乱ノイズも示している．これらの異なる走査角

送信と受信の屈折角が異なることから，本手法によ条件のデータを平均化により合成すると，開口欠陥のる探傷条件において，送信および受信探触子の中点と端部エコーの強度はそのままに，散乱ノイズは平均化

INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-13

ཷಙ᥈ゐᏊd2d1㏦ಙ᥈ゐᏊ173㉮ᰝゅ 0ᩓ஘䝜䜲䝈※a㛤ཱྀḞ㝗ᮦᩱ୰Ḟ㝗㉮ᰝゅ α 1ᩓ஘䝜䜲䝈※b㉮ᰝゅ α 2㉮ᰝゅ β 1ᩓ஘䝜䜲䝈※c㉮ᰝゅ β 2㉮ᰝゅ 0↔Ⅼ῝䛥d1 䛾᮲௳䛾␗䛺䜛㉮ᰝゅ᮲௳䝕䞊䝍䛾ྜᡂ䠄ᖹᆒ䠅ᮦᩱ୰Ḟ㝗↔Ⅼ῝䛥 d2 䛾᮲௳䛾␗䛺䜛㉮ᰝゅ᮲௳䝕䞊䝍䛾ྜᡂ䠄ᖹᆒ䠅␗䛺䜛↔Ⅼ῝䛥 d1 䠈d2 䛾᮲௳䛾ྜᡂ䠄᭱኱್䛾ᢳฟ䠅

図2

マルチアングル合成法により低減される．表面からの焦点深さ d1 の条件で材により突合せ溶接したものである．溶接部に溶接線は，深さ d2 の位置の材料中欠陥の反射波は得られなと直交する方向に主たる割れ面を持つ SCC および放い．

電加工（Electric Discharge Machining ; EDM）スリ

焦点深さ d2 で探傷すると，異なる走査角にて表面ット（深さ 10mm）を付与した．

からの深さ d2 の材料中欠陥の反射波が得られる．同SCC は次の方法により付与した．溶接部の SCC を様に，これらの異なる走査角条件のデータを平均化に付与する領域の表面を削除し，SCC が発生，進展しより合成すると，材料中欠陥の反射波の強度はそのまやすくさせるために高炭素量のインコネル 600 溶接材ま得られる．

を用いて肉盛，再溶接を行い，起点となる EDM スリ

さらに，異なる焦点深さ条件において合成されたデットを加工した．肉盛溶接部に加工した EDM スリッータを，材料中の位置毎に最大値を抽出して合成する

トを起点に，試験体の溶接線と平行方向に引張荷重をと，材料断面の探傷結果が 1 枚の画像として得られる．

加え，テトラチオン酸水溶液に浸漬させて SCC を発曲率のある材料表面からの探傷データのマルチアン生，進展させた．

グル合成法による重ね合わせにおいては，曲率のある探傷面を考慮して材料中の座標における異なる走査角

3.2

試験装置

条件による探傷データにより計算を行った．
表 1 に測定試験に使用したフェーズドアレイ探触子

3.

試験方法

3.1 試験体
図 3 に測定試験に使用した試験体を示す．容器管台を模擬し，炭素鋼 S25C による管台部とステンレス鋼
SUS316 によるセーフエンド部をインコネル 600 溶接

表1

フェーズドアレイ探触子の主要仕様

周波数
振動子数
振動子配列数＊
探触子寸法＊＊

内面探傷用
2.25MHz324×815.8mm×15.8mm：左右方向 × 前後方向を示す

外面探傷用
1MHz
256
8×32
25.0mm×71.8mm

174

INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-13

䉶䊷䊐䉣䊮䊄஥▤บ஥㩩Ǿ Ǿゲᣇะ5%%ᒻ⁁㧦ඨᬦ౞‫ޔ‬㔚ᭂෘߐOO(1) 寸法図EDM䉴䊥䉾䊃▤บ஥▤บ஥䉶䊷䊐䉣䊮䊄஥䉶䊷䊐䉣䊮䊄஥

SCCઃਈ૏⟎(2) 外観写真（外面(欠陥非開口面)）
図3(3) 外観写真（内面(欠陥開口面)）

容器管台 Ni 基合金溶接部試験体(1) 4×8マトリクスアレイ探触子(2) 4×8マトリクスアレイ探触子
内面探傷用ウェッジ(4) 8×32マトリクスアレイ探触子
外面探傷用ウェッジ(3) 8×32マトリクスアレイ探触子
図4

フェーズドアレイ探触子

INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-13の仕様を示す．図 4 にはフェーズドアレイ探触子およ4.

試験結果

4.1

内面（欠陥開口面）探傷

175

びウェッジの外観を示す．使用したフェーズドアレイ
探触子は，内面探傷用に配列 4×8 からなる合計 32 チ
ャンネル，外面探傷用に配列 8×32 からなる合計 256
チャンネルのマトリクスアレイ探触子である．これを4.1.1 フェーズドアレイ非対称 TOFD 法送信用と受信用として同じものをそれぞれ 1 個ずつ使用する．

図 5 に，EDM スリットおよび SCC の 4×8 マトリ

フェーズドアレイ探触子は試験体表面にウェッジをクスアレイ探触子を使用したフェーズドアレイ非対称介して接触させて測定を行った．ウェッジは探傷面のTOFD 法による内面すなわち欠陥開口面からの探傷曲率に応じて曲面に加工されている．

結果の例を示す．上段から焦点深さ 4，8，12mm の場合の，Ultra Vision により描画した B スコープ(欠3.3 試験条件

陥面に垂直方向における断面図)探傷画像を示している．水平方向には，走査角-31, -15, 0, 15, 31 度のフェーズドアレイ非対称 TOFD 法に使用する送信探傷画像を示している．

用と受信用のフェーズドアレイ探触子を移動させるた

深さ 10mm の EDM スリットの端部エコーが，焦めに，走査スキャナを用いた．走査スキャナは，送信点深さ 8mm および 12mm の異なる走査角条件で明瞭用と受信用のフェーズドアレイ探触子を一定間隔で保に検出されている．SCC の端部エコーも，焦点深さ持して，試験体表面上を 2 次元方向に移動走査する．

8mm および 12mm の異なるいくつかの走査角条件で送信と受信のアレイ探触子の超音波ビームの方向お検出されたが，その信号強度は EDM スリットに比べよび移動走査方向は，SCC の割れ面に対して垂直方て低い．このことは，ステンレス鋼の母材部に加工さ向とした．

れた EDM スリットに対して，SCC はインコネル溶

フェーズドアレイ装置として，Zetec 社製フェーズドアレイ超音波探傷装置 Dynaray (4) と制御・データ接部に付与加工されており，その溶接部のノイズの影響が原因の一つである．

収集ソフト Ultra Vision (5) を使用した．Ultra Visionに は，筆 者 ら が 考 案 し た フ ェ ー ズ ド ア レ イ 非 対 称

4.1.2 マルチアングル合成法

TOFD 法の機能は備えていない．そこで，Ultra Vision の持つフェーズドアレイ探触子の振動子駆動時

図 6 に，図 5 に示した探傷データに対して，焦点深刻 の 設 定 機 能 に よ り，フ ェ ー ズ ド ア レ イ 非 対 称

さ 8，12，16，20mm の条件毎に，異なる走査角条件

TOFD 法の走査角条件を設定して探傷データの収録の探傷データを重ね合わせた結果の例を示す．と表示を行った．

EDM スリットに対しては，端部エコーが焦点深さ

マルチアングル合成法による処理は，数学計算ソフ8mm，12mm の条件で鮮明な合成画像として得られた．

ト MATLAB(6)を使用した．Ultra Vision により収録

SCC に 対 し て は，元 の フ ェ ー ズ ド ア レ イ 非 対 称した探傷データを，MATLAB により処理したもので

TOFD 法による探傷画像で表れていた材料中のノイある．

ズは低減され，焦点深さ 8mm，12mm の条件で端部探傷条件として設定した焦点深さは，内面探傷の場エコーと推定されるエコーが得られた．

合 4~24mm 範 囲 の 4mm 毎，外 面 探 傷 の 場 合

図 7 に，さらに異なる焦点深さ条件のデータを重ね30~46mm 範囲の 4mm 毎とした．2.1 項で定義した合わせた結果の例を示す．材料断面に相当する探傷結走査角は，内面探傷の場合垂直方向を中心に最大±約果が 1 枚の画像として得られた．合成画像から読み取

48 度，外面探傷の場合に同じく±約 26 度の範囲の約

っ た 端 部 エ コ ー の 深 さ 位 置 は，EDM ス リ ッ ト が1 度毎とした．

14mm，SCC が 6mm であった．
マルチアングル合成法による処理は，曲率のある探傷面において測定したデータに対しても適用可能なことが確認できた．

176

INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-13

᧼ෘᣇะត⸅ሶ⒖േ䊶౉኿ᣇะὶὐᷓ䈘
4mm8mm┵ㇱ䉣䉮䊷

12mm-31㫦

-15㫦

0㫦

15㫦

31㫦15㫦31㫦⿛ᩏⷺ(1) EDMスリット᧼ෘᣇะត⸅ሶ⒖േ䊶౉኿ᣇะὶὐᷓ䈘
4mm8mm┵ㇱ䉣䉮䊷

12mm-31㫦-15㫦0㫦
⿛ᩏⷺ(2) SCC

図 5 フェーズドアレイ非対称 TOFD 法による内面（欠陥開口面）探傷結果（4×8 マトリクスアレイ探触子)┵ㇱ䉣䉮䊷

177

ᷓ䈘(mm)

ᷓ䈘(mm)INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-13〒㔌 (mm)a. 焦点深さ 8 mm

b. 焦点深さ 12 mm

ᷓ䈘(mm)

ᷓ䈘 (mm)〒㔌 (mm)〒㔌 (mm)〒㔌 (mm)d. 焦点深さ 20 mm

c. 焦点深さ 16 mm┵ㇱ䉣䉮䊷ᷓ䈘(mm)

ᷓ䈘(mm)(1) EDMスリット〒㔌 (mm)〒㔌 (mm)b. 焦点深さ 12 mm

ᷓ䈘(mm)

ᷓ䈘(mm)

a. 焦点深さ 8 mm

〒㔌 (mm)〒㔌 (mm)c. 焦点深さ 16 mm

d. 焦点深さ 20 mm(2) SCC

図 6 マルチアングル合成法による内面（欠陥開口面）探傷結果の評価画像（4×8 マトリクスアレイ探触子／焦点深さ条件毎の走査角の合成)

178

INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-13

4.2.2 マルチアングル合成法
ᷓ䈘(mm)

図 9 に，図 8 に示した探傷データに対して，焦点深さ 30，34，38，42mm の条件毎に，異なる走査角条┵ㇱ䉣䉮䊷

件の探傷データを重ね合わせた結果の例を示す．
EDM スリットに対しては，端部エコーが焦点深さ34mm，38mm の条件で鮮明な合成画像として得られた．

〒㔌 (mm)(1) EDMスリット

SCC に 対 し て は，元 の フ ェ ー ズ ド ア レ イ 非 対 称
TOFD 法による探傷画像で表れていた材料中のノイズは低減され，焦点深さ 30mm の条件で端部エコーと推定されるエコーが得られた．

ᷓ䈘(mm)

図 10 に，さらに異なる焦点深さ条件のデータも重┵ㇱ䉣䉮䊷

ね合わせた結果の例を示す．曲率のある材料の断面に相当する探傷結果が 1 枚の画像として得られた．合成
画像から読み取った端部エコーの深さ位置は，EDM〒㔌 (mm)(2) SCC

図7

マルチアングル合成法による内面（欠陥開口面）探傷結果の評価画像（4×8 マトリクスアレイ探触子／焦点深さ条件の合成)スリットが 6mm，SCC が 16mm であった．
マルチアングル合成法による処理は，欠陥開口面と反対側の曲率のある探傷面において測定したデータに対しても適用可能なことが確認できた．しかし，SCCの探傷結果においては，SCC 位置とは異なる位置にインコネル溶接部における散乱波と推定される反射源が観察された．このような散乱波ノイズの低減と欠陥端部エコーの識別性の向上が課題である．

4.2

外面（欠陥非開口面）探傷

4.2.1フェーズドアレイ非対称 TOFD 法

5.

おわりに
フェーズドアレイ非対称 TOFD 法による探傷法，

図 8 に，EDM スリットおよび SCC の 8×32 マト

これとマルチアングル合成法と組み合わせた評価法にリクスアレイ探触子を使用したフェーズドアレイ非対ついて，曲率面および欠陥非開口面における適用性を

称 TOFD 法による外面すなわち欠陥非開口面からの検討した．

探 傷 結 果 の 例 を 示 す．上 段 か ら 焦 点 深 さ 30，34，38mm の場合の，Ultra Vision により描画した B スコープ探傷画像を示している．水平方向には，走査角-24, -12, 0, 12, 24 度の探傷画像を示している．
深さ 10mm の EDM スリットの端部エコーが，焦その結果，実機の曲率を有する管台内外面における測定と評価に適用できることを確認した．
今後は，探傷条件の最適化と深さ測定精度の向上を図るとともに，外部の試験体等多くの測定データの収集により開発手法のさらなる検証を進める予定である．

点深さ 34mm および 38mm の異なる走査角条件で明瞭に検出されている．SCC の端部エコーと推定され参考文献るエコーが，焦点深さ 30mm のいくつかの走査角条件で検出された．その信号強度は EDM スリットに比（１）関西電力, “大飯発電所３号機の定期検査状況にべて低い．内面探傷の場合と同様，SCC はインコネついて（原子炉容器Ａループ出口管台溶接部のル溶接部に付与されていることが原因の一つとして考傷の原因と対策）,”

えられる．

http://www1.kepco.co.jp/pressre/2008/0926-3j.
html（２）石田仁志, “超音波フェーズドアレイ TOFD 法による厚肉ステンレス鋼配管溶接部の欠陥深さ測INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-13179

᧼ෘᣇะត⸅ሶ⒖േ䊶౉኿ᣇะ
ὶὐᷓ䈘
30mm

┵ㇱ䉣䉮䊷
34mm

38mm-24㫦-12㫦0㫦12㫦24㫦⿛ᩏⷺ(1) EDMスリット᧼ෘᣇะត⸅ሶ⒖േ䊶౉኿ᣇะ
ὶὐᷓ䈘
30mm

┵ㇱ䉣䉮䊷

34mm

38mm

-24㫦

-12㫦

0㫦12㫦

⿛ᩏⷺ

(2) SCC

図8フェーズドアレイ非対称 TOFD 法による外面（欠陥非開口面）探傷結果（8×32 マトリクスアレイ探触子)

24㫦INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-13┵ㇱ䉣䉮䊷ᷓ䈘(mm)

ᷓ䈘(mm)

180〒㔌 (mm)a. 焦点深さ 30mm

b. 焦点深さ 34mm

ᷓ䈘(mm)

ᷓ䈘(mm)〒㔌 (mm)〒㔌 (mm)〒㔌 (mm)c. 焦点深さ 38mm

d. 焦点深さ 42mm
(1) EDMスリット

ᷓ䈘(mm)

ᷓ䈘(mm)┵ㇱ䉣䉮䊷〒㔌 (mm)〒㔌 (mm)b. 焦点深さ 34mm

ᷓ䈘(mm)

ᷓ䈘(mm)

a. 焦点深さ 30mm

〒㔌 (mm)〒㔌 (mm)d. 焦点深さ 42mm

c. 焦点深さ 38mm
(2) SCC

図 9 マルチアングル合成法による外面（欠陥非開口面）探傷結果の評価画像（8×32 マトリクスアレイ探触子／焦点深さ条件毎の走査角の合成)

INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-13

ᷓ䈘(mm)

┵ㇱ䉣䉮䊷

┵ㇱ䉣䉮䊷

〒㔌 (mm)(1) EDMスリット

ᷓ䈘(mm)┵ㇱ䉣䉮䊷〒㔌 (mm)(2) SCC

図 10

マルチアングル合成法による外面（欠陥非開口面）探傷結果の評価画像（8×32 マトリクスアレイ探触子／焦点深さ条件の合成)

定 技 術 の 開 発,” INSS Journal, Vol. 13, p. 246,
(2006).
（３）石田仁志，北阪純一，遠藤賢,“フェーズドアレ
イ非対称ビーム TOFD 超音波探傷法による Ni
基合金溶接部 SCC の測定,” INSS Journal, Vol.19,
p.195, (2012).
（４）Zetec，フェーズドアレイ探傷装置 Dynaray，
http: //www. zetec. com/2010/06/dynaray-product-line/（５）Zetec，制御・データ収集ソフト Ultra Vision，
http://www.zetec.com/2010/06/ultravision/（６）MathWorks，数値解析ソフト MATLAB，
http://www.mathworks.com/products/matlab/

181