200

原子炉格納容器鋼板埋設部の腐食測定技術の開発（第 3 報）
―マルチチャンネル・プローブ・シンセサイザシステムの開発―
Development of an Ultrasonic Testing Technique to Inspect Corrosion on a Containment
Vessel Plates Embedded in Concrete of a Nuclear Power Plant(III)―Development of a Multi-Channel Prove Synthesis System―石田仁志（Hitoshi Ishida)＊

要約 本研究の目的は，原子力発電所の原子炉格納容器下部のコンクリート埋設部鋼板を対象とした，直接接近することが困難な構造物の超音波検査技術の開発である．
これまでに，3 個の SH 波振動子を組み合わせた大型探触子を開発し，表面腐食減肉の検出性能と遠距離位置までの超音波伝播性能を有することを見出した．
さらなる性能向上のために，これらの複数個の振動子を用いた探傷技術の改良を試みた．振動子数を 5 個とし，これを個別の探触子として分割し，5 チャンネル超音波送受信装置により，個別に駆動する方法とした．さらに，5 個の探触子により得られた受信信号に対して個別に受信時刻を調整し，これらを合成してより振幅の大きい受信信号を得ることが可能なマルチチャンネル・プロー
ブ・シンセサイザシステムを開発した．
その結果，5 個の探触子による受信信号の合成処理により，受信信号強度が，合成処理のない場合に比べて 3.9-4.6dB 向上し，本システムの有効性が認められた．
キーワード

超音波探傷試験，原子炉格納容器，SH 波，多チャンネル振動子，受信信号合成

Abstract
The purpose of this study is to develop of an ultrasonic technique for the testing ofstructures such as nuclear containment vessel plates embedded in concrete to which direct access isdifficult.
We have already developed a shear horizontal（SH）wave transducer combined with three active
elements and confirmed that this transducer has excellent detectability for corrosion on a surface
and ability to propagate ultrasonic waves in a long distance.
A further improvement of testing technique with multi channel elements has been carried out.
We have developed a ÞMulti channel probe synthesis systemßwhich uses 5 transducers with 5
elements excited by 5 channel pulser/receiver capable adjusting transmitting and receiving times
individually. By synthesis of the originating signals from 5 transducers with adjusting time ofreceiving, we can get a high amplitude signal.
As a result, 3.9 - 4.6dB higher signals than those without signals synthesis was gained bysynthesis of the received signals. The effectiveness of the detectability with the developed Multichannel probe synthesis system was confirmed again.
Keywords

ultrasonic testing, reactor containment vessel, shear horizontal waves, multi channel probe,
received signal synthesis

1.

はじめに

を格納し，事故時に放射性物質が外部へ放出することを防止する機能を有する重要な設備である．その加 圧 水 型 原 子 力 発 電 所（pressurized water

ため格納容器は，定期検査毎に漏洩率試験によって，

rea0ctor, PWR）の原子炉格納容器（以下格納容器）

耐圧バウンダリとしての機能を確認することになっは，その内部に原子炉圧力容器，原子炉冷却系などており，PWR の原子炉格納容器鋼板は，現在まで＊(株)原子力安全システム研究所

技術システム研究所

201

(a）上面

(b）底面（超音波入射面)
図1

大型（3 連振動子）探触子の外観写真のところその機能に影響するような腐食が発生する

しての製作が可能な振動方向における幅 40mm（奥可能性は，ほとんどないと考えられている(1)．しか行き 40mm）の SH 波振動子を 3 個組み合わせて使し，格納容器の下部はコンクリート構造物中に埋設用することによって，1 個の振動子としては製作がされており，接近して目視することは不可能である．

不可能な幅 120mm に相当する大型の探触子を実現したがって，コンクリート埋設鋼板に腐食の無いこした．すなわち，全体で幅 120mm（奥行 40mm）相とを確認し，将来腐食，減肉等の懸念が生じた場合

当の振動子とし，これを 1 つの筐体に納めている．

にも，的確にその位置および程度の評価を可能にす

図 1 に大型（3 連振動子）探触子の外観写真を示す．

る検査技術を用意しておくことが望ましい．

コンクリートによって覆われた厚さ 38mm の鋼板

コンクリート埋設鋼板部の検査には，接近が可能

試験体を用いた試験によって，探触子からの距離約な位置から距離約 25m の範囲にある部材の検査が可

1.5m の 位 置 の 鋼 板 表 面 上 の 深 さ 19mm お よ び

能な技術が求められる．このような遠距離までの部

9.5mm の腐食を模擬した人工減肉（くぼみ）からの材の検査に適用可能な技術として，長距離配管や大反射波の検出，距離 0.7〜1.7m の位置の鋼板表面にきな容器の減肉測定等を対象としたガイド波の適用溶接されたスタッドボルトからの反射波の検出，さに関する研究開発が近年活発になされている．ガイらに鋼板の端面間の 0 多重反射波の検出による約ド波は超音波伝播モードのひとつであり，その発生12m の距離範囲までの SH 波の伝播を確認した (8)方法として，電磁超音波（electromagnetic acoustic(9)．探触子の発信超音波の指向角の測定によって，

transducers, EMAT）法(2)(3)，磁わい効果を利用す

3 個の振動子を組み合わせた大型探触子から伝播する magnetostrictive sensor（MSs）法 (4)(5)，およびる超音波が，伝播方向のより狭い範囲に集中してい通常の超音波探触子に用いる圧電素子を用いる方法

ることを確認し，これにより超音波伝播性能が向上がある．このうち，コンクリート埋設鋼板部の長距したものと評価した．

離範囲の検査技術として，実機適用に至るような完成されたものは未だ存在しない．

さらなる性能向上のために，本研究では，より強度の大きい受信信号を得ることを目的に，（1）複数

これに対して，著者ら(6)(7)は，現状の超音波探傷

個の振動子を分割して個別の探触子とすること，（2）

試験において広く利用されている，圧電素子を用い複数個の探触子を個別に駆動すること，（3）複数個た探触子による手法を応用し，表面の腐食減肉の検の探触子の受信信号を合成処理すること，を特徴と知に有効で，かつ鋼板からコンクリートへの超音波するシステムの開発を試みた．今回は，5 個の振動の透過が少ないと考えられる屈折角 90 度の振動方向子（探触子）とこれに接続する 5 チャンネルの超音が試験体の表面と平行な横波（share horizontal 波，

波送受信器を使用したシステムにより，受信信号強SH 波）を用いた，低周波数の大型探触子を新たに度向上の可能性を検討した．

製作した．すなわち，振動子材料である圧電素子と

202

2.

マルチチャンネル・プローブ・シン
セサイザシステムない SH 波が，探触子の入射面と試験体表面の隙間を通過して入射するように，この隙間を満たす粘度の高い水飴様の材料を接触媒質として使用する．（超2.1

大型（3 連振動子）探触子を用いた
超音波探傷試験システム

音波の他の振動形態である縦波および振動方向が試験体表面に垂直な横波（share vertical 波，SV 波）を入射させる際には，振動子において発生した縦波

図 2 に，これまでに製作した大型（3 連振動子）

が，探触子の入射面と試験体表面の隙間を伝播する

探触子を用いた超音波探傷試験システムの概念を示ため，グリセリン等の通常の液体の使用が可能であす．大型（3 連振動子）探触子の 3 個の SH 波振動る．）

子は，接続された 1 台の超音波送受信器によって同時に駆動される．探触子と欠陥の位置関係から生じる 3 個の振動子から欠陥までの伝播距離の差によっ

2.2

複数個振動子を使用したシステムの改良て欠陥反射波の受信時刻に差が生じるが，3 個の振動子からの出力信号は超音波送受信器においてその従来の超音波探傷試験システムをもとに，さらなる性能向上のための課題と改良点を検討した．

まま合成される．
大型（3 連振動子）探触子で送受信する超音波の振動子の大型化は，超音波を狭い領域に集中させ

種類は，SH 波である．図 3 に SH 波探触子からのることが可能で，超音波伝播領域における超音波強SH 波の送受信原理を示す．振動子である圧電素子

度を向上させる方策として有効であることを既報にへの電圧入力によって生じるすべり振動によって発より確かめた(8)(9)．このことから性能向上の方策の生した SH 波は，探触子内のくさびを経て，試験体一つとして，探触子のさらなる大型化を検討するこの表面から入射される．通常液体においては伝播し

ととした．
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図2

従来の超音波探傷試験システム

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図 3 探触子からの SH 波送受信

203

SH 波探触子から効率良く SH 波を入射させるために生じる．さらに，複数個の探触子の使用によっても，は，探触子の超音波入射面と試験体表面の隙間を小探触子の位置のズレはさらに大きくなるものと考えさくすることが有効であり，探触子の試験体表面へられる．その結果，振動子から欠陥までの超音波のの圧着が必要となる．しかし，探触子を大きくすれ伝播時間の差による，各探触子の受信時刻のズレがば，より大きい圧着力が必要となる．従来の大型（3生じる．そこで，探触子（振動子）ごとに超音波を連振動子）探触子よりさらに大きな振動子を用いた送受信し，かつ送受信時刻を個別に調整することと探触子を試作したが，探触子の超音波入射面を試験した．これによって，これらの探触子（振動子）か体の表面に均一に圧着させることは容易ではなく，らの受信信号を合成し，より大強度の信号を得るこ圧着により探触子が損傷することもあった．このことができると考えた．

とから，1 個の振動子を 1 個の筐体の探触子として分離し，これを 5 個使用することとした．

図 4 に改良した超音波探傷試験システムの概念を示す．5 個の個別の探触子に 5 チャンネルの超音波

さらに，5 個の探触子（振動子）それぞれに超音
波送受信器を接続して個別に駆動することによって，加振による入力エネルギーの増大を図ることを考えた．

送受信器を接続し，個別に駆動し，送受信の時刻を個別に制御する．
図 5 に受信時刻の調整による受信信号合成の原理を示す．図 5 の（1）は，従来の 3 個の振動子の出力

また，図 2 に示したように振動子を複数個使用すを 1 個の超音波送受信器で受信する場合を示している場合，個々の振動子から欠陥までの距離には差がる．各振動子からの受信信号の位相に差があり，超

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図4

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(1)1 台の送受信器による受信
図5

3.0

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0.0

-3.0

-3.0

ᣲິᏄฝງ

3.0

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3.0

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No.1
No.2
N0.3

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3.0

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改良した超音波探傷試験システム

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-3.0

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(2)3 台の送受信器による受信と受信信号の合成
受信時刻の調整による受信信号の合成

204

音波送受信器の出力は各振動子の最大振幅の和とし

2.3

探触子および超音波送受信器て得られない．図 5 の（2）は，3 個の振動子の出力を 3 個の超音波送受信器で受信し，受信時刻を調整

まず探触子が 5 個の場合のマルチチャンネル・プ

して受信信号として得る場合を示している．各振動

ローブ・シンセサイザシステムを試作した．図 7 に子からの受信信号の時刻を調整することによって，試験体表面に固定治具により取り付けた状態の超音

その位相を合わせ，受信信号は各振動子の最大振幅

波探触子の写真を示す．5 個の個別の筐体の探触子の和として得ることが期待できる．

を試験体表面に，SH 波専用の接触媒質を塗布して以上から，① 複数個の振動子を個別の探触子とし密着させ，超音波伝播方向に対して探触子の位置をて分離して駆動する，② 探触子毎に超音波を送信さアルミ製の枠と鋼製のボルトからなる治具で固定しせ，その送信時刻を調整する，③探触子毎に超音波ている．探触子は，SH 波，周波数 0.3MHz，屈折を受信し，その受信時刻を調整する，ことを改良点

角 90 度，幅 40mm ×奥行き 40mm の振動子を 1 個

とした．

持つ．

図 6 に改良システムの構成を示す．複数（multi）

図 8 に 5 チャンネル超音波送受信器の外観写真をの別個（channel）の探触子（probe）を用いて，こ示す．図 8 の写真の上段の超音波送受信器の 5 個のれらを個別に駆動することが可能な超音波送受信器

端子に 5 個の探触子を接続する．

に接続し，これに接続したコンピュータによって超音波の送受信時刻の制御と受信信号の合成（synth-

2.4

受信信号の合成esis）を行うものである．このことから，本システ
ムをマルチチャンネル・プローブ・シンセサイザー

図 9 に，受信信号の時刻調整と合成の処理を，コンピュータ（PC）画面のビットマップ画像により示システムと呼ぶこととした．

す．5 個の探触子からの受信信号が，図 9 の①のグSHἴ᥀よᏄ
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䟺PC䟻䠇䝅䝧䝷䝑䝯
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図6㉰㡚ἴఎ᧓᪁ྡྷ

マルチチャンネル・プローブ・シンセサイザーシステム

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図7㉰㡚ἴ㏞ུಘჹ䛾

治具で固定した 5 個の超音波探触子

図85 チャンネル超音波送受信器

205

No.1

No.2

䐟

No.3

䐠

No.4

䐡

No.5

᥈ゐᏊ䛤䛸䛾ཷಙಙྕ
図9

PC 画面上での時刻調整による受信信号の合成

ラフに 5 色で表示される．①のグラフにおいて各探板 を 模 擬 し，厚 さ 38mm，長 さ 2000mm，幅

触子の受信信号のピーク位置の時刻のズレに応じて，1000mm の炭素鋼板である．鋼板には，腐食減肉を②の窓に各探触子の時刻の差を入力する．図 9 は，模擬した，直径 200mm，最大深さ 19mm（1/2 板厚ch.3 の信号の時刻を基準に受信時刻を調整した場合相当）（以下，大きいくぼみ）と直径 100mm，最大を示している．受信時刻の調整によって，PC 画面

深 さ 9．5mm（1/4 板 厚 相 当）（以 下，小 さ い く ぼを見ながら，①のグラフにおいて，それぞれの受信み）の凹面状の人工のくぼみを設けた．くぼみの位

信号を時刻方向すなわちグラフの横方向に移動させ置は，図 10 に示すように，試験体長手方向の一方のて，それぞれの受信信号のピークが一致することを端面からの距離約 400mm の片側表面上である．コ

確認できる．各探触子からの受信信号を合成した結ンクリート埋設を模擬するために，その両面をそれ果が，③のグラフに表示される．

ぞれ 200mm 厚のコンクリートで覆った．人工のくまた，各探触子からの超音波送信に対して，同じ

ぼみには，実際の腐食減肉の際に生じると考えられコンピュータによって，それぞれの超音波送受信器

るコンクリートとの間隙を与え，またその表面は，の送信時刻の設定が可能である．

平滑でないでこぼことしたものである．さらに，コンクリートで覆った試験体には，鋼板表面上にコン

3. コンクリート埋設試験体による実験

クリート打設時の型枠の固定用に直径 8mm のス
タッドボルトが溶接されている．

3.1 実験装置

3.2

実験方法

実験には，既報 (6)〜(9) において用いた試験体と同じものを使用した．図 10 に測定試験に用いたコンク

図 10 に示す試験体の人工くぼみから遠い側のコンリート埋設試験体を示す．試験体本体は格納容器鋼

クリートに覆われていない位置に探触子を取り付け

206

2000
1600

200

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400

300

200

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200mm

300

400

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(2)人工くぼみの詳細䜷䝷䜳䝮䞀䝌

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342

328

316

332

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323

359

200

38

200

䜷䝷䜳䝮䞀䝌䛱㝻䜒䛥䛕䜂䜅䛴న⨠(1)試験体の構造న⨠᥀よᏄ㒼⨠న

(3)試験体外観写真
図 10

コンクリート埋設試験体て測定した．まず，試験体鋼板の端面からの反射波

PC 画面上において，図 11 の（2）に示すようなを測定することによって，各探触子から等距離とさ信号が，探触子位置から試験体鋼板端面までの距離

れる鋼板端面からの各探触子の受信信号について，の横波の伝播時間に相当する時刻近傍で，観察する

受信時刻の差の有無を確認し，受信時刻の調整によことができたことから，これを試験体鋼板端面からる受信信号の合成の効果を確かめた．次に，模擬欠の 反 射 で あ る と 判 断 し た．な お，図 11 の（2）〜

陥として小さいくぼみからの反射波について，同様（3）では，その受信時刻近傍の時間を拡大して示しに測定を行った．探触子取り付け位置から試験体長ている．

手方向の距離は，それぞれ約 1.9m，約 1.5m である．

図 11 の（3）に示すように，鋼板端面から等距離の位置に取り付けた各探触子の受信信号の受信時刻には差がある．このことは，図 7 に示した固定治具

4.

実験結果と考察では調整できないような探触子の位置や探触子内部の振動子の配置の差があることを意味している．

4.1

鋼板端面測定結果

次に，図 11 の（4）に示すように，各探触子からの受信信号の時刻を調整し，各探触子の受信信号の

図 11 に，試験体鋼板端面の反射波の測定結果を示

ピークの位置を一致させることによって，図 11 のす．図 11 には，（1）に示す試験体鋼板上の探触子配（3）の時刻調整の無い場合に比べて約 4.6dB（約置により測定された，（2）各探触子の受信信号，（3）1.7 倍）振幅の大きい合成信号が得られた．この場

受信時刻を調整しない場合の受信信号，（4）受信時合の各探触子の受信信号において調整した時刻は，5刻の調整により合成処理された受信信号を，図 9 に個の探触子配列の真ん中の No.3 探触子を基準に示した PC 画面上のビットマップ画像により示して-200〜800ns であった．また，5 個の探触子からのいる．

超音波の送信時刻は同じとしている．

207

0

No.2

(1)測定方法
0.2

0

No.4

0

-0.2

-0.2
0.2

0

-0.2
1220

0

0.2

1230

1240

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1250

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1230

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1240

1250

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1.0

No.5

0

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No.3

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No.4
No.3
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0.2

0

-1.0

-1.0

-0.2
1220

1230

1240

᫤็ (µs)1250(2)探触子ごとの受信信号

0

1220

1230

1240

᫤็(µs)

1250(3)受信信号の合成（受信時刻の調整無し）

᫤็ (µs)(4)受信信号の合成（受信時刻を調整）

図 11 測定試験結果（鋼板端面反射波）

次項に示すような，各探触子から目的とする欠陥ピーク値を一致させることによって，約 3.9dB（約位置までの距離が異なる場合には，あらかじめ求め

1.6 倍）振幅の大きい合成信号を得ることができた．

ることが可能な各探触子から欠陥位置までの距離に受信信号の時刻調整範囲は，No.3 探触子を基準により振動子毎の超音波の送受信時刻の設定が可能で200〜1400ns であった．この場合，5 個の探触子かあるが，以上のような探触子配置に係る差異はあららの超音波は，それぞれの探触子から小さいくぼみ

かじめ計算することは困難である．本研究で開発しまでの距離の差に基づき計算された時刻差を与えてたマルチチャンネル・プローブ・シンセサイザシス

送信した．

テムを用いれば，実際の受信信号の時刻の差を見な

各探触子からの距離が異なる反射源からの反射波

がら調整することによって，そのような対応が困難に対して，マルチチャンネル・プローブ・シンセサ

な探触子の配置の差異に起因する受信時刻のズレをイザシステムによって，より振幅値の高い受信信号

調整することが可能である．

を得ることができた．

4.2 欠陥測定結果

5.

おわりに

図 12 に，試験体鋼板表面の小さいくぼみの反射波

これまでに製作した大型（3 連振動子）探触子をの測定結果を示す．同様に PC 画面上のビットマッ

基に，埋設鋼板の腐食測定システムとしての改良を

プ画像により，合成処理過程を示している．小さい

行い，マ ル チ チ ャ ン ネ ル・プ ロ ー ブ・シ ン セサイ

くぼみからの反射波に対して，受信時刻を調整してザーシステムの開発を試みた．その特徴は，次の通

208

0

No.2

(1)測定方法

0

0.1

No.4

0

-0.1

0

-0.1
0.1

945

955

965

᫤็ (µs)

0.5

No.5

0

㻖㻑㻜㼇㻥ྡྷ୕

0

-0.5

-0.1
935

945

955

᫤็ (µs)(2)探触子ごとの受信信号

935

945

935

945

955

965

955

965

᫤็ (µs)

0.5

0

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0.1

945

955

965

᫤็ (µs)(3)受信信号の合成（受信時刻の調整無し）

᫤็ (µs)(4)受信信号の合成（受信時刻を調整）

図 12 測定試験結果（小さいくぼみ反射波）

りである．

3.9dB 信号振幅が向上した．

(1)複数個の振動子を分割して個別の探触子に分割し以上から，マルチチャンネル・プローブ・シンセ

たこと．

サイザーシステムによって，欠陥反射波などの受信(2)複数個の探触子を個別に駆動すること．

信号強度の向上が可能であることが確認され，コン(3)複数個の探触子の受信信号を合成処理すること．

クリート埋設鋼板の表面欠陥の検出性向上が期待さ

特に，受信信号の合成処理において，各振動子かれる．さらに，欠陥反射波の識別が困難な条件におらの受信信号のピーク値を一致させる操作を，受信ける実験と SN 比の検討により，このような条件に波形の合成の結果を見ながら実施することが大きなおける適用性の評価も今後必要である．

特徴である．

これらの結果を踏まえて，実機の埋設鋼板への適今回は，5 個の振動子（探触子）を使用して，マ用を図るために，今後さらに曲率鋼板への適用性のルチチャンネル・プローブ・シンセサイザーシステ

検証および実機相当距離位置までの伝播に必要な超ムによるコンクリート埋設鋼板の測定試験により，音波入力強度の評価を試みたい．

次の結果が得られた．
(1)各探触子から等距離とされる鋼板端面反射波につ文献

いて，その合成処理によって約 4.6dB 信号振幅が向上した．

(１)（社）日 本 機 械 学 会，発 電 用 原 子 力 設 備 規 格(2)各探触子からの距離が異なる鋼板表面の人工くぼ

維持規格（2004 年版），（社）日本機械学会，

みからの反射波について，その合成処理によって約

解説 2-1-16,（2004）．

209(２) J. Li, J.L. Rose, ÞGuided Wave Inspection ofContainment Structure,ß（2000）．
(３) J. Li, J.L. Rose, ÞGuided Wave Testing ofContainment Structures,ß Materials Evaluation, 59, p.783,（2001）．
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Sensors,ß 2nd International Conference on
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