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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定技術の開発
Development of Measurement Technique for Crack Depth in Weld Zoneof Thick Stainless Steel Pipe with Ultrasonic Phased Array TOFD
石田

仁志 (Hitoshi Ishida) ＊要約 超音波の散乱減衰が顕著であり, 超音波探傷試験が困難な厚さ 25 mm を超えるようなオーステナイト系ステンレス鋼溶接部において, 欠陥の端部回折波の識別と深さ測定が可能なフェー
ズドアレイ TOFD (time of flight diffraction) 法を新しく開発した.
この方法は, 溶接部での超音波伝播経路を短くするために送信と受信の入射点間の距離の短縮が可能な１個のアレイ探触子を使用する. １個のアレイ探触子からの送信と受信の超音波ビーム
軸は, 任意の深さ位置に交差および集束させることができる. さらに, この交差点と集束点の異なる深さ位置の設定を組み合わせた最大 16 通りの条件による探傷が１度に可能である.
厚さ 35 mm のステンレス鋼平板試験体母材部の放電加工スリットの深さ測定の結果, 深さ測定の精度と端部回折波のエコー高さについて以下のことが明らかになった. (１) 底面反射波からラテラル波伝播時間を算出する方法により, 欠陥深さに対して 0.2 mm の誤差で深さ測定が可能であった. (２) 欠陥の先端位置の深さに対して, 超音波ビーム軸の交点深さが上下方向に 4 mm ずれた
場合の深さ測定の誤差は最大で 0.3 mm であった. (３) 端部回折波は, 欠陥先端の深さ位置に超音波ビーム軸を交差させた場合, 最も高いエコー高さが得られ, 欠陥先端の深さ位置に対して超音波ビーム軸の交点深さが 4 mm ずれた場合に-6.8 dB 低下した.
さらに, 厚さ 35 mm のステンレス鋼溶接部配管試験体の放電加工スリット, 疲労き裂および応力
腐食割れ (stress corrosion cracking: SCC) の深さを測定した. 得られた成果は以下のとおりである. (１) 疲労き裂および SCC の端部回折波を, SN 比 2.4 以上で検出することができた. (２) 疲
労き裂に対して最大 0.2 mm の誤差, SCC に対して最大 1.6 mm の誤差で, 深さ測定が可能であった.
以上から, アレイ探触子を用いたフェーズドアレイ TOFD 法が, 高い深さ測定精度を有すること, 35 mm までの厚板のステンレス鋼溶接部に適用可能であることを明らかにした.
キーワード
Abstract

超音波探傷試験, フェーズドアレイ法, TOFD 法, ステンレス鋼, 溶接部, 疲労き裂, SCC
Phased array TOFD (time of flight diffraction) method which makes possible todetect tip diffraction echoes and measure crack depth in an austenitic stainless steel weld zone witha thickness of more than 25 mm to which region it was difficult to apply ultrasonic test due toscattering of ultrasonic waves has been developed.
The developed method uses a single array transducer to have a short distance between incident
points of transmitter and receiver in order to propagate ultrasonic waves in shorter pass in the weld
region. Transmitting and receiving ultrasonic beams from a single array probe can be set a crossing
point and a focal point at desired depth. This method makes possible to scan with 16 kinds of
combination of crossing points and focal points of ultrasonic beam at a time.
We have examined fundamental characteristics of depth measurement with electric dischargemachining slits on base metal of a stainless steel with a thickness of 35 mm.
As the results: (１) We could measure the slit depth with 0.2 mm error from the slit depth with aestimating method of a lateral wave propagation time with back wall echo. (２) The largest error ofthe depth measurement from the slit depth with the ultrasonic beam crossing point set at the 4 mm
different point from the tip of the slit was 0.3 mm. (３) The largest error of the depth measurements
due to the difference of focal point depth of ultrasonic beam was 0.2 mm. (４) The highest tip
diffraction echo could be observed with the ultrasonic beam cross point set at the tip of the slit. The
difference of 4 mm between the cross point and the tip of the slit caused attenuation of tip diffraction
echo height in -6.8 dB.
Furthermore We have measured a depth of electric discharge machining slits, fatigue cracks andstress corrosion cracking (SCC) on stainless steel welded pipe specimens with a thickness of 35 mm.

＊(株) 原子力安全システム研究所 技術システム研究所

247

As the results: (１) We could detect the tip diffraction echoes which have a signal noise ratio withmore than 2.4 from the fatigue cracks and SCCs. (２) The largest error of depth measurement fromthe fatigue cracks and SCCs were 0.2 mm and 1.6 mm respectively.
Therefore we have evaluated that this newly developed phased array TOFD method had ability of
depth measurement with high accuracy and was applicable to depth measurement of cracks instainless steel weld regions with the thickness of up to 35 mm.
Keywords

ultrasonic testing, phased array method, TOFD, stainless steel, weld, fatigue crack,
SCC

1. はじめに本研究では, オーステナイト系ステンレス鋼配管の溶接部において, 欠陥の端部回折波を的確にとら

超音波探傷試験方法の一つである TOFD 法は, 欠え, その深さ測定が可能なことを目標に, フェーズ

陥先端部での回折波の伝播時間を計測することによ

ドアレイ法を用いた TOFD 法を開発した. 国内外のり, 欠陥先端部の表面からの深さ位置を高精度で測超音波探傷試験に係る検査員の資格試験の判定基準定する手法であり, 端部回折波を利用した測定手法

を目安に, 真の欠陥深さに対して 4.4 mm を超えて過の提案がなされた(1) 〜(3)後, 実用的な手法として発展

小に測定されないこと (11) , 真の欠陥深さに対する測し, その適用方法について国内外で規定されるに至っ

定値のばらつきを示す RMS (root mean square) 誤差. TOFD 法は, 伝播時間の計測による高精が 3.2 mm 以下であること(11)(12)を欠陥の深さ測定精度

度での深さの測定が可能なことと, 受信波形の信号の目標とし, さらに受信波形における欠陥端部回折

強度を輝度により表示し, 探触子移動に伴う輝度の波の信号強度が SN 比 3 以上で得られることにも留意

変化をいわゆる TOFD 画像として記録することによ

した.

ている

(4)(5)

り, 回折波の視認性に優れていることを特長とする.
TOFD 法は, 原子力発電所の設備の維持に関する規(6)

格 の適用の際必要となる欠陥の深さを同定するため(7)の測定手法の一つとして位置づけられている .

開発した手法は,(１) 超音波の送信と受信を 1 個のアレイ探触子により行うこと,(２) これにより超音波伝播経路が短縮されること,(３) 超音波ビーム

軸を任意の深さ位置で交差と集束させることが可能

加圧水型原子力発電所 (pressurized water reactor:

なこと,(４) 一度の探傷で最大 16 通りの交差点と集PWR) の 1 次系配管材料は, 主冷却材管の鋳造 2 相

束点の組み合わせを設定可能なこと,(５) TOFD 法

ステンレス鋼を除くと, 加圧器サージライン配管な本来の特徴である視認性に優れた TOFD 画像での解どのオーステナイト系ステンレス鋼がほとんどすべ

析が可能なことを, これまでにない特長としている.

てである. このオーステナイト系ステンレス鋼の溶接部においては, その柱状晶組織に起因する超音波

2. 実験装置の散乱による減衰, 伝播経路の曲がりが顕著であり,
超音波の伝播経路が溶接部を横切る TOFD 法は, 25

2.1

TO F D 法の原理

mm を超える板厚のステンレス鋼での適用は困難とされており(8)(9), 通常の縦波斜角探触子を用いた TOFD

TOFD 法の測定原理を図 1 に示す.この図の (１) に法による 25 mm を超える厚いステンレス鋼溶接部へ

示すように, TOFD 法では, 縦波探触子を送信用との適用例はない. フェーズドアレイ装置とアレイ探受信用に別個に使用し, それぞれの超音波ビーム軸

触子を用いた TOFD 法による測定を, ステンレス鋼を対向させて一定の間隔で配置する.

およびインコネル溶接部に適用した例があるが, 検査面から欠陥端部までの深さは 20 mm 未満である(10)

材料中に欠陥のない場合には, 両探触子間と材料.

板厚とで構成される空間内において最も短い伝播経欠陥の深さ測定において, TOFD 法が複数の手法

路である表面を伝播するラテラル波, 最も長い経路を適用して総合的に判断するための手法の一つとさに相当する材料底面での反射波が受信される. すな(7)

れている ことから, TOFD 法をステンレス鋼溶接部

わち図 1 の (１) で示す経路 TR と TBR により, 図1のにおいても欠陥深さ測定が可能な技術として確立し(２)で示す受信波形において, 信号 SS と信号 SB が得ておくことが必要である.

られる.

248

図1

TOFD 法の測定原理

材料中に欠陥がある場合には, 図 1 の (１) に示す経とが有効である. しかし, その深さのわからない欠路 TUR と TLR による欠陥の上端と下端での回折波が,陥端部を検出するために, 何種類もの屈折角と集束

図 1 の (２) に示す受信波形おいて信号 SS と SB の間に

点深さの異なる探触子と, 異なる交点深さを設定す

信号 SU と SL のように検出される. 図 1 の (２) の受信るための何種類もの探触子配置が必要となる.

波形について, 信号強度により輝度に変換し, 探触

フェーズドアレイ法は, 多数の微小な振動子 (以子移動に伴う変化を, 図 1 の (３) のように画像とし

下エレメント) を配列したアレイ探触子を用いて,て表示することによって, いわゆる TOFD 画像が得その中のエレメントに対して励起する個数と順番,られる. 欠陥端部の回折波は, ラテラル波と底面波

時期を電子的に制御することによって, 見かけの探の間に円弧状の画像で識別される.

触子の大きさ, 屈折角, 集束点深さを任意に設定し欠陥上端の位置は, ラテラル波との伝播時間差 Td(μs ) を用いて, 材料表面からの深さ d は, 次式により算出される(4)(5).

ての探傷が可能である.
したがって, 探触子の交換と配置変更が不要となり, 超音波ビーム軸を任意の深さ位置で交差させ,集束させることが可能な, フェーズドアレイ法を用

(mm)

(１)

ここで, C は縦波の音速(km/s), S は送信探触子といた TOFD 法を新しく考案した.

2.3

フェーズドアレイ装置

受信探触子の入射点間の距離(mm)の 1/2 を示す.
フェーズドアレイ装置本体の基本仕様を表 1 に示

2.2

フェーズドアレイ TO F D 法

す. 本装置は, TOFD 法による探傷機能を有する.
この TOFD 法探傷機能に関する基本仕様を表 2 に示ステンレス鋼溶接部での超音波探傷の困難さは,す.

溶接金属部における超音波の散乱による減衰に起因送信用と受信用に別個にアレイ探触子を使用する

する. このような部位で微弱な欠陥端部回折波の検方法と1個のアレイ探触子により送信と受信を行う方出は容易ではない. そこで, 送受信探触子の超音波法のいずれも設定が可能である. 送信と受信にそれビーム軸を欠陥端部近傍で交差させ, 集束させるこぞれ最大 32 エレメントまで使用可能とした. また,

249

表1

フェーズドアレイ装置本体基本仕様

同時使用エレメント数

32 個

使用可能エレメント数

128 個

周波数帯域

0.5 MHz〜15 MHz

ゲイン設定

0〜60 dB/0.1 dB ステップ

遅延時間

0〜5μs(5 ns ステップ)

サンプリング周波数

100 MHz/50 MHz/25 MHz/12.5 MHz

表 2 TOFD 法探傷機能に関する基本仕様
使用可能探触子

リニア型
2 個 (送受信個別)
1 個 (探触子内で送受信)同時使用エレメント数

送受信用にそれぞれ最大 32 個

設定項目

屈折角
焦点深さ
探触子間隔 (探触子 2 個使用の場合)
使用エレメント(数, 位置)

図2

フェーズドアレイ TOFD 法の原理

TOFD 法の原理を, 32 エレメントのアレイ探触子の場合の例により図2に示す. 32 個のエレメントのうち,左端の 8 個を送信用に, 右端の 8 個を受信用に使用し,ビーム軸交点 A に屈折角αA により超音波ビーム軸の交点および集束点を設定した場合とビーム軸交点 B

超音波ビーム軸の交点の深さと超音波ビームの集束に屈折角αB により超音波ビーム軸の交点および集束

点深さを組み合わせて, 同時に最大 16 通りの条件が点を設定した場合を示している.

設定可能である. すなわち, 異なる深さ位置に超音

このように, 送信用と受信用に使用するエレメン

波ビームの交点と集束点を設定することによって,トの励起の時期を制御することによって, 異なる深一度の探傷で欠陥先端位置を網羅的に探索すること

さ位置に超音波ビーム軸の交点と集束点の設定を可が可能である. さらに採取した 16 通りの条件の探傷能とした.

データの中の個々の条件について, TOFD 法の特徴

さらに, アレイ探触子のエレメント配列の中心をである視認性に優れた TOFD 画像により探傷結果の越えて相互に送信および受信範囲を設定することも表示と解析が可能であり, このことによって欠陥端可能とした. これにより, 2 個の探触子を用いる通常部を明瞭に識別できる結果を得ることができる.

の TOFD 法では不可能な, 探触子の大きさより小さ
い入射点間距離の設定が可能となった.

2.4

フェーズドアレイ TO F D 用探触子

また, 式 (１) により欠陥の端部深さ算出の際必要
な入射点間距離は, 送信と受信の超音波ビーム軸の溶接部に TOFD 法を適用する場合には, 送信探触子から受信探触子に伝播する超音波は必ず溶接金属部を通過する. これに対する方策として, 溶接金属部で伝播経路の短縮を図ることとした. そのためには, 送信と受信の入射点間の距離を短くすることが必要である. このために, 2 個の個別の探触子では,その物理的な大きさにより接近距離に限界が生じる
ことから, 1 個のアレイ探触子を使用することとした.
1 個のアレイ探触子を使用することによって超音波の送受信経路を短くすることは, 溶接金属内での超音
波の曲がり等によって生じる超音波送受信ビーム軸の交点, 集束点のずれも低減できることが期待できる.
1 個のアレイ探触子を用いるフェーズドアレイ

図3

フェーズドアレイ TOFD 法に使用したアレイ探触子と走査治具の写真

250

入射点間の距離として, 使用するエレメントの数と類の深さの EDM スリットを付与した. ステンレス鋼

位置, エレメントの配列間隔により設定または算出

溶接部配管試験体は, 軸方向中心位置で周方向溶接が可能である. したがって, 2 個の探触子を使用してされた, 異なる口径と板厚の配管を軸方向に切断し配置する通常の TOFD 法のように, 入射点間距離のたものである.
EDM スリット, 疲労き裂および SCC について 2 種

設定, 読み取りの際に生じうるような誤差はない.
フェーズドアレイ TOFD 法に使用したアレイ探触類の寸法の欠陥を, 試験体 1 体につき 1 個ずつ, 溶接

子と走査治具の外観写真を図3に示す. 1 個のアレイ部近傍の熱影響部に付与した. 欠陥の長さ方向は,探触子により超音波を送受信させることからウェッ配管の周方向である. ステンレス鋼溶接部配管試験

ジは使用しない. 探触子の保護と平滑でない探傷面

体の付与欠陥の寸法を表 3 に示す.

上での走査のために, 探触子に袴状に取り付けその 4
隅で点支持する治具を用いた.

EDM スリットは, 深さと長さの比が 0.15 の半楕円面のスリットとしている.
疲労き裂は, 配管試験体内表面に, き裂の起点と

2.5

試験体

なる EDM スリットを付与し, 試験体両端と中心部の3 点曲げ疲労試験により, 所定の深さまでき裂を進展

フェーズドアレイ TOFD 法によるステンレス鋼溶させた. その後起点となった EDM スリットを, 内面接部の欠陥の深さ測定を行なう試験体として, 平板の減肉加工により除去した. き裂の長さは, 試験体と配管の試験体を製作した.

内表面でのき裂開口部の実測値である. き裂の深さ

ステンレス鋼溶接部平板試験体を図 4 (１) に, ステ

は, あらかじめ同条件で進展させた疲労き裂によりンレス鋼溶接部配管試験体を図 4 (２) に示す. ステン

求めたき裂の開口部の長さ値と深さ値の関係式によっレス鋼溶接部平板試験体は, 厚さ 35 mm のステンレて, 試験体のき裂開口部の長さ実測値から算出した.

ス鋼平板であり,幅方向の中央部に長手方向の溶接部

SCC は, 配管試験体内面に隙間治具を取り付け,を設けた. 溶接中心およびその近傍に, それぞれ 3

高温高圧水ループに浸漬させることにより, SCC を

種類の深さの放電加工 (electric discharge machining,

発生, 進展させた. き裂の長さは, 試験体内表面でEDM) スリットを付与した. また, 母材部にも 3 種

のき裂開口部の実測値である. き裂の深さは, 溶接(１) ステンレス鋼溶接部平板試験体(２) ステンレス鋼溶接部配管試験体
図4

試験体の構造

251

表3ステンレス鋼溶接部配管試験体に付与した欠陥の寸法部に対して母材側からの端部エコー法による測定値

定結果から明らかになった最適な深さ測定の条件にである.

より, ステンレス鋼溶接部配管試験体の欠陥の深さ

図 5 に, ステンレス鋼溶接部配管試験体の溶接部測定を行なった.

断面写真を示す. 溶接部の外表面側の肉盛りは除去
表4し, 母材部と平滑になるよう表面処理を行なったが,溶接時の変形による溶接部近傍外表面の落ち込みはそのままとし, 軸方向において直線ではない外表面使用した探触子

5 MHz／64 エレメント アレイ探触子
3 MHz／64 エレメント アレイ探触子

使用振動子数送信および受信にそれぞれ 10, 20, 30 個

入射点間距離6〜44 mm
使用した探触子の振動子配置において,送信および受信振動子が隣接する場合の最小値から送信および受信振動子を振動子配列の両端に設定する場合の最大値までの範囲に相当

ビーム軸交点深さ
集束点深さ

試験体の底面から欠陥先端位置を含む範囲において２つまたは３つの深さに設定して同時に探傷

屈折角10〜45 度
入射点間距離とビーム軸交点深さにより決定される屈折角範囲

とした.

図5

ステンレス鋼溶接部配管試験体の溶接部断面

探傷方向／走査方向

軸方向に超音波入射し移動走査

探傷データ採取ピッチ

1 mm ピッチ

探触子の走査駆動

手動走査

探触子位置情報2.6

深さ測定の実験条件

ワイヤ巻き取り式エンコーダにより採取

実験の方法

フェーズドアレイ TOFD 法によるステンレス鋼溶

3. 実験結果および考察

接部試験体欠陥の深さ測定の実験条件を表4に示す.
使用エレメント数, 入射点間距離, 超音波ビーム軸

3.1

フェーズドアレイTO F D 法の基礎特性の実験の交点深さおよび集束点深さを変化させ, 深さ測定を行なった. これらの条件の組み合わせによる, 端

板厚 35 mm のステンレス鋼溶接部平板試験体の母部回折波の検出性と欠陥の深さ測定精度への影響を

材部の EDM スリットを用いて, 探傷条件 (使用エレ調べるために, まずステンレス鋼溶接部平板試験体

メント数, ビーム軸交点深さ, 焦点深さ) による深の母材部の EDM スリットの測定を実施した. この測さ測定値と, 端部回折波のエコー高さへの影響を調252(１) 2 mm 深さ EDM スリット

(２) 5 mm 深さ EDM スリット

(３) 10 mm 深さ EDM スリット

図 6 EDM スリットフェーズドアレイ TOFD 法探傷結果 (ステンレス鋼溶接部平板試験体母材部)

べた. アレイ探触子として,

周波数 5 MHz, エレメには, 材料表面を表わすラテラル波が識別できなかっ

ント数 64 個のものを使用した. 3 種類の深さの EDM

た. ラテラル波が識別できないのは, 図 6 に示した

スリットに対し, 10 個および 20 個のエレメントを使

探傷結果の場合の屈折角は 17 度から 21 度の範囲であっ

用し, EDM スリット先端位置を中心にビーム軸交点たことから, ラテラル波が極めて微弱であったためを変化させた条件で, 欠陥深さと端部エコー高さをと考えられる. 表 4 に示した深さ測定の実験での屈測定した.

折角範囲においても, ラテラル波は識別されなかった.

ステンレス鋼溶接部平板試験体の母材部 EDM スリッ

表面から欠陥端部までの深さは, 式 (１) によってトのフェーズドアレイ TOFD 法による探傷画面の例

ラテラル波の伝播時間と欠陥先端の端部回折波の伝を図 6 に示す. 各スリットに対する使用振動子数 20

播時間との差を計測して算出される. しかし, フェー個, ビーム軸交点深さおよびビーム集束点をスリッ

ズドアレイ TOFD 法によって得られる図 6 のような

ト先端位置に設定した条件での結果である. 図 6 の探傷画面においては, ラテラル波の伝播時期を特定

探傷画面において, 左側の画面が受信波形の信号強しての深さ算出はできない. そこで, その深さが既度を輝度に変換した表示の, 探触子の EDM スリット知である底面反射波の伝播時間から, ラテラル波の面に対して垂直方向での移動走査に伴う変化を表わ

伝播時間を算出した. 式 (１) を用いてラテラル波のしている. すなわち, 画面の縦方向が板厚方向, 横

伝播時間 TL (μs)は, 以下により算出される.

方向が EDM スリット面に垂直方向である探触子の移動走査方向に相当する. 縦方向のカーソルで示した(２)

位置が, EDM スリットの位置に相当し, その位置で記録された受信波形が, 右側に示されている. 横方向のカーソルは, スリット先端での端部回折波の受信時刻に合わせている.
図 6 のフェーズドアレイ TOFD 法による探傷画面

ここで, TB は, 底面反射波の伝播時間(μs ), t は,底面の深さ (mm) である.
式 (２) により算出されたラテラル波伝播時間と端部回折波の伝播時間との差を求め, 式 (１) により端

253

部位置の深さを算出した. この方法によって, 深さEDM スリットの深さ 10 mm, 5 mm, 2 mm に対して,測定値の校正が同時に行うことが可能である.

ビーム軸の交点深さがそれぞれ 25 mm, 30 mm, 33 mm

まず, EDM スリットの先端の深さ位置と超音波ビー
ム軸の交点の深さのずれによる, EDM スリットの深の場合が, それぞれの EDM スリットの先端の深さ位置にビーム軸の交点が設定された条件である.

さ測定値と端部回折波のエコー高さの変化を検討しこのスリット先端の深さ位置にビーム軸の交点をた. 20 個または 30 個のエレメントを使用し, 超音波

設定した条件による深さ測定値は, EDM スリット深ビーム軸の交点を, それぞれの EDM スリットの先端さとよく一致し, その誤差は最大で 0.2 mm であった.

の深さ位置を中心に浅い側と深い側に 2 mm 毎に 2 種

スリット先端位置からビーム軸の交点がずれた条件

類ずつの合計 5 種類の深さ位置に設定した条件によでは, 深さ測定値の誤差は少し大きくなるが, 深さる深さ測定値と端部回折波のエコー高さを測定した.

10 mm の EDM スリットの場合に, 最も誤差が大きく

超音波ビームの集束点は, ビーム軸の交点と同じ深0.3 mm であった. また, 使用エレメント数による深さに設定した.

さ測定値に対する誤差は, 最大で 0.3 mm であった.

EDM スリット深さ測定値のビーム軸交点深さによ

端部回折波のエコー高さのビーム軸交点深さによる変化を図 7 に示す. 図 7 の中の矢印で示すように,る変化を図8に示す. 各条件のエコー高さは, 20 個のエレメントを使用し, スリット先端位置にビーム軸交点を設定した条件でのエコー高さを基準として規格化している.
図 8 の中の矢印で示したスリット先端位置にビーム軸交点を設定した条件において, いずれの EDM ス
リットと使用エレメント数の場合でも, 最もエコー高さが高い. ビーム軸交点のずれにより, 最大-6.8
dB のエコー高さの低下が生じている. 欠陥の先端位置にビーム軸交点を合わせることが, 端部回折波の検出に有効であることを示している. 使用エレメン
ト数が 30 個の場合は, 使用エレメント数 20 個の場合に比べてエコー高さは約 6 dB 高くなり, 使用エレメ

図 7 異なった探傷条件による EDM スリット 深さ測定結果(ステンレス鋼溶接部平板試験体母材部)

ント数を大きくすることが, 端部回折波の検出に有効であることを示している.
次に, 超音波ビーム軸の交点での超音波ビームの集束の程度による,深さ測定値と端部回折波のエコー高さの変化を検討した. 深さ 5 mm のEDM スリットに対して焦点深さを,
ビーム軸交点と同じ位置, 交点より 5mm 深い位置, 超音波ビームが集束しない条件にほぼ相当する深さ 100 mmの位置に変化させた. 20 個のエレメントを使用して入射点間隔を 22 mmとし, ビーム軸の交点深さは, 深さ 5mm の EDM スリットの先端の深さ位
置 30 mm を中心に 2 mm 毎に合計 5 種(１) 深さ 10 mmEDM スリット (２) 深さ 5 mmEDM スリット (３) 深さ 2 mmEDM スリット

図 8 異なった探傷条件による EDM スリット 端部エコー
高さ測定結果 (ステンレス鋼溶接部平板試験体母材部)

20 エレメント使用
30 エレメント使用

類の深さ位置とした.

254

図 10 に焦点深さと入射点間隔による端部エコー高さの変化を示す. 20 個のエレメントを使用し, 入射点間隔を 22 mm とし, 30 mm のビーム軸交点深さに焦点深さを設定した条件でのエコー高さを基準に規格化したエコー高さを示している. いずれの集束条件
でも, EDM スリット先端位置すなわち深さ 30 mm の位置に, ビーム軸交点が設定された場合, 最もエコー高さが高く, 交点深さがスリットの先端位置からずれると, エコー高さが低下する. 焦点深さの設定条
件の違いによるエコー高さのばらつきは, 0.4〜1.2
dB であった. 交点深さがスリットの先端位置から2 mm ずれた場合のエコー高さの低下量は 0〜1.6 dB,
4 mm ずれた場合のエコー高さの低下量は 2.5〜4.1 dBであった. このことは, 超音波ビームの集束点深さの設定, すなわち集束の度合よりも, ビーム軸の交点深さを EDM スリット先端の深さ位置に設定するこ図 9 異なった探傷条件による 5 mm 深さ EDM スリット
深さ測定結果(ステンレス鋼溶接部平板試験体母材部)

焦点深さによる深さ測定値の変化を図 9 に示す.

との方が, 欠陥端部回折波の検出に有効であることを示している.

3.2

欠陥深さの測定

ビーム軸の交点深さが, EDM スリットの先端の深さ位置に一致する場合, すなわち 30ｍｍの条件では,3 種類のステンレス鋼溶接部配管試験体 (15 t×300

いずれの集束条件でも, 深さ測定値は 5 mm であり,A, 25 t×350 A および 35 t×600 A) の EDM スリット,

EDM スリットの深さと一致した. ビーム軸の集束点

疲労き裂および SCC の深さを測定した. 探触子とし深さをビーム軸の交点深さと同じとした条件 (図 9て, 周波数 5 MHz／エレメント数 64 個のもの, 周波の○印) では, いずれのビーム軸交点深さの条件で数 3 MHz／エレメント数 64 個のものを使用した. 深も, 深さ測定値は EDM スリットの深さ 5 mm と一致

さ測定値の校正は, シンニングおよび溶接による変した. ビーム軸の集束点深さを変化させた条件では,形のない位置での底面反射波により行った.

深さ測定値の EDM スリットの深さ値との誤差は, 最大 0.2 mm であった.

EDM スリットに対するフェーズドアレイ TOFD 法の探傷画面の例として, 35 t×600 A 試験体での結果を図 11 に示す. 縦方向カーソルは EDM スリットの試
験体軸方向での位置を, 横方向カーソルは受信波形
での端部回折波の位置を示している.
測定を行なった試験体のうち最も板厚が厚い 35 mm
×600 A 試験体の No.1 と No.2 の EDM スリットを識別することができた. 端部回折波の識別性を, 受信波
形における端部回折波の大きさとその直前のノイズの大きさから算出した SN 比により評価した. No.1 とNo.2 の EDM スリットの端部回折波の SN 比は, 2.1 と2.6 であった.
疲労き裂に対するフェーズドアレイ TOFD 法の探傷画面の例として, 35 t×600 A 試験体での結果を図

図 10 異なった探傷条件による 5 mm 深さ EDM スリット
端部エコー高さ測定結果(ステンレス鋼溶接部平板試験体母材部)

12 に示す. 周波数 5 MHz の探触子による探傷結果を図 12 の (１) と (２) に示す. No.1 と No.2 の疲労き裂の端部回折波の SN 比は, それぞれ 1.7 と 4.3 であった.

255(１) 35 t×600 A No.1 EDM スリット (5 MHz／64 エレメント探触子)(２) 35 t×600 A No.2 EDM スリット(5 MHz ／64 エレメント探触子)

図 11 ステンレス鋼溶接部配管試験体探傷画面(EDM スリット)

256(１) 35 t×600 A No.1 疲労き裂 (5 MHz／64 エレメント探触子)(２) 35 t×600 A No.2 疲労き裂 (5 MHz／64 エレメント探触子)

図 12 ステンレス鋼溶接部配管試験体探傷画面 (疲労き裂)

257(３) 35 t×600 A No.1 疲労き裂 (3 MHz／64 エレメント探触子)(４) 35 t×600 A No.2 疲労き裂 (3 MHz／64 エレメント探触子)

図 12 ステンレス鋼溶接部配管試験体探傷画面 (疲労き裂)

258(１) 25 t×350 A No.2 SCC (5 MHz／64 エレメント探触子)(２) 35 t×600 A No.1 SCC (3 MHz／64 エレメント探触子)

図 13 ステンレス鋼溶接部配管試験体探傷画面 (SCC)259

周波数 3 MHz の探触子による探傷結果を図 12 の (3)疲労き裂に対して最大の誤差 0.2 mm, SCC に対してと (4) に示す. No.1 と No.2 の疲労き裂の端部回折波

最大の誤差 1.6 mm の測定値が得られた.

の SN 比は, それぞれ 2.6 と 6.0 であった. 減衰の影響

深さ測定精度の目標である欠陥深さに対して−4.4を受けにくい低周波数の 3 MHz の探触子を使用する

mm と RMS 誤差 3.2 mm に相当する線を, 図 14 の中にことによって, SN 比が向上した.

示した. フェーズドアレイ TOFD 法による深さ測定

SCC に対するフェーズドアレイ TOFD 法の探傷画

値は, これらの目標に相当する範囲内にあった.

面の例として, 25 t×350 A と 35 t×600 A 試験体での結果を図 13 に示す. 最も厚い板厚である 35 t 試験体

4. おわりにの SCC に対しては, 3 MHz 探触子により端部エコーを検出, 識別することができた. 25 t×350 A 試験体

1 個のアレイ探触子により超音波の送受信を行なう,の No.2 と 35 t×600 A 試験体の No.1 の SCC の端部回

フェーズドアレイ TOFD 法を開発し, ステンレス鋼

折波の SN 比は, それぞれ 2.4 と 3.4 であった.

平板試験体母材の EDM スリットにより深さ測定に係

EDM スリット, 疲労き裂および SCC に対するフェー

る基礎的な特性を調べ, ステンレス鋼溶接部配管試

ズドアレイ TOFD 法による深さ測定値を図 14 に示す.

験体による欠陥の深さを測定した. 得られた主な成EDM スリットの深さに対する測定値の誤差は, 深さ

果は以下のとおりである.

10 mm の EDMスリットに対する場合の 0.7 mm が最大(１) ラテラル波が識別できないような場合に, 底であった. 疲労き裂については, 深さ 11 mm のもの

面反射波によりラテラル波伝播時間を算出すに対して, 5 MHz 探触子の場合の誤差 2.1 mm が最大ることによる深さ測定値算出方法を考案し,であったが, 3 MHz 探触子の条件により誤差 0.1 mm

欠陥深さに対して 0.2 mm の誤差で算出が可能の深さ測定値が得られた. SCC については, 深さ 9.5であった.

mm のものに対して, 5 MHz 探触子の場合の誤差 2.6(２) 欠陥の先端位置の深さに対して, 超音波ビー

mm が最大であったが, 3 MHz 探触子の条件により誤ム軸の交点深さが上下方向に 4 mm ずれた場合

差 1.6 mm の深さ測定値が得られた.

の深さ測定値の誤差は最大で 0.3 mm, 超音波

周波数 5 MHz 探触子に代えて 3 MHz のものを使用することによって, 端部回折波の SN 比の向上と深さ測定精度の向上する結果が得られた.

ビームの集束程度による深さ測定値の誤差は,最大で 0.2 mm であった.
(３) 端部回折波は, 欠陥先端の深さ位置に超音波

これまで TOFD 法の適用が困難であった厚さ 35 mm

ビーム軸を交差させた場合, 最も高いエコーの試験体について, 周波数 3 MHz の探触子により,高さが得られ, 欠陥先端の深さ位置に対して
超音波ビーム軸の交点深さが上下方向に 4 mm
ずれた場合に最大-6.8 dB 低下することがわかった.
(４) PWR発電所におけるオーステナイト系ステン
レス鋼配管の最大板厚 35 mm に相当する厚さの溶接部に対して, 疲労き裂および SCC の端部回折波を, SN 比 2.4 以上で検出することができた.
(５) ステンレス鋼溶接部試験体の欠陥の深さ測定
値の誤差は, 最大で 1.6 mm であった.
アレイ探触子を用いたフェーズドアレイ TOFD 法
は, TOFD 法が本来持つ特徴である高い深さ測定精度を損なうことなく, これまでその適用が困難とされてきた厚板のステンレス鋼溶接部に十分適用可能であることを明らかにした. このことは, ステンレ
ス鋼配管溶接部で欠陥が検出された際に, その寸法

図 14ステンレス鋼溶接部配管試験体 深さ測定結果評価を行うために適用すべき深さ測定手法として有260

効なものである.

(11) (社)日本非破壊検査協会,日本非破壊検査協会規今後さらに SN 比の改善による端部回折波の識別性

格 NDIS 0603-2005 超音波探傷試験システムのを向上させるために, アレイ探触子の改良と探傷条性能実証における技術者の資格及び認証, (2005).

件の最適化を図るとともに, PWR 発電所の実機配管(12) ASME, Boiler and Pressure Vessel Code Sectionに適用可能な自動探傷装置の開発を進める予定であXI,Divisionる.

Demonstration

1,

Systems, (2004).

文献(１) M. G. Silk, "The role of ultrasonic diffraction in
NDT," Proceeding of the 28 th Annual British
Conference in NDT, (1989).
(２) M. G. Silk, "Sizing crack-like defects by ultrasonicmeans," Research Techniques in Non-destructive
Testing, Vol. III, Academic Press, (1977).
(３) M. G. Silk, "Defect sizing using ultrasonic diffraction," British Journal of Non-Destructive Testing,21[1], p.12-15(1979).
(４) British Standard Institution, "Guide to calibrationand setting-up of the ultrasonic time of flight diffraction (TOFD) technique for the detection, location and sizing of flaws," British Standard BS
7706, (1993).
(５) (社)日本非破壊検査協会, 日本非破壊検査協会
規格 NDIS 2423-2001 TOFD 法によるきず高さ
測定方法, (2001).
(６) (社)日本機械学会, 発電用原子力設備規格 維持
規格 (2004年版), (2004).
(７) (社)日本電気協会, 軽水型原子力発電所用機器の供用期間中検査における超音波探傷試験指針,
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(８) 河野克己, 井坂克己, 谷岡修二, 三原田八水, "配管疲労割れに対する超音波探傷試験の検査能力",
日本非破壊検査協会平成16年度秋季大会講演概要集, p.9(2005).
(９) 河野克己, 井坂克己, 佐藤正俊, 三原田八水, "応
力腐食割れに対する超音波探傷試験の検査能力",
日本非破壊検査協会平成17年度春季大会講演概要集, p.9(2005).
(10) M. Tooma, N. Kouno, M. Koike, "A new ultrasonicinspection method using crossed active focus scanning for crack sizing," The 3 rd International
Conference on Non-destructive Testing of theHellenic Society for NDT, Chania, Creta, Greece,
15-18, Oct. 2003, p.140(2004).

Appendixfor

Ⅷ,

Performance

UltrasonicExamination