INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 10163

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深さサイジング性評価
An Evaluation of depth sizing ability of ultrasonic testingby the large aperture transducer for axial crack in cast stainless steel pipe weld
西川嘉人（Yoshito Nishikawa）＊1

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．INSS では，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の探傷に適用し，欠陥の検出性が良好であることを確認してきたが，本研究では欠陥の深さサイジング性について検証した．板厚 69mm に対して約 20mm 以上の疲労き裂は，深さサイジングの可能性が高い．
キーワード

超音波探傷，深さサイジング，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 for cast stainless steel which is used as the materialof main coolant pipes in pressurized water reactors, because of the large attenuation andscattering of ultrasonic waves caused by its macro structure. Ultrasonic testing for the axial
fatigue crack on welding area in the test piece of the cast stainless pipe was performed, using
the double large aperture ultrasonic probes. In this study, depth sizing of defects was performed
under the positive result of the detection of defects in former study. As a result, sizing of defects
with over 20mm target depth for the specimen thickness 69mm is highly possible.
Keywords

ultrasonic testing, depth sizing, cast stainless steel, large aperture probe, fatigue crack,
main coolant pipe

擬して製作した試験体の鋳造ステンレス鋼溶接部付

1. 緒言

近に導入した疲労き裂の測定試験を行ってきた．周
加圧水型軽水炉の１次冷却材管等に鋳造ステンレ

方向疲労き裂については，検出性とサイジング性のス鋼が使用されている．鋳造ステンレス鋼は優れた検証を行い，高い検出性能があり，精度は ASME

耐食性，溶接性を有するが，製造時の冷却過程におSection XI Appendix VIII に規定される超音波探傷

いて非常に大きな柱状晶が成長し，この巨大な結晶試験の技量認定に係わる鍛造ステンレス鋼の合格基粒とその異方性が超音波を著しく散乱させるととも準は満たさないものの 14.5mm（板厚の 20%）のきに，超音波ビームが直進するのを妨げるため，欠陥裂の深さサイジングは可能であることを確認した．

信号の SN 比の低下による欠陥識別性の低下や，欠その後，軸方向疲労き裂について，検出性を確認し陥位置の誤認等を起こさせることから，鋳造ステン, （3）,てきた．（1）（2）レス鋼の超音波探傷試験は困難であるとされていこれまでに鋳造ステンレス鋼配管周方向溶接部の溶接線に直交する配管軸方向疲労き裂に大口径集束る．
このような性質を有する鋳造ステンレス鋼に対し２振動子探触子を使用した自動超音波探傷法を適用て効果的な超音波探傷試験を行うために，INSS はし，信号強度について評価し約 4mm 以上のき裂を低周波数の超音波を集束させた送受信分割型大口径検出できる良好な結果が得られたが，本報では疲労集束２振動子探触子を開発し，１次冷却材配管を模き裂深さのサイジング（超音波探傷法によるき裂寸＊ 1 （株）原子力安全システム研究所

技術システム研究所

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 10164法の測定）について評価した．

2.3 試験方法
本研究においては，疲労試験体の自動超音波探傷

2. 試験体及び試験方法を行うため，試験体探傷面を水没させることで水を接触媒質とし，XY スキャナーを用い探触子を配管

2.1 軸方向疲労き裂試験体の周方向に往復させながら軸方向き裂を走査し，往試験体を図１に示す．試験体として検出性評価で復するごとに一定間隔で軸方向に移動させる縦方形使用した板厚 69mm の１次冷却材管を模擬した鋳造走査を行い，配管内面に導入したき裂を配管外面か（3）ステンレス鋼と遠心鍛造鋼の配管を溶接したものら探傷した．

を使用し，これに配管内面の溶接線を横切るように送受信器およびデータ処理装置として Zetec 社製導入した疲労き裂に変動荷重を加えて進展させるこの超音波探傷装置 DYNARAY（4）と制御・データ収とにより深さが異なるき裂を付加し，それぞれの進集ソフト UltraVision（5）を使用した．探触子を介し展段階のき裂について試験を実施した．て超音波信号の送受信を行うと同時に探傷位置情報

き裂深さが板厚の 50% となるまで段階的にき裂も採取し，各位置での受信波形（振幅−時間データ）を進展させるとともに，各段階で破面からのき裂進をパーソナルコンピュータに保存した．保存した探展状況を確認できるよう繰り返し荷重の条件を変え傷データを制御・データ収集ソフトで画像表示し，ることで，き裂の輪郭が判別できるようにした．最探傷結果を評価した．

後に破面を開放し，実際の破面を測定して得られた
き裂深さと超音波探傷結果から得られたき裂深さを

図２にデータ表示画像の B,C,D スコープの概念を，図３に探傷データ表示画像の例を示す．

比較評価した．
走査方向
鍛造ステンレス鋼

Cスコープ

探触子溶接部

超音波材料溶接部

走査方向Bスコープ

図２鋳造ステンレス鋼
疲労き裂
（内面）

図１

試験体

Dスコープ

き裂

データ表示画像の B,C,D スコープの概念

2.4 深さサイジング方法
き裂の深さサイジングを行うために，図４に示す
ように，き裂面と内面から構成されるコーナー部か2.2 超音波探触子

ら反射し戻ってきた受信信号（コーナーエコー）と鋳造ステンレス鋼の超音波探傷検査を行うため

ともに，き裂先端で反射した受信信号（端部エコー）に，大口径集束２振動子探触子を用いた．サイジンを採取し，測定位置と２つの受信信号の位置関係かグ性評価においても検出性評価で使用した探触子をらき裂深さを推定する端部エコー法により深さサイ用い，そのうち特に検出性に優れる表１に示す探触探触子子条件を採用した．
表１形

き裂先端

探触子条件式

縦波斜角２振動子

外形寸法

100 × 100 × 80mm

周数0.5MHz

振動子形状

球面型

屈波折角36°き裂

図４

１次冷却材管端部エコー法による深さサイジング

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 10

Cスコープ

165

Dスコープ

端部エコー

端部エコー

探触子走査方向（周方向）

Bスコープ

コーナーエコーAスコープ

探触子走査方向（周方向）

コーナーエコー

端部エコー

端部エコー
コーナーエコー※
時間（探触子からの距離）

図３

探傷データ表示画像例

ジングを行った．具体的には，配管の曲率を考慮し，コーナーエコーと端部エコーの反射源の位置の距離からき裂深さを求めた．

最大き裂深さ 18.5mm のき裂では，端部エコーは疑似エコーより若干信号強度が大きかった．
最大き裂深さ22.3mm 以上のき裂になると，端部エコーはコーナーエコーと分離でき判別可能であった

3. 試験結果および考察

ものの，き裂が深くなるほどコーナーエコーの信号強度に対する端部エコーの信号強度が小さくなった．

3.1 き裂深さのプロファイルと深さサイジング結果
図５（a）〜（g）に破面観察から求めた最大き裂深さ 10.3mm から 33.3mm までの溶接部における疲労
き裂探傷データ表示画像を示す．
最大き裂深さ 15.7mm までのき裂では，端部とコーナーが接近しコーナーエコーから端部エコーを端部エコー分離して識別するのが困難であったため，コーナーの位置と実際のき裂深さから端部位置を推定し，推定位置から端部エコーを判定した．

端部エコー

図５（a） 探傷データ表示画像（最大き裂深さ 10.3mm）

図５（b） 探傷データ表示画像（最大き裂深さ 13.0mm）

端部エコー

図５（c） 探傷データ表示画像（最大き裂深さ 15.7mm）

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 10166

端部エコー

端部エコー

図５（d） 探傷データ表示画像（最大き裂深さ 18.5mm）

図５（f） 探傷データ表示画像（最大き裂深さ 29.5mm）

端部エコー
端部エコー

図５（e） 探傷データ表示画像（最大き裂深さ 22.3mm）

図５（g） 探傷データ表示画像（最大き裂深さ 33.3mm）

また，いずれのき裂深さにおいても，鋳造ステン40数見られるので，判別は容易ではなかった．
き裂を進展させた破面を観察し，破面に付加した各段階のき裂の輪郭から軸方向に５〜 10mm 毎に読み取って求めた実際のき裂深さと，深さサイジング

き裂深さ（mm）

レス鋼部の端部エコーは明瞭でなく疑似エコーも多により得られた値の比較を図６（a）〜（g）に示す．

実測値
サイジング結果

30

溶接部
20

鋳造部

鍛造部

10

全体的に深さサイジングにより得られた値は実際の
き裂深さより小さい値となっている．これはサイジ0‑60‑40‑20ングの精度に関係することであるので，原因についての検討が必要である．

20406080

図６（b） き裂の代表位置での深さ（最大き裂深さ13.0mm）
4040

実測値
サイジング結果

実測値
サイジング結果

30

き裂深さ（mm）

き裂深さ（mm）

0

軸方向位置（mm）

溶接部
20鋳造部

鍛造部

1030

鋳造部

20溶接部

鍛造部

1000‑60‑40‑20020406080

軸方向位置（mm）

図６（a） き裂の代表位置での深さ（最大き裂深さ10.3mm）‑60‑40‑20020406080

軸方向位置（mm）

図６（c） き裂の代表位置での深さ（最大き裂深さ15.7mm）

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 104030

溶接部
鋳造部

20鍛造部

1030

鋳造部

鍛造部

201000‑60‑40‑200204060‑6080‑40‑20軸方向位置（mm）

40

実測値
サイジング結果

鋳造部

406080

鍛造部

2010

溶接部
鋳造部

き裂深さ（mm）

溶接部

20

図６（f） き裂の代表位置での深さ（最大き裂深さ29.5mm）40300

軸方向位置（mm）

図６（d） き裂の代表位置での深さ（最大き裂深さ18.5mm）

き裂深さ（mm）

実測値
サイジング結果

溶接部

実測値
サイジング結果
き裂深さ（mm）

き裂深さ（mm）

40167

鍛造部

3020100実測値
サイジング結果

0‑60‑40‑20020406080‑60‑40‑20

軸方向位置（mm）

020406080

軸方向位置
（mm）

図６（e） き裂の代表位置での深さ（最大き裂深さ22.3mm）

3.2 各部位における深さサイジング結果

図６（g） き裂の代表位置での深さ（最大き裂深さ33.3mm）

また，破面から求めた最大き裂深さの位置と深さサイジングで最大となる位置は一致していなかった

き裂の各進展段階における最大き裂深さと深さサため，試験体の鋳造ステンレス鋼，溶接部，鍛造ス

イジング結果の最大値を比較したものを図７に示

テンレス鋼の各部位それぞれのコーナーエコーが最す．

大となる位置において，実際のき裂深さと深さサイジング結果を比較したものを図８（a）〜（c）に示す．

40

深さサイジング結果(mm)

深さサイジング結果(mm)4030
誤差3.2mm201030誤差3.2mm

2010000102030

実測値(mm)

図７深さサイジング結果（全体）400102030

実測値(mm)

図８（a） 深さサイジング結果（鋳造部）

40

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 1016840

深さサイジング結果(mm)

深さサイジング結果(mm)4030
誤差3.2mm2010030
誤差3.2mm201000102030

40010

実測値(mm)

図８（b） 深さサイジング結果（溶接部）

RMS 値（２乗平均平方根）を示す．
サイジング誤差の RMS 値

造部

3.9

溶接部

3.5

鍛造部

3.9

体4.7全403.3 コーナーエコーと端部エコーの位置関係についての考察
超音波は拡がりをもって伝搬するため，端部エRMS 値（mm）
鋳30

図８（c） 深さサイジング結果（鍛造部）

表２に各部位におけるサイジング結果の誤差の表２20実測値(mm)コーが最大となる探触子の位置においても，図 10の破線のようにき裂のコーナーから反射するエコーを一部検出し，き裂先端やコーナー位置は探触子から超音波経路上の距離の違いとして認識される．軸方向き裂を周方向に探傷する場合は，端部エコーと同じ部位で比較した深さサイジング結果の実際のコーナーエコーを検出するときの探触子の位置が配き裂深さとの誤差は，ASME Section XI Appendix

管の周方向に移動するため，探傷結果では配管軸方VIII（Performance Demonstration for Ultrasonic

向の探傷と比べて両エコーが接近する（図３ B ス

Examination）の UT 検査員認証基準（鍛造鋼）とコープ内の※部は端部エコー検出時のコーナーからして規定される RMS 値 3.2mm と比べて劣るものでのエコー）．特にき裂深さが超音波の波長（0.5MHzはなかった．破面全体で評価すると，実測による最の場合 11.8mm）程度より浅い場合，伝搬させる超大き裂深さと深さサイジングの最大値では異なる位

音波は１波だけでなく最大振幅となる波の前後の波置を評価しており，RMS 値は大きくなった．の影響を受けるため端部エコーの判別が難しくな

図９に開放した疲労き裂の破面を示す．破面を観る．さらに超音波伝搬距離が長くなることからノイ察すると，鋳造ステンレス鋼および溶接部では破面ズの影響を受けやすくなり，周方向探傷においてはの表面が荒れたようになっていることから，超音波軸方向探傷に比べて深さサイジングが難しくなったが散乱することにより端部エコーが明瞭に捉えられものと考えられる．さらに使用した２振動子探触子なかった可能性がある．

はコーナーエコーをより感度良く捉えるため配管内

鋳造側

溶接部

探触子

鍛造側

き裂先端
１次冷却材管き裂

図９き裂のコーナー

疲労き裂破面（破面開放後）
図 10端部エコー検出時の状況

INSS JOURNAL Vol . 21 2014 NT 10周に焦点が当たるように調整しているため，配管内周から離れるほど端部エコーのレベルが相対的に小さくなることも深さサイジングを難しくしていると考えられる．

4. 結言
鋳造ステンレス鋼溶接部の軸方向き裂に対し，大型 2 振動子探触子を用いた自動超音波探傷により，これまでに約 4mm 以上のき裂の検出が可能であることを確認したが，本研究では深さサイジング性評価を実施した．
端部エコーは全体的に明確には識別できず，多くの場合推定位置から端部エコーを探して識別した．
深さ約 22mm 以上のき裂では，概ね端部エコーが判別でき，深さサイジングの可能性が高い．
深さ約 16mm 以下の疲労き裂では深さサイジングは困難であった．これは端部エコーとコーナーエコーの信号の最大位置の間隔が超音波の 1 波長に近くエコー信号が近接することから，信号の識別が難しかったためと考えられる．
また，全体的に深さサイジング結果は実際のき裂深さより小さい値となった．この原因は今後検討していきたい．

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）．
（3） 西川嘉人，石田仁志，黒住保夫，“ 鋳造ステンレス鋼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 ”，INSS Journal, Vol.20,p.182（2013）．
（4） Zetec, フ ェ ー ズ ド ア レ イ UT 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 UltraVision,
http://www.zetec.com/2010/06/ultravision/

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