198

鋳造ステンレス鋼の超音波探傷において結晶組織が超音波の入射角と欠陥検出感度に与える影響
Influence of Crystal Structure on Ultrasonic Incident Angle and Defect Detection Sensitivity
for Ultrasonic Inspection of Cast Stainless Steel黒住＊
保夫（Yasuo Kurozumi）

要約 PWRの１次冷却材主配管等に用いられている鋳造ステンレス鋼中では，超音波が結晶組織の影響を強く受けることが知られている．本研究では，鋳造ステンレス鋼中の超音波伝播の挙動を明らかにし，新しい探触子の設計に資するため，鋳造ステンレス鋼への超音波入射角を変化させることにより，材料中におけるその屈折角ならびに欠陥検出感度を調べた．その結果，(1)鋳造
ステンレス鋼中の超音波屈折角は，柱状晶と45ﾟをなす方向に最大11.8ﾟシフトすることと，(2)内面
開口欠陥の検出感度は入射角が小さいほど大きいことが明らかになった．しかしながら，実際の溶接部での超音波探傷では，入射角を小さくすると欠陥検出感度は増加するが，欠陥以外反射源
からの疑似信号が大きくなり，かえって欠陥を識別しにくくなることがわかった．
キーワード

超音波探傷，鋳造ステンレス鋼，１次冷却材管，遠心鋳造管，結晶構造，入射角

Abstract
It is well known that ultrasonic waves are strongly influenced by macro structure in caststainless steel, which is used for the primary pipe or other components in pressurized water reactors(PWRs). In this work, ultrasonic refracted angles and defect detection sensitivities were investigated bychanging incident angles in cast stainless steel in order to clarify the transmission of ultrasonic in caststainless steel and to contribute to the transducer design. As a result, it has become clear that a refracted
angle in cast stainless steel shifts to the direction of 45 degrees from the direction of dendric structures in
the maximum 11.8 degrees and that the sensitivity of an inner surface breaking crack increases if theincident angle is smaller. However, in the case of the field ultrasonic inspection of welds, it is clear that if
the incident angle is small, the discrimination of the defect becomes difficult, since the false signal becomeslarge as well as the detection signal sensitivity.
Keywords

1.

ultrasonic inspection, cast stainless steel, reactor coolant pipe, centrifugally cast pipe, crystal structure,incident angle

る超音波の著しい散乱を発生させるとともに，超音

はじめに

波ビームの方向をシフトさせるため，欠陥信号のSN
鋳造ステンレス鋼は，優れた耐食性，溶接性を有比の低下による欠陥識別性の低下，欠陥位置誤認等することから，加圧水型軽水炉（pressurized waterを発生させるため，本材料に対する超音波探傷検査

reactor, PWR）の１次冷却材主配管やポンプケーシを困難にしている．このような鋳造ステンレス鋼特ングに使用されている．直管の配管材の場合，本材有の超音波に対する性質に関する研究が幅広く行わ

料は遠心鋳造により製造される．遠心鋳造製の鋳造れている．（1-19）

ステンレス鋼においては，その冷却過程において板鋳造ステンレス鋼中の超音波の散乱減衰を補償す

厚方向に非常に大きな柱状晶が成長することが知らる手段として，材料中に超音波を集束できる２振動れている．図１に，本研究で使用した遠心鋳造ステ

子探触子あるいは集束探触子が適している．（20-24） 筆

ンレス鋼試験片の断面マクロ組織の写真を示す．板

者は両探触子の長所を組み合わせた大口径集束２振厚方向に大きく結晶粒が成長している様子が観察さ

動子探触子を開発し，専用の自動走査機構を用いたれる．

自動超音波探傷により，鋳造ステンレス鋼溶接部にこの巨大な結晶粒とその異方性が，内部を通過す＊ （株）原子力安全システム研究所

技術システム研究所

適用した結果，非常に優れた欠陥検出性能を実証し199

た．（25）ただ探触子の感度が高すぎるために欠陥以外

2.

実験装置

の材料の組織変化，材料内面形状の微小な凹凸等により，欠陥と同様の高い反射エコーを欠陥とみなし鋳造ステンレス鋼の結晶方向あるいは欠陥の方向てしまう誤コールが発生することがあった．さらにと入射する超音波との関係を調べるため，超音波の検出した欠陥は，精度よく寸法同定（サイジング）

入射角を種々変化させる必要がある．このため，入する必要がある．このため本研究では，鋳造ステン

射角可変型探触子を製作した．図２〜４に，探触子レス鋼中の超音波の基本的伝播特性を再度確認し，の形状図ならびに写真を示す．形状図には探触子の新しい探触子設計の参考データを得ることとした．

前方から見た正面図と横から見た側面図を示す．形

鋳造ステンレス鋼中に入射する超音波は，結晶構状として，鋳造ステンレス鋼の超音波探傷に適した造の異方性により伝播特性を変化させる．特に遠心２振動子探触子の設計条件をベースとした．側面図

鋳造材においては，柱状晶の成長方向と超音波の入に示すように下部のディレー材の上面を円形に加工

射方向との角度により影響を受ける．この影響は超した．なお，ディレー材には，音響インピーダンス

音波のモードにより異なり，縦波においては，柱状が水に近いポリスチレン系樹脂を使用した．この上晶の成長方向との角度が45ﾟの方向で最も音速が速くを探触子が自由に回転し，入射角iを変化させることなり，柱状晶とある角度をなして入射する超音波は，ができる．正面図に示すように，２振動子探触子は45ﾟの方向にシフトすることが知られている．（3-6,19）

２個の振動子が横に並んでおり，探傷する深さによ

本研究では，入射角を自由に変化させることのできりある角度(屋根角）をなしている．本探触子の場合，る2振動子探触子を用いて縦波超音波入射角と屈折角

屋根角は７ﾟに設定されている．この７ﾟは，厚さの関係を鍛造ステンレス鋼材および鋳造ステンレス

70mmの鋳造ステンレス鋼の底面付近に超音波を収鋼材について測定した．さらにステンレス鋳鋼への束させることのできる角度であり，筆者が開発した

超音波入射角と欠陥検出性の関係を調べた．

大口径集束２振動子探触子（25）とほぼ等しい大きさである．

V392探触子

ケーシング

ディレー
シュー

（正面図）

V392探触子
ケーシング

ディレー

図１ 鋳造ステンレス鋼断面マクロ組織

（側面図）

図２

角度可変２振動子探触子形状図

200

試験片には，厚さ90mmのSUS304鍛造試験片および厚さ70mmの遠心鋳造製CF-８M鋳造ステンレス鋼の校正試験片を用いた．図５にそれぞれの試験片形状を，図６，７に，探傷データ取得状況を示す．
SUS304鍛造試験片は縦200mm，横300mm，高さ88mmで，深さ37，47，57，67，77mmの位置に直径10mmφの横穴が空けられている．本試験片は，鋳造ステンレス鋼と比べ結晶異方性がほとんどなく，
超音波伝播特性上等方性均質材とみなすことができる．鋳造ステンレス鋼試験片は縦145mm，横200mm，
高さ70mmで，深さ1/4t，2/4t，3/4t（tは板厚）の位
図３

角度可変２振動子探触子（表側）

置に直径4.8mmの横穴と底面に５％tと２％tの深さのEDM（Electronic Discharge Machining : 放電加工）
スリットがある．本研究においては，これらEDMス
リットを用いた．

探触子

試験片

図４

(a) SUS鍛造鋼試験片角度可変２振動子探触子（裏側）側面から見た入射角iは，ピヴォット構造により０ﾟから25ﾟまで，変化させることができる．超音波
を縦波モードで鋼中に入射させる場合，この入射角

探触子
試験片

範囲で０ﾟから90ﾟまで，ほぼすべての範囲の屈折角
柱状晶
成長方向

を得ることができる．ピヴォット構造を有するディ
レー材に，２個の水浸用垂直探触子を搭載している．
探触子は周波数１MHz，広帯域型で，鋳造ステンレ
ス鋼のような粗粒材に適したパナメトリックス製
V392を使用した．表１に，この探触子の仕様を示す．
(b) 鋳造ステンレス鋼試験片

表１

探触子仕様

探触子名

パナメトリックスV392

型式

水浸用垂直探触子

周波数

1MHz

振動子径

38mm(1.5inch)−6dBバンド幅

64.6%(広帯域)

図５

試験片形状

201

tanr =ad…（2）により求まる．aは，横穴からの反射エコーが最大値を示すときに測定した．入射角12.5ﾟおよび15ﾟのときのA-scopeを図８に示す．

図６

探傷データ取得状況（SUS鍛造鋼試験片）（a） 入射角12.5ﾟ，67mm横穴（35dB）

図７

探傷データ取得状況（鋳造ステンレス鋼試験片）

3.

鋳造ステンレス鋼の柱状晶成長方向と超音波入射角
鋼中に入射する超音波の屈折角は，スネルの法則

により入射前に通過する媒体中の音速と入射後に通過する媒体中の音速によって決まり，式（1）のように表すことができる．
Vi
Vr=
Sini Sinr（b） 入射角15ﾟ，67mm横穴（37dB）
図８

SUS鍛造材のAスコープ…（1）i, r, Vi, Vr, は，それぞれ入射角，屈折角，入射前の音速，入射後の音速を表す．

鋳造ステンレス鋼の試験片についても，同様の方法で屈折角rを測定した．鋳造ステンレス鋼による測材料がSUS304鍛造試験片のように等方性均質材と定方法は，図５（b）に示すとおりである．図５（b）にみなせる場合，試験片中の屈折角は，上式に基づき示すように，鋳造ステンレス鋼試験片においては，決まるはずである．SUS304鍛造試験片の横穴を用い柱状晶が表面にほぼ垂直に成長しているため，試験て入射角と屈折角の関係を測定した．測定方法は図片上に設置した探触子から鋼中に伝播する超音波の５（a）に示すとおりである．試験片表面から横穴中心

屈折角rが，試験片中の柱状晶と超音波伝播方向のなまでの深さd，探触子の超音波入射点から横穴中心ます角度とみなすことができる．鋳造ステンレス鋼試での水平方向距離aとすると，屈折角rは式（2）験片の場合は，５％tスリットを用いた．この場合，

202

深さdはちょうど板厚に相当し，d = 70mmである．

折角rは減少している．その変動幅は，鍛造試験片中

表２に，SUS304鍛造試験片と鋳造ステンレス鋼試験の屈折角24.5ﾟのとき最大となり11.8ﾟに及んだ．この片の屈折角rの測定結果を示し，図９に入射角と屈折（5, 6）
傾向は，文献データとも一致している．

角の関係を示す．また，図中の曲線は，ポリスチレ

鋳造ステンレス鋼中の超音波が，試験片中の柱状

ン樹脂中の縦波音速を2350m/s，鋼中の縦波音速を晶と超音波伝播方向のなす角度45ﾟの方向に屈折角を5920m/sとしたときの屈折角rの計算値であり，式（1）

シフトさせることは，以前より実験的にもシミュレから導いた式（3）から求めた．

ーションによっても明らかにされていた．（3-6, 19） 本r = arcsin 5920 sini2350（

研究においても，あらためてこれを裏付ける結果を

）

…（3）

得ることができた．これらのデータは今後の探触子設計ならびに実際の探傷データ分析の参考とするこ

表２

SUS鍛造材試験片と鋳造ステンレス鋼試験片の入射角と屈折角測定値とができる．さらに探触子設計ならびに探傷データ分析を綿密なものにするためには，溶接部を模擬した試験片を用いたデータを取る必要がある．

入射角
（°
）

SUS 屈折角（°）

CS 屈折角
（°
）

7.5

18.2

28.4

10.0

24.5

34.0

12.5

32.1

38.7

15.0

38.8

43.0

込み不良やブローホールなど機器の製造時に材料内

17.5

49.6

47.3

部に発生する欠陥に対しては，垂直探傷法が有効で

20.0

52.1

48.8

4.

超音波入射角と欠陥検出性
超音波探傷においては，検査対象となる欠陥の性状により使用すべき探傷法が異なる．溶接部の溶けある．一方，機器の使用期間中には，割れ等の材料表面に発生する開口欠陥が多い．このような欠陥に対しては，斜角探傷法が有効である．

20

本研究では，鋳造ステンレス鋼中の割れ等の表面

19

開口欠陥に対し有効な２振動子探触子を用いた斜角1817探傷法に関し，超音波入射角と欠陥エコー検出感度16の関係について調べた．探触子は，前章と同様の入15射角可変型探触子を用い，入射角を7.5ﾟから10，12.5，

1415，17.5および20ﾟに変化させた．また，開口欠陥と1312して鋳造ステンレス鋼試験片中の２％tと５％tスリ

11ットを使用した．測定方法は，図５（b）に示すとおり

10である．なお，筆者が開発した大口径集束２振動子

9

探触子の入射角は，15ﾟである．

87

入射角7.5ﾟ，12.5ﾟ，15ﾟ，17.5ﾟおよび20ﾟの場合の

6
15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

５％tスリットに関するA-scopeを図10に示す．各図の縦軸は反射エコー強度を表し，横軸は距離で表示

図９

鋳造ステンレス鋼の結晶方向に対する入射角と屈折角の関係した時間軸である．反射エコーの位置は，入射角が増加するのにともなって，次第に増加している．これらのエコーは，入射角スリット下端のコーナーエ

図からわかるように，SUS304鍛造試験片中の屈折コーである．これら反射エコーの立ち上がり位置は，

角rは，ほぼ計算値に近い値となっており，樹脂中お前章の実験で得られた28.4ﾟ，43.0ﾟ，48.8ﾟの屈折角

よび試験片中の音速の設定値が実際の音速とほぼ一から計算した超音波ビーム路程とほぼ一致している．

致していたことがわかる．一方，鋳造ステンレス鋼

各A-scopeから明らかなように，スリットからの反射

試験片中の屈折角rは，鍛造試験片中の屈折角rと比エコーは，入射角が小さいほど大きい．また図10（c）

べ45ﾟより小さい屈折角rは増加し，45ﾟより大きい屈の入射角が12.5ﾟの場合，波形が２つのピークを示し

203ている．これは，図中に示すようにスリット下端からのコーナーエコーとともに，スリット先端からのエコーを捕らえているものと推定される．
スリット先端エコー（c） 12.5CS５％-49dB（a） 7.5CS５％-47dB（d） 15CS５％-54dB（b） 10CS５％-49dB（e） 17.5CS５％-54dB

コーナーエコー204

入射角が12.5ﾟ，15ﾟ，17.5ﾟ，20ﾟの場合における鋳造ステンレス鋼中の5%tスリットのA, B, C, D-scope
画面を図12に示す．本データは，縦方向に２mmピッチ，横方向に１mmピッチで走査したものである．
C-scopeには，５％t，２％tスリットの双方が確認される．D-scope画面は，５％tスリットにゲートを調整したデータである．欠陥エコーのSN比は，入射角が大きくなるにつれて次第に減少している．入射角が15ﾟの場合には，D-scope画面で信号強度の高い部
分が二重になっている．これは，入射角が12.5ﾟのAscopeで観察されたのと同様，欠陥先端の回折波を捕らえているためと思われる．画面上から評価される
欠陥深さは約５mmで，実際の欠陥深さ５％t（=3.5mm）にほぼ近い値であるが，データ上は少し（f） 20CS５％-58dB
図10

鋳造ステンレス鋼試験片５％tスリットのAス
コープ

大きめとなっている．この誤差の原因は，１MHzという低周波数であることと，振動子の口径が38mmと大きいことにともない超音波ビーム有効範囲が大

５％t，２％tスリットからの反射エコーのSN比をきいことから，本探触子の分解能がそれだけ低いこ

図11に示す．各グラフには，大口径集束２振動子探とが原因と思われる．一方C-scopeから見た欠陥長さ触子の場合のSN比データも合わせてプロットした．

は，各データとも約30mmで，実際のスリットの長5%tスリット反射エコーのSN比は，入射角が20ﾟのさ30mmとほぼ一致している．以上の結果より，開4.6から入射角が7.5ﾟまで小さくなるにしたがって次口欠陥の検出感度のみに着目すれば，超音波の入射第に増加し，入射角7.5ﾟで34.9に達する．２％tスリ

角は鋳造ステンレス鋼中の入射角の小さいほうがよット反射エコーのSN比も同様の傾向を示し，入射角

いことがわかった．

が20ﾟの1.9から入射角が7.5ﾟまで小さくなるにしたがって次第に増加し，入射角7.5ﾟで39.2に達する．また，入射角7.5ﾟの場合，５％tスリットよりも２％tスリッ
ト反射エコーのSN比のほうが高かった．

40

35
30

30

SN比

SN比

25
20

20

15
10

10

5
0

0
6

8

10

12

14

16

18

20

22

6

8

10

12

14

16

入射角（°）

入射角（°）(a) 5%t スリット(b) 2%t スリット

図11

EDMスリット反射エコーのSN比

18

20

22

205

（a） 入射角 12.5ﾟ（b） 入射角 15ﾟ206（c） 入射角 17.5ﾟ

（d） 入射角 20ﾟ
図12

EDMスリットのA，B，C，Dスコープ

207

次に，実際の１次冷却材管を模擬した試験体で入れる．これは，カウンターボア部からの形状エコー

射角による欠陥検出性への影響を調べた．図13に，である．この形状エコーが欠陥の識別を困難にして入射角15ﾟと12.5ﾟの場合のA, B, C, D-scope画面を示

いる．これは，超音波の入射角が小さくなると開口

す．入射角15ﾟ（鋳造ステンレス鋼中入射角43ﾟ）の場

欠陥からの反射エコーのSN比が大きくなるが，超音

合，２箇所の欠陥が確認される．これらは，どちら波ビームが下向きになるることによって欠陥と同時もEDMスリットである．入射角12.5ﾟ（鋳造ステンレに欠陥以外の内面の形状変化にも敏感に反応するよス鋼中入射角38.7ﾟ）の場合，欠陥信号も確認される

うになることが原因と思われる．

が，欠陥よりもはるかに高いレベルの信号が観察さ（a）入射角15ﾟ図13（b）入射角12.5ﾟ
実機模擬試験体の自動超音波探傷結果

208

5.

まとめ

Evaluation, 8, p.2105 (1989).
（ 6 ）P.Jeong, F.Amirato, Ultrasonic Examination of

角度可変型２振動子探触子を用いて入射角を変化させ，鋳造ステンレス鋼中の屈折角と鍛造ステンレ

Cast Stainless Steel, EPRI NP-6299 Project
1570-2 Topical Report, (1989).

ス鋼中の屈折角を比較した．さらに，鋳造ステンレ（ 7 ）W.Lord, "Forward and inverse NDE problems,"

ス鋼中屈折角と内面開口欠陥検出感度との関係につProc. the ISMM Int. Sympo. Computer

いて調べた．その結果，下記のことがわかった．

Applications in Design, Simulation and（1）鋳造ステンレス鋼中の超音波屈折角は，すべて

Analysis, p.113 (1989).

の角度が45ﾟ方向にシフトする傾向があること（ 8 ）M.S.Good, E.R.Green, "Mapping of 1-MHz, 45°を確認し，設計屈折角と実際の屈折角の差を定Longitudinal-Wave Fields in Centrifugally Cast

量的に得ることができた．この差は，最大Stainless Steel," Review of Progress in

11.8ﾟに達する．

Quantitative Nondestructive Evaluation, 8A ,（2）欠陥検出感度は，入射角が小さい方が高くなる

p.889(1989).

傾向にあるが，１次冷却材管溶接部模擬試験体（ 9 ）J.L.Rose, K.Balasubramaniam, A.Tverdokhlebov,の探傷結果から，入射角が15ﾟより小さいと形"Numerical integration Green's function model状エコーが相対的に高くなることがわかった．

for ultrasonic field profiles in mildly anisotropic

設計屈折角と実際の屈折角の差に関しては，欠陥のサイジングに際し，考慮する必要がある．探触子

media," Journal of Nondestructive Evaluation, 8[3] , (1989).

の入射角は，欠陥エコーのSN比のみに着目すれば，（10）P.D.Young, L.S.Lai, C.T.Eon, Development of

小さいほど良いが，形状エコーレベルとの相対感度

nondestructive testing technology for theも増加する．このことから既に開発した探触子の入pressure

射角15ﾟよりも大きい入射角の中で最適角度を選定す

p.106(1990).

ることが，誤コール低減のために必要であることがboundary,

KAERI/RR-856/89,（11）R.B.Thompson, "Ultrasonic wave propagationin cast stainless steel," Proc. from the tenthわかる．

annual EPRI NDE information meeting, 8.1,

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Cast Stainless Steel Component," Review of

Propagation in Inhomogeneous, Anisotropic

Progress

Cast Stainless Steel," Review of Progress in

Quantitative

Nondestructive

209

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