159

鋳造ステンレス鋼の超音波探傷検査技術の開発
Development of Ultrasonic Inspection Techniques for Cast Stainless Steel
黒住 保夫 （Yasuo Kurozumi）*

要約 加圧水型原子力発電所(PWR)の1次冷却材管には，鋳造ステンレス鋼が広く使用されている．鋳造ステンレス鋼の複雑な結晶構造は，正確な超音波探傷検査の妨げとなっている．すなわ
ち，粗粒構造による大きな減衰と散乱ノイズは，欠陥の検出の障害となり，異方性による音速の変化とビームの曲がりが，欠陥位置精度を不正確なものにする．本研究では，こうした鋳造ステ
ンレス鋼の超音波探傷に適した大型の2振動子探触子と専用の局部水浸治具を開発し，欠陥検出性を向上させた．さらに自動探傷装置と組み合わせ，探傷データを画像表示することで，欠陥識別性を向上することができた．その上で，本超音波探傷手法を実際の1次冷却材管と同規模の溶接試験体に適用し，他の方式と比較した結果，最も高い欠陥検出性能を得ることができた．
キーワード

鋳造ステンレス鋼，加圧水型炉，一次冷却材管，溶接部，超音波探傷検査，2振動子探触子，

局部水浸法

Abstract
Cast stainless steel is widely used for the reactor coolant piping in pressurized water
reactors (PWRs). Its complex crystal structure hinders accurate ultrasonic inspection. This isbecause the large attenuation and scattering noise due to the coarse grain structure interfere withdefect detection, and the sound wave velocity variations and beam skewing resulting from theanisotropic crystal structure make the determination of defect locations inaccurate. In this study, alarge twin crystal transducer with a local water immersing attachment was developed in order toenhance the defect detectability for cast stainless steel. The ability to detect defects was improved by
combining the transducer with an automatic driving unit to display the inspection data. Thisultrasonic inspection technique was applied to weld specimens of the same scale as actual PWR main
coolant pipe, and was compared with other manufacturers' devices. The results demonstrated that thedefect detection performance of this technique was the superior.
Keywords

Cast stailess steel, PWR, main coolant pipe, weldment, ultrasonic inspection, twin crystal

transducer, local water immersion.

1.

はじめに

グラウンドノイズとしての林状エコーを生ずる．これは，SN比(Signal Noise 比)の低下すなわち欠陥検鋳造ステンレス鋼は，耐食性が良く，強度が高く，出性低下の原因となる．結晶異方性は，超音波ビー

溶接性が優れているために，加圧水型原子炉（PWR）

ムのゆがみ（スキュー）と音速の方向による変動をの1次冷却材管，1次冷却材ポンプケーシングなどにもたらす．これは，欠陥位置の推定精度を低下させ広く使用されている．これら1次冷却材圧力バウン

る．このため，鋳造ステンレス鋼の超音波探傷検査

ダリー機器の溶接部は，供用期間中検査（In-は，欠陥の識別に関し，ベテラン検査員の経験と長Service Inspection : ISI）を行わねばならないが，超い時間を必要としていた．

音波探傷検査は，ISIとして最も広く行われている．

鋳造ステンレス鋼特有の超音波伝播特性は，以前

鋳造ステンレス鋼は，結晶粒が粗大であり，結晶異から知られており，実験的手法やコンピューターシ

方性（特に柱状晶を有する遠心鋳造材）を有すると(1〜18)
ミュレーションに関する研究が進められている．

いう特性を持つ．粗大な結晶粒は，材料中を透過す

超音波探触子については，結晶粒での散乱と減衰へる超音波ビームの散乱，減衰を引き起こし，バックの対処法として，大型の振動子により高エネルギー*（株）原子力安全システム研究所

技術システム研究所

160の超音波を発生させる手法や，比較的低周波の超音

一次冷却材配管溶接部試験体を用いて試験した．

波を使用すること，材料中での超音波の集束効果をねらいとしたものが開発あるいは推奨されている．
(5)(19〜34)2.

自動超音波探傷システム

また，空間アベレージング，スプリットスペ

クトラム法等の信号処理によりSN比を改善しようとした研究もなされている．(35〜44)特に，欧州では，

2.1 システム構成

PISC(Program for the Inspection of Steel Components)

PISCにおいては，各国の検査チームが，それぞの活動の一環として，実規模大の鋳造ステンレス鋼

れの超音波探傷法で検査を実施し，欠陥検出率，寸溶接部試験体を用いた大がかりなラウンドロビンテ

法同定精度などの客観的尺度を用いて各チームの検ストが実施され，本材料に対し効果的な検査技術，

査成績を評価した．その結果，教訓として得られた検査手法を明らかにしている．(45〜55)

ことの一つに，このようなノイズの多い粗粒材に関これらの研究開発あるいは検証活動の結果をふましては，自動超音波探傷を使用することが効果的でえ，本研究においては，PWR1次冷却材管に用いらあるということがあった．これは，手動探傷においれている鋳造ステンレス鋼のような粗粒材の超音波て，探傷画面上の欠陥信号強度とその継続性により探傷に適した探触子として，直径76mmφの大型球欠陥の識別をしなければならないが，SN比が悪い

面振動子を送信側，受信側それぞれに搭載した大型と欠陥信号そのものの把握が困難なことが理由であ2振動子探触子を開発した．この探触子は，高いエる．(49)(50)(51)

ネルギーの超音波を発生し，球面振動子と2振動子

自動超音波探傷では，一度超音波探傷データを採の両方の集束効果により，材料の目的の位置に効率取すれば，欠陥かどうかを識別するための分析作業

的に超音波を伝えることが可能である．この探触子は，場所を移して行うことが可能である．したがっを専用に開発した局部水浸治具とともに駆動機構にて，本研究でも1次冷却材管のような放射線環境下取り付け，自動超音波探傷を実施した．得られた探の超音波探傷に適していると判断し，自動超音波探

傷データは，画像表示することで，欠陥識別を容易

傷を採用することとした．本研究で採用した自動超にした．完成した超音波探傷システムを，実機大の音波探傷システムを図1に示す．

１次冷却材配管
ガイドレール

アーム

駆動ユニット探触子
溶接線

自 動 駆 動機構

高速データ
処理装置/
送受信器
制御装置

図1 配管自動超音波探傷システム

161

自動駆動機構のアーム上に探触子が配置され，探触もに採取し，制御装置のハードディスクに保存する．

子は配管の軸方向を往復する．同時に自動駆動機構

システムに関わる全ての制御は，ワークステーショ

全体が配管周方向に移動する．高速データ処理装置

ンで行われる．表1に，自動駆動機構の仕様，表2に，/送受信器は，探触子への送受信を行うと同時に，データ処理システムの仕様を示す．

各位置でのAスキャンデータを探触子位置情報とと

表1 自動駆動機構の仕様
装置名（メーカー）

PIMMSマニプレータ（AIB Voncotte）
本体 : 275L x 260W x 165H (mm)
Xアーム : 575L (mm)外形寸法

ベルトアーム : 700 (mm)
本体 : 19kg
Xアーム : 5.9kg

重量

ベルトアーム : 4.1kg
2.5kg

最大探触子荷重X軸(配管軸方向) : 100mm/s

最大速度

Y軸(配管周方向) : 50〜100mm/s
X軸(配管軸方向) : 0.05mm

モーター分解能Y軸(配管周方向) : 0.05mm
X軸(配管軸方向) : 0.05mm

エンコーダー分解能

Y軸(配管周方向) : 0.1mm

内面検査可能最小半径500mm

外面検査可能最小半径270mm

表2 データ処理システムの仕様
装置名(メーカー)

Tomoscan sv(R&D Tech)

パルサーレシーバー

チャンネル数16ch，バンド幅30MHz

ディジタイザー

12bit, 60MHz

フィルター

8 low pass, 8 high pass

最大データ取得間隔20kHz

データ取得速度

3Mbytes/sec

Aスキャン最大取得データ数

30,000point

画面表示機能A,B,C, D scan,angle-corrected top view, side view, front
view

162

配管一周あたりの探傷時間は，探傷
ピッチと探傷速度に依存する．現状
は，探傷ピッチがX軸方向1mm，Y
軸方向3mm，探傷速度はX軸方向25mm/sec，Y軸方向25mm/secで1周約4時間である．将来は，探傷速度を上げて能率向上を図る．ディジタイ
ザーは8bit，16MHz，ゲート間隔は
最大50msecを使用しているので，データ取得速度は十分な能力である．
図2に自動駆動機構の写真を示す．

2.2

探触子の開発2.2.1

大型2振動子探触子

探触子

試験体

図2 自動駆動機構，試験体写真

通常，炭素鋼やステンレス鋼材の超音波探傷においては，斜角探触子として周波数2〜10MHzの横波

送信側

探触子が適用される．一般に，結晶粒界での超音波の散乱減衰は，波長が長いほど小さくなる．したがって，鋳造ステンレス鋼に対しては，減衰を補償す

受信側る手段として，1MHzや場合によっては0.5MHzといった比較的低い周波数の縦波探触子が適用されてい球面振動子（76mmφ）(19˜ 22)(24,25)(27)(29˜ 34)る．

さらに，超音波エネルギーを材料中に集束させる手段としては，送受信の振動子を探触子ハウジング

図3 大型2振動子探触子の構成内で分離した2振動子探触子(Transmitter Receiver
Longitudinal:TRL) (19˜ 21)(24)(29)(33,34)や大型の集束型探触子(22)(25)(27)(30˜ 32)などが用いられている．2振動子探触子は，送信側と受信側の振動子に角度を持たせ，材料中の

送信側

受信側

1点における超音波の集束効果をねらったものである．集束型探触子は，振動子の前面に音響レンズを組み込み，超音波を屈折させて材料中の1点に集束させようとしたものである．なお，集束型の探触子には，振動子自体が曲率を有する球面振動子を用いたものもある．
図3に本研究で開発した大型2振動子探触子の構成

裏面

表面を示す．本研究では，大型の球面振動子(76mmφ)を2つに分割，送受信側に配置し，集束型探触子と2振動子探触子の両方の相乗効果をねらった大型2振動子探触子を製作した．

図4 大型2振動子探触子の写真

163

表３

図4に，本研究で設計製作した大2振動子探触子の仕様

型2振動子探触子の写真，表3に従来
従来型探触子の例

本研究の探触子

型式

２振動子型

２振動子型

モードに関しては，関連する各種研

外形寸法

60×60×45(mm)100×100×84(mm)

究成果を参考に，1MHz，縦波とし

モード

縦波

縦波

周波数

1.0MHz1.0MHz2振動子探触子のように超音波を

振動子形状

平面型

球面型

集束させるタイプの探触子は，超音

振動子寸法

24×49(mm)（2個）

38×76(mm)（2個）

波の集束位置において，本来の性能

焦点深さ

50〜60mm60〜70mmが発揮される．このため，あらかじ

入射角

45°

45°

型2振動子探触子と大型2振動子探触子の仕様を示す．周波数と超音波の(19˜ 22)(22,245(27)(29˜ 34)

た．

め集束位置(集束深さ)を設計しておく必要がある．原子力発電所の運転中に1次冷却材

が板厚の5%に相当するEDMスリットを入れてあ管に発生し得るのは，応力腐食割れ，疲労割れなど

る．図5に試験結果を示す．探触子の性能は，欠陥

内表面欠陥である．本研究においては，これらの欠信号強度とノイズ強度の比，SN比で比較した．こ

陥の検出をねらいとして，探触子の集束深さは1次の図から，従来型の探触子のSN比が4であるのと比冷却材管板厚相当の60〜70mmとした．

べ，大型2振動子探触子のSN比は21と5倍となり非常に高い性能であることがわかる．

2.2.2

大型2振動子探触子の性能試験

従来型の2振動子探触子と本研究で開発した大型2振動子探触子を用いて，鋳造ステンレス鋼製校正試
験片中に加工された放電加工(Electron Discharge
Machining:EDM)スリットの探傷試験を実施した．
表4に試験条件を示す．校正試験片は，実際の1次冷却材管と同じ板厚70mmの遠心鋳造ステンレス鋼配管ブロックである．校正試験片の内表面側に，高さ0.5V, 10μs

表４
送信周波数
受信感度
フィルター
板厚
材質
欠陥

性能試験条件
1.0MHz58dB
no filter
69mm
CF8,遠心鋳造管
5％ｔ，EDM slit

0.5V, 10μs

在来型２振動子探触子
図5

大型２振動子探触子

校正試験片の5％EDMスリットによる性能確認試験結果

164

2.2.3

大型2振動子探触子用局部水浸治具の開発

法が採用されている．(22)(24,25)(27)(29)これは，通常の粘性物質では，探触子の下面全体に十分に供給されない

超音波探傷においては，探触子下面と材料の接触ためである．本研究で開発した探触子は，大型で寸部における超音波の伝達効率を確保するために，接法が縦横それぞれ100mmあるため，局部水浸法を触媒質を使用しなければならない．通常は，接触媒採用し，専用の局部水浸治具を開発した．図6に，質としてマシン油等の粘性物質または水を使用す

大型2振動子探触子用局部水浸治具を示す．

る．水を使用する場合，探触子と試験片共に水中に本局部水浸治具は，探触子ホルダーの下側に人工沈めて探傷を行う水浸法ならびに探触子と材料の接皮革製のスカートを取り付け，その内側に水を案内

触部分のみに水を注入する局部水浸法がある．自動する構造にした．このスカートが探触子下面に水の超音波探傷においては，基本的にはどちらでも可能

膜を保有することで圧力が生じ，このために探触子であるが，大型探触子と併用するときは，局部水浸全体が浮き上がった状態で走行できる．図6左の写

探触手ホルダー

水

探触子

スカート

スカート
図6

大型2振動子探触子用局部水浸治具

70.0

真に示すように，本局部水浸治具によれば，溶接部

WCLのように凹凸があっても十分な水の供給が可能であ

69
8.5
90
0.1

54

φ697.6システムの性能試験

φ

φ

R12

3.

φ837.7

できることを確認した．

110る．探触子と材料の隙間は最大10mmまで水が供給

3.1 試験体

PWR1次冷却材配管溶接部を模擬した実規模大の試験体を製作した．図7に試験体の形状と寸法，表5に（単位：mm）

図７

90

図2の写真に示すように，人工欠陥を有する

500

一次冷却材配管溶接部模擬試験体

165

表5 試験体仕様

試験体の仕様を示す．直管部は遠心鋳造製，エルボ
ー部は静鋳造製の鋳造ステンレス鋼(CF-8M)を使用
し，溶接施工されている．直管部板厚は約70mm，
エルボー部板厚は約90〜110mmであるが，溶接部

部

品

仕

直 管

様

材料 ：ASTM A182 CF8M
製造法：遠心鋳造

内面側にカウンターボアが施工されている．このた

エルボー材料：ASTM A182 CF8M

め，溶接部付近の板厚は配管側で約67mm，エルボ

製造法：静鋳造

ー側で約72〜77mmである．また，エルボーの溶接
開先側には，幅40〜140mmのチャンファが施工されている．溶接余盛り部表面は，手入れがなされて

表6

欠陥の種類，大きさ，場所，個数

類

大きさ

個数

導入した．表6に，導入した欠陥の種類，大きさ(深溶け込み不良20%t

1さ)，個数を示す．欠陥の大きさ(深さ)は，試験体の疲労クラック30%t

1

板厚t(=70mm)に対する％で表している．なお，溶EDMスリット*

10〜40%t4

け込み不良以外の欠陥は，全て配管内表面の開口欠* : Electron Discharge Machining (放電加工)スリット

いるが，配管と余盛りの境界部に約3〜5mmの凸凹が存在する．
試験体の溶接部付近に，人工的に6カ所の欠陥を

種

陥である．

3.2

3.2.2 探傷感度設定と探傷範囲

試験条件

通常，超音波探傷の感度設定は，校正試験片の標3.2.1 探傷装置，探触子

準欠陥の信号を基準に行われるが，鋳造ステンレス
鋼は，探触子の場所により減衰率が大きく変化する

探傷は，全て自動で行われた．データの受け取りため，この方法は適用できない．，そこでノイズレは，表2に示すTomoscanデータ処理システムが用いベルで探傷を実施した．ノイズレベルとは，散乱にられた．探触子は，本研究で開発した大型2振動子

よるノイズ信号が受信画面高さの10〜20%程度にな

探触子の他，比較のために6種類の2振動子探触子をるように設定された感度のことである．
図8に，探傷範囲を示す．探傷は，配管側からの用いた．表7に使用した探触子を示す．

み溶接線に垂直な方向で行った．これは，エルボー

表７
会社名

INSS

A社

B社

型

式

試験に使用した探触子

入射角

周波数

(°)

(MHz)

INSS-TRL45

45

1

AV TS 45 1 635

45

AV TS 55 1 635

モード

振動子

外形寸法

寸法(mm)(mm)

縦波2(38 x 76)

100 x 100 x 701

縦波2(24 x 49)

60 x 60 x 42

55

1

縦波

2(24 x 49)

60 x 60 x 42

AV TS 45 1 835

45

1

縦波

2(33 x 66)

80 x 88 x 50

AV TS 55 1 835

55

1

縦波

2(33 x 66)

80 x 88 x 50

RTD45TRL0.5

45

0.5

縦波

2(24 x 42)

60 x 60 x 34

RTD60TRL0.5

60

0.5

縦波

2(24 x 42)

60 x 60 x 34

166

側にチャンファが施工されているので，探触子がア

図9に，探傷結果の3次元表示例を示す．これは，クセスできないためである．探傷範囲は，探触子の配管側に存在するEDMスリットの欠陥画像である．

超音波入射点が溶接部の中心線から配管側に右下のAスコープは，横軸が時間，縦軸が信号の強160mmの間である．また，探傷データのサンプリ度を表し，通常の超音波探傷で用いられている画面

ングは，配管軸方向に1mm，配管周方向に3mmピと同等である．Aスコープでは欠陥かどうかの判定

ッチで実施した．

は，画面上に現れる信号の高さとその継続性をもとに行われる．先述のように，本自動探傷においては，
配管軸方向に1mm，配管周方向に3mmピッチで，A3.3 試験結果

スコープデータを採取しており，このAスコープデータを探触子位置情報をもとに画像表示したものが3.3.1 超音波探傷データの3次元表示

B，C，Dスコープである．Bスコープは溶接線に垂直な断面，Cスコープは上から見た平面，

start

160 mmstop

Dスコープは溶接線に平行な断面のイメ
チャンファ部ージである．各スコープにおいて，信号強度に応じて色が変わる．Cスコープにおいては，Aスコープのうち，あらかじ

配管側

エルボ側

め定められた範囲の最大値が表示される．
このように視覚的に信号強度を表示する

深傷範囲

ことにより，鋳造ステンレス鋼のような

図８ 入射角45ﾟの場合の探傷範囲

Cスコープ

ノイズが多くSN比の悪い状況でも欠陥の

Ｄスコープ

Ａスコープ

Ｂスコープ

図９

探傷結果の３次元表示

167

る．図11(b)は，別の場所のCスコープを示す．図

識別が容易になる．
図10にEDMスリット(10%t)の信号例を示す．Cス

11(b)においては，2つの欠陥が確認できる．一方は，コープ上に信号の強い部分が1箇所見える．これは，溶接部の配管側にあり管軸方向に対して傾斜してお深さ10%tのEDMスリットからの信号である．Aス

り，他方は溶接部のエルボー側にあることがわかる．

コープは，Cスコープ中で本欠陥の中心にあたる部分のデータである．B，Dスコープは，EDMスリッ

3.3.2 欠陥検出率誤識別率の比較

トに合わせて表示されている．Bスコープの上端，
Dスコープの左端が材料表面，目盛69〜75mm付近

3.3.1に示したような3次元表示画面を用いて超音波が材料底面を表す．両方のスコープから，欠陥の深探傷データを分析し，欠陥かどうかの判定を行った．

さは約14mmと読みとれ，実際の欠陥深さ7mmより

PISCの手法に準じ，検査員に実際の欠陥の位置をも大きめにでていることがわかる．

知らせずに欠陥かどうか判定させるブラインドテス

図11に，欠陥信号のCスコープ例を示す．図11(a)は，トを行った．図12に，試験体の6個の欠陥に対する

図10のCスコープと同じものである．Cスコープは，欠陥検出率と誤識別率を，同じ試験体に対する他の水平方向が配管の軸方向，垂直方向が配管の周方向方式のブラインドテストの結果とともに示す．

に対応する．図中の点線は，溶接線を示しており，検出率とは，検出された欠陥数の欠陥の総数に占左が配管側，右がエルボー側である．このことから，める割合を示し，誤識別率とは，欠陥と識別した信この欠陥は溶接部のエルボー側にあることがわか号の総数に占める誤識別数の割合を示すものであ

Cスコープ

Ｄスコープ

ＥＤＭスリット

Ｂスコープ

図10 欠陥信号の例(EDMスリット10%t)

Ａスコープ

周方向

周方向

168

管軸方向

管軸方向

溶接線

溶接線

（a)

（b)

図11 欠陥信号のＣスコープ例

1.0

1.0
検出率

誤識別率

0.8

0.8

0.6

0.6

0.4

0.4

0.2

0.2

0

0
A方式

Ｂ方式 Ｃ方式

INSS

A方式

Ｂ方式 Ｃ方式

INSS

図12 欠陥検出率と誤識別率
る．検出率に示すように，本手法では，全ての欠陥

な自動超音波探傷技術を開発した．以下に，その成が検出できた．これは，他の方式では検出できなか

果についてまとめる．

った疲労欠陥と10%t深さのEDMスリットを検出で

1) 従来型の探触子と比べ，はるかに高SN比の大型2きたことによる．しかし，欠陥であるとした信号の振動子探触子を開発した．また，専用の局部水浸治

うち，3分の1が欠陥ではなかった．これは，開発し具を用いることにより，数mm程度の凹凸の大きい

た大型2振動子探触子が高感度であることと，焦点溶接部に対しても自動超音波探傷が可能となった．

深さを材料内表面としたたことにより，欠陥信号と

2) 探傷結果を3次元表示することにより，欠陥の識ともに通常では検出されないレベルの材料内表面付別性が向上した．その結果，実機大の1次冷却材配管

近の形状，組織上の変化をとらえているためと思わ

模擬試験体の全ての欠陥を検出することができた．

れる．

3) 開発した自動超音波探傷システムは，実際のPWR原子力発電所に適用可能である．

6.

まとめ

鋳造ステンレス鋼製の1次冷却材配管溶接部の高度

今後の課題を以下に示す．
1) 全ての欠陥を検出する一方で，欠陥の誤識別も発生した．これは，開発した探触子の感度が鋭いこ169とと，超音波の焦点深さの照準が，材料の内表面に895(1989)

合わせてあることが原因であると思われる．焦点深(8) J.L.Rose, K.Balasubramaniam, A.Tverdokhlebov,

さの照準を材料の内表面に合わせたのは，欠陥のコ"Numerical integration Green's function model forーナーエコーの検出をねらいとしていたためであultrasonic field profiles in mildly anisotropic

り，これに対して欠陥の先端からのエコーをねらい

media"., Journal of Nondestructive Evaluation,とした焦点深さの浅い探触子，あるいは，入射角のVol.8, No.3 pp.165-179(Sep 1989)

異なる探触子を併用することにより，解決できよう．

(9) P.D.Young, L.S.Lai, C.T.Eon, "Development of2) 使用した自動駆動機構は，そのまま実際の原子

nondestructive testing technology for the pressure

力発電所に適用できるが，寸法と重量がやや大きい

boundary"., KAERI/RR-856/89, 106 p(1990)

ため，小型軽量化により，さらに操作性の良いものにすることが必要である．

(10) R.B.Thompson, "Ultrasonic wave propagation incast stainless steel"., Proc. from the tenth annual
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