161

集束型渦電流探傷プローブの開発研究
Focusing Eddy Current Testing Probes for The Detection of Steam Generator Tube Defects
山口 良一(Ryoichi Yamaguchi)*

原田 豊(Yutaka Harada)†渡辺 芳哲(Yoshitetsu Watanabe)*藤岡 琢志(Takushi Fujioka)‡

The Lord Marshall of Goring §要約 加圧水型原子力発電所（PWR 型）の蒸気発生器には，一基あたりおよそ 3400 本の伝熱管があり，毎年定期検査でその健全性を確認するため，渦電流探傷装置を用いた探傷検査が行われている．この探傷検査に多く用いられている探傷用プローブには，ボビンコイル型と呼ばれているものがある．この型のプローブは，一般に探傷速度は速く，伝熱管の軸方向欠陥の検出感度は高いが，管の周方向欠陥の検出感度は低いと言われている．
そこで，本研究ではボビンコイル型の探傷速度が速いという特徴を失うことなく伝熱管の軸方向欠陥に加えて，周方向の欠陥も感度良く検出できる探傷プローブを開発することとした．
すなわち，周方向欠陥の検出感度が低いというボビンコイル型探傷プロ−ブの欠点を補うため，プロ−ブの内部に強磁性体のフェライトコアを埋め込むと共に、従来のボビンコイル型で用いられてきたインピーダンス検出法から、欠陥により変化した磁束だけを検出用フェライトコアに導き、欠陥の大きさを直接電圧信号として捕える画期的な検出方法を用いることで検出性能の向上を図った．このコアの形状および検出コイルの配置を最適化するために，三次元電磁場解析を行った．
その結果，従来のボビンコイル型プローブでは検出感度が低いとされた周方向の欠陥においても，高感度で探傷可能な探傷プローブの解析モデルを得ることができた．この解析モデルに基づき製作した試作プローブを用いて機械加工傷の検出性能を調べたところ，軸方向および周方向の欠陥共，従来のボビンコイル型プローブより優れた結果が得られている．
キーワード
磁場解析

渦電流，探傷用プローブ，ボビンコイル型，軸方向欠陥，周方向欠陥，フェライト，三次元電Abstract
A PWR steam generator contains approximately 3,400 tubes. During an annual
inspection, eddy current testing is performed as a part of the assessment of steam generator tube
integrity, for non-destructive inspection of defects in these tubes. The so-called bobbin coil type iswhat is generally used for the eddy current testing probe. This type of probe is considered to provide
higher testing speed and to possess greater sensitivity to axial defects, although its sensitivity tocircumferential defects is quite low.
The aim of this study was to develop an eddy current testing probe which, while sustaining its hightesting speed, is reliable in the detection of the circumferential as well as axial defects in tubes.
To compensate for the low sensitivity of the bobbin coil type probe in detecting circumferential
defects, in addition to embedding ferromagnetic ferrite cores inside the probe, a further improvement
was achieved in detection performance, by employing, instead of the impedance detection method
which uses the conventional bobbin coil, a revolutionary detection method in which only the magnetic
flux that changed due to the presence of the defect is fed into a detection ferrite core to directly
determine the volume of the defect in the form of a voltage signal. To optimize the shape of the core
and the arrangement of the detection coil, we performed 3-D electromagnetic field analysis.
Theoretical modelling of the inspection probes showed that circumferential defects could be detectedwith high accuracy. A prototype probe based on our analytical model which was used to detectmachined defects showed significantly better performance and efficiency than seen with theconventional bobbin coil testing probe, for both axial and circumferential defects.
Keywords
Eddy Current, inspection probe, bobbin coil type, axial defects, ferrite cores, circumferentialdefects, 3-D electromagnetic field analysis*（株）原子力安全システム研究所 技術システム研究所†（株）原子力エンジニアリング プラント部‡（株）日本総合研究所 サイエンス事業部（株）原子力安全システム研究所最高顧問

§162

1.

はじめに

場解析を行い，渦電流の軸方向成分が大きくなるよう，また，検出コイルの検出電圧が大きくなるよう原子力発電所の定期検査では，蒸気発生器の伝熱管に発生した欠陥を検出するため，渦電流を利用しに，フェライトコアの形状および検出コイルの配置を最適化した．

た探傷装置が用いられている．伝熱管の中に挿入された探傷プロ−ブの励磁コイルに交番電流を流す

2.と，交番磁束によって伝熱管の管壁に渦電流が誘導

蒸気発生器探傷用プローブの探傷性能試験される．管壁に傷があると渦電流の分布が変化し，開発研究の実施に先立って，現在蒸気発生器探傷検出コイルによってこの分布の変化が検出されるの用として使われている渦電流探傷用プローブの探傷である．

性能試験を実施した．

蒸気発生器の検査に用いられる探傷プロ−ブは，調査の対象としたプローブは，パンケーキコイル

コイルの形状から一般にボビンコイル型とパンケー型としては，回転コイル型（自己誘導型）とマルチキコイル型に分類される．ボビンコイル型は，コイコイル型（相互誘導型）とし，ボビンコイル型としルが伝熱管の周方向に沿って円筒状に巻かれた簡単ては，一般に広く用いられている自己誘導型と，検な構造で検査速度が早いという特徴を持っている。

出コイル用のコアにフェライトを用いた相互誘導型

検出性能は、誘導される渦電流が，コイルの巻かれを選定した．試験には放電加工による模擬欠陥を用ている方向と同じ周方向に流れることから，傷の方いた．欠陥の形状としては，管外面の欠陥で，欠陥向がこの渦電流を横切る軸方向の傷であれば，渦電の方向は管の軸方向と管の周方向とし，欠陥の幅は流の分布は大きく乱れ，検出は容易となる．しかし，0.15 mm，長さは 5 mm で，その深さは管の肉厚

傷の方向が渦電流と同じ周方向であれば渦電流の分1.27 mm に対し，20，40，60，80，100 ％ と，５段布の乱れは小さく，検出は困難になる．

階の深さとした．

パンケーキコイル型は，回転コイル型とマルチコ

調査の結果，軸方向欠陥では高い検出性能を示しイル型とに分類される．回転コイル型は伝熱管壁面たボビンコイルの相互誘導型は，周方向欠陥で検出を螺旋状に走査することから，探傷速度が非常に遅性能が低く，周方向欠陥では高い検出性能を示した

く，また，マルチコイル型はコイル直下の渦電流はパンケーキコイルのマルチコイル型は，軸方向欠陥強いが，コイル部から離れるほど弱くなり，コイルで低い検出性能を示した．とコイルの間は検出感度が低下する欠点を有する．
本研究では，ボビンコイル型探傷プロ−ブの検出速度が早いという特徴を失うことのないよう、外形の寸法が同じという条件の元で、検出性能の向上を

3.

新型探傷プロ−ブの構造

図１のようなＥ字型のフェライトコア８個を，ボビンコイルの周方向に配置する．

図るべく、特にボビンコイル型での周方向欠陥の検Ｅ字の右面を管の内壁に対向させ，Ｅ字の二つの出性能が低いという欠点を補うため，プローブの内溝に励磁用コイルを巻き，検出用コアの内側に検出部に透磁率が高く電気伝導度が低いフェライト等のコイルを設けている．励磁用コイルに高周波電流を強磁性体を埋め込み，従来のボビンコイル型には見流すとコイルの作る磁力線は，Ｅ字の上部コア，下られなかった軸方向の渦電流成分を誘導させ，軸方部コアおよびヨ−クを経由し，管壁を通過して閉じ向の欠陥はもちろん，周方向の欠陥も容易に検出でる．フェライトコアのために，この磁場は周方向にきるプローブの開発を試みることとした．

周期的に不均一に分布する．このため，管壁には軸周方向の欠陥を高い感度で検出できるための条件方向成分と周方向成分を持った渦電流が発生する．

は，軸方向の渦電流を発生することおよびこの渦電伝熱管が無欠陥のとき，磁力線は上部コアから管壁流の流れを感度よく検出できるように検出用フェラを通過し下部コアに流れるため，検出用コイル部でイトコアと検出コイルを配置することである．そこの半径方向磁束はほとんど零に近い値となる．一方，でコンピュータを用いた三次元および二次元の電磁欠陥が上部コアと検出用コア，または，下部コアと163

伝熱管

フェライトコア
励磁コイル

主フェライトコア
検出用フェライトコア
励磁コイル

検出コイル

●

●

●

●

●

●

●

プローブ全体図

励磁コイルを取り除いた
フェライトコア拡大図（正面方向より見る）

フェライトコア部拡大図（側面方向より見る）

図１

新型探傷プローブの構造図

検出用コアの間に位置すると，軸方向成分と周方向

4.1

最初の電磁場解析モデル

成分を持った渦電流の存在により軸方向欠陥，周方向欠陥に係わらず半径方向の磁束のバランスが崩れ最初の解析では，フェライトコアはリング形状とて，検出用コアと上部コアまたは下部コアを周回す

し，８個をボビンコイルに沿って円周状に配置したる磁束が発生する．

モデルとした．また，コアの寸法は厚さ 0.5 mm，すなわち，欠陥があるときは検出コイルに出力信号が発生し，欠陥がないときには出力信号は発生しない．問題は，コイルおよびコアの配置等を最適化することにある．この目的のために後述のように，三次元および二次元の電磁場解析を実施した．

幅 1.0 mm と断面積を小さくし，できるだけ磁場を集中させることを考えた．
解析は三次元モデルで行い，結果は，周方向電流成分 6.9 × 10 5 A ／ m 2 に比べ軸方向成分は，4.9 ×10 4A ／ m2（7.1 ％）と値は小さいが，発生することが確認された．

4.

電磁場解析

解析による渦電流の分布を，「図２三次元電磁場解析結果（リング型フェライトコアの場合）」にプローブの探傷性能試験の結果，ボビンコイル型プローブでは，伝熱管管壁の欠陥の方向が軸方向の場合は検出性能が高いが，周方向の場合は検出性能が低いことが明らかとなった．これは，管壁に誘導する渦電流成分のうち，周方向の欠陥の検出に有効示す．
また，フェライトコアを組み込まないボビンコイ
ル型では，周方向の電流成分（6.3 × 105A ／ m2）のみが現れ，軸方向の電流成分はもちろん現れなかった．

な成分と思われる軸方向の渦電流成分が存在しないためである．そこで，電磁場解析ソフト「JMAGDYN」1 を用いて，伝熱管管壁の渦電流がどのような方向に分布して流れるのか，フェライトコアを組み込むことでその周方向や軸方向の電流成分がどのように変化するのか，コアの形状による影響，検出

a.

解析条件
（a）伝熱管電気伝導度： 1.0 × 10 6（S ／ m）

比透磁率： μr ＝ 1

コイルの適正配置等を解析することとした．
（b）プローブ
1 JMAG-DYN ：（株）日本総合研究所の二次元／軸対称／三次元の汎用動磁場解析ソフトウェア

励磁コイル巻き数 ： 60 ターン
探傷周波数： 400 KHz164

STEP: 16
TIME: 4.06200e-06<< STEP1 (B) NEW-TYPE, WITHOUT DEFECT >> at 1993.11.12

STEP: 33
TIME: 4.12500e-06<< INVESTIGATION2 (Fan-shaped with defect) >> at 1994.08.10(Wed)

ZZXX

YY
EDDY-CURRENT
MIN: 0.00000e+00 ELEMENT ID. 2049
MAX: 7.07323e+05 ELEMENT ID. 4659

図２

EDDY-CURRENT (JZ)
MIN: -5.13575e+04 NODE ID. 3863
MAX: 5.13575e+04 NODE ID. 3913

三次元電磁場解析結果（リング型フェライ

EDDY-CURRENT
MIN: 0.00000e+00 ELEMENT ID. 1648
MAX: 2.17597e+06 ELEMENT ID. 5713

図３

トコアの場合）印加電流

三次元電磁場解析結果（扇型フェライトコ
アの場合）： 80 mA

抗が高いため，緩やかな磁場の分布しか示さなかっ−62

コイル断面積 ： 2.25 × 10 （m ）電流密度

EDDY-CURRENT(JZ)
MIN: -3.70150e+05 NODE ID. 11576
MAX: 3.70150e+05 NODE ID. 11864

6たことによるものと考えられる．
2： 2.133 × 10 （A ／ m ）そこで我々は改良モデルとして，フェライトコアを通過する磁路の磁気抵抗が小さくなるように，ま（c）フェライトコア（MnO-ZnO-Fe2 Ｏ 3）

た，伝熱管管壁の渦電流の軸方向成分の分布が，均電気伝導度： 33.3（S ／ m）

等に繰り返されるように解析を進めた結果，コアの比透磁率： μr ＝ 5000

厚さが厚い場所でおよそ 3.5 mm，幅がおよそ 2.0配置： 円周方向に 8 個均等配置mm と，コアの断面積を大きくすると共に，管壁にとする．

向かって開いた扇型フェライトコアのモデルへ達した．

4.2（d）モデル分割数

また，今回のモデルでは，上部コアと下部コアの1 ／ 16 モデル

中心部に，検出用のコアおよびコイルを配置し，伝三次元解析モデルでの改良

リング型のフェライトコアを組み込んだ最初の解析モデルでは，周方向欠陥に有効と思われる軸方向熱管の上部管壁の外側に，深さ 60 ％の周方向の欠陥を設け，欠陥のある場合とない場合での，検出コイルに誘起する電圧の違いも，解析により確認することとした．の渦電流成分は，思っていたほど大きな値を示さな

解析は最初と同じく三次元モデルで行い，その結かった．この要因を考察すると，当初はフェライト果は，周方向電流成分 2.1 × 10 6A ／ m 2 に比べ軸方コアの断面積を小さくすることで，磁場の集中する向成分は，3.6 × 10 5A ／ m2（17.1 ％）と値は大きく効果が高くなると推定していた．しかし，解析の結なった．この値は，最初のリング型コアモデルの軸果からは，フェライトコアを通過する磁路の磁気抵方向電流成分値（4.9 × 10 4A ／ m2）と比べ，およそ1657.5 倍まで高めることができた．

φz が，欠陥に有効に 働く半径方向の磁束成分φr にまた，検出コイルに誘起した電圧の解析値は，欠比べ，200 倍と大きな値を示した．

陥のない場合は０（mV）となったが，欠陥のある場合は検出コイル１ターンあたり 3.0 × 10 − 5（V）

φr（半径方向成分）：

1.18 × 10 − 11（Wb）

で，60 ターンでは，1.8（mV）となった．

φz（軸方向成分）：2.60 × 10 （Wb）

a.

−9

この値は，プローブの製作にあたって，検出コイ解析条件

ルの歪みを考えると検出コイルに大きな誤差信号を誘起する可能性があり，欠陥の測定に大きな障害と（a）欠陥
形状：

外面周方向なりうる．そこで，この磁束の成分比率φz ／φr の深さ：

約 60 ％（0.76 mm）

値が小さくなるような，検出コイルの適切な配置を

長さ：

約 5 mm探るべく，二次元の電磁場解析を試みることにした．

幅：

約 0.2 mm

4.3（b）モデル分割数

二次元モデルでの電磁場解析

検出コイルの適切な位置を決めるため，二次元モ

1 ／ 8 モデルデルによる電磁場解析を行った．
解析の結果は，検出コイルの配置を励磁コイルのその他の条件は最初の解析モデルと同じ．

外側にした場合，三次元解析で課題となった磁束成解析による渦電流の分布を，「図３分の比率は，三次元電磁場解析結果（扇型フェライトコアの場合）」に示す．
しかし，検出コイルを通過する磁束成分のうち，φz（軸方向成分）／φr（半径方向成分）：183 倍欠陥を捕らえることに寄与しない軸方向の磁束成分

STEP: 33
TIME: 4.12500e-06

case1 with

MAGNETIC-VECTORMIN: 2.59189e-07 ELEMENT ID. 471
MAX: 7.23102e-03 ELEMENT ID. 456

図４defect

STEP: 33
TIME: 4.12500e-06

ZXY

二次元電磁場解析結果（検出コイルを外側配置とした場合）

case4 with

MAGNETIC-VECTORMIN: 6.51173e-08 ELEMENT ID. 471
MAX: 6.31458e-03 ELEMENT ID. 456

図５defect

ZXY

二次元電磁場解析結果（検出コイルを内側配置とした場合）

166となった．

コイルの製作上の歪みによる誤差信号は，およそ解析による磁場分布の結果を，「図４二次元電磁場解析結果（検出コイルを外側配置とした場合）」に示す．

1 ／ 4 まで抑えることができた．
解析による磁場分布の結果を，「図５二次元電磁場解析結果（検出コイルを内側配置とした場合）」

また，検出コイルを励磁コイルの内側にした場合，軸方向成分は外側配置に比べ随分減少することが確認された．その磁束成分の比率は，に示す．

プローブの製作および探傷性能の評価

5.

これまでの解析により得られたプローブの構造をφz（軸方向成分）／φr（半径方向成分）： 76 倍

もとに，プローブの試作品を製作することとした．
製作にあたっては，製作者を交えてフェライトコとなった．更に，検出コイル部分の検出用コアの厚アの加工や組立に関し，その手順や手法を話し合っみを薄くしたもので電磁場解析を試みた結果，このた結果，コアを分割して製作することや，コアの形成分比率を更に下げることができた．その磁束成分状を一部変更することが製作面から必要となった．

比率は，また，探傷性能の評価にあたっては，プローブの開発に先立ち行われた各種プローブの探傷性能調査

φz（軸方向成分）／φr（半径方向成分）： 54 倍に合わせて，放電加工による人工欠陥を用い，管の外面周方向の欠陥および，軸方向の欠陥について，となり，三次元電磁場解析で課題となっていた検出どの程度まで検出が可能であるかを評価することと

100

100

回転コイル型（自己誘導型）
ボビンコイル型（自己誘導型）
マルチコイル型（相互誘導型）最大マルチコイル型（相互誘導型）最小ボビンコイル型（相互誘導型）
試作品（相互誘導型）

101020406080S/N比

1000S/N比

1000

回転コイル型（自己誘導型）
ボビンコイル型（自己誘導型）
マルチコイル型（相互誘導型）最大マルチコイル型（相互誘導型）最小ボビンコイル型（相互誘導型）
試作品（相互誘導型）

101100020

図６406080100

欠陥深さ（%）

欠陥深さ（%）EDM 外面軸方向欠陥サンプル探傷結果

写真１

図７

EDM 外面周方向欠陥サンプル探傷結果

過電流探傷プローブ試作品

167

らの部品一つ一つに特異な加工技術や組立技術が使した．
放電加工（EDM）欠陥における探傷の結果は，「図６EDM 外面軸方向欠陥サンプル探傷結果」および，「図７EDM 外面周方向欠陥サンプル探傷結果」に示す．
この探傷結果からは，今のところ，軸方向およびわれており，それぞれの技術を上手に取り扱っていくことが，更に良い製品を生み出していくものと思われる．本研究を遂行するにあたり，アスワン電子（株），およびニッコーシ（株）の方々に大変お世話になり，ここに感謝の意を表する．

周方向の欠陥共，従来のボビンコイル型プローブより優れた性能を有する結果が得られている．

参考文献

また，今回試作した渦電流探傷プローブの全体を， （1）熊谷信昭，電磁気学基礎論，オーム社，1987「写真１6.

渦電流探傷プローブ試作品」に示す．

むすび

今回の研究では，当面の目標としてきたボビン型プローブでは検出が難しいとされてきた周方向の欠（2）村田健郎

唐木幸比古，大型数値シミュレーション，岩波書店，1994（3）渦流探傷試験Ⅱ，財団法人

日本非破壊検査協会，1989（4）渦流探傷試験Ⅲ，財団法人

陥の検出を容易にすると共に，軸方向の欠陥につい協会，1990ても同時にかつ高感度で検出することが確認され（5）平賀貞太郎

た．また，プローブの製作にあたってフェライトやト，1986

型枠用のプラスチック等の部品が使われたが，これ

名取亮

奥谷克伸

日本非破壊検査尾島輝彦，フェライ