技術紹介

超音波による溶射皮膜膜厚計測へのリアルタイムウェーブレット解析の実機適用
畠中 宏明 *

中島 富男

Hiroaki Hatanaka

To m i o N a k a j i m aTa k a h i r o A r a k a w a

熊 谷 友 良 ††井戸 伸和 ‡

梶ヶ谷 一郎Ichiro Kajigaya†

To m o y o s h i K u m a g a i*

荒 川 敬 弘 **Nobukazu Ido

本報では実機ボイラに施工されている溶射皮膜の膜厚計測技術について紹介する。解析方法には離散ウェーブレット解析を適用し、超音波信号のリアルタイム処理を実現し、現地での即時膜厚算出を可能にした。本手法は、今後実機ボイラの維持管理に貢献できる技術である。

1.

伝熱管の表面を保護する手法としては、溶射、はじめにメッキ、肉盛溶接等が挙げられるが、材料選択の発電の高効率化を目的として、ボイラの構造の自由度が大きい、形状、寸法の制約が少ない、現多様化、燃料の多様化が進んでおり、ボイラ部材地での施工が可能であることなどから、溶射が広の高温腐食対策、摩耗対策で溶射皮膜が広く施工く採用されるようになっている 2）。

されてきている 1）。蒸発器管、過熱器管などの伝溶射皮膜は、割れ、剥離の発生、密着強度低下、熱管はボイラの主要耐圧部のうち最も重要な部位

減肉等による劣化が懸念されているが、従来溶射であるが、その表面は燃料中に含まれる硫黄分、皮膜の経年劣化評価、健全性評価は目視試験、破アルカリ金属化合物の溶融塩による高温腐食環境壊試験により行われてきており、現在でも主流で雰囲気におかれるなど最も過酷な条件下で使用さある 3）。

れている。また、化石燃料の有効利用、発電の高本報では溶射皮膜の減肉の把握を目的として、効率化、低公害化を達成するために流動層ボイラ

超音波信号のリアルタイム処理を用いた 17Cr-Feなどの新しい機種のボイラが開発、実用化されて溶射皮膜の膜厚計測技術について報告する。また、きている。流動層ボイラの伝熱管は流動層内に設本手法の実機ボイラへの適用試験についても述べ置されているため、流動媒体（ベッド材）の連続る。

的な衝突による摩耗が課題となっている。

＊技術研究所 課長＊＊ 技術研究所 所長 工学博士††† 株式会社 IHI エネルギー事業本部 電力事業部 基本設計部‡
株式会社 IHI 技術開発本部 生産技術センター 生産技術開発部

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検査事業部 技師長 博士（工学）IIC REVIEW/2007/10. No.38

2.

超音波信号のリアルタイム処理を用いた溶射皮膜膜厚計測技術の必要性

磁性材料の溶射を実構造物において施工し、膜厚を計測する場合には施工される実機部材のそばにサンプル材を配置し、同条件でそのサンプル材溶射皮膜の膜厚計測手法としては電磁膜厚計がにも溶射を施工し、後にサンプル材を切断、断面広く用いられている。この電磁膜厚計の原理は、観察を行い、規定の膜厚を満たしているかを判定磁性材料の基材の上に非磁性材の溶射皮膜が施工する方法が取られている。しかし、この方法ではされている場合、基材と電磁膜厚計センサの距離経年時の膜厚を監視することはできない。よって、（リフトオフ）を感知し、膜厚を算出する。よって、ここで紹介する膜厚計測技術は溶射管を使用して溶射皮膜が磁性材料の時や、基材が非磁性材料のいるボイラを維持管理する上では非常に重要な技

時には電磁膜厚計による皮膜膜厚計測は大きな制術となる。

約を受ける。
本報で取り上げる 17Cr-Fe 溶射は鉄基の材料で3.

ウェーブレット解析処理を用いた超音波による溶射皮膜膜厚計測技術 5）,6）

あり、CFB（Circulating Fluidized Bed: 循環流動層）
ボイラ 4） の磨耗対策のため、火炉壁管、蒸発器

表面近傍のきずの探知や、組織が粗い材料のき管等の表面に施工されている。この溶射が磨耗し、ず検出は超音波探傷試験では難しいとされてい減肉すると急速に母管が磨耗していく。前述のよる。理由としては、表面近傍の場合はきず信号がうにこの溶射皮膜は磁性材料であるため、電磁膜送信パルスに埋もれてしまうこと、組織が粗い材厚計の使用は困難である。

料の場合は超音波の減衰が著しく、ノイズが発生

Raw data

100(a)

500-50-100

Processed data

10050(b)−0-50~450μm-100

Time [0.5μs/div.]

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し、計測が困難になることが上げられる。溶射皮膜は一般に薄く（通常 1mm 前後）、さらに皮膜が多孔質であり、減衰も大きい。そのため、従来の超音波探傷技術での膜厚計測は非常に難しい。
ここで述べる膜厚計測技術は既に IHI で開発された技術であり 7）、送信パルスの影響を低減するために、分割型の垂直超音波探触子を採用し、さらにノイズ低減のために、離散ウェーブレット解析を超音波信号に適用することを特徴としている。信号処理例を図 1 に示す。図 1（a）は超音波の原信号であり、これに離散ウェーブレット解析を用い、特定の周波数帯域（6.3MHz 以下）の()信号を抽出した信号を図１（b）に示す。
現地での計測を行うためには、膜厚を変えた試験体を複数製作し、図 1 と同様のことを行い、
図2

離散ウェーブレット解析後の超音波信号（抽出さ測定系のブロックダイアグラム

れた皮膜 - 基材界面からの反射信号）の時刻と実
このたび IIC では、オシロスコープに LeCroy

膜厚の相図を検定線として事前に作成しておく必Waverunner 44Xi を採用した、膜厚計測のリアル要がある。

タイム化を実現した計測器を試作した。このオシ４．リアルタイム化の検討

ロスコープは PC（WinXP）上で制御することが現地では溶射部の超音波信号を採取し、その後、post 処理で信号処理を実施し、抽出した特定周波できる。超音波の信号解析には Matlab のプログ
ラミングを用いた。

数帯域の皮膜 - 膜厚界面のエコーの発生時刻を読

図 2 に装置系のブロックダイアグラムを示す。

み取り、前述のように事前に作成した検定線より今回試作したリアルタイム計測器では信号採取、膜厚を算出していた。

解析、膜厚算出部を WinXP base の PC で一体化

従来、現地での膜厚計測は信号採取用 PC と信号解析用 PC が別個であったため、信号採取は例することができ、すべての処理を一連で行うことができる。

えば火炉内で、その後の信号解析は事務所等で

図 3 に探傷時に使用する装置の画面（フロン行っていた。後の表 1 にあるように従来の膜厚トパネル）を示す。ここに示したフロントパネル

計測方法では信号採取後の信号解析時間が信号採は、4 信号を表示することができるようにしたも取時間のおおよそ半分も費やしていた。のである。最上段に原信号、他 3 段には離散ウェー

現地でのトータルでの計測、膜厚算出時間を短ブレット解析後の特定のレベル（周波数帯域）の縮し、効率のよい膜厚計測を実施するには、今ま信号を表示することができるようにしたものであで post 処理であった信号処理のリアルタイム化る。このフロントパネルに表示される信号は、オを実現することが最適手段と考えられる。

シロスコープの信号採取ごとに更新される。フロ̶ 47 ̶

IIC REVIEW/2007/10. No.38

ントパネルに表示される信号、および段数は、任現地計測状況を示す。探触子を持ち、検査対象箇意に変更することも可能である。

所を探傷する計測員と、PC を操作し、記録を残信号採取を停止すると最後に採取した信号とそす計測員 2 人で 1 チームとなり計測する。この図の信号処理結果がフロントパネルに残り、基材 -4 の写真に写っている 2 人は、JISZ2305 に基づき、皮膜界面エコーの時刻をカーソルで読み取ること認証された非破壊試験技術者である。今後計測工が可能になっている。

事を展開していくに当たり、1 チーム（2 人）のフロントパネルのSlope とIntercept は事前に作成した検定線のパラメータであり、エコーうち、最低でも一人は認証された技術者であることが望ましい。の時刻（ Echo Time ）を読み取ると同時に膜厚（ Thickness ）を計算することができる。

従来法での計測時間と本手法での計測時間の比較結果を表 1 に示す。A ボイラでは従来法のみ

また、算出された膜厚の数値は算出と同時にクで計測工事を行い、B ボイラでは従来法とリアルリップボードにコピーされるようになっており、タイム 2 つを併用した。従来法におけるデータ整

膜厚算出後のデータ整理も Excel 等のソフトウェ

理時間とは、火炉で採取したデータを事務所で信アで同時進行することができる。

号解析、膜厚算出、データ整理する時間を示している。ここで特記すべきことは今回適用を開始し5. 実機での適用試験

たリアルタイム法では、データ整理の時間が 0 で本手法での実機 CFB ボイラ火炉壁管に施工さある。また、探触子の接触不良などによる不具合れている 17Cr-Fe の膜厚計測を実施した。図 4 にを現場で確認することができ、データの取り落と

基材底面反射エコー

原信号

皮膜 - 基材界面エコー

図3

リアルタイム計測装置のフロントパネル

̶ 48 ̶

図4表1

ボイラ

手法

日付

従来法

○月10 日従来法○月11 日AB

現地計測状況

計測時間比較結果

計測点数

データ採取
時間(hrs.)

午前

121午後

201.5

午前

311.5

午後

483

データ解析
時間(hrs.)

平均(計測点/hrs.)

1.58.03.59.9従来法△月 6 日午後

34318.5リアルタイム△月 6 日午後

614015.3

リアルタイム△月15 日午前

121012.0

午後

161.5010.7リアルタイム△月16 日午前

201.5013.3

8.812.8

し、取り直しがなくなり、データの信頼性も向上

測の効率が向上することは確認できたと考えていできている。結果、単位時間当たりに膜厚を算出る。

できる点数は、従来法では 9 点に対して、リアル6. まとめ

タイム法で 13 点と単純計算で約 1.5 倍に増加することとなった。データ採取は火炉内での計測作

本報では溶射皮膜の膜厚計測技術のリアルタイ業であるため、作業環境（足場や照明の状態等）ム化について紹介した。今回試作した計測器は信に大きく依存するが、リアルタイム化により計号採取、解析、膜厚算出部を一体化させ、信号採̶ 49 ̶

IIC REVIEW/2007/10. No.38

取から膜厚算出までの処理を一連で行うことができる。

Technologies, Vol. 3, No. 1, pp. 75-104,（1994）.
4）渡辺修三、熊谷友良、 廃棄物系燃料を主燃

本手法による計測は実機適用を開始したばかり料とした高温蒸気ボイラの開発 、日本エネルであり、実績を増やし、さらに現地での適用性を

ギー学会誌、Vol. 84, No. 4, pp. 278-283,（2005）.

考慮した改良を加え、実機ボイラの維持管理技術

5）H. Hatanaka, K. Namba, I. Kajigaya and T.の一つとなるよう確立していく所存である。

Arakawa, Ultrasonic Examination of Thermal
Sprayed Coatings with Frequency Analysis

Reference,Proceedings from the 15th World Conference on

1）A. P. Bennett and M. B. C. Quigley, The Spraying

Non-destructive Testing,（2000）.

, Welding and6）H. Hatanaka, I. Kajigaya and T. Arakawa,

Metal Fabrication, Vol. 58, No. 9, pp. 485-490,

Ultrasonic Examination with Signal Processing（1990）.

M e t h o d f o r T h e r m a l S p r aye d C o a t i n g sof Boiler Tubing in Power Stations,2）難波一夫、溝豊、梶谷一郎、 耐高温腐食・耐Materials Evaluation, The American Society for

摩耗溶射材のボイラへの適用 、石川島播磨技

Nondestructive Testing, Vol. 62, No. 6, pp. 683-689,

報、Vol. 38, No. 3, pp. 181-188,（1998）.

（2004）.

3）C. K. Lin and C. C. Berndt, Measurement and7）畠 中 宏 明、 荒 川 敬 弘、 公 開 特 許 広 報、 特 開

Analysis of Adhesion Strength for Thermally
Sprayed Coatings

2001-66130, Journal of Thermal Spray

技術研究所課長

技術研究所課長

畠中 宏明

中島富男

TEL. 045-759-2927
FAX. 045-759-2155

TEL. 045-759-2927FAX. 045-759-2155

技術研究所

検査事業部 技師長
博士（工学）

所長 工学博士

荒川 敬弘

梶ヶ谷一郎

TEL. 045-759-2927
FAX. 045-759-2155

TEL. 03-3778-7913
FAX. 03-3778-7951

株式会社 IHI
エネルギー事業本部 電力事業部
基本設計部

株式会社 IHI
技術開発本部 生産技術センター
生産技術開発部

熊谷友良

井戸 伸和

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