技術紹介

フェーズドアレイ法による複雑な裏面形状を有するボイラ配管の割れ探傷技術
芝田三郎*

Saburou Shibata

梶ヶ谷一郎 **

Ichiro Kajigaya

中 川 博 勝 ***Hirokatsu Nakagawa

フェーズドアレイ法は、きず検出法として用いられる場合が多い。本報では、ボイラ部材のスプレー管を対象に、きず検出だけでなく裏面形状の計測法として適用できることの見通しを得た。さらに、損傷が想定される部位に対してきず検出性についても検討し、フェーズドアレイ法によるスプレー管の健全性評価方法として有効であることを確認した。

キーワード：超音波探傷法、フェーズドアレイ法、アレイプローブ、リニアスキャン、セクタスキャン、垂直法、斜角法

1.

検査員が監視して行う通常の超音波探傷では、きはじめにずのエコーに加えて、複雑な裏面形状に起因するボイラ配管には、表面が単純な形状の面であっても裏面は複雑な加工形状や部材が溶接されて複形状エコーが多く発生して、きずの評価を極めて困難にする。

雑構造となっているものがある。裏面側からの検他方、フェーズドアレイ法は、微小な素子を多査が可能であれば、種々の検査方法を選択して健数隣接して、電子的に各素子を励起させることで全性評価を行うことができる。しかし、裏面へのリニアスキャン（直線的に超音波ビームを移動さアクセスが困難な場合も多く、この場合には表面せる走査）やセクタスキャン（超音波ビームの屈側からの放射線透過試験や超音波探傷試験によっ折角を順次変化させることで行う扇状の走査）なて健全性を評価する必要がある。

どが可能であり、これによって探触子を置いたま特に、損傷が割れである場合には、割れに対すま高速でデータを取り込み、きずを画像化して表る検出性や板厚方向のきず高さ寸法の評価の必要示できる。この他にも、超音波ビームの幅を任意性を考慮して、超音波探傷試験が多く用いられる。の深さに集束させる集束機能を用いることによっ時間軸上に発生するエコー画像（A スコープ）をて、狭いビーム幅できずを評価できて評価精度を＊
元 検査事業部 技術部 NDE 技術グループ（現 株式会社アデルコ）＊＊検査事業部 技師長／第一検査部 部長 博士（工学）＊＊＊ 株式会社 IHI エネルギープラント事業本部 電力事業部 保守技術部

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技術グループ課長

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改善できる。

とき、アレイプローブを、標準試験片 STB-A1（JIS

このフェーズドアレー法の優れた長所を活用しZ2345）の入射点計測用のスリット付近を起点にて、既に原子力プラントの SCC の寸法計測や水100R 面方向に向かって走査している。裏面形状

力発電プラントの鋳鋼や鋳鉄部材の寿命評価など

は、試験片の底面の形状および 100R 面の形状がに適用してきている

1）,2）。また、本方法は、複雑精度よく描写され、スリットの高さも 15mm と計な形状の部位の探傷にも有効であると考えられ、測され実寸とほぼ一致した。本結果から、フェー

今回、裏面形状が複雑となっている過熱低減器（スズドアレイ法は裏面の形状把握にも有効であるこ

プレー管）の内面側に溶接されている固定リングとが確認され、複雑な裏面形状のスプレー管の評を対象に、割れの評価に関する検討を行ったので価に対して有効な手法であると考えられた。

報告する。
2.

3.

フェーズドアレイ法による裏面形状の計測

3.1

裏面形状が複雑な部位に発生する割れを評価す

スプレー管の裏面きずの評価

試験方法

試験に用いたフェーズドアレー探傷システム

るには、複雑な裏面形状を正確に把握する必要は、 ① デ ー タ 採 取 本 体②データ解析用コンがある。裏面形状の確認精度を検討する目的で、ピュータ

標準試験片 STB-A1（JIS Z2345）の裏面形状の測プローブの走査機構として簡易的な一軸走査機構定試験を行った。周波数 5MHz で 32 チャンネル（リニアエンコーダ）を用いた。データ採取本体のアレイプローブを屈折角 60 度のシューに設置

及びアレイプローブの主な仕様を以下に示す。

し、-20 〜 +89 度の屈折角の範囲でセクタスキャ（1） フ ェ ー ズ ド ア レ イ 装 置（µ-Tomo Scan Focus③アレイプローブで構成されており、R&D Tech 社）ン（扇形走査）を行った結果を図１に示す。この

走査距離80アレープロープ
走査シュー-20°

89°
100面

15100

φ50

STB A1試験片遅れエコー

図1

フェーズドアレイ法による形状探査例

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外形寸法：520 × 420 × 200

リング）を未溶着部が存在する隅肉溶接で接合さ重れているために複雑な形状となっている。これに量：20Kg：最大 6887

割れを模擬して、長さ 15mm と一定として、深さ 1、サンプリング周波数：100MHz3、5、10mm のノッチを底面にほぼ平行に放電加

バンドパス周波数：0.5MHz 〜 15MHz工で付与している（放電加工を施すために、わずゲイン：最大 105dB

かに母材側に傾きを持って加工した）。

PFR

試験は、探傷面から裏面側の複雑な形状を把握（2）アレイプローブ（IMASONIC 社）
外形寸法：72 × 38 × 45する必要があるため、割れの検出性確認の前に周波数：5MHz

フェーズドアレイ法による裏面形状の確認試験をCH 数：64CH行った。その後に、放電加工によるノッチ加工を行って検出性の検討を行っている。

振動子寸法：1 × 27mm

焦点位置の設定にあたっては、予めシミュレー

振動子ピッチ：0.25mmションにより決定している。その結果を図 3 のプローブシュー：屈折角 45°（鋼中）試験に供した供試体の外観、断面写真および主（A）に示しているが 64ch のプローブで十分に当要寸法を図 2 に示す。実機ボイラから採取した該部に焦点を結ぶことを確認している。（B）お材質 2.25Cr-1Mo 鋼の外径 f570 肉厚 83t の配管かよび（C）図は、周方向の焦点についての検討をら短冊状に切り出したものを用いた。管の内面に試みた結果であるが、周方向では 42ch 以上であは、周方向へ幅 30mm、肉厚 15mm の板材（固定れば当該部に焦点を結ぶことが可能である結果と切断後の試験体外観切断後の断面き裂発生部位
内面

未溶着部

溶接部

9080

外面(探傷面）

固定リング

約5mm

蒸気流れ

上流側

下流側

3045

当該部の断面

図2

供試体の外観̶ 13 ̶

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当該部へのノッチ加工状況

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0

肉厚(mm)

20406080(A)軸方向の焦点位置の検討結果

シミュレーション条件
ｿﾌﾄ：NDTﾓﾃﾞﾘﾝｸﾞ・ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝｿﾌﾄｳｴｱ（CIVA9)
ﾌｫｰｶｽ方式：1指定点電子ﾌｫｰｶｽ
ﾌｫｰｶｽ位置：80mm
ｴﾚﾒﾝﾄ：64ch 1×20×64（ﾋﾟｯﾁ0.1）
周波数：5MHz 屈折角：縦波45度
ｴﾚﾒﾝﾄ配置法：軸方向へ64chを配置
音速：ｳｴｯｼﾞ2460m/sec 鋼中5900m/sec

0

肉厚(mm)

204060

焦点域

80
監視域（供試体肉厚）焦点域

エレメント32ch（B)

エレメント42ch
周方向における最適エレメント数の検討結果（a） B ノッチ（5mm 深さ）探傷波形（C) 周方向の焦点位置の検討

シミュレーション条件
ｿﾌﾄ：NDTﾓﾃﾞﾘﾝｸﾞ・ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝｿﾌﾄｳｴｱ（CIVA9)
ﾌｫｰｶｽ方式：1指定点電子ﾌｫｰｶｽ
ﾌｫｰｶｽ位置：80mm
ｴﾚﾒﾝﾄ：64ch 1×20×64（ﾋﾟｯﾁ0.1）
周波数：5MHz 屈折角：縦波45度
ｴﾚﾒﾝﾄ配置法：周方向へ64chを配置
音速：ｳｴｯｼﾞ2460m/sec 鋼中5900m/sec

図３ シミュレーションによるビームのプロファイル検討結果

̶ 14 ̶

Shibata.indd 1408.4.16 3:05:40 PMなった。これは、曲率の影響により焦点効果が得スキャンを行いながら、直交走査および平行走査られるためと考えられた。

（周方向走査）を各々上流側および下流側から行ってきずを探傷した。

シミュレーションの結果をもとに、裏面形状の計測目的に対しては、板厚に相当するビーム路程に焦点を設定して、-40 〜 +40 度の屈折角の範囲

3.2

裏面形状の計測結果及び検討でのセクタスキャンを行った。走査は直交走査（軸フェーズドアレー法による供試体の健全部での方向走査）とし、上流側及び下流側からの両側か裏面形状を計測した結果の例を図 4 に示す。図中

ら底面の形状を計測した。なお、裏面の形状計測には供試体の断面形状を比較して示しているが、には従来のＡスコープを監視する超音波探傷法と裏面形状は、供試体の底面や固定リングの形状がTOFD 法でも計測し、計測精度を比較した。

明瞭に描写され、実寸法とほぼ一致していること

一方、きずの検出性については、板厚に相当すが確認された。特に、割れの発生箇所は、固定リるビーム路程に焦点を設定し 0 〜 60 度のセクタ

ングの取付け部の未溶着部と近接するために、割起点

走査距離 220mm
94mm

走査

アレイプローブ

外表面

上流側

下流側

未溶着部き裂発生部位

溶接部
テーパ部

固定リングの端面
20

固定リング

内表面

0

肉厚(mm)
50

未溶着部

き裂発生部位底面

テーパ部

固定リングの底面
100

ビード形状
94mm

図4当該部の監視位置

UPA法による裏面形状の探査結果

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れの評価が困難になることが危惧されたが、割れれ、本探査には適さないと考えられた。これより、の有無を判断する上で十分な間隔で分離されて描

裏面形状の探査は、集束機能とセクタスキャン（扇写されていることが確認できた。これは、ビーム状走査）を組合せたフェーズドアレー法による計を -40 〜 +40 度の屈折角範囲でのセクタスキャン測が最適であると判断できた。としたことと、励振数を 64ch として見掛けの振動子寸法を大きくしたことで、裏面に焦点を精度

3.3

ノッチの検出性検討結果及び考察

配管の上流側および下流側からの探傷結果の代よく結ぶことができたためと考えられる。
なお、裏面形状については通常の超音波探傷に表例を図 5 に示す。図中には健全部の探傷画像よる垂直 B スコープ法（エコーの伝播時間と探をも比較して示しており、固定リングの端面の位傷位置の関係を求めて、探傷結果を断面形状で表置を縦の一点鎖線で示している。上流側探傷では、示する方法）でも計測を試みたが、画像はぼやけ

底面反射波の指示が未溶着部側へ長く伸びているた固定リングの形状となった。これは、焦点の無ことでノッチを検出していると判断でき、ノッチい探触子を用いたことにもよるが、集束探触子深さが 3mm 以上のものの検出が可能であった。

を用いたとしても、セクタスキャン（扇状走査）

特に、ノッチ深さ 5mm 以上のものは明瞭に欠陥での画像化ができないので、傾いた面の表示が指示と判断できたが、ノッチ深さ 3mm は底面エ困難になることが原因として考えられる。また、コーの指示がわずかに伸びているだけの小さな指TOFD 法でも試みたが、ビームを集束していない示で、拡大図から判断できた。下流側探傷においために画像はぼやけ、割れの識別は困難と考えらては、上流側と同じ結果となり 3mm 以上が検出

外表面

走査距離

検出可能

検出可能

1.56.59検出可能

検出可能

検出可能

肉厚

検出可能

拡大図

上流側

当該部

未溶着部

底面

固定リングの底面
外表面

肉厚

下流側

拡大図

未溶着部

当該部

1.5

底面

94

固定リングの底面健全部

3mm5mm

ノッチ指示位置

図5

直交走査結果の例（探傷角0°〜60°）

̶Shibata.indd 1610mm

固定リングの端面

16 ̶

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可能であったものの、やはり 3mm は拡大図で判をよく識別できていることがわかる。この最も検断できる程度であった。

出性が改善できた Y 距離 30mm において平行走直交走査において、ノッチを最も検出できる探査を行い、ノッチの検出性を検討した。図 7 に上触子位置の検討を行った。図 6 は、深さ 10mm の流側の探傷例を示しているが、上流側では、全てノッチに対して、0 から 80 までの Y 距離を 10、のノッチが検出可能であり SN 比も 6dB 以上で十20、30 及び 40mm と変えて、それぞれの位置で分な識別性であった。しかし、1mm ノッチにおセクタスキャンを行って画像化してノッチの検出いては、端部が底面と近接するために画像化する性を比較した結果を示している。

ときのゲートの設定によっては検出困難となる場

これより、Y 距離が 30mm のときに最もノッチ合があるので慎重なゲート設定が必要であった。

走査起点
外表面

肉厚

固定リングの端面の位置

底面

固定リングの指示
100-20-40-60200Y=10図6外表面-20- 40- 60 3020 100Y=20-2040-40Y=30200-20Y=40

平行走査における適正なプローブ位置の検討

走査距離

肉厚

検出可能

検出可能

検出可能

検出可能

検出可能

検出可能

底面と固定リングとのコーナエコー
底面

固定リングの底面入射点からの距離

固定リングの底面
未溶着部＆底面の指示

Dイメージ
検出可能

検出可能

ノッチ開口

端部

端部

端部

ノッチ開口

ノッチ開口

ノッチ開口

入射点
(1ch)

1mm

健全部

3mm

5mm

10mm

Cイメージ

図7

平行走査による上流側探傷結果（Y=30mm）

̶ 17 ̶

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ノッチ指示

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下流側探傷では、5mm 以上は未溶着部の指示と評価の度合が大きくなる傾向が見られた。

ノッチの指示とが分離するので識別は容易であっ

指示長さについては、指示エコー高さのピー

たが、3mm 以下は未溶着部の指示に近接するのクから− 6dB の範囲をノッチ範囲とし、管の外で識別性は低下した。特に、1mm は未溶着部の径と内径との比から幾何学的にノッチ深さを求め指示に重畳するので検出困難であった。

た。その結果、いずれも開口幅 15mm に対し＋以上のように平行走査においては、検出性は前20% 〜＋ 40% の過大評価で計測された。これは、後走査と異なり上流側がよいことが判ったが、こ一つの素子が 1 × 27mm の方形のアレイ探触子をれはノッチが肉厚方向へやや傾いて加工されてい用いているために、管の軸方向に対しては集束効るためと考えられた。

果が得られるものの、周方向に対しては集束効果

ノッチ深さ寸法の測定精度を検討するために、直交走査の B イメージ（断面画像）上でノッチがなく、超音波ビームは広がりを持つためと考えられる。の深さ寸法を測定した。得られた結果を図 8 に示5.

すが、いずれもやや過小評価の傾向が見られ、実まとめ固定リングが内面に隅肉溶接で取り付けられ、寸法と指示寸法の比率では小さなノッチほど過小計測値

複雑な内面形状を有するボイラ極厚配管で、固定1211109876543210

リング取り付け部に生じるき裂の超音波探傷手法の検討を行った。試験は実機ボイラから採取した材 質 2.25Cr-1Mo 鋼 の 外 径 φ 570 肉 厚 83t の 配 管から短冊状に切り出したものを用いて行った。また、き裂の検出性を検出するために、固定リングの内面への隅肉溶接部に種々の深さで配管表面にほぼ平行なノッチを加工して行った。この結果、周波数 5MHz で 62 チャンネル（素子寸法：上流側下流側0 1 2

図81 × 27mm）のアレイプローブを用いて、裏面位3 4 5 6 7 8 9 10 11 12置に相当するビーム路程で焦点を結ばせて、屈折計画値

角 -40 から +40 度までのセクタスキャンを用いてノッチ深さ計測結果走査することで裏面形状を精度翼再現できることがわかった。またノッチに対して、屈折角０から

表+60 度のセクタスキャンを行うことで、前後走査上流・下流側からのノッチ高さ計測結果及び平行走査共に、ノッチ深さ 3mm 以上のノッ

単位：mm

チを検出できることがわかった。特に、最もノッ深さ
13510

上流側下流側チを検出する位置にアレープローブをおいてセクタスキャンを行いながら平行走査を行うことで1.54.6
9.2

1.7
49ノッチの識別をより改善できた。今後更に検証を進めると共に、実機に適用を図り、保全の合理化に寄与する所存である。

̶Shibata.indd 1818 ̶

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新技法の確立：平成 10 年度秋季大会講演概要

参考文献

集 (1998)

1）芝 田、 船 戸： フ ェ ー ズ ド ア レ イ 法 に よ る 欠
陥 検 出 技 術、IICREVIEW

5）古村他：多機能フェーズドアレイ探傷技術の開発：検査技術 Vol.7 № 8 (2002)No.33（2005）6）後河内：フェーズドアレイ UT 装置「PAL」：

pp.27-352）船戸、引地：水車ステーベーンの超音波フェー
ズ ド ア レ イ 法 の 適 用、IIC

REVIEW

No.37

検査技術 Vol.8 № 3(2003)
7）古川他：Phased Array 超音波探触子音場の数値（2007）pp.2-7

シミュレーション：第 12 回超音波による非破3）平沢他：鋼溶接部探傷用 256ch フェーズドア
レイ UT 装置の開発：平成 9 年度秋季大会講壊評価シンポジウム講演論文集 (2005)
8）芝田：フェーズドアレイ法による欠陥検出技術：

演概要集 (1997)

検査技術 Vol.10 № 12 (2005)

4）ブラコニエ：超音波フェーズドアレイによる元 検査事業部
技術部 NDE 技術グループ（現 株式会社アデルコ）

検査事業部
技師長／第一検査部
博士（工学）

芝田 三郎

梶ヶ谷 一郎TEL. 045-759-2163
FAX. 045-759-2146

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

部長

株式会社 IHI エネルギープラント事業本部
電力事業部 保守技術部
技術グループ 課長

中川 博勝
TEL. 03-6204-7517
FAX. 03-6204-8791

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