2024/4/19(一社)日本非破壊検査工業会

資料２

The Japan Association for Non-Destructive Testing Industry
危険物保安技術協会
新技術を活用した危険物施設の保安設備等に関する研究会(第8回)
令和6年4月22日(月)14:00~16:00

渦電流探傷試験(ET)によるコーティング上からの溶接線検査への適用に向けた調査
報告(2)(一社)日本非破壊検査工業会 渦電流試験ワーキンググループ
小坂 大吾
職業能力開発総合大学校

講師紹介 小坂大吾• 職業能力開発総合大学校• 電気専攻 准教授• アイオワ州立大学(2013-2015)• 非破壊評価センター 博士研究員• 日本非破壊検査協会• ISO委員会SC4グループ 委員• 標準化委員会• 渦電流専門別委員会 委員• 認証試験委員会• 渦電流探傷試験部会 部会長• 日本電気協会

東京都小平市4年（学士課程）+2年（修士相当課程）
職業訓練指導員を養成する国内唯一の大学校• 原子力規格委員会 構造分科会 渦電流探傷試験検討会 委員• 電気学会
• ものづくり技術委員会 委員長

JANDT

Eddy Current Working Group2

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目次
1. 背景・目的
2. 渦電流探傷試験とは3. 数値実験
4. 計測実験
5. まとめJANDT

Eddy Current Working Group

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Eddy Current Working Group4

1. 背景・目的
JANDT

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背景～特定屋外タンクの溶接部検査の流れ(現状)～
溶接部検査

コーティング剥離 ※1

磁粉探傷試験等
補修等の措置No※1：コーティングがある場合

合否判定
Yes
コーティング施工 ※1

終 了

Fig. 開放検査（溶接部）

特定屋外タンク
課題1：コーティング• 剥離及び再塗装の手間と費用(工期)

課題2：磁粉探傷試験• 検査結果の保存が困難

提案：コーティング上からの渦電流探傷試験
JANDT
Eddy Current Working Group5目的• 試験の流れの中で求められる以下の事項について放電加工による「スリットきず」を用いた検討を行う。
① 探傷器の感度設定のための基準きず(きず幅の決定)② きず判定のための検出レベル決定基準③ きず長さサイジング方法及び基準以下の点を前提条件とする。
• 既存の渦電流探傷装置を対象とする。
• 検出目標きず(最小欠陥)は4.0mm×深さ1.5mmとする。

• 溶接部に付与したいくつかの自然きずに対して、提案方法及び基準を適用し、提案方法の有効性を確認する。

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Eddy Current Working Group

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策定すべき「基準」①探傷器の感度設定のための基準きず② きず判定のための検出レベル決定基準③ きずサイジング
方法及び基準図 渦電流探傷試験の検査手順

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Eddy Current Working Group7

2. 渦電流探傷試験とはJANDT

Eddy Current Working Group

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渦電流探傷試験アプリケーション
貫通• 材料判別• 管検査• 厚さ管理
• きず検出内挿

リモートフィールド

管検査
材質判別

きず検出

パルスECT

厚さ管理

Hansen, J. "The eddy current inspection
method." Insight 46.5 (2004): 279-281.

JANDT

Eddy Current Working Group

91.1 安全と非破壊検査技術

航空機のクラック発生個所• ボルト頭部と軸部の間の周部、及び、ねじ部。
• ボルト穴あるいはピン穴の縁、及び、穴の内側。
• 溶接部の縁、及び、ビードの中心に沿って。
(社)日本航空技術協会、航空整備作業の基準、p. 151

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Eddy Current Working Group

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ポイント①

初期の疲労きず(微小きず)の検出が可能。
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Eddy Current Working Group

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Eddy Current Working Group

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JANDT

Eddy Current Working Group13ポイント②

材質の影響を受ける。
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Eddy Current Working Group

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きずの検出原理

コイル

磁束渦電流
金属

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きず

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きずによる検出信号の変化
0.3V

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Eddy Current Working Group

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ポイント③

検査の基準が必要
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Eddy Current Working Group

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Eddy Current Working Group18

3. 数値実験
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数値解析の背景・目的
背景• 塗装の上から、きず長さ4mm、深さ1.5mmの検出が求められている。
• 基準試験体製作において長さ4mmの疲労きずを十分な再現性を確保して製作することは困難である。
• 放電加工スリットの幅は疲労きず等の自然きずの幅と比較してかなり大きく、基準きずとして妥当なのか疑問。

目的• 放電加工スリットを基準きずを用いて検出レベルを決定することの妥当性を確認する。
• 基準きずの長さ・幅・深さを決定する。
• 問題を簡単にするためにきず形状は矩形、及び円弧とし、「深さ ≦開口部長さ/2」に限定する。
• 検出対象とする疲労きずのきず幅は0.1mm以下とする。
• リフトオフは固定とする。

• 長さ4mmかつ深さ1.5mmを超えるきずを判定する手法を提案する。

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Eddy Current Working Group

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Eddy Current Working Group20

明らかにすること
1. スリット断面形状の影響
2. スリット幅の影響
3. スリット長さの評価方法

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数値実験

数値解析
• 使用ソフトウェア：Netgen/NGSolve• ウィーン工科大学で開発されたFEMライブラリ• 任意の偏微分方程式を実装可能• 高次要素を適用可能(一次要素より表現力が高い)

一次要素

二次要素

• 偏微分方程式：A法(AΦ法より省メモリ)• 要素の次元：二次辺要素(最小要素辺高さ1μm)[1] Joachim Schöberl, C++ 11 implementation of finite elements in NGSolve. ASC Report 30/2014, Institute for analysis and scientific computing, Vienna
University of Technology, 2014.
[2] REININGER, Alexander, et al. Efficient Simulation Model of a Circular Piezoelectric Actuator with TDNNS Elements in Netgen/NGSolve. In: ACTUATOR;International Conference and Exhibition on New Actuator Systems and Applications 2021. VDE, 2021. pp. 1-3.

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Eddy Current Working Group

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数値実験

正確さ～理論値との比較～(破線が理論値、実線が計算値)

JANDT

Eddy Current Working Group

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数値実験

数値解析条件
Table 数値解析パラメータ項目値

試験体1.26 × 10 S/m,
𝜇 =267(初期値)

フェライト

𝜇 =521(初期値)

励磁電流

100 kHz, 1.56 × 10

走査ピッチ0.2 mm

リフトオフ

1 mm

フェライトコア
A/m2

コイル
試験体
きず移動方向
きず

スリット形状(3通り) 矩形、円弧、連続円弧
スリット幅(9通り)

0.002, 0.005,0.01, 0.02, 0.05,
0.1, 0.2, 0.5, 1.0 mm

スリット深さ(8通り)

0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0,1.2, 1.5 2.0 mm

スリット長さ(8通り)

2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 mm

組み合わせ数200通り超JANDTFig. 数値解析モデル

Eddy Current Working Group

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数値実験

数値解析条件:BHカーブ

電気伝導率SS400: 1.26×107 S/m
フェライト: 0 S/mJANDT

Eddy Current Working Group

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数値実験

磁束の可視化の例

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Eddy Current Working Group

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数値実験

1. スリット断面形状の影響
3mm

Position(コイル中心-スリット中心間距離)Fig. 1 矩形スリット

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Fig. 2 円弧スリット

Eddy Current Working Group

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数値実験(スリット深さ1mm、幅0.1mm)

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Eddy Current Working Group

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数値実験

渦電流分布(スリット位置０mm)(長さ:4mm、深さ:1mm、幅0.1mm)
矩形スリット

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円弧スリット

Eddy Current Working Group

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数値実験

渦電流分布(スリット位置2mm)(長さ:4mm、深さ:1mm、幅0.1mm）
矩形スリット

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円弧スリット

Eddy Current Working Group29数値実験

渦電流分布(長さ:4mm、深さ:1mm、幅0.1mm）
スリットなし

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スリット中心位置0mm

スリット中心位置2mm

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数値実験

導体中の渦電流の流れ
長さ2mm、深さ1mm

長さ4mm 、深さ1mm

長さ10mm 、深さ1mm

Top view

Crack

Top view

Crack

Separate flow

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Side view

Side view

Around flow

Deep flow

Eddy Current Working Group

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Eddy Current Working Group32

数値実験(スリット深さ2mm、幅0.1mm)

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数値実験(スリット幅0.1mm)•

きず断面形状、長さ、及び、深さは検出信号の振幅影響を与える。

•補修判定基準を、「きず長さ4mm、または、きず深さ1.5mmをそれぞれ超えないこと(OR)」とした場合、装置の特性によって、きずの検出に差が生じる。

•補修判定基準を、「きず長さ4mm、かつ、きず深さ1.5mmを超えないこと(AND)」とした場合、振幅のみを判定基準としたとき、きず寸法の過大評価が生じる。

JANDT

Eddy Current Working Group

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数値実験

まとめ：スリット形状の影響• ECTのきず検出性において、渦電流の流れを妨げる断面積が重要である。
• 円弧は矩形スリットと比較して検出信号は減少するが桁が変わるほどの影響はない。

• 検出信号の振幅のみによるきず長さ評価は、偽陽性(安全側の間違い)を避けられない。
• 補修判定において、きず深さの閾値を設定しない場合、検出性能の優れる装置程、きず検出数が増える。

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Eddy Current Working Group

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数値解析1

2. スリット幅の影響• 検出信号の振幅ときず長手方向の検出信号プロファイルへのスリット幅の影響を確認。
• スリット幅を0.002mm～1mm• スリット長さ：2～8mm• スリット深さ：1, 2mm

Fig. EDMスリットきず

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Fig. 疲労きず
Eddy Current Working Group

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Eddy Current Working Group36

数値実験(矩形スリット深さ1mm)

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数値実験(矩形スリット深さ2mm)「深さ>開口部長さ/2」は実施せず。

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Eddy Current Working Group

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数値実験

まとめ：スリット幅の影響• ECTは幅無限小の絶縁層を検出可能。
• コイル径よりスリット幅が十分小さくなると、スリット幅は検出信号に影響を与えない。

• 基準スリットのスリット幅は試験体とプローブの特性に応じて決定。
• きず幅が大きいと必要なダイナミックレンジが大きくなるため、スリット幅は狭い方が望ましい。例えば、今回の数値解析条件では基準スリットのスリット幅は0.5mmでも可。

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Eddy Current Working Group

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数値実験

3. スリット長さの評価方法
深さ1mm、長さ2mm

深さ1mm、長さ4mm

深さ1mm、長さ10mm• きず長さによって、渦電流の経路が変化する。

JANDT

Eddy Current Working Group39

きず深さ(きず長さ4mm)

きず長さ(きず深さ1mm)

数値実験1(矩形、スリット幅0.1mm)• 検出信号の振幅はきず長さときず深さの影響を受ける。

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Eddy Current Working Group40

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数値実験

RBF補間きず長さ推定法①
𝑦= 𝑓 𝑥 =𝜔𝜙𝑥− 𝑥𝜔 : 重み, 𝑥 : 校正点
𝜙: RBF(放射規定関数)

Calibration points

Response length𝜙𝜔𝑥Fig. 検出信号𝜙と応答長さの定義

Fig. 正弦波のRBF補間

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Eddy Current Working Group

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数値実験

RBF補間きず長さ推定法②

Fig. A. 振幅-きず長さ

Fig. B. 応答長さ-きず長さ

Fig. C. 振幅-応答長さ平面• きず長さ推定法• 最小きずの検出信号を閾値とする方法• 検出信号と応答長さを用いた方法

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Eddy Current Working Group

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数値実験

RBF補間きず長さ推定法③
1. 最小きずの検出信号を閾値とする方法• 偽陽性が生じる。

2. 検出信号と応答長さを用いた方法• 長さ4mm、深さの異なるきず複数を用いて「振幅-応答長さライン」を作成し、判定。

3. RBF補間きず長さ推定法

Fig. 振幅-応答長さ分布• 長さ、及び深さの異なるきず複数を用いて「振幅-応答長さ分布」を作成し、判定。

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Eddy Current Working Group

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数値実験1

RBF補間きず長さ推定法④

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Eddy Current Working Group

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数値実験

まとめ：スリット長さの評価方法• 使用した計算条件(リフトオフ1mm、コイル径3mm、きず長さ4mm等)では、検出信号の振幅のみできず長さを評価することは困難である。
• 検出信号には長さと深さの影響が含まれる。

• 検出信号の軌跡はきず形状(長さ、深さ)によって複雑に変化する。
• 導電体中の渦電流は複数の経路を持ち、その経路の渦電流の割合が検出信号の軌跡を決定する。

• スリット長さ評価法を提案した。
• 最小きずの検出信号を閾値とする方法• 検出信号と応答長さを用いた方法

JANDT

Eddy Current Working Group

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数値実験

数値実験 まとめ• 矩形スリットと円弧スリットの検出信号を定量化した。
• 自然きずと比較して大きいスリット幅の影響は考慮可能である。
• 矩形スリットと円弧スリットの検出信号の振幅は桁が変わるほどの違いはない。

• 基準きずの形状・長さ・幅・深さ• 想定されるきず形状を明確にして決定する必要がある。
• 最小きず1つ、またはきず深さが異なるきずを複数用いる。

• スリット長さ評価方法を提案した。
• 最小きずの検出信号を閾値とする方法• 検出信号と応答長さを用いた方法• 消防危第93号「３ 試験結果の評価」において最小検出きず深さを決めることが望ましい。
• 補修判定を、きず長さときず深さのOR(それぞれ超えない)としたとき、検出性能の優れる装置程、きず検出数が増える。

• 試験体材質、プローブごとに数値実験で得られた知見の妥当性を確認する必要がある。

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Eddy Current Working Group46

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数値実験

提案
• きず長さときず深さの基準を「AND」条件で決めるべき。
• 偽陰性を軽減することができる。
• 検出信号の振幅だけで補修判断が可能になる。

• 想定される深さ方向のきず形状を限定する(例えば円弧)ことが望ましい。
• 正確なきず長さ判定が可能になる。

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Eddy Current Working Group48

4. 計測実験
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計測実験

計測実験の目的
1. 材質の影響
2. きず深さ・スリット形状(矩形・円弧)の影響
3. 余盛部の影響
4. コーティング厚さの影響※「スリット幅の影響」は0.25mmより小さいスリット幅を持つ試験体を用意できなかったため、計測実験で再現不可能。

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Eddy Current Working Group

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計測実験

計測条件
略称

協力団体名

B

東亜非破壊検査(株)プローブ種別シングル方式
自己誘導形絶対値方式
フェライトコア径1.65mm
アレイ方式、差動方式
コイル径3mmアレイ方式, 差動方式

PTU

職業能力開発総合大学校

A

日本工業検査(株)C(株)ウィズソル

アレイ方式, 差動方式

100kHzD

ダイヤ電子応用(株)アレイ方式, 差動方式

100kHzE(株)日本工業試験所

50kHz

F

(株)アミック

100kHz80kHz

G

日本電測機(株)シングル方式, 差動方式
マルチ方式
相互誘導形絶対値方式
シングル方式, 差動方式

H(株)IHI検査計測

シングル方式, 相互誘導形

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励磁周波数100kHz
100kHz400kHz

30kHz

Eddy Current Working Group50

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計測実験

渦電流プローブ

Fig. シングルプローブの例

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Fig. アレイプローブの例

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計測実験

材質の影響

• 今回使用した試験体間において、大きな差はみられなかった。

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計測実験

きず深さ・形状の影響
深さ1.5mm

矩形

深さ1.0mm

円弧• 深さ(1mm、1.5mm)、及びきず形状(矩形・円弧)において、大きな差はみられなかった。

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Eddy Current Working Group

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計測実験

余盛部の影響Fig. S14(サブマージ自動)Fig. S12(きれいな手動)

Fig. 検出信号

Fig. S13(荒れた手動)• 想定通り、溶接部ビードの処理の影響を受ける。
• 溶接ビードの状態を定量化(無欠陥部のピークtoピーク等)し、適用の可否を決定する。

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Eddy Current Working Group54

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計測実験

PTU(リフトオフ0mm)
S14(サブマージ自動)

きず信号

S12(きれいな手動)S13(荒れた手動)

きず信号

無欠陥部のピークtoピーク

JANDT

Eddy Current Working Group55

余盛部の影響 まとめ• 「基準きず」と「無欠陥部のピークtoピーク」の比で、適用の可否を決定する。

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Eddy Current Working Group56

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コーティング厚さの影響①

計測実験

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Eddy Current Working Group

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計測実験

コーティング厚さの影響②

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計測実験

コーティング厚さの影響③
検出不可JANDT

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計測実験

コーティング厚さの影響④(1mm)
B(S12)
A(S12)

D(S12)JANDT

C(S12)

E(S12)

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計測実験

コーティング厚さの影響⑤(1mm)G(S12)

F(S12)

H(S12)

0.2V/div.

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0.2V/div.

Eddy Current Working Group

溶接検査の流れ
(1案)

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開 始

きずの進展を評価

渦電流探傷試験等
Yes

開 始
合否判定
溶接施工

No※1：コーティングがある場合

コーティング除去 ※1
磁粉探傷試験等
磁粉探傷試験等
補修等の措置補修等の措置No
合否判定※1：コーティングがある場合

Yes

No

合否判定
Yes

コーティング施工 ※1
コーティング施工※1

初期データ採取

渦電流探傷試験等

終 了

Fig. 供用前検査
JANDT渦電流探傷試験等

終 了

Fig. 供用中定期点検
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4. まとめ• (計算)ECTでは幅が無限小の絶縁層を検出可能である。
• (計算)検出信号最大値と、応答長さ(検出信号最大値の50%間の長さ)からきず長さを推定することは可能である。
• (計算・計測)材質(SS400/SPV490Q)、スリット形状(矩形/円弧)の影響は桁が変わるほどではない。
• (計測)余盛部・コーティングの影響を受ける。プ
ローブごとの補正が必要。
※試験体材質、プローブごとに妥当性を確認する必要がある。

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