技術紹介

シミュレーションを活用したフェーズドアレイ探触子の試作
福本伸太郎 *1

西土隆幸 *2

Fukumoto Shintaro

Nishido Takayuki

川﨑拓 *1

Kawasaki Hiraku

厚肉配管の溶接部に対して、集束効果を持たせた振動子寸法の大きな（直径 35 mm）アニュラアレイ探触子を試作した。試作したアニュラアレイ探触子は、64ch のフェーズドアレイ装置で駆動することができる。また、セクタスキャンが可能となるように設計した。その結果、高精度な寸法測定精度を持たせるとともに、SN 比の改善が確認できたので報告する。
キーワード：超音波探傷、フェーズドアレイ、アニュラアレイ、セクタスキャン、点集束、厚肉配管に対して、超音波を点集束することができるアレ

1. はじめにイ探触子を用いることで、SN 比の改善によるきフ ェ ー ズ ド ア レ イ 法（Ultrasonic Phased Array）

ずの検出能の向上、微小きずの早期発見が期待では、非破壊的にきずを検出できる超音波探傷技術きると考えた。

（1）として、広く知られている 。本手法は、発電所2. 探傷に最適な探触子の設計関連の供用中検査において小さなきずの探傷に適

2.1 フェーズドアレイ探傷の有効性用されている。例えば、高 Cr フェライト系耐熱鋼
（2）
（3）。

アレイ探触子においては、セクタスキャンを用配管の余寿命診断のため、小さいきず（0.5 mm 程いることで、連続的に屈折角を変えた探傷がで度のクリープボイド）を見つける必要がある。こき、きず面の垂直方向から超音波を入射させて探れらの探傷は、発電用配管等の大口径配管で問題傷することで、検出性を向上させている。セクタとなっているが、一振動子型垂直探触子、一振動スキャンとは、各素子のパルス発生時間を制御

子型斜角探触子はさることながら、リニアアレイし、超音波ビームを斜めに集束させ、扇状に振る探触子においても小さなきずの段階で検出するこことができる。表 1 に代表的なアレイ探触子を示とは難しい。なぜならば、超音波探傷における一す。素子配列が一次元であるリニアアレイ探触子

般的な波長は、0.6 mm（横波 5MHz）～ 2.96 mm（縦と、二次元配列であるマトリクスアレイ探触子お波 2MHz）であり、検出したいきず（0.5 mm 程度のよびアニュラアレイ探触子がある。二次元配列でクリープボイド）が小さいためである。この問題ある、マトリクスアレイ探触子およびアニュラア配管のクリープ損傷に対する検査などである*1：研究開発センター*2：研究開発センター

研究開発グループセンター長 工学博士

技術士（建設部門） P. E.（Civil Eng.） 芝浦工業大学大学院非常勤講師—

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IIC REVIEW/2019/10. No.62

表1

探触子タイプごとの特徴

レイ探触子は、点集束に優れている。しかし、マることが可能であると考えた。これにより、アレトリクスアレイ探触子では、縦横のそれぞれに素イ探傷と同様な走査方法で、探傷時間を増大させ子を配置しなければならないため、各方向の素子ることなく測定精度の改善を図ることができる。

数が少なくなる分、電子制御に限界が生じること

64ch での最適振動子分割法を検討し、図 1 のよもある。マトリクスアレイ、およびアニュラアレ

う な 分 割 法 を 考 え、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン ソ フ ト

イ探触子は、さまざまな深さに対しての点集束に（CIVA）を用いて探傷精度を確認した。結果を図 2優れているが、アニュラアレイ探触子は円形振動に示す。きずは、左図のように 20 × 20 mm の平面子のため音場がより良いと考えた。

きず、および 5 mm ピッチで上下左右に配置した
f 3 mm の球形きずとした。図 2 より、提案した方2.2 セクタスキャンを可能とさせる素子配列法では、像が鮮明であり、探傷精度が良いことが探触子を設計するに当たり、設計概念をいくつ確認できた。なお、新規に設計した方法の特徴は、か設定した。火力発電関連における配管検査で以下のとおりである。

は、厚肉の大口径配管が対象になる。今回、深さ（1）8 リング、15 列直線分割が 75 mm の位置にあるきずを検査対象とし、探傷（2）上下に異なる素子番号する材質を鋼材とした。探触子の周波数は 5MHz（3）左右対称の素子番号としチャンネル数は 64ch とした。寸法は厚肉配管（4）チャンネル数は 64ch

（4）や高減衰材での適用事例 がある大きさを参考と2.3 探触子の作製し、f 35 mm 程度とした。
アニュラアレイ探傷では、探触子をきずの前後今回設計した探触子を、図 1 の分割方法で試作にも走査する必要があり、探傷時間が増大する。

した。図 3 に本探触子の外観を、表 2 に仕様を示

アニュラアレイ探触子のリング状に分割した素子す。なお、外観写真は横波用くさびを装着させたを、さらに平行な直線で分割することで、リニアものである。

アレイ探傷と同様にビームの進行走行を変化させ—

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図1

提案したセクタスキャン可能なアニュラアレイ探触子の振動子の分割方法

（a）シミュレーションモデル

図2（b）今回提案した結果

セクタスキャンを伴うアニュラアレイ探触子のシミュレーション結果

図3

リング分割型アニュラアレイ探触子の外観—

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表2探触子の仕様

図 4 に示す。試験片の材質は、ボイラ、圧力容器用炭素鋼およびモリブデン鋼鋼板である、SB410とした。平底穴は、探傷面から深さ 75 mm の位置にあり、図 5 の配置のとおり、f 1 mm の大きさで、5 mm ピッチで 9 個配置されている。なお、きず位置はシミュレーションと同等である。

3. 平底穴試験片による性能評価

3.2 探傷条件
図 6 に探触子の設置状況を示す。本探触子は、

3.1 試験片試作した探触子の性能評価をするために、平底フェーズドアレイプローブの複数振動素子の発信穴試験片を作製した。作製した平底穴試験片をタイミングを制御し、図 6 に示す電子走査方向に

図4

図5

平底穴試験片の外観

試験片図（左：平底穴の位置、右：平底穴の配置）
—

56—


（a）電子走査方向の視点（b）左右走査方向の視点

図6

探触子の設置状況

焦点を合わせ、超音波を発信する。なお、横波屈

チ穴底面上の C スキャン画像を示す。図 7 より、折角 45 度のくさびを使用した。また、左右走査方試作品は、9 つの円形きずが確認できた。リニア向においては、手動で探触子を移動させた。電子アレイ探触子は、電子走査方向に比べ、走査方向走査は 1 mm ピッチ、左右走査は 0.5 mm ピッチででは 1 つにつながったきずが確認できた。
また、バックグラウンドのノイズときず指示エ探傷した。

コーとの SN 比については、平底穴以外の場所の3.3 探傷結果

エコー高さを見てわかるように、リニアアレイにおける結果と比べて、試作品での結果は、良好で本試験片において、試作品との比較として 64chリニアアレイ探触子を使用した。図 7 に平底ピッあることが確認できた。

（a）試作品（b）リニアアレイ探触子

図7

平底ピッチ穴底面上の C スキャン画像—57—

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4. まとめ

参考文献

発電用配管等の大口径配管で問題となるきずの（1） 神代修平、引地達矢、梶ヶ谷一郎、齋藤規子、

探傷手法として、64ch の装置で駆動し、セクタス他：フェーズドアレイ法を用いた高クロム鋼キャン可能なアニュラアレイ探触子を試作し、効溶接部の余寿命検査技術、非破壊検査、一般果を確認した。平底穴試験片において、作製した社団法人日本非破壊検査協会、2018 年 2 月号

探触子は、従来法のリニアアレイ探触子に比べ、（2） 荒川敬弘：圧力容器における非破壊検査の最f 1 mm 平 底 穴 を 精 度 の 良 く 探 傷 で き た。 ま た、近の動向（特集 非破壊検査の最近の動向）、溶バックグラウンドエコーより、SN 比の改善が確

接技術、2000 年 10 月号、pp.59-63（3） 火力設備における電気事業法施工規則第 94認できた。大口径配管のような深い位置にあるき条の 2 第 2 項第 1 号に規定する定期事業者検ずの探傷に有効な技術であるといえる。
本稿では、平行きずを用いた検証を実施した。

査の時期変更承認に係る標準的な審査基準例

さらに、球形きずのように曲面があるきずの探傷及び申請方法等について（20120919 商局第 66や、実際の溶接きずにおける評価が必要と考えて号）いる。また、アニュラアレイ探触子と同じ二次元（4） 永井祐気、横山成就、畠中宏明、他：Ni 基合配列のマトリクスアレイ探触子との性能比較や、金溶接継手の超音波フェーズドアレイ探傷に高減衰材へのアプローチをしていき、実際の小さ関する適用検討、JSNDI 平成 27 年度秋季講演

いきず（0.5 mm 程度のクリープボイド）における大会、2015

確認もしていきたい。

研究開発センター
研究開発グループ研究開発センター センター長
工学博士 技術士（建設部門）
P. E.（Civil Eng.）
芝浦工業大学大学院非常勤講師

福本伸太郎

西土 隆幸

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

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川﨑拓

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