技術解説

非破壊試験の高精度化に関する動向
荒川 敬弘＊
A r a k a w a Ta k a h i r o

1．はじめに

2．非破壊試験の定量化と PISC Ⅱ計画

非破壊検査の歴史は古く、1931 年（昭和 6 年）

非破壊検査とは、目に見えないきずや損傷を顕には、ASME のボイラコードに溶接部の X 線検在化する手法として広義に解釈できよう。この目査が規定されたという。日本非破壊検査協会の設的に対して、外乱因子による影響が少なく、一定

立は、1952 年（昭和 27 年）にさかのぼり、当時の技量を有するものが行えばある程度安定したきは日本非破壊検査研究会として活動していた。米ずの評価結果が得られる手法として、放射線透過

国非破壊試験学会（当時の名称は American Industrial試験、超音波探傷試験、磁粉探傷試験や浸透探傷

Radium and X-Ray Society）設立から 11 年後である。

試験などがある。これらの非破壊試験手法は品質

当初は X 線検査が中心であったが、その後各種管理の一つの手法として広く活用されてきている。

検査法の確立と規格化が進められ、戦後の高度成

一方、高度化した構造物の経年化が進むと共に、構造物の余寿命を正確に予測する技術が望まれて長に大きく貢献してきている。
一方、構造物の長寿命化が進む今日では、合理きた。すなわち、品質保証の手段として、有害な的保全手法が求められており、非破壊検査も高精きずを確実に評価することが求められ、きずの検度化と種々の多様化を迎えている。非破壊検査の出限界寸法に関する議論も広く行われてきている。

高精度化では、最近の著しいコンピュータ技術の超音波探傷試験に関していえば、対象きずが波進 歩 に 支 え ら れ た、 フ ェ ー ズ ド ア レ ー 探 傷 や長の 1/3 以下の微小きずであれば、きずエコー（散TOFD 探傷などの各種の画像化探傷手法が開発さ乱エコー）高さはきず寸法（体積）の関数となり、れ、実用化しつつある。また、非破壊検査の多様きずの大きさに対する検出確率を求めやすい。し化では、構造物の健全性を短時間でランク付けし、かし、一般構造物で対象とするきずは波長より一ランクに基づく保全計画を策定するグローバル診

般に大きく、むしろきずの形状がエコー高さに大断、損傷を常時監視するオンライン・モニタリン

きな影響を及ぼす。このために、対象とするきずグあるいはクリープ損傷などのミクロ的な損傷評の形状できずの検出確率は大きく変化する。横穴価が求められることがある。ここでは、フェーズや放電加工ノッチなどの人工きずを対象とした検ドアレー探傷や TOFD 探傷などの画像化探傷技証が進むと、自然界に発生しうる自然きずを対象術の動向と取り組みについて紹介する。とした検討が強く求められてきた。
この目的に対する数多くの検討の中で、世界＊

フェロー 工学博士—

2—

15 カ国の国際共同研究となった PISC Ⅱと呼ばれ波探傷試験結果を評価したときに、正しく不合格たプログラムはこれの最も大きなものの一つであと判定できた確率を示している。すなわち、許容（1）る 。 こ の プ ロ ジ ェ ク ト は、1981 年 に Dr.R.W.

されないきずを見落とすことなく、かつ精度の良Nichols（英国）を議長として開始されており、この中で実機原子炉圧力容器の一部を模擬した 4 体のきずを作製した大型溶接試験体が世界 50 チー
ムでラウンド・ロビン・テストされている。参加した各チームはきずの大きさや形状、位置が不明の状態で、それぞれに提案した探傷方案に基づいて試験し、試験体に導入されたきずを切断試験などで明らかにした後にこれらの全ての試験結果が評価された。
評価の結果、超音波探傷試験における探傷感度（a）きずのタイプ（形状）の影響がきずの検出性に及ぼす影響、探傷方法の組合せによる検出性の違い、自動探傷と手探傷による違いや同種の探傷方法における試験結果の分散など多くの検討が行われている（2）。図 1 に試験の検討結果の例を示している。
（a）図はきずのタイプ（形状）がきずの検出確率に及ぼす影響を示しており、（b）図はきずの検出レベル（探傷感度）が検出確率に及ぼす影響を示している。検出レベルを低くして高感度で探傷すれば検出確率は増大するが、（b）検出レベル（探傷感度）の影響

10％ DAC（DAC：距離振幅特製曲線で距離による減衰を補正した評価の基準値）のようなあまり高すぎる探傷感度は改善にさほど寄与しないことを示している。（c）図は、探傷感度とともに探傷の組み合わせが検出確率に大きな影響を及ぼすことを示している。これらの結果を受けて、当時のASME 規格（Sec.XI）の改定も行われている。
また、従来の探傷手法に比べて、最新の探傷技術の結果が優れていたことが指摘されている。ただし、全ての新技術が優れていたわけではなく、（c）探傷方法の影響

6 つの優れた探傷手法が選別されている。図 2 に

図 1 PISC Ⅱラウンド・ロビン・テストで得られたきずの検出確率に及ぼすきずのタイプ（形状）、検出レベル（探傷感度）や探傷方法の影響は、信頼性の高い探傷方法として推奨された探傷結果を要約している（3）。MCRP は、きずの寸法が大きく許容されない不合格欠陥だけを対象に超音—

3—

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い寸法測定の結果より正しく不合格と判定できた

模 擬 し た 12 体 の 大 型 の 溶 接 試 験 体 を 作 製 し た

確率である。推奨された手法の中に水浸集束探傷

1968 年にさかのぼる。これら試験体の一部の試験法や TOFD 法も含まれている。

協力が欧州及び日本に依頼され、これを受けて欧なお、PISC Ⅱ計画の発端は、米国の圧力容器州で行われたラウンド・ロビン・テストが PISC Ⅰ研究会議（PVRC）が原子炉圧力容器の溶接部をと呼ばれた。これらの試験結果に基づき、規模を拡大した非破壊検査の国際共同試験が欧州より提案され、PISC Ⅱが開始された。PISC Ⅱ以後も、更に PISC Ⅲが実施されている。
3．その後の非破壊検査の動向
PISCⅡのラウンド・ロビン・テストにおける一つの知見は、特定の方位からきずを探傷した場合に比べて、より多くの方位からきずを探傷するこ

MCRP：不合格欠陥を正しく不合格と判定した各探傷グループの平均確率とによって、より緩やかな探傷感度であってもよ

特殊探傷グループの内容
探傷方法
複雑な探傷技術の組合せ
ASME, 複雑な探傷技術の組合せ
TOFD
複雑な探傷技術の組合せ
集束探傷法
（水浸法）
ALOK法の複雑な組合せ

DDF
0.97
0.94
1.0
0.97
0.8
0.81

CRF
0.86
1.00.93
0.86
0.79
1.0

り優れた探傷結果が得られることである。優れた

CAF
0.96
0.62
0.38
1.00.760.31

探傷結果と評された 6 つの探傷手法においても多くの探傷手法を組み合わせた複雑な探傷方案によるものが含まれている。また、超音波ビームを集束させた集束探触子を用いたチームの探傷精度もDDF：きずの検出確率
CRF：不合格欠陥を正しく不合格と判定した確率
CAF：許容欠陥を正しく合格と判定した確率優れていた。
図 3 は、水素による遅れ割れを対象として、探図 2 PISC Ⅱラウンド・ロビン・テストで推奨された特殊探傷手法の探傷結果

図3

傷方法の異なる二つの探傷方法で得られた最大エ探傷方法（探傷方位の粗密）の違いによる最大エコー高さの変化の例—

4—

コー高さを比較した結果を示している。一つの探査する代わりに電気的な高速走査が可能になる。

傷方法（A タイプ探傷方法）は、タンデム探傷やさらに、各微小振動子が励起する時間を適宜制御垂直探傷を含んで、屈折角 15 度間隔の斜角探傷することで、各微小振動子で励起された超音波がを行って、割れに対して 15 度間隔の全方位（タ互いに干渉しあって伝搬し、超音波ビームの試験

ンデム探傷を板表面に平行なビームの方位と仮体への入射方向を任意に変えるセクタスキャンが定）から超音波をきずに入射させて探傷を行う方可能になる。図 4 にフェーズドアレー探傷の原法である。また一つのもの（C タイプ探傷方法）は、理を模式的に示している。

垂直探傷と屈折角 45 度及び 60 度の斜角探傷だけ一方、PISC Ⅱ計画で推奨された探傷方法に集で探傷を行う方法である。図では同一の割れに対束探触子を用いた探傷手法もあるが、振動子に曲して、種々の方向から探傷を行うことにより最大率を付けて特定の深さで焦点を結ぶようにした集で 16 dB も高いエコー高さが得られることがわか

束探触子による探傷では、きずの深さに応じて最る。このように、種々の方位からきずを狙って探適の集束探触子を選別して使用する必要があるた

傷することによりきずの検出確率を改善し、信頼めに、探傷が極めて煩雑で長い探傷時間を必要と性を高めることが可能であるが、反面数多くの探する。フェーズドアレー探傷の使用で、この複雑傷を行うために探傷時間は膨大になる。

な探傷も短時間で実施できるようになっている。

しかし、この時間を多く要する複雑な探傷も、すなわち、超音波ビームが集束する深さ位置を順

フェーズドアレー探傷法を用いれば、短時間での次電子的に変化させ、最も超音波ビームが集束し探傷が可能になってきており、信頼性の向上に寄た位置の情報のみを画像化するダイナミック与している。フェーズドアレー探傷とは、微小なフォーカッシングを用いることで、短時間の探傷振動子を隣接して配置し、各微小振動子を励起さで測定精度を改善できるようになった。

せるタイミングをコンピュータで制御したもので

図 5 に、種々の深さに同形状の横穴（φ 3 mm）ある。例えば、複数の微小振動子を同時に励起さを設けた試験体に対して、従来の固定焦点の集束せて、通常のより大きな平板の振動子と同等の超探触子（凹型の圧電素子を用いて一定の深さに焦音波ビームを形成し、励起させる微小振動子を一点を結ぶようにした探触子）を用いて探傷した結つ毎に順次ずらせていけば、探触子を機械的に走果と、フェーズドアレー探傷でのダイナミック

図4

フェーズドアレー探傷法の原理—

5—

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フォーカッシング機能を用いて探傷した結果を比端部で回折して得られる回折波（B 波）が得られ較している。固定焦点の従来の集束探触子によるる。得られた信号波形の振幅（エコー高さ）をカと、焦点位置に一致した深さの横穴の輪郭は明瞭ラー（濃淡）表示させると、一つの探傷波形は一に示されているが、反面、焦点位置から離れた深本の線で表示でき、これを探触子の直線走査に対さの横穴の輪郭は不鮮明になっている。ダイナ

応して並べると TOFD 探傷画像が得られる。従っミックフォーカッシングによれば、全ての深さのて、探傷画像は探触子位置と超音波が送受信され横穴の輪郭は、従来の固定焦点の場合に比べて鮮る伝搬時間の関係を示し、得られた音圧はカラー明になっている。

（濃淡）表示される。

このように、PISC Ⅱ計画で実証されたより精き裂部に超音波を入射させると、面での反射の度良い探傷が、電子機器技術やコンピュータ技術他に、き裂端部で回折波が発生する。面での反射の著しい発展に伴って、極めて短時間で実践でき波を受信しないように探触子を配置して、端部でるようになったといえる。また、PISC Ⅱ計画時の回折波を受信し、これの伝搬時間から幾何学的は開発されて間もない TOFD 探傷技術も、現在にき裂の端部位置を正確に測定できる。従って、では国内でもかなり普及し、実機に適用されるよ板厚方向のき裂の寸法を正確に計測できる。
なお、きずの端部からの回折波の伝搬時間と端うになっている。
この方法は、図 6 に示すように、二つの斜角部位置との関係は、探触子位置ときずとの相対位探触子を対向して一定距離に配置して、片方を送置の関数でもある。このためにきずの深さ位置を信用とし、他方を受信用として探傷する方法であ正確に測定するには、探触子をきずの長手方向にる。きずのない健全部では、表面を伝搬するラテ直交する方向にも走査させ、2 つの探触子間距離ラル波（A 波）と裏面で反射する反射波（C 波）の中央にきずが位置するときの最も短い伝搬時間が現れる。内部にきずが存在すると、更にきずのを用いて深さを測定する。

図５

固定焦点（深さ 25mm）集束探触子とフェーズドアレー探傷（電子フォーカッシング）の探傷結果の比較—

6—

図 7 は疲労き裂を三点曲げ試験で進展させ、そまた、図 9 は円盤の中央位置に各種形状の端のときのき裂の進展過程を常時監視するために、部を置き、円周から二探触子法で端部からの回折試験片に固定した二つの探触子によって TOFD 探波の強度を測定した結果を示している（6）。端部へ傷した結果である。このようにき裂の先端におけの超音波の送信方向と受信方向のなす角度（2θ）

る回折波を捉えることができれば、測定した超音が小さくなると、疲労き裂の端部の回折波の強度波の伝搬時間より幾何学的にきずの高さの変化をが い か に 低 下 す る か を 示 し て い る。 従 っ て、精度よく測定することができる。なお、本試験は耐熱性に優れたろう付式高温探触子を取り付けて行ったもので、300℃における高温でもき裂進展を監視できることを確認している（4）。
TOFD 法をきずの検出に用いる場合には溶接線方向に探触子を直線的に走査するだけなので、探傷速度も一般に速い。反面、面での反射波に比べるとはるかに微弱な端部の回折波を受信するために、探傷の感度は極めて高くなり、端部からの回折波とノイズや微小きずからの散乱波との識別が困難になることもある。図 8 は、用いる探触子によって疲労き裂先端からの端部エコーの識別が

図7大きく異なる例を示している（5）。

図6TOFD 探傷法による疲労き裂進展の監視結果

TOFD 探傷法の原理—

7—

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TOFD 探傷では、このような微弱な回折波を確実定して探傷することにより、短時間の探傷が可能に捉えることが重要である。

なことも一つの特徴としており、探触子としてはTOFD 探傷は、一般に広い範囲の監視領域を設指向性の鈍い探触子が使用される傾向がある。し図8

用いる探触子による TOFD 探傷画像の SN 比の違い

図9

各種形状のきず端部での回折エコーの振幅値の比較—

8—

かし、反面指向性の鈍い探触子ではノイズレベル発に伴ってリアルタイムでの適用が可能となり、が増大してき裂などの端部の微弱な回折波との従来の時間軸と信号の振幅値での評価に、更に周SN 比が低下する。図 8 の結果よりも、振動子寸波数軸を加えた探傷を行うことにより、信号とノ法が小さく指向性の鈍い探触子（指向性は波長とイズの識別を容易にした探傷が可能になった。
図 11 はリアルタイムウェーブレットを組み込振動子寸法の比で表わされる）の方のき裂端部のんだ TOFD 探傷システムの表示パネルを示してSN 比がより低下していることが伺える。
フェーズドアレー探傷を活用することにより、いる。表示パネルの左上段は取り込んだ探傷波形

高速の探傷速度を維持したまま SN 比を改善するを示し、この取り込んだ原波形に基づく TOFD 探ことが期待され、検討している。すなわち、二つ傷画像（画像の縦軸は時間軸で、横軸は探触子位のフェーズドアレー探触子を送受信用に用いて、置を示す）を左中段に示している。左下段には探二つの超音波ビームの屈折角の変動を連動させ、傷波形の周波数解析結果を示している。

交軸点における送受信波の音圧の高くなる領域の右上段には取り込んだ探傷波形のウェーブレッみのデータを採取して画像化する方法である。図ト解析結果をリアルタイムで表示しており、縦軸10 にフェーズドアレー TOFD 法を模式的に示しは周波数で、横軸は時間軸を示し、音圧をカラーている。

で表示している。また、同図には破線の横バーがまた、SN 比の改善にリアルタイムウェーブレッ表示されているが、これを用いてきずエコーのトを用いた信号処理技術の適用に取り組んでいSN 比を改善できる周波数波形を抽出することがる。従来はウェーブレット解析の演算に時間を要できる。右中段には、抽出した周波数の探傷波形し、ポスト処理でしか適用ができなかった。しかを示し、右下段に抽出した探傷波形による TOFDし、コンピュータ技術の進歩と高速演算技術の開探傷画像を示している。

図 10

フェーズドアレー探傷を活用したフェーズドアレー TOFD 探傷の模式的説明図—

9—

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図 12 は、9%Ni 鋼（ 板 厚 50 mm） を ハ ス テ ロ
イ系溶接金属で溶接した試験体の溶接部に予め設けた 5 つの高温割れ模擬欠陥を TOFD 探傷したと
きの、原波形による TOFD 探傷画像と特定周波数の抽出により求めた TOFD 探傷画像を比較して示している（7）。原波形による TOFD 探傷画像にはきずエコーによる像の他にも多くのノイズによる模様が観察されている。このようにノイズの多い探傷では、従来はベテランの技術者の経験に大きく依存してきたが、信号処理技術の適用により、ある程度の技量をもつ探傷者であれば容易に判断できる画像を提供でき、探傷の支援ツールとして活用することを期待している。
なお、ここでは特定の周波数波形の抽出する例を示したが、複数の周波数の探傷波形を抽出して、開発したアルゴリズムを用いて探傷画像を構築するシステムも開発している。

図 12

図 11

9%Ni 鋼ハステロイ系溶接金属に作製した模擬自然欠陥のリアルタイムウェーブレットを用いた TOFD 探傷結果の例

リアルタイムウェーブレットを組み込んだ TOFD 探傷システムの表示パネル—10—

No.5, p 243-s

5．まとめ3）Evaluation of the PISC- Ⅱ trials results, PISC Ⅱ

構造物の経年化が進む中で、合理的な保全技術

Report No.5 (Sep-1986) (Joint Research Centreが求められており、非破壊検査結果の高精度化もS.P./I.07.C1.86.62, Nuclear Energy Agency CSNI求められ、種々の画像化探傷が実用化されている。

No.121) p.72

この中でフェーズドアレー探傷と TOFD 探傷の4）T.Arakawa, M.Tanosaki, K.Yoshikawa On-line

役割について、1980 年代に行われた世界 15 カ国

monitoring techniques of crack propagation usingの国際共同研究の PISC Ⅱ計画での結果も用いてbrazed-type ultrasonic sensors for high temperature

解説した。同時に検査技術者の高齢化に伴って、

use, 13th International Conference on NDE in the

世代交代と技術伝承を円滑に進めることも重要に

nuclear and pressure vessel industries, 1995 May

なっている。この目的に対する一つの手段として、(Kyoto), pp.217-221

リアルタイムウェーブレットを用いた信号処理技

5）荒川敬弘、中西保正、加藤謙治、芝田術の検査支援ツールとしての役割について紹介し三郎、久保た。

TOFD 法 の 適 用、 非 破 壊 検 査、49 巻、12 号

コンピュータ技術の進歩は今後もますます期待

善昭：球形ホルダーへの超音波（2000）、PP.823-833

でき、非破壊検査の高精度化や多様化の目的に活

6）H.Asano, K.Kawahara, T.Arakawa, M.Kurokawa :用していくことにより合理化が図られていくと考Qualification of Final Closure for Disposal

えて開発に取り組んでいる。

Container II -Applicability of TOFD and Phased
Array Technique for Overpack Welding-, 28th

参考文献

MPA-Seminar, Oct. 2002, (Stuttgart Germany)1）荒川：非破壊試験の欠陥検出能力の動き、溶

7）畠中、中島、荒川、黒川、水谷：超音波探傷

接学会誌、第 55 巻（1985）、第 4 号、pp.35-42

へのリアルタイム信号処理技術の適用、保守

2）Crutzen et al.: The PISC Ⅱ Project; Initial

検査特別研究委員会ミニシンポジウム（日本Conclusions regarding the procedures in the round-

非破壊検査協会）、No.004-677（2008 年 9 月）

robin tests, NDT Internationals, Vol.18 (1985),

pp.11-16

フェロー
工学博士

荒川敬弘

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547—11—

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