水車メンテナンス・ミニ特集

水車ステーベーンの超音波フェーズドアレイ法の適用
船戸 一寛 *
Kazuhiro Funato

引 地 達 矢 **Ta t s u y a H i k i c h i

水力発電所の水車ケーシング・ステーベーンは製造年代が古く長期間（昭和初期〜現在）にわたって使用されているものが多く、予防保全的に設備更新が行われてきた。
しかし水車ケーシング・ステーベーンなどはほとんどが建屋基礎に埋設されているため設備更新も大規模な工事となり負担も大きい。
このため、関西電力株式会社殿と当社は共同でステ−べ−ンに代表される水車部材の残存寿命評価法の改良に取り組んできた。本稿では、残存寿命評価精度の向上をはかるため別項に紹介する当社独自の余寿命解析の初期条件となる欠陥情報を精度良く測定する目的で実施している、フェーズドアレイ法の水車実機工事への適用状況を紹介する。

キーワード：水車ステーベーン、NDI、超音波探傷、フェーズドアレイ、欠陥、延命化

1.

フランシス水車、カプラン水車は反動水車でランはじめにナー（羽根車）の形状は異なるが水を導くケーシ

水力発電所の多くは山間部に設置されていて、ングやガイドベーン（案内羽根）を用いる方法はダムなどの貯水池より導かれた水の力を電気に変同様である。一般的にフランシス水車は中落差、えるため効果的で、かつ経済的な水車の型式が採カプラン水車は低落差に採用されることが多いよ

用されている。水車の型式は衝動水車と反動水車うである。この中でもフランシス水車は国内水力に分類され有効落差や水量によりペルトン水車、発電所 1863 ヶ所（建設中は除く）のおよそ 7 割

フランシス水車、カプラン水車などがある。ペルで採用されている最も一般的な型式で当社で受注

トン水車は、衝動水車の代表的な型式で高落差のしている点検工事もすべてこの型式である。図１

水力発電所に適しており、その構造は他の 2 種類に水力発電所の構造概要を示す。と異なり水をノズルから噴出させ、その勢いでバ水車主要部位のケーシングやステーベーン（整ケット（水車）を直接、回転させる形式である。

流羽根）の劣化は、水中に含まれる土砂や水滴に

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検査事業部
検査事業部

技術部
技術部

NDE 技術グループ
NDE 技術グループ

課長

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ケーシングであったり、成分も不均一であり、現在生産され発電機調圧水槽ランナーているものに比べて低品質の材料である。
一般的に応力が集中し、き裂が発生しやすいス

ガイドベーン

水圧鉄管

テーベーン付根部分の非破壊検査には、磁粉探傷検査（MT）、超音波探傷検査（UT）、金属組織観察（SUMP）などが適用されているが、UT を適入口弁用する場合、形状が複雑で材料の成分が不均一なため検出性 / 識別性や探傷感度の設定が困難であドラフト
ステーベーン

図１る。
これらの課題を改善し、残存寿命評価精度の向水力発電所の構造概要上を図るために欠陥全体像の描写性に優れ、欠陥よる衝撃、起動停止による応力の変動などにより情報を精度良く測定できるフェーズドアレイ法を表面きずや内在欠陥が起点となって進展する可能適用した。図２「水車非破壊検査の概要」に示す性が懸念されている。

とおり表面検査は、MT を実施して検出された欠水車の健全性を確認するために数年毎に磁粉探陥の代表部についてき裂深度計による深さ測定と傷検査（MT）、超音波探傷検査（UT）、金属組織SUMP による進展性調査を行なう。内在欠陥に適観察（SUMP による）などの非破壊検査を実施し、用する UT は、当初は波形だけで判断する A ス

電気学会技術報告 II 308 号の解析方式により残存コープ UT であったが、近年は描画機能を持つ B寿命を評価しているが、この解析方式は複数欠陥

スコープ UT を実施してきた。さらに描写性に優であっても 1 個の欠陥として保守的（安全側）にれ欠陥情報を精度良く測定可能なフェーズドアレ評価するため余寿命は短くなる傾向がある。

イ法の適用拡大を推進している。

これを改善し欠陥情報を精度良く測定し、残存3.

寿命評価精度の向上をはかる目的で従来から行なフェーズドアレイ法と装置の概要

われている UT（パルス反射法）をフェーズドアフェーズドアレイ法は、医療分野で結石や胎児レイ法に変えて実機検査への適用拡大を展開しての診断に使われているエコーという技術を工業分おり、その適用状況を紹介する。

野に応用したものであり、その原理は超音波の振動子を複数（16 〜 128Ch）ならべて配置した探2. 水車ステーベーンの検査
水車主要部位のステーベーンは水圧鉄管よりケーシングへ導かれた水圧からケーシングを保護

ケーシング

内在欠陥（UT）
ステーベーン

表面検査（MT)するための補強および水の整流の役割を担っている。ケーシングやステーベーンの固定部分は製造後 50 年以上供用されているものも多い。昭和初期に製造された鋳鋼製水車ステーベーンは、製造

表面欠陥（き裂深度計）（SUMP)

当時としては最新の技術で製造されているものの不純物や欠陥を含むものが多く材料の粒子が粗大

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図２

水車非破壊検査の概要

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触子に電子制御で時間差をつけて電圧をかけるこ進歩で、フェーズドアレイ探傷装置も従来装置ととによりビームの向きを制御し、受信した信号を同等以上に小型化しており、かつ装置単体でデー画像化するもので、原子力配管の溶接部欠陥サイタ処理まで可能である。図５にステーベーン断面ジング、その他構造物の検査などで能力や精度はの通常 UT と比較してフェーズドアレイ法のセク実証済である。本試験では当初（平成 14 年）、図タ走査方法を模式的に示している。

３に示すフェーズドアレイ探傷器の普及器であ欠陥の大きさを測定する場合、通常 UT できず

TomoscanFocus を使用していを画像化するには探傷範囲を矩形走査するためのた が、 装 置 が 幅 500mm × 高 さ 200mm × 奥 行 き

XY スキャナーが必要でステーベーンなどの複雑400mm ×約 35Kg と大きく重く PC も必要であり、形状では形状に合わせたスキャナーが必要となる

現地ではマンホールから搬入しなければならない場合もある。

る R/DTech 社製

制約もあるため平成 15 年度に図４に示す小型で汎用性に優れた R/DTech 社製

当時の鋳物の材質は、肉厚変化などで大きく結OmniScan を導晶粒度が異なり、表面の粗さも均一でない場合も入 し た。OmniScan は 幅 350mm × 高 さ 200mm ×あり、超音波の伝達や減衰の度合いが場所により奥行き 150mm ×約 5Kg ありコンピュータ技術の異なる。その内部には、ざく巣のような隣接した複数の小さなきずが多く、従来の平板振動子を用いた探触子では、材料中を超音波が伝播するに連れて超音波ビームは拡散してビーム幅が広くなる
ため、きずを測定したとき探傷画像がぼける。このため、高感度の探傷を行うと隣接するきずを分離できずに大きなな一つのきずと評価する場合も起こり、これにより寿命評価すると不必要に寿命が短くなる。
また、従来の通常の探傷感度での探傷では、選定した固定屈折角での探傷のため、きずの傾きによっては十分な反射エコーがえられず、また材料

図3

従来型フェーズドアレイ装置および探触子

図4

新型フェーズドアレイ装置および各種探触子の減衰のばらつきの影響を大きく受けて過小評価

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図5

通常 UT とフェーズドアレイ法の比較

となることも多い。測定精度改善策の一つとして集束探触子を用いて鮮明なきずの像を得る方法もあるが、従来方法では超音波ビームの集束する深さは一定のため、発生したきずの深さによって用いる探触子を変える必要があり、探触子毎に探傷感度の校正が必要なために探傷に極めて多くの時間を要する。
これに対して、フェーズドアレイ法ではビーム角度を電子制御したセクタスキャンと左右走査の組み合わせで画像化するので一軸のエンコーダな

図6

フェーズドアレイ法と従来法 UT の比較試験体

どを用いるだけでよく、装置が簡易になり、かつ複雑な鋳物形状に対しても対応が可能になる。ダイナミックフォーカシングを用いるので、きずの深さに対して最も超音波ビームが細くなる条件で探傷し、きずの鮮明な像を短時間に得ることができる。従って、隣接するきずの分離が容易になり、欠陥全体像の把握が可能で正確な寿命診断に寄与できる。
図６〜図８に示すとおり、同じ試験体を使用した画像比較で、従来法 UT に比べてフェーズドアレー法ではきずの実態をよく把握できており、また欠陥の深さ方向の測定では従来法 UT が

図7

フェーズドアレイ法データ解析

18.1mm に対しフェーズドアレイ法が 37mm と検出性に大きな差があることが良く分かる。
4. 水車実機への適用
水車ステーベーンのフェーズドアレイ法による欠陥測定は、すべてのステーベーンについて行なうのではなく、まず表面検査（MT）を実施して過去の検査記録などと照合して余寿命評価すべきステーベーンを数枚選定する。選定したステーベーンの代表部について板厚測定、翼断面形状測定、付根部の R 形状測定、ケーシングの R 形状

図8

従来法（B スコープ）UT データ解析

測定、ステーベーンの長さ×幅など全体的な寸法測定、探触子走査の基準位置の設定を行なう。これらは欠陥の位置を特定し断面上の位置関係を明̶ 5 ̶

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確にすると共に後に行なう余寿命解析の初期条件となる重要な測定である。
フェーズドアレイ法の感度設定は、通常 UT と同様に JIS

RB-4 に準拠した鋳造品の試験片に設けられた横穴からの反射エコーを 80％ CRT に設定して試験片と実機の減衰率を補正し、これを探傷感度とする。探触子にはエンコーダを接続してUT データと位置データを同時に採取する。図９に実際の作業状況を、図 10 に探傷後に得られる生データの部分サンプルを示す。データは探傷部
図 11位の A スコープ（波形表示）、B スコープ（側面UPA データ解析結果記録例画像）、C スコープ（平面画像）、D スコープ（断面画像）で生成される。これを詳細に解析して断長さや深さ、全体の分布、相関位置と事前に測定面上の分布、欠陥の大きさをまとめたものが図した寸法形状測定結果を初期条件として余寿命解11 の記録である。これら表面欠陥と内在欠陥の析を行なう。
5. 今後の改良および展開現在まで数プラントについて残存寿命評価精度の向上をはかるため超音波フェーズドアレイ法を実機水車へ適用してきたが、客先よりフェーズドアレイデータを見易いものにして欲しいとの改善要望があった。具体的な問題点としては検査の結果、得られた A、B、C、D スコープを解釈するためには専門知識が必要であり、専門家の説明を図9

ステーベーンの検査状況必要とすることである。これについてフェーズド
アレイ法をさらに展開するため検査画像データを実機形状データ（CAD など）と合成して立体表示が可能か検討中である。図 12 はフェーズドア
レイデータと 3D

CAD データを試験的に手動合成したものであるが、このように視覚的な形で表示できれば内在する欠陥の大きさや位置関係を誰が見ても理解し易いものとなるので開発中である。また、従来手法でその測定値の誤差が大きいとされている、き裂深度計による表面欠陥の深さ測定に超音波法を代替可能か検討中である。平板図 10

水車実機の探傷結果例

単純形状試験体ではその効果が確認できたので

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た。これにより水力発電所主要部位の設備更新時期の延伸ができ、発電原価の低減に寄与できるものと期待している。
7. 謝 辞
本稿で紹介した残存寿命評価法の改良は関西電力株式会社殿との共同研究により取り組んできましたが、ご指導を賜った関西電力株式会社殿の多図 12くの関係者の方々に心より深甚なる謝意を表しま

水車ステーベーンのフェーズドアレイデータ
３D 表示化す。
参考文献

実機試験体による検証試験を行ない、将来的にはフェーズドアレイデータと表面欠陥測定データと1）青山順、奥出邦夫、中山英治、飯田伊佐務、合成し、これを立体表示が可能にできるよう開発

水力発電設備における水車主要部位の新しい中である。

残存寿命評価手法の開発、ターボ機械 第 34
6.

巻第 6 号（2006 年）

まとめ2）水車発電機器の劣化評価調査専門委員会、水水力発電所の主要部位である水車ステーベーン力発電設備の現状と劣化診断技術−水車およの検査に超音波フェーズドアレイ法を用いて余寿び水車発電機の主要部位について−、電気学命解析の初期条件となる欠陥情報を精度良く測定

会技術報告（Ⅱ部）、第 308 号（1989 年）することにより残存寿命評価精度の向上が図れ

検査事業部
技術部 NDE 技術グループ
課長

検査事業部
技術部 NDE 技術グループ

船戸 一寛

引地 達矢

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