技術紹介

縦波斜角モード変換法によるSUS304 隅肉溶接部のルート部き裂の探傷技術
芝 田 三 郎 ***SaburoSibata

梶ヶ谷 一郎 ***Ichirokajigaya

鋼構造物の運用中に発生する欠陥はその外表面に発生するものが多く、これらは、目視試験、磁粉探傷試験、あるいは浸透探傷試験が主に用いられているが、管外面に円筒形金具が隅肉溶接された構造においては、き裂の発生が溶接部下となるためクリーピング波法や表面 SH 波法が適用されてきた。しかし、き裂が傾いた場合、エコー高さが低下しこれまでの検出法では検出困難となることが懸念されてきた。本解説では、縦波斜角探触子から発生した縦波を管内表面で横波にモード変換させて検出性を検討した結果、傾きの影響が従来手法と比べ小さく検出性がよいことを確認できたので報告する。

キーワード：超音波探傷試験、縦波探触子、クリーピング波、モード変換法、表面 SH 波

おくことが強く望まれる。
1．はじめにオーステナイト系ステンレス鋼の隅肉溶接部の超音波探傷試験は、内部きずの最も優れた探傷ルート部に発生するき裂を検出するための超音波手法の一つとして、広く用いられており、また探傷試験方法を確立するために、モックアップ試

JIS Z 3060「鋼溶接部の超音波探傷試験方法」な験を行った。この結果、縦波斜角探触子を用いたどの多くの探傷規格も整備されている。しかしな

モード変換法が、他の方法よりもきずの傾きの影

がら、構造物に用いられている溶接部の形状も千響が少なく、最も検出性の高い手法であることが差万別であり、探傷規格に基づいた探傷方法での確認でき、この結果に基づいて、実機において調きずの検出が困難になる場合もある。従って、こ査した結果、検出性に優れた手法であることを確れらの特殊部位に発生するきずに対しては、予め認できた。

モックアップ試験を行って、探傷方法を確認して

＊
＊＊

検査事業部
検査事業部

技術部
技師長

NDE 技術グループ 検査事業部
博士（工学）

―

9

技術部

―

NDE 技術グループ

IIC REVIEW/2006/10. No.36

方法では、比較的大きく、単純な形状のき裂の検2．試験部形状と探傷手法

出を対象として適用すべきであると考えられる。

図 1 に、対象とした溶接部形状ときずの形状及SH 波は、横波の一種である。通常の斜角探傷

び探傷方法の例を示している。きずは、隅肉溶接に用いられる横波は、粒子が上下方向に振動しな部のルート部から母材部側に発生したき裂であがら伝搬する SV 波が用いられている。これに対る。これらのきずの探傷方法としては、横波斜角

して、SH 波は、水平方向に粒子が振動しながら探触子による一回反射法、表面 SH 波法やクリー伝搬する横波である。表面を伝搬する表面波としピング波法が考えられる。て用いると、SV 波と比べて、表面粗さなどによ

横波斜角探触子による一回反射法は、裏面で超る影響を著しく低減でき、また平面などに SH 波

音波を一度反射させ、裏面からの反射波をきずにが入射しても、モード変換が起こらず、モード変入射させて探傷する方法であり、最も一般によく換によるエコー高さの低下がないなどの特長を持用いられている方法である。しかし、平板の表面っている。特に隅肉溶接部では、SV 波を用いるに設けたスリットの場合と異なり、隅肉溶接ルーと、溶接止端部で超音波が散乱して妨害エコーがト部に生じるき裂では、コーナー反射（き裂の側強く生じるが、SH 波ではこの影響を低減できる面と試験体表面で 2 回反射することで得られる反ことが期待される。

射波）が生じにくく、き裂からのエコー高さは、但し、隅肉溶接部のルート部に発生するき裂のき裂の傾きに著しく依存する。また、隅肉溶接部の探傷の場合、き裂の存在しない健全な溶接部であルート部や止端部などから発生する妨害エコーとっても、ルートギャップ部からの妨害エコーが発の識別が難しくなると考えられる。従って、本探傷生する。この妨害エコーの伝搬距離は、き裂から斜角探触子
隅肉溶接

き裂
横波（SV波）
き裂の幅
き裂の傾き角度（ａ）斜角探触子による一回反射法
クリーピング波探触子
隅肉溶接クリーピング波
または横波（SH波）

き裂
き裂の幅

き裂の傾き角度（ｂ）クリーピング波及びＳＨ波法
図1 試験対象部位と探傷方法の例―

10―

のエコーの伝搬距離とほぼ一致する。従って、きる方向に発達しており、きずの検出性に悪影響をずの検出は、エコー高さの大小で判断する必要が及ぼすと考えられる。また、溶接熱影響部には、ある。

結晶粒が粗大化した領域もあり、超音波の伝搬に一方、通常の横波斜角探触子（SV 波）は、試悪影響を及ぼすと考えられる。

験体表面での縦波から横波へのモード変換を利用

著者らは、縦波斜角探触子を用いて、裏面でモして、所定の方向に超音波を送信させている。従

ード変換した波をき裂部に入射して探傷するモーって、超音波を試験体に入射させるために探傷面ド変換法を検討した。縦波斜角探傷法では、探触に塗布する液体（接触媒質）を伝搬する超音波は子から縦波のほかに横波も同時に発生する。これ縦波である。これに対して SH 波を送信させるたらの波が裏面で反射するときにモード変換が生めには、直接横波を探触子より送信し、接触媒質じ、横波や縦波も同時に発生する。これらの多くに横波を伝搬させる必要がある。液体はせん断力の波がき裂部に入射して、通常複雑な探傷波形をを持たないために、横波を伝搬することはできな生じ、評価を難しくして、敬遠されがちである。

い。このために、SH 波探触子を用いる場合には、しかし、これらのモード変換した波で得られる探蜂蜜のようにきわめて粘性の高い物質を接触媒質傷波形を解析し、評価することで、エコー高さにとして用いる必要がある。

依存しない探傷方法を確立でき、微小なき裂の検この粘性の高い接触媒質を用いると、探触子の出に寄与できると考えられた。

走査性を著しく悪くするとともに、エコー高さの3． クリーピング波による探傷方法の検討安定性も悪くなる。経験によれば、探触子の押さ3. 1

え方で 6 〜 12 dB 程度のエコー高さのばらつきはクリーピング波による直射での検出法容易に発生する。このことは、エコー高さのみを外径 50.8 mm、板厚 8 mm の SUS304 配管外表面判断基準としてきずを評価する場合に、きわめての周方向に、表面に垂直方向の傾きを持たない各検出性を悪くし、小さなきずの見落としを容認せ種深さのスリットを作成し、クリーピング波によざるを得なくなる。

る距離振幅特性を求めた。用いた探触子は、周波これに対して、クリーピング波探触子の場合に数 10 MHz で振動子寸法 10 × 5 mm の二振動子型クは、通常の横波斜角探触子の場合と同様の液体のリーピング探触子である。結果を図 2 に示してい接触媒質を用いることが可能であり、安定してエコー高さを評価できる。しかし、きずを直射で探3

傾き 0°0

傷する場合には、SH 波を用いる場合も同様に、ノッチ深さ(mm)0.51.01.52.03.05.0-3(dB)

ルート部で妨害エコーが発生することを考慮する

エコー高さ必要がある。特にき裂の傾きによって、エコー高さがどの程度変化するかなどを予め確認しておく必要がある。

-6-9-12-15
探触子
周波数：10MHz
振動子寸法：10×5-18また、オーステナイト系ステンレス鋼の隅肉溶-21

接では、きずを直射で検出するには、溶込み部の-24510152025303540

ノッチと入射点との距離（mm)

溶接部を超音波が伝搬する必要がある。溶接部では、柱状晶が最もクリーピング波の伝搬を阻害す―

0試験片
φ50.8×8t
材質：SUS304

図 2 クリーピング波の距離振幅特性

11―

IIC REVIEW/2006/10. No.36

るが、探触子がノッチ部から遠ざかると急激にエ作製した基礎試験体を用いて、傾きのあるスリコー高さは低下するのがわかる。このことより、ットの検出性を検討した。用いた探触子は周波数探触子の接近限界距離（超音波が試験体に入射す10 MHz で振動子寸法 10 × 5 mm の二振動子型クリる入射点と、探触子先端までの距離）を考慮すれーピング探触子である。試験の結果を図 4 に示しば、できるだけ探触子をすみ肉溶接部の止端部にているが、傾きによって、エコー高さは 1/4（-12接近させた探傷が望ましいといえる。

dB）まで低下するのがわかる。

検出性におよぼすき裂の傾きの影響を検討する

一方、健全部においても、同一伝搬距離においために、種々の傾きのノッチを持つ、一連の基礎てルート部からの妨害エコーが発生する。この妨試験体を作製した。この試験体は、母材（SUS304

害エコーのレベルは、ルートギャップの大きさに鋼板）からくり抜いて隅肉溶接部の形状を模擬し依存すると考えられる。傾きによる 4 倍のエコーたもので、隅肉溶接は行われていない。試験体の高さの変化は、かなり大きなきずも見落としが起形状及び外観を図 3 に示す。なお、作製したスリこりうる可能性のあることを示唆していると考えットの断面における長さ（スリット幅という）はられた。

3 mm とした。
45°
40スリット

0.58.313.30.5

スリット幅：3傾きΦ20100傾きΦ スリット幅
ノッチなし
0°
3310°
20°
3330°
45°
3350°
60°
3合計

製作数
111111118

図3 基礎試験に用いた母材切抜き試験体（SUS304）の形状と外観
0-2-6dB-8dB

エコー高さ(dB)-4-10dB-12dB-6-8-10-12

ノッチ幅3mm
Y=17mm-14

ルート部-16Y=176-18-20

探触子：10C10×5LAD90

11ノッチ傾き0〜60°

0102030405060ノッチ傾き（deg)

図4 クリーピング波直射法でのノッチ検出性に及ぼす傾き角の影響

―12―

3. 2

縦波斜角探触子によるモード変換法

モード変換波監視範囲

縦波斜角探触子を用いたモード変換法の概念を
図 5 に示している。縦波斜角探傷では、縦波の他探触子健全部波形の例

振動子

ルート部に横波も同時に送信される。これらの波が、裏面

クリーピング波
隅肉溶接部

入射点付着金具で反射するときに、スネルの法則に従ってモード管本体変換し、横波や縦波が新たに発生し、き裂部に入きず

横波屈折角

モード変換波縦波屈折角射して複雑な探傷波形を生じる。通常の縦波斜角探傷では、これらの複雑な経路で得られるエコー：縦波：横波

W=37

ノッチ部探傷波形の例（垂直ノッチ、ノッチ幅：1mm）

は妨害エコーと考えられ、縦波の直射の範囲のみ

図5 縦波斜角探触子によるモード変換法の概念が評価に用いられる。モード変換法は、むしろこれらの複雑な経路によって得られるエコーを評価し、き裂のある場合と健全な場合との探傷波形の違いより、積極的にこれら妨害エコーを活用する

周波数： 10 MHz方法である。

屈折角：縦波 73 度、（モード変換波がき裂の本探傷に用いるために、以下の仕様の縦波斜角面に当たるように設定した）探触子を試作して用いた。試作したモード変換用振動子寸法： 10 × 5 mm（二振動子型）

探触子の外観を図 6 に示す。縦波屈折角を 73 度とビームの交軸範囲：5 〜 20 mm（交軸点のエしたのは、探触子の接近限界距離を考慮したもの

コー高さの 1/2 以上が得である。なお、本探触子では、同時にクリーピングられる範囲）波も発生していることも確認された。なお、探触子

図 3 に示した母材を切り抜いて、種々の傾きをは、配管用に曲率のシューを持たせたものと、平板持つスリット幅 3 mm き裂を作製した基礎試験体用の平面のシューを用いたものを試作している。

を用いて試験した。健全部における探傷波形と比図 6 試作した縦波斜角探触子の概要―

13―

IIC REVIEW/2006/10. No.36

較して、探傷結果を図 7 に示している。探触子をング波直射による指示の位置に対応していること

き裂の長さ方向に直交する方向の前後走査を行より、健全部のルート部の指示と判別可能である。

い、エコー高さをカラー区分で示して、探触子位

なお、溶接部を施さない母材を切り抜いた本試置とビーム路程の関係を表している（B スコープ）。

験体では、クリーピング波の直射でもきずの評価

最もビーム路程の短い位置に、クリーピング波には可能であることを示しているが、実際の探傷部よる直射でのきずのエコー（図中 C）が得られて位にはオーステナイト系の隅肉溶接があり、溶込みいるのがわかる。また、3.1 項のクリーピング波部や溶接熱影響部をクリーピング波が伝搬するこの距離特性で検討したように、この直射でのクリとで、きずの検出はより困難になると考えられた。

ーピング波による画像は、探触子が溶接部にごく4．モックアップ試験と実機適用結果近い範囲でしか得られておらず、クリーピング波の減衰が大きいことを示している。

検討した縦波斜角探触子を用いたモード変換法

ノッチのある基礎試験体の探傷画像は、健全部の有効性を確認するために、モックアップ試験をのものに比べ複雑で多くの指示が得られている。

行った。図 8 に試験に用いた試験体の形状及び外これらの画像の中で、M1、M2、M3 のモード変換観を示している。外径 45 mm φのオーステナイトによって得られた特徴ある指示が得られているの系ステンレス鋼（SUS304）配管に、内径 46 mm φがわかる。なお、健全部の探傷画像においても、の配管を隅肉溶接で取付け、ルート部に各種サイルート部でのモード変換によると考えられる指示ズで種々の傾きのノッチを配置した。

模様が得られており、ノッチのある試験体の M2

縦波斜角探触子によるモード変換法ときずの検指示部と位置的に重畳している。しかし、ノッチ出性を比較するために、クリーピング波の直射にの試験体の M2 指示のエコー高さのピーク位置は、よるきずの検出性を検討した。得られた結果を、探触子がよりノッチに近い位置にあり、クリーピ

図 9 に示している。横軸にノッチの傾きを示し、ルート部 Y15ｽﾀｰﾄ

横波

縦波

8平板試験片00

探触子
10C10×5LAD73

走査4130°〜60°

ｴﾝﾄﾞ43mm

ｽﾀｰﾄ
102030ｴﾝﾄﾞ

43C:クリーピング波

40

M1,M2,M3：モード変換波

1510

ビーム路程(mm)

20C

30

M140
ｴｯｼﾞｴｺｰ

M2

M2

M3は不鮮明

M3

60

M1

M1

ｴｯｼﾞｴｺｰ

ｴｯｼﾞｴｺｰ

ｴｯｼﾞｴｺｰ

C

M2

M2
M250

M1

M1

M1

M2

C

CC

C

46M3

M3

M3

M3

健全部
探傷感度：0dB

ノッチ角度：0° ノッチ角度：１0°ノッチ角度：30° ノッチ角度：45° ノッチ角度：50° ノッチ角度：60°
探傷感度；0dB
探傷感度；0dB
探傷感度；0dB 探傷感度；+2dB 探傷感度；+7dB 探傷感度；+7dB

図 7 切り抜き基礎試験体の縦波斜角探触子によるモード変換法試験結果

―

14―

150
ノッチ

70

0°

300°

60°

240°

120°

隅肉溶接部

32.5
454653

ノッチ

180°
溶接部

50

ノッチ
スリット幅 傾きΦ
ノッチ形状
モックアップ試験片のノッチ寸法一覧
ノッチ長さ&加工位置

ノッチの長さ(mm)

加工位置
試験片 傾き
1

試験片外観例

0°60°

120° 180°

240°

300°

0°

0.5

1.0

1.5

2.0

3.0

5.0

210°

0.5

1.0

1.5

2.0

3.0

5.0

320°

4

30°

0.5
0.5

1.0
1.01.51.52.02.0

3.0
3.0

5.05.0545°

0.5

1.0

1.5

2.0

3.05.06750°
60°

0.50.51.01.01.5
1.5

2.02.03.0
3.05.05.0

図 8 モックアップ試験体の形状と外観

䜳䝮䞀䝘䝷䜴ἴ᥀よᏄ 䝒䝇䝅ᖕ㻔㻓㻦㻔㻓㽙㻘㻯㻤㻧㻜㻓䝦䝇䜳䜦䝇䝛ム㥺∞㻼䝒䝇䝅ല䛓

0.5 〜 2 mm のノッチ幅のものはいずれの傾き角度においても検出できず、3 mm 幅のノッチは、わずかに䟼㻓㻑㻘䛵ධ䛬᳠ฝ୘ྊᇱ‵វᗐ䠌㻔㽙㻔㻓㼐㼐᪁ᙟ䝒䝇䝅䟺ᆱ├䝒䝇䝅䟻垂直〜 10 °の傾きのもののみ検出されている。このように、傾き角度が大きくなると検出できないのがわかる。

᳠ฝ䝰䝝䝯㻗㻓㻈௧୕

なお、対比きずとほぼ同形状のスリットも作製しているが、溶接部では、母材の対比きずと比べてかなりエコー高さが低いことがわかる。先
図9 モックアップ試験体のクリーピング波直射法での探傷結果に検討したごとく、隅肉溶接部では、溶込み部や熱影響部をクリーピング波が伝搬してきずを検出する必要が縦軸にエコー高さを示し、ノッチ幅はそれぞれ異あることや、溶接によるひずみの影響によってエなる記号で表している。なお、配管（SUS304）のコー高さが低下したと考えられる。また、溶接に外表面に、深さ（スリット幅）1 mm で、長さ 10より、スリットの一部が溶融している場合もあるmm の方形スリットを作製し、これのエコー高さことが確認されている。

を基準感度としてエコー高さを測定した。

縦波斜角探触子を用いたモード変換法の結果を―

15―

IIC REVIEW/2006/10. No.36

隅肉溶接部

円筒形金具

6

管外表面（探傷面）

管本体
材質：SUS304

管内表面

図11 実機探傷でのき裂指示部の抜管試験結果
図10 モックアップ試験体によるクリーピング探触子のモード変換法探傷結果

図 10 に示す。モード変換法で得られる特徴ある裂が存在することがわかった。代表的なき裂の断指示波形 M1、M2、M3 において、最も検出性に面写真を図 11 に示す。

優れた指示は M2 であった。M2 の指示の最大エコ5．まとめー高さを図 10 にまとめている。0.5 mm 幅のスリットを初めとして、小さなきずをも検出できていオーステナイト系ステンレス鋼配管に円筒形金るのがわかる。なお、ここでの対比きずにも、ク具が隅肉溶接されている部位のルート部に発生すリーピング波探傷の場合と同じ、配管外表面に設るき裂の検出方法の検討を行った。き裂の検出性た、深さ（スリット幅）1 mm で長さ 10 mm のスは、き裂の傾きに大きく依存し、通常行われていリットを用いている。このエコー高さの 15 %のエるクリーピング波による直射法では、3 mm のスコーレベルを検出感度とすることで、ほぼ全てのリット幅のき裂も傷の傾きによっては検出できなノッチを検出できるといえる。

い場合のあることがわかった。これに対して、縦検討結果に基づき、現地の SUS304J1HTB 隅肉

波斜角探触子を前後走査させ、探傷画像を求め、溶接箇所に対して、探傷方法の適正を確認するた

モード変換によって得られるエコー指示を評価すめの調査を行った。この結果、縦波斜角探触子にるモード変換法を検討した。探触子を試作し、モよるモード変換法によって、数箇所に指示が確認

ックアップ試験を行ったところ、大幅に検出性をされた。指示箇所を抜管して調査したところ、い改善できた。得られた結果を実機に適用し、数箇ずれの箇所にも微細なき裂が確認され、探傷方法所にき裂の指示を得た。これらを抜管し調査したの適正が確認された。なお、き裂の傾きは 24 度〜

ところ、種々の傾きの微細なき裂が存在している57 度の広い範囲に分散しており、種々の傾きのきことが知られ、本探傷方法の有効性を確認した。

検査事業部
技術部 NDE 技術グループ

検査事業部
技師長 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―

16―