INSS JOURNAL Vol . 29 2022 NT-4130直接接触高調波法による応力腐食割れの可視化
Higherharmonicimagingofstresscorrosioncrackingusingadirectcontacttechnique
石田仁志（HitoshiIshida）＊1

川嶋紘一郎（KoichiroKawashima）＊2

要約
原子力発電所の供用期間中検査の超音波探傷試験は，パルス反射法により行われる．
検出すべき欠陥の割れ面が接触または密着していると，超音波は割れ面を通過し，割れ先端から散乱波が生じない．その結果，先端位置の同定困難あるいは誤認が生じ，正確な寸法測定が困難となる．これまでに著者らは，入射振幅の増大に伴う欠陥面の接触状態の変化によって生じる高調波を用いて，水浸法により人工閉口欠陥の可視化を行い，従来のパルス反射法では困難な閉口き裂面の可視化が可能であることを明らかにした．高調波法を実機の配管などへ適用するためには，配管などの表面に探触子を直接接触させる測定が不可欠である．本報告では，超音波の散乱減衰が著しい Ni 基合金溶接部に人工的に発生させた応力腐食割れに対し，高調波直接接触式斜角探傷法を適用し，その画像化が可能なことを示した．
キーワード超音波探傷試験，非線形超音波，高調波，Ni 基合金溶接部，応力腐食割れ

Abstract
Ultrasonictestingasanin-serviceinspectiononnuclearpowerplantcomponents
isusuallyperformedbyapulseechotechnique.Ifcrackfacestobedetectedareclosedandin
contact,theultrasonicwavespassthroughthecrackfaces,thereforenowavesisscatteredonthecracktip.Then,thecracktiplocationisnotidentified,thusaccuratemeasurementofthe
cracksizeisimpossible.Sofar,wehavevisualizedartificialclosedcracksofsub-microngapbyusinghigherharmonicswithwaterimmersionmethod.Theharmonicwaveamplitudereflected
fromthesemi-closedcrackincreaseswiththeincidentwaveamplitude.Inordertoapplythe
methodusinghigherharmonictechniquetoultrasonictestingforthepipingofactualplants,theprobemustbedirectlyplacedonthesurfaceofthepipe.Wetriedtomeasureartificialstress
corrosion cracking within Ni-based alloy weldments, which show the strong scattering andhigherattenuationofultrasonicwaves,Inthispaper,weshowhigherharmonicimagesuchSCC
cracksbyusingthedirectcontactangletransducer.
Keywords

ultrasonictesting,non-linearultrasonic,highharmonicwaves,Ni-basedalloyweldment,
stresscorrosioncracking

1. ま えがき

伝搬する超音波の材料組織による散乱減衰が著しい
ため，この組織散乱波が割れ先端からの散乱波の識原子力発電所の原子炉冷却材圧力バウンダリを構別を困難にする．特に割れの先端からの散乱波を正成する原子炉容器や１次冷却材管などの溶接部は，しく識別，特定するためには，相応の装置，手法と供用期間中検査の体積試験として，超音波探傷試試験員の高度な知見と技量が求められる．

（1）．応力腐食割れ（Stress Corrosion

供用期間中検査の超音波探傷試験は，入射したCracking,SCC）などの欠陥が検出された場合には，パルス状の超音波の音響的不連続部分における反その設備の健全性を評価するために欠陥の寸法が測射，散乱によって，割れを検出，測定するパルス反定される．欠陥の深さは，割れの開口部からの反射（2）により行われる．割れ面が接触または密射法（1）

波と先端からの散乱波のそれぞれの位置座標から着していると，超音波の一部は割れ面を通過し，先算出される．ステンレス鋼や Ni 基合金溶接部では，端からの散乱波振幅が低下し，捉えるべき信号を得験が行われる＊ 1 （株）
原子力安全システム研究所＊ 2 （有）
超音波材料診断研究所

技術システム研究所

INSS JOURNAL Vol . 29 2022 NT-4

ることができない．その結果，先端位置の検出が困

131A難となり，誤認が生じ，正確な寸法測定が困難となる．原子力発電所の原子炉容器の管台異材継手部の6575B75150BNi 基合金溶接部で検出された SCC はこのような閉75口き裂であったと著者らは推定する（3）．

SCC-A

SCC-B

SCC-C

このような問題に対処するため，非線形超音波法による閉口き裂の可視化が試みられてきた．高調波A40（5），鋳造法により，Ni 基合金溶接部の粒界 SCC（4）ステンレス鋼内の疲労き裂（5）が可視化された．従来のパルス反射法では困難な，閉口き裂面を可視化290できるという点が，高調波法の優位な点である．

（1）形状寸法図

著者らは，接合する面に加工した深さが 10 µmから 0 µm まで直線状に減少する凹みを加工し，拡散接合（6）により模擬閉口き裂とした試験片を製作し，水浸高調波法により模擬き裂部を可視化した（7）．
励起電圧の増大に伴い模擬き裂部からの反射（散乱）30°波の面積が増大するという結果から，模擬き裂面の30°A-A断面部分的開閉口により高調波が発生していることを示した．
接触する割れ面の測定に有効な高調波法を実機に適用するためには，検査対象構造物を水に浸すことが容易ではないことから，探触子を被検体に直接接B-B断面（2）再溶接部詳細触させる探傷法が不可欠である．そこで，本研究では，直接接触高調波法により Ni 基合金溶接部のSCC の可視化を試みた．

2. 試
 験片
図１に，測定した Ni 基合金溶接部に SCC を付与

図１

インコネル溶接部SCC 試験体

3. 測
 定
3.1 測
 定装置

した試験体を示す．ステンレス鋼（SUS316）製の

図２に，高調波測定システムの概要を示す．所

平板の長手方向に，インコネル 600 溶接部があり，定の入射角を持つ探触子を試験体表面上に配置し，これと直交方向に割れ面を持つ SCC が付与されてスキャナにより走査する．トーンバースト超音波送いる．

受信装置（RITEC 製 RPR-4000）により，連続するSCC を付与する領域は，図１に示すような形状複数の波数を持つバースト波を送信し，SCC からに加工後，割れ感受性の高いインコネル溶接材によの反射波または散乱波を受信する．受信波からハイり再溶接されている．割れの付与位置に加工した放電加工ノッチを起点として，試験体長手方向に引張応力を負荷し，テトラチオン酸水溶液に局部的に浸漬させ，目標値として表面からの深さ 20 mm，表面開口部長さ 13mm の SCC を進展させた．

測定条件設定スキャナ制御測定データ採取・記録
画像化
スキャナ

コンピュータなお，この試験体は，過年度において Ni 基合金異材接手溶接部の SCC を割れの開口面側から探傷する技術を検討するために製作したものであることから，通常の配管や管台の開先形状に対する欠陥発生想定位置が内外面に対して逆である．

走査ハイパスフィルタ
探触子
トーンバースト
超音波送受信装置

試験体

図２高調波測定システム

INSS JOURNAL Vol . 29 2022 NT-4132

パスフィルタ（High Pass Filter；以下，HPF）により抽出された高調波は，デジタルデータに変換

3.2 測 定条件

され，スキャナの位置情報とともに，コンピュー

トーンバースト超音波送受信装置による探触子

タに取り込まれ，Insight 製データ採取・記録ソフ

への入力は，周波数 1.3,2.0,3.5,あるいは 6.0MHz，ト InsightScan により記録される．記録された測定

波数３サイクル，電圧 860 Vp-p の正弦波とした．受データを用いて，Insight 製 InsightAnalysis または信信号から３次高調波を抽出するために４種類のZetec 製 UltraVision により SCC を画像化した．

入力周波数に対してそれぞれ HPF の遮断周波数を，図３に，直接接触斜角法の測定に使用した探触子

3,4,8,あるいは 15MHz に設定した．

を示す．探触子には，周波数 5 MHz，水中焦点距

深さ方向の位置座標は，校正用横穴試験体の深さ

離 300 mm の集束型垂直探触子を使用した．この探20 mm から 4 mm 間隔で 36 mm まで加工された横触子に液体の遅延材（グリセリン）を充填させた筒穴を持つ校正用試験体を用いて校正した．と試験体表面に配置するくさびを組み合わせた．これにより，遅延材内部で生じる縦波と横波のモード変換による損失と遅延材内部の多重反射波と受信波

3.3 測 定方法と画像化との重畳を避けることができる．SCC 割れ面に相

図４に，SCC 試験体と測定画像の例を示し，測定当する表面からの深さ 20 〜 40 mm の範囲を測定す

方法と画像化の範囲を説明する．試験体の SCC 付るために，超音波の集束深さ位置を 30 mm とした．

与面と反対面に探触子を配置し，超音波を SCC にくさびの形状は，屈折角が45度となる入射角をもつ．

入射し，探触子を配置した面の SCC-A 側の端の中心を原点 0 として，溶接線の方向（x）と直交する方向（y）に探触子をスキャナにより走査し，探触集束型探触子

子走査面から試験体底面を含む範囲（z）の受信信号を記録した．測定した範囲は，x = 30~310 mm，y=-25~25mm，z=0~45mm である．
測定画像は，水平面（C スコープ），断面（B スコープ），端面（D スコープ）の３種類に描画した．こ

遅延材の筒のなかから，３方向において黄矢印で示した範囲のデータだけを画像化する．これにより，対象とするSCC 周辺のみを描画し，表面近傍に現れる遅延材内部反射波や突合せ溶接部散乱波の除去が可能である．ここでは，SCC-B 周辺を選定した例であり，Dスコープは SCC-B 近傍を画像化したものである．
くさび

図３

探触子，遅延材およびくさび

C スコープ上のひし形，B スコープ上の半円形，D スコープ上の三角形は，図１に示した SCC 付与
加工部再溶接部の形状を示している．B スコープ上の深さ z ＝ 40 mm 位置の水平方向の青線は試験体底面を，x ＝ 290 mm 位置の垂直方向の青線は試験体端面をそれぞれ表し，これらが交差する位置に，試験体の底面角部からの反射波が表れている．
SCC のない位置における受信信号におけるノイズレベルを，振幅を表す縦軸の 5% になるよう信号強度を調整し，各スコープを描画した．
図中の赤い矢印の位置に，SCC からのものと推定される反射波または散乱波が表示される．

INSS JOURNAL Vol . 29 2022 NT-4

133

y (mm)
25
水平面（Cスコープ）

0-25
3050

100

150200250

A(0, 50, 0)300x (mm)(290, 50, 0)

測定範囲

A-A断面(150, 50, 0)(150, 50, 40)

再溶接部の境界端面y (mm) （ Dスコープ）
25

再溶接部の境界

B

B

yx

y0

(0, 0, 0)(290, 0, 0)(150, 0, 0)

z-25

探触子

SCCSCC
SCC-B

SCC-A

SCC-CA

(0, -50, 0)

再溶接部の境界2040
z (mm)(150, -50, 0) (150, -50, 40)(290, 0, 0)(0, 0, 0)

B-B断面(290, -50, 0)

0SCCxz入力波(0, 0, 40)(290, 0, 40)
z (mm)
0
断面（Bスコープ）

2040
3050

100

150200

図４250

300x (mm)

試験体の画像化範囲

4. 測
 定結果および考察の散乱波の位置は，いずれの条件でもほぼ一致し4.1 画
 像化結果される．

図５〜８に，SCC 試験体の測定結果を，異なる４種類の入力周波数での HPF の有無を比較して示す．HPF を使用した場合が，高調波による測定画像，HPF を使用しない場合は，入力周波数による測定画像である（以下，基本波による画像という）．
B, C および D スコープは，黄矢印で示した範囲のデータのみで描画したものであり，D スコープにはSCC-B 近傍の画像を示した．
B および C スコープにおいて，いずれの入力周波数でも基本波，高調波にかかわらず，３個の SCC付与位置で（再溶接部の中心）に SCC からのものと推定される散乱波が識別された．
D スコープにおいては，再溶接部を表す三角形の内側の領域に，複数の散乱波が観察された．これらており，散乱源となるものが存在することが推定

INSS JOURNAL Vol . 29 2022 NT-4

134y (mm)20100-10-20z (mm)0Cスコープ010 20 30 40
Dスコープ z (mm)010 20 30 40
Dスコープ z (mm)010 20 30 40
Dスコープ z (mm)010 20 30 40
Dスコープ z (mm)102030403050100150200250

Bスコープ

300 310x (mm)（1）基本波（HPF なし）
y (mm)
20100-10-20z (mm)0Cスコープ

102030403050100150200250

Bスコープ

300 310x (mm)（2）高調波（3 MHzHPF）
図５

SCC 試験体の測定結果（1.3 MHz 入力）

y (mm)
20100-10-20z (mm)0Cスコープ

102030403050100150200250

Bスコープ

300 310x (mm)（1）基本波（HPF なし）
y (mm)
20100-10-20z (mm)0Cスコープ

102030403050100150200250

Bスコープ（2）高調波（4 MHzHPF）
図６SCC 試験体の測定結果（2.0 MHz 入力）

300 310x (mm)INSS JOURNAL Vol . 29 2022 NT-4135y (mm)20100-10-20z (mm)0Cスコープ010 20 30 40
Dスコープ z (mm)102030403050

100150200250

300 310x (mm)

Bスコープ

（1）基本波（HPF なし）
y (mm)
20100-10-20z (mm)0Cスコープ010 20 30 40
Dスコープ z (mm)10203040
3050100150200250

Bスコープ

300 310x (mm)（2）高調波（8 MHzHPF）
図７

SCC 試験体の測定結果（3.5 MHz 入力）

y (mm)
20100-10-20z (mm)0Cスコープ010 20 30 40
Dスコープ z (mm)010 20 30 40
Dスコープ z (mm)102030403050100150200250

Bスコープ

300 310x (mm)（1）基本波（HPF なし）
y (mm)
20100-10-20z (mm)0Cスコープ

102030403050100150200250

Bスコープ（2）高調波（15 MHzHPF）
図８

SCC 試験体の測定結果（6.0 MHz 入力）

300 310x (mm)INSS JOURNAL Vol . 29 2022 NT-4

1364.2 画
 像の分析

本波いずれの場合も，受信波の波数が多いために散（1）入力周波数の影響大きくなり，位置の特定，識別に影響することが懸

乱波の範囲も大きくなり，散乱波源位置が見かけ上入力周波数が 1.3 および 2.0MHz である図５，６に念される．

ついて，基本波と高調波を比べると，B スコープに3.5 MHz の場合は，１サイクル入力においても，おいて，基本波画像の方が SN 比が大きく，SCC か高調波の方が識別性が良く，反射源位置の特定，識らの散乱波の識別が容易である．入力周波数が 3.5

別性も十分である．著者らが見出した１サイクル

および 6.0 MHz である図７，８では，高調波画像の入力による高調波測定の可能性方が，SN 比が大きく，SCC からの散乱波を識別しても有効であることを示している．SCC の割れのやすい．1.3 および 2.0 MHz は，Ni 基合金溶接部の接触状況によっては，さらに割れ面を可視化できるような減衰の大きい材料に対してパルス反射法で多可能性も考えられる．今後のさらなる検討が必要で用される周波数域に相当し，高調波でなくても SCCある．

（8）が，SCC に対しからの散乱波をとらえることができたものと考えられる．しかし，減衰の大きい材料には必ずしも適切（3）パルス反射法との比較
従来のパルス反射法によって SCC 試験体の測定ではない周波数 3.5 および 6.0 MHz では，B スコー
プにおいて，高調波画像の方が SN 比は高く，散乱を行った．
高調波測定と同じ探触子と探傷器とする Zetec 製

波の識別が容易である．
入力周波数 1.3 および 2.0 MHz の 3 次高調波 4 お

フェーズドアレイ装置 Dynaray を使用し，１振動よび 6 MHz は，探触子の公称周波数 5 MHz 帯域に子探触子で探傷する設定により測定を行った．受信含まれるにもかかわらず，3.5 および 6.0 MHz（3 次信号に対して，遮断周波数域 2~10MHz のバンドパ高調波 10.5 および 18 MHz）の方が，高調波によるスフィルタを使用した．

SCC の識別が容易である．入力周波数と高調波周

図 11 にパルス反射法による測定結果を示す．い波数および探触子の公称周波数の最適な組み合わせ

ずれの SCC 付与位置にも SCC からと推定される散について，さらに検討が必要である．

乱波は検出されなかった．
前述のように，高調波だけでなく基本波の画像に（2）入力波数の影響おいても，SCC からと推定される散乱波が識別さ

図９，10 に，入力周波数 1.3 および 3.5 MHz の場

入力波形はバースト波であるのに対して，超音波合の，入力波数による変化を示す．
前述したように，1.3 MHz 入力の場合，高調波よパルス法で用いた探傷器ではスパイク状であること

り基本波の SCC 識別性が良いことは波数に依存しから，入力エネルギーの差により結果が異なったとない．しかし，５サイクル入力の場合，高調波，基考えられる．
すなわち，入力エネルギーの大きいバー

1サイクル入力

z (mm)
03サイクル入力

5サイクル入力

1サイクル入力

z (mm)
010

基本波

れた．高調波および基本波の測定で用いた探傷器の3サイクル入力

5サイクル入力1020

基本波3020304040z (mm)0z (mm)010102020

高調波

高調波
30304040120

図９140160 120x (mm)140160 120x (mm)140160x (mm)

入力波数による変化（入力周波数1.3 MHz）

120

図 10140160 120x (mm)140160 120x (mm)140160x (mm)

入力波数による変化（入力周波数3.5 MHz）

INSS JOURNAL Vol . 29 2022 NT-4137y (mm)y (mm)

2020

101000-10-10-20-203050100150200250300x (mm)3050100150200250300x (mm)010 20 30 40z (mm)z (mm)
010203040

図 11 パルス反射法による測定結果

スト波では，散乱波の強度が大きくなり，識別が容易になったと考えられる．
パルス反射法においては，１振動子探触子より欠陥検出性に優れたフェーズドアレイ技術を用いた探傷法があり，今後これらとの比較検討が必要である．

5. あ とがきによる測定との比較検討

参 考文献（1）
 発電用原子力設備規格 維持規格（2012 年版）（JSMESNA1-2012），日本機械学会，（2013）．
（2）
 日本工業規格 非破壊試験用語，JIS Z 2300,（2020）．

高調波超音波法を実機配管等への適用するために（3）
 関西電力，大飯発電所３号機の定期検査状況

不可欠な直接接触式斜角探傷法により，Ni 基合金について（原子炉容器 A ループ出口管台溶

溶接部の SCC を測定し，その画像化を試み，次の接部の傷の原因と対策），プレスリリース，ことが分かった．

http://www.kepco.co.jp/pressre/2008/0926-（1）直接接触斜角法による高調波測定によって，3j.html,（2008）．

SCC の画像化が可能である．
（2）バースト波の高調波による測定では，今回の入力条件の中では 3.5 および 6.0 MHz という高い入力周波数条件において，高い SN 比でSCC が識別できる．
（3）１ 振動子探触子を用いた測定では，SCC の識別性において，バースト波による測定はパルス反射法より優れている．

（4）
 川嶋紘一郎，今西龍介，“Ni 基合金溶接部粒界応力腐蝕割れの高調波画像化 ”，非破壊検査，60（12），pp.713-719,（2011）．
（5） 石田仁志，川嶋紘一郎，“ 高調波超音波法のNi 基合金溶接部およびステンレス鋳鋼材への適用性の検討 ”，第 19 回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集，pp.25-28,（2014）．
（6） 高田一，硎信光，“ 拡散接合超音波探傷試験

このように，Ni 基合金溶接部の SCC に対する直片の接合面品質 ”，日本非破壊検査協会平成

接接触斜角法による高調波測定の可能性を確認する

23 年度秋季講演大会講演概要集，pp.91-92,ことができた．

（2011）．

さらに，実機への適用性を確かなものとするため（7） 石田仁志，川嶋紘一郎，“ 変動間隙幅を持つに，次の検討が必要である．

模擬閉口き裂の高調波画像化 ”，非破壊検査，（1）入力周波数，高調波周波数および探触子公称

66（12），pp.595-600,（2017）．

周波数の最適な組み合わせ．

（8）
 川 嶋 紘 一 郎， 石 田 仁 志，“ 受 信 波 形 の ゆ が（2）高調波に期待される割れ面の可視化．

みの特徴量を用いる非線形超音波法の提案

（3）フェーズドアレイ技術を用いたパルス反射法（第１報：模擬閉口き裂面からの散乱波波形

138

INSS JOURNAL Vol . 29 2022 NT-4のゆがみの観察）”，日本非破壊検査協会，
第 23 回超音波による非破壊評価シンポジウム
講演概要集，pp.159-162,（2016）．