SPring‐8 利用推進協議会

金属材料評価研究会－第2回：イメージング観察の新手法－
２０１０，０３，０１ ゆうぽうと（東京・五反田）

高エネルギーX線によるステンレス鋼溶接部のSCCき裂観察― 試験片寸法拡大の検討 ―（財）発電設備技術検査協会○中東重雄 長谷川忠之

兵庫県立大学 工学研究科
工学部

藤城智之
坂本諭志

兵庫県立大学高度産業科学技術研究所

寺澤倫孝

SPring‐8／JASRI

梶原堅太郎 伊藤真義

山本厚之
大菅祥平

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技術が支える安全と信頼

財団法人 発電設備技術検査協会（本部・東京港区）■ 溶接・非破壊検査技術センター（横浜市・鶴見区）■ 西日本支部（大阪市・北区）
設立 ： 昭和45（1970）年6月
趣旨 ：発電設備等の品質の維持・向上及びこれらに係わる技術の進歩、発展を図り、人命及び財産の安全の確保に寄与するとともに、電気事業及び電機工業の健全な発展に資することを目的とする

主な事業内容■ 溶接・非破壊検査分野における審査・検査■ 溶接・非破壊検査分野における先端的な試験研究■ 国の規制や民間の自主保安活動に対し、技術や制度の両面にわたって社会に貢献する■ アカデミー（UT規格におけるUT講義と実習、RT、MT、PT、材料研修等）2

超音波探傷検査風景

超音波探傷器

超音波探触子スケール

配管試験体
自動超音波探傷用冶具
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溶接線【超音波探触子】

Φ10ｍｍ

Φ20ｍｍ

10ｍｍ角 20ｍｍ角● 超音波発振角度 ： 垂直、斜角
45°, 60°等● 超音波振動数： ５MHz, 10MHz

探触子裏面
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【超音波探傷器】

底面エコー
送信パルス

欠陥エコー

時 間

垂直探触子の場合の欠陥信号例
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超音波探傷試験の課題
１．測定精度● 超音波の透過／反射の限界間隙（き裂幅）● 欠陥形状、欠陥面の性状 等

２．反射エコー信号の解析● 結晶方位依存性。裏波の影響 等

３．溶接部近傍の欠陥検出● 母材／凝固組織の混合(超音波の伝達速度の違い）

４．粗粒金属内の欠陥検出
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目 的
１．

超音波探傷シミュレーションモデルの構築、高度化、モデルの有効性評価と検証● 鋼中欠陥の3次元形状・分布に関する情報＊ ステンレス鋼応力腐食割れ（SCC)き裂の形状・分布＊ Ni基合金溶接金属部のSCCき裂形状・分布＊ き裂面の性状

２．

超音波探傷試験のサイジング精度の評価● 切断試験による誤差● 超音波の透過／反射の限界間隙の評価● き裂面の性状情報

３．

応力腐食割れき裂進展メカニズムの解明● ステンレス鋼粒界型SCCのき裂進展経路の要因＊ き裂進展粒界の3次元的結晶方位関係の把握
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１． 超音波探傷シミュレーションモデルの構築と高度化
き裂の形状は■ 2次元断面写真より

光学顕微鏡写真• 断面形状を座標で入力• 座標に乱数を加えてき裂の形状をモデル化■ き裂の奥行き方向のモデル化
・ 情報がなく不可能

き裂モデル化き裂● き裂形状、分布を実測● データの直接入力化
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２． 超音波探傷試験のサイジング精度の評価
切断試験により深さを測定（細断により精度向上）

2.0 mm深さき裂（長さ）9 9３７keV放射光によるＣＴイメージング■ 実用鋼中のＳＣＣき裂の3次元形状と分布の観察の可能性の検討
１． 試験体材料● Ｎｉ基合金溶接金属中ＳＣＣ● ステンレス鋼ＳＣＣ（ＩＧＳＣＣ／ＴＧＳＣＣ）● ステンレス鋼母材／溶接金属への貫通ＳＣＣ
２． 試験体の大きさ● φ１ ｍｍ ～ φ２ｍｍ
３． ＣＴイメージング測定条件の決定

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CTイメージング測定装置
BL19B2ビームライン H-1ハッチ

CCDカメラ

試料SR
試料位置調整装置

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測定用試料の作製法
SCCき裂

切断／エメリー研磨
Φ1.90 ｍｍ

丸棒状試料

● IGSCC／TGSCC ： φ～1.9ｍｍ● 母材／溶接金属 ： φ～2.0ｍｍ
12測定用試料の光学顕微鏡によるミクロ組織
０．１ｍｍ

０．１ｍｍ

溶接金属
母材
き裂

50μｍ

Ｎｉ基合金溶接金属内ＳＣＣ

ＳＵＳ３１６Ｌ鋼ＴＧＳＣＣ

ＳＵＳ３１６Ｌ鋼ＩＧＳＣＣ母材き裂
溶接金属
１８ｍｍ

ＳＵＳ３０４鋼溶接金属内ＳＣＣ
TP270+1013

CTイメージング測定条件【１】IGSCC／TGSCC
母材／溶接金属等

ビームライン

BL19B2

SR光エネルギー

３７ ｋｅＶ

ビーム照射範囲

2.7 × 2.7 ｍｍ

カメラ長

３００ ｍｍ

実効ピクセルサイズ

２．９μｍ

撮影条件

０ － １８０°

撮影ピッチ

０．２°

露光時間

０．２ 秒

像再生法

Ｆｉｌｔｅｒｅｄ Ｂａｃｋ
Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ 法（Image-J)
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Ni基合金溶接金属
SCCき裂
Φ0.７１ｍｍ
Φ0.66ｍｍd=92μｍｄ＝1228μｍ

No.VF2-2-1

Φ０．７１ｍｍ

3次元再構成像
Volume viewer image

ｄ=614μｍ

Sample No.VF2-2-1

d=432μｍ

No.VF2-4-2

Sample No.VF2-4-215ステンレス鋼中のSCCき裂
ＳＵＳ３１６Ｌ鋼ＩＧＳＣＣ

ＳＵＳ３１６Ｌ鋼ＴＧＳＣＣ

Φ１．５０ ｍｍｄ＝1044μｍ

Φ1.10 ｍｍｄ＝831μｍ

き裂
き裂
3次元再構成像
ｄ＝620μｍ

3次元再構成像16

【母材】【溶接金属】【母材】

ＳＵＳ304鋼
母材／溶接金属
へのSCC【溶接金属】き裂

Φ1.86mm
上端部より6.220ｍｍの位置

8.73ｍｍの位置（TP270‐0）Φ1.86mm

母材
境界

溶接金属
側面より1.27ｍｍの位置

1.61ｍｍの位置5°位置200°位置

3次元再構成像
17（210°回転位置）

３７keV放射光によるＣＴイメージングの結果
１． 実用鋼（Ｎｉ基合金／ステンレス鋼）の代表的なＳＣＣ
き裂の3次元形状と分布をはじめて観察
２． ＳＣＣき裂の形状の分類・パターン化、き裂進展挙動の特徴を得た
３． 観察可能な限界き裂幅の目安が得られた
４． き裂の実観察結果情報をＵＴシミュレーションへ反映。
ＵＴシミュレーションモデルの高精度化が図れた

18超音波探傷計算機シミュレーションモデルの検証
ＵＴによる実測
ＵＴシミュレーションによる解析

比較・評価

非破壊による欠陥位置／サイズの測定
高エネルギー放射光ＣＴイメージングの適用可能性の検討
19CTイメージング測定条件【２】IGSCC／TGSCC

φ10～5ｍｍ

母材／溶接金属等

ＳＵＳ試料等

ビームライン

BL19B2BL08W

SR光エネルギー

３７ ｋｅＶ

１１５ｋｅＶ

ビーム照射範囲

2.7 × 2.7 ｍｍ

４．５×１２ ｍｍ

カメラ長

３００ ｍｍ

６０６ ｍｍ

実効ピクセルサイズ

２．９μｍ

２．９ μｍ撮影条件

０ － １８０°

撮影ピッチ

０．２°

２°

露出時間

0.２ 秒

８ 秒

像再生法

Ｆｉｌｔｅｒｅｄ Ｂａｃｋ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ 法

20 20

115keV CTイメージング測定用試料
Φ～10ｍｍ

作製したSCC試料
TGSCC
15ｍｍ

SCCき裂

IGSCC

（粒内型） （粒界型）

Φ ５Φ ８
Φ１０○○○○○－21約4.5ｍｍ

き裂

放射光側より5870μｍの位置(TG-3-B 745/3152)

表面下142μｍ（TG-3-B 53/1680）

115keV SR
Φ8115keVSR

表面下1530μｍ(TG-3-B 571/1680）

13ｍｍ

Φ8ｍｍ ３１６L鋼中のTGSCCき裂

22Φ8ｍｍ ３１６L鋼中のIGSCCき裂～1.6ｍｍ表面下155μｍ（IG-4-B 43/1680）

放射光側より1499μｍの位置（IG-4-B 892/2976）

115keV SR
Φ813ｍｍSR
表面下1371μｍ（IG-4-B 512/1680）

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115keV SR
表面下65μｍ（TG-1-C 23/1600）

Φ8き裂

SR13ｍｍ放射光側より4604μｍの位置（TG-１-C 1710/3714）

Φ10ｍｍ ３１６L鋼中のTGSCCき裂
表面下652μｍ（TG-1-C 232/1600）

ＴＧ－１－Ｃ（２３２／１６００）

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１１５keV放射光CTイメージングの結果
１． 粒内型SCC試料ではΦ10ｍｍ、Φ8ｍｍ、Φ5ｍｍまで、粒界型SCC試料ではΦ8ｍｍ、Φ5ｍｍまで 鮮明なき裂が観察された
２． 現場で使用されている超音波探触子の最低サイズは、検体接触面が１０ｍｍ角である。
従って本法は、ＵＴシミュレーションの検証法として有効な手法であることがわかった
３． ＩＧSCCき裂幅は、ＴＧSCCき裂幅より大きいことから、Φ10ｍｍ試料中のＩＧSCCき裂の観察も可能と推測される
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今後の課題
１． ＣＴイメージングによるき裂長さの精度評価
２． 空隙（き裂）の観察可能限界値の評価
３． き裂面の性状評価
き裂面の粗さ、析出物の有無 等
４． き裂粒界の３次元結晶方位関係の測定26

本成果は、SPring-8の産業利用BL19B２ビームラインおよび共用ビームラインBL08Wビームラインを利用して得られた成果である。
● 課題番号 2009B1369（2009年下期）● 課題番号 2009A1259（2009年上期）● 課題番号 2008B2078（2008年下期）● 課題番号 2008A1901（2008年上期）● 課題番号 2007B1941（2007年下期）● 課題番号 2006B0215（2006年下期）

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