日本非破壊検査協会 学術活動

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機関誌「非破壊検査」バックナンバー2022年2月度

巻頭言

- 「超音波等の非破壊試験分野におけるリモート環境の活用」　特集号刊行にあたって
- 解説

超音波等の非破壊試験分野におけるリモート環境の活用

福島復興・廃炉へ向けたリモート環境での超音波非破壊計測技術研究の新展開
原子炉計測技術開発における超音波シミュレーションの活用事例紹介
実機探傷経験を仮想的に共有可能なシステムの構築
レーザ，EMAT，空中超音波の超音波リモートセンシングとシミュレーション活用

論文

JIS Z 3110:2017 の適用に向けた実用面からの検討
低周波アレイ探触子を用いたアスファルト舗装内部の超音波映像化

# 機関誌「非破壊検査」バックナンバー2022年2月度

## 巻頭言

### 「超音波等の非破壊試験分野におけるリモート環境の活用」　特集号刊行にあたって

牧野　一成

2020 年初頭からのコロナ禍の状況下において，経済活動をはじめとする様々な分野での活動が制約を受けています。本巻頭言は2ヵ月ほど前に執筆しており，本特集号が刊行される2022 年2 月頃にはそうした状況が相応に改善されていることを期待しておりますが，それでもなお，何らかの制約下にあると思われます。

活動の制約に関しては，非破壊試験の分野でも例外ではありません。例えば，各種現場での定期検査において実施される非破壊検査では，検査時の人数や場所，時間の制限があろうかと思います。大学や研究機関における新たな非破壊試験方法の研究開発では，テレワークでは対応が難しい実験も多く行わなければなりません。（一社）日本非破壊検査協会において実施している非破壊試験技術者の資格試験や講習会，あるいは各事業所における非破壊試験技術者の教育でも，人数制限などの対応を余儀なくされていることでしょう。そうした制約のなかで，読者の皆さまにおかれましても，いわゆる「密」にならないように工夫を凝らしながら，各分野での活動を推進されているところかと存じます。

2021 年6 月にオンライン形式で開催された「2021 年度 非破壊検査総合シンポジウム」では，（一社）日本非破壊検査協会の超音波部門として「超音波等の非破壊試験分野におけるリモート環境の活用」の講演を企画致しました。本特集号では，超音波をはじめとする非破壊試験の分野における探傷検査，研究開発，計測・評価，教育などでの活動において，リモート環境を活用した新たな考え方や知見，課題の解決方法などについて，上記のシンポジウムでご発表頂きました研究者や事業者の皆さまに，改めて詳細にご執筆を頂きました。「福島復興・廃炉へ向けたリモート環境での超音波非破壊計測技術研究の新展開」では，超音波による流速分布と欠陥の同時計測，長尺アームによる炉内調査など，リモート技術を駆使した計測技術についてご解説を頂きました。「原子炉計測技術開発における超音波シミュレーションの活用事例紹介」では，原子炉における水素ガス濃度の計測や，圧電素子送信－光受信の環境での超音波シミュレーションの活用事例についてご解説を頂きました。「実機探傷経験を仮想的に共有可能なシステムの構築」では，実機を模擬したバーチャルUT システムの性能とともに，当該システムで実際に探傷訓練を行ったときの効果や活用性についてご解説を頂きました。「レーザ，EMAT，空中超音波の超音波リモートセンシングとシミュレーション活用」では，リモート・非接触での活用に特化した超音波シミュレーションの各種事例についてご解説を頂きました。本特集号のこれら4 件の解説が，上述したコロナ禍の状況下における制約の中で活動を推進するうえで，読者の皆さまへの一助となれば幸いです。

最後になりましたが，本特集号の刊行にあたって，お忙しいところ執筆をご快諾頂きました皆さま，ならびに刊行までの編集等の過程でご尽力を頂きました皆さまに感謝を申し上げて，巻頭の言葉と致します。

## 解説

#### 超音波等の非破壊試験分野におけるリモート環境の活用

### 福島復興・廃炉へ向けたリモート環境での超音波非破壊計測技術研究の新展開

東京工業大学　高橋秀治、荘司成熙、遠藤　玄、木倉宏成

New Direction of Ultrasonic Non-destructive Measurement Technology Research
in Remote Environment for Fukushima Revitalization and Decommissioning
Tokyo Institute of Technology Hideharu TAKAHASHI, Naruki SHOJI, Gen ENDO and Hiroshige KIKURA

キーワード:超音波， 遠隔計測，ロボット，福島，廃炉

はじめに
2011 年3 月11 日に発生した東北地方太平洋沖地震，ならびに地震・津波等の影響による東京電力HD（株）福島第一原子力発電所事故を伴う東日本大震災から10 年が経過した。著者らはこれまでに福島県被災地において，福島の復興へ向けて，東京工業大学の「復興学」研究の推進，大学生・大学院生実習，小中学生教育支援，大学等研究者間ネットワーク構築を行うとともに，浜通り地域の産業振興へ向けた活動を行ってきた。また，未だ様々な技術的課題が残されている東京電力HD（株）福島第一原子力発電所の廃炉の加速化へ向けた研究活動を行ってきた。

かかる状況下，2019 年より世界的に大流行した新型コロナウイルスの猛威により世界中の人々の生活は一変した。2021年現在，日本では新規感染者数が低下しているものの，オミクロン株の流行なども危惧され，新しい生活様式の一つとして，テレワークやオンライン授業等に代表されるリモート環境の活用が世界中の人々の生活に急激に浸透した。また，リモート環境と現場を繋ぐハイブリッドというべき新たな生活様式も身近になってきた。

本稿では，福島復興活動における産業振興に関わる取り組みの例としてのIoT（Internet of Things）技術による工場やプラント等における配管異常のモニタリングへ向けた超音波計測システム開発例や，廃炉へ向けた取り組みの例として，ウィールロボット及びワイヤ駆動による世界最長級の超長尺多関節ロボットアーム「スーパードラゴン」を活用した福島第一原子力発電所の炉内状況把握のための超音波計測システム開発例等をリモート環境での超音波計測システムの構築例としてその概要を紹介する。

### 原子炉計測技術開発における超音波シミュレーションの活用事例紹介

（国研）日本原子力研究開発機構　阿部雄太、大高雅彦、（株）NESI　関谷直樹、（株）アート科学　幕内悦予

Introduction of Application Examples of Ultrasonic Simulation in the Development
of Nuclear Reactor Measurement Technology
Japan Atomic Energy Agency Yuta ABE and Masahiko OTAKA
Nuc1ear Engineering System Inc. Naoki SEKIYA
Art KAGAKU Co., Ltd. Etsuyo MAKUUCHI

キーワード:有限要素法 (FEM)，シミュレーション，超音波，ナトリウム冷却高速炉，ガス濃度計，伝搬挙動

要旨
超音波を用いた新たな計測技術を開発する際，数値シミュレーションの活用は有効で，実験では計測困難な超音波伝搬現象の微視的評価が可能であることやパラメータサーベイの容易さから設計段階から多くの事前検討が可能となっている。本稿では，ナトリウム冷却高速炉の原子炉計測技術を中心に，近年の技術開発において実施した超音波シミュレーションの活用事例を紹介する。

はじめに
近年の計算機技術の進歩に伴い，実際の測定系に近い大規模シミュレーションが可能になりつつある。センサを含む計測システムの開発上，実機規模でのモデル化によるシミュレーションは，目視では確認できない超音波の伝搬挙動の把握や再現性や安全性の確保が難しい実験の代替手法として有効なツールである。筆者らは有限要素法による大規模超音波シミュレーションが可能な市販有限要素解析コードであるComWAVE １）を導入しており，本稿ではナトリウム冷却高速炉の原子炉計測技術を中心に高温域温度計測，ガス濃度計測及びナトリウム中の構造物可視化計測を取り上げ，センサを含む計測システムを検討する上で実施した超音波シミュレーションの活用事例を紹介する。

### 実機探傷経験を仮想的に共有可能なシステムの構築

（一財）電力中央研究所　東海林　一

Development of a Virtual UT System for Sharing the Actual Flaw
Detection Experience
Central Research Institute of Electric Power Industry Hajime SHOHJI

キーワード:超音波探傷試験，技術者教育，供用期間中検査，配管溶接部，応力腐食割れ

はじめに
非破壊検査結果の信頼性を向上させることで，その検査対象に対する信頼性も大きく向上させることになり，対象によっては社会的価値の向上になる。特に我が国のように社会インフラの老朽化が懸念されている状況では，非破壊検査でその健全性を確認することや適切な補修・交換時期を推定することはコスト面でも重要である。一方で，大型構造物の内部の損傷を検知する超音波探傷試験（UT）は，その検査結果の信頼性に影響を及ぼす要因の一つに試験技術者の技量があるとされている。一般的には試験技術者の技量はJIS Z 2305 などの技量認証試験で確認されている。

技量認証試験では，一般的な技量を有することの確認をしており，一定の技術レベルにあることを確認しているが，実機探傷において適切に判断ができるかどうかは，ヒトが実施することによる影響がある。ヒトの判断を整理するものとして信号検出理論１）があり，あるInput（入力）に対するOutput（判断）として整理されている（図1）。きずの検出に当てはめると，認識された信号に対して，適切な判断ができればHit（検出）あるいはCorrect rejection（適切に無欠陥と判断）になるが，判断を誤った場合にはMiss（見逃し）やFalse call（誤検出）に分類される。

検査の信頼性としてMiss の部分に注目が集まる傾向があるが，False call も検査の信頼性を低下させる。この判断を模式的に表したものが図2（a）である。信号の特徴量（信号強度や反射源位置などの情報）によって信号とノイズとを判別するが，欠陥を見逃すことを恐れて判断基準を下げる（図中で左に移動）とノイズを拾うことが多くなりFalse call が増え，False call を嫌って判断基準を上げる（図中で右に移動）するとMiss が増える。判断の容易な例（図2（b））であっても判断基準が適切でない場合にMiss やFalse call につながることになる。

一方で，判断にはきずの検出経験も関係する。分野にもよるが実機探傷できずを検出することはそれほど多くはなく，ほとんどがきずなしという判定で終わることも多い。このことは「正常性バイアス」（一般的には災害時などで，異常状態を察知しながらも“自分は大丈夫”という正常に偏向した判断をする傾向のこと。異常の発生頻度が低いほど顕著であるとされる２））を示す要因にもなる。きずの検出経験の少ない試験技術者が，きずと思われる信号を検出した場合に，その判断に自信が持てずに，きずではない（正常）と判断する（ 図2 で判断基準が右に移動する）ことや，不安になってきずではないものをきずと判断（異常）する（図2 で判断基準が左に移動する）ことになる。実際のきずの検出経験を共有することができれば，試験技術者が自らの判断に自信を持つことができ，適切な判断が可能となり，結果的に検査結果の信頼性の向上につなげることができる。

きずの検出経験は，実機探傷でのきず検出経験の他，実機を模擬したきずを付与した試験体を製作して探傷訓練を行うことなどが考えられるが，いずれもコストや時間の問題があり，すべての試験技術者がこれを行えるわけではない。近年ではヒトが経験を得るために，仮想的な経験を活用する動きがある３）。探傷経験についても，探傷シミュレータ（本稿ではバーチャルUT システムと呼称する）を用いることで，探傷経験を広く共有できることが期待できる。

### レーザ，EMAT，空中超音波の超音波リモートセンシングとシミュレーション活用

伊藤忠テクノソリューションズ（株）　猿橋　正之

Utilization of Simulation for Remote Sensings Such as Laser Ultrasonics, EMAT,
and Airborne Ultrasonics
ITOCHU Techno-Solutions Corporation Masayuki SARUHASHI

キーワード:レーザ，EMAT，空中超音波，リモートセンシング，シミュレーション，FEM

はじめに
近年，接触媒質を必要とせず非接触で非破壊検査が可能なレーザ超音波，電磁超音波（EMAT），空中超音波のセンサを検査装置やロボット，ドローンなどに取り付けてリモートセンシングする技術が注目されている１），２）。その理由として，人が作業できない環境でも作業できること，人の作業負担を減らせること，検査時間を短くできることなどが挙げられる。今後，AI，IoT を用いた予知保全，遠隔監視も期待されており，様々な環境下でのセンサ利用が進むと考えられる。そのような使用環境を模擬し，最適なセンサ構造や配置を検討したり，複雑な超音波伝搬挙動を可視化して現象を確認したりするのにシミュレーションは有効であり，計算適用範囲の拡大，高精度な計算が要求されている。

本稿では，リモートセンシング技術として注目されている，レーザ超音波，電磁超音波（EMAT），空中超音波の3 つに着目し，それらのシミュレーション手順，事例について紹介する。なお，シミュレーションは，弊社自社製品の超音波解析ソフトウェアComWAVE ３）， ４）を使用した。

## 論文

### JIS Z 3110:2017 の適用に向けた実用面からの検討

岩見　大介，下田　亮太

Practical Examination of the Application of JIS Z 3110:2017
Daisuke IWAMI and Ryota SHIMODA

Abstract
Since JIS Z 3110:2017 “Non-destructive testing of welded joints-Methods of radiographic testing for X- and gamma-ray techniques with digital detectors” was established and digital radiographic testing (RT) has been increasingly applied. When replacing conventional film RT with digital RT, it needs to be judged carefully to meet each standard requirement as each standard is different.
When replacing film with an imaging plate using X-ray, 192Ir, and 60Co radiation sources, the conventional geometrical conditions of film RT must comply with JIS Z 3110:2017.

Key Words:Digital radiography (CR), Imaging plate, Duplex wire, Film technique, Screen

緒言
JIS Z 3110「デジタル検出器によるX 線及びγ 線撮影技術」が2017 年に制定された。現在，配管及び圧力容器の溶接部検査を実施する場合，フィルムRT（以下F-RT）が主流であるが，上記規格の制定前後からF-RT で行っている検査をデジタルRT（以下D-RT）の内，検出器を曲げることのできるイメージングプレート（以下IP）を用いたコンピューテッドラジオグラフィ（以下CR）に置き換えられないかとの要望が高くなっている。しかし，検査方法の置き換えに当たって，F-RTとD-RT では規格要求が異なることから両者を比較，評価する方法そのものが問題となる。そのため，本研究ではJIS Z3110:2017 １）（以下JIS Z 3110）クラスA に準拠した評価が可能か検証を行った。

本検証内容は，現在実際に行われているF-RT の幾何学的撮影条件において，フィルムとIP を置き換えた際にJIS Z 3110に準拠した撮影ができるか検証したものであり，機器の限界性能を追求した検証でないことを述べておきたい。

### 低周波アレイ探触子を用いたアスファルト舗装内部の超音波映像化

中畑　和之，武藤　健太，橋爪　謙治，大平　克己

Ultrasonic Imaging in Asphalt Pavement Using Low-frequency Array Transducer
Kazuyuki NAKAHATA, Kenta BUTOH, Kenji HASHIZUME and Katsumi OHIRA

Abstract
A post-processing array imaging method using full waveforms sampling and processing (FSAP) has been proposed in ultrasonic nondestructive testing. This makes use of scattered waves, measured by two-element combinations as a transmitter and a receiver, to synthesize high amplitude beams for any points in an inspection area. In this study, the FSAP method was applied to the inspection of asphalt pavement. Here, we considered the two-dimensional imaging using an ultrasonic array transducer with 75kHz center frequency, which was designed based on a simulation for the radiated wave field. Since the asphalt pavement has multi-layer structures, the FSAP algorithm needs to be modified to select an appropriate beam path due to the diffraction of the ultrasonic wave at the interface. We validated the performance of the proposed methods by measuring the longitudinal scattered waves in asphalt specimens.
Artificial defects at the layer interface and the base material were clearly reconstructed in real-time using graphic
processing unit computing.

Key Words:Asphalt pavement, Ultrasonic imaging, Longitudinal wave array transducer, Full-waveform sampling and processing
Transducer design

緒言
道路舗装は，アスファルト舗装とセメントコンクリート舗装に大別される。我が国の高速道路では92％を超える割合でアスファルト舗装が利用されている１）。Fig.1 に示すように，アスファルト舗装はアスファルト層・路盤・路床が一体となって機能する２）。アスファルト層は，交通荷重を分散して下層に伝達するとともに，快適な走行を可能とする路面を確保する役目を持っている。アスファルト層は50 ～ 200 mm の厚さで敷設されるのが一般的であり，必要に応じて表層，中間層，基層と種類の異なるアスファルトを使用する３）。路盤は，上層から伝達された交通荷重をさらに分散させ路床に伝達する役目があり，一定の粒度を持つ砕石やスラグを敷き詰めたり，砕石にセメントなどを加えてコンクリートとして固化させたりする。

従来，線状・亀甲状のひび割れ，わだち掘れ，縦断方向の凹凸など，舗装表面に顕在化した損傷４）に対して，その対応が検討されてきた。しかし，近年，高速道路等で採用されている排水性舗装は，基層が粗粒度混合物等で構成されるため水が浸透しやすく，基層との界面ではく離が生じることが報告されている５）。また，供用中の舗装を開削し，内部の劣化状況を大規模に調査した研究６）によれば，顕在化したひび割れがある場所は，路盤と基層の付着が切れている，すなわちはく離している場合が多く，表面ひび割れはそこから進展したものであることが明らかになっている。2016 年10月に国土交通省が策定した舗装点検要領には，舗装の内部を詳細に調査するための検査として，FWD（Falling Weight Deflectometer）たわみ量調査７），コア抜き調査，開削調査が付録に例示されている。FWD たわみ量調査は非破壊検査であるが，内部欠陥の位置や形状といった詳細までは評価が困難である。一方で，電磁波を用いた非破壊検査が広く実施されており，これはGPR（Ground Penetrating Radar）法８）と呼ばれて久しい。国内では，小型FWD とGPR を併用した路面下の空洞調査方法も検討されている９）。

本研究の目的は，アスファルト層から路盤までの領域に内在する，表面からは可視できない損傷を超音波を用いて映像化することである。GPR の場合は特性インピーダンスが異なる部位から電磁波が散乱するため，金属等の導電体の検出性能に優れる10）。超音波の場合は，空隙や材料界面のはく離など，音響インピーダンスが母材と大きく異なる所から散乱波が発生する。舗装の損傷は，空隙や割れなどが多いため，超音波の方が検査に有効な情報を得ることができる。しかし，アスファルトは多孔質材料であるために超音波の減衰が顕著であり，これまでに超音波検査の適用事例11），12）は非常に少ない。低周波数域を用いれば透過性の向上が期待されるが，一方で映像化の分解能は周波数の低下とともに減少するため，できるだけ高い周波数を検討する必要がある。

本研究では，共振周波数が75 kHz の縦波用の送受信素子を設計・作製し，これを用いてアスファルト内部の映像化を試みる。ここではラテラル方向の分解能を確保するため，この素子を複数並べてアレイ状に配置した探触子13）の適用を考える。横波超音波を用いた映像化手法14）も提案されているが，同じ周波数であれば，縦波は横波より波長が大きいため，縦波はアスファルト中の骨材や微小空隙による多重散乱の影響を受けにくい。映像化手法として，全波形サンプリング処理（Full Waveforms Sampling and Processing；FSAP）方式15）を用いる。FSAP 方式の基本的な原理は，Full Matrix Capture（FMC）/ Total Focusing Method（TFM）16）やSampling Phased Array 17）と同じであるが，FSAP 方式はポスト処理をGraphics Processing Unit（GPU）計算を用いて高速実行するのが特徴である。しかしながら，アスファルト舗装の場合，アスファルト層と路盤で音速が大きく異なるため，この層構造を考慮したFSAP アルゴリズムへと改良を行う必要がある。層構造を伝搬する超音波は界面によって屈折するが，界面でスネルの法則を満足するように超音波の路程を決定する。ここでは，GPU 計算を用いてこの路程計算を高速に行う。

本研究の新規性は，従来のFSAP の高速実行性能を損なうことなく層構造のイメージングに対応したこと，多孔質材料に対する超音波アレイ素子を設計し，その効果を検証したことである。本論文の前半でFSAP 方式の改良と高速化，低周波アレイ探触子の設計および作製について述べる。本論文の後半で，舗装を模擬した試験体を作製し，その内部に人工的な欠陥を設けて，それに対して本技術を適用したときのイメージング結果について示す。