JPH0226721B2 - - Google Patents

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JPH0226721B2
JPH0226721B2 JP57173034A JP17303482A JPH0226721B2 JP H0226721 B2 JPH0226721 B2 JP H0226721B2 JP 57173034 A JP57173034 A JP 57173034A JP 17303482 A JP17303482 A JP 17303482A JP H0226721 B2 JPH0226721 B2 JP H0226721B2
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JP
Japan
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liner thickness
liner
impedance
coil
lift
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Takahide Sakamoto
Tatsuo Hiroshima
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Publication date
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Priority to DE3335080A priority patent/DE3335080C2/de
Priority to US06/536,496 priority patent/US4673877A/en
Priority to SE8305277A priority patent/SE460309B/sv
Priority to FR8315587A priority patent/FR2534015B1/fr
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Publication of JPH0226721B2 publication Critical patent/JPH0226721B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/02—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B7/06—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness
    • G01B7/10—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness using magnetic means, e.g. by measuring change of reluctance
    • G01B7/105—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness using magnetic means, e.g. by measuring change of reluctance for measuring thickness of coating
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C17/00—Monitoring; Testing ; Maintaining
    • G21C17/06—Devices or arrangements for monitoring or testing fuel or fuel elements outside the reactor core, e.g. for burn-up, for contamination
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は原子炉燃料要素のうち、ジルコニウム
合金管の内面にジルコニウムの金属障壁を設けた
複合被覆型燃料被覆管のジルコニウムライナ厚の
測定方法に関する。
〔発明の背景〕
動力炉用原子炉の核燃料は耐食性、非反応性、
熱伝導性に優れた被覆管内に封入され、これを格
子状に組立てて燃料集合体を構成するようにして
いる。
核燃料を被覆する主目的は核燃料と冷却材又は
減速材との間の化学反応を防止し、また一部が気
体である放射性核分裂性生成物が燃料から冷却
材、減速材中に漏れ出るのを防止するにある。被
覆管材料として使用されているジルコニウム合金
（ジルカロイ２）は中性子吸収断面積が小さく、
更に400℃以下の温度では原子炉冷却材、減速材
として普通に使用される純水、水蒸気の存在下で
は強く、また延性を有し、極めて安定であると共
に非反応性であり定常条件下では極めて優れた核
燃料被覆材ということができる。
さて原子力発電所の増加に伴い、負荷追従運転
の必要性が高まつてきているが、燃料の出力を急
上昇させる場合には、燃料と被覆管との熱膨張差
により、被覆管に過大な局部応力が生じ、これに
よる機械的相互作用と、核分裂生成物が被覆管を
腐食する化学的作用との２つの作用によつて応力
腐食ワレ破損が生ずる可能性がある。
斯かる破損の危険を回避する対策として燃料と
被覆管との間に各種の金属障壁を設けることが試
みられており、その中で適当は純度のジルコニウ
ムを用いること、つまりジルコニウム合金管の内
面にジルコニウムライナを施すことが最有望視さ
れている。このジルコニウムライナは数10μｍ程
度の厚さとして、その軟らかいという性質を利用
し、出力急上昇時の被覆管内面に発生する局部応
力歪みを緩和し、応力腐食ワレに対する抵抗を高
めんとするものである。そしてジルコニウムライ
ナは管内面に所定厚さで均一に形成されるのが望
ましい。けだしライナ厚が薄すぎると上述の如き
作用効果を得ることができず、また厚すぎるとそ
の製法上ジルコニウム合金材部分が薄くなつて強
度上の問題が発生するからである。従つてライナ
厚は重要な品質管理項目ということになるが、現
在の測定方法は管を切断して切断面を顕微鏡写真
観察するか、又はその画像をデータ処理する等の
方法に依存しており、従つて測定に長時間を要す
ることは勿論、全長に亘る測定ができないという
欠点があり、これらを解消し得る測定方法の開発
が待たれていた。
而して被破壊的に測定する方法として超音波を
利用することが考えられるが、これを外周面から
入射したとしても内周面ライナが前述のように薄
く、境界部からのエコーと、底面（ライナ表面）
からのエコーとの識別ができない。そして内周面
からの測定は勿論不可能である。
また電磁誘導法によることも考えられるが、管
内にプローブ型コイルを挿入した場合にリフトオ
フ（コイルと表面との空隙）が変化しないように
するために高精度の追随装置を必要とし、斯かる
追随装置を管内に挿入し得るものとして製作する
ことは殆んど不可能である。
〔発明の目的及び要約〕
本発明は斯かる事情に鑑みなされたものであつ
て、リフトオフの影響を排除することによつて、
管の全長、全周に亘るライナ厚の正確な測定を電
磁誘導法にて可能とした、ライナ厚測定方法を提
供することを目的とする。本発明に係るライナ厚
測定方法は、電磁誘導試験用プローブ型コイルを
管内に挿入し、基準ライナ厚と、渦電流浸透深さ
とに関連づけた周波数にて前記コイルを励磁し、
コイルと管内周面との空隙変動に起因するコイル
インピーダンス変化の方向と直交する方向のイン
ピーダンス成分を検出し、該インピーダンスに基
きライナ厚を求めることを特徴とする。
〔発明の原理〕
以下に本発明方法を詳しく説明する。まず電磁
誘導法によつてライナ厚を測ることができる理由
を説明する。
第１図に示すように励磁コイル１１及び検出コ
イル１２を収納したセンサ（両コイル兼用のもの
でもよい）１０を被測定物１３のライナ層（ジル
コニウムライナ管においてはジルコニウム層）１
３ａ側に対向させ励磁コイル１１に周波数ｆ（Hz）
の電流を流す。これによつて被測定物１３には渦
電流が誘起されるが、この渦電流は ○被測定物の固有抵抗、透磁率 ○被測定物とセンサ１０（励磁コイル１１）との
空隙距離（リフトオフ） ○被測定物の寸法 ○センサ１０（励磁コイル１１）の寸法 ○測定周波数 に支配される。ジルコニウムライナ管の場合、ラ
イナ層１３ａ、母材層（ジルコニウム合金層）１
３ｂとも比透磁率は１であるが固有抵抗は前者が
40×10-8Ω・ｍ、後者が74×10-8Ω・ｍであり
（ASTM STP639（1977）ASTM MANUAL
ON ZIRCONIUM AND HAFNIUM によ
る）、この差とライナ厚と母材厚とに依存して渦
電流の強さ及び位相が変化する。また渦電流は表
面に近い程流れ易いという表皮効果を有し、浸透
深さδは下記(1)式によつて表わされる。
ここにおいて ω：角周波数（2πf） μ＝μr×μo （Ｈ／ｍ） μr：比透磁率 μo：真空の透磁率（4π×10-7Ｈ／ｍ ρ：固有抵抗（Ω−ｍ） 従つて周波数ｆを高める場合は(1)式よりδが減
少する（表皮効果が高まる）ので、渦電流の強さ
が母材厚に依存しないような周波数を選択する場
合（一般には母材厚5δとなるようにｆが選択さ
れる）は、渦電流の強さはライナ厚にのみ依存す
ることになる。
従つてこの渦電流による磁界を検出コイル１２
にて捉えるとによつて又は検出コイル１２のイン
ピーダンス変化を捉えることによつて渦電流の強
度の変化を知る、換言すればライナ厚の変化を知
ることができるのである。
然るところ前述のように渦電流はリフトオフに
支配され、しかもリフトオフ変化による検出コイ
ルのインピーダンス変化はライナ厚変化によるも
のよりも著しく大きく、従つてリフトオフを一定
にしない限り測定精度の向上は望めない。従つて
被測定物が板状物である場合はセンサ１０を被測
定物１３に弾圧すること等によつてリフトオフの
安定化を図り得るが、被測定物が管であり、しか
も内面側を測定する必要がある場合は、上述の如
き工夫を講じることができず、また管の全長に亘
つてリフトオフを一定することは到底不可能であ
る。
つまり母材とライナとがその等磁率、固有抵抗
において相異する場合には、原理的には電磁誘導
法によつてライナ厚が検出できる筈であり、また
この事実は公知であつたが、現実にはリフトオフ
の問題が解決できず実用化できないのが実情であ
つた。
本発明はこのリフトオフの問題を使用周波数及
び検出電気信号の工夫によつて解決したものであ
る。
次に本発明方法による場合にはライナ厚をリフ
トオフ変化に影響されることなく検出できるとす
る理由につき説明する。第２図はライナ厚及びリ
フトオフの変化に起因するコイルインピーダンス
の変化を示したインピーダンス線図であつて、横
軸に（Ｒ−R0）／ωL0、縦軸にωL／ωL0をとつ
て表わしている。図中Ａ〜Ｂ〜Ｃの曲線はライナ
厚90μｍ、リフトオフ０mm、A′〜B′〜C′の曲線は
ライナ厚90μｍ、リフトオフ40μｍ、A″〜B″〜
C″の曲線はライナ厚50μｍ、リフトオフ０mmでの
測定結果を示しており、Ａ，A′，A″点は測定周
波数f1，Ｂ，B′，B″は測定周波数f2，Ｃ，C′，
C″は測定周波数f3に相当している（但しf1＜f2＜
f3）。またＲ及びＬは夫々測定時、つまり検出コ
イルを被測定物に接近させた場合のコイルの抵抗
成分及びインダクタンス成分であり、R0及びL0
は夫々空心時、つまり被測定物を検出コイルの無
限遠に位置させた場合の検出コイルの抵抗成分及
びインダクタンス成分である。
測定周波数f1の場合にはライナ厚変化（90μｍ
→50μｍ）はＡ→A″のように現れ、またリフトオ
フ変化（０→40μｍ）はＡ→A″のように現れる。
つまり周波数f1の場合はライナ厚変化、リフトオ
フ変化に起因するインピーダンス変化は同一方向
（図示の例では向きが逆になつている）となつて
おり、両者を識別することはできない。正確に述
べるならばインピーダンスの絶対値の変化分でラ
イナ厚を評価することは可能であり、ライナ厚変
化に因るインピーダンス変化がリフトオフ変化に
因るインピーダンス変化よりも十分大きい場合は
測定誤差も小さい。しかしながら実際には次のよ
うな問題がありライナ厚測定は不可能である。第
３図はジルコニウムライナ管におけるリフトオフ
（横軸）とインピーダンス変化量（縦軸）との関
係を測定波数1MHZにて求めたものであり、ライ
ナ厚の40μｍの変化に因るインピーダンス変化量
を矢符で示している。これによればライナ厚40μ
ｍの変化がインピーダンス変化に及ぼす影響と、
リフトオフ10μｍの変化がインピーダンス変化に
及ばす影響とが略々等しい。このような場合はイ
ンピーダンス変化分の絶対値でライナ厚を評価す
ることは実質的に不可能である。見方を変える
と、ライナ厚を4μｍの精度で測定するためには
リフトオフを1μｍ以下に保持する必要があり、
管内のセンサに対しこのようなリフトオフを確保
することが不可能であることは言うまでもない。
以上要するに周波数f1ではライナ厚測定は不可
能である。
これに対して周波数f2，f3ではライナ厚による
インピーダンス変化とリフトオフによるインピー
ダンス変化とは方向が異なり識別可能である。即
ち測定周波数f2〔f3〕の場合にはライナ厚変化
（90μｍ→50μｍ）はＢ→B″〔Ｃ→C″〕のように現
れ、またリフトオフ変化（０→40μｍ）はＢ→
B″〔Ｃ→C″〕のように現れる。つまりその方向が
異なるのでライナ厚変化によるインピーダンス変
化と、リフトオフ変化によるそれとを分離識別で
きる。なおリフトオフ増大に伴うインピーダンス
の変化方向は縦軸上の（0.1）の点に向かうこと
は言うまでもない。
さてこのように適当な周波数を選択することに
よつてリフトオフ変動とライナ厚変動との夫々に
起因するインピーダンス変化が識別できるのであ
るが、夫々に因るインピーダンス変化方向の位相
差θがライナ厚に依存するような周波数を選択
し、この周波数によつてθを検出する方法が提案
されている（1973年５月発行のMaterial
Evaluation P73〜84所載の“Thickness
Measurements Using Eddy Current
Techniques”と題する論文）。
第４図はその原理を示したものであつて、リフ
トオフ変動方向を縦軸にとつて、３試料（夫々ラ
イナ厚t1，t2，t3）の位相差θ1，θ2，θ3を示してい
る。このようにライナ厚に応じて変化する位相角
θを測定し、予め用意しておいた検量線等を用い
るとライナ厚を求めるとは一応は可能である。そ
してインピーダンスの絶対値の変化分を検出する
方法に比してリフトオフ変動に起因する誤差は少
いが、ライナ厚t1の位相差θは、リフトオフが変
動してＤ点からD′点に移動するとθ1→θ′1となつ
て誤差が生じることは避けられない。
以上を要約すると ・電磁誘導法によりライナ厚を測定することは可
能である。
・適当は周波数を選択する場合はインピーダンス
変化を、リフトオフ変化による成分とライナ厚
変化に因る成分とに分離することができる。
・リフトオフ変化に因るインピーダンス変化方向
に対する位相差測定によつてライナ厚を求める
ことは可能ではあるが、リフトオフ変動に因る
誤差はさけられない。
そこで本発明方法にあつてはリフトオフ変動に
起因するインピーダンス変化方向と直交する方向
の成分を検出し、ライナ厚に相当する指示を得ん
とすものである。そして精度よく測定するために
はリフトオフ変動に起因するインピーダンス変化
方向とライナ厚変動に起因するインピーダンス変
化方向とが異つている必要があることは勿論、前
者の軌跡が直線的であることが好ましい。第５図
ａは8MHzによる、また第５図ｂは1MHzによるイ
ンピーダンスの変化状態を示し、リフトオフ変動
方向をVy軸（縦軸）に、またライナ厚変動方向
をVx軸（横軸）にとつて示してあり、記号Ｏは
ライナ厚50μｍ、Ａは90μｍを示し、添字はリフ
トオフ量を１（0μｍ）、２（20μｍ）、３（40μｍ）
、
４（60μｍ）、５（80μｍ）、６（100μｍ）として示
し
てある。両図の対比から明らかな如く8MHzの場
合の方が軌跡が直線的であつて好ましい。これ
は、本発明方法ではVx方向の座標値をライナ厚
を求めるための情報とし、従つてこれが安定して
いるのが望ましいからである。つまり、リフトオ
フが変化しても（添字が異つても）Vx座標値が
等しいことが望まれ、要するにこの例では1MHz
より8MHzによる測定が好ましい。なおO1→A1に
向かう矢符はライナ厚変動に起因するインピーダ
ンス変化方向を示している。
次に周波数の適正範囲を調べるためにリフトオ
フが０→60μｍに変動した場合におけるVx成分指
示変動比〔第５図ａ，ｂにおけるO1→O4、A1→
A4のVx方向のずれの比〕をライナ厚70μｍ（公
称厚）の場合について種々の周波数を用いて求め
た。この結果を第６図に示すがVx成分指示変動
は周波数の増加に伴い減少する。これを周波数で
みると6MHz以上が好ましいようにみられる。し
かしながら好適周波数範囲はライナ厚と浸透深さ
に依存することが考えられるから、横軸をＷ／δ
（但しＷは基準ライナ厚又は公称ライナ厚）に置
き換えるとＷ／δが0.5より大きい範囲が好適な
測定周波数範囲ということになる。周波数が増す
ことによつて誤差が減少するのは上述した如くリ
フトオフ変動に伴うインピーダンス変化の軌跡が
直線的になるためであるが、Ｗ／δが１を超える
とライナ層の表層部にのみ渦電流が誘起されると
ころとなつてライナ厚とVx成分指示との相関が
悪くなる。従つてＷ／δは0.5〜１の範囲が好ま
しい。第７図は公称ライナ厚70μｍのものについ
てＷ／δをパラメータとしてVx成分指示値（規
格化表示）とライナ厚（公称ライナ厚に対する
比）との関係を求めてグラフにしたものである
が、この図からＷ／δが１より大となるとライナ
厚が厚くなるのに伴い、Vx成分指示値が飽和し
て測定には不都合となることが明らかである。
更に上記したデータは１mmφの検出コイルを用
いたが、これはライナ厚の管周方向の変動を高分
解能で検出するために選択した値であつて、コイ
ル径としては製作の容易性等から0.5〜１mmφ程
度が望ましい。
さてリフトオフ変動が大きい場合にはリフトオ
フ値を用いてVx成分を補正する必要がある。こ
れはライナ厚が同一であつてもリフトオフが大と
なるとVx成分測定値が小さくなるためである。
第５図ａのインピーダンス複素平面の軌跡（ライ
ナ厚50μｍ）をVx、Vy成分に分けて示したのが
第８図である。この図から明らかな如くリフトオ
フ変動方向（Vy軸）成分出力及びライナ厚変動
方向（Vx軸）成分出力とリフトオフとの間には
相関がみられるからVy成分を測定し、この測定
値をリフトオフに代るものとして、これによつて
Vx成分を補正する。これによつてリフトオフ変
動が大きい場合にも正確なライナ厚を求めること
が可能となる。
〔実施例〕
次に本発明方法の実施例につきその実施状態を
示す第９図により説明する。ジルコニウムライナ
管２１はターニングローラ２２によつて軸心回転
せしめられる。プローブ型コイル２３は管内径よ
りも小さいセンサホルダ２４に装着されており、
ジルコニウムライナ管２１と同心に配された支持
杆２５の先端にセンサホルダ２４を取付けて、こ
れをライナ管２１内に差し入れて一端から他端に
向けて適当な速度で移動させて、ライナ厚を螺旋
状に走査測定する。２６は支持杆２５の前後進を
行わせるピンチローラである。
コイル２３はインピーダンス測定器２７に接続
されており、その測定インピーダンス情報が演算
装置２８に読込まれるようにしてある。この演算
装置２８にはライナ厚測定位置情報も与えるよう
にしている。即ち支持杆２５の移動域に設けたタ
ツチロールと連動回転する回転エンコーダ２９に
よりコイル２３の管長方向測定位置情報を、また
ターニングローラ２２に設けた回転エンコーダ３
０によりライナ管２１の回転位置又は管周方向測
定位置情報を夫々読込むようにしてある。演算装
置２８はインピーダンス測定器２７からの入力に
よりライナ厚を算出し、これと、管長及び管周方
向の位置を表示器３１に表示させる。
演算装置２８には次のようなデータ処理を行わ
せる。まず、ライナ厚既知の基準試片を用いてイ
ンピーダンス値（X0、Y0）を測定する（第１０
図）。そして同基準試片によりリフトオフを変動
させてインピーダンス値（XL、YL）を測定する。
これら（X0、Y0）（XL、YL）を演算装置２８に
読込ませて、リフトオフ変動に因るインピーダン
ス変化方向（例えばもとの座標系の横軸を基準と
する角度α）を算出せしめ、（X0、Y0）を原点と
し、αの方向をVy軸、Vy軸に直交する方向を
Vxとする座標系を設定せしめる。そして実測対
象管についてインピーダンス測定器２７から得ら
れたデータのVx−Vy座標系でのVx座標値を演
算させ、これをライナ厚に換算する演算を行わせ
る。リフトオフ変動が大きい場合にはVy座標値
をも求めてVx座標値の補正を行えばよいことは
言うまでもない。そして支持杆２５の移動と管２
１の軸心回転とによつて全長、全周のライナ厚測
定が可能であることは勿論である。
〔効果〕
第１１図は顕微鏡写真による実測値（横軸）
と、Vx成分指示（縦軸）との関係を使用周波数
8MHz、Ｗ／δ≒0.62の条件で求めた結果を示し
ており、本発明方法では±5μｍの精度が得られ
ることが明らかである。なお斯かるデータは演算
装置２８のVx成分指示→ライナ厚への換算のた
めに用いられる。
以上のように本発明による場合はライナ厚変動
に因るインピーダンス変化と、リフトオフ変動に
因るインピーダンス変化とを識別検出できる周波
数を基準ライナ厚と渦電流の浸透深さとに関連づ
けて選択し、またリフトオフ変動に因るインピー
ダンス変化の方向と直交する方向の成分を検出す
ることによつて、また必要に応じてリフトオフ変
動によるインピーダンス変化方向のインピーダン
ス成分に依る補正を施すことによつて、 リフトオフ変動によつてライナ厚測定値が変化
せず、 全厚（母材も含む厚さ）には何ら影響されず しかも所要測定範囲ではライナ厚変動に因るコ
イルインピーダンス変化（Vx方向成分の変化）
とライナ厚との間に比例的関係がある というライナ厚測定が可能となり、要するに本
発明は精度とデータの取扱いに優れたジルコニウ
ムライナ厚の測定方法を初めて確立した画期的な
ものであると言える。
【図面の簡単な説明】
第１図は測定状態を示す略示立断面図、第２図
はコイルインピーダンスの変化を示すインピーダ
ンス線図、第３図はリフトオフがインピーダンス
変化に及ぼす影響を示すグラフ、第４図は位相差
θによる測定原理の説明図、第５図ａ，ｂはリフ
トオフを変化させた場合のインピーダンス変化の
軌跡を示すグラフ、第６図はＷ／δとVx成分指
示との関係を示すグラフ、第７図はＷ／δがVx
成分に及ぼす影響を示すグラフ、第８図はVx、
Vy成分とリフトオフとの関係を示すグラフ、第
９図は本発明方法の実施状態を示す模式図、第１
０図は座標変換の説明図、第１１図は本発明方法
の精度を示すためのグラフである。 ２３……プローブコイル、２４……センサホル
ダ、２７……インピーダンス測定器、２８……演
算装置。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ ジルコニウム金属管の内面にジルコニウムラ
    イナを施した管のライナ厚測定方法において、電
    磁誘導試験用プローブ型コイルを管内に挿入し、
    基準ライナ厚と、渦電流浸透深さとに関連づけた
    周波数にて前記コイルを励磁し、コイルと管内周
    面との空隙変動に起因するコイルインピーダンス
    変化の方向と直交する方向のインピーダンス成分
    を検出し、該インピーダンスに基きライナ厚を求
    めることを特徴とするライナ厚測定方法。 ２ ジルコニウム金属管の内面にジルコニウムラ
    イナを施した管のライナ厚測定方法において、電
    磁誘導試験用プローブ型コイルを管内に挿入し、
    基準ライナ厚と、渦電流浸透深さとに関連づけた
    周波数にて前記コイルを励磁し、コイルと管内周
    面との空隙変動に起因するコイルインピーダンス
    変化方向のインピーダンス成分と、前記変化方向
    と直交する方向のインピーダンス成分とを検出
    し、前者のインピーダンス成分にて後者のインピ
    ーダンス成分を補正し、この補正値に基きライナ
    厚を求めることを特徴とするライナ厚測定方法。
JP57173034A 1982-09-30 1982-09-30 ライナ厚測定方法 Granted JPS5967405A (ja)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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