JPH03154861A - 超音波探傷方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、原子燃料の燃料被覆管、制御棒の被覆管の非
破壊検査方法や、熱交換器の伝熱管など薄肉細管の検査
方法等に適用できる超音波探傷方法および装置に関する
。

〔従来の技術〕

小径管類の検査法として、水浸法による超音波探傷装置
が一般に利用されている。水浸法は、被検査管と超音波
を送受する探触子を水中に浸漬して、水を介して被検査
物への超音波の送受を行う方法で゛あり、探触子と被検
査物間の超音波の伝達が安定した方法として知られてお
り、小径管類の自動探傷に利用されている。

一般には次の２種類の方法が、小径管類の超音波探傷方
法として実用されている。

第６図は、被検査管の管軸方向の欠陥を検出対象とする
水浸斜角探傷方法を示したものである。

第６図において、１１は送受信探触子、１２は被検査管
であり、これらの周囲は水である。送受信探触子１１は
図示していない超音波探傷器に連結して超音波（縦波）
の送受信を行う。この方法においては、水中にある被検
査管の管軸に対して送受信探触子の中心軸が直交し、偏
心するように配置される。この配置において、被検査管
の外表面に縦波が斜入射することにより発生（モード変
換）する横波を円周方向に伝搬させて、欠陥からの反射
（欠陥エコー）を受信することにより被検査管の欠陥を
探知する。

第７図は、被検査管の円周方向の欠陥を検出対象とする
水浸斜角探傷方法であり、第７図（Ａ）はその正面図、
第７図（Ｂ）は側面を示す。この方法においては、送受
信探触子１１は被検査管１２と同軸上において、管軸方
向に傾斜させて配置させる。この配置において、縦波が
斜入射することにより発生する横波を管軸方向に伝播さ
せて、欠陥からの反射波を受信することにより、被検査
管の欠陥を探知する。

なお、被検査管の全円周を全長にわたって検査するため
には、第７図（Ａ）、（Ｂ）に示すように、被検査管の
回転と探触子の管軸方向移動を組合わせる方法、あるい
は被検査管の管軸方向移動と探触子の被検査管周りの回
転を組合せる方法などの手段が用いられる。

また、例えば、加圧水型原子炉の燃料集合体は、第１４
図に示すような形状を有する。すなわち、燃料集合体は
被覆管３７ａ内、すなわち薄肉の金属細管内に原子燃料
ベレット３７ｂを充てんして成る多数の燃料棒３７を、
制御棒案内管及び計装管と共に縦設して、数箇所グリッ
ド３８で束ねて構成されている。第１５図は、燃料集合
体の横断面を示゛したものであり、燃料集合体はこのよ
うに多数の薄肉°細管を近接して配列した構造物である
。

なお、燃料被覆管３７ａは、原子燃料ベレットを保護す
る役目を有しており、燃料の使用中にあっては割れや減
肉などの欠陥がない健全な状態を維持しなければならな
い。そのため、燃料集合体の健全状態を確認するための
検査が必要である。

一般に、この種薄肉の金属細管に存在する割れ、減肉な
どの欠陥を検知する手段としては、板波を利用した超音
波探傷試験が最も適する。そこで、燃料集合体として組
立てられた燃料被覆管を検査するためには、被覆管同志
が近接−して配列されているため、超音波センサが被覆
管の隙間を通過して各被覆管に接近することが可能な形
状のＵＴプローブでなければならない。

第１６図は、上記の形状的条件を有する従来のＵＴプロ
ーブである。薄板状のセンサホルダ３２の先端部に超音
波センサ３１が傾斜して配設されている送・受信分離形
の板波を用いた水浸式の探傷プローブである。第１７図
は、該探傷プローブの作用を説明したものであり、水中
において、被検体である薄肉金属管の頂部に超音波セン
サ部が位置するように配置して、図示していない超音波
探傷器と接続して、送信センサ４４ａより、超音波を発
信すると、水中を経由して超音波（縦波）４３ａが薄肉
金属管４２に入射、する。この際、超音波ビームは、管
軸に対して傾斜（θ）シ、かつ偏心（ｘ）しているので
、１７図に示すように、モード変換した超音波（板波）
４３ｂは、管壁をスパイラル状に伝播進行する。そこで
、薄肉金属管に割れ、減肉などの欠陥が存在すると、そ
の反射波が逆方向に伝播して戻−り縦波４４ｂ、４４ａ
は、受信センサ４１ｂによりとらえられ、欠陥の存在を
検知する。

なお、該Ｕ−Ｔプローブは、薄肉金、属細管の、超音波
入射面側Ｑ２及びその裏側Ｑ１’、Ｑｓの欠陥を検知す
るためのものであり、薄肉金属細管′の円周上の他の領
域の欠陥を検知するためには、送信センサ４１ａと受信
センサ４１ｂを鎖管の同一円周上に配置しないで、送信
センサに対して、受信センサを゛該管の管軸にずらせて
配設する必要がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の従来の水浸法による超音波探傷方法では、被検査
管の、外周面は水と接す、る必然・性があり（管端を施
栓することにより内周面は空気と接する）１、被検査管
を伝搬、していく過碌における超音波の減衰（以下、単
に減衰と言う）が大きく、探触の超音波入射点Ｐを被検
査管の検査対象部位に近接させなければならない。この
ため、小径管類の製造時の検査のように、被検査管の周
囲に障害物がなく、該被検査管の全域にわたって探触子
が接近可能な場合には問題はないが、プラントに組立て
られた状態にある管類を検査する場合には、第８図に示
すように被検査管の一部の外周面が支持構造物１３で囲
まれたり、第９図に示すように被検査管が他の構造物１
４に非常に近接して配設される事例が少なくない。した
がって、探触子を接近させることや、その周囲を探触子
を回転させることが困難、あるいは不可能になるため、
検査不可能、あるいは検査不可能な領域ができるなどの
問題がある。

なお、被検査管の外周面が水と接している場合には、管
内外表面で反射を繰返Ｃて管壁を伝播していく横波は、
水と接する外表面における反射の際に水中で超音波のエ
ネルギが分散することにより減衰していく。したがって
、薄肉管になる程、水と接する管外表面における反射回
数が増加するので、超音波の減衰が著しく、遠くまで超
音波を伝えることが困難になる。

上記のように、薄肉細管を対象とする従来の水浸法によ
る超音波探傷方法では、検査対象部位に探触子を接近さ
せることが必須条件であり、この点がプラントの保守点
検ではしばしば問題となる。

プラントの保守点検では、被検査管に探触子が接近困難
あるいは不可能な事例が多く、次の条件を満すような検
査方法の出現が切望されていた。

（１）検査対象部位に探触子を接近させることなく、遠
隔で被検査管の肉厚内の欠陥が探知できること。

（２）被検査管の外表面を探触子を回転させることなく
゛、被検査管の外周の一面から、被検査管の全周囲の欠
陥が探知できること。

また、上記従来の薄板形ＵＴプローブは、燃料被覆管単
体あるいは燃料集合体の最外周の被覆管を検査する場合
には、微小な欠陥が検知できる。

ところが、該探傷プローブを燃料集合体の被覆管の隙間
に挿入して、内部の被覆管を検査しようとすると、探傷
プローブ、燃料集合体は共に水中にあるため、水中を伝
播した散乱波が受信され、欠陥の検知が不可能になる。

すなわち、送信センサより発せられた音波（縦波）が検
査対象の被覆管表面に当った際に、一部はモード変換し
板波として被覆管の管壁を伝搬して、該管中の欠陥検知
に寄与するが、大部分は縦波として該管表面で反射して
水中を伝搬し、センサホルダの表面及び隣接する他の被
覆管表面との間で反射を繰返して散乱波として受信セン
サにとらえられる。

本発明の課題は、上記従来の問題点を解消することがで
きる超音波探傷方法および装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による超音波探傷方法は、水中にある被検査管の
管軸を中心として発信探触子と受信探触子を左右に等距
離偏心させ、かつ該管軸に対して両探触子を同一方向に
同一角度傾斜させて配置し、前記発信探触子より発信す
る縦波を被検査管表面に対して二次元的に斜め入射させ
、欠陥からの反射波を前記受信探触子により受信するこ
とにより、被検査管に存在する欠陥を検知することを特
徴とする。

本発明による超音波探傷装置は、薄板状のセンサホルダ
の先端部に超音波センサを配設し、該センサの超音波発
振面の周囲に吸音材を装着し、吸音材を装着した薄板状
の遮音板を設け、上記センサホルダの超音波発振面と上
記遮音板の吸音材装着面を対向させ、平行かつ検査対象
の薄肉細管の外径を超える間隙でもって、プローブホル
ダに固定してなることを特徴とする。

即ち、本発明においては、水中にある被検査管の管軸を
中心として周波数ｆの発信探触子と受信探触子を左右に
等間隔Ｘ偏心させ、かつ、該管軸に対して両探触子を同
一方向に同一角度θ傾斜させて配置し、前記発信探触子
より発信する縦波を被検査管に対して斜め入射させ、そ
こで発生するスパイラル状に伝搬する板波を利用して前
記受領探触子により反射波を受信することにより、被検
査管の欠陥を探知することを特徴とする。

なお、上記の周波数ｆ、探触子の偏心量Ｘ１探触子の傾
斜角θは次のように設定する。

ｆ　（ＭＨｚ）　＝　（５〜２０）ｔ、　ｘ　（ｍｍ）
　＝　（０，１〜０．３）ｄ　。

θ（度）−２５〜４０ ここに、ｔ：被検査管の肉厚（龍）、ｄ：被検査管の外
径（ａｍ　）。

また、本発明装置においては、薄板状のセンサホルダの
先端部に超音波センサを配設し、センサの超音波発振面
の周囲に、ゴムなどの吸音材を装着し、センサホルダと
は別に、ゴムなどの吸音材を装着した薄板状の遮音板を
設け、上記センサホルダの超音波発振面と遮音板の吸音
材装着面を対向させ、平行、かつ検査対象の薄肉細管の
外径を超える間隔でもってプローブホルダに配設するよ
うになされている。

〔作　用〕

本発明方法によれば、被検査管の外表面に対して縦波が
二次元的に斜入射することにより、薄肉細管では管壁を
スパイラル状に伝搬していく特有の板波が発生する。該
波は、薄肉細管に縦波を二次元的に斜入射することによ
り発生する特有のモードであり、減衰が非常に少ないの
が特徴である。

次に、被検査管の管壁をスパイラル状に伝搬させ、その
伝播経路上に欠陥が存在すると、その反射波が板波から
縦波のモード変換の後、受信探触子に受信されて、欠陥
の探知ができる。また、発信探触子と受信探触子の間隔
を変えることにより、上記板波のスパイラル状の伝搬経
路が移動して、被検査管の全円周にある欠陥が検知でき
る。さらに、上記板波のスパイラル状の伝搬経路が数本
になるので、被検査管の円周上の数箇所が同時に検査可
能になる。なお、両探触子の数を増加すれば、被検査管
の全円周を同時に検査できるようになる。

本発゛明装置によれば、センサホルダと遮音板の間に、
検査対象の薄肉細管を挟む状態で管群内、すなわち燃料
集゛合体内部に挿入して探傷するすなわち検査対象の燃
料被覆管を隔ててその向うに遮音板を配置し、センサホ
ルダと共に遮音板を同時に管群内に挿入して検査を行う
ことにより、散乱波の伝搬経路が遮断及び散乱波が吸収
されて、受信センサがとらえる散乱波が抑制でき、板波
による被覆管による被覆管に存在する欠陥の検知が可能
となる。

〔実施例〕

第１図は、本発明方法の一実施例を説明するための図で
あり、第１図において、１は発信探触子、２は受信探触
子、３は被検査管（薄肉細管）であり、これらは水中に
浸漬された状態にある。またＦｌは欠陥を示す。ここで
、被検査管３の管軸を中心として発信探触子１と受信探
触子２を左右に等距離Ｘ偏心させ、かつ該、管軸に対し
て両探触子を同一方向に同一角度θ傾斜させて配置する
。

この被検査管と探触子の配置において、探触子を図示し
ていない超音波探傷器に連結して、発信探触子１より縦
波ＩＡを発信させると、前記のように、被検査管に板波
ＩＢが発生し、これがスパイラル状に伝播していき、被
検査管に欠陥Ｆ１が存在すると、その反射波が受信探触
子２に受信される。該板波は、薄肉管に対して縦波を二
次元的に斜入射した際に発生する特有のモードであり、
従来の斜角探傷法で用いられる横波や薄い平板で発生す
る板波と異なって減衰が非常に少ないのが特徴である。

該板波は、直径ｉｏｍｓ、肉厚０．５＋ｕのジルコニウ
ム製管を被検査管とすると、周波数ｆ：３〜Ｉ　ＭＨｚ
　、探傷子の偏心量Ｘ　：　１．５〜２＋ｍｍ、傾きθ
：３０〜３５″の条件で効率的に発生できる。

第４図は、被検査管の管壁をスパイラル状に伝播する板
波の伝搬経路を展開図で説明したものであり、送信探触
子１から発信された縦波が被検査管の外表面と交わる点
Ｐ（縦波の入射点）で発生した板波ＩＢは、矢印の方向
に伝搬していき、欠陥Ｆ１に当ると反射して方向を変え
、Ｒ点に戻ってくる。Ｒ点は受信探触子２の中心軸が被
検査管の外表−面と交わる点であり、この点に達した板
波２Ｂは縦波２Ａにモード変換して受信探触子により受
信される。なお、上記は被検査管の管壁を２回転する条
件により超音波の入射面側（０＠）にある欠陥を検知す
る例を示したが、１回転の条件（Ｓ１点で検知）、ある
いは（減衰が少ないので）３回転以上させても欠陥が検
知できるし、超音波の入射面の反対側（１８０’、図中
のＱｌ、０２点）の欠陥も検知できる。

第２図は、本発明方法の第２実施例を説明するための図
であり、第１図に対して発信探触子１と受信探触子２を
被検査管３の管軸方向に沿って移動して検査する例を示
す。第５図は、その作用を展開図で示したものであり、
説明は省略するが、両探触子を距離ｙ移動することによ
り、超音波の伝播経路が被検査管の円周上を移動するの
で、検知できる欠陥の部位が円周上を移動することにな
る。

第３図は、本発明方法の第３実施例を説明するための図
であり、被検査管の管軸方向に沿って発信探触子１と受
信探触子２をそれぞれ４個配置して、被検査管の円周上
を４１！ｉ所同時に検査する例を示す。このように、発
信探触子１と受信探触子２を複数個配置すると、板波の
伝搬経路が数本できるので、第２実施例のように両探触
子の移動をすることなく、円周上の数箇所の欠陥が同時
に検知できるようになる。なお、さらに両探触子の個数
を増加すれば、板波の伝搬経路が無数となり、両探触子
を移動させることなく、被検査管の全円周の欠陥が検知
できる。

第１０図は、本発明装置の一実施例を示す図であり、第
１０図においては、２１は超音波センサであり、一方が
送信用、他方が受信用センサである。超音波センサには
、図示していないケーブルでもって超音波探傷器に接続
され、超音波の送・受信機能を有する。２２は吸音材で
あり、２３はセンサホルダにある。吸音材２２は、天然
ゴム、シリコンゴム等の薄板状のもので、センサホルダ
２３における超音波センサ１の周りを覆うように取付け
られている。

一方、２５は遮音板であり、その超音波センサ２１と対
向する面には、センサホルダ２３に取付けられているも
のを同じ材質の吸音材４が覆われている。２６はプロー
ブホルダであり、上記センサホルダ２３と遮音板２５と
を一定の間隔で、かつ平行に保持する役目を有する。

第１２図は、発明の一実施例におけるＵＴプローブを燃
料集合体の管群の中に挿入して燃料被覆管２７ａを被検
査管として検査を行っている状態を示す。

第１１図は本発明の第２実施例を示す図であり、本実施
例は超音波センサホルダを３組取付けたもので、３組の
センサ間で超音波の送・受信を交互にして、被検査管の
円周上の３箇所を同時に検査できるようにしたプローブ
である。本実施例はセンサ数が増加している他は、第１
実施例と同様であり、説明は省略する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明方法によれば、被検査管の
管壁をスパイラル状に伝搬し、減衰が非常に少ない板波
を用いるので、検査対象部位に探触子を接近させること
なく、遠隔で被検査管の欠陥が探知できる。また、被検
査管の管軸に沿って両探触子を移動することにより、被
検査管の全円周の欠陥が検知できる。したがって、プラ
ントに組込まれた状態にある薄肉細管において、探触子
の接近が不可能あるいは薄肉細管の片面にしか探触子が
接近できないような場合でも、本発明の超音波探傷方法
によれば検査が可能となる。

また、探触子を複数化すれば、全円周の数箇所あるいは
全円周が同時に検査可能となり、検査が能率よくできる
。

さらに、本発明装置によれば、板波を用いて管群の中に
探傷プローブを挿入して検査を行っても、散乱波が抑制
され、例えば燃料被覆管中の微細欠陥の検知が可能とな
る。すなわち、板波を用いて管群の検査を行う際に問題
となる散乱波は、送信用センサより発した超音波（縦波
）が検査対象の薄肉細管の表面Ｐ１に当って反射した後
、水中を伝搬してセンサホルダの表面及び隣接する他の
薄肉細管−の表面との間で反射を繰返して受信用センサ
にとらえられるものである。そこで、本発明装置におけ
るセンサホルダに装着した吸音材と吸音材を装着した遮
音板により、散乱波の原因となる水中を伝播する超音波
を吸収し、また伝播経路を遮断することにより散乱波が
抑制できる。

また、人工欠陥を付けた薄肉細管を管群中で検査した際
における探傷波形（横軸は超音波伝播時間、縦軸は反射
波の強さを示す）を比較して示す第１３図に示すように
、従来のＵＴプローブによる探傷波形を示す第１３図（
Ａ）と、本発明装置におけるＵＴプローブによる探傷波
形を示す第１３図（Ｂ）とを比較すると明らかなように
、本発明装置のＵＴプローブは、散乱波を抑制する効果
は極めて大きく、従来不可能であった多数隣接して配設
されている管群中にある薄肉細管の欠陥検知が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る超音波探傷方法の説
明図、第２図は本発明の第２実施例に係る超音波探傷方
法の説明図、第３図は本発明の第３実施例に係る超音波
探傷方法の説明図、第４図は本発明の第１実施例におけ
る超音波の伝搬経路の説明図、第５図は本発明の第２実
施例における超音波の伝搬経路の説明図、第６図および
第７図はそれぞれ従来の管類の超音波探傷方法の説明図
、第８図および第９図はそれぞれプラントに組込まれた
状態にある被検査管の構造図、第１０図および第１１図
はそれぞれ本発明における超音波探傷プローブの斜視図
、第１２図は本発明における超音波プローブを使用した
管群の検査中の説明図、第１３図は人工欠陥を付けた薄
肉細管を管群中で検査時の探傷波形図、第１４図は加圧
水型原子炉の燃料集合体の平面図、第１５図は上記燃料
集合体の断面図、第１６図は従来の超音波探傷プローブ
を示す斜視図、第１７図は板波を用いた薄肉細管の検査
における欠陥検知の原理説明図である。 １・・・発信探触子、２・・・受信探触子、３・・・被
検査管、２１・・・超音波センサ、２２．２４・・・吸
音材、２３・・・センサホルダ、２５・・・遮音板、２
６・・・プローブホルダ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）水中にある被検査管の管軸を中心として発信探触
   子と受信探触子を左右に等距離遍心させ、かつ該管軸に
   対して両探触子を同一方向に同一角度傾斜させて配置し
   、前記発信探触子より発信する縦波を被検査管表面に対
   して二次元的に斜め入射させ、欠陥からの反射波を前記
   受信探触子により受信することにより、被検査管に存在
   する欠陥を検知することを特徴とする超音波探傷方法。
2. （２）薄板状のセンサホルダの先端部に超音波センサを
   配設し、該センサの超音波発振面の周囲に吸音材を装着
   し、吸音材を装着した薄板状の遮音板を設け、上記セン
   サホルダの超音波発振面と上記遮音板の吸音材装着面を
   対向させ、平行かつ検査対象の薄肉細管の外径を超える
   間隙でもって、プローブホルダに固定してなることを特
   徴とする超音波探傷装置。