JPH03296694A

JPH03296694A - 燃料棒超音波探傷装置

Info

Publication number: JPH03296694A
Application number: JP2100703A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Seki; 正之関; Kazuhito Hirako; 一仁平子
Original assignee: Power Reactor and Nuclear Fuel Development Corp
Current assignee: Power Reactor and Nuclear Fuel Development Corp
Priority date: 1990-04-17
Filing date: 1990-04-17
Publication date: 1991-12-27
Anticipated expiration: 2010-11-13
Also published as: JPH07104430B2

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〕本発明は融接法及び面相接合法による棒状及び管材等の
溶接部超音波探傷検査に係わり、特にパルス磁気溶接ま
たはティグ溶接により溶接した原子炉用燃料棒の溶接部
欠陥の超音波探傷方法及び探傷装置に関する。

〔従来の技術］第１１図は燃料棒の溶接部を示す図で、同図（ａ）はパ
ルス磁気溶接による試料、同図（ｂ）はティグ溶接によ
る試料、第１２図は従来の棒材又は管材の超音波探傷検
査方法の説明図、第１３１！ｌは従来の燃料棒溶接部の
超音波探傷検査方法の説明図で、１２は被検材、１３は
Ａ面、工４．１４’はＢ面、Ｉ５は６面、１６は中心軸
、１７は探傷域、６１．６２は端栓、６３．６４は被覆
管、６５は探触子、６６は付き合わせ接合部、６７は被
検材、６８は中心軸である。

被検材としての燃料棒の溶接部は通常の棒材または管材
と異なり、第１Ｆ図（ａ）及び（ｂ）に示すように端栓
６１または６２と被覆管６３または６４をパルス磁気溶
接またはティグ溶接していて、溶接部はＡ面１３．８面
１４または１４′及び０面１５０３種の異なった外径を
持っている。

従来、燃料棒溶接部をＸ線で検査する場合は、溶接部探
傷域１７の一方の側からＸ線を照射し、探傷域の側に置
いた写真フィルム上にＸＩＩ撮影し、撮影画像から溶接
欠陥の判定を行っていた。

また、棒材又は管材などの超音波探傷検査は、第１２図
に示すように超音波探触子６５を固定し、中心軸６８を
軸として被検材６７を回転させつつ左右に移動させ、突
き合わせ溶接部６６の探傷検査を行っていたが、燃料棒
のような外径の異なる溶接部の探傷検査を実施しようき
すると、第１３図に示すように被検材１２の探傷域１７
の最大径の０面１５に水距離を調整するため、Ａ面１３
及び８面１４では水距離が変化し、また、８面１４では
探触子６３が面と垂直にならないため音圧が変化し、均
一な検査を行えなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、Ｘ線検査では拡大撮影は不可能であるため、
現寸大の写真フィルム像で欠陥の有無を確認する。Ｘ線
の焦点径は四オーダとかなり大きく、フィルムにも当然
ながら解像の限界があるため、φ０．２閣程度０欠陥識
別しか行えない。また、φ０．２ｇ程度の欠陥も判定者
の技量に負う所が大きい。通常の検査はＸＹ２方向の平
面であるため、多方向の欠陥検査を実施するには写真フ
ィルムの撮影、現像等多大な工数を必要とする。さらに
、Ｘ線検査には照射室、操作室、フィルム現像暗室及び
検査用暗室等の特異な作業空間が必要であり、また、フ
ィルム現像を行うため瞬時検査判定が行えない。

Ｘ線検査は上述の欠点を有しているのみならず、透過法
による撮影であるため、固相接合の場合、接合部と未接
合部の像が重なり、また固相接合の場合に発生する空孔
は５０μｍ以下と小さいため識別が不可能である。

超音波探傷検査において精密探傷を行う場合に用いる焦
点径は通常φ０．５ｍｍであるが、さらに、φ０．１〜
０．３ｍｍとＸ線検査の場合の１／１０〜１／２０程度
にすることが可能で、反射波を電気的に受償するため、
理論上１μｍの欠陥でも識別することができる。しかし
、実際は物質内での減衰、被検材組織の粒度状態からく
るエコーにより１０μｍ程度となる。ところが、超音波
を発振する探触子と被検材との間隔が一定でないと、被
検材内部に伝わる超音波の強度が変化し、被検材内部の
欠陥からのエコーに差が生じ、一定の評価が行えない欠
点を有している。

本発明は燃料棒の溶接部のように異なった外径と傾斜あ
るいは曲率を持った被検材の検査を行うことのできる燃
料棒超音波探傷方法及び探傷装置を提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、少なくとも一部を水中に浸した燃料棒被検材
を回転させつつ、被検材表面に沿って被検材軸方向に超
音波探触子を移動させて被検材の外形形状を計測する段
階、計測データに基づき超音波探触子と被検材表面との
水距離を一定に維持するとともに、超音波探触子の超音
波照射角度を制御しつつ回転する被検材表面に沿って被
検材軸方向に超音波探触子を移動させ、探傷を行う段階
からなる燃料棒超音波探傷方法、及び、所定温度範囲内に温度＃御された水が注水された
水槽と、水槽内に挿入され、水に浸された燃料棒被検材
を回転駆動する回転駆動手段と、超音波探触子を移動さ
せるとともに、超音波照射角度を変化させる超音波探触
子駆動手段と、回転駆動手段を制御するとともに、被検
材外形形状データに基づき超音波探触子と被検材表面と
の水距離を一定に維持し、被検材表面に対して超音波を
垂直に照射するように超音波駆動手段を制御する信号処
理制御手段と、信号処理制御手段からの探傷データを表
示する表示手段とを備えたことを特徴とする。

〔作用〕

本発明は、先ず、水中において回転させた燃料棒被検材
の軸方向に超音波探触子を移動させて被検材の外形形状
を計測し、次いで外形形状データに基づいて被検材表面
と一定の水距離に維持しつつ、被検材表面に対して超音
波照射角度が垂直になるよう探触子を駆動制御し、被検
材の全周の探傷信号を全探傷域にわたり収集して被検材
溶接部の欠陥検査を行うことができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図乃至第４図は本発明による燃料棒溶接部超音波探
傷方法及び探傷装置の一実施例を示す図で、第１図（ａ
）、ら）及び（Ｃ）はそれぞれ超音波探傷装置本体の概
略図の正面図、側面図及び俯緻図、第２図（ａ）及び（
社）は駆動部本体概略図の正面図及び側面図、第３図は
水槽部概略図、第４図は超音波探傷システム構成図、第
５図は燃料棒溶接部外径測定方法の説明図、第６図は燃
料棒溶接部探傷時の探触子動作説明図、第７！！Ｉは探
触子ストローク範囲を示す図で、同図（ａ）は正面図、
同図（ハ）は側面図、第８図はＡスコープ表示を示す図
、第９図はＣスコープ表示を示す図、第１０図はＢスコ
ープ表示を示す図で、同図Ｃａ）及び卸はそれぞれ縦断
面表示及σ横断面表示を示す図である。なお第１３図と
同一番号は同一内容を示している。また、工は駆動部本
体、２は架台、３は恒温槽、４はフィルタ、５は純水製
造装置、６は水循環ポンプ、７は貯水槽、１１は探触子
、２１はＸ軸周サーボモータ、２２はＹ軸ステッピング
モータ、２３はＺ軸周サーボモータ、２４はθ角用サー
ボモータ、２５は回転駆動用サーボモータ、２６はコレ
クトチャック、２７は内装水槽、２８は外装水槽、２９
は水槽光は皿、３０はキャップ、３１はエアーナイフ、
３２は位置検出ストッパ、３３．３４はオーバフローロ
、３５はＸ−Ｙｆ−プル、３６は給水口、４１は操作盤
、４２は操作スイッチ、４３はシーケンサ、４４はパソ
コン、４５〜４９はモータトライバ、５０はパルス発信
器、５１はＣＲＴ、５２は超音波探傷装置、５３は超音
波寸法測定装置、５４はキーボードである。

第１１！Ｉにおいて、本燃料棒溶接部超音波探傷装置本
体は探触子駆動系と水循環系とからなり、駆動系は架台
２に設けられた超音波探触子１１を動作させる駆動部本
体１を有し、水循環系は恒温槽３、フィルタ４、純水製
造装置５、水循環ポンプ６及び貯水槽７等から構成され
ている。

次に、探触子駆動系と水循環系の概略を′Ｍ２図、第３
図により説明する。

駆動系は、第２図に示すように、探触子駆動用のＸ軸周
サーボモータ２１、Ｚ軸周サーボモータ２３、角度変更
用サーボモータ２４及びＹ軸周ステッピングモータ２２
を有するとともに、被検材１２を把持するコレクトチャ
ック２６を介して被検材を回転駆動するサーボモータ２
５を有し、詳細は後述するように被検材１２を回転駆動
しなから探触子を３次元的に駆動し、かつ探触子からの
超音波照射角度を変えて探傷できるようになっている。

水循環系は、内外槽２７．２８を水槽受は皿２９に載せ
る構造となっており、水槽は燃料棒の水に対する放射線
等の影響を考え、燃料棒の先端の被検査部のみが水浸す
るよう水槽容積を小さくした局部水浸式となっている。

第３１！Ｉに示すように水槽は円筒型の内装水槽２７と
それを覆う外装水槽２８の２重構造となっており、外装
水槽２８は被検材１２０回転により内装水槽２７内の水
が飛散するのを防止するとともに後述のエアーナイフ３
１を取りつけるために設けてあり、さらに、外装水槽２
８の下に水槽受は皿２９を設けである。

内装水槽２７の右端に被検材１２を通す穴を有するキャ
ップ３０がねじ込まれ、これは被検材１２が異なる外径
ごとに交換され、キャップ３０の穴径は被検材１２の外
径より約０．１ｍｍ太くして被検材ヱ２が回転により損
傷しないようにしである。

そのため、このギャップから被検材１２を伝わって水が
流れたり、被検材１２を水槽から抜くとき多量の水が流
出したりするので、外装水槽２８の右内側にエアーナイ
フ３工を取り付け、空気圧力３〜６ｋｇ／ｃａ！の圧縮
エアーを吹きつけて被検材を伝わってくる水を外装水槽
２８内に飛散させ、コレクトチャック２６側への水の流
出を防いでいる。

また、内装水槽２７及び外装水槽２８の上部には探触子
１１が動く範囲のみオーバフーーロ３３及び３４が設け
られていて、空気との接触面を可能な限り小さくし、ホ
コリ等により水が汚れるのを防止するようにしている。

これら循環系で使用される水は、第１図で示す貯水槽７
から順次水循環ポンプ６、純水製造装置５、フィルタ４
、恒温槽３を経て、給水口３６から内装水槽２８、さら
に外装水槽２９へと循環して貯水槽７に戻る。循環水は
フィルタ４及び純水製造装置５で一定水準の水に浄化さ
れ、ヒータ及びクーラ付の恒温槽３により設定温度２０
〜４０℃に対し±０．５℃で管理して超音波の伝播速度
が一定になるようにし、また空の内装水槽２７に注水し
たとき水温が１０〜１５℃程度であると気泡が多数発生
して内装水槽２７の内面に付着するので、これを防止す
るために脱気するようにしている。

次に、第４図〜第７図により本発明による超音波探傷に
ついて説明する。

第４図において、キーボード５４及び操作盤４１の操作
スイッチを操作することにより、シーケンサ４３及びパ
ソコン４４のプログラムにしたがって、モータドライバ
４５〜４８を制御し、各サーボモータ２１．２３．２４
及び２５が駆動されて超音波探傷装置５２の探触子が駆
動制御されるとともに、被検材が回転駆動される。また
、シーケンサから直接パルス発振器５０、モータドライ
バ４９を介してステッピングモータ２５を駆動し、必要
な場合に手動操作でＹ軸方向に駆動する。こうして、ス
ピード、送りピッチ及び基点からの位置等の制御が行わ
れる。

第７！！ｌにおいて、探触子１１は被検材１２の中心軸
１６の左右方向（Ｘ軸）、中心軸に垂直な前後方向（Ｙ
軸）及び上下方向（Ｚ軸）の３方向の移動とＸ２面内で
の角度（θ）の変化が可能で、Ｘ軸、Ｚ軸方向の移動及
びθの変化はそれぞれサーボモータ２１．２３及び２４
で手動または自動制御で行われ、Ｙ軸の移動はステッピ
ングモータ２２　（第２図及び第４図）で手動操作で行
われる。

また各モータの駆動性能は次の通りである。

Ｘ軸方向・・・・・・ストローク　　０〜１００＋＋＋
ｍ最小ピッチ　　０．Ｏ１閤スピード　　　Ｗａｘ　５０ｍｍ／ＳＹ軸方向・・・・・・ストローク　　０〜１６ｍｍ最小
ピッチ　　０．０１ｍａ＋スピードＺ軸方向・・・・・・ストローク　　０〜５０ｍ＋＋＋
最小ピッチ　　０．０１ｍｍスピード　　　Ｍａｘ　５０ｗ／ｓ θ角・・・・・・・・・・・・ストローク　　±３０゜
最小ピッチ　　０．０１度スピード　　　Ｍａｗ　２５度／Ｓまた、被検材１２０回転駆動は被検材１２を固定するエ
アー開閉式のコレクトチャック２６とす−ボモータ２５
で構成され、被検材１２は先端を位置検出ストッパ３２
に当ててコレクトチャック２６に固定する。被検材１２
は１°ピッチ送りから最大５００ｒｐｍまで手動または
自動制御でサーボモータ２５で回転駆動される。

以上のようなモータ駆動により被検材を回転させつつ探
触子を駆動することにより、先ず、超音波寸法測定装置
により被検材と探触子との距離が測定されて被検材の外
形形状データが記憶される。

次に、外形形状データに基づいて超音波探傷装置により
被検材からのエコーが検出され、そのデータに基づく分
析結果がＣＲＴ５１に表示される。

なお、超音波探傷装置５２と超音波寸法測定装置５３と
は、実原には同じ探触子とからなるものである。なお、
本装置においては、周波数３５〜１００ＭＨｚの超音波
を使用し、焦点径φ０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの超音波ビ
ームを用いる。

次に、第５１！Ｉ、第６図により被検材の外形形状測定
と探傷方法についてさらに説明する。

第５図において、燃料棒溶接部の被検材には前述のよう
にＡ面１３．８面１４及び０面１５の３種の異なった面
を持っている。そこで、水槽内の水中において探触子１
１の下方に設置した被検材１２を中心軸１６を中心にし
て回転させ、探触子１１を中心軸１６方向に沿って移動
させながら、超音波を照射して被検材１２止の水距離を
測定し、被検材１２の外径及び勾配角度を測定する。

次に、測定した被検材１２の外形形状データに基づき、
第６図に示すように、回転中の被検材１２の面に対して
一定の水距離を保ち、かつ超音波照射角度が垂直になる
ように中心軸１６を含む同一面内で探触子の位置と向き
を制御しつつ、中心軸１６方向に沿ってＡ面１３．８面
１４及び０面１５について探傷を行う。

溶接部探傷結果は、通常の超音波検査で実施されている
波形出力及びチャート出力とは異なり画像データとして
次のように確認する。

（ａ）データの収集Ｘ＊１１１方向の移動用サーボモータ２１と被検材回転
用サーボモータ２５から出力されるパルス信号による位
置情報により垂直座標を作成し、それと同時に探傷慣号
を重ねてデータをマトリックス化する。

例えば、被検材のＸ軸基点Ｏ位置において被検材１２を
回転角０度から３５９度まで回転させ、その時の探傷信
号を収集し、さらにこれをＸ軸探傷域ｘｍ＋ｎまでの間
を緩り返し、データを収集する。

この時のＸ軸方向及び円周方向の分解能はそれぞれ０．
０１ｍｍ及び１度の最小値から任意に変えることができ
る。

この収集データはＸ軸位置、中心軸の回転角度、欠陥信
号の有無、欠陥信号の高さ及び欠陥信号の表面からの位
置等で、被検材の外径値等を用いて欠陥解析に使用され
る。

ら）データの表示収集されたデータは以下に示す種々の方法で画像化され
、目視により観察することができる。

■Ａスコープ表示（欠陥波形表示）第８ｒｉＺＩに示すように波形と位置の表示を行う。

表示は縦軸にＸ軸方向の寸法を、横軸に被検材の円周方
向展開位置を取り、波形の立ち上がりはその波形のエコ
ー高さとなる。

■ＣＣスコープ表示欠陥識別表示）Ａスフ−１表示のデータをカラーデイスプレィ上で任意
のしきい値で最大８階調に表示し、欠陥の範囲、分布及
びエコーの強弱を第９図に示すように出力する。

デイスプレィ上の画像は限界があるため、微小部分及び
欠陥の表示に限界があり、そのだ給い本システムではそ
れらをデイスプレィ上で位置、欠陥の程度を文字で出力
させることが可能であり、分割度数の間隔を拡大し、拡
大画像表示させ、ドツト数から面積を演算することもで
きる。

■Ｂスコープ表示（被検材形状欠陥表示）Ｃスコープ表
示のデータと被検材の外径測定データから第１０図（ａ
）及びら）に示すように縦断面及び横断面における欠陥
の位置及び接合状態の確認を行うことができる。

これら断面表示は縦断面では切断位置の角度、横断面で
は軸方向位置を任意に指定することにより行われ、表示
画面上での欠陥位置最大接合の長さ、未接合の長さを読
み取ることが可能である。

例えば、第１０図（ａ）縦断面表示で縦切断角度位置θ
を任意に指定するき、表示画面は指定したθの切断面が
上方に、θに対向するθ±１８０°の切断面が下方に表
示される。θの指定は０〜３５９゜の任意位置可能であ
るが、画面の表示方向は常に一定のため、０〜１８０°
が上方、１８１〜３５９°が下方に表示される。その時
の接合している長さ或いは接合していない長さのどちら
かを選択して表示し、０〜１８ａ°方向（図上刃の指定
位置）の接合の長さＸｍ、１８１〜３５９°方向の接合
の長さＹ闘が表示される。第１０図ら）横断面表示にお
いても切断位置ｘｍｍにおける接合または未接合の長さ
の選択表示が可能である。

この他に、画像のプリンタ出力、最大接合長さと最大未
接合長さとその位置及び被検材外径の最大最小の寸法測
定データ値の画像表示とプリンタ出力、合否判定の検査
結果の表示及びこれらのデータのフロッピディスクによ
る保管等が可能である。また、これらデータはそれらを
シリアルＮＯを付することにより呼び出すことが可能で
あり、任意のしきい値の変更及びデータの編集を行うこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、ｘｍ検査の平面的な写真
フィルムの検査と異なり、全周全面の立体的な検査が可
能で、超音波の利用により欠陥分解能はＸ線検査の約０
．２順から１０μｍに向上するのみならず、溶接部欠陥
を画像によって目視することにより検査員の技量に無関
係に、また、瞬時に検査を行うことが可能で、作業空間
の分離も不必要となり、検査工程上の簡素化、省力化を
向上することができる。

さらに、検査中の各種データはフロッピディスク等に記
憶収納することにより随時読み出して解析することが可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４１！Ｉは本発明による燃料棒溶接部超音
波探傷方法及び探傷検査装置の一実施例を示す図で、第
１図（ａ）、（ｂ）及び（Ｉｃ）はそれぞれ超音波検査
装置本体の概略図の正面図、側面図及び俯敵図、第２図
（ａ）及び（ｂ）は駆動部本体概略図の正面図及び側面
図、第３図は水槽部概略図、第４図は超音波検査装置シ
ステム構成図、第５図は燃料棒溶接部外径測定の動作説
明図、第６図は燃料棒溶接部探傷時の探触子動作説明図
、第７図は探触子ストローク範囲を示す図で同図（ａ）
は正面図、同図（ｂ）は側面図、第８図はＡスコープ表
示を示す図、第９図はＣスコープ表示を示す図、第１．
０図はＢスコープ表示を示す図で、同図（ａ）及びら）
はそれぞれ縦断面表示及び横断面表示を示す図、第１１
図は燃料棒の溶接部を示す図で同１！ｌ　（ａ）はパル
ス磁気溶接による試料、同図ら）はティグ溶接による試
料、第１２図は従来の棒材又は管材の超音波探傷検査方
法の説明図、第１３図は従来の燃料棒溶接部の超音波探
傷検査方法の説明図である。１・・・駆動部本体、２・・・架台、３・・・恒温槽、
４・・・フィルタ、５・・・純水製造装置、６・・・水
循環ポンプ、７・・・貯水槽、１１・・・探触子、１２
・・・被検材、１７・・・探傷域、２１・・・Ｘ軸層サ
ーボモータ、２２・・・Ｙ軸周ステッピングモータ、２
３・・・Ｚ軸周サーボモータ、２４・・・θ角用サーボ
モータ、２５・・・回転用サーボモータ、２６・・・コ
レクトチャック、２７・・・内装水槽、２８・・・外装
水槽、３０・・・キャップ、３１・・・エアーナイフ、
３６・・・給水口、４１・・・操作盤、４２・・・操作
スイッチ、４３・・・シーケンサ、４４・・・パソコン
、５１・・・ＣＲＴ、５２・・・超音波探傷装置、５３
・・・超音波寸法測定装置、５４・・・キーボード。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも一部を水中に浸した燃料棒被検材を回
転させつつ、被検材表面に沿って被検材軸方向に超音波
探触子を移動させて被検材の外形形状を計測する段階、
計測データに基づき超音波探触子と被検材表面との水距
離を一定に維持するとともに、超音波探触子の超音波照
射角度を制御しつつ回転する被検材表面に沿って被検材
軸方向に超音波探触子を移動させ、探傷を行う段階から
なることを特徴とする燃料棒超音波探傷方法。
（２）所定温度範囲内に温度制御された水が注水された
水槽と、水槽内に挿入され、水に浸された燃料棒被検材
を回転駆動する回転駆動手段と、超音波探触子を移動さ
せるとともに、超音波照射角度を変化させる超音波探触
子駆動手段と、回転駆動手段を制御するとともに、被検
材外形形状データに基づき超音波探触子と被検材表面と
の水距離を一定に維持し、被検材表面に対して超音波を
垂直に照射するように超音波駆動手段を制御する信号処
理制御手段と、信号処理制御手段からの探傷データを表
示する表示手段とを備えたことを特徴とする燃料棒超音
波探傷装置。
（３）前記水槽は燃料棒水浸用の内装水槽と内装水槽を
収納して水の飛散を防止する外装水槽からなることを特
徴とする請求項２記載の燃料棒超音波探傷装置。
（４）前記内装水槽及び外装水槽は、その一方の面を貫
通してストッパが挿入されるとともに、対向する他方の
面を通して燃料棒被検材がストッパに当接するまで挿入
され、内装水槽及び外装水槽の上面には探触子移動用の
オーバーフロー口が設けられていることを特徴とする請
求項３記載の燃料棒超音波探傷装置。
（５）燃料棒被検材が貫通する内装水槽の面は、被検材
貫通穴を有する交換可能なキャップからなる請求項４記
載の燃料棒超音波探傷装置。
（６）燃料棒被検材が貫通する外装水槽の内面には燃料
棒に対して圧縮空気を吹きつけるエアーナイフが設けら
れていることを特徴とする請求項４記載の燃料棒超音波
探傷装置。
（７）前記表示手段はＣＲＴからなり、燃料棒溶接部の
接合長さ、または未接合長さの選択表示が可能である請
求項２記載の燃料棒超音波探傷装置。