JPH0466896A - 原子燃料棒溶接部超音波検査装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、原子燃料棒に端栓溶接部の超音波検査装置に
関する。

（従来の技術） 一般に、原子燃料棒（以下燃料棒ともいう）の溶接部の
検査には、Ｘ線ラジオグラフィが採用されている。すな
わち、第８図に示すように燃料棒３の溶接部３ａｌ：Ｘ
線をＸ線管球４００より照射しその溶接部のＸ線透過率
に相当する陰影をフィルム４０１上に感光させた後、当
フィルムを現像しこの濃淡画像を目視て検査し、減肉が
ないこと、溶は込みが十分であること、ボア等の欠陥か
ないことを検査するようにしていた。

（発明か解決しようとする課＠） ところか、Ｘ線ラジオグラフィ法の場合、１回につき１
方向からの照射てあり、溶接部の減肉かないこと、溶は
込みか十分であることは２点しか確認できず測定精度も
高いとは言えない。このため、複数回、複数方向から照
射、撮像して確認するなど手間のかかる工程となってい
る。また、熟練者が慎重にフィルムを目視検査する必要
がある。

さらに、現像、目視と検査判定に人手と時間かかかり効
率が悪く、結果が得られるまで時間を要し、自動化が困
難である等の問題があった。

また、Ｘ線ラジオグラフィに代わる方法として、超音波
検査法が試みられてきたが、従来の超音波検査法は、第
９図に示すように約１５ＭＨｚ以下の超音波を用いる管
の検査と同様なものである。

すなわち、２台の装置を用い、第１０図に示すように、
１台は溶接部３ａに垂直に超音波か入射てきるように探
触子２ａを配置し、他の１台は第１１図に示すように溶
接部に斜め方向から超音波を入射させるように探触子２
ｂを配置し、それぞれ燃料棒を回転させ、超音波探傷器
の検出信号が、あるアラームレベル範囲を越えるかどう
かにより判定しようと試みるものであった。

ところが、この場合第４図（ａ）に示すように、溶接部
断面３Ｃは管に比べ複雑な形状をしているため、３０　
Ｍ　Ｈｚ以下の通常周波数の超音波を斜め方向から入射
させる斜角法を用いると、ノツチ部３ｄから超音波エコ
ーが反射するなどの妨害があり、この検出レベル以上の
もののみ欠陥として検出しようとするとボア等欠陥検出
感度が低くなる問題がある。また超音波を垂直に入射さ
せる垂直法を用いると、分解能が悪くボア等欠陥検出は
困難であり、このため、超音波検査法は採用できずにい
た。

さらに、燃料棒は内部に２酸化ウランなどのペレットが
充填されており、ペレットはセラミックであるため、燃
料棒を回転させると衝撃により欠けが発生する懸念があ
った。

本発明はこのような点に鑑み、上記のような不都合がな
い原子燃料棒溶接部超音波検査装置を得ることを目的と
する。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、原子燃料棒の端栓溶接部を超音波を用いて検
査する装置において、燃料棒の長手軸線回りに回転自在
に架台に軸支される回転体と、その回転体に装着され、
回転体の軸心方向に超音波を送受信する探触子と、その
探触子側から検査対象の物体の方に超音波伝達液を噴射
するノズルと、長手軸線上上記探触子、ノズルの取り付
け位置の反対側に装着された回転自在信号カップリング
と、当該信号カップリングを介して上記探触子に接続さ
れた超音波探傷器と、回転自在給水カップリングを介し
て上記回転体に接続され、前期ノズルに超音波伝達液を
供給する液体供給装置と、前記燃料棒を回転体と同心的
に保持し移動位置決めする保持装置と、前記燃料棒と回
転体とを軸線方向に相対移動させる手段とを有すること
を特徴とする。

また、回転自在信号カップリングが高周波伝達用同軸コ
ネクターであり、回転体の軸心に同軸に配置され、摺動
部に水銀等を介して回転自在に電気的結合がなされてい
るものであることを特徴とする。

また、超音波探傷器からの出力信号を記憶し解析する計
算機等処理装置を合わせて備え、回転体の回転角度を検
出し回転角度に応じたパルスを発生させる手段と当該回
転に応じた所定距離だけ燃料棒と探触子の軸方向相対位
置をずらせる手段を有し、回転角度に応じたパルスに同
期した超音波パルスを発生させ、検査対象物に入射させ
るととモニ、その個々の超音波パルスに応じた超音波探
傷器からの出力信号を計算機等処理装置に入力し、それ
らの信号から検査対象部分の２次元像を当該計算機等処
理装置内の記憶部に形成し当該２次元像の特＠量より検
査対象物に対し合否判定等検査判断をするようにしたこ
とを特徴とする。

また、計算機等処理装置に入力する信号が検査対象物の
肉厚値、または当該肉厚値および内部の所定の深さ範囲
内からのエコー高さに相当す値であることを特徴とする
。

また、超音波の周波数がおおむね３ＯＭＨｚ以上である
超音波探傷器を用いたことを特徴とする。

（作　用） 原子燃料棒保持機構に保持された原子燃料棒の溶接部を
探触子と対向する位置にセットし、ノズルから当該溶接
部に向かって超音波伝達液を噴射供給しながら、探触子
とノズルとを装着した回転体を軸線まわりに回転させる
とともに、燃料棒と探触子を軸線方向に相対移動させる
ことにより溶接部全面を走査する。回転位置、軸方向移
動位置に応じた値が得られるので、処理装置で２次元像
を形成し２次元的特徴量を抽出できる。

また、超音波３０ＭＨｚ以上の高周波を使用しているの
で高い分解能が得られる。また、同軸的回転自在カップ
リングを用いているので高周波信号を超音波探傷器と探
触子間でノイズ、減衰、反射等の問題がなく伝達できる
。

さらに、基本的に燃料棒を回転させる必要かないので、
ベレットに欠けを発生させる恐れもない。

（実施例） 以下、第１図乃至第６図を参照して、本発明の実施例に
ついて説明する。

第１図において、符号２０は基盤２１に固定された架台
であって、回転体２２か、軸受２３を介して架台２０に
水平軸線回りに回転自在に軸支されている。

上記回転体２２の一端側には、探触子２４が回転体２２
の中心軸線に向くように固着されており、一方回転体２
２の他端には回転自在信号カップリング３５が装着され
ている。

当カップリングの回転部３４は回転体に固着され、回転
体２２の回転とともに回転しうるようになっており、当
カップリング固定部が支柱を介して基盤２１に固定され
ている。

回転部３４には探触子２４からの同軸ケーブル３３が結
合され、固定部に超音波探傷器２００からの同軸ケーブ
ル３６が結合され回動自在に軸支された回転体に固着さ
れた、探触子２４と超音波探傷器２００との間を信号伝
達か可能にしである。

さらに、この回転自在信号カップリング３５は第２図に
示すように、回転中心軸を中心として同軸的な構造とし
てあり、インピーダンスマツチングのとれた状態て、か
つンール１３４．１３５内に水銀３８．３９を封入して
電気的に結合されており、信号が３０ＭＨｚ以上の高周
波でかつ、回転体２２が高速回転する時にもノイズ、反
射、異常減衰のないものとなっている。

前記回転体２２には、プーリ２５が固着され、このプー
リ２５とモータ２６に固着されたプーリ２７との間には
ベルト２８が巻装されている。

また、上記回転体２２には給水カップリング２９が装着
されている。すなわち、回転体２２に給水カップリング
２９の回転水胴２９ａが装着されており、固定水胴２９
ｂが支柱を介して基盤２１に固定されている。回転水胴
２９ａからバイブ４０を介して、前記探触子２４の先端
に、その探触子の先端の超音波照射口を取り囲むように
配設されたノズル３９に、超音波伝達液の一例である水
を送ることができるようになっている。回転水胴２９ａ
と固定水胴２９ｂの間は摺動自在にシール３１で連結さ
れており、回転水胴２９ａか回転体２２とともに回転す
る状態で、水漏れなく、図示しない給水ポンプからパイ
プ３２．４０を経て、ノズル３９に水を供給できるよう
になでいる。

また上記ノズル３９のノズル口３９ａは探触子２４と同
心状に回転体の中心軸線に向けられている。

ところで、前記回転体２２の探触子２４装着部は水受は
槽４１内に配設してあり、その水受は槽４１には廃水バ
イブ４２か接続されている。したがって廃水を図示しな
いタンクに溜め、ポンプにより水を循環使用することが
できる。

また、水受は槽４１を中心にして回転体２２と反対側に
は、燃料棒保持装置４３が配設されている。

すなわち、基盤２１上には、架台４４が設けられており
、その架台４４には、前記回転体２２と同一軸線上に燃
料棒３を支持し、軸線方向に移動可能な軸方向Ｘテーブ
ル４５が装着されており、その架台４４の上記燃料棒３
を支持する支持ローラ４６および燃料棒の粗動機構ブツ
シャ４７が設けられている。

なお、図中、符号４８は軸方向Ｘテーブル４５に設けら
れたクランプ、４つは回転をスムースにするためのバラ
ンスウェイトである。

さらに、回転体２２には別のプーリ５４が固定されてお
り、ベルト５１を介してロークリエンコーダ５３のプー
リ５２に巻装され、当ロータリーエンコーダ５３に回転
を伝達できるようになっている。

ロータリーエンコーダのパルス出力は必要に応じ、アン
プ３１０を介し超音波探［Ｈ２Ｏ０に入力され、このパ
ルスに同期した電気パルスを発生させ、それにより探触
子２４から高周波の超音波を発生させるようにすること
ができる。各プーリ径とロータリーエンコーダ１回転で
発生するパルス数を選定することにより回転体が１回転
する間に必要な超音波パルス数を設定することかできる
。

また、このパルスは分周茎３２０を介して燃料棒３を軸
方向に移動させるパルスモータ５５に回転体の回転に応
じた必要な移動量に相当するパルスをモータコントロー
ラ３３０を介し与えるようにしである。

しかして、燃料棒溶接部の検査を行うには、まず、粗動
機構ブツシャ４７て燃料棒を所定位置に位置決めをし、
軸方向駆動テーブル４５に固定シリンダ４８で押圧固定
する。ブツシャ４７の保持を解除したあと、処理装置か
らの指令により、モータ２６を回転させると、回転数に
比例してパルスモータ５５が回転し燃料棒３が軸方向に
移動される。一方、超音波探傷器２００の出力信号をパ
ルス発生ごとに処理装置３００に人力させる。回転体１
回転中のパルス数は処理装置に設定しであるので、設定
値ごとに一回転操作分として上記出力信号をマトリック
スとして表示すると処理装置内のメモリに２次元像とし
て形成できる。所定の回転数回転完了後処理装置からの
指示で回転を停止しクランプ４８を解除し粗動ブソンヤ
４７で燃料棒をもとの位置に引き出すことかできる。さ
らに、燃料棒取換え機構を備えることにより次々と自動
検査を行うことが可能である。

ところで、第３図に示すように、超音波探傷器２００は
外部からのパルス２０１をトリガとして入力すると一定
時間後探触子を起動するパルス２０２を発生する。この
パルスが燃料棒溶接部へ向けられた探触子２４により超
音波パルスに変換されノズルから噴射される水の中を伝
播し燃料棒溶接部へ入射される。超音波は燃料棒溶接部
の表面で一部か反射し探触子２４てパルス信号２０３に
変換される、また第４図（ａ）に示すように溶接部検査
範囲の底面３ｅもしくは超音波を反射する欠陥があると
、その底面等からも超音波が反射され前記パルスより音
波伝播時間だけ遅れたパルス信号２０４として探触子２
４により変換される。

そこで、両者パルス信号の時間間隔はその位置の肉厚に
依存するため、この時間間隔を測定することにより、肉
厚を測定することができ、溶接部の肉厚が減少している
などの異常を検出することができる。さらに、必要に応
じ、第３図に示すように、肉厚範囲内をゲート信号２０
５で切り出し増幅してこの範囲内のパルス２０６のピー
クを検出するようにすることかできる。このピーク値で
ノイズレベル以下の値を除外すると、微小なポロシティ
等欠陥を比較的大きな信号である表面波や底面波から分
離して検出てきる。

さて、前記のように、１回転におけるパルス数は設定さ
れた値であり、第４図（ｂ）に示すようにこの数ごとに
１行ずつずらしてマトリクス２０７とすることにより２
次元に展開し処理装置内に記憶できる。また、これを表
示すれば、この肉厚等の値を第４図（ｃ）２０８のよう
に２次元に展開表示できる。ところで、溶接部の健全性
を保証するには、基本的欠陥である、溶は込み不足、肉
厚減少、ポロシティを検出し、健全なものから識別して
判定する必要がある。また、検査を自動的に行うには、
これら判定を自動的に行う必要がある。

そこで、本実施例では、処理装置内に記憶された２次元
データから、第５図に示すように、１行ずつデータをサ
ーチし、溶接前の突合せ面２１０の位置と同等かより端
栓側に、チューブ側の肉厚値が得られたエリア２１１に
つなかつている肉厚値検出エリア２１２か存在する場合
には、溶は込み不足と判定する。これにより、肉厚を減
じない健全として良いいわゆるエロンゲイト・ボイド２
１３があっても無闇に不合格とせす必要に応して合格と
することができ正確な判定ができる。

また、ポロシティについては、第６図に示すように２次
元に展開したピークか得られた個々のエリア２１４ａ〜
２１４ｄそれぞれの面積等特徴データを抽出することに
より合否判定することができる。これにより、従来の溶
接部全体でのピーク値でのみ判定する方法に比べ、面積
又は、より直接的な特徴量で判定でき正確さを向上でき
る。

以上説明したような特徴量を抽出するには周知の画像処
理アルゴリズムを用いることができ、本実施例では、処
理装置３００に内臓したマイクロプロセッサのプログラ
ムで実現されている。また、パルス間隔、ピーク値を測
定する回路も周知であり、超音波探ｒｇＪａに内臓され
た回路で実現されている。

また、本実施例では３０ＭＨｚ以上の高周波の超音波を
用いたので十分な肉厚測定分解能、また十分なポロシテ
ィ検出の時間的、空間的分解能を得ることができる。

また、基本的に燃料棒を回転せず、探触子を回転するの
で、燃料棒回転によって燃料棒内ペレットにダメージを
与える懸念もない。

以上、端栓側からは、底面波の反射がない構造をした燃
料棒について説明したが、第７図に示すように、端栓は
なかぐすされてそのなかぐり面３ｆを底面とする底面波
が反射するようにしてもよい。底面波が反射してこない
部分を端栓部と見なす代わりに、なかぐりの肉厚を検出
することにより端栓部であると判断するようにすればよ
い。

また、以上探触子が１個の場合について説明したが、必
要に応じ３０ＭＨｚ以上の高周波斜角探触子をノズルと
ともに追加配置することもできる。

この場合、この場合信号カップリングは同軸形式であっ
ても、第３図（ｂ）に信号配置を追記し示すように時分
割的に信号の送信・受信・検出を行うことにより上記探
傷を行うことかできる。この場合超音波照射の方向か増
えるため、さらに信頼性を向上させることが可能である
。特に、縦長い欠陥が発生しうるおそれがある場合に追
加すると有効である。

また、さらに、１個の探触子自体か複数振動子を持つも
のでもよい。この場合も、時分割的に信号を処理するこ
とにより探傷・肉厚測定か可能である。

また、上記実施例では、回転をロータリーエンコーダで
検出しその検出パルスにより探触子に超音波パルスを発
生させかつ、燃料捧軸方向送りパルスモータ駆動パルス
としているが、回転と軸方向送りと超音波パルス発生の
間に同期が取れていれば良く、たとえば、処理装置から
それぞれ同期パルスを発生させ、それにより回転、軸補
方向それそれのモータ駆動や、探触子に超音波発生をさ
せるようにしてもよい。

［発明の効果コ 本発明は上記の様に構成したので、Ｘ線ラジオグラフィ
法のような目視検査が必要で、現像など判定までに時間
がかかり、オンライン検査ができない、Ｘ線射のため装
置が大型になる、などの欠点を無くすことができる。

また、３０ＭＨ以上の高周波超音波を使用しているので
原子燃料棒溶接部を検査するのに十分な高い分解能が得
られる。また同軸的回転自在カップリングを回転軸位置
に配置しているので高周波信号を超音波探傷器と探触子
間でノイズ、減衰、反射等の問題がなく伝達できる。

また、探触子回転と軸方向移動と超音波発生を同期させ
たので、処理装置で２次元像を形成し２次元的特徴量を
抽出することにより検査を行うことかできる 以上により、超音波検査としては、従来の超音波検査法
では適用できなかった原子燃料棒溶接部の検査に適用で
きるものとなった。

また、基本的に燃料棒を回転させる必要がないので、燃
料棒を回転させることによりベレットに欠けを発生させ
る恐れがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の超音波検査装置の図、第２図は信号
カップリングの断面図、第３図（ａ）は第１図の超音波
探傷器の信号の時間関係を示す図、第３図（ｂ）は追加
された斜角探触子の超音波探傷機の信号の時間関係を示
す図、第４図（ａ）は燃料棒溶接部の縦断面図、第４図
（ｂ）は肉厚値の側低地の展開図、第４図（ｃ）は溶接
部の肉厚を平面に表示した図、第５図、第６図は処理装
置の処理後表示を示す図、第７図はなかぐりを有する端
栓を用いた燃料棒溶接部の縦断面図、第８図は従来のＸ
線うジオグフィ法を示す図、第９図乃至第１１図は従来
試みられていた超音波探傷法を示す図である。 ３・・・原子燃料棒、２ａ・・・燃料棒溶接部、２０・
・・架台、２２・・・回転体、２４・・・超音波探触子
、２６・・・回転モータ、２９・・・給水カップリング
、３５・・信号カップリング、３つ・・・ノズル、４１
・・水受は槽、 ４３・・・原子燃料棒保持機構、４７・・・粗動ブツシ
ャ、２１］・・・肉厚表示エリア、２１４・・・ポロン
ティ表示エリア。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、原子燃料棒の端栓溶接部を超音波を用いて検査する
   装置において、燃料棒の長手軸線回りに回転自在に架台
   に軸支される回転体と、その回転体に装着され、回転体
   の軸心方向に超音波を送受信する探触子と、その探触子
   側から検査対象の物体の方に超音波伝達液を噴射するノ
   ズルと、長手軸線上、上記探触子および、ノズルの取り
   付け位置と反対側に装着された回転自在信号カップリン
   グと、当該信号カップリングを介して上記探触子に接続
   された超音波探傷器と、回転自在給水カップリングを介
   して上記回転体に接続され、前期ノズルに超音波伝達液
   を供給する液体供給装置と、前記燃料棒を回転体と同心
   的に保持し移動位置決めする保持装置と、前記燃料棒と
   回転体とを軸線方向に相対移動させる手段とを有するこ
   とを特徴とする原子燃料棒溶接部超音波検査装置。 ２、回転自在信号カップリングが高周波伝達用に同軸構
   造をしており、回転体の軸心に同軸に配置され、摺動部
   に水銀等を介して回転自在に電気的結合がなされている
   ものであり、超音波の周波数がおおむね３ＯＭＨｚ以上
   である超音波探傷器を用いたことを特徴とする請求項１
   記載の超音波検査装置。 ３、超音波探傷器からの出力信号を記憶し解析する計算
   機等処理装置を合わせて備え、回転体の回転角度を検出
   し回転角度に応じたパルスを発生させる手段と当該回転
   に応じた所定距離だけ燃料棒と探触子の軸方向相対位置
   をずらせる手段を有し、回転角度に応じたパルスに同期
   した超音波パルスを発生させ、検査対象物に入射させる
   とともに、その個々の超音波パルスに応じた超音波探傷
   器からの出力信号を計算機等処理装置に入力し、それら
   の信号から検査対象部分の２次元像を当該計算機等処理
   装置内の記憶部に形成し当該２次元像の特徴量より検査
   対象物に対し合否判定等検査判断をするようにしたこと
   を特徴とする請求項１記載の超音波検査装置。 ４、計算機等処理装置に入力する信号が検査対象物の肉
   厚値、または当該肉厚値および内部の所定の深さ範囲内
   からのエコーの高さに相当する値である請求項３記載の
   超音波検査装置。