JPH076950B2

JPH076950B2 - 金属材料の劣化損傷検出装置及び検出方法

Info

Publication number: JPH076950B2
Application number: JP63228738A
Authority: JP
Inventors: 正廣大高; 和夫高久; 敏彦吉村; 雄一石川; 邦夫長谷川; 邦夫榎本; 翼清水
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-09-14
Filing date: 1988-09-14
Publication date: 1995-01-30
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPH0278948A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、金属材料の損傷や劣化の検査方法及び装置に
係り、特に、原子力プラント及び化学プラントの高温環
境下で使用される含フエライト系ステンレス鋼，低合金
鋼等の金属材料の実機部材における高温時効脆化，ひず
み損傷等の検知に好適な測定装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の脆化測定方法の例としては、特開昭54−61981号
公報に記載のような方法がある。ここでは、オーステナ
イト系ステンレス溶接金属の脆化の有無を初期のδフエ
ライト量が５％以上減少したことで判定するとしてあ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、高温で使用される金属材料の内で、
特に、含フエライト系ステンレス鋼を例にとれば、高温
長時間の使用により時効脆化を起こすことが、すでに知
られている。これは、およそ600℃以上の比較的高温に
おいては、σ相の析出に起因する。σ脆化が生じ、ま
た、400℃から500℃の範囲では、いわゆる475℃脆性が
生じることによる。しかし、475℃脆性は、400℃以下の
温度範囲においても長時間使用中に生じうる可能性があ
り、含フエライト系ステンレス鋼の実機部材の高温での
使用には十分の配慮が必要である。

しかしながら、上記従来技術は、500℃以下の脆化及び
予ひずみがある場合のひずみ時効については配慮されて
おらず、475℃脆性の程度を検出できなかつた。

また、実機溶接部の初期フエライト量は溶接位置で異な
り、ばらつきも大きい。さらに、実機では、溶接箇所が
膨大であるため、全部の溶接部及び機器材料の初期のフ
エライト量を全て監視することは困難である。したがつ
て、従来技術は、初期フエライト量が不明な箇所には適
用できないため、実機で実用化できないという問題があ
つた。

一方、渦流検査法（Eddy Current Test Method以下ECT
という）の例としては、特開昭55−141653号公報記載の
「強析出効果型鉄基合金の劣化状態判定方法」がある。
この従来例は、被測定材のECT値と使用前の被測定体、
あるいはそれと同種材質の材料を被測定体の初期熱処理
と同様の熱処理を施したもののECT値を比較し、その値
が正か負かによつて鉄基合金の劣化状態を判定する方法
を示している。

しかし、正負によつて判定するのみであるから、定量的
な測定はできない。また、予ひずみがある場合のひずみ
時効については配慮されていない。

本発明の目的は、高温環境下で使用する含フエライト系
ステンレス鋼，低合金鋼等の金属材料の実機部材の脆化
及びひずみ損傷の程度を非破壊的にかつ精度良く検知で
きる方法及び装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、材料の時効劣化に伴つて変化する材料の磁
気的な特性を測定することにより材料の劣化及びひずみ
損傷の程度を判定することができる。材料の磁気特性を
示す磁気ヒステリシスの形態及び磁気バルクハウゼンノ
イズのレベルが材料の劣化の程とひずみ損傷の程度によ
く対応している。すなわち、この変化から金属材料の劣
化及びひずみ損傷の程度を推定できる。

被測定体を局所領域を効率良く強磁場で励磁するのに、
励磁コイルに超電導コイルを採用することも考えられ
る。

また、磁界の検出には検出コイルと積分器の代わりに高
精度の磁気測定が可能な超電導量子干渉素子（SQUID）
あるいは半導体のホール素子の磁気センサを用いて行う
こともできる。

金属材料の劣化度や損傷度を推定するには、飽和磁気，
残留磁気，保持力，磁気バルクハウゼンノイズ・レベ
ル，材料データ等のパラメータに重回帰分析等の統計的
なデータ処理を加えることにより高い相関性が得られ
る。

本発明の劣化損傷検出装置は、測定体に励磁コイル等に
より磁場を印加し、それによつて前記測定体に生じた磁
気の変化から劣化や損傷を検出する金属材料の検査装置
において、前記測定体の飽和磁気，残留磁気，保持力，
バルクハウゼンノイズ等の磁気特性を検出する磁気測定
装置と数値解析手法により測定領域の磁界の状態を求め
る演算装置を備え、予め求めておいた飽和磁気，残留磁
気，保持力，バルクハウゼンノイズ等の磁気特性の変化
と金属材料の損傷や劣化との関係のデータベースから材
料のひずみ損傷や劣化の程度を判定する演算装置及び出
力する表示装置とを備えてなり、更に、励磁コイルと磁
気センサをアレー方式とし、最外周部に磁界の均一性を
確保するため、最外周部にダミー励磁コイルを設けるこ
とを特徴とする。この場合に、励磁コイルと磁気センサ
の指向性を直交方向に交互に配置することや、磁気セン
サとして超電導量子干渉素子（SQUID）センサを用い
て、磁気異方性を検出できるSQUIDセンサのピックアッ
プコイル構造とすることが好ましい。

また、測定体を励磁する励磁コイルと測定体の磁気特性
を検出する磁気センサを一体化することが好ましい。ま
た測定体を励磁する励磁コイルと前記測定体の磁気特性
を検出する磁気センサを測定体を挾んで配置し、測定体
の漏れ磁束を測定し、材料のひずみ損傷や劣化を判定
し、或いは励磁コイルを馬蹄形として測定体の磁気異方
性を検出し、材料のひずみ損傷や劣化を判定することも
有効である。

尚、後者判定方法を採用するなら、磁気異方性を測定す
るため、馬蹄形励磁コイルを回転させ、最大磁気と最小
磁気の方向と値からひずみ損傷や劣化を判定することも
一案である。

本発明の劣化損傷検出方法は、磁気特性からひずみ損
傷や劣化を判定する方法として、測定されたＢ−Ｈ特性
に対して、あるひずみ量を仮定し、そのひずみ量におけ
る時効のデータベースから測定されたＢ−Ｈ特性に最も
近いＢ−Ｈ特性を選択し、時効時間を決定し、次いでこ
の時効時間を基準に、この時効時間におけるひずみ量の
データベースから測定されたＢ−Ｈ特性に最も近いＢ−
Ｈ特性を選択し、新たにひずみ量を再決定し、ひずみ量
を基準に、同様に上記の方法を繰返し、最終的に収束し
たひずみ量と時効時間を測定体のひずみ損傷や劣化を判
定する方法、または磁気特性からひずみ損傷や劣化を
判定する方法として、測定されたバルクハウゼンノイズ
スペクトルに対して、あるひずみ量を仮定し、そのひず
み量における時効のデータベースから測定されたバルク
ハウゼンノイズスペクトルに最も近いバルクハウゼンノ
イズスペクトルを選択し、時効時間を決定し、次に、こ
の時効時間を基準に、この時効時間におけるひずみ量の
データベースから測定されたバルクハウゼンノイズスペ
クトルに最も近いバルクハウゼンノイズスペクトルを選
択し、新たにひずみ量を再決定し、ひずみ量を基準に、
同様に上記の方法を繰返し、最終的に収束したひずみ量
と時効時間も測定体のひずみ損傷や劣化を判定する方法
を特徴とする。

尚、原子炉圧力容器等の壁の磁気特性を測定する場合に
内壁と外壁にそれぞれ励磁コイと磁気センサ走査する駆
動装置を配置し、内壁に励磁コイル，外壁に磁気センサ
あるいは、内壁に磁気センサ，外壁に励磁コイルを配置
することが有効である。配管の磁気特性を測定する場合
に配管内部と配管外部にそれぞれ励磁コイルと磁気セン
サ走査する駆動装置を配置し、配管内部に励磁コイル，
配管外部に磁気センサあるいは、配管内部に磁気セン
サ，配管外部に励磁コイルを配置することが有効であ
る。

更に測定された測定体の損傷と劣化のデータ及び測定体
の機器のデータベースより、将来における測定体の損傷
や劣化の進行を劣化のデータベースから予測する機能を
持たせることや、測定体の損傷や劣化の状態を表示する
表示装置の画面を複数に分割し、測定条件や測定した磁
気特性の表示，測定体の機器の使用環境や材質データ，
判定した損傷や劣化のデータ、及び将来の機器の損傷劣
化の進行予測等を表示し、必要に応じてマウスやキーボ
ード等でデータの入力，修正でき、判定や演算を再修正
できる機能部を具備することも有効である。

尚、本願明細書において「時効」とは、金属材料がある
温度において、時間の経過に伴なって現われる現象をい
う。室温で起こるものを室温時効或いは自然時効とい
い、加熱によって起こるものを高温時効或いは人工時効
という（以上、岩波理化学辞典より要旨引用。）また本
願明細書において時効時間とは、ある温度で時効に要し
た時間をいい、また時効脆化とは、時効により金属材料
が脆化する現象を意味する。

〔作用〕

金属材料は、高温環境中で長時間使用すると、内部組織
に変化を生じ、強度が低下する。含フエライト系ステン
レス鋼の475℃熱処理を施した時効材のシヤルピー衝撃
試験結果をみると高温時効の熱処理時間の増加に伴い強
度が低下することがわかる。

発明者らは、含フエライト系ステンレス鋼等の金属材料
の高温加熱による脆化について種々検討した結果、高温
時効に伴い、金属組織の粒界に他の相が析出したり、炭
化物やS,Pが偏析することにより、硬さや衝撃強度等の
機械的性質の他に電気抵抗率ρや透磁率μなどの電磁気
的特性も変化することがわかつた。特に、材料の高温時
効脆化と磁気特性の変化とがよく対応することを見出し
た。受入れ材と高温熱処理材の磁気ヒステリシスの測定
結果では、被測定体は脆化の程度により磁気ヒステリシ
スループの面積（磁気ヒステリシスロス）、残留磁気や
保磁力等に変化が生じている。また、金属材料を励磁す
る際に発生する磁気バルクハウゼンノイズを測定する
と、受入れ材と高温熱処理材とで磁気バルクハウゼンノ
イズ・レベルの成分に違いがみられる。

また、含フエライト系ステンレス鋼や低合金鋼等の金属
材料に加工による塑性ひずみを加えると、その塑性ひず
み量に依存して材料の磁気特性が変化する。さらに、予
ひずみを与えた材料を時効させた場合も同様にひずみ時
効の程度に対応した磁気特性の変化が得られた。

すなわち、このような現象を利用すれば、含フエライト
系ステンレス鋼や低合金鋼等の金属材料の加工ひずみや
時効脆化の進行程度を精度良く検知することができる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

本発明の原理となる測定体１の金属材料のひずみ損傷及
び時効劣化と磁気特性との関係を図面を用いて説明す
る。

第20図は、２相ステンレス鋼について塑性ひずみを与え
たときの磁気ヒステリシスループを示したものである。
塑性ひずみεｐ＝０％とεｐ＝２％を比較すると、塑性
ひずみにより磁気ヒステリシスループの形状が変化し、
最大磁束密度と残留磁束密度に増加が認められる。しか
し、保磁力は、ほとんど変化していない。

第21図は、２相ステンレス鋼CF3M材とCF8M材における塑
性ひずみ量による残留磁束密度の変化を示したものであ
る。図より塑性ひずみの増加に伴い、残留磁束密度は、
急激に増加するが、塑性ひずみが大になるに従い残留磁
束密度は飽和する傾向におる。CF3M材とCF8M材では、塑
性ひずみ量による残留磁束密度の変化の傾向は同じであ
るが、その絶対値には多少違いがある。

第22図は、上記の材料について塑性ひずみ量と保磁力の
関係を示したものである。図より塑性ひずみ量に無関係
に保磁力は、ほぼ一定の値を示す。すなわち、塑性ひず
みは、保磁力に影響しない。

第23図は、上記の材料について塑性ひずみ量と最大磁束
材料密度の関係を示したものである。図より、塑性ひず
みを与えることにより最大磁束密度に僅かの増加が見ら
れるが、最大磁束密度は、塑性ひずみ量によらずほぼ一
定の値を示す。

第24図は、金属材料に塑性ひずみを与えたときの塑性ひ
ずみ印加方向と平行な方向の磁気特性（Ｂ−Ｈ特性）と
直交方向の磁気特性（Ｂ−Ｈ特性）を示したものであ
る、塑性変形により材料中の磁区が塑性ひずみ方向に揃
い、平行な方向と直交方向に磁気の異方性が生じる。こ
のため、塑性ひずみと平行な方向のＢ−Ｈ特性（Ｂε
ｐ）に対して直交方向のＢ−Ｈ特性（Ｂ⊥εｐ）は、減
少する。

第25図は、磁気異方性のデータを最大磁束密度Bp及び残
留磁束密度Brとひずみ量εとの関係で整理したものであ
る。即ち、塑性ひずみと平行な方向と直交する方向の磁
気特性からひずみ状態が判定できる。

これらの特性をデータベースとして、金属材料のひずみ
損傷を判定することができる。

次に金属材料の時効劣化と磁気の関係を図面に基づいて
説明する。

第26図は、２相ステンレス鋼の時効に伴うシヤルピー吸
収エネルギーの変化を示したものである。時効時間の増
加に伴いシヤルピー吸収エネルギーが小さくなる。そこ
で、この変化を非破壊で測定するために、時効と磁気特
性の関係を調べた。その一例を第27図に示す。処女材の
磁気ヒステリシスループに対して時効材の磁気ヒステリ
シスループでは、最大磁束密度は殆ど変らないが、残留
磁束密度，保磁力と磁気ヒステリシスループ面積が増加
していることがわかる。

次に、塑性ひずみεｐ＝２％を与えた場合の２相ステン
レス鋼材の処女材及び時効材の磁気特性（Ｂ−Ｈ特性）
の一例を第42図に示す。塑性ひずみεｐ＝０％と２％の
処女材を比較すると、塑性ひずみにより磁気ヒステリシ
スループの形状が変化し、最大磁束密度と残留磁束密度
に増加が認められる。しかし、保磁力は、ほとんど変化
していない。この塑性ひずみεｐ＝２％材を時効する
と、第27図と同様に、時効により磁気ヒステリシスルー
プの形状に変化が認められ、磁気ヒステリシスループ面
積、残留磁束密度及び保持力が増加している。しかし、
最大磁束密度は、ほとんど変化していない。このことか
ら塑性ひずみによる磁気特性への影響と時効による磁気
特性への影響とは、別のメカニズムによると考えられ
る。すなわち、塑性変形により磁区が塑性ひずみ方向に
異方性を持つために透磁率が増大し、最大磁束密度が増
加する。また、時効では、磁性を持つフエライト相内に
α′相やＧ相などの析出するために磁区の回転モーメン
トは増加し、残留磁束密度や保持力が増加するものと考
える。

塑性ひずみによる保磁力の変化を第28図に示す、処女材
では、保磁力は塑性ひずみに無関係で一定である。時効
材では、塑性ひずみに増加に伴い保磁力は増加するが、
飽和する傾向にある。また、時効時間が大きいほど、こ
の傾向は大きい。

第28図のデータを時効時間で整理したものを第29図に示
す。図より、処女材では、保磁力は、塑性ひずみ量に無
関係にほぼ一定であるが、時効時間の対数に対しては、
ほぼ直線的に増加する傾向を示した。塑性ひずみεｐ＝
0.2％以下では、塑性ひずみの影響は見られない。塑性
ひずみεｐ＝0.2％から２％の範囲では、塑性ひずみが
大きいほど、保磁力の変化が大きくなる傾向を示した。
さらに、塑性ひずみεｐ＝２％以上では、塑性ひずみの
影響が飽和する傾向にあつた。

塑性ひずみによる残留磁束密度の変化を第30図に示す。
塑性ひずみに増加に伴い残留磁束密度は増加するが、飽
和する傾向にある。また、時効時間が大きいほど、この
傾向は大きい。

第30図のデータを時効時間で整理したものを、第31図に
示す。図より、時効時間の対数に対して残留磁束密度
は、ほぼ直線的に増加する傾向を示した。また、塑性ひ
ずみ量が大きいほど、残留磁束密度が大きく現われた。

塑性ひずみによる最大磁束密度の変化を第32図に示す。
最大磁束密度は、塑性ひずみを与えることにより急激に
増加するが、塑性ひずみ量には無関係にほぼ一定の値を
示した。塑性ひずみεｐ＝０％材に対して塑性ひずみを
負荷した試験片では、最大磁束密度が約50％増加した。
また、時効による最大磁束密度の変化は、ほとんど見ら
れなかつた。

第32図のデータを時効時間で整理したものを第33図に示
す。時効時間により最大磁束密度が変らないことが分か
る。

第34図は、低合金鋼について塑性ひずみを与えたときの
磁気ヒステリシスループを示したものである。塑性ひず
みεｐ＝０％とεｐ＝４％を比較すると、塑性ひずみに
より磁気ヒステリシスループの形状が変化し、保磁力と
残留磁束密度に増加が認められる。しかし、最大磁束密
度は、ほとんど変化していない。

本発明の動作原理を第34図を用いて説明する。

金属材料は、高温環境中で長時間使用すると、内部組織
に変化を生じ、強度が低下する。第34図に含フエライト
系ステンレス鋼の475℃熱処理を施した時効材のシヤル
ピー衝撃試験結果を示す。高温時効の熱処理時間の増加
に伴い強度が低下している。

第35図は、低合金鋼における塑性ひずみ量と保磁力の変
化を示したものである。図より塑性ひずみの増加に伴
い、保磁力は、急激に増加するが、塑性ひずみが大にな
るに従い保磁力は飽和する傾向にある。この材料を時効
した場合、保磁力は減少するが、時効時間に無関係に一
定の値になる。

第36図は、低合金鋼における塑性ひずみ量と残留磁束密
度の変化を示したものである。第35図の保磁力と同じ結
果である。

第37図は、低合金鋼の時効に伴うシヤルピー吸収エネル
ギーの変化を示したものである。時効時間の増加に伴う
シヤルピー吸収エネルギーの変化は小さい。

そこで、時効と塑性ひずみ量の変化を非破壊的に測定す
るために、磁気特性の関係を調べた。その一例を第38図
及び第39図に示す。

第38図は、時効時間の増加に伴う低合金鋼の保磁力の変
化を示したものである。処女材では、保磁力により塑性
ひずみを判別できる。時効がある場合、塑性ひずみεｐ
＝１％以下は判定可能であるが、塑性ひずみεｐ＝１％
以上では保磁力は、一定値となる。

第39図は、時効時間の増加に伴う低合金鋼の残留磁束密
度の変化を示したものである。処女材では、残留磁束密
度により塑性ひずみを判別できる。時効がある場合、塑
性ひずみεｐ＝0.2％以下かあるいはεｐ＝0.5％以上か
の判定は可能である。

このように、２相ステンレス鋼及び低合金鋼において、
塑性ひずみ及び時効と磁気特性の変化には、密接な相関
性が認められた。

次に、本発明のシステムの実施例を図面に用いて説明す
る。

第１図は、本発明による金属材料の劣化検査装置を実施
するためのシステム構成の一例を示したものである。図
において、１は原子力プラント等に用いられる機器ある
いは配管等の測定体である。21は前記測定体１を励磁す
るための励磁コイルで、22は励磁コイル21の磁化装置で
ある。31は前記測定体１の磁気を検出するための磁気セ
ンサで、32は、磁気センサ31のコントローラである。41
は励磁コイル21や磁気センサ31の駆動装置で、42は、駆
動装置41のコントローラである。51は、励磁コントロー
ラ22,磁気センサコントローラ32や駆動コントローラ42
からのデータを入力し、解析する磁気演算装置である。
52は、測定体１の磁気データベースである。61は、磁気
演算装置51で解析したデータを基に測定体の劣化度を判
定する劣化演算装置である。62は、測定体１の磁気と劣
化度の関係を示すデータベースである。71は、測定結果
を出力する表示装置である。

本発明のシステムの動作は、先ず、前記測定体１を励磁
コイル21で励磁し、このときの磁気変化を磁気センサ31
で検出する。このセンサ部の実施例の詳細を第２図から
第８図を用いて説明する。

第２図は、同軸構造のコア211内部に励磁コイル210を配
置し、測定体１を励磁する構造のものである。中央のコ
アにはホール素子や検知コイル等の磁気センサ310が配
置してあり、前記測定体１の磁気変化を検出する。

第３図は、第２図の実施例においてホール素子や検知コ
イル等の磁気センサ310を測定体１に対して励磁コイル2
10の反対側に配置したものである。前記測定体１の磁気
変化を漏れ磁束で検出する。

第４図及び第５図は、測定体１の磁気異方性を検出する
ためのセンサである。第４図では、馬蹄形のコア212に
励磁コイルを巻きつけ、測定体１を励磁する。この時の
表面での漏れ磁束を磁気センサ310で検出する。第５図
では、第４図の実施例における磁気センサ310を測定体
１に対して励磁コイル210の反対側に配置したものであ
る。前記測定体１の磁気変化を励磁コイル210の反対側
の漏れ磁束から検出する。

又、測定効率を上げるために、励磁コイル21と磁気セン
サ31をアレー方式とした実施例を第６図及び第７図に示
す。

第６図は、一次元のアレー方式のセンサ部の実施例であ
る。磁気測定方向が互いに直交する励磁コイル213,214
と磁気センサ313,314が一次元に配列されており、最端
部には磁気の拡散による乱れを補正するためのダミー励
磁コイル215がある。このアレー方式のセンサを走査す
ることにより測定体１の磁気特性を高速に検出できる。

第７図は、第６図の一次元のアレー方式のセンサを二次
元に拡張した実施例である。磁気測定方向が互いに直交
する励磁コイル213,214と磁気センサ313,314が二次元に
配列されており、外周部に磁気の拡散による乱れを補正
するためのダミー励磁コイル215がある。この二次元ア
レー方式のセンサを走査することにより測定体１の磁気
特性をさらに高速に検出できる。

第８図は、磁気センサに超電導量子干渉素子（SQUID）
センサを利用した実施例である。

一般に生体検査等に用いられているSQUIDセンサ応用
し、外部磁界を測定できるクライオスツト333の中に液
体Heを注入し、SQUIDセンサ330が動作する温度に保持す
る。SQUIDセンサ330部は、ノイズを遮断する磁気シール
ド334の中にある。磁気信号は、ピツクアツプコイル331
で検出する。ピツクアツプコイル331は、磁気異方性を
検出するため楕円コイルが直交するように配置したもの
で、磁気異方性の差分を検出するようになつている。ま
た、第９図及び第10図は、他のピツクアツプコイルの実
施例である。第９図は、同軸上に二次微分コイルを形成
したものである。磁気分布を高精度に検出できる。第10
図は、微分型コイルを２個以上平行に配列したものであ
り、磁気分布を高精度に検出できる。

第１図における励磁コイル21及び磁気センサ31を走査す
るための駆動装置41の詳細を沸騰水形原子炉に適用した
実施例について第11図から第16図を用いて説明する。

第11図は、沸騰水形原子炉の断面図である。610は原子
炉圧力容器、611は制御棒、612は制御棒案内管、613は
上部クリツド、614は炉心サポート、615は炉水である。
原子炉圧力容器610の上部にはクレーン617がある。この
クレーン617にケーブル900で駆動装置41aが釣下げられ
てあり、原子炉圧力容器610の炉水中615の内壁に駆動装
置41aが配置されている。駆動装置41aはケーブルで原子
炉圧力容器610の外に配置されたモニター618等に接続さ
れ、遠隔操作で動作する。

また、原子炉圧力容器610の外壁に駆動装置41bが配置さ
れて、駆動装置41bは、ケーブル900の代りにレール620
があり、軌道上を移動する。駆動装置41aと41bは遠隔操
作により連動して原子炉圧力容器610の検査をすること
ができる。

第12図は、原子炉圧力容器点検Ｘ−Ｙ走査型駆動装置の
一例である。駆動装置41は、４本の支柱を持つフレーム
891,原子炉圧力容器610の壁に固定するための吸盤892及
び真空ポンプ893とフレーム891をＸ軸上に移動するため
のモータ895、ギアボツクス896及び駆動シヤフト898並
びにＹ軸上に移動するためのモータ897、ギアボツクス
を備えたエアシリンダ899及び駆動シヤフト894からな
り、エアシリンダ899の先端には励磁コイル21及び磁気
センサ31が装備してある。

他の実施例として沸騰水形原子炉の配管系に適用した例
について第13図、及び第14図を用いて説明する。

第13図は、原子炉配管系外部点検用駆動装置の一例であ
る。駆動装置41は、２分割可能な固定リング810と配管6
30の周方向に回転可能な回転リング811からなる。固定
リング810には、駆動モータ820、ギヤボツクス821及び
位置検出用エンコーダ827からなる３組の軸方向移動機
構がある。軸方向の移動量は、ローラ824及びエンコー
ダ826で検出し、軸方向移動機構にフイードバツクされ
る。回転リング811は、複数のプーリー825により固定リ
ング810に保持され、周方向の位置検出機能を備えた回
転モータ823で駆動する。回転リング811の一部に励磁シ
ステム２及び磁気センサシステム３が装備したヘツド部
850がある。なお、駆動モータ820,823、エンコーダ826,
827、及びヘツド部850には磁気測定に磁気ノイズが影響
しないように磁気シールドが施されてある。

第14図は、原子炉配管系内部点検用駆動装置の一例であ
る。駆動装置41は、配管内を移動するための駆動系とセ
ンサ部を走査する走査系とからなる。

駆動系では、ステツピングモータ等910によりタイミン
グベルト922を介して各々の駆動輪に伝達される。装置
の配管内移動を可能とする。

走査系では、ステツピングモータ等925によりプーリー9
24,928とタイミングベルト926を介して、シヤフト923に
伝達される。シヤフト923の先端にある磁気センサ部を
走査する。磁気センサ部は、励磁コイル21と磁気センサ
31からなり、測定に際は、エアシリンダ931等で測定体
に押しつけられる。

尚、第12図から第14図の駆動装置を組合せることにより
第３図及び第５図の測定方法が可能となる。

上記のように、励磁コイル21,磁気センサ31、及び駆動
装置41により、原子力発電プラント等の測定体１の磁気
特性を検出できる。

次に、測定方法について２つの実施例について述べる。

第１の方法は、測定体１の厚さ方向の磁気特性を検出す
るものである。励磁コイルの出力を段階的に上昇させ、
磁束の深さの方向への侵入度を変えて磁気特性の変化を
測定する。深さ方向の情報は、２つの磁気特性データの
差分から求まる。また、励磁コイルの周波数を変化さ
せ、磁場に浸透深さを変えることのより、同様に求める
ことができる。

第２の方法は、測定体１の磁気異方性を検出するもので
ある。第４図あるいは第５図の励磁コイルを用いて、測
定体の全角度の磁気特性を測定し、最大感度と最小感度
の方向や、磁気の角度分布から磁気の異方性が判定でき
る。

第１図において励磁コイル21,磁気センサ31、及び駆動
装置41の測定データは、各々のコントローラ22,32,42を
介して磁気演算装置51に入力される。

第15図に磁気演算装置51の詳細を示す。

測定体１を測定した励磁コイル21,磁気センサ31、及び
駆動装置41のデータは、磁気演算装置51の入力メモリ51
1に取り込まれる。入力メモリ511の測定データは、磁気
データ表示装置512に出力され、測定状態のチエツクを
行う。又、各材料の基本磁気データは、磁気データベー
ス52から取り込まれる。

測定状態及び測定データのチエツク後、磁界解析演算装
置513により磁場が解析される。解析手法は磁界解析コ
ード514から選択される。

磁界の解析の結果から、磁気特性の異方性のデータを分
離する異方性データ処理517と、磁気特性の深さ方向の
データを分離する深さ方向のデータ処理516により、上
記で述べたようにデータ処理される。

これらのデータは、劣化演算装置に入力される。

第16図に劣化演算装置61の詳細を示す。

磁界解析より求めた磁気特性の異方性と深さ方向のデー
タは、それぞれメモリ561,562に取り込まれる。

磁気特性の異方性のデータは、磁気異方性データ前処理
563により劣化判定の前処理が行われ、最も相関性の高
い順にパラメータが選択される。同様に磁気の深さ方向
のデータについても磁気深さデータ前処理564により劣
化判定の前処理が行われ、最も相関性の高い順にパラメ
ータが選択される。これらの劣化パラメータは、劣化判
定演算処理565に取り込まれ、測定体１の劣化度が判定
される。

また、劣化判定のデータベースは、第20図から第42図に
示すデータを有している。

劣化判定演算処置565のひずみ時効劣化判定の詳細の一
例を第40図及び第41図を用いて説明する。

ある塑性ひずみと時効を受けた材料は、第40図及び第41
図の結果を用いて、塑性ひずみと時効時間を定量的に分
離することができる。例えば、測定された残留磁束密度
Brが450Oeであつたとすると、第48図より塑性ひずみ４
％で時効時間100hr、塑性ひずみ0.5％で時効時間200hr
あるいは塑性ひずみ0.2％で時効時間400hrの種々なケー
スがありうる。ここで、塑性ひずみ４％で時効時間100h
rの場合、保磁力Hcは第49図より37Oeとなる。同様に、
塑性ひずみ0.5％で時効時間200hrの場合、保磁力Hcは43
Oe、塑性ひずみ0.2％で時効時間400hrの場合、保磁力Hc
は54Oeとなる。したがつて、残留磁束密度Brと保磁力Hc
の大きさによつて塑性ひずみと時効時間が分離されるこ
とになる。残留磁束密度と保磁力から２相ステンレス鋼
の塑性ひずみ量と時効時間を判定できる。

他の判定法の実施例として第17図と第18図の例を示す。

第17図は、磁気ヒステリシスループの形状からひずみ時
効の劣化度を判定するものである。

初期ひずみ量を仮定して、そのひずみ量における時効の
程度の中から最も近い磁気ヒステリシスループを見つ
け、時効時間を判定する。

次に、この時効時間におけるひずみ量の中から最も近い
磁気ヒステリシスループを見つけ、ひずみ量を判定す
る。

更に、このひずみ量を仮定して、同様の判定を行い、収
束したひずみ量と時効時間を判定する。

第18図は、バルクハウゼンノイズスペクトルについて第
17図と同様の判定方法をするものである。

更に、求めたデータから現在の劣化の状態を判定すると
共に、機器のデータベースから使用条件考慮して、例え
ば、第26図，第29図，第30図，第33図あるいは第37図等
をグラフを内挿や外挿することにより、将来の劣化の進
行を予測演算する。

このような方法によりひずみ時効を判定と今後の劣化の
進行を推定できる。

第19図に表示装置71の詳細を示す。

表示装置71の画面は４分割され、磁気検査測定状態，機
器のデータ，劣化度判定状態及び今後の劣化度進行予測
を表示し、画面の上のマウス72により各々の条件を選
択，修正等ができる。

これらの実施例によれば材料の磁気特性の変化からひず
み時効の程度を高精度に判定できるため材料の劣化評価
を向上させることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高温で使用される金属材料の脆化の程
度及び塑性ひずみ量を非破壊的にかつ迅速に検知できる
ので、機器の損傷を未然に防ぐことが可能となり、実機
の安全性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例のシステム構成図、第２図，
第３図，第４図，第５図は、夫々磁気センサ部の詳細を
示す側面図、第６図，第７図は、夫々アレー式磁気セン
サの詳細を示す斜視図、第８図は、磁気センサにSQUID
センサを領した例を示す断面図、第９図，第10図は、夫
々SQUIDセンサのピツクアツプコイルの例を示す斜視
図、第11図は、本発明を原子炉点検装置に応用した場合
の断面模式図、第12図は、第11図の例に用いるＸ−Ｙ走
査駆動装置の斜視図、第13図は、同じく配管系外部検査
装置の部分斜視図、第14図は、同じく配管系内部検査装
置の側面図、第15図は、磁気演算装置の動作例を示すフ
ロー図、第16図は、劣化演算装置の動作例を示すフロー
図、第17図は、損傷の判定に用いる測定データの関係
図、第18図は劣化の判定に用いる測定データの関係図、
第19図は、表示装置の一例を示す平面図、第20図，第21
図，第22図，第23図，第24図，第25図は、夫々２相ステ
ンレス鋼の塑性ひずみによる磁気特性の変化を示す特性
図、第26図，第27図，第28図，第29図，第30図，第31
図、第32図，第33図は、夫々２相ステンレス鋼のひずみ
時効に関する機械的性質と磁気特性の変化を示す特性
図、第34図，第35図，第36図，第37図，第38図，第39図
は、夫々低合金鋼のひずみ時効に関する機械的性質と磁
気特性の変化を示す特性図、第40図，第41図，第42図
は、夫々ひずみ特性推定法を説明する時効時間に対する
特性図である。１……原子力プラント等に用いられる機器あるいは配管
等の測定体、21……励磁コイル、22……励磁コントロー
ラ、31……磁気センサ、32……磁気センサコントロー
ラ、41……駆動装置、42……駆動装置コントローラ、51
……磁気演算装置、52……磁気特性データベース、61…
…劣化演算装置、62……測定体１の磁気と劣化度の関係
を示すデータベース、71……表示装置、72……マウス、
210……励磁コイル、211……同軸構造のコア、212……
馬蹄形のコア、213,214……磁気測定方向が互いに直交
する励磁コイル、215……ダミー励磁コイル、310……ホ
ール素子や検知コイル等の磁気センサ、313,314……磁
気測定方向が互いに直交する磁気センサ、330……SQUID
センサ、331……ピツクアツプコイル、332……液体ヘリ
ウム等の冷媒、333……外部磁界を測定できるクライオ
スツト、334……磁気シールド、511……入力メモリ、51
2……磁気データ表示装置、513……磁界解析演算装置、
514……磁界解析コード、516……深さ方向のデータ処
理、517……異方性データ処理、561……異方性のデータ
メモリ、562……深さ方向のデータメモリ、563……磁気
異方性データ前処理、564……磁気深さデータ前処理、5
65……劣化判定演算処置、610……原子炉圧力容器、611
……制御棒、612……制御棒案内管、613……上部グリツ
ド、614……炉心サポート、615……炉水、617……クレ
ーン、618……モニター、620……レール、630……配
管、810……２分割可能な固定リング、810……２分割可
能な固定リング、811……回転リング、820……駆動モー
タ、821……ギヤボツクス、823……位置検出機能を備え
た回転モータ、824……ローラ、825……プーリー、826
……エンコーダ、827……位置検出用エンコーダ、850…
…ヘツド部、891……４本の支柱を持つフレーム、892…
…吸盤、893……真空ポンプ、894……駆動シヤフト、89
5……Ｘ軸モータ、896……ギアボツクス、897……Ｙ軸
モータ、898……駆動シヤフト、899……ギアボツクスを
備えたエアシリンダ、900……ケーブル、910……ステツ
ピングモータ等、922……タイミングベルト、923……シ
ヤフト、924……プーリー、925……ステツピングモータ
等、926……タイミングベルト、928……プーリー、931
……エアシリンダ。

フロントページの続き (72)発明者石川雄一茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者長谷川邦夫茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者榎本邦夫茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者清水翼茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (56)参考文献特開昭61−277051（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−46143（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−243526（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−60248（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−172059（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−178356（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−147646（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−161659（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定体に励磁コイル等により磁場を印加
し、それによって前記測定体に生じた磁気の変化から劣
化や損傷を検出する金属材料の検査装置において、前記
測定体の飽和磁気、残留磁気、保持力、バルクハウゼン
ノイズ等の磁気特性を検出する磁気測定装置と数値解析
手法により測定領域の磁界の状態を求める演算装置を備
え、予め求めておいた飽和蒸気、残留磁気、保持力、バ
ルクハウゼンノイズ等の磁気特性の変化と金属材料の損
傷や劣化との関係のデータベースから材料のひずみ損傷
や劣化の程度を判定する演算装置及び出力する表示装置
とを備えてなり、励磁コイルと磁気センサをアレー方式
とし、最外周部に磁界の均一性を確保するため、最外周
部にダミー励磁コイルを設けたことを特徴とする金属材
料の劣化損傷検出装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、励磁コイ
ルと磁気センサの指向性を直交方向に交互に配置したこ
とを特徴とする金属材料の劣化損傷検出装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項において、磁気セン
サとして超電導量子干渉素子（SQUID）センサを用い
て、磁気異方性を検出できるSQUIDセンサのピックアッ
プコイル構造としたことを特徴とする金属材料の劣化損
傷検出装置。
【請求項４】磁気特性からひずみ損傷や劣化を判定する
方法として、測定されたＢ−Ｈ特性に対して、あるひず
み量を仮定し、そのひずみ量における時効のデータベー
スから測定されたＢ−Ｈ特性に最も近いＢ−Ｈ特性を選
択し、時効時間を決定し、次いでこの時効時間を基準
に、この時効時間におけるひずみ量のデータベースから
測定されたＢ−Ｈ特性に最も近いＢ−Ｈ特性を選択し、
新たにひずみ量を再決定し、ひずみ量を基準に、同様に
上記の方法を繰返し、最終的に収束したひずみ量と時効
時間を測定体のひずみ損傷や劣化を判定することを特徴
とする金属材料の劣化損傷検出方法。
【請求項５】磁気特性からひずみ損傷や劣化を判定する
方法として、測定されたバルクハウゼンノイズスペクト
ルに対して、あるひずみ量を仮定し、そのひずみ量にお
ける時効のデータベースから測定されたバルクハウゼン
ノイズスペクトルに最も近いバルクハウゼンノイズスペ
クトルを選択し、時効時間を決定し、次に、この時効時
間を基準に、この時効時間におけるひずみ量のデータベ
ースから測定されたバルクハウゼンノイズスペクトルに
最も近いバルクハウゼンノイズスペクトルを選択し、新
たにひずみ量を再決定し、ひずみ量を基準に、同様に上
記の方法を繰返し、最終的に収束したひずみ量と時効時
間から測定体のひずみ損傷や劣化を判定することを特徴
とする金属材料の劣化損傷検出方法。