WO2019064686A1 - 渦電流探傷装置および渦電流探傷方法 - Google Patents

Abstract

本発明は検出信号からノイズが十分に除去される渦電流探傷装置を提供する。磁界形成用磁石６０によって検査対象物３０に磁界が印加される。その磁界形成用磁石６０によって生じる磁界の磁束密度は、磁界形成用磁石６０と検出面５５との距離および検査対象物３０の厚みに応じた所定範囲の値に設定される。

Description

渦電流探傷装置および渦電流探傷方法

　本発明は、渦電流探傷装置に関するものであり、特に磁気飽和法を用いた渦電流探傷装置に関するものである。また本発明は渦電流探傷方法にも関するものである。

　従来、導電性材料からなる構造物（被検体、検査対象物）の表面に傷（欠陥）が生じているかどうかを検査するための探傷装置として、特許文献１に記載されているような渦電流探傷装置が用いられることがある。この装置は、検査対象物に渦電流を発生させ、その渦電流の強度および渦電流の流れの形の変化を検出することで、検査対象物に傷が生じているかどうかを調べることができる。またこの装置は、検査対象物に傷がある場合にはその傷の位置、形状、深さを調べることもできる。

　ところで、非磁性体の物体に、たたく、まげる、加熱するといった仕事が加えられた場合、加えられた仕事の仕事量が大きいと、その物体が非磁性体から磁性体に変化することが知られている。特に溶接が施された場合は、溶接が施された個所が高温となり加えられた仕事の仕事量が大きいため、その影響を受ける部位が磁性体に変化する。このため、検査対象物が、非磁性体の材料をベースとし、そのうちの一部に溶接が施されたものである場合、検査対象物のうち溶接が施された個所付近の部分は不規則な磁界を有する磁性体となっている。

　ここで、発明者は、このような、不規則な磁界を有する磁性体が非磁性体の中に存在する場合に、その磁性体の領域に傷があるかどうかの検査を行うことについて考察した。上述した従来の探傷装置を用いて検査が行われる場合、検査対象の領域は磁界が乱れており、検査対象物に発生する渦電流にノイズが生じるので、傷を検出することが非常に困難である。

　このような状況に対応するための１つの手法として、磁気飽和を利用する手法（磁気飽和法）がある。この手法では、外部から強力な磁力が検査領域に印加され、検査領域に強力な均一磁界が形成される。すると、この強力な均一磁界により、検査領域に生じている不規則な磁界が打ち消される。探傷装置の励磁コイルにより検査対象物の表面に発生させられる渦電流は、この均一磁界中を移動することになるため、検査対象物の表面に傷がある場合、その傷が原因で渦電流に変化が生じる。したがって、この手法によれば傷の検出が可能となる。

特許第４８８５０６８号公報

　しかしながら、検査対象物に含まれている可能性がある様々な磁性体の全種類を完全に磁気飽和させるには強力な磁界が必要である。単純に強い磁力を持つ磁石で強力な磁界が形成される場合、センサ本体に比べて格段に大きなサイズの磁石が必要となったり、特殊な磁石が必要であったりする。また、強い磁力を持つ磁石によって磁性化された部位には強力な磁力が働くこととなるので、傷を検出するために検査装置を移動させることが困難となる。その一方で、検査対象物に印加される磁界が弱ければ、ノイズが十分に除去されない。

　そこで本発明は、磁気飽和法を用いた渦電流探傷装置および渦電流探傷方法において、さほど強力な磁界が形成されなくとも、適切な磁界が形成されることで、十分にノイズが除去される渦電流探傷装置および渦電流探傷方法を提供することを目的とする。

　本発明に係る渦電流探傷装置は、検査対象物に渦電流を発生させ、前記渦電流の変化を検出することにより前記検査対象物の表面の状態を検査する渦電流探傷装置において、前記渦電流の変化を検出するための検出部と、前記検出部の外側に配置され、前記検査対象物に磁界を印加する磁界形成用磁石とを備え、前記磁界形成用磁石のうち前記検査対象物へと向く磁石先端部の中央と、前記検出面の中央との距離をｘ（単位ｍｍ）、前記検査対象物の厚みをｔ（単位ｍｍ）とするとき、前記磁界形成用磁石により発生する磁界の磁束密度Ｂ（単位ｍＴ）が、前記磁石先端部の中央に対応する検査対象物の表面において下記の数１を満たすことを特徴とする。

 

　また前記磁界形成用磁石により発生する磁界の磁束密度Ｂ（単位ｍＴ）は、前記磁石先端部の中央に対応する検査対象物の表面において下記の数２を満たすことが好ましい。

 

　また本発明に係る渦電流探傷装置の前記検査対象物は、使用済み核燃料が封入される金属製のキャニスタであってもよく、この場合、渦電流探傷装置は、前記キャニスタの外表面に渦電流を発生させて、この渦電流の変化を検出することにより前記キャニスタの外表面における傷の有無を検査するとよい。

　また本発明に係る渦電流探傷装置の前記検査対象物は、オーステナイト系ステンレス鋼を材料として製造されたものであるとよい。

　また本発明に係る渦電流探傷装置の前記検査対象物が、オーステナイト系ステンレス鋼同士の溶接により形成された溶接部を有していてもよく、この場合、渦電流探傷装置は、前記溶接部における傷の有無を検査するとよい。

　また、本発明に係る渦電流探傷方法は、渦電流探傷装置によって検査対象物に渦電流を発生させ、前記渦電流を測定することにより前記検査対象物の表面における傷の有無を検査する渦電流探傷方法において、前記渦電流探傷装置が備える磁界形成用磁石によって前記検査対象物に磁界を印加しながら、前記渦電流探傷装置によって前記検査対象物に前記渦電流を発生させ、前記渦電流から生じる磁束を前記渦電流探傷装置が備える検出部で受けることにより前記検査対象物の表面における傷の有無を検査し、磁界形成用磁石によって前記検査対象物に印加される磁界の磁束密度Ｂ（単位ｍＴ）は、前記磁界形成用磁石のうち前記検査対象物へと向く磁石先端部の中央に対応する検査対象物の表面において下記の数３を満たしており、

 

　ここで、ｘ（単位ｍｍ）は前記磁石先端部の中央と、前記検出面の中央との距離、ｔ（単位ｍｍ）は前記検査対象物の厚みであることを特徴とする。

　本発明に係る渦電流探傷装置および渦電流探傷方法によれば、さほど強力な磁界が形成されなくとも、適切な磁界が形成されることで、探傷の際に十分にノイズが除去される渦電流探傷装置および渦電流探傷方法を提供することができる。

本発明の実施形態の一例において渦電流探傷装置による検査の対象となるキャニスタを示す図。 過電流探傷装置を用いた探傷の様子を示す概略図。 検査プローブの構造の一例を模式的に示す図。 ノイズが含まれる検出信号とノイズが除去された検出信号を示す図。 磁界形成用磁石、検査面、検査対象物の位置関係を示す図。 検出信号にノイズが含まれている場合を示すグラフ。 検出信号のノイズが低減された場合を示すグラフ。 検出信号からノイズが十分に除去された場合を示すグラフ。

　図１は、本発明の実施形態の一例において渦電流探傷装置によって傷の検査（探傷）が行われる対象（検査対象物）となるキャニスタ２０を示す。このキャニスタ２０は金属製の筒型容器であり、その内部には使用済み核燃料が封入される。図１に示されているように、キャニスタ２０はコンクリート製の大型容器（コンクリートキャスク１０）内に入れられた状態で、都市部から離れた地域、典型的には沿岸部に保管される。

　コンクリートキャスク１０の下方には径方向に貫通する空気導入路１４が設けられており、上方には径方向に貫通する空気排出路１５が設けられている。キャニスタ２０はその内部に封入された使用済み核燃料の崩壊熱によって加熱される。その一方、外部空気が空気導入路１４から取り入れられ、空気排出路１５から排出される過程で、外部空気がキャニスタ２０の側面に触れることにより、キャニスタ２０は冷却される。

　ここで、コンクリートキャスク１０が沿岸部で保管されている場合、沿岸部の空気には海塩が含まれているため、外部空気に触れるキャニスタ２０の表面には塩化物によって錆や腐食が生じるおそれがある。そして、錆や腐食の生じた箇所に引張応力が加わっていると、その箇所に応力腐食割れ（ＳＣＣ：Stress Corrosion Cracking）が生じることがある。そこで、キャニスタ２０は定期的にコンクリートキャスク１０から抜き出され、その表面にＳＣＣが生じていないかどうかの検査（探傷）が行われる。

　キャニスタ２０は図１に示されているように、底を有する円筒形状の本体と、その本体上部の開口を閉ざす蓋２２とで構成されている。キャニスタ２０の本体と蓋２２とは、溶接によって固着されており、図１に示されているように、その溶接の跡が蓋溶接部２６として残る。またキャニスタ２０の本体側面は、長方形状の金属板が円筒状に湾曲され、その金属板の両端同士が溶接されることで形成される。この溶接の跡も、図１に示されているように側面溶接部２４として残る。こうした側面溶接部２４や蓋溶接部２６には引張応力が加わり易いため、これらの箇所にＳＣＣが発生する可能性が高い。そのため、特にこれら側面溶接部２４や蓋溶接部２６において探傷を行うことが重要である。

　図２に、渦電流探傷装置４０を用いた探傷の様子を概略的に示す。渦電流探傷装置４０は検出プローブ５０を備えている。この検出プローブ５０からは交番磁界が発生する。交番磁界が検査対象物３０（ここではキャニスタ２０の側壁、蓋、底面など）の表面に接近すると、検査対象物３０の外表面を構成する金属（キャニスタ２０の場合は一般的にオーステナイト系ステンレス鋼）に渦電流３４が発生する。この渦電流３４が発生させる磁束は検出プローブ５０によって検出され、検出された磁界の強さや波形を基にして検査対象物３０表面の状態が判定される。例えば図２に示されるように検査対象物３０表面に傷３２がある場合、傷３２の領域は電気抵抗が大きいため、渦電流３４は傷３２を避けるようにして流れる。そのため渦電流３４の波形は図２に示されるように傷３２の周囲で歪んだ形状となる。したがって、渦電流探傷装置４０は渦電流３４の波形を解析して、検査対象物３０表面のうちどの位置で波形が歪むかを調べることにより、検査対象物３０表面のどの位置に傷３２が存在するのかを検査することができる。

　図３は、渦電流探傷装置４０の構造の一例を模式的に示す。渦電流探傷装置４０は、検査プローブ５０と制御器４２を備えている。検査プローブ５０は検査対象物３０表面に発生する渦電流の変化を検出するための検出部５４を有する。また制御器４２は、検査プローブ５０から受信した検出信号を処理する機能を備えている。

　ここでは、検出部５４の下端面は検査対象物３０の表面と向かい合うように配置されており、この下端面が、検査対象物３０に発生する渦電流から生じる磁束を受ける検査プローブ５０の検出面５５となる。

　ここで、検査対象物３０の表面がどのように交番磁界に対して反応するかは、検査対象物３０の材料自体が持つ性質によって異なる。検査範囲内において材料の性質が均一であれば、渦電流探傷装置４０は他の部分に比べて交番磁界に対する反応が異なる部分を探すことで探傷を行うことができる。しかし、材料の性質、特に透磁率が位置によって異なっていると、傷が無くとも位置によって交番磁界に対する反応が異なることとなり、検査に影響を及ぼすノイズが発生するため、探傷が困難となる。したがってこのようなノイズは可能な限り除去されることが望ましい。

　図３では、検査対象物３０の表面の一部に、周りと異なる透磁率を持つ異種材料からなる異種材料部３５が現れている。例えば検査対象物３０が図１に示されているキャニスタ２０である場合、側面溶接部２４や蓋溶接部２６（溶接部）に異種材料が現れることがある。具体的には、キャニスタ２０がオーステナイト系ステンレス鋼で構成されている場合、溶接部にはフェライト系の合金が現れる可能性がある。すなわち、溶接の過程でオーステナイト系ステンレス鋼が融解した際、その成分である鉄（Ｆｅ），クロム（Ｃｒ），ニッケル（Ｎｉ），モリブデン（Ｍｏ），そして炭素（Ｃ）などの原子配列が乱されるため、溶接の完了後、表面にはオーステナイト系ステンレス鋼と異なる原子配列を持つ合金が現れることになり、場合によってはフェライト系合金が現れることもある。このように検査対象物３０表面の透磁率が不均一な場合において、検出信号にノイズが現れる様子と、磁界形成用磁石６０を用いることによりノイズが除去される様子が、図４に示されている。

　フェライト系合金が存在する位置では磁界の向きに乱れが生じるため、表面に傷が無くとも、フェライト系合金が存在する位置では、検査プローブ５０が検出する検出信号に変化が現れてしまう。このため、フェライト系合金が表面に現われる溶接部においては、検出信号の変化が傷に起因するものなのか、フェライト系合金に起因するものなのかを判別することが困難である。具体的には図３に示されているように、検査対象物３０の表面にフェライト系合金が現れて異種材料部３５が形成されている場合、検査プローブ５０から発せられる交番磁界の磁束が異種材料部３５の位置で乱されることとなる。この位置の上方を検査プローブ５０が通過した際、検出信号にノイズが生じる（図４のグラフＺ１）。そのため、異種材料部３５内に傷３２があるとしても、その傷３２に起因する検出信号の変化を発見することが困難である。

　ここで、図２，図３が仮想線で示しているように、磁界形成用磁石６０が検査プローブ５０の外側に配置されていれば、この磁界形成用磁石６０から発せられる磁界を受けた検査対象物３０と異種材料部３５の透磁率が変化する。磁界形成用磁石６０の磁界の強さが適切に設定されていれば、検査対象物３０と異種材料部３５の透磁率がほぼ等しくなる。そのため、検査プローブ５０から発せられる交番磁界に対する反応が、異種材料部３５とそれ以外とでほぼ等しくなるため、検出信号が強くなるのは傷３２の位置のみとなる（図４のグラフＺ２）。

　本発明の発明者は、検査対象物３０の厚みや磁界形成用磁石６０の位置などの条件を検討した結果、磁界形成用磁石６０の磁界がどの程度の強さであればノイズが十分に除去されるかを見出した。すなわち、図３に示されるような磁界形成用磁石６０により発生する磁界は、磁界形成用磁石６０のうち検査対象物３０へと向く先端部６２（磁石先端部）の中央と向かい合う検査対象物３０の表面位置（先端部６２に対応する検査対象物３０の表面）において測定された場合に、磁束密度Ｂのミリテスラ（ｍＴ）値が、以下の数４を満たしていることが望ましい。

 

　ここで、図５に示すように、ｘは磁界形成用磁石６０の先端部６２（磁極となる部分）の中央と、検出部５４の中央との距離（単位ｍｍ）である。ｔは検査対象物３０（例えば図１のキャニスタ２０）の厚み（単位ｍｍ）である。ｋは１３以上１５以下の任意数値で、好ましくはｋ＝１４である。数４の磁束密度Ｂの範囲を、ｋを使わずに表すと以下の数５となる。

 

　また数４においてｋ＝１４の場合、磁束密度Ｂの範囲は以下の数６となる。

 

　数６では、例えばｘ＝１３．７５（ｍｍ）、ｔ＝１４（ｍｍ）であれば、Ｂはおよそ３８５．８４ｍＴ以上、５７８．７６５ｍＴ以下となる。

　磁束密度Ｂの値が数４，数５の範囲内であれば十分にノイズが除去されることを図６、図７、図８を用いて説明する。図６、図７、図８のグラフは、図１に示されるキャニスタ２０の溶接部（側面溶接部２４や蓋溶接部２６）において渦電流探傷装置４０が探傷を行う場合の検出信号を示している。具体的には発明者は、キャニスタ２０の材質として用いられるオーステナイト系ステンレス鋼に溶接が施された試験片の表面を検査して、どのような検出信号が得られるかを調べた。より具体的にはＳＵＳ３１６の試験片同士をＴＩＧ溶接して、その溶接部に対して検査を行った。なお、ここでは表面に傷がない場合に得られる検出信号が示されている。

　まず図６は、図３に示される磁界形成用磁石６０を用いずに検査プローブ５０のみにより溶接部の検査を行った場合に得られる検出信号のグラフを示している。試験片表面に傷が無いにも関わらず、図６のグラフＺ３には起伏が多く見られ、溶接部に現われる異種金属（フェライト系合金など）の影響によって検出信号にノイズが混入していることがわかる。次に、図７、図８は磁界形成用磁石６０を用いた場合に得られる検出信号のグラフを示している。図７、図８のどちらも、上記数６におけるｘ，ｔの条件は同じであり、ｘ＝１３．７５（ｍｍ）、ｔ＝１４（ｍｍ）である。図７のグラフＺ４は磁束密度Ｂの値が３００ｍＴの場合に得られる検出信号を示している。３００ｍＴは数５においてｘ＝１３．７５（ｍｍ）、ｔ＝１４（ｍｍ）の場合の範囲内（２９３ｍＴ以上）の値である。図７のグラフＺ４は図６のグラフＺ３に比べて起伏が小さくなっており、この程度までノイズが低減されたならば観測者が信号にフィルタリングなどの加工を施すことによりノイズを無視することが可能になる。すなわち、Ｂ＝３００（ｍＴ）の磁束密度によってノイズが許容範囲内まで低減される。

　図８のグラフＺ５は磁束密度Ｂの値が５００ｍＴの場合に得られる検出信号を示している。５００ｍＴは数６に示される磁束密度Ｂの範囲内である。図８のグラフＺ５は図７のグラフＺ４よりもさらに起伏がなくなっており、Ｂ＝５００（ｍＴ）の磁束密度によってノイズが十分に除去されていることがわかる。

　このように、本実施形態においてはわずか３００～５００ｍＴの磁束密度で許容範囲内までノイズを除去することができる。従来の磁気飽和法による渦電流探傷方法では、オーステナイト系ステンレス鋼の検査において十分にノイズを除去するためには１Ｔ～数１０Ｔという高い磁束密度が必要とされてきたので、従来の方法に比べて遥かに低い磁束密度でノイズ除去を実現できたことになる。そのため、従来の方法と比べて高い磁束密度を発生させるための高価な材料や装置を使う必要がない。また、強い磁力によって渦電流探傷装置４０が検査対象物３０の表面に束縛されて渦電流探傷装置４０を移動させることが困難になってしまうこともない。

　従来の磁気飽和法において高い磁束密度が必要とされてきた理由は、オーステナイト系ステンレス鋼を磁気飽和させるためには１Ｔ～数１０Ｔの磁束密度が必要となるためである。しかしながら、検査対象物に含まれる複数の材料間の透磁率の違いに起因するノイズを除去するためには、検査対象物が必ずしも完全に磁気飽和される必要はない。印加されている磁界内において、複数の材料の透磁率が互いにほぼ等しくなっていれば、透磁率の違いに起因するノイズは除去される。オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部に現われるフェライト系合金の透磁率とオーステナイト系ステンレス鋼の透磁率は、上記数５を満たす磁束密度の中ではほぼ等しくなる。また両者の透磁率が等しくなくとも、近い値になれば透磁率の違いに起因するノイズは低減される。傷の深さを推定できる程度にノイズの大きさが小さければ、ノイズは許容範囲内にまで低減されたといえる。本実施形態によれば、検査対象物３０に比較的低い磁束密度の磁界が印加されることで、図３に示すような異種材料部３５と検査対象物３０の本来の材質との透磁率が近づき、透磁率の違いに起因するノイズが許容範囲内にまで低減される。

　なお本実施形態においては、特に図１に示されるキャニスタ２０、特にオーステナイト系ステンレス鋼を材料として製造されたものが検査対象物３０であるが、渦電流探傷装置４０は表面に渦電流が発生する物質全般の探傷のために用いられることができる。

　また渦電流探傷装置４０の検出部５４は検査対象物３０表面に発生する渦電流の変化を検出できるものであればよく、具体的な形態は様々なものが利用可能である。例えば大きな励磁コイルで一様な渦電流を発生させ、その下方に配置され励磁コイルと中心軸が直交する小さな検出コイルで渦電流の変化を検出するものであってもよい。また一つの励磁コイルを挟むように二つの検出コイルが配置されて、二つの検出コイルに流れる電流の差が検出信号として測定される形態であったり、インピーダンスの変化が測定されることにより励磁コイルと検出コイルの役割を一つのコイルが兼用できる形態であったりしてもよい。いずれの形態でも励磁コイルと検出コイルは全体として面対称や軸対称に配置されるため、その対称中心の位置が検出部５４の中央と考えられる。

　　１０　　　コンクリートキャスク
　　２０　　　キャニスタ
　　３０　　　検査対象物
　　４０　　　渦電流探傷装置
　　５０　　　検査プローブ
　　５４　　　検出部
　　５５　　　検査面
　　６０　　　磁界形成用磁石
　　６２　　　先端部
 

Claims (6)

1. 　検査対象物に渦電流を発生させ、前記渦電流の変化を検出することにより前記検査対象物の表面の状態を検査する渦電流探傷装置において、
   　前記渦電流の変化を検出するための検出部と、
   　前記検出部の外側に配置され、前記検査対象物に磁界を印加する磁界形成用磁石と
   を備え、
   　前記磁界形成用磁石のうち前記検査対象物へと向く磁石先端部の中央と、前記検出部の中央との距離をｘ（単位ｍｍ）、
   　前記検査対象物の厚みをｔ（単位ｍｍ）とするとき、
   　前記磁界形成用磁石により発生する磁界の磁束密度Ｂ（単位ｍＴ）が、前記磁石先端部の中央に対応する前記検査対象物の表面において下記の数１を満たすこと
   

   

    
   を特徴とする渦電流探傷装置。
2. 　前記磁界形成用磁石により発生する磁界の磁束密度Ｂ（単位ｍＴ）が、前記磁石先端部の中央に対応する前記検査対象物の表面において下記の数２を満たすこと
   

   

    
   を特徴とする請求項１に記載の渦電流探傷装置。
3. 　前記検査対象物が、使用済み核燃料が封入される金属製のキャニスタであり、
   　前記渦電流探傷装置は前記キャニスタの外表面に渦電流を発生させて、前記渦電流の変化を検出することにより前記キャニスタの外表面における傷の有無を検査すること
   を特徴とする請求項１に記載の渦電流探傷装置。
4. 　前記検査対象物が、オーステナイト系ステンレス鋼を材料として製造されたものであること
   を特徴とする請求項１のいずれか１項に記載の渦電流探傷装置。
5. 　前記検査対象物が、オーステナイト系ステンレス鋼同士の溶接により形成された溶接部を有しており、前記渦電流探傷装置は前記溶接部における傷の有無を検査すること
   を特徴とする請求項４に記載の渦電流探傷装置。
6. 　渦電流探傷装置によって検査対象物に渦電流を発生させ、前記渦電流を測定することにより前記検査対象物の表面における傷の有無を検査する渦電流探傷方法において、
   　前記渦電流探傷装置が備える磁界形成用磁石によって前記検査対象物に磁界を印加しながら、前記渦電流探傷装置によって前記検査対象物に前記渦電流を発生させ、前記渦電流から生じる磁束を前記渦電流探傷装置が備える検出部で受けることにより前記検査対象物の表面における傷の有無を検査し、
   　磁界形成用磁石によって前記検査対象物に印加される磁界の磁束密度Ｂ（単位ｍＴ）は、前記磁界形成用磁石のうち前記検査対象物へと向く磁石先端部の中央に対応する前記検査対象物の表面において下記の数３を満たしており、
   

   

    
   　ここで、ｘ（単位ｍｍ）は前記磁石先端部の中央と、前記検出面の中央との距離、
   　ｔ（単位ｍｍ）は前記検査対象物の厚みであること
   を特徴とする渦電流探傷方法。
    

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