特許 7224961 原子炉圧力容器のサーマルスリーブの超音波探傷方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-10

(45)【発行日】2023-02-20

(54)【発明の名称】原子炉圧力容器のサーマルスリーブの超音波探傷方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/04 20060101AFI20230213BHJP

   G21C 17/003 20060101ALI20230213BHJP

【ＦＩ】

G01N29/04

G21C17/003 100

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2019035983

(22)【出願日】2019-02-28

(65)【公開番号】P2020139849

(43)【公開日】2020-09-03

【審査請求日】2021-03-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100145816

【弁理士】

【氏名又は名称】鹿股 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100195718

【弁理士】

【氏名又は名称】市橋 俊規

(72)【発明者】

【氏名】市毛 夏実

(72)【発明者】

【氏名】山本 摂

(72)【発明者】

【氏名】秋元 恵

【審査官】横尾 雅一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１００８５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０２３５４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０２７４２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２８４９７２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２９／００ － Ｇ０１Ｎ ２９／５２

Ｇ２１Ｃ １７／００３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

検査対象物の表面に移動可能に設置される複数の振動子を有するフェーズドアレイ探触子と、前記フェーズドアレイ探触子に接続され検査対象領域に超音波ビームを送受信する超音波探傷部と、を備え、
前記超音波ビームを前記検査対象領域に直接到達させるように、及び前記表面と平行でない面に１回反射させて前記検査対象領域に到達させるように、前記超音波ビームの前記表面に対する探傷屈折角を順次変化させていき、当該フェーズドアレイ探触子が受信した前記検査対象領域からの反射波を解析処理することにより前記検査対象領域内の欠陥部の位置及び大きさを判別する原子炉圧力容器のサーマルスリーブの超音波探傷方法。

【請求項2】

前記検査対象物は前記フェーズドアレイ探触子が設置される第１の面と、前記超音波ビームを反射させる第２の面と、前記検査対象領域が存在する第３の面からなり、前記第１の面は、当該第１の面から入射した超音波ビームが前記第３の面に直接到達することができる角度をＷ０としたとき、Ｗ０とのなす角が０度未満の面であることを特徴とする請求項１記載の原子炉圧力容器のサーマルスリーブの超音波探傷方法。

【請求項3】

前記第１の面と第２の面との相対角度及び第１乃至第３の面の形状情報に基づいて、前記検査対象領域に所定の探傷屈折角で超音波ビームを集束させるように前記フェーズドアレイ探触子の複数の振動子の遅延時間を演算することを特徴とする請求項２記載の原子炉圧力容器のサーマルスリーブの超音波探傷方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、原子炉圧力容器の給水ノズル等、狭隘部を有する構造物の超音波探傷方法に関する。

【背景技術】

【0002】

沸騰水型原子炉において、原子炉圧力容器１０の給水ノズル１１のサーマルスリーブ１２（図７参照）は、熱応力による亀裂や腐食が発生する可能性があるため、定期的に探傷検査を行う必要がある。
炉外から超音波探傷を行う場合、例えば、単体型の超音波探触子を用いるか、又はフェーズドアレイ探触子を用いてサーマルスリーブ１２の探傷試験を行っている。

【0003】

フェーズドアレイ探触子を用いた超音波探傷試験では、超音波入射面と反射面が平行な検査対象部に対し、直射又は１回反射による超音波探傷検査を行っている例がある。また、直射可能な位置からの直射及び複数回反射による超音波探傷検査も提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１０－２５６７６号公報

【文献】特開２００６－１０５９０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上述した従来の超音波探傷方法を用いてサーマルスリーブ１２の付根部Ｒのような狭隘部の超音波探傷を行う場合、亀裂等の欠陥部の進展角度によっては、欠陥部を検出することができない場合があり、探傷検査が不十分となるという課題があった。

【0006】

本発明の実施形態は上述した課題を解決するためになされたもので、欠陥部の進展角度にかかわらず、検査対象物の欠陥部を的確に検出することができる超音波探傷方法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】

【0007】

上記課題を解決するために、本実施形態に係る原子炉圧力容器のサーマルスリーブの超音波探傷方法は、検査対象物の表面に移動可能に設置される複数の振動子を有するフェーズドアレイ探触子と、前記フェーズドアレイ探触子に接続され検査対象領域に超音波ビームを送受信する超音波探傷部と、を備え、前記超音波ビームを前記検査対象領域に直接到達させるように、及び前記表面と平行でない面に１回反射させて前記検査対象領域に到達させるように、前記超音波ビームの前記表面に対する探傷屈折角を順次変化させていき、当該フェーズドアレイ探触子が受信した前記検査対象領域からの反射波を解析処理することにより前記検査対象領域内の欠陥部の位置及び大きさを判別することを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明の実施形態によれば、原子炉圧力容器の給水ノズル部等の狭隘部における亀裂等の欠陥部を、欠陥部の進展角度にかかわらず的確に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態に係る超音波探傷装置の構成図。

【図2】本実施形態に係る検査対象物の模式図。

【図3】本実施形態に係る超音波探傷方法の探傷フロー図。

【図4】（ａ）、（ｂ）はＳ１面からの超音波直射及び１回反射の場合の超音波路程を示す図、（ｃ）、（ｄ）はＳ２面からの超音波直射及び１回反射の場合の超音波路程を示す図。

【図5】（ａ）は反射エコー信号を示す図、（ｂ）は超音波路程を示す図、（ｃ）は欠陥部を判別する際の模式図。

【図6】フェーズドアレイ探触子から超音波ビームを検査対象領域に集束する例を示す模式図。

【図7】原子炉圧力容器の給水ノズルの概略図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明に係る超音波探傷方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
以下の説明では、原子炉圧力容器１０の給水ノズル１１のサーマルスリーブ１２（以下、「検査対象物」ともいう。）の付根部Ｒ（以下、「検査対象領域」ともいう。）を探傷検査する例について説明するが、同様な狭隘部を有する他の構造物に適用できることはもちろんである。

【0011】

［超音波探傷装置］
（全体構成）
本実施形態に係る超音波探傷装置は、図１に示すように、複数の振動子２を有するフェーズドアレイ探触子１と、フェーズドアレイ探触子１との間で信号の送受信を行う超音波探傷部３と、探傷条件等の信号が入力される条件入力部６と、探傷結果を表示する表示部７と、から構成される。

【0012】

また、超音波探傷部３はフェーズドアレイ探触子１へ走査信号を出力する探触子制御部４とフェーズドアレイ探触子１からの信号が入力され、検査対象領域Ｒにおける欠陥部ｄの大きさや位置を判別する欠陥部検出部５を有する。

【0013】

本実施形態では、フェーズドアレイ探触子１は、サーマルスリーブ１２の原子炉圧力容器１０側の略水平状の炉外側表面（以下、「Ｓ１面」という。）及びＳ１面から給水ノズル１１側に傾斜して延在する炉外側傾斜面（以下、「Ｓ２面」という。）に対向した状態で移動しながら探傷検査を行う。なお、フェーズドアレイ探触子１は保持部及び駆動機構を備えているが、簡略化のため図示及び説明を省略している。

【0014】

探触子制御部４は、複数個の振動子２の超音波発信タイミングを順次遅延させる、いわゆるリニア走査やセクタ走査、等の電子走査制御を行い、欠陥部検出部５は、探触子制御部４による超音波発信タイミングに対応する同様のタイミングで超音波の反射波を受信し、その反射エコーのレベルを解析することにより欠陥部ｄの大きさ及び位置を判別する。

【0015】

条件入力部６は、超音波探傷部３に対して種々の探傷条件（例えば、探傷屈折角を変化させる場合の変化範囲やピッチ角度等）がオペレータにより入力される。
また、表示部７は、条件入力部６に入力された探傷条件や、欠陥部検出部５による判別結果等をディスプレイに表示する。

【0016】

（サーマルスリーブの構成）
本実施形態において探傷対象物となるサーマルスリーブ１２の構成について、図２を用いて説明する。

【0017】

サーマルスリーブ１２は、フェーズドアレイ探触子１が移動可能に設置される第１の面と、超音波を反射させる第２の面と、亀裂等の欠陥部ｄが存在する可能性がある検査対象領域Ｒを含む第３の面と、を有する。

【0018】

ここで、第１の面は、第１の面から入射した超音波が反射することなく第３の面に超音波直射することが可能な超音波路程Ｗ０を基準として、当該超音波路程Ｗ０とのなす角θａが０度未満の面で定義される。
したがって、図２に示す例では、Ｓ１面全てとＳ２面の一部が第１の面となり、Ｂ１面は第２の面となる。

【0019】

また、本実施形態のサーマルスリーブ１２は、第１の面と第２の面は平行ではなく、所定の相対角度βを有しているとともに、第１の面は複数の傾きを持つ平面から構成される。なお、第１の面は平面及び曲面から構成されてもよい。

【0020】

(探傷フロー)
次に、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法について、図３の探傷フロー図を用いて説明する。

【0021】

まず、ステップ１（Ｓ１）では、サーマルスリーブ１２の材質、形状等を考慮して適切なフェーズドアレイ探触子１を選定し、この選定したフェーズドアレイ探触子１をＳ１面又はＳ２面に対向する位置に、保持部や駆動機構を介して各表面に対して平行に取り付ける。

【0022】

ステップ２（Ｓ２）では、条件入力部６を用いて、探傷屈折角θｉを変化させる場合の変化範囲やピッチ角度等の各種探傷条件を設定する。
その際、第１の面と第２の面との相対角度β及び第１の面～第３の面の形状情報等を考慮して、検査対象領域Ｒの所定の位置に超音波ビームが集束するように、フェーズドアレイ探触子１の複数の振動子２の遅延時間を演算する（図６参照）。

【0023】

ステップ３（Ｓ３）では、フェーズドアレイ探触子１の複数個の振動子２のリニア走査およびセクタ走査による超音波の発信・受信動作すなわち超音波探傷を、検査対象領域Ｒに対し実施する。この超音波探傷により得られた多数の波形データは欠陥部検出部５に出力される。
ステップ４（Ｓ４）では、欠陥部検出部５が波形データから検査対象領域Ｒに存在する亀裂等の欠陥部ｄの検出を行う。

【0024】

ステップ５（Ｓ５）では、欠陥部検出部５が、さらに、ビーム路程Ｗ及び探傷屈折角θｉ等を用いて欠陥部ｄの位置及び大きさを演算し欠陥部の判別・評価を行い、表示部７に表示する。
その際、表示部７では、第１の面～第３の面の形状情報を用いて、検査対象物（サーマルスリーブ１２）の検査対象領域Ｒと欠陥部ｄを表示する。

【0025】

（探傷方法）
次に、上述したステップ３の動作例について具体的に説明する。
図４（ａ）～（ｄ）は、ステップ３におけるフェーズドアレイ探触子１のセクタ走査の動作例であり、図４（ａ）は、ビーム路程がＳ１面からの超音波直射の場合、図４（ｂ）は、ビーム路程がＳ１面から超音波１回反射の場合、図４（ｃ）は、ビーム路程がＳ２面からの超音波直射の場合、図４（ｄ）は、ビーム路程がＳ２面から超音波１回反射の場合をそれぞれ示している。

【0026】

まず、図４（ａ）では、フェーズドアレイ探触子１が、各振動子２からの超音波ビームが検査対象領域Ｒを直射し得るような探傷屈折角θｉでセクタ走査を行う。
次に、図４（ｂ）では、フェーズドアレイ探触子１が、各振動子２からの超音波ビームが検査対象領域Ｒに、Ｂ１面で１回反射した後に到達し得るような探傷屈折角θｉでセクタ走査を行う。

【0027】

次に、図４（ｃ）では、フェーズドアレイ探触子１が、各振動子２からの超音波ビームが検査対象領域Ｒを直射し得るような探傷屈折角θｉでセクタ走査を行う。
そして、図４（ｄ）では、フェーズドアレイ探触子１が、各振動子２からの超音波ビームが検査対象領域Ｒに、Ｂ１面で１回反射した後に到達し得るような探傷屈折角θｉで上記と同様のセクタ走査を行う。

【0028】

すると、検査対象領域Ｒに欠陥部ｄがある場合には、セクタ走査を行っていくにつれて超音波ビームが欠陥部ｄを捉え、ある１つの振動子２からの超音波ビームが欠陥部ｄの一端側（亀裂開口位置）で反射する。
この反射波は発射波と同一の経路を逆向きに辿って同一の振動子２により受信され、反射エコー信号として欠陥部検出部５に出力される。

【0029】

（亀裂開口位置ｄ１及び亀裂先端位置ｄ２の演算例）
次に、図４（ｃ）に示すビーム路程の例に基づいて、欠陥部ｄの位置及び大きさを求める手法を図５（ａ）～（ｃ）を参照しつつ説明する。

【0030】

本実施形態では、欠陥部ｄは、亀裂開口位置がｄ１、亀裂先端位置がｄ２、亀裂の進展角度がθｄとし、欠陥部ｄの位置及び大きさ、すなわち亀裂開口位置ｄ１及び亀裂先端位置ｄ２の座標を、ビーム路程Ｗ２及び探傷屈折角θｉを用いて、以下のように演算する。
ここで、図５（ａ）は反射エコー信号を示す図、図５（ｂ）は超音波路程を示す図、図５（ｃ）は欠陥部ｄの位置及び大きさを判別する際の模式図である。

【0031】

欠陥部検出部５は、反射エコー信号を収集すると、この信号波形のピーク点を亀裂開口位置ｄ１と特定して超音波ビームの入射位置Ｐ０から亀裂開口位置ｄ１までのビーム路程Ｗ２を演算する。

【0032】

次に、本実施形態では、欠陥部ｄの位置及び大きさを判別評価するために、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、水平方向（Ｙ方向）及び垂直方向（Ｚ方向）の座標系を設定し、特定の基準位置からの距離Ｙ、Ｚを演算する。

【0033】

この基準位置は特に限定する必要はないが、本実施形態では、Ｙ方向の基準位置Ｙ０を、サーマルスリーブ１２のＳ１面とＳ２面の境界位置とし、Ｚ方向の基準位置Ｚ０をＳ１面の位置とする。すると、亀裂開口位置ｄ１の位置座標は、これらＹ、Ｚ方向の各基準位置からの距離により特定される。

【0034】

本実施形態において、亀裂開口位置ｄ１の座標をｄ１（Ｙｃ，Ｚｃ）とし、亀裂開口位置ｄ１に到達した超音波ビームのＳ２面上の入射位置をＰ０、探傷屈折角をθｉとすると、亀裂開口位置ｄ１の座標ｄ１（Ｙｃ，Ｚｃ）は以下の式から求められる。

【0035】

Ｙｃ＝Ｗ２・sinθｉ－ｙｃ ……… （１）
Ｚｃ＝Ｗ２・cosθｉ＋ｙｃ・tanα ……… （２）

【0036】

ここで、Ｗ２は入射位置Ｐ０と亀裂開口位置ｄ１との間のビーム路程、ｙｃは基準位置Ｙ０と入射位置Ｐ０間の水平距離、αはＳ２面のＳ１面に対する傾斜角である。
なお、ｙｃはフェーズドアレイ探触子１の位置及び走査駆動される振動子２の位置とＳ１面に対するＳ２面の傾斜角αから直ちに求めることができる。
また、亀裂先端位置ｄ２についても、上述した亀裂開口位置ｄ１と同様な手法で求めることができる。

【0037】

図５（ｃ）は、上述した演算手法で求めた亀裂開口位置ｄ１の位置座標（Ｙｃ，Ｚｃ）と亀裂先端位置ｄ２の位置座標（Ｙｔ，Ｚｔ）を示すとともに、それらの位置座標から欠陥部ｄの位置及び大きさを特定した例を示す説明図である。
ここで、欠陥部ｄの傾斜角θｄは下記の（３）式により求めることができる。
β＝tan-1｛（Ｚt－Ｚｃ）／（Ｙｃ－Ｙｔ）｝ ……… （３）

【0038】

これにより、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法が終了し、評価結果を表示部７に表示する。
なお、上述した実施形態では、図４（ｃ）に示す超音波直射のビーム路程の例について説明したが、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｄ）に示す超音波直射のビーム路程の例についても、探傷屈折角θｉ、外側テーパ角度α及び内側テーパ角度β等のパラメータを用いて欠陥部ｄの位置及び大きさを求めることができる。

【0039】

（効果）
以上説明したように、本実施形態に係る超音波探傷方法によれば、複数個の振動子２によるリニア走査が可能であり、また、複数個の振動子２の超音波発信タイミングを遅延させる制御のみによって探傷屈折角を容易に変化させることが可能であるというフェーズドアレイ探触子の特質を活用し、検査対象領域Ｒに対する超音波直射方法だけでなく、超音波が直達できない面について、超音波入射面と平行でない面での超音波１回反射方法も併用するようにしているので、サーマルスリーブ１２に存在する欠陥部ｄを容易にかつ高精度で検出することができるようになる。

【0040】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0041】

１…フェーズドアレイ探触子、２…振動子、３…超音波探傷部、４…探触子制御部、５…欠陥部検出部、６…条件入力部、７…表示部、１０…原子炉圧力容器、１１…給水ノズル、１２…サーマルスリーブ（検査対象物）、Ｒ…検査対象領域、ｄ…欠陥部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】