電力業界における超音波検査について理解する

非破壊検査 (NDT) とは、プロセス中にコンポーネントに損傷を与えることなく、材料の完全性と実用性を保証するための材料の検査を指します。 検査官が使用する非破壊検査方法にはさまざまなものがありますが、エネルギー業界で最も頻繁に使用される技術の 1 つは超音波検査です。

超音波検査 (UT) は、海軍のソナーと同じ原理を使用します。 「音声航行読み取り」の頭字語として生まれたソナーという用語は、水中を通過して物体に衝突すると、音の一部が潜水艦に反射し、物体までの距離を測定します。

第二次世界大戦前、ソナーは初期の超音波検査官にこの概念を他の用途に適用する方法を模索させるきっかけを与えました。 1929 年には金属物体の検出に超音波を使用する研究が行われていました。 1940 年代までに、検査官は単一素子のアナログ パルス エコー プローブを使用する超音波技術を開発しました。

アナログ技術では、UT 検出器マシンからの電気インパルスを圧電的に機械的な音波に変換する単一素子の超音波トランスデューサー (プローブ) を使用して、音がコンポーネント部品に導入されます。 トランスデューサーは、音をブラウン管に表示できる電気インパルスに戻すことによって再変換します。 接触媒質と呼ばれる液体またはゲルは、部品に音を伝達するために使用されます。 工業用検査で使用される最も一般的なタイプの音波は、縦方向 (直線) ビーム波と横方向 (角度) ビーム波で、UT 周波数は 1 MHz ～ 10 MHz です。

ストレートビーム。検査員が直線ビーム (図 1) 波を使用すると、縦波が部品を通して送信されます。 距離があるため、音が内部の反射板に当たると、その音は部品の後壁から戻ってくる音よりも早くトランスデューサーに伝わります。

1. アナログストレートビーム技術。 提供: 米国非破壊検査協会 (ASNT)

アングルビーム。斜角検査では、同じタイプのトランスデューサが使用されますが、角度を付けたウェッジに取り付けられ、音響ビームを既知の角度で部品に送信します。 たとえば、斜角探触子とウェッジの組み合わせが溶接部に向かって前後に移動するため、音響ビームが溶接部を通過します。 直線ビームの場合と同様に、音響ビームに対してほぼ垂直に配置された反射板が音響をトランスデューサーに送り返します。 これは UT 検出器の画面に表示されます。

進歩する非破壊検査 (NDT) 業界では、ますますデジタル テクノロジーが台頭する傾向が見られます。

フェーズドアレイ。一般的なデジタル技術であるフェーズド アレイ超音波検査 (PAUT、図 2) では、個別に起動できる複数の要素を備えたトランスデューサーを使用して、検査員が音響ビームを操作できるようにします。 結果として得られるデータは、検査された部品の視覚的な画像を形成します。

2. 超音波検査 (UT) とフェーズドアレイ超音波検査 (PAUT) 技術の比較。 提供: ASNT

PAUT を使用すると、ビームはコンポーネントを適切な角度でマッピングできます。 このプロセスにより、複雑な形状の検査が簡素化されます。 トランスデューサの設置面積が小さく、プローブを移動させずにビームを掃引できるため、アクセスが制限されているコンポーネントの検査に役立ちます。 このタイプの部分スキャンは、溶接検査では一般的です。 単一のプローブを使用して複数の角度で溶接をテストできるため、探傷の可能性が高まります。

電子集束により、予想される欠陥位置でのビームの形状とサイズを最適化できます。 焦点を合わせると、粒子の粗い素材の信号対雑音比も向上します。 C スキャン画像を非常に迅速に生成できます。 この技術は通常の UT よりも効果的ですが、フェーズド アレイ システムは高価な機器であり、UT 担当者には追加のトレーニングと能力が必要です。

フル マトリックス キャプチャ (FMC)。 FMC は、PAUT トランスデューサのあらゆる送信と受信の組み合わせをキャプチャできるデータ収集戦略です。 PAUT システムは、特定の遅延則を使用して制御された方法でコンピューターによって励起される複数の要素 (通常は 16 ～ 128 個) を備えたプローブを使用します。 受信後、各要素の寄与が合計されてスキャンが生成されます。

FMC では、プローブ内の各アレイ要素が単一の送信機として順次使用され、すべてのアレイ要素が受信機として使用されます。 アレイ内のすべての送信機と受信機のペアから A スキャン信号をキャプチャして保存することで、任意の焦点ビームのイメージングを生成し、最新の後処理アルゴリズムを適用することができます。

欠陥は、製造、製造、および/または運用の段階で発生する可能性があります。 使用中に予想される欠陥の種類は、製造または製造中に発生する欠陥とは異なります。

製造および製造上の欠陥。アナログ超音波検査と放射線検査 (RT) は、製造業および製造業で使用される 2 つの主要な容積測定 NDT 方法です。 従来の UT でも検出とサイジングは可能ですが、これらの方法で観察される痕跡や欠陥は 2D で表示されます。 材料およびコンポーネントの仕様における NDT 要件の合格基準は、通常、1/8 インチまたは 3.18 ミリメートルを超える表示がないなど、許容される長さまたは面積サイズの観点から示されます。 材料加工の欠陥には 4 つのカテゴリがあります。

合格基準を超える欠陥があるものは、交換または修理され、再検査されます。 UT と PAUT はどちらも製造および製造段階で使用されますが、UT の方が一般的な方法です。

サービス中の欠陥。製造や製造上の欠陥とは異なり、使用中の欠陥は、プラントの配管システム内の熱膨張、周期的な動き、および攻撃的な流体によって発生します。 流体は粒界応力亀裂を引き起こす可能性があります。 配管の腐食。 周期的亀裂と熱亀裂。 コンポーネント、材料、または溶接部および熱影響部 (HAZ) の亀裂。 プラントが停止した場合、状況を評価して対処するために定期的なメンテナンスが行われます。 超音波 (PAUT/FMC) は、使用中の欠陥を評価するために使用される主な容積測定 NDT 方法です。 そのため、PAUT は RT に代わって、好ましい検査方法として選ばれています。 その理由としては次のようなものが挙げられます。

プラントまたはステーションの最初の建設および製造中に、所有者、政府機関、および保険会社は、運用段階に引き継がれる関連基準を実装します。 米国国家規格協会 (ANSI) および米国機械学会 (ASME) の重要な電力業界規定および標準には、ANSI B31.1 動力配管、ASME ボイラーおよび圧力容器規定 (BPVC) セクション I 動力ボイラー、ASME BPVC セクション VIII (ディビジョン 1 および 2) 圧力容器、ASME BPVC セクション III 原子力建設、および ASME BPVC セクション XI 原子力稼働中。

標準は、ユーザー、規制当局、専門家協会のメンバー (マネージャー、エンジニア、技術者) を含む業界のボランティアによって作成および更新されます。 業界が技術の進歩を観察すると、ボランティアはそれらの改善を認識し、社会標準に採用します。

コードは規制当局によって承認された標準であり、法律に「参照により組み込まれる」ものです。 コードは通常、法律または規制の中で引用されます。 したがって、規範には法律による強制力があるため、エンジニアリング仕様書、入札パッケージ、および契約書に引用されます。

標準やコードの改善を採用するときに発生する手順は、技術協会全体で同様です。 通常、「コードケース」は該当する標準委員会に提出されます。 過去に、UT-PAUT は次のようなコード ケースとしてさまざまな標準委員会に紹介されました。

N 659-2 は、規制当局が部分的に同意しないものの、社会がコードケースを「承認」した例です。 コード ケース N 659-2 では、超音波 NDT 法を X 線撮影技術に置き換えることができます。 ASME の委員会は当初、コード ケース N 659-2 を承認していましたが、独自の審査の後、原子力規制委員会はコード ケースを部分的にのみ承認しました。 連邦法の遵守は原子力発電所の所有者に課せられ、契約上は原子力事業者へのすべての供給業者および下請け業者に引き継がれます。

NDT 検査官にとって、電力およびプロセス配管業界で適切な UT-PAUT 評価を実施するには、資格と認定が必要です。 動力配管 (B31.1) およびプロセス配管 (B31.3) コードには、設計、材料、寸法要件、製造、組み立て、組立、検査、試験、およびテストに対処するセクションが含まれています。 検査セクションでは、ASME BPVC セクション V 非破壊検査を参照しています。 これにより、娘文書の要件が契約上のものになります。

ASME BPVC セクション V 第 1 条 (必須付録 II 付き) では、UT-PAUT 要員の要件を含む、NDT 要員資格の一般要件が引用されています。 また、米国非破壊検査協会 (ASNT) の文書 SNT-TC-1A (2016 年版) も組み込まれており、ASME V、第 4 条、必須付録 III によって修正されています。 または、ASME V、第 4 条、必須付録 IV によって修正された ANSI/ASNT CP-189 (2016 Edition)。

米国には92基の原子力発電所が稼働している。 原子力産業では、使用前および使用中の非破壊検査が義務付けられており、施行された規定に従う必要があります。 ASME BPVC セクション XI は、原子炉格納容器内のプラント システムを管理します。多くのプラントでは、原子炉格納容器、加圧器、蒸気発生器、主蒸気配管、原子炉冷却材配管が含まれます。 コード要件を満たすために、UT-PAUT 担当者は ASME BPVC セクション XI の付録 VII および VIII で修正された ASNT CP-189 に従う必要があります。

基本的な UT 人材資格プログラムを満たしている雇用主は、CP-189 および付録 VII に従う必要があります。 UT および PAUT の担当者は、ほとんどの封じ込めコンポーネントを検査する際に、付録 VIII の必須補足事項の資格を取得することも求められます。 通常、担当者は電力研究所 (EPRI) の資格を取得することでこれらの認定を取得します。 主補助建屋やタービン建屋などの原子力発電所の他の建屋は、バランス オブ プラント (BOP) と呼ばれ、ANSI B31.1 に準拠した UT および PAUT 試験に使用されます。

1940 年代以来主に使用されてきたアナログ超音波単一素子ストレート ビーム トランスデューサーは、リアルタイムの欠陥画像の位置、サイズ、作成ができるコンピューター制御の 64 ～ 128 素子のトランスデューサーに進化しました。 業界の変革には、新しく進歩するテクノロジーを標準や規格に組み込むボランティアや専門家団体の熱心な努力が不可欠です。 ASNT のような組織がコード要件をサポートするためにトレーニング プログラムに新しいテクノロジーを導入すると、UT-PAUT の担当者は最新の検査知識とスキルを身につけることができます。

—AM（マーティ）・ヴェンツィヒ米国非破壊検査協会 (ASNT) フェローであり、ASNT の権利擁護委員会メンバーでもあります。 現在は引退していますが、ウェンツィヒ氏は高度な資格を持つ NDT 検査官、教育者、検査官でした。 ウェンツィヒ氏は、1999 年から 2020 年まで工業試験研究所サービスの社長兼 CEO を務めました。

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