内面開口割れ検出とサイジング手法

Russ Minkwitz著
このページでは、試料内面の割れの評価に対する高度な検査とサイジング技法について説明します。一般にこれらの技法は、固有の性質、処理またはサービスに起因するかどうかとは関係なく、粒子間または粒子内の応力腐食あるいは疲労による割れ検査、サイジングなどに応用されています。

概要
一般的な基準や規格によって内面に開口する割れが疑われる結果が検出された場合は、是正する必要があります。この最初のプロセスは、通常検査段階で使用されたものと同一の1.5MHz、2.25MHzまたは5MHzの横波による、斜角トランスデューサが使用されます。信号振幅、立ち上がり時間、エコー振幅高さとパルス幅などを詳細に評価すると、擬似信号が内面形状信号か乱反射信号によるものかなど、本当の傷であるかどうかを判断することができます。

他の評価手法では、単一振動素子によるクリーピング波トランスデューサが使用されます。この手法は、検査が簡単なだけでなく、割れが疑われる部分に関する予備的なサイジング情報も入手できるため、利用される機会が増えています。

単一振動素子によるクリープ波トランスデューサについて
内面クリーピング波を使用した手法で用いられる単一振動素子トランスデューサは、対象となる物質内で縦波70°に屈折するように設計されています。この70°縦波を発生する入射角により、他のモード波が発生します。これらの異なるモード波はすべて相互に関連して、物質内の欠陥の大きさによって異なるエコーパターンを発生します。これらの各要素は、次の3つに分類されます。

縦波：縦波70°は、傷が大きい場合のみ検出表示されます。

横波（30-70-70）：70°縦波とともに30°横波が発生します。この30°横波は、試料の反対側表面に当たると70°の縦波信号として反射します。この「モード変換された」70°縦波は、反射面に当たり、トランスデューサに戻ります。この信号は、三角形の信号伝播経路におけるそれぞれの角度を表した「30-70-70」信号として、知られています。また、この信号は中程度の割れと大きい割れの検出に使用されます。

内面クリーピング波：モード波は、試料の内表面のみに伝搬する表面下の縦波です。内面クリーピング波の信号は、その存在によって内面に開口する割れの存在を裏付ける証拠となるため、「マーカー」と考えることができます。

クリーピング波トランスデューサを使用した較正
クリーピング波の手法が比較的簡単なのは、較正と信号の評価が主に単純なパターン認識の概念に基づいているためです。一般的に、3つの波モードで発生する信号は、反射体の特性や形状によってA-Scan表示されるか、されないかのどちらかです。

較正には、3つの波のうち2つ、つまりクリーピング波と「30-70-70」エコーの位置が関係します。較正は、試験対象の物質と同じ厚さの較正ブロックで行うことをお勧めします。検査対象の割れに接近するため、較正ブロックにノッチを作成します。一般的にノッチの深さは、板厚さの20～80％領域範囲で作成します。較正ブロックは、3つの波モードすべてが表示するような較正に使用します。各信号の伝播時間の差異は、リファレンス用ブロックと試料では、厚さが同じであるため同一になります。較正は、較正ブロックからの「30-70-70」信号は、探傷器画面横軸スケールの4/10番目に現れ、内面クリーピング波信号は5/10番目に現れます。

内面クリーピング波
縦波

この関係が確立されると、クリーピング波トランスデューサを使用して検出および信号識別プロセスが開始されます。クリーピング波には比較的高レベルのエネルギーが含まれ、比較的内面近くに伝搬するため、内面開口割れ欠陥に対して非常に高い感度を示します。ただし、真のレーリー波ではなく、また表面の形状に従うわけでもないため、横波トランスデューサを使用したときに大きく表示される溶接状態に関連する欠陥反射信号に比べると、感度は劣ります。そのため検査する場合は、割れとしての本来の特性を再評価し、試料をスキャンして内面に開口する他の割れの存在を疑うことが必要です。

クリーピング波のトランスデューサでは、各波モードは一定の条件下でのみ表示されるため、予備的なサイジング情報が入手できます。反射源の相対的な大きさは、トランスデューサから受信した信号の種類に関係します。

図1のA-Scanでは、内面クリーピング波の信号のみが表示されています。これは、小さい割れの欠陥があることを示しています。

内面クリーピング波
図1

図2のA-Scanでは内面クリーピング波信号と30-70-70信号の両方を示しています。これは中程度の大きさの割れ欠陥があることを示しています。

内面クリーピング波
図2

図3のA-Scanには、3種類すべての信号が示されています。内面クリーピング波、「30-70-70」信号および70°縦波信号のすべてがあります。これは、大きい割れ欠陥があることを示しています。

内面クリーピング波
70°縦波
図3

超音波の手法には、制限があります。3つの波モードからの信号は、トランスデューサの周波数、ダンピング特性、エレメントサイズおよび検査対象の物質の厚みによって、振幅の関係が異なります。また、検査する金属の種類やODの表面の形状によって入射角が変化し、それによってエコーの振幅の関係も変化します。そのため、この手法では適切な較正ブロックを使用することをお勧めします。

変化の可能性があることから、この手法は定性的アプローチとも呼ばれています。エコーの関係によって、およその傷の大きさが適切に示されますが、反射体の大きさを検証するには、サイジングの手法を使用する必要があります。

サイジングの手法
サイジングのフローチャートの利用
内面クリーピング波の手法を使用して得られた結果から、サイジングのフローチャートを作成することができます。このフローチャートは、検査のサイジング段階で正しい手法を選択するために使用します。

端部信号回折の手法
この手法は、内面から約5～35％の厚さ領域にある小さいクラックのサイジングに使用します。この手法では、クラック先端から信号が到達するまでの時間で、クラックの大きさが判断されます。このプロセスを単純化するため、画面のスケールが傷の大きさに対応するように測定器を校正します。通常、画面の1/5位置には物質厚の20％を表示します。厚さの80％までのクラックの信号を4/5位置、厚さの40％までのクラックの信号を3/5位置に表示するという設定です。また、この手法では、信号の先端がコーナー反射から分離する点に注意します。この分離から入手した情報によって、クラックの大きさの最終的かつ正確な判断が可能になります。A-Scanの例として、図4に厚さの20％の欠陥を示しています。

図 4 端部回折信号 コーナー反射

クラック先端からの信号分解能を向上させるには、一般的に減衰の大きい5MHz、45°または60°横波トランスデューサが使用されます。クラック先端からの信号は比較的弱いため、探傷器をRFディスプレイに設定します。このディスプレイでは、図5のようにS/N比が低い場合にクラック先端の信号が見やすくなります。

端部回折信号 図 5 コーナー反射

Bi-Model手法
この手法は、厚さの30～70％の領域範囲にあるクラックのサイジングに使用します。通常、3MHzのデュアルエレメント・タンデム型トランスデューサが使用されます。プローブから屈折角50°縦波が、前方振動子から対応する横波が伝播され、後方の振動子はモード変換した波を受信します。

このトランスデューサの較正および利用については、端部回折とクリーピング波の手法を組み合わせる必要があります。端部回折の手法と同様、クラック先端からの信号が特定の画面領域に表示されるよう探傷器を校正します。また、この端部回折の手法と同様、異なるモードの分離は、評価 / サイジングのプロセス中に記録され、使用されます。

Hi-Angle縦波の手法
最後の量的なサイジングの手法は、厚さの約60～95％の領域範囲にあるクラックのサイジングに使用します。この手法でもクラックの大きさの目安として、クラックの先端からの信号の伝播時間が使用されます。表面近くに位置するクラックからの信号は、最初のスケール目盛りに合わせて較正し、大きくなるに従ってスケール目盛り数も増やして較正します。これらの表示はクラックの大きさではなく、試験サンプルのクラックのない部分の割合が示されている点に注意します。デュアルエレメント型Hi-Angle縦波トランスデューサには、この技法を採用することをお勧めします。外面クリーピング波トランスデューサは、貫通亀裂を検査するために使用します。

結論
これらの手法で最も重要なのは、単純であることです。音波ビームを理解すれば、内面に開口する欠陥の検査やサイジングは、較正とパターン認識が主な作業となります。また、サイジング技法は、エコーの伝播時間に基づいているため本質的により正確であるのに対して、信号振幅を利用する従来の手法では、入射の状況により大きく変化してしまいます。このような変化は、TOFD法で改善されます。