巻頭言

「高温環境における非破壊検査の現状と展望」特集号刊行にあたって　　内一　哲哉

　構造物の使用時における安全と安心をさらに高めるための将来の研究開発の方向性として，
１）製造時検査の高信頼化による供用期間中検査のコストの低減，
２）定期検査からオンラインモニタリングへの移行，
の2 点が重要であると考えられます。検査コストの低減と，検査のリソースの最適な分配を可能とし， 最終的にシステム全体のリスク低減につながるためです。一方でいずれの場合も，プロセスや運転時 のモニタリングが必要となり，多くの場面で，高温環境における，温度，ひずみ，圧力，き裂などの様々 なパラメータを計測する必要性に迫られます。
　新素材に関する非破壊試験部門では，「安全・安心な社会を築く先進材料・非破壊計測シンポジウム」 を開催しておりますが，平成24 年度より東北大学流体科学研究所「次世代高温環境センサ研究会」と 合同でシンポジウムを開催し，高温領域でのセンサの動向についても視野に入れて検討を進めており ます。
　上記の「次世代高温環境センサ研究会」では，年に数回の研究会を開催し，高温で様々な物理量の 計測を必要としている産業界の方々と，高温領域でのセンサのシーズを有する研究者が集い，各種産 業において求められている高温環境に耐えうるセンサの可能性と今後の開発の動向について議論して おります。本特集号では，研究会での調査活動内容についてご紹介いただくと共に，高温環境におけ る非破壊検査の分野や高温機器の開発でご活躍されている第一人者の方々に，ニーズとシーズについ て執筆していただきました。
　高温環境センサを開発するために必要な技術は多岐にわたり，分野横断型の研究開発が必要である と思われます。また，様々な現場において高温環境センサが求められていることから，センサが満た すべき要件も多岐にわたっております。このため，課題を明らかにし，その課題を多くの研究者で共 有することが難しい分野であるかも知れません。
　今回ご執筆いただいた方々には，技術開発の特長だけではなく，課題や制約条件などについても， 解説していただいております。高温環境における計測という，古くからの挑戦的な課題について，読 者の皆様のお役に立てれば幸いです。

 

 

解説　高温環境における非破壊検査の現状と展望

次世代高温環境センサの展望と産業応用
　高木　敏行　　　東北大学流体科学研究所
庄司　一夫 （株）インテリジェント・コスモス研究機構（現 東北電力（株））
和佐　泰宏 （株）神戸製鋼所 米津　豊作 旭硝子（株）
冨田　健夫 （独）宇宙航空研究開発機構 風岡　　学 （株）岡崎製作所
永井　大樹 東北大学大学院工学研究科 町島　祐一 （株）レーザック
内一　哲哉 東北大学流体科学研究所

Perspectives on the Next Generation Sensors for Super-high Temperature
Environment and Their Industrial Applications
Tohoku University Toshiyuki TAKAGI
Intelligent Cosmos Research Institute (Present Tohoku Electric Power Co., Inc.) Kazuo SHOJI
Kobe Steel, Ltd. Yasuhiro WASA
Asahi Glass Co., Ltd. Housaku YONETSU
Japan Aerospace Exploration Agency Takeo TOMITA
Okazaki Manufacturing Company Manabu KAZAOKA
Tohoku University Hiroki NAGAI
LAZOC Inc. Yuichi MACHIJIMA
Tohoku University Tetsuya UCHIMOTO

キーワード　高温環境センサ，ニーズ，シーズ，産業応用

１.　はじめに
　大型の各種エネルギープラント，鉄鋼プラント等では，500℃を超える高温域で連続運転され，安全，安心に直結する 重要機器が多数存在する。また，温度管理が製品の質に直結する場合もある。しかしながら，これらの温度領域で様々な パラメータを計測する要望がありながら，これらのセンサに対しては，あまり研究開発対象として注目されることはなかっ た。その理由として，１）シーズ側がニーズを知らないために研究開発を進めていない，２）ニーズ側は，計測すること なくノウハウにより生産管理を行っているか，あるいは困難な計測に挑んでいない，３）標準化がされていないので使用 をためらう，などが考えられる。しかしながら，高温環境で測定可能な温度のみでなく，圧力，変位，厚さなどの計測が 可能になれば，製品や設備の管理合理化による産業上のインパクトは非常に大きいものになると予想される。
　以上を踏まえ，「次世代高温環境センサ研究会」が東北大学流体科学研究所公募共同研究（共同研究集会）の枠組みにお いて平成23 年度に組織され，高温での様々な物理量の計測を必要としている関係者と高温領域でのセンサのシーズを有す る関係者が集い，各種産業において求められている500℃以上の高温環境に耐えるセンサの可能性と今後の開発の動向に ついて議論してきた１）。
　具体的には下記について調査を実施している。
１）各産業の潜在ニーズの調査
現在適用されている高温センサの現状調査
超高温センサに関する潜在ニーズの調査
２）産業界，学界における研究開発の調査
既にR ＆ D が完了している超高温センサの調査
現在開発中の超高温センサの調査
３）研究開発テーマの探索
研究開発目標，研究開発内容の具体化
　本稿は，これまでに開催された次世代高温環境センサ研究会の講演会，幹事会，さらに研究者，企業へのアンケートの 成果をまとめたものである。具体的には，高温環境センサ技術のニーズとシーズに関する調査結果を報告するとともに， 高温環境での計測を必要とする代表的な産業における高温環境センサの現状と，現在の高温環境センサの技術開発の現状 と展望についてまとめる。

 

 

Design, Development and Application of EMAT in Warm
and Hot Conditions

Chair for Non-destructive Testing and Quality Assurance (LZfPQ), Saar University
Gerd DOBMANN

Abstract

The presented information is a summary of research and development (R&D) results to electromagnetic acoustic transducers (EMAT) and ultrasonic non-destructive testing (UT-NDT) which were obtained by Hans-Juergen Salzburger3) and his working unit during his active time (1975–2012) first as researcher and then as department head and business unit responsible in the Fraunhofer Institute for Non-destructive Testing (IZFP) in Germany. The special emphasis of the contribution is to illuminate the advantages of EMAT application in warm and hot environment, but without hiding the disadvantages and restrictions in use. A case study to a nuclear power plant application as a part of controlling the boiling process in a boiling water reactor pressure vessel (BWR-PV) is discussed as well as the NDT task of detecting surface-breaking irregularities in continuous cast hot steel slabs in the steel plant. The author in his former role as division director in the IZFP has especially stimulated R&D to material characterization by NDT use during his active time (1975–2012). Therefore his especially selected contribution to the paper is to fatigue damage characterization at elevated service temperatures (300°C) of austenitic stainless steel. The paper is organized according to the following structure: after an introduction which generally introduces the EMAT technology compared with the piezoelectric ultrasonic testing (UT), the case studies are presented before finalizing the discussion in conclusions.

Keyword　Ultrasonic testing, Electromagnetic acoustic transducer, Warm and hot applications, Water-level controlling,
Inspection of hot continuous cast steel slabs, Online fatigue monitoring of austenitic stainless steel

１.　Introduction
　In solid-state materials ultrasonic waves propagate in different wave modes１）. We separate in so-called bulk waves and guided waves２）.Figure 1 shows the propagation of bulk waves; three polarizations are possible.
　We have the compressional (C) wave also called longitudinal (L) wave with particle displacement in the incident plane and in the propagation direction, the shear vertical (SV) wave with particle displacement in the incident plane and perpendicular to the propagation direction. Because of the elastic properties, both wave types always exist in combination. The third type of bulk wave is the shear horizontal (SH) wave with particle displacement perpendicular to the incident plane and perpendicular to the propagation direction. SH-modes can exist and propagate independently, apart from longitudinal modes. The main interaction of L and SV modes at free surfaces is by refraction, named according to Snell,s law. Depending on the angle of incidence and the elastic properties of the adjacent materials mode conversion can also take place. The bulk waves are also named free waves as they are not asking for special boundary conditions at surfaces and interfaces of the test objects. These boundary conditions are relevant for the generation and propagation of guided waves in special geometries acting as wave guides. We separate – depending on the wave guide geometry – in the surface acoustic wave (Rayleigh wave), rod waves, tube waves and plate waves of which also longitudinal and shear modes exist which can have symmetric or anti-symmetric particle displacement in relation to the governing symmetric line of the geometry, for instance the axis of the tube or rod or the mid-plane of a plate. However, the excitation and propagation condition of these guided waves generally ask for a wave length λ which is larger than or equal d, the governing geometry parameter, i. e. the plate thickness, the tube wall thickness or the rod diameter ( d #λ ). Furthermore we can find interface waves in layered media. Here the existence and propagation of these wave types are controlled not only by the layer thickness but by the elastic properties in the neighbored media, too.
　Guided waves have the advantage – compared with the bulk waves – due to increased sensitivity by one order of magnitude. This, in other words, means: if size of the ultrasonic scattering object is assumed to have the value a and the wave length is λ , then the interaction of bulk waves with the object is optimal if
　　a/λ = 1　　　…………………………………………（１）
　In the case of the guided waves, the optimal interaction is obtained for values of this ratio much smaller than 1, for instance in the case of the surface acoustic wave ( Rayleigh wave), if
　　a/λ = 0.1 ３）　　………………………………………（２）
　That is the reason why, especially in the last decade in NDT and in structural health monitoring (SHM), the inspection with guided waves became popular as for instance in pipelines inspection tasks of the petroleum and refinery industry, inspection ranges of some 10 m are obtained４）without moving the transducer. At the pipe the isolation has to be only removed locally where the transducer ring is applied for transmitting and receiving the waves and large costs for scaffolding can be saved at the pipe４），５）

 

 

 

高温用超音波探触子の開発と適用例
　　　荒川　敬弘　　　（株）IHI 検査計測 杉野　　亘 日本原子力発電（株）
荒　　邦章/平林　　勝 （独）日本原子力研究開発機構

Applications of Ultrasonic Probes for High Temperature Use
IHI Inspection & Instrumentation Co., Ltd. Takahiro ARAKAWA
The Japan Atomic Power Company Wataru SUGINO
Japan Atomic Energy Agency Kuniaki ARA and Masaru HIRABAYASHI

キーワード　超音波探傷試験，モニタリング，原子力機器，高温用探触子，減肉測定，超音波流量計

１.　はじめに
　超音波探傷試験に用いられる探触子には圧電素子が用いられており，探触子内に取付けるのに接着剤が用いられてきた。 このため，探触子の使用は，接着剤の劣化の生じない常温近傍での探傷や，比較的瞬時に行う高温での肉厚計測に限られ ていた。
　一方，高温構造物のより合理的な保全手法が望まれてきており，高温での劣化の監視や劣化速度の検証に超音波探傷を 活用することが望まれている。また，次世代の高温機器・構造物を開発する目的で，高温での超音波計測に期待が寄せら れている。例えば，次世代型として開発が進められている高速増殖炉では，従来の電磁流量計に代わるガイド棒不要のコ ンパクト型超音波流量計の適用など，高温超音波技術の進展による技術のブレークスルーが期待されている。
　著者らは，従来の探触子の耐熱性を飛躍的に改善することを目的として，圧電素子の取付けを接着剤によらずにろう付 で行うことで高温用の探触子を開発してきた。ここでは，開発したろう付による高温用探触子の概要と，適用事例につい て紹介する。

 

火力発電における高温センサ計測ニーズ
　 　　森永　雅彦　　　　（一財）電力中央研究所

Needs of High Temperature Sensors in Thermal Power Plants
Central Research Institute of Electric Power Industry Masahiko MORINAGA

キーワード　ボイラ，ガスタービン，クリープ，高クロム鋼，硫化腐食，スケール

１.　はじめに
　電気事業における火力発電は，燃料種，燃焼方式により多様な構成を持ち，構成機器の置かれた環境，問題となる性能 劣化や損傷形態も様々である。本稿では，電気事業における火力発電を汽力発電，ガスタービン複合発電に分け，それぞ れの高温センサによる計測ニーズを数例紹介する。