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高温下における超音波検査


背景:ほとんどの超音波探傷と厚さ測定は、通常の環境温度で実施されますが、高温材料の検査が必要となる場合も多くあります。このような検査が最も多く行われるのは、金属パイプやタンクを冷却のために休止することなく検査する必要がある加工業界です。また、製造直後の押出成形プラスチックパイプや熱成形プラスチックなどの高温材料を扱う製造状況や、完全冷却前の金属インゴットや鋳造品の検査も含まれます。従来の超音波探触子は、約50°Cまでの温度に耐えます。それより高い温度では、熱膨張による内部剥離が原因で、最終的に破損に至ることになります。対象となる試験材料が約50°Cよりも高温である場合は、高温用探触子および特殊な検査手法を採用する必要があります。

このアプリケーションノートには、高温用探触子とカプラントの選択、およびそれらの使用に関する重要な要素に関して簡便な参照情報が含まれています。ここでは約500°Cまでの温度における材料の従来型超音波検査を対象としています。それ以上の温度を対象とする研究用途においては、極めて特殊なガイド波手法が使用されます。それらはこのアプリケーションノートの対象外です。

1. 探触子
オリンパス(パナメトリクスNDT)の高温探触子は、二振動子型探触子と遅延材付き探触子の二つのカテゴリーに分けられます。いずれの場合も、遅延材(二振動子型の場合は内蔵)が、作動中の探触子素子と高温の検査表面の間の熱絶縁物として機能します。設計上の理由から、標準の製品ラインには高温用の直接接触型または水浸型の探触子は存在しません。高温用の二振動子型および遅延材付き探触子は、厚さ測定および探傷用途の両方で使用可能です。すべての超音波検査と同様、所定の用途に合った最適な探触子は、材料、厚さの範囲、温度を含む具体的な検査要件によって決まります。探傷の場合は、関連する欠陥の種類とサイズも要件に加わります。

(a) 厚さ測定
高温厚さ測定の最も一般的な用途は腐食調査作業であり、38DL PLUS45MGなどの腐食用厚さ計で高温のパイプとタンクの残存金属の厚さを測定します。オリンパスの腐食用厚さ計に使用するために設計された探触子のほとんどは、高温での使用に対応しています。一般的に使用されるD790シリーズの探触子は、500°Cまでの表面に使用できます。温度仕様を含む腐食検査用の二振動子型探触子の完全なリストについては、Corrosion Gage Dualsを参照してください。

38DL PLUSまたは一振動子ソフトウェアオプション付きの45MGを使用して、高温のプラスチックなどの精密な厚さを測定する場合は、M200シリーズ(厚さ計のデフォルト探触子M202、M206、M207、M208)のすべての標準Microscan遅延材付き探触子を高温遅延材とともに装備することができます。遅延材DLHT-1、-2、および-3は、260°Cまでの表面に使用できます。遅延材DLHT-101、-201、および-301は、175°Cまでの表面に使用できます。これらの遅延材のリストはDelay Line Option Chartに示されています。

浸透性を高めるために低周波数探触子を使用するような測定困難な用途では、Videoscan Replaceable Face探触子と適切な高温用遅延材も、ハイペネトレーション(HP)ソフトウェアオプションが組み込まれた38DL PLUSおよび45MG厚さ計とともに使用できます。この場合、探触子のカスタムセットアップが必要になります。このシリーズの探触子用の標準遅延材は、480°Cまでの表面に直接接触して使用できます。探触子と遅延材の全リストについては、Replaceable Face Transducersを参照してください。

(b) 探傷
高温用厚さ測定の用途と同様に、高温探傷でも二振動子型または遅延材付きの探触子が最も一般的に使用されます。オリンパス(パナメトリクスNDT)用の標準探傷二振動子型探触子はすべて、高温で使用できます。周波数が5MHz以下であるFingertip、Flush Case、およびExtended Range二振動子型探触子は約425°Cまで使用でき、高周波数二振動子型探触子(7.5および10MHz)は約175°Cまで使用できます。このカテゴリーの探触子の全リストについてはFlaw Detection Dualsを参照してください。

すべてのVideoscan Replaceable Face探触子は、適切な高温用遅延材とともに探傷用途に使用できます。このシリーズの遅延材付き探触子は、480°Cまでの高温の表面に使用できます。各種最高温度に適した探触子と遅延材の全リストについては、Replaceable Face Transducersを参照してください。

薄い材料が対象となる用途では、V200シリーズ(最も一般的なのはV202、V206、V207、およびV208)の遅延材付き探触子が最適であることが多く、そのすべてに高温用遅延材を装着できます。遅延材DLHT-1、-2、および-3は、260°Cまでの表面に使用できます。遅延材DLHT-101、-201、および-301は、175°Cまでの表面に使用できます。これらの探触子および遅延材のリストは、Delay Line Transducer Listに示されています。

斜角探触子とともに使用する特殊な高温用ウエッジも用意されており、ABWHTシリーズは260°Cまで、ABWVHTシリーズは480°Cまで使用できます。購入可能なサイズについての詳細は、お近くのオリンパスまでご相談ください。

2. カプラント
プロピレングリコール、グリセリン、および超音波用ジェルなどの一般的な超音波カプラントは、約100°Cよりも高温の表面で使用した場合は短時間で蒸発します。そのため高温における超音波検査には、沸騰、燃焼、または有毒ガスの発生のない、安定した液状もしくはペースト状を保つように特別に形成されたカプラントが必要です。使用に指定された温度範囲を認識し、その範囲内のみで使用することが重要です。高温用カプラントをその温度範囲外で使用すると音響性能が低くなり、安全上での危険にもつながります。

極めて高温では、特殊な高温専用のカプラントでさえ乾燥や固形化で超音波エネルギーを伝達しなくなる恐れがあるため、迅速に使用する必要があります。乾燥したカプラントの残りは、次の測定までに検査表面および探触子から除去してください。

市販の横波用カプラントは液化し、横波を伝搬するのに必要な高粘度を失うため、通常の垂直入射横波の音響結合は高温では不可能です。

オリンパスでは、以下の2種類の高温用カプラントを提供しています。

カプラントG - 315°Cまでの温度に使用できる中温用カプラント。

カプラントH - 開放的な環境下で510°Cまでの温度に使用できる高温用カプラント。

自動引火の可能性がわずかにあるため、中温用と高温用のカプラントを換気されていない領域では使用しないでください。詳しくはお近くのオリンパスまでお問い合わせください。

オリンパスが提供するカプラントの全リストとそれぞれに関する詳細については、超音波カプラントに関するアプリケーションノートを参照してください。

3. 検査手法
あらゆる高温用途における検査手順の確立には、以下の要素を常に考慮に入れる必要があります。

負荷サイクル:すべての標準の高温用探触子は負荷サイクルに配慮して設計されています。遅延材は探触子の内部を絶縁しますが、極めて高温な表面に長期間接触すると著しい熱の蓄積を生じ、内部温度が高温になった場合に探触子が結果として永久的に損傷します。ほとんどの二振動子型および遅延材付きの探触子では、表面温度が約90°C~425°Cの場合に推奨される負荷サイクルは、高温表面との10秒以下の接触(推奨は5秒)後、最低1分間の空冷です。これは単に指標であることに注意してください。接触時間と冷却時間の割合は、所定の探触子の規定された温度範囲の上限ではより重大です。一般的な規則として、探触子の外側のケースが素手で触れるにはあまりに熱くなりすぎている場合は、探触子の内部温度は破損の可能性のある温度に達しており、検査を継続する前に探触子を冷却する必要があります。冷却プロセスを早めるために水冷を採用しているユーザーもいますが、オリンパスでは公式には水冷のガイドラインを示しておらず、その妥当性は個々のユーザーの判断に委ねられます。

オリンパスのEPOCHシリーズ探傷器とすべての厚さ計にはフリーズ機能があり、表示された波形と読み取り値をフリーズすることができます。オペレーターが読み取り値を把握し、高温表面から探触子を素早く取り外すことができるため、フリーズ機能は高温測定では非常に便利です。厚さ計で高速スクリーン更新モードを使用して、接触時間を最小限にする必要があります。

カップリング手法:探触子の負荷サイクル要件と、カプラントの使用可能な温度範囲の上限における固化または蒸発の傾向とが組み合わさり、オペレーター側の迅速な作業が必要となります。多くのユーザーが見つけた最良の方法によると、探触子の面に一滴のカプラントを滴下し、ねじったり擦り合わせたり(これにより探触子が摩耗します)せずに検査面に探触子を強固に押しつけます。乾燥したカプラントの残留物は、測定と測定の間に探触子の先端から除去してください。

ゲインの増加:厚さ計38DL PLUS45MGは、EPOCHシリーズのすべての探傷器と同様に、ユーザーが調整可能なゲインの増加機能が装備されています。高温測定には高い減衰が伴うため、測定を行う前にゲインを高めると効果的です。

音速の変動:全ての材料内の音速は温度によって変動し、材料の温度が高くなると低速になります。高温材料の精密な厚さ測定には、常に音速の再校正が必要になります。鉄鋼の場合、音速は温度の55°Cの変動ごとに約1%変動します。(正確な値は合金によって異なります。)プラスチックやその他のポリマーの場合、この変動ははるかに大きく、融点まで55°Cの変動ごとに50%に達する可能性があります。材料についての温度/音速のプロットが入手できない場合は、実際の検査温度で検査材料のサンプルに対して音速の校正を行う必要があります。厚さ計38DL PLUSでは、温度補正ソフトウェア機能を使用して、プログラムされた温度/音速の定数に基づき、認識されている昇温に合わせて音速を自動的に調整できます。

ゼロ点再校正:二振動子型探触子で厚さ測定を実施する際は、遅延材内を伝播する時間の変動が原因で、所定の探触子のゼロ補正値が温度とともに変動することに留意してください。そのため、測定の正確性を維持するには、定期的な再ゼロ調整が必要です。オリンパスの腐食検査用厚さ計では、機器の自動ゼロ点調整機能で迅速かつ簡単に実施できます。セカンドファンクション>自動ゼロ調整キーの順に押すだけです。

減衰の増大:すべての材料内の音の減衰は温度とともに大きくなり、その影響は金属や陶器よりもプラスチック内ではるかに顕著です。一般的な細粒炭素鋼合金内では、室温における5MHzでの減衰はビーム路程の片道100mmにつき約2dB(50mmの往復の経路に相当)です。500°Cでは、減衰は100mmのビーム路程につき約15dBに増加します。この影響により、高温で長いビーム路程を検査する際には、厚さ計のゲインを著しく増加させて使用する必要があり、室温で設定した距離振幅特性(DAC)曲線、または時間変動ゲイン(TVG)プログラムに対する調整も必要となります。

ポリマーにおける温度/減衰の影響は材料によって大きく異なりますが、一般的に前述の鉄鋼の数値の数倍になります。特に高温の長い遅延材は、検査における全体的な減衰の大きな原因になることがあります。

ウエッジにおける角度の変動:あらゆる高温のウエッジにおいて、ウエッジ材内の音速は温度が上がるにつれて減少するため、金属内の屈折角はウエッジの温度が上がるにつれて大きくなります。所定の検査でこのことが問題になる場合は、実際の運用温度における屈折角を検証する必要があります。実用上の問題として、検査中に温度が変動すると、実際の屈折角を正確に判断することは難しくなります。

Olympus IMS

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EPOCH 650は、さらに高性能な探傷機能を備え、幅広い用途に対応した従来型超音波探傷器です。 人気のEPOCH 600探傷器の後継機で、さらに機能を追加し、堅牢設計でより操作しやすくなりました。
45MG高性能超音波厚さ計には、標準的な測定機能およびソフトウェアオプションが搭載されています。この独自設計の厚さ計は、当社の二振動子型および一振動子型の厚さ測定用探触子すべてに対応しています。
多用途に対応可能な38DL PLUS™厚さ計は、二振動子型探触子を使って腐食したパイプの厚さを測定したり、一振動子型探触子を使って薄い材料または多層材料を極めて正確に測定したりすることが可能です。

27MGベーシック超音波厚さ計は、内部腐食や浸食した金属パイプや部品の片側から正確に厚さを測定できるよう設計されています。軽量で堅牢性があり、片手で簡単に操作できるよう人間工学に基づいたデザインです。

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