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TOFDによる高密度ポリエチレン(HDPE)配管の突合せ溶着接合部の検査


背景

高密度ポリエチレン(HDPE)配管は、卓越した耐腐食性と耐浸食性を持つことから、石油化学や電力産業、鉱業などの分野で鋼に代わる配管材料として使用されています。近年では、原子力施設の安全にかかわる冷却水配管にも使用されています。原子力分野での品質保証要件を満たすことが必要なアプリケーションにおいては、融着接合部の健全性に対する適正な保証が必要となります。TOFD(time of flight diffraction:超音波伝播時間回折)は融着接合部の検査を簡単にできる非破壊検査法の一つであり、この手法の適用によって融着接合の健全性に関して今まで以上の保証を得ることができます。

問題

HDPEの接合プロセスで起こり得る主な欠陥は次のとおりです:
融合不良、低温融着(部分的な接着)、異物封入(異物の埋め込み)、空隙の発生。
現在のところ、不良として棄却すべき欠陥の種類とサイズについて業界の定義付けはされていませんが、多くの場合、このようなHDPE接合部の欠陥を検出するために非破壊検査の実施が求められています。

その一方で、HDPE系材料の特有な性質が検査を難しくしているという問題があります。HDPE材料の音響インピーダンスと音速は、超音波ウエッジ用として一般に使用される材料と類似しているため、両者の界面で適当な大きさの屈折を発生させるのが難しくなります。これに加えて、Rexoliteウエッジと材料間のカップリングも困難です。さらに、HDPE系材料は金属と比較して音波を強く減衰させるため、多くの場合、高周波の超音波が使用できません。またこの材料は、高域周波数を除去するという特性を備えています。これらの問題を解決するため、TOFD給水ウエッジに低周波数探触子を取り付けるという手法が用いられます。

Cross section of an HDPE fusion joint
HDPE突き合わせ融着接合部断面

装置

この検査では以下の装置を使用しました:

  • OmniScan(TOFD対応モデル)
  • C542-SM、またはC546-SMセントラスキャン(振動子直径6.25mm/0.246インチ、周波数2.25MHzおよび3.5MHz)
  • TOFD(ST1))60L給水ウエッジ
  • CHAINスキャナー(セミオート) x 1
  • 給水システム x 1、CFU03または同等品

オプション装置

  • プリアンプ5682(500kHz~30MHz/30dB)

OmniScan MXU inspection set up
検査設定
water wedgewater wedgewater wedge
給水ウエッジ

標準的な手順

HDPEの検査では標準的なTOFDの操作手順をそのまま使用できますが、このケースでは同時に以下の仕様を満たすものとします:

  • ビームが肉厚の66%の位置で交差するようにPCS(探触子の中心合わせスペース)を調節します。検査対象が肉厚の大きなパイプであり、特にODまたはID表面近傍での検出感度を向上させたい場合、さらに設定を工夫してください。
  • 探触子をCHAINスキャナーに取り付けます。
  • OmniScanの電子回路ゲインを調節して、横波(LW)信号を60%に設定します。
  • CHAINスキャナーをパイプに取り付け、パイプ周りを一回転させて検査を実施します。

TOFD (time-of-flight diffraction) pattern of butt-fusion joint HDPE

HDPE材料の突き合わせ融着接合部のTOFDパターン

結果

下に示す画面(A-スキャン画像と、周辺領域を示すB-スキャン画像)は、肉厚25mm(1インチ)のHDPEサンプルから取得したものです。このサンプルには、深さ11.6mm(0.456インチ)から2.9mm(0.114インチ)までのID校正用ノッチが作られています。部材内に作られた3種類のノッチは、いずれも優れたSN比で明瞭に検出されています。

A-Scan screen

次の画面は、直径150mm(5.9インチ)、肉厚16mm(0.629インチ)のHDPEパイプ突き合わせ融着接合部に、空隙や異物が存在することを明瞭に示しています。

Presence of voids on HDPTE butt-joint

この画像から、HDPEパイプ突き合わせ融着接合部(直径450mm/17.716インチ、肉厚54mm/2.125インチ)のほぼ全周にわたり、内側壁面近傍の接合が不十分な状態にあることが分かります。

Poor Bonding Image

結論

OmniScanその他の適切なツールとTOFDとの組み合わせが、HDPE部材の突き合わせ融着接合部を非破壊検査する有効な方法であることが示されました。原子力産業は排除すべき欠陥の検出法を探求し続けており、超音波フェーズドアレイ探傷を応用した研究や実験が今後も継続的に実施されると思われます。

Olympus IMS

この用途に使用される製品
OmniScan™X3シリーズは、さまざまなフェーズドアレイツールを網羅する探傷器です。革新的なTFMと高度な可視化機能によって、自信を持って検査を実行できます。また、強力なソフトウエアとシンプルなワークフローにより、高い生産性の実現をサポートします。
超音波探触子は、探傷、厚さ測定、材料調査、医療診断など、多岐にわたる用途に使用されます。 さまざまな形状や振動子径、周波数、コネクタータイプを持つ5,000種類以上の超音波探触子があります。
TOFD探触子とウエッジは、屈曲した縦波を鋼材中に生成させ、Time of Flight Diffraction法によって割れの大きさをサイジングする用途で使用します。
CFU-03とCFU-05は、超音波検査の時にウエッジに接触触媒を一定供給するためのポータブルな電動式ポンプユニットです。
シングルグループで軽量のOmniScan SXは、読み取りやすい8.4インチ(21.3cm)のタッチスクリーンを搭載し、コスト効果に優れたソリューションを提供しています。 OmniScan SXには、SX PAおよびSX UTの2種類のモデルを用意しています。 SX PAは、16:64PRの装置で、UT専用のSX UTと同様に、従来型UTチャンネルを備え、P/E、P-CまたはTOFD検査に対応しています。
OmniScan MX2に、UTチャンネルを備えた新しいフェーズドアレイモジュール(PA2)、 TOFD (Time-of-Flight Diffraction)に使用可能な新しい2チャンネルの従来型超音波モジュール(UT2)に加え、好評なOmniScan MX2プラットフォームの機能を拡張する新しいソフトウェアプログラムが搭載されました。
ChainSCANNERは、外径1.75インチから38インチまでのパイプ用の手動のパイプ検査ソリューションです。 このスキャナーは、磁気ホイールではなくチェーンリンクを採用しているため、さまざまな材料の溶接部検査や腐食検査に適しています。 UT、TOFD、PA。
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