超音波非破壊検査向けに、液体塗布が不要な「滑る超音波透過シート」を開発~インフラ保守点検作業の簡略化により検査時間の短縮と自動化を促進~

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2022-11-08 株式会社東芝

概要

東芝は、インフラなどの保守点検に用いられる超音波非破壊検査向けに、健康診断の超音波検査の際に体に塗るゼリーに相当する液体の接触媒質の塗布が不要で、超音波を通す性能(超音波伝搬性)と装置の滑らかな操作性を両立する「滑る超音波透過シート」を開発しました。
非破壊検査は“物を壊さずに”内部の傷の有無およびその大きさや形状を調べる検査で、検査手法として人体にも無害で安全性の高い超音波が幅広く使用されています。超音波検査では、人体の検査を中心に、超音波伝搬性と滑らかな操作性を高いレベルで両立する液体の接触媒質が広く用いられていますが、インフラの保守点検分野では、検査対象の内部に液体が浸みてしまい構造物・機器等の不良や劣化等につながる可能性もあります。この影響を最小化するための追加作業が必要となるため、現在インフラ分野では、固体の接触媒質である粘着性シートの利用も進んでいますが、固体の接触媒質は、超音波伝搬性と滑らかな操作性がトレードオフの関係にあり、作業時間が増えてしまうことが課題となっています。
東芝は、“柔らかいシート”と“滑り材”の独自構成からなる「滑る超音波透過シート」を開発し、超音波伝搬性と滑らかな操作性の両立を実現しました。検査位置の変更時には構造物・機器表面を低摩擦で移動し、検査時には荷重を加えてシートを検査対象に押し付けることで、超音波を伝搬させる機構を有し、その応答が高速なのが特長です。超音波非破壊検査では、検査対象の表面をなぞるような多点測定が必要なため、従来の固体の接触媒質である粘着性シートを用いた時の検査時間と比較すると大幅な時間短縮が見込めます(*1)。また、現在広く普及する液体の接触媒質を用いた超音波非破壊検査方法と比較すると、点検時に液体の塗布のため必要だった検査部位以外の部分の養生や検査後に塗布した液体の接触媒質の除去が不要となるため、保守点検の効率向上や自動化に貢献します。さらには、これまで液体が除去しづらいため、超音波非破壊検査の実施が難しかった検査対象への適応も可能になります。
東芝は、本成果の詳細を、11月7日から京都で開催される「USE2022 The 43rd Symposium on UltraSonic Electronics」(*2)で発表します。

開発の背景

産業プラントやインフラなどの構造物や機器を対象とする非破壊検査の世界市場は2018年度の3兆1,194億円から2028年には4兆9,237億円(*3)と年平均成長率(CAGR)4.7%で伸長すると予測されています。世界的にインフラの老朽化と人材不足の課題に直面する中、現在、非破壊検査のプロセスの改善・効率化が進められています。非破壊検査の検査手法として超音波が幅広く使用されており、中でも、超音波パルスを送信し傷などからの反射波を受信する「パルスエコー法」が簡便な手法として広く用いられています。
超音波は伝搬しやすさが異なる物質の間では反射してしまう性質があります。そのため、超音波を送受信するセンサー(探触子)と検査対象の間に、センサーや検査対象の構造物や機器よりも超音波伝搬性能が低い空気が存在すると検査がしづらくなってしまいます。そこで、人体の超音波(エコー)検査を中心に、超音波を検査対象に伝搬させるためのゼリーをはじめとする液体の接触媒質が広く用いられています。インフラ保守点検においても同様に接触媒質が必要です。
液体の接触媒質を塗ると、超音波は検査対象に伝搬するようになり、かつ探触子の滑らかな操作性の両立を実現しますが、検査対象の内部に液体が浸みてしまい構造物・機器等の不良や劣化等につながる可能性があります。この影響を最小限に抑えるため、検査前に検査部位以外の部分の養生や、検査後に塗布した液体の接触媒質の除去が必要となるため、検査業務が煩雑となり効率化に課題がありました。また、液体の吸収性が高い素材や多孔質の材質には使いづらく、そもそも接触媒質を塗布することが構造物や機器そのものを傷め使用できない場合もあります。
こうした課題に対応するため、インフラ分野では、近年、固体の接触媒質である粘着性シートの利用も進められています。粘着性シートはシリコーンゴムシートなどの高分子弾性体で、固体であるため、浸食により検査対象を劣化させる可能性が低くなりますが、粘着性が高いため、探触子の滑らかな操作ができず、検査部位ごとに都度、スタンプのように引きはがす必要があり操作性の課題が残っています。
こうした状況下、超音波伝搬性と滑らかな操作性の両立を実現する固体の接触媒質の開発が求められていました。

本技術の特長

そこで、液体の接触媒質のように検査対象への超音波伝搬性を維持したまま操作性を向上させる「滑る超音波透過シート」を開発しました(図1)。「滑る超音波透過シート」は“柔らかいシート”と“滑り材”からなる独自の構成です。超音波伝搬性を維持させるため、検査対象と探触子間の空気層を除去し、検査対象や探触子表面にある凹凸にも対応できるように、自在に形状を変え密着する柔らかいシート状のものを採用し、シートの下には検査対象との摩擦が小さい滑り材を設けています。
この「滑る超音波透過シート」を探触子に装着すると、滑り材により検査対象の表面を滑らかに移動しながら、検査時には、荷重を加えてシートを検査対象に押し付けることで、滑り材がシート内部に押し込まれ、空気層を除去し検査対象に密着させることが可能となります。検査後は荷重を解除すると押し込まれた滑り材が元の状態に戻り、探触子を再び滑らかに移動させることができるようになります。
東芝は「滑る超音波透過シート」を用いてインフラ構造物に多く使用されるステンレス鋼の検査を行ったところ、荷重を加えてから超音波が十分に検査対象に伝搬するまでの応答時間は50 ms以下となり、粘着性シートと比較して高い応答性を確認しました(図2)。また荷重を解除すると滑り材が速やかに元の状態に戻り、滑らかに移動できるようになります。この「滑る超音波透過シート」を用いると検査対象の表面をなぞるように移動させることができ、短時間に多点の検査が可能なため、検査時間の大幅な短縮が可能であると試算しています(図3)。さらに、液体の接触媒質を用いた場合と比較しても、検査前の養生や検査後の接触媒質の除去が不要となるため、保守点検作業の簡略化により検査時間の短縮と、将来的な保守点検作業の自動化の促進に貢献します。

図1: 「滑る超音波透過シート」の構成

図2: 被試験体内部の傷で反射した超音波強度の時間依存性

図2: 被試験体内部の傷で反射した超音波強度の時間依存性

図3: 連続検査の例

図3: 連続検査の例

図4: 「滑る超音波透過シート」を用いた探傷実験の様子

図4: 「滑る超音波透過シート」を用いた探傷実験の様子

今後の展望

「滑る超音波透過シート」は、老朽化が進むインフラの維持管理の高度化のみにならず、保守員が立ち入って検査することが難しい風車や、飛行機などの大型構造物、回転部を有する機器などの保守点検への適用が期待できます。当社は、本技術を用いた超音波非破壊検査技術の開発を継続し、早期の実用化を目指します。


*1: 1カ所の測定に要する時間から換算、当社調べ
*2: https://use-jp.org/USE2022/index.html
*3: https://www.yano.co.jp/press-release/show/press_id/2692

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