非破壊試験とは
非破壊試験は、検査対象を破壊することなく、表面や内面の傷の有無・大きさ・形状・分布などを調べる試験です。
非破壊試験には、放射線透過試験、超音波探傷試験、磁粉探傷試験、浸透深傷試験、渦流探傷試験などがあります。JIS用語では、非破壊試験はNondestructive Testingの略記号NDTと表します。
一方で破壊試験とは、対象物が破壊されるまで圧力・温度・振動などを加え、欠陥が発生する許容限度を直接調べる試験方法です。非破壊試験は間接的試験方法であり、破壊試験に比べて確実な欠陥発生条件を決定できないという短所がありますが、対象物の形状や機能を損なわずに欠陥を検出することができるため、ビル、プラント、鉄道、航空機など、稼働中の試験も可能であり、欠陥によるトラブルを防ぐことができます。
非破壊試験の使用用途
非破壊試験の使用用途は幅広く、様々な分野に用いられます。
非破壊試験は試験の種類により、使用目的や使用できる素材等が異なります。例えば渦流探傷試験は、導体の表面にある傷を非接触かつ高速で検知することができますが、不導体には使用できず、内部にある傷の検出も限定的にしかできません。そのため、使用用途に合わせて適切な試験を選択する必要があります。
非破壊試験の原理
非破壊試験には様々な試験が存在し、それぞれの原理も異なります。以下では、代表的な非破壊試験の原理について説明します。
1. 放射線透過試験
図1. 放射線透過試験の原理
放射線透過試験は、対象物にX線やγ線を透過させ、フィルムやイメージプレートに投影された画像から内部の状態を把握する試験です。
放射線は物質を透過する性質がありますが、透過のしやすさは対象物内部の状態により異なります。例えば、内部に傷等がある部分は、健全な部分に比べて一般に放射線が透過しやすくなるため、フィルムに濃く記録されることになります。フィルムの濃淡は、フィルムを構成する乳剤が放射線に反応することで生じます。
放射線透過試験は、撮影の仕方などによりいくつかの方法に分類されます。例えば、フィルムではなくイメージプレートを用て画像データを得る方法などがあります。
2. 超音波探傷試験
図2. 超音波探傷試験の原理
超音波探傷試験は、対象物に超音波を入射させることで対象物内部の状態や厚みなどを推定する試験です。
超音波探傷試験は大きく分類すると、透過法、パルス反射法、共振法という3つの方法があります。超音波の種類や当て方などでさらに細かく分類され、使用用途により使い分けられます。
透過法
透過法は、送信した超音波と受信した超音波の強さを比較することで内部の状態を推定する方法です。
対象物表面に超音波を入射させる探触子を当て、底面に超音波を受信する探触子を当てます。対象物表面に当てた探触子より入射させられた超音波は対象物内部を透過し、底面に当てられた探触子に到達します。内部に傷等がある場合はその背後に超音波が進むことができず、超音波は弱くなります。超音波の影から内部の傷等を把握する方法です。
パルス反射法
パルス反射法は、超音波の反射を利用して傷の有無、位置、大きさ等を特定する方法です。
超音波を送受信できる探触子を、対象物表面に当てます。探触子より対象物内部に入射した超音波は底面で反射し、再び探触子に戻ってきます。内部に傷等がある場合にも超音波は反射します。送信波パルス、傷等からの反射波、底面からの反射波を受信することで内部の状態を推定します。
共振法
共振法は、対象物が共振することを利用して対象物の厚み等を測定する方法です。
波長を連続的に変化させながら超音波を対象物に入射すると、半波長の整数倍が対象物の厚みに等しくなる時に対象物は共振します。共振のための振動エネルギーは発振器より供給されるものであり、電流の増加を検出することで共振の発生が確認できます。共振した時の音速度、周波数、共振次数から対象物の厚みを推定します。共振の強さから対象物内部の傷の有無を推定することも可能です。
3. 磁粉探傷試験
図3. 磁粉探傷試験の原理
磁粉探傷試験は、漏洩磁場を利用して対象物の表面付近にある傷等を目視で確認する試験です。
強磁性体である対象物に磁束を流し、大きくしていくと、傷がある部分で磁束の一部が外部空間に漏洩します。この漏洩磁場に磁粉を散布すると傷周辺に磁粉が付着し、磁粉指示模様が現れます。この磁粉指示模様を観察することで微小な傷も検出することができます。
磁粉探傷試験は傷の検出に対して方向性があり、探傷箇所を適切な方向に磁化するための方法として分類されます。また、使用する磁粉や観察用光源によってもいくつかの方法に分類することができます。これらの方法は、対象物の形状や検出しようとする傷等により適切に使い分けられる必要があります。
4. 浸透探傷試験
図4. 浸透探傷試験の原理
浸透探傷試験は、浸透液を用いて対象物の表面にある傷等を検出する試験です。
はじめに、前処理として対象物の表面を洗浄し傷内部を開口させ乾燥します。次に、対象物表面に浸透液を浸透させ余分な浸透液を除去します。最後に現像皮膜を塗布することで傷部に浸透した浸透液を吸い出し、これにより拡大されて現れる浸透指示模様を観察します。
浸透探傷試験は、2種類の観察方法、3種類の浸透液除去方法、4種類の現像方法があり、用途により適切な組み合わせが選ばれます。
5. 渦流探傷試験
図5. 渦流探傷試験の原理
渦流探傷試験は、導体である対象物表面に渦電流を誘導し、その渦電流の乱れを検知することで傷等の有無を判断する試験です。
交流を流したコイルを対象物に近づけると、電磁誘導により対象物の表面近傍に渦電流が発生します。対象物表面に傷がある場合、その渦電流に乱れが生じます。渦電流の乱れは、コイル内部における磁束の変化をもたらし、結果、コイルの起電力が変化するため、この起電力変化を検知することで渦電流の乱れ、つまり、傷の有無を確認することができます。
渦電流は、対象物の表面近傍にのみ集中的に誘導され、対象物内部にはほとんど誘導されないため、主に、対象物表面の探傷に用いられます。渦電流が対象物内部で急激に減衰する現象は、表皮効果と呼ばれます。しかし、渦電流の位相が持つ性質を利用することで、傷の深さを推定できる場合もあります。
参考文献
https://www.jstage.jst.go.jp/article/imono/63/8/63_706/_article/-char/ja/
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