和歌山大学独創的研究支援プロジェクト 紀伊半島における災害対応力の強化

-想定を越える災害への備え-

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超音波を応用したセンシングシステム 超音波音弾性による発電ダムの洪水吐ゲートの健全性評価

担当教員

センシング技術

センシング技術

システム工学部 電子計測メジャー

村田 頼信

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現在の社会基盤としてその安全性や健全性が問われるインフラ構造物の劣化については,実際に破損や倒壊が起こるまで大きく取り出されることがありません.外観上では正常に見えても老朽化は着実に進んでおり,そのまま放置すると,内部にき裂などの欠陥が生じていたり,強度が不足していたり,あるいは力の不均衡が働いていたりするケースも少なくありません.このような状態を見過ごすと,大雨,突風や地震などで想定外の負荷が構造物に掛かった場合,大事故となりうると予想されます.そこで,普段からこのような構造物の健全性を保つことで災害時の被害を最小限にすることができます.センシング技術分野では,防災・減災を目的に,非解体での応力評価や簡易な超音波画像探傷システムの開発,それに高性能超音波センサの開発などについて研究を行っています.ここでは,発電ダムの洪水吐ゲートの応力測定に表面SH波音弾性を適用した研究成果について紹介します.

材料内部に加わる力(応力)を非破壊で測定する方法の一つとして,音弾性法があります.音弾性法とは,固体内を伝搬する超音波の音速が媒質の応力状態によって変化する現象を利用する応力測定法です.音弾性法は,X線回折法とは異なり,安全かつ簡便に鉄鋼構造物の応力測定が行える技術として期待されています.中でも我々が注目したのは,図1に示すように,ヘビがはうような横波を互いに直交する方向に伝搬させ,それぞれの音速から主応力差を求める表面SH波音弾性法です.表面SH波音弾性法は,計測領域は表層部に限られますが,製造時に生じる集合組織の影響が小さいため,初期値(無応力状態における音響異方性)が必要なく,長年供用している鉄鋼構造物でも,センサを設置するだけで,非破壊でその場の応力を測定することが可能です.しかしながら,この方法は接触媒質の影響を受けやすいため,高精度な音速測定が難しく,応力測定の実用化には至っていませんでした.

図1 表面SH波音弾性法

そこで,圧電振動子を用いた表面SH波音弾性法の実用化に向け,測定誤差となる接触媒質の厚みの影響を軽減させるT形表面SH波センサを開発しました(図2参照).このセンサは,二つの送信子と四つの受信子から成り,双方向送受信を行うことにより,接触媒質による伝搬時間の変動を原理的にキャンセルすることができます.このセンサを用いた応力計測システムを図3に示します.このセンサのおかげで,0.1m/s以下の精度で音速(応力に換算すると,6MPa以下の精度)を測定することが可能となりました.図4は, T形表面SH波センサにおいて,一対の送受信子で伝搬時間を計測した場合と双方向受信で同じく計測した場合の比較を示しています.このように,T形表面SH波センサの性能の高さがわかります.

図2 T形表面SH波センサ
図3 T形表面SH波センサを用いた音弾性応力測定システム
図4 音速測定の再現性

次に,図5に示すような鉄鋼製のラジアル式洪水吐ゲートの脚柱において,応力測定の実証実験を行ないました.その結果の一例を図6に示します.比較のため,ひずみゲージ法での測定結果も一緒に掲載しています.ここで,水位差応力はダムの水位を変化させたときの応力変化を示しています.また,残留応力は水位をゼロにした状態で測ることができる材料内部に残留する応力のことです.残留応力は,構造物の健全性を評価する上で大変重要で,非破壊で計測することが切望される項目です.ここで,ひずみゲージ法は,センサを貼り付けてからの応力変化しか測ることができず,残留応力は計測できません.そのため,現場実験の後,ゲート交換にともない,ゲートを細かく解体することでひずみゲージ法で残留応力を測定しました.図6の結果から,水位差応力ではひずみゲージ法とよく一致した結果が得られましたが,残留応力では,ひずみ法による結果と大きな差異がある箇所がいくつかありました.この原因として,経年劣化によりゲート表面が激しく孔食し,測定表面を均一に面出し出来なかった(前処理が不十分)ことが挙げられます.そのため,現在,図7に示すような,短時間に平面・平滑化が可能なフライス式ポータブル研磨装置を開発しましました.今後は,この研磨装置を現場に適用し,表面SH波音弾性の有用性を実証していく予定です.

図5 鉄鋼製ラジアル式洪水吐ゲート
図6 応力測定結果の比較
図7 新たに開発したフライス式ポータブル研磨装置

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