超音波探傷方法及び装置
【課題】検出対象きずを精度良く検出する上で適正な振動子の切り替えピッチを容易に設定できる超音波探傷方法及び装置を提供する。
【解決手段】超音波探傷装置100は、所定の方向に沿って配列されたn個(n≧2)の振動子を具備し、被探傷材Pに対向配置された超音波探触子1と、n個の振動子のうち、m個(n>m≧1)の振動子を選択し、該選択振動子から被探傷材に向けて超音波を送受信させると共に、選択振動子を順次切り替える送受信制御手段2とを備える。送受信制御手段は、振動子の配列方向と超音波が入射する被探傷材の表面との成す角度をθとし、切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1としたときに、P≦W1・cosθを満足する切り替えピッチ長さPで、選択振動子を順次切り替える。
【解決手段】超音波探傷装置100は、所定の方向に沿って配列されたn個(n≧2)の振動子を具備し、被探傷材Pに対向配置された超音波探触子1と、n個の振動子のうち、m個(n>m≧1)の振動子を選択し、該選択振動子から被探傷材に向けて超音波を送受信させると共に、選択振動子を順次切り替える送受信制御手段2とを備える。送受信制御手段は、振動子の配列方向と超音波が入射する被探傷材の表面との成す角度をθとし、切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1としたときに、P≦W1・cosθを満足する切り替えピッチ長さPで、選択振動子を順次切り替える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、管などの被探傷材に存在する様々なきずを精度良く検出することが可能な超音波探傷方法及び装置に関する。特に、本発明は、複数の振動子を具備する超音波探触子を用いて被探傷材を探傷する際に、検出対象きずを精度良く検出する上で適正な振動子の切り替えピッチを容易に設定できる超音波探傷方法及び装置に関する。
【背景技術】
【0002】
管の超音波探傷においては、軸方向きず(管の軸方向に延びるきず)のみならず、周方向きず(管の周方向に延びるきず)や、ラミネーションと呼ばれる管の内外面に平行な面状のきずを検出する必要がある。
【0003】
軸方向きずは、図1(a)に示すように、管Pの周方向に傾けた超音波探触子1’で超音波を送受信することにより、横波超音波を管Pの周方向に伝搬させて検出している。
また、周方向きずは、図1(b)に示すように、管Pの軸方向に傾けた超音波探触子1’で超音波を送受信することにより、横波超音波を管Pの軸方向に伝搬させて検出している。
さらに、ラミネーションは、図1(c)に示すように、管の肉厚方向に縦波超音波を伝搬させて検出している。
このように、異なる方向に延びたり異なる形状を有する様々なきずを検出するため、各きずに応じて複数の超音波探触子を併用するのが一般的である。
【0004】
従来、上記いずれのきずに対しても、図2に示すように、探傷能率を高めるために管の軸方向に沿って配列された複数の超音波探触子1’(図2に示す例では、符号A1〜A4で示す4つの超音波探触子)を用いて、各超音波探触子1’から超音波を送受信すると共に、管を周方向に回転させながら軸方向に搬送(スパイラル搬送)することにより、超音波探傷を行っている。例えば、超音波探触子A1は、図2中に斜線のハッチングを施した螺旋状の領域を探傷し、超音波探触子A2は、図2中に灰色のハッチングを施した螺旋状の領域を探傷することになる。このように、管の軸方向に沿って複数の超音波探触子1’を配列することにより、管の全面探傷を実現している。
【0005】
しかしながら、図2に示す従来の超音波探傷方法では、隣り合う超音波探触子1’がそれぞれ形成する音場の境界で音場強度が低下することに起因して、きず検出能が低下するという問題があった。図3は、機械加工によって管に形成した周方向きずのエコー強度のプロファイル例を示す。具体的には、図3は、周方向きずが形成された管を軸方向に移動させることにより各超音波探触子A1〜A4で得られたきずエコー強度を、周方向きずの軸方向位置と対応させてグラフ化したものである。図3に示すように、隣り合う超音波探触子1’の境界部(図3中に破線の円で囲んだ部分)において、きずエコー強度が著しく低下していることが分かる。従って、この境界部では、きず検出能も著しく低下することが明らかである。
【0006】
上記のような問題を解決するため、例えば、特許文献1に記載の技術が提案されている。特許文献1に記載の技術においては、複数の超音波探触子を一直線上に配列し、この複数の超音波探触子のうち一定数の連続する超音波探触子からなる探触子群を選択して超音波を送受信し、選択する探触子群を順次切り替える。そして、この切り替えのピッチを、複数個の超音波探触子の幅分の長さにすると共に、1つの選択探触子群から照射される超音波の実効ビーム幅と等しいか、下回るように設定することを特徴としている。
なお、上記「実効ビーム幅」とは、超音波探触子の中央部分で得られる音場強度のピーク値に対してレベルが3dB低下するまでの幅と定義されている(特許文献1の段落0005)。すなわち、「実効ビーム幅」とは、超音波探触子から送信する超音波ビームの音場強度のプロファイルから決定される値である。
【0007】
しかしながら、特許文献1に記載の技術を、異なる方向に延びたり異なる形状を有する様々なきずを検出する必要のある管の探傷に適用するには、以下のような問題がある。
超音波探触子をその配列方向(図2に示す例では管の軸方向)に走査した際に得られるきずエコー強度のプロファイルは、音場強度のプロファイルのみでは一意に決定できず、超音波探触子の走査方向についてのきず形状が大きく影響する。
図4は、管に加工した軸方向きず及び周方向きずに対して、同一の超音波探触子を管の軸方向に走査した際に得られるきずエコー強度のプロファイル例を示す。
上記の例では、同一の超音波探触子を用いるため、音場強度のプロファイルは同一となるが、図4に示すように、きずが異なると、きずエコー強度のプロファイルは異なるものとなる。このため、音場強度のプロファイルから導出される実効ビーム幅では、前記切り替えのピッチを正しく決定できず、きずの見逃しが生じる虞がある。結局のところ、きずの種類毎に試行錯誤を繰り返して、切り替えのピッチを決定せざるを得ないという問題がある。
【特許文献1】特許第3674131号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明は、斯かる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、複数の振動子を具備する超音波探触子を用いて被探傷材を探傷する際に、検出対象きずを精度良く検出する上で適正な振動子の切り替えピッチを容易に設定できる超音波探傷方法及び装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記課題を解決するため、本発明は、特許請求の範囲の請求項1に記載の如く、所定の方向に沿って配列されたn個(n≧2)の振動子を具備する超音波探触子を被探傷材に対向配置する配置ステップと、前記n個の振動子のうち、m個(n>m≧1)の振動子を選択し、該選択振動子から前記被探傷材に向けて超音波を送受信することにより、前記被探傷材を探傷する探傷ステップと、前記選択振動子を順次切り替える走査ステップとを含み、前記探傷ステップと前記走査ステップとを交互に繰り返すことにより、前記被探傷材を超音波探傷する方法であって、前記走査ステップでは、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、前記選択振動子を順次切り替え、
P≦W1・cosθ ・・・(1)
前記探傷ステップでは、前記切り替えた各選択振動子でそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、前記各選択振動子毎に予め調整された探傷感度で、前記被探傷材を探傷することを特徴とする超音波探傷方法を提供する。
【0010】
なお、本発明において、「n個の振動子の配列方向と超音波が入射する被探傷材の表面との成す角度」とは、被探傷材が管等の断面略円形の材料である場合、n個の振動子の配列方向と、超音波の入射点における被探傷材の接平面との成す角度を意味する。
また、本発明において、「各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅」とは、各選択振動子を振動子の配列方向に走査した場合に得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイルにおいて、きずエコー強度が所定の強度(例えば、最大強度を0dBとしたときに−3dB)以上となる範囲(超音波の入射点における被探傷材の表面に沿った範囲)の長さを意味する。
さらに、本発明において、「切り替えピッチ長さ」とは、隣り合う選択振動子間の距離(振動子の配列方向についての距離、長さ単位)を意味する。
【0011】
本発明によれば、走査ステップにおいて、式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、選択振動子を順次切り替える。換言すれば、切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅の範囲(各選択振動子の中心を基準とした有効ビーム幅に相当する長さを有する範囲)が重複する部分を有するように、選択振動子を順次切り替える。このため、検出対象きずが超音波探触子の探傷領域内の何れの位置に存在したとしても、当該検出対象きずは、何れかの選択振動子の有効ビーム幅の範囲内に位置することになる。従って、当該検出対象きずのエコー強度は、所定の強度(例えば、当該選択振動子によって得られるきずエコー強度の最大値を0dBとしたときに−3dB)以上となる。
【0012】
また、本発明によれば、探傷ステップにおいて、切り替えた各選択振動子でそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、各選択振動子毎に予め調整された探傷感度(エコー強度の増幅度)で、被探傷材を探傷する。そして、前述のように、検出対象きずは、この最大エコー強度が略同等となるように探傷感度が調整された何れかの選択振動子の有効ビーム幅の範囲内に位置することになる。このため、何れの選択振動子で検出対象きずのエコーを検出したとしても、換言すれば、検出対象きずが超音波探触子の探傷領域内の何れの位置に存在したとしても、所定の強度(例えば、超音波探触子によって得られるきずエコー強度の最大値を0dBとしたときに−3dB)以上のきずエコー強度を得ることができ、検出対象きずを精度良く検出することが可能である。
【0013】
以上のように、本発明によれば、式(1)を満足するような選択振動子の切り替えピッチ長さP(mm)を設定することにより、検出対象きずを精度良く検出することが可能である。すなわち、従来のように試行錯誤を繰り返す必要が無く、式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)を選択すれば良いため、検出対象きずを精度良く検出する上で適正な振動子の切り替えピッチを容易に設定可能である。
【0014】
ここで、特許請求の範囲の請求項2に記載の如く、前記超音波探触子が具備する前記n個の振動子が、等間隔d(mm)の配列ピッチで配列されている場合には、前記走査ステップでは、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(2)を満足する切り替えピッチ個数K(個)で、前記選択振動子を順次切り替えることが好ましい。
K≦W1・cosθ/d ・・・(2)
【0015】
なお、本発明において、「切り替えピッチ個数」とは、隣り合う選択振動子間の距離(振動子の配列方向についての距離)を振動子の個数に換算した値を意味する。従って、切り替えピッチ個数Kは正の整数である。
【0016】
また、前記課題を解決するため、本発明は、特許請求の範囲の請求項3に記載の如く、被探傷材としての管に発生し得る軸方向きずを検出するための第1の超音波探触子と、前記管に発生し得る周方向きずを検出するための第2の超音波探触子と、前記管に発生し得るラミネーションを検出するための第3の超音波探触子とをそれぞれ前記管に対向配置し、前記管を周方向に回転させると共に、前記第1〜第3の超音波探触子を前記管の軸方向に相対移動させながら、前記第1〜第3の超音波探触子がそれぞれ具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信することにより、前記管を超音波探傷する方法であって、前記第1〜第3の超音波探触子のうち、少なくとも1つの超音波探触子を請求項1又は2に記載の超音波探触子とし、該超音波探触子が具備するn個の振動子の配列方向を前記管の軸方向に合致させて、該超音波探触子について請求項1又は2に記載の超音波探傷方法を実行し、前記管の1回転当たりにおける前記第1〜第3の超音波探触子の前記管の軸方向への相対移動量を、前記第1〜第3の超音波探触子の検出対象きずに対する前記管の軸方向の実質的な有効ビーム幅のうち、最小の実質的な有効ビーム幅以下に設定することを特徴とする超音波探傷方法としても提供される。
【0017】
なお、本発明において、「実質的な有効ビーム幅」とは、請求項1又は2に記載の超音波探触子については、前述した各選択振動子について得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイルを合成し、該合成後のエコー強度のプロファイルにおいて、きずエコー強度が所定の強度(例えば、最大強度を0dBとしたときに−3dB)以上となる範囲(超音波の入射点における被探傷材の表面に沿った範囲)を意味する。
また、単一の振動子を具備する超音波探触子については、当該超音波探触子を走査した場合に得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイルにおいて、きずエコー強度が所定の強度(例えば、最大強度を0dBとしたときに−3dB)以上となる範囲(超音波の入射点における被探傷材の表面に沿った範囲)を意味する。
【0018】
本発明によれば、管の1回転当たりにおける第1〜第3の超音波探触子の管の軸方向への相対移動量を、第1〜第3の超音波探触子の検出対象きずに対する管の軸方向の実質的な有効ビーム幅のうち、最小の実質的な有効ビーム幅以下に設定する。このため、検出対象きずが管の何れの部位に存在したとしても、第1〜第3の超音波探触子の全てについて、検出対象きずのエコー強度が所定の強度以上となり、この結果、軸方向きず、周方向きず及びラミネーションの全てを精度良く検出することが可能である。
【0019】
また、前記課題を解決するため、本発明は、特許請求の範囲の請求項4に記載の如く、所定の方向に沿って配列されたn個(n≧2)の振動子を具備し、被探傷材に対向配置された超音波探触子と、前記n個の振動子のうち、m個(n>m≧1)の振動子を選択し、該選択振動子から前記被探傷材に向けて超音波を送受信させると共に、前記選択振動子を順次切り替える送受信制御手段とを備え、前記送受信制御手段は、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、前記選択振動子を順次切り替え、
P≦W1・cosθ ・・・(1)
前記送受信制御手段においては、前記切り替えた各選択振動子でそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、前記各選択振動子毎に探傷感度が予め調整されていることを特徴とする超音波探傷装置としても提供される。
【0020】
ここで、特許請求の範囲の請求項5に記載の如く、前記超音波探触子が具備する前記n個の振動子が、等間隔d(mm)の配列ピッチで配列されている場合には、前記送受信制御手段は、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(2)を満足する切り替えピッチ個数K(個)で、前記選択振動子を順次切り替えることが好ましい。
K≦W1・cosθ/d ・・・(2)
【0021】
さらに、前記課題を解決するため、本発明は、特許請求の範囲の請求項6に記載の如く、被探傷材としての管に対向配置され、前記管に発生し得る軸方向きずを検出するための第1の超音波探触子と、前記管に対向配置され、前記管に発生し得る周方向きずを検出するための第2の超音波探触子と、前記管に対向配置され、前記管に発生し得るラミネーションを検出するための第3の超音波探触子と、前記第1の超音波探触子が具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信させる第1の送受信制御手段と、前記第2の超音波探触子が具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信させる第2の送受信制御手段と、前記第3の超音波探触子が具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信させる第3の送受信制御手段と、前記管を周方向に回転させると共に、前記第1〜第3の超音波探触子を前記管の軸方向に相対移動させる駆動手段とを備え、前記第1〜第3の超音波探触子のうち、少なくとも1つの超音波探触子が請求項4又は5に記載の超音波探触子であって、該超音波探触子が具備するn個の振動子の配列方向が前記管の軸方向に合致しており、前記第1〜第3の送受信制御手段のうち、前記少なくとも1つの超音波探触子に対応する少なくとも1つの送受信制御手段が請求項4又は5に記載の送受信制御手段であり、前記駆動手段は、前記管の1回転当たりにおける前記第1〜第3の超音波探触子の前記管の軸方向への相対移動量が、前記第1〜第3の超音波探触子の検出対象きずに対する前記管の軸方向の実質的な有効ビーム幅のうち、最小の実質的な有効ビーム幅以下となるように、前記管を周方向に回転させると共に、前記第1〜第3の超音波探触子を前記管の軸方向に相対移動させることを特徴とする超音波探傷装置としても提供される。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、複数の振動子を具備する超音波探触子を用いて被探傷材を探傷する際に、検出対象きずを精度良く検出する上で適正な振動子の切り替えピッチを容易に設定可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の実施形態について、被探傷材が管である場合を例に挙げて説明する。
【0024】
<第1実施形態>
図5は、本発明の第1実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図であり、図5(a)は正面図(管については断面図)を、図5(b)は図5(a)に示す超音波探触子の拡大平面図(超音波探触子を傾けていない状態での拡大平面図)を示す。
本実施形態に係る超音波探傷装置100は、周方向きず検出用の超音波探傷装置である。図5に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置100は、管Pの軸方向に沿って配列された64個の振動子11(11−1〜11−64)を具備し、管Pに対向配置された超音波探触子1と、64個の振動子11のうち、30個の振動子11を選択し(選択された30個の振動子11からなる振動子の集合体を選択振動子11Sという)、該選択振動子11Sから管Pに向けて超音波を送受信させると共に、選択振動子11Sを順次切り替える送受信制御手段2とを備えている。また、本実施形態に係る超音波探傷装置100は、送受信制御手段2からの出力信号を所定のしきい値と比較することにより、管Pに存在するきずを検出するきず判定部3を備えている。さらに、本実施形態に係る超音波探傷装置100は、管Pを周方向に回転させると共に、超音波探触子1を管Pの軸方向に相対移動させる駆動手段(図示せず)を備えている。
【0025】
本実施形態の超音波探触子1は、管Pに対して距離L=70mmだけ管Pから離間して配置されている。また、超音波探触子1は、管Pの法線に対して管Pの軸方向にα≒19°だけ傾けて(超音波の入射角α≒19°となるように)配置されている。これにより、屈折角γ=45°の横波超音波が管Pの軸方向に沿って伝搬することになる。なお、本実施形態の超音波探触子1の探傷周波数は5MHzとされている。
【0026】
本実施形態の超音波探触子1が具備する各振動子11は、同一の矩形状の振動子であり、管Pの軸方向に一直線状に配列されている。本実施形態の各振動子11は、長さL1=10mm、幅W1=0.4mmとされ、0.1mmの間隔を隔てて配列されている。すなわち、各振動子11の管Pの軸方向の配列ピッチは、0.5mmである。
【0027】
本実施形態の送受信制御手段2は、送信部21と、受信部22と、制御部23とを備えている。
【0028】
送信部21は、各振動子11にそれぞれ接続され各振動子11から超音波を送信させるためのパルス信号を供給するパルサー211と、各パルサー211から各振動子11に供給するパルス信号の遅延時間(送信遅延時間)を設定するための遅延回路212とを具備する。
【0029】
受信部22は、各振動子11にそれぞれ接続され各振動子11で受信したエコーを増幅するためのレシーバ221と、各レシーバ221で増幅されたエコーの遅延時間(受信遅延時間)を設定するための遅延回路222と、各遅延回路222で遅延時間を設定されたエコーを合成するための波形合成回路223と、波形合成回路223で合成されたエコーを増幅するための増幅器224とを具備する。増幅器224の増幅度(探傷感度)は、後述するように制御部23で切り替えた各選択振動子11Sでそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、各選択振動子11S毎に予め調整されている。
【0030】
制御部23は、配列された64個の振動子11の内、超音波を送受信する30個の振動子11からなる選択振動子11Sを順次切り替える。この際、制御部23は、振動子11の配列方向(図5に示す矢符Aの方向)と超音波が入射する管Pの表面(超音波の入射点における管Pの接平面)との成す角度をθ(°)とし、切り替えた各選択振動子11Sの検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、選択振動子11Sを順次切り替える。
P≦W1・cosθ ・・・(1)
特に、本実施形態のように、超音波探触子が具備する64個の振動子11が、等間隔d(mm)の配列ピッチで配列されている場合には、制御部23は、下記の式(2)を満足する切り替えピッチ個数K(個)で、選択振動子11Sを順次切り替える。
K≦W1・cosθ/d ・・・(2)
【0031】
図6は、略同時に超音波を送受信する30個の振動子からなる一の選択振動子を振動子の配列方向に沿って走査した際に得られる検出対象きず(周方向きず)のエコー強度のプロファイル例を示す。ただし、図6の横軸は、選択振動子の走査位置を管軸方向位置に換算した値を示す。図6(a)は、外径178mmで肉厚10mmの管Pに加工した周方向きず(深さ:肉厚の5%、周方向長さ:25mm)のエコー強度のプロファイルを、図6(b)は、外径160mmで肉厚20mmの管Pに加工した周方向きず(深さ:肉厚の5%、周方向長さ:25mm)のエコー強度のプロファイルを示す。最大強度を0dBとしたときに−3dB以上となる範囲を有効ビーム幅W1とすると、図6(a)に示す例では、W1≒9.5mmとなり、図6(b)に示す例では、W1≒6.75mmとなることが分かる。
【0032】
ここで、θ=α≒19°であるため、上記の式(1)に、このθの値、及び、上記W1の値を代入すると、
外径178mm、肉厚10mmの管Pについては、
P≦9.5×cos19°=9.5×0.95=8.98mm
外径160mm、肉厚20mmの管Pについては、
P≦6.75×cos19°=6.75×0.95=6.38mm
となる。
【0033】
そして、本実施形態では、前述のように、超音波探触子1が具備する64個の振動子11が、等間隔d=0.5(mm)の配列ピッチで配列されているため、上記の式(2)に、θ、W1及びdの値を代入すると、
外径178mm、肉厚10mmの管Pについては、
K≦9.5×cos19°/0.5=9.5×0.95/0.5=17.96
であり、17個以下の切り替えピッチ個数で、選択振動子11Sを順次切り替えれば良いことが容易に分かる。
また、外径160mm、肉厚20mmの管Pについては、
K≦6.75×cos19°/0.5=6.75×0.95/0.5=12.76
であり、12個以下の切り替えピッチ個数で、選択振動子11Sを順次切り替えれば良いことが容易に分かる。
【0034】
また、制御部23は、各選択振動子11Sを構成する各振動子11についての遅延回路212又は遅延回路222で設定される遅延時間を決定するように動作する。本実施形態では、各選択振動子11Sを構成する各振動子11から略同時に超音波を送受信するため、各振動子11に対して、同じ送信遅延時間及び受信遅延時間が設定される。
【0035】
さらに、制御部23は、各選択振動子11S毎に増幅器224の増幅度(探傷感度)を切り替えるように動作する。具体的には、増幅器224の増幅度は切り替え可能に構成されており、制御部23は、各選択振動子11S毎に予め決められた増幅度となるように、切り替えた選択振動子11Sに応じて増幅度を切り替える制御信号を増幅器224に出力する。この各選択振動子11S毎の増幅度は、前述のように、切り替えた各選択振動子11Sでそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、予め決められる。
【0036】
本実施形態に係る超音波探傷装置100は、例えば、外径178mm、肉厚10mmの管Pについて、駆動手段で管Pを周方向に回転させると共に、超音波探触子1を管Pの軸方向に相対移動させながら、例えば、以下の探傷サイクルに従って超音波探傷を行う。そして、本実施形態の制御部23は、以下の探傷サイクルに示すように、選択する振動子11を17個ずつずらす(すなわち、選択振動子11Sの切り替えピッチ個数は17個)ことにより選択振動子11Sを切り替える。
<探傷サイクル>
(1)ステップ1:振動子11−1〜11〜30の30個の振動子からなる選択振動子11Sで超音波探傷する。
(2)ステップ2:振動子11−18〜11〜47の30個の振動子からなる選択振動子11Sで超音波探傷する。
(3)ステップ3:振動子11−35〜11〜64の30個の振動子からなる選択振動子11Sで超音波探傷する。
上記のステップ1〜3を繰り返すことにより、管P全体の超音波探傷が行われる。
【0037】
また、前述したように、各選択振動子11S毎に切り替えられる増幅器224の増幅度は、具体的には、以下のようにして予め決められる。すなわち、上記のステップ1で切り替えられた振動子11−1〜11〜30からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる周方向きずの最大エコー強度が、所定の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。また、上記のステップ2で切り替えられた振動子11−18〜11〜47からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる周方向きずの最大エコー強度が、上記と略同等の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。さらに、上記のステップ3で切り替えられた振動子11−35〜11〜64からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる周方向きずの最大エコー強度が、上記と略同等の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。以上のようにして、各選択振動子11S毎に切り替えられる増幅器224の増幅度は予め決められ、制御部23は、各選択振動子11S毎に予め決められた増幅度となるように、切り替えた選択振動子11Sに応じて増幅器224の増幅度も切り替える。
【0038】
図7は、上記の各ステップで切り替えられた各選択振動子11Sについてそれぞれ得られる検出対象きず(周方向きず)のエコー強度のプロファイルを合成した例を示す。図7に示すように、合成後のきずエコー強度のプロファイルは、図6(a)に示した一の選択振動子11Sについて(一のステップについて)得られるきずエコー強度のプロファイルに比べて、管軸方向の広範囲に亘ってエコー強度の高い部分を有するプロファイルとなる。図7に示す合成後のきずエコー強度のプロファイルにおいて、最大強度を0dBとしたときに−3dB以上となる範囲を実質的な有効ビーム幅とすると、この実質的な有効ビーム幅は約25mmとなる。また、図7より、各選択振動子11Sの境界部(図7中に破線の円で囲んだ部分)におけるきずエコー強度の低下は、−1.5dB程度に抑制できることが分かる。
【0039】
以上のように、本実施形態に係る超音波探傷装置100によれば、実質的な有効ビーム幅が広いため、検出対象きずが超音波探触子1の探傷領域内の何れの位置に存在したとしても、当該検出対象きずは、何れかの選択振動子11Sの有効ビーム幅の範囲内に位置することになり、所定の強度(超音波探触子1によって得られるきずエコー強度の最大値を0dBとしたときに−3dB)以上のきずエコー強度を得ることができるため、検出対象きずを精度良く検出することが可能である。
【0040】
<第2実施形態>
図8は、本発明の第2実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図であり、図8(a)は正面図を、図8(b)は平面図を、図8(c)は図8(b)に示す超音波探触子の拡大平面図(超音波探触子を傾けていない状態での拡大平面図)を示す。
本実施形態に係る超音波探傷装置100Aは、溶接部に存在するきず検出用の超音波探傷装置である。図8に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置100Aは、管Pの溶接部P1の溶接線と直交する方向に沿って配列された16個の振動子11(11−1〜11−16)を具備し、溶接部P1に対向配置された超音波探触子1A、1Bと、16個の振動子11のうち、10個の振動子11を選択し(選択された10個の振動子11からなる振動子の集合体を選択振動子11Sという)、該選択振動子11Sから溶接部P1に向けて超音波を送受信させると共に、選択振動子11Sを順次切り替える送受信制御手段2(図示せず)とを備えている。また、本実施形態に係る超音波探傷装置100は、送受信制御手段2からの出力信号を所定のしきい値と比較することにより、管Pに存在するきずを検出するきず判定部3(図示せず)を備えている。さらに、本実施形態に係る超音波探傷装置100は、超音波探触子1A、1Bを溶接部P1の溶接線の方向に沿って管Pに対して相対移動させる駆動手段(図示せず)を備えている。
【0041】
本実施形態に係る超音波探傷装置100は、後述するように超音波探触子と管Pとの音響カップリングを評価するための好ましい構成として、一対の超音波探触子1A、1Bを備えている。一対の超音波探触子1A、1Bは、それぞれが具備する振動子11から送信した超音波が溶接部P1の溶接線に直交する方向から見て溶接部P1の略同一点に入射するように、且つ、一方の超音波探触子1Aが具備する振動子11から送信した超音波のうち溶接部P1表面で反射したエコーを他方の超音波探触子1Bが具備する振動子11で受信できるように、略V字状に配置されている。
【0042】
また、本実施形態の各超音波探触子1A、1Bは、管Pに対して距離L=70mmだけ管Pから離間して配置されている。さらに、各超音波探触子1A、1Bは、管Pの法線に対して溶接線方向にα≒19°だけ傾けて(超音波の入射角α≒19°となるように)配置されている。これにより、屈折角45°の横波超音波が溶接線方向に沿って伝搬することになる。なお、本実施形態の超音波探触子1A、1Bの探傷周波数は5MHzとされている。
【0043】
本実施形態の各超音波探触子1A、1Bが具備する各振動子11は、同一の矩形状の振動子であり、溶接部P1の溶接線と直交する方向(ビード幅方向)に一直線状に配列されている。本実施形態の各振動子11は、長さL1=10mm、幅W1=0.9mmとされ、0.1mmの間隔を隔てて配列されている。すなわち、各振動子11の溶接線と直交する方向の配列ピッチは、1.0mmである。各超音波探触子1A、1Bは、振動子11−8及び11−9が溶接部P1のビード幅方向の中心に対向するように配置される。
【0044】
本実施形態の送受信制御手段2は、第1実施形態の送受信制御手段2と同様の構成を有するため、その詳細な説明は省略するが、第1実施形態の送受信制御手段2と同様に、送信部21と、受信部22と、制御部23とを備えている。ただし、本実施形態に係る超音波探傷装置100Aは、一方の超音波探触子1Aに接続された送受信制御手段2と、他方の超音波探触子1Bに接続された送受信制御手段2とを備えている。本実施形態の制御部23は、第1実施形態の制御部23と同様に、前述した式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、選択振動子11Sを順次切り替える。特に、本実施形態のように、超音波探触子が具備する16個の振動子11が、等間隔の配列ピッチで配列されている場合には、制御部23は、前述した式(2)を満足する切り替えピッチ個数K(個)で、選択振動子11Sを順次切り替える。
【0045】
図9は、略同時に超音波を送受信する10個の振動子からなる一の選択振動子を振動子の配列方向(ビード幅方向)に沿って走査した際に得られる検出対象きず(内径1.6mmの縦穴)のエコー強度のプロファイル例を示す。最大強度を0dBとしたときに−3dB以上となる範囲を有効ビーム幅W1とすると、図9に示す例では、W1≒3.8mmとなることが分かる。
【0046】
ここで、振動子11の配列方向(ビード幅方向)と超音波が入射する管Pの表面(超音波の入射点における管Pの接平面)との成す角度θ=0°と考えることができるため、前述した式(1)に、このθの値、及び、上記W1の値を代入すると、
P≦3.8×cos0°=3.8×1=3.8mm
となる。
【0047】
そして、本実施形態では、前述のように、超音波探触子1が具備する16個の振動子11が、等間隔d=1.0(mm)の配列ピッチで配列されているため、前述した式(2)に、θ、W1及びdの値を代入すると、
K≦3.8×cos0°/1.0=3.8×1/1.0=3.8
であり、3個以下の切り替えピッチ個数で、選択振動子11Sを順次切り替えれば良いことが容易に分かる。
【0048】
以上の結果より、本実施形態に係る超音波探傷装置100Aは、超音波探触子1を溶接部P1の溶接線の方向に沿って管Pに対して相対移動させながら、例えば、以下の探傷サイクルに従って超音波探傷を行う。そして、本実施形態の制御部23は、以下の探傷サイクルのステップ1〜3のように、選択する振動子11を3個ずつずらす(すなわち、選択振動子11Sの切り替えピッチ個数は3個)ことにより選択振動子11Sを切り替える。
<探傷サイクル>
(1)ステップ1:振動子11−1〜11〜10の10個の振動子からなる選択振動子11Sで超音波探傷する。
(2)ステップ2:振動子11−4〜11〜13の10個の振動子からなる選択振動子11Sで超音波探傷する。
(3)ステップ3:振動子11−7〜11〜16の10個の振動子からなる選択振動子11Sで超音波探傷する。
上記のステップ1〜3を繰り返すことにより、管P全体の超音波探傷が行われる。
【0049】
また、各選択振動子11S毎に切り替えられる受信部22が具備する増幅器224の増幅度(探傷感度)は、以下のようにして予め決められる。すなわち、上記のステップ1で切り替えられた振動子11−1〜11〜10からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる、図10(a)に示す縦穴C(溶接部のビード幅方向の中心から−5mmずれた位置に加工した内径1.6mmの縦穴)の最大エコー強度が、所定の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。また、上記のステップ2で切り替えられた振動子11−4〜11〜13の振動子からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる、図10(a)に示す縦穴B(溶接部のビード幅方向の中心に加工した内径1.6mmの縦穴)の最大エコー強度が、上記と略同等の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。さらに、上記のステップ3で切り替えられた振動子11−7〜11〜16の振動子からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる、図10(a)に示す縦穴A(溶接部のビード幅方向の中心から+5mmずれた位置に加工した内径1.6mmの縦穴)の最大エコー強度が、上記と略同等の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。以上のようにして、各選択振動子11S毎に切り替えられる増幅器224の増幅度は予め決められ、制御部23は、各選択振動子11S毎に予め決められた増幅度となるように、切り替えた選択振動子11Sに応じて増幅器224の増幅度も切り替える。
【0050】
なお、本実施形態では、好ましい構成として、全ての選択振動子11Sを順次用いた溶接部P1の一連の超音波探傷(前述したステップ1〜3)が終了し、次の一連の超音波探傷を開始する前に、超音波探触子1A、1Bと鋼管Pとの音響カップリングを評価している。具体的には、一方の超音波探触子1Aが具備する振動子11−4〜11−13から超音波を送信し、該送信した超音波のうち溶接部P1表面で反射したエコーを他方の超音波探触子1Bが具備する振動子11−4〜11−13で受信し、そのエコー強度の大小を評価している。上記の動作は、一方の超音波探触子1Aに接続された送受信制御手段2と、他方の超音波探触子1Bに接続された送受信制御手段2との双方を制御する制御手段(図示せず)によって制御される。そして、上記の溶接部P1表面で反射したエコーの強度が所定のレベル以下であれば、前記制御手段により、警報が発せられる構成となっている。斯かる構成により、音響カップリングが正常となるように調整した後、再検査する処置を施すことができ、きず検出精度を安定化させることが可能である。
【0051】
図10(b)は、以上に説明した構成を有する超音波探傷装置100Aを用いて、図10(a)に示す縦穴A〜Cを超音波探傷した結果を示すグラフである。なお、図10(b)の横軸はビード幅方向の位置を、縦軸は受信部22が具備する波形合成回路223から出力される各縦穴の内外面についての最大エコー強度を示す。
図10(b)から分かるように、本実施形態に係る超音波探傷装置100Aによれば、内外面のきずをその存在する位置(ビード幅方向位置)に関わらず精度良く検出することが可能である。
【0052】
<第3実施形態>
図11は、本発明の第3実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図であり、図11(a)は正面図(管については断面図)を、図11(b)は図11(a)に示す超音波探触子の拡大平面図を示す。
本実施形態に係る超音波探傷装置100Bは、ラミネーション検出用の超音波探傷装置である。図11に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置100Bは、管Pの軸方向に沿って配列された64個の振動子11(11−1〜11−64)を具備し、管Pに対向配置された超音波探触子1Cと、64個の振動子11のうち、36個の振動子11を選択し(選択された36個の振動子11からなる振動子の集合体を選択振動子11Sという)、該選択振動子11Sから管Pに向けて超音波を送受信させると共に、選択振動子11Sを順次切り替える送受信制御手段2(図示せず)とを備えている。また、本実施形態に係る超音波探傷装置100Bは、送受信制御手段2からの出力信号を所定のしきい値と比較することにより、管Pに存在するきずを検出するきず判定部3(図示せず)を備えている。さらに、本実施形態に係る超音波探傷装置100Bは、管Pを周方向に回転させると共に、超音波探触子1Cを管Pの軸方向に相対移動させる駆動手段(図示せず)を備えている。
【0053】
本実施形態の超音波探触子1Cは、管Pに対して距離L=70mmだけ管Pから離間して配置されている。また、超音波探触子1Cは、送信した超音波が管Pの表面に対して垂直に入射するように配置されている。これにより、縦波超音波が管Pの肉厚方向に伝搬することになる。なお、本実施形態の超音波探触子1Cの探傷周波数は7MHzとされている。
【0054】
本実施形態の超音波探触子1Cが具備する各振動子11は、同一の矩形状の振動子であり、管Pの軸方向に一直線状に配列されている。本実施形態の各振動子11は、長さL1=10mm、幅W1=0.4mmとされ、0.1mmの間隔を隔てて配列されている。すなわち、各振動子11の管Pの軸方向の配列ピッチは、0.5mmである。
【0055】
本実施形態の送受信制御手段2は、第1実施形態の送受信制御手段2と同様の構成を有するため、その詳細な説明は省略するが、第1実施形態の送受信制御手段2と同様に、送信部21と、受信部22と、制御部23とを備えている。本実施形態の制御部23は、第1実施形態の制御部23と同様に、前述した式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、選択振動子11Sを順次切り替える。特に、本実施形態のように、超音波探触子が具備する64個の振動子11が、等間隔の配列ピッチで配列されている場合には、制御部23は、前述した式(2)を満足する切り替えピッチ個数K(個)で、選択振動子11Sを順次切り替える。
【0056】
図12(a)は、略同時に超音波を送受信する36個の振動子からなる一の選択振動子を振動子の配列方向(管Pの軸方向)に沿って走査した際に得られる検出対象きず(ラミネーションを模擬した管Pの内面から加工した内径6.35mmの平底穴)のエコー強度のプロファイル例を示す。最大強度を0dBとしたときに−3dB以上となる範囲を有効ビーム幅W1とすると、図12(a)に示す例では、W1≒13.75mmとなることが分かる。
【0057】
ここで、振動子11の配列方向(管Pの軸方向)と超音波が入射する管Pの表面(超音波の入射点における管Pの接平面)との成す角度θ=0°と考えることができるため、前述した式(1)に、このθの値、及び、上記W1の値を代入すると、
P≦13.75×cos0°=13.75×1=13.75mm
となる。
【0058】
そして、本実施形態では、前述のように、超音波探触子1Cが具備する64個の振動子11が、等間隔d=0.5(mm)の配列ピッチで配列されているため、前述した式(2)に、θ、W1及びdの値を代入すると、
K≦13.75×cos0°/0.5=13.75×1/0.5=27.5
であり、27個以下の切り替えピッチ個数で、選択振動子11Sを順次切り替えれば良いことが容易に分かる。
【0059】
以上の結果より、本実施形態に係る超音波探傷装置100Bは、駆動手段で管Pを周方向に回転させると共に、超音波探触子1Cを管Pの軸方向に相対移動させながら、例えば、以下の探傷サイクルに従って超音波探傷を行う。そして、本実施形態の制御部23は、以下の探傷サイクルに示すように、選択する振動子11を27個ずつずらす(すなわち、選択振動子11Sの切り替えピッチ個数は27個)ことにより選択振動子11Sを切り替える。
<探傷サイクル>
(1)ステップ1:振動子11−1〜11〜36の36個の振動子からなる選択振動子11Sで超音波探傷する。
(2)ステップ2:振動子11−28〜11〜63の36個の振動子からなる選択振動
上記のステップ1、2を繰り返すことにより、管P全体の超音波探傷が行われる。
【0060】
また、各選択振動子11S毎に切り替えられる受信部22が具備する増幅器224の増幅度(探傷感度)は、具体的には、以下のようにして予め決められる。すなわち、上記のステップ1で切り替えられた振動子11−1〜11〜36からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる前述の平底穴の最大エコー強度が、所定の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。また、上記のステップ2で切り替えられた振動子11−28〜11〜63からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる前述の平底穴の最大エコー強度が、上記と略同等の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。以上のようにして、各選択振動子11S毎に切り替えられる増幅器224の増幅度は予め決められ、制御部23は、各選択振動子11S毎に予め決められた増幅度となるように、切り替えた選択振動子11Sに応じて増幅器224の増幅度も切り替える。
【0061】
図12(b)は、上記の各ステップで切り替えられた各選択振動子11Sについてそれぞれ得られる検出対象きず(平底穴)のエコー強度のプロファイルを合成した例を示す。図12(b)に示すように、合成後のきずエコー強度のプロファイルは、図12(a)に示した一の選択振動子11Sについて(一のステップについて)得られるきずエコー強度のプロファイルに比べて、管軸方向の広範囲に亘ってエコー強度の高い部分を有するプロファイルとなる。図12(b)に示す合成後のきずエコー強度のプロファイルにおいて、最大強度を0dBとしたときに−3dB以上となる範囲を実質的な有効ビーム幅とすると、この実質的な有効ビーム幅は約27.25mmとなる。また、図12(b)より、各選択振動子11Sの境界部(図12(b)中に破線の円で囲んだ部分)におけるきずエコー強度の低下は、−2dB程度に抑制できることが分かる。
【0062】
以上のように、本実施形態に係る超音波探傷装置100Bによれば、実質的な有効ビーム幅が広いため、検出対象きずが超音波探触子1Cの探傷領域内の何れの位置に存在したとしても、当該検出対象きずは、何れかの選択振動子11Sの有効ビーム幅の範囲内に位置することになり、所定の強度(超音波探触子1Cによって得られるきずエコー強度の最大値を0dBとしたときに−3dB)以上のきずエコー強度を得ることができるため、検出対象きずを精度良く検出することが可能である。
【0063】
なお、以上に説明した第1〜第3実施形態においては、超音波探触子1Cが、等間隔の配列ピッチで一直線状に配列された同一形状の複数の振動子11を具備する構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、例えば、図13に示すように、一直線状に配列された複数の不均一な幅の振動子11A、11B(振動子11Aの幅と振動子11Bの幅が異なる)を具備する超音波探触子や、千鳥状に配列された複数の振動子を具備する超音波探触子を用いることも可能である。
ただし、図13に示すような超音波探触子や、千鳥状に配列された複数の振動子を具備する超音波探触子を用いる場合であっても、第1〜第3実施形態の超音波探触子1Cを用いる場合と同様に、前述した式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、選択振動子11Sを順次切り替える必要がある。図13に示す例では、ハッチを施した選択振動子11Sをステップ1からステップ3まで順次切り替えるに際し、ステップ1での選択振動子11Sとステップ2での選択振動子11Sとの距離で表される切り替えピッチ長さPと、ステップ2での選択振動子11Sとステップ3での選択振動子11Sとの距離で表される切り替えピッチ長さPとが、それぞれ前述した式(1)を満足する必要がある。また、切り替えた各選択振動子11Sでそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、各選択振動子11S毎に探傷感度を予め調整することが必要である。
【0064】
<第4実施形態>
図14は、本発明の第4実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図であり、図14(a)は正面図(管については断面図)を、図14(b)は平面図を、図14(c)は側面図を示す。
図14に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置100Cは、前述した第1実施形態と同様の構成を有する周方向きず検出用の超音波探触子1(2個)と、前述した第3実施形態と同様の構成を有するラミネーション検出用の超音波探触子1C(1個)と、単一の振動子を具備する軸方向きず検出用の超音波探触子1D(2個)とを具備する。
【0065】
また、超音波探傷装置100Cは、各超音波探触子1、1C、1Dにそれぞれ接続された送受信制御手段2(図示せず)を具備する。超音波探触子1、1Cにそれぞれ接続された送受信制御手段2は、前述した第1実施形態及び第3実施形態の送受信制御手段2と同様の構成を有し、選択振動子11Sから管Pに向けて超音波を送受信させると共に、選択振動子11Sを順次切り替える機能を有する。超音波探触子1Dに接続された送受信制御手段2は、超音波探触子1Dが具備する単一の振動子から管Pに向けて超音波を送受信させる機能を有する。
【0066】
さらに、超音波探傷装置100Cは、各送受信制御手段2からの出力信号を所定のしきい値と比較することにより、管Pに存在するきずを検出するきず判定部3(図示せず)と、管Pを周方向に回転させると共に、各超音波探触子1、1C、1Dを管Pの軸方向に相対移動させる駆動手段(図示せず)とを備えている。
【0067】
本実施形態の駆動手段は、管Pの1回転当たりにおける超音波探触子1、1C、1Dの管Pの軸方向への相対移動量が、超音波探触子1、1C、1Dの検出対象きずに対する管Pの軸方向の実質的な有効ビーム幅のうち、最小の実質的な有効ビーム幅以下となるように、管Pを周方向に回転させると共に、超音波探触子1、1C、1Dを管Pの軸方向に相対移動させることを特徴としている。以下、具体的に説明する。
【0068】
超音波探触子1についての管Pの軸方向の実質的な有効ビーム幅は、第1実施形態で述べたように、約25mmである。また、超音波探触子1Cについての管Pの軸方向の実質的な有効ビーム幅は、第3実施形態で述べたように、約27.25mmである。さらに、超音波探触子1Dについては、詳細な記載は割愛するが、超音波探触子1Dが具備する単一振動子の管Pの軸方向に沿った長さを適当な値に設定することで、検出対象きず(軸方向きず)に対する管Pの軸方向の実質的な有効ビーム幅を20mm程度にまで拡大することが可能である。
【0069】
従って、本実施形態の駆動手段は、管Pの1回転当たりにおける超音波探触子1、1C、1Dの管Pの軸方向への相対移動量が、超音波探触子1、1C、1Dの検出対象きずに対する管Pの軸方向の実質的な有効ビーム幅のうち、最小の実質的な有効ビーム幅以下、すなわち、20mm程度以下となるように、管Pを周方向に回転させると共に、超音波探触子1、1C、1Dを管Pの軸方向に相対移動させる。超音波探触子1、1C、1Dの管Pの軸方向への相対移動は、超音波探触子1、1C、1Dを静止させて、管Pを軸方向に移動させることで行っても良いし、或いは、管Pを静止させて、超音波探触子1、1C、1Dを管Pの軸方向に移動させることで行っても良い。
【0070】
本実施形態に係る超音波探傷装置100Cによれば、検出対象きずが管Pの何れの部位に存在したとしても、超音波探触子1、1C、1Dの全てについて、検出対象きずのエコー強度が所定の強度以上となり、この結果、軸方向きず、周方向きず及びラミネーションの全てを精度良く検出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0071】
【図1】図1は、管に存在する各種きずの超音波探傷方法を説明する説明図である。
【図2】図2は、従来の超音波探傷方法を説明する説明図である。
【図3】図3は、図2に示す超音波探傷方法によって得られる周方向きずのエコー強度のプロファイル例を示す。
【図4】図4は、管に加工した軸方向きず及び周方向きずに対して、同一の超音波探触子を鋼管の軸方向に走査した際に得られるきずエコー強度のプロファイル例を示す。
【図5】図5は、本発明の第1実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図である。
【図6】図6は、図5に示す超音波探触子が具備する一の選択振動子をその配列方向に沿って走査した際に得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイル例を示す。
【図7】図7は、図5に示す超音波探触子が具備する各選択振動子について得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイルを合成した例を示す。
【図8】図8は、本発明の第2実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図である。
【図9】図9は、図8に示す超音波探触子が具備する一の選択振動子をその配列方向に沿って走査した際に得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイル例を示す。
【図10】図10は、図8に示す超音波探傷装置を用いて超音波探傷した結果の一例を示すグラフである。
【図11】図11は、本発明の第3実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図である。
【図12】図12は、図11に示す超音波探触子が具備する一の選択振動子をその配列方向に沿って走査した際に得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイル例、及び、各選択振動子について得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイルを合成した例を示す。
【図13】図13は、本発明で用いられる超音波探触子が具備する振動子の変形例を示す図である。
【図14】図14は、本発明の第4実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【0072】
1,1A,1B,1C,1D・・・超音波探触子
2・・・送受信制御手段
3・・・きず判定部
11・・・振動子
11S・・・選択振動子
21・・・送信部
22・・・受信部
23・・・制御部
100,100A,100B,100C・・・超音波探傷装置
P・・・被探傷材(鋼管)
【技術分野】
【0001】
本発明は、管などの被探傷材に存在する様々なきずを精度良く検出することが可能な超音波探傷方法及び装置に関する。特に、本発明は、複数の振動子を具備する超音波探触子を用いて被探傷材を探傷する際に、検出対象きずを精度良く検出する上で適正な振動子の切り替えピッチを容易に設定できる超音波探傷方法及び装置に関する。
【背景技術】
【0002】
管の超音波探傷においては、軸方向きず(管の軸方向に延びるきず)のみならず、周方向きず(管の周方向に延びるきず)や、ラミネーションと呼ばれる管の内外面に平行な面状のきずを検出する必要がある。
【0003】
軸方向きずは、図1(a)に示すように、管Pの周方向に傾けた超音波探触子1’で超音波を送受信することにより、横波超音波を管Pの周方向に伝搬させて検出している。
また、周方向きずは、図1(b)に示すように、管Pの軸方向に傾けた超音波探触子1’で超音波を送受信することにより、横波超音波を管Pの軸方向に伝搬させて検出している。
さらに、ラミネーションは、図1(c)に示すように、管の肉厚方向に縦波超音波を伝搬させて検出している。
このように、異なる方向に延びたり異なる形状を有する様々なきずを検出するため、各きずに応じて複数の超音波探触子を併用するのが一般的である。
【0004】
従来、上記いずれのきずに対しても、図2に示すように、探傷能率を高めるために管の軸方向に沿って配列された複数の超音波探触子1’(図2に示す例では、符号A1〜A4で示す4つの超音波探触子)を用いて、各超音波探触子1’から超音波を送受信すると共に、管を周方向に回転させながら軸方向に搬送(スパイラル搬送)することにより、超音波探傷を行っている。例えば、超音波探触子A1は、図2中に斜線のハッチングを施した螺旋状の領域を探傷し、超音波探触子A2は、図2中に灰色のハッチングを施した螺旋状の領域を探傷することになる。このように、管の軸方向に沿って複数の超音波探触子1’を配列することにより、管の全面探傷を実現している。
【0005】
しかしながら、図2に示す従来の超音波探傷方法では、隣り合う超音波探触子1’がそれぞれ形成する音場の境界で音場強度が低下することに起因して、きず検出能が低下するという問題があった。図3は、機械加工によって管に形成した周方向きずのエコー強度のプロファイル例を示す。具体的には、図3は、周方向きずが形成された管を軸方向に移動させることにより各超音波探触子A1〜A4で得られたきずエコー強度を、周方向きずの軸方向位置と対応させてグラフ化したものである。図3に示すように、隣り合う超音波探触子1’の境界部(図3中に破線の円で囲んだ部分)において、きずエコー強度が著しく低下していることが分かる。従って、この境界部では、きず検出能も著しく低下することが明らかである。
【0006】
上記のような問題を解決するため、例えば、特許文献1に記載の技術が提案されている。特許文献1に記載の技術においては、複数の超音波探触子を一直線上に配列し、この複数の超音波探触子のうち一定数の連続する超音波探触子からなる探触子群を選択して超音波を送受信し、選択する探触子群を順次切り替える。そして、この切り替えのピッチを、複数個の超音波探触子の幅分の長さにすると共に、1つの選択探触子群から照射される超音波の実効ビーム幅と等しいか、下回るように設定することを特徴としている。
なお、上記「実効ビーム幅」とは、超音波探触子の中央部分で得られる音場強度のピーク値に対してレベルが3dB低下するまでの幅と定義されている(特許文献1の段落0005)。すなわち、「実効ビーム幅」とは、超音波探触子から送信する超音波ビームの音場強度のプロファイルから決定される値である。
【0007】
しかしながら、特許文献1に記載の技術を、異なる方向に延びたり異なる形状を有する様々なきずを検出する必要のある管の探傷に適用するには、以下のような問題がある。
超音波探触子をその配列方向(図2に示す例では管の軸方向)に走査した際に得られるきずエコー強度のプロファイルは、音場強度のプロファイルのみでは一意に決定できず、超音波探触子の走査方向についてのきず形状が大きく影響する。
図4は、管に加工した軸方向きず及び周方向きずに対して、同一の超音波探触子を管の軸方向に走査した際に得られるきずエコー強度のプロファイル例を示す。
上記の例では、同一の超音波探触子を用いるため、音場強度のプロファイルは同一となるが、図4に示すように、きずが異なると、きずエコー強度のプロファイルは異なるものとなる。このため、音場強度のプロファイルから導出される実効ビーム幅では、前記切り替えのピッチを正しく決定できず、きずの見逃しが生じる虞がある。結局のところ、きずの種類毎に試行錯誤を繰り返して、切り替えのピッチを決定せざるを得ないという問題がある。
【特許文献1】特許第3674131号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明は、斯かる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、複数の振動子を具備する超音波探触子を用いて被探傷材を探傷する際に、検出対象きずを精度良く検出する上で適正な振動子の切り替えピッチを容易に設定できる超音波探傷方法及び装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記課題を解決するため、本発明は、特許請求の範囲の請求項1に記載の如く、所定の方向に沿って配列されたn個(n≧2)の振動子を具備する超音波探触子を被探傷材に対向配置する配置ステップと、前記n個の振動子のうち、m個(n>m≧1)の振動子を選択し、該選択振動子から前記被探傷材に向けて超音波を送受信することにより、前記被探傷材を探傷する探傷ステップと、前記選択振動子を順次切り替える走査ステップとを含み、前記探傷ステップと前記走査ステップとを交互に繰り返すことにより、前記被探傷材を超音波探傷する方法であって、前記走査ステップでは、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、前記選択振動子を順次切り替え、
P≦W1・cosθ ・・・(1)
前記探傷ステップでは、前記切り替えた各選択振動子でそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、前記各選択振動子毎に予め調整された探傷感度で、前記被探傷材を探傷することを特徴とする超音波探傷方法を提供する。
【0010】
なお、本発明において、「n個の振動子の配列方向と超音波が入射する被探傷材の表面との成す角度」とは、被探傷材が管等の断面略円形の材料である場合、n個の振動子の配列方向と、超音波の入射点における被探傷材の接平面との成す角度を意味する。
また、本発明において、「各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅」とは、各選択振動子を振動子の配列方向に走査した場合に得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイルにおいて、きずエコー強度が所定の強度(例えば、最大強度を0dBとしたときに−3dB)以上となる範囲(超音波の入射点における被探傷材の表面に沿った範囲)の長さを意味する。
さらに、本発明において、「切り替えピッチ長さ」とは、隣り合う選択振動子間の距離(振動子の配列方向についての距離、長さ単位)を意味する。
【0011】
本発明によれば、走査ステップにおいて、式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、選択振動子を順次切り替える。換言すれば、切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅の範囲(各選択振動子の中心を基準とした有効ビーム幅に相当する長さを有する範囲)が重複する部分を有するように、選択振動子を順次切り替える。このため、検出対象きずが超音波探触子の探傷領域内の何れの位置に存在したとしても、当該検出対象きずは、何れかの選択振動子の有効ビーム幅の範囲内に位置することになる。従って、当該検出対象きずのエコー強度は、所定の強度(例えば、当該選択振動子によって得られるきずエコー強度の最大値を0dBとしたときに−3dB)以上となる。
【0012】
また、本発明によれば、探傷ステップにおいて、切り替えた各選択振動子でそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、各選択振動子毎に予め調整された探傷感度(エコー強度の増幅度)で、被探傷材を探傷する。そして、前述のように、検出対象きずは、この最大エコー強度が略同等となるように探傷感度が調整された何れかの選択振動子の有効ビーム幅の範囲内に位置することになる。このため、何れの選択振動子で検出対象きずのエコーを検出したとしても、換言すれば、検出対象きずが超音波探触子の探傷領域内の何れの位置に存在したとしても、所定の強度(例えば、超音波探触子によって得られるきずエコー強度の最大値を0dBとしたときに−3dB)以上のきずエコー強度を得ることができ、検出対象きずを精度良く検出することが可能である。
【0013】
以上のように、本発明によれば、式(1)を満足するような選択振動子の切り替えピッチ長さP(mm)を設定することにより、検出対象きずを精度良く検出することが可能である。すなわち、従来のように試行錯誤を繰り返す必要が無く、式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)を選択すれば良いため、検出対象きずを精度良く検出する上で適正な振動子の切り替えピッチを容易に設定可能である。
【0014】
ここで、特許請求の範囲の請求項2に記載の如く、前記超音波探触子が具備する前記n個の振動子が、等間隔d(mm)の配列ピッチで配列されている場合には、前記走査ステップでは、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(2)を満足する切り替えピッチ個数K(個)で、前記選択振動子を順次切り替えることが好ましい。
K≦W1・cosθ/d ・・・(2)
【0015】
なお、本発明において、「切り替えピッチ個数」とは、隣り合う選択振動子間の距離(振動子の配列方向についての距離)を振動子の個数に換算した値を意味する。従って、切り替えピッチ個数Kは正の整数である。
【0016】
また、前記課題を解決するため、本発明は、特許請求の範囲の請求項3に記載の如く、被探傷材としての管に発生し得る軸方向きずを検出するための第1の超音波探触子と、前記管に発生し得る周方向きずを検出するための第2の超音波探触子と、前記管に発生し得るラミネーションを検出するための第3の超音波探触子とをそれぞれ前記管に対向配置し、前記管を周方向に回転させると共に、前記第1〜第3の超音波探触子を前記管の軸方向に相対移動させながら、前記第1〜第3の超音波探触子がそれぞれ具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信することにより、前記管を超音波探傷する方法であって、前記第1〜第3の超音波探触子のうち、少なくとも1つの超音波探触子を請求項1又は2に記載の超音波探触子とし、該超音波探触子が具備するn個の振動子の配列方向を前記管の軸方向に合致させて、該超音波探触子について請求項1又は2に記載の超音波探傷方法を実行し、前記管の1回転当たりにおける前記第1〜第3の超音波探触子の前記管の軸方向への相対移動量を、前記第1〜第3の超音波探触子の検出対象きずに対する前記管の軸方向の実質的な有効ビーム幅のうち、最小の実質的な有効ビーム幅以下に設定することを特徴とする超音波探傷方法としても提供される。
【0017】
なお、本発明において、「実質的な有効ビーム幅」とは、請求項1又は2に記載の超音波探触子については、前述した各選択振動子について得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイルを合成し、該合成後のエコー強度のプロファイルにおいて、きずエコー強度が所定の強度(例えば、最大強度を0dBとしたときに−3dB)以上となる範囲(超音波の入射点における被探傷材の表面に沿った範囲)を意味する。
また、単一の振動子を具備する超音波探触子については、当該超音波探触子を走査した場合に得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイルにおいて、きずエコー強度が所定の強度(例えば、最大強度を0dBとしたときに−3dB)以上となる範囲(超音波の入射点における被探傷材の表面に沿った範囲)を意味する。
【0018】
本発明によれば、管の1回転当たりにおける第1〜第3の超音波探触子の管の軸方向への相対移動量を、第1〜第3の超音波探触子の検出対象きずに対する管の軸方向の実質的な有効ビーム幅のうち、最小の実質的な有効ビーム幅以下に設定する。このため、検出対象きずが管の何れの部位に存在したとしても、第1〜第3の超音波探触子の全てについて、検出対象きずのエコー強度が所定の強度以上となり、この結果、軸方向きず、周方向きず及びラミネーションの全てを精度良く検出することが可能である。
【0019】
また、前記課題を解決するため、本発明は、特許請求の範囲の請求項4に記載の如く、所定の方向に沿って配列されたn個(n≧2)の振動子を具備し、被探傷材に対向配置された超音波探触子と、前記n個の振動子のうち、m個(n>m≧1)の振動子を選択し、該選択振動子から前記被探傷材に向けて超音波を送受信させると共に、前記選択振動子を順次切り替える送受信制御手段とを備え、前記送受信制御手段は、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、前記選択振動子を順次切り替え、
P≦W1・cosθ ・・・(1)
前記送受信制御手段においては、前記切り替えた各選択振動子でそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、前記各選択振動子毎に探傷感度が予め調整されていることを特徴とする超音波探傷装置としても提供される。
【0020】
ここで、特許請求の範囲の請求項5に記載の如く、前記超音波探触子が具備する前記n個の振動子が、等間隔d(mm)の配列ピッチで配列されている場合には、前記送受信制御手段は、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(2)を満足する切り替えピッチ個数K(個)で、前記選択振動子を順次切り替えることが好ましい。
K≦W1・cosθ/d ・・・(2)
【0021】
さらに、前記課題を解決するため、本発明は、特許請求の範囲の請求項6に記載の如く、被探傷材としての管に対向配置され、前記管に発生し得る軸方向きずを検出するための第1の超音波探触子と、前記管に対向配置され、前記管に発生し得る周方向きずを検出するための第2の超音波探触子と、前記管に対向配置され、前記管に発生し得るラミネーションを検出するための第3の超音波探触子と、前記第1の超音波探触子が具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信させる第1の送受信制御手段と、前記第2の超音波探触子が具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信させる第2の送受信制御手段と、前記第3の超音波探触子が具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信させる第3の送受信制御手段と、前記管を周方向に回転させると共に、前記第1〜第3の超音波探触子を前記管の軸方向に相対移動させる駆動手段とを備え、前記第1〜第3の超音波探触子のうち、少なくとも1つの超音波探触子が請求項4又は5に記載の超音波探触子であって、該超音波探触子が具備するn個の振動子の配列方向が前記管の軸方向に合致しており、前記第1〜第3の送受信制御手段のうち、前記少なくとも1つの超音波探触子に対応する少なくとも1つの送受信制御手段が請求項4又は5に記載の送受信制御手段であり、前記駆動手段は、前記管の1回転当たりにおける前記第1〜第3の超音波探触子の前記管の軸方向への相対移動量が、前記第1〜第3の超音波探触子の検出対象きずに対する前記管の軸方向の実質的な有効ビーム幅のうち、最小の実質的な有効ビーム幅以下となるように、前記管を周方向に回転させると共に、前記第1〜第3の超音波探触子を前記管の軸方向に相対移動させることを特徴とする超音波探傷装置としても提供される。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、複数の振動子を具備する超音波探触子を用いて被探傷材を探傷する際に、検出対象きずを精度良く検出する上で適正な振動子の切り替えピッチを容易に設定可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の実施形態について、被探傷材が管である場合を例に挙げて説明する。
【0024】
<第1実施形態>
図5は、本発明の第1実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図であり、図5(a)は正面図(管については断面図)を、図5(b)は図5(a)に示す超音波探触子の拡大平面図(超音波探触子を傾けていない状態での拡大平面図)を示す。
本実施形態に係る超音波探傷装置100は、周方向きず検出用の超音波探傷装置である。図5に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置100は、管Pの軸方向に沿って配列された64個の振動子11(11−1〜11−64)を具備し、管Pに対向配置された超音波探触子1と、64個の振動子11のうち、30個の振動子11を選択し(選択された30個の振動子11からなる振動子の集合体を選択振動子11Sという)、該選択振動子11Sから管Pに向けて超音波を送受信させると共に、選択振動子11Sを順次切り替える送受信制御手段2とを備えている。また、本実施形態に係る超音波探傷装置100は、送受信制御手段2からの出力信号を所定のしきい値と比較することにより、管Pに存在するきずを検出するきず判定部3を備えている。さらに、本実施形態に係る超音波探傷装置100は、管Pを周方向に回転させると共に、超音波探触子1を管Pの軸方向に相対移動させる駆動手段(図示せず)を備えている。
【0025】
本実施形態の超音波探触子1は、管Pに対して距離L=70mmだけ管Pから離間して配置されている。また、超音波探触子1は、管Pの法線に対して管Pの軸方向にα≒19°だけ傾けて(超音波の入射角α≒19°となるように)配置されている。これにより、屈折角γ=45°の横波超音波が管Pの軸方向に沿って伝搬することになる。なお、本実施形態の超音波探触子1の探傷周波数は5MHzとされている。
【0026】
本実施形態の超音波探触子1が具備する各振動子11は、同一の矩形状の振動子であり、管Pの軸方向に一直線状に配列されている。本実施形態の各振動子11は、長さL1=10mm、幅W1=0.4mmとされ、0.1mmの間隔を隔てて配列されている。すなわち、各振動子11の管Pの軸方向の配列ピッチは、0.5mmである。
【0027】
本実施形態の送受信制御手段2は、送信部21と、受信部22と、制御部23とを備えている。
【0028】
送信部21は、各振動子11にそれぞれ接続され各振動子11から超音波を送信させるためのパルス信号を供給するパルサー211と、各パルサー211から各振動子11に供給するパルス信号の遅延時間(送信遅延時間)を設定するための遅延回路212とを具備する。
【0029】
受信部22は、各振動子11にそれぞれ接続され各振動子11で受信したエコーを増幅するためのレシーバ221と、各レシーバ221で増幅されたエコーの遅延時間(受信遅延時間)を設定するための遅延回路222と、各遅延回路222で遅延時間を設定されたエコーを合成するための波形合成回路223と、波形合成回路223で合成されたエコーを増幅するための増幅器224とを具備する。増幅器224の増幅度(探傷感度)は、後述するように制御部23で切り替えた各選択振動子11Sでそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、各選択振動子11S毎に予め調整されている。
【0030】
制御部23は、配列された64個の振動子11の内、超音波を送受信する30個の振動子11からなる選択振動子11Sを順次切り替える。この際、制御部23は、振動子11の配列方向(図5に示す矢符Aの方向)と超音波が入射する管Pの表面(超音波の入射点における管Pの接平面)との成す角度をθ(°)とし、切り替えた各選択振動子11Sの検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、選択振動子11Sを順次切り替える。
P≦W1・cosθ ・・・(1)
特に、本実施形態のように、超音波探触子が具備する64個の振動子11が、等間隔d(mm)の配列ピッチで配列されている場合には、制御部23は、下記の式(2)を満足する切り替えピッチ個数K(個)で、選択振動子11Sを順次切り替える。
K≦W1・cosθ/d ・・・(2)
【0031】
図6は、略同時に超音波を送受信する30個の振動子からなる一の選択振動子を振動子の配列方向に沿って走査した際に得られる検出対象きず(周方向きず)のエコー強度のプロファイル例を示す。ただし、図6の横軸は、選択振動子の走査位置を管軸方向位置に換算した値を示す。図6(a)は、外径178mmで肉厚10mmの管Pに加工した周方向きず(深さ:肉厚の5%、周方向長さ:25mm)のエコー強度のプロファイルを、図6(b)は、外径160mmで肉厚20mmの管Pに加工した周方向きず(深さ:肉厚の5%、周方向長さ:25mm)のエコー強度のプロファイルを示す。最大強度を0dBとしたときに−3dB以上となる範囲を有効ビーム幅W1とすると、図6(a)に示す例では、W1≒9.5mmとなり、図6(b)に示す例では、W1≒6.75mmとなることが分かる。
【0032】
ここで、θ=α≒19°であるため、上記の式(1)に、このθの値、及び、上記W1の値を代入すると、
外径178mm、肉厚10mmの管Pについては、
P≦9.5×cos19°=9.5×0.95=8.98mm
外径160mm、肉厚20mmの管Pについては、
P≦6.75×cos19°=6.75×0.95=6.38mm
となる。
【0033】
そして、本実施形態では、前述のように、超音波探触子1が具備する64個の振動子11が、等間隔d=0.5(mm)の配列ピッチで配列されているため、上記の式(2)に、θ、W1及びdの値を代入すると、
外径178mm、肉厚10mmの管Pについては、
K≦9.5×cos19°/0.5=9.5×0.95/0.5=17.96
であり、17個以下の切り替えピッチ個数で、選択振動子11Sを順次切り替えれば良いことが容易に分かる。
また、外径160mm、肉厚20mmの管Pについては、
K≦6.75×cos19°/0.5=6.75×0.95/0.5=12.76
であり、12個以下の切り替えピッチ個数で、選択振動子11Sを順次切り替えれば良いことが容易に分かる。
【0034】
また、制御部23は、各選択振動子11Sを構成する各振動子11についての遅延回路212又は遅延回路222で設定される遅延時間を決定するように動作する。本実施形態では、各選択振動子11Sを構成する各振動子11から略同時に超音波を送受信するため、各振動子11に対して、同じ送信遅延時間及び受信遅延時間が設定される。
【0035】
さらに、制御部23は、各選択振動子11S毎に増幅器224の増幅度(探傷感度)を切り替えるように動作する。具体的には、増幅器224の増幅度は切り替え可能に構成されており、制御部23は、各選択振動子11S毎に予め決められた増幅度となるように、切り替えた選択振動子11Sに応じて増幅度を切り替える制御信号を増幅器224に出力する。この各選択振動子11S毎の増幅度は、前述のように、切り替えた各選択振動子11Sでそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、予め決められる。
【0036】
本実施形態に係る超音波探傷装置100は、例えば、外径178mm、肉厚10mmの管Pについて、駆動手段で管Pを周方向に回転させると共に、超音波探触子1を管Pの軸方向に相対移動させながら、例えば、以下の探傷サイクルに従って超音波探傷を行う。そして、本実施形態の制御部23は、以下の探傷サイクルに示すように、選択する振動子11を17個ずつずらす(すなわち、選択振動子11Sの切り替えピッチ個数は17個)ことにより選択振動子11Sを切り替える。
<探傷サイクル>
(1)ステップ1:振動子11−1〜11〜30の30個の振動子からなる選択振動子11Sで超音波探傷する。
(2)ステップ2:振動子11−18〜11〜47の30個の振動子からなる選択振動子11Sで超音波探傷する。
(3)ステップ3:振動子11−35〜11〜64の30個の振動子からなる選択振動子11Sで超音波探傷する。
上記のステップ1〜3を繰り返すことにより、管P全体の超音波探傷が行われる。
【0037】
また、前述したように、各選択振動子11S毎に切り替えられる増幅器224の増幅度は、具体的には、以下のようにして予め決められる。すなわち、上記のステップ1で切り替えられた振動子11−1〜11〜30からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる周方向きずの最大エコー強度が、所定の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。また、上記のステップ2で切り替えられた振動子11−18〜11〜47からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる周方向きずの最大エコー強度が、上記と略同等の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。さらに、上記のステップ3で切り替えられた振動子11−35〜11〜64からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる周方向きずの最大エコー強度が、上記と略同等の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。以上のようにして、各選択振動子11S毎に切り替えられる増幅器224の増幅度は予め決められ、制御部23は、各選択振動子11S毎に予め決められた増幅度となるように、切り替えた選択振動子11Sに応じて増幅器224の増幅度も切り替える。
【0038】
図7は、上記の各ステップで切り替えられた各選択振動子11Sについてそれぞれ得られる検出対象きず(周方向きず)のエコー強度のプロファイルを合成した例を示す。図7に示すように、合成後のきずエコー強度のプロファイルは、図6(a)に示した一の選択振動子11Sについて(一のステップについて)得られるきずエコー強度のプロファイルに比べて、管軸方向の広範囲に亘ってエコー強度の高い部分を有するプロファイルとなる。図7に示す合成後のきずエコー強度のプロファイルにおいて、最大強度を0dBとしたときに−3dB以上となる範囲を実質的な有効ビーム幅とすると、この実質的な有効ビーム幅は約25mmとなる。また、図7より、各選択振動子11Sの境界部(図7中に破線の円で囲んだ部分)におけるきずエコー強度の低下は、−1.5dB程度に抑制できることが分かる。
【0039】
以上のように、本実施形態に係る超音波探傷装置100によれば、実質的な有効ビーム幅が広いため、検出対象きずが超音波探触子1の探傷領域内の何れの位置に存在したとしても、当該検出対象きずは、何れかの選択振動子11Sの有効ビーム幅の範囲内に位置することになり、所定の強度(超音波探触子1によって得られるきずエコー強度の最大値を0dBとしたときに−3dB)以上のきずエコー強度を得ることができるため、検出対象きずを精度良く検出することが可能である。
【0040】
<第2実施形態>
図8は、本発明の第2実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図であり、図8(a)は正面図を、図8(b)は平面図を、図8(c)は図8(b)に示す超音波探触子の拡大平面図(超音波探触子を傾けていない状態での拡大平面図)を示す。
本実施形態に係る超音波探傷装置100Aは、溶接部に存在するきず検出用の超音波探傷装置である。図8に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置100Aは、管Pの溶接部P1の溶接線と直交する方向に沿って配列された16個の振動子11(11−1〜11−16)を具備し、溶接部P1に対向配置された超音波探触子1A、1Bと、16個の振動子11のうち、10個の振動子11を選択し(選択された10個の振動子11からなる振動子の集合体を選択振動子11Sという)、該選択振動子11Sから溶接部P1に向けて超音波を送受信させると共に、選択振動子11Sを順次切り替える送受信制御手段2(図示せず)とを備えている。また、本実施形態に係る超音波探傷装置100は、送受信制御手段2からの出力信号を所定のしきい値と比較することにより、管Pに存在するきずを検出するきず判定部3(図示せず)を備えている。さらに、本実施形態に係る超音波探傷装置100は、超音波探触子1A、1Bを溶接部P1の溶接線の方向に沿って管Pに対して相対移動させる駆動手段(図示せず)を備えている。
【0041】
本実施形態に係る超音波探傷装置100は、後述するように超音波探触子と管Pとの音響カップリングを評価するための好ましい構成として、一対の超音波探触子1A、1Bを備えている。一対の超音波探触子1A、1Bは、それぞれが具備する振動子11から送信した超音波が溶接部P1の溶接線に直交する方向から見て溶接部P1の略同一点に入射するように、且つ、一方の超音波探触子1Aが具備する振動子11から送信した超音波のうち溶接部P1表面で反射したエコーを他方の超音波探触子1Bが具備する振動子11で受信できるように、略V字状に配置されている。
【0042】
また、本実施形態の各超音波探触子1A、1Bは、管Pに対して距離L=70mmだけ管Pから離間して配置されている。さらに、各超音波探触子1A、1Bは、管Pの法線に対して溶接線方向にα≒19°だけ傾けて(超音波の入射角α≒19°となるように)配置されている。これにより、屈折角45°の横波超音波が溶接線方向に沿って伝搬することになる。なお、本実施形態の超音波探触子1A、1Bの探傷周波数は5MHzとされている。
【0043】
本実施形態の各超音波探触子1A、1Bが具備する各振動子11は、同一の矩形状の振動子であり、溶接部P1の溶接線と直交する方向(ビード幅方向)に一直線状に配列されている。本実施形態の各振動子11は、長さL1=10mm、幅W1=0.9mmとされ、0.1mmの間隔を隔てて配列されている。すなわち、各振動子11の溶接線と直交する方向の配列ピッチは、1.0mmである。各超音波探触子1A、1Bは、振動子11−8及び11−9が溶接部P1のビード幅方向の中心に対向するように配置される。
【0044】
本実施形態の送受信制御手段2は、第1実施形態の送受信制御手段2と同様の構成を有するため、その詳細な説明は省略するが、第1実施形態の送受信制御手段2と同様に、送信部21と、受信部22と、制御部23とを備えている。ただし、本実施形態に係る超音波探傷装置100Aは、一方の超音波探触子1Aに接続された送受信制御手段2と、他方の超音波探触子1Bに接続された送受信制御手段2とを備えている。本実施形態の制御部23は、第1実施形態の制御部23と同様に、前述した式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、選択振動子11Sを順次切り替える。特に、本実施形態のように、超音波探触子が具備する16個の振動子11が、等間隔の配列ピッチで配列されている場合には、制御部23は、前述した式(2)を満足する切り替えピッチ個数K(個)で、選択振動子11Sを順次切り替える。
【0045】
図9は、略同時に超音波を送受信する10個の振動子からなる一の選択振動子を振動子の配列方向(ビード幅方向)に沿って走査した際に得られる検出対象きず(内径1.6mmの縦穴)のエコー強度のプロファイル例を示す。最大強度を0dBとしたときに−3dB以上となる範囲を有効ビーム幅W1とすると、図9に示す例では、W1≒3.8mmとなることが分かる。
【0046】
ここで、振動子11の配列方向(ビード幅方向)と超音波が入射する管Pの表面(超音波の入射点における管Pの接平面)との成す角度θ=0°と考えることができるため、前述した式(1)に、このθの値、及び、上記W1の値を代入すると、
P≦3.8×cos0°=3.8×1=3.8mm
となる。
【0047】
そして、本実施形態では、前述のように、超音波探触子1が具備する16個の振動子11が、等間隔d=1.0(mm)の配列ピッチで配列されているため、前述した式(2)に、θ、W1及びdの値を代入すると、
K≦3.8×cos0°/1.0=3.8×1/1.0=3.8
であり、3個以下の切り替えピッチ個数で、選択振動子11Sを順次切り替えれば良いことが容易に分かる。
【0048】
以上の結果より、本実施形態に係る超音波探傷装置100Aは、超音波探触子1を溶接部P1の溶接線の方向に沿って管Pに対して相対移動させながら、例えば、以下の探傷サイクルに従って超音波探傷を行う。そして、本実施形態の制御部23は、以下の探傷サイクルのステップ1〜3のように、選択する振動子11を3個ずつずらす(すなわち、選択振動子11Sの切り替えピッチ個数は3個)ことにより選択振動子11Sを切り替える。
<探傷サイクル>
(1)ステップ1:振動子11−1〜11〜10の10個の振動子からなる選択振動子11Sで超音波探傷する。
(2)ステップ2:振動子11−4〜11〜13の10個の振動子からなる選択振動子11Sで超音波探傷する。
(3)ステップ3:振動子11−7〜11〜16の10個の振動子からなる選択振動子11Sで超音波探傷する。
上記のステップ1〜3を繰り返すことにより、管P全体の超音波探傷が行われる。
【0049】
また、各選択振動子11S毎に切り替えられる受信部22が具備する増幅器224の増幅度(探傷感度)は、以下のようにして予め決められる。すなわち、上記のステップ1で切り替えられた振動子11−1〜11〜10からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる、図10(a)に示す縦穴C(溶接部のビード幅方向の中心から−5mmずれた位置に加工した内径1.6mmの縦穴)の最大エコー強度が、所定の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。また、上記のステップ2で切り替えられた振動子11−4〜11〜13の振動子からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる、図10(a)に示す縦穴B(溶接部のビード幅方向の中心に加工した内径1.6mmの縦穴)の最大エコー強度が、上記と略同等の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。さらに、上記のステップ3で切り替えられた振動子11−7〜11〜16の振動子からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる、図10(a)に示す縦穴A(溶接部のビード幅方向の中心から+5mmずれた位置に加工した内径1.6mmの縦穴)の最大エコー強度が、上記と略同等の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。以上のようにして、各選択振動子11S毎に切り替えられる増幅器224の増幅度は予め決められ、制御部23は、各選択振動子11S毎に予め決められた増幅度となるように、切り替えた選択振動子11Sに応じて増幅器224の増幅度も切り替える。
【0050】
なお、本実施形態では、好ましい構成として、全ての選択振動子11Sを順次用いた溶接部P1の一連の超音波探傷(前述したステップ1〜3)が終了し、次の一連の超音波探傷を開始する前に、超音波探触子1A、1Bと鋼管Pとの音響カップリングを評価している。具体的には、一方の超音波探触子1Aが具備する振動子11−4〜11−13から超音波を送信し、該送信した超音波のうち溶接部P1表面で反射したエコーを他方の超音波探触子1Bが具備する振動子11−4〜11−13で受信し、そのエコー強度の大小を評価している。上記の動作は、一方の超音波探触子1Aに接続された送受信制御手段2と、他方の超音波探触子1Bに接続された送受信制御手段2との双方を制御する制御手段(図示せず)によって制御される。そして、上記の溶接部P1表面で反射したエコーの強度が所定のレベル以下であれば、前記制御手段により、警報が発せられる構成となっている。斯かる構成により、音響カップリングが正常となるように調整した後、再検査する処置を施すことができ、きず検出精度を安定化させることが可能である。
【0051】
図10(b)は、以上に説明した構成を有する超音波探傷装置100Aを用いて、図10(a)に示す縦穴A〜Cを超音波探傷した結果を示すグラフである。なお、図10(b)の横軸はビード幅方向の位置を、縦軸は受信部22が具備する波形合成回路223から出力される各縦穴の内外面についての最大エコー強度を示す。
図10(b)から分かるように、本実施形態に係る超音波探傷装置100Aによれば、内外面のきずをその存在する位置(ビード幅方向位置)に関わらず精度良く検出することが可能である。
【0052】
<第3実施形態>
図11は、本発明の第3実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図であり、図11(a)は正面図(管については断面図)を、図11(b)は図11(a)に示す超音波探触子の拡大平面図を示す。
本実施形態に係る超音波探傷装置100Bは、ラミネーション検出用の超音波探傷装置である。図11に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置100Bは、管Pの軸方向に沿って配列された64個の振動子11(11−1〜11−64)を具備し、管Pに対向配置された超音波探触子1Cと、64個の振動子11のうち、36個の振動子11を選択し(選択された36個の振動子11からなる振動子の集合体を選択振動子11Sという)、該選択振動子11Sから管Pに向けて超音波を送受信させると共に、選択振動子11Sを順次切り替える送受信制御手段2(図示せず)とを備えている。また、本実施形態に係る超音波探傷装置100Bは、送受信制御手段2からの出力信号を所定のしきい値と比較することにより、管Pに存在するきずを検出するきず判定部3(図示せず)を備えている。さらに、本実施形態に係る超音波探傷装置100Bは、管Pを周方向に回転させると共に、超音波探触子1Cを管Pの軸方向に相対移動させる駆動手段(図示せず)を備えている。
【0053】
本実施形態の超音波探触子1Cは、管Pに対して距離L=70mmだけ管Pから離間して配置されている。また、超音波探触子1Cは、送信した超音波が管Pの表面に対して垂直に入射するように配置されている。これにより、縦波超音波が管Pの肉厚方向に伝搬することになる。なお、本実施形態の超音波探触子1Cの探傷周波数は7MHzとされている。
【0054】
本実施形態の超音波探触子1Cが具備する各振動子11は、同一の矩形状の振動子であり、管Pの軸方向に一直線状に配列されている。本実施形態の各振動子11は、長さL1=10mm、幅W1=0.4mmとされ、0.1mmの間隔を隔てて配列されている。すなわち、各振動子11の管Pの軸方向の配列ピッチは、0.5mmである。
【0055】
本実施形態の送受信制御手段2は、第1実施形態の送受信制御手段2と同様の構成を有するため、その詳細な説明は省略するが、第1実施形態の送受信制御手段2と同様に、送信部21と、受信部22と、制御部23とを備えている。本実施形態の制御部23は、第1実施形態の制御部23と同様に、前述した式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、選択振動子11Sを順次切り替える。特に、本実施形態のように、超音波探触子が具備する64個の振動子11が、等間隔の配列ピッチで配列されている場合には、制御部23は、前述した式(2)を満足する切り替えピッチ個数K(個)で、選択振動子11Sを順次切り替える。
【0056】
図12(a)は、略同時に超音波を送受信する36個の振動子からなる一の選択振動子を振動子の配列方向(管Pの軸方向)に沿って走査した際に得られる検出対象きず(ラミネーションを模擬した管Pの内面から加工した内径6.35mmの平底穴)のエコー強度のプロファイル例を示す。最大強度を0dBとしたときに−3dB以上となる範囲を有効ビーム幅W1とすると、図12(a)に示す例では、W1≒13.75mmとなることが分かる。
【0057】
ここで、振動子11の配列方向(管Pの軸方向)と超音波が入射する管Pの表面(超音波の入射点における管Pの接平面)との成す角度θ=0°と考えることができるため、前述した式(1)に、このθの値、及び、上記W1の値を代入すると、
P≦13.75×cos0°=13.75×1=13.75mm
となる。
【0058】
そして、本実施形態では、前述のように、超音波探触子1Cが具備する64個の振動子11が、等間隔d=0.5(mm)の配列ピッチで配列されているため、前述した式(2)に、θ、W1及びdの値を代入すると、
K≦13.75×cos0°/0.5=13.75×1/0.5=27.5
であり、27個以下の切り替えピッチ個数で、選択振動子11Sを順次切り替えれば良いことが容易に分かる。
【0059】
以上の結果より、本実施形態に係る超音波探傷装置100Bは、駆動手段で管Pを周方向に回転させると共に、超音波探触子1Cを管Pの軸方向に相対移動させながら、例えば、以下の探傷サイクルに従って超音波探傷を行う。そして、本実施形態の制御部23は、以下の探傷サイクルに示すように、選択する振動子11を27個ずつずらす(すなわち、選択振動子11Sの切り替えピッチ個数は27個)ことにより選択振動子11Sを切り替える。
<探傷サイクル>
(1)ステップ1:振動子11−1〜11〜36の36個の振動子からなる選択振動子11Sで超音波探傷する。
(2)ステップ2:振動子11−28〜11〜63の36個の振動子からなる選択振動
上記のステップ1、2を繰り返すことにより、管P全体の超音波探傷が行われる。
【0060】
また、各選択振動子11S毎に切り替えられる受信部22が具備する増幅器224の増幅度(探傷感度)は、具体的には、以下のようにして予め決められる。すなわち、上記のステップ1で切り替えられた振動子11−1〜11〜36からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる前述の平底穴の最大エコー強度が、所定の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。また、上記のステップ2で切り替えられた振動子11−28〜11〜63からなる選択振動子11Sで超音波を送受信したときに得られる前述の平底穴の最大エコー強度が、上記と略同等の強度(例えばCRT上で80%の強度)となるように、増幅器224の増幅度を決定する。以上のようにして、各選択振動子11S毎に切り替えられる増幅器224の増幅度は予め決められ、制御部23は、各選択振動子11S毎に予め決められた増幅度となるように、切り替えた選択振動子11Sに応じて増幅器224の増幅度も切り替える。
【0061】
図12(b)は、上記の各ステップで切り替えられた各選択振動子11Sについてそれぞれ得られる検出対象きず(平底穴)のエコー強度のプロファイルを合成した例を示す。図12(b)に示すように、合成後のきずエコー強度のプロファイルは、図12(a)に示した一の選択振動子11Sについて(一のステップについて)得られるきずエコー強度のプロファイルに比べて、管軸方向の広範囲に亘ってエコー強度の高い部分を有するプロファイルとなる。図12(b)に示す合成後のきずエコー強度のプロファイルにおいて、最大強度を0dBとしたときに−3dB以上となる範囲を実質的な有効ビーム幅とすると、この実質的な有効ビーム幅は約27.25mmとなる。また、図12(b)より、各選択振動子11Sの境界部(図12(b)中に破線の円で囲んだ部分)におけるきずエコー強度の低下は、−2dB程度に抑制できることが分かる。
【0062】
以上のように、本実施形態に係る超音波探傷装置100Bによれば、実質的な有効ビーム幅が広いため、検出対象きずが超音波探触子1Cの探傷領域内の何れの位置に存在したとしても、当該検出対象きずは、何れかの選択振動子11Sの有効ビーム幅の範囲内に位置することになり、所定の強度(超音波探触子1Cによって得られるきずエコー強度の最大値を0dBとしたときに−3dB)以上のきずエコー強度を得ることができるため、検出対象きずを精度良く検出することが可能である。
【0063】
なお、以上に説明した第1〜第3実施形態においては、超音波探触子1Cが、等間隔の配列ピッチで一直線状に配列された同一形状の複数の振動子11を具備する構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、例えば、図13に示すように、一直線状に配列された複数の不均一な幅の振動子11A、11B(振動子11Aの幅と振動子11Bの幅が異なる)を具備する超音波探触子や、千鳥状に配列された複数の振動子を具備する超音波探触子を用いることも可能である。
ただし、図13に示すような超音波探触子や、千鳥状に配列された複数の振動子を具備する超音波探触子を用いる場合であっても、第1〜第3実施形態の超音波探触子1Cを用いる場合と同様に、前述した式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、選択振動子11Sを順次切り替える必要がある。図13に示す例では、ハッチを施した選択振動子11Sをステップ1からステップ3まで順次切り替えるに際し、ステップ1での選択振動子11Sとステップ2での選択振動子11Sとの距離で表される切り替えピッチ長さPと、ステップ2での選択振動子11Sとステップ3での選択振動子11Sとの距離で表される切り替えピッチ長さPとが、それぞれ前述した式(1)を満足する必要がある。また、切り替えた各選択振動子11Sでそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、各選択振動子11S毎に探傷感度を予め調整することが必要である。
【0064】
<第4実施形態>
図14は、本発明の第4実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図であり、図14(a)は正面図(管については断面図)を、図14(b)は平面図を、図14(c)は側面図を示す。
図14に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置100Cは、前述した第1実施形態と同様の構成を有する周方向きず検出用の超音波探触子1(2個)と、前述した第3実施形態と同様の構成を有するラミネーション検出用の超音波探触子1C(1個)と、単一の振動子を具備する軸方向きず検出用の超音波探触子1D(2個)とを具備する。
【0065】
また、超音波探傷装置100Cは、各超音波探触子1、1C、1Dにそれぞれ接続された送受信制御手段2(図示せず)を具備する。超音波探触子1、1Cにそれぞれ接続された送受信制御手段2は、前述した第1実施形態及び第3実施形態の送受信制御手段2と同様の構成を有し、選択振動子11Sから管Pに向けて超音波を送受信させると共に、選択振動子11Sを順次切り替える機能を有する。超音波探触子1Dに接続された送受信制御手段2は、超音波探触子1Dが具備する単一の振動子から管Pに向けて超音波を送受信させる機能を有する。
【0066】
さらに、超音波探傷装置100Cは、各送受信制御手段2からの出力信号を所定のしきい値と比較することにより、管Pに存在するきずを検出するきず判定部3(図示せず)と、管Pを周方向に回転させると共に、各超音波探触子1、1C、1Dを管Pの軸方向に相対移動させる駆動手段(図示せず)とを備えている。
【0067】
本実施形態の駆動手段は、管Pの1回転当たりにおける超音波探触子1、1C、1Dの管Pの軸方向への相対移動量が、超音波探触子1、1C、1Dの検出対象きずに対する管Pの軸方向の実質的な有効ビーム幅のうち、最小の実質的な有効ビーム幅以下となるように、管Pを周方向に回転させると共に、超音波探触子1、1C、1Dを管Pの軸方向に相対移動させることを特徴としている。以下、具体的に説明する。
【0068】
超音波探触子1についての管Pの軸方向の実質的な有効ビーム幅は、第1実施形態で述べたように、約25mmである。また、超音波探触子1Cについての管Pの軸方向の実質的な有効ビーム幅は、第3実施形態で述べたように、約27.25mmである。さらに、超音波探触子1Dについては、詳細な記載は割愛するが、超音波探触子1Dが具備する単一振動子の管Pの軸方向に沿った長さを適当な値に設定することで、検出対象きず(軸方向きず)に対する管Pの軸方向の実質的な有効ビーム幅を20mm程度にまで拡大することが可能である。
【0069】
従って、本実施形態の駆動手段は、管Pの1回転当たりにおける超音波探触子1、1C、1Dの管Pの軸方向への相対移動量が、超音波探触子1、1C、1Dの検出対象きずに対する管Pの軸方向の実質的な有効ビーム幅のうち、最小の実質的な有効ビーム幅以下、すなわち、20mm程度以下となるように、管Pを周方向に回転させると共に、超音波探触子1、1C、1Dを管Pの軸方向に相対移動させる。超音波探触子1、1C、1Dの管Pの軸方向への相対移動は、超音波探触子1、1C、1Dを静止させて、管Pを軸方向に移動させることで行っても良いし、或いは、管Pを静止させて、超音波探触子1、1C、1Dを管Pの軸方向に移動させることで行っても良い。
【0070】
本実施形態に係る超音波探傷装置100Cによれば、検出対象きずが管Pの何れの部位に存在したとしても、超音波探触子1、1C、1Dの全てについて、検出対象きずのエコー強度が所定の強度以上となり、この結果、軸方向きず、周方向きず及びラミネーションの全てを精度良く検出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0071】
【図1】図1は、管に存在する各種きずの超音波探傷方法を説明する説明図である。
【図2】図2は、従来の超音波探傷方法を説明する説明図である。
【図3】図3は、図2に示す超音波探傷方法によって得られる周方向きずのエコー強度のプロファイル例を示す。
【図4】図4は、管に加工した軸方向きず及び周方向きずに対して、同一の超音波探触子を鋼管の軸方向に走査した際に得られるきずエコー強度のプロファイル例を示す。
【図5】図5は、本発明の第1実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図である。
【図6】図6は、図5に示す超音波探触子が具備する一の選択振動子をその配列方向に沿って走査した際に得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイル例を示す。
【図7】図7は、図5に示す超音波探触子が具備する各選択振動子について得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイルを合成した例を示す。
【図8】図8は、本発明の第2実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図である。
【図9】図9は、図8に示す超音波探触子が具備する一の選択振動子をその配列方向に沿って走査した際に得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイル例を示す。
【図10】図10は、図8に示す超音波探傷装置を用いて超音波探傷した結果の一例を示すグラフである。
【図11】図11は、本発明の第3実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図である。
【図12】図12は、図11に示す超音波探触子が具備する一の選択振動子をその配列方向に沿って走査した際に得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイル例、及び、各選択振動子について得られる検出対象きずのエコー強度のプロファイルを合成した例を示す。
【図13】図13は、本発明で用いられる超音波探触子が具備する振動子の変形例を示す図である。
【図14】図14は、本発明の第4実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【0072】
1,1A,1B,1C,1D・・・超音波探触子
2・・・送受信制御手段
3・・・きず判定部
11・・・振動子
11S・・・選択振動子
21・・・送信部
22・・・受信部
23・・・制御部
100,100A,100B,100C・・・超音波探傷装置
P・・・被探傷材(鋼管)
【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定の方向に沿って配列されたn個(n≧2)の振動子を具備する超音波探触子を被探傷材に対向配置する配置ステップと、
前記n個の振動子のうち、m個(n>m≧1)の振動子を選択し、該選択振動子から前記被探傷材に向けて超音波を送受信することにより、前記被探傷材を探傷する探傷ステップと、
前記選択振動子を順次切り替える走査ステップとを含み、
前記探傷ステップと前記走査ステップとを交互に繰り返すことにより、前記被探傷材を超音波探傷する方法であって、
前記走査ステップでは、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、前記選択振動子を順次切り替え、
P≦W1・cosθ ・・・(1)
前記探傷ステップでは、前記切り替えた各選択振動子でそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、前記各選択振動子毎に予め調整された探傷感度で、前記被探傷材を探傷することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項2】
前記超音波探触子が具備する前記n個の振動子は、等間隔d(mm)の配列ピッチで配列されており、
前記走査ステップでは、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(2)を満足する切り替えピッチ個数K(個)で、前記選択振動子を順次切り替えることを特徴とする請求項1に記載の超音波探傷方法。
K≦W1・cosθ/d ・・・(2)
【請求項3】
被探傷材としての管に発生し得る軸方向きずを検出するための第1の超音波探触子と、前記管に発生し得る周方向きずを検出するための第2の超音波探触子と、前記管に発生し得るラミネーションを検出するための第3の超音波探触子とをそれぞれ前記管に対向配置し、
前記管を周方向に回転させると共に、前記第1〜第3の超音波探触子を前記管の軸方向に相対移動させながら、前記第1〜第3の超音波探触子がそれぞれ具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信することにより、前記管を超音波探傷する方法であって、
前記第1〜第3の超音波探触子のうち、少なくとも1つの超音波探触子を請求項1又は2に記載の超音波探触子とし、該超音波探触子が具備するn個の振動子の配列方向を前記管の軸方向に合致させて、該超音波探触子について請求項1又は2に記載の超音波探傷方法を実行し、
前記管の1回転当たりにおける前記第1〜第3の超音波探触子の前記管の軸方向への相対移動量を、前記第1〜第3の超音波探触子の検出対象きずに対する前記管の軸方向の実質的な有効ビーム幅のうち、最小の実質的な有効ビーム幅以下に設定することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項4】
所定の方向に沿って配列されたn個(n≧2)の振動子を具備し、被探傷材に対向配置された超音波探触子と、
前記n個の振動子のうち、m個(n>m≧1)の振動子を選択し、該選択振動子から前記被探傷材に向けて超音波を送受信させると共に、前記選択振動子を順次切り替える送受信制御手段とを備え、
前記送受信制御手段は、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、前記選択振動子を順次切り替え、
P≦W1・cosθ ・・・(1)
前記送受信制御手段においては、前記切り替えた各選択振動子でそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、前記各選択振動子毎に探傷感度が予め調整されていることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項5】
前記超音波探触子が具備する前記n個の振動子は、等間隔d(mm)の配列ピッチで配列されており、
前記送受信制御手段は、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(2)を満足する切り替えピッチ個数K(個)で、前記選択振動子を順次切り替えることを特徴とする請求項4に記載の超音波探傷装置。
K≦W1・cosθ/d ・・・(2)
【請求項6】
被探傷材としての管に対向配置され、前記管に発生し得る軸方向きずを検出するための第1の超音波探触子と、
前記管に対向配置され、前記管に発生し得る周方向きずを検出するための第2の超音波探触子と、
前記管に対向配置され、前記管に発生し得るラミネーションを検出するための第3の超音波探触子と、
前記第1の超音波探触子が具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信させる第1の送受信制御手段と、
前記第2の超音波探触子が具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信させる第2の送受信制御手段と、
前記第3の超音波探触子が具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信させる第3の送受信制御手段と、
前記管を周方向に回転させると共に、前記第1〜第3の超音波探触子を前記管の軸方向に相対移動させる駆動手段とを備え、
前記第1〜第3の超音波探触子のうち、少なくとも1つの超音波探触子が請求項4又は5に記載の超音波探触子であって、該超音波探触子が具備するn個の振動子の配列方向が前記管の軸方向に合致しており、
前記第1〜第3の送受信制御手段のうち、前記少なくとも1つの超音波探触子に対応する少なくとも1つの送受信制御手段が請求項4又は5に記載の送受信制御手段であり、
前記駆動手段は、前記管の1回転当たりにおける前記第1〜第3の超音波探触子の前記管の軸方向への相対移動量が、前記第1〜第3の超音波探触子の検出対象きずに対する前記管の軸方向の実質的な有効ビーム幅のうち、最小の実質的な有効ビーム幅以下となるように、前記管を周方向に回転させると共に、前記第1〜第3の超音波探触子を前記管の軸方向に相対移動させることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項1】
所定の方向に沿って配列されたn個(n≧2)の振動子を具備する超音波探触子を被探傷材に対向配置する配置ステップと、
前記n個の振動子のうち、m個(n>m≧1)の振動子を選択し、該選択振動子から前記被探傷材に向けて超音波を送受信することにより、前記被探傷材を探傷する探傷ステップと、
前記選択振動子を順次切り替える走査ステップとを含み、
前記探傷ステップと前記走査ステップとを交互に繰り返すことにより、前記被探傷材を超音波探傷する方法であって、
前記走査ステップでは、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、前記選択振動子を順次切り替え、
P≦W1・cosθ ・・・(1)
前記探傷ステップでは、前記切り替えた各選択振動子でそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、前記各選択振動子毎に予め調整された探傷感度で、前記被探傷材を探傷することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項2】
前記超音波探触子が具備する前記n個の振動子は、等間隔d(mm)の配列ピッチで配列されており、
前記走査ステップでは、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(2)を満足する切り替えピッチ個数K(個)で、前記選択振動子を順次切り替えることを特徴とする請求項1に記載の超音波探傷方法。
K≦W1・cosθ/d ・・・(2)
【請求項3】
被探傷材としての管に発生し得る軸方向きずを検出するための第1の超音波探触子と、前記管に発生し得る周方向きずを検出するための第2の超音波探触子と、前記管に発生し得るラミネーションを検出するための第3の超音波探触子とをそれぞれ前記管に対向配置し、
前記管を周方向に回転させると共に、前記第1〜第3の超音波探触子を前記管の軸方向に相対移動させながら、前記第1〜第3の超音波探触子がそれぞれ具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信することにより、前記管を超音波探傷する方法であって、
前記第1〜第3の超音波探触子のうち、少なくとも1つの超音波探触子を請求項1又は2に記載の超音波探触子とし、該超音波探触子が具備するn個の振動子の配列方向を前記管の軸方向に合致させて、該超音波探触子について請求項1又は2に記載の超音波探傷方法を実行し、
前記管の1回転当たりにおける前記第1〜第3の超音波探触子の前記管の軸方向への相対移動量を、前記第1〜第3の超音波探触子の検出対象きずに対する前記管の軸方向の実質的な有効ビーム幅のうち、最小の実質的な有効ビーム幅以下に設定することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項4】
所定の方向に沿って配列されたn個(n≧2)の振動子を具備し、被探傷材に対向配置された超音波探触子と、
前記n個の振動子のうち、m個(n>m≧1)の振動子を選択し、該選択振動子から前記被探傷材に向けて超音波を送受信させると共に、前記選択振動子を順次切り替える送受信制御手段とを備え、
前記送受信制御手段は、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(1)を満足する切り替えピッチ長さP(mm)で、前記選択振動子を順次切り替え、
P≦W1・cosθ ・・・(1)
前記送受信制御手段においては、前記切り替えた各選択振動子でそれぞれ受信する検出対象きずからの最大エコー強度が略同等となるように、前記各選択振動子毎に探傷感度が予め調整されていることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項5】
前記超音波探触子が具備する前記n個の振動子は、等間隔d(mm)の配列ピッチで配列されており、
前記送受信制御手段は、前記n個の振動子の配列方向と超音波が入射する前記被探傷材の表面との成す角度をθ(°)とし、前記切り替えた各選択振動子の検出対象きずに対する有効ビーム幅をW1(mm)としたときに、下記の式(2)を満足する切り替えピッチ個数K(個)で、前記選択振動子を順次切り替えることを特徴とする請求項4に記載の超音波探傷装置。
K≦W1・cosθ/d ・・・(2)
【請求項6】
被探傷材としての管に対向配置され、前記管に発生し得る軸方向きずを検出するための第1の超音波探触子と、
前記管に対向配置され、前記管に発生し得る周方向きずを検出するための第2の超音波探触子と、
前記管に対向配置され、前記管に発生し得るラミネーションを検出するための第3の超音波探触子と、
前記第1の超音波探触子が具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信させる第1の送受信制御手段と、
前記第2の超音波探触子が具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信させる第2の送受信制御手段と、
前記第3の超音波探触子が具備する振動子から前記管に向けて超音波を送受信させる第3の送受信制御手段と、
前記管を周方向に回転させると共に、前記第1〜第3の超音波探触子を前記管の軸方向に相対移動させる駆動手段とを備え、
前記第1〜第3の超音波探触子のうち、少なくとも1つの超音波探触子が請求項4又は5に記載の超音波探触子であって、該超音波探触子が具備するn個の振動子の配列方向が前記管の軸方向に合致しており、
前記第1〜第3の送受信制御手段のうち、前記少なくとも1つの超音波探触子に対応する少なくとも1つの送受信制御手段が請求項4又は5に記載の送受信制御手段であり、
前記駆動手段は、前記管の1回転当たりにおける前記第1〜第3の超音波探触子の前記管の軸方向への相対移動量が、前記第1〜第3の超音波探触子の検出対象きずに対する前記管の軸方向の実質的な有効ビーム幅のうち、最小の実質的な有効ビーム幅以下となるように、前記管を周方向に回転させると共に、前記第1〜第3の超音波探触子を前記管の軸方向に相対移動させることを特徴とする超音波探傷装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【公開番号】特開2010−122072(P2010−122072A)
【公開日】平成22年6月3日(2010.6.3)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−296124(P2008−296124)
【出願日】平成20年11月19日(2008.11.19)
【出願人】(000002118)住友金属工業株式会社 (2,544)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年6月3日(2010.6.3)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年11月19日(2008.11.19)
【出願人】(000002118)住友金属工業株式会社 (2,544)
【Fターム(参考)】
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