超音波探傷方法及び装置
【課題】多層配管構造部位に対する超音波探傷作業を容易に且つ精度良く実施すること。
【解決手段】最初に、フェーズドアレイ探触子１の各振動子からの超音波ビームが探傷目標領域Ｒを直射し得るような探傷屈折角θ1でリニア走査を行う。次いで、超音波ビームが、肉厚部内面で１回反射した後到達し得るような探傷屈折角θ2で上記と同様のリニア走査を行う。この場合には、超音波ビームの一つが欠陥部ｄの一端側（き裂開口位置）で反射する。そして、肉厚部内面で１回反射し、更に肉厚部外面で１回反射した後到達し得るような探傷屈折角θ3で上記と同様のリニア走査を行う。この場合には、超音波ビームの一つが欠陥部ｄの他端側（き裂先端位置）で反射する。
【解決手段】最初に、フェーズドアレイ探触子１の各振動子からの超音波ビームが探傷目標領域Ｒを直射し得るような探傷屈折角θ1でリニア走査を行う。次いで、超音波ビームが、肉厚部内面で１回反射した後到達し得るような探傷屈折角θ2で上記と同様のリニア走査を行う。この場合には、超音波ビームの一つが欠陥部ｄの一端側（き裂開口位置）で反射する。そして、肉厚部内面で１回反射し、更に肉厚部外面で１回反射した後到達し得るような探傷屈折角θ3で上記と同様のリニア走査を行う。この場合には、超音波ビームの一つが欠陥部ｄの他端側（き裂先端位置）で反射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として原子力施設における多層配管構造部位に対して超音波探傷を実施するための超音波探傷方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原子力施設における構造物の溶接個所は、残留応力等の各種応力が集中するため、き裂などの欠陥が発生する虞の大きな個所である。このような溶接個所に発生した欠陥を検出する技術として、超音波探傷が従来から知られている。超音波探傷は、探触子と呼ばれる超音波センサから検査対象物に超音波ビームを発信し、その反射波を解析することにより検査対象物に欠陥部が存在するか否かを判別する技術である。
【０００３】
この超音波センサには、超音波の発信機能及び受信機能を有する１個の振動子により構成される単体型の探触子と、このような振動子を複数個有するフェーズドアレイ探触子と呼ばれるものとがある（例えば、特許文献１参照）。そして、このフェーズドアレイ探触子には、複数個の振動子がライン状、格子状、あるいは環状など種々の形状に配列されたものがあり、各振動子の超音波発信タイミングを制御することにより、超音波ビームを任意の位置に収束させたり、探傷屈折角を任意の角度に可変することができるようになっている。
【０００４】
上記の特許文献１の例では、フェーズドアレイ探触子を溶接個所の近くに取り付けることができるので探傷屈折角はそれほど大きくする必要はなく、また、振動子から発信される超音波ビームを直接に欠陥部に当てることが可能である。
【０００５】
ところで、原子力発電プラントなどの炉内配管には、例えばコアスプレイ配管に代表されるような多層配管構造を有する部位がある。この多層配管構造部位は、配管部分の外側に１つ又は２つ以上のスリーブが溶接されて形成されたものであり、欠陥部が発生すると予想される領域すなわち探傷目標領域からかなり離れた位置にしか探触子を取り付けることができず、また、探傷屈折角も大きくしなければならないために、従来から次のようにして超音波探傷作業が行われていた。
【０００６】
図１１は、多層配管構造部位に対する従来の超音波探傷技術を説明するための一部断面図である。この図において、内側配管１０１の外側に中間スリーブ１０２が溶接により固着され、更にその外側に外側スリーブ１０３が溶接により固着されている。そして、中間スリーブ１０２及び外側スリーブ１０３の配置範囲よりもやや広い範囲にわたって探傷目標領域Ｒが設定されており、この探傷目標領域Ｒ内に位置する内側配管１０１部分にき裂等の欠陥部ｄが発生しているものとする。
【０００７】
上記のような多層配管構造部位から内側配管１０１の軸方向に沿って離間した内側配管１０１表面位置に、超音波センサとして単体型の超音波探触子１０５が楔部材（例えば、アクリル等の樹脂部材）１０４を介して取り付けられている。この超音波探触子１０５は、発信機能及び受信機能を有する１つの振動子により構成されており、発信された超音波ビームが楔部材１０４を通過した後、内側配管１０１表面に対して探傷屈折角θで入射されるようになっている。
【０００８】
そして、この超音波ビームは内側配管１０１の肉厚部内を探傷目標領域Ｒに向かって進行し、肉厚部内面の位置Ｐ1で１回反射して欠陥部ｄに到達し、この欠陥部ｄに当たって反射した後、同一経路を辿って超音波探触子１０５により受信されるようになっている。なお、楔部材１０４は、超音波探触子１０５の機種によっては、内側配管１０１表面に直接取り付けたのでは探傷屈折角θを充分に大きくできない場合もあるため、必要な探傷屈折角θの値を確保するために用いる部材である。
【特許文献１】特開２００２−２１４２０４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上述した従来の超音波探傷技術では、１個の振動子で構成される単体型の超音波探触子１０５を用いているために探傷屈折角θが固定された値になっている。この探傷屈折角θは、探傷目標領域Ｒを通過できるような値に設定されているが、反射位置Ｐ1や欠陥部ｄの位置、あるいは内側配管１０１の材質など種々の条件の相違に起因して、この欠陥部ｄの検出が困難な場合がある。
【００１０】
そのような場合には、楔部材１０４及び超音波探触子１０５の取付位置を変えたり、楔部材１０４の形状を変えたり、あるいは超音波探触子１０５を探傷屈折角特性の異なるものに交換するなど、種々の方策を試みなければならず、超音波探傷作業に多くの時間及び労力を費やす結果となっていた。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、多層配管構造部位に対する超音波探傷作業を容易に且つ精度良く実施することが可能な超音波探傷方法及び装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、スリーブ溶接の施工により形成された多層配管構造部位から配管軸方向に沿って離間した内側配管部表面位置に、複数個の振動子を有するフェーズドアレイ探触子を取り付け、このフェーズドアレイ探触子から発信された超音波ビームが内側配管の肉厚部内を進行する際に、その超音波ビームが肉厚部外面と内面との間で反射を繰り返しながら、又は反射せず直接に、前記多層配管構造部位に設定した探傷目標領域に到達するように、超音波ビームの前記内側配管部表面に対する探傷屈折角を順次変化させていき、前記フェーズドアレイ探触子が受信した前記探傷目標領域からの反射波に基づき、この探傷目標領域内の欠陥部の有無を判別する、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記探傷目標領域内に欠陥部が存在する場合、その欠陥部の位置及び大きさを、ビーム路程及び前記探傷屈折角を用いて演算する、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記フェーズドアレイ探触子は、前記探傷屈折角を所定ピッチ角度で順次変化させ、各探傷屈折角毎に超音波発信・受信動作を順次行う所定個数の振動子を、配管軸方向に沿ってシフトするリニア走査を行うものである、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記フェーズドアレイ探触子は、前記探傷屈折角を連続的に順次変化させていくセクタ走査を行うものである、ことを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記内側配管部表面に所定探傷屈折角で超音波ビームを入射させることにより、前記探傷目標領域に向かって内側配管部肉厚部内を進行する２次クリーピング波を発生させ、この２次クリーピング波の反射波を用いて欠陥部の概略位置を求めた後に、前記探傷屈折角を順次変化させていく、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項６記載の発明は、スリーブ溶接の施工により形成された多層配管構造部位から配管軸方向に沿って離間した内側配管部表面位置に取り付けられた、複数個の振動子を有するフェーズドアレイ探触子と、前記フェーズドアレイ探触子から発信された超音波ビームが内側配管の肉厚部内を進行する際に、その超音波ビームが肉厚部外面と内面との間で反射を繰り返しながら、又は反射せず直接に、前記多層配管構造部位に設定した探傷目標領域に到達するように、超音波ビームの前記内側配管部表面に対する探傷屈折角を順次変化させていく探触子制御手段と、前記フェーズドアレイ探触子が受信した前記探傷目標領域からの反射波に基づき、この探傷目標領域内の欠陥部の有無を判別する欠陥部検出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記フェーズドアレイ探触子は、水中又はその他の液体中に没した状態で、前記内側配管部表面位置に取り付けられたものである、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項８記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記フェーズドアレイ探触子は、前記内側配管部表面位置に直接取り付けられたものである、ことを特徴とする。
【００２０】
請求項９記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記フェーズドアレイ探触子は、前記探傷屈折角の変化範囲を調整するための楔部材を介して前記内側配管部表面位置に取り付けられたものである、ことを特徴とする。
【００２１】
請求項１０記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記フェーズドアレイ探触子は、前記複数個の振動子が格子状に配列されたものである、ことを特徴とする。
【００２２】
請求項１１記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記フェーズドアレイ探触子は、前記複数個の振動子が内側配管の周囲に同心円状に配列されたものである、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、複数個の振動子を有するフェーズドアレイ探触子を超音波センサとして用いるようにし、このフェーズドアレイ探触子から発信される超音波ビームが内側配管の肉厚部内で多重反射しながら、又は反射することなく直接に探傷目標領域に到達するように、探傷屈折角を順次変化させるようにしているので、多層配管構造部位であっても容易に且つ精度良く超音波探傷作業を実施することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。なお、多層配管構造部位を形成する内側配管１０１、中間スリーブ１０２、及び外側スリーブ１０３については、図１１と同一の符号を用いて図示している。
【００２５】
ライン状に配列された複数個の振動子２を有するフェーズドアレイ探触子１が、内側配管１０１の表面に対向した状態で保持機構を介して取り付けられている（この図ではフェーズドアレイ探触子１の保持機構及び駆動機構等は図面の煩雑化を避けるため図示を省略している。）。なお、本実施形態ではフェーズドアレイ探触子１は原子炉内の水中に没した状態で取り付けられているので、所謂「水浸探傷法」（探触子と被検体との間に水ギャップを設けて探傷する方法）での超音波探傷となる。但し、本発明のフェーズドアレイ探触子は原子炉以外の各種容器内に取り付けることが可能であり、水中に限らずその他の液体中に没した状態で用いることもある。
【００２６】
超音波探傷機３は、このフェーズドアレイ探触子１を用いて多層配管構造部位の探傷目標領域Ｒに対して超音波探傷を行うものであり、探触子制御手段４及び欠陥部検出手段５を有している。探触子制御手段４は、複数個の振動子２の超音波発信タイミングを順次遅延させる、いわゆるリニア走査やセクタ走査などの電子走査制御が可能なものである。欠陥部検出手段５は、探触子制御手段４による超音波発信タイミングに対応する同様のタイミングで超音波の反射波を受信し、その反射エコーのレベルを判別することにより欠陥部の検出を行うものである。
【００２７】
条件入力手段６は、超音波探傷機３に対して種々の探傷条件（例えば、探傷屈折角を変化させる場合の変化範囲やピッチ角度など）を設定入力するためのものである。また、表示装置７は、これら設定された探傷条件や、欠陥部検出手段５による検出結果などをディスプレイに表示させるためのものである。オペレータは、これら条件入力手段６及び表示装置７を操作して超音波探傷作業を実施できるようになっている。
【００２８】
次に、上記のような超音波探傷装置を用いて行う、本発明の各実施形態に係る超音波探傷方法につき説明する。図２は、第１の実施形態に係る超音波探傷方法の概略を示すフローチャートである。
【００２９】
まず、ステップ１では、多層配管構造部位を形成している配管１０１〜１０３の材質、直径、肉厚、溶接金属部分寸法等を考慮して適切なフェーズドアレイ探触子１を選定し、この選定したフェーズドアレイ探触子１を内側配管１０１の表面に対向する位置に、探触子保持機構（図示せず）を介して取り付ける。
【００３０】
次いでステップ２では、フェーズドアレイ探触子１の取り付け角度、つまり内側配管１０１表面に対するフェーズドアレイ探触子１の傾き角度αを調整する（αがゼロの場合、つまり平行状態の場合を含む）。
【００３１】
この傾き角度αは、例えば、フェーズドアレイ探触子１の左右両端の各振動子から内側配管１０１表面に対して垂直に超音波を発信させ、その反射波を受信するまでの時間のズレを調べることにより求めることができる。すなわち、両振動子の受信時間が同一であればフェーズドアレイ探触子１は配管表面に対して平行に取り付けられており、受信時間にズレが生じていればフェーズドアレイ探触子１は、そのズレ量に比例した傾き角度αで取り付けられていることになる。本実施形態では、フェーズドアレイ探触子１は配管表面に対して平行に取り付けられているものとする。
【００３２】
そしてステップ３では、既述した条件入力手段６を用いて、探傷屈折角を変化させる場合の変化範囲やピッチ角度、更に水距離（振動子と配管表面との間で超音波が水中を進行する距離）などの各種探傷条件を設定する。本実施形態では、探傷屈折角がピッチ角度Δθでθ1，θ2，θ3（θ1＞θ2＞θ3）の3段階に変化するように設定する。
【００３３】
ステップ４では、フェーズドアレイ探触子１の複数個の振動子２のリニア走査による超音波の発信・受信動作すなわち超音波探傷を各探傷屈折角θ1，θ2，θ3毎に実施する。この超音波探傷により得られた波形データは欠陥部検出手段５により収集される。
【００３４】
ステップ５では、欠陥部検出手段５がステップ４の超音波探傷で収集した波形データから探傷目標領域Ｒに存在するき裂等の欠陥部ｄの検出を行う。
【００３５】
そして、ステップ６では、欠陥部検出手段５が更に、ビーム路程及び探傷屈折角を用いて欠陥部ｄの位置及び大きさを演算することを内容とする、欠陥部の評価を行うようにする。
【００３６】
次に、上述したステップ４の動作につき詳しく説明する。図３は、このステップ４におけるリニア走査での超音波探傷動作の説明図であり、（ａ）は超音波直射の場合、（ｂ）は超音波１回反射の場合、（ｃ）は超音波１．５回反射の場合をそれぞれ示している。
【００３７】
まず、図３（ａ）では、フェーズドアレイ探触子１が、各振動子からの超音波ビームが探傷目標領域Ｒを直射し得るような探傷屈折角θ1でリニア走査を行う。このリニア走査とは、複数個の振動子２のうち所定個数の振動子を１グループとし、１グループの範囲内で超音波発信・受信動作を行う振動子を内側配管１０１の軸方向に沿ってシフトさせ、更に、この１グループに帰属する振動子も同様にシフトさせていくものである。
【００３８】
例えば、フェーズドアレイ探触子１に設けられている振動子２の数が合計１００個であるとし、これらの振動子をｖ1〜ｖ100の符号で表す。いま、超音波の発信（及び受信）に用いられる振動子の個数を１１個とし、これら１１個ずつの振動子を１グループとする。すると、最初はｖ1〜ｖ11のグループの範囲内で振動子がｖ1からｖ11まで順次所定の遅延タイミングで超音波を発信していく。次は、ｖ2〜ｖ12のグループの範囲内で振動子がｖ2からｖ12まで順次所定の遅延タイミングで超音波を発信していく。以下同様にして、ｖ3〜ｖ13，ｖ4〜ｖ14，……，ｖ90〜ｖ100の各グループの範囲内で各振動子が順次所定の遅延タイミングで超音波を発信していく。つまり、超音波を順次所定の遅延タイミングで発信する１１個の振動子のグループが探傷目標領域Ｒ側へ次第に接近していく。このとき、ｖ1〜ｖ11のグループのうち中央の振動子はｖ6であり、ｖ2〜ｖ12のグループのうち中央の振動子はｖ7である。同様に、それ以降のグループにおける中央の振動子は、それぞれｖ8，ｖ9，……，ｖ95である。図３（ａ）〜（ｃ）において、振動子２から内側配管１０１表面側へ斜めに入射されている直線状ビームは、これら中央の振動子からのビームを各グループを代表するものとして図示したものである。
【００３９】
このようにして、図３（ａ）では全ての振動子ｖ1〜ｖ100が発信・受信動作を終えるまで探傷屈折角θ1でフェーズドアレイ探触子１がリニア走査を行ったが、探傷屈折角θ1では探傷目標領域Ｒに存在する欠陥部ｄを検出することができなかったものとする。
【００４０】
次いで、図３（ｂ）では、フェーズドアレイ探触子１が、各振動子からの超音波ビームが探傷目標領域Ｒに、内側配管１０１の肉厚部内面で１回反射した後到達し得るような探傷屈折角θ2で上記と同様のリニア走査を行う。するとこの場合には、リニア走査を行っていくうちに超音波ビームが欠陥部ｄを捉え、ある１つの振動子からの超音波ビームが欠陥部ｄの一端側（き裂開口位置）で反射する。この反射波は発射波と同一の経路を逆向きに辿って同一振動子により受信され、反射エコー信号として欠陥部検出手段５に収集される。
【００４１】
そして、図３（ｃ）では、フェーズドアレイ探触子１が、各振動子からの超音波ビームが探傷目標領域Ｒに、内側配管１０１の肉厚部内面で１回反射し、更に肉厚部外面で１回反射した後到達し得るような探傷屈折角θ3で上記と同様のリニア走査を行う。するとこの場合にも、リニア走査を行っていくうちに超音波ビームが欠陥部ｄを捉え、ある１つの振動子からの超音波ビームが欠陥部ｄの他端側（き裂先端位置）で反射する。この反射波も、探傷屈折角θ2の場合と同様に、発射波と同一の経路を逆向きに辿って同一振動子により受信され、反射エコー信号として欠陥部検出手段５に収集される。
【００４２】
なお、図３（ｃ）のような場合、当該技術分野では、超音波入射側の面である肉厚部外面での反射は１回とカウントせずに０．５回とカウントするために、「２回反射」と表現せずに「１．５回反射」と表現するようになっている。
【００４３】
次に、図３（ｂ）及び図３（ｃ）の場合の反射エコー信号に基づき欠陥部ｄの位置を求める手法を図４乃至図６を参照しつつ説明する。本実施形態では、欠陥部ｄの位置及び大きさを、ビーム路程及び探傷屈折角を用いて、以下のように演算する。
【００４４】
図４は、図３（ｂ）における超音波１回反射の場合の欠陥位置演算についての説明図であり、（ａ）はき裂開口位置でのエコー高さを示す波形図、（ｂ）はき裂開口位置の演算を説明するための部分拡大図である。
【００４５】
欠陥部検出手段５は、図４（ａ）に示すような反射エコー信号を収集すると、この信号波形のピーク点をき裂開口位置と特定してビーム路程Ｗ2を演算する。このビーム路程Ｗ2は、図４（ｂ）において、ある振動子２から発信された超音波ビームが水中を通って内側配管１０１の表面位置Ｐ0に入射し、肉厚部内面の位置Ｐ1で反射してき裂開口位置ｄ1に到達した場合に、これらの位置Ｐ0，Ｐ1，ｄ1を結んだ経路の距離である。
【００４６】
本実施形態では、欠陥部ｄの位置及び大きさを特定するために、水平方向（Ｙ方向）及び垂直方向（Ｚ方向）の座標系を設定し、ある基準位置からの距離Ｙ，Ｚを演算する。この基準位置は特に限定する必要はないが、本実施形態では、Ｙ方向の基準位置を中間スリーブ１０２の端面１０２ａの位置とし、Ｚ方向の基準位置を内側配管１０１の肉厚部外面の位置とする。すると、き裂開口位置ｄ1の位置は、これらＹ，Ｚ方向の各基準位置からの距離Ｙc，Ｚcにより特定される。
【００４７】
これらの距離Ｙc，Ｚcは、内側配管１０１の肉厚部の寸法をｔとし、き裂開口位置ｄ1に到達した超音波ビームを発信した振動子の基準位置（端面１０２ａ）からの距離をｙcとすると、下記の（１），（２）式により求めることができる。なお、この距離ｙcは、フェーズドアレイ探触子１の取付位置が予め分かっており（ステップ１）、このフェーズドアレイ探触子１における当該振動子の配設位置も分かるので、直ちに求めることができる。
【００４８】
Ｙc＝Ｗ2・sinθ2−ｙc ……… （１）
Ｚc＝２・ｔ−Ｗ2・cosθ2 ……… （２）
図５は、図３（ｃ）における超音波１．５回反射の場合の欠陥位置演算についての説明図であり、（ａ）はき裂先端位置でのエコー高さを示す波形図、（ｂ）はき裂先端位置の演算を説明するための部分拡大図である。
【００４９】
欠陥部検出手段５は、図５（ａ）に示すような反射エコー信号を収集すると、この信号波形のピーク点をき裂先端位置と特定してビーム路程Ｗ3を演算する。このビーム路程Ｗ3は、図５（ｂ）において、ある振動子２から発信された超音波ビームが水中を通って内側配管１０１の表面位置Ｐ’0に入射し、肉厚部内面の位置Ｐ’1、及び肉厚部外面の位置Ｐ2で反射してき裂先端位置ｄ2に到達した場合に、これらの位置Ｐ’0，Ｐ’1，Ｐ2，ｄ2を結んだ経路の距離である。
【００５０】
すると、き裂先端位置ｄ2は、これらＹ，Ｚ方向の各基準位置からの距離Ｙt，Ｚtにより特定される。これらの距離Ｙt，Ｚtは、内側配管１０１の肉厚部の寸法をｔとし、き裂先端位置ｄ2に到達した超音波ビームを発信した振動子の基準位置（端面１０２ａ）からの距離をｙtとすると、下記の（３），（４）式により求めることができる。なお、この距離ｙtは、フェーズドアレイ探触子１の取付位置が予め分かっており（ステップ１）、このフェーズドアレイ探触子１における当該振動子の配設位置も分かるので、直ちに求めることができる。
【００５１】
Yt＝Ｗ3・sinθ3−ｙt ……… （３）
Ｚt＝３・ｔ−Ｗ3・cosθ3 ……… （４）
図６は、上記のようにして求めた、Y,Z座標系におけるき裂開口位置ｄ1の位置［Ｙc，Ｚc］、及びき裂先端位置ｄ2の位置［Yt，Ｚt］から、欠陥部ｄすなわちき裂の位置及び大きさを演算する手法の一例についての説明図である。なお、図６に示すようなき裂の場合、通常、「き裂の位置」とはき裂開口位置ｄ1の位置を指し、「き裂の大きさ」は、通常、位置ｄ1からの垂直方向の深さｈ及び傾き角βで特定することが多い。
【００５２】
図６において、き裂開口位置ｄ1からの垂直方向の深さをｈとし、深さｈの先端位置とき裂先端位置ｄ2とを結ぶ水平方向の距離をｊとすると、欠陥部ｄの傾き角βは下記の（５）式により求めることができる。これにより、本発明の第１の実施形態に係る超音波探傷方法が終了する。
【００５３】
β＝tan-1（ｊ／ｈ）
＝tan-1｛（Yt−Ｙc）／（Ｚt−Ｚc）｝ ……… （５）
以上説明した第１の実施形態に係る超音波探傷方法では、複数個の振動子によるリニア走査が可能であり、また複数個の振動子の各超音波発信タイミングを遅延させる制御のみによって探傷屈折角を容易に変化させることが可能であるというフェーズドアレイ探触子の特質を有効に活用し、探傷目標領域に対する超音波直射方法だけでなく、超音波多重反射方法も併用するようにしているので、多層配管構造部位に存在する欠陥部を容易に且つ精度良く検出することができるようになる。
【００５４】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図である。この第２の実施形態に係る方法では、探傷屈折角を連続的に順次変化させるセクタ走査を行うようにしている。
【００５５】
第１の実施形態は、最初に探傷屈折角をθ1にしてリニア走査を行った後、このθ1をピッチ角度Δθだけ減小させたθ2でリニア走査を行い、更にその後、θ2をピッチ角度Δθだけ減小させたθ3でリニア走査を行うものであった。これに対し、この第２の実施形態では、セクタ走査によって図７の矢印で示すように、探傷屈折角をθ1〜θ3まで連続的に減小させ、超音波ビームを扇状に振るようにして、超音波ビームが探傷目標領域Ｒの欠陥部ｄを迅速に捉えることができるようにしている。
【００５６】
この場合、本実施形態では、セクタ走査に用いる振動子を所定位置に配設された所定個数の振動子とするようにしている。例えば、フェーズドアレイ探触子１の１００個の振動子ｖ1〜ｖ100のうち、探傷目標領域Ｒ側に最も近いグループに属する１１個の振動子ｖ90〜ｖ100の超音波発信タイミングを制御することにより、上記のように探傷屈折角をθ1〜θ3まで連続的に減小させるセクタ走査を実施することが可能である。
【００５７】
但し、このような特定の振動子のみのセクタ走査では、充分なレベルの反射エコー信号が得られないような場合、この１１個の振動子が属するグループを右方へ移動させ、より好ましい位置で再度同様のセクタ走査を行うようにすることもできる。例えば、今度はｖ80〜ｖ90の１１個の振動子を用いて探傷屈折角をθ1〜θ3まで連続的に減小させるセクタ走査を実施することもできる。このような手法によれば、欠陥部ｄの存在を看過することなく確実に検出することが可能になる。
【００５８】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図である。この第３の実施形態に係る方法は、内側配管１０１の表面に対して所定の探傷屈折角θ0（例えば３０°）となるように超音波ビームを入射させることにより、探傷目標領域Ｒに向かった内側配管１０１の肉厚部内を進行する２次クリーピング波を発生させ、この２次クリーピング波の反射波を用いて欠陥部の概略位置を求めた後に、第１の実施形態に係る超音波探傷方法を実施するものである。
【００５９】
すなわち、所定の探傷屈折角となるようにフェーズドアレイ探触子１から内側配管１０１に対して超音波ビームを入射させると、肉厚部外面に沿って伝播する１次クリーピング波と呼ばれる縦波が発生すると共に横波も発生して、これが肉厚部内面（底面）に向かってい進行する。そして、この横波が肉厚部内面にぶつかり反射すると、この横波の一部が縦波にモード変換されて、肉厚部内面に沿って伝播する２次クリーピング波が発生する。この２次クリーピング波は、材料表面に沿って伝播するという性質を有するため、材料表面に発生した欠陥部を検出するのに大きな効果を発揮する。但し、この２次クリーピング波は材料によっては減衰特性が大きくなることもある。
【００６０】
したがって、まず２次クリーピング波を発生させて欠陥部ｄの概略位置を求めた後に、第１の実施形態で説明したような各探傷屈折角毎のリニア走査を実施すれば効率の良い超音波探傷作業を行うことができる。何故なら、この場合、欠陥部ｄの概略位置が既に求まっているので、探傷屈折角をそれほど大きく変化させる必要はなく、ある程度絞った範囲内で探傷屈折角を変化させればよいからである。
【００６１】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図である。これまでの実施形態は、炉内の水中に没した状態でフェーズドアレイ探触子１を取り付ける、所謂水浸法により超音波探傷を行うものであったが、内側配管１０１の表面の状態如何によっては、フェーズドアレイ探触子１を直接に（但し、接触媒質を介在させる）内側配管１０１表面に取り付けて、所謂直接接触法により超音波探傷を行うようにすることもできる。この直接接触法によれば、水浸法に比べて超音波の減衰量を低減することができる。
【００６２】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図である。この実施形態は、図１１に示した従来例における楔部材１０４と同様の楔部材８を介して（但し、楔部材８と内側配管１０１との間に接触媒質を介在させる）、フェーズドアレイ探触子１を内側配管１０１の表面に取り付けたものである。なお、楔部材８を用いているが、この第５の実施形態も直接接触法に分類されるものである。
【００６３】
フェーズドアレイ探触子１は、探傷屈折角θを自由に可変することができるので、このような楔部材８は必ずしも必要ではない。しかし、探傷目標領域に超音波ビームを到達させることができる探傷屈折角の範囲が予め分かっているような場合は、このような特定形状の楔部材８を用いることにより、探傷屈折角の変化範囲を小さくすることができ、より効率の良い超音波探傷作業を実施することが可能である。
【００６４】
なお、上述した各実施形態において、フェーズドアレイ探触子１としては、振動子２がライン状に配列されたタイプのものを想定しているが、この振動子２は格子状（平面状）に配列されたものであってもよい。これによれば、フェーズドアレイ探触子１前方の探傷目標領域Ｒだけでなく、それ以外の側方の領域に対しても超音波探傷を実施することができる。
【００６５】
あるいは更に、フェーズドアレイ探触子１として、振動子２が内側配管１０１の周囲に同心円状に配列されたものを用いることもできる。これによれば、探傷目標領域Ｒの全周部分に超音波ビームを送ることができ、欠陥部ｄの看過をより確実に防止できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る超音波探傷方法の概略を示すフローチャート。
【図３】図２のステップ４におけるリニア走査での超音波探傷動作の説明図であり、（ａ）は超音波直射の場合、（ｂ）は超音波１回反射の場合、（ｃ）は超音波１．５回反射の場合をそれぞれ示す。
【図４】図３（ｂ）における超音波１回反射の場合の欠陥位置演算についての説明図であり、（ａ）はき裂開口位置でのエコー高さを示す波形図、（ｂ）はき裂開口位置の演算を説明するための部分拡大図。
【図５】図３（ｃ）における超音波１．５回反射の場合の欠陥位置演算についての説明図であり、（ａ）はき裂先端位置でのエコー高さを示す波形図、（ｂ）はき裂先端位置の演算を説明するための部分拡大図。
【図６】図１の欠陥部ｄの位置及び大きさを演算する手法の一例についての説明図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図。
【図１１】多層配管構造部位に対する従来の超音波探傷技術を説明するための一部断面図。
【符号の説明】
【００６７】
１：フェーズドアレイ探触子
２：振動子
３：超音波探傷機
４：探触子制御手段
５：欠陥部検出手段
６：条件入力手段
７：表示装置
８：楔部材
Ｒ：探傷目標領域
θ1〜θ3：探傷屈折角
ｄ：欠陥部
ｄ1：き裂開口位置
ｄ2：き裂先端位置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として原子力施設における多層配管構造部位に対して超音波探傷を実施するための超音波探傷方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原子力施設における構造物の溶接個所は、残留応力等の各種応力が集中するため、き裂などの欠陥が発生する虞の大きな個所である。このような溶接個所に発生した欠陥を検出する技術として、超音波探傷が従来から知られている。超音波探傷は、探触子と呼ばれる超音波センサから検査対象物に超音波ビームを発信し、その反射波を解析することにより検査対象物に欠陥部が存在するか否かを判別する技術である。
【０００３】
この超音波センサには、超音波の発信機能及び受信機能を有する１個の振動子により構成される単体型の探触子と、このような振動子を複数個有するフェーズドアレイ探触子と呼ばれるものとがある（例えば、特許文献１参照）。そして、このフェーズドアレイ探触子には、複数個の振動子がライン状、格子状、あるいは環状など種々の形状に配列されたものがあり、各振動子の超音波発信タイミングを制御することにより、超音波ビームを任意の位置に収束させたり、探傷屈折角を任意の角度に可変することができるようになっている。
【０００４】
上記の特許文献１の例では、フェーズドアレイ探触子を溶接個所の近くに取り付けることができるので探傷屈折角はそれほど大きくする必要はなく、また、振動子から発信される超音波ビームを直接に欠陥部に当てることが可能である。
【０００５】
ところで、原子力発電プラントなどの炉内配管には、例えばコアスプレイ配管に代表されるような多層配管構造を有する部位がある。この多層配管構造部位は、配管部分の外側に１つ又は２つ以上のスリーブが溶接されて形成されたものであり、欠陥部が発生すると予想される領域すなわち探傷目標領域からかなり離れた位置にしか探触子を取り付けることができず、また、探傷屈折角も大きくしなければならないために、従来から次のようにして超音波探傷作業が行われていた。
【０００６】
図１１は、多層配管構造部位に対する従来の超音波探傷技術を説明するための一部断面図である。この図において、内側配管１０１の外側に中間スリーブ１０２が溶接により固着され、更にその外側に外側スリーブ１０３が溶接により固着されている。そして、中間スリーブ１０２及び外側スリーブ１０３の配置範囲よりもやや広い範囲にわたって探傷目標領域Ｒが設定されており、この探傷目標領域Ｒ内に位置する内側配管１０１部分にき裂等の欠陥部ｄが発生しているものとする。
【０００７】
上記のような多層配管構造部位から内側配管１０１の軸方向に沿って離間した内側配管１０１表面位置に、超音波センサとして単体型の超音波探触子１０５が楔部材（例えば、アクリル等の樹脂部材）１０４を介して取り付けられている。この超音波探触子１０５は、発信機能及び受信機能を有する１つの振動子により構成されており、発信された超音波ビームが楔部材１０４を通過した後、内側配管１０１表面に対して探傷屈折角θで入射されるようになっている。
【０００８】
そして、この超音波ビームは内側配管１０１の肉厚部内を探傷目標領域Ｒに向かって進行し、肉厚部内面の位置Ｐ1で１回反射して欠陥部ｄに到達し、この欠陥部ｄに当たって反射した後、同一経路を辿って超音波探触子１０５により受信されるようになっている。なお、楔部材１０４は、超音波探触子１０５の機種によっては、内側配管１０１表面に直接取り付けたのでは探傷屈折角θを充分に大きくできない場合もあるため、必要な探傷屈折角θの値を確保するために用いる部材である。
【特許文献１】特開２００２−２１４２０４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上述した従来の超音波探傷技術では、１個の振動子で構成される単体型の超音波探触子１０５を用いているために探傷屈折角θが固定された値になっている。この探傷屈折角θは、探傷目標領域Ｒを通過できるような値に設定されているが、反射位置Ｐ1や欠陥部ｄの位置、あるいは内側配管１０１の材質など種々の条件の相違に起因して、この欠陥部ｄの検出が困難な場合がある。
【００１０】
そのような場合には、楔部材１０４及び超音波探触子１０５の取付位置を変えたり、楔部材１０４の形状を変えたり、あるいは超音波探触子１０５を探傷屈折角特性の異なるものに交換するなど、種々の方策を試みなければならず、超音波探傷作業に多くの時間及び労力を費やす結果となっていた。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、多層配管構造部位に対する超音波探傷作業を容易に且つ精度良く実施することが可能な超音波探傷方法及び装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、スリーブ溶接の施工により形成された多層配管構造部位から配管軸方向に沿って離間した内側配管部表面位置に、複数個の振動子を有するフェーズドアレイ探触子を取り付け、このフェーズドアレイ探触子から発信された超音波ビームが内側配管の肉厚部内を進行する際に、その超音波ビームが肉厚部外面と内面との間で反射を繰り返しながら、又は反射せず直接に、前記多層配管構造部位に設定した探傷目標領域に到達するように、超音波ビームの前記内側配管部表面に対する探傷屈折角を順次変化させていき、前記フェーズドアレイ探触子が受信した前記探傷目標領域からの反射波に基づき、この探傷目標領域内の欠陥部の有無を判別する、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記探傷目標領域内に欠陥部が存在する場合、その欠陥部の位置及び大きさを、ビーム路程及び前記探傷屈折角を用いて演算する、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記フェーズドアレイ探触子は、前記探傷屈折角を所定ピッチ角度で順次変化させ、各探傷屈折角毎に超音波発信・受信動作を順次行う所定個数の振動子を、配管軸方向に沿ってシフトするリニア走査を行うものである、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記フェーズドアレイ探触子は、前記探傷屈折角を連続的に順次変化させていくセクタ走査を行うものである、ことを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記内側配管部表面に所定探傷屈折角で超音波ビームを入射させることにより、前記探傷目標領域に向かって内側配管部肉厚部内を進行する２次クリーピング波を発生させ、この２次クリーピング波の反射波を用いて欠陥部の概略位置を求めた後に、前記探傷屈折角を順次変化させていく、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項６記載の発明は、スリーブ溶接の施工により形成された多層配管構造部位から配管軸方向に沿って離間した内側配管部表面位置に取り付けられた、複数個の振動子を有するフェーズドアレイ探触子と、前記フェーズドアレイ探触子から発信された超音波ビームが内側配管の肉厚部内を進行する際に、その超音波ビームが肉厚部外面と内面との間で反射を繰り返しながら、又は反射せず直接に、前記多層配管構造部位に設定した探傷目標領域に到達するように、超音波ビームの前記内側配管部表面に対する探傷屈折角を順次変化させていく探触子制御手段と、前記フェーズドアレイ探触子が受信した前記探傷目標領域からの反射波に基づき、この探傷目標領域内の欠陥部の有無を判別する欠陥部検出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記フェーズドアレイ探触子は、水中又はその他の液体中に没した状態で、前記内側配管部表面位置に取り付けられたものである、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項８記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記フェーズドアレイ探触子は、前記内側配管部表面位置に直接取り付けられたものである、ことを特徴とする。
【００２０】
請求項９記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記フェーズドアレイ探触子は、前記探傷屈折角の変化範囲を調整するための楔部材を介して前記内側配管部表面位置に取り付けられたものである、ことを特徴とする。
【００２１】
請求項１０記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記フェーズドアレイ探触子は、前記複数個の振動子が格子状に配列されたものである、ことを特徴とする。
【００２２】
請求項１１記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記フェーズドアレイ探触子は、前記複数個の振動子が内側配管の周囲に同心円状に配列されたものである、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、複数個の振動子を有するフェーズドアレイ探触子を超音波センサとして用いるようにし、このフェーズドアレイ探触子から発信される超音波ビームが内側配管の肉厚部内で多重反射しながら、又は反射することなく直接に探傷目標領域に到達するように、探傷屈折角を順次変化させるようにしているので、多層配管構造部位であっても容易に且つ精度良く超音波探傷作業を実施することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。なお、多層配管構造部位を形成する内側配管１０１、中間スリーブ１０２、及び外側スリーブ１０３については、図１１と同一の符号を用いて図示している。
【００２５】
ライン状に配列された複数個の振動子２を有するフェーズドアレイ探触子１が、内側配管１０１の表面に対向した状態で保持機構を介して取り付けられている（この図ではフェーズドアレイ探触子１の保持機構及び駆動機構等は図面の煩雑化を避けるため図示を省略している。）。なお、本実施形態ではフェーズドアレイ探触子１は原子炉内の水中に没した状態で取り付けられているので、所謂「水浸探傷法」（探触子と被検体との間に水ギャップを設けて探傷する方法）での超音波探傷となる。但し、本発明のフェーズドアレイ探触子は原子炉以外の各種容器内に取り付けることが可能であり、水中に限らずその他の液体中に没した状態で用いることもある。
【００２６】
超音波探傷機３は、このフェーズドアレイ探触子１を用いて多層配管構造部位の探傷目標領域Ｒに対して超音波探傷を行うものであり、探触子制御手段４及び欠陥部検出手段５を有している。探触子制御手段４は、複数個の振動子２の超音波発信タイミングを順次遅延させる、いわゆるリニア走査やセクタ走査などの電子走査制御が可能なものである。欠陥部検出手段５は、探触子制御手段４による超音波発信タイミングに対応する同様のタイミングで超音波の反射波を受信し、その反射エコーのレベルを判別することにより欠陥部の検出を行うものである。
【００２７】
条件入力手段６は、超音波探傷機３に対して種々の探傷条件（例えば、探傷屈折角を変化させる場合の変化範囲やピッチ角度など）を設定入力するためのものである。また、表示装置７は、これら設定された探傷条件や、欠陥部検出手段５による検出結果などをディスプレイに表示させるためのものである。オペレータは、これら条件入力手段６及び表示装置７を操作して超音波探傷作業を実施できるようになっている。
【００２８】
次に、上記のような超音波探傷装置を用いて行う、本発明の各実施形態に係る超音波探傷方法につき説明する。図２は、第１の実施形態に係る超音波探傷方法の概略を示すフローチャートである。
【００２９】
まず、ステップ１では、多層配管構造部位を形成している配管１０１〜１０３の材質、直径、肉厚、溶接金属部分寸法等を考慮して適切なフェーズドアレイ探触子１を選定し、この選定したフェーズドアレイ探触子１を内側配管１０１の表面に対向する位置に、探触子保持機構（図示せず）を介して取り付ける。
【００３０】
次いでステップ２では、フェーズドアレイ探触子１の取り付け角度、つまり内側配管１０１表面に対するフェーズドアレイ探触子１の傾き角度αを調整する（αがゼロの場合、つまり平行状態の場合を含む）。
【００３１】
この傾き角度αは、例えば、フェーズドアレイ探触子１の左右両端の各振動子から内側配管１０１表面に対して垂直に超音波を発信させ、その反射波を受信するまでの時間のズレを調べることにより求めることができる。すなわち、両振動子の受信時間が同一であればフェーズドアレイ探触子１は配管表面に対して平行に取り付けられており、受信時間にズレが生じていればフェーズドアレイ探触子１は、そのズレ量に比例した傾き角度αで取り付けられていることになる。本実施形態では、フェーズドアレイ探触子１は配管表面に対して平行に取り付けられているものとする。
【００３２】
そしてステップ３では、既述した条件入力手段６を用いて、探傷屈折角を変化させる場合の変化範囲やピッチ角度、更に水距離（振動子と配管表面との間で超音波が水中を進行する距離）などの各種探傷条件を設定する。本実施形態では、探傷屈折角がピッチ角度Δθでθ1，θ2，θ3（θ1＞θ2＞θ3）の3段階に変化するように設定する。
【００３３】
ステップ４では、フェーズドアレイ探触子１の複数個の振動子２のリニア走査による超音波の発信・受信動作すなわち超音波探傷を各探傷屈折角θ1，θ2，θ3毎に実施する。この超音波探傷により得られた波形データは欠陥部検出手段５により収集される。
【００３４】
ステップ５では、欠陥部検出手段５がステップ４の超音波探傷で収集した波形データから探傷目標領域Ｒに存在するき裂等の欠陥部ｄの検出を行う。
【００３５】
そして、ステップ６では、欠陥部検出手段５が更に、ビーム路程及び探傷屈折角を用いて欠陥部ｄの位置及び大きさを演算することを内容とする、欠陥部の評価を行うようにする。
【００３６】
次に、上述したステップ４の動作につき詳しく説明する。図３は、このステップ４におけるリニア走査での超音波探傷動作の説明図であり、（ａ）は超音波直射の場合、（ｂ）は超音波１回反射の場合、（ｃ）は超音波１．５回反射の場合をそれぞれ示している。
【００３７】
まず、図３（ａ）では、フェーズドアレイ探触子１が、各振動子からの超音波ビームが探傷目標領域Ｒを直射し得るような探傷屈折角θ1でリニア走査を行う。このリニア走査とは、複数個の振動子２のうち所定個数の振動子を１グループとし、１グループの範囲内で超音波発信・受信動作を行う振動子を内側配管１０１の軸方向に沿ってシフトさせ、更に、この１グループに帰属する振動子も同様にシフトさせていくものである。
【００３８】
例えば、フェーズドアレイ探触子１に設けられている振動子２の数が合計１００個であるとし、これらの振動子をｖ1〜ｖ100の符号で表す。いま、超音波の発信（及び受信）に用いられる振動子の個数を１１個とし、これら１１個ずつの振動子を１グループとする。すると、最初はｖ1〜ｖ11のグループの範囲内で振動子がｖ1からｖ11まで順次所定の遅延タイミングで超音波を発信していく。次は、ｖ2〜ｖ12のグループの範囲内で振動子がｖ2からｖ12まで順次所定の遅延タイミングで超音波を発信していく。以下同様にして、ｖ3〜ｖ13，ｖ4〜ｖ14，……，ｖ90〜ｖ100の各グループの範囲内で各振動子が順次所定の遅延タイミングで超音波を発信していく。つまり、超音波を順次所定の遅延タイミングで発信する１１個の振動子のグループが探傷目標領域Ｒ側へ次第に接近していく。このとき、ｖ1〜ｖ11のグループのうち中央の振動子はｖ6であり、ｖ2〜ｖ12のグループのうち中央の振動子はｖ7である。同様に、それ以降のグループにおける中央の振動子は、それぞれｖ8，ｖ9，……，ｖ95である。図３（ａ）〜（ｃ）において、振動子２から内側配管１０１表面側へ斜めに入射されている直線状ビームは、これら中央の振動子からのビームを各グループを代表するものとして図示したものである。
【００３９】
このようにして、図３（ａ）では全ての振動子ｖ1〜ｖ100が発信・受信動作を終えるまで探傷屈折角θ1でフェーズドアレイ探触子１がリニア走査を行ったが、探傷屈折角θ1では探傷目標領域Ｒに存在する欠陥部ｄを検出することができなかったものとする。
【００４０】
次いで、図３（ｂ）では、フェーズドアレイ探触子１が、各振動子からの超音波ビームが探傷目標領域Ｒに、内側配管１０１の肉厚部内面で１回反射した後到達し得るような探傷屈折角θ2で上記と同様のリニア走査を行う。するとこの場合には、リニア走査を行っていくうちに超音波ビームが欠陥部ｄを捉え、ある１つの振動子からの超音波ビームが欠陥部ｄの一端側（き裂開口位置）で反射する。この反射波は発射波と同一の経路を逆向きに辿って同一振動子により受信され、反射エコー信号として欠陥部検出手段５に収集される。
【００４１】
そして、図３（ｃ）では、フェーズドアレイ探触子１が、各振動子からの超音波ビームが探傷目標領域Ｒに、内側配管１０１の肉厚部内面で１回反射し、更に肉厚部外面で１回反射した後到達し得るような探傷屈折角θ3で上記と同様のリニア走査を行う。するとこの場合にも、リニア走査を行っていくうちに超音波ビームが欠陥部ｄを捉え、ある１つの振動子からの超音波ビームが欠陥部ｄの他端側（き裂先端位置）で反射する。この反射波も、探傷屈折角θ2の場合と同様に、発射波と同一の経路を逆向きに辿って同一振動子により受信され、反射エコー信号として欠陥部検出手段５に収集される。
【００４２】
なお、図３（ｃ）のような場合、当該技術分野では、超音波入射側の面である肉厚部外面での反射は１回とカウントせずに０．５回とカウントするために、「２回反射」と表現せずに「１．５回反射」と表現するようになっている。
【００４３】
次に、図３（ｂ）及び図３（ｃ）の場合の反射エコー信号に基づき欠陥部ｄの位置を求める手法を図４乃至図６を参照しつつ説明する。本実施形態では、欠陥部ｄの位置及び大きさを、ビーム路程及び探傷屈折角を用いて、以下のように演算する。
【００４４】
図４は、図３（ｂ）における超音波１回反射の場合の欠陥位置演算についての説明図であり、（ａ）はき裂開口位置でのエコー高さを示す波形図、（ｂ）はき裂開口位置の演算を説明するための部分拡大図である。
【００４５】
欠陥部検出手段５は、図４（ａ）に示すような反射エコー信号を収集すると、この信号波形のピーク点をき裂開口位置と特定してビーム路程Ｗ2を演算する。このビーム路程Ｗ2は、図４（ｂ）において、ある振動子２から発信された超音波ビームが水中を通って内側配管１０１の表面位置Ｐ0に入射し、肉厚部内面の位置Ｐ1で反射してき裂開口位置ｄ1に到達した場合に、これらの位置Ｐ0，Ｐ1，ｄ1を結んだ経路の距離である。
【００４６】
本実施形態では、欠陥部ｄの位置及び大きさを特定するために、水平方向（Ｙ方向）及び垂直方向（Ｚ方向）の座標系を設定し、ある基準位置からの距離Ｙ，Ｚを演算する。この基準位置は特に限定する必要はないが、本実施形態では、Ｙ方向の基準位置を中間スリーブ１０２の端面１０２ａの位置とし、Ｚ方向の基準位置を内側配管１０１の肉厚部外面の位置とする。すると、き裂開口位置ｄ1の位置は、これらＹ，Ｚ方向の各基準位置からの距離Ｙc，Ｚcにより特定される。
【００４７】
これらの距離Ｙc，Ｚcは、内側配管１０１の肉厚部の寸法をｔとし、き裂開口位置ｄ1に到達した超音波ビームを発信した振動子の基準位置（端面１０２ａ）からの距離をｙcとすると、下記の（１），（２）式により求めることができる。なお、この距離ｙcは、フェーズドアレイ探触子１の取付位置が予め分かっており（ステップ１）、このフェーズドアレイ探触子１における当該振動子の配設位置も分かるので、直ちに求めることができる。
【００４８】
Ｙc＝Ｗ2・sinθ2−ｙc ……… （１）
Ｚc＝２・ｔ−Ｗ2・cosθ2 ……… （２）
図５は、図３（ｃ）における超音波１．５回反射の場合の欠陥位置演算についての説明図であり、（ａ）はき裂先端位置でのエコー高さを示す波形図、（ｂ）はき裂先端位置の演算を説明するための部分拡大図である。
【００４９】
欠陥部検出手段５は、図５（ａ）に示すような反射エコー信号を収集すると、この信号波形のピーク点をき裂先端位置と特定してビーム路程Ｗ3を演算する。このビーム路程Ｗ3は、図５（ｂ）において、ある振動子２から発信された超音波ビームが水中を通って内側配管１０１の表面位置Ｐ’0に入射し、肉厚部内面の位置Ｐ’1、及び肉厚部外面の位置Ｐ2で反射してき裂先端位置ｄ2に到達した場合に、これらの位置Ｐ’0，Ｐ’1，Ｐ2，ｄ2を結んだ経路の距離である。
【００５０】
すると、き裂先端位置ｄ2は、これらＹ，Ｚ方向の各基準位置からの距離Ｙt，Ｚtにより特定される。これらの距離Ｙt，Ｚtは、内側配管１０１の肉厚部の寸法をｔとし、き裂先端位置ｄ2に到達した超音波ビームを発信した振動子の基準位置（端面１０２ａ）からの距離をｙtとすると、下記の（３），（４）式により求めることができる。なお、この距離ｙtは、フェーズドアレイ探触子１の取付位置が予め分かっており（ステップ１）、このフェーズドアレイ探触子１における当該振動子の配設位置も分かるので、直ちに求めることができる。
【００５１】
Yt＝Ｗ3・sinθ3−ｙt ……… （３）
Ｚt＝３・ｔ−Ｗ3・cosθ3 ……… （４）
図６は、上記のようにして求めた、Y,Z座標系におけるき裂開口位置ｄ1の位置［Ｙc，Ｚc］、及びき裂先端位置ｄ2の位置［Yt，Ｚt］から、欠陥部ｄすなわちき裂の位置及び大きさを演算する手法の一例についての説明図である。なお、図６に示すようなき裂の場合、通常、「き裂の位置」とはき裂開口位置ｄ1の位置を指し、「き裂の大きさ」は、通常、位置ｄ1からの垂直方向の深さｈ及び傾き角βで特定することが多い。
【００５２】
図６において、き裂開口位置ｄ1からの垂直方向の深さをｈとし、深さｈの先端位置とき裂先端位置ｄ2とを結ぶ水平方向の距離をｊとすると、欠陥部ｄの傾き角βは下記の（５）式により求めることができる。これにより、本発明の第１の実施形態に係る超音波探傷方法が終了する。
【００５３】
β＝tan-1（ｊ／ｈ）
＝tan-1｛（Yt−Ｙc）／（Ｚt−Ｚc）｝ ……… （５）
以上説明した第１の実施形態に係る超音波探傷方法では、複数個の振動子によるリニア走査が可能であり、また複数個の振動子の各超音波発信タイミングを遅延させる制御のみによって探傷屈折角を容易に変化させることが可能であるというフェーズドアレイ探触子の特質を有効に活用し、探傷目標領域に対する超音波直射方法だけでなく、超音波多重反射方法も併用するようにしているので、多層配管構造部位に存在する欠陥部を容易に且つ精度良く検出することができるようになる。
【００５４】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図である。この第２の実施形態に係る方法では、探傷屈折角を連続的に順次変化させるセクタ走査を行うようにしている。
【００５５】
第１の実施形態は、最初に探傷屈折角をθ1にしてリニア走査を行った後、このθ1をピッチ角度Δθだけ減小させたθ2でリニア走査を行い、更にその後、θ2をピッチ角度Δθだけ減小させたθ3でリニア走査を行うものであった。これに対し、この第２の実施形態では、セクタ走査によって図７の矢印で示すように、探傷屈折角をθ1〜θ3まで連続的に減小させ、超音波ビームを扇状に振るようにして、超音波ビームが探傷目標領域Ｒの欠陥部ｄを迅速に捉えることができるようにしている。
【００５６】
この場合、本実施形態では、セクタ走査に用いる振動子を所定位置に配設された所定個数の振動子とするようにしている。例えば、フェーズドアレイ探触子１の１００個の振動子ｖ1〜ｖ100のうち、探傷目標領域Ｒ側に最も近いグループに属する１１個の振動子ｖ90〜ｖ100の超音波発信タイミングを制御することにより、上記のように探傷屈折角をθ1〜θ3まで連続的に減小させるセクタ走査を実施することが可能である。
【００５７】
但し、このような特定の振動子のみのセクタ走査では、充分なレベルの反射エコー信号が得られないような場合、この１１個の振動子が属するグループを右方へ移動させ、より好ましい位置で再度同様のセクタ走査を行うようにすることもできる。例えば、今度はｖ80〜ｖ90の１１個の振動子を用いて探傷屈折角をθ1〜θ3まで連続的に減小させるセクタ走査を実施することもできる。このような手法によれば、欠陥部ｄの存在を看過することなく確実に検出することが可能になる。
【００５８】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図である。この第３の実施形態に係る方法は、内側配管１０１の表面に対して所定の探傷屈折角θ0（例えば３０°）となるように超音波ビームを入射させることにより、探傷目標領域Ｒに向かった内側配管１０１の肉厚部内を進行する２次クリーピング波を発生させ、この２次クリーピング波の反射波を用いて欠陥部の概略位置を求めた後に、第１の実施形態に係る超音波探傷方法を実施するものである。
【００５９】
すなわち、所定の探傷屈折角となるようにフェーズドアレイ探触子１から内側配管１０１に対して超音波ビームを入射させると、肉厚部外面に沿って伝播する１次クリーピング波と呼ばれる縦波が発生すると共に横波も発生して、これが肉厚部内面（底面）に向かってい進行する。そして、この横波が肉厚部内面にぶつかり反射すると、この横波の一部が縦波にモード変換されて、肉厚部内面に沿って伝播する２次クリーピング波が発生する。この２次クリーピング波は、材料表面に沿って伝播するという性質を有するため、材料表面に発生した欠陥部を検出するのに大きな効果を発揮する。但し、この２次クリーピング波は材料によっては減衰特性が大きくなることもある。
【００６０】
したがって、まず２次クリーピング波を発生させて欠陥部ｄの概略位置を求めた後に、第１の実施形態で説明したような各探傷屈折角毎のリニア走査を実施すれば効率の良い超音波探傷作業を行うことができる。何故なら、この場合、欠陥部ｄの概略位置が既に求まっているので、探傷屈折角をそれほど大きく変化させる必要はなく、ある程度絞った範囲内で探傷屈折角を変化させればよいからである。
【００６１】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図である。これまでの実施形態は、炉内の水中に没した状態でフェーズドアレイ探触子１を取り付ける、所謂水浸法により超音波探傷を行うものであったが、内側配管１０１の表面の状態如何によっては、フェーズドアレイ探触子１を直接に（但し、接触媒質を介在させる）内側配管１０１表面に取り付けて、所謂直接接触法により超音波探傷を行うようにすることもできる。この直接接触法によれば、水浸法に比べて超音波の減衰量を低減することができる。
【００６２】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図である。この実施形態は、図１１に示した従来例における楔部材１０４と同様の楔部材８を介して（但し、楔部材８と内側配管１０１との間に接触媒質を介在させる）、フェーズドアレイ探触子１を内側配管１０１の表面に取り付けたものである。なお、楔部材８を用いているが、この第５の実施形態も直接接触法に分類されるものである。
【００６３】
フェーズドアレイ探触子１は、探傷屈折角θを自由に可変することができるので、このような楔部材８は必ずしも必要ではない。しかし、探傷目標領域に超音波ビームを到達させることができる探傷屈折角の範囲が予め分かっているような場合は、このような特定形状の楔部材８を用いることにより、探傷屈折角の変化範囲を小さくすることができ、より効率の良い超音波探傷作業を実施することが可能である。
【００６４】
なお、上述した各実施形態において、フェーズドアレイ探触子１としては、振動子２がライン状に配列されたタイプのものを想定しているが、この振動子２は格子状（平面状）に配列されたものであってもよい。これによれば、フェーズドアレイ探触子１前方の探傷目標領域Ｒだけでなく、それ以外の側方の領域に対しても超音波探傷を実施することができる。
【００６５】
あるいは更に、フェーズドアレイ探触子１として、振動子２が内側配管１０１の周囲に同心円状に配列されたものを用いることもできる。これによれば、探傷目標領域Ｒの全周部分に超音波ビームを送ることができ、欠陥部ｄの看過をより確実に防止できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る超音波探傷方法の概略を示すフローチャート。
【図３】図２のステップ４におけるリニア走査での超音波探傷動作の説明図であり、（ａ）は超音波直射の場合、（ｂ）は超音波１回反射の場合、（ｃ）は超音波１．５回反射の場合をそれぞれ示す。
【図４】図３（ｂ）における超音波１回反射の場合の欠陥位置演算についての説明図であり、（ａ）はき裂開口位置でのエコー高さを示す波形図、（ｂ）はき裂開口位置の演算を説明するための部分拡大図。
【図５】図３（ｃ）における超音波１．５回反射の場合の欠陥位置演算についての説明図であり、（ａ）はき裂先端位置でのエコー高さを示す波形図、（ｂ）はき裂先端位置の演算を説明するための部分拡大図。
【図６】図１の欠陥部ｄの位置及び大きさを演算する手法の一例についての説明図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る超音波探傷方法の説明図。
【図１１】多層配管構造部位に対する従来の超音波探傷技術を説明するための一部断面図。
【符号の説明】
【００６７】
１：フェーズドアレイ探触子
２：振動子
３：超音波探傷機
４：探触子制御手段
５：欠陥部検出手段
６：条件入力手段
７：表示装置
８：楔部材
Ｒ：探傷目標領域
θ1〜θ3：探傷屈折角
ｄ：欠陥部
ｄ1：き裂開口位置
ｄ2：き裂先端位置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スリーブ溶接の施工により形成された多層配管構造部位から配管軸方向に沿って離間した内側配管部表面位置に、複数個の振動子を有するフェーズドアレイ探触子を取り付け、
このフェーズドアレイ探触子から発信された超音波ビームが内側配管の肉厚部内を進行する際に、その超音波ビームが肉厚部外面と内面との間で反射を繰り返しながら、又は反射せず直接に、前記多層配管構造部位に設定した探傷目標領域に到達するように、超音波ビームの前記内側配管部表面に対する探傷屈折角を順次変化させていき、
前記フェーズドアレイ探触子が受信した前記探傷目標領域からの反射波に基づき、この探傷目標領域内の欠陥部の有無を判別する、
ことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項２】
前記探傷目標領域内に欠陥部が存在する場合、その欠陥部の位置及び大きさを、ビーム路程及び前記探傷屈折角を用いて演算する、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷方法。
【請求項３】
前記フェーズドアレイ探触子は、前記探傷屈折角を所定ピッチ角度で順次変化させ、各探傷屈折角毎に超音波発信・受信動作を順次行う所定個数の振動子を、配管軸方向に沿ってシフトするリニア走査を行うものである、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷方法。
【請求項４】
前記フェーズドアレイ探触子は、前記探傷屈折角を連続的に順次変化させていくセクタ走査を行うものである、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷方法。
【請求項５】
前記内側配管部表面に所定探傷屈折角で超音波ビームを入射させることにより、前記探傷目標領域に向かって内側配管部肉厚部内を進行する２次クリーピング波を発生させ、この２次クリーピング波の反射波を用いて欠陥部の概略位置を求めた後に、前記探傷屈折角を順次変化させていく、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷方法。
【請求項６】
スリーブ溶接の施工により形成された多層配管構造部位から配管軸方向に沿って離間した内側配管部表面位置に取り付けられた、複数個の振動子を有するフェーズドアレイ探触子と、
前記フェーズドアレイ探触子から発信された超音波ビームが内側配管の肉厚部内を進行する際に、その超音波ビームが肉厚部外面と内面との間で反射を繰り返しながら、又は反射せず直接に、前記多層配管構造部位に設定した探傷目標領域に到達するように、超音波ビームの前記内側配管部表面に対する探傷屈折角を順次変化させていく探触子制御手段と、
前記フェーズドアレイ探触子が受信した前記探傷目標領域からの反射波に基づき、この探傷目標領域内の欠陥部の有無を判別する欠陥部検出手段と、
を備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項７】
前記フェーズドアレイ探触子は、水中又はその他の液体中に没した状態で、前記内側配管部表面位置に取り付けられたものである、
ことを特徴とする請求項６記載の超音波探傷装置。
【請求項８】
前記フェーズドアレイ探触子は、前記内側配管部表面位置に直接取り付けられたものである、
ことを特徴とする請求項６記載の超音波探傷装置。
【請求項９】
前記フェーズドアレイ探触子は、前記探傷屈折角の変化範囲を調整するための楔部材を介して前記内側配管部表面位置に取り付けられたものである、
ことを特徴とする請求項６記載の超音波探傷装置。
【請求項１０】
前記フェーズドアレイ探触子は、前記複数個の振動子が格子状に配列されたものである、
ことを特徴とする請求項６記載の超音波探傷装置。
【請求項１１】
前記フェーズドアレイ探触子は、前記複数個の振動子が内側配管の周囲に同心円状に配列されたものである、
ことを特徴とする請求項６記載の超音波探傷装置。
【請求項１】
スリーブ溶接の施工により形成された多層配管構造部位から配管軸方向に沿って離間した内側配管部表面位置に、複数個の振動子を有するフェーズドアレイ探触子を取り付け、
このフェーズドアレイ探触子から発信された超音波ビームが内側配管の肉厚部内を進行する際に、その超音波ビームが肉厚部外面と内面との間で反射を繰り返しながら、又は反射せず直接に、前記多層配管構造部位に設定した探傷目標領域に到達するように、超音波ビームの前記内側配管部表面に対する探傷屈折角を順次変化させていき、
前記フェーズドアレイ探触子が受信した前記探傷目標領域からの反射波に基づき、この探傷目標領域内の欠陥部の有無を判別する、
ことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項２】
前記探傷目標領域内に欠陥部が存在する場合、その欠陥部の位置及び大きさを、ビーム路程及び前記探傷屈折角を用いて演算する、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷方法。
【請求項３】
前記フェーズドアレイ探触子は、前記探傷屈折角を所定ピッチ角度で順次変化させ、各探傷屈折角毎に超音波発信・受信動作を順次行う所定個数の振動子を、配管軸方向に沿ってシフトするリニア走査を行うものである、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷方法。
【請求項４】
前記フェーズドアレイ探触子は、前記探傷屈折角を連続的に順次変化させていくセクタ走査を行うものである、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷方法。
【請求項５】
前記内側配管部表面に所定探傷屈折角で超音波ビームを入射させることにより、前記探傷目標領域に向かって内側配管部肉厚部内を進行する２次クリーピング波を発生させ、この２次クリーピング波の反射波を用いて欠陥部の概略位置を求めた後に、前記探傷屈折角を順次変化させていく、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷方法。
【請求項６】
スリーブ溶接の施工により形成された多層配管構造部位から配管軸方向に沿って離間した内側配管部表面位置に取り付けられた、複数個の振動子を有するフェーズドアレイ探触子と、
前記フェーズドアレイ探触子から発信された超音波ビームが内側配管の肉厚部内を進行する際に、その超音波ビームが肉厚部外面と内面との間で反射を繰り返しながら、又は反射せず直接に、前記多層配管構造部位に設定した探傷目標領域に到達するように、超音波ビームの前記内側配管部表面に対する探傷屈折角を順次変化させていく探触子制御手段と、
前記フェーズドアレイ探触子が受信した前記探傷目標領域からの反射波に基づき、この探傷目標領域内の欠陥部の有無を判別する欠陥部検出手段と、
を備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項７】
前記フェーズドアレイ探触子は、水中又はその他の液体中に没した状態で、前記内側配管部表面位置に取り付けられたものである、
ことを特徴とする請求項６記載の超音波探傷装置。
【請求項８】
前記フェーズドアレイ探触子は、前記内側配管部表面位置に直接取り付けられたものである、
ことを特徴とする請求項６記載の超音波探傷装置。
【請求項９】
前記フェーズドアレイ探触子は、前記探傷屈折角の変化範囲を調整するための楔部材を介して前記内側配管部表面位置に取り付けられたものである、
ことを特徴とする請求項６記載の超音波探傷装置。
【請求項１０】
前記フェーズドアレイ探触子は、前記複数個の振動子が格子状に配列されたものである、
ことを特徴とする請求項６記載の超音波探傷装置。
【請求項１１】
前記フェーズドアレイ探触子は、前記複数個の振動子が内側配管の周囲に同心円状に配列されたものである、
ことを特徴とする請求項６記載の超音波探傷装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２５６７６（Ｐ２０１０−２５６７６Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８５８５６（Ｐ２００８−１８５８５６）
【出願日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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