配管減肉検査装置および配管減肉検査方法
【課題】超音波を用いた非破壊検査において、配管外表面に生じた減肉部を識別し、減肉性状、大きさを評価できる配管減肉検査装置及び配管減肉検査方法を提供することにある。
【解決手段】
超音波アレイセンサ１１は、配管１２に超音波を送信及び受信する。超音波探傷装置２１は、超音波アレイセンサ１１にフェーズドアレイ方式により超音波の送受信を行う。画面表示及び欠陥判別装置２３は、超音波探傷装置で得た受信波を画像として表示し、表示画像の有意な信号の受信方向から減肉の形状を推定する。校正曲線データベース２４には、減肉形状に基づいたエコー強度と信号の発生位置に基づいて作成した減肉深さ評価線図が記憶される。画面表示及び欠陥判別装置２３は、レイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求める。
【解決手段】
超音波アレイセンサ１１は、配管１２に超音波を送信及び受信する。超音波探傷装置２１は、超音波アレイセンサ１１にフェーズドアレイ方式により超音波の送受信を行う。画面表示及び欠陥判別装置２３は、超音波探傷装置で得た受信波を画像として表示し、表示画像の有意な信号の受信方向から減肉の形状を推定する。校正曲線データベース２４には、減肉形状に基づいたエコー強度と信号の発生位置に基づいて作成した減肉深さ評価線図が記憶される。画面表示及び欠陥判別装置２３は、レイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いた非破壊検査装置及び方法に係り、特に、配管などの管体の管外表面に発生する減肉欠陥を検査するに好適な配管減肉検査装置および配管減肉検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラント、石油プラントなどを構成する配管は、長期間運転している間に、配管内面及び外面を流れる流体などの影響を受けて、腐食あるいは磨耗に起因した減肉を生じる場合がある。例えば、石炭火力発電所においては、石炭灰を含んだ燃焼ガスが炉内を構成する配管の外面を通過する。この配管は、外部にある支持構造物で支えているが、運転条件により配管が振動するため、接合などによる固定はせず、若干の隙間がある状態で保持している。ここで、ごく微量の石炭灰が配管と支持構造物との間に入り込み、配管と支持構造物との間で固着する場合がある。また、運転条件によっては、配管は振動するため、固着した石炭灰が研磨材となり、配管表面を削り、磨耗減肉が生じる場合がある。
【０００３】
配管に生じた磨耗減肉が進展すると、貫通穴が形成される場合がある。この場合、液体や蒸気といった配管内部流体が漏洩しプラントの正常な運転が確保できなくなるため、長時間にわたり運転停止をせざるを得ない。そのため、定期的な監視および検査あるいは適切な補修が必要である。そこで、配管の板厚、材料の状態を管理する非破壊検査手法により配管の健全性を評価し、必要に応じて配管の交換や補修などの対策を施す必要がある。
【０００４】
非破壊検査手法の代表的なものとして、非特許文献１に規定されている超音波パルス反射法による厚さ測定方法がある。これは超音波探触子と送受信器から構成される超音波厚さ計を用いる方法が一般的である。超音波厚さ計は、検査対象配管の板厚方向に超音波を送信し、配管内面で反射した超音波を超音波探触子で受信したときの超音波伝播時間と既知である材料中の音速を用いて板厚を求める原理で、高精度で配管の板厚を測定することができるが、その有効検査範囲は超音波探触子と配管の接触面積に限定される。
【０００５】
ここで、上記の板厚測定方法は、減肉が予想される箇所の法線方向に超音波探触子を設置する必要がある。しかし、先に例として示した配管の減肉部は、支持構造物で外部を覆っているため、減肉が予想される箇所の法線方向に超音波探触子を設置することができない。そのため、支持構造物を避けた位置に超音波探触子などのセンサ類を設置し、遠方から減肉部を検査する必要がある。
【０００６】
一方で、遠方からき裂状の欠陥を検出する方法として、材料表面を伝播する超音波であるレイリー波を利用した非破壊検査方法がある（例えば、特許文献１や特許文献２参照）。
【０００７】
特許文献１記載のものは、検査対象範囲を透過する透過レイリー波の到達時間に計測することにより、減肉の有無を判別する方法である。そのため、表面波を発信する送信用超音波探触子と受信用超音波探触子は検査対象箇所を挟むように設置する。例えば、減肉がある場合、レイリー波は減肉部表面に沿って伝播するため、減肉がない場合に比べてレイリー波の伝播経路が長くなる。このため、減肉の大きさと到達時間は比例関係となることから、到達時間を計測することによって減肉の有無を判定できるとしている。
【０００８】
また、特許文献２記載のものは、表面波を発信する送信用超音波探触子と受信用超音波探触子を、検査対象箇所を挟むように設置し、検査対象範囲を透過する透過レイリー波を用いて欠陥の有無を判定する方法である。また、この手法では透過波のパワースペクトルを積分し、予備試験で得た校正積分値と比較することにより、欠陥の深さを算出できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−５９０５号公報
【特許文献２】特開２００７−１７３００号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】日本工業規格 ＪＩＳ Ｚ ２３５５：２００５
【非特許文献２】超音波探傷試験ＩＩＩ、ｐｐ．２１１−２１３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述の減肉検査手法では、次のような問題点が挙げられる。
【００１２】
まず、特許文献１記載のものでは、検査対象範囲を挟むように２つの探触子を設置する必要があり、探触子の設置に制約が生じることが挙げられる。また、大きな減肉に対しては到達時間差が明瞭に現れるが、小さな減肉の場合には減肉有無の判別は難しいことが挙げられる。また、減肉の大小は判別できるが、急峻な減肉であるか、なだらかな減肉であるかという減肉性状は判らない。ここで、減肉性状の把握は、その部材の残存寿命を評価する上で重要な情報となる。
【００１３】
また、特許文献２記載のものでは、やはり検査対象範囲を挟むように２つの探触子を設置する必要があり、探触子の設置に制約が生じることが挙げられる。また、欠陥開口部（根元）と欠陥先端部があり形状変化が明瞭なき裂状欠陥ではパワースペクトルの変化が顕著に現れるが、磨耗減肉のように明瞭な形状変化点を有しない場合は、配管表面に沿って伝播するレイリー波の特性上、パワースペクトルの変化が顕著に現れにくいと考えられる。
【００１４】
つまり、従来の検査方法の課題は、配管表面に発生する減肉の有無を判別すること、かつ減肉性状、減肉の大きさを推定することが同時にできないことである。
【００１５】
本発明の目的は、超音波を用いた非破壊検査において、配管外表面に生じた減肉部を識別し、減肉性状、大きさを評価できる配管減肉検査装置及び配管減肉検査方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、配管に超音波を送信及び受信する超音波アレイセンサと、該超音波アレイセンサにフェーズドアレイ方式により超音波の送受信を行う超音波探傷装置と、該超音波探傷装置で得た受信波を画像として表示し、表示画像の有意な信号の受信方向から減肉の形状を推定する画面表示及び欠陥判別装置と、減肉形状に基づいたエコー強度と信号の発生位置に基づいて作成した減肉深さ評価線図を記憶する校正曲線データベースを備えるようにしたものである。
かかる構成により、超音波を用いた非破壊検査において、配管外表面に生じた減肉部を識別し、減肉性状、大きさを評価できるものとなる。
【００１７】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記画面表示及び欠陥判別装置は、前記超音波探傷装置により、前記超音波アレイセンサを用いて、前記配管表面に超音波を入射したとき得られるレイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めるようにしたものである。
【００１８】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記超音波アレイセンサにくさびをつけたものである。
【００１９】
（４）また、上記目的を達成するために、本発明は、配管に超音波を送信及び受信する少なくとも２つ以上の超音波探触子と、該超音波探触子により超音波の送受信を行う超音波探傷装置と、該超音波探傷装置で得た受信波を画像として表示し、表示画像の有意な信号の受信方向から減肉の形状を推定する画面表示及び欠陥判別装置と、減肉形状に基づいたエコー強度と信号の発生位置に基づいて作成した減肉深さ評価線図を記憶する校正曲線データベースを備えるようにしたものである。
かかる構成により、超音波を用いた非破壊検査において、配管外表面に生じた減肉部を識別し、減肉性状、大きさを評価できるものとなる。
【００２０】
（５）上記（４）において、好ましくは、前記超音波探触子は、１個のレイリー波探触子と、少なくとも２個の異なる角度に超音波を送信する横波斜角探触子であり、前記画面表示及び欠陥判別装置は、前記超音波探傷装置により、前記超音波探触子を用いて、前記配管表面に超音波を入射したとき得られるレイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めるようにしたものである。
【００２１】
（６）さらに、上記目的を達成するために、本発明は、配管表面に設置したアレイセンサから超音波を入射し、反射レイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めるようにしたものである。
かかる方法により、超音波を用いた非破壊検査において、配管外表面に生じた減肉部を識別し、減肉性状、大きさを評価できるものとなる。
【００２２】
（７）また、上記目的を達成するために、本発明は、配管表面に設置した少なくとも２つ以上の超音波探触子から超音波を入射し、反射レイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めるようにしたものである。
かかる方法により、超音波を用いた非破壊検査において、配管外表面に生じた減肉部を識別し、減肉性状、大きさを評価できるものとなる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、配管外表面に生じた減肉部を識別し、減肉性状、大きさを評価できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態による配管減肉検査装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による配管減肉検査装置に用いる超音波アレイセンサによるフェーズドアレイ法の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態による配管減肉検査装置における減肉評価の原理説明図である。
【図４】本発明の一実施形態による配管減肉検査装置の画面表示及び欠陥判別装置の動作及び処理内容を示すフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態による配管減肉検査装置における減肉評価の原理説明図である。
【図６】本発明の一実施形態による配管減肉検査装置にて用いる判定線図の明図である。
【図７】本発明の一実施形態による配管減肉検査装置にて用いる判定線図の明図である。
【図８】本発明の他の実施形態による配管減肉検査装置の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の他の実施形態による配管減肉検査装置の画面表示及び欠陥判別装置の動作及び処理内容を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図１〜図７を用いて、本発明の一実施形態による配管減肉検査装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による配管減肉検査装置の全体構成及び動作について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による配管減肉検査装置の構成を示すブロック図である。
【００２６】
本実施形態の配管減肉検査装置は、超音波アレイセンサ１１と、探傷情報収録装置２０と、超音波探傷装置２１と、探触子位置制御装置２２と、画面表示及び欠陥判別装置２３と、校正曲線データベース２４とを備えている。
【００２７】
探傷情報収録装置２０は、探傷情報収録装置２０ａと、トリガ信号を発生するトリガ信号発生装置２０ｂとで主に構成される。探傷情報収録装置２０ａは、超音波探傷装置２１で得た超音波探傷情報の収録および記憶、探触子位置制御装置２２で得た超音波アレイセンサ１１の位置情報の取得および収録を行う。
【００２８】
超音波探傷装置２１は、本発明の実施形態の超音波の発信および受信を行う装置である。主な構成要素は、遅延回路２１ａと、送信回路２１ｂと、受信回路２１ｃと、Ａ／Ｄ変換回路２１ｄである。遅延回路２１ａは、超音波アレイセンサ１１を構成する振動子から超音波信号の発信時間を制御する。送信回路２１ｂは、超音波アレイセンサ１１に入力信号を送信する。受信回路２１ｃは、超音波アレイセンサ１１からの出力信号を受信する。Ａ／Ｄ変換回路２１ｄは、超音波の入出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
【００２９】
探触子位置制御装置２２は、超音波アレイセンサ１１の移動を制御する走査制御回路２２ａと、またそのときの超音波アレイセンサ１１の位置から移動量を計算する移動量計算回路２２ｂと、データをアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２２ｃとから構成される。
【００３０】
超音波探傷装置２１及び探触子位置制御装置２２は、トリガ信号発生装置２０ｂからのトリガ信号により動作する。超音波探傷装置２１の遅延回路２１ａは、超音波アレイセンサ１１を構成する振動子（素子）に電圧を印加するタイミング（遅延時間）を制御する。この遅延時間は、探傷情報収録装置２０ａに予め記憶された情報を読み込んで動作する。そして、送信回路２１ｂは、入力信号を発生し、超音波アレイセンサ１１に送られる。
【００３１】
配管１２の外表面に配置した超音波アレイセンサ１１は、入力信号を受けて超音波を配管１２内に送信する。超音波アレイセンサ１１は配管１２上を移動して、減肉からの反射信号を受信する。受信した超音波信号は、受信回路２１ｃに送られ、受信波形はＡ／Ｄ変換回路２１ｄでデジタル信号に変換され、探傷情報収録装置２０ａに収録される。
【００３２】
一方、アーム１３で保持した超音波アレイセンサ１１は、超音波探触子移動装置１４により移動される。アーム１３は、超音波探触子移動装置１４の車輪１４ａと車輪の回転を制御するアーム送り制御機構１４ｂにより配管長手方向へ走査される。超音波探触子移動装置１４は、配管に固定したガイドレール１５のレール上に設置する。配管周方向へは、超音波探触子移動装置１４内の歯車１４ｃと、ガイドレール１５の溝を噛み合わせて移動される。歯車１４ｂの回転制御は、周方向送り制御機構１４ｄにより行なわれる。ガイドレール１５は、配管に設置できるように分割構造とする。
【００３３】
走査制御回路２２ａは、トリガ信号発生装置２０ｂからのトリガ信号を受けると、移動量相当の信号をアーム送り制御機構１４ｂ及び周方向送り制御機構１４ｄに伝達する。また、走査制御回路２２ａの情報は移動量計算回路２２ｂに送られ、移動量が計算され、Ａ／Ｄ変換回路２２ｃを介して探傷情報収録装置２０ａに記憶される。ある探傷位置での受信波形情報と移動量が記憶されると、探傷情報収録装置２０ａからトリガ信号発生装置２２ｂにトリガ信号発信命令が送られ、次の探傷位置での測定が行われる。
【００３４】
探傷情報記憶装置２０に記憶された探傷情報は、画面表示及び欠陥判別装置２３で探傷結果の画像表示がされる。また、画面表示及び欠陥判別装置２３は、校正曲線データベース２４と接続している。なお、これらの装置はケーブル１６で接続されている。
【００３５】
ここで、図２を用いて、本実施形態による配管減肉検査装置に用いる超音波アレイセンサによるフェーズドアレイ法について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による配管減肉検査装置に用いる超音波アレイセンサによるフェーズドアレイ法の説明図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３６】
超音波アレイセンサ１１は、複数の振動子（素子）１１ａなどから構成される。フェーズドアレイ法では、各振動子１１ａへの電気信号１１ｂを送るときに遅延回路２１ａにより印加電圧発信時間を制御し、各振動子から発生する超音波の位相の重ね合わせ位置を制御することにより、送信角度を可変するセクタスキャンを行うようにしている。ここで、超音波ビーム形態の制御は遅延時間を設定することで行う。一般に、検査対象部位が単一材料であるため、ビームの集束点と各振動子間の超音波伝播時間は（直線的幾何学経路）／（材料音速）として算出し、各振動子までの伝播時間の差を用いて、アレイセンサの遅延時間を決定することができる。また、このときの遅延時間を活用して受信波を合成することにより、検査結果が２次元的に表示することができる。
【００３７】
次に、図３を用いて、本実施形態による配管減肉検査装置における減肉評価の原理について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による配管減肉検査装置における減肉評価の原理説明図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３８】
本実施形態による配管減肉検査装置では、図３に示す経路の超音波を用いて、減肉の評価を行う。超音波アレイセンサ１１から配管１２に超音波を入射するとき、強い反射波として、経路１で示す減肉の淵からの反射波であるレイリー波と、経路２で示す減肉の腹からの反射波である横波反射波が得られる。
【００３９】
破線で示す経路１は、被検体である配管１２の、超音波アレイセンサ１１が設置される表面（配管の外表面）を伝播するレイリー波である。このレイリー波は、減肉部３の淵で反射して、レイリー波として経路１に沿って伝播し、超音波アレイセンサ１１にて受信される。このため、レイリー波は、減肉の有無を検出するために用いられる。
【００４０】
実線で示す経路２は、被検体である配管１２の内部を、所定の角度で、配管１２の内表面及び外表面で順次反射し、伝播する横波である。この横波は、減肉部３の腹で反射して、横波として経路２に沿って伝播し、超音波アレイセンサ１１にて受信される。なお、図３は、減肉３がなだらかな減肉の場合を示している。そのため、横波は、減肉の形状がなだらかか、急峻かを判別するために用いられる。
【００４１】
次に、図４〜図７を用いて、本実施形態による配管減肉検査装置の画面表示及び欠陥判別装置２３の動作及び処理内容について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による配管減肉検査装置の画面表示及び欠陥判別装置の動作及び処理内容を示すフローチャートである。図５は、本発明の一実施形態による配管減肉検査装置における減肉評価の原理説明図である。図６及び図７は、本発明の一実施形態による配管減肉検査装置にて用いる判定線図の説明図である。
【００４２】
初めに、ステップＳ１０１において、図１に示した装置を用いて、フェーズドアレイ法による超音波探傷を実施する。なお、以降の説明では、配管材料の横波音速に基づいて送信及び受信処理および画像表示をした結果について記す。また、以下に示す探傷画像は、扇状に表示されるセクタ走査によって得られた画像で説明を行う。
【００４３】
次に、ステップＳ１０２において、ステップＳ１０１により得られた受信信号に基づき、レイリー波成分の出現の有無によって減肉の診断を行う。レイリー波の特性上、減肉部からのレイリー波の反射信号が得られる場合、探傷画像において表示角度θが８０°〜９０°成分（図５の画像の右上）を確認する。通常、レイリー波の音速は、横波音速の約９０％である。そこで、超音波アレイセンサ１１と検査範囲との距離をＬとしたとき、Ｌ／０．９となる範囲に出現する成分が対象となる。ここで、このときのレイリー波の最大反射エコー強度Ａが予め設定した反射強度のしきい値Ａ０を超えた場合に、減肉が有ると判断する。
【００４４】
レイリー波反射エコー強度Ａがしきい値Ａ０を超えない場合は、ステップＳ１０３において、”減肉無し”と判断し、検査終了となる。一方、ステップＳ１０２において、レイリー波反射強度Ａがしきい値Ａ０を超える信号が有る場合、ステップ１０４において、“減肉あり”と判断し、ステップＳ１０５の判定に移行する。
【００４５】
ここで、横波反射波は、減肉の腹に対して直角な方向に入射した場合に発生する反射波の強度が最も高くなる。よって、横波反射エコーの出現位置である表示角度θを測定することで、その減肉が急峻なのか、なだらなかなのかという概略形状を把握することができ、これは重要である。例えば、急峻な減肉である場合、減肉進展速度が速いため、早急な補修あるいは監視強化などの必要な対策を検討することができる。
【００４６】
＜ここまで＞
そこで、ステップＳ１０５では、減肉の横波反射波の出現の有無および出現位置によって減肉の程度を判断する。つまり、横波反射エコーの強度Ｂが予め設定した横波反射エコー強度のしきい値Ｂ０より小さい場合は、ステップＳ１０６において、評価基準深さｈ０より浅い減肉であると判断する。また、横波反射エコーの強度Ｂがしきい値Ｂ０より大きい場合は深い減肉であると判断する。さらに、深い減肉においても、表示角度θが小さい場合（例えば、θ＜θ０）は、ステップ１０７において、“なだらかな減肉”であると判断する。また、横波反射エコーの強度Ｂがしきい値Ｂ０より大きく、表示角度θが大きい場合（例えば、θ≧θ０）は、ステップＳ１０８において、図５に示すような“急峻な減肉”であると判断する。ここで、θ０は、例えば、７０°とする。
【００４７】
ステップＳ１０７あるいはＳ１０８において判定された減肉は、ステップＳ１０９〜Ｓ１１１に示す手順で減肉深さの推定を行う。ここでは、上記検討で得られた減肉形状に基づいたエコー強度Ｂと信号の発生位置（路程）Ｗに基づいて作成した減肉深さ評価線図を用いて、減肉深さｈを評価する。この減肉深さ評価線図は予備試験を行って作成し、図１に示す校正曲線データベース２４に格納しておく。また、減肉深さ評価線図は、θによる判定基準に応じて複数の減肉深さ評価線図を用意しておく。以下の説明では、２種類の減肉深さ評価線図で判定した場合の結果を記す。
【００４８】
ここで、減肉深さ評価線図の作成に当たっての考え方を示す。まず、図３に破線で表示した減肉面に垂直に入射し反射した横波は反射効率が最も強く、横波反射エコー強度Ｂを減肉深さ評価線図のパラメータの１つとする。また、超音波は伝播距離が長くなると減衰して弱くなるため、伝播距離を示す路程Ｗを減肉深さ評価線図のもう一つのパラメータとする。そして、減肉が大きくなると、破線で表示した減肉面が大きくなるため、横波反射エコー強度Ｂは大きくなる。よって、この強度の差を利用して、減肉の大きさ、つまり減肉深さを評価することができる。図６および図７は、このような考えに基づいて作成した減肉深さ評価線図の例を示している。減肉深さ評価線図には、減肉深さに応じて複数本の基準線を設定しておくことが望ましい。
【００４９】
次に、減肉深さを評価する手順を示す。ステップＳ１０７で判定されたなだらかな減肉の場合には、ステップＳ１０９において、図６に示す減肉深さ評価線図Ｉと測定データを比較する。また、ステップＳ１０８で判定されたなだらかな減肉の場合には、ステップＳ１１０において、図７に示す減肉深さ評価線図ＩＩと測定データを比較する。これにより、ステップＳ１１１において、減肉深さを評価する。
【００５０】
例えば、表示角度がθ’（＜θ０）の位置に、横波反射エコー強度Ｂ’（＞Ｂ０）の信号が検出されたとする。この場合は、ステップＳ１０７に示す“なだらかな減肉”と評価し、ステップ１０９に示す減肉深さ評価線図ＩＩ（図６）を用いて減肉深さを求める。図６から路程Ｗ’の位置に横波反射エコー強度Ｂ’が検出されたとすると、その交差点から減肉深さは２ｔ／４であると求められる。ここで、ｔは板厚である。
【００５１】
以上の手順により、減肉の有無の判断、また減肉深さの評価が可能になる。また、本手法においては、２種類の減肉深さ評価線図で判定を行った例で説明したが、減肉深さ評価線図の種類が多いほど、減肉深さの精度は向上する。例えば、ステップＳ１０７，Ｓ１０８では、角度θ０（例えば、７０°）に対する大小で減肉の形状を判定したが、角度５０°及び角度６５°に対する大小で減肉の性状を判定するようにしてもよいものである。
【００５２】
ここで、図１にて説明したように、超音波アレイセンサ１１は、超音波探触子移動装置１４のアーム送り制御機構１４ｂ及び周方向送り制御機構１４ｄによって、配管１２の軸方向及び周方向に移動可能である。図３や図５に示したように、横波が減肉の腹の部分に当たって反射する場合、反射横波の強度は、減肉の腹の中央部付近に当たった場合が最大となる。それに対して、減肉の頂部に当たった場合には、反射横波の強度が低下する。減肉深さを精度良く評価するには、入射した横波が減肉の腹の中央部付近に当たるようにすることが望ましい。そこで、ステップＳ１０５の横波反射エコー成分の検出の際には、アーム送り制御機構１４ｂにより超音波アレイセンサ１１の配管１２の軸方向に移動させ、横波反射エコーの強度が最大となる点を用いて、横波反射エコー成分を検出するようにする。
【００５３】
また、アレイセンサで屈折角度が大きい方向に横波を入射する場合、アレイセンサの探傷面にくさびを設置することで、屈折角度が大きい方向に横波を効果的に入射できる。くさびの材料には、アクリル、ポリスチレンなどを用いるのが一般である。図２に示した例では、超音波アレイセンサ１１の底面（配管１２への接触面）と、アレイ状に配置された振動子１１ａの面は一致しているが、超音波アレイセンサ１１の底面（配管１２への接触面）と、アレイ状に配置された振動子１１ａの面との間に、所定角度のくさびを設置する。また、超音波アレイセンサ１１の底面と配管１２の接触面の間に、くさびを設置することもできる。
【００５４】
用いるくさびの角度は、例えば、図４のステップＳ１０７，Ｓ１０８におけるθ０を７０°とした場合、横波７０°のくさびとする。くさびを用いない場合、屈折角度の大きな超音波を配管に入射させると、グレーティングローブが探傷角度範囲内に表示されることになるため、減肉からの反射波とグレーティングローブとを識別する必要があるが、例えば、横波７０°のくさびを用いることで、グレーティングローブの表示位置が探傷角度範囲を外れるため、容易に減肉からの反射波のみを検出することができる。また、くさびを用いない場合は、入射が大きい横波の入射強度が小さくなるため、減肉の検出ができないことが考えられる。そこで、くさびを用いることで入射強度を大きくし、減肉からの反射波強度を大きくして、減肉の検出を容易にすることができる。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態によれば、超音波を用いた非破壊検査において、配管外表面に生じた減肉部を検出することができ、減肉性状と減肉深さを求めることができる。特に、構造物等により、人、センサが減肉部へ接近することが難しい箇所に対して、非破壊検査を実施する場合に有効である。
【００５６】
次に、図８及び図９を用いて、本発明の他の実施形態による配管減肉検査装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図８を用いて、本実施形態による配管減肉検査装置の全体構成及び動作について説明する。
図８は、本発明の他の実施形態による配管減肉検査装置の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００５７】
本実施形態の配管減肉検査装置は、図１に示した配管減肉検査装置とは以下の点で相違している。すなわち、本実施形態では、図１にて用いていたアレイセンサに代わって複数個の超音波探触子を用いて実施する。このため、図１にて用いた超音波アレイセンサ１１に代わり超音波探触子３１を用い、図１にて用いた画面表示及び欠陥判別装置２３に代わり欠陥判別装置３２を用いている。また、図１にて用いた超音波探傷装置２１の遅延回路２１ａは用いないものである。
【００５８】
超音波探触子３１は、１個のレイリー波探触子と、２個の横波斜角探触子を備えている。レイリー波探触子は、横波９０°の超音波を被検体である配管１２に送信し、そして、減肉部からの反射レイリー波を受信するものである。レイリー波探触子として、ガイド波を用いる探触子を用いることもできる。２個の横波斜角探触子は、例えば、横波４５°を送受信する探触子と、横波７０°を送受信する探触子からなる。レイリー波探触子により、減肉の有無を検出する。そして、例えば、横波４５°を送信する探触子は、図３に示したなだらかな減肉部の深さの評価に用いられる。また、横波７０°を送信する探触子は、図５に示した急峻な減肉部の深さの評価に用いられる。
【００５９】
欠陥判別装置３２は、レイリー波探触子の受信信号により減肉の有無を判定し、２個の横波斜角探触子の受信信号により減肉の性状（なだらか、急峻）及び深さを評価するものである。欠陥判別装置３２の動作については、図９を用いて後述する。
【００６０】
また、図１にて用いた超音波探傷装置２１の遅延回路２１ａを用いない理由は、超音波探触子として図１にて用いたアレイ探触子を用いないためである。
【００６１】
次に、図９を用いて、本実施形態による配管減肉検査装置の画面表示及び欠陥判別装置３２の動作及び処理内容について説明する。
図９は、本発明の他の実施形態による配管減肉検査装置の画面表示及び欠陥判別装置の動作及び処理内容を示すフローチャートである。なお、図４と同一ステップ番号は、同一処理内容を示している。
【００６２】
最初に、ステップＳ２０１において、超音波探触子３２の中のレイリー波探触子により、レイリー波の反射エコーを用いた減肉の判定を実施する。ここで、レイリー波の最大反射エコー強度Ａが予め設定した反射強度のしきい値Ａ０を超える値を検出することで、減肉の有無を判断する。
【００６３】
ステップＳ１０２において、レイリー波反射エコー強度Ａがしきい値Ａ０を超えない場合は、ステップＳ１０３において、“減肉無し”と判断し、検査終了となる。
【００６４】
しかし、ステップＳ１０２に示す判定でレイリー波反射強度Ａがしきい値Ａ０を超える信号が有る場合、ステップＳ１０４において、“減肉あり”と判断する。
【００６５】
そして、ステップＳ２０２において、屈折角θ１（例えば、７０°）である第１の横波斜角探触子による探傷を行う。ここで、横波反射エコーの強度Ｂが予め設定した反射強度のしきい値Ｂ１より大きい場合は、ステップＳ１０８において、“急峻な減肉”であると判断し、ステップＳ１１０において減肉深さ評価線図Ｉと比較して、ステップＳ１１１において、減肉深さを求める。また、横波反射エコーの強度Ｂがしきい値Ｂ１より小さい場合は、ステップＳ２０３において、屈折角θ２（例えば、４５°）である第２の横波斜角探触子による探傷を行う。横波反射エコーの強度Ｂがしきい値Ｂ２より大きい場合は、ステップＳ１０７において、“なだらかな減肉”であると判断し、ステップＳ１０９において減肉深さ評価線図ＩＩと比較して、ステップＳ１１１において、減肉深さを求める。しかし、横波反射エコーの強度Ｂがしきい値Ｂ２より小さい場合は、ステップＳ１０６において、評価基準深さｈ０より浅い減肉であると判断する。
【００６６】
ここで、θ１＞θ２とした手順での減肉の形状を判断した例の説明であったが、ステップ２０２とステップ２０３の手順を入れ替えた場合でも、同等の結果が得られる。
【００６７】
以上述べたように、本実施形態によれば、超音波を用いた非破壊検査において、配管外表面に生じた減肉部を検出することができ、減肉性状と減肉深さを求めることができる。
【符号の説明】
【００６８】
１…レイリー波
２…横波
３…減肉
１１…超音波アレイセンサ
１１ａ…振動子
１１ｂ…遅延時間
１２…配管
１３…アーム
１４…超音波センサ移動装置
１４ａ…車輪
１４ｂ…アーム送り制御機構
１４ｃ…歯車
１４ｄ…周方向送り制御機構
１５…ガイドレール
１６…ケーブル
２０…超音波探傷制御装置
２０ａ…探傷情報記憶装置
２０ｂ…トリガ信号発生装置
２１…超音波探傷装置
２１ａ…遅延回路
２１ｂ…送信回路
２１ｃ…受信回路
２１ｄ…Ａ／Ｄ変換回路
２２…探触子位置制御装置
２２ａ…走査制御回路
２２ｂ…移動量計算回路
２２ｃ…Ａ／Ｄ変換回路
２３…画像表示及び欠陥判別装置
２４…校正曲線データベース
３１…超音波探触子
３２…欠陥判別装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いた非破壊検査装置及び方法に係り、特に、配管などの管体の管外表面に発生する減肉欠陥を検査するに好適な配管減肉検査装置および配管減肉検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラント、石油プラントなどを構成する配管は、長期間運転している間に、配管内面及び外面を流れる流体などの影響を受けて、腐食あるいは磨耗に起因した減肉を生じる場合がある。例えば、石炭火力発電所においては、石炭灰を含んだ燃焼ガスが炉内を構成する配管の外面を通過する。この配管は、外部にある支持構造物で支えているが、運転条件により配管が振動するため、接合などによる固定はせず、若干の隙間がある状態で保持している。ここで、ごく微量の石炭灰が配管と支持構造物との間に入り込み、配管と支持構造物との間で固着する場合がある。また、運転条件によっては、配管は振動するため、固着した石炭灰が研磨材となり、配管表面を削り、磨耗減肉が生じる場合がある。
【０００３】
配管に生じた磨耗減肉が進展すると、貫通穴が形成される場合がある。この場合、液体や蒸気といった配管内部流体が漏洩しプラントの正常な運転が確保できなくなるため、長時間にわたり運転停止をせざるを得ない。そのため、定期的な監視および検査あるいは適切な補修が必要である。そこで、配管の板厚、材料の状態を管理する非破壊検査手法により配管の健全性を評価し、必要に応じて配管の交換や補修などの対策を施す必要がある。
【０００４】
非破壊検査手法の代表的なものとして、非特許文献１に規定されている超音波パルス反射法による厚さ測定方法がある。これは超音波探触子と送受信器から構成される超音波厚さ計を用いる方法が一般的である。超音波厚さ計は、検査対象配管の板厚方向に超音波を送信し、配管内面で反射した超音波を超音波探触子で受信したときの超音波伝播時間と既知である材料中の音速を用いて板厚を求める原理で、高精度で配管の板厚を測定することができるが、その有効検査範囲は超音波探触子と配管の接触面積に限定される。
【０００５】
ここで、上記の板厚測定方法は、減肉が予想される箇所の法線方向に超音波探触子を設置する必要がある。しかし、先に例として示した配管の減肉部は、支持構造物で外部を覆っているため、減肉が予想される箇所の法線方向に超音波探触子を設置することができない。そのため、支持構造物を避けた位置に超音波探触子などのセンサ類を設置し、遠方から減肉部を検査する必要がある。
【０００６】
一方で、遠方からき裂状の欠陥を検出する方法として、材料表面を伝播する超音波であるレイリー波を利用した非破壊検査方法がある（例えば、特許文献１や特許文献２参照）。
【０００７】
特許文献１記載のものは、検査対象範囲を透過する透過レイリー波の到達時間に計測することにより、減肉の有無を判別する方法である。そのため、表面波を発信する送信用超音波探触子と受信用超音波探触子は検査対象箇所を挟むように設置する。例えば、減肉がある場合、レイリー波は減肉部表面に沿って伝播するため、減肉がない場合に比べてレイリー波の伝播経路が長くなる。このため、減肉の大きさと到達時間は比例関係となることから、到達時間を計測することによって減肉の有無を判定できるとしている。
【０００８】
また、特許文献２記載のものは、表面波を発信する送信用超音波探触子と受信用超音波探触子を、検査対象箇所を挟むように設置し、検査対象範囲を透過する透過レイリー波を用いて欠陥の有無を判定する方法である。また、この手法では透過波のパワースペクトルを積分し、予備試験で得た校正積分値と比較することにより、欠陥の深さを算出できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−５９０５号公報
【特許文献２】特開２００７−１７３００号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】日本工業規格 ＪＩＳ Ｚ ２３５５：２００５
【非特許文献２】超音波探傷試験ＩＩＩ、ｐｐ．２１１−２１３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述の減肉検査手法では、次のような問題点が挙げられる。
【００１２】
まず、特許文献１記載のものでは、検査対象範囲を挟むように２つの探触子を設置する必要があり、探触子の設置に制約が生じることが挙げられる。また、大きな減肉に対しては到達時間差が明瞭に現れるが、小さな減肉の場合には減肉有無の判別は難しいことが挙げられる。また、減肉の大小は判別できるが、急峻な減肉であるか、なだらかな減肉であるかという減肉性状は判らない。ここで、減肉性状の把握は、その部材の残存寿命を評価する上で重要な情報となる。
【００１３】
また、特許文献２記載のものでは、やはり検査対象範囲を挟むように２つの探触子を設置する必要があり、探触子の設置に制約が生じることが挙げられる。また、欠陥開口部（根元）と欠陥先端部があり形状変化が明瞭なき裂状欠陥ではパワースペクトルの変化が顕著に現れるが、磨耗減肉のように明瞭な形状変化点を有しない場合は、配管表面に沿って伝播するレイリー波の特性上、パワースペクトルの変化が顕著に現れにくいと考えられる。
【００１４】
つまり、従来の検査方法の課題は、配管表面に発生する減肉の有無を判別すること、かつ減肉性状、減肉の大きさを推定することが同時にできないことである。
【００１５】
本発明の目的は、超音波を用いた非破壊検査において、配管外表面に生じた減肉部を識別し、減肉性状、大きさを評価できる配管減肉検査装置及び配管減肉検査方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、配管に超音波を送信及び受信する超音波アレイセンサと、該超音波アレイセンサにフェーズドアレイ方式により超音波の送受信を行う超音波探傷装置と、該超音波探傷装置で得た受信波を画像として表示し、表示画像の有意な信号の受信方向から減肉の形状を推定する画面表示及び欠陥判別装置と、減肉形状に基づいたエコー強度と信号の発生位置に基づいて作成した減肉深さ評価線図を記憶する校正曲線データベースを備えるようにしたものである。
かかる構成により、超音波を用いた非破壊検査において、配管外表面に生じた減肉部を識別し、減肉性状、大きさを評価できるものとなる。
【００１７】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記画面表示及び欠陥判別装置は、前記超音波探傷装置により、前記超音波アレイセンサを用いて、前記配管表面に超音波を入射したとき得られるレイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めるようにしたものである。
【００１８】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記超音波アレイセンサにくさびをつけたものである。
【００１９】
（４）また、上記目的を達成するために、本発明は、配管に超音波を送信及び受信する少なくとも２つ以上の超音波探触子と、該超音波探触子により超音波の送受信を行う超音波探傷装置と、該超音波探傷装置で得た受信波を画像として表示し、表示画像の有意な信号の受信方向から減肉の形状を推定する画面表示及び欠陥判別装置と、減肉形状に基づいたエコー強度と信号の発生位置に基づいて作成した減肉深さ評価線図を記憶する校正曲線データベースを備えるようにしたものである。
かかる構成により、超音波を用いた非破壊検査において、配管外表面に生じた減肉部を識別し、減肉性状、大きさを評価できるものとなる。
【００２０】
（５）上記（４）において、好ましくは、前記超音波探触子は、１個のレイリー波探触子と、少なくとも２個の異なる角度に超音波を送信する横波斜角探触子であり、前記画面表示及び欠陥判別装置は、前記超音波探傷装置により、前記超音波探触子を用いて、前記配管表面に超音波を入射したとき得られるレイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めるようにしたものである。
【００２１】
（６）さらに、上記目的を達成するために、本発明は、配管表面に設置したアレイセンサから超音波を入射し、反射レイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めるようにしたものである。
かかる方法により、超音波を用いた非破壊検査において、配管外表面に生じた減肉部を識別し、減肉性状、大きさを評価できるものとなる。
【００２２】
（７）また、上記目的を達成するために、本発明は、配管表面に設置した少なくとも２つ以上の超音波探触子から超音波を入射し、反射レイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めるようにしたものである。
かかる方法により、超音波を用いた非破壊検査において、配管外表面に生じた減肉部を識別し、減肉性状、大きさを評価できるものとなる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、配管外表面に生じた減肉部を識別し、減肉性状、大きさを評価できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態による配管減肉検査装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による配管減肉検査装置に用いる超音波アレイセンサによるフェーズドアレイ法の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態による配管減肉検査装置における減肉評価の原理説明図である。
【図４】本発明の一実施形態による配管減肉検査装置の画面表示及び欠陥判別装置の動作及び処理内容を示すフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態による配管減肉検査装置における減肉評価の原理説明図である。
【図６】本発明の一実施形態による配管減肉検査装置にて用いる判定線図の明図である。
【図７】本発明の一実施形態による配管減肉検査装置にて用いる判定線図の明図である。
【図８】本発明の他の実施形態による配管減肉検査装置の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の他の実施形態による配管減肉検査装置の画面表示及び欠陥判別装置の動作及び処理内容を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図１〜図７を用いて、本発明の一実施形態による配管減肉検査装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による配管減肉検査装置の全体構成及び動作について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による配管減肉検査装置の構成を示すブロック図である。
【００２６】
本実施形態の配管減肉検査装置は、超音波アレイセンサ１１と、探傷情報収録装置２０と、超音波探傷装置２１と、探触子位置制御装置２２と、画面表示及び欠陥判別装置２３と、校正曲線データベース２４とを備えている。
【００２７】
探傷情報収録装置２０は、探傷情報収録装置２０ａと、トリガ信号を発生するトリガ信号発生装置２０ｂとで主に構成される。探傷情報収録装置２０ａは、超音波探傷装置２１で得た超音波探傷情報の収録および記憶、探触子位置制御装置２２で得た超音波アレイセンサ１１の位置情報の取得および収録を行う。
【００２８】
超音波探傷装置２１は、本発明の実施形態の超音波の発信および受信を行う装置である。主な構成要素は、遅延回路２１ａと、送信回路２１ｂと、受信回路２１ｃと、Ａ／Ｄ変換回路２１ｄである。遅延回路２１ａは、超音波アレイセンサ１１を構成する振動子から超音波信号の発信時間を制御する。送信回路２１ｂは、超音波アレイセンサ１１に入力信号を送信する。受信回路２１ｃは、超音波アレイセンサ１１からの出力信号を受信する。Ａ／Ｄ変換回路２１ｄは、超音波の入出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
【００２９】
探触子位置制御装置２２は、超音波アレイセンサ１１の移動を制御する走査制御回路２２ａと、またそのときの超音波アレイセンサ１１の位置から移動量を計算する移動量計算回路２２ｂと、データをアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２２ｃとから構成される。
【００３０】
超音波探傷装置２１及び探触子位置制御装置２２は、トリガ信号発生装置２０ｂからのトリガ信号により動作する。超音波探傷装置２１の遅延回路２１ａは、超音波アレイセンサ１１を構成する振動子（素子）に電圧を印加するタイミング（遅延時間）を制御する。この遅延時間は、探傷情報収録装置２０ａに予め記憶された情報を読み込んで動作する。そして、送信回路２１ｂは、入力信号を発生し、超音波アレイセンサ１１に送られる。
【００３１】
配管１２の外表面に配置した超音波アレイセンサ１１は、入力信号を受けて超音波を配管１２内に送信する。超音波アレイセンサ１１は配管１２上を移動して、減肉からの反射信号を受信する。受信した超音波信号は、受信回路２１ｃに送られ、受信波形はＡ／Ｄ変換回路２１ｄでデジタル信号に変換され、探傷情報収録装置２０ａに収録される。
【００３２】
一方、アーム１３で保持した超音波アレイセンサ１１は、超音波探触子移動装置１４により移動される。アーム１３は、超音波探触子移動装置１４の車輪１４ａと車輪の回転を制御するアーム送り制御機構１４ｂにより配管長手方向へ走査される。超音波探触子移動装置１４は、配管に固定したガイドレール１５のレール上に設置する。配管周方向へは、超音波探触子移動装置１４内の歯車１４ｃと、ガイドレール１５の溝を噛み合わせて移動される。歯車１４ｂの回転制御は、周方向送り制御機構１４ｄにより行なわれる。ガイドレール１５は、配管に設置できるように分割構造とする。
【００３３】
走査制御回路２２ａは、トリガ信号発生装置２０ｂからのトリガ信号を受けると、移動量相当の信号をアーム送り制御機構１４ｂ及び周方向送り制御機構１４ｄに伝達する。また、走査制御回路２２ａの情報は移動量計算回路２２ｂに送られ、移動量が計算され、Ａ／Ｄ変換回路２２ｃを介して探傷情報収録装置２０ａに記憶される。ある探傷位置での受信波形情報と移動量が記憶されると、探傷情報収録装置２０ａからトリガ信号発生装置２２ｂにトリガ信号発信命令が送られ、次の探傷位置での測定が行われる。
【００３４】
探傷情報記憶装置２０に記憶された探傷情報は、画面表示及び欠陥判別装置２３で探傷結果の画像表示がされる。また、画面表示及び欠陥判別装置２３は、校正曲線データベース２４と接続している。なお、これらの装置はケーブル１６で接続されている。
【００３５】
ここで、図２を用いて、本実施形態による配管減肉検査装置に用いる超音波アレイセンサによるフェーズドアレイ法について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による配管減肉検査装置に用いる超音波アレイセンサによるフェーズドアレイ法の説明図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３６】
超音波アレイセンサ１１は、複数の振動子（素子）１１ａなどから構成される。フェーズドアレイ法では、各振動子１１ａへの電気信号１１ｂを送るときに遅延回路２１ａにより印加電圧発信時間を制御し、各振動子から発生する超音波の位相の重ね合わせ位置を制御することにより、送信角度を可変するセクタスキャンを行うようにしている。ここで、超音波ビーム形態の制御は遅延時間を設定することで行う。一般に、検査対象部位が単一材料であるため、ビームの集束点と各振動子間の超音波伝播時間は（直線的幾何学経路）／（材料音速）として算出し、各振動子までの伝播時間の差を用いて、アレイセンサの遅延時間を決定することができる。また、このときの遅延時間を活用して受信波を合成することにより、検査結果が２次元的に表示することができる。
【００３７】
次に、図３を用いて、本実施形態による配管減肉検査装置における減肉評価の原理について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による配管減肉検査装置における減肉評価の原理説明図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３８】
本実施形態による配管減肉検査装置では、図３に示す経路の超音波を用いて、減肉の評価を行う。超音波アレイセンサ１１から配管１２に超音波を入射するとき、強い反射波として、経路１で示す減肉の淵からの反射波であるレイリー波と、経路２で示す減肉の腹からの反射波である横波反射波が得られる。
【００３９】
破線で示す経路１は、被検体である配管１２の、超音波アレイセンサ１１が設置される表面（配管の外表面）を伝播するレイリー波である。このレイリー波は、減肉部３の淵で反射して、レイリー波として経路１に沿って伝播し、超音波アレイセンサ１１にて受信される。このため、レイリー波は、減肉の有無を検出するために用いられる。
【００４０】
実線で示す経路２は、被検体である配管１２の内部を、所定の角度で、配管１２の内表面及び外表面で順次反射し、伝播する横波である。この横波は、減肉部３の腹で反射して、横波として経路２に沿って伝播し、超音波アレイセンサ１１にて受信される。なお、図３は、減肉３がなだらかな減肉の場合を示している。そのため、横波は、減肉の形状がなだらかか、急峻かを判別するために用いられる。
【００４１】
次に、図４〜図７を用いて、本実施形態による配管減肉検査装置の画面表示及び欠陥判別装置２３の動作及び処理内容について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による配管減肉検査装置の画面表示及び欠陥判別装置の動作及び処理内容を示すフローチャートである。図５は、本発明の一実施形態による配管減肉検査装置における減肉評価の原理説明図である。図６及び図７は、本発明の一実施形態による配管減肉検査装置にて用いる判定線図の説明図である。
【００４２】
初めに、ステップＳ１０１において、図１に示した装置を用いて、フェーズドアレイ法による超音波探傷を実施する。なお、以降の説明では、配管材料の横波音速に基づいて送信及び受信処理および画像表示をした結果について記す。また、以下に示す探傷画像は、扇状に表示されるセクタ走査によって得られた画像で説明を行う。
【００４３】
次に、ステップＳ１０２において、ステップＳ１０１により得られた受信信号に基づき、レイリー波成分の出現の有無によって減肉の診断を行う。レイリー波の特性上、減肉部からのレイリー波の反射信号が得られる場合、探傷画像において表示角度θが８０°〜９０°成分（図５の画像の右上）を確認する。通常、レイリー波の音速は、横波音速の約９０％である。そこで、超音波アレイセンサ１１と検査範囲との距離をＬとしたとき、Ｌ／０．９となる範囲に出現する成分が対象となる。ここで、このときのレイリー波の最大反射エコー強度Ａが予め設定した反射強度のしきい値Ａ０を超えた場合に、減肉が有ると判断する。
【００４４】
レイリー波反射エコー強度Ａがしきい値Ａ０を超えない場合は、ステップＳ１０３において、”減肉無し”と判断し、検査終了となる。一方、ステップＳ１０２において、レイリー波反射強度Ａがしきい値Ａ０を超える信号が有る場合、ステップ１０４において、“減肉あり”と判断し、ステップＳ１０５の判定に移行する。
【００４５】
ここで、横波反射波は、減肉の腹に対して直角な方向に入射した場合に発生する反射波の強度が最も高くなる。よって、横波反射エコーの出現位置である表示角度θを測定することで、その減肉が急峻なのか、なだらなかなのかという概略形状を把握することができ、これは重要である。例えば、急峻な減肉である場合、減肉進展速度が速いため、早急な補修あるいは監視強化などの必要な対策を検討することができる。
【００４６】
＜ここまで＞
そこで、ステップＳ１０５では、減肉の横波反射波の出現の有無および出現位置によって減肉の程度を判断する。つまり、横波反射エコーの強度Ｂが予め設定した横波反射エコー強度のしきい値Ｂ０より小さい場合は、ステップＳ１０６において、評価基準深さｈ０より浅い減肉であると判断する。また、横波反射エコーの強度Ｂがしきい値Ｂ０より大きい場合は深い減肉であると判断する。さらに、深い減肉においても、表示角度θが小さい場合（例えば、θ＜θ０）は、ステップ１０７において、“なだらかな減肉”であると判断する。また、横波反射エコーの強度Ｂがしきい値Ｂ０より大きく、表示角度θが大きい場合（例えば、θ≧θ０）は、ステップＳ１０８において、図５に示すような“急峻な減肉”であると判断する。ここで、θ０は、例えば、７０°とする。
【００４７】
ステップＳ１０７あるいはＳ１０８において判定された減肉は、ステップＳ１０９〜Ｓ１１１に示す手順で減肉深さの推定を行う。ここでは、上記検討で得られた減肉形状に基づいたエコー強度Ｂと信号の発生位置（路程）Ｗに基づいて作成した減肉深さ評価線図を用いて、減肉深さｈを評価する。この減肉深さ評価線図は予備試験を行って作成し、図１に示す校正曲線データベース２４に格納しておく。また、減肉深さ評価線図は、θによる判定基準に応じて複数の減肉深さ評価線図を用意しておく。以下の説明では、２種類の減肉深さ評価線図で判定した場合の結果を記す。
【００４８】
ここで、減肉深さ評価線図の作成に当たっての考え方を示す。まず、図３に破線で表示した減肉面に垂直に入射し反射した横波は反射効率が最も強く、横波反射エコー強度Ｂを減肉深さ評価線図のパラメータの１つとする。また、超音波は伝播距離が長くなると減衰して弱くなるため、伝播距離を示す路程Ｗを減肉深さ評価線図のもう一つのパラメータとする。そして、減肉が大きくなると、破線で表示した減肉面が大きくなるため、横波反射エコー強度Ｂは大きくなる。よって、この強度の差を利用して、減肉の大きさ、つまり減肉深さを評価することができる。図６および図７は、このような考えに基づいて作成した減肉深さ評価線図の例を示している。減肉深さ評価線図には、減肉深さに応じて複数本の基準線を設定しておくことが望ましい。
【００４９】
次に、減肉深さを評価する手順を示す。ステップＳ１０７で判定されたなだらかな減肉の場合には、ステップＳ１０９において、図６に示す減肉深さ評価線図Ｉと測定データを比較する。また、ステップＳ１０８で判定されたなだらかな減肉の場合には、ステップＳ１１０において、図７に示す減肉深さ評価線図ＩＩと測定データを比較する。これにより、ステップＳ１１１において、減肉深さを評価する。
【００５０】
例えば、表示角度がθ’（＜θ０）の位置に、横波反射エコー強度Ｂ’（＞Ｂ０）の信号が検出されたとする。この場合は、ステップＳ１０７に示す“なだらかな減肉”と評価し、ステップ１０９に示す減肉深さ評価線図ＩＩ（図６）を用いて減肉深さを求める。図６から路程Ｗ’の位置に横波反射エコー強度Ｂ’が検出されたとすると、その交差点から減肉深さは２ｔ／４であると求められる。ここで、ｔは板厚である。
【００５１】
以上の手順により、減肉の有無の判断、また減肉深さの評価が可能になる。また、本手法においては、２種類の減肉深さ評価線図で判定を行った例で説明したが、減肉深さ評価線図の種類が多いほど、減肉深さの精度は向上する。例えば、ステップＳ１０７，Ｓ１０８では、角度θ０（例えば、７０°）に対する大小で減肉の形状を判定したが、角度５０°及び角度６５°に対する大小で減肉の性状を判定するようにしてもよいものである。
【００５２】
ここで、図１にて説明したように、超音波アレイセンサ１１は、超音波探触子移動装置１４のアーム送り制御機構１４ｂ及び周方向送り制御機構１４ｄによって、配管１２の軸方向及び周方向に移動可能である。図３や図５に示したように、横波が減肉の腹の部分に当たって反射する場合、反射横波の強度は、減肉の腹の中央部付近に当たった場合が最大となる。それに対して、減肉の頂部に当たった場合には、反射横波の強度が低下する。減肉深さを精度良く評価するには、入射した横波が減肉の腹の中央部付近に当たるようにすることが望ましい。そこで、ステップＳ１０５の横波反射エコー成分の検出の際には、アーム送り制御機構１４ｂにより超音波アレイセンサ１１の配管１２の軸方向に移動させ、横波反射エコーの強度が最大となる点を用いて、横波反射エコー成分を検出するようにする。
【００５３】
また、アレイセンサで屈折角度が大きい方向に横波を入射する場合、アレイセンサの探傷面にくさびを設置することで、屈折角度が大きい方向に横波を効果的に入射できる。くさびの材料には、アクリル、ポリスチレンなどを用いるのが一般である。図２に示した例では、超音波アレイセンサ１１の底面（配管１２への接触面）と、アレイ状に配置された振動子１１ａの面は一致しているが、超音波アレイセンサ１１の底面（配管１２への接触面）と、アレイ状に配置された振動子１１ａの面との間に、所定角度のくさびを設置する。また、超音波アレイセンサ１１の底面と配管１２の接触面の間に、くさびを設置することもできる。
【００５４】
用いるくさびの角度は、例えば、図４のステップＳ１０７，Ｓ１０８におけるθ０を７０°とした場合、横波７０°のくさびとする。くさびを用いない場合、屈折角度の大きな超音波を配管に入射させると、グレーティングローブが探傷角度範囲内に表示されることになるため、減肉からの反射波とグレーティングローブとを識別する必要があるが、例えば、横波７０°のくさびを用いることで、グレーティングローブの表示位置が探傷角度範囲を外れるため、容易に減肉からの反射波のみを検出することができる。また、くさびを用いない場合は、入射が大きい横波の入射強度が小さくなるため、減肉の検出ができないことが考えられる。そこで、くさびを用いることで入射強度を大きくし、減肉からの反射波強度を大きくして、減肉の検出を容易にすることができる。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態によれば、超音波を用いた非破壊検査において、配管外表面に生じた減肉部を検出することができ、減肉性状と減肉深さを求めることができる。特に、構造物等により、人、センサが減肉部へ接近することが難しい箇所に対して、非破壊検査を実施する場合に有効である。
【００５６】
次に、図８及び図９を用いて、本発明の他の実施形態による配管減肉検査装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図８を用いて、本実施形態による配管減肉検査装置の全体構成及び動作について説明する。
図８は、本発明の他の実施形態による配管減肉検査装置の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００５７】
本実施形態の配管減肉検査装置は、図１に示した配管減肉検査装置とは以下の点で相違している。すなわち、本実施形態では、図１にて用いていたアレイセンサに代わって複数個の超音波探触子を用いて実施する。このため、図１にて用いた超音波アレイセンサ１１に代わり超音波探触子３１を用い、図１にて用いた画面表示及び欠陥判別装置２３に代わり欠陥判別装置３２を用いている。また、図１にて用いた超音波探傷装置２１の遅延回路２１ａは用いないものである。
【００５８】
超音波探触子３１は、１個のレイリー波探触子と、２個の横波斜角探触子を備えている。レイリー波探触子は、横波９０°の超音波を被検体である配管１２に送信し、そして、減肉部からの反射レイリー波を受信するものである。レイリー波探触子として、ガイド波を用いる探触子を用いることもできる。２個の横波斜角探触子は、例えば、横波４５°を送受信する探触子と、横波７０°を送受信する探触子からなる。レイリー波探触子により、減肉の有無を検出する。そして、例えば、横波４５°を送信する探触子は、図３に示したなだらかな減肉部の深さの評価に用いられる。また、横波７０°を送信する探触子は、図５に示した急峻な減肉部の深さの評価に用いられる。
【００５９】
欠陥判別装置３２は、レイリー波探触子の受信信号により減肉の有無を判定し、２個の横波斜角探触子の受信信号により減肉の性状（なだらか、急峻）及び深さを評価するものである。欠陥判別装置３２の動作については、図９を用いて後述する。
【００６０】
また、図１にて用いた超音波探傷装置２１の遅延回路２１ａを用いない理由は、超音波探触子として図１にて用いたアレイ探触子を用いないためである。
【００６１】
次に、図９を用いて、本実施形態による配管減肉検査装置の画面表示及び欠陥判別装置３２の動作及び処理内容について説明する。
図９は、本発明の他の実施形態による配管減肉検査装置の画面表示及び欠陥判別装置の動作及び処理内容を示すフローチャートである。なお、図４と同一ステップ番号は、同一処理内容を示している。
【００６２】
最初に、ステップＳ２０１において、超音波探触子３２の中のレイリー波探触子により、レイリー波の反射エコーを用いた減肉の判定を実施する。ここで、レイリー波の最大反射エコー強度Ａが予め設定した反射強度のしきい値Ａ０を超える値を検出することで、減肉の有無を判断する。
【００６３】
ステップＳ１０２において、レイリー波反射エコー強度Ａがしきい値Ａ０を超えない場合は、ステップＳ１０３において、“減肉無し”と判断し、検査終了となる。
【００６４】
しかし、ステップＳ１０２に示す判定でレイリー波反射強度Ａがしきい値Ａ０を超える信号が有る場合、ステップＳ１０４において、“減肉あり”と判断する。
【００６５】
そして、ステップＳ２０２において、屈折角θ１（例えば、７０°）である第１の横波斜角探触子による探傷を行う。ここで、横波反射エコーの強度Ｂが予め設定した反射強度のしきい値Ｂ１より大きい場合は、ステップＳ１０８において、“急峻な減肉”であると判断し、ステップＳ１１０において減肉深さ評価線図Ｉと比較して、ステップＳ１１１において、減肉深さを求める。また、横波反射エコーの強度Ｂがしきい値Ｂ１より小さい場合は、ステップＳ２０３において、屈折角θ２（例えば、４５°）である第２の横波斜角探触子による探傷を行う。横波反射エコーの強度Ｂがしきい値Ｂ２より大きい場合は、ステップＳ１０７において、“なだらかな減肉”であると判断し、ステップＳ１０９において減肉深さ評価線図ＩＩと比較して、ステップＳ１１１において、減肉深さを求める。しかし、横波反射エコーの強度Ｂがしきい値Ｂ２より小さい場合は、ステップＳ１０６において、評価基準深さｈ０より浅い減肉であると判断する。
【００６６】
ここで、θ１＞θ２とした手順での減肉の形状を判断した例の説明であったが、ステップ２０２とステップ２０３の手順を入れ替えた場合でも、同等の結果が得られる。
【００６７】
以上述べたように、本実施形態によれば、超音波を用いた非破壊検査において、配管外表面に生じた減肉部を検出することができ、減肉性状と減肉深さを求めることができる。
【符号の説明】
【００６８】
１…レイリー波
２…横波
３…減肉
１１…超音波アレイセンサ
１１ａ…振動子
１１ｂ…遅延時間
１２…配管
１３…アーム
１４…超音波センサ移動装置
１４ａ…車輪
１４ｂ…アーム送り制御機構
１４ｃ…歯車
１４ｄ…周方向送り制御機構
１５…ガイドレール
１６…ケーブル
２０…超音波探傷制御装置
２０ａ…探傷情報記憶装置
２０ｂ…トリガ信号発生装置
２１…超音波探傷装置
２１ａ…遅延回路
２１ｂ…送信回路
２１ｃ…受信回路
２１ｄ…Ａ／Ｄ変換回路
２２…探触子位置制御装置
２２ａ…走査制御回路
２２ｂ…移動量計算回路
２２ｃ…Ａ／Ｄ変換回路
２３…画像表示及び欠陥判別装置
２４…校正曲線データベース
３１…超音波探触子
３２…欠陥判別装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管に超音波を送信及び受信する超音波アレイセンサと、
該超音波アレイセンサにフェーズドアレイ方式により超音波の送受信を行う超音波探傷装置と、
該超音波探傷装置で得た受信波を画像として表示し、表示画像の有意な信号の受信方向から減肉の形状を推定する画面表示及び欠陥判別装置と、
減肉形状に基づいたエコー強度と信号の発生位置に基づいて作成した減肉深さ評価線図を記憶する校正曲線データベースを備えることを特徴とする配管減肉検査装置。
【請求項２】
請求項１記載の配管減肉検査装置において、
前記画面表示及び欠陥判別装置は、前記超音波探傷装置により、前記超音波アレイセンサを用いて、前記配管表面に超音波を入射したとき得られるレイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めることを特徴とする配管減肉検査装置。
【請求項３】
請求項１記載の配管減肉検査装置において、
前記超音波アレイセンサにくさびをつけたことを特徴とする配管減肉検査装置。
【請求項４】
配管に超音波を送信及び受信する少なくとも２つ以上の超音波探触子と、
該超音波探触子により超音波の送受信を行う超音波探傷装置と、
該超音波探傷装置で得た受信波を画像として表示し、表示画像の有意な信号の受信方向から減肉の形状を推定する画面表示及び欠陥判別装置と、
減肉形状に基づいたエコー強度と信号の発生位置に基づいて作成した減肉深さ評価線図を記憶する校正曲線データベースを備えることを特徴とする配管減肉検査装置。
【請求項５】
請求項４記載の配管減肉検査装置において、
前記超音波探触子は、１個のレイリー波探触子と、少なくとも２個の異なる角度に超音波を送信する横波斜角探触子であり、
前記画面表示及び欠陥判別装置は、前記超音波探傷装置により、前記超音波探触子を用いて、前記配管表面に超音波を入射したとき得られるレイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めることを特徴とする配管減肉検査装置。
【請求項６】
配管表面に設置したアレイセンサから超音波を入射し、
反射レイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、
減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めることを特徴とする配管減肉検査方法。
【請求項７】
配管表面に設置した少なくとも２つ以上の超音波探触子から超音波を入射し、
反射レイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、
減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めることを特徴とする配管減肉検査方法。
【請求項１】
配管に超音波を送信及び受信する超音波アレイセンサと、
該超音波アレイセンサにフェーズドアレイ方式により超音波の送受信を行う超音波探傷装置と、
該超音波探傷装置で得た受信波を画像として表示し、表示画像の有意な信号の受信方向から減肉の形状を推定する画面表示及び欠陥判別装置と、
減肉形状に基づいたエコー強度と信号の発生位置に基づいて作成した減肉深さ評価線図を記憶する校正曲線データベースを備えることを特徴とする配管減肉検査装置。
【請求項２】
請求項１記載の配管減肉検査装置において、
前記画面表示及び欠陥判別装置は、前記超音波探傷装置により、前記超音波アレイセンサを用いて、前記配管表面に超音波を入射したとき得られるレイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めることを特徴とする配管減肉検査装置。
【請求項３】
請求項１記載の配管減肉検査装置において、
前記超音波アレイセンサにくさびをつけたことを特徴とする配管減肉検査装置。
【請求項４】
配管に超音波を送信及び受信する少なくとも２つ以上の超音波探触子と、
該超音波探触子により超音波の送受信を行う超音波探傷装置と、
該超音波探傷装置で得た受信波を画像として表示し、表示画像の有意な信号の受信方向から減肉の形状を推定する画面表示及び欠陥判別装置と、
減肉形状に基づいたエコー強度と信号の発生位置に基づいて作成した減肉深さ評価線図を記憶する校正曲線データベースを備えることを特徴とする配管減肉検査装置。
【請求項５】
請求項４記載の配管減肉検査装置において、
前記超音波探触子は、１個のレイリー波探触子と、少なくとも２個の異なる角度に超音波を送信する横波斜角探触子であり、
前記画面表示及び欠陥判別装置は、前記超音波探傷装置により、前記超音波探触子を用いて、前記配管表面に超音波を入射したとき得られるレイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めることを特徴とする配管減肉検査装置。
【請求項６】
配管表面に設置したアレイセンサから超音波を入射し、
反射レイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、
減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めることを特徴とする配管減肉検査方法。
【請求項７】
配管表面に設置した少なくとも２つ以上の超音波探触子から超音波を入射し、
反射レイリー波エコー成分から減肉の発生を識別し、
減肉部の横波反射波エコーの出現位置と予め求めた反射強度および距離の関係式から減肉深さを求めることを特徴とする配管減肉検査方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２７５７１（Ｐ２０１１−２７５７１Ａ）
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７４１３６（Ｐ２００９−１７４１３６）
【出願日】平成２１年７月２７日（２００９．７．２７）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２７日（２００９．７．２７）
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
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