配管溶接部検査装置
【課題】欠陥の検出精度を高めることができる配管溶接部検査装置を提供する。
【解決手段】配管１の溶接部２を検査する配管溶接部検査装置において、配管１の外周側に配置され、配管１の内周側に向けて傾斜した角度で超音波を発信するとともにその反射波を受信する超音波斜角探触子６と、超音波斜角探触子６の位置情報及び超音波斜角探触子６で受信した反射波の波形情報を含む探傷情報を収録する中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９と、探傷情報記憶部１９で収録された探傷情報に基づき反射波を配管１の板厚方向断面の反射位置に変換して画像表示し、溶接部２の境界に相当する複数の反射波画像２６ａ等の位置に基づき溶接部２の境界線２８を演算して設定し、この溶接部２の境界線２８より配管母材側に位置しかつ溶接部２の境界線２８より予め設定された閾値以上離れた位置の反射波画像２６ｃを欠陥に相当すると判定して識別表示させる表示装置１１とを備える。
【解決手段】配管１の溶接部２を検査する配管溶接部検査装置において、配管１の外周側に配置され、配管１の内周側に向けて傾斜した角度で超音波を発信するとともにその反射波を受信する超音波斜角探触子６と、超音波斜角探触子６の位置情報及び超音波斜角探触子６で受信した反射波の波形情報を含む探傷情報を収録する中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９と、探傷情報記憶部１９で収録された探傷情報に基づき反射波を配管１の板厚方向断面の反射位置に変換して画像表示し、溶接部２の境界に相当する複数の反射波画像２６ａ等の位置に基づき溶接部２の境界線２８を演算して設定し、この溶接部２の境界線２８より配管母材側に位置しかつ溶接部２の境界線２８より予め設定された閾値以上離れた位置の反射波画像２６ｃを欠陥に相当すると判定して識別表示させる表示装置１１とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波検査により配管の溶接部を検査する配管溶接部検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば原子力プラントのＰＬＲ(Primary Loop Re-circulation System：一次冷却材再循環系）配管等における突合せ溶接部の供用中検査では、配管の外周側から溶接部（詳細には、溶接金属及び熱影響部）に欠陥が生じていないかどうかを検査する必要がある。従来、このような配管の溶接部の検査を行うための超音波探傷装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の超音波探傷装置は、配管の外周側に配置され、配管の内周側に向け傾斜した角度で超音波を発信するとともにその反射波を受信する超音波斜角探触子と、この超音波斜角探触子を配管の軸方向及び周方向に移動させるスキャナと、このスキャナを介して超音波斜角探触子の位置を制御するとともに超音波斜角探触子による超音波の発信を制御し、超音波斜角探触子の位置情報及び超音波斜角探触子で受信した反射波の波形情報を自動収録し、平面展開図及び板厚方向断面図上で反射波を画像表示する制御・収録・処理装置とを備えている。また、例えば欠陥に相当する反射波画像が表示されて欠陥が有りとなった場合、制御・収録・処理装置は、反射波の強度により欠陥の程度を区分けして表示するようになっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−４７１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。
すなわち、特許文献１には明確に記載されていないが、上記制御・収録・処理装置は、板厚方向断面における反射波画像と設計図（詳細には、溶接部の設計境界線等）とを重ね合わせて表示しており、作業者の目視判断により欠陥の有無の判定を行っている。ところが、通常、配管の外周面はグラインダ等で平滑処理されて溶接部と配管母材との境界が特定できないため溶接部の位置を正確に把握できない場合には、反射波画像と設計図との位置関係を正確に合わせることが困難であった。また、例えば配管母材及び溶接金属がオーステナイト系ステンレス鋼又はニッケル基合金等で形成された場合、溶接部の境界等で反射した反射波が得られる。そのため、板厚方向断面における溶接部の境界近傍に表示された反射波画像が、溶接部の境界に相当するものなのかそれとも欠陥に相当するものなのかを正確に判定することができなかった。したがって、欠陥の検出精度の点で改善の余地があった。
【０００６】
本発明の目的は、欠陥の検出精度を高めることができる配管溶接部検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、超音波検査により配管の溶接部を検査する配管溶接部検査装置において、前記配管の外周側に配置され、前記配管の内周側に向けて傾斜した角度で超音波を発信するとともにその反射波を受信する超音波探触子と、前記超音波探触子の位置情報及び前記超音波探触子で受信した反射波の波形情報を含む探傷情報を収録する探傷情報記憶手段と、前記探傷情報記憶手段で収録された探傷情報に基づき反射波を前記配管の板厚方向断面の反射位置に変換して画像表示する反射波画像表示手段と、前記反射波画像表示手段で表示され前記溶接部の境界に相当する複数の反射波画像の位置に基づき前記溶接部の境界線を演算して設定する境界線設定手段と、前記反射波画像表示手段で表示された複数の反射波画像のうち、前記境界線演算手段で設定された前記溶接部の境界線より配管母材側に位置しかつ前記溶接部の境界線より予め設定された閾値以上離れた位置のものを、欠陥に相当すると判定して識別表示させる欠陥判定手段とを備える。
【０００８】
本発明においては、境界線設定手段は、溶接部の境界に相当する反射波画像の位置に基づき溶接部の境界線を演算して設定するので、溶接部の境界線を正確に特定することができる。また、欠陥判定手段は、設定された溶接部の境界線を基準として欠陥に相当する反射波画像の有無を判定し、例えば欠陥に相当する反射波画像がある場合はそれを識別表示させる。したがって本発明においては、例えば作業者の目視判断により欠陥の有無を判定する場合と比べ、欠陥の検出精度を高めることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、欠陥の検出精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態による配管溶接部検査装置の全体構成を表す概略図である。また、図２は、超音波斜角探触子を配管の溶接部とともに表す配管断面図である。
【００１２】
これら図１及び図２において、配管溶接部検査装置は、配管１の溶接部２の検査（特に、配管母材３の内周面から発生するひび４の検出）を目的とするものであり、配管１の外周側に取り付けられたガイドレール５と、このガイドレール５を介し配管１の周方向に移動可能に設けられ、超音波斜角探触子６を備えた探触子移動装置７と、この探触子移動制御装置７を駆動制御して超音波斜角探触子６の位置を制御する探触子位置制御装置８と、超音波斜角探触子６による超音波の発信及びその反射波の受信を制御する超音波探傷制御装置９と、これら探触子位置制御装置８及び超音波探傷制御装置９を連携して制御するとともに、探傷情報（詳細には、超音波斜角探触子３の位置情報と超音波斜角探触子３で受信した反射波の波形情報を含む）を収録する中央制御装置１０と、この中央制御装置１０に収録された探傷情報に基づき、反射波を配管１の板厚方向断面の反射位置に変換して画像表示する表示装置１１と、配管１の溶接部２の設計境界線（配管母材３の開先線）を含む設計データを記憶する設計データ記憶装置１２とを備えている。
【００１３】
探触子移動装置７は、上記超音波斜角探触子６と、配管１の軸方向（図１及び図２中左右方向）に延在し超音波斜角探触子３を支持するアーム１３と、このアーム１３を配管１の軸方向に移動可能に支持する複数の車輪１４と、これら車輪１４を回転制御してアーム１３（言い換えれば、超音波斜角探触子６）を配管１の軸方向に移動させる軸方向移動制御機構１５と、ガイドレール５に噛み合う歯車１６と、この歯車１６を回転制御して装置本体（言い換えれば、超音波斜角探触子６）を配管１の周方向に移動させる周方向移動制御機構１７とを備えている。なお、ガイドレール５は、配管１の外周側に取り付け可能なように分割構造となっている。
【００１４】
超音波斜角探触子６は、配管１の内周側に向けて傾斜した角度で超音波を発信するとともに、配管１の溶接部２の境界（詳細には、溶接金属と配管母材３との境界、及び溶接金属の垂れ込みの内周面）で反射された反射波や、配管母材２の内周面から発生したひび４等の欠陥で反射された反射波を受信するようになっている（図２中点線矢印で超音波の経路を示す）。
【００１５】
超音波は音響インピーダンス（＝媒質密度×音速）の差がある部位で反射し、音響インピーダンスの差が大きいほど反射効率が高くなる。例えばオーステナイト系ステンレス鋼で形成された溶接部２及び配管母材３は、密度差がほとんどない。しかしながら、配管母材３では、結晶組織の向きがランダムであるから超音波の伝播方向に関係なく音速が一定であるのに対し、溶接部２では、結晶組織の向きが揃うことから音速の音響異方性を有する。そして、図３に示すように、溶接部２の柱状晶組織の方向に対する超音波の入射角度が０度、４５度、９０度である場合、溶接部２と配管母材３との間の音速比が大きくなり（特に、縦波に比べて横波の方が大きくなり）、溶接部２の境界における反射効率が高くなる。また、図４に示すように、溶接部２の柱状晶組織の生成方向は境界上で法線方向となることから、溶接部２の境界線に対する超音波の入射角を４５度にすると、反射効率が高くなる。また、溶接部２の境界線は、例えば配管１の板厚方向に対し０度〜２５度の範囲の傾き部分を有している。以上のことから、超音波斜角探触子６は、横波の超音波を発信するとともに、その屈折角θを４５度〜７０度の範囲で設定することが好ましい。
【００１６】
中央制御装置１０は、探触子位置制御装置８及び超音波探傷制御装置９にトリガ信号を出力するトリガ信号発生部１８と、探傷情報を収録する探傷情報記憶部１９とを備えている。
【００１７】
探触子位置制御装置８は、中央制御装置１０のトリガ信号発生部１８からのトリガ信号に対し予め設定された走査パターン（例えば配管１の周方向位置を変えて軸方向の走査を繰り返すような矩形走査パターン）に基づいて演算処理が行われ、生成した駆動制御信号（所定の移動量に相当する信号）を探触子移動装置７の軸方向移動制御機構１５及び周方向移動制御機構１７に出力する走査制御回路２０と、この走査制御回路２０の制御情報に基づき超音波斜角探触子６の移動方向及び移動量を演算して超音波斜角探触子６の位置を演算する移動量演算回路２１と、この移動量演算回路２１で演算された超音波斜角探触子６の位置情報をアナログ信号からデジタル信号に変換して、中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９に出力するＡ／Ｄ変換回路２２とを備えている。
【００１８】
超音波探傷制御装置９は、中央制御装置１０のトリガ信号発生部１８からのトリガ信号に応じて超音波斜角探触子６に超音波の発信指令を送信する送信回路２３と、超音波斜角探触子６で受信した反射波を受信する受信回路２４と、この受信回路２４で受信した反射波の波形情報をアナログ信号からデジタル信号に変換して、中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９に出力するＡ／Ｄ変換回路２５とを備えている。
【００１９】
中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９は、探触子位置制御装置８からの超音波斜角探触子６の位置情報及び超音波探傷制御装置９からの反射波の波形情報が入力されると、これらを探傷情報として収録し、トリガ信号発生部１８にトリガ信号の発信指令を出力する。そして、トリガ信号発生部１８は、トリガ信号の発信指令に応じてトリガ信号を出力し、探触子移動装置８及び超音波探傷制御装置を連携して制御する。このようにして、超音波斜角探触子６を配管１上で走査させながら探傷情報を自動収録するようになっている。
【００２０】
ここで本実施形態の大きな特徴として、中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９には、配管１の溶接部２の境界で反射した反射波に関する探傷情報が収録されている。そして、表示装置１１は、中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９に収録された複数の探傷情報に基づき反射波を配管１の板厚方向断面の反射位置に変換して画像表示するとともに、それら配管１の溶接部２の境界に相当する複数の反射波画像の位置に基づき溶接部２の境界線を演算して設定し、この溶接部２の境界線を重ね合わせて表示する。また、溶接部２の境界線を基準として欠陥に相当する反射波画像の有無を判定し、例えば欠陥に相当する反射画像がある場合はそれを識別表示させるようになっている。このような表示装置１１の制御手順を図５により説明する。
【００２１】
図５は、表示装置１１の制御処理内容を表すフローチャートである。
【００２２】
この図５において、まず、ステップ１００において、表示装置１１は、中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９に収録された複数の探傷情報を読み込み、電気ノイズを除去するために振幅が予め設定された閾値以上の反射波を抽出する。その後、ステップ１１０に進んで、抽出した反射波を配管１の板厚方向断面の位置に変換して画像（詳細には、反射波の振幅を等高線で表した画像）として表示させる。詳細には、図６に示すように、配管１の軸方向における超音波斜角探触子６の位置をＸ軸とし、超音波のビーム路程（詳細には、超音波が反射されて戻るまでの片道の伝播時間を距離で表したもの）をＹ軸とし、このＹ軸を超音波の屈折角θの分だけ傾斜させた斜交座標系を用いて、反射波を配管１の板厚方向断面の位置に変換する。なお、本実施形態では、作業者が配管１の外周面に溶接部２の仮想中心線２７（前述の図１及び図２参照）をペン等で付しており、この仮想中心線２７に超音波斜角探触子６の初期位置を合わせることで、仮想中心線２７の位置（基準位置）を座標原点Ｏとしている。そして、例えば図６に示すように、溶接金属と配管母材３との境界に相当する複数の反射波画像２６ａと、溶接金属の垂れ込みの内周面に相当する反射波画像２６ｂと、配管母材３の内周面から発生したひび４の角部に相当する反射波画像２６ｃとが表示される。
【００２３】
そして、ステップ１２０に進み、表示装置１１は、設計データ記憶装置１２に記憶された溶接部２の設計境界線を読み込み（設計図から抽出処理してもよい）、上述した反射波画像２６ａ，２６ｂ，２６ｃの位置との相関性により設計境界線の位置を演算する。具体例としては、溶接部２の境界に相当するものとして互いの位置間隔が閾値以下となる反射波画像２６ａを抽出し、これらの反射波画像２６ａの位置を直線近似し、設計境界線をＸ軸方向に移動させて最も相関性が高くなる位置を演算する。相関性を求める方法としては、最尤法や最小二乗法等がある。このようにして溶接部２の境界線２８を設定し、上述した反射画像２６ａ〜２６ｃに重ね合わせて表示する（図６参照）。
【００２４】
そして、ステップ１３０に進み、例えば溶接部２の境界線２８より配管母材側（図６中右側）に位置し配管母材の内周面を含むように予め設定された検査範囲２９（例えば境界線２８の中心位置２８ａから配管１の軸方向に１０ｍｍ移動した範囲）において、境界線２８より予め設定された閾値以上離れた反射波画像の有無を判定する。そして、例えば図６に示すように、検査範囲２９において境界線２８より予め設定された閾値以上離れた反射画像２６ｃがある場合は、ステップ１３０の判定が満たされてステップ１４０に進み、反射画像２６ｃを色等で識別表示させる。
【００２５】
なお、上記において、中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９は、特許請求の範囲記載の超音波探触子の位置情報及び超音波探触子で受信した反射波の波形情報を含む探傷情報を収録する探傷情報記憶手段を構成する。表示装置１１が行うステップ１１０は、探傷情報記憶手段で収録された探傷情報に基づき反射波を配管の板厚方向断面の反射位置に変換して画像表示する反射波画像表示手段を構成する。また、表示装置１１が行うステップ１２０は、反射波画像表示手段で表示され溶接部の境界に相当する複数の反射波画像の位置に基づき溶接部の境界線を演算して設定する境界線設定手段を構成する。また、表示装置１１が行うステップ１３０及び１４０は、反射波画像表示手段で表示された複数の反射波画像のうち、境界線演算手段で設定された溶接部の境界線より配管母材側に位置しかつ溶接部の境界線より予め設定された閾値以上離れた位置のものを、欠陥に相当すると判定して識別表示させる欠陥判定手段を構成する。また、超音波斜角探触子６、探触子移動装置７、及び探触子位置制御装置８は、配管１の外周面に付した基準位置を入力可能な入力手段を構成する。
【００２６】
以上のように構成された本実施形態においては、表示装置１１は、配管１の溶接部２の境界に相当する反射波画像２６ａ等に基づき溶接部２の境界線を演算して設定するので、溶接部２の境界線を正確に特定することができる。また、設定された溶接部２の境界線を基準として欠陥に相当する反射波画像の有無を判定し、例えば欠陥に相当する反射波画像２６ｃがある場合はそれを識別表示させる。したがって、例えば作業者の目視判断により欠陥の有無を判定する場合と比べ、欠陥の検出精度を高めることができる。
【００２７】
なお、上記一実施形態においては、表示装置１１は、境界線設定機能として、複数の反射波画像２６ａ等の位置との相関性により溶接部２の設計境界線の位置を演算して設定する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば、溶接部２の境界に相当するものとして互いの位置間隔が閾値以下となる反射波画像２６ａを抽出し、これらの反射波画像２６ａの位置に基づき回帰線（溶接部２の境界線）を演算して設定してもよい。このような場合も、上記同様の効果を得ることができる。
【００２８】
また、上記一実施形態においては、配管１の内周側に向けて傾斜した角度で超音波を発信するとともにその反射波を受信する超音波探触子として、超音波斜角探触子３を備えた場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、超音波斜角探触子３に代えて、例えば超音波アレイセンサを設けてもよい。このような変形例を以下説明する。
【００２９】
図７は、第１の変形例における超音波アレイセンサの構成を表す概略図である。なお、この第１の変形例において、上記一実施形態と同等の部分は、適宜説明及び図示を省略する。
【００３０】
第１の変形例では、探触子移動装置７のアーム１３には、配管１の軸方向に配設された複数（図７では８個）の振動子３０を有する超音波アレイセンサ３１が設けられている。また、複数の振動子３１からの球面超音波３２の発信及び位相をそれぞれ制御する振動子制御装置３３（振動子制御手段）が備えられている。振動子制御装置３３は、複数の振動子３１への電圧印加時間（言い換えれば、遅延時間）をそれぞれ制御して、振動子３１から発生する球面超音波３２の位相の重ね合わせ位置を制御することにより、干渉波３４の角度及び集束を可変制御する。これにより、任意の集束目標点Ｐ（好ましくは配管母材の内周面）及び任意の傾斜角度θで干渉波３４を発信するようになっている。
【００３１】
このように構成された第１の変形例においても、上記一実施形態同様、欠陥の検出精度を高めることができる。
【００３２】
図８は、第２の変形例における超音波アレイセンサを配管の溶接部とともに表す配管断面図である。なお、この第２の変形例において、上記一実施形態と同等の部分は、適宜説明を省略する。
【００３３】
第２の変形例では、配管１の軸方向に配設された多数（図８では２０個以上）の振動子３０を有する超音波アレイセンサ３１Ａと、振動子３０からの球面超音波３２の発信及び位相をそれぞれ制御する振動子制御装置３３Ａ（振動子制御手段、図示せず）とを備えている。振動子制御装置３３Ａは、多数の振動子３０のうち互いに隣接する例えば８つの振動子３０を選択し、それら選択した振動子３１への電圧印加時間（言い換えれば、遅延時間）をそれぞれ制御して、振動子３１から発生する球面超音波３２の位相の重ね合わせ位置を制御することにより、干渉波３４の角度及び集束を可変制御する。これにより、任意の集束目標点（好ましくは配管母材の内周面）及び任意の傾斜角度で干渉波３４を発信するようになっている。
【００３４】
また、振動子制御装置３３Ａは、干渉波３４の入射位置を配管１の軸方向に移動させるため、電圧を印加する８つの振動子３０を適宜選択するようになっている（なお、振動子３１への電圧印加時間のパターン、言い換えれば遅延時間のパターンは一定とする）。なお、図示しない周方向移動制御機構によって、超音波アレイセンサ３１Ａは配管１の周方向に移動するようになっている。
【００３５】
このように構成された第２の変形例においても、上記一実施形態同様、欠陥の検出精度を高めることができる。また、第２の変形例では、振動子制御装置３３Ａは、電圧を印加する振動子３１を適宜選択することにより、干渉波３４の入射位置を移動させている。これにより、上記一実施形態のようにアーム１３、車輪１４、及び軸方向移動機構１５を備えさせて超音波探触子を機械的に移動させる場合と比べ、配管１の軸方向における走査速度を高めることができる。したがって、検査時間の短縮を図ることができる。
【００３６】
なお、以上においては、溶接部２及び配管母材３がオーステナイト系ステンレス鋼で形成された場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えばニッケル基合金等で形成されてもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の配管溶接部検査装置の一実施形態の全体構成を表す概略図である。
【図２】本発明の配管溶接部検査装置の一実施形態を構成する超音波斜角探触子を配管の溶接部とともに表す配管断面図である。
【図３】配管の溶接部における音速異方性を説明するための特性図である。
【図４】配管の溶接部における柱状晶組織を説明するための配管断面図である。
【図５】本発明の配管溶接部検査装置の一実施形態を構成する表示装置の制御処理内容を表すフローチャートである。
【図６】本発明の配管溶接部検査装置の一実施形態を構成する表示装置で処理された反射波の画像及び溶接部の境界線を一例として表す図である。
【図７】本発明の配管溶接部検査装置の第１の変形例を構成する超音波アレイセンサの構成を表す概略図である。
【図８】本発明の配管溶接部検査装置の第２の変形例を構成する超音波アレイセンサを配管の溶接部とともに表す配管断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 配管
２ 溶接部
３ 配管母材
４ ひび
６ 超音波斜角探触子
１１ 表示装置
１２ 設計データ記憶装置
１９ 探傷情報記憶部
２６ａ 反射波画像
２６ｂ 反射波画像
２６ｃ 反射波画像
２８ 境界線
３０ 振動子
３１ 超音波アレイセンサ
３１Ａ 超音波アレイセンサ
３２ 球面超音波
３３ 振動子制御装置
３３Ａ 振動子制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波検査により配管の溶接部を検査する配管溶接部検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば原子力プラントのＰＬＲ(Primary Loop Re-circulation System：一次冷却材再循環系）配管等における突合せ溶接部の供用中検査では、配管の外周側から溶接部（詳細には、溶接金属及び熱影響部）に欠陥が生じていないかどうかを検査する必要がある。従来、このような配管の溶接部の検査を行うための超音波探傷装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の超音波探傷装置は、配管の外周側に配置され、配管の内周側に向け傾斜した角度で超音波を発信するとともにその反射波を受信する超音波斜角探触子と、この超音波斜角探触子を配管の軸方向及び周方向に移動させるスキャナと、このスキャナを介して超音波斜角探触子の位置を制御するとともに超音波斜角探触子による超音波の発信を制御し、超音波斜角探触子の位置情報及び超音波斜角探触子で受信した反射波の波形情報を自動収録し、平面展開図及び板厚方向断面図上で反射波を画像表示する制御・収録・処理装置とを備えている。また、例えば欠陥に相当する反射波画像が表示されて欠陥が有りとなった場合、制御・収録・処理装置は、反射波の強度により欠陥の程度を区分けして表示するようになっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−４７１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。
すなわち、特許文献１には明確に記載されていないが、上記制御・収録・処理装置は、板厚方向断面における反射波画像と設計図（詳細には、溶接部の設計境界線等）とを重ね合わせて表示しており、作業者の目視判断により欠陥の有無の判定を行っている。ところが、通常、配管の外周面はグラインダ等で平滑処理されて溶接部と配管母材との境界が特定できないため溶接部の位置を正確に把握できない場合には、反射波画像と設計図との位置関係を正確に合わせることが困難であった。また、例えば配管母材及び溶接金属がオーステナイト系ステンレス鋼又はニッケル基合金等で形成された場合、溶接部の境界等で反射した反射波が得られる。そのため、板厚方向断面における溶接部の境界近傍に表示された反射波画像が、溶接部の境界に相当するものなのかそれとも欠陥に相当するものなのかを正確に判定することができなかった。したがって、欠陥の検出精度の点で改善の余地があった。
【０００６】
本発明の目的は、欠陥の検出精度を高めることができる配管溶接部検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、超音波検査により配管の溶接部を検査する配管溶接部検査装置において、前記配管の外周側に配置され、前記配管の内周側に向けて傾斜した角度で超音波を発信するとともにその反射波を受信する超音波探触子と、前記超音波探触子の位置情報及び前記超音波探触子で受信した反射波の波形情報を含む探傷情報を収録する探傷情報記憶手段と、前記探傷情報記憶手段で収録された探傷情報に基づき反射波を前記配管の板厚方向断面の反射位置に変換して画像表示する反射波画像表示手段と、前記反射波画像表示手段で表示され前記溶接部の境界に相当する複数の反射波画像の位置に基づき前記溶接部の境界線を演算して設定する境界線設定手段と、前記反射波画像表示手段で表示された複数の反射波画像のうち、前記境界線演算手段で設定された前記溶接部の境界線より配管母材側に位置しかつ前記溶接部の境界線より予め設定された閾値以上離れた位置のものを、欠陥に相当すると判定して識別表示させる欠陥判定手段とを備える。
【０００８】
本発明においては、境界線設定手段は、溶接部の境界に相当する反射波画像の位置に基づき溶接部の境界線を演算して設定するので、溶接部の境界線を正確に特定することができる。また、欠陥判定手段は、設定された溶接部の境界線を基準として欠陥に相当する反射波画像の有無を判定し、例えば欠陥に相当する反射波画像がある場合はそれを識別表示させる。したがって本発明においては、例えば作業者の目視判断により欠陥の有無を判定する場合と比べ、欠陥の検出精度を高めることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、欠陥の検出精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態による配管溶接部検査装置の全体構成を表す概略図である。また、図２は、超音波斜角探触子を配管の溶接部とともに表す配管断面図である。
【００１２】
これら図１及び図２において、配管溶接部検査装置は、配管１の溶接部２の検査（特に、配管母材３の内周面から発生するひび４の検出）を目的とするものであり、配管１の外周側に取り付けられたガイドレール５と、このガイドレール５を介し配管１の周方向に移動可能に設けられ、超音波斜角探触子６を備えた探触子移動装置７と、この探触子移動制御装置７を駆動制御して超音波斜角探触子６の位置を制御する探触子位置制御装置８と、超音波斜角探触子６による超音波の発信及びその反射波の受信を制御する超音波探傷制御装置９と、これら探触子位置制御装置８及び超音波探傷制御装置９を連携して制御するとともに、探傷情報（詳細には、超音波斜角探触子３の位置情報と超音波斜角探触子３で受信した反射波の波形情報を含む）を収録する中央制御装置１０と、この中央制御装置１０に収録された探傷情報に基づき、反射波を配管１の板厚方向断面の反射位置に変換して画像表示する表示装置１１と、配管１の溶接部２の設計境界線（配管母材３の開先線）を含む設計データを記憶する設計データ記憶装置１２とを備えている。
【００１３】
探触子移動装置７は、上記超音波斜角探触子６と、配管１の軸方向（図１及び図２中左右方向）に延在し超音波斜角探触子３を支持するアーム１３と、このアーム１３を配管１の軸方向に移動可能に支持する複数の車輪１４と、これら車輪１４を回転制御してアーム１３（言い換えれば、超音波斜角探触子６）を配管１の軸方向に移動させる軸方向移動制御機構１５と、ガイドレール５に噛み合う歯車１６と、この歯車１６を回転制御して装置本体（言い換えれば、超音波斜角探触子６）を配管１の周方向に移動させる周方向移動制御機構１７とを備えている。なお、ガイドレール５は、配管１の外周側に取り付け可能なように分割構造となっている。
【００１４】
超音波斜角探触子６は、配管１の内周側に向けて傾斜した角度で超音波を発信するとともに、配管１の溶接部２の境界（詳細には、溶接金属と配管母材３との境界、及び溶接金属の垂れ込みの内周面）で反射された反射波や、配管母材２の内周面から発生したひび４等の欠陥で反射された反射波を受信するようになっている（図２中点線矢印で超音波の経路を示す）。
【００１５】
超音波は音響インピーダンス（＝媒質密度×音速）の差がある部位で反射し、音響インピーダンスの差が大きいほど反射効率が高くなる。例えばオーステナイト系ステンレス鋼で形成された溶接部２及び配管母材３は、密度差がほとんどない。しかしながら、配管母材３では、結晶組織の向きがランダムであるから超音波の伝播方向に関係なく音速が一定であるのに対し、溶接部２では、結晶組織の向きが揃うことから音速の音響異方性を有する。そして、図３に示すように、溶接部２の柱状晶組織の方向に対する超音波の入射角度が０度、４５度、９０度である場合、溶接部２と配管母材３との間の音速比が大きくなり（特に、縦波に比べて横波の方が大きくなり）、溶接部２の境界における反射効率が高くなる。また、図４に示すように、溶接部２の柱状晶組織の生成方向は境界上で法線方向となることから、溶接部２の境界線に対する超音波の入射角を４５度にすると、反射効率が高くなる。また、溶接部２の境界線は、例えば配管１の板厚方向に対し０度〜２５度の範囲の傾き部分を有している。以上のことから、超音波斜角探触子６は、横波の超音波を発信するとともに、その屈折角θを４５度〜７０度の範囲で設定することが好ましい。
【００１６】
中央制御装置１０は、探触子位置制御装置８及び超音波探傷制御装置９にトリガ信号を出力するトリガ信号発生部１８と、探傷情報を収録する探傷情報記憶部１９とを備えている。
【００１７】
探触子位置制御装置８は、中央制御装置１０のトリガ信号発生部１８からのトリガ信号に対し予め設定された走査パターン（例えば配管１の周方向位置を変えて軸方向の走査を繰り返すような矩形走査パターン）に基づいて演算処理が行われ、生成した駆動制御信号（所定の移動量に相当する信号）を探触子移動装置７の軸方向移動制御機構１５及び周方向移動制御機構１７に出力する走査制御回路２０と、この走査制御回路２０の制御情報に基づき超音波斜角探触子６の移動方向及び移動量を演算して超音波斜角探触子６の位置を演算する移動量演算回路２１と、この移動量演算回路２１で演算された超音波斜角探触子６の位置情報をアナログ信号からデジタル信号に変換して、中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９に出力するＡ／Ｄ変換回路２２とを備えている。
【００１８】
超音波探傷制御装置９は、中央制御装置１０のトリガ信号発生部１８からのトリガ信号に応じて超音波斜角探触子６に超音波の発信指令を送信する送信回路２３と、超音波斜角探触子６で受信した反射波を受信する受信回路２４と、この受信回路２４で受信した反射波の波形情報をアナログ信号からデジタル信号に変換して、中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９に出力するＡ／Ｄ変換回路２５とを備えている。
【００１９】
中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９は、探触子位置制御装置８からの超音波斜角探触子６の位置情報及び超音波探傷制御装置９からの反射波の波形情報が入力されると、これらを探傷情報として収録し、トリガ信号発生部１８にトリガ信号の発信指令を出力する。そして、トリガ信号発生部１８は、トリガ信号の発信指令に応じてトリガ信号を出力し、探触子移動装置８及び超音波探傷制御装置を連携して制御する。このようにして、超音波斜角探触子６を配管１上で走査させながら探傷情報を自動収録するようになっている。
【００２０】
ここで本実施形態の大きな特徴として、中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９には、配管１の溶接部２の境界で反射した反射波に関する探傷情報が収録されている。そして、表示装置１１は、中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９に収録された複数の探傷情報に基づき反射波を配管１の板厚方向断面の反射位置に変換して画像表示するとともに、それら配管１の溶接部２の境界に相当する複数の反射波画像の位置に基づき溶接部２の境界線を演算して設定し、この溶接部２の境界線を重ね合わせて表示する。また、溶接部２の境界線を基準として欠陥に相当する反射波画像の有無を判定し、例えば欠陥に相当する反射画像がある場合はそれを識別表示させるようになっている。このような表示装置１１の制御手順を図５により説明する。
【００２１】
図５は、表示装置１１の制御処理内容を表すフローチャートである。
【００２２】
この図５において、まず、ステップ１００において、表示装置１１は、中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９に収録された複数の探傷情報を読み込み、電気ノイズを除去するために振幅が予め設定された閾値以上の反射波を抽出する。その後、ステップ１１０に進んで、抽出した反射波を配管１の板厚方向断面の位置に変換して画像（詳細には、反射波の振幅を等高線で表した画像）として表示させる。詳細には、図６に示すように、配管１の軸方向における超音波斜角探触子６の位置をＸ軸とし、超音波のビーム路程（詳細には、超音波が反射されて戻るまでの片道の伝播時間を距離で表したもの）をＹ軸とし、このＹ軸を超音波の屈折角θの分だけ傾斜させた斜交座標系を用いて、反射波を配管１の板厚方向断面の位置に変換する。なお、本実施形態では、作業者が配管１の外周面に溶接部２の仮想中心線２７（前述の図１及び図２参照）をペン等で付しており、この仮想中心線２７に超音波斜角探触子６の初期位置を合わせることで、仮想中心線２７の位置（基準位置）を座標原点Ｏとしている。そして、例えば図６に示すように、溶接金属と配管母材３との境界に相当する複数の反射波画像２６ａと、溶接金属の垂れ込みの内周面に相当する反射波画像２６ｂと、配管母材３の内周面から発生したひび４の角部に相当する反射波画像２６ｃとが表示される。
【００２３】
そして、ステップ１２０に進み、表示装置１１は、設計データ記憶装置１２に記憶された溶接部２の設計境界線を読み込み（設計図から抽出処理してもよい）、上述した反射波画像２６ａ，２６ｂ，２６ｃの位置との相関性により設計境界線の位置を演算する。具体例としては、溶接部２の境界に相当するものとして互いの位置間隔が閾値以下となる反射波画像２６ａを抽出し、これらの反射波画像２６ａの位置を直線近似し、設計境界線をＸ軸方向に移動させて最も相関性が高くなる位置を演算する。相関性を求める方法としては、最尤法や最小二乗法等がある。このようにして溶接部２の境界線２８を設定し、上述した反射画像２６ａ〜２６ｃに重ね合わせて表示する（図６参照）。
【００２４】
そして、ステップ１３０に進み、例えば溶接部２の境界線２８より配管母材側（図６中右側）に位置し配管母材の内周面を含むように予め設定された検査範囲２９（例えば境界線２８の中心位置２８ａから配管１の軸方向に１０ｍｍ移動した範囲）において、境界線２８より予め設定された閾値以上離れた反射波画像の有無を判定する。そして、例えば図６に示すように、検査範囲２９において境界線２８より予め設定された閾値以上離れた反射画像２６ｃがある場合は、ステップ１３０の判定が満たされてステップ１４０に進み、反射画像２６ｃを色等で識別表示させる。
【００２５】
なお、上記において、中央制御装置１０の探傷情報記憶部１９は、特許請求の範囲記載の超音波探触子の位置情報及び超音波探触子で受信した反射波の波形情報を含む探傷情報を収録する探傷情報記憶手段を構成する。表示装置１１が行うステップ１１０は、探傷情報記憶手段で収録された探傷情報に基づき反射波を配管の板厚方向断面の反射位置に変換して画像表示する反射波画像表示手段を構成する。また、表示装置１１が行うステップ１２０は、反射波画像表示手段で表示され溶接部の境界に相当する複数の反射波画像の位置に基づき溶接部の境界線を演算して設定する境界線設定手段を構成する。また、表示装置１１が行うステップ１３０及び１４０は、反射波画像表示手段で表示された複数の反射波画像のうち、境界線演算手段で設定された溶接部の境界線より配管母材側に位置しかつ溶接部の境界線より予め設定された閾値以上離れた位置のものを、欠陥に相当すると判定して識別表示させる欠陥判定手段を構成する。また、超音波斜角探触子６、探触子移動装置７、及び探触子位置制御装置８は、配管１の外周面に付した基準位置を入力可能な入力手段を構成する。
【００２６】
以上のように構成された本実施形態においては、表示装置１１は、配管１の溶接部２の境界に相当する反射波画像２６ａ等に基づき溶接部２の境界線を演算して設定するので、溶接部２の境界線を正確に特定することができる。また、設定された溶接部２の境界線を基準として欠陥に相当する反射波画像の有無を判定し、例えば欠陥に相当する反射波画像２６ｃがある場合はそれを識別表示させる。したがって、例えば作業者の目視判断により欠陥の有無を判定する場合と比べ、欠陥の検出精度を高めることができる。
【００２７】
なお、上記一実施形態においては、表示装置１１は、境界線設定機能として、複数の反射波画像２６ａ等の位置との相関性により溶接部２の設計境界線の位置を演算して設定する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば、溶接部２の境界に相当するものとして互いの位置間隔が閾値以下となる反射波画像２６ａを抽出し、これらの反射波画像２６ａの位置に基づき回帰線（溶接部２の境界線）を演算して設定してもよい。このような場合も、上記同様の効果を得ることができる。
【００２８】
また、上記一実施形態においては、配管１の内周側に向けて傾斜した角度で超音波を発信するとともにその反射波を受信する超音波探触子として、超音波斜角探触子３を備えた場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、超音波斜角探触子３に代えて、例えば超音波アレイセンサを設けてもよい。このような変形例を以下説明する。
【００２９】
図７は、第１の変形例における超音波アレイセンサの構成を表す概略図である。なお、この第１の変形例において、上記一実施形態と同等の部分は、適宜説明及び図示を省略する。
【００３０】
第１の変形例では、探触子移動装置７のアーム１３には、配管１の軸方向に配設された複数（図７では８個）の振動子３０を有する超音波アレイセンサ３１が設けられている。また、複数の振動子３１からの球面超音波３２の発信及び位相をそれぞれ制御する振動子制御装置３３（振動子制御手段）が備えられている。振動子制御装置３３は、複数の振動子３１への電圧印加時間（言い換えれば、遅延時間）をそれぞれ制御して、振動子３１から発生する球面超音波３２の位相の重ね合わせ位置を制御することにより、干渉波３４の角度及び集束を可変制御する。これにより、任意の集束目標点Ｐ（好ましくは配管母材の内周面）及び任意の傾斜角度θで干渉波３４を発信するようになっている。
【００３１】
このように構成された第１の変形例においても、上記一実施形態同様、欠陥の検出精度を高めることができる。
【００３２】
図８は、第２の変形例における超音波アレイセンサを配管の溶接部とともに表す配管断面図である。なお、この第２の変形例において、上記一実施形態と同等の部分は、適宜説明を省略する。
【００３３】
第２の変形例では、配管１の軸方向に配設された多数（図８では２０個以上）の振動子３０を有する超音波アレイセンサ３１Ａと、振動子３０からの球面超音波３２の発信及び位相をそれぞれ制御する振動子制御装置３３Ａ（振動子制御手段、図示せず）とを備えている。振動子制御装置３３Ａは、多数の振動子３０のうち互いに隣接する例えば８つの振動子３０を選択し、それら選択した振動子３１への電圧印加時間（言い換えれば、遅延時間）をそれぞれ制御して、振動子３１から発生する球面超音波３２の位相の重ね合わせ位置を制御することにより、干渉波３４の角度及び集束を可変制御する。これにより、任意の集束目標点（好ましくは配管母材の内周面）及び任意の傾斜角度で干渉波３４を発信するようになっている。
【００３４】
また、振動子制御装置３３Ａは、干渉波３４の入射位置を配管１の軸方向に移動させるため、電圧を印加する８つの振動子３０を適宜選択するようになっている（なお、振動子３１への電圧印加時間のパターン、言い換えれば遅延時間のパターンは一定とする）。なお、図示しない周方向移動制御機構によって、超音波アレイセンサ３１Ａは配管１の周方向に移動するようになっている。
【００３５】
このように構成された第２の変形例においても、上記一実施形態同様、欠陥の検出精度を高めることができる。また、第２の変形例では、振動子制御装置３３Ａは、電圧を印加する振動子３１を適宜選択することにより、干渉波３４の入射位置を移動させている。これにより、上記一実施形態のようにアーム１３、車輪１４、及び軸方向移動機構１５を備えさせて超音波探触子を機械的に移動させる場合と比べ、配管１の軸方向における走査速度を高めることができる。したがって、検査時間の短縮を図ることができる。
【００３６】
なお、以上においては、溶接部２及び配管母材３がオーステナイト系ステンレス鋼で形成された場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えばニッケル基合金等で形成されてもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の配管溶接部検査装置の一実施形態の全体構成を表す概略図である。
【図２】本発明の配管溶接部検査装置の一実施形態を構成する超音波斜角探触子を配管の溶接部とともに表す配管断面図である。
【図３】配管の溶接部における音速異方性を説明するための特性図である。
【図４】配管の溶接部における柱状晶組織を説明するための配管断面図である。
【図５】本発明の配管溶接部検査装置の一実施形態を構成する表示装置の制御処理内容を表すフローチャートである。
【図６】本発明の配管溶接部検査装置の一実施形態を構成する表示装置で処理された反射波の画像及び溶接部の境界線を一例として表す図である。
【図７】本発明の配管溶接部検査装置の第１の変形例を構成する超音波アレイセンサの構成を表す概略図である。
【図８】本発明の配管溶接部検査装置の第２の変形例を構成する超音波アレイセンサを配管の溶接部とともに表す配管断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 配管
２ 溶接部
３ 配管母材
４ ひび
６ 超音波斜角探触子
１１ 表示装置
１２ 設計データ記憶装置
１９ 探傷情報記憶部
２６ａ 反射波画像
２６ｂ 反射波画像
２６ｃ 反射波画像
２８ 境界線
３０ 振動子
３１ 超音波アレイセンサ
３１Ａ 超音波アレイセンサ
３２ 球面超音波
３３ 振動子制御装置
３３Ａ 振動子制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波検査により配管の溶接部を検査する配管溶接部検査装置において、
前記配管の外周側に配置され、前記配管の内周側に向けて傾斜した角度で超音波を発信するとともにその反射波を受信する超音波探触子と、
前記超音波探触子の位置情報及び前記超音波探触子で受信した反射波の波形情報を含む探傷情報を収録する探傷情報記憶手段と、
前記探傷情報記憶手段で収録された探傷情報に基づき反射波を前記配管の板厚方向断面の反射位置に変換して画像表示する反射波画像表示手段と、
前記反射波画像表示手段で表示され前記溶接部の境界に相当する複数の反射波画像の位置に基づき前記溶接部の境界線を演算して設定する境界線設定手段と、
前記反射波画像表示手段で表示された複数の反射波画像のうち、前記境界線演算手段で設定された前記溶接部の境界線より配管母材側に位置しかつ前記溶接部の境界線より予め設定された閾値以上離れた位置のものを、欠陥に相当すると判定して識別表示させる欠陥判定手段とを備えたことを特徴とする配管溶接部検査装置。
【請求項２】
請求項１記載の配管溶接部検査装置において、前記溶接部の設計境界線を記憶する設計境界線記憶手段をさらに備え、前記境界線設定手段は、前記反射波画像表示手段で表示された複数の反射波画像の位置との相関性により前記溶接部の設計境界線の位置を演算して設定することを特徴とする配管溶接部検査装置。
【請求項３】
請求項１記載の配管溶接部検査装置において、前記配管の外周面に付した基準位置を入力可能な入力手段を有し、前記反射波画像表示手段は、前記入力手段で入力された基準位置を座標原点として反射波画像を表示することを特徴とする配管溶接部検査装置。
【請求項４】
請求項１記載の配管溶接部検査装置において、前記超音波探触子は、前記配管の軸方向に配設された複数の振動子を有する超音波アレイセンサであり、前記複数の振動子からの球面超音波の発信及び位相をそれぞれ制御する振動子制御手段を備えたことを特徴とする配管溶接部検査装置。
【請求項５】
請求項１記載の配管溶接部検査装置において、前記配管母材及び溶接金属は、オーステナイト系ステンレス鋼又はニッケル基合金で形成されたことを特徴とする配管溶接部検査装置。
【請求項１】
超音波検査により配管の溶接部を検査する配管溶接部検査装置において、
前記配管の外周側に配置され、前記配管の内周側に向けて傾斜した角度で超音波を発信するとともにその反射波を受信する超音波探触子と、
前記超音波探触子の位置情報及び前記超音波探触子で受信した反射波の波形情報を含む探傷情報を収録する探傷情報記憶手段と、
前記探傷情報記憶手段で収録された探傷情報に基づき反射波を前記配管の板厚方向断面の反射位置に変換して画像表示する反射波画像表示手段と、
前記反射波画像表示手段で表示され前記溶接部の境界に相当する複数の反射波画像の位置に基づき前記溶接部の境界線を演算して設定する境界線設定手段と、
前記反射波画像表示手段で表示された複数の反射波画像のうち、前記境界線演算手段で設定された前記溶接部の境界線より配管母材側に位置しかつ前記溶接部の境界線より予め設定された閾値以上離れた位置のものを、欠陥に相当すると判定して識別表示させる欠陥判定手段とを備えたことを特徴とする配管溶接部検査装置。
【請求項２】
請求項１記載の配管溶接部検査装置において、前記溶接部の設計境界線を記憶する設計境界線記憶手段をさらに備え、前記境界線設定手段は、前記反射波画像表示手段で表示された複数の反射波画像の位置との相関性により前記溶接部の設計境界線の位置を演算して設定することを特徴とする配管溶接部検査装置。
【請求項３】
請求項１記載の配管溶接部検査装置において、前記配管の外周面に付した基準位置を入力可能な入力手段を有し、前記反射波画像表示手段は、前記入力手段で入力された基準位置を座標原点として反射波画像を表示することを特徴とする配管溶接部検査装置。
【請求項４】
請求項１記載の配管溶接部検査装置において、前記超音波探触子は、前記配管の軸方向に配設された複数の振動子を有する超音波アレイセンサであり、前記複数の振動子からの球面超音波の発信及び位相をそれぞれ制御する振動子制御手段を備えたことを特徴とする配管溶接部検査装置。
【請求項５】
請求項１記載の配管溶接部検査装置において、前記配管母材及び溶接金属は、オーステナイト系ステンレス鋼又はニッケル基合金で形成されたことを特徴とする配管溶接部検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−６９０７７（Ｐ２００９−６９０７７Ａ）
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２４００４５（Ｐ２００７−２４００４５）
【出願日】平成１９年９月１４日（２００７．９．１４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１４日（２００７．９．１４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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