BRPI0615382A2 - sonda ultra-sÈnica, equipamento de teste ultra-sÈnico, método de teste ultra-sÈnico, e método de fabricação de cano ou tubo sem costura - Google Patents

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Abstract

SONDA ULTRA-SÈNíCA, EQUIPAMENTO DE TESTE ULTRA-SÈNICO, MéTODO DE TESTE ULTRA-SONICO, E MéTODO DE FABRICAçãO DE CANO OU TUBO SEM COSTURA. A presente invenção refere-se a um método de teste ultra-sónico de acordo com a invenção, que inclui as etapas de dispor uma sonda ultra- sónica 1 possuindo vários transdutores 11 de modo a ficar voltada para um objeto de teste tubular P, e causando que os transdutores apropriadamente selecionados a partir dos vários transdutores transmitam e recebam ondas ultra-sónicas de modo que as ondas ultra-sónícas sejam propagadas no objeto de teste tubular em várias diferentes direções de propagação, onde uma condição de teste ultra-sónico pela sonda ultra-sónica é estabelecida de modo que os respectivos ângulos externos de refração Or das ondas ultra- sónicas nas várias direções de propagação fiquem aproximadamente equivalentes e/ou os respectivos ângulos internos de refração 0k das ondas ultra-sónicas nas várias direções de propagação fiquem aproximadamente equivalentes.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SONDA UL-TRA-SÔNICA, EQUIPAMENTO DE TESTE ULTRA-SÔNICO, MÉTODO DETESTE ULTRA-SÔNICO, E MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE CANO OUTUBO SEM COSTURA".
CAMPO TÉCNICO
A presente invenção refere-se com uma sonda ultra-sônica, comum equipamento de teste ultra-sônico e com um método de teste ultra-sônico para detectar uma falha existente em um objeto de teste tubular talcomo um cano ou tubo de aço utilizando uma onda ultra-sônica, e com ummétodo de fabricação de um cano ou tubo sem costura utilizando o método,e em particular, com uma sonsa ultra-sônica, com um equipamento de testeultra-sônico e com um método de teste ultra-sônico capaz de rapidamentedetectar falhas possuindo vários ângulos de inclinação com respeito a umadireção axial de um objeto de teste tubular com alta precisão, e com um mé-todo de fabricação de um cano ou tubo sem costura utilizando o método.
TÉCNICA ANTERIOR
À medida que a demanda por canos ou tubos com qualidadesuperior cresceu nos últimos anos, existe uma crescente tendência de quepadrões de teste não destrutivos para canos ou tubos (daqui para frente re-feridos como "canos" quando julgado apropriado) estão se tornando maisrigorosos.
Por exemplo, um cano sem costura, o qual é um cano típico, éfabricado pela perfuração de um lingote com um instrumento perfurante paraformar um casco oco e pela laminação do casco oco com um Iaminador demandril ou coisa parecida. O cano sem costura possui falhas possuindo vá-rios ângulos de inclinação (daqui para frente referidas como "falhas inclina-das" quando julgado apropriado) com respeito à direção axial.
Uma falha inclinada é acreditada como sendo causada pela de-formação na direção axial de uma rachadura longitudinal originalmente exis-tente no lingote no processo de fabricação acima ou pela transferência deuma falha existente em uma face de orientação de uma sapata de guia paramanter um centro de trajeto do casco oco. Portanto, o ângulo de inclinaçãoda falha inclinada com respeito à direção axial do cano sem costura se alteradependendo de uma diferença no diâmetro de um cano do cano sem costuraou de uma causa para a ocorrência da mesma. Ou seja, existem falhas incli-nadas com vários ângulos de inclinação no cano sem costura.
Desde que existe uma tendência de condições mais apertadasde serviço dos canas sem costura de ano para ano, alta qualidade é deman-dada e detecção precisa das falhas inclinadas acima também é severamentedemandada.
Convencionalmente, vários métodos para detectar as falhas in-clinadas existentes nos canos sem costura têm sido propostas.
Na Publicação de Patente Japonesa Exposta 55-116251 (daquipara frente referida como "Literatura de Patente 1"), por exemplo, é propostoum método para detectar uma falha inclinada pela disposição de uma sondaultra-sônica em uma posição e ângulo de inclinação apropriado dependendoda posição e do ângulo de inclinação da falha inclinada a ser detectada.
Entretanto, o método descrito na Literatura de Patente 1 possuium problema pelo fato de que muito tempo e recurso humano são necessá-rios devido ao ângulo de inclinação da sonda ultra-sônica dever ser alteradocada vez de acordo com o ângulo de inclinação da falha inclinada a ser de-tectada. Além disso, para detectar as falhas inclinadas com vários ângulosde inclinação existindo no cano sem costura em um ciclo de trabalho de de-tecção de falha, como descrito acima, várias sondas ultra-sônicas devem serproporcionadas, cada uma das quais é disposta com um ângulo de inclina-ção diferente. Ou seja, existem problemas pelo fato de que equipamentogrande é requerido e os custos elevados são acarretados, em adição às dis-posições/configurações complicadas e à calibragem das sondas ultra-sônicas.
Para resolver estes problemas do método descrito na Literaturade Patente 1 acima, um método de detecção de falha que aplique uma son-da ultra-sônica de série em fase na qual vários transdutores (elementos paratransmitir/receber ondas ultra-sônicas) são dispostos em uma única fileira, éproposto na Publicação de Patente Japonesa Exposta 61-223553 (daqui pa-ra frente referida como "Literatura de Patente 2"). Mais especificamente, on-das ultra-sônicas de cisalhamento são propagadas dentro do cano pelo ali-nhamento de uma direção de disposição dos transdutores com a direçãoaxial do cano e pela disposição da sonda ultra-sônica descentralizada a par-tir de um centro axial do cano. Então, de acordo com este método, as falhasinclinadas com vários ângulos de inclinação são detectadas pela alteraçãodo ângulo de inclinação (ângulo de inclinação com respeito à direção axialdo cano) das ondas ultra-sônicas transmitidas e recebidas pela sonda ultra-sônica utilizando a varredura eletrônica que eletricamente controla o fusohorário de transmissão/recepção da onda ultra-sônica por cada transdutor.
Entretanto, dois problemas principais (primeiro problema e se-gundo problema) apresentados abaixo existem no método descrito na Litera-tura de Patente 2.
Primeiro Problema
A Figura 1 apresenta um diagrama ilustrando um exemplo deuma relação entre o ângulo de inclinação (ângulo formado por uma direçãode extensão da falha inclinada e a direção axial do cano) das falhas inclina-das e a intensidade do eco de acordo com um método de teste ultra-sônicoaplicando uma sonda ultra-sônica de série em fase, verificada por um expe-rimento conduzido pelos inventores da presente invenção. Mais concreta-mente, a Figura 1 apresenta a intensidade de eco (intensidade relativaquando a intensidade de eco de uma falha inclinada com o ângulo de incli-nação de 0o é definida como sendo 0 dB) de cada falha inclinada quando,em um estado onde uma sonda ultra-sônica de série em fase equivalente aesta descrita na Literatura de Patente 2 é disposta com uma excentricidadeconstante a partir do centro axial do cano, o ângulo de inclinação da ondaultra-sônica é alterado pela varredura eletrônica de acordo com o ângulo deinclinação de cada falha inclinada de modo que a direção de extensão dafalha inclinada e uma direção de propagação (direção de propagação vista apartir de uma direção normal de um plano tangencial do cano incluindo umponto incidente da onda ultra-sônica) da onda ultra-sônica transmitida pelasonda ultra-sônica são ortogonais uma à outra. Os inventores da presenteinvenção verificaram um problema em que, como apresentado na Figura 1, aintensidade do eco é diferente dependendo do ângulo de inclinação da falhainclinada mesmo se a falha inclinada for do mesmo tamanho (0,5 mm emprofundidade e 25 mm em comprimento).
Como descrito acima, os inventores da presente invenção verifi-caram que o método descrito na Literatura de Patente 2t em o problema deque a intensidade do eco é diferente dependendo do ângulo de inclinação dafalha inclinada e existe uma possibilidade de que este problema possa im-pedir a detecção de uma falha prejudicial ou leve a uma detecção excessivade falhas mínimas que não precisam ser detectadas.Segundo Problema
Se a varredura eletrônica para eletricamente controlar o fusohorário de transmissão/recepção da onda ultra-sônica por cada transdutor deuma sonda ultra-sônica de série em fase descrita na Literatura de Patente 2for utilizada para alterar o ângulo de inclinação da onda ultra-sônica transmi-tida e recebida pela sonda ultra-sônicà, a varredura eletrônica deve ser repe-tida quantas vezes for requerido dependendo do ângulo de inclinação dafalha inclinada a ser detectada em uma área específica do cano. Ou seja,por exemplo, para detectar três falhas inclinadas com diferentes ângulos deinclinação, a varredura eletrônica deve ser repetida três vezes na área espe-cífica do cano, e a eficiência do teste ultra-sônico é reduzida a 1/3 quandocomparada com a detecção de falhas com um ângulo de inclinação unidire-cional.
Mais concretamente, um ciclo do teste ultra-sônico na área es-pecífica do cano, apesar de dependente, em adição a um diâmetro externo eà espessura do cano, da distância entre a sonda ultra-sônica e o cano e as-sim por diante, leva aproximadamente 50 até 100 |oseg. Ou seja, o númeromáximo de vezes do teste ultra-sônico por unidade de tempo (velocidade doteste ultra-sônico) na área específica do cano é 10.000 até 20.000 vezes porsegundo. Portanto, uma velocidade de alteração (freqüência de alteração)do ângulo de inclinação da onda ultra-sônica pela varredura eletrônica tam-bém é compelida a ser cerca de 10.000 até 20.000 vezes por segundo oumenos, e mesmo se a própria varredura eletrônica for muito mais rápida doque a varredura mecânica, a eficiência do teste ultra-sônico irá diminuir àmedida que o número de ângulos de inclinação das falhas inclinadas a se-rem detectadas aumentar.
Como descrito acima, o método descrito na Literatura de Patente2 tem o problema de que a eficiência do teste ultra-sônico diminui à medidaque o número de ângulos de inclinação das falhas inclinadas a serem detec-tadas aumenta.
Na Publicação de Patente Japonesa Exposta 59-163563 (daquipara frente referida como "Literatura de Patente 3"), por outro lado, um mé-todo para causar que a onda ultra-sônica entre em qualquer direção utilizan-do um grupo de transdutores dispostos em um estado de matriz de modo adetectar as falhas inclinadas com os vários ângulos de inclinação, é propos-to. Mais concretamente, uma direção incidente da onda ultra-sônica é arbi-trariamente alterada pela seleção de um número apropriado de transdutoresarbitrários a partir do grupo de transdutores e pela execução da varreduraeletrônica para eletricamente controlar o fuso horário de transmis-são/recepção (tempo de acionamento) nos mesmos. Então, é revelado quepadrões para alterar a direção incidente da onda ultra-sônica são armazena-dos antecipadamente como um programa.
Entretanto, o primeiro problema em que a intensidade do eco sealtera de acordo com o ângulo de inclinação de cada falha inclinada, comodescrito acima, não é mencionado e adicionalmente, de modo a resolver oproblema, nada é descrito a cerca de qual padrão de alteração deve ser Litili-zado para alterar as direções incidentes da onda ultra-sônica na Literaturade Patente 3. Em adição, existe um problema similar ao segundo problemado método descrito na Literatura de Patente 2, ou seja, existe o problema deque a eficiência do teste ultra-sônico diminui devido à varredura eletrônicater de ser repetida tantas vezes quanto o número de ângulos de inclinaçãodas falhas inclinadas a serem detectadas.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
Os problemas das tecnologias convencionais descritas acimanão estão limitados a um caso onde um objeto de teste é um cano sem cos-tura, mas são comuns ao teste ultra-sônico de todos os objetos de teste tu-bulares nos quais falhas inclinadas podem ocorrer, incluindo um cano solda-do tal como um cano em espiral e um eixo oco.
A presente invenção foi desenvolvida para resolver tais proble-mas das tecnologias convencionais, e é um objetivo da presente invençãoproporcionar uma sonda ultra-sônica, um equipamento de teste ultra-sônicoe um método de teste ultra-sônico capaz de rapidamente detectar falhaspossuindo vários ângulos de inclinação com respeito a uma direção axial deum objeto de teste tubular com alta precisão, e com um método de fabrica-ção de um cano sem costura utilizando a sonda, o aparelho e o método.
Para resolver os problemas descritos acima, os inventores dapresente invenção estudaram o que é descrito abaixo rigorosamente.
A Figura 2 apresenta diagramas ilustrando relações entre umângulo de inclinação de uma falha inclinada e um ângulo de incidência deuma onda ultra-sônica com a falha inclinada em um método de teste ultra-sônico aplicando uma sonda ultra-sônica de série em fase, como visto pelosinventores da presente invenção, baseado em cálculo numérico. Mais con-cretamente, a Figura 2 apresenta o ângulo de incidência da onda ultra-sônica com cada falha inclinada em um caso onde uma excentricidadequando a sonda ultra-sônica de série em fase equivalente a esta descrita naLiteratura de Patente 2 é disposta pela descentralização a partir de um cen-tro axial de um cano (proporção de espessura para diâmetro externo = 11%)é apropriadamente estabelecida (ângulo de incidência circunferencial ai como cano determinado de acordo com a excentricidade é estabelecido para10°, 16°, e 19°), e o ângulo de inclinação da onda ultra-sônica é alterado pe-la varredura eletrônica de acordo com o ângulo de inclinação de cada falhainclinada, de modo que uma direção de extensão da falha inclinada e umadireção de propagação da onda ultra-sônica transmitida pela sonda ultra-sônica, são ortogonais uma a outra. A Figura 2 (a) apresenta um ângulo deincidência (ângulo interno de refração) Gk com uma falha de superfície inter-na existindo em uma superfície interna de um cano, e a Figura 2 (b) apre-senta um ângulo de incidência (ângulo externo de retração) Gr com uma fa-lha de superfície externa existindo em uma superfície externa do cano. Co-mo apresentado na Figura 2, os inventores da presente invenção verificaramque, tanto para a falha de superfície interna como de superfície externa, oângulo de inclinação da onda ultra-sônica se altera de acordo com o ângulode inclinação da falha inclinada. Os inventores da presente invenção tam-bém verificaram que a intensidade do eco é diferente dependendo do ângulode inclinação de cada falha inclinada, como descrito acima (vide a Figura 1),porque mesmo se o ângulo de inclinação da onda ultra-sônica for alteradopela varredura eletrônica de acordo com o ângulo de inclinação de cada fa-lha inclinada, de modo que a direção de extensão da falha inclinada e a dire-ção de propagação da onda ultra-sônica transmitida pela sonda ultra-sônicasejam ortogonais uma a outra, como apresentado na Figura 2, o ângulo ex-terno de retração e o ângulo interno de retração se alteram de acordo com oângulo de inclinação de cada falha inclinada (de acordo com a direção depropagação da onda ultra-sônica).
Com as descobertas acima, os inventores da presente invençãoplanejaram que:
(1) por estabelecer uma condição de teste ultra-sônico de modoque o ângulo externo de retração (ou o ângulo interno de refração) se torneaproximadamente equivalente independente da direção de propagação daonda ultra-sônica, torna-se possível obter intensidade de eco aproximada-mente equivalente das falhas de superfície externa (ou das falhas de super-fície interna) independente da direção de propagação da onda ultra-sônica, edetectar falhas com vários ângulos de inclinação com alta precisão, e
(2) por adotar uma configuração na qual as ondas ultra-sônicaspodem aproximadamente, simultaneamente, serem transmitidas e recebidasa partir de um objeto de teste tubular em várias diferentes direções de pro-pagação, o problema da eficiência reduzida do teste ultra-sônico pode serresolvido, e
como resultado, as falhas, com os vários ângulos de inclinação, podem serrapidamente detectadas com alta precisão.A presente invenção foi concretizada com as várias descobertasdos inventores descritas acima. Ou seja, como descrito na reivindicação 1, apresente invenção proporciona um método de teste ultra-sônico incluindo asetapas de: dispor uma sonda ultra-sônica possuindo vários transdutores demodo a ficar voltada para um objeto de teste tubular, e causar que transduto-res apropriadamente selecionados a partir dos vários transdutores transmi-tam e recebam ondas ultra-sônicas de modo que as ondas ultra-sônicas se-jam propagadas no objeto de teste tubular em várias diferentes direções depropagação, onde uma condição de teste ultra-sônico pela sonda ultra-sônica é estabelecida de modo que os respectivos ângulos de retração ex-terna Gr da onda ultra-sônica nas várias direções de propagação sejam a-proximadamente equivalentes e/ou que os respectivos ângulos de retraçãointerna 6k da onda ultra-sônica nas várias direções de propagação sejamaproximadamente equivalentes.
De acordo com a invenção, se a condição de teste ultra-sônicopela sonda ultra-sônica for estabelecida de modo que os respectivos ângulosde retração externa 9r da onda ultra-sônica nas várias direções de propaga-ção sejam aproximadamente equivalentes, a intensidade de eco aproxima-damente equivalente da falha de superfície externa pode ser obtida inde-pendente das várias direções de propagação. Além disso, se a condição deteste ultra-sônico pela sonda ultra-sônica for estabelecida de modo que osrespectivos ângulos de refração interna 9k da sonda ultra-sônica nas váriasdireções de propagação sejam aproximadamente equivalentes, a intensida-de de eco aproximadamente equivalente da falha de superfície interna podeser obtida independente das várias direções de propagação. Adicionalmente,se a condição de teste ultra-sônico pela sonda ultra-sônica for estabelecidade modo que tanto os ângulos de refração externa Θγ como os respectivosângulos de refração interna 0k da onda ultra-sônica nas várias direções depropagação sejam aproximadamente equivalentes, a intensidade de eco a-proximadamente equivalente da falha de superfície externa e da falha desuperfície interna pode ser obtida independente das várias direções de pro-pagação. Portanto, as várias falhas (falhas de superfície externa e/ou falhasde superfície interna) respectivamente se estendendo nas direções ortogo-nais às várias direções de propagação, podem ser detectadas com alta pre-cisão.
Além disso, por aproximadamente, simultaneamente, transmitir aonda ultra-sônica para o objeto de teste tubular e por receber a mesma, apartir do objeto de teste tubular nas várias diferentes direções de propaga-ção, as várias falhas respectivamente se estendendo nas direções ortogo-nais às direções de propagação, podem ser rapidamente detectadas.
De acordo com o método do equipamento de teste ultra-sônicoda presente invenção, como descrito acima, as falhas com vários ângulos deinclinação com respeito à direção axial do objeto de teste tubular, podem serrapidamente detectadas com alta precisão. A "direção de propagação daonda ultra-sônica" na presente invenção significa a direção de propagaçãoda onda ultra-sônica vista a partir da direção normal a um plano tangencialdo objeto de teste tubular, incluindo um ponto incidente da onda ultra-sônica.O "ângulo externo de refração" significa o ângulo 0r formado, em um planode propagação da onda ultra-sônica do objeto de teste tubular P, por umanormal L1 do objeto de teste tubular Pea onda ultra-sônica U (linha centralde um feixe de onda ultra-sônica) em um ponto B da superfície externa doobjeto de teste tubular P alcançado pela onda ultra-sônica U (linha central dofeixe de onda ultra-sônica) após entrar no objeto de teste tubular P (vide aFigura 4 (d)). O "ângulo interno de refração" significa o ângulo 9k formado,no plano de propagação da onda ultra-sônica do objeto de teste tubular P,por uma normal L2 do objeto de teste tubular Pea onda ultra-sônica U (linhacentral do feixe de onda ultra-sônica) em um ponto A na superfície interna doobjeto de teste tubular P alcançado pela onda ultra-sônica U (linha central dofeixe de onda ultra-sônico) após entrar no objeto de teste tubular P (vide aFigura 4 (d)). Adicionalmente, "respectivos ângulos externos (ou internos) derefração da onda ultra-sônica nas várias direções de propagação são apro-ximadamente equivalentes" significa que os ângulos externos (ou internos)de refração possuem uma faixa de variação de até 10°.
Como um método concreto para tornar os respectivos ângulosexternos de retração Θr da onda ultra-sônica nas várias direções de propa-gação aproximadamente equivalentes e/ou os respectivos ângulos internosde retração Gk da onda ultra-sônica nas várias direções de propagação a-proximadamente equivalentes, como descrito acima, por exemplo, um méto-do utilizando a sonda ultra-sônica, na qual vários transdutores são dispostosem um estado de matriz, pode ser considerado. Ou seja, como descrito nareivindicação 2, de preferência é adotado um método onde a sonda ultra-sônica possui vários transdutores dispostos em um estado de matriz em umasuperfície plana ou curvada, e os transdutores são selecionados de modoque os respectivos ângulos externos de retração 0r da onda ultra-sônica nasvárias direções de propagação sejam aproximadamente equivalentes e/ouos respectivos ângulos internos de retração 0k da onda ultra-sônica nas vá-rias direções de propagação sejam aproximadamente equivalentes. Por con-seqüência, "os vários transdutores dispostos na superfície curvada" na pre-sente invenção é utilizado para incluir, em adição ao caso onde os transduto-res (as superfícies do transdutor dos respectivos transdutores) são formadosna superfície curvada de modo que parte da superfície curvada e um formatodos transdutores combinam, um caso onde os respectivos transdutores (assuperfícies do transdutor dos respectivos transdutores) são formados em umformato plano e são respectivamente dispostos para entrar em contato coma superfície curvada.
Os transdutores a serem selecionados de modo que os respecti-vos ângulos externos de retração 6r da onda ultra-sônica nas várias direçõesde propagação sejam aproximadamente equivalentes podem mais especifi-camente serem determinados, por exemplo, como descrito na reivindicação3, como apresentado abaixo. Ou seja, um ângulo de circunferência de aiincidente e um ângulo axial de βϊ incidente da onda ultra-sônica no objeto deteste tubular nas várias direções de propagação são respectivamente deter-minados baseado na equação (1) seguinte, de modo que os respectivos ân-gulos externos de retração Gr da onda ultra-sônica representados pela equa-ção (1) seguinte, nas várias direções de propagação, sejam aproximada-mente equivalentes, e os transdutores são selecionados de modo que o ân-guio de circunferência determinado de ai incidente e do ângulo axial de βΐincidente sejam obtidos:
<formula>formula see original document page 12</formula>
onde, na equação (1) acima, Vs significa uma velocidade de propagação daonda ultra-sônica propagada no objeto de teste tubular, e Vi significa a velo-cidade de propagação da onda ultra-sônica em um meio de acoplamentoexistente entre a sonda ultra-sônica e o objeto de teste tubular. Além disso, o"ângulo de circunferência de incidência" na presente invenção significa oângulo ai formado, em uma seção transversal circunferencial do objeto deteste tubular P, por uma normal L3 do objeto de teste tubular Pea onda ul-tra-sônica U (linha central do feixe de onda ultra-sônica) em um ponto inci-dente O da onda ultra-sônica U (linha central do feixe de onda ultra-sônica)(vide a Figura (b)). Adicionalmente, o "ângulo axial de incidência" na presen-te invenção significa o ângulo βΐ formado, e uma seção transversal axial doobjeto de teste tubular P, por uma normal L4 do objeto de teste tubular Peaonda ultra-sônica U (linha central do feixe de onda ultra-sônica) em um pontoincidente O da onda ultra-sônica U (linha central do feixe de onda ultra-sônica) (vide Figura (c)).
Os transdutores a serem selecionados de modo que os respecti-vos ângulos internos de refração 9k da onda ultra-sônica nas várias direçõesde propagação sejam aproximadamente equivalentes mais especificamentepodem ser determinados, por exemplo, como descrito na reivindicação 4,como apresentado abaixo. Ou seja, o ângulo de circunferência de ai inciden-te e o ângulo axial de βϊ incidente da onda ultra-sônica no objeto de testetubular nas várias direções de propagação são respectivamente determina-dos baseado nas equações (1) até (6) seguintes, de modo que os respecti-vos ângulos internos de refração 9k da onda ultra-sônica representados pelaequação (2) seguinte nas várias direções de propagação sejam aproxima-damente equivalentes, e os transdutores são selecionados de modo que oângulo de circunferência determinado de ai incidente e o ângulo axial de βίincidente sejam obtidos:θk=cos¯1(cosθr˙cosφ —sinθ r˙cosγ˙sinφ) •••(2)
onde o ângulo externo de retração θr, um ângulo de propagação γ e um ân-gulo φ na equação (2) acima, são representados respectivamente pelas e-quações (1), (3) e (4) seguintes:
θr=sinˉ1 ({Vs/Vi)2· (sin2βi+cos2βi·sin2 α i) 1/2) ···(1)
<formula>formula see original document page 13</formula>
φ =sinˉ1(k·sinθ') - θ' ···(4)
onde na equação (1) acima, Vs significa a velocidade de propagação da on-da ultra-sônica propagada no objeto de teste tubular, e Vi significa a veloci-dade de propagação da onda ultra-sônica no meio de acoplamento existenteentre a sonda ultra-sônica e o objeto tubular; e k e θ' na equação (4) acimasão representados respectivamente pelas equações (5) e (6) seguintes:
<formula>formula see original document page 13</formula>
tan θ'=cosγ· tanθr ···(6)
onde t/D na equação 5 acima significa uma proporção de espessura para odiâmetro externo do objeto de teste tubular. O "ângulo de propagação" napresente invenção significa o ângulo γ formado pela direção de propagação(direção de propagação vista a partir da direção normal ao plano tangencialdo objeto de teste tubular P incluindo o ponto incidente O da onda ultra-sônica) da onda ultra-sônica (linha central do feixe de onda ultra-sônica) ten-do entrado no objeto de teste tubular P e uma tangente circunferencial L doobjeto de teste P passando através do ponto incidente O (vide a Figura (a)).
Por outro lado, como um método concreto para tornar os respec-tivos ângulos externos de refração Gr da onda ultra-sônica nas várias dire-ções de propagação aproximadamente equivalentes e/ou os respectivos ân-gulos internos de refração 0k da onda ultra-sônica nas várias direções depropagação aproximadamente equivalentes, como descrito acima, por e-xemplo, pode ser considerado um método utilizando uma sonda ultra-sônicapossuindo vários transdutores dispostos ao longo de uma superfície curvaanular predeterminada. Ou seja, como descrito na reivindicação 5, de prefe-rência é adotado um método onde a sonda ultra-sônica possui vários trans-dutores dispostos ao longo de uma superfície curva anular obtida pelo cortede um esferóide predeterminado com dois planos paralelos voltados um parao outro que não passam através de um centro do esferóide e não imprensamo centro do esferóide, os ditos dois planos paralelos sendo ortogonais aoeixo de rotação do esferóide, na etapa de dispor a sonda ultra-sônica demodo a ficar voltada para o objeto de teste tubular, a sonda ultra-sônica édisposta de modo que uma direção de eixo geométrico mais longa da sondaultra-sônica seja ao longo de uma direção axial do objeto de teste tubular,uma direção de eixo geométrico mais curta da sonda ultra-sônica seja aolongo de uma direção circunferencial do objeto de teste tubular, e o centrodo esferóide de forma correta fique voltado para um centro axial do objeto deteste tubular, e um formato da superfície curva anular seja determinado demodo que os respectivos ângulos externos de refração 0r da onda ultra-sônica na várias direções de propagação sejam aproximadamente equiva-lentes, e/ou os respectivos ângulos internos de refração ôk da onda ultra-sônica nas várias direções de propagação sejam aproximadamente equiva-lentes. Os "vários transdutores dispostos ao longo da superfície curva anu-lar" na presente invenção são utilizados para incluir, em adição a um casoonde os respectivos transdutores (superfícies de transdutor dos respectivostransdutores) são formados na superfície curva de modo que parte da super-fície curva anular e o formato dos transdutores combinam, um caso onde osrespectivos transdutores (superfícies de transdutor dos respectivos transdu-tores) são formados em um formato plano e são respectivamente dispostospara entrar em contato com a superfície curva anular. Além disso, o "centrodo esferóide de forma correta está voltado para o centro axial do objeto deteste tubular" na presente invenção, significa que a linha reta, a qual passaatravés do centro do esferóide e é ortogonal aos ditos dois planos paralelos(isto é, correspondendo ao eixo geométrico de rotação do esferóide), passaatravés de um centro axial do objeto de teste tubular. Além disso, o esferóidena presente invenção é utilizado como um termo incluindo uma esfera cujoeixo geométrico mais longo e o eixo geométrico mais curto são iguais.
O formato da superfície curva anular de modo que os respecti-vos ângulos externos de retração Gr da onda ultra-sônica nas várias direçõesde propagação sejam equivalentes pode ser determinado, por exemplo, co-mo descrito na reivindicação 6. Ou seja, os respectivos ângulos de incidên-cia Gw da onda ultra-sônica dentro do objeto de teste tubular nas várias dire-ções de propagação são calculados na equação (7) seguinte, de modo queos respectivos ângulos externos de retração Gr da onda ultra-sônica, repre-sentados pela equação (7) seguinte nas várias direções de propagação se-jam aproximadamente equivalentes, e o formato da superfície curva anular édeterminado de modo que o ângulo de incidência calculado Gw seja obtido:
Siner=Vs/Vr.sin 0 w *·*(7)
onde, na equação (7) acima, Vs significa a velocidade de propagação daonda ultra-sônica propagada no objeto de teste tubular, e Vi significa a velo-cidade de propagação da onda ultra-sônica no meio de acoplamento existen-te entre a sonda ultra-sônica e o objeto de teste tubular. O "ângulo de inci-dência da onda ultra-sônica no objeto de teste tubular" na presente invençãosignifica o ângulo Gw formado, no plano de propagação da onda ultra-sônicado objeto de teste tubular P, por uma normal L3 ao objeto de teste tubular Pe a onda ultra-sônica U (linha central do feixe de onda ultra-sônica) no pontoincidente O da onda ultra-sônica U (linha central do feixe de onda ultra-sônica) (vide a Figura 6 (d)). Se o ângulo de incidência Gw for determinado, oângulo de retração Gr é unicamente determinado pela lei de Snell. Assim,"estabelecer o ângulo de incidência G" na presente invenção é um conceitoque inclui não somente literalmente estabelecer o ângulo de incidência Gwmas também o estabelecimento do ângulo de refração Gr.
O formato da superfície curva anular de modo que os respecti-vos ângulos internos de refração Gk da onda ultra-sônica nas várias direçõesde propagação sejam aproximadamente equivalentes pode ser determinado,por exemplo, como descrito na reivindicação 7. Ou seja, os respectivos ân-gulos de incidência Gw da onda ultra-sônica no objeto de teste tubular nasvárias direções de propagação são calculados baseado na equação (7) se-guinte de modo que os respectivos ângulos internos de retração 6k da ondaultra-sônica representados pela equação (2) seguinte nas várias direções depropagação sejam aproximadamente equivalentes, e o formato da superfície5 curva anular é determinado de modo que o ângulo de incidência calculadoθw seja obtido:
<formula>formula see original document page 16</formula>
onde o ângulo de retração externa 9r, o ângulo de propagação γ, e o ânguloφ na equação (2) acima são representados respectivamente pelas equações(7), (3), e (4):
<formula>formula see original document page 16</formula>
onde, na equação (7) acima, Vs significa a velocidade de propagação daonda ultra-sônica propagada no objeto de teste tubular, e Vi significa a velo-cidade de propagação da onda ultra-sônica no meio de acoplamento existen-te entre a sonda ultra-sônica e o objeto de teste tubular; e k e Θ' na equação(4) acima são representados respectivamente pelas equações (5) e (6) se-guintes:
<formula>formula see original document page 16</formula
onde t/D na equação 5 acima significa a proporção de espessura para diâ-metro externo do objeto de teste tubular.
A detecção da falha no objeto de teste tubular geralmente é exe-cutada pela utilização de um método de feixe de ângulo utilizando uma ondaultra-sônica de cisalhamento. No método de feixe de ângulo, a onda ultra-sônica é adentrada de forma oblíqua no objeto de teste tubular em um ângu-lo igual ou maior do que o ângulo crítico longitudinal da onda para causar areflexão total da onda ultra-sônica longitudinal na superfície do objeto de tes-te tubular e para propagar a onda ultra-sônica de cisalhamento no objeto deteste tubular. Neste ponto, o ângulo de retração da onda ultra-sônica de ci-salhamento (ângulo de retração da onda de cisalhamento) precisa ser cercade 35° ou mais. Portanto, quando detectando a falha no objeto de teste tubu-lar de acordo com o método da presente invenção, se a sonda ultra-sônicafor disposta de modo a ficar voltada para o objeto de teste tubular de modoque o eixo geométrico mais longo seja ao longo da direção axial do objeto deteste tubular, o eixo geométrico mais curto seja ao longo da direção circunfe-rencial do objeto de teste tubular, e o centro do esferóide corretamente fiquevoltado para o centro axial do objeto de teste tubular a ser localizado emuma vizinhança da superfície externa do objeto de teste tubular, de modo areduzir a onda ultra-sônica longitudinal entrando no objeto de teste tubular omáximo possível, o formato da superfície curva anular pode ser determinadode modo que pelo menos a onda ultra-sônica transmitida a partir do transdu-tor localizado no eixo geométrico mais longo da sonda ultra-sônica (transdu-tor transmitindo a onda ultra-sônica que forma o maior ângulo de incidênciaou ângulo de retração com o objeto de teste tubular) é propagada dentro doobjeto de teste tubular no ângulo de refração t da onda de cisalhamento de35° ou mais.
Portanto, de preferência, como descrito na reivindicação 8, naetapa de dispor a sonda ultra-sônica de modo a ficar voltada para o objetode teste tubular, a sonda ultra-sônica é disposta de modo que o centro doesferóide corretamente fique voltado para o centro axial do objeto de testetubular e fique localizado em uma vizinhança de uma superfície externa doobjeto de teste tubular, e o formato da superfície curva anular é determinadode modo que a onda ultra-sônica transmitida pelo menos a partir do transdu-tor disposto no eixo geométrico mais longo da sonda ultra-sônica entre osvários transdutores, é propagada para dentro do objeto de teste tubular emum ângulo de refração da onda de cisalhamento de 35° ou mais.
De acordo com a configuração preferível, a onda ultra-sônica étransmitida pelo menos a partir do transdutor localizado no eixo geométricomais longo da sonda ultra-sônica (ou seja, a onda ultra-sônica propagada nadireção axial do objeto de teste tubular) pode ser propagada como a ondaultra-sônica de cisalhamento no objeto de teste tubular.
Para resolver os problemas descritos acima, a presente inven-ção também é proporcionada, como descrito na reivindicação 9, como umequipamento de teste ultra-sônico para detectar uma falha por ondas ultra-sônicas em um objeto de teste tubular, incluindo: uma sonda ultra-sônicadisposta de modo a ficar voltada para o objeto de teste tubular na qual váriostransdutores são dispostos respectivamente em uma direção de fileira e emuma direção de coluna em um estado de matriz em uma superfície plana oucurva, e um dispositivo de controle de transmissão/recepção para controlar atransmissão/recepção de ondas ultra-sônicas pela sonda ultra-sônica, ondeo dispositivo de controle de transmissão/recepção seleciona um grupo detransdutores incluindo pelo menos um transdutor a partir de vários transduto-res e causa que um grupo selecionado de transdutores transmita e receba aonda ultra-sônica em uma direção de propagação no objeto de teste tubular,e seleciona outro grupo de transdutores incluindo pelo menos um transdutorem uma posição diferente tanto na direção de fileira como na direção de co-luna desta de qualquer transdutor constituindo o um grupo de transdutores ecausa que o outro grupo selecionado de transdutores transmita e receba aonda ultra-sônica em outra direção de propagação a partir da uma direçãode propagação.
De acordo com a invenção, primeiramente um grupo de transdu-tores incluindo pelo menos um transdutor é selecionado a partir dos váriostransdutores dispostos em um estado de matriz pelo dispositivo de controlede transmissão/recepção, e a onda ultra-sônica é transmitida e recebida peloum grupo selecionado de transdutores em uma direção de propagação doobjeto de teste tubular. Então, a falha (daqui para frente, referida como "pri-meira falha") se estendendo na direção ortogonal a uma direção de propa-gação será detectada pela onda ultra-sônica transmitida e recebida na umadireção de propagação. Se a sonda ultra-sônica na qual os vários transduto-res são dispostos em um estado de matriz na superfície curva for adotada, adireção na qual a onda ultra-sônica é transmitida e recebida por cada trans-dutor é determinada por um raio de curvatura da superfície curva e por umaposição de cada transdutor, e assim o grupo de transdutores capazes detransmitir e receber a onda ultra-sônica na uma direção de propagação podesimplesmente ser selecionado a partir dos vários transdutores. Se a ondaultra-sônica na qual os vários transdutores são dispostos em um estado dematriz no plano for adotada, por outro lado, uma configuração que controla ofuso horário de transmissão/recepção da onda ultra-sônica por cada transdu-tor constituindo o um grupo selecionado de transdutores pode ser adotadade modo que a onda ultra-sônica é transmitida e recebida pelo um gruposelecionado de transdutores na uma direção de propagação.
A seguir, de acordo com a presente invenção, pelo dispositivo decontrole de transmissão/recepção, outro grupo de transdutores incluindo pe-lo menos um transdutor em uma posição diferente tanto na direção de fileiracomo na direção de coluna desta do transdutor constituindo o um grupo detransdutores, é selecionado a partir dos vários transdutores dispostos em umestado de matriz e a onda ultra-sônica é transmitida e recebida pelo outrogrupo selecionado de transdutores em outra direção de propagação diferen-te da uma direção de propagação do objeto de teste tubular. Pela onda ultra-sônica transmitida e recebida na outra direção de propagação, a falha (daquipara frente, referida como "segunda falha") se estendendo na direção orto-gonal à outra direção de propagação, será detectada. Desde que outro gru-po de transdutores inclui o transdutor cuja posição na direção de fileira e decoluna é diferente desta do transdutor constituindo o um grupo de transduto-res, não somente a direção de propagação da onda ultra-sônica é alteradade uma direção de propagação para a outra direção de propagação, mastambém a posição ao longo da direção circunferencial do objeto de teste tu-bular do grupo de transdutores transmitindo e recebendo a onda ultra-sônicatambém é simultaneamente alterada. Portanto, pelo estabelecimento de umaquantidade de alteração da posição de forma apropriada, as direções depropagação das ondas ultras-sônicas tanto para a primeira falha como paraa segunda falha podem ser feitas ortogonais uma à outra, enquanto aomesmo tempo os ângulos externos de refração 0r e/ou os ângulos internosde retração 0k podem ser feitos para serem aproximadamente constantes,de modo que se torna possível obter uma intensidade de eco equivalente,independente do ângulo de inclinação de cada falha. Pela seleção do núme-ro de grupos de transdutores igual ao número de direções de propagação daonda ultra-sônica e configurando cada um dos grupos de transdutores sele-cionados para transmitir e receber a onda ultra-sônica, como descrito acima,as falhas com vários ângulos de inclinação de acordo com o número de dire-ções de propagação, podem ser detectadas com alta precisão.
Pela adoção de uma configuração na qual a onda ultra-sônica étransmitida e recebida por cada um dos grupos de transdutores selecionadosaproximadamente simultaneamente, as falhas com vários ângulos de incli-nação podem ser rapidamente detectadas.
Como descrito acima, o equipamento de teste ultra-sônico, deacordo com a presente invenção, pode rapidamente detectar as falhas comvários ângulos de inclinação com respeito à direção axial do objeto de testetubular com alta precisão.
Um tempo requerido para a onda ultra-sônica transmitida porcada grupo de transdutores selecionados entrar no objeto de teste tubulardepende de uma distância entre cada grupo de transdutores e do ponto inci-dente da onda ultra-sônica. Desde que a distância entre cada grupo detransdutores e o ponto incidente da onda ultra-sônica depende dos formatosda sonda ultra-sônica e do objeto de teste tubular, o tempo no qual a ondaultra-sônica realmente entra no objeto de teste tubular e o tempo de recep-ção do eco da superfície na superfície (superfícies interna e externa) do ob-jeto de teste tubular serão diferentes mesmo se a onda ultra-sônica fortransmitida com o mesmo tempo a partir de cada grupo de transdutores se-lecionados. Assim, se os ecos recebidos pelos respectivos grupos de trans-dutores forem sintetizados e as falhas forem detectadas baseado em um ecopertinente sintetizado, os ecos de superfície na superfície (superfícies inter-na e externa) do objeto de teste tubular recebidos pelos respectivos gruposde transdutores podem ser contínuos ou parcialmente sobrepostos devidoao tempo de incidência diferente das ondas ultra-sônicas transmitidas a par-tir dos respectivos grupos de transdutores, e como resultado, uma larguraexpandida dos ecos como um todo na superfície do objeto de teste tubular,existe um perigo de um aumento de zona morta na vizinhança das superfí-cies externa e interna do objeto de teste tubular.
Para evitar tal problema, de preferência, como descrito na rei-vindicação 10, o dispositivo de controle de transmissão/recepção controla ofuso de tempo de transmissão ou o fuso de tempo de recepção das ondasultra-sônicas do um grupo de transdutores e do outro grupo de transdutores,de modo que um eco de superfície no objeto de teste tubular da onda ultra-sônica, transmitida a partir do um grupo de transdutores, e o outro eco desuperfície no objeto de teste tubular da onda ultra-sônica, transmitida a partirdo outro grupo de transdutores, sejam recebidos aproximadamente ao mes-mo tempo.
De acordo com a invenção preferível, desde que o fuso de tem-po de transmissão ou o fuso de tempo de recepção das ondas ultra-sônicasdo um grupo de transdutores e do outro grupo de transdutores são controla-dos de modo que um eco de superfície no objeto de teste tubular da ondaultra-sônica, transmitida a partir do um grupo de transdutores e outro eco desuperfície no objeto de teste tubular da onda ultra-sônica transmitida a partirdo outro grupo de transdutores sejam recebidos aproximadamente ao mes-mo tempo (de modo que uma diferença de tempo seja igual ou menor doque uma largura de pulso da onda ultra-sônica transmitida, por exemplo), azona morta na vizinhança das superfícies externa e interna do objeto de tes-te tubular pode ser reduzida, mesmo se uma configuração, na qual os ecosrecebidos pelos respectivos grupos de transdutores são sintetizados e a fa-lha for detectada baseada em um eco pertinente sintetizado, for adotada.
Para resolver o problema acima, a presente invenção também éproporcionada, como descrito na reivindicação 11, como uma sonda ultra-sônica para detectar uma falha por ondas ultra-sônicas em um objeto de tes-te tubular, incluindo vários transdutores dispostos ao longo de uma superfí-cie curva anular, onde a superfície curva anular é obtida pelo corte de umesferóide predeterminado com dois planos paralelos voltados um para o ou-tro, os quais não passam através de um centro do esferóide e não impren-sam o centro do esferóide, os ditos dois planos paralelos sendo ortogonaisao eixo geométrico de rotação do esferóide.
De acordo com a sonda ultra-sônica, desde que os vários trans-dutores são dispostos ao longo da superfície curva anular obtida por se cor-tar o esferóide predeterminado com dois planos paralelos voltados um parao outro que não passam através do centro do esferóide e não imprensam ocentro do esferóide, os ditos dois planos paralelos sendo ortogonais ao eixogeométrico de rotação do esferóide, a onda ultra-sônica transmitida por cadatransdutor será propagada em direção ao centro do esferóide. Então, a son-da ultra-sônica de acordo com a presente invenção é disposta de modo aficar voltada para o objeto de teste tubular, de modo que a direção do eixogeométrico mais longo seja ao longo da direção axial do objeto de teste tu-bular, a direção do eixo geométrico mais curto seja ao longo da direção cir-cunferencial do objeto de teste tubular, e o centro do esferóide de forma cor-reta fique voltado para o centro axial do objeto de teste tubular, os transduto-res para transmitir as ondas ultra-sônicas devem ser selecionados (tantostransdutores quanto o número de ângulos de inclinação das falhas a seremdetectadas são selecionados) de modo que, por exemplo, a direção na quala falha com um ângulo de inclinação predeterminado a ser detectada se es-tende e a direção de propagação da onda ultra-sônica sejam ortogonais umaa outra. Desde que, neste ponto, um ângulo de elevação de cada transdutorvisto a partir do centro do esferóide é diferente dependendo da posição ondecada transdutor é disposto, o ângulo de incidência da onda ultra-sônicatransmitida a partir de cada transdutor com o objeto de teste tubular tambémserá diferente. Portanto, por estabelecer o formato (formato de superfíciecurva anular) da sonda ultra-sônica de forma apropriada, torna-se possívelcausar que a direção de propagação da onda ultra-sônica transmitida a partirde cada transdutor e a direção de extensão da falha a ser detectada sejaortogonais uma à outra e, ao mesmo tempo, manter o ângulo externo de re-tração Gr e/ou o ângulo interno de retração 0k aproximadamente constantes,de modo que a intensidade de eco equivalente pode ser obtida independentedo ângulo de inclinação de cada falha. Pela seleção de tantos transdutoresquanto o número de direções de propagação de ondas ultra-sônicas e pelaadoção de uma configuração na qual as ondas ultra-sônicas são transmiti-das e recebidas por cada um dos transdutores selecionados, como descritoacima, falhas com vários ângulos de inclinação podem ser detectadas comalta precisão.
Por transmitir e receber a onda ultra-sônica, aproximadamentesimultaneamente, por cada um dos transdutores selecionados, as falhascom vários ângulos de inclinação podem ser rapidamente detectadas.
Como descrito acima, a sonda ultra-sônica de acordo com a pre-sente invenção pode rapidamente detectar as falhas com vários ângulos deinclinação com respeito à direção axial do objeto de teste tubular com altaprecisão.
Como descrito na reivindicação 12, de preferência a sonda ultra-sônica adicionalmente inclui pelo menos uma sonda de feixe reto dispostaao longo de uma linha reta que passa através do centro do esferóide e é or-togonal aos dois planos paralelos.
De acordo com a invenção preferida, desde que, em adição aoteste ultra-sônico (método de feixe de ângulo) pelos vários transdutores dis-postos ao longo da superfície curva anular, um método de feixe normal pelasonda de feixe reto (sonda ultra-sônica capaz de causar que a onda ultra-sônica entre de forma ortogonal junto à superfície externa do objeto de testetubular) pode ser aplicado, a medição de espessura do objeto de teste tubu-lar, a detecção de laminação e similares, podem ser executados de formavantajosa, simultaneamente com um método de feixe de ângulo do objeto deteste tubular.
Para resolver o problema, como descrito na reivindicação 13, apresente invenção é proporcionada como um equipamento de teste ultra-sônico incluindo: a sonda ultra-sônica de acordo com a reivindicação 11 ou12 disposta a ficar voltada para o objeto de teste tubular, de modo que umadireção do eixo geométrico mais longo da sonda ultra-sônica fique ao longode uma direção axial do objeto de teste tubular, uma direção de eixo geomé-tricô mais curta da sonda ultra-sônica fique ao longo de uma direção circun-ferencial do objeto de teste tubular, e que o centro do esferóide de formacorreta fique voltado para um centro axial do objeto de teste tubular; e umdispositivo de controle de transmissão/recepção para controlar a transmis-são/recepção de ondas ultra-sônicas pela sonda ultra-sônica, onde o dispo-sitivo de controle de transmissão/recepção causa que pelo menos doistransdutores dentre os vários transdutores transmitam as ondas ultra-sônicas para o objeto de teste tubular e recebam as mesmas a partir do ob-jeto de teste tubular.
De acordo com a invenção, o dispositivo de controle de trans-missão/recepção seleciona tantos transdutores quanto o número de direçõesde propagação das ondas ultra-sônicas (número de ângulos de inclinaçãodas falhas a serem detectadas) e causa que cada transdutor selecionadotransmita e receba a onda ultra-sônica, e portanto, as falhas com vários ân-gulos de inclinação podem ser rapidamente detectadas com alta precisão.
Se a sonda ultra-sônica for disposta de modo que o centro doesferóide fique fora da vizinhança da superfície externa do objeto de testetubular, o ponto incidente da onda ultra-sônica transmitida por cada transdu-tor dentro do objeto de teste tubular é diferente em cada transdutor. Portan-to, sob uma suposição de que a sonda ultra-sônica é disposta de modo queo centro do esferóide fique localizado na vizinhança da superfície externa doobjeto de teste tubular, mesmo se a direção de propagação da onda ultra-sônica transmitida a partir de cada transdutor e a direção de extensão dafalha a ser detectada, forem levadas a serem ortogonais uma à outra, aomesmo tempo, o formato (formato da superfície curva anular) da sonda ultra-sônica é determinado de modo que o ângulo externo de refração e/ou o ân-gulo interno de refração sejam mantidos aproximadamente constantes, ocomportamento de propagação planejado da onda ultra-sônica não pode serobtido (ângulo externo de refração e/ou ângulo interno de refração não cons-tante de acordo com a direção de propagação da onda ultra-sônica), particu-larmente quando o objeto de teste tubular possui um diâmetro pequeno (100mm ou menos de diâmetro externo), devido ao diferente ponto incidente daonda ultra-sônica no objeto de teste tubular, deste modo causando, comoresultado, uma preocupação a cerca da capacidade reduzida de detecção dafalha.
Portanto, de preferência, como descrito na reivindicação 14, asonda ultra-sônica é disposta de modo que o centro do esferóide fique loca-lizado em uma vizinhança de uma superfície externa do objeto de teste tubu-lar.
De acordo com a configuração preferível, desde que os pontosincidentes das ondas ultra-sônicas transmitidas pelos respectivos transduto-res no objeto de teste tubular aproximadamente concordam, o comporta-mento de propagação planejado das ondas ultra-sônicas pode ser obtido(ângulo externo de refração e/ou ângulo interno de refração aproximadamen-te constantes independente das direções de propagação das ondas ultra-sônicas) e, como resultado, as falhas com vários ângulos de inclinação po-dem ser detectadas com alta precisão.
Como descrito na reivindicação 15, de preferência, o dispositivode controle de transmissão/recepção controla o fuso de tempo de transmis-são ou o fuso de tempo de recepção das ondas ultra-sônicas de um transdu-tor e de outro transdutor entre pelo menos dois transdutores que transmitemas ondas ultra-sônicas para o objeto de teste tubular e recebem as mesmasa partir do objeto de teste tubular, de modo que um eco de superfície no ob-jeto de teste tubular da onda ultra-sônica transmitida a partir do um transdu-tor e outro eco de superfície no objeto de teste tubular da onda ultra-sônicatransmitida a partir do outro transdutor, são recebidos aproximadamente aomesmo tempo.
De acordo com a configuração preferível, desde que o fuso detempo de transmissão ou o fuso de tempo de recepção das ondas ultra-sônicas do um transdutor e do outro transdutor é controlado de modo queum eco de superfície no objeto de teste tubular da onda ultra-sônica transmi-tida a partir do um transdutor e outro eco de superfície no objeto de testetubular da onda ultra-sônica transmitida a partir do outro transdutor são re-cebidos aproximadamente ao mesmo tempo (de modo que a diferença detempo é igual ou menor do que a largura de pulso da onda ultra-sônicatransmitida, por exemplo), a zona morta na vizinhança das superfícies exter-na e interna do objeto de teste tubular pode ser reduzida mesmo se a confi-guração, na qual os ecos recebidos pelos respectivos transdutores são sinte-tizados e a falha é detectada baseada em um eco sintetizado pertinente, foradotada.
Se a direção de propagação da onda ultra-sônica transmitida apartir de cada transdutor constituindo a sonda ultra-sônica e a direção deextensão da falha a ser detectada forem levadas a serem ortogonais uma aoutra e, ao mesmo tempo, o formato (formato da superfície curva anular) dasonda ultra-sônica for estabelecido de modo que o ângulo externo de retra-ção e/ou o ângulo interno de retração sejam mantidos aproximadamenteconstantes, um formato apropriado da sonda ultra-sônica é diferente depen-dendo da proporção de espessura para diâmetro externo do objeto de testetubular e assim por diante, e uma vez que o formato é estabelecido, o ângulode incidência da onda ultra-sônica transmitida a partir de cada transdutorpossui um valor fixo para cada transdutor. Portanto, existe um problema emcusto e capacidade de manutenção, devido às sondas ultra-sônicas em for-matos apropriados deverem ser preparadas individualmente para o objeto deteste tubular com várias proporções de espessura para diâmetro externo.
Portanto, como descrito na reivindicação 16, de preferência, umdispositivo de ajuste para ajustar um ângulo de incidência da onda ultra-sônica transmitida a partir de cada um dos vários transdutores para o objetode teste tubular, é proporcionado.
De acordo com a configuração preferível, desde que o ângulo deincidência da onda ultra-sônica transmitida para o objeto de teste tubular apartir de cada um dos vários transdutores pode ser ajustados de forma fina,de modo que a direção de propagação da onda ultra-sônica transmitida apartir de cada transdutor e a direção de extensão da falha a ser detectadapodem ser feitas ortogonais uma à outra, enquanto ao mesmo tempo, o ân-gulo externo de refração e/ou o ângulo interno de retração podem ser feitosaproximadamente constantes mesmo se a sonda ultra-sônica possuir omesmo formato, não existe necessidade de preparar sondas ultra-sônicasem vários formatos, e assim, uma vantagem no custo e na capacidade demanutenção pode ser obtida.
Como o dispositivo de ajuste, por exemplo, um mecanismo me·cânico de declinação pode ser adotado. Em adição, como descrito na reivin-dicação 17, é possível que cada um dos vários transdutores possua várioselementos piezoelétricos divididos em um formato retangular ao longo deuma direção radial de cada transdutor, e o dispositivo de ajuste ajusta o ân-gulo de incidência da onda ultra-sônica transmitida para o objeto de testetubular por eletricamente controlar o fuso de tempo de transmissão/recepçãoda onda ultra-sônica pelos vários elementos piezoelétricos.
De acordo com a invenção preferível, comparado com um casode adotar o mecanismo mecânico de declinação, o ângulo de incidência po-de ser mais facilmente ajustado com capacidade de reprodução aperfeiçoa-da.
Como descrito na reivindicação 18, de preferência, o equipa-mento de teste ultra-sônico inclui um aparelho de acompanhamento paramanter uma posição relativa da sonda ultra-sônica com respeito ao objeto deteste tubular aproximadamente constante em um plano ortogonal à direçãoaxial do objeto de teste tubular.
De acordo com a invenção preferida, quando executando o testeultra-sônico por relativamente girar a sonda ultra-sônica ao longo da direçãocircunferencial do objeto de teste tubular e relativamente mover a mesma aolongo da direção axial do objeto de teste tubular, a posição relativa da sondaultra-sônica com respeito ao objeto de teste tubular pode ser mantida apro-ximadamente constante pelo aparelho de acompanhamento, mesmo se oobjeto de teste tubular possuir o formato de seção transversal que não sejauma volta completa ou no qual uma curvatura axial ocorreu. Portanto, deacordo com a configuração preferível acima, mesmo se a sonda ultra-sônicafor relativamente girada com respeito ao objeto de teste tubular ou for movi-da ao longo da direção axial do mesmo, variações no ângulo de incidênciada onda ultra-sônica no objeto de teste tubular a partir de cada transdutorsão suprimidas e, como resultado, a capacidade de detecção da falha podeser mantida aproximadamente constante.
Como o aparelho de acompanhamento, um aparelho de acom-panhamento utilizando um indicador de deslocamento do tipo por contato ouum aparelho de acompanhamento construído a partir de componentes me-cânicos do tipo contato, tal como sapatas de cavalete, podem ser adotados.Entretanto, se tais aparelhos de acompanhamento forem adotados, podemsurgir os problemas apresentados abaixo:
(1) Quando o indicador de deslocamento tipo contato ou o com-ponente mecânico tipo contato é levado em contato com a superfície externado objeto de teste tubular ou removido da superfície externa nas extremida-des frontal e traseira do objeto de teste tubular, a instabilidade tende a apa-recer. Assim, o acompanhamento nas extremidades frontal e traseira do ob-jeto de teste tubular tende a diminuir.
(2) Se o aparelho de acompanhamento do tipo contato for utili-zado, mesmo ligeira desigualdade na superfície externa do objeto de testetubular pode diminuir o acompanhamento (muito sensível à propriedade de-sigual da superfície externa do objeto de teste tubular).
(3) O uso repetido leva ao desgaste do indicador de desloca-mento do tipo contato ou do componente mecânico do tipo contato, resultan-do em acompanhamento reduzido (manutenção freqüente é necessária).
Então, devido à diminuição acima no acompanhamento de (1)até (3), a capacidade de detecção da falha também pode ser reduzida.
Portanto, como descrito na reivindicação 19, de preferência, oaparelho de acompanhamento inclui um ou mais indicadores de desloca-mento que não são de contato, para medir uma distância até a superfícieexterna do objeto de teste tubular, um mecanismo de posicionamento paramover a sonda ultra-sônica ao longo de duas direções ortogonais à direçãoaxial do objeto de teste tubular e um dispositivo de controle de posiciona-mento para controlar o mecanismo de posicionamento; além disso, o dispo-sitivo de controle de posicionamento controla o mecanismo de posiciona-mento baseado na distância medida pelos indicadores de deslocamento quenão são de contato, de modo que a posição relativa da sonda ultra-sônicacom respeito ao objeto de teste tubular fica aproximadamente constante.
De acordo com a invenção preferível, desde que o mecanismode posicionamento é controlado (a posição da sonda ultra-sônica é ajusta-da), baseado na distância até a sonda ultra-sônica e na superfície externa doobjeto de teste tubular calculada utilizando o indicador de deslocamento quenão é de contato, o qual não está em contato com o objeto de teste tubular,de modo que a posição relativa da sonda ultra-sônica com respeito ao objetode teste tubular é aproximadamente constante, comparado com o caso aci-ma onde o indicador de deslocamento do tipo contato é adotado, melhor a-companhamento pode ser obtido e, como resultado, excelente capacidadede detecção da falha pode ser obtida.
Além disso, para resolver o problema acima, como descrito nareivindicação 20, a presente invenção também é proporcionada como ummétodo de teste ultra-sônico onde, utilizando o equipamento de teste ultra-sônico de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 até 19, uma falhaem todo ou em parte do objeto de teste tubular é detectada por girar relati-vamente a sonda ultra-sônica ao longo da direção circunferencial do objetode teste tubular e por relativamente mover a mesma ao longo da direçãoaxial do objeto de teste tubular.
Adicionalmente, para resolver o problema acima, como descritona reivindicação 21, a presente invenção também é proporcionada como ummétodo de fabricação de um cano ou tubo sem costura incluindo: um primei-ro processo para fabricar o cano ou tubo sem costura por perfuração de umlingote; e um segundo processo para detectar uma falha no cano ou tubosem costura fabricado no primeiro processo por utilizar o método de testeultra-sônico de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 até 8, e 20.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A Figura 1 é um diagrama ilustrando uma relação entre um ân-guio de inclinação de falhas inclinadas e a intensidade de eco por um méto-do de teste ultra-sônico aplicando uma sonda ultra-sônica convencional dearranjo em fase.A Figura 2 apresenta diagramas ilustrando relações entre o ân-gulo de inclinação de falhas inclinadas e um ângulo de incidência de umaonda ultra-sônica com as falhas inclinadas pelo método de teste ultra-sônicoaplicando uma sonda ultra-sônica convencional de arranjo em fase.
A Figura 3 é um diagrama esquemático apresentando uma con-figuração de esboço de um equipamento de teste ultra-sônico de acordocom uma primeira modalidade da presente invenção.
A Figura 4 é uma ilustração apresentando o comportamento depropagação de uma onda ultra-sônica no equipamento de teste ultra-sônicoapresentado na Figura 3. A Figura 4(a) apresenta uma vista em perspectiva,a Figura 4(b) apresenta um vista secional em uma direção circunferencial deum cano, a Figura 4(c) apresenta uma vista secional em uma direção axialdo cano, e a Figura 4 (d) apresenta uma vista secional ao longo de um planode propagação das ondas ultra-sônicas.
A Figura 5 é um diagrama esquemático apresentando a configu-ração de esboço de um equipamento de teste ultra-sônico de acordo com asegunda modalidade da presente invenção. A Figura 5(a) apresenta umavista em perspectiva, a Figura 5(b) apresenta uma vista plana, a Figura 5(c)apresenta uma vista lateral, e a Figura 5(d) apresenta uma ilustração.
A Figura 6 é uma ilustração apresentando o comportamento depropagação de uma onda ultra-sônica no equipamento de teste ultra-sônicoapresentado na Figura 5. A Figura 6(a) apresenta uma vista em perspectiva,a Figura 6(b) apresenta uma vista secional na direção circunferencial de umcano, a Figura 6(c) apresenta uma vista plana, e a Figura 6(d) apresentauma vista secional ao longo do plano de propagação de ondas ultra-sônicas.
A Figura 7 apresenta a intensidade de eco por cada falha de su-perfície interna obtida por se realizar um teste ultra-sônico utilizando um e-quipamento de teste ultra-sônico de acordo com o primeiro exemplo da pre-sente invenção.
A Figura 8 apresenta um exemplo de formas de onda obtidasquando o fuso horário de transmissão ou o fuso horário de recepção de umaonda ultra-sônica de cada transdutor não é controlado no primeiro exemploda presente invenção.
A Figura 9 apresenta um exemplo de formas de onda obtidasquando o fuso horário de transmissão de uma onda ultra-sônica de cadatransdutor é controlado no primeiro exemplo da presente invenção.
A Figura 10 apresenta a intensidade de eco por cada falha desuperfície interna obtida pela realização de um teste ultra-sônico utilizandoum equipamento de teste ultra-sônico de acordo com o segundo exemplo dapresente invenção.
A Figura 11 apresenta a intensidade de eco por cada falha desuperfície interna formada em um cano de aço de cada t/D pela realizaçãode um teste ultra-sônico utilizando um equipamento de teste ultra-sônico deacordo com o terceiro exemplo da presente invenção.
A Figura 12 é um diagrama apresentando a configuração de es-boço de um equipamento de teste ultra-sônico de acordo com o quarto e-xemplo da presente invenção. A Figurai 2(a) apresenta uma vista secionalfrontal, a Figura 12(b) apresenta uma vista plana, e a Figura 12(c) apresentauma vista secional lateral.
A Figura 13 apresenta a configuração de esboço de um aparelhode acompanhamento incorporado no equipamento de teste ultra-sônico deacordo com o quarto exemplo da presente invenção.
A Figura 14 ilustra formas de onda de teste ultra-sônico obtidasquando uma onda ultra-sônica é transmitida e recebida por somente umtransdutor no equipamento de teste ultra-sônico de acordo com o quarto e-xemplo da presente invenção.
A Figura 15 ilustra formas de onda de teste ultra-sônico obtidasquando, pelo controle do fuso horário de transmissão ou do fuso horário derecepção de cada um dos quatros transdutores, de modo que cada eco desuperfície seja recebido aproximadamente ao mesmo tempo, uma onda ul-tra-sônica é transmitida e recebida por cada transdutor no equipamento deteste ultra-sônico de acordo com o quarto exemplo da presente invenção.
A Figura 16 é uma ilustração apresentando o comportamento depropagação de uma onda ultra-sônica no equipamento de teste ultra-sônicode acordo com o quarto exemplo da presente invenção.MELHOR MODO PARA REALIZAR A INVENÇÃO
As modalidades da presente invenção serão descrias com refe-rência aos desenhos anexos quando julgado apropriado por se pegar casosonde as modalidades são aplicadas junto ao canos tais como canos de açocomo exemplos.Primeira Modalidade
A Figura 3 é um diagrama esquemático apresentando uma con-figuração de esboço de um equipamento de teste ultra-sônico de acordocom a primeira modalidade da presente invenção, e a Figura 2 é uma ilus-tração apresentando o comportamento de propagação de uma onda ultra-sônica no equipamento de teste ultra-sônico apresentado na Figura 3. A Fi-gura 4(a) apresenta uma vista em perspectiva, a Figura 4(b) apresenta umavista secional em uma direção circunferencial de um cano, a Figura 4(c) a-presenta uma vista secional em uma direção axial de um cano, e a Figura4(d) apresenta uma visa secional ao longo de um plano de propagação (pla-no contendo pontos O, A e B apresentados nas Figura 4(a)) de ondas ultra-sônicas. Como apresentado na Figura 3, um equipamento de teste ultra-sônico 100 de acordo com a presente invenção é um equipamento de testeultra-sônico para detectar uma falha em um cano P possuindo uma sondaultra-sônica 1 na qual vários transdutores 11 são dispostos em uma direçãode fileira e em uma direção de coluna respectivamente em um estado dematriz (dispostos em um cilindro curvo na direção de fileira em um estado dematriz no exemplo apresentado na Figura 3) em uma superfície plana oucurva, e um dispositivo de controle de transmissão/recepção 2 para controlara transmissão/recepção de uma onda ultra-sônica pela sonda ultra-sônica 1.Além disso, o equipamento de teste ultra-sônico 100 de acordo com a pre-sente modalidade possui um circuito de decisão e falha 3 para detectar fa-lhas existentes no cano P por comparar uma amplitude de um eco (maisconcretamente, um eco sintetizado por um circuito de síntese de forma deonda 223 descrito posteriormente) a partir do cano P com um limite prede-terminado e um alarme, etc., e o dispositivo de saída 4 para emitir um avisopredeterminado ou coisa parecida quando uma falha é detectada pelo circui-to de decisão de falha 3.
A sonda ultra-sônica 1 é disposta de modo a ficar voltada para ocano P de modo que a direção de fileira fique ao longo de uma direção axialdo cano Pea direção de coluna fique ao longo de uma direção circunferen-cial do cano P.
O dispositivo de controle de transmissão/recepção 2 de acordocom a presente modalidade possui um circuito de transmissão 21, um circui-to de recepção 22, e um circuito de controle 23. O circuito de transmissão 21possui um pulsador 211 conectado com cada transdutor 11 para fornecer umsinal de pulso para causar que cada transdutor 1 transmita uma onda ultra-sônica e um circuito de atraso 212 para estabelecer um tempo de atraso pa-ra um sinal de pulso a ser fornecido para cada transdutor 11 a partir de cadapulsador 211. O circuito de recepção 22 possui um receptor 221 conectadocom cada transdutor 11 para amplificar um eco recebido por cada transdutor11, um circuito de atraso 222 para estabelecer um tempo de atraso para ca-da eco amplificado por cada receptor 221, e um circuito de síntese de formade onda 223 para sintetizar um eco para o qual um tempo de atraso é esta-belecido por cada circuito de atraso 222. O circuito de controle 23 opera paraselecionar, dentre os vários transdutores dispostos 11, os transdutores 11para transmitir e receber uma onda ultra-sônica e também para determinarum tempo de atraso estabelecido pelo circuito de atraso 212 ou pelo circuitode atraso 222 para cada transdutor selecionado 11.
O dispositivo de controle de transmissão/recepção 2 (circuito decontrole 23) possuindo a configuração acima, seleciona, dentre os váriostransdutores 11 dispostos em um estado de matriz, um grupo de transduto-res compostos de um ou mais transdutores 11 incluindo um transdutor 11disposto em uma coluna predeterminada para causar que o grupo de trans-dutores selecionados transmita e receba uma onda ultra-sônica em uma di-reção formando um ângulo predeterminado com respeito à direção axial docano P e seleciona, dentre os vários transdutores 11 dispostos em um esta-do de matriz, um grupo de transdutores diferente composto de um ou maistransdutores 11 incluindo outro transdutor 11 disposto em uma coluna dife-rente desta do transdutor 11 acima com um centro de gravidade diferenteem uma direção de coluna desta do grupo de transdutores acima para cau-sar que o outro grupo de transdutores selecionado transmita e receba umaonda ultra-sônica em uma direção formando um ângulo diferente a partir doângulo predeterminado com respeito à direção axial do cano P.
As operações do dispositivo de controle de transmis-são/recepção 2 (circuito de controle 23) serão descritas abaixo mais concre-tamente com referência à Figura 4 quando julgado apropriado. Como apre-sentado na Figura 4, uma onda ultra-sônica transmitida por cada transdutor11 constituindo a sonda ultra-sônica 1 entra no cano P através do ponto Oem uma superfície externa do cano P e é refletida no ponto A em uma super-fície interna do cano P antes de alcançar o ponto B na superfície externa docano P. Então, se um ângulo (ângulo de propagação) formado pela direçãode propagação da onda ultra-sônica que entrou no cano P através do pontoO (direção de propagação vista a partir da direção normal a um plano tan-gencial do cano P incluindo o ponto incidente O) e uma tangente circunfe-rencial L do cano P passando através do ponto incidente O, for γ (daqui parafrente também chamado de "direção de propagação γ"), o ângulo externo derefração (ângulo formado por uma normal L1 no ponto B do cano P e umfeixe de onda ultra-sônica U em um plano de propagação de ondas ultra-sônicas apresentado na Figura 4(d)) no ponto B1 for Gr, e o ângulo interno derefração (ângulo formado por uma normal L2 no ponto A do cano Peo feixede onda ultra-sônica U no plano de propagação de ondas ultra-sônicas apre-sentado na Figura 4(d)) no ponto A, for Qk, Gr, 0k e γ são representados pe-las equações (1) até (3) seguintes:
<formula>formula see original document page 34</formula>
onde, nas equações (1) e (3) acima, ai significa um ângulo circunferencial deincidência (ângulo formado por uma normal L3 no ponto O do cano Peofeixe de onda ultra-sônica U em uma seção transversal circunferencial docano, vide a Figura 4(b)) de uma onda ultra-sônica dentro do cano P e βϊsignifica um ângulo axial de incidência (ângulo formado por uma normal L4no ponto O do cano Peo feixe de onda ultra-sônica U em uma seção trans-versal axial do cano, vide a Figura 4(c)) de uma onda ultra-sônica dentro docano P. Na equação (1) acima, Vs significa a velocidade de propagação deuma onda ultra-sônica propagando no cano P e Vi significa a velocidade depropagação de uma onda ultra-sônica em um meio de acoplamento existen-te entre o transdutor 11 e o cano P. Adicionalmente, na equação (2) acima, φsignifica, na seção transversal axial do cano apresentado na Figura 4(b), oângulo formado por uma linha reta passado através de um centro do cano Ce do ponto O e uma linha reta passando através do centro do cano Ceoponto A (igual a um ângulo formado por uma linha reta passando através docentro do cano Ceo ponto A e uma linha reta passando através do centrodo cano Ceo ponto B) e é representado pela equação (4) seguinte.
<formula>formula see original document page 35</formula>
Então, na equação (4) acima, k e Θ' são representados pelasseguintes equações (5) e (6):
<formula>formula see original document page 35</formula>
De acordo com as equações (1) e (3) acima, o ângulo externo derefração 0r e a velocidade de propagação γ de uma onda ultra-sônica sãodeterminados pelo ângulo de incidência circunferencial ai de uma onda ultra-sônica dentro do cano Peo ângulo de incidência axial βϊ de uma onda ultra-sônica dentro do cano P. Além disso, pela utilização das equações (1) até(6) acima, o ângulo interno de refração Gk também é determinado pelo ângu-lo de incidência circunferencial ai e pelo ângulo de incidência axial βϊ (entre-tanto, estritamente, φ determinado pela proporção de espessura para diâme-tro externo do cano P é eficaz).
De acordo com o método descrito na Literatura de Patente 2como descrito acima, se uma sonda ultra-sônica for disposta com uma ex-centricidade constante a partir do centro axial do cano P (isto é, o ângulo deincidência circunferencial ai dentro do cano P determinado de acordo com aexcentricidade é mantido constante), somente o ângulo de inclinação deuma onda ultra-sônica com respeito à direção axial do cano P é alterado(somente o ângulo axial de incidência βΐ é alterado), de modo que a direçãode propagação da onda ultra-sônica e a direção de extensão da falha incli-nada são ortogonais uma à outra. Enquanto sendo derivado a partir das e-quações (1) e (2) acima, no método no qual somente o ângulo de incidênciaaxial βΐ é alterado, a intensidade do eco altera dependendo da direção depropagação de uma onda ultra-sônica (dependendo do ângulo de inclinaçãoda falha inclinada), como na descoberta da presente invenção descrita aci-ma, devido ao ângulo externo de refração Θr e o ângulo interno de retração0k, respectivamente, alterarem dependendo da alteração no ângulo axial deincidência βϊ e, como resultado, a capacidade de detecção da falha altera.
Em contraste, no equipamento de teste ultra-sônico 100 de a-cordo com a presente modalidade, como descrito acima, o dispositivo decontrole de transmissão/recepção 2 (circuito de controle 23) opera primeiropara selecionar, dentre os vários transdutores 11 dispostos em um estado dematriz, um grupo de transdutores incluindo pelo menos um transdutor 11 epara causar que o grupo de transdutores selecionado transmita e recebauma onda ultra-sônica em uma direção de propagação γ no cano P. Maisconcretamente, o circuito de controle 23 determina o ângulo de incidênciacircunferencial ai e o ângulo de incidência axial βϊ baseado na equação (3)acima, de modo que a direção de propagação γ de uma onda ultra-sônicaencontrando ortogonal com a direção de extensão de falhas com um ângulode inclinação predeterminado a serem detectadas (primeiras falhas), podeser obtida, e então, seleciona um grupo de transdutores que proporciona oai e o βϊ determinados.
A seguir, o dispositivo de controle de transmissão/recepção 2(circuito de controle 23) opera para selecionar, dentre os vários transdutores11 dispostos em um estado de matriz, outro grupo de transdutores incluindopelo menos um transdutor 11 a partir de uma posição que é diferente emambas direções de fileira e de coluna desta do transdutor 11 constituindo ogrupo de transdutores acima e para causar que o outro grupo de transduto-res transmita e receba uma onda ultra-sônica em outra direção de propaga-ção γ, diferente da direção de propagação γ acima, no cano P. Mais concre-tamente, o circuito de controle 23 determina o ângulo de incidência circunfe-rencial ai e o ângulo de incidência axial βϊ baseado na equação (3) acima,de modo que a direção de propagação γ de uma onda ultra-sônica encon-trando ortogonal à direção de extensão de falhas (segundas falhas) com umângulo de inclinação a serem detectadas, que é diferente desta das primei-ras falhas, pode ser obtida, e então, seleciona um grupo de transdutores queproporciona o ai e βί determinado. Desde que, neste ponto, o outro grupo detransdutores inclui transdutores cuja posição na direção de fileira e de colunaé diferente desta dos transdutores constituindo o um grupo de transdutores,o ângulo de incidência circunferencial ai de uma onda ultra-sônica transmiti-da e recebida pelo um grupo de transdutores, será diferente deste de umaonda ultra-sônica transmitida e recebida pelo outro grupo de transdutores.Desde que a direção de propagação γ de uma onda ultra-sônica do um gru-po de transdutores e esta de uma onda ultra-sônica do outro grupo de trans-dutores são diferentes, o ângulo de incidência axial βϊ da onda ultra-sônicatransmitida e recebida pelo um grupo de transdutores será diferente deste deuma onda ultra-sônica transmitida e recebida pelo outro grupo de transduto-res. Ainda mais concretamente, quando selecionando o outro grupo detransdutores, o ângulo de incidência circunferencial ai e o ângulo de incidên-cia axial βΐ do outro grupo de transdutores são determinados de modo que oângulo de incidência circunferencial e o ângulo de incidência axial sejam di-ferentes destes do um grupo de transdutores (ai e βϊ de modo que uma dire-ção de propagação γ de uma onda ultra-sônica encontrando ortogonal com adireção de extensão das segundas falhas baseado na equação (3) possamser obtidos) e tanto o ângulo externo de refração Gr determinado pela equa-ção (1) acima como o ângulo interno de refração Gk determinado pela equa-ção (2) acima, são aproximadamente equivalentes a Gr e a Gk do grupo detransdutores respectivamente, e então, cada transdutor 11 no outro grupo detransdutores é selecionado de modo que o ai e o βϊ pertinentes possam serobtidos.
Com as operações do dispositivo de controle de transmis-são/recepção 2 (circuito de controle 23) descritas acima, a direção de propa-gação γ de uma onda ultra-sônica pode ser levada a serem ortogonais umaà outra, com ambas primeira e segunda falhas, e, ao mesmo tempo, os ân-gulos de retração (9r, 0k) podem ser levados a serem aproximadamente e-quivalentes, de modo que a intensidade de eco equivalente pode ser obtidaindependente do ângulo de inclinação de cada falha. Pela seleção de tantosgrupos de transdutores quanto o número de ângulos de inclinação de falhasa serem detectadas e por causar que cada grupo de transdutores seleciona-do transmita e receba uma onda ultra-sônica, como descrito acima, falhascom vários ângulos de inclinação podem ser detectadas com alta precisão.Além disso, uma onda ultra-sônica é transmitida e recebida por cada grupode transdutores selecionado aproximadamente simultaneamente, e falhas,com vários ângulos de inclinação, podem ser rapidamente detectadas.
No equipamento de teste ultra-sônico 100 de acordo com a pre-sente modalidade, o ângulo de incidência axial βϊ de uma onda ultra-sônicatransmitida e recebida por cada transdutor 11 é determinada pelo raio decurvatura de uma superfície curva e a posição de cada transdutor 11, devidoao fato de que a sonda ultra-sônica 1, na qual os transdutores são dispostosna superfície curva em um estado de matriz (dispostos em um cilindro curvona direção de fileira em um estado de matriz), é utilizada. Portanto, quandoselecionando um grupo de transdutores, um grupo de transdutores que pro-porciona um ângulo de incidência axial βϊ determinado, pode simplesmenteser selecionado dentre os vários transdutores 11. Entretanto, a presente in-venção não está limitada a isto, e uma sonda ultra-sônica, na qual váriostransdutores 11 são dispostos em um plano em um estado de matriz, tam-bém pode ser adotada. Neste caso, o fuso horário de transmissão/recepçãode uma onda ultra-sônica por cada transdutor em um grupo de transdutoresselecionados, pode ser controlado pelo circuito de controle 23, de modo queuma onda ultra-sônica seja transmitida e recebida pelo grupo de transduto-res selecionados no ângulo de incidência axial determinado βί.
No equipamento de teste ultra-sônico 100 de acordo com a pre-sente modalidade, como descrito acima, de modo a simplificar a configura-ção de circuito para reduzir o custo de fabricação, um eco recebido por cadatransdutor 11 é sintetizado pelo circuito de síntese de forma de onda 223, e,baseado no eco sintetizado, as falhas são detectadas pelo circuito de deci-são de falha 3. Com tal aparelho, o dispositivo de controle de transmis-são/recepção 2 (circuito de controle 23), de acordo com a presente modali-dade, controla, como uma configuração preferível, o fuso horário de trans-missão ou o fuso horário de recepção de ondas ultra-sônicas do um grupode transdutores e do outro grupo de transdutores (um tempo de atraso docircuito de atraso 212 ou do circuito de atraso 222 correspondente, é estabe-lecido), de modo que um eco de superfície em um cano P de uma onda ul-tra-sônica, transmitida pelo um grupo de transdutores e outro eco de superfí-cie no cano P de uma onda ultra-sônica transmitida pelo outro grupo detransdutores, são recebidos aproximadamente ao mesmo tempo (de modoque uma diferença de tempo é igual ou menor a uma largura de pulso deuma onda ultra-sônica transmitida, por exemplo).
Desde que, com tal aparelho preferível, o eco de superfície nocano P de uma onda ultra-sônica transmitida pelo um grupo de transdutorese outro eco de superfície no cano P de uma onda ultra-sônica transmitidapelo o outro grupo de transdutores são recebidos aproximadamente aomesmo tempo, mesmo se um eco recebido por cada transdutor 11 (cadagrupo de transdutores) for sintetizado pelo circuito de síntese de forma deonda 223, como descrito acima, uma circunstância, na qual uma largura dosecos como um todo é alargada porque os ecos de superfície nas superfíciesdo cano (superfícies interna e externa) recebidos por cada grupo de transdu-tores são contínuos ou parcialmente sobrepostos, pode ocorrer, e assim,uma zona morta na vizinhança das superfícies interna e externa do cano Ppode ser reduzida.Segunda Modalidade
A Figura 5 é um diagrama esquemático apresentando a configu-ração de esboço de um equipamento de teste ultra-sônico de acordo com asegunda modalidade da presente invenção. A Figura 5 (a) apresenta umavista em perspectiva, a Figura 5 (b) apresenta uma vista plana, a Figura 5(c)apresenta uma vista lateral, e a Figura 5(d) apresenta uma ilustração. A Fi-gura 6 é uma ilustração apresentando o comportamento de propagação deuma onda ultra-sônica no equipamento de teste ultra-sônico apresentado naFigura 5. A Figura 6(a) apresenta uma vista em perspectiva, a Figura 6(b)apresenta uma vista secional em uma direção circunferencial de um cano, aFigura 6(c) apresenta uma vista plana, e a Figura 6(d) apresenta uma vistasecional ao longo de um plano de propagação (plano contendo os pontos O,A, e B na Figura 6 (b)) de ondas ultra-sônicas. Como apresentado na Figura5, um equipamento de teste ultra-sônico 100A de acordo com a presentemodalidade é, da mesma forma que o equipamento 100 de acordo com aprimeira modalidade, um equipamento de teste ultra-sônico para detectaruma falha no cano P possuindo uma sonda ultra-sônica 1A e um dispositivode controle de transmissão/recepção 2A para controlar a transmis-são/recepção de uma onda ultra-sônica pela sonda ultra-sônica 1A. Alémdisso, o equipamento de teste ultra-sônico 100A de acordo com a presenteinvenção possui, da mesma forma que o equipamento de teste ultra-sônico100 de acordo com a primeira modalidade, um circuito de decisão de falha 3para detectar falhas existentes no cano P por comparar uma amplitude deum eco a partir do cano P com um limite predeterminado e o alarme, etc., odispositivo de saída 4, para emitir um aviso predeterminado ou similar quan-do uma falha é detectada pelo circuito de decisão de falha 3. Desde que aconfiguração do aparelho de um dispositivo de controle de transmis-são/recepção 2A é a mesma que esta do dispositivo de controle de trans-missão/recepção 2 do equipamento de teste ultra-sônico 100 de acordo coma primeira modalidade, uma descrição detalhada da mesma será omitida.
A sonda ultra-sônica 1A possui vários transdutores 11 dispostosao longo de uma superfície curva anular, e a superfície curva anular é umasuperfície curva anular obtida pelo corte de um esferóide M predeterminadocom dois planos paralelos S1 e S2, voltados um para o outro, que não pas-sam através de um centro O do esferóide M e não imprensam o centro O doesferóide M, os ditos dois planos paralelos S1 e S2 sendo ortogonais ao eixogeométrico rotacional do esferóide M (Vide a Figura 5 (c) e a Figura 5(d)).Então, a sonda ultra-sônica 1A é disposta de modo a ficar voltada para ocano P de modo que uma direção de eixo geométrico mais longa (direção χapresentada na Figura 5(b)) da mesma fique ao longo da direção axial docano P, uma direção de eixo geométrico mais curta (direção y apresentadana Figura 5(b)) da mesma fique ao longo da direção circunferência do canoP, e o centro O do esferóide M de forma correta fique voltado para um centroaxial do cano P.
O dispositivo de controle de transmissão/recepção 2A opera pa-ra causar, dentre os vários transdutores 11, que pelo menos dois ou maistransdutores 11 transmitam uma onda ultra-sônica para cano P e recebauma onda ultra-sônica a partir do cano P.
Um método concreto para determinar um formato (formato deuma superfície curva anular) da sonda ultra-sônica 1A será descrito abaixocom referência à Figura 6. A sonda ultra-sônica 1A, como apresentado naFigura 6, é determinada em um formato de modo que o centro O do esferói-de M fique localizado na vizinhança da superfície externa do cano P (assim,uma onda ultra-sônica transmitida por cada transdutor 11 entra no cano Patravés do centro O como um ponto incidente).
Como apresentado na Figura 6, uma onda ultra-sônica transmiti-da por cada transdutor 11 constituindo a sonda ultra-sônica 1A entra no canoP através do ponto O (o centro O do esferóide) em uma superfície externado cano P e é refletida no ponto A em uma superfície interna do cano P an-tes de alcançar o ponto B na superfície externa do cano P. Então, assumaque um ângulo (ângulo de propagação) formado pela direção de propagaçãoda onda ultra-sônica que entrou no cano P através do ponto O (direção depropagação vista a partir da direção normal a um plano tangencial do cano Pincluindo o ponto incidente O) e por uma tangente çircunferencial L do canoP passando através do ponto incidente O1 é γ (daqui para frente tambémchamado de "direção de propagação γ"), um ângulo externo de retração (ân-gulo formado por uma normal L1 no ponto B do cano P e um feixe de ondaultra-sônica U em um plano de propagação de ondas ultra-sônicas apresen-tado na Figura 6(d)) no ponto B, é Gr, e um ângulo interno de refração (ângu-lo formado por uma normal L2 no ponto A do cano Peo feixe de onda ultra-sônica U no plano de propagação de ondas ultra-sônicas apresentado naFigura 6(d)) no ponto A, é Gk. Também assuma que um ângulo de incidência(ângulo formato por uma normal L3 no ponto incidente O do cano Peo feixede onda ultra-sônica U antes de entrar no cano P no plano de propagaçãode ondas ultra-sônicas apresentado na Figura 6(d)) de uma onda ultra-sônica dentro do cano P é Gw, e o ângulo de refração (ângulo formado pelanormal L3 no ponto incidente O do cano Peo feixe de onda ultra-sônica Uentrando no cano P no plano de propagação de ondas ultra-sônicas apre-sentado na Figura 6(d)) de uma onda ultra-sônica dentro do cano P é Gs.
Uma onda ultra-sônica que entra no cano P no ângulo de inci-dência Gw apresenta o comportamento de propagação óptico - geométrico.Ou seja, uma onda ultra-sônica que entrou no cano P no ângulo de incidên-cia θ propaga-se para dentro do cano P no ângulo de refração Gs determina-do pela lei de Snell. Então, como derivado geometricamente, o ângulo exter-no de refração Gr será igual ao ângulo de refração Gs. Ou seja, a equação (7)seguinte é aplicável:
sin θ r=Vs/Vi*sin0 w ·*·(7)
onde, na equação (7) acima, Vs significa a velocidade de propagação deuma onda ultra-sônica propagando-se no cano P e Vi é a velocidade de pro-pagação de uma onda ultra-sônica em um meio de acoplamento existenteentre a sonda A1 e o cano P.
O ângulo interno de refração Gk representado pela equação (2)descrita acima, por outro lado, como derivado a partir da equação (7) acimae das equações (3) até (6) descritas acima, é uma função do ângulo de inci-dência Gw, do ângulo de propagação γ e da proporção de espessura paradiâmetro externo t/D do cano P. Então, o ângulo interno de refração Gk é mí-nimo e igual ao ângulo externo de retração θr (= ao ângulo de retração θs)quando a direção de propagação γ de uma onda ultra-sônica concorda coma direção axial do cano P (ou seja, o ângulo de propagação γ = 90°), e é má-ximo quando a direção de propagação γ de uma onda ultra-sônica concordacom a m direção circunferencial do cano P (ou seja, o ângulo de propagação= 0°), o que é representado pela equação (8) seguinte.
<formula>formula see original document page 43</formula>
Aqui, se a proporção de espessura para diâmetro externo t/D docano P for vários %, uma diferença entre o ângulo interno de retração θk e oângulo externo de retração θr calculada de acordo com a equação (8) acimaestá dentro de cerca de 10°. Portanto, uma diferença entre o ângulo internode refração 0k quando se detectando falhas da superfície interna se esten-dendo na direção axial do cano P (detectadas uma onda ultra-sônica cujadireção de propagação γ concorda com a direção circunferencial do cano P)e o ângulo interno de refração Gk (= θs) quando se detectando falhas de su-perfície interna se estendendo na direção circunferência do cano P (detecta-das por uma sonda ultra-sônica cuja direção de propagação γ concorda coma direção axial do cano P) situa-se dentro de cerca de 10° e assim, nenhumadiferença significativa surge entre ambos métodos na capacidade de detec-ção de falhas de superfície interna. Entretanto, se t/D do cano P for 15% oumais, o ângulo interno de refração θk calculado de acordo com a equação(8) acima se torna maior que o ângulo externo de refração Gr por 20° ou mais(ou seja, pela alteração da direção de propagação γ da direção axial para adireção circunferencial do cano Ρ, o ângulo interno de refração θk se tornamaior por 20° ou mais), de forma significativa reduzindo a capacidade dedetecção das falhas de superfície interna se estendendo na direção axial docano P. De forma similar, a capacidade de detecção das falhas de superfícieinterna com os ângulos de inclinação entre a direção axial e a direção circun-ferencial do cano P também irá diminuir à medida que o ângulo interno derefração θ aumenta.
Para controlar a capacidade de detecção reduzida de falhas en-volvidas em alterações do ângulo interno de retração Gk descrita acima, oângulo de retração Bs correspondendo a cada direção de propagação γ podeser alterado (ou seja, o ângulo de incidência Gw pode ser alterado) de modoque, de acordo com a direção de propagação γ de uma onda ultra-sônica (ouseja, de acordo com o ângulo de inclinação de falhas ortogonais à direçãode propagação γ de uma onda ultra-sônica), o ângulo interno de retração Gkcorrespondendo a cada direção de propagação γ permaneça aproximada-mente constante.
Assim, a sonda ultra-sônica 1A de acordo com a presente moda-lidade é projetada em um formato para permitir que o ângulo de incidênciaGw correspondendo a cada direção de propagação γ altere de acordo com adireção de propagação γ de uma onda ultra-sônica transmitida por cadatransdutor 11, de modo que o ângulo interno de refração Gk correspondendoa cada de direção de propagação γ permaneça aproximadamente constante.Como descrito acima, a sonda ultra-sônica 1A possui vários transdutores 11dispostos ao longo de uma superfície curva anular, e a superfície curva anu-lar é uma superfície curva obtida por se cortar o esferóide M predeterminadocom dois planos paralelos S1 e S2 voltados um para o outro que não pas-sam através do centro O do esferóide M e não imprensam o centro O do es-feróide M, os ditos dois planos paralelos S1 e S2 sendo ortogonais ao eixogeométrico de rotação do esferóide M (Vide a Figura 5(c) e a Figura 5(d)).Assim, a direção de propagação γ de uma onda ultra-sônica transmitida porcada transdutor 11 fica dentro da faixa de -180° até 180°. O ângulo de ele-vação de cada transdutor 11, visto a partir do centro O do esferóide M, é di-ferente dependendo da posição onde cada transdutor 11 é disposto. Em ou-tras palavras, o ângulo de elevação de cada transdutor 11 é determinado deacordo com os eixos geométricos mais longo e mais curto da sonda ultra-sônica 1A e com a distância do centro O do esferóide M da sonda ultra-sônica 1A, e o ângulo de elevação é diferente dependendo da posição ondecada transdutor 11 é disposto (dependendo da direção de propagação γ deuma onda ultra-sônica transmitida por cada transdutor 11). Um ângulo obtidopela subtração do ângulo de elevação de 90° corresponde ao ângulo de in-cidência θνν. Portanto, a sonda ultra-sônica 1A de acordo com a presentemodalidade é projetada em um formato para permitir que o ângulo de inci-dência θw correspondendo a cada direção de propagação γ altere de acordocom a direção de propagação γ de uma onda ultra-sônica transmitida porcada transdutor 11, de modo que o ângulo interno de retração Gk correspon-dendo a cada direção de propagação γ permaneça aproximadamente cons-tante pelo estabelecimento dos eixos geométricos mais longo e mais curtoda sonda ultra-sônica 1A e da distância a partir do centro O do esferóide Mda sonda ultra-sônica 1A de forma apropriada.
Mais concretamente, como apresentado na Figura 5, se o eixogeométrico mais longo da sonda ultra-sônica 1A for 2x, o eixo geométricomais curto for 2y, e a distância a partir do centro O do esferóide M (distânciamédia a partir do centro O do esferóide M até os planos S1 e S2) for h, oângulo de incidência θνν (chamado Θνν1) de uma onda ultra-sônica transmiti-da por um transdutor 11 localizado no eixo geométrico mais longo da sondaultra-sônica 1A e o ângulo de incidência Θνν (chamado Θνν2) de uma ondaultra-sônica transmitida por um transdutor 11 localizado no eixo geométricomais curto da sonda ultra-sônica 1A são dados pelas equações (9) e (10)seguintes, respectivamente:
<formula>formula see original document page 45</formula>
O formato (x, y e h) da sonda ultra-sônica 1A é determinado deacordo com t/D do cano P no qual as falhas devem ser detectadas, de modoque os ângulos de incidência 0w1 e Θνν2 representados pelas equações (9) e(10) acima satisfaçam uma equação (11) seguinte:
<formula>formula see original document page 45</formula>
Com os ângulos de incidência Θνν1 e 0w2 satisfazendo a equa-ção (11) acima, o ângulo interno de refração Gk quando a direção de propa-gação γ de uma onda ultra-sônica concorda com a direção axial do cano P(quando uma onda ultra-sônica é transmitida a partir de um transdutor 11localizado no eixo geométrico mais longo da sonda ultra-sônica 1A) e o ân-guio interno de retração 0k quando a direção de propagação γ de uma sondaultra-sônica concorda com a direção circunferencial do cano P (quando umaonda ultra-sônica é transmitida a partir de um transdutor 11 localizado noeixo geométrico mais curto da sonda ultra-sônica 1A) são aproximadamenteiguais. Isto torna possível obter um ângulo interno de retração aproximada-mente igual Gk também quando a direção de propagação γ de uma onda ul-tra-sônica está entre a direção axial e a direção circunferencial do cano P.Ou seja, um ângulo interno de retração 0k aproximadamente igual será obti-do quando a direção de propagação γ de uma onda ultra-sônica for qualqueruma na faixa de -180° até 180°.
A razão pela qual o ângulo interno de retração 0k (chamado de0k1 abaixo quando julgado apropriado) de uma onda ultra-sônica transmitidapor um transdutor 11 localizado no eixo geométrico mais longo da sondaultra-sônica 1A e o ângulo de interno de retração 0k (chamado de 0k2 abai-xo, quando julgado apropriado) de uma onda ultra-sônica transmitida por umtransdutor 11 localizado no eixo geométrico mais curto da sonda ultra-sônica1A são aproximadamente iguais quando os ângulos de incidência Θνν1 e 0w2satisfazem a equação (11) acima é como se segue. Ou seja, se o ângulo deretração de uma onda transmitida por um transdutor 11 localizado no eixogeométrico mais longo da sonda ultra-sônica 1A for 0s1 e o ângulo de retra-ção de uma onda ultra-sônica transmitida por um transdutor 11 localizado noeixo geométrico mais curto da sonda ultra-sônica 1A for 0s2, estes ângulosde retração são dados de acordo com a lei de Snell pelas equações (12) e(13) seguintes, respectivamente,
sin θ s1 =Vs/Vr.sin θw1 ···("! 2)
sin θ s2 = Vs/Vi -sin θ w2 ---(13)
onde, nas equações (12) e (13) acima, Vs significa a velocidade de propaga-ção de uma onda ultra-sônica (onda ultra-sônica de cisalhamento) propa-gando-se no cano P e Vi é a velocidade de propagação de uma onda ultra-sônica (onda ultra-sônica longitudinal) em um meio de acoplamento existen-te entre o transdutor 11 e o cano P.
Desde que uma onda ultra-sônica transmitida por um transdutor11 localizado no eixo geométrico mais longo da sonda ultra-sônica 1A é pro-pagada na direção axial do cano P1 uma relação na equação 14 seguintemantém entre o ângulo interno de retração θk1 e o ângulo de retração θs1,como descrito acima com referência à Figura 6. Por outro lado, desde queuma onda ultra-sônica transmitida por um transdutor 11 localizado no eixogeométrico mais curto da sonda ultra-sônica 1A é propagada na direção cir-cunferêncial do cano P, uma relação na equação 15 seguinte mantém entreo ângulo interno de retração θk2 e o ângulo de retração θs2, da mesma for-ma que a equação (8) como descrito acima.
θk1 = θs1 *··(14)
sin θ k2=sin θ s2/{ 1 — 2 (t/D)} ---(15)
Se, aqui, θk1 = θk2, seno de θk1 = seno de θk2 se mantém. Aaplicação das equações (15) e (13) acima junto a seno de θk2 produz umarelação na equação (16) seguinte,sin θ kl =sin θ k2
<formula>formula see original document page 47</formula>
A aplicação das equações (14) e (12) acima junto a seno de 0k1,por outro lado, produz uma relação na equação (17) seguinte.
<formula>formula see original document page 47</formula>
Portanto, a partir das equações (16) e (17) acima, uma relaçãona equação (18) seguinte se mantém, a qual produz a equação (11) acimaapós algum cálculo. Ou seja, a equação (11) acima se mantém quando 0k1= θk2.
<formula>formula see original document page 47</formula>
Como descrito acima, a equação (11) acima se mantém quandoθk1 = θk2 e inversamente, quando a equação (11) acima é satisfeita, θk1 =θk2 se mantém. Em outras palavras, se os ângulos de incidência 0w1 e 0w2satisfizerem a equação (11) acima, o ângulo de refração θk (θk1) de umaonda ultra-sônica transmitida por um transdutor 11 localizado no eixo geo-métrico mais longo da sonda ultra-sônica 1A e o ângulo interno de refraçãoGk (6k2) de uma onda ultra-sônica transmitida por um transdutor 11 localiza-do no eixo geométrico mais curto da sonda ultra-sônica 1A serão aproxima-damente iguais.
Desde que o formato da sonda ultra-sônica 1A de acordo com apresente modalidade foi determinado como descrito acima, é possível cau-sar que a direção de propagação γ de uma onda ultra-sônica transmitida porcada transdutor 11 e a direção de extensão das falhas a serem detectadassejam ortogonais uma à outra, e ao mesmo tempo, manter o ângulo internode retração 6k aproximadamente constante, de modo que a intensidade deeco equivalente possa ser obtida independente do ângulo de inclinação decada falha. Pela aceleração de quantos transdutores 1T, quantos forem onúmero de ângulos de inclinação de falhas a serem detectadas pelo disposi-tivo de controle de transmissão/recepção 2A, e por causar que cada transdu-tor selecionado 11 transmita e receba uma onda ultra-sônica, como descritoacima, falhas com vários ângulos de inclinação podem ser detectadas comalta precisão.
Várias combinações dos ângulos de incidência 0w1 e Θνν2 (ouseja, combinações de x, y e h) satisfazendo a equação (11) acima existem,mas como um método de feixe de ângulo geral, para reduzir as ondas ultra-sônicas longitudinais entrando no cano P mesmo em pequenas quantidades,o formato (x, y e h) da sonda ultra-sônica 1A pode ser determinado de modoque pelo menos ondas ultra-sônicas transmitidas pelos transdutores 11(transdutores a partir dos quais uma onda ultra-sônica é transmitida com omaior ângulo de incidência θw para dentro do cano e, como resultado, omaior ângulo de refração 0s) localizados no eixo geométrico mais longo dasonda ultra-sônica 1A, se propague para dentro do cano P com um ângulode retração de onda de cisalhamento 0s de 35° ou mais. Neste caso, emconsideração não somente à proporção de espessura para diâmetro externo(t/D) descrita acima, mas também à velocidade de propagação de uma ondaultra-sônica se propagando no cano P e à velocidade de propagação de umaonda ultra-sônica em um meio de acoplamento existente entre a sonda ultra-sônica 1A e o cano P, dentre combinações de x, y e h satisfazendo a equa-ção (11) acima, tais combinações devem ser selecionadas de modo que pelomenos ondas ultra-sônicas transmitidas pelos transdutores 11 localizados noeixo geométrico mais longo da sonda ultra-sônica 1A se propaguem paradentro do cano P com o ângulo de retração de onda de cisalhamento Gs de35° ou mais.
Ou seja, quando a sonda ultra-sônica 1A é disposta de modo aficar voltada para o cano P de modo que a direção do eixo geométrico maislongo da sonda ultra-sônica 1A fique ao longo da direção axial do cano P, adireção do eixo geométrico mais curto da sonda ultra-sônica 1A fique ao Ion-go da direção circunferencial do cano P, e o centro O do esferóide de formacorreta fique voltado para o centro axial do cano Ρ, o eixo geométrico maislongo 2x e o eixo geométrico mais curto 2y da sonda ultra-sônica 1A e a dis-tância h a partir do centro O do esferóide da sonda ultra-sônica 1A de prefe-rência são estabelecidos baseado na proporção de espessura para diâmetroexterno (t/D) do cano P, a velocidade de propagação de uma onda ultra-sônica se propagando no cano Pea velocidade de uma onda ultra-sônicaem um meio de acoplamento existente entre a sonda ultra-sônica 1A e o ca-no P, de modo que pelo menos ondas ultra-sônicas transmitidas, dentre osvários transdutores 11, pelos transdutores 11 localizados no eixo geométricomais longo da sonda ultra-sônica 1A se propaguem para dentro do cano Tcom o ângulo de refração de onda de cisalhamento 6s de 35° ou mais.
De acordo com a sonda ultra-sônica 1A possuindo um formatopreferível determinado como descrito acima, pelo menos as ondas ultra-sônicas transmitidas pelos transdutores 11 localizados no eixo geométricomais longo da sonda ultra-sônica 1A (ou seja, ondas ultra-sônicas se propa-gando na direção axial do cano P) podem ser levadas a se propagarem co-mo ondas ultra-sônicas de cisalhamento no cano P.
A sonda ultra-sônica 1A de acordo com a presente modalidadede preferência é disposta de modo que o centro O do esferóide fique Iocali-zado na vizinhança da superfície externa do cano P não somente quando sedeterminando o formato, mas também quando realmente detectando falhas.
Desde que, de acordo com tal aparelho preferível, o ponto inci-dente de uma onda ultra-sônica transmitida por cada transdutor 11 para den-tro do cano P irá aproximadamente concordar (o centro O do esferóide seráum ponto incidente), o comportamento de propagação de uma onda ultra-sônica planejado quando se determinado o formato da sonda ultra-sônica1A, pode ser obtida (o ângulo interno de retração 6k é aproximadamenteconstante independente da direção de propagação de uma onda ultra-sônica) e, como resultado, falhas com vários ângulos de inclinação podemser detectadas com alta precisão.
O dispositivo de controle de transmissão/recepção 2A do equi-pamento de teste ultra-sônico 100A de acordo com a presente modalidade,da mesma forma que o dispositivo de controle de transmissão/recepção 2 deacordo com a primeira modalidade controla, de preferência, o fuso horário detransmissão ou o fuso horário de recepção de ondas ultra-sônicas do umtransdutor 11 e do outro transdutor 11, de modo que, entre pelo menos 2 oumais transdutores 11 que transmitem uma onda ultra-sônica para o cano P erecebem uma onda ultra-sônica a partir do cano P, um eco de superfície nocano P de uma onda ultra-sônica transmitida pelo um transdutor e outro ecode superfície no cano P de uma onda ultra-sônica transmitida pelo outrotransdutor, são recebidos aproximadamente ao mesmo tempo (de modo queuma diferença de tempo é igual ou menor do que uma largura de pulso deuma onda ultra-sônica transmitida, por exemplo).
Desde que, de acordo com tal aparelho preferido, um eco desuperfície no cano P de uma onda ultra-sônica transmitida pelo um transdu-tor e outro eco de superfície no cano P de uma onda ultra-sônica transmitidopelo outro transdutor, são recebidos aproximadamente ao mesmo tempo,mesmo se um eco recebido por cada transdutor 11 for sintetizado por umcircuito de síntese de forma de onda (não apresentado), da mesma formaque na primeira modalidade, uma circunstância, na qual uma largura de ecoé ampliada devido aos ecos de superfície nas superfícies do cano P (super-fícies interna e externa) recebidos por cada transdutor 11 serem contínuosou parcialmente sobrepostos, dificilmente pode ocorrer, e assim, uma zonamorta na vizinhança das superfícies interna e externa do cano P pode serreduzida.
Como descrito acima, o formato (x, y e h) da sonda ultra-sônica1A de acordo com a presente invenção é determinado de acordo com a t/Ddo cano P no qual falhas devem ser detectadas ou coisa parecida. Em ou-tras palavras, um formato apropriado da sonda ultra-sônica 1A se altera de-pendendo da t/D do cano P no qual falhas devem ser detectadas e coisasparecidas. Portanto, existe um problema no custo e na manutenção porqueas sondas ultra-sônicas 1A com formatos apropriados devem ser preparadasindividualmente para canos com vários tamanhos de t/D e assim por diante.
Para resolver tal problema, um dispositivo de ajuste para ajustaro ângulo de incidência Gw de uma onda ultra-sônica transmitida por cada umdos vários transdutores 11 para o cano P, de preferência deve ser propor-cionado. Desde que isto torna possível ajustar de forma fina o ângulo de in-cidência 6w de uma onda ultra-sônica transmitida por cada um dos váriostransdutores 11 para o cano P de modo que a direção de propagação γ deuma onda ultra-sônica transmitida a partir de cada transdutor 11 e a direçãode extensão de falhas a serem detectadas podem ser feitas para ficaremortogonais uma à outra, enquanto que ao mesmo tempo, o ângulo interno derefração 9k pode ser mantido aproximadamente constante (à medida que aequação (11) seja satisfeita) mesmo se as sondas ultra-sônicas 1A possuí-rem o mesmo formato (x, y e h), não existe necessidade de preparar as son-das ultra-sônicas 1A com vários formatos de acordo com t/D do cano P, eassim, uma vantagem no custo e na capacidade de manutenção é obtida.
Como o dispositivo de ajuste, por exemplo, mecanismo mecâni-co de declinação pode ser adotado. Em adição, como apresentando na Figu-ra 5 (a), cada um dos vários transdutores 11 possui vários elementos piezoe-létricos 111 divididos em um formato retangular ao longo de uma direçãoradial de cada transdutor 11, e o dispositivo de ajuste (por exemplo, o dispo-sitivo de controle de transmissão/recepção 2A funciona como o dispositivode ajuste) também pode ajustar o ângulo de incidência 0w de uma onda ul-tra-sônica transmitida para o cano P por eletricamente controlar o fuso horá-rio de transmissão/recepção de uma onda ultra-sônica pelos vários elemen-tos piezoelétricos 111. Neste caso, comparado com um caso de adotar ummecanismo mecânico de declinação, o ângulo de incidência 0w pode serajustado mais facilmente com capacidade de reprodução aperfeiçoada.
De acordo com o formato da sonda ultra-sônica 1A na presenteinvenção, o ângulo interno de retração ek pode ser mantido aproximadamen-te constante enquanto o ângulo externo de retração Gr se altera dependendoda direção de propagação γ. Em outras palavras, a sonda ultra-sônica 1A deacordo com a presente invenção possui um formato adequado para uso paradetectar falhas de superfície interna com vários ângulos de inclinação comalta precisão. Em contraste, para detectar falhas de superfície externa comvários ângulos de inclinação com alta precisão, o ângulo externo de retraçãoGr deve ser mantido aproximadamente constante independente do ângulo deinclinação de cada falha (ou seja, independente da direção de propagação γde uma onda ultra-sônica). Desde que o ângulo externo de refração 6r é i-gual ao ângulo de retração 0s, como descrito acima, o ângulo de retração 9spode ser mantido aproximadamente constante independente da direção depropagação γ e, para este propósito, o ângulo de incidência θνν pode sermantido aproximadamente constante independente da direção de propaga-ção γ. Para manter o ângulo de incidência 0w aproximadamente constanteindependente da direção de propagação γ de uma onda ultra-sônica, o eixogeométrico mais longo (2x) e o eixo geométrico mais curto (2y) da sondaultra-sônica podem ser estabelecido para valores aproximadamente iguais.Ou seja, um formato obtido quando o esferóide é assumido como sendo umaesfera, pode ser estabelecido. De acordo com a sonda ultra-sônica de talformato, o ângulo externo de refração Gr pode ser feito para ser aproxima-damente constante independente da direção de propagação γ e as falhas desuperfície externa com vários ângulos de inclinação podem ser detectadascom alta precisão.
Então, dependendo de se falhas principais no cano P a seremdetectadas são falhas de superfície interna ou falhas de superfície externa, oformato da sonda ultra-sônica adequado para detectar cada tipo de falhapode ser selecionado. Ou, se tanto falhas de superfície interna como de su-perfície externa devem ser detectadas simultaneamente, um formato possu-indo aproximadamente os valores intermediários χ e y de um formato (x, y eh) da sonda ultra-sônica satisfazendo a equação (11), adequado para detec-tar falhas de superfície interna e um formato da sonda ultra-sônica satisfa-zendo χ = y adequado para detectar falhas de superfície externa, pode seradotado.
Por apresentar exemplos e exemplos comparativos abaixo, osaspectos da presente invenção serão feitos mais evidentes.Exemplo 1 (vide a Figura 3)
Utilizando o equipamento de teste ultra-sônica 100 cuja configu-ração de esboço é apresentada na Figura 3, um teste ultra-sônico de váriasfalhas de superfície interna (profundidade de 0,5 mm por comprimento de25,4 mm) com ângulos de inclinação mutuamente diferentes (ângulos deinclinação de 0o, 10°, 20°, 30° e 45°) formados na superfície interna de umcano de aço foi realizado. Aqui, a sonda ultra-sônica 1 possui vários (30)transdutores 11 de comprimento de 5 mm por largura de 3 mm com freqüên-cia oscilante de 2 MHz dispostos em um cilindro curvo com um raio de cur-vatura de 200 mm em um estado de matriz (10 fileiras por três colunas) nadireção de fileira (direção axial do cano de aço). Quando julgado apropriadoabaixo, os transdutores 11 dispostos na primeira coluna são chamados de n21 até n2 10, os transdutores 11 dispostos na segunda coluna são chamadosde n2 11 até n2 20, e os transdutores 11 dispostos na terceira coluna sãochamados de n2 21 até n2 30.
A tabela 1 apresenta o ângulo de incidência axial βί, a direção depropagação γ e o ângulo interno de refração 0k de uma onda ultra-sônicatransmitida pelo transdutor n2 1 e por outros transdutores n2 2 até n2 30quando a excentricidade da sonda ultra-sônica 1 é ajustada (ou seja, o ângu-lo de incidência circunferencial ai do transdutor n2 1 é ajustado) de modoque o transdutor n2 1 na primeira coluna é ótimo para detecção de falhas desuperfície interna com o ângulo de inclinação de 0o.<table>table see original document page 54</column></row><table>Aqui, o método descrito acima, descrito na Literatura de Patente2, é um método pelo qual o ângulo de incidência axial βί é alterado (na con-dição de que o ângulo de incidência circunferencial ai seja mantido constan-te) para alterar a direção de propagação γ utilizando,como eles eram, ostransdutores n2 1 até ns 10 na primeira coluna, ou os transdutores n2 11 atén2 20 na segunda coluna, ou os transdutores n2 21 até n2 30 na terceira co-luna somente. Entretanto, como é evidente a partir da Tabela 1, utilizar so-mente transdutores na mesma coluna para alterar a direção de propagação γtambém altera o ângulo interno de retração θk, e isto altera a capacidade dedetecção de falhas.
Em contraste, no equipamento de teste ultra-sônico 100 no pre-sente exemplo, o dispositivo de controle de transmissão/recepção 2 operapara selecionar, dentre os vários transdutores dispostos em um estado dematriz, um grupo de transdutores (transdutores n2 1 e n2 3 no presente e-xemplo) incluindo pelo menos um transdutor 11 disposto na primeira colunae para causar que o grupo de transdutores selecionado transmita e recebauma onda ultra-sônica em uma direção de propagação no cano de aço. Alémdisso, o circuito de controle 23 seleciona, dentre os vários transdutores dis-postos em um estado de matriz, outro grupo de transdutores (no presenteexemplo, um grupo de transdutores composto dos transdutores n2 15 e n2 17na segunda coluna e outro grupo de transdutores composto do transdutor n230 na terceira coluna) incluindo pelo menos um transdutor cuja posição nasdireções de fileira e de coluna seja diferente desta de qualquer transdutorconstituindo o grupo de transdutores acima, e para causar que os grupos detransdutores selecionados transmitam e recebam uma onda ultra-sônica naoutra direção de propagação no cano de aço.
Mais concretamente, o dispositivo de controle de recep-ção/transmissão 2 no presente exemplo opera para:
(1) selecionar o transdutor n2 1 na primeira coluna para detectarfalhas de superfície interna com o ângulo de inclinação de 0o,
(2) selecionar o transdutor n2 3 na primeira coluna para detectarfalhas de superfície interna com o ângulo de inclinação de 10°,(3) selecionar o transdutor n2 15 na segunda coluna para detec-tar falhas de superfície interna com o ângulo de inclinação de 20°,
(4) selecionar o transdutor n2 17 na segunda coluna para detec-tar falhas de superfície interna com o ângulo de inclinação de 300,
(5) selecionar o transdutor n2 30 na terceira coluna para detectarfalhas de superfície interna com o ângulo de inclinação de 45°, epara causar que os transdutores selecionados n2 1, n2 3, n2 15, n2 17 e n2 30aproximadamente de forma simultânea transmitam e recebam ondas ultra-sônicas.
Como é evidente a partir da Tabela 1, isto torna possível causarque cada falha de superfície interna com um ângulo de inclinação mutua-mente diferente e a direção de propagação γ de uma onda ultra-sônica se-jam ortogonais uma à outra (para tornar o valor γ e o ângulo de inclinaçãodas falhas de superfície interna a serem detectadas aproximadamente i-guais) e ao mesmo tempo, para faze com que o ângulo interno de refraçãoGk assuma um valor aproximadamente constante (cerca de 40°).
A Figura 7 apresenta a intensidade de eco (intensidade relativaquando a intensidade de eco por uma falha de superfície interna com o ân-gulo de inclinação de O0 é definida para ser 0 dB) por cada falha de superfí-cie interna obtida pela realização de um teste ultra-sônico utilizando o equi-pamento de teste ultra-sônico 100 de acordo com o presente exemplo. AFigura 7 também apresenta, como um exemplo comparativo, a intensidadede eco por cada falha de superfície interna obtida quando cada falha de su-perfície interna e a direção de propagação γ de uma onda ultra-sônica sãofeitas para serem ortogonais uma à outra pela alteração somente do ângulode incidência axial βί na condição em que o ângulo de incidência circunfe-rencial ai seja mantido constante (ou seja, por utilizar somente os transduto-res 11 dispostos na mesma coluna). Como apresentado na Figura 7, o pre-sente experimento apresenta que, enquanto a intensidade de eco diminui àmedida que o ângulo de inclinação de uma falha aumenta no exemplo com-parativo e, como resultado, capacidade de detecção de falhas reduzida écausada, intensidade de eco aproximadamente equivalente é obtida para asfalhas de superfície interna no ângulo de inclinação de O0 até 45° no presen-te exemplo, e como resultado, capacidade de detecção aproximadamenteconstante de falhas é obtida.
Para reduzir os custos de fabricação por simplificar a configura-ção do circuito, no equipamento de teste ultra-sônico 100 de acordo com opresente exemplo, um eco recebido por cada transdutor 11 (transdutor ne 1,n2 3, n2 15, n2 17 e n2 30) é sintetizado pelo circuito de síntese de forma deonda 223 e, baseado no eco sintetizado, falhas são detectadas pelo circuitode decisão de falha 3. Então, o dispositivo de controle de transmis-são/recepção 2 controla o fuso horário de transmissão ou o fuso horário derecepção de um eco de cada transdutor 11 (um tempo de atraso do circuitode atraso 212 ou do circuito de atraso 222 correspondente é estabelecido)de modo que cada eco de superfície no cano de aço de uma onda ultra-sônica transmitida por cada transdutor 11 seja recebido aproximadamenteao mesmo tempo (de modo que uma diferença de tempo seja igual ou menordo que uma largura de pulso de uma onda ultra-sônica transmitida).
A Figura 8 apresenta um exemplo de forma de onda obtido porse sintetizar um eco, cada um recebido pelos transdutores n2 1 e n2 30 (umasuperfície do cano de aço de eco (superfície externa) cada um recebido pe-los transdutores n2 1 e n2 30 e um eco (eco de falha) a partir das falhas desuperfície interna com o ângulo de inclinação de 45° detectado pelo transdu-tor n2 30) utilizando o circuito de síntese de forma de onda 223 quando on-das ultra-sônicas são aproximadamente de forma simultânea transmitidaspelos transdutores n2 1 e n2 30 sem controlar o fuso horário de transmissãoou o fuso horário de recepção das ondas ultra-sônicas dos transdutores n2 1e n2 30. Na Figura 8, uma forma de onda E1 corresponde a um eco na su-perfície do cano de aço recebido pelo transdutor n2 30 e uma forma de ondaE2 corresponde a um eco na superfície do cano de aço recebido pelo trans-dutor n2 1. Como apresentado na Figura 8, sem controlar o fuso horário detransmissão ou o fuso horário de recepção de ondas ultra-sônicas dos trans-dutores n2 1 e n2 30, a forma de onda E1 e a forma de onda E2 são contí-nuas ou parcialmente sobrepostas, levando a uma largura ampliada dos e-cos como um todo na superfície do cano de aço, levando a aumentar umazona morta na vizinhança da superfície externa do cano de aço. Este é umfenômeno causado por uma diferença entre um comprimento do trajeto dofeixe de uma onda ultra-sônica transmitida pelo transdutor n-1 antes de al-cançar a superfície externa do cano de aço e este de uma onda ultra-sônicatransmitida pelo transdutor n- 30 antes de alcançar a superfície externa docano de aço.
Em contraste, desde que o dispositivo de controle de transmis-são/recepção 2, de acordo com o presente exemplo, como descrito acima,controla o fuso horário de transmissão ou o fuso horário de recepção de umaonda ultra-sônica a partir de cada transdutor 11, de modo que cada eco desuperfície no cano de aço de uma onda ultra-sônica transmitida por cadatransdutor 11 seja recebido aproximadamente ao mesmo tempo, uma zonamorta pode ser reduzida se comparado com o caso apresentado na Figura8. A Figura 9 apresenta um exemplo de formas de onda obtidas por se sinte-tizar um eco, cada um recebido pelos transdutores n-1 e n- 30 utilizando ocircuito de síntese de forma de onda 223 após atrasar o tempo de transmis-são do transdutor n2 30 por um tempo predeterminado com respeito aotransdutor n2 1, utilizando o dispositivo de controle de transmissão/recepção2 de acordo com o presente exemplo. Como apresentado na Figura 9, poratrasar o tempo de transmissão do transdutor n- 30 por um tempo predeter-minado com respeito ao transdutor n- 1 utilizando o dispositivo de controlede transmissão/recepção 2 de acordo com o presente exemplo, a forma deonda E1 e a forma de onda E2 são aproximadamente completamente sobre-postas. Anda que a largura das formas de onda sintéticas (E1 + E2) dasformas de onda E1 e E2 apresentadas na Figura 9, seja um pouco mais am-pla do que esta das formas de onda E1 apresentadas na Figura 8, é vistoque a zona morta pode ser reduzida para cerca de 1/3 ou menos comparadocom a zona morta apresentada na Figura 8.
Exemplo 2 (vide a Figura 5)
Utilizando o equipamento de teste ultra-sônico 100A cuja confi-guração de esboço é apresentada na Figura 5, um teste ultra-sônico de vá-rias falhas de superfície interna (profundidade de 0,5 mm por largura de 25,4mm) com ângulos de inclinação mutuamente diferentes formados na superfí-cie interna de um cano de aço (t/D = 11%) foi realizado. Aqui, a sonda ultra-sônica 1A possui vários (32) transdutores 11 com o comprimento de 5 mmpor largura de 3 mm, com a freqüência oscilante de 2 MHz dispostos ao lon-go de uma superfície curva anular obtida por se cortar um esferóide prede-terminado com dois planos paralelos S1 e S2 voltados um para o outro, osquais não passam através de um centro O do esferóide e não imprensam ocentro O do esferóide, os ditos dois planos paralelos S1 e S2 sendo ortogo-nais ao eixo geométrico de rotação do esferóide. O formato da sonda ultra-sônica 1A foi determinado de modo que o ângulo de incidência Θνν1 repre-sentado pela equação (9) descrita acima seja cerca de 18° e o ângulo deincidência Θ\λ/2 representado pela equação (10) seja cerca de 14°. Tais ân-gulos de incidência 6w1 e 6w2 satisfazem a equação (11) descrita acima.
Então, um teste ultra-sônico foi realizado em um estado onde asonda ultra-sônica 1A é disposta de modo a ficar voltada para o cano de açode modo que a direção do eixo geométrico mais longo da sonda ultra-sônica1A fique ao longo da direção axial do cano de aço, a direção do eixo geomé-trico mais curto da sonda ultra-sônica 1A seja ao longo da direção circunfe-rencial do cano de aço, e o centro O do esferóide de forma correta fique vol-tado para o centro axial do cano de aço a ser localizado na vizinhança dasuperfície externa do cano de aço. Água foi utilizada como um meio de aco-plamento existente entre a sonda ultra-sônica 1A e o cano de aço.
Aqui, desde que a velocidade de propagação de uma onda ultra-sônica (onda ultra-sônica de cisalhamento) no cano de aço é 3200 m/seg e avelocidade de propagação de uma onda ultra-sônica (onda ultra-sônica lon-gitudinal) na água, a qual é o meio de acoplamento, é 1500 m/seg o ângulode refração (ângulo de refração correspondendo ao ângulo de incidênciaΘw1) Gs (chamado 0s1) de uma onda ultra-sônica transmitida pelos transdu-tores 11 localizados no eixo geométrico mais longo da sonda ultra-sônica1A, se torna cerca de 41° e o ângulo de refração (ângulo de refração corres-pondendo ao ângulo de incidência 0w2) Qs (chamado 0s2) de uma onda ul-tra-sônica transmitida pelos transdutores 11 localizados no eixo geométricomais curto da sonda ultra-sônica 1A, se torne cerca de 31°.
Como descrito acima, o ângulo externo de retração Θγ de umaonda ultra-sônica se torna igual aos ângulos de retração 0s1 e 0s2, e o ân-guio interno de retração 0k de uma onda ultra-sônica é representado comouma função do ângulo de incidência 0w, da direção de propagação γ e da t/Ddo cano P. Ou seja, o ângulo interno de retração 0k assume um valor míni-mo e é igual ao ângulo de retração 0s1 quando a direção de propagação γconcorda com a direção axial do cano de aço. Em outras palavras, o ângulointerno de retração 0k se torna cerca de 41°. O ângulo de retração 0s geral-mente aumenta à medida que a direção de propagação γ desvia da direçãoaxial do cano de aço para a direção circunferencial e o ângulo interno deretração 0k assume um valor máximo, o que é representado pela equação(8) descrita acima, quando a direção de propagação γ concorda com a dire-ção circunferencial do cano de aço. No presente exemplo, o ângulo internode retração 0k é obtido por se substituir t/D = 11% e 0s (0s2) = 31° na equa-ção (8), produzindo cerca de 41°, o que é um valor equivalente do ângulointerno de retração 0k quando a direção de propagação γ concorda com adireção axial do cano de aço. Assim, um ângulo interno de retração aproxi-madamente equivalente 0k também é obtido quando a direção de propaga-ção γ de uma onda ultra-sônica está entre a direção axial e a direção circun-ferencial do cano de aço. Ou seja, um ângulo interno de retração aproxima-damente equivalente 0k será obtido quando a direção de propagação γ deuma onda ultra-sônica é qualquer uma na faixa de -180° até 180°.
Desde que o formato da sonda ultra-sônica 1A de acordo com opresente exemplo é determinado como descrito acima, é possível causarque a direção de propagação γ de uma onda ultra-sônica transmitida por ca-da transdutor 11 e que a direção de extensão de falhas a serem detectadassejam ortogonais uma à outra e, ao mesmo tempo, manter o ângulo internode retração 0k aproximadamente constante independente do ângulo de incli-nação.
A Figura 10 apresenta a intensidade de eco (intensidade relativaquando a intensidade de eco por uma falha de superfície interna com o ân-gulo de inclinação de O0 é definida como sendo 0 dB) por cada falha de su-perfície interna obtida pela realização de um teste ultra-sônico utilizando oequipamento de teste ultra-sônico 100A de acordo com o presente exemplo.Como apresentado na Figura 10, é visto que intensidade de eco aproxima-damente equivalente é obtida utilizando o equipamento de teste ultra-sônico100A de acordo com o presente exemplo para falhas de superfície internacom os ângulos de inclinação de 67,5° até 90° e, como resultado, a capaci-dade de detecção de falhas, aproximadamente equivalentes, é obtida.
Pela adoção, também para o equipamento de teste ultra-sônico100A de acordo com o presente exemplo da mesma forma que com o equi-pamento de teste ultra-sônico 100 de acordo com o primeiro exemplo, umaconfiguração na qual o dispositivo de controle de transmissão/recepção 2Acontrola o fuso horário de transmissão ou o fuso horário de recepção de umaonda ultra-sônica de cada transdutor 11, de modo que cada eco de superfí-cie no cano de aço de uma onda ultra-sônica transmitida por cada transdutor11 seja recebido aproximadamente ao mesmo tempo, falhas com vários ân-gulos de inclinação podem ser rapidamente detectadas e uma zona morta navizinhança da superfície do cano de aço pode ser reduzida.
Terceiro Exemplo (vide Figura 5)
Utilizando o equipamento de teste ultra-sônico 100A, cuja confi-guração de esboço é apresentada na Figura 5, um teste ultra-sônico similara este no segundo exemplo foi realizado. Entretanto, as condições do expe-rimento são diferentes, nas quais cada um dentre os vários transdutores 11incorporado na sonda ultra-sônica 1A é composto de oito elementos piezoe-létricos 111 divididos em um formato retangular ao longo da direção radial decada transdutor 11, e canos de aço cuja t/D é 5% e 14%, bem como 11%,foram incluídos como objeto de teste.
O formato da sonda ultra-sônica 1A foi determinado, como nosegundo exemplo, para ser ótimo para um cano de aço com t/D = 11% e oângulo de incidência Gw de uma onda ultra-sônica transmitida para dentrodos canos de aço foi ajustado por eletricamente controlar o fuso horário detransmissão/recepção de ondas ultra-sônicas por vários elementos piezoelé-tricos 111 utilizando o dispositivo de controle de transmissão/recepção 2A demodo que a capacidade de detecção aproximadamente equivalente de fa-lhas é obtida para canos de aço com outras t/D.
A Figura 11 apresenta a intensidade de eco (intensidade relativaquando a intensidade de eco por uma falha de superfície interna com o ân-gulo de inclinação de O0 formada em um cano de aço com t/D = 11% é defi-nida para ser 0 dB) por cada falha de superfície interna formada em um canode aço de cada t/D obtida por se realizar um teste ultra-sônico utilizando oequipamento de teste ultra-sônico 100A. Como apresentado na Figura 11, évisto que intensidade de eco aproximadamente equivalente é obtida utilizan-do o equipamento de teste ultra-sônico 100A de acordo com o presente e-xemplo para falhas de superfície interna com os ângulos de inclinação de -70° até 90° em canos de aço cuja t/D é 5% até 14% e, como resultado, umacapacidade de detecção de falhas, aproximadamente equivalentes, é obtida.Quarto Exemplo
O presente exemplo é uma variante do segundo exemplo descri-to acima e um experimento de detecção de falhas de superfície interna for-madas na superfície interna de um cano de aço (t/D = 11%) foi realizado. AFigura 12 apresenta a configuração de esboço de um equipamento de testeultra-sônico 100B de acordo com o presente exemplo. A Figura 12 (a) apre-senta uma vista secional frontal, a Figura 12 (b) apresenta uma vista plana, ea Figura 12 (c) apresenta uma vista secional lateral. Como apresentado naFigura 12, o equipamento de teste ultra-sônico 100B de acordo com o pre-sente exemplo, possui uma sonda ultra-sônica 1B equipada com quatrotransdutores (sonda de feixe de ângulo) 11 A, 11B, 11C e 11D com a fre-qüência oscilante de 5 MHz e uma sonda de feixe reto 12 com freqüênciaoscilante de 5 MHz, um gabinete acrílico 5 no qual estes transdutores 11Aaté 11D e a sonda de feixe reto 12 são montados, e um tubo flexível 6 co-nectado com uma ponta do gabinete 5. O equipamento de teste ultra-sônico100B de acordo com o presente exemplo possui, da mesma forma que osegundo exemplo, um dispositivo de controle de transmissão/recepção (video dispositivo de controle de transmissão/recepção 2A apresentado na Figura5) para controlar a transmissão/recepção de uma onda ultra-sônica pelasonda ultra-sônica 1B. O equipamento de teste ultra-sônico 100B tambémpossui o circuito de decisão de falha 3 (vide a Figura 5) para detectar falhasexistindo em um cano de aço P por comparar uma amplitude de um eco apartir do cano de aço P com um limite predeterminado e o alarme, etc, o dis-positivo de saída 4 (vide a Figura 5) para emitir um aviso predeterminado oucoisa parecida quando uma falha é detectada pelo circuito de decisão defalha 3. Desde que a configuração dos aparelhos de um dispositivo de con-trole de transmissão/recepção no presente exemplo é a mesma que esta dodispositivo de controle de transmissão/recepção 2 apresentado na Figura 3,uma descrição detalhada do mesmo é omitida.
Os quatro transdutores 11A até 11D incorporados na sonda ul-tra-sônica 1B são dispostos, como no segundo exemplo, de modo que assuperfícies transdutores SA até SD sejam dispostas ao longo de uma super-fície curva anular obtida por se cortar um esferóide predeterminado com doisplanos paralelos voltados um para o outro que não passam através do cen-tro O do esferóide e não imprensam o centro O do esferóide, os ditos doisplanos paralelos sendo ortogonais ao eixo geométrico de rotação do esferói-de. Mais concretamente, os transdutores 11A e 11B são dispostos na dire-ção do eixo geométrico mais longo da sonda ultra-sônica 1B (direção do eixogeométrico mais longo da superfície curva anular, a qual é a direção χ apre-sentada na Figura 12 (b)) de modo que o ângulo de incidência 0w1 repre-sentado pela equação 9 descrita acima se torna cerca de 18°. Os transduto-res 11C e 11D são dispostos na direção do eixo geométrico mais curto dasonda ultra-sônica 1B (direção do eixo geométrico mais curto da superfíciecurva anular, a qual é a direção y apresentada na Figura 12 (b)) de modoque o ângulo de incidência 0w2 representado pela equação (10) descritaacima se torne cerca de 14°. Estes ângulos de incidência Θνν1 e 0w2 satisfa-zem a equação (11) descrita acima.
A sonda de feixe reto 12 incorporada na sonda ultra-sônica 1B édisposta de modo que uma superfície transdutora SO da mesma passe atra-vés do centro O do esferóide e seja ao longo de uma linha reta L (corres-pondendo ao eixo de rotação do esferóide) encontrando ortogonal com osdois planos paralelos (imediatamente acima do centro O do esferóide no e-xemplo apresentado na Figura 12). Assim, simultaneamente com o teste ul-tra-sônico por um método de feixe de ângulo utilizando os transdutores 11Aaté 11 D, uma vantagem de estar apta a executar medição de espessura docano de aço Pea detecção de laminação utilizando a sonda de feixe reto 12é obtida.
Então, um teste ultra-sônico foi realizado em um estado onde asonda ultra-sônica 1B é disposta de modo a ficar voltada para o cano de açoP de modo que a direção do eixo geométrico mais longo da sonda ultra-sônica 1B fique ao longo da direção axial do cano de aço, a direção do eixogeométrico mais curto da sonda ultra-sônica 1B fique ao longo da direçãocircunferencial do cano de aço, e o centro O do esferóide de forma corretafique voltado para o centro axial do cano de aço P e fique localizado na vizi-nhança da superfície externa do cano de aço P. Água como um meio de a-coplamento foi colocada entre a sonda ultra-sônica 1B e o cano de aço Tpelo fornecimento de água para dentro do gabinete 5 através de uma tornei-ra 51 proporcionada em uma parede lateral do gabinete 5.
Tal como descrito para o segundo exemplo, desde que a veloci-dade de propagação de uma onda ultra-sônica (onda ultra-sônica de cisa-Ihamento) no cano de aço é 320 m/seg e a velocidade de propagação deuma onda ultra-sônica (onda ultra-sônica longitudinal) na água o qual é omeio de acoplamento, é 1500 m/seg, o ângulo de refração (ângulo de refra-ção correspondendo ao ângulo de incidência Θνν1) 6s (chamado 6s1) de umaonda ultra-sônica transmitida pelos transdutores 11A e 11B localizados noeixo geométrico mais longo da sonda ultra-sônica 1B se torna cerca de 41° eo ângulo de refração (ângulo de refração correspondendo ao ângulo de inci-dência 6w2) Qs (chamado 0s2) de uma onda ultra-sônica transmitida pelostransdutores 11C e 11D localizados no eixo geométrico mais curto da sondaultra-sônica 1B se torna cerca de 31
Como descrito acima, o ângulo externo de refração 0r de umaonda ultra-sônica se torna igual aos ângulos de retração Gs1 e Gs2, e o ân-gulo interno de retração Gk é representado como uma função do ângulo deincidência Gw, da direção de propagação γ, e da t/D do cano de aço P. Ouseja, o ângulo interno de retração Bk assume um valor mínimo e é igual aoângulo de retração Gs1 quando a direção de propagação γ concorda com adireção axial do cano de aço P. Em outras palavras, o ângulo interno de re-tração Gk relacionado com os transdutores 11A e 11B se torna cerca de 41°.O ângulo de retração Gs geralmente aumenta à medida que a direção depropagação γ desvia da direção axial do cano de aço P para a direção cir-cunferencial e o ângulo interno de retração Gk assume um valor máximo, oqual é representado pela equação (8) descrita acima, quando a direção depropagação γ concorda com a direção circunferencial do cano de aço P. Nopresente exemplo, o ângulo interno de retração Gk relacionado com ostransdutores 11C e 11D é obtido por se substituir t/D = 11% e Gs (Gs2) = 31°na equação (8), produzindo cerca de 41°, o qual é um valor equivalente doângulo interno de retração Gk quando a direção de propagação γ concordacom a direção axial do cano de aço P.
Desde que o formato da sonda ultra-sônica 1B de acordo com opresente exemplo (condição de disposição dos transdutores 11A até 11 D) édeterminado como descrito acima, é possível causar que a direção de pro-pagação γ de uma onda ultra-sônica transmitida por cada um dos transduto-res 11A até 11D e a direção de extensão das falhas a serem detectadas,sejam ortogonais uma à outra, e ao mesmo tempo, manter o ângulo internode retração Gk aproximadamente constante independente do ângulo de incli-nação.
Em outras palavras, é possível detectar falhas se estendendo nadireção circunferencial do cano de aço P pelos transdutores 11A e 11B dis-postos ao longo da direção axial do cano de aço P e falhas se estendendona direção axial do cano de aço P pelos transdutores 11C e 11D dispostosao longo da direção circunferencial do cano de aço P respectivamente comalta precisão.
No presente exemplo, o teste ultra-sônico é conduzido pela rota-ção do cano de aço P na direção circunferencial e pelo movimento do canode aço P na direção axial. Em adição, o equipamento de teste ultra-sônico100B possui, de preferência, um aparelho de acompanhamento para manteruma posição relativa da sonda ultra-sônica 1A com respeito ao cano de açoP aproximadamente constante em um plano ortogonal à direção axial do ca-no de aço P. Uma descrição mais concreta será dada abaixo com referênciaà Figura 13 quando julgado apropriado.
A Figura 13 apresenta a configuração de esboço de um aparelhode acompanhamento incorporado no equipamento de teste ultra-sônico100B de acordo com o presente exemplo. Um aparelho de acompanhamento7 no presente exemplo possui, como apresentado na Figura 13, um ou mais(dois no presente exemplo) indicadores de deslocamento que não são decontato (por exemplo, indicadores de deslocamento a laser, indicadores dedeslocamento de vórtice, indicadores de deslocamento ultra-sônicos e assimpor diante) 71A e 71B para medir a distância até a superfície externa do ca-no de aço P, os mecanismos de posicionamento (cilindros hidráulicos nopresente exemplo) 72A e 72B para mover a sonda ultra-sônica 1B ao longode duas direções (a direção vertical (direção Z) e a direção horizontal (dire-ção Y) no presente exemplo) ortogonais à direção axial do cano de aço P, eo dispositivo de controle de posicionamento (controladores hidráulicos nopresente exemplo) 73A e 73B para controlar os mecanismos de posiciona-mento 72A e 72B.
No presente exemplo, é adotada uma configuração na qual adistância medida pelo indicador de deslocamento que não é de contato 71Aé informada para o dispositivo de controle de posicionamento 73A via umamplificador de indicador de deslocamento 74A e a distância medida peloindicador de deslocamento que não é de contato 71B é informada para odispositivo de controle de posicionamento 73B via um amplificador de indi-cador de deslocamento 74B. Então, o dispositivo de controle de posiciona-mento 73A controla o mecanismo de posicionamento 72A (ajusta a posiçãoda sonda ultra-sônica 1B na direção Z) baseado em um valor medido de dis-tância informada pelo indicador de deslocamento que não é de contato 71A(amplificador de indicador de deslocamento 74A), de modo que a posiçãorelativa da sonda ultra-sônica 1B com respeito ao cano de aço P fica apro-ximadamente constante. De forma similar, o dispositivo de controle de posi-cionamento 73B controla um mecanismo de posicionamento 72B (ajusta aposição da sonda ultra-sônica 1B na direção Y), baseado em um valor medi-do da distância informada pelo indicador de deslocamento que não é de con-tato 71B (amplificador de indicador de deslocamento 74B), de modo que aposição relativa da sonda ultra-sônica 1B com respeito ao cano de aço P ficaaproximadamente constante.
Mais concretamente, a medição de distância até a superfície ex-terna do cano de aço P pelos indicadores que não são de contato 71A e 71Bé sempre feita continuamente quando se realizando um teste ultra-sônico.Então, o dispositivo de controle de posicionamento 73A aciona o mecanismode posicionamento 72A de modo que uma diferença entre um valor de dis-tância medido informado pelo indicador de deslocamento que não é de con-tato 71A e uma distância padrão predeterminada se torne zero. Em outraspalavras, o dispositivo de controle de posicionamento 73A aciona o meca-nismo de posicionamento 72A para mover a sonda ultra-sônica 1B por umadistância correspondendo à diferença na direção Z. Neste ponto, o dispositi-vo de controle de posicionamento 73A mede um valor real de quantidade deacionamento (distância de movimento da sonda ultra-sônica 1B na direçãoZ) do mecanismo de posicionamento 72A como a ocasião requer, e o meca-nismo de posicionamento 72A é acionado até que o valor realmente medidose torne igual à diferença para aperfeiçoar a precisão da disposição. Inciden-temente, o mecanismo de posicionamento 72A é acionado pelo dispositivode controle de posicionamento 73A com sincronização quando uma área docano de aço P, cuja distância foi medida pelo indicador de deslocamento quenão é de contato 71A alcança, após passar um tempo predeterminado (cal-culado baseado no diâmetro externo e na velocidade de rotação do cano deaço P), a posição onde a sonda ultra-sônica 1B é disposta (ou seja, a posi-ção após a rotação de 180°).
De forma similar, o dispositivo de controle de posicionamento73Β aciona um mecanismo de posicionamento 72B de modo que uma dife-rença entre um valor de distância medido informado pelo indicador de deslo-camento que não é de contato 71B e uma distância padrão predeterminadase torne zero. Em outras palavras, o dispositivo de controle de posiciona-mento 73B aciona o mecanismo de posicionamento 72B para mover a sondaultra-sônica por uma distância correspondendo à diferença na direção Y.Neste ponto, o dispositivo de controle de posicionamento 73B mede um va-lor real de quantidade de acionamento (distância para mover a sonda ultra-sônica 1B na direção Y) do mecanismo de posicionamento 72B como requera ocasião, e o mecanismo de posicionamento 72B é acionado até que o va-lor realmente medido se torne igual à diferença para aperfeiçoar a precisãoda disposição. Incidentemente, o mecanismo de posicionamento 72B é acio-nado pelo dispositivo de controle de posicionamento 73B com sincronizaçãoquando uma área do cano de aço P cuja distância foi medida pelo indicadorde deslocamento que não é de contato 71B alcança, após passar um tempopredeterminado (calculado baseado no diâmetro externo e na velocidade derotação do cano de aço P), uma posição de rotação de 180°.
No presente exemplo, foi descrita uma configuração na qual aposição na direção Z da sonda ultra-sônica 1B é ajustada baseado em umadistância medida pelo indicador de deslocamento que não é de contato 71Ae a posição na direção Y da sonda ultra-sônica 1B é ajustada baseado emuma distância medida pelo indicador de deslocamento que não é de contato71B, mas a configuração não está limitada a isto. Por exemplo, pode tam-bém ser adotada outra configuração na qual a posição na direção Y da son-da ultra-sônica 1B é ajustada baseado em um valor medido de distância peloindicador de deslocamento que não é de contato 7A com sincronizaçãoquando uma área do cano de aço P, cuja distância foi medida pelo indicadorde deslocamento que não é de contato 71A alcança uma posição de rotaçãode 90° e a posição na direção Z da sonda ultra-sônica 1B é ajustada basea-do em um valor de distância medido pelo indicador de deslocamento quenão é de contato 71B com sincronização quando uma área do cano de açoP, cuja distância foi medida pelo indicador de deslocamento que não é decontato 71B alcança uma posição de rotação de 90°.
Desde que, como descrito acima, o equipamento de teste ultra-sônico 100B de acordo com o presente exemplo possui, como uma configu-ração preferida, a posição relativa da sonda ultra-sônica 1B com respeito aocano de aço P pode ser mantida aproximadamente constante pelo aparelhode acompanhamento 7 mesmo se o cano de aço P possuir um formato emseção transversal que não é uma volta completa ou uma curvatura axial tiverocorrido. Portanto, variações no ângulo de incidência de uma onda ultra-sônica dentro do cano de aço P a partir de cada um dos transdutores 11Aaté 11D da sonda ultra-sônica 1B, são suprimidas e, como resultado, a ca-pacidade de detecção de falhas pode ser mantida aproximadamente cons-tante.
Aqui, da mesma forma que o equipamento de teste ultra-sônicode acordo com o primeiro e com o segundo exemplos, no equipamento deteste ultra-sônico 100B de acordo com o presente exemplo, o dispositivo decontrole de transmissão/recepção controla o fuso horário de transmissão ouo fuso horário de recepção de uma onda ultra-sônica de cada um dos trans-dutores 11A até 11D de modo que cada eco de superfície no cano de aço Pde uma onda ultra-sônica transmitida por cada um dos transdutores 11A até11D seja recebido aproximadamente ao mesmo tempo. Então, da mesmaforma que o equipamento de teste ultra-sônico, de acordo com o primeiro ecom o segundo exemplo, um eco recebido por cada um dos transdutores11A até 11D é sintetizado e as falhas são detectadas baseado no eco sinte-tizado. Portanto, as falhas em quatro direções podem ser aproximadamentede forma simultânea detectadas. Isto permite uma quadruplicação da veloci-dade do teste ultra-sônico, comparado com o teste ultra-sônico convencionalcom divisão de tempo (primeiro: teste ultra-sônico utilizando o transdutor11 A, segundo: teste ultra-sônico utilizando o transdutor 11B, terceiro: testeultra-sônico utilizando o transdutor 11C, quarto: teste ultra-sônico utilizandoo transdutor 11 D, quinto: teste ultra-sônico utilizando o transdutor 11 A, daquipara frente repetido).
A Figura 14 ilustra formas de onda de teste ultra-sônico (formasde onda de ecos recebidos pelo transdutor A) obtidas quando uma onda ul-tra-sônica é transmitida e recebida pelo transdutor A somente no equipa-mento de teste ultra-sônico 10OB de acordo com o presente exemplo. A Fi-gura 15 ilustra formas de onda de teste ultra-sônico (formas de onda obtidaspela sintetização de ecos recebidos pelos transdutores 11A até 11 D) obtidasquando, por controlar o fuso horário de transmissão ou o fuso horário de re-cepção de cada um dos transdutores 11A até 11D de modo que cada eco desuperfície seja recebido aproximadamente ao mesmo tempo, uma onda ul-tra-sônica é transmitida e recebida por cada um dos transdutores 11A até11D no equipamento de teste ultra-sônico 100D de acordo com o presenteexemplo.
Uma ocorrência de um sinal de forma E é característico das for-mas de onda de teste ultra-sônico apresentadas na Figura 14, comparadascom as formas de onda de teste ultra-sônico obtidas quando o teste ultra-sônico geral é realizado. Nas formas de onda de teste ultra-sônico apresen-tadas na Figura 15, uma ocorrência de um sinal de reflexão de superfície S,em adição ao sinal de forma E, é característica. As ocorrências destes sinaisde forma E e do sinal de reflexão de superfície S são devido a dois transdu-tores dispostos de modo a ficarem voltados um para o outro. Ou seja, por-que os transdutores 11A e 11B são dispostos simétricos com respeito a umalinha reta L e os transdutores 11C e 11D são dispostos simétricos com res-peito à linha reta L.
Mais concretamente, como apresentado na Figura 16, o sinal deforma E corresponde, por exemplo, a um eco recebido pelo transdutor 11Bde uma onda ultra-sônica transmitida pelo transdutor 11B após ser refletidaem uma superfície externa do cano de aço P, então refletida no transdutor11A disposto de modo a ficar voltado para o transdutor 11B, e novamenterefletida na superfície externa do cano de aço Ρ. O sinal de reflexão de su-perfície S corresponde, por exemplo, a um eco recebido pelo transdutor 11Adisposto de modo a ficar voltado para o transdutor 11B de uma onda ultra-sônica transmitida pelo transdutor 11B após ser refletida na superfície exter-na do cano de aço P.Como descrito acima, sinais característicos (sinais que ocorremindependentes de se existe uma falha ou não) tal como o sinal de forma E eo sinal de reflexão de superfície S, ocorrem nas formas de onda de testeultra-sônico, obtidas pelo equipamento de teste ultra-sônico 100B de acordocom o presente exemplo. Entretanto, pelo ajuste da distância h a partir docentro O do esferóide da sonda ultra-sônica 1B (vide a Figura 5) enquantomantendo uma condição de dispor a sonda ultra-sônica 1B de modo que ocentro O do esferóide corretamente fique voltado para o centro axial do canode aço P e esteja localizado na vizinhança da superfície externa do cano deaço P, os sinais de falha das superfícies interna e externa podem ser leva-dos a ocorrer entre o sinal de reflexão de superfície Seo sinal de forma E, eassim, as falhas podem ser detectadas como no teste ultra-sônico conven-cional utilizando o método de feixe de ângulo.
Aqui, uma razão porque o fuso horário de transmissão ou o fusohorário de recepção de uma onda ultra-sônica transmitida por cada um dostransdutores 11A até 11D é controlada de modo que cada eco de superfícieno cano de aço P seja recebido aproximadamente ao mesmo tempo é des-crita abaixo.
Ou seja,
(1) um sinal de reflexão de superfície produzido através da re-cepção pelo transdutor 11B de uma onda ultra-sônica transmitida pelo trans-dutor 11 A,
(2) um sinal de reflexão de superfície produzido através da re-cepção pelo transdutor 11A de uma onda ultra-sônica transmitida pelo trans-dutor 11B,
(3) um sinal de reflexão de superfície produzido através da re-cepção pelo transdutor 11D de uma onda ultra-sônica transmitida pelo trans-dutor 11C, e
(4) um sinal de reflexão de superfície produzido através da re-cepção pelo transdutor 11C de uma onda ultra-sônica transmitida pelo trans-dutor 11D são levados a ocorrer aproximadamente ao mesmo tempo.
Além disso,(5) um sinal de forma produzido através da reflexão no transdu-tor 11B e da recepção pelo transdutor 11A de uma onda ultra-sônica trans-mitida pelo transdutor 11 A,
(6) um sinal de forma produzido através da reflexão no transdu-tor 11A e da recepção pelo transdutor 11B de uma onda ultra-sônica trans-mitida pelo transdutor 11B,
(7) um sinal de forma produzido através da reflexão no transdu-tor 11D e a da recepção pelo transdutor 11C de uma onda ultra-sônicatransmitida pelo transdutor 11C, e
(8) um sinal de forma produzido através da reflexão no transdu-tor 11C e da recepção pelo transdutor 11C de uma onda ultra-sônica trans-mitida pelo transdutor 11D são levados a ocorrer aproximadamente aomesmo tempo.
A duração (largura das formas de onda) do sinal de forma E (si-nal após a sintetização de cada sinal de forma do dito acima (5) até (8)) e dosinal de reflexão de superfície S (sinal após a sintetização de cada sinal dereflexão de superfície do dito acima (1) até (4)) apresentada na Figura 15pode ser reduzida através do controle como descrito acima, e assim, umazona morta resultando da ocorrência destes sinais característicos pode ago-ra ser feita mais estreita.
Desde que o equipamento de teste ultra-sônico 10OB de acordocom o presente exemplo descrito acima possui a sonda ultra-sônica 1B comuma estrutura muito compacta, enquanto realizando aproximadamente aomesmo tempo o teste ultra-sônico dos métodos de feixe de ângulo e de feixenormal em quatro direções, o aparelho de acompanhamento 7 possuindo umpar de indicadores de deslocamento que não são de contato 71A e 71B, oscilindros hidráulicos 71A e 72B, e os controladores hidráulicos 73A e 73Bpoderiam ser integrados. Portanto, torna-se possível simplificar o equipa-mento e reduzir os custos ao mesmo tempo em que aperfeiçoando a eficiên-cia do teste ultra-sônico. Além disso, devido ao aparelho de acompanhamen-to 7 ter sido selecionado como sendo do tipo de não contato, se tornou pos-sível detectar falhas por todo o cano de aço P incluindo as extremidades docano com alta precisão, ao mesmo tempo em que aperfeiçoando o acompa-nhamento nas extremidades do cano, do cano de aço P.

Claims (21)

1. Método de teste ultra-sônico compreendendo as etapas de:dispor uma sonda ultra-sônica possuindo vários transdutores demodo a ficar voltada para um objeto de teste tubular, ecausar que transdutores apropriadamente selecionados a partirdos ditos vários transdutores transmitam e recebam ondas ultra-sônicas demodo que as ondas ultra-sônicas sejam propagadas no dito objeto de testetubular em várias diferentes direções de propagação, ondeuma condição de teste ultra-sônico pela dita sonda ultra-sônica éestabelecida de modo que os respectivos ângulos externos de retração Θγ daonda ultra-sônica nas ditas várias direções de propagação sejam aproxima-damente equivalentes e/ou que os respectivos ângulos internos de retraçãointerna Gk da onda ultra-sônica nas várias ditas direções de propagação se-jam aproximadamente equivalentes.
2. Método de teste ultra-sônico, de acordo com a reivindicação-1, ondea dita sonda ultra-sônica possui vários transdutores dispostosem um estado de matriz em uma superfície plana ou curva, eos ditos transdutores são selecionados de modo que os respec-tivos ângulos externos de retração 0r da onda ultra-sônica nas ditas váriasdireções de propagação sejam aproximadamente equivalentes e/ou os res-pectivos ângulos internos de retração 0k da onda ultra-sônica nas ditas vá-rias direções de propagação sejam aproximadamente equivalentes.
3. Método de teste ultra-sônico, de acordo com a reivindicação-2,ondeum ângulo de incidência circunferencial ai e um ângulo de inci-dência axial βϊ da onda ultra-sônica no dito objeto de teste tubular nas ditasvárias direções de propagação são respectivamente determinados baseadona equação (1) seguinte, de modo que os respectivos ângulos externos deretração Gr da onda ultra-sônica representados pela equação (1) seguinte,nas ditas várias direções de propagação são aproximadamente equivalen-tes, eos ditos transdutores são selecionados de modo que o dito ân-gulo de incidência circunferencial determinado ai e o dito ângulo de incidên-cia axial βί são obtidos:<formula>formula see original document page 75</formula>onde, na equação (1) acima, Vs significa uma velocidade de propagação daonda ultra-sônica propagada no objeto de teste tubular, e Vi significa a velo-cidade de propagação da onda ultra-sônica em um meio de acoplamentoexistente entre a sonda ultra-sônica e o objeto de teste tubular.
4. Método de teste ultra-sônico, de acordo com a reivindicação-2, ondeo ângulo de incidência circunferencial ai e o ângulo de incidênciaaxial βΐ da onda ultra-sônica no dito objeto de teste tubular nas ditas váriasdireções de propagação são respectivamente determinados baseado nasequações (1) até (6) seguintes, de modo que os respectivos ângulos internosde refração 6k da onda ultra-sônica representados pela equação (2) seguintenas ditas várias direções de propagação são aproximadamente equivalen-tes, eos ditos transdutores são selecionados de modo que o dito ân-gulo de incidência circunferencial determinado ai incidente e o dito ângulo deincidência axial βϊ são obtidos:<formula>formula see original document page 75</formula>onde o ângulo externo de refração 6r, um ângulo de propagação γ e um ân-gulo φ na equação (2) acima, são representados respectivamente pelas e-quações (1), (3) e (4) seguintes:<formula>formula see original document page 75</formula>onde na equação (1) acima, Vs significa a velocidade de propagação da on-da ultra-sônica propagada no objeto de teste tubular, e Vi significa a veloci-dade de propagação da onda ultra-sônica no meio de acoplamento existenteentre a sonda ultra-sônica e o objeto tubular; e k e θ' na equação (4) acimasão representados respectivamente pelas equações (5) e (6) seguintes:<formula>formula see original document page 76</formula>onde t/D na equação 5 acima significa uma proporção de espessura para odiâmetro externo do objeto de teste tubular.
5. Método de teste ultra-sônico, de acordo com a reivindicação 1, ondea dita sonda ultra-sônica possui os vários transdutores dispostosao longo de uma superfície curva anular obtida pelo corte de um esferóidepredeterminado com dois planos paralelos voltados um para o outro que nãopassam através de um centro do esferóide e não imprensam o centro doesferóide, os ditos dois planos paralelos sendo ortogonais ao eixo de rotaçãodo esferóide,na etapa de dispor a dita sonda ultra-sônica de modo a ficar vol-tada para o dito objeto de teste tubular, a dita sonda ultra-sônica é dispostade modo que uma direção de eixo geométrico mais longo da dita sonda ul-tra-sônica seja ao longo de uma direção axial do dito objeto de teste tubular,uma direção de eixo geométrico mais curto da dita sonda ultra-sônica sejaao longo de uma direção circunferencial do dito objeto de teste tubular, e ocentro do dito esferóide de forma correta fique voltado para um centro axialdo dito objeto de teste tubular, eum formato da dita superfície curva anular seja determinado demodo que os respectivos ângulos externos de refração Θγ da onda ultra-sônica nas ditas várias direções de propagação sejam aproximadamenteequivalentes, e/ou os respectivos ângulos internos de refração Gk da ondaultra-sônica nas ditas várias direções de propagação sejam aproximadamen-te equivalentes.
6. Método de teste ultra-sônico, de acordo com a reivindicação 5, ondeos respectivos ângulos de incidência θνν da onda ultra-sônicadentro do dito objeto de teste tubular nas ditas várias direções de propaga-ção são calculados na equação (7) seguinte, de modo que os respectivosângulos externos de retração θr da onda ultra-sônica, representados pelaequação (7) seguinte nas ditas várias direções de propagação sejam apro-ximadamente equivalentes, eo formato da dita superfície curva anular é determinado de modoque o dito ângulo de incidência calculado 0w seja obtido:Siner=Vs/Vr.sin θ w ·*·(7)onde, na equação (7) acima, Vs significa a velocidade de propagação daonda ultra-sônica propagada no objeto de teste tubular, e Vi significa a velo-cidade de propagação da onda ultra-sônica no meio de acoplamento existen-te entre a sonda ultra-sônica e o objeto de teste tubular.
7. Método de teste ultra-sônico, de acordo com a reivindicação 5, ondeos respectivos ângulos de incidência θw da onda ultra-sônica nodito objeto de teste tubular nas ditas várias direções de propagação são cal-culados baseado na equação (7) seguinte de modo que os respectivos ângu-los internos de refração θk da onda ultra-sônica representados pela equação(2) seguinte nas ditas várias direções de propagação são aproximadamenteequivalentes, eo formato da dita superfície curva anular é determinado de modoque o dito ângulo de incidência calculado θw seja obtido:θk=cos 1(cosθ r*cosθ — sin θ r.cos y *sin0) * ■ ■ (2)onde o ângulo de refração externa Θγ, o ângulo de propagação γ, e o ânguloφ na equação (2) acima são representados respectivamente pelas equações(7), (3), e (4):<formula>formula see original document page 77</formula>onde, na equação (7) acima, Vs significa a velocidade de propagação daonda ultra-sônica propagada no objeto de teste tubular, e Vi significa a velo-cidade de propagação da onda ultra-sônica no meio de acoplamento existen-te entre a sonda ultra-sônica e o objeto de teste tubular; e k e θ' na equação(4) acima são representados respectivamente pelas equações (5) e (6) se-guintes:<formula>formula see original document page 78</formula>θ ' =cos γ˙tan θr ...(e)onde t/D na equação (5) acima significa a proporção de espessura para diâ-metro externo do objeto de teste tubular.
8. Método de teste ultra-sônico, de acordo com qualquer umadas reivindicações 5 até 7, ondena etapa de dispor a dita sonda ultra-sônica de modo a ficar vol-tada para o dito objeto de teste tubular, a sonda ultra-sônica é disposta demodo que o centro do dito esferóide corretamente fique voltado para o cen-tro axial do dito objeto de teste tubular e fique localizado em uma vizinhançade uma superfície externa do dito objeto de teste tubular, eo formato da dita superfície curva anular é determinado de modoque a onda ultra-sônica transmitida pelo menos a partir do transdutor dispos-to no eixo geométrico mais longo da dita sonda ultra-sônica entre os ditosvários transdutores, é propagada para dentro do dito objeto de teste tubularem um ângulo de refração da onda de cisalhamento de 35° ou mais.
9. Equipamento de teste ultra-sônico para detectar uma falha porondas ultra-sônicas em um objeto de teste tubular, compreendendo:uma sonda ultra-sônica disposta de modo a ficar voltada para odito objeto de teste tubular na qual vários transdutores são dispostos respec-tivamente em uma direção de fileira e em uma direção de coluna em um es-tado de matriz em uma superfície plana ou curva, e um dispositivo de contro-le de transmissão/recepção para controlar a transmissão/recepção de ondasultra-sônicas pela dita sonda ultra-sônica, ondeo dito dispositivo de controle de transmissão/recepçãoseleciona um grupo de transdutores incluindo pelo menos umtransdutor a partir dos ditos vários transdutores e causa que um grupo sele-cionado de transdutores transmita e receba a onda ultra-sônica em uma di-reção de propagação no dito objeto de teste tubular, eseleciona outro grupo de transdutores incluindo pelo menos umtransdutor em uma posição diferente tanto na direção de fileira como na di-reção de coluna desta de qualquer transdutor constituindo o dito um grupode transdutores e causa que o outro grupo selecionado de transdutorestransmita e receba a onda ultra-sônica em outra direção de propagação apartir da dita uma direção de propagação.
10. Equipamento de teste ultra-sônico, como definido na reivin-dicação 8, onde o dito dispositivo de controle de transmissão/recepção con-trola o fuso de tempo de transmissão ou o fuso de tempo de recepção dasondas ultra-sônicas do dito um grupo de transdutores e do dito outro grupode transdutores, de modo que um eco de superfície no dito objeto de testetubular da onda ultra-sônica, transmitida a partir do dito um grupo de trans-dutores, e o outro eco de superfície no objeto de teste tubular da onda ultra-sônica, transmitida a partir do dito outro grupo de transdutores, sejam rece-bidos aproximadamente ao mesmo tempo.
11. Sonda ultra-sônica para detectar uma falha por ondas ultra-sônicas em um objeto de teste tubular, compreendendo:vários transdutores dispostos ao longo de uma superfície curvaanular, ondea dita superfície curva anular é obtida pelo corte de um esferóidepredeterminado com dois planos paralelos voltados um para o outro, osquais não passam através de um centro do esferóide e não imprensam ocentro do esferóide, os ditos dois planos paralelos sendo ortogonais ao eixogeométrico de rotação do esferóide.
12. Sonda ultra-sônica, de acordo com a reivindicação 11, adi-cionalmente compreendendo pelo menos uma sonda de feixe reto dispostaao longo de uma linha reta que passa através do centro do dito esferóide e éortogonal aos ditos dois planos paralelos.
13. Equipamento de teste ultra-sônico, compreendendo:a sonda ultra-sônica como definido na reivindicação 11 ou 12disposta a ficar voltada para o dito objeto de teste tubular, de modo que umadireção do eixo geométrico mais longo da sonda ultra-sônica fique ao longode uma direção axial do dito objeto de teste tubular, uma direção de eixogeométrico mais curto da sonda ultra-sônica fique ao longo de uma direçãocircunferencial do dito objeto de teste tubular, e que o centro do dito esferói-de de forma correta fique voltado para um centro axial do dito objeto de testetubular; eum dispositivo de controle de transmissão/recepção para contro-lar a transmissão/recepção de ondas ultra-sônicas pela dita sonda ultra-sônica, ondeo dito dispositivo de controle de transmissão/recepção causaque pelo menos dois transdutores dentre os ditos vários transdutores trans-mitam as ondas ultra-sônicas para o dito objeto de teste tubular e recebamas mesmas a partir do dito objeto de teste tubular.
14. Equipamento de teste ultra-sônico, de acordo com a reivindi-cação 13, onde a dita sonda ultra-sônica é disposta de modo que o centro dodito esferóide fique localizado em uma vizinhança de uma superfície externado dito objeto de teste tubular.
15. Equipamento de teste ultra-sônico, de acordo com a reivindi-cação 13 ou 14, ondeo dito dispositivo de controle de transmissão/recepção controla ofuso de tempo de transmissão ou o fuso de tempo de recepção das ondasultra-sônicas de um transdutor e de outro transdutor entre pelo menos doistransdutores que transmitem as ondas ultra-sônicas para o dito objeto deteste tubular e recebem as mesmas a partir do dito objeto de teste tubular,de modo que um eco de superfície no dito objeto de teste tubular da ondaultra-sônica transmitida a partir do dito um transdutor e outro eco de superfí-cie no dito objeto de teste tubular da onda ultra-sônica transmitida a partir dodito outro transdutor, são recebidos aproximadamente ao mesmo tempo.
16. Equipamento de teste ultra-sônico, de acordo com a reivindi-cação 13 até 15, onde um dispositivo de ajuste para ajustar um ângulo deincidência da onda ultra-sônica transmitida a partir de cada um dos ditos vá-rios transdutores para o dito objeto de teste tubular, é proporcionado.
17. Equipamento de teste ultra-sônico, de acordo com a reivindi-cação 16, ondecada um dos ditos vários transdutores possui vários elementospiezoelétricos divididos em um formato retangular ao longo de uma direçãoradial de cada transdutor, eo dito dispositivo de ajuste ajusta o ângulo de incidência da ondaultra-sônica transmitida para o dito objeto de teste tubular por eletricamentecontrolar o fuso de tempo de transmissão/recepção da onda ultra-sônica pe-los ditos vários elementos piezoelétricos.
18. Equipamento de teste ultra-sônico, de acordo com qualqueruma das reivindicações 13 até 17, compreendendo um aparelho de acom-panhamento para manter uma posição relativa da dita sonda ultra-sônicacom respeito ao dito objeto de teste tubular aproximadamente constante emum plano ortogonal à direção axial do dito objeto de teste tubular.
19. Equipamento de teste ultra-sônico, de acordo com a reivindi-cação 18, ondeo dito aparelho de acompanhamento inclui um ou mais indicado-res de deslocamento que não são de contato, para medir uma distância atéa superfície externa do dito objeto de teste tubular, um mecanismo de posi-cionamento para mover a dita sonda ultra-sônica ao longo de duas direçõesortogonais à direção axial do dito objeto de teste tubular e um dispositivo decontrole de posicionamento para controlar o mecanismo de posicionamento;eo dito dispositivo de controle de posicionamento controla o ditomecanismo de posicionamento baseado na distância medida pelos ditos in-dicadores de deslocamento que não são de contato, de modo que a posiçãorelativa da dita sonda ultra-sônica com respeito ao dito objeto de teste tubu-lar fique aproximadamente constante.
20. Método de teste ultra-sônico onde, utilizando o equipamentode teste ultra-sônico como definido em qualquer uma das reivindicações 13até 19, uma falha em todo ou em parte do dito objeto de teste tubular é de-tectada por girar relativamente à dita sonda ultra-sônica ao longo da direçãocircunferencial do dito objeto de teste tubular e por relativamente mover amesma ao longo da direção axial do dito objeto de teste tubular.
21. Método de fabricação de um cano ou tubo sem costura inclu-indo:um primeiro processo para fabricar o cano ou tubo sem costurapor perfuração de um lingote; eum segundo processo para detectar uma falha no cano ou tubosem costura fabricado no dito primeiro processo por utilizar o método de tes-te ultra-sônico como definido em qualquer uma das reivindicações 1 até 8, e-20.
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