CN101627303B - 管体的超声波探伤装置和超声波探伤方法 - Google Patents

Abstract

本发明可检测数μm的氧化物较稀且广泛分散存在的分散存在型穿透缺陷。具体而言具有发射接收部，该发射接收部包括：发射部(6)，以相对于管体(1)的管轴方向焊接部(2)的焊接面使发射波束(8)的波束宽度为0.5mm至2.5mm范围的方式发射超声波；和接收部(7)，接收上述焊接面上反射波的一部分或全部(接收波束(9))；上述发射部(6)和上述接收部(7)由沿管体圆周方向配置的一个或两个以上的阵列探头(5)上的不同的振子组构成。

Description

管体的超声波探伤装置和超声波探伤方法

技术领域

本发明涉及用于通过超声波探伤高精度地检测在焊接钢管的焊接部产生的微小的缺陷的管体的超声波探伤装置(ultrasonic testequipment)和超声波探伤方法(ultrasonic inspection test)。

背景技术

在焊接钢管(welded steel pipe)中焊接部的品质非常重要，在制造工序中一般通过超声波斜角探伤进行焊接部的在线探伤。该方法如下：使超声波相对于被检测材料的检测面倾斜地入射，由缺陷反射的反射波检测被检测材料的内外表面缺陷和内部缺陷。通常，例如在电阻焊钢管中应用由5MHz且具有45°折射角的超声波束进行的反射法，检测出mm级大小的缺陷，例如熔化不良，熔蚀、由夹杂物引起的裂纹等缺陷。

另一方面，最近以来对焊接钢管的品质要求变得严格，要求检测比以往更小的缺陷。例如，在电阻焊钢管中冷接缺陷、微小穿透缺陷(penetrator)、在激光焊接钢管中气孔等中，上述缺陷的大小为数10μm-数100μm，非常微小。并且，产生位置是沿着焊接线从内表面至外表面的任意部位都有产生的可能性，因缺陷的位置不同，超声波束的入射点和回归点不同。由于上述影响，因而用以往实际应用的超声波探伤法不能检测的情况较多，要求能够精度更高地进行检测的技术。

作为检测焊接钢管的微小缺陷的方法，至今公开有如下现有技术。在日本特开昭60-205356号公报中，在斜角探伤中使用频率在8MHz以上的点聚焦型探头，提高相对于穿透缺陷的检测能力。并且，在日本特开平11-183446号公报中，通过阵列探头形成焦点束而提高检测能力，利用扇形扫描仪对焊接部的内表面侧至外表面侧进行扫描而能够检测气孔。

并且，在日本特开昭61-111461号公报中，设超声波的频率为25MHz以上、500MHz以下，以入射角0°以上、20°以下从管外表面侧向焊接部入射，由此能够检测数μm以下的微细的FeO成群夹杂的冷接缺陷。并且，在日本特开平7-35729号公报中，使用多个频率为20MHz-80MHz的点聚焦型探头，使聚焦位置距焊缝正上方成3mm以下间距地进行配置，由此能够检测出0.1mm以上的气孔。

其中，在发明内容中，由于引用下述日本特开平4-274756号公报和日本钢铁协会编“超声波探伤系列(II)焊接钢管的超声波探伤法”1988年、28～31页，因而在此一并记载。

但是，在上述公开技术中，存在如下所述的问题。首先，在日本特开昭60-205356号公报的方法中，由于聚焦的超声波的波束宽度窄，因而要对焊接部的深度方向(钢管的壁厚方向)的整个区域无遗漏地进行探伤，需要很多通道，因此设备成本变高，而且管的尺寸变化时的位置调整等非常麻烦。并且，在缺陷形状不是气孔而是如穿透缺陷或冷接一样以面状位于壁厚内部的情况下，反射波在与入射方向不同的方向行进，因而检测变得困难。

并且，在日本特开平11-183446号公报的方法中，由于阵列探头1个即可，尺寸变换时的设定也可以通过电子方式进行，因而虽然没有在日本特开昭60-205356号公报所示的前一个问题，但关于后一个问题依然没有解决。

并且在缺陷形状如上所述为面状的情况下，例如在电阻焊钢管中，由于对焊缝部进行缩锻，因而从焊缝正上方观察的缺陷的宽度为100μm以下，非常细小，即使在专利文献3和专利文献4的方法中，实际上来自缺陷的反射波非常弱而检测困难的情况也较多。并且，由于表面回波附近的1～2mm左右因表面回波的反响成为失效带，因而在缺陷的位置位于外表面附近的情况下存在不能检测的问题。

由此，检测在焊接钢管的管轴方向的焊接部上产生的数100μm程度以下的微小缺陷的技术，只要是以在线方式测定切出焊接部的试样的C扫描法就可以，但还未确立不破坏且以在线方式高精度、稳定地检测数100μm程度以下的缺陷的技术。

发明内容

本发明是鉴于上述问题完成的，其目的在于能精度良好地检测位于电阻焊钢管等的焊接部的壁厚内部的、对机械特性产生影响的微小缺陷。

为了解决上述课题，具体提供如下方案。

本发明技术方案1的的发明是管体的超声波探伤装置，其特征在于，具有发射接收部，该发射接收部包括：发射部，以相对于管体的管轴方向焊接部的焊接面使波束宽度为0.5mm至2.5mm范围的方式发射超声波；和接收部，接收上述焊接面上的一部分或全部反射波；上述发射部和上述接收部由沿管体圆周方向配置的一个或两个以上的阵列探头上的不同的振子组构成。

并且，本发明技术方案2的发明的特征在于，在技术方案1记载的管体的超声波探伤装置中，还具有控制部，该控制部控制各发射中使用的超声波的开口宽度，以使超声波束的波束宽度相对于上述焊接面维持在上述范围内。

并且，本发明的技术方案3的发明的特征在于，在技术方案2记载的管体的超声波探伤装置中，上述控制部，通过同时激振的振子数，控制超声波开口宽度。

并且，本发明技术方案4的发明的特征在于，在技术方案1～3中任一项记载的管体的超声波探伤装置中，上述发射部，发射表示聚焦位置处的声压上升的聚焦系数在-13dB以上、28dB以下的超声波。

并且，本发明技术方案5的发明的特征在于，在技术方案2～4中任一项记载的管体的超声波探伤装置中，上述发射部，以相对于上述管体的管轴方向焊接部的焊接面和上述管体的内表面分别以33.2°至56.8°的范围内的角度入射的方式发射超声波；上述接收部，接收相对于上述焊接面上的正反射方向朝-12°至16°的范围内的方向反射的一部分或全部反射波；上述控制部，进行控制以在上述阵列探头上改变与上述发射部和上述接收部对应的振子组或改变上述阵列探头的角度，从而在上述管体的厚度方向上进行扫描，并且，控制各发射和接收的超声波相对于管体的入射角，以使向上述焊接面和上述内表面的入射角度和上述焊接面上的反射波的角度维持上述各自的范围内。

并且，本发明技术方案6的发明的特征在于，在技术方案5记载的管体的超声波探伤装置中，上述控制部，通过使上述振子组中各振子的发射和/或接收时刻偏离，控制向上述管体的入射角和焦点位置，以使向上述焊接面和上述内表面的入射角度和上述焊接面上的反射波的角度维持在上述各自的范围内。

并且，本发明技术方案7的发明的特征在于，在技术方案5或6记载的管体的超声波探伤装置中，使发射侧的超声波或接收侧的超声波的至少一个相对于上述管体的入射角保持为一定。

并且，本发明技术方案8的发明的特征在于，在技术方案5～7中任一项记载的管体的超声波探伤装置中，上述控制部，控制各振子的发射或接收的至少一个，以使超声波向上述管体的入射角变得一定。

并且，本发明技术方案9的发明的特征在于，在技术方案1～8中任一项记载的管体的超声波探伤装置中，上述阵列探头，沿着上述管体圆周方向具有曲率地配置振子组。

并且，本发明技术方案10的发明的特征在于，在技术方案1～9中任一项记载的管体的超声波探伤装置中，在上述阵列探头上，具有用于使发射波束和接收波束聚焦在管体的管轴方向上的声透镜，将该声透镜的焦点距离设定为越靠近焊接部越短、越远离焊接部越长。

并且，本发明技术方案11的发明的特征在于，在技术方案1～10中任一项记载的管体的超声波探伤装置中，上述发射接收部由多个阵列探头构成，并且在各阵列探头上具有发射部和接收部。

并且，本发明技术方案12的发明的特征在于，在技术方案1～10中任一项记载的管体的超声波探伤装置中，上述发射接收部的发射部和接收部由各自的阵列探头构成。

并且，本发明技术方案13的发明的特征在于，在技术方案5～10中任一项记载的管体的超声波探伤装置中，上述发射接收部的发射部和接收部由各自的阵列探头构成，上述控制部改变来自各阵列探头的发射波束和接收波束的偏向角。

并且，本发明技术方案14的发明的特征在于，在技术方案5～13中任一项记载的管体的超声波探伤装置中，上述控制部改变各发射和/或接收中超声波相对于上述管体的入射角和焦点位置，以使发射波束的扫描线和接收波束的扫描线在上述管体圆周方向的多个位置上交叉。

并且，本发明技术方案15的发明是管体的超声波探伤方法，其特征在于，利用由发射部和接收部构成的管体的超声波探伤装置，上述发射部和接收部由沿管体圆周方向配置的一个或两个以上的阵列探头上的不同的振子组构成；以相对于上述管体的管轴方向焊接部的焊接面使波束宽度在0.5mm至2.5mm范围的方式发射超声波。

并且，本发明技术方案16的发明的特征在于，在技术方案15记载的管体的超声波探伤方法中，控制各发射中使用的超声波的开口宽度，以使超声波束的波束宽度相对于上述焊接面维持在上述范围内。

并且，本发明技术方案17的发明的特征在于，在技术方案16记载的管体的超声波探伤方法中，通过上述振子组中的同时激振的振子数，控制超声波开口宽度。

并且，本发明技术方案18的发明的特征在于，在技术方案15～17中任一项记载的管体的超声波探伤方法中，发射表示聚焦位置处的声压上升的聚焦系数在-13dB以上、28dB以下的超声波。

并且，本发明技术方案19的发明的特征在于，在技术方案15～18中任一项记载的管体的超声波探伤方法中，以相对于上述管体的管轴方向焊接部的焊接面和上述管体的内表面分别以33.2°至56.8°的范围内的角度入射的方式，由上述发射部发射超声波；由上述接收部接收相对于上述焊接面上的正反射方向朝-12°至16°的范围内的方向反射的一部分或全部反射波；进行控制以在上述阵列探头上改变与上述发射部和上述接收部对应的振子组或改变上述阵列探头的角度，从而在上述管体的厚度方向上进行扫描。

并且，本发明技术方案20的发明的特征在于，在技术方案10～19中任一项记载的管体的超声波探伤方法中，通过使上述振子组中各振子的发射和/或接收时刻偏离，控制向上述管体的入射角和焦点位置。

并且，本发明技术方案21的发明的特征在于，在技术方案15～20中任一项记载的管体的超声波探伤方法中，使发射侧的超声波或接收侧的超声波的至少一个相对于上述管体的入射角保持为一定。

其中，发射波束的聚焦位置和接收波束的聚焦位置不必是一点，是相当于发射波束、接收波束聚焦的位置处的波束宽度的区域范围，在管体的剖面内和与其垂直相交的管轴方向上也具有波束宽度，该值由材料、超声波参数决定。

通过本发明，由于能检测缺陷直径微小但在广大区域为分散的形态的分散存在型穿透缺陷，因而可改善焊接工艺而防止产生对焊接钢管焊接部的机械特性产生影响的微小缺陷，或可在制造工序中进行选择而防止缺陷流出，能显著地提高焊接钢管的品质，可在以往以上的严酷的使用条件下使用。

附图说明

图1是说明本发明的第一实施例的图。

图2A至图2D是表示本发明第一实施例中的扫描的顺序例的图。

图3是表示本发明的超声波探伤装置的功能构成例的图。

图4A、图4B是表示扫描线和代表点的探伤条件计算结果的一例的图。

图5是说明赋予各振子的延迟时间的计算的图。

图6A、图6B是表示关于扫描线A计算延迟时间的结果和发射的原理的图。

图7A、图7B是表示关于扫描线C计算延迟时间的结果和接收的原理的图。

图8是说明本发明的第二实施例的图。

图9是说明本发明的第三实施例的图。

图10是说明本发明的第四实施例的图。

图11是说明本发明的第五实施例的图。

图12是说明本发明的第六实施例的图。

图13是说明本发明的第七实施例的图。

图14是表示在发明人的调查中判断的微小穿透缺陷的种类的透视图。

图15是表示进行夏比冲击试验的样品结果的图。

图16是表示用于说明本发明原理的焊缝切割材料的C扫描方法的透视图。

图17A至图17D是表示同上的50MHz波束直径100μm下的C扫描结果的图。

图18A至图18D是表示同上的50MHz波束直径250μm下的C扫描结果的图。

图19是同上的反射源分散存在时的检测图像图。

图20A至图20C是说明缺陷的尺寸和反射指向性的关系的图。

图21是说明反射特性的图。

图22A、图22B是示意性地表示非串联结构和串联结构的比较的图。

图23A、图23B是表示采取非串联结构的现有方法和串联探伤法的比较例的图。

图24A、图24B是说明平钢板中的波型变换损失的图。

图25A、图25B是说明钢管中的波型变换损失的图。

图26是表示管体中的传播路径例的图。

图27A至图27C是表示波束尺寸和信号强度的关系的图。

图28是表示开口宽度和波束尺寸的关系的图。

图29是表示聚焦系数和波束尺寸的关系的图。

标号说明

1…钢管、2…焊接部、3…缺陷、4…水、5…线性阵列探头

6…发射用的振子组、7…接收用的振子组、8…发射波束

9…接收波束、10…探伤条件计算部、11…延迟时间设定部

12…脉冲发生器、13…线性阵列探头的振子

14…接收放大器、15…延迟时间设定部、16…合成处理部

17…门评价部、30…被检测体尺寸输入部

31…阵列探头存储部、32…开口宽度控制部

33…门位置存储部、34…阵列发射规则存储部

35…阵列接收规则存储部、36…阵列发送部

具体实施方式

本发明人进行了深入研究，结果得到下述新的有用的见解：电阻焊钢管的管轴方向焊接面的机械特性，虽然受到在焊接部上残留的微小穿透缺陷等微小缺陷存在的影响，单体的缺陷尺寸小至不会成问题的程度，但其存在量(一定面积内存在的缺陷数量)与焊接部的机械特性有较大关系。

起初，发明人认为对电阻焊管焊接部的机械特性产生较大影响的是穿透缺陷的尺寸，如果存在于焊接部上的穿透缺陷的尺寸小至一定程度，则机械特性优良。研究用于检测这些缺陷的探伤方法的结果，想到了使接收的超声波束直径小于现有的超声波探伤法，而检测这些缺陷的技术。但是，利用该使波束直径变小了的超声波探伤技术，评价穿透缺陷的有无，比较其结果和机械特性，与假设的结果完全不同。即，得到了如下结果：有时在检测出穿透缺陷的情况下机械特性也良好，反之，有时在没有检测出穿透缺陷的情况下机械特性也不好。然后，发明人进行了更详细的研究，结果发现下述以往不知道的非常有益的见解：数μm的微小缺陷大面积分散的形态的穿透缺陷与机械特性相关。从而开发出了用于检测该情况的超声波探伤技术。

在这里，利用图14说明穿透缺陷的形态。起初，对机械特性产生影响的穿透缺陷等微小缺陷的形态被认为是，在钢管1的焊接部2中，如3a所示的原本数μm的氧化物(主要为Si-Mn系)在数10～数100μm大小的区域密集(聚集)的形态，外表上被认为是一个缺陷(在本说明书中记载为聚集型穿透缺陷)。但是，通过发明人的调查，了解到如3b所示的、表示数μm的氧化物大量分布在大范围内的形态的穿透缺陷(在本说明书中记载为分散存在型穿透缺陷)的存在。该分散存在型穿透缺陷，在现有的检测方法中不能明确地检测出来，由于密度稀而剖面观察很难，因而不清楚，但发明人详细调查后的结果首次证明，其对于机械特性的评价、特别是特性优良级别的评价，是重要的检测对象。

(微小穿透缺陷的形态和韧性的关系)

图15是从样品管切出夏比试验片后进行夏比冲击试验的结果。在夏比冲击试验的结果中，样品A(样品数量为3个)表示吸收能在400J以上的良好的机械特性，样品B(样品数量为3个)表示吸收能在200J左右的机械特性。在切出这些夏比试验片的附近，如图16所示，利用在沿圆周方向距焊接面4mm的位置切出(切片)电阻焊管1的管轴方向焊接面焊接部2的样品S，通过利用了聚焦型超声波探头50的C扫描法，相对于所切出的面进行焊接部的探伤，与夏比冲击试验的结果进行了比较。首先，发明人考虑到在上述数10～数100μm的区域密集的聚集型穿透缺陷的存在对焊接部的机械特性产生影响，为了检测出该情况，利用频率50MHz的聚焦型超声波探头50，集中在波束宽度100μm进行了探伤。其结果表示在图17A至图17D中。图17A为样品A的C扫描数据，横轴为管轴方向，纵轴为厚度方向，用浓淡(信号强度越大越白)表示信号强度。图17B是对图17A的数据，在管轴方向相同位置关于厚度方向选取信号强度最大值的数据，设横轴为管轴方向位置、纵轴为信号强度最大值作图。同样，图17C、图17D是关于样品B的超声波探伤结果。其中，在图17B、图17D的结果中，在纵轴上表示由厚度方向的信号强度最大值推测的缺陷直径的值。在样品A中大量发现相当于缺陷直径50μm以上的信号强度的缺陷指示(与上述聚集型穿透缺陷对应)散布，在样品B中，几乎没发现这种散布的缺陷指示。其结果显示，即使存在聚集型穿透缺陷，机械特性也良好，相反，在几乎没检测出穿透缺陷的样品中，吸收能也低，这是与发明人起初想到的结果完全相反的结果。

接着，发明人多种多样地改变测定条件后进行了测定。其中，可知尝试扩大波束直径时(具体而言从100μm扩大至250μm)，可得到至今无法确认的信号。将该结果表示在图18A至图18D中。关于在夏比冲击试验中机械特性良好的样品A，与图17相同地，将大大低于缺陷直径40μm的、相当于缺陷直径25μm程度的信号级别作为基础，确认了一些地方为缺陷直径100μm程度的信号级别高的缺陷信号。另一方面，关于样品B，与图17相同地，虽然没有信号级别高的缺陷信号，但确认了表示相当于缺陷直径40μm程度的信号强度的信号(在图中图像中淡且稀地显示)贯穿管轴方向的全长。根据以上结果，发明人得出下述见解：信号级别为并不高的缺陷直径40μm程度但广泛分布的缺陷，较大地影响焊接部的机械特性。

并且，用电子显微镜调查该样品B的剖面时，确认了在样品B中观察到的缺陷指示部中，每个大小为5μm～20μm的微小的氧化物(微小穿透缺陷)稀疏地存在。证实了C扫描的结果。

在这里，研究了通过扩大超声波束宽度来检测淡的回波带的原因。如图19所示，考虑在大范围内均匀地分散存在微小反射源时，在波束宽度较窄的情况下，由于在波束内只含少数微小反射源，因而缺陷总面积相对于波束面积的比率变低，作为结果反射回波变弱。另一方面，波束宽度变宽时，由于在波束内大量含有微小反射源，因而缺陷总面积相对于波束面积的比率变高，因此即使各个回波变弱，其累计而变强，检测信号级别变高。

从以上结果可导出下述新的见解：虽然如上所述，各个缺陷直径非常小，但显示在大范围内分布的状态的穿透缺陷(分散存在型穿透缺陷)也对焊接部的机械特性产生影响，为了精度良好地进行其评价，它是要检测出的缺陷。

根据发明人的这种见解和分析，想到了直接对钢管进行超声波探伤，检测分散存在型穿透缺陷的发明。即，可知检测分散存在型穿透缺陷时，以现有技术级别的波束聚焦度时灵敏度不足，即使过度聚焦也不能进行检测。并且，聚焦的程度与如后文所述，C扫描法与用于直接对钢管进行检测的本申请发明中使用的串联探伤不同。本申请发明的要点在于，为了得到必要的灵敏度而使用串联探伤，并在该条件下找出能检测分散存在型穿透缺陷的波束宽度的范围。

其中，在本发明中，由于使用阵列探头，因而波束形状成为矩形，由此在本说明书中所称的波束宽度，可认为是取波束面积的平方根的实效值。但是，由于可能有穿透缺陷在管轴方向上连续的情况等不需要管轴方向聚焦的情况，因而在这种情况下认为是管厚方向的波束宽度。

首先，发明人进行了作为检测对象的缺陷的反射特性的调查，求出了用于检测微小缺陷的、超声波对缺陷的入射角及关于由缺陷反射的反射接收的超声波的反射角的最佳范围。详情记载如下。

(缺陷的反射特性的分析)

在本发明作为对象的电阻焊钢管的焊接部上存在的穿透缺陷、冷接缺陷等微小缺陷，由于对焊接部缩锻而制造焊接钢管，因而设想为在钢管圆周方向被挤压而变薄，另一方面，在管厚(管径)方向和管轴方向即管轴焊接面内拉伸，形成具有面积的平坦的形状。

理论上研究缺陷的大小和反射指向性的关系，得到图20A～图20C所示的结果。在此，图20A～图20C所示的结果是如下求出的：如图21所示，使超声波从-45°方向入射，在频率10MHz、15MHz、20MHz中，分别与管壁厚方向对应的(图21中为与横向对应的)缺陷尺寸(等价缺陷尺寸)0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.8mm的条件下，理论上计算各反射角度的信号强度。另外，图20A～图20C的纵轴将作为正反射角度的45°的信号强度作为基准值1，用标准化的相对值进行表示。在任意情况下，在入射超声波的-45°方向反射的反射波的信号强度都非常低，正反射方向45°的大致0.2以下。可知在任意情况下作为正反射方向的45°方向最强。

在该计算条件下指向性最强的缺陷尺寸0.8mm的20MHz中，信号强度相对于正反射角度的信号强度变为一半(在图20A～图20C中值为0.5)的角度为40°～50°的范围。这样，指向性因缺陷尺寸而不同，因而通过要检测的缺陷的大小决定相对于接收波束的焊接部的入射角范围即可。例如，为了将更大的缺陷不降低灵敏度地检测出来，相对于接收波束的焊接部的入射角优选接近45°的角度，例如为了将15MHz下0.8mm缺陷的信号强度降低抑制为一半，优选39°～52°以内的范围。相反，例如在仅将15MHz下0.4mm以下的较小缺陷作为对象的情况下，优选33°～61°的范围。

通过上述分析，发现对于缺陷上的超声波的反射信号，以正反射方向为峰值而信号强度高。最优选的是接收其正反射方向的超声波，但由于反射强度在峰值的50％就能够充分地进行检测，因而可知只要接收在与该范围对应的角度范围内反射的超声波即可。

从图20A～图20C所示的、频率15MHz下缺陷尺寸0.4mm的反射指向性的结果可知，由于反射强度成为峰值的50％以上的反射角度为33°～61°，因而将作为正反射角度45°作为基准，-12°～+16°的范围为优选的范围。并且，以频率20MHz下缺陷尺寸0.8mm作为对象时，相对于正反射角度，-5°～+5°的范围为优选的范围。并且，上述例子以相对缺陷的入射角为45°下表示反射角度特性，反之，反射角度为45°时的入射角特性也可得到相同的结果。并且，即使是45°以外的入射角度，只要是能够消除后文描述的波型变换损失的条件的入射角度范围，就可得到几乎相同的特性。

以下说明根据该缺陷的反射特性，对超声波传感器的结构进行研究的内容。

(串联结构)

根据如上所述的缺陷反射特性的见解，为了接收以缺陷处的正反射方向作为中心而在规定的角度范围内反射的超声波，优选将接收用超声波探头配置在与发射用超声波探头不同的位置上的所谓的串联配置的结构。但是，为了利用如专利文献1那样的点聚焦型探头在焊接部的管壁厚方向(管径方向)毫无遗漏地进行检查，需要配置多个探头。并且，为了检测更小的缺陷，需要用于将超声波束聚焦的大开口径化。作为装置结构在工程上和成本方面很难实现。

在本申请发明中，为使用阵列探头的、由发射部和接收部构成的串联结构。通过使用阵列探头，依次变更发射部的振子组和接收部的振子组和/或发射时折射角和接收时的折射角，从而能够使超声波束的聚焦位置从焊接部的管壁厚方向的内表面侧至外表面侧(或从外表面侧至内表面侧，方向可任意)扫描，能够没有失效带地从内表面侧至外表面侧进行探伤。并且，由于使用阵列探头，即使管尺寸发生变化，也能够容易地变更扫描范围和聚焦位置，事前的设定调整也变得非常简单。这样，以成为串联配置的方式选择阵列探头的振子，并且在厚度方向上实现无遗漏的检查。

另外，得到下述见解：该串联结构具有通过接收相对于正反射方向的规定角度范围的反射波来提高灵敏度的优点，此外，如以下所述还有其他灵敏度提高效果，为了可靠地检测微小缺陷，需要形成串联结构。

图22A、图22B是示意性地表示非串联结构和串联结构的比较的图。图22A用于表示使用阵列探头，利用发射部和接收部相同的普通反射法对焊接部进行探伤的情况。超声波从阵列探头的振子组发出后在管外表面折射而进入管内部，到达焊接部。如果有缺陷反射，入射到经由与发射时相同的路径发射的振子组而被接收。在这里，接收时，除了来自缺陷的反射波以外，阵列探头内部的反响、管外表面的表面粗糙度引起的漫反射波、在管外表面反射而在阵列探头及其保持部等中的反射波、管内表面的表面粗糙度、焊道切削残余处的反射波也朝向阵列探头。这样，在普通反射法的情况下，上述不需要的反射波即噪声与缺陷信号重叠而被接收，因而进行信号灵敏度、S/N比不良状态的检测。并且，非常难以除去该噪声。

另一方面，在图22B中表示出本发明的发射和接收使用不同的振子组的串联结构的串联探伤法的情况。超声波从阵列探头的发射用振子组发出后在管外表面折射而进入管内部，到达焊接部。如果有缺陷则在那里反射，此时，在正反射方向上最强地进行，然后在管内表面反射后，到达管外表面，折射而入射到接收用的振子组，被接收。由于经由这样的路径，因而阵列探头内部的反响、管外表面的表面粗糙度引起的漫反射、在管外表面反射而在阵列探头及其保持部等中的反射、管内表面的表面粗糙度、焊道切削残余处的反射，全部朝向发射用的振子组，而不到达接收用的振子组。即，由本发明的串联结构中的接收用振子组接收的信号中，超声波的漫反射引起的噪声回波不重叠，几乎不受到噪声的影响，能够得到与图22A所示的普通反射法相比非常高的S/N，可得到采取正反射方向的反射波的效果和噪声减少的效果，可检测出微小缺陷。

图23A、图23B是比较不采取串联结构而用相同的探头进行发射接收的现有方法和本发明的串联探伤法的探伤结果的一例。

图23A为现有方法中的探伤图像数据，图23B为本发明中的探伤图像数据。其中，在图像数据图23A、图23B中，信号强度越高则显示得越白。

从该结果可知，在现有的反射法中，内表面侧表面粗糙度引起的噪声强烈发生，回波隐藏在噪声里，特别是来自壁厚内部的反射变得非常弱，几乎检测不出。另一方面，在本发明中，内表面侧表面粗糙度引起的噪声变弱，壁厚内部也能清楚地进行检测。

如上所述，可知串联结构与现有方法相比，检测性能提高。但是，应用于具有曲率的管体时还存在若干困难。下面，对其解决对策进行说明。

(波型变换损失的研究)

如上所述，发现可通过串联结构充分地达成高灵敏度化。但是，为了维持串联结构的高灵敏度化，必须要防止在超声波的钢管内部的传播过程中发生在管内表面、外表面、缺陷处反射时的“波型变换损失”引起的信号强度的衰减。波型变换损失是下述现象：入射到钢管的超声波虽然是横波超声波，但根据反射条件变换为纵波超声波，其结果，信号强度衰减，检测灵敏度降低。利用附图对该现象进行说明。

图24A、图24B是说明平钢板中的波型变换损失的图。图24A表示平钢板的串联结构下的探伤(以下还记载为串联探伤)。相对于平钢板，使横波超声波入射，设其折射角为θ时，在平钢板中，对焊接面的入射角θa成为(90°-θ)。并且，对底面的入射角θb成为θ。在此得知，在钢中，横波超声波在焊接部、钢板底面等处反射时，以大约33°以下的入射角入射时，因反射中的波型变换损失而在附图的点线方向上产生纵波超声波。

例如，如图24A所示，θ大(大约57°以上)时，θa变小(大约33°以下)，因焊接部的反射而发生波型变换，如图24B所示，θ小(大约33°以下)时，虽然不会因焊接部的反射而发生波型变换，但由于θb成为大约33°以下，因而发生波型变换。发生这种从横波至纵波的波型变换时，串联探伤方向的超声波强度变弱，其结果，检测灵敏度降低。将这样在反射时超声波从横波向纵波发生波型变换，横波超声波的强度衰减的现象称作波型变换损失。在这里，图24C用于表示反射时超声波相对于该入射角在焊接面和内表面进行2次反射时的反射强度的变化，如图所示，作为理论值，入射角在33.2°～56.8°的范围时，不发生波型变换损失。

另外，如果是平钢板，由于阵列探头面和平钢板上表面的相对角度一定而不随场所变化改变，因而即使在为了对焊接面扫描超声波束，使构成发射部和接收部的振子组移动的情况下，如果研究在任意位置处阵列探头面相对于平钢板上表面的相对角度和发射波束相对于探头面的角度，也能够容易地判断是否发生波型变换损失的折射角条件。

但是，通过图25A、图25B说明钢管的串联探伤因曲率的影响而不像平钢板那样简单地进行的情况。与上述平钢板相同地，设焊接面的角度为基准角度0°时，考虑超声波从阵列探头入射到钢管以成为折射角θ的情况。另外，设对钢管外表面的入射点(入射位置)为入射点中的外表面法线方向和焊接面所成的角成为θ1的位置。此时对焊接面的入射角θa不成为(90°-θ)，而成为(90°-θ-θ1)。同样，对底面的入射角θb不成为θ，而成为(θ+θ2)。

在该例子中，由于θ1＜θ2，因而与平钢板相比，不发生波型变换损失的折射角的范围最大，仅θ2变窄。举出一例，在壁厚t/外径D＝3.4％的钢管中，例如设折射角为大约45°，由于θ2为大约4°，因而与折射角对应时，不发生波型变换损失的折射角的范围变窄至37°～53°。另外，根据现实考虑的钢管的尺寸，θ2成为1.7°～11.25°左右的范围。

另外，t/D从最小的值至t/D＝5％左右，可覆盖主要的钢管尺寸的大部分，在t/D＝5％时，θ2成为6.8°。这种情况下，折射角的范围成为40°～50°。

并且，在这里考虑阵列振子一般为直线状、钢管具有曲率时，如图25B所示，与平钢板的情况相同地从阵列振子以一定角度(在图中相对于探头面为90°)发射超声波束时，对钢管的入射角不是一定角度，因此折射角也不一定。为了进行串联探伤，设来自阵列振子的波束扫描宽度为壁厚的倍数，以之前的t/D＝3.4％的钢管作为例子时，即使以折射角45°在中心配置探头，在扫描宽度内折射角也变化为31°～62°，超出不发生波型变换损失的范围。

因此，由于存在上述问题而考虑钢管的曲率，如果不控制波束以使折射角在一定范围，从而防止在焊接面和底面发生波型变换损失，则不能以高灵敏度对钢管进行串联探伤。关于对管体的焊接面和管体的内表面的入射角，考虑上述θ2而变换成折射角时，在t/D为最小值时，相对于入射角的理论值，折射角成为35°～55°的角度。

即，由于扫描超声波束而使测定位置移动时，使对钢管的超声波入射角(折射角)发生变化，因而不能容易地判断是否为发生波型变换损失的角度，该方法不能确立。

发明人实现了通过作为一例的以下表示的扫描线的决定方法设定入射角以防止发生波型变换损失。

下面对将折射角度设定为不发生波型变换损失的折射角度范围的顺序进行说明。

1)决定折射角，确定阵列探头的位置和角度。

1)-1：考虑对焊接面的入射角θa，决定折射角θ。不发生波型变换损失的理论上的对焊接面的入射角为33.2°≤θa≤56.8°，当在该范围内跨越管壁厚度方向的内表面及外表面对焊接面进行扫描时，对焊接面的入射角可以不一定，变化也没有关系。由此，在这里为了容易进行计算，以折射角θ一定的例子进行表示。在这里，对焊接面的入射角度θa为θa＝90°-θ-θ1，并且，θ1在0～θ2的范围内因焊接部壁厚方向位置而发生变化(例如，在内表面侧θ1＝θ2，在外表面侧θ1＝0)。例如，θ2＝4°，折射角为45°时，θa＝41°～45°。并且，如果设向焊接部的管壁厚中心附近入射时的折射角为47°，则在焊接部的壁厚方向中心部θa大约为45°，在内外表面的扫描中，θa为43°～47°的范围。

1)-2：确定阵列探头的位置和角度，以使从位于阵列探头的中心的振子相对于该探头面以垂直方向发射的波束以规定的折射角度(例如45°)，使横波超声波从钢管外表面侧入射，以规定的入射角(例如，在上述例子中为41°)入射到焊接面的内表面侧端(或外表面侧端)的位置。

2)决定从阵列探头的各振子发射接收的扫描线入射到管外表面上的位置。

2)-1：决定方法有多种，例如对于作为对象的振子(或振子之间的位置)，在管外表面上进行扫描，计算出由振子位置、外表面扫描位置和外表面切线决定的折射角θ，决定θ成为又1)-1决定的值的外表面上的入射位置。具体来说，用直线连接各振子至外表面上的各点(例如，各点在外周上以等间隔或任意间隔配置)而确定扫描线，关于所述各扫描线计算折射角θ，选择θ与规定的折射角相同或成为最接近的值的扫描线，设为该扫描线的入射位置。

2)-2：通过几何学方法从振子位置、由上述2)-1决定的外表面上的入射位置和管形状(直径和厚度)求出管入射后的传播路径，算出对焊接面的入射位置。

3)由于在上述1)中，在阵列探头的中心定位，并且使折射角一定而进行上述处理，因而能够以阵列探头中心的扫描线作为基准对称地组合在焊接面上由2)-2求出的传播路径(扫描线)的途径(配对)。将该配对作为发射、接收的扫描线，作为发射部、接收部各自的中心振子(以该振子作为中心形成发射部、接收部的振子组)。另外，在振子组的数量为偶数的情况下，中心位置修正为振子的边界，进行上述处理。并且，在这里设折射角θ一定而进行计算，但也可以使对焊接面的入射角θa一定而进行计算，也可以使θ和θa同时变化。

在后文进行详细描述，对振子组进行适当控制或形成具有曲率的阵列探头，能够使入射角、折射角收敛在不发生波型变换损失的理论范围内。另外，适合横波中的探伤的折射角大致在30°～70°的范围内适用，但考虑横波在缺陷和内表面反射时的声压反射率的角度依赖性，更优选的是成为全反射的大致35°～55°的范围。并且，考虑稳定性而也可以是40°～50°的范围。并且，最优选的是，发射和接收的折射角相同，但由于缺陷的反射指向性广，因而在反射指向性的范围内即使不同也能够适用。

(入射角一定的控制)

在具有曲率的管体上应用串联化的阵列探头时，由于普通阵列探头为直线状且将其相对于圆周面配置，因而构成发射部和接收部的振子组的阵列上的位置变化时，在某个发射接收和另一发射接收中对管体的入射角发生变化。将该现象通过表示管体中的传播路径例的图26来表示。可知在实线的波束中成立发射和接收，但除此以外的虚线的波束，由于折射角不同，因而发射和接收的关系不成立。

即，即使发射部收纳在阵列探头内，接收部也位于阵列探头外的位置(附图的虚线表示)，在阵列探头的范围内，不能将发射部和接收部的振子组配置成串联结构。发明人想到通过将发射侧或接收侧的至少任一方，优选的是双方入射角，通过扫描来保持一定角度。由此，由于钢管等的管体内部的折射角变得一定，因而几乎不发生如上所述的问题。

例如，即使在使用与图26相同的阵列探头的图4A、图4B的情况下，通过使折射角一定，全部发射部和接收部的组合收纳在阵列探头内。并且，折射角一定时，还具有例如钢管的外表面侧、内表面侧都为正圆时在几何学上容易求出发射和接收的位置关系的优点。并且，即使在钢管上存在壁厚的变化，内表面侧不是正圆的情况下，如果发射侧或接收侧的任意一方为一定的折射角，由于钢管的外表面侧为正圆，因而能够容易求出向焊接面入射而反射的路径，由此之前的路径还能够考虑内表面侧的形状而以理论方式或实验方式决定。

另外，使入射角一定的方法，可通过从阵列探头控制在发射部和接收部使用的振子组的各振子来实现。振子组的选择可通过上述方法进行，但与其他控制有关的详情在后文中描述。

并且，作为其他方法，可以将阵列探头本身构成为与管体成为大致相同曲率的形状，控制振子。

(波束宽度的最佳范围)

图27A是表示波束宽度(与方形的一边对应的波束宽度，在图27A～图27C中表记为波束尺寸)和等价缺陷直径(与波束内的缺陷总面积对应的缺陷直径)之间关系的图。关于缺陷密度为0.03mm²的情况和0.02mm²的情况，将存在于超声波束内的缺陷总面积作为等价缺陷直径，以理论方式计算出使波束宽度(波束尺寸)发生变化时的等价缺陷直径。随着波束宽度变大，等价缺陷直径变大，但在波束宽度1.5mm以上时饱和，成为一定值。这样饱和的原因在于，在此时的分析中，将分散存在型穿透缺陷的分布范围假定为1.5mm×1.5mm。

图27B是在串联探伤中，由与在上述图27A所示的等价缺陷直径对应的声压反射率计算出此时的信号强度，以dB表示的图。噪声级别的-40dB大致描绘了在串联探伤中实际得到的级别。在波束宽度(波束尺寸)较大的一侧噪声级别变大的原因在于，当波束宽度变大时，会检测内外表面的表面粗糙度引起的噪声，从而噪声级别增加。可知在串联探伤中，噪声级别比信号级别小的范围的、波束宽度0.5～2.5mm的范围为可应用范围。并且，在缺陷密度0.02mm²中，由于信号强度稍微变低，因而波束宽度从超过0.7mm至2.5mm成为应用范围，并且为了成为良好的S/N比，信号级别和噪声级别之差优选在5dB以上，因而1～2mm为更优选范围。

即，图27C是为了比较串联探伤和C扫描的不同而计算出上述等价缺陷直径的信号强度，以dB表示的图。在图27C中，只表示缺陷密度0.03mm²的情况下的信号级别。C扫描由于是单探头、水中距离近，表面为研磨面等好的条件，因而与串联探伤相比噪声级别变低。另一方面，波束宽度(波束尺寸)超过1mm时，因样品侧面的影响(遮蔽波束传播路径，或发生在样品侧面的漫反射，得到该噪声信号)，S/N差(严谨地说，有效的探伤区域变小而不能用于评价)。由图可知，C扫描中的波束尺寸的应用范围为0.2～1mm。由此，在本申请发明中使用的串联探伤和C扫描法中，为了使灵敏度良好，聚焦程度不同。

本发明的目的在于在制造工序中在钢管状态下进行检查，进行为了品质保证、品质控制的检查，因而即使求出C扫描法中的波束宽度(波束尺寸)的最佳值也没有意义，而可进行在线、联机时的检查的串联探伤中波束宽度(波束尺寸)的最佳值具有重要意义，导出其应用范围。

其中，在串联探伤中，用于得到波束宽度d的振子的开口宽度D可由下述式求出。

$D=\mathrm{\λ}\·\frac{F}{d\·\sin \mathrm{\θ}}\·\frac{\cos \mathrm{\θw}}{\cos \mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

在这里，如图28所示，d是探伤位置的波束宽度，F是焦点距离，λ是波长，θ是折射角，θw是入射角。

例如，设水中距离30mm、钢中的路程为24mm、折射角θ＝45°、入射角θw＝18.9°时，焦点距离F是30+24/1480×3230＝82mm，设频率为10MHz时波长λ为1480/10MHz＝0.148mm。因此，用于得到波束宽度d＝1.5mm的开口宽度D可由式(1)求出，为15mm。

可由如上所述求出的开口宽度求出振子组的振子数量。在这里，各扫描线的振子组的振子数量可以一定，但为了使灵敏度更加均匀，也可以对应每个扫描线使振子数量发生变化。即，在使用阵列探头的串联探伤中，由于在振子组内，越靠近焊接部侧焦点距离越短，越远离焊接部侧焦点距离越长，因而考虑与振子位置对应的焦点距离F，以波束宽度收敛在上述范围内或波束宽度变得一定的方式求出开口宽度，决定同时激振的振子数量。并进行控制，以使与该开口宽度对应地振子数量同时激振。其中，在这里同时激振的振子数量是指在1次发射或接收中使用的振子组的振子数量，并且，在该振子组中，为了聚焦、偏向控制，相对于各元件设定延迟时间。

在改变振子数量以使波束宽度一定的情况下，具体而言，将发射用振子组和接收用振子组的振子数量设定为，越靠近焊接部越少，越远离焊接部越多。由此，通过将波束宽度d设定在最佳范围内，对微小缺陷在大范围内分布的形态的分散存在型穿透缺陷，能从内表面侧至外表面侧以均匀的检测灵敏度进行探伤。

(超声波束的聚焦条件)

如上所述，在串联探伤中，为了评价电阻焊钢管焊接部的机械特性，需要使发射接收的超声波束宽度为0.5～2.5mm。另一方面，关于作为表示波束的聚焦度的参数之一的聚焦系数，研究了其最佳范围。聚焦系数J是表示聚焦位置处的声压上升的值。

$J=20\log \left(\frac{D^2}{4\mathrm{\λF}}\right)---\left(2\right)$

在这里，D为振子的开口宽度，F为焦点距离，λ为波长。其中，在式(2)中，焦点距离F和波长λ利用水中换算的值。

在图29中，表示在频率5MHz～15MHz、焦点距离F＝60mm～80mm(大致相当于钢管壁厚10mm～16mm的范围)的条件下，利用式(2)，以理论方式计算出聚焦系数和波束宽度(波束尺寸、在图29中表记为波束尺寸)的关系的结果。由此可知，波束宽度(波束尺寸)小时，聚焦系数变大，波束宽度大时，聚焦系数变小。由于聚焦系数是表示声压上升的值，因而值越大越好，如上所述，在微小缺陷在大范围内分布的形态的分散存在型穿透缺陷的检测中，由于聚焦系数变大时，波束宽度变得比最佳范围小，因而还需要考虑波束宽度成为最佳范围的情况。例如，相对于检测分散存在型穿透缺陷时可应用的、超声波的波束宽度为0.5～2.5mm程度，聚焦系数-13dB～28dB成为与其对应的范围，如考虑与波束宽度的平衡时，聚焦系数-5dB～20dB程度为应用范围，相对于作为波束宽度的优选范围的1.0～2.0mm程度，聚焦系数-10dB至不足5dB程度为应用范围。

(应对焊缝偏离)

在钢管的探伤中，难以使阵列探头跟随焊缝而保持位置关系，容易产生一些焊缝偏离，发生该焊缝偏离时，发射的扫描线和接收的扫描线不会在焊接线上不相交。

相对于此，在置于设计上的标准位置上的管体的焊接部，由于设定上述发射用振子组和接收用振子组和/或发射时的折射角和接收时的折射角，以使发射波束的聚焦位置和接收波束的聚焦位置一致的条件作为中心，焊接部的上下(管体的径向)、左右(管体的圆周方向)的多点不同的位置成为发射波束和接收波束的至少一个的聚焦位置，因而即使焊缝位置偏离，任意扫描线的组合都在焊接线上相交，能够可靠地检测来自缺陷的反射波。

实施例1

下面参照附图对本发明的实施例进行说明。图1是说明本发明的第一实施例的图。在附图中，1表示作为被检测体的钢管，2表示焊接部，3表示壁厚内部的缺陷，4表示用于传递超声波的水，5表示线性阵列探头，6表示发射用振子组，7表示接收用振子组，8表示发射波束，9表示从缺陷向接收用振子组的超声波的部分(下面，还称作接收波束)。并且，在发射波束8和接收波束9的中间引入的线表示各自的扫描线。

线性阵列探头5具有下述大小：从位于靠近焊接部2的一侧(图1中的左侧方向)的振子组发射的超声波从焊接部的钢管外表面直接入射，从位于远离焊接部的一侧的振子组发射的超声波从焊接部的钢管外表面在钢管内表面反射1次后入射。并且，相对于钢管的外周面具有入射角地配置，以使从中心垂直发射的发射波束以折射角45°的横波从钢管的外表面侧进入，入射到焊接部的钢管内表面侧的端部(称作0.5跳跃)。

来自发射用振子6的超声波束与钢管的外径对应地稍微偏向探头的中心轴侧，以形成折射角45°，并且设定各振子的延迟时间，以在横穿焊接部2的位置进行聚焦。同样，选择接收用振子组7，以使来自缺陷3的反射回波能够作为内表面侧的一次反射波而接收，使指向性与钢管的外径对应地稍微偏向阵列探头的中心轴侧，以使折射角成为45°，并且设定各振子的延迟时间，以在横穿焊接部2的位置进行聚焦。在这里，折射角不限于45°，可在能够进行横波中的探伤的大致30°～70°的范围内适用，但考虑横波在缺陷和内表面反射时的声压反射率的角度依赖性时，优选的是成为全反射的大致35°～55°的范围。并且，考虑稳定性而也可以是40°～50°的范围。

如上所述，由于发射波束和接收波束的振子组的位置、数量、折射角被设定为根据焊接部的位置聚焦，成为能够接收来自缺陷的反射波的位置关系，因而能够检测来自壁厚内部的微小缺陷的反射。

接着，在图2A～图2D表示用于扫描从钢管内表面至外表面的焊接部的顺序的例子。首先，在表示扫描开始的步骤1中，利用线性阵列探头的中央附近的振子组，在焊接部的钢管内表面侧对合聚焦位置(焦点位置)，通过0.5跳跃的反射法进行探伤。此时的发射和接收通过相同的振子组进行。接着，在步骤2中，通过使发射的振子组向焊接部一侧偏离，并且使接收的振子向远离焊接部的一侧偏离，将焦点位置设定在从焊接部的钢管内表面侧稍微靠上(钢管外表面侧)，由串联探伤对焊接部的钢管内表面侧稍微靠上(钢管外表面侧)的壁厚内部进行探伤。

紧接着，在步骤3中使发射的振子组向焊接部一侧偏离，使接收的振子组向与焊接部相反的一侧偏离，使焊接部中的探伤位置向钢管外表面侧移动而进行探伤。在附图中虽然仅图示步骤2和3，但实际上考虑超声波的焦点尺寸(焦点位置中的波束尺寸)，使超声波束的一部分重叠地决定振子组偏离的个数，以成为没有探伤的疏忽(遗漏)和不重复的有效的探伤。最后步骤4表示扫描的结束，利用远离焊接部的一侧的振子组，对焊接部的外表面侧，由1.0跳跃的反射法进行探伤。通过重复该步骤1至4，并且对钢管和线性阵列探头的相对位置在管轴方向上机械性地进行扫描，能够跨越焊接部的全长(钢管的外表面侧至内表面侧)进行探伤。

图3是表示本发明的超声波探伤装置的功能构成例的图。在被检测体尺寸输入部30，从操作员或过程控制计算机输入进行探伤的钢管的外径、壁厚的值。在阵列探头存储部31，存储有阵列探头5的频率、振子间距、振子数量。

在开口宽度控制部32中，与钢管的尺寸和阵列探头的规格对应地，计算发射用阵列探头的位置、发射用扫描线的数量、各扫描线的发射用波束的路径。接着，在各路径中，求出焦点距离、偏向角。将该焦点距离、超声波频率带入式(1)，以使得波束宽度成为规定范围的方式求出开口宽度。其中，波束宽度的规定范围中，0.5～2.5mm为可应用范围，优选超过0.7mm至2.5mm，更优选1.0～2.0mm。

将开口宽度除以振子间距，求出各扫描线的发射用振子组的振子数量。并且根据扫描线位置和振子数量决定发射用振子组的位置，并且对应每个扫描线计算各振子的延迟时间。将这样决定的上述各值在这里称作阵列发射规则。

在开口宽度控制部32中，还与钢管的尺寸和阵列探头的规格对应地，计算阵列探头的位置、接收用扫描线的数量、各扫描线的接收用波束的路径。接着，求出在各路径中的焦点距离、偏向角。将该焦点距离、超声波频率带入式(1)，以使得波束宽度成为规定范围的方式求出开口宽度。其中，在接收中，也与发射相同地，波束宽度的规定范围中，0.5～2.5mm为可应用范围，优选超过0.7mm至2.5mm，更优选1.0～2.0mm。

将开口宽度除以振子间距，求出各扫描线的发射用振子组的振子数量。并且根据扫描线位置和振子数量决定接收用振子组的位置，并且对应每个扫描线计算各振子的延迟时间。将这样决定的上述各值在这里称作阵列接收规则。并且，根据由开口宽度控制部32计算的波束的路径，决定缺陷检测用门位置后存储在门位置存储部33中。

另外，在这里，阵列接收规则可以根据之前求出的阵列发射规则决定，也可以相反地先求出阵列接收规则后根据其决定阵列发射规则。这样决定的阵列发射规则和阵列接收规则分别存储在阵列发射规则存储部34和阵列接收规则存储部35中，用于以下的发射接收控制中。

在阵列发射部36中，根据存储在阵列发射规则存储部34中的阵列发射规则，选择发射用振子组，对各元件赋予延迟时间而产生发射脉冲。在阵列接收部37中，根据存储在阵列接收规则存储部35中的阵列接收规则，选择接收用振子组，对各元件赋予延迟时间而将信号相加，得到探伤波形。在门部38中，读取存储在门位置存储部33中的门位置的信号。

在缺陷判断部40中，比较输入到判断阈值输入部39的缺陷判断阈值和门内的信号强度，如果信号强度在阈值以上则判断为缺陷。由此结束1扫描线的探伤后，根据存储在阵列发射规则存储部34中的阵列发射规则，选择下一个发射用振子组，以下与上述一样重复进行探伤。另外，关于缺陷的判断，也可以在信号强度在阈值以上的情况有多次时判断为缺陷。

以下说明利用该超声波探伤装置在焊接面的厚度方向上进行波束扫描用的振子组的控制顺序。具体而言，以如下的顺序决定发射/接收的振子组、振子的数量、偏向角、焦点距离即可。在这里，在发射部和接收部中使用的振子组的宽度由用于得到必要的灵敏度的聚焦系数求出，以使折射角变得一定的情况，适当参照图1或图4A、图4B进行说明。其中，由于以下所示的a)、b)、g)的内容与上述1)、2)、3)对应，因而在这里简单进行说明。

a)确定线性阵列探头的位置，以从位于线性阵列探头中心的振子相对于该探头面垂直发射的波束以规定折射角度(例如，折射角45°)的横波进入钢管，入射到焊接部的钢管内表面侧或钢管外表面侧。

b)通过几何学方法决定入射点，以使来自各振子的入射到钢管外表面的入射角始终一定或在规定范围内，并且以折射角45°决定通过钢管内的线(扫描线)。

在这里所称的各振子是与发射部的中心位置对应的振子，决定发射部的振子组和钢管外表面的入射点的位置关系。并且，与折射角对应地确定入射到钢管后的传播路径、即内表面处的反射点、外表面处的反射点、焊接面处的反射点。

c)从上述入射点和各振子的位置关系，计算各扫描线的偏向角。

d)计算各扫描线的水中距离和直到焊接部的钢中路程，用声速和水中距离换算而求出水中焦点距离F。

e)与必要的波束宽度d对应地，利用式(1)，计算各扫描线的开口宽度D，将该开口宽度D除以振子间距而进行四舍五入，由此求出各扫描线的振子组的振子数量n(与技术方案3的“同时激振的振子数量”对应)。其中，必要的波束宽度d为如上所述，为了检测表示微小缺陷在大范围内分布的形态的分散存在型穿透缺陷而应用的波束直径的范围，其为0.5～2.5mm，优先为0.7mm至2.5mm，进而优选为1.0～2.0mm。

f)由各扫描线的振子位置和振子数量n，决定构成发射部的各振子组的位置。

g)由各扫描线在焊接部相交的位置关系，决定在探伤中使用的扫描线，并且决定与发射的振子组配对的接收的振子组。发射部和接收部的配对的选择，从相反方向传播，使在焊接部相交的扫描线彼此配对即可。并且，在相对于所要求的空间分解能力，重复焊接部的相同部位超出所需的情况下，也可以进行间除。

h)关于在探伤中使用的全部扫描线，由于决定振子组的数量、焦点距离和偏向角，因而分别计算赋予各振子的延迟时间。关于该计算方法，利用由本发明人以前申请的专利文献5公开的公知技术即可。

以下参照图5和数式对计算的基本想法进行说明。首先，以振子组的中心位置作为坐标的原点，设焦点距离为F，偏向角为θ，如下所述地求出焦点位置的坐标{Xf、Yf}。

Xf＝F·sinθ、Yf＝-F·cosθ

接着，设振子间距为P，振子组的振子数量(与技术方案3的“同时激振的振子数量”对应，在图5中记载为“同时激振元件”)为n(其中，n为偶数)，求出各振子的坐标{Xp(i)，Yp(i)}。

Xp(i)＝-n·p/2-p/2+p·i、Yp(i)＝0(i＝1～n)

并且，如下所述地求出焦点位置和各振子组的距离Z(i)及其最大值Zm。

Z(i)＝SQRT{(Xf-Xp(i))²+(Yf-Yp(i))²}(i＝1～n)

Zm＝max{Z(i)}(i＝1～n)

最后，由下述式求出延迟时间Δt(i)。其中，C是声速。

Δt(i)＝(Zm-Z(i))/C(i＝1～n)

其中以上表示计算的基本想法，不一定要对于每个扫描线将振子组的中心位置作为坐标的原点。并且，振子数量n作为偶数进行了说明，也可以是奇数。在奇数的情况下，当然将上述式进行部分变更即可应用。在实际计算中，预先决定阵列探头的每个元件的坐标，根据焦点距离和偏向角求出焦点位置的坐标，求出上述焦点位置和各振子的距离Z(i)即可。

图4A、图4B是表示这样决定的扫描线和该扫描线中的代表点的探伤条件计算结果的一例的图。表示对外径φ558.8mm、壁厚25.4mm的钢管，用超声波频率15MHz、振子的间隔为0.5mm间距、160个元件(振子)的线性阵列探头，以中心的水中距离20mm、折射角45°进行探伤的例子。在这里，对于振子编号，设靠近焊接部的一侧为1，远离的一侧的160。

以上，如图4B的表所示，由于求出各振子位置中的焦点距离，因而根据该焦点距离，还求出用于在管轴方向上聚焦的声透镜的曲率。声透镜的曲率r可由广为知晓的下述式进行计算。

r＝{1-(C2/C1)F……(3)}

其中，扫描线A用双点划线表示，扫描线B用虚线表示，扫描线C用单点划线表示，为了使附图容易读懂，扫描线A、B、C的线两侧表示为白色。并且，探头的黑色部分表示用于对各扫描线进行发射接收的振子组。

图6A、图6B是表示关于图4A所示的扫描线A计算延迟时间的结果和发射的原理的图。附图中，10是计算上述1)至8)的探伤条件计算部，11是根据其决定发射脉冲的发射时刻的延迟时间设定部，12是脉冲发生器，13是线性阵列探头的各振子。附图中，表示下述情况：仅选择振子编号17至22，振子编号17最先被激振，慢慢地直到振子编号18～22具有时间延迟地被激振。由此，形成相当于扫描线A的发射波束。

图7A、图7B是表示关于图4A所示的扫描线C计算延迟时间的结果和接收的原理的图。附图中，13是线性阵列探头的各振子，14是接收放大器，15是延迟时间设定部，16是合成处理部，17是门评价部。附图中，表示下述情况：仅选择振子编号124至155，来自缺陷的回波最先入射到振子编号124，慢慢直到振子编号125～155具有时间延迟地接收，通过延迟时间设定部15修正时间延迟而使相位一致，由合成处理部16合成，回波由于聚焦效果而变大。

由此，进行相当于扫描线C的接收。然后，通过门评价部17，由发射部脉冲(图中的T脉冲)在设定为与波束路程的距离的时间区域(门)判断缺陷回波(图中的F回波)的有无，进行探伤。另外，关于延迟时间设定部15、合成处理部16、门评价部17，从接收放大器14出来后立即进行A/D变换，将信号存储到存储器后用软件进行处理也可以实施。

在本实施例中探伤条件的计算，如上述2)以后首先决定各扫描线的入射点后依次进行计算，但不限于此，例如也可以决定焦点位置后，关于各振子搜索性地求出到达该焦点位置的传播时间最短的路径。

实施例2

接着，对本发明的第二实施例进行说明。图8是说明本发明的第二实施例的图，表示图2C所示的步骤3中的探伤的设定和顺序。附图中，7’～7’”是接收用振子组，9’～9’”是接收波束，在该实施例中，从发射用振子组5发射发射波束6，首先由接收用振子组7’接收。接着，从发射用振子组5发射发射波束6，由接收用振子组7”接收。最后从发射用振子组5发射发射波束6，由接收用振子组7’”接收。由此一来，焊接部位置如附图所示，即使不能特定焊接点的位置、定位精度变差、因存在振动等原因而左右摆动，任意组合中扫描线都在焊接部相交，从而能够毫无遗漏地检测缺陷。

实施例3

接着，对本发明的第三实施例进行说明。图9是说明本发明的第三实施例的图。在第三实施例中，在图2A～图2D中的步骤1至4中对管圆周方向的某部分进行全壁厚探伤后，接着在步骤5至8中对其扫描位置前侧(图中右侧)进行探伤，进而在步骤9至12中对内侧(图中左侧)进行探伤。

这样一来，即使不能特定焊接点的位置、定位精度变差、因存在振动等原因左右摆动，任意组合中扫描线都在焊接线相交，从而能够毫无遗漏地检测缺陷。在图9中扫描线的交叉位置在管圆周方向上为3个，但不限于此。作为使扫描线的交叉位置偏离的方法，可通过使发射或接收的振子组的位置偏离或使偏向角变化等方法来实现。

实施例4

接着，对本发明的第四实施例进行说明。在第一实施例中，用1个阵列探头对焊接面厚度方向(管径方向)全部区域进行了扫描，在第四实施例中，如图10所示，在1个阵列探头中，在圆周方向上配置多个具有发射部和接收部的阵列探头，对焊接面厚度方向(管径方向)进行分割，用各阵列探头进行扫描。

在该例子中，利用两个阵列探头，在图中左侧的阵列探头中从内表面至壁厚中央部进行探伤，在右侧的阵列探头中从壁厚中央部至外表面进行探伤。如果如图2A～2D所示的1个阵列探头要对内表面至外表面进行探伤，特别是在厚壁钢材中阵列探头的长度变长。由此，由于在发射用或接收用振子组到达阵列探头的端部的情况下偏向角变大，因而产生如灵敏度降低的问题。

相对于此，本实施例中，由于利用多个阵列探头对壁厚方向进行分割而覆盖，因而阵列探头的长度不变长，偏向角不怎么变大就能够抑制灵敏度降低。例如，在对22”且厚度为25mm的钢管以第一实施例进行探伤的情况下，作为阵列探头的长度需要88mm，振子组设定在最端部时的偏向角为±5.9°。

在这里，例如设阵列探头的1个元件的宽度为0.95mm，频率为10MHz时，偏向引起的灵敏度降低为17.4dB。即使增加接收增益而对其补偿灵敏度，由于同时还增加电噪声，因而也不能增大S/N。另一方面，在本实施例中，阵列探头的长度为60mm即可，最端部的振子组中的偏向角成为±3.4°，灵敏度降低为5dB即可。如果是这种程度，即使增加增益而修正灵敏度，电噪声的增大较小也可以。

实施例5

接着，对本发明的第五实施例进行说明。第一实施例和第四实施例，在1个阵列探头中具有发射部和接收部，在第五实施例中，如图11所示，其结构为区分仅用作发射用的阵列探头和仅用作接收用的阵列探头，配置多个阵列探头。这样一来，由于能够使用对各发射接收最适合的阵列探头，因而灵敏度提高。并且，由于能够最适当地设定相对于各钢管的角度，因而偏向角变小，可抑制灵敏度降低。

实施例6

直到第五实施例都使用阵列探头的一部分振子组作为发射部和接收部，使发射部和接收部移动的同时对焊接面进行操作，但在第六实施例中，如图12所示，区分发射用阵列探头和接收用阵列探头，配置多个阵列探头，由阵列探头的全部振子组进行发射接收。焊接面的扫描的方法中，为了设定发射波束和接收波束的交叉位置，改变偏向角。这样一来，由于能够将阵列探头的全部元件作为振子组来使用，因而开口变大，能够增大聚焦系数。在此，在固定阵列探头的位置的情况下，由于相对于焊接线，发射波束和接收波束不形成正反射的关系，因而改变偏向角的同时，机械性地使发射用阵列探头或接收用阵列探头的位置移动，以使发射波束和接收波束在焊接线成为正反射的关系即可。

实施例7

接着，对本发明的第七实施例进行说明。在第七实施例中，如图13所示，设阵列探头为与管的曲率一致的形状。这样一来，与实施例1至6不同，即使发射接收的入射位置发生变化，也能够不进行如线性阵列探头那样的复杂的偏向角的运算处理而容易使偏向角和折射角一定地进行扫描，能够抑制灵敏度不均匀。

另外，实施例4至7的结构不限于单独使用的结构，例如也可以是将焊接面分割为内表面侧和外表面侧，设内表面侧为实施例4的结构，设外表面侧为实施例5的结构而进行组合，如实施例7一样进行适当组合，构成为在具有管的曲率的阵列探头中组合控制折射角度和延迟时间的结构等。

产业上的利用可能性

通过本发明，由于能检测缺陷直径微小但在大区域分散的形态的分散存在型穿透缺陷，因而可改善焊接工艺而防止产生对焊接钢管焊接部的机械特性产生影响的微小缺陷，或可在制造工序中进行选择而防止缺陷流出，能显著地提高焊接钢管的品质，可在以往以上的严酷的使用条件下使用。

Claims (23)

1.一种管体的超声波探伤装置，其特征在于，具有发射接收部，该发射接收部包括：

发射部，以相对于管体的管轴方向焊接部的焊接面使波束宽度为0.5mm至2.5mm范围的方式发射超声波；和

接收部，接收所述焊接面上的一部分或全部反射波；

所述发射部和所述接收部由沿管体圆周方向配置的一个或两个以上的阵列探头上的不同的振子组构成。

2.如权利要求1所述的管体的超声波探伤装置，其特征在于，还具有控制部，该控制部控制各发射中使用的超声波的开口宽度，以使超声波束的波束宽度相对于所述焊接面维持在所述范围内。

3.如权利要求2所述的管体的超声波探伤装置，其特征在于，所述控制部，通过同时激振的振子数，控制超声波开口宽度。

4.如权利要求1至3中任一项所述的管体的超声波探伤装置，其特征在于，所述发射部，发射表示聚焦位置处的声压上升的聚焦系数在-13dB以上、28dB以下的超声波。

5.如权利要求2所述的管体的超声波探伤装置，其特征在于，

所述发射部，以相对于所述管体的管轴方向焊接部的焊接面和所述管体的内表面分别以33.2°至56.8°的范围内的角度入射的方式发射超声波，

所述接收部，接收相对于所述焊接面上的正反射方向朝-12°至16°的范围内的方向反射的一部分或全部反射波，

所述控制部，进行控制以在所述阵列探头上改变与所述发射部和所述接收部对应的振子组或改变所述阵列探头的角度，从而在所述管体的厚度方向上进行扫描，并且，控制各发射和接收的超声波相对于管体的入射角，以使向所述焊接面和所述内表面的入射角度和所述焊接面上的反射波的角度维持在所述各自的范围内。

6.如权利要求5所述的管体的超声波探伤装置，其特征在于，所述控制部，通过使所述振子组中各振子的发射和/或接收时刻偏离，控制向所述管体的入射角和焦点位置，以使向所述焊接面和所述内表面的入射角度和所述焊接面上的反射波的角度维持在所述各自的范围内。

7.如权利要求5所述的管体的超声波探伤装置，其特征在于，使发射侧的超声波或接收侧的超声波的至少一个相对于所述管体的入射角保持为一定。

8.如权利要求5所述的管体的超声波探伤装置，其特征在于，所述控制部，控制各振子的发射或接收的至少一个，以使超声波向所述管体的入射角变得一定。

9.如权利要求1～3、5～8中任一项所述的管体的超声波探伤装置，其特征在于，所述阵列探头，沿着所述管体圆周方向具有曲率地配置振子组。

10.如权利要求1～3、5～8中任一项所述的管体的超声波探伤装置，其特征在于，在所述阵列探头上，具有用于使发射波束和接收波束聚焦在管体的管轴方向上的声透镜，将该声透镜的焦点距离设定为越靠近焊接部越短、越远离焊接部越长。

11.如权利要求1～3、5～8中任一项所述的管体的超声波探伤装置，其特征在于，所述发射接收部由多个阵列探头构成，并且在各阵列探头上具有发射部和接收部。

12.如权利要求1～3、5～8中任一项所述的管体的超声波探伤装置，其特征在于，所述发射接收部的发射部和接收部由各自的阵列探头构成。

13.如权利要求5至8中任一项所述的管体的超声波探伤装置，其特征在于，所述发射接收部的发射部和接收部由各自的阵列探头构成，所述控制部改变来自各阵列探头的发射波束和接收波束的偏向角。

14.如权利要求5至8中任一项所述的管体的超声波探伤装置，其特征在于，所述控制部改变各发射和/或接收的超声波相对于所述管体的入射角和焦点位置，以使发射波束的扫描线和接收波束的扫描线在所述管体圆周方向的多个位置上交叉。

15.一种管体的超声波探伤方法，其特征在于，利用由发射部和接收部构成的管体的超声波探伤装置，所述发射部和接收部由沿管体圆周方向配置的一个或两个以上的阵列探头上的不同的振子组构成；

以相对于所述管体的管轴方向焊接部的焊接面使波束宽度在0.5mm至2.5mm范围的方式发射超声波。

16.如权利要求15所述的管体的超声波探伤方法，其特征在于，控制各发射中使用的超声波的开口宽度，以使超声波束的波束宽度相对于所述焊接面维持在所述范围内。

17.如权利要求16所述的管体的超声波探伤方法，其特征在于，通过所述振子组中的同时激振的振子数，控制超声波开口宽度。

18.如权利要求15至17中任一项所述的管体的超声波探伤方法，其特征在于，发射表示聚焦位置处的声压上升的聚焦系数在-13dB以上、28dB以下的超声波。

19.如权利要求15至17中任一项所述的管体的超声波探伤方法，其特征在于，

以相对于所述管体的管轴方向焊接部的焊接面和所述管体的内表面分别以33.2°至56.8°的范围内的角度入射的方式，由所述发射部发射超声波，

由所述接收部接收相对于所述焊接面上的正反射方向朝-12°至16°的范围内的方向反射的一部分或全部反射波，

进行控制以在所述阵列探头上改变与所述发射部和所述接收部对应的振子组或改变所述阵列探头的角度，从而在所述管体的厚度方向上进行扫描。

20.如权利要求15至17中任一项所述的管体的超声波探伤方法，其特征在于，通过使所述振子组中各振子的发射和/或接收时刻偏离，控制向所述管体的入射角和焦点位置。

21.如权利要求15至17中任一项所述的管体的超声波探伤方法，其特征在于，使发射侧的超声波或接收侧的超声波的至少一个相对于所述管体的入射角保持为一定。

22.一种管体的超声波探伤装置，其特征在于，具有发射接收部和控制部，

所述发射接收部包括：

发射部，以相对于管体的管轴方向焊接部的焊接面使波束宽度为0.5mm至2.5mm范围的方式发射超声波，并以相对于所述管体的管轴方向焊接部的焊接面和所述管体的内表面分别以33.2°至56.8°的范围内的角度入射的方式发射超声波，发射表示聚焦位置处的声压上升的聚焦系数在-13dB以上、28dB以下的超声波；和

接收部，接收相对于所述焊接面上的正反射方向朝-12°至16°的范围内的方向反射的一部分或全部反射波，

所述发射部和所述接收部由沿管体圆周方向配置的一个或两个以上的阵列探头上的不同的振子组构成，

所述控制部控制各发射中使用的超声波的开口宽度，以使超声波束的波束宽度相对于所述焊接面维持在所述范围内，

所述控制部，通过同时激振的振子数，控制超声波开口宽度，

所述控制部，进行控制以在所述阵列探头上改变与所述发射部和所述接收部对应的振子组或改变所述阵列探头的角度，从而在所述管体的厚度方向上进行扫描，并且，控制各发射和接收的超声波相对于管体的入射角，以使向所述焊接面和所述内表面的入射角度和所述焊接面上的反射波的角度维持在所述各自的范围内，

所述控制部，通过使所述振子组中各振子的发射和/或接收时刻偏离，控制向所述管体的入射角和焦点位置，以使向所述焊接面和所述内表面的入射角度和所述焊接面上的反射波的角度维持在所述各自的范围内。

23.一种管体的超声波探伤方法，其特征在于，利用由发射部和接收部构成的管体的超声波探伤装置，所述发射部和接收部由沿管体圆周方向配置的一个或两个以上的阵列探头上的不同的振子组构成，

以相对于所述管体的管轴方向焊接部的焊接面使波束宽度在0.5mm至2.5mm范围的方式，并以相对于所述管体的管轴方向焊接部的焊接面和所述管体的内表面分别以33.2°至56.8°的范围内的角度入射的方式，由所述发射部发射超声波，发射表示聚焦位置处的声压上升的聚焦系数在-13dB以上、28dB以下的超声波，

由所述接收部接收相对于所述焊接面上的正反射方向朝-12°至16°的范围内的方向反射的一部分或全部反射波，

控制各发射中使用的超声波的开口宽度，以使超声波束的波束宽度相对于所述焊接面维持在所述范围内，

通过所述振子组中的同时激振的振子数，控制超声波开口宽度，

进行控制以在所述阵列探头上改变与所述发射部和所述接收部对应的振子组或改变所述阵列探头的角度，从而在所述管体的厚度方向上进行扫描，

通过使所述振子组中各振子的发射和/或接收时刻偏离，控制向所述管体的入射角和焦点位置。

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