CN102472729B

CN102472729B - 超声波检查用探头及超声波检查装置

Info

Publication number: CN102472729B
Application number: CN201080032305.0A
Authority: CN
Inventors: 松本拓俊; 清水正嗣; 青木清隆; 辻伸一
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2010-08-12
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2030-08-12
Also published as: US20120118064A1; CN102472729A; WO2011021564A1; JP2011043407A; US8783111B2; JP5419592B2

Abstract

本发明提供一种超声波检查用探头及超声波检查装置，其不受检查对象的内面形状的影响，在维持探伤能力的同时可以谋求缩短探伤所需的时间。该超声波检查用探头设置有第一探头（21）及第二探头（22），该第一探头及第二探头排列有向被检测体（T）发射超声波并且检测从被检测体（T）反射的超声波的多个振子。第一探头（21）配置在比第二探头（22）更靠近被检测体（T）中的缺陷这一侧，第一探头（21）产生在被检测体（T）的与配置有第一探头（21）及第二探头（22）的表面（T2）相反的一侧的内侧面（T5）传播的纵波超声波及自表面（T2）朝向被检测体（T）的内部传播的横波超声波。第二探头（22）产生在表面（T2）传播的纵波超声波及自表面（T2）朝向被检测体（T）的内部传播的纵波超声波。

Description

超声波检查用探头及超声波检查装置

技术领域

本发明特别涉及用于检查配管的对接焊接部的合适的超声波检查用探头及超声波检查装置。

背景技术

当前，在对锅炉管等小口径配管中的对接焊接部进行品质检查时进行放射线透过试验及超声波探伤试验。对于上述方法中的超声波探伤而言，可以使用各种探伤法，例如使用了横波超声波的斜角探伤法、使用了爬波的爬波探伤法等（例如参照专利文献1及专利文献2）。

在放射线透过试验中，由于试验中外人需要退让到管理区域外，因此，不能同时进行焊接作业等其他作业。并且，也存在作业者受到放射线照射的问题，因此希望能够代替超声波探伤试验。

一方面，对于超声波探伤试验而言，已知上述斜角探伤法存在如下优点：通过使超声波在配管的内面跳跃传播（スキップ），与爬波探伤法相比，能够高精度地检测配管的整个板厚中有无缺陷。

另一方面，已知爬波探伤法存在如下优点：利用超声波的扩散，与斜角探伤法相比，能够在短时间内检测配管的整个板厚中有无缺陷。

因此，根据进行超声波探伤的对象，存在使用斜角探伤法及爬波探伤法中的一种方法或使用这两种方法来检查有无缺陷的情况。

【专利文献1】日本特开2006-030218号公报

【专利文献2】日本特开2008-026061号公报

但是，对于上述斜角探伤法而言，由于使超声波在配管的内面跳跃传播，因此只能使用内面平滑的光滑管，对于呈螺旋状地形成有槽的螺旋槽管（ライフル管），存在不能基于斜角探伤法检查有无缺陷的问题。并且，与爬波探伤法相比，由于斜角探伤法需要使用探头在配管进行扫掠，因此，存在检查是否存在缺陷所需的时间延长的问题。

另一方面，爬波探伤法与斜角探伤法相比，存在缺陷的检测能力低这样的不足。例如存在难以检测直径为1mm左右的气孔这样的不足。

并且，在实施斜角探伤法及爬波探伤法这两种方法时，例如对光滑管及螺旋槽管这两者充分实施探伤检测时，由于对应的探头不同，因此需要更换探头，于是存在探伤所需的时间延长的问题。

发明内容

本发明是为解决上述课题而作出的，其目的在于提供一种超声波检查用探头及超声波检查装置，其不受检查对象的内面形状的影响，在维持探伤能力的同时能够谋求缩短探伤所需的时间。

为了实现上述目的，本发明提供以下方案。

本发明第一方案的超声波检查用探头，其特征在于，设置有第一探头及第二探头，该第一探头及第二探头排列有向被检测体发射超声波并且检测从所述被检测体反射的超声波的多个振子，所述第一探头配置在比所述第二探头更靠近所述被检测体中的缺陷这一侧，所述第一探头产生在所述被检测体的与配置有所述第一探头及第二探头的表面相反的一侧的内侧面传播的纵波超声波及自所述表面朝向所述被检测体的内部传播的横波超声波，所述第二探头产生在所述表面传播的纵波超声波及自所述表面朝向所述被检测体的内部传播的纵波超声波。

根据本发明的第一方案，通过利用第一探头产生在内侧面传播的纵波超声波（二次爬波）并且利用第二探头检测在缺陷处反射的二次爬波，因此，与内侧面形状无关，可以检查内侧面有无缺陷（例如，熔深不足（IncopletePenetration））。另一方面，通过利用第二探头产生在表面传播的纵波超声波（爬波）并且利用第一探头检测在缺陷处反射的爬波，因此，与表面形状无关，可以检查表面有无缺陷（例如，熔合不良（Lack of Fusion））。

并且，由于利用爬波及二次爬波（利用爬波探伤法）检查有无缺陷，因此与斜角探伤法相比，可以缩短探伤所需的时间。

可以利用第一探头产生自表面朝向被检测体内部传播的横波超声波并且利用第二探头检测在缺陷处反射的横波超声波，换言之可以利用横波斜角探伤法检查有无缺陷。同样地，可以利用第二探头产生自表面朝向被检测体内部传播的纵波超声波并且利用第一探头检测在缺陷处反射的纵波超声波，换言之可以利用纵波斜角探伤法检查有无缺陷。

并且，由于使用斜角探伤法检查有无缺陷，因此，与爬波探伤法相比可以高精度地检查有无缺陷。

并且，由于设置有第一探头及第二探头，因此，本发明的超声波检查用探头不进行更换就能够用于基于斜角探伤法及爬波探伤法检查有无缺陷。

本发明第二方案的超声波检查装置设置有：上述本发明所述的超声波检查用探头；控制所述第一探头的多个所述振子的超声波发射时机及所述第二探头的多个所述振子的超声波发射时机的发射部；以及接收部。

根据本发明的第二方案，设置有上述本发明的超声波检查用探头，并利用发射部控制第一探头的多个振子及第二探头的多个振子的超声波发射时机。因此，可以控制利用第一探头产生在内侧面传播的纵波超声波及自表面朝向所述被检测体的内部传播的横波超声波，并且可以控制利用第二探头产生在表面传播的纵波超声波及自表面朝向被检测体的内部传播的纵波超声波。

根据本发明的超声波检查用探头及超声波检查装置，利用第一探头产生爬波探伤法所使用的二次爬波，利用第二探头产生爬波，并且，利用第一探头产生斜角探伤法所使用的横波超声波，利用第二探头产生纵波超声波，因此，具有如下效果：不受检查对象的内面形状的影响，在维持探伤能力的同时能够谋求缩短探伤所需的时间。

附图说明

图1是说明本发明一实施方式的超声波探伤装置的概略结构的示意图。

图2是说明图1的探头部配置于锅炉管的状态的示意图。

图3是说明基于横波斜角探伤法检查有无缺陷的示意图。

图4是说明基于爬波探伤法检查有无缺陷的示意图。

图5是说明基于纵波斜角探伤法检查有无缺陷的示意图。

附图标记说明

1 超声波探伤装置

2 探头部（超声波检查用探头）

21 第一探头

22 第二探头

31 发射部

T 锅炉管（被检测体）

T2 外周面（表面）

T5 修磨部（内侧面）

具体实施方式

参照图1～图5说明本发明一实施方式的超声波探伤装置。

图1是说明本实施方式的超声波探伤装置的概略结构的示意图。图2是说明图1的探头部配置于锅炉管的状态的示意图。

在本实施方式中，将本发明应用于对锅炉管（被检测体）T的对接焊接部T1的熔融不良、熔深不足等缺陷的有无进行检测的超声波探伤装置1进行说明。

如图1所示，在超声波探伤装置1主要设置有一对探头部（超声波检查用探头）2、控制部3、信息处理部4。

如图2所示，本实施方式的锅炉管T具有外周面（表面）T2，并且，在内周面T3形成有螺旋槽T4，内周面T3的对接焊接部T1附近设置有使锅炉管T的壁厚一致的修磨部（内侧面）T5，对将本发明应用于具有上述结构的锅炉管的情况进行说明。

修磨部T5的表面与内周面T3不同，形成为圆筒面状。

如图2所示，探头部2配置在锅炉管T的对接焊接部T1附近，朝向锅炉管T发射超声波并且检测自锅炉管T及对接焊接部T1反射的超声波。

在探头部2主要设置有第一探头21、第二探头22、第一楔形部23、第二楔形部24。自第一探头21及第二探头22各自产生的超声波经由第一楔形部23及第二楔形部24入射到锅炉管T内。

第一探头21及第二探头22发射超声波并且对由缺陷反射的超声波进行检测，上述第一探头21及第二探头22用于检测锅炉管T的对接焊接部T1的熔合不良、熔深不足等缺陷。

并且，第一探头21及第二探头22是进行超声波的发射及超声波的检测的多个振子在面上排列而形成的相控阵探头。

如图2所示，第一探头21配置在探头部2的、锅炉管T存在缺陷这一侧（对接焊接部T1侧），并隔着第一楔形部23与锅炉管T相对地配置。

第二探头22配置在探头部2的与锅炉管T存在缺陷这一侧相反的一侧，换言之，朝向自对接焊接部T1离开的方向按照第一探头21、第二探头22的顺序配置。并且，第二探头22隔着第二楔形部24与锅炉管T相对地配置。

以后，将探头部2的配置有第一探头21的一侧标记为前侧，将配置有第二探头22的一侧标记为后侧。

第一探头21及第二探头22自前侧朝向后侧配置成具有靠近锅炉管T的倾斜度。并且，第一探头21的振子及第二探头22的振子配置在具有自前侧朝向后侧延伸的中心轴线的圆周面上。

在本实施方式中，例举第一探头21的振子及第二探头22的振子配置在半径为约50mm的圆周面上的例子进行说明。

构成第一探头21及第二探头22的振子的数量（振子数）为约8个～约16个，振子的间距（振子间距）为约0.3mm～约0.6mm，将本发明应用于上述例子进行说明。

振子的间距是指：若以第一探头21为例，则为构成第一探头21的多个振子中自各个振子在锅炉管中心轴方向的中心到相邻的振子在锅炉管中心轴上的中心的距离。

并且，对于第一探头21，配置有探头部2的锅炉管T的面的法线和第二探头22的面的法线之间的角度为约28°，将本发明应用于上述例子进行说明。另一方面，对于第二探头22，配置有探头部2的锅炉管T的面的法线和第一探头21的面的法线之间的角度为约28°，将本发明应用于上述例子进行说明。

作为多个振子，可以例举由公知的压电材料形成的振子，并非特别限定。

并且，多个探头的排列图案可以根据锅炉管T等被检测体形状等从各种排列图案中选择适合的图案，并非特别限定。

第一楔形部23及第二楔形部24分别将自第一探头21及第二探头22发射的超声波导入锅炉管T，并且将由锅炉管T的缺陷反射的超声波导入第一探头21及第二探头22。

作为构成第一楔形部23及第二楔形部24的材料，可以使用树脂等公知材料，并非特别限定。

第一楔形部23配置在第一探头21和锅炉管T之间。

在本实施方式中，应用于与第一探头21接触的面和与锅炉管T接触的面之间的角度为约28°的例子进行说明。

第二楔形部24配置在第二探头22和锅炉管T之间。

在本实施方式中，应用于与第二探头22接触的面和与锅炉管T接触的面之间的角度为约23°的例子进行说明。

在第一探头21及第一楔形部23与第二探头22及第二楔形部24之间，设置有吸收超声波并防止超声波在两者之间直接传播的吸音部25。吸音部25通过吸收在两者之间直接传播的超声波，从而可以抑制产生从锅炉管T及对接焊接部T1反射的超声波之外的妨碍探伤的超声波。

作为吸音部25，可以使用公知部件，并非特别限定。

控制部3控制自探头部2发射的超声波并将自探头部2输出的检测信号传递到信息处理部4。

如图1所示，在控制部3主要设置有发射部31、接收部32。

发射部31向第一探头21的振子及第二探头22的振子输出使其发射超声波的脉冲状驱动电压。并且，通过控制自各振子发射的超声波的相位，控制自第一探头21及第二探头22发射的超声波。

在本实施方式中，发射部31向第一探头21的振子输出驱动电压，该驱动电压使第一探头21的振子发射在锅炉管T的内周面T3产生二次爬波的超声波及用于产生在锅炉管T内部传播的横波超声波的超声波。

另一方面，发射部31向第二探头22的振子输出驱动电压，该驱动电压使第二探头22的振子发射在锅炉管T的外周面T2产生爬波的超声波及用于产生在锅炉管T内部传播的纵波超声波的超声波。

作为发射部31，可以使用公知部件，并非特别限定。

接收部32将自第一探头21的振子及第二探头22的振子输出的检测信号转换为能够在信息处理部4进行处理的测定信号并向信息处理部4输出测定信号。例如，将自第一探头21及第二探头22的振子输出的作为模拟信号的检测信号，转换为能够在信息处理部4进行处理的作为数字信号的测定信号。

在接收部32，以能够从第一探头21的振子及第二探头22的振子输入检测信号的方式连接有第一探头21和第二探头22，并且，以能够将测定信号输出到信息处理部4的方式连接有信息处理部4。

作为接收部32，可以使用公知部件，并非特别限定。

信息处理部4基于自接收部32输入的测定信号，通过运算求出锅炉管T的对接焊接部T1中的缺陷位置。

作为信息处理部4，可以使用公知部件，并非特别限定。

接着，对使用由上述结构构成的超声波探伤装置1对锅炉管T检查有无缺陷的情况进行说明。

在本实施方式中，最初基于横波斜角探伤法检查缺陷、具体而言检查有无气孔（BH），接下来，基于爬波探伤法检查外周面T2是否存在熔合不良（LF）、内周面T3是否存在熔深不良（IP），最后，基于纵波斜角探伤法检查有无熔合不良（LF），将本发明应用于上述例子进行说明。

图3是说明基于横波斜角探伤法检查有无缺陷的示意图。

首先，对基于横波斜角探伤法检查是否存在气孔等缺陷的情况进行说明。

如图3所示，一对探头部2以中间隔着锅炉管T的对接焊接部T1的方式彼此相对地配置。此时，配置有第一探头21的前侧成为对接焊接部T1侧。

而且，利用自第一探头21发射的超声波，横波超声波在锅炉管T的内部传播。发射部31通过控制自第一探头21的振子发射的超声波的相位，控制自第一探头21发射的超声波束的方向。由此，控制在锅炉管T内部传播的横波超声波的行进方向（被扇形扫描）。

具体而言，自第一探头21发射的超声波在第一楔形部23的内部传播后，自锅炉管T的外周面T2入射到内部，并作为横波超声波朝向锅炉管T的内周面T3传播。超声波自第一楔形部23入射到锅炉管T时折射。在本实施方式中，横波超声波以外周面T2的法线方向为基准在约38°～约60°的角度范围内传播。

被扇形扫描的横波超声波直接入射到对接焊接部T1，或在修磨部T5进行反射并入射到对接焊接部T1。在图3中，自左侧的探头部2发射的横波超声波直接入射到对接焊接部T1，自右侧的探头部2发射的横波超声波在修磨部T5进行反射并入射到对接焊接部T1。

若在对接焊接部T1存在气孔等缺陷，则横波超声波在该缺陷处进行反射。

反射的超声波沿着与入射时相同的路径的反向路径一直传播到锅炉管T的外周面T2。接着，反射的超声波自外周面T2入射到第二楔形部24并自第二楔形部24入射到第二探头22，被第二探头22的振子检测到。

第二探头22的振子输出与检测到的超声波的强度相应的检测信号，检测信号如图1所示输入到接收部32。接收部32将作为模拟信号的检测信号转换为作为数字信号的测定信号，并将测定信号输出到信息处理部4。

信息处理部4基于输入的测定信号等通过运算求出气孔等缺陷的位置。

图4是说明基于爬波探伤法检查有无缺陷的示意图。

接着，对基于爬波探伤法检查是否存在熔合不良或熔深不足等缺陷的情况进行说明。

在结束基于横波斜角探伤法检查有无缺陷时，继续基于爬波探伤法检查有无缺陷。因此，一对探头部2的配置位置与基于横波斜角探伤法进行检查时的配置位置相同。

首先，参照图4左侧的探头部2，对使用在锅炉管T的外周面T2传播的超声波即爬波检查是否存在熔合不良等缺陷的情况进行说明。

发射部31通过控制自第二探头22的振子发射的超声波的相位，控制自第二探头22发射的超声波，以便产生沿锅炉管T的外周面T2传播的纵波超声波即爬波。

具体而言，自第二探头22发射的超声波在第二楔形部24的内部传播后，入射到锅炉管T的外周面T2。于是，产生沿外周面T2传播的纵波超声波即爬波。

爬波沿外周面T2传播并直接入射到对接焊接部T1。若在对接焊接部T1存在熔合不良等缺陷，则爬波利用缺陷被反射。被反射的爬波沿与入射时相同的路径的反向路径，自锅炉管T入射到第一楔形部23。反射的爬波自第一楔形部23入射到第一探头21，被第一探头21的振子检测到。

第一探头21的振子输出与检测到的爬波的强度相应的检测信号。由于以后的作用与基于横波斜角探伤法检查有无缺陷时的作用相同，故省略其说明。

接着，参照图4右侧的探头部2，对使用在锅炉管T的内周面T3和修磨部T5传播的超声波即二次爬波检查是否存在熔深不良等缺陷的情况进行说明。

发射部31通过控制自第一探头21的振子发射的超声波的相位，控制自第一探头21发射的超声波，以便产生沿锅炉管T的修磨部T5传播的纵波超声波即二次爬波。

具体而言，自第一探头21发射的超声波在第一楔形部23的内部传播后，入射到锅炉管T的外周面T2，产生自外周面T2朝向修磨部T5传播的横波超声波。若横波超声波入射到修磨部T5，则产生沿修磨部T5传播的纵波超声波即二次爬波。

二次爬波沿修磨部T5传播并直接入射到对接焊接部T1。若在对接焊接部T1存在熔深不良等缺陷，则二次爬波利用缺陷被反射。被反射的二次爬波沿着与入射时相同的路径自锅炉管T入射到第二楔形部24。反射的二次爬波自第二楔形部24入射到第二探头22，被第二探头22的振子检测到。

第二探头22的振子输出与检测到的二次爬波的强度相应的检测信号。由于以后的作用与基于横波斜角探伤法检查有无缺陷时的作用相同，故省略其说明。

图5是说明基于纵波斜角探伤法检查有无缺陷的示意图。

最后，对基于纵波斜角探伤法检查是否存在熔合不良等缺陷的情况进行说明。

在结束基于爬波探伤法检查有无缺陷时，继续基于纵波斜角探伤法检查有无缺陷。因此，一对探头部2的配置位置与基于横波斜角探伤法或爬波探伤法进行检查时的配置位置相同。

在图5中，为便于理解，仅记载了一对探头部2中的一个探头部2（左侧的探头部2）。

发射部31通过控制自第二探头22的振子发射的超声波的相位，控制自第二探头22发射的超声波，以便产生自锅炉管T的外周面T2朝向内周面T3传播的纵波超声波。

具体而言，自第二探头22发射的超声波在第二楔形部24的内部传播后，自锅炉管T的外周面T2入射到内部，并作为纵波超声波朝向锅炉管T的内周面T3传播。超声波自第二楔形部24入射到锅炉管T时折射。在本实施方式中，纵波超声波以外周面T2的法线方向为基准在约60°～约80°的角度范围内传播。

纵波超声波直接入射到对接焊接部T1，若存在熔合不良等缺陷，则纵波超声波在该缺陷处进行反射。

反射的超声波沿着与入射时相同的路径的反向路径一直传递到锅炉管T的外周面T2。接着，反射的超声波自外周面T2入射到第一楔形部23并自第一楔形部23入射到第一探头21，被第一探头21的振子检测到。

第一探头21的振子输出与检测到的超声波的强度相应的检测信号。由于以后的作用与基于横波斜角探伤法检查有无缺陷时的作用相同，故省略其说明。

根据上述结构，利用第一探头21产生二次爬波，并且利用第二探头22检测在缺陷处反射的二次爬波，从而与内周面T3的形状无关，可以检查修磨部T5中有无缺陷。另一方面，利用第二探头22产生爬波，并且，利用第一探头21检测在缺陷处反射的爬波，从而与外周面T2的形状无关，可以检查外周面T2中有无缺陷。

并且，由于可以利用爬波及二次爬波检查有无缺陷，因此，与斜角探伤法相比，可以缩短探伤所需的时间。

可以利用第一探头21产生自外周面T2朝向锅炉管T内部传播的横波超声波并且利用第二探头22检测在缺陷处反射的横波超声波，即可以基于横波斜角探伤法检查有无缺陷。同样地，可以利用第二探头22产生自外周面T2朝向锅炉管T内部传播的纵波超声波并且利用第一探头21检测在缺陷处反射的纵波超声波，即可以基于纵波斜角探伤法检查有无缺陷。

并且，由于使用斜角探伤法检查有无缺陷，因此，与爬波探伤法相比，可以高精度地检查有无缺陷。

并且，由于设置有第一探头21及第二探头22，因此，本实施方式的探头部2及超声波探伤装置1不用更换探头部2自身和楔形部等即可用于基于斜角探伤法及爬波探伤法检查有无缺陷。

Claims

1.一种超声波检查用探头，其特征在于，

设置有第一探头及第二探头，该第一探头及第二探头排列有向被检测体发射超声波并且检测从所述被检测体反射的超声波的多个振子，

所述第一探头配置在比所述第二探头更靠近所述被检测体中的缺陷这一侧，

所述第一探头产生在所述被检测体的与配置有所述第一探头及第二探头的表面相反的一侧的内侧面传播的纵波即第一超声波及自所述表面朝向所述被检测体的内部传播的横波即第二超声波，

所述第二探头产生在所述表面传播的纵波即第三超声波及自所述表面朝向所述被检测体的内部传播的纵波即第四超声波，检测所述第一超声波的反射波，并且检测所述第二超声波的反射波，

所述第一探头还检测所述第三超声波的反射波，并且检测所述第四超声波的反射波。

2.一种超声波检查装置，其特征在于，设置有：

权利要求1所述的超声波检查用探头；

用于控制所述第一探头的多个所述振子的超声波发射时机及所述第二探头的多个所述振子的超声波发射时机的发射部。