CN109564197A - 超声波探伤装置、超声波探伤方法、焊接钢管的制造方法、及焊接钢管的品质管理方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声波探伤装置1，其包括：矩阵阵列探针2，其通过楔块3配置在能够使超声波相对于焊接根部钝边垂直入射的焊接钢管S的外周面上的位置，将在管轴方向上聚焦的超声波向焊接根部钝边发送，并接收由焊接根部钝边反射的超声波；超声波收发部4，其控制矩阵阵列探针2以接收由焊接根部钝边反射的超声波的反射波；以及评价部5，其基于超声波收发部4接收到的超声波的反射波，来对平面缺陷进行探伤。
Description
技术领域
本发明涉及对在焊接钢管的焊接部的坡口的对接部分存在的平面缺陷进行探伤的超声波探伤装置、超声波探伤方法、焊接钢管的制造方法、以及焊接钢管的品质管理方法。
背景技术
作为使用对管轴方向进行的焊接处理制管而成的焊接钢管，已知有电缝焊接钢管及UOE(U-ing O-ing Expansion，U成型-O成型-扩径)钢管(LSAW(Longitudinal SubmergedArc Welding，直缝埋弧焊接)钢管)等。UOE钢管是通过以下方法制造的：将钢板冲压加工成U型后，冲压加工成O型，将钢板的对接部分通过埋弧焊接(内面焊接及外面焊接)接合，然后扩管。因为UOE钢管应用于能量输送用管线，所以母材的品质自不必说，焊接部的品质在安全上以及环保上也很重要。
通常，焊接钢管的焊接部的品质检查，是使用超声波探伤法，更具体地，是使用斜射探伤法以及串列式探伤法来进行的(参见专利文献1)。斜射探伤法是使用1个探头，基于斯涅尔定律，使其相对于焊接钢管具有折射角度地发送超声波来对缺陷进行探伤的方法，用于对在焊接部的肩部的内外面发生的裂纹缺陷进行探伤。与此相对，对于在焊接部的厚壁中央部分(坡口的对接部分)的缺陷的探伤，使用串列式探伤法。发生于焊接部的厚壁中央部分的缺陷是由于未焊透(incomplete penetration)而发生的，作为与焊接部的厚度方向平行的平面缺陷而存在。
若要使用斜射探伤法对平面缺陷进行探伤，则因为接触到平面缺陷的超声波在正反射方向上会被较强地反射而后方反射较弱，所以S/N比(接收信号强度与噪声强度之比)较低。与此相对，在串列式探伤法中，为了能够接收正反射波而在超声波的发送与接收中分别采用不同的探头，这些探头配置在焊接钢管的圆周上。并且，从一方的探头发送超声波，而以另一方的探头接收超声波，来对缺陷进行探伤。因此，在采用串列式探伤法对平面缺陷进行探伤的情况下，与采用斜射探伤法的情况相比，S/N比较高，能够高灵敏度地检测平面缺陷。
然而，串列式探伤法存在下述问题。
(1)设置困难
通常，探头是通过下述流程设置的：(a)利用计算公式计算探头的设置位置；(b)在计算出的设置位置配置探头；(c)利用人工伤对探头的角度以及设置位置进行调整。该设置流程在斜射探伤法和串列式探伤法中是共通的。然而，在斜射探伤法的情况下，探头只有1个，因此对探头的角度以及设置位置的调整较容易。与此相对，在串列式探伤法的情况下，因为使超声波的发送和接收中所用的探头分离，所以需要对各探头进行角度以及设置位置的调整，设置作业变得复杂。因此，在串列式探伤法的情况下，对探头的角度以及设置位置的调整变得非常困难。
(2)焊接部的形状的影响
若焊接部的厚度为约20mm以下，则在焊接部的内面或者外面反射时超声波的传播路径会弯曲，从而使得超声波会难以接触平面缺陷，对平面缺陷的检测灵敏度较低。
(3)焊缝偏移的影响
有时会发生焊缝偏移，即在内面焊接时以及外面焊接时，对接位置在内面侧与外面侧错位。在发生了焊缝偏移的情况下，因为平面缺陷可能分布在焊接钢管的周向(管周方向)上较广的范围，所以需要能够覆盖焊接钢管的周向上较广的范围的探伤法。然而，串列式探伤法虽然在发送用的超声波与接收用的超声波相交的位置附近具有优异的缺陷检测性能，但其范围狭窄，因此在发生焊缝偏移时，不能对焊接钢管的周向覆盖足够广的范围。
为此，作为解决这些问题的方法，提出了垂直入射法(参见非专利文献1)。垂直入射法是使用1个探头，使超声波相对于焊接部的厚壁中央部分垂直入射的方式的超声波探伤法，其具有如下所示的特征。
(A)设置容易
因为是以1个探头收发超声波，所以没有如串列式探伤法那样设置多个探头时的繁琐。
(B)不受焊接部的形状的影响
因为超声波的传播路径不会根据焊接部的形状而变化，所以将超声波相对于平面缺陷垂直地发送，能够高灵敏度地检测出平面缺陷。
(C)相对于焊接钢管的周向具有较广的可检测范围
因为超声波是对焊接部全体入射，所以相对于焊接钢管的周向覆盖范围较广。
然而，以UOE钢管等焊接钢管的尺寸，为了满足超声波相对于平面缺陷垂直入射的条件，需要75°至83°左右的较大的折射角度。另一方面，如图14所示，回声高度随着折射角度的增加而大幅减少。这是由于随着折射角度的增加，超声波的声压往复透过率会降低的缘故。此外，如图15(a)～(c)所示，随着折射角度的增加，发送超声波的传感器10的表观尺寸会变小(尺寸D→尺寸D’→尺寸D”)，因此随着折射角度的增加，超声波的扩散衰减率会增加，由此，缺陷检测灵敏度降低。另外，图15中，符号11表示楔块，符号S表示焊接钢管。并且，在在线探伤中，电噪声会增大。因此，折射角度的大小在70°左右以下是实用的范围。为此，非专利文献1所记载的方法，是不增大折射角度而通过将垂直入射法与实时数字处理(啁啾(chirp)波脉冲压缩处理以及同步叠加平均处理)组合，来实现高灵敏度的探伤。
专利文献1：WO2014/007023
非专利文献1：“高性能UOE钢管焊接部自动超声波探伤装置”，饭塚幸理等，《NKK技报》(“高性能UOE鋼管溶接部自動超音波探傷装置”，飯塚幸理ら，NKK技報)，No.175(2001.12)，p.36-40
发明内容
然而，在采用垂直入射法的情况下，缺陷检测灵敏度会对应于超声波的入射角度的变化敏感地变化。而超声波的入射角度会根据驱动探头的机构部的松动或者焊接钢管的声各向异性的偏差而变化。因此，期望能够抑制超声波的入射角度的变化对于缺陷检测灵敏度的影响。另一方面，对探头的设置角度以及设置位置的微调，是由操作者手动进行的，因此根据进行调整的操作者的个体差异，缺陷检测灵敏度容易产生偏差。因此，期待提供一种能够抑制超声波的入射角度的变化对于缺陷检测灵敏度的影响以及由操作者的手动调整导致的缺陷检测灵敏度的偏差的技术。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种超声波探伤装置以及超声波探伤方法，能够抑制超声波的入射角度的变化对于缺陷检测灵敏度的影响以及由操作者的手动调整导致的缺陷检测灵敏度的偏差。此外，本发明的另一目的在于，提供一种焊接钢管的制造方法以及焊接钢管的品质管理方法，能够抑制超声波的入射角度的变化对于缺陷检测灵敏度的影响以及由操作者的手动调整导致的缺陷检测灵敏度的偏差，由此来制造焊接部的品质较高的焊接钢管。
本发明涉及一种超声波探伤装置，其是对在焊接钢管的焊接部的坡口的对接部分存在的平面缺陷进行探伤的超声波探伤装置，其包括：矩阵阵列探针(Matrix ArrayProbe)，其通过楔块，配置在能够使超声波相对于焊接根部钝边(Root Face)垂直入射的上述焊接钢管的外周面上的位置，将在管轴方向上聚焦的超声波向上述焊接根部钝边发送，并接收由上述焊接根部钝边反射的超声波；超声波收发部，其控制上述矩阵阵列探针，以接收由上述焊接根部钝边反射的上述超声波的反射波；以及评价部，其基于上述超声波收发部接收到的上述超声波的反射波，来对上述平面缺陷进行探伤，其中，上述矩阵阵列探针具有排列成网格状的多个振动元件；上述振动元件在管轴方向上的排列间距大于收发的超声波的波长；上述振动元件在管轴方向上的宽度从上述矩阵阵列探针的管轴方向中心位置朝向管轴方向外侧变小；上述振动元件在管轴方向上的宽度以及中心坐标被调整成使得在上述超声波的焦点位置控制范围内来自各振动元件的超声波全部重合。
本发明涉及的超声波探伤装置，是在上述发明中，上述超声波收发部在以预先求出的中心角度为中心的规定的角度范围内，使超声波的折射角度按规定的角度间隔变化着，向上述焊接根部钝边发送超声波。
本发明涉及一种超声波探伤方法，其包括以下步骤：利用本发明涉及的超声波探伤装置，对在焊接钢管的焊接部的坡口的对接部分存在的平面缺陷进行探伤。
本发明涉及的超声波探伤方法，是在上述发明中，包括以下步骤：在任意的角度范围内，使超声波的折射角度以任意的角度间隔变化着，向在上述焊接根部钝边的中心位置加工出的人工平面缺陷发送超声波，接收由该人工平面缺陷反射的上述超声波的反射波，求取超声波的反射波的强度最强时的折射角度作为上述中心角度。
本发明涉及的超声波探伤方法，是在上述发明中，包括以下步骤：预先准备上述折射角度不同的多个楔块，在对平面缺陷进行探伤时，选择具有与所需的折射角度接近的折射角度的楔块，将选择出的楔块与上述矩阵阵列探针组合使用。
本发明涉及一种焊接钢管的制造方法，其包括以下步骤：利用本发明涉及的超声波探伤装置，对在焊接钢管的焊接部的坡口的对接部分存在的平面缺陷进行探伤，并基于探伤结果制造焊接钢管。
本发明涉及一种焊接钢管的品质管理方法，其包括以下步骤：利用本发明涉及的超声波探伤装置，对在焊接钢管的焊接部的坡口的对接部分存在的平面缺陷进行探伤，并基于探伤结果评价焊接钢管的品质。
根据本发明涉及的超声波探伤装置以及超声波探伤方法，能够抑制超声波的入射角度的变化对于缺陷检测灵敏度的影响以及由操作者的手动调整导致的缺陷检测灵敏度的偏差。此外，根据本发明涉及的焊接钢管的制造方法以及焊接钢管的品质管理方法，能够抑制超声波的入射角度的变化对于缺陷检测灵敏度的影响以及由操作者的手动调整导致的缺陷检测灵敏度的偏差，由此制造焊接部的品质较高的焊接钢管。
附图说明
图1为表示矩阵阵列探针的开口宽度与在焦点位置的超声波的声压的提高效果的关系的计算结果的一个示例的图。
图2为用于说明管轴方向上的振动元件的构成的图。
图3为用于说明矩阵阵列探针的设置位置的图。
图4为用于说明计算从各振动元件发送超声波的时刻(timing)的方法的图。
图5为表示作为本发明的一个实施方式的超声波探伤处理的流程的流程图。
图6为用于说明扇区扫描的中心角度的计算方法的图。
图7为表示作为本发明的一个实施方式的超声波探伤装置的结构的示意图。
图8为表示图7所示的矩阵阵列探针的结构的俯视图。
图9为表示通常的UOE钢管的制造工序的流程的图。
图10为表示机械手所具有的多个矩阵阵列探针的配置位置的示意图。
图11为表示厚壁中央部探伤用的矩阵阵列探针的结构的示意图。
图12为表示超声波探伤结果的一个示例的图。
图13为表示t/D不同的焊接钢管的S/N比以及折射角度的一个示例的图。
图14为表示超声波的折射角度与回声高度的关系的一个示例的图。
图15为用于说明超声波的折射角度与表观上的传感器的尺寸的关系的图。
具体实施方式
超声波在管轴方向上的聚焦
本发明中，在利用垂直入射法的超声波探伤方法中，为了在高折射角度时补偿缺陷检测灵敏度的降低、实现高S/N比，使超声波在管轴方向上聚焦。具体地，超声波的折射角度为80°时的缺陷检测灵敏度，与超声波的折射角度为70°时的缺陷检测灵敏度相比，下降了12dB。因此，在超声波的折射角度为80°时，通过使超声波在管轴方向上聚焦，能将缺陷检测灵敏度提高至少12dB以上。
另外，通过使超声波在管轴方向上聚焦而得到的提高缺陷检测灵敏度的效果能够使用如下所示的式(1)进行评价。具体地，通过式(1)能够计算在将声波聚焦时的焦点附近的声压。这里，在式(1)中，P表示超声波的焦点位置附近的声压，P0表示发送声压，x表示声轴场的位置，fop表示焦距，D表示发送超声波的传感器的尺寸，λ表示超声波的波长，J表示聚焦系数。聚焦系数J由式(2)定义。其中，在式(1)中x＝fop的情况下，令P/P0＝πJ来计算声压。
这里，设楔块中的声速为2340m/sec、钢中的横波声速为3230m/sec、楔块的高度为25mm，在图1中示出发送超声波的传感器在管轴方向上的宽度(开口宽度)与在焦点位置的超声波的声压的关系的计算结果。具体地，示出的是在后述的图4中的焦点位置P3的声压。在图1中，图示了将基于振子尺寸(开口宽度)为8mm的超声波探针的非聚焦情况下的声压作为基准(即0dB)，焦点位置与各开口宽度的声压的变化。如图1所示，可知传感器的开口宽度越大，在焦点位置能够获得越强的声压。具体地，可知在钢中传播而到达的焦点位置在40mm至160mm的范围内时，为了在该焦点位置获得12dB以上的强声压，需要30mm左右的开口宽度。另一方面，为了充分地进行扇区扫描，优选使用至少8ch以上的振动元件(也称振子)。因此，在作为传感器使用128ch的矩阵阵列探针的情况下，将构成传感器的振动元件排列成16ch×8ch；而为了在使超声波聚焦的管轴方向上获得足够的提高缺陷检测灵敏度的效果，需要30mm等较大的开口宽度，因此可以使管轴方向为16ch，进行扇区扫描的管周方向为8ch。
另一方面，在相控阵式的超声波探伤方法中，会有不需要的信号的峰即光栅波瓣(Grating Lobe)发生，这是噪声产生的原因。因此，理想的是尽量不使光栅波瓣发生。通常，作为为了不使光栅波瓣发生的振动元件的排列间距(振动元件间距)Ep的条件，已知有如下所示的式(3)。在式(3)中，λ表示超声波的波长，θ表示偏振角。另外，相控阵式是指这样的方法：通过从配置成阵列状的振动元件收发使相位延迟了的超声波，能够(i)控制超声波的发送方向以及接收方向；(ii)使超声波聚焦；(iii)对振动元件位置进行电子扫描，而非机械式的扫描。
这里，在设楔块中的声速为2340m/sec、超声波的频率为在焊接钢管探伤中通常使用的5MHz、相对于管轴方向偏振角为0°的情况下，根据上述式(3)，为了不使光栅波瓣发生的振动元件间距Ep为约0.46mm。即，若振动元件间距Ep为0.46mm以下，则光栅波瓣不会发生。
然而，即使使振动元件间距Ep为0.46mm并将振动元件配置成在管轴方向上为16ch，矩阵阵列探针在管轴方向上的开口宽度仍只有7.36mm(＝0.46mm×16ch)。如以上所述，为了通过超声波的聚焦来补偿高折射角度时的缺陷检测灵敏度的降低，矩阵阵列探针在管轴方向上的开口宽度需要是35mm等较大的开口，而目前的情况是尚不足够。
为此，对振动元件间距Ep大于超声波的波长λ的情况下的管轴方向上的振动元件的配置位置进行研究。目前，为了以N个振动元件构成预先设定的开口宽度W，振动元件间距Ep的大小必须为W/N。当然，振动元件宽度Ew比振动元件间距Ep小。在振动元件间距Ep大于超声波的波长λ的情况下，优选使振动元件宽度Ew相对于振动元件间距Ep尽可能地大。由此，光栅波瓣会降低。具体地，按如下方式设计振动元件间距Ep以及振动元件宽度Ew：为了使光栅波瓣相对于主瓣为-12dB以下，使Ew/Ep≥0.84；而为了使光栅波瓣相对于主瓣为-18dB以下，使Ew/Ep≥0.94。
然而，若使振动元件宽度Ew增大，则振动元件的指向角会变窄，各振动元件的指向角会在相比于配置有振动元件的面的更远处重合。这种情况下，在接近振动元件的配置位置侧，各振动元件的指向角不重合，难以使超声波充分地聚焦。另一方面，若使振动元件的振动元件宽度Ew减小，则因为各振动元件的指向角变宽，各振动元件的指向角会在距配置有振动元件的面更近侧重合。由此，与振动元件宽度Ew较宽的情况相比，能够使超声波在更近处聚焦，但反过来光栅波瓣变得容易发生。
因此，在本发明中，使用如图2所示的配置有振动元件的矩阵阵列探针来进行超声波探伤。在图2所示的矩阵阵列探针中，在管轴方向(X方向)的中心位置(X＝Xc)，配置振动元件宽度Ew最大的振动元件2n、2n+1，随着从管轴方向的中心位置(X＝Xc)趋向外侧，振动元件的振动元件宽度Ew逐渐减小。另外，在图2中，设第n(＝1～m)个振动元件的中心坐标为Xn，振动元件宽度为Ewn，振动元件间距为Ep。此外，配置于第n个的振动元件2n的指向角可以通过如下所示的式(4)来计算。
这里，将从中心位置(X＝Xc)到探伤中最近的焦点位置P1为止的距离作为焦距fmin时，在焦距fmin以后从各振动元件发送的超声波会充分地重合，而为了实现较广的焦点位置范围，计算满足下面的式(5)的振动元件宽度Ewn以及中心坐标Xn，并将各振动元件配置在计算出的位置即可。
φn≥θn…(5)
在式(5)中，角度θn为经过第n个振动元件2n的中心坐标Xn的法线Ln与连接第n个振动元件2n的中心坐标Xn和焦点位置P1的线段Ln’所形成的角度，可以通过如下所示的式(6)来计算。第n个振动元件2n，若其指向角大于角度θn，则在焦点位置P1以后，超声波会充分地重合。由此，能够抑制光栅波瓣的发生以及在高折射角度时的缺陷检测灵敏度的降低。这里，在式(6)中，Xc表示矩阵阵列探针的中心位置。此外，优选使振动元件间距Ep为尽可能小的值。
另外，图3所示的超声波探伤中的矩阵阵列探针2的设置位置，可以利用焊接钢管S的厚度t以及外径R通过如下所示的式(7)、(8)来计算。如图3所示，式(8)所示的PWD表示：焊接钢管S的圆周上的从超声波的入射位置P2到存在缺陷的焦点位置(坡口的对接位置)P3为止的距离。此外，此时超声波在钢中传播的距离TF可以通过如下所示的式(9)来计算。此外，若设楔块3的高度为H时，楔块3中的声速为Vw、钢中的横波声速为Vs，则超声波的焦距fp可以通过如下所示的式(10)来计算。另外，在图3中，θi表示超声波的入射角度，θr表示超声波的折射角度，O表示焊接钢管S的中心位置。
接着，利用图4对为了使超声波在焦点位置P3聚焦的从各振动元件发送超声波的时刻的计算方法进行说明。如图4所示，为了使超声波在焦点位置P3聚焦，首先，计算从各振动元件的配置位置到焦点位置P3为止的超声波的传播时间。具体地，如下面的式(11)所示，通过用从第n个振动元件的配置位置到焦点位置P3为止的距离dn除以楔块中的声速Vw，能够求取从第n个振动元件的配置位置到焦点位置P3为止的超声波的传播时间Tn。
Tn＝dn/Vw…(11)
在图4中，在管轴方向上配置有m个振动元件的情况下，对从第1个到第m个振动元件分别进行上述的计算，由此来求取传播时间Tn。然后，如下面的式(12)所示，计算对各振动元件求出的传播时间Tn的最大值(最大传播时间)Tmax。接着，如下面的式(13)所示，从各传播时间Tn减去最大传播时间Tmax，将其绝对时间作为各振动元件的发送超声波的时刻(延迟时间Tdn)。由此，能够使超声波在焦点位置P3聚焦。
Tmax＝max(d1，d2，…dn，…dm)…(12)
Tdn＝abs(Tn-Tmax)…(13)
另外，也可以考虑使超声波在与管轴方向正交的焊接钢管的径向截面方向(C方向)上聚焦，但是如图15(a)～(c)所示的那样，随着折射角度的增加，发送超声波的传感器(超声波探针)的表观尺寸会减小。此外，如式(2)所示，聚焦系数J的大小与发送超声波的传感器的尺寸的平方成比例。因此，这种情况下，为了获得足够的声压，必须增大发送超声波的传感器的尺寸，而这是不现实的。具体地，设频率为5MHz的情况下，需要使用于发送的传感器的尺寸例如为50mm以上。在C方向上，若应用具有这样大的开口宽度的传感器，则接近极限距离会变大而超声波的传播距离变长，结果，也无法获得足够的由聚焦带来的声压提高的效果。因此，并不是很现实。为此，在本发明中，并非是在与管轴方向正交的焊接钢管的径向截面方向上，而是在管轴方向上，使超声波聚焦。
超声波探伤处理
在本发明中，优选使用在坡口的对接部分加工有人口平面缺陷的校准用试片，调整超声波的入射角度条件以及聚焦条件，进行矩阵阵列探针的灵敏度校准后，再实施超声波探伤处理。具体地，依照图5所示的流程来进行超声波探伤处理。如图5所示，进行超声波探伤处理时，首先计算用于超声波探伤的初始条件(步骤S1)。具体地，计算为了能使超声波垂直入射至焊接根部钝边的中心位置Xc的设置位置(入射位置)P2，以及为了能使超声波在管轴方向上聚焦同时使超声波的入射角度在C方向上摆动着来进行探伤的各振动元件的延迟时间。此时，超声波的焦点位置P3可以由人工平面缺陷的位置、超声波的入射位置、以及矩阵阵列探针的设置位置来计算。接着，将矩阵阵列探针以及楔块(探针)设置于焊接钢管的外周面(步骤S2)，以使超声波能够入射到在步骤S1的处理中计算出的入射位置P2。
接着，对于按计算出的各振动元件的延迟时间在管轴方向上聚焦的超声波，使其入射角度在C方向上摆动着，对其进行收发(步骤S3)。具体地，如图6(a)、(b)所示，在从折射角度Rmin到折射角度Rmax的角度范围内，以例如1°等的角度间隔Rd进行超声波扫描(扇区扫描)，并且，记录各角度下的来自缺陷的回声强度，并检测出回声强度最高的折射角度作为探伤的中心角度Rc。另外，在图6(a)、(b)中，DF表示人工平面缺陷。接着，计算为了进行超声波探伤的各种设定值(步骤S4)，并按照计算出的各种设定值，对各振动元件的灵敏度进行校准，以使得各振动元件的输出信号的强度进入规定范围内(步骤S5)。然后，以在步骤S3的处理中决定的中心角度Rc为中心，在±4°等规定的角度范围内以2°等规定的角度间隔，扫描折射角度来进行超声波探伤(步骤S6)。另外，扇区扫描的角度范围以及角度间隔，由操作者根据焊接钢管的管径以及厚度、焊接钢管的声各向异性、以及使用的超声波的频率等变量来决定。
如上所述，通过以中心角度Rc为中心，在规定的角度范围内以规定的角度间隔扫描折射角度来进行超声波探伤，即使由于驱动振动元件的机构部的松动或者焊接钢管的声各向异性的偏差导致超声波的入射角度会稍有变化，也能够使超声波入射至焊接根部钝边，因此能够抑制超声波的入射角度的变化对于缺陷检测灵敏度的影响。并且，因为将回声强度最高的折射角度设定为探伤的中心角度Rc，所以能够抑制根据对探针的角度以及设置位置进行调整的操作者的个体差异而产生的缺陷检测灵敏度出现偏差的情况。
超声波探伤装置的结构
接着，参照图7、图8，对作为本发明的一个实施方式的超声波探伤装置的结构进行说明。图7为表示作为本发明的一个实施方式的超声波探伤装置的结构的示意图。图8为表示图7所示的矩阵阵列探针的结构的俯视图。另外，在图7、图8中，L方向表示管轴方向，C方向表示在水平面内与管轴方向正交的方向，Z方向表示与L方向以及C方向正交的方向。
如图7所示，作为本发明的一个实施方式的超声波探伤装置1，包括矩阵阵列探针2、楔块3、超声波收发部4、以及评价部5作为主要的构成要素。
矩阵阵列探针2构成在检查对象即焊接钢管S的外面上，经由楔块3对焊接钢管S进行超声波UB的收发。如图8所示，在本实施方式中，矩阵阵列探针2由配置成网格状的128ch的振动元件构成，在L方向上配置有16ch的振动元件，并且在C方向上配置有8ch的振动元件。各振动元件的振动元件宽度设计成：从L方向的中心位置趋向外侧逐渐变小，各振动元件的振动元件宽度Ew以及中心坐标Xn设计成满足上述式(5)。由此，在本实施方式中，矩阵阵列探针2在L方向上的开口宽度约为34mm，在C方向上的开口宽度约为10mm。
楔块3由具有设置矩阵阵列探针2的设置面的多面体构成，由聚苯乙烯制成。在本实施方式中，设楔块3中的声速为2340m/sec，准备使超声波的折射角度分别为60°、65°、70°、以及80°的多个楔块3，安装与理论上计算出的超声波UB的从入射位置P2的折射角度θr最接近的楔块3，来进行超声波探伤。例如在对外径为1067mm、厚度为44.5mm的焊接钢管S的焊接部的厚壁中央部进行探伤的情况下，若设钢中的横波声速为3230m/sec，则计算出超声波UB的从入射位置P2的折射角度θr为73.4°。因此，在这种情况下，将使超声波UB的折射角度θr为75°的楔块3安装于矩阵阵列探针2，来进行超声波探伤。另外，在本实施方式中，是对焊接部的厚壁中央部进行探伤，但本发明的探伤范围并不限定于焊接部的厚壁中央部，对在超声波照射范围内存在的平面缺陷均能够进行探伤。
超声波收发部4通过对矩阵阵列探针2所具有的振动元件输出超声波信号的收发指令，依照图5所示的超声波探伤处理来控制焊接钢管S的焊接部的超声波探伤处理。具体地，超声波收发部4由微型计算机等信息处理装置构成，通过实施规定了如图5所示的超声波探伤处理的计算机程序来实施焊接钢管S的焊接部的超声波探伤处理。超声波收发部4将矩阵阵列探针2接收到的由焊接部反射的超声波信号向评价部5输出。另外，在图7中，WB表示焊道，CL表示相对于焊接钢管S的周向的焊接部的中心位置，P3表示焦点位置。
评价部5对由超声波收发部4输出的超声波信号实施规定的处理后，基于被施加了规定的处理的超声波信号，进行在焊接部是否存在缺陷等焊接钢管的焊接部的品质评价。具体地，评价部5对超声波信号的强度是否在规定的阈值以上进行辨别，在超声波信号的强度为规定的阈值以上的情况下，判定为在焊接部存在缺陷。评价部5通过输出并记录焊接钢管的焊接部的品质评价结果，将与焊接钢管的焊接部的品质评价结果相关的信息向操作者提供。另外，对于在焊接部检测出缺陷的焊接钢管，在缺陷的检测位置施加标记。然后，施加了标记的焊接钢管被送往手动检查工序，操作者对标记部分附近再次进行超声波探伤，对焊接部的品质最终合格与否进行判定。在这样的由检查人员进行的手动检查中，也可以应用作为本发明的一个实施方式的超声波探伤装置1。
实施例
在本实施例中，利用作为本发明的一个实施方式的超声波探伤装置1评价UOE钢管的焊接部的品质。具体地，对图9所示的通常的UOE钢管的制造工序，应用了作为本发明的一个实施方式的超声波探伤装置1。在图9所示的UOE钢管的制造工序中，首先，对厚钢板依次实施U型冲压加工以及O型冲压加工后(步骤S11，S12)，将厚钢板的对接部分的内面侧以及外面侧焊接接合(步骤S13，S14)，再实施焊接部的超声波探伤检查处理(UT)以及放射线透过检查处理(RT)(步骤S15，S16)。接着，对焊接钢管实施扩管工序后(步骤S17)，进行液压测试(步骤S18)，再次实施焊接部的超声波探伤检查处理(UT)以及放射线透过检查处理(RT)(步骤S19，S20)。最后，对焊接钢管实施端面精整处理、外观尺寸检查处理、管端的放射线透过检查处理、测重测长处理、以及内外面涂装处理后(步骤S21～S25)，将焊接钢管出货。在本实施例中，在步骤S15以及步骤S19的超声波探伤检查处理中，应用了作为本发明的一个实施方式的超声波探伤装置1。
此外，在本实施例中，在超声波探伤装置配设有具有如图10所示的多个矩阵阵列探针2A～2H的机械手。对各矩阵阵列探针分别分配例如下述功能：矩阵阵列探针2A、2B为厚壁中央部探伤用，矩阵阵列探针2C、2D为外面探伤用，矩阵阵列探针2E、2F为内面探伤用，矩阵阵列探针2G、2H为焊道部探伤用。然后，机械手使各矩阵阵列探针落在焊接钢管S，在使焊接钢管S在长度方向(运送方向)上前进的同时进行焊接部的超声波探伤检查处理。另外，在本实施例中，采用了在矩阵阵列探针2A～2H中，对厚壁中央部探伤用的矩阵阵列探针2A、2B应用图7所示的实施方式，对其他的矩阵阵列探针应用斜角相控阵UT技术的构成。
这里，利用图11(a)、(b)，对厚壁中央部探伤用的矩阵阵列探针2A、2B的结构的详细情况进行说明。在图10中也已示出，多个矩阵阵列探针2A～2H被配置成：对于每个超声波探伤部位，分别从两侧将焊道WB夹在中间地进行探伤。如图11(a)、(b)所示，厚壁中央部探伤用的矩阵阵列探针2A、2B也同样配置成：从两侧将焊道WB夹在中间地进行探伤。此外，如图11(b)所示，成对的矩阵阵列探针2A、2B相对于管轴方向，错开5mm左右配置。在应用垂直入射法的情况下，从成对的矩阵阵列探针2A、2B发送的超声波的穿透传输波会成为噪声而导致检测性能降低。因此，使成对的矩阵阵列探针2A，2B在管轴方向上错开地配置。
此外，在本实施例中，以聚焦声束来收发超声波。此外，使用具有在管轴方向上为约34mm的开口宽度、管周方向上为5～18mm的开口宽度的矩阵相控阵探针2A、2B，使其波束宽度最小为1mm以下。因此，在灵敏度调整时难以使超声波与人工伤的位置吻合。为此，设置有使包括用于对厚壁中央部进行探伤的矩阵阵列探针2A、2B的矩阵阵列探针能够个别地相对于管轴方向进行精密地扫描的机构。具体地，如图11(a)所示，构成为将各矩阵阵列探针通过扫描机构6与机械手7连接，通过扫描机构6使各矩阵阵列探针在L方向LA、LB以及C方向CA、CB上能够移动。另外，管周方向的开口宽度根据例如希望使厚度的1/3的范围受到超声波的照射等扇区扫描的条件或波束直径变化。
在图12(a)、(b)中示出实际进行超声波探伤的结果的一个示例。探伤(扇区扫描)是由相对于中心折射角度呈3°间隔的3条超声波束来进行的。图12(a)、(b)分别表示：使用矩阵阵列探针2A以及矩阵阵列探针2B，对在焊接部预先形成了的人工伤(平底孔)的、外径为56英寸的12.7mm的焊接钢管进行探伤的结果(纵轴：回声高度，横轴：管轴方向位置)。如图12(a)、(b)所示，在矩阵阵列探针2A、2B中均明确地观察到了F回声，对的人工伤进行了充分的探伤。此外，对于t/D不同的焊接钢管，在图13(a)、(b)中示出在对厚壁中央部加工出的的人工伤(平底孔)进行探伤时的S/N比与折射角度。如图13(a)、(b)所示，即使是在折射角度为约82°这样大的情况下，也获得了良好的24dB以上的S/N比。另外，通常要求的相对于人工伤(平底孔)的S/N比为12dB以上。
以上对应用了由本发明的发明人所完成的发明的实施方式进行了说明，但是构成通过本实施方式进行的对本发明的公开的一部分的记载以及附图并不构成对本发明的限定。即，本领域技术人员根据本实施方式所作出的其他的实施方式、实施例、以及应用技术等均包含于本发明的范畴之内。
根据本发明，能够提供一种超声波探伤装置以及超声波探伤方法，能够抑制超声波的入射角度的变化对于缺陷检测灵敏度的影响以及由操作者的手动调整导致的缺陷检测灵敏度的偏差。此外，根据本发明，能够提供一种焊接钢管的制造方法以及焊接钢管的品质管理方法，能够抑制超声波的入射角度的变化对于缺陷检测灵敏度的影响以及由操作者的手动调整导致的缺陷检测灵敏度的偏差，由此来制造焊接部的品质较高的焊接钢管。
符号说明
1 超声波探伤装置
2 矩阵阵列探针
3 楔块
4 超声波收发部
5 评价部
S 焊接钢管
Claims (7)
1.一种超声波探伤装置，其是对在焊接钢管的焊接部的坡口的对接部分存在的平面缺陷进行探伤的超声波探伤装置，其特征在于，包括：
矩阵阵列探针，其通过楔块，配置在能够使超声波相对于焊接根部钝边垂直入射的所述焊接钢管的外周面上的位置，将在管轴方向上聚焦的超声波向所述焊接根部钝边发送，并接收由所述焊接根部钝边反射的超声波；
超声波收发部，其控制所述矩阵阵列探针，以接收由所述焊接根部钝边反射的所述超声波的反射波；以及
评价部，其基于所述超声波收发部接收到的所述超声波的反射波，来对所述平面缺陷进行探伤；其中，
所述矩阵阵列探针具有排列成网格状的多个振动元件；所述振动元件在管轴方向上的排列间距大于收发的超声波的波长；所述振动元件在管轴方向上的宽度从所述矩阵阵列探针的管轴方向中心位置朝向管轴方向外侧变小；所述振动元件在管轴方向上的宽度以及中心坐标被调整成使得在所述超声波的焦点位置控制范围内来自各振动元件的超声波全部重合。
2.根据权利要求1所述的超声波探伤装置，其特征在于：所述超声波收发部在以预先求出的中心角度为中心的规定的角度范围内，使超声波的折射角度按规定的角度间隔变化着，向所述焊接根部钝边发送超声波。
3.一种超声波探伤方法，其特征在于，包括以下步骤：利用权利要求1或2所述的超声波探伤装置，对在焊接钢管的焊接部的坡口的对接部分存在的平面缺陷进行探伤。
4.根据权利要求3所述的超声波探伤方法，其特征在于，包括以下步骤：在任意的角度范围内，使超声波的折射角度按任意的角度间隔变化着，向在所述焊接根部钝边的中心位置加工出的人工平面缺陷发送超声波，接收由该人工平面缺陷反射的所述超声波的反射波，求取超声波的反射波的强度最强时的折射角度作为所述中心角度。
5.根据权利要求3或4所述的超声波探伤方法，其特征在于，包括以下步骤：预先准备所述折射角度不同的多个楔块，在对平面缺陷进行探伤时，选择具有与所需的折射角度接近的折射角度的楔块，将选择出的楔块与所述矩阵阵列探针组合使用。
6.一种焊接钢管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：利用权利要求1或2所述的超声波探伤装置，对在焊接钢管的焊接部的坡口的对接部分存在的平面缺陷进行探伤，并基于探伤结果制造焊接钢管。
7.一种焊接钢管的品质管理方法，其特征在于，包括以下步骤：利用权利要求1或2所述的超声波探伤装置，对在焊接钢管的焊接部的坡口的对接部分存在的平面缺陷进行探伤，并基于探伤结果评价焊接钢管的品质。
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