CN112997047B - 超声波探头以及利用其的被检配管厚度测定方法 - Google Patents

Abstract

当通过排列有平板状的振子的超声波探头，在配管的内部向配管的内侧表面发射波束时，由于振子为平板形状，从管状的管壁反射的信号不只是径直返回至振子，还在反射波中产生散射、干涉。本申请发明的超声波振子弯曲成与配管内形状匹配，因此从振子发出的超声波垂直照射于管壁，而且其反射回波信号也从照射的管壁垂直反射而返回，因此与针对管壁从配置在斜角位置的平板状振子发出的超声波以及反射波的情况相比，少产生散射、干涉，通过选择与管的厚度对应的波长的超声波而能够获得更清晰的数据。

Description

超声波探头以及利用其的被检配管厚度测定方法

技术领域

本发明涉及超声波探头以及通过该超声波探头检查被检配管厚度的方法。

背景技术

以往，作为无损检查之一，公知的是超声波探伤。超声波探伤是指通过向试验体内部入射超声波并检查其超声波的反射波或者透射波，检查试验体内部的瑕疵、配管的厚度等。

各种锅炉通常在流通高温高压流体的严酷环境中使用，因此可能会受损伤，需要定期检查使用于锅炉的管体的破损、裂纹、裂缝、管厚度减小。在将锅炉管切割而从切割处插入检查器具来检查管体的破损、裂纹、裂缝、管厚度减少等的方法中，为了将锅炉管切割并在检查之后修复为原始形态，会花费大量时间以及费用，因此不优选。另外，根据锅炉管，存在配管堵塞，或者成为检查对象的被检配管难以从外部靠近的情况。

因此，公开有从安装于主要配管的开口部向管内插入检查用装置，通过插入的装置在管内检查管体的破损、裂纹、裂缝、管厚度减少等的探伤装置以及利用其进行检查的方法，另外，作为探伤装置，一般公开有使用超声波探头的例子。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭62-83608

专利文献2：日本特开2002-365033

专利文献3：日本实开平04-051658

专利文献1公开了用超声波探头在管内部对使用于管道等的管的管厚度进行测定的管的管厚度测定装置。在使用于管道的管的管厚度的测定中，在现有技术中，当管道的输送物质为液体时，能够高精度测定管厚度，但当输送物质为气体时，由于难以使液体充满于管道内，因此不能利用超声波测定管厚度。在专利文献1的发明中，提供一种管的管厚度测定装置，通过在压接于管的内周面的环状的皮碗(seal cup)埋设超声波探头，即使液体不充满于管内，也能够在内部准确测定管厚度。该管厚度测定装置通过在沿轴向在管的内部移动的移动体上装载外周面与管的内周面压接的同时由弹性材料形成的环状的皮碗，在该皮碗的圆周上的多个位置埋设针对相对的管的内周面发送超声波的多个超声波探头，从而由从该超声波探头发送并在管的内周面反射的超声波与在管的外周面反射的超声波之间的向超声波探头的入射时间差求出管的管厚度。

专利文献2公开了一种管壁厚度测定装置等，以能够向轴向移动的方式插入被测定物即管内部，其特征在于，在具有小于管的内径的外径的两个圆板状法兰之间安装通过水流旋转的筒状旋转体，在该旋转体的内部内置使沿管轴向发出的超声波沿管径向折射的声镜的同时，在前方侧法兰安装朝向该声镜发射超声波的超音波探头。使该管壁厚度测定装置在被测定物即管内部沿轴向移动的同时，通过从后方侧的法兰向旋转体内供应水而从喷出口沿圆周方向喷出的水流，使旋转体旋转，另一方面，通过使从超声波探头沿管轴向发出的超声波通过声镜沿管径向折射，使超声波在管内表面中沿轴向呈螺旋状移动，从而在管的全长以及全圆周上进行壁厚度的测定。

专利文献3的实用新型涉及用于管的超声波探头探伤检查的超声波探头，在现有技术的超声波探头中，从插入到管内侧的超声波探头的振子发送的超声波束在入射管内部时折射，但是振子的发送表面为平面，另一方面，由于检查对象即入射超声波束的管的入射面是弯曲的，根据振子的位置，其入射角不同，因此，存在进入管内部的波束扩散，无法获得清晰的反射波束的问题。根据专利文献3的超声波探头，为了解决有关现有的超声波探头的问题，对于插入到管的内侧的超声波探头的振子，在管的管轴延伸方向上观察，振子形成有与管的内周面相对的凹弯曲面，由此使得从振子发送的超声波束不管该振子的位置而在管的内侧的某一点收敛，入射于管之后不扩散并在管内部传播，因此其结果，超声波束能够以在管的内部收敛的状态传播。

发明内容

在专利文献1的管厚度测定装置中，假设通过管的输送物质为气体时，为此，采取在该皮碗的圆周上的多个位置，将超声波探头埋设于与管的内周面压接的环状的皮碗的配置。从而，由从该超声波探头发送并在管的内周面反射的超声波与在管的外周面反射的超声波之间的朝向超声波探头的入射时间差求出管的管厚度。

专利文献1的管厚度测定装置由于不以水为传播介质，需要采取将多个探头埋设于与管的内周面压接的环状的皮碗的结构。这种超声波探头只能使用于某一特定口径的管，若检查对象的管的口径改变，则需要使埋设有超声波探头的皮碗的口径与成为对象的管的口径匹配，管厚度测定装置没有通用性。

另外，专利文献1的配置在皮碗的圆周上多个位置上的超声波探头设置有多个振子，但是难以连续且无遗漏地检查管的内周面整个区域(参照专利文献1、图3)。

另外，超声波探头在管内的移动通过压缩空气进行(专利文献1，第3页，左上栏)，因此与超声波探头(专利文献1的金属块2)通过水流在管内的移动相比，其控制受限。

专利文献2的壁厚度测定装置是在被测定物即管内部移动的同时，通过超声波探头在管内部进行管壁厚度的测定。壁厚度测定装置通过在具有小于管的内径的外径的两个圆板状法兰之间安装通过水流旋转的筒状旋转体，在该旋转体的内部内置使向管轴向发出的超声波向管径向折射的以45度倾斜的声镜的同时，从安装于前方侧法兰的超声波探头朝向该声镜发射并接收超声波，从而进行管壁厚度的测定。而且，该移动通过由牵引用绳部件牵引进行移动。

专利文献2的发明是在壁厚度测定装置中，使从超声波探头发送的超声波通过设置在旋转体内部的声镜反射并折射，在这期间旋转体向前方移动，因此在根据超声波的管的检查部位形成间隔，根据壁厚度测定装置的移动速度、声镜的旋转速度，可能会出现成为检查遗漏的部分。另外，由于使旋转体通过来自设置于旋转体的(水的)喷出孔的喷出水的压力旋转，因此具有在水流中产生气泡的危险。由于是使旋转体通过从水的供应管供应的水流旋转的结构，装置变得复杂。

在专利文献3的超声波探头中，对于插入到管内侧的超声波探头的振子，在管的管轴延伸方向观察，振子形成有与管的内周面相对的凹弯曲面，由此使从振子发送的超声波束不管该振子的位置而在管的内侧的某一点收敛，但是，该超声波探头所形成有的凹弯曲面的振子的凹弯形状以使从振子发送的超声波束不管该振子的位置而在管的内侧的某一点收敛的方式形成凹弯形状(图1、图2)。

因此，专利文献3的超声波探头不是垂直入射超声波的试验体的管内壁。

为了解决上述课题，本发明涉及的超声波探头用于通过水流压力在管内移动，由此在管内部发现管的异常，测定管厚度等，其特征在于，朝向管壁发出超声波，接收在所述管壁反射的回波信号，沿着该柱状的机体的周围配置多个振子，振子弯曲成与配管内形状匹配。

在本申请发明中，配置有多个超声波探头的振子，这些振子弯曲成与配管内形状匹配，因此从振子发出的超声波针对成为检查对象的管壁垂直照射，另外其反射回波信号也从照射的管壁垂直反射而返回，因此与针对成为检查对象的管壁，从配置在斜角位置的振子发出的超声波以及反射波的情况相比，产生散射、干涉少，通过选择与管的厚度对应波长的超声波，能够获得更清晰的数据。另外，本申请发明的超声波探头能够沿着柱状的机体的周围配置多个弯曲的振子，因此，例如，在沿着柱状的机体的周围连续配置的情况下，使得使用单个或者少数的振子的超声波探头中所需要的机体沿管的圆周方向旋转，针对与没有配置振子的部位对应的管壁，无需在旋转的位置中发送新的声波束。另外，超声波探头被漂浮性的机体以及根据需要在其前后配置的针对漂浮性以及水流压力持有抵抗性的漂浮体及引导装置支承，并且，成为水不浸入的密闭结构，因此能够通过水流容易在管内漂浮、移动，容易检查被检配管。

以下，说明根据本申请发明的第一实施方式的本申请的超声波探头。

本申请的超声波探头用于通过在配管内移动而在配管内部测定被检配管的管厚度，其特征在于，所述超声波探头包括：

a)柱状的机体；

b)配置于所述柱状的机体周围的多个振子；

c)用于使所述被检配管的中心与所述机体的中心匹配的部位；以及

d)用于实现所述机体在配管内的移动的部位，

所述振子弯曲成与配管内形状匹配。

在本申请的超声波探头中，可以是，振子在机体的周围相对于机体的中心配置成同心圆状。

在本申请的超声波探头中，可以是，配置于所述机体的振子配置成能够针对被检配管内的壁垂直照射超声波并检查垂直反射的反射波。

在本申请的超声波探头中，可以是，所述机体为圆柱状，弯曲的振子以沿着机体的方式弯曲并配置于在机体的周围呈环状设置的部位，以使得针对被检配管内的壁垂直照射超声波并检查垂直反射的反射波。

本申请的超声波探头能够用于通过柱状的超声波探头来测定被检配管的管厚度的方法，其中，所述方法可以包括：

1)将具备配置于机体周围的多个弯曲的振子的超声波探头插入被检配管内的工序；

2)通过所述超声波探头，针对被检配管内的壁垂直照射超声波并检查所述超声波的反射波的工序；以及

3)确定被检配管的管厚度的工序。

本申请的超声波探头起到如下有益的效果：能够通过水流压力在配管内移动，该柱状的机体通过机体稳定保持体与被检配管同轴配置，沿着该柱状的机体的周围配置的多个振子弯曲成与配管内形状匹配，因此从振子发出的超声波针对检查对象即配管壁垂直入射，另外这些反射回波信号也从入射的配管壁垂直反射而返回，因此不产生发出的超声波以及反射波的散射、干涉，能够获得更清晰的数据。另外，本申请的超声波探头能够将具备机体稳定保持体的部分更换成与被检配管的口径匹配，因此能够通过更换装置的零部件来进行各种不同口径的配管的检查。

附图说明

图1是示出现有技术的通过排列有平板状的振子的超声波探头在从配管的内部向配管的内侧表面发射波束时的波束的预想路径的例子。

图2是示出本申请发明的通过具备呈环状形成在机体的周围的振子的超声波探头在从配管的内部向配管的内侧表面垂直发射波束时的波束的发送、反射路径的例子。

图3示出本申请发明的根据第一实施方式的具备呈环状形成在机体的周围的振子的超声波探头的被检配管内的配置的例子。

图4是示出本申请发明的设置于机体的前方的机体稳定保持体以及引导部的一例的立体图。

图5是示出本申请发明的设置于机体的后方的机体稳定保持体的一例的立体图。

图6的(a)是示出本申请发明的其他实施方式中的机体的后部中央部分朝向机体的轴向内部形成为凹状的机体的状态的示意图。

图6的(b)是示出本申请发明的其他实施方式中的设置于机体的后方的用于使机体顺畅移动的后部翅的一例的立体图。

图7是示出本申请发明的其他实施方式中的设置于机体的侧面的用于使机体稳定移动的侧面翼的一例的立体图。

图8是示出本申请发明的其他实施方式中的设置于机体的侧面的与被检配管的内部表面接地的状态的辊的一例的立体图。

图9是示出本申请发明的用柔性连结绳连结于机体的漂浮连结体的一例的立体图。

图10是示出本申请发明的与具备振子的机体用柔性连结绳连结的漂浮连结体通过被检配管的弯曲部的样子的示意图。

图11是示出本申请发明的设置于机体的前方的用于向机体提供浮力的同时使超声波探头的朝向被检配管内的导入容易的漂浮引导部分的一例的示意图。

图12是作为本申请发明的一个方式在机体的前后具有由弹性线圈覆盖可动性接头的机体稳定保持体的超声波探头。

具体实施方式

以下，参照附图，说明根据本申请发明的第一实施方式的本申请的超声波探头。

图1示出现有技术的具备柱状的机体30、沿着所述柱状的机体的周围配置的一个或多个平板状的振子20的超声波探头插入到被检配管内的状态。

图2示出本申请发明的具备柱状的机体3、沿着所述柱状的机体的周围配置的一个或多个弯曲的振子2的超声波探头插入到被检配管内的状态。优选的是，机体的形状、材质为：机体能够插入被检配管内，机体能够沿着配管的纵长方向通过流水以稳定漂浮的状态移动，并且具有能够在被检配管的弯曲部弯曲程度的长度而具备在弯曲部弯曲时所需要的一定程度的柔软性。

柱状的机体不需要必须是圆柱状，但是考虑到成为被检配管的对象的锅炉管的截面通常为圆状，优选为圆柱状。为了使朝向被检配管的超声波探头的插入变得容易，在机体的行进方向前端部分设置有用于插入超声波探头的引导部5(图3)。引导部5只要用于使朝向被检配管的超声波探头的插入变得容易的，则其形状不受限制，但是为了使超声波探头随着流水在配管内的移动、前进变得容易，在侧视图中，例如，在小于成为对象的被检配管的口径的前面部中，该前面部的截面可以是在与被检配管的中心轴垂直的截面中为同心圆形状。另外，机体的前面部的中心部分可以是相对于机体的行进方向大致呈前端部带有圆形的圆锥状(在侧视图中为三角形状)。通过将机体的前面部设置为前端部呈圆圆的圆锥状，能够在超声波探头的移动中，减少对水流的阻力。

另外，从该前面部的周边部向相对于机体行进方向的斜后方，以环绕机体的方式设置有机体稳定保持体4，以使得机体的中心轴与被检配管的中心轴重合，所述机体稳定保持体4是被检配管的内壁和机体之间的缓冲部分。机体的前面中心部分和周边部分为了减少水流阻力，优选为具有向机体稳定保持体4平滑移动的形状。

用于将机体3保持在被检配管的中央部分的机体稳定保持体4是在侧视下呈伞状并具有弹性的例如金属性的粗网眼状，通过该机体稳定保持体4，能够使机体的纵长方向中心轴与配管(被检配管)的中心轴重合，因此能够使得呈环状配置于机体周围的振子从其振子发送的声波束垂直照射在配管壁，并且机体稳定保持体呈粗网眼状，因此穿过网眼的水流能够不受机体和管壁之间的阻碍而顺畅流动，在呈环状配置于机体周围的振子和被检配管的检查对象部分之间通常存在作为声波传播物质的水。

机体稳定保持体4只要能够起到使机体3稳定在管的中央的作用，则不需要是如上所述那样在侧视下从机体的前面部向斜后方呈伞状并例如具有金属弹性的粗网眼状，只要能够使机体3的纵长方向中心轴与配管(被检配管)的中心轴重合，水流能够在机体和管壁之间不受阻碍地顺畅流动，则其形状、材质等不受限制。作为本发明的一个方式，也可以将由可挠性的材料形成的长方形部件以等间距配置在机体的圆周上(图12)。

在机体3的纵长方向后方部分可以设置有与所述机体前方的机体稳定保持体相同的具有金属弹性的粗网眼状的环状体(后部机体稳定保持体4b)，以使得机体3的纵长方向中心轴与配管(被检配管)的中心轴重合，水流能够在机体和管壁之间不受阻碍地顺畅流动。通过将这种环状体设置于机体的周围，与机体前方的机体稳定保持体相同地，能够使机体的纵长方向中心轴与配管(被检配管)的中心轴重合，另外，能够使水流能够在机体和管壁之间不受阻碍地顺畅流动。只要能够与机体前方的机体稳定保持体相同地起到所述效果，则其形状、材质等不受限制。

机体的前面的引导部以及与其连接设置的前部机体稳定保持体4a或者后部机体稳定保持体4b均与在其周围配置有呈环状设置的振子的机体本体可以设为例如通过螺纹结合来嵌合或者拆卸自如的结构。因此，即使在成为检查对象的被检配管的口径不同的情况下，通过将前部机体稳定保持体4a或者后部机体稳定保持体4b更换成具有与被检配管的口径匹配的尺寸的机体稳定保持体，也能够将具备相同的机体以及配置于其的振子2的超声波探头用于具有各种不同口径的配管进行检查。

所述振子2弯曲成与成为检查对象的配管的形状匹配，发送的声波大致垂直照射在被检配管的内壁，因此其反射波再被垂直反射，能够获得清晰的检查结果。

用于发送、接收基于超声波探头的超声波的发送部、接收部、控制部、电源供应装置等考虑到基于其重量、容量、被检配管的口径等的限制等，可以容纳于相对于机体独立的、与机体通过柔性连结绳连结的防水型的漂浮连结体9。

进一步地，本申请的超声波探头通过从其后部延伸的线来测定被检配管内的位置的方式也在本申请发明的范围内。在该情况下，通过将以受到流水阻力而容易进行朝向被检配管内的插入的方式设置的漂浮引导装置以等间距设置于线中，或者从留在外部的线的长度，能够判断被检配管中的超声波探头的位置(图12)。

以下，关于超声波探头，参照附图详细说明包括其变形例在内的其结构、功能。

如上所述，超声波探头的机体3只要能够插入被检查的被检配管中，能够通过从背后送来的水流移动的同时，通过振子2对被检配管的壁厚度等进行超声波检查，则其形状、材质等不受特别限制。一般，若考虑被检配管的截面为圆形，则优选的是，机体3的截面也具有比被检配管的截面的口径小的口径的圆柱状，但是不限定于圆柱形状。另外，机体3的口径只要超声波探头能够通过水流在被检配管的内部自由移动，则不受特别限制，若考虑通过来自背后的水流13的压力移动，另外振子2呈环状配置于机体周围的情况，则优选的是，与此对应地，具有至少一定以上的口径。若在被检配管的弯曲部中的移动没有问题，另外，若考虑被检配管的材质以及水流中的声波的传播速度，相对于机体的行进方向垂直方向截面的宽度(或者口径)能够接近被检配管的内径，则容易受到流水压力的影响，超声波探头的移动变得容易。

另外，若考虑在水中不受过度的浮力或者在水中不受过度的重力而移动，则优选的是，超声波探头的机体的材质及其重量具有与水大致相等的比重，但是不限定于此，只要具有能够通过水流无障碍移动的程度的材质、容量以及重量即可。

与超声波探头的振子2一起的脉冲的发送部、接收部、电源供应部、控制部等可以设置于机体内部(未图示)，也存在配置在相对于机体独立的、通过柔性连结绳与机体连结的漂浮连结体9的情况(图9以及图10)。在任一方式中，这些被防水以免受到水的进入。在该情况下，在与机体3系结的柔性连结绳上同时配设有电源电缆30等，当然该电源电缆30等也使用防水性的。另外，在考虑给予适当的浮力以及通过基于水流的压力移动等的情况下，优选的是，在机体的前方以及容纳有所述电源供应部等的漂浮连结体9的后方设置通过柔性连结绳连结的由PVC等软质橡胶等可挠性材料形成的、例如球状的漂浮引导装置8。漂浮引导装置可以在任意长度的线上以一定间隔具备漂浮工具。

在该方式中，可以通过线将本申请发明的超声波探头插入被检配管中，从被检配管外的线的长度判断插入位置。在该方式中，用于接触配管壁而匹配被检配管和机体的中心轴的结构是可挠性的树脂纤维束。在本方式中，机体的前后的机体稳定保持体自身能够弯曲，因此有利于在具有弯部的被检配管内移动(图12)。

在机体3中，在通过水流移动的情况下，为了赋予使与周围的测定对象即被检配管之间的位置稳定，并抑制机体绕轴旋转的效果，可以在机体的侧面沿着机体的轴向设置一个以上的由弹性体形成的侧面翼12(图7)。侧面翼12的高度小于机体的侧面与被检配管的内部表面的距离，并在机体移动时不与被检配管的内面接触，其形状不受特别限制，只要在流体在机体的侧面流动的情况下赋予抑制机体绕轴旋转的效果即可，例如，可以是在航空器等中一般可见的垂直尾翼等的形状。

机体3随着来自背后方向的流水通过其压力移动，但是为了使得将针对机体3的流水13的压力能够更合适地赋予机体，机体3的后部的形状在其侧视下可以是其垂直面的中央部分朝向机体的轴向内部呈凹状(图6A)。另外，该机体3的后部的凹状形状在与机体3的侧面交叉的部分中，所述凹状形状部分可以进一步超过与机体3的后部侧面交叉的部分而延伸(后部盖6)，通过这种形状，被加载来自后背方向的流水带来的、用于将机体3向前方移动的、基于流水的压力的机体的后部的面积变大，因此能够实现机体的稳定移动(图6B)。此外，考虑回收机体时的作业，在后部稳定保持部设置延伸部分的情况下，其材质优选为具有弹性。此外，本申请的超声波探头包括从其后部部分与配管外连结的线，可以根据需要将超声波探头通过所述线向配管外引出。

而且，通过在机体的侧面设置与被检配管内部表面接触的辊10，能够准确获知插入到被检配管后的超声波探头的位置。所述辊10安装在机体的侧面，并构成为，若机体插入于被检配管，则辊10通过被施力的弹簧，辊轮与被检配管内部表面接触，从而通过计量轮的旋转数，能够准确获知插入到被检配管后的超声波探头位置(图8)。

而且，本申请的超声波探头通过从其后部延伸的线来测定被检配管内的位置的方式也在本申请发明的范围内(图12)。在该情况下，通过将以等间距设置以受到流水阻力而容易进行朝向被检配管内的插入的方式设置的漂浮引导装置以等间距设置于线中，或者从留在外部的线的长度，能够判断被检配管内中的超声波探头的位置。

附图标记说明

1 超声波探头

2 振子

3 机体

4 机体稳定保持体

4a 前部机体稳定保持体

4b 后部机体稳定保持体

4m 嵌合用槽

4n 机体侧嵌合用槽

5 引导部

6 后部盖

7 柔性连结绳

8 漂浮引导装置

9 漂浮连结体

10 辊

11 配管(被检配管)

12 侧面翼

13 水流

14 线

20 平板状的振子

30 电源电缆

40 管壁

K_n 管内面

K_g 管外面

Claims (5)

1.一种超声波探头，用于通过利用水流压力在配管内移动而在配管内部测定被检配管的管厚度，其特征在于，所述超声波探头包括：

a)柱状的机体；

b)配置于所述柱状的机体周围的多个振子；

c)用于使所述被检配管的中心与所述机体的中心匹配的、不阻碍水流的可挠性或粗网眼状的机体稳定保持体；以及

d)用于实现所述机体在配管内的移动的部位，

所述振子弯曲成与配管内形状匹配。

2.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于，

所述振子在机体的周围相对于机体的中心配置成同心圆状。

3.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于，

所述振子配置成能够针对被检配管内的壁垂直照射超声波并检查垂直反射的反射波。

4.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于，

所述机体为圆柱状，弯曲的振子以沿着机体的方式弯曲并配置于在机体的周围呈环状设置的部位，以使得针对被检配管内的壁垂直照射超声波并检查垂直反射的反射波。

5.一种测定被检配管的管厚度的方法，通过利用水流压力移动的超声波探头来测定被检配管的管厚度，其特征在于，所述方法包括：

1)将具备配置于柱状的机体周围的多个振子和用于使所述被检配管的中心与所述机体的中心匹配的、不阻碍水流的可挠性或粗网眼状的机体稳定保持体的超声波探头插入被检配管内的工序；

2)通过所述超声波探头，针对被检配管内的壁垂直照射超声波并检查所述超声波的反射波的工序；以及

3)确定被检配管的管厚度的工序。