JP2000292414A - プラスチック管融着部の検査方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 路程の増大による超音波パルスの減衰を最小
限に抑え、溶融層における広範囲の探傷を可能にする。 【解決手段】 複数の超音波探触子１３ａ、１３ｂのそ
れぞれを、超音波パルスが管壁１ａへ入射する際に異な
る屈折角を生起するウエッジ１４ａ、１４ｂを介して管
１の外周面に配置し、一方のウエッジ１４ａによる屈折
角を他方のウエッジ１４ｂによる屈折角より所定の角度
差を有する大きな値に設定し、双方の超音波探触子１３
ａ、１３ｂにより同時に溶融層３を走査するものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラスチック管を
融着接合する技術に係り、融着部の適否を診断するプラ
スチック管融着部の検査方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ポリエチレン等の高分子化合物か
らなる合成樹脂を構造材料とするプラスチック管は、施
工現場や工場内において管もしくは継手と接合する手法
として、融着を行なうものがある。この融着は、プラス
チック管の端面を融着接合面として双方の管を融着する
ものであり、接合する双方の管の端部を所定温度に加熱
して溶融し、双方の管の端部を融着接合面で相互に突き
合わせ、所定圧力で圧着して所定幅の溶融層を形成する
ものである。

【０００３】この融着部の良否を診断する方法として
は、超音波を計測媒体として使用し、超音波で溶着層を
走査するものがあり、溶着層の管軸心方向における幅、
空隙および異物の有無を検出して、その融着状態を検査
する。この超音波を使用する検査方法の基本的な原理を
図６に示す。図６において、検査対象のプラスチック管
３１には、超音波探触子３２（超音波センサーヘッド）
がウエッジ３３を介して当接しており、ウエッジ３３と
プラスチック管３１の外周面との間にはゼリー状のカプ
ラ剤（図示省略）を介在させている。ウエッジ３３は超
音波探触子３２をプラスチック管３１の外周面に対して
所定の傾斜角度に保持するものである。

【０００４】検査時には、超音波探触子３２より発信す
る超音波パルスを、ウエッジ３３およびプラスチック管
３１の管壁３１ａを媒介して、プラスチック管３１とプ
ラスチック管３１を接合した融着部３４の溶融層３５に
入射し、溶融層３５の融着境界面で反射する反射波を超
音波探触子３２で受信し、超音波探触子３２を管軸心方
向にスライドさせながら溶融層３５を管壁厚方向に超音
波で走査する。

【０００５】そして、受信した反射波の波形特性を経験
則に照らし、溶融層３５の融着状態を判断する。この経
験則は、予め双方の管３１の融着境界面における空隙や
異物の存在と反射波の波形特性との相関として求める。
また、溶融層３５の前面の溶融界面で反射する反射波と
後面の溶融界面で反射する反射波との時間差を検出し、
この時間差と音速との積により溶融層３５の幅を求め、
その形状から溶融層３５における融着強度を判断する。

【０００６】このような超音波を使用する方法として
は、超音波の発信と受信を１つの超音波探触子で行なう
パルスエコー法や、超音波を高角度に入射し、管表面に
沿って伝播する縦波により管表面のひび割れや表面近く
の欠陥を検出するパルスエコークリーピング法がある。
さらに、超音波探触子を発信器と受信器とで構成し、発
信器から超音波パルスを溶融層に向けて入射し、溶融層
の融着境界面で反射する反射波を送信機から所定距離を
隔てた位置に配置する受信器で受信するタンデム法や、
発信器と受信器を溶融層を隔てた対象位置に配置するＴ
ＯＦＤ法（Time-of-flight diffraction）がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記した構成におい
て、図６に示すように、走査は、超音波探触子３２を融
着部３４に隣接して配置する位置を走査始端位置とし、
超音波探触子３２を管軸心方向にスライドし、超音波探
触子３２から発信する超音波パルスが融着部３４の外側
部に達する超音波探触子３２の位置を走査終端位置とし
て行なう。

【０００８】この走査において、超音波探触子３２から
発信する超音波パルスは、ウエッジ３３からプラスチッ
ク管３１の管壁に入射するに際して所定の屈折角θに屈
折し、その角度で溶融層３５へ入射する。プラスチック
管３１の管壁３１ａを伝播する超音波パルスの路程は、
走査始端位置において最小路程Ｌ１となり、走査終端位
置において最大路程Ｌ２となる。溶融層３５における探
傷範囲Ｖは、超音波パルスが最小路程Ｌ１で入射する探
傷始端位置Ｓから最大路程Ｌ２で入射する探傷終端位置
Ｅまでの間となり、探傷始端位置Ｓより管外周面までの
範囲の溶融層３５に関しては探傷不可領域となる。

【０００９】この探傷範囲Ｖを拡大する方法としては、
プラスチック管３１の管壁３１ａに対する超音波パルス
の入射角を調整し、屈折角θを大きくする方法がある。
しかし、屈折角θを大きくすると、屈折角θの増加に伴
って路程が長くなり、管壁３１ａにおける超音波パルス
の反射波の減衰が大きくなり、最大路程Ｌ２に近づくに
したがって異物の検出が困難となる。

【００１０】本発明は上記した課題を解決するものであ
り、路程の増大による超音波パルスの減衰を最小限に抑
え、溶融層における広範囲の探傷を可能にするプラスチ
ック管融着部の検査方法およびその装置を提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題解決するための手段】上記した課題を解決するた
めに、請求項１に係るプラスチック管融着部の検査方法
は、管の外周面にウエッジを介して超音波探触子を配置
し、超音波探触子およびウエッジを管軸心方向にスライ
ドする間に、超音波探触子から発信する超音波パルスを
ウエッジを介して管壁に入射し、管壁を媒体として伝播
する超音波パルスで融着部の溶融層を管肉厚方向に走査
する検査方法において、複数の超音波探触子のそれぞれ
を、超音波パルスが管壁へ入射する際に異なる屈折角を
生起じるウエッジを介して管の外周面に配置し、それぞ
れのウエッジの屈折角を互いに所定の角度差を有する値
に設定し、これらの超音波探触子により溶融層を走査す
るものである。

【００１２】上記した構成により、一つのウエッジを介
して管壁に入射する超音波パルスは、他のウエッジを介
して管壁に入射する超音波パルスに比べて、所定の角度
差を有した大きな屈折角をもって屈折し、検査対象の溶
融層において管肉厚方向で深さの小さい位置に到達し、
逆に、他のウエッジを介して管壁に入射する超音波パル
スは、先のウエッジを介して管壁に入射する超音波パル
スに比べて、所定の角度差を有する小さな屈折角をもっ
て屈折し、検査対象の溶融層において管肉厚方向で深さ
の大きい位置に到達する。

【００１３】このため、各超音波探触子およびウエッジ
を管軸心方向に同時にスライドする間に、各超音波探触
子から発信する超音波パルスは、溶融層の異なる部位を
走査する。１つの超音波探触子による溶融層の探傷範囲
は管肉厚方向の浅い領域に偏在し、他の超音波探触子に
よる溶融層の探傷範囲は管肉厚方向の深い領域に偏在
し、各超音波探触子による探傷範囲を合わせることによ
り、一度の走査によって広範囲の溶融層を探傷すること
ができる。

【００１４】つまり、屈折角の異なるウエッジを有する
複数の超音波探触子で走査することにより、屈折角の大
きな超音波探触子が探傷範囲の拡大に寄与し、屈折角の
小さな超音波探触子が減衰の低減に抑制する役割を果た
し、１つの超音波探触子を使用して同じ探傷範囲を走査
する場合に比べて、超音波探触子が移動する走査始端位
置と走査終端位置との距離が短くなり、結果として超音
波パルスの最大路程も短くなって減衰を抑制できるの
で、探傷精度が向上する。

【００１５】請求項２に係るプラスチック管融着部の検
査装置は、検査対象の融着部に対して管軸心方向に接近
離間する複数の超音波探触子を有し、各超音波探触子に
管の外周面に摺接するウエッジを設け、各ウエッジを超
音波パルスが管壁へ入射する際に異なる屈折角を生じる
ように形成し、それぞれのウエッジの屈折角を互いに所
定の角度差を有する値に設定したものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１〜図２において、プラスチッ
ク管１は、ポリエチレン等の高分子化合物からなる合成
樹脂を構造材料とするものであり、プラスチック管１の
端面を融着接合面として双方の管を融着したものであ
る。この融着は、接合する双方の管１の端部を所定温度
に加熱して溶融し、双方の管１の端部を融着接合面で相
互に突き合わせて所定圧力で圧着して融着部２を形成す
るものである。図３に示すように、融着部２に形成した
溶融層３は管１の軸心に沿った断面形状において、管１
の外周側および内周側ほど幅が広く、その間の中央部側
ほど狭くなる形状を有している。

【００１７】融着部検査装置４は融着部２で接合した双
方の管１に装着する一対のベルト式固定治具５を有し、
ベルト式固定治具５は管１の外周面に沿って配置するベ
ルト５ａによってサドル部６を管１に固定している。各
ベルト式固定治具５のサドル部６の間には、双方に掛け
渡してスライドガイド７とボールネジ８を配置してお
り、一方のサドル部６にボールネジ８を回転駆動する手
段としてロータリエンコーダーを有した駆動装置９を設
けている。

【００１８】スライドガイド７には管軸心方向に摺動す
る可動ブロック１０を設けており、可動ブロック１０
は、ボールネジ８に螺合する雌ねじ部を有するブラケッ
ト１１とプローブユニット１２を保持している。プロー
ブユニット１２は一対の超音波センサヘッド（超音波探
触子）１３ａ、１３ｂを支持しており、超音波センサヘ
ッド１３ａ、１３ｂは超音波ビームを絞った集束型探触
子である。超音波センサヘッド１３ａ、１３ｂは管１の
外周面に摺接するウエッジ１４ａ、１４ｂを有してい
る。

【００１９】各ウエッジ１４ａ、１４ｂは、超音波セン
サヘッド１３ａ、１３ｂから発信する超音波パルスが管
壁へ入射する際に異なる屈折角を生起するように形成し
たもので、一方のウエッジ１４ａによる屈折角θＬを他
方のウエッジ１４ｂによる屈折角θＳより所定の角度差
を有する大きな値に設定している。このウエッジ１４
ａ、１４ｂの構成については後述する。

【００２０】各超音波センサヘッド１３ａ、１３ｂおよ
び駆動装置９はコントローラ１５に接続しており、コン
トローラ１５には、予め予備試験によって求めた、双方
の管１の融着境界面における空隙や異物の存在と反射波
の波形特性との相関を示すデータ、溶融層３の管軸心方
向の幅と融着強度との相関を示すデータを経験則して登
録してある。

【００２１】図４に示すように、各超音波センサヘッド
１３ａ、１３ｂから発信する超音波パルスは、ウエッジ
内路程Ｗ１と管内路程Ｗ２を通って溶融層３に達する。
このとき、ウエッジ内路程Ｗ１と管内路程Ｗ２における
音速は、その媒体物質の特性によって異なり、ウエッジ
内路程Ｗ１における音速Ｃ１、管内路程Ｗ２における音
速Ｃ２、入射角θ１、屈折角θ２とすると、スネルの法
則により、入射角θ１と屈折角θ２の間には、次式の関
係が成立する。

【００２２】Ｃ１／Ｃ２＝ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２ したがって、各ウエッジ１４ａ、１４ｂを構成する部材
の材質を違え、その音速を違えることにより、生起する
屈折角を異ならせることができ、材質を適宜に選択する
ことにより、屈折角を任意に調整できる。ここでは、管
口径φ１５０ｍｍ、管肉厚１８ｍｍのポリエチレン管に
適用する場合の構成を示す。一方のウエッジ１４ａに四
弗化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ：音速２３５０ｍ／ｓ）を
使用し、他方のウエッジ１４ｂにプラスチック管１と同
材質のポリエチレン（ＰＥ：音速１２８０ｍ／ｓ）を使
用する。表１に、各ウエッジ１４ａ、１４ｂの諸元を示
す。

【００２３】

【表１】 この構成によれば、図３においてθＬ＝７３°、θＳ＝
５５°となり、探傷範囲Ｖが管肉厚の９０％となる。こ
の場合に、図５に示すように、ＰＴＦＥとポリエチレン
における探傷深さと減衰との関係は、両者で探傷範囲を
２分しており、減衰も両者でバランスが取れている。

【００２４】尚、本実施の形態では、各ウエッジ１４
ａ、１４ｂを平行に配置する構成を示したが、管軸心方
向の前後に配置することもできる。以下、上記した構成
における作用を説明する。コントローラ１５の制御を受
ける駆動装置９は、回転駆動するボールネジ８とブラケ
ット１１との螺合により可動ブロック１０およびプロー
ブユニット１２を管１の軸心方向にスライドさせる。可
動ブロック１０が融着部２に隣接する基端位置から所定
距離を移動する間に、プローブユニット１２の各超音波
センサヘッド１３ａ、１３ｂから超音波パルスを発信
し、反射した反射波を超音波センサヘッド１３ａ、１３
ｂで受信し、双方の超音波センサヘッド１３ａ、１３ｂ
によって同時に溶融層３を走査する。

【００２５】この操作を図３に示す。尚、図３において
は、一方の超音波センサヘッド１３ａが走査始端位置を
示し、他方の超音波センサヘッド１３ｂが走査終端位置
を示している。一方のウエッジ１４ａを介して管壁１ａ
に入射する超音波パルスは、他方のウエッジ１４ｂを介
して管壁１ａに入射する超音波パルスに比べて、所定の
角度差を有する大きな屈折角をもって屈折し、検査対象
の溶融層３において管肉厚方向で深さの小さい位置に到
達し、逆に、他方のウエッジ１４ｂを介して管壁１ａに
入射する超音波パルスは、一方のウエッジ１４ａを介し
て管壁１ａに入射する超音波パルスに比べて、所定の角
度差を有する小さな屈折角をもって屈折し、検査対象の
溶融層３において管肉厚方向で深さの大きい位置に到達
する。

【００２６】このため、双方の超音波センサヘッド１３
ａ、１３ｂおよびウエッジ１４ａ、１４ｂを管軸心方向
に同時にスライドする間に、各超音波センサヘッド１３
ａ、１３ｂから発信する超音波パルスは、溶融層３の異
なる部位を走査することになり、一方の超音波センサヘ
ッド１３ａによる溶融層３の探傷範囲は管肉厚方向の浅
い側に偏在し、他方の超音波センサヘッド１３ｂによる
溶融層３の探傷範囲は管肉厚方向の深い側に偏在し、各
超音波センサヘッド１３ａ、１３ｂによる探傷範囲を合
わせた探傷範囲Ｖは大きくなり、一度の走査によって広
範囲の溶融層３を探傷することができる。

【００２７】そして、コントローラ１５において、上述
の走査によって得た反射波の波形特性を経験則のデータ
に照らし、溶融層３の融着境界面における空隙や異物の
存在の有無を判断し、あるいは溶融層３の管軸心方向の
幅に基づいて融着強度を判断する。ここでは、２つの超
音波センサヘッドを使用する構成を示したが、管肉厚が
大きくなる場合は、３つ以上の超音波センサヘッドを使
用して、それぞれ異なる屈折角を有するウエッジを備え
ることにより、広い探傷範囲を確保する構成とすること
も可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、屈
折角の異なるウエッジを有する複数の超音波探触子で走
査することにより、それぞれ屈折角の異なる超音波探触
子が探傷範囲の拡大に寄与し、屈折角の小さな超音波探
触子が減衰の低減に抑制する役割を果たし、一度の走査
によって大きな溶融層の範囲を探傷することができ、１
つの超音波探触子を使用して同じ探傷範囲を走査する場
合に比べて、超音波探触子が移動する走査始端位置と走
査終端位置との距離が短くなり、超音波パルスの最大路
程も短くなって減衰を抑制でき、探傷精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における融着部検査装置の
構成を示す平面図である。

【図２】同融着部検査装置の構成を示す正面図である。

【図３】同融着部検査装置による溶融層の計測方法を示
す模式図である。

【図４】ウエッジの入射角と屈折角の関係を示す模式図
である。

【図５】ＰＴＦＥとポリエチレンにおける探傷深さと減
衰との関係を示すグラフ図である。

【図６】従来における溶融層の計測方法を示す模式図で
ある。

【符号の説明】

１ プラスチック管 ２ 融着部 ３ 溶融層 ４ 融着部検査装置 １２ プローブユニット １３ａ、１３ｂ 超音波センサヘッド １４ａ、１４ｂ ウエッジ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G047 AA08 AB01 AB07 BA03 BB02 EA08 EA10 GA15 GB16 GB27 5J083 AA02 AB12 AB18 AC04 AD30 AE10 AG20 BA01 BC01 CA01 CA32

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管の外周面にウエッジを介して超音波探
   触子を配置し、超音波探触子およびウエッジを管軸心方
   向にスライドする間に、超音波探触子から発信する超音
   波パルスをウエッジを介して管壁に入射し、管壁を媒体
   として伝播する超音波パルスで融着部の溶融層を管肉厚
   方向に走査する検査方法において、 複数の超音波探触子のそれぞれを、超音波パルスが管壁
   へ入射する際に異なる屈折角を生起じるウエッジを介し
   て管の外周面に配置し、それぞれのウエッジの屈折角を
   互いに所定の角度差を有する値に設定し、これらの超音
   波探触子により溶融層を走査することを特徴とするプラ
   スチック管融着部の検査方法。
2. 【請求項２】 検査対象の融着部に対して管軸心方向に
   接近離間する複数の超音波探触子を有し、各超音波探触
   子に管の外周面に摺接するウエッジを設け、各ウエッジ
   を超音波パルスが管壁へ入射する際に異なる屈折角を生
   じるように形成し、それぞれのウエッジの屈折角を互い
   に所定の角度差を有する値に設定したことを特徴とする
   プラスチック管融着部の検査装置。