JP2001272382A - 超音波検査方法とこれに使用する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小径で薄肉の管に対しても容易に粒界割れ等
の損傷を検出できる超音波検査方法とこれに使用する装
置を提供することである。 【解決手段】 円筒形管１の管壁内を管の周方向に超音
波を、中心ビームＣが管内面１ａを通過するように伝播
させ、管内面１ａ側に存在する割れによって超音波の伝
播が阻害されるのを検知することにより割れの存在を検
出する超音波検査方法であり、これに使用する超音波検
査装置は、送信用探触子３と受信用探触子４とを管の周
方向に所定の間隔でかつ所定の斜角で保持した探触子保
持具２を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボイラーの水管等
の管に発生する粒界割れ等の損傷を検出するための超音
波検査方法とこれに使用する装置に関する。

【従来の技術】

【０００２】ボイラーの水管をはじめ、種々の石油・化
学工業において高温高圧流体や腐食性を持った流体を通
すパイプでは、長期間の使用により、クリープ損傷や粒
界腐食割れ，水素侵食等による微細な割れが発生するお
それがある。

【０００３】このような多数の微細な割れを検出する方
法としては、従来より超音波ノイズエコー法が広く使用
されている。この方法は、図１５に示すように、管２０
の外面に探触子２１を垂直に接触させて、探触子２１か
ら超音波２２を壁内に送り、管内面２０ａで反射した超
音波２２を検出するものであって、壁内にボイドや割れ
２３があると、図１６に示すように透過波形にノイズ２
４として検出される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、通常の超音波
ノイズエコー法では、金属材料の粒界や非金属介在物も
ノイズとなって表れるため、正確に割れの存在を検出す
ることが困難であり、さらに割れの大きさや深さまで検
出することができなかった。また、通常の超音波ノイズ
エコー法による探傷は、厚さが１０ｍｍ以上の比較的厚
肉材の探傷に適用されており、厚さ１０ｍｍ未満の薄肉
材の場合にはピーク間の間隔Ｔが狭いため、ノイズを正
確に判別することが困難であった。

【０００５】一方、ボイラの水管は、一般に外径が６０
〜８０ｍｍまたはそれ以下の円筒形管であって、肉厚が
５ｍｍ以下と比較的薄肉であった。また、ボイラの水管
に発生する粒界割れについて金属組織観察および断面ミ
クロ組織観察を行った結果、当該割れは管内面側に存在
しかつ管の軸方向に沿って表れるという特徴があるた
め、上記のような垂直探傷法では割れの検出は非常に困
難であった。

【０００６】従って、本発明の目的は、小径で薄肉の管
に対しても容易に粒界割れ等の損傷を検出できる超音波
検査方法およびこれに使用する装置を提供することであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者はボイラの水管
等に発生する粒界割れは管内面側に存在しかつ管の軸方
向に沿って表れるという事実に鑑み、従来のように超音
波を管壁に垂直透過させるのではなく、割れを横切るよ
うな方向に超音波を透過させることにより的確に割れの
存在を検出できるのではないかと考え鋭意研究を重ね
た。その結果、円筒形管の管壁内にその周方向に超音波
を、中心ビームが管内面を通過するように伝播させると
きには、管内壁面側に存在する割れによって超音波の伝
播が阻害されることを発見した。そして、この伝播阻害
を検知することにより前記割れの存在を容易に検出する
ことができるという新たな事実を見出し、本発明を完成
するに到った。

【０００８】すなわち、本発明の超音波検査方法は、円
筒形管の管壁内にその周方向に超音波を、中心ビームが
管内面を通過するように伝播させ、管内面側に存在する
割れによって超音波の伝播が阻害されるのを検知して前
記割れの存在を検出することを特徴とする。

【０００９】超音波の伝播阻害は、例えば管内面に存在
する割れによって超音波のビーム路程が遅れるという現
象となって表れるほか、超音波の透過エコーの高さ変
化、透過波形の形状変化等の現象となっても表れる。

【００１０】本発明は上記超音波検査方法に使用するの
に適した超音波検査装置をも提供するものである。すな
わち、本発明の検査装置は、円筒形管の管内面側に存在
する割れを検出するためのものであって、前記管の管壁
内に送信される超音波の中心ビームが管内面を通過する
ように管外面に対して所定の斜角に調整された送信用探
触子と、この送信用探触子から送信され管内面を通過し
た中心ビームを受信するように管外面に対して所定の斜
角に調整された受信用探触子と、前記両探触子をそれぞ
れ前記管の周方向に所定の間隔でかつ前記所定の斜角で
保持した探触子保持具とを備えたことを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
〜３を参照して説明する。図１はこの実施形態にかかる
超音波検査装置を使用した超音波検査方法を示す断面図
である。図１において、１は検査対象となる円筒形の管
である。この管１の外面にこの実施形態にかかる超音波
検査装置２を接触させる。この超音波検査装置２は、前
記管１の管壁内に送信される超音波のうち最も音圧の高
い中心ビームＣが管内面１ａを通過するように管外面１
ｂに対して所定の斜角θに調整された送信用探触子３
と、この送信用探触子３から送信され管内面１ａを通過
した中心ビームＣを受信するように管外面１ｂに対して
所定の斜角θに調整された受信用探触子４とをそれぞれ
探触子保持具５で前記管１の周方向に所定の間隔でかつ
前記した所定の斜角θで保持したものである。

【００１２】探触子保持具５は、送信用探触子３および
受信用探触子４をそれぞれ前記した斜角θで保持した一
対の斜角保持具６，６と、前記送信用探触子３および受
信用探触子４が前記管の周方向に所定の間隔で離隔保持
されるように前記一対の斜角保持具６，６が両端に取り
付けられた間隔保持具７とを備える。

【００１３】間隔保持具７は、図２(a),(b) に示すよう
に、両端に斜角保持具６，６を収容するための切り欠き
部８，８が形成されており、これらにそれぞれ斜角保持
具６，６を収容し、図１に示すような状態でビス止め等
により固定する。なお、間隔は固定時に微調整を行う。
この場合、管１の外径は一般に管１の内径に比べて寸法
精度が高いので、斜角保持具６，６と管１の外面との間
に隙間ができたり、斜角θの精度が低下するおそれは少
ない。従って、斜角保持具６，６を間隔保持具７に一旦
セットし調整した後は、作業者は間隔保持具７を手に持
って、斜角保持具６，６を管１の外面に当てるだけで検
査を行えるので、検査作業が容易になる。

【００１４】斜角保持具６としては、従来より、いわゆ
る斜角探傷法に使用されている市販の斜角ウェッジ等が
使用可能である。このような斜角ウェッジとしては、例
えばパナメトリクス社製のＡＢＷＭ−４Ｔ−６０°（鋼
中横波屈折角：６０°）、ＡＢＷＭ−４Ｔ−４５°（鋼
中横波屈折角：４５°）、 ＡＢＷＭ−４Ｔ−７０°
（鋼中横波屈折角：７０°）等の異なる斜角θのものが
種々市販されているので、管１の外径に応じて必要とす
る斜角θを有する斜角ウェッジを選択使用することがで
きる。

【００１５】使用する探触子３，４としては、例えば周
波数５ＭＨｚ、振動子径が０．２５インチ（６．３５ｍ
ｍ）のものが挙げられる。管壁内に入射する超音波は、
波長の短いほうが微細な割れに対する感受性が高く検査
精度が向上することから、横波を使用するのが好まし
い。また、本発明の装置は、検査対象となる管１の外径
に応じた適切な探触子保持具２を使用する限り、外径が
約３０ｍｍ以上、肉厚が２ｍｍ以上の管１であれば、い
ずれも適用可能であり、特に小径で薄肉の管１にも適用
できるという優れた利点がある。

【００１６】次に上記装置２を用いて管１の超音波検査
を行う方法を説明する。図１に示すように超音波検査装
置２の斜角保持具６を管１の外面１ｂに接触させる。こ
れにより送信用探触子３と受信用探触子４とは管１の周
方向にあらかじめ設定された所定斜角θでかつ所定の間
隔をもって配置される。

【００１７】この状態で管１の管壁内に送信用探触子３
から超音波を入射させ、超音波の中心ビームＣが管内面
１ａを通過するように伝播させる。このとき、図３に示
すように、粒界割れ等のように、管内面１ａに管１の軸
方向に沿って発生した割れ９があると、中心ビームＣは
この割れ９を横切って透過できないため、超音波は伝播
が阻害される。このため、この超音波を受信し、波形を
オシロスコープ等に記録して、超音波の伝播阻害を検知
することにより、割れ９の存在を検出することが可能と
なる。なお、図１において、破線Ｃ１，Ｃ２は他のビー
ムの管壁内での挙動を示している。

【００１８】超音波の伝播阻害は超音波透過波形に様々
な形態で表れ、例えば中心ビームＣのビーム路程の遅
れ、波形形状の変化、エコー高さの変化等である。ビー
ム路程の遅れは、粒界割れによって超音波の音速が遅く
なるためと考えられ、その原因としては、粒界割れが発
生すると材料の見かけ上の弾性率が低下するため、また
は超音波は粒界割れを迂回して伝播するため、見かけ上
音速が遅くなるためといったことが推測される。音速の
変化は縦波よりも横波のほうが大きいため、横波で伝播
阻害を検知するのが好ましい。ビーム路程の遅れは、例
えば、透過波形を示す超音波探傷器画面、オシロスコー
プ画面（デジタルオシロスコープ画面）等によって観察
することができる。

【００１９】ビーム路程の遅れと割れの深さとは相関関
係が認められ、割れが深くなるほどビーム路程が遅れ
る。後述する実施例から明らかなように、ビーム路程に
１００ｎｓ以上、好ましくは１５０ｎｓ以上の遅れがあ
ると粒界割れが発生していると判断することができる。
なお、管１への検査装置２のセット状況、管１の偏平偏
肉状態等により超音波の透過時間は変化するが、このよ
うな変化は通常８〜２４ｎｓ程度であるため、このよう
な変動はビーム路程の遅れを検出するのに殆ど影響はな
い。

【００２０】また、超音波の他の伝播阻害である波形形
状の変化は、前記と同様に透過波形を示す超音波探傷器
画面、オシロスコープ画面（デジタルオシロスコープ画
面）等によって観察することができる。波形形状の変化
は、健全材の波形と比較して、受信波形のピークが複数
に分かれたもの、エコー高さが低くなったものがあり、
受信波形の変化が大きいほど粒界割れが大きくなる。波
形形状の変化による割れの検出は深さが０．２ｍｍ以上
の粒界割れの検出に適用するのが好ましい。

【００２１】また、エコー高さの変化は、前記と同様に
透過波形を示す超音波探傷器画面、オシロスコープ画面
等によって観察することができる。エコー高さは超音波
ビームの透過経路にある割れの深さや数によって影響を
受けるが、管の減肉や偏肉によっても変化しやすいの
で、このような肉厚等の影響が少ない条件下では粒界割
れの検出に利用するのに有効である。

【００２２】

【実施例】以下、試験例を挙げて本発明の方法をより詳
細に説明する。

【００２３】試験例１ ボイラーの水管に発生した粒界割れを図１に示す超音波
検査装置を用いて検出する試験を行った。使用機器は以
下の通りである。 １．超音波装置 (a) 超音波探傷子器：パナメトリクス社製のＥＰＯＣＨ
III モデル２３００ (b) 超音波パルサー・レシーバー：同社製のモデル９１
００ ２．オシロスコープ ソニーテクトロニクス社製のＴＤＳ３００ ３．超音波探触子 パナメトリクス社製のＶ５４３−ＳＭ（周波数：５ＭＨ
ｚ、振動子径：０．２５インチ（６．３５ｍｍ）） ４．斜角保持具（斜角ウェッジ） パナメトリクス社製のＡＢＷＭ−４Ｔ−６０°（鋼中横
波屈折角：６０°） ５．波形記録用プリンター セイコー電子社製のＤＰＵ−４１１ ６．接触媒質 日合アセチレン社製の「ソニコートＢＳ４００」

【００２４】試験試料としては、以下のボイラー用水管
を使用した。 ａ）対照（感度調整用試験片） 外径６３．５ｍｍ、肉厚４．７４ｍｍの管を使用した。
この試験片は断面ミクロ組織観察にて粒界割れのない健
全材であることを確認した。 ｂ）試験片 ボイラー用水管として使用されていた管から溶接部前後
約３００ｍｍを採取して試験を実施した。このものの外
径は上記対照と同じである。

【００２５】試験は以下の手順で行った。 (1) 送信用および受信用の各探触子３，４をそれぞれ斜
角保持具６，６に取り付けた。 (2) 超音波探傷器を一探触子モードにセットし、送信用
および受信用の各探触子３，４を標準試験片（ＪＩＳ−
ＳＴＢ−Ａ１またはＪＩＳ−ＳＴＢ−Ａ３）を用いて探
触子の超音波入射点の確認および音速の設定を行った。 (3) 超音波探傷器を二探触子モードにセットし、送信用
探触子３と受信用探触子４とを接触させ、超音波の透過
エコーの高さが最大となるように両探触子を前後にスラ
イドさせ超音波の入射点の位置を探す。この状態で透過
エコーの立ち上がりが超音波探傷器画面のゼロ点に一致
するようにゼロポジションを調整した。 (4) 探触子３，４を取り付けた各斜角保持具６，６を間
隔保持具７に装着し、双方の入射点間の距離が３４〜３
５ｍｍになるように探触子間隔を調整し、セットビスに
て各斜角保持具６，６を間隔保持具７に固定した。 (5) 対照となる感度調整用試験片に接触媒質を塗布し探
触子を接触させた。超音波探傷器のビーム路程の３４〜
３５ｍｍの位置に透過エコーが得られたので（透過エコ
ーのうち最もビーム路程の短いもの）、このエコー高さ
を超音波探傷器画面のフルスケールの８０％となるよう
に感度を調整した。 (6) また、超音波パルサー・レシーバーを用いて、超音
波反射波形をデジタルオシロスコープに記録した。機器
のセッティング方法は上記(1) 〜(5) と同じである。

【００２６】このようにして調整した超音波検査装置２
を用いて、超音波透過法による試験片の粒界割れ検出を
行った。試験片に対する粒界割れ検出では、調整された
超音波検査装置２を使用するので、上記(1) 〜(4) の手
順を省略することができ、(5) ，(6) の操作のみを行っ
た。また、データ採取は試験片の任意な部位で行った。
そのうちのいくつかのデータ採取部位（Ｎｏ．１〜４）
における超音波透過波形を図４〜８に、またデジタルオ
シロスコープ画面を図９〜１３にそれぞれ示した。ここ
で、図４および図９はそれぞれ対照の波形である。な
お、図４〜８において、縦軸はエコー高さ（％）を、横
軸はビーム路程（鋼中横波の透過距離）を示している。
図９〜１３において、縦軸はエコーの振幅を、横軸は時
間軸（鋼中横波の透過時間）を示している。

【００２７】また、超音波透過法によりデータ採取を行
った部位について断面ミクロ組織観察を実施し、粒界割
れの発生有無および割れ深さ（最大値）を測定した。

【００２８】これらの測定結果から求めたデータ採取部
位Ｎｏ．１〜４におけるエコー高さ、ビーム路程の遅
れ、肉厚値、受信波形の形状および粒界割れ深さを表１
に示す。表１において、ビーム路程の遅れ時間（ｎｓ）
は超音波パルサー・レシーバーとデジタルオシロスコー
プを用いて測定した。粒界割れ深さは測定部位の断面ミ
クロ組織観察にて最も深い粒界割れの深さを示してい
る。受信波形の形状は超音波探傷器にて得られた超音波
透過波形から以下の基準にて評価した。 ○：対照（健全材）の透過エコー形状とほぼ同じ。 △：対照の透過エコー形状と若干異なる。 ×：対照の透過エコー形状と大きく異なる。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１の検討結果から以下のことが明らかに
なる。 １．ビーム路程の遅れ ビーム路程の遅れは図４〜８（超音波透過波形）に示す
透過波形によって定性的に検出できるが、定量的にビー
ム路程の遅れを検出するために図９〜１３（デジタルオ
シロスコープ画面）を用いて、対照に対するビーム路程
の遅れ時間（ｎｓ）を測定した。ちなみに、図９に矢印
で示すピークは、図１３では矢印で示す位置まで遅れて
いた。上記Ｎｏ．１〜５を含む種々の測定部位ならびに
他の試験片を用いて同様にして測定したビーム路程の遅
れ時間と最大粒界割れ深さとの関係を求めた。その結果
を図１４に示す。図１４から明らかなように、ビーム路
程が遅れるに従って粒界割れが深くなっており、１００
ｎｓ以上、好ましくは１５０ｎｓ以上の遅れがあれば、
粒界割れが発生していると判断することができる。

【００３１】２．受信波形の形状 図４〜８（超音波透過波形）および図９〜１３（デジタ
ルオシロスコープ画面）から明らかなように、粒界割れ
のあるＮｏ．１〜４は、対照（健全材）と比較して、エ
コー高さが低くなり受信波形が異なっていることがわか
る。

【００３２】３．エコー高さ エコー高さは粒界割れ深さとほぼ関連していることがわ
かる。

【００３３】

【発明の効果】本発明の超音波検査方法によれば、円筒
形管の管壁内に管の周方向に超音波を、中心ビームが管
内面を通過するように伝播させ、管内壁面側に存在する
割れによって超音波の伝播が阻害されるのを検知するこ
とにより、小径で薄肉の管に対しても容易に粒界割れ等
の損傷を検出できるという効果がある。また、本発明の
超音波検査装置は、上記方法にて管の検査を行うにあた
り、送信用探触子と受信用探触子とを管の周方向に所定
の間隔でかつ所定の斜角で保持した探触子保持具を備え
ることにより、検査を簡単にかつ高精度で行うことがで
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかる超音波検査方法と
装置を示す断面図である。

【図２】(a) 、(b) はそれぞれ図１に示す間隔保持具の
正面図および側面図である。

【図３】本発明の超音波検査方法を示す説明図である。

【図４】対照（健全材）について超音波探傷器画面に表
示されたグラフである。

【図５】試験片のＮｏ．１について超音波探傷器画面に
表示されたグラフである。

【図６】試験片のＮｏ．２について超音波探傷器画面に
表示されたグラフである。

【図７】試験片のＮｏ．３について超音波探傷器画面に
表示されたグラフである。

【図８】試験片のＮｏ．４について超音波探傷器画面に
表示されたグラフである。

【図９】対照（健全材）についてデジタルオシロスコー
プ画面に表示されたグラフである。

【図１０】試験片のＮｏ．１についてデジタルオシロス
コープ画面に表示されたグラフである。

【図１１】試験片のＮｏ．２についてデジタルオシロス
コープ画面に表示されたグラフである。

【図１２】試験片のＮｏ．３についてデジタルオシロス
コープ画面に表示されたグラフである。

【図１３】試験片のＮｏ．４についてデジタルオシロス
コープ画面に表示されたグラフである。

【図１４】ビーム路程の遅れと最大粒界割れ深さとの関
係を示すグラフである。

【図１５】通常の超音波ノイズエコー法を示す説明図で
ある。

【図１６】図１５の超音波ノイズエコー法で得られる波
形を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 管 ２ 超音波検査装置 ３ 送信用探触子 ４ 受信用探触子 ５ 探触子保持具 ６ 斜角保持具 ７ 間隔保持具 ９ 割れ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円筒形管の管壁内をその周方向に超音波
   を、中心ビームが管内面を通過するように伝播させ、管
   内面側に存在する割れによって超音波の伝播が阻害され
   るのを検知して前記割れの存在を検出することを特徴と
   する超音波検査方法。
2. 【請求項２】管内面に存在する割れによって超音波のビ
   ーム路程が遅れるのを検知する請求項１記載の超音波検
   査方法。
3. 【請求項３】円筒形管の管内面側に存在する割れを検出
   するための超音波検査装置であって、 前記管の管壁内に送信される超音波の中心ビームが管内
   面を通過するように管外面に対して所定の斜角に調整さ
   れた送信用探触子と、 この送信用探触子から送信され管内面を通過した中心ビ
   ームを受信するように管外面に対して所定の斜角に調整
   された受信用探触子と、 前記両探触子をそれぞれ前記管の周方向に所定の間隔で
   かつ前記所定の斜角で保持した探触子保持具とを備えた
   超音波検査装置。
4. 【請求項４】前記探触子保持具が、前記送信用探触子お
   よび受信用探触子をそれぞれ所定の斜角で保持した斜角
   保持具と、前記送信用探触子および受信用探触子が前記
   管の周方向に所定の間隔で離隔保持されるように前記斜
   角保持具が取り付けられた間隔保持具とを備えた請求項
   ３記載の超音波検査装置。