JP2006053134A - 管体の非破壊評価装置及びその非破壊評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】管体の非破壊評価をより正確に行い得る非破壊評価装置及び非破壊評価方法を提供する。
【解決手段】本発明の管体の非破壊評価装置は、管体としてのパイプ１に超音波を入射する発信センサ２ａ、２ｂと、パイプ１を伝播する超音波に基づくガイド波を受信する受信センサ６と、ガイド波を円周方向分布が異なるモードに分離し、各モードに理論的に求められる分散曲線データを加えることにより任意時刻の空間波を算出した後、空間波によりパイプ１の評価画像を得るパソコン５とを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、管体の非破壊評価装置及び管体の非破壊評価方法に関する。

プラント内に無数に張り巡らされている管体としてのパイプの定期検査では、一般に、欠陥等の損傷の起こりそうな部分のみを点で超音波検査するという手法がとられている。この作業は、膨大な時間を要するだけでなく、致命的な損傷の見逃しもありうる。

このため、１９９０年代より、ガイド波と呼ばれる超音波のモードを用いた管体の非破壊評価方法が注目を集めている。管体中を伝播するガイド波は、そのエネルギのほとんどが管体中に封入されているため、数メートルから数十メートルといった長距離を伝播することが確認されている。そのため、ガイド波は高速かつ長距離の非破壊評価を行う手法として大きな潜在能力を持っている（非特許文献１〜３）。

ガイド波の理論的な研究は古くから行われているが、非破壊評価を目的としたその理論的・実験的研究は近年になって平板を評価対象としたラム波の研究を基礎として行われてきた。ガイド波は、管体中を長手方向に伝播するため、管体全体の高速非破壊評価が可能であるとされている。さらに、２０００年代になると、英国のＧＵＬ（Guided Ultrasonic ltd.）、ＰＩ（PlantIntegrity ltd.）、米国のＳｗＲＩ（Southwest Research Institute）等により、ガイド波を用いた管体の非破壊検査装置が開発され、現場への導入が図られるようになった。

しかし、ガイド波は速度の異なる多数のモードを有し、各モードは分散性を持っているため、その受信波形は非常に複雑なものとなりうる。すなわち、管体中のガイド波には、平板中のラム波と同様、同じ周波数帯に無数の音速の異なるモードが存在しており、それぞれが分散性を持つという特有の性質を有している。このガイド波固有の性質のため、従来のパルスエコー法やピッチキャッチ法をそのまま適用して振幅や音速を計測する信号処理方法では、不十分である。

例えば、健全な管体に超音波を入射し、ある距離離れた位置で波形を受信するだけでも、あたかも損傷による多重反射が起こったように複数の波形が得られたり、振幅が予想よりも非常に小さくなったりすることがある。それ故、詳細な理論的検討なしに、得られた波形から損傷の有無やその位置や形状を推測することは不可能である。また、ガイド波の受信波形は、各モードの相互作用によって決定されるので、受信位置が半波長程度ずれただけでも、その大きさや位相が全く異なるということがよくある。さらに、それらの性質は、管体の径、厚さ、材質が異なると、全く異なるので、ある管体で得られた結果をそのまま別の管体にそのまま適用することはできない。

そのため、取り扱いの容易な軸対称モードの振幅や音速を用い、損傷の非破壊評価が行われている。近年、非軸対称モードを積極的に用いる試みが行われているが、非軸対称モードは、分散性が大きく、軸対称モードと重畳して測定されるため、受信波形から直接、有効な情報は得られない。このような理由で、現在のところ、高次の非軸対称モードはガイド波の非破壊評価にはほとんど利用されていない。

発明者らはこれらの問題を解決するため、数値計算シミュレーション及び計算結果の可視化を行い、直線状の管体中やエルボにおける波動伝搬形態を明らかにしてきた。また、損傷の分解能向上のため、注目されているガイド波のフォーカシング技術について、詳細な解析を行ってきた。これらの中で、非軸対称モードの重ね合わせによって表現された管体中のフォーカシングは、Finkらによって提唱された時間反転音響の概念を導入すると理解しやすいことを示した。また、ガイド波は管体中に弾性波のエネルギが封入されているため、円周方向に多数のセンサを並べることによって、非常によいガイド波制御が可能であると考えられる。

このように、従来の直交関数展開理論に基づくモード解析に加え、時間反転音響の概念を導入することによって、ガイド波を利用した管体の非破壊評価方法はさらに大きな潜在能力を持っていることが明らかになった。しかしながら、時間反転音響波を用いる場合には、円周方向に並べられた多数のセンサにおける励起信号を正確に管体の表面に伝達する必要がある。また、多数のセンサで得られた受信波形を理論に基づいて処理するためには、管体の表面の変位又は歪みを正確にセンサに伝達する必要がある。すなわち、センサと管体とのカップリング状態がガイド波の制御及び解析に大きな影響を与える。磁わい型センサは、非接触で管体中の弾性波励起及び受信を可能とするので、このような多数のセンサを用いた高度波形処理には非常に有効であり、実用的である。また、磁わい型センサは、ニッケル板の装着を必要とするものの、一度管体周りに装着すれば、完全に非接触でのガイド波励起及び受信が可能である。この磁わい型センサを用いた軸対称モードによる管体の評価法については、ＳｗＲＩ等から多くの論文が発表されており、長距離の弾性波伝搬については実証されている。

発明者らは、この磁わい型センサによる円周方向の多くの離散点での受信波形の処理を用いてガイド波非軸対称モードの抽出を行った。先に述べたように、損傷同定やエルボへの利用のためには、非軸対称モードを利用することが有効であると考えられるが、そのためのモード解析手法を確立しておく必要があるからである。

社団法人日本非破壊検査協会 「第１０回超音波による非破壊評価シンポジウム講演論文集」２００３年 第７１頁〜第７６頁 日本機械学会東海支部 第５３期総会・講演会 講演概要集 Ｎｏ．０４３−１ 第３９〜４０頁 社団法人日本非破壊検査協会 「非破壊検査第５３巻４号」２００３年９月 第２２３頁〜第２２９頁

しかしながら、従来までの技術は管体の評価の画像化を行っていない。欠陥等の損傷を含む評価画像が得られれば、ソフトウェアに依存した解析の不安定性を排除できる上、損傷の位置、形状、大きさ等の情報が一度に得られるので、検査能力の向上につながり、今まで行ってきた非破壊評価に完全に取って代わるものとなる。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、管体の非破壊評価をより正確に行い得る非破壊評価装置及び非破壊評価方法を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の管体の非破壊評価装置は、管体に超音波を入射する入射手段と、
該管体を伝播する該超音波に基づくガイド波を受信する受信手段と、
該ガイド波を円周方向分布が異なるモードに分離し、各該モードに理論的に求められる分散曲線データを加えることにより任意時刻の空間波を算出する空間波算出手段と、
該空間波により該管体の評価画像を得る評価画像取得手段とを備えていることを特徴とする。

入射手段は、評価対象となる管体に超音波を入射するものである。この入射手段としては、信号発生器及び超音波を発信可能な超音波センサを採用することができる。通常、超音波センサに必要な電圧レベルまで増幅するため、信号増幅装置を用いる。超音波センサとしては公知のものを採用することができる。ＰＶＤＦ等の圧電材料を用いたセンサを採用することもできる。入射手段からは分散性のないねじりモードＴ（０,１）の超音波を入射することが好ましい。信号発生器は２０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚほどのパルス波、バースト波又はチャープ波を発生できるものであることが好ましい。

発信センサは管体周りに１周、同位相の波形を入射できるようなシステムであることが好ましい。そのため、米国特許明細書ＵＳ６６２４６２８Ｂに記載されている磁わい型センサ、米国特許明細書ＵＳ６１４８６７２Ａに記載されているpiezoelastic element又はＥＭＡＴ（電磁超音波探触子）等が効果的である。そのとき、円周方向に軸対称なモードが発生するが、伝播途中に損傷や溶接部等の音響的に不均質な部分が存在すると、不均質な部分において、円周方向に一様でないような変位分布を持つモードが発生する。

受信手段は、管体を伝播する超音波に基づくガイド波を受信するものである。このガイド波は損傷からの反射波である場合がある他、損傷の透過波である場合もある。この受信手段としては、局所的な振動を受信可能な超音波センサを採用することができる。超音波センサとしては公知のものを採用することができる。ＰＶＤＦ等の圧電材料を用いたセンサを採用することもできる。受信センサではそれぞれ３６０／Ｎ°の開口角の変位を取り込むように設計されていればよい。

受信手段は、各々が管体の円周方向に並べられ、各々が管体の円周方向の一部分の決められた開口角におけるガイド波を検出可能な複数のセンサからなることが好ましい。そのため、各センサとしては、円周方向の一部分のみの振動を受信できるような局所的振動検出センサを用いることが好ましい。このような局所的振動検出センサは３６０°のＮ等分となっており、分割数が大きいほどセンサ開口角θが小さくなり（３６０／Ｎ°）、円周方向の分解能が大きくなり得る。多数のセンサで得られた受信波形を理論に基づいて処理するためには、管体の表面の変位又は歪みを正確にセンサに伝達する必要があるため、非接触法である磁わい型センサやＥＭＡＴ、レーザ振動計等を採用することが好ましい。

また、各センサは管体の円周方向に等間隔で並べられていることが好ましい。この場合、上記非特許文献等での検討がそのまま使えるので好都合である。

空間波算出手段は、受信手段によって得られたガイド波を円周方向分布が異なるモードに分離し、各モードに理論的に求められる分散曲線データを加えることにより任意時刻の空間波を算出するものである。

評価画像取得手段は、空間波算出手段によって得られた空間波により管体の評価画像を得るものである。評価画像は静止画（スナップショット）でもよく、動画であってもよい。入射波位置を考慮して画像を足し合わせる場合、入射波が到達する領域についてのみ推定波形のデータを求め、全ての時刻について重ね合わせることができる。

空間波算出手段及び評価画像取得手段は、バンドパスフィルタ、プリアンプ、オシロスコープ等のモニタ、パソコン及びプリンタ等によって構成され得る。得られた評価画像はモニタに表示されたり、印刷されたりし、可視化される。

空間波算出手段及び評価画像取得手段においては、以下の処理が行われる。

まず、直交関数展開理論によると、管体の表面上の変位は、角周波数ωの調和波ｅｘｐ（−ｉωｔ）に対して、円筒座標系（ｒ,θ,ｚ）を用いると次のように与えられる。

ここで、ｎは円周方向のモード次数（族）、α_nmは各モードの振幅を表す。ｋ_nmは共振波数であり、いくつかの実数値を持つ伝播モードと無限個の複素数値とを持つ非伝播モードからなる（非特許文献３、D. C. Gazis, "Three-dimensional investigation of the propagation of waves in hollow circular cylinders. I. Analytical foundation. II. Numerical Results," J. Acoust. Soc. Am. 31 (5), 568-578 (1959)）。

今、円周方向の変位成分が支配的なねじりモードＴ（ｎ,ｍ）を考える。ねじりモードＴ（ｎ,ｍ）の指標ｎ、ｍについては、「D. C. Gazis, "Three-dimensional investigation of the propagation of waves in hollow circular cylinders. I. Analytical foundation. II. Numerical Results," J. Acoust. Soc. Am. 31 (5), 568-578 (1959)」、「H. Nishino, S. Takashina, F. Uchida, M. Takemoto and K. Ono, "Modal analysis of hollow cylindrical guided waves and applications," Jpn. J. Appl. Phys. 40, 364-370 (2001)」や図１の分散曲線を参照にして欲しい。通常、非破壊評価において使用できるモードはｋ_nmが実数値の伝播モードであり、軸対称ねじりモードＴ（０,ｍ）の場合には伝播モードが現れる最小周波数（カットオフ周波数）が以下のように与えられている。

ここで、ｃ_Tは横波音速、ｄは管体の厚さである。評価対象となる汎用のＳＰＧ管やスケジュール管の管厚はせいぜい１５ｍｍ程度であり、横波音速は約ｃ_T＝３２００ｍ／ｓである。このとき、数２より求められるｍ＝２のカットオフ周波数は１０６ｋＨｚ以上となっている。長距離検査で用いる入射波の周波数帯は２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚであるので、ｍ＝２以上のモードは考えなくて良い。すなわち、管体の表面の任意点θの変位である数１は、

と表すことができる。ここでは、簡単化のため、α_n1≡α_n、ｋ_n1≡ｋ_nとおいた。

ｚ＝ｚ_R、円周方向の任意点θにおいて波形を観測できる場合、その位置の微小領域ｒ₀ｄθでの観測波形はｕ（θ,ｚ_R,ｔ）ｒ₀ｄθとなる。この観測波形に重み関数ｅｘｐ（−ｉｎ_Eθ）を掛けて、θで積分すると、

となり、ｎ_E次モードが抽出された波形となる。

実際には超音波センサはｒ₀ｄθのように微小ではなく、検出できる位置θも有限である。そこで、有限個Ｎのセンサを円周方向に隙間無く並べた場合を考える（図２）。このとき、Ｎ個のセンサはそれぞれθ₀＝２π／Ｎの開口角の領域において、変位を等分布で受信するものとし、ｋ番目のセンサの円周方向位置は、

であると仮定する。θ＝θ_k、ｚ＝ｚ_Rの位置にあるｋ番目のセンサにおいて観測される波形は、

と表わせる。ここで、

である。このとき、Ｎ個の受信波形に対して重み関数ｅｘｐ（−ｉｎ_Eθ）を掛けて、全てを足し合わせることによって、数４同様に次のようなｎ_E次モードの抽出波形が得られる。

ここで、｜ｎ｜≦Ｎ／２−１のモードは適切にモード抽出が行われるが、｜ｎ｜≧Ｎ／２のモードはより低次のモードが重畳するため、モード抽出を適切に行うことができない。これは非特許文献３で詳しく述べられている。図１に示したねじりモードＴ（ｎ,ｍ）の分散曲線では、実験で用いた周波数帯（３０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚ）において、ｎ＝８次以上の高次モードは伝播しない。さらに、ｎ＝４〜７のモードも分散性が大きいため、受信波形は長くひろがり、全エネルギを観測することが難しい。それ故、後の実験では円周方向の異なる離散点８箇所で信号を受信する。これは、Ｎ＝８に相当し、主要な伝播モード（ｎ＝−３〜＋３）を抽出する。

モード抽出された波形の波数ｋ_nE又は位相速度ｃ_nEは管体の材質、直径及び管厚が分かれば、理論的に求めることができる。波数ｋ_nEが分かれば、ｚ＝ｚ_Rにおける受信波形から得られた抽出波形ｕ^ext（ｚ_R,ｔ）にｅｘｐ｛ｉｋ_nE（ｚ−ｚ_R）｝を掛けることにより、次のように任意点ｚにおけるｎ_Eモードの波形を推測することができる。

数９は振動数ωの調和波に対して成り立つ。実際に観測された波形では、ＦＦＴにより各周波数ωに対する波形を求めた後、ｅｘｐ｛ｉｋ_nE（ｚ−ｚ_R）｝を掛けたデータ列を逆ＦＦＴによって時間波形に戻すことで、任意点ｚでのｎ_Eモードの抽出波形を推測することが可能となる。これはちょうど、受信波形に位相速度のデータを考慮することにより分散性の除去を行ったWilcoxらの操作（P. D. Wilcox, M. J. S. Lowe and P. Cawley, "A signal processing technique to remove the effect of dispersion from guided wave signals," Review of Progress in QNDE, 20, 555-562 (2001)）に相当する。

数６より、管体の表面の任意位置（θ,ｚ）において、θ₀の開口角領域の変位を等分布で受信した場合の波形は、次のように表わせる。

数９より、任意のｚ位置において予測される抽出波形ｕ^ext _nE（ｚ,ｔ）を用いて、数１０は次のように書き換えられる。

つまり、数９で得られたｕ^extｎ（ｚ,ｔ）にｅｘｐ（ｉｎθ）を掛けて、足し合わせることによって、任意点ｚにおける受信波形ｕ^R（θ,ｚ,ｔ）が得られる。

今、Ｔ（０,１）モードを入射して、欠陥からの反射波をＮ個のセンサ（Ｎ箇所の円周方向離散点）で上述のやり方に従って受信することを考える（図２）。ｚ＝ｚ_Sにある発信センサから−ｚ方向にＴ（０,１）モードを入射する。Ｔ（０,１）モードはある位置の欠陥において反射し、＋ｚ方向へ伝播してｚ＝ｚ_RにあるＮ個の受信センサにおいて受信される。このＮ個の受信波形より、任意時刻における管体の表面の変位分布のスナップショットが数１１から推測できる。反射波は欠陥位置において反射した瞬間が非常に大きくなるから、あらゆる時刻においてこのスナップショットを求めたとき、欠陥に入射波のＴ（０,１）モードが到達して、反射波を発生する瞬間に、欠陥位置において波形が大きくなる。この時刻のスナップショットは欠陥の反射面を表している。

本発明は管体の非破壊評価方法としても成立する。この管体の非破壊評価方法は、管体に超音波を入射する入射工程と、
該管体を伝播する該超音波に基づくガイド波を受信する受信工程と、
該ガイド波を円周方向分布が異なるモードに分離し、各該モードに理論的に求められる分散曲線データを加えることにより任意時刻の空間波を算出する空間波算出工程と、
該空間波により該管体の評価画像を得る評価画像取得工程とを備えていることを特徴とする。

受信工程は、管体の円周方向に並べた複数のセンサにより複数の前記ガイド波の受信を行い、空間波算出工程は各ガイド波を処理することが好ましい。各センサを前記管体の円周方向に等間隔で並べることが好ましい。

こうして、本発明の非破壊評価装置又は非破壊評価方法によれば、管体に損傷が存在するかしないかという検査ばかりでなく、その管体に損傷が存在する場合、その損傷がその管体の長手方向及び周方向のどの位置に存在し、その損傷がどのようなものであるかを簡便に行うことができる。

以上のように、本発明の非破壊評価装置又は非破壊評価方法によれば、得られた波形から、損傷の軸方向位置や非軸対称性が分かるのみの従来法と異なり、評価画像が得られる。評価画像には、欠陥像等の損傷像が含まれるため、損傷の円周方向位置や広がりが分かる。これまでのガイド波を用いた検査装置では、波形により損傷の有無を示していたが、評価画像には損傷の有無以外に損傷のサイズ、偏在性、形状等多数の情報が含まれており、得られた損傷像の損傷が致命的な損傷なのか、許容範囲の損傷なのか、それとも損傷ではなく、製造時から存在していた溶接線や曲がり部によるものなのか、支持部分なのか等、検査現場にとって非常に有益な情報が得られることになる。これは、検査精度の向上とともに、これまで難しいものとされていたガイド波検査を非常に簡単に取り扱うことのできる装置及び方法を提供する。

したがって、本発明の非破壊評価装置又は非破壊評価方法によれば、管体の非破壊評価をより正確に行うことができる。

また、本発明を換言すれば、以下の装置又は方法が得られる。
（１）損傷部からの反射波や透過波を、超音波センサで受信し、その波形を処理することにより、管体中を伝播するガイド波を円周方向分布の異なるモードに分離し、分離された波形に、理論的に求められる音速（分散曲線）のデータを加えることにより、任意時刻の空間波形を求め、入射波が損傷に到達した時刻の空間波形を画像化し、評価画像を得ることを特徴とする超音波非破壊評価装置。

（２）損傷部からの反射波や透過波を、円周方向に並べた多数の超音波センサで受信し、それら多数の波形を処理することにより、管体中を伝播するガイド波を円周方向分布の異なるモードに分離し、分離された波形に、理論的に求められる音速（分散曲線）のデータを加えることにより、任意時刻の空間波形を求め、入射波が損傷に到達した時刻の空間波形を画像化し、評価画像を得ることを特徴とする超音波非破壊評価装置。

（３）超音波センサを円周方向に等間隔で多数並べたことを特徴とする（２）の超音波非破壊評価装置。

（４）超音波発信系は、信号発生器、信号増幅装置、超音波センサからなり、受信センサには、円周方向の一部分の決められた開口角における振動のみを正確に検出するセンサを用いることを特徴とする（１）〜（３）の超音波非破壊評価装置。

（５）損傷部からの反射波や透過波を、超音波センサで受信し、その波形を処理することにより、管体中を伝播するガイド波を円周方向分布の異なるモードに分離し、分離された波形に、理論的に求められる音速（分散曲線）のデータを加えることにより、任意時刻の空間波形を求め、入射波が損傷に到達した時刻の空間波形を画像化し、評価画像を得ることを特徴とする超音波非破壊評価方法。

（６）損傷部からの反射波や透過波を、円周方向に並べた多数の超音波センサで受信し、それら多数の波形を処理することにより、管体中を伝播するガイド波を円周方向分布の異なるモードに分離し、分離された波形に、理論的に求められる音速（分散曲線）のデータを加えることにより、任意時刻の空間波形を求め、入射波が損傷に到達した時刻の空間波形を画像化し、評価画像を得ることを特徴とする超音波非破壊評価方法。

（７）超音波センサを円周方向に等間隔で多数並べたことを特徴とする（６）の超音波非破壊評価方法。

以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。

図３に実施例で用いた実験装置の概略図を示す。評価対象である管体としてのパイプ１は、長さ４ｍ、外径１１１ｍｍ、厚さ３．５ｍｍのアルミニウム製のものである。

発信センサ２ａ、２ｂとしては、Ｔ（０,１）モードを発生させるため、パイプ１に接着されたニッケル平板と円周方向に巻かれたコイルとからなる２個のＭＳセンサ（Magnetostrictive sensor）を用いた。これらの発信センサ２ａ、２ｂは、それぞれパワーアンプ（ＮＦ ＨＳＡ４０５１,３２ｄＢｕｐ）３を介し、ＮＦ回路設計の任意波形を発生可能な信号発生器（ＮＦ ＷＦ１９４４Ａ）４に接続されており、信号発生器４はパソコン５のＧＰＩＢに接続されている。こうして、発信センサ２ａ、２ｂのニッケル板は円周方向に磁化され、これらはバイアス磁場として作用する。発信センサ２ａ、２ｂのコイルには３０、５０又は７０ｋＨｚの４波の動的な電圧が印加され、これによって磁わい作用による振動が円周方向に一様に発生する。

受信センサ６には非接触での波形観測が可能であるＥＭＡＴを用いた。この実験では、円周方向の多くの離散点において正確な波形の測定が必要であるので、非接触で観測できるＥＭＡＴは、接触圧やカプラントの影響を受けない手法であり、非常に有効である。各ＥＭＡＴはレーザエッチング加工されたコイルと永久磁石（Sumitomo，NEOMAX）とからなっており、パイプ１の円弧に合うように曲がる構造となっている。ここでは、パイプ１の円周の１／８の長さの領域で受信できるように、約４４ｍｍの幅を持つＥＭＡＴを作った。図４は各受信センサ６の開口角θを示す。各受信センサ６は、プリアンプ（２０ｋＨｚ high pass filter,４０ｄＢｕｐ）７及びＡ／Ｄボード（National Instruments ＰＣＩ−６１１５）８を介してパソコン５のＰＣＩに接続されている。こうして、受信センサ６で受信された波形は、プリアンプ７を通して増幅され、Ａ／Ｄボードを経てパソコン５で波形収録される。全ての波形はパソコン５の中で１０回のアベレージング処理とフィルタリング処理を施している。

人工の欠陥１ａは、直径１０ｍｍの貫通穴として、穴１個の場合がθ＝０°の位置に、穴２個の場合がθ＝０°とθ＝９０°との位置に設けた。欠陥１ａはパイプ１の端面から０．５ｍ、発信センサ２ａのニッケル板から１．０ｍの位置にある。発信センサー２ａ、２ｂのニッケル板を貼り付けた位置は、欠陥１ａから０．９５ｍと１．００ｍの位置とであり、欠陥１ａに近い方の位置に遅延を与えることによって、欠陥１ａへの進行波を増幅するように制御している。このとき、逆向きへの信号も発生するが、パイプ１を４ｍと充分長く取っており、逆の端面からの反射波は今後の信号処理には用いないため、無視する。受信センサ６は欠陥１ａから１．２ｍの位置とし、円周方向に８箇所の異なる離散点で波形を観測した。

図５には、穴１個のパイプ１に対して５０ｋＨｚで入射したときに得られた８個の受信波形を示す。１０００μ秒付近の大きな波形は発信センサ２ｂ及び受信センサ６からそれぞれ１．５ｍ、１．７ｍ離れた位置にあるパイプ１の後壁からのエコーである。５００秒から１０００秒の間にある小さな波形が欠陥１ａからのエコーである。欠陥１ａからのエコーが見えるように、図６に拡大した波形を示した。欠陥像を求めるためには、後壁からのエコーや時刻ゼロ付近の入射波は必要ないので、３３０μ秒から９８０μ秒の部分のみを取り出し、それ以外の部分はゼロとして以後の処理を行った。

図７〜９は図５及び図６の受信波形から前記数式に従って推定された各時刻における空間波の波形（空間波形）である。図７は時刻ｔ＝１９５μ秒の空間波形を示す。このときは、入射Ｔ（０,１）モードが欠陥に到達していない時刻であるので、推定される空間波形では欠陥像が現れない。図８は時刻ｔ＝３２５μ秒の空間波形を示す。このとき、明瞭な振幅強度の大きい箇所が見られる。この強度が大きくなる位置は、受信センサ６から欠陥１ａまでの距離（１．２ｍ）にちょうどよく合っており、欠陥１ａにおける大きな反射波が欠陥像になって現れたことを示している。その後、この反射波は欠陥１ａから広がっていく様子が図９で分かる。図９は時刻ｔ＝４５５μ秒の空間波形を示す。

次に、同じ１個穴のパイプ１に対して、入射波の周波数を３０ｋＨｚ又は７０ｋＨｚ（いずれも４波）にしたときの時刻ｔ＝３２５μ秒におけるスナップショットを図１０及び図１１に示す。図１０に示す３０ｋＨｚの場合には、パイプ１の長手方向にも円周方向にも振幅強度がより広がっており、いずれの方向の分解能も低いことを表わしている。逆に、図１１に示す７０ｋＨｚの場合には、いずれの方向にも分解能が高い。長手方向の分解能は、波の占有領域（disturbance zone）によって決定され、ここでは４波長程度の距離が振幅強度の大きい範囲として得られる。円周方向の分解能は、観測される円周方向のモード次数によって決定される。３０ｋＨｚではＴ（３,１）モードよりも高次のモードは観測されないうえ、Ｔ（２,１）モード及びＴ（３,１）モードも分散性が大きい。そのため、与えたゲート内（ｔ＝３３０μ秒〜９８０μ秒）中に含まれるＴ（２,１）モード及びＴ（３,１）モードのエネルギは小さくなることが予想される。このことから、円周方向の分解能が低くなっている。逆に、用いた周波数が高いとき（７０ｋＨｚ）、３次モードの分散性も小さく、高次モードも観測され、円周方向の分解能が向上している。

図１２〜１４には、欠陥１ａがθ＝０°及びθ＝９０°の位置に二つある場合において、入射波が欠陥に当たる瞬間の時刻ｔ＝３２７μ秒における振幅強度のスナップショットを示す。図１２に示す３０ｋＨｚの場合は欠陥１ａが２個あることは全く分からないが、図１３に示す５０ｋＨｚの場合にそれが少し現れてきており、図１４に示す７０ｋＨｚの場合に欠陥１ａがはっきり２個に分離されて得られている。

図７〜１４は、得られた受信波形から推定される波動伝播の様子を示したものであり、入射波が欠陥１ａの位置に到達するある瞬間のスナップショットとして欠陥像を得ることができた。しかしながら、この方法では、異なる長手方向位置に反射源が複数ある場合、欠陥像の長手方向の情報を一度に得ることが出来ない。

そこで、入射波が到達する領域についてのみ推定波形のデータを求め、全ての時刻について重ね合わせることによって、長手方向の情報も含めた欠陥像を求める方法を述べる。ここでは、図１４を求めた受信波形を用いて、受信センサ６から１．２ｍの位置にある２個の欠陥１ａと、１．７ｍの位置にあるパイプ１の端面の像を求めることを考える。そのため、図１４を求めるためにはパイプ１の端面からの反射波を含まないようにゲートを３３０μ秒〜９８０μ秒でとったが、以下においてはパイプ１の端面からの反射波を含むようにゲートを３３０μ秒〜１２００μ秒とした。

図１５〜１７は、三つの異なる時刻における推定波形である。図１５は、発信センサ２ｂから１ｍ、受信センサ６から１．２ｍの距離に二つある欠陥１ａに入射波が到達する以前の時刻ｔ＝１９５μ秒の推定波形を示し、図１６は、到達した瞬間の時刻ｔ＝３２５μ秒（図１２〜１４と同じだが、ゲートが異なる）の推定波形を示し、図１７は、入射波が欠陥１ａを通過し、パイプ１の端面の直前まで来た時刻ｔ＝４５５μ秒における推定波形を示したものである。それぞれ四角の枠はその時刻に７０ｋＨｚ、４波のＴ（０,１）モードの入射波が占有していると考えられる領域を示している。この領域に欠陥１ａやパイプ１の端面等の反射源がある場合には、その領域内の反射波の推定波形は大きくなるが、欠陥１ａがない場合には、推定波形はゼロになる。そこで、この領域の波形振幅の絶対値を全ての時刻において積算すると、反射源の像（図１８）が得られる。ある瞬間のスナップショット（図１５〜１７）では、２個の欠陥１ａとパイプ１の端面の像を同時に得ることが出来なかったが、以上のプロセスで得ることができた。入射波がパイプ１の端面に到達する前に欠陥１ａを通過しており、さらにパイプ１の端面からの反射波の一部が欠陥１ａによって反射することから、パイプ１の端面の像は完全に軸対称な像を示しておらず、一部エラーとなって表示されていることが分かる。誤差のある部分からの情報が受信センサ６まで伝わっていないためと考えられ、これはガイド波検査における限界を示す。しかしながら、長手方向の分布もある程度、像として得ることが出来るので、周波数をあげることにより、欠陥の反射境界線を得ることができると期待できる。

円周方向の離散点において観測された多数の信号を処理することによって、パイプ１中の欠陥像に相当する空間波形を求める技術について述べた。詳細な理論的説明の後に、八つの離散点での信号を処理することによる欠陥像の画像化実験を行った。

３０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ又は７０ｋＨｚの三つの周波数で画像化を試みたが、長手方向及び円周方向のいずれの分解能も高周波である７０ｋＨｚが最も良い結果が得られた。また、欠陥１ａが２個の場合でも、良い精度で欠陥像を得ることができた。

欠陥１ａの画像化によって、ガイド波検査にもたらされる影響は非常に大きい。例えば、ユーザは波形ではなく画像を得るため、画像から自分の判断で欠陥１ａの種別や位置を判断することができる。これにより、多種多様なパイプ中の損傷状態を検査者の経験を加えて判断することができるうえ、現場独自の検査ガイドラインを設定することが可能となる。

また、この技術によって周波数と分解能との関係を得ることができる。そのため、ガイド波検査のおおよその限界を知ることができ、ガイド波検査の指針を与えることができる。

本書では、ねじりモードＴ（ｎ,ｍ）のみについて述べたが、欠陥１ａからは屈曲（flexural）モードや縦振動（longitudial）モードの発生も確認されており、それらを用いた画像化も組み合わせることによってさらに良い結果を得ることが可能である。

本発明の管体の非破壊評価装置及びその非破壊評価方法は、プラント内に無数に張り巡らされているパイプ等の管体の定期検査等に利用可能である。

超音波の分散曲線を示すグラフである。 本発明の評価方法を示す模式図である。 実施例で用いた実験装置の概略図である。 受信センサの開口角を示す模式図である。 実施例に係り、入射波の周波数を５０ｋＨｚとした場合における受信波形である。 図５の拡大した受信波形である。 実施例に係り、入射波の周波数を３０ｋＨｚとした場合における時刻ｔ＝１９５μ秒の空間波形を示すスナップショットである。 実施例に係り、入射波の周波数を３０ｋＨｚとした場合における時刻ｔ＝３２５μ秒の空間波形を示すスナップショットである。 実施例に係り、入射波の周波数を３０ｋＨｚとした場合における時刻ｔ＝４５５μ秒の空間波形を示すスナップショットである。 実施例に係り、入射波の周波数を３０ｋＨｚとした場合における時刻ｔ＝３２５μ秒の空間波形を示すスナップショットである。 実施例に係り、入射波の周波数を７０ｋＨｚとした場合における時刻ｔ＝３２５μ秒の空間波形を示すスナップショットである。 実施例に係り、欠陥が二つあり、入射波の周波数を３０ｋＨｚとした場合における時刻ｔ＝３２７μ秒の空間波形を示すスナップショットである。 実施例に係り、欠陥が二つあり、入射波の周波数を５０ｋＨｚとした場合における時刻ｔ＝３２７μ秒の空間波形を示すスナップショットである。 実施例に係り、欠陥が二つあり、入射波の周波数を７０ｋＨｚとした場合における時刻ｔ＝３２７μ秒の空間波形を示すスナップショットである。 実施例に係り、時刻ｔ＝１９５μ秒の推定波形を示すスナップショットである。 実施例に係り、時刻ｔ＝３２５μ秒の推定波形を示すスナップショットである。 実施例に係り、時刻ｔ＝４５５μ秒の推定波形を示すスナップショットである。 実施例に係り、反射源の像を示す損傷画像である。

符号の説明

１…管体（パイプ）
２ａ、２ｂ…発信センサ（入射手段）
６…受信センサ（受信手段）
５…パソコン（空間波算出手段、評価画像取得手段）
θ…開口角

Claims (6)

1. 管体に超音波を入射する入射手段と、
   該管体を伝播する該超音波に基づくガイド波を受信する受信手段と、
   該ガイド波を円周方向分布が異なるモードに分離し、各該モードに理論的に求められる分散曲線データを加えることにより任意時刻の空間波を算出する空間波算出手段と、
   該空間波により該管体の評価画像を得る評価画像取得手段とを備えていることを特徴とする管体の非破壊評価装置。
2. 前記受信手段は、各々が前記管体の円周方向に並べられ、各々が該管体の円周方向の一部分の決められた開口角における前記ガイド波を検出可能な複数のセンサからなることを特徴とする請求項１記載の管体の非破壊評価装置。
3. 前記各センサは前記管体の円周方向に等間隔で並べられていることを特徴とする請求項２記載の管体の非破壊評価装置。
4. 管体に超音波を入射する入射工程と、
   該管体を伝播する該超音波に基づくガイド波を受信する受信工程と、
   該ガイド波を円周方向分布が異なるモードに分離し、各該モードに理論的に求められる分散曲線データを加えることにより任意時刻の空間波を算出する空間波算出工程と、
   該空間波により該管体の評価画像を得る評価画像取得工程とを備えていることを特徴とする管体の非破壊評価方法。
5. 前記受信工程は、前記管体の円周方向に並べた複数のセンサにより複数の前記ガイド波の受信を行い、
   前記空間波算出工程は、各該ガイド波を処理することを特徴とする請求項４記載の管体の非破壊評価方法。
6. 前記各センサを前記管体の円周方向に等間隔で並べることを特徴とする請求項５記載の管体の非破壊評価方法。