JP2006177845A - 超音波探傷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検査管の管軸方向から傾斜する方向に延びる斜めきずを精度良く且つ効率良く検出可能な超音波探傷方法を提供する。
【解決手段】 被検査管Ｐの管周方向に超音波を入射させた場合において、被検査管内面及び外面にそれぞれ設けた管軸方向に延びる人工きずＬｉ、Ｌｏからの反射エコーの強度が略同等となるように、超音波の管周方向の入射角Ａを決定し、検出したい斜めきずＯｉ、Ｏｏの管軸方向からの傾斜角度をθとした場合、以下の式（１）及び式（２）を満足するように、超音波の管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βを算出し、これに従って超音波の入射方向を設定し被検査管を探傷する。
ｔａｎθ＝ｓｉｎβ／ｓｉｎα ・・・（１）
（ｓｉｎα）^２＋（ｓｉｎβ）^２＝（ｓｉｎＡ）^２ ・・・（２）
【選択図】 図１

Description

本発明は、管材の超音波探傷方法に関し、特に被検査管の管軸方向から傾斜する方向に延びるいわゆる斜めきずを精度良く且つ効率良く検出可能な超音波探傷方法に関する。

従来より、鋼管等の管材に発生したきずを非破壊的に検出する方法として超音波探傷方法が広く用いられている。斯かる超音波探傷方法は、垂直方向から又は斜め方向から超音波を管材内部に入射し、管材内部や表面に存在するきずからの反射エコーを検出してきずの存在を検知する方法である。

ここで、超音波探傷方法によってきずを確実に検出するには、きずにおける超音波の反射率を大きくするべく、超音波がきずの延びる方向に対して垂直に入射し垂直に反射するように超音波の入射角を選定することが重要である。鋼管の超音波探傷は、管軸方向又は管周方向に延びるきずを検出することを目的として行うのが一般的であるため、超音波がきずの延びる方向に対して垂直に入射し垂直に反射するように、鋼管の管周方向又は管軸方向に超音波を入射して探傷を行っている。しかしながら、管軸方向から傾斜する方向に延びる斜めきずが存在する場合には、管周方向や管軸方向から超音波を入射しても、斜めきずの延びる方向に対して垂直に入射し垂直に反射しないため、前記斜めきずが有害であったとしてもこれを検出することができないという問題がある。

そこで、上記のような斜めきずを検出する方法として、従来より、管周方向の入射角を設定した後に、管軸方向に入射方向を傾斜させて斜めきずを検出する方法が提案されている（特許文献１、２参照）。

より具体的に説明すれば、特許文献１には、管周斜角超音波探傷において、超音波ビームを入射方向を含む管軸平行面内で傾斜させて（５°≦傾斜角度α≦２０°）入射する方法が提案されている。

また、特許文献２には、管周方向に超音波を入射させる場合の入射角を設定した後に、超音波の入射点を頂点とし、該入射点における垂線を中心軸とする一つの円錐の側面上に超音波の照射方向ベクトルが存在するように超音波の照射方向を変更する方法が提案されている。
特開昭５５−１１６２５１号公報 特開平５−２４９０９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法は、単に超音波ビームの傾斜角度αをスリットきずの傾き（管軸方向と成す角度）θの約半分にして５°〜２０°の範囲で設定することを提案するのみであって、管軸方向に対して特定の傾斜角度を有する斜めきずを検出するための明確な指標を与えるものではない。また、特許文献１に記載の方法によれば、斜めきずの延びる方向に対して超音波を垂直な方向に入射させることが可能ではあるものの、超音波ビームを傾斜させることにより、入射角が変化する（これにより屈折角も変化する）ため、これに起因して斜めきずからの反射エコーが過大又は過小となり、きずの大きさに対応した適正な反射エコーが得られないという問題がある。

また、特許文献２に記載の方法によれば、特許文献１に記載の方法のように超音波の入射角が変化することはなく、超音波の照射方向を変更しても入射角を一定に保つことができる（これにより屈折角も一定に保つことができる）ため、きずの大きさに対応した適正な反射エコーを得ることが可能である。また、検出したい斜めきずの傾斜角度と一致するように超音波の照射方向を変更すればよい（管周方向を基準にした超音波の照射方向を旋回する角度と、検出したい斜めきずの傾斜角度とを合致させればよい）ため、管軸方向に対して特定の傾斜角度を有する斜めきずを検出するための明確な指標が与えられる。

しかしながら、特許文献２に記載の方法を実施するには、超音波の入射点における垂線を中心軸とする一つの円錐の側面上に超音波の照射方向ベクトルを存在させるための複雑な機構を有する探触子ホルダーを用いる必要があるため、その設定に時間が掛かるのみならず、高度な熟練を要するという欠点がある。また、オンラインで高速に超音波探傷を行うには、処理能力向上のために多数の超音波探触子を配設する必要がある。しかしながら、多数の超音波探触子について同時に超音波の照射方向を変更できる（各超音波探触子から照射される超音波の照射方向ベクトルが、超音波の入射点における垂線を中心軸とする一つの円錐の側面上に存在するように変更できる）機構を実現することは、極めて困難であり、各超音波探触子毎に機構を設ける必要があることから、設定に膨大な時間を要する他、設備コストも膨大となるという問題もある。

以上に説明したように、従来より提案されている斜めきずの検出方法は、きず検出精度或いは検査効率（超音波入射方向の設定の容易さ）の点で問題があった。

本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、被検査管の管軸方向から傾斜する方向に延びる斜めきずを精度良く且つ効率良く検出可能な超音波探傷方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するべく、本発明は、被検査管の管軸方向から傾斜する方向に延びる斜めきずを検出する超音波探傷方法であって、被検査管の管周方向に超音波を入射させた場合において、被検査管内面及び外面にそれぞれ設けた管軸方向に延びる人工きずからの反射エコーの強度が略同等となるように、超音波の管周方向の入射角Ａを決定する第１ステップと、検出したい斜めきずの管軸方向からの傾斜角度をθとした場合、以下の式（１）及び式（２）を満足するように、超音波の管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βを算出する第２ステップと、前記算出した管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βに従って超音波の入射方向を設定し被検査管を探傷する第３ステップと、を含むことを特徴とする超音波探傷方法を提供するものである。
ｔａｎθ＝ｓｉｎβ／ｓｉｎα ・・・（１）
（ｓｉｎα）^２＋（ｓｉｎβ）^２＝（ｓｉｎＡ）^２ ・・・（２）

斯かる発明によれば、後述するように、特定の傾斜角度θを有する斜めきずに対して垂直に超音波を入射し垂直に反射させることができると共に、被検査管に入射した超音波の屈折角を一定に保つことができるため、斜めきずを精度良く検出することが可能である。また、人工きずを設けた被検査管を用いて管周方向の入射角Ａを決定した後は、計算によって管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βを算出し、当該算出した管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βに従って斜めきずに対する超音波の入射方向を設定すればよいため、超音波入射方向の設定が容易であり効率良く検査することが可能である。

なお、本発明における「管周方向の入射角」とは、被検査管の管周方向に超音波を入射させた状態における管軸方向から見た超音波の入射方向と超音波の入射点を通る被検査管の法線との成す角度を意味し、一般的な鋼管の斜角超音波探傷方法での入射角に相当する。本発明においては、管軸方向に延びる人工きずを検出するための管周方向の入射角をＡとし、傾斜角度θを有する斜めきずを検出するための管周方向の入射角をαとしている。また、「管軸方向の入射角」とは、斜めきずを検出するために、管軸に平行な面内で超音波の入射方向を傾斜させる角度を意味し、管周方向から見た傾斜後の超音波の入射方向と超音波の入射点を通る被検査管の法線との成す角度を意味する。本発明においては、傾斜角度θを有する斜めきずを検出するための管軸方向の入射角をβとしている。

好ましくは、前記第２ステップにおいて算出した超音波の管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βに従って超音波の入射方向を設定し、被検査管内面及び外面にそれぞれ設けた管軸方向からの傾斜角度が前記θである人工きずからの反射エコーを検出するステップと、前記管軸方向の入射角βを当該入射角β近傍で変更し、前記検出した各人工きずからの反射エコーの強度が略同等となる管軸方向の入射角β’を決定するステップとをさらに含み、前記第３ステップにおいて、前記算出した管周方向の入射角α及び前記決定した管軸方向の入射角β’に従って超音波の入射方向を設定し被検査管を探傷するように構成される。

斯かる構成によれば、単に計算によって算出した管軸方向の入射角β（及び管周方向の入射角α）のみに従って探傷時の超音波の入射方向を設定するのではなく、算出した管軸方向の入射角β（及び管周方向の入射角α）に従って探傷時の超音波の入射方向をいったん設定した後、被検査管の内外面にそれぞれ設けた傾斜角度がθである人工きずからの反射エコーを実際に検出し、両反射エコーの強度が略同等となるように管軸方向の入射角βを微調（微調後の入射角はβ’であり、β’＝βとなることもあり得る）するため、斜めきずをより一層精度良く検出し得ることが期待できる。また、仮にβ’＝βとなれば、設定した入射角βの妥当性を検証できるという点でも好ましい。

なお、前記構成においては管軸方向の入射角βを微調しているが、管周方向の入射角αを微調しても同様の作用効果を奏することが可能である。すなわち、前記第２ステップにおいて算出した超音波の管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βに従って超音波の入射方向を設定し、被検査管内面及び外面にそれぞれ設けた管軸方向からの傾斜角度が前記θである人工きずからの反射エコーを検出するステップと、前記管周方向の入射角αを当該入射角α近傍で変更し、前記検出した各人工きずからの反射エコーの強度が略同等となる管周方向の入射角α’を決定するステップとをさらに含み、前記第３ステップにおいて、前記決定した管周方向の入射角α’及び前記算出した管軸方向の入射角βに従って超音波の入射方向を設定し被検査管を探傷するように構成することも可能である。

また、好ましくは、前記第３ステップにおいて、被検査管を探傷するための超音波探触子として管軸方向に沿って複数の振動子を配設したアレイ型超音波探触子を用い、前記複数の振動子の発振タイミングを電気的に制御することにより前記管軸方向の入射角（アレイ型超音波探触子の場合、ステアリング角と称される）βを設定するように構成される。

或いは、前述のように、算出した管軸方向の入射角（ステアリング角）βを微調した管軸方向の入射角（ステアリング角）β’（及び管周方向の入射角α）に従って探傷時の超音波の入射方向を設定する場合には、前記第３ステップにおいて、被検査管を探傷するための超音波探触子として管軸方向に沿って複数の振動子を配設したアレイ型超音波探触子を用い、前記複数の振動子の発振タイミングを電気的に制御することにより前記管軸方向の入射角（ステアリング角）β’を設定することが好ましい。

上記の構成によれば、アレイ型超音波探触子を用いて各振動子の発振タイミングを電気的に制御することにより管軸方向の入射角（ステアリング角）β（又はβ’）を設定する（管周方向の入射角αはアレイ型超音波探触子全体の管周方向の傾き又は管軸中心からの芯ずれ量を機械的に制御すればよい）ため、超音波入射方向の設定がより一層容易となり、より一層効率良く検査することが可能である。

本発明に係る超音波探傷方法によれば、特定の傾斜角度θを有する斜めきずに対して垂直に超音波を入射し垂直に反射させることができると共に、被検査管に入射した超音波の屈折角を一定に保つことができるため、斜めきずを精度良く検出することが可能である。また、人工きずを設けた被検査管を用いて管周方向の入射角Ａを決定した後は、計算によって管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βを算出し、当該算出した管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βに従って超音波の入射方向を設定すればよいため、超音波入射方向の設定が容易であり効率良く検査することが可能である。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明に係る超音波探傷方法の一実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷方法を説明するための説明図であり、図１（ａ）は管軸方向に延びる人工きずを検出するための設定方法を説明する側面図を、図１（ｂ）は図１（ａ）の正面図を示す。また、図１（ｃ）は斜めきずを検出するための設定方法を説明する側面図を、図１（ｄ）は図１（ｃ）の正面図を示す。さらに、図１（ｅ）は図１（ｃ）に示す超音波の入射面を含むＩ−Ｉ断面図を、図１（ｆ）は図１（ｃ）に示す斜めきずを検出するための超音波の進行方向に沿ったＩＩ−ＩＩ断面図を示す。

本実施形態に係る超音波探傷方法においては、先ず最初に、超音波探触子１から被検査管Ｐの管周方向（図１（ａ）の管軸を表す直線Ｔに直交する方向）に超音波を入射させた場合において、被検査管Ｐ内面及び外面にそれぞれ設けた規格や客先要求で規定された管軸方向（図１の直線Ｔの方向）に延びる人工きずＬｉ、Ｌｏからの反射エコーの強度が略同等となるように、超音波の管周方向の入射角Ａを決定する第１ステップが実行される。管周方向の入射角Ａは、管軸方向から見た（すなわち図１（ｂ）の視点から見た）超音波の入射方向と超音波の入射点を通る被検査管Ｐの法線Ｎ０との成す角度である。

次に、検出したい内外面斜めきずＯｉ、Ｏｏの管軸方向からの傾斜角度をθとした場合、以下の式（１）及び式（２）を満足するように、超音波の管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βを計算によって算出する第２ステップが実行される。
ｔａｎθ＝ｓｉｎβ／ｓｉｎα ・・・（１）
（ｓｉｎα）^２＋（ｓｉｎβ）^２＝（ｓｉｎＡ）^２ ・・・（２）

ここで、超音波の管周方向の入射角αは、被検査管Ｐの管周方向に超音波を入射させた状態における管軸方向から見た超音波の入射方向と超音波の入射点を通る被検査管Ｐの法線との成す角度を意味し、これは、図１（ｄ）に示すように、管軸方向から見た超音波の入射方向と超音波の入射点Ｕを通る被検査管Ｐの法線Ｎとの成す角度に相当する。なお、図１（ｂ）の入射角Ａと図１（ｄ）の入射角αは、上記式（１）及び式（２）によってαが計算されるため、Ａ≠αとなるのが一般的である。

また、管軸方向の入射角βは、被検査管Ｐの管周方向に超音波を入射させた状態（管周方向の入射角αで超音波を入射させた初期状態）から当該初期状態の超音波の入射方向を含む管軸に平行な面内で超音波の入射方向を傾斜させる角度を意味し、図１（ｅ）に示すように、傾斜後の超音波の入射方向と超音波の入射点Ｕを通る被検査管Ｐの法線Ｎとの成す角度に相当する。

上記第２ステップを実行した後、最後に、前記算出した管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βに従って超音波の入射方向を設定し被検査管Ｐを探傷する。換言すれば、最初に被検査管Ｐの管周方向に超音波を入射させた状態で超音波探触子１の管周方向の傾き又は管軸中心からの芯ずれ量を調整して管周方向の入射角がαとなるように設定し、次に、当該初期状態の超音波の入射方向を含む管軸に平行な面内で超音波探触子１の管軸方向の傾きを調整して管軸方向の入射角がβとなるように設定（管周方向の入射角αと管軸方向の入射角βの設定は順序を逆にすることも可能である。すなわち、管軸方向の入射角βを設定した後に管周方向の入射角αを設定することも可能である）し、この状態で被検査管Ｐを探傷することになる。上記のように、管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βを設定することで、斜めきずを精度良く検出することができる。なお、管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βを設定するには、超音波探触子１が単一の振動子を具備する一般的な探触子である場合には、前述した特許文献１に記載されたような機構を好適に用いることが可能である。超音波探触子１がアレイ型超音波探触子である場合については後述する。

以下、上記式（１）及び（２）によって算出した管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βに従って超音波の入射方向を設定すれば、管軸方向からの傾斜角度がθである内外面斜めきずＯｉ、Ｏｏを精度良く検出できる理由について説明する。

まず最初に、被検査管Ｐの管周方向に超音波を入射角αで入射させた状態（初期状態）において、超音波探触子１と被検査管Ｐとの間に存在する接触媒質（例えば、水）における音速をＶｗ、被検査管Ｐ中における横波音速をＶｓとし、管周方向の屈折角をγ１（図１（ｄ）参照）とすれば、スネルの法則により、以下の式（３）が成立する。
ｓｉｎγ１＝ｓｉｎα・Ｖｓ／Ｖｗ ・・・（３）

一方、音速Ｖｓで被検査管Ｐ中を伝搬する超音波の管周方向の速度ベクトル成分をＶＬ（図１（ｃ）及び（ｄ）参照）とすれば、以下の式（４）が成立する。
ＶＬ＝Ｖｓ・ｓｉｎγ１ ・・・（４）

従って、上記式（４）に式（３）を代入すれば、以下の式（５）が成立することになる。
ＶＬ＝ｓｉｎα・Ｖｓ^２／Ｖｗ ・・・（５）

次に、前記初期状態の超音波の入射方向を含む管軸に平行な面内で入射角βだけ超音波探触子１を管軸方向に傾斜させた場合には、管軸方向についてもスネルの法則に従った超音波の屈折が生じることになる。すなわち、管軸方向の屈折角をγ２（図１（ｅ）参照）とすれば、スネルの法則により、以下の式（６）が成立する。
ｓｉｎγ２＝ｓｉｎβ・Ｖｓ／Ｖｗ ・・・（６）

一方、音速Ｖｓで被検査管Ｐ中を伝搬する超音波の管軸方向の速度ベクトル成分をＶＴ（図１（ｃ）及び（ｅ）参照）とすれば、以下の式（７）が成立する。
ＶＴ＝Ｖｓ・ｓｉｎγ２ ・・・（７）

従って、上記式（７）に式（６）を代入すれば、以下の式（８）が成立することになる。
ＶＴ＝ｓｉｎβ・Ｖｓ^２／Ｖｗ ・・・（８）

以上に説明したように、管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βに従って超音波の入射方向を設定すれば、斜めきずを検出するために被検査管Ｐ中を伝搬する超音波の速度ベクトルＶＣ（図１（ｃ）及び（ｆ）参照）は、管周方向の速度ベクトル成分ＶＬと管軸方向の速度ベクトル成分ＶＴとが合成されたものとなる。従って、屈折角φ（図１（ｃ）参照）と速度ベクトル成分ＶＬ及びＶＴとの間には、以下の式（９）に示す関係が成立することになる。
ｔａｎφ＝ＶＬ／ＶＴ ・・・（９）

ここで、特定の傾斜角度θを有する斜めきずに対して垂直に超音波を入射する（垂直に反射させる）には、幾何学的な関係より、以下の式（１０）が成立すればよい。
φ＝θ ・・・（１０）

従って、上記式（９）の左辺に式（１０）を代入し、式（９）の右辺に式（５）及び式（７）を代入して整理すれば、前述した式（１）が成立することになる。換言すれば、式（１）を満足するように管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βを設定することにより、特定の傾斜角度θを有する斜めきずに対して垂直に超音波を入射し垂直に反射させることができるようになる。

次に、被検査管Ｐの管軸方向に延びる人工きずＬｉ、Ｌｏを検出するために管周方向に超音波を入射角Ａで入射させた状態において、超音波探触子１と被検査管Ｐとの間に存在する接触媒質における音速をＶｗ、被検査管Ｐ中における横波音速をＶｓとし、管周方向の屈折角をγ（図１（ｂ）参照）とすれば、スネルの法則により、以下の式（１１）が成立する。
ｓｉｎγ＝ｓｉｎＡ・Ｖｓ／Ｖｗ ・・・（１１）

一方、音速Ｖｓで被検査管Ｐ中を伝搬する超音波の管周方向の速度ベクトル成分をＶＡ（図１（ｂ）参照）とすれば、以下の式（１２）が成立する。
ＶＡ＝Ｖｓ・ｓｉｎγ ・・・（１２）

従って、上記式（１２）に式（１１）を代入すれば、以下の式（１３）が成立することになる。
ＶＡ＝ｓｉｎＡ・Ｖｓ^２／Ｖｗ ・・・（１３）

ここで、斜めきずを精度良く検出するには、斜めきずに対する超音波の屈折角γ３（図１（ｆ）参照）を、管軸方向に延びる人工きずを検出する時と同じ屈折角γに設定しなければならない。換言すれば、管軸方向に延びる人工きずＬｉ、Ｌｏに対する超音波の速度ベクトルＶＡと斜めきずＯｉ、Ｏｏに対する速度ベクトルＶＣとを同じ値にしなければならない。すなわち、以下の式（１４）を満足させる必要がある。
ＶＣ＝ＶＡ ・・・（１４）

また、上述したように、斜めきずを検出するために被検査管Ｐ中を伝搬する超音波の速度ベクトルＶＣは、管周方向の速度ベクトル成分ＶＬと管軸方向の速度ベクトル成分ＶＴとが合成されたものとなるため、ＶＣとＶＴ及びＶＬとの間には、以下の式（１５）に示す関係が成立する。
ＶＴ^２＋ＶＬ^２＝ＶＣ^２ ・・・（１５）

従って、上記式（１５）の右辺に式（１４）を代入すれば、下記の式（１６）が成立する。
ＶＴ^２＋ＶＬ^２＝ＶＡ^２ ・・・（１６）

さらに、上記式（１６）の左辺に式（５）及び式（８）を代入し、式（１６）の右辺に式（１３）を代入して整理すれば、前述した式（２）が成立することになる。換言すれば、式（２）を満足するように管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βを設定することにより、被検査管Ｐに入射した超音波の屈折角を一定に保つことができるようになる。

以上に説明したように、本実施形態に係る超音波探傷方法によれば、上記式（１）及び式（２）を満足する管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βに従って入射方向を設定した超音波で被検査管Ｐを探傷するため、特定の傾斜角度θを有する斜めきずＯｉ、Ｏｏに対して垂直に超音波を入射し垂直に反射させることができると共に、被検査管Ｐに入射した超音波の屈折角を一定に保つ（γ＝γ３）ことができるため、斜めきずを精度良く検出することが可能である。また、人工きずを設けた被検査管Ｐを用いて管周方向の入射角Ａを決定した後は、計算によって管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βを算出し、当該算出した管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βに従って超音波の入射方向を設定すればよいため、超音波入射方向の設定が容易であり効率良く検査することが可能である。

なお、斜めきずＯｉ、Ｏｏをより一層精度良く検出するために（或いは、設定した管軸方向の入射角βの妥当性を検証するために）、以下のような手順で超音波探傷を行うことも可能である。すなわち、先ず最初に、前述した式（１）及び（２）によって算出した超音波の管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βに従って超音波の入射方向を設定した後、被検査管Ｐの内面及び外面にそれぞれ設けた傾斜角度が前記θである人工きずＯｉ、Ｏｏからの反射エコーを検出する。そして、管軸方向の入射角βを当該入射角β近傍で変更し、前記検出した各人工きずからの反射エコーの強度が略同等となる管軸方向の入射角β’を決定する。最後に、前記算出した管周方向の入射角α及び前記決定した管軸方向の入射角β’に従って超音波の入射方向を設定し被検査管を探傷するという手順である。また、逆に管軸方向の入射角βを固定して管周方向の入射角αを当該入射角α近傍で変更し、各人工きずからの反射エコーの強度が略同等となる入射角α’を決定しても良い。

上記の構成によれば、単に計算によって算出した管軸方向の入射角β（及び管周方向の入射角α）のみに従って探傷時の超音波の入射方向を設定するのではなく、被検査管の内外面にそれぞれ設けた傾斜角度がθである人工きずからの反射エコーを参照して入射角β又はαを微調（微調後の入射角はβ’又はα’であり、β’＝β又はα’＝αとなることもあり得る）するため、斜めきずをより一層精度良く検出し得ることが期待できる。

また、本実施形態に係る超音波探触子１は、単一の振動子を具備する一般的な探触子とすることも可能であるものの、より一層検査効率を高めるには、管軸方向に沿って複数の振動子を配設したアレイ型超音波探触子を用いることが好ましい。

斯かるアレイ型超音波探触子を用いれば、管軸方向の入射角（アレイ型超音波探触子の場合、ステアリング角と称される）β（又はβ’）を設定するための機械的な機構が不要であり（ただし、アレイ型超音波探触子全体の管周方向の傾き又は管軸中心からの芯ずれ量を機械的に制御するための機構は必要）、各振動子の発振タイミングを電気的に制御する（例えば、特開２００３−４７０９号公報参照）ことによって管軸方向の入射角（ステアリング角）β（又はβ’）を容易に設定することができるため、より一層効率良く検査することが可能である。

以下、実施例及び比較例を示すことにより、本発明の特徴をより一層明らかにする。

＜実施例１＞
図１に示す超音波探触子１として被検査管（鋼管）Ｐの管軸方向に沿って複数の振動子を配設したアレイ型超音波探触子を用い、鋼管Ｐの管周方向に超音波を入射させると共に、超音波探触子１の管軸中心からの芯ずれ量を機械的に調整したところ、鋼管Ｐ内面及び外面にそれぞれ設けた管軸方向に延びる人工きずＬｉ、Ｌｏからの反射エコーの強度が略同等となる管周方向の入射角Ａは１８°であった。

次に、特定の傾斜角度θ＝２２．５°を有する斜めきずを検出するのに適した探傷条件を計算により算出した。すなわち、前述した式（１）及び式（２）に対してＡ＝１８°、θ＝２２．５°を代入し、式（１）及び式（２）を解くことにより超音波の管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βを算出した。その結果、α＝１６．６°、β＝６．８°であった。

次に、超音波探触子１の管軸中心からの芯ずれ量を機械的に調整することにより、管周方向の入射角を上記α（＝１６．６°）に設定した。そして、当該入射角αを固定したまま、超音波探触子１を構成する各振動子の発振タイミングを電気的に制御することにより、管軸方向の入射角βを種々の値に変更した。そして、鋼管Ｐ内面及び外面のそれぞれに管軸方向からの傾斜角度θが２２．５°である斜めきず（人工きず）を設け、上記各探傷条件（入射角αと入射角βの組合せ）のそれぞれについて、斜めきずからの反射エコーを検出しその強度を評価した。

図２は、管周方向の入射角αを１６．６°に設定する一方、管軸方向の入射角βを種々の値に設定した各探傷条件について検出された斜めきずからの反射エコーの強度を評価した結果を示すグラフである。図２の横軸は管軸方向の入射角β（°）を、縦軸は検出された斜めきずからの反射エコーの強度の相対値（％）（超音波探傷器（図１では図示省略）のモニタ画面で表示され得る反射エコーの最大強度を１００％とした）を示す。なお、図中、「○」でプロットしたデータは鋼管Ｐの外面に設けた斜めきずＯｏの反射エコー強度を、「□」でプロットしたデータは鋼管Ｐの内面に設けた斜めきずＯｉの反射エコー強度を示す。後述する図３及び図４についても同様である。

図２に示すように、鋼管Ｐの内面及び外面のそれぞれに設けた斜めきずからの反射エコーの強度が同程度となるには、入射角βを７°程度に設定する必要があり、これは前記計算によって算出した入射角β＝６．８°に一致することが分かった。また、図２に示すように、入射角βを７°程度に設定すれば、反射エコーの強度は比較的大きくなる（５０％以上）ため、当該反射エコーに基づいて斜めきずを検出することが可能であった。以上のように、本実施例に係る超音波探傷方法によれば、被検査管Ｐの内面及び外面に設けた斜めきず（θ＝２２．５°）の双方を精度良く検出できることが分かった。

＜実施例２＞
実施例１と同様に入射角Ａを１８°に設定する一方、特定の傾斜角度θ＝４５°を有する斜めきずを検出するのに適した探傷条件を計算により算出した。その結果、α＝１２．６°、β＝１２．６°であった。

次に、超音波探触子１を構成する各振動子の発振タイミングを電気的に制御することにより、管軸方向の入射角を上記β（＝１２．６°）に設定した。そして、当該入射角βを固定したまま、超音波探触子１の管軸中心からの芯ずれ量を機械的に調整することにより、管周方向の入射角αを種々の値に変更した。そして、鋼管Ｐ内面及び外面のそれぞれに管軸方向からの傾斜角度θが４５°である斜めきず（人工きず）を設け、上記各探傷条件（入射角αと入射角βの組合せ）のそれぞれについて、斜めきずからの反射エコーを検出しその強度を評価した。

図３は、管軸方向の入射角βを１２．６°に設定する一方、管周方向の入射角αを種々の値に設定した各探傷条件について検出された斜めきずからの反射エコーの強度を評価した結果を示すグラフである。図３の横軸は管周方向の入射角α（°）を、縦軸は図２と同様に検出された斜めきずからの反射エコーの強度の相対値（％）を示す。図３に示すように、鋼管Ｐの内面及び外面のそれぞれに設けた斜めきずからの反射エコーの強度が同程度となるには、入射角αを１３°程度に設定する必要があり、これは前記計算によって算出した入射角α＝１２．６°に略一致することが分かった。また、図３に示すように、入射角αを１３°程度に設定すれば、反射エコーの強度は比較的大きくなる（４５％以上）ため、当該反射エコーに基づいて斜めきずを検出することが可能であった。以上のように、本実施例に係る超音波探傷方法によれば、被検査管Ｐの内面及び外面に設けた斜めきず（θ＝４５°）の双方を精度良く検出できることが分かった。

＜比較例＞
実施例１と同様に管周方向の入射角Ａを１８°に設定する一方、特許文献１に記載の方法と同様に、当該入射角Ａを固定したまま、超音波探触子１を構成する各振動子の発振タイミングを電気的に制御することにより、管軸方向の入射角（ステアリング角）βを種々の値に変更した。そして、鋼管Ｐ内面及び外面のそれぞれに管軸方向からの傾斜角度θが２２．５°である斜めきず（人工きず）と、傾斜角度θが４５°である斜めきず（人工きず）とを設け、上記各探傷条件（入射角Ａと入射角βの組合せ）のそれぞれについて、斜めきずからの反射エコーを検出した。

図４は、管周方向の入射角Ａを１８°に設定する一方、管軸方向の入射角βを種々の値に設定した各探傷条件について検出された、管軸方向に延びる人工きずＬｉ、Ｌｏからの反射エコーの強度と斜めきずＯｉ、Ｏｏからの反射エコーの強度を評価した結果を示すグラフである。図４の横軸は管軸方向の入射角（ステアリング角）β（°）を、縦軸は検出された各きずからの反射エコーの強度の相対値（％）を示す。図４に示すように、人工きずＬｉ、Ｌｏからの反射エコーの強度（β＝０°）５０％に対し、θ＝２２．５°、４５°の斜めきずからの反射エコーの強度は小さい値となることが分かった。より具体的には、θ＝２２．５°の斜めきずを検出するために設定した入射角β≒９°のときの反射エコーの強度は略２０％以下であり、θ＝４５°の斜めきずを検出するために設定した入射角β＝１８°のときの反射エコーの強度は略５％以下であり、双方の設定ではいずれの斜めきずも精度良く検出できないことが分かった。

図１は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷方法を説明するための説明図である。 図２は、本発明の実施例１に係る超音波探傷方法の結果を示すグラフである。 図３は、本発明の実施例２に係る超音波探傷方法の結果を示すグラフである。 図４は、本発明の比較例に係る超音波探傷方法の結果を示すグラフである。

符号の説明

１・・・超音波探触子
Ｐ・・・被検査管
Ａ・・・管周方向の入射角
α・・・管周方向の入射角
β・・・管軸方向の入射角（ステアリング角）
θ・・・斜めきずの傾斜角

Claims (5)

1. 被検査管の管軸方向から傾斜する方向に延びる斜めきずを検出する超音波探傷方法であって、
   被検査管の管周方向に超音波を入射させた場合において、被検査管内面及び外面にそれぞれ設けた管軸方向に延びる人工きずからの反射エコーの強度が略同等となるように、超音波の管周方向の入射角Ａを決定する第１ステップと、
   検出したい斜めきずの管軸方向からの傾斜角度をθとした場合、以下の式（１）及び式（２）を満足するように、超音波の管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βを算出する第２ステップと、
   前記算出した管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βに従って超音波の入射方向を設定し被検査管を探傷する第３ステップと、
   を含むことを特徴とする超音波探傷方法。
   ｔａｎθ＝ｓｉｎβ／ｓｉｎα ・・・（１）
   （ｓｉｎα）^２＋（ｓｉｎβ）^２＝（ｓｉｎＡ）^２ ・・・（２）
2. 前記第２ステップにおいて算出した超音波の管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βに従って超音波の入射方向を設定し、被検査管内面及び外面にそれぞれ設けた管軸方向からの傾斜角度が前記θである人工きずからの反射エコーを検出するステップと、
   前記管軸方向の入射角βを当該入射角β近傍で変更し、前記検出した各人工きずからの反射エコーの強度が略同等となる管軸方向の入射角β’を決定するステップとをさらに含み、
   前記第３ステップにおいて、前記算出した管周方向の入射角α及び前記決定した管軸方向の入射角β’に従って超音波の入射方向を設定し被検査管を探傷することを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
3. 前記第２ステップにおいて算出した超音波の管周方向の入射角α及び管軸方向の入射角βに従って超音波の入射方向を設定し、被検査管内面及び外面にそれぞれ設けた管軸方向からの傾斜角度が前記θである人工きずからの反射エコーを検出するステップと、
   前記管周方向の入射角αを当該入射角α近傍で変更し、前記検出した各人工きずからの反射エコーの強度が略同等となる管周方向の入射角α’を決定するステップとをさらに含み、
   前記第３ステップにおいて、前記決定した管周方向の入射角α’及び前記算出した管軸方向の入射角βに従って超音波の入射方向を設定し被検査管を探傷することを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
4. 前記第３ステップにおいて、被検査管を探傷するための超音波探触子として管軸方向に沿って複数の振動子を配設したアレイ型超音波探触子を用い、前記複数の振動子の発振タイミングを電気的に制御することにより前記管軸方向の入射角βを設定することを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
5. 前記第３ステップにおいて、被検査管を探傷するための超音波探触子として管軸方向に沿って複数の振動子を配設したアレイ型超音波探触子を用い、前記複数の振動子の発振タイミングを電気的に制御することにより前記管軸方向の入射角β’を設定することを特徴とする請求項３に記載の超音波探傷方法。

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