JP2009222701A - 管体の肉厚形状測定装置、その方法および管体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ビード切削部のみならず増肉部を含めた電縫管溶接部などの肉厚が大きく変化する部分を有する管体であっても該管体の肉厚形状を安定して精度良く測定することができること。
【解決手段】電縫管２の軸方向に直交する横断面内であって電縫管２外に配列されたリニアアレイ型超音波探触子１の各超音波探触子１−１〜１−Ｎが生成する超音波ビームを走査しながら電縫管２の肉厚形状を測定する管体の肉厚形状測定装置において、リニアアレイ型超音波探触子１は、各超音波ビームが前記横断面内に広がる円筒状の波面を形成するとともに少なくとも電縫管２の軸中心に向けて照射される軸中心成分ＢＭＣが所定値以上の強度である超音波ビームを生成する複数の超音波探触子１−１〜１−Ｎがアレイ配置され、走査された超音波ビームの軸中心成分ＢＭＣの電縫管２外表面エコーおよび電縫管２内表面エコーを検出して電縫管２の肉厚形状を測定する肉厚演算部８を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電縫管などの管体の軸方向に直交する横断面内であって該管体外に配列されたアレイ型超音波探触子の各超音波探触子が生成する超音波ビームを走査しながら前記管体の肉厚形状、特に電縫管溶接部の肉厚形状を測定する管体の肉厚形状測定装置、その方法および管体の製造方法に関するものである。

電縫管は、鋼板を管状に成形していき、鋼板の両端を電気抵抗加熱しながら押し付けて溶接する鋼管である。この電縫管形成プロセスによって酸化物の含まれた溶鋼を押し出して良好な品質の溶接部を得ている。ここで、管の内外面に押し出された溶鋼は固まって溶接ビードになるので、バイトで切削することが行われる。この際、肉厚変化ができる限り少ないように切削することが必要である。このため、従来から、内面ビードの切削形状を測定する技術が種々提案されている。

たとえば、超音波レンズを付けた超音波探触子によって微小スポット状の超音波を鋼管に入力し、表面エコーと内面エコーとの伝搬時間差から鋼管の肉厚を測定するものがある。この際、円弧状のスキャナーを用いて管周方向に超音波走査を行うことによって、内面ビードの切削形状を得るようにしている（特許文献１参照）。

また、焦点型プローブを用い、リニア型のスキャナーによって管軸と直交方向に超音波走査を行い、超音波が送波された位置に対応させて内面ビードの突出量を演算するものがある（特許文献２参照）。この装置では、円弧状のスキャナーを用いた装置の問題点である装置の大型化とコスト高とを解決している。なお、この特許文献２に記載された装置では、リニアアレイ型の超音波探触子を用い、選択した振動子エレメント群のそれぞれに適当な遅延時間を与えながら超音波を発生させることで、集束型プローブと同様の測定を行うことが開示されている。

さらに、特許文献３では、特許文献１，２が用いている集束型探触子が、水距離の変動に弱いという問題点を解決するため、広帯域型の超音波探触子を用いるようにしている。この広帯域型の超音波探触子とは、−６ｄＢ帯域幅が中心周波数の６０％以上のものとされている。この広帯域型の超音波探触子では、パルス幅が狭いので検出精度を向上させることができる。

上述した特許文献１〜３では、鋼管の外面形状が真円であるものとして内面の切削形状を求めるようにしている。これに対し、特許文献４では、外面の切削形状の影響を考慮し、管軸に対して直交する方向にリニア走査するスキャナーに加えて、超音波探触子の首振り機構を設け、表面エコーが最大となる首振り位置、すなわち超音波の入射角が外削面に対して垂直な位置を求めるようにし、首振り走査を繰り返しつつ、リニア走査を行うようにしている。

また、特許文献５では、溶接部から離れた位置の管表面と超音波探触子との距離を一定に保ちつつ走査可能な倣い機構を設け、水距離を測定して溶接部の外面形状を求め、外面の切削形状と内面の切削形状とを同時に求めるようにしている。

このように、従来から、電縫管内面のビード切削形状を測定する技術は種々考案されてきている。さらに、これに加えて、ビード切削直後では、通常オンライン超音波斜角探傷が行われており、ビード切削で段差ができるとエコーが検出されるので、内面ビードの切削については、現在、常にほぼ適切な状態で行うことができるようになっている。

特開昭５４−２１３７２号公報 特開昭６１−２７３２７３号公報 特開平２−３１０４１１号公報 特開平５−１６４５４０号公報 特開平７−９１９４６号公報

ところで、電縫管の製造では、上述したように鋼板の両端面を押し付けながら溶接を行っているため、板幅や材質の影響によって、溶接部近傍で肉厚が増加する場合がある。この場合、鋼管の外面側は、成形ロールによって拘束されているので、鋼管の内面側に増肉部が現れる。この増肉部の位置や形状は様々であるが、溶接部から離れるに従って肉厚が増加し、この増加後、母材の厚さに戻るのが一般的である。

しかしながら、増肉部は、超音波のビームサイズ内であっても肉厚が大きく変化する場合があり、さらには最大増肉部が超音波的に尖っていて超音波を反射し難くする場合があり、このような場合、上述した従来技術を用いても肉厚を測定することができないという問題点があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ビード切削部のみならず増肉部を含めた電縫管溶接部などの肉厚が大きく変化する部分を有する管体であっても該管体の肉厚形状を安定して精度良く測定することができる管体の肉厚形状測定装置、その方法および管体の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる管体の肉厚形状測定装置は、管体の軸方向に直交する横断面内であって該管体外に配列されたアレイ型超音波探触子の各振動子が生成する超音波ビームを走査しながら前記管体の肉厚形状を測定する管体の肉厚形状測定装置において、前記アレイ型超音波探触子は、各超音波ビームが前記横断面内に広がる円筒状の波面を形成するとともに少なくとも前記管体の軸中心に向けて照射される軸中心成分が所定値以上の強度である超音波ビームを生成する複数の振動子がアレイ配置され、走査された超音波ビームの軸中心成分の管体外表面エコーおよび管体内表面エコーを検出して管体の肉厚形状を測定する肉厚演算部を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかる管体の肉厚形状測定装置は、上記の発明において、前記アレイ型超音波探触子のアレイ方向に直交する方向と、最端部の振動子が前記管体の軸中心を臨む方向との間の角に比して、前記所定値以上の強度となる超音波ビームの指向角が大きくなるように、隣接する前記振動子の同時励振素子数を決定する同時励振素子数設定部を備え、前記同時励振素子数設定部によって決定された同時励振素子数の前記振動子を同時励振して走査することを特徴とする。

また、この発明にかかる管体の肉厚形状測定装置は、上記の発明において、前記アレイ型超音波探触子の各振動子は、照射方向に凸の半円筒状に形成されることを特徴とする。

また、この発明にかかる管体の肉厚形状測定装置は、上記の発明において、前記アレイ型超音波探触子の各振動子は、照射方向に凸の半円柱の音響レンズが取り付けられることを特徴とする。

また、この発明にかかる管体の肉厚形状測定方法は、管体の軸方向に直交する横断面内であって該管体外に配列されたアレイ型超音波探触子の各振動子が生成する超音波ビームを走査しながら前記管体の肉厚形状を測定する管体の肉厚形状測定方法において、各超音波ビームが前記横断面内に広がる円筒状の波面を形成するとともに少なくとも前記管体の軸中心に向けて照射される軸中心成分が所定値以上の強度である超音波ビームを順次走査し、走査された超音波ビームの軸中心成分の管体外表面エコーおよび管体内表面エコーを検出して管体の肉厚形状を測定することを特徴とする。

また、この発明にかかる管体の肉厚形状測定方法は、上記の発明において、前記アレイ型超音波探触子のアレイ方向に直交する方向と、最端部の振動子が前記管体の軸中心を臨む方向との間の角に比して、前記所定値以上の強度となる超音波ビームの指向角が大きくなるように、隣接する前記振動子の同時励振素子数を決定し、該決定された同時励振素子数の前記振動子を同時励振して走査することを特徴とする。

また、この発明にかかる管体の製造方法は、管体を製造する製造工程と、前記製造工程で製造された管体を、上記の発明に記載の管体の肉厚形状測定方法によって肉厚形状を測定する測定工程と、を含むことを特徴とする。

この発明にかかる管体の肉厚形状測定装置、その方法および管体の製造方法では、管体の軸方向に直交する横断面内であって該管体外に配列されたアレイ型超音波探触子の各超音波探触子が生成する超音波ビームを走査しながら前記管体の肉厚形状を測定する場合、各超音波ビームが前記横断面内に広がる円筒状の波面を形成するとともに少なくとも前記管体の軸中心に向けて照射される軸中心成分が所定値以上の強度である超音波ビームを順次走査し、走査された超音波ビームの軸中心成分の管体外表面エコーおよび管体内表面エコーのみが検出され、この管体外表面エコーおよび管体内表面エコーによって管体の肉厚形状を測定するようにしているので、ビード切削部のみならず増肉部を含めた電縫管溶接部などの肉厚が大きく変化する部分を有する管体であっても該管体の肉厚形状を安定して精度良く測定することができる。

以下、添付図面を参照して、この発明に係る管体の肉厚形状測定装置、その方法および管体の製造方法の好適な実施の形態について説明する。なお、実施の形態により、この発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分又は相当する部分には同一の符号を付している。

図１は、この発明の実施の形態である管体の肉厚形状測定装置の概要構成を示す模式図である。この実施の形態による測定対象の管体は、電縫管２であり、特に電縫管溶接部２ａの肉厚形状を測定するものである。

図１において、この管体の肉厚形状測定装置は、リニアアレイ型超音波探触子１を有する。リニアアレイ型超音波探触子１は、複数の振動子１−１〜１−Ｎが、電縫管２の管軸Ｃ方向（Ｚ方向）に直交する横断面（ＸＹ平面）内であって、電縫管２外にリニアに配列され、各振動子１−１〜１−Ｎが生成する指向角θ_ＢＭを有する超音波ビームＢＭがＸ方向に走査される。このリニアアレイ型超音波探触子１は、超音波ビームが電縫管２側に向くように保持部１ａによって保持される。また、リニアアレイ型超音波探触子１は、振動子群の中央が、電縫管溶接部２ａの中央近傍に位置し、電縫管溶接部２ａに最も近づくように配置される。リニアアレイ型超音波探触子１と電縫管２の外表面との間には、音響接触媒質水３が満たされ、振動子１−１〜１−Ｎが発した超音波が電縫管２に伝達し、反射した超音波が振動子１−１〜１−Ｎに伝達できるようにしている。また、音響接触媒質水３を溜めて保持するために、局部水浸ノズル４が設けられている。

保持部１ａの裏面からは、各振動子１−１〜１−Ｎに接続される信号線群５が延び、信号線群５は、送受信部６に接続される。送受信部６は、各振動子１−１〜１−Ｎを励振させる信号を送信するとともに各振動子１−１〜１−Ｎからの信号を受信し、受信した信号を制御装置７に送出する。

制御装置７は、肉厚演算部８、座標演算部９、同時励振素子数設定部１１、および制御部１０を有する。肉厚演算部８は、送受信部６が受信した電縫管２の表面エコー（Ｓエコー）と内面エコー（Ｂエコー）とをもとに電縫管２の肉厚を演算する。座標演算部９は、肉厚演算部８が演算した肉厚、各振動子１−１〜１−Ｎが照射する超音波ビームの送受信位置、電縫管２の管径をもとに、電縫管２の内面形状の座標位置を算出する。また、同時励振素子数設定部１１は、各超音波ビームが電縫管２の軸中心に向けて照射される軸中心成分が常に所定値以上の強度となるように振動子の同時励振素子数を決定する処理を行い、決定された同時励振素子数を送受信部６に通知して設定する。制御部１０は、ＣＰＵなどによって実現され、制御装置７内の肉厚演算部８、座標演算部９、同時励振素子数１１を制御するとともに、制御装置７に接続される送受信部６、表示部１２、および入力部１３を制御する。

表示部１２は、液晶ディスプレイなどによって実現され、少なくとも座標演算部９が算出した電縫管２の肉厚形状のグラフを表示出力する。また、入力部１３は、マウスや各種ポインティングデバイスによって実現され、各種データあるいは指示を入力する。

ここで、図２を参照して、各振動子１−１〜１−Ｎが照射出力する超音波ビームについて説明する。図２に示すように、振動子１−１は、電縫管２の管軸Ｃ方向に直交する方向の面内、すなわち横断面内に広がる円筒状の波面を形成する超音波ビームを出射する。さらに、この超音波ビームは、少なくとも電縫管２の管軸Ｃに向けて照射される軸中心成分ＢＭＣをもち、この軸中心成分ＢＭＣの値が所定値以上の強度となるようにしている。所定値以上の強度とは、たとえば、メインローブの最大強度の−６ｄＢ以上の強度である。したがって、最端部の振動子であっても軸中心成分ＢＭＣをもつことが必要となるので、結局、指向性が広い超音波ビームが形成されることになる。なお、円筒状の波面の形成は、振動子を点波源とした球面波の一断面によって形成するようにしてもよい。この球面波の場合、管軸Ｃ方向に照射された成分は、さらに周囲に反射されて照射元の振動子に戻って来ないので、結局、ＸＹ平面に関して円筒状の波面を形成したことになる。

電縫管２の外表面２Ｓは、ほぼ真円に近いため、軸中心成分ＢＭＣのみが外表面２ＳでのＳエコーＳＥとして照射元の振動子１−１に反射入力し、この軸中心成分ＢＭＣの一部が内表面２ＢでのＢエコーＢＥとして振動子１−１に反射入力される。それ以外の超音波ビームを形成する各成分は、周辺に反射され、振動子１−１にはほとんど戻ってこない。軸中心成分ＢＭＣは、極めて細い成分となり、波面が乱れることもなく、他の成分の反射もないことから、信号成分は小さいものの、ノイズ成分が低減されたエコーを得ることができる。

ここで、各振動子１−１〜１−Ｎを順次走査すると、図３に示すように、各振動子１−１〜１−Ｎの各軸中心成分ＢＭＣは、電縫管２の管軸Ｃに向かい、リニアアレイ型超音波探触子１は、各振動子１−１〜１−Ｎの軸中心成分のみのＳエコーおよびＢエコーを受信する。そして、肉厚演算部８は、このＳエコーおよびＢエコーの伝播時間差をもとに電縫管２の肉厚を演算し、座標演算部９は、この肉厚、リニア走査された各超音波ビームの送受信位置、電縫管２の外径をもとに、電縫管２の内面形状の座標位置を算出し、表示部１２に対して電縫管２の肉厚形状を表示出力するようにしている。

なお、同時励振素子数設定部１１は、超音波ビームの軸中心成分ＢＭＣを確実に生成するために、同時励振素子数の決定を行うが、この決定は次のようにして行う。まず、図４に示すように、リニアアレイ型超音波探触子１の幅（両端部の振動子の中心間の距離）をＤ、リニアアレイ型超音波探触子１の中心と電縫管２との間の水距離をＷ、電縫管２の外径をφ、リニアアレイ型超音波探触子１の中心から管軸Ｃに向かう方向と最端部側の超音波ビームの送受信位置から管軸Ｃに向かう方向との間の角度をθとすると、角度θは、
θ≦tan^−１｛Ｄ／［２（Ｗ＋φ／２］｝ …（１）
となる。なお、式（１）で不等号が用いられているのは、振動子の同時励振を行う場合、超音波ビームの送受信位置の中心がリニアアレイ型超音波振動子１の中央側に移動するからである。

ここで、超音波の波長をλ、リニアアレイ型超音波探触子１のピッチをｐ、同時励振素子数をｎとすると、超音波ビームの指向角θ_ＢＭ（＝θ_−６ｄＢ）は、
θ_−６ｄＢ＝sin^−１［０．４４３・λ／（ｐ・ｎ）］ …（２）
となる。したがって、同時励振素子数ｎは、
ｎ≦０．４４３λ／［ｐ・sinθ］ …（３）
と決定される。なお、ｎは、整数値をとる。

たとえば、リニアアレイ型超音波探触子１が、周波数＝５ＭＨｚ、ｐ＝０．７５ｍｍの６４チャネル（幅Ｄ＝０．７５×（６４−１）（ｍｍ））、水距離Ｗ＝２５ｍｍ、電縫管２の外径φ＝３２０ｍｍであると、式（１）より、角度θ＜７．３°となる。一方、超音波の水中の波長λは、音速＝１４８０ｍ／ｓと周波数＝５ＭＨｚとから、０．２９６ｍｍとなる。この波長λ＝０．２９６ｍｍ、ピッチｐ＝０．７５ｍｍ、角度θ＝７．３°を式（３）に代入することによって、ｎ≦１．３７６となる。上述したように、ｎは整数値であるため、ｎ＝１と決定される。なお、ｎの値が複数得られる場合、ｎの値が大きい方がＳ／Ｎが高いため、ｎの値が最も大きな値が選択される。たとえば、式（３）からｎ≦２．５が算出された場合、ｎ＝１またはｎ＝２の複数の値が得られるが、このような場合には、ｎ＝２が選択される。

一方、座標演算部９は、電縫管２の外表面２Ｓに対する内表面２Ｂの変化である肉厚形状をグラフ化する際、肉厚演算部８によって演算された肉厚、リニア走査された各超音波ビームの送受信位置、電縫管２の外径をもとに、各送受信位置から電縫管２の管軸Ｃに向かう線と電縫管２の内表面２Ｂとが交差する位置を、内表面形状を表す座標として次にように求める。

まず、電縫管２の管軸Ｃ中心の座標を原点（０，０）にとり、この原点（０，０）から超音波ビームの中心の送受信位置を通る方向をＹ方向とする。そして、Ｎ個の超音波ビームのうち、ｉ番目の超音波ビームの送受信位置（Ｘｐ（ｉ），Ｙｐ（ｉ））および角度θｐは、
Ｘｐ（ｉ）＝ｉ・ｐ−（ｐ・（Ｎ−１）／２） …（４）
Ｙｐ（ｉ）＝φ／２＋Ｗ …（５）
θｐ（ｉ）＝tan^−１（Ｘｐ（ｉ）／Ｙｐ（ｉ）） …（６）
となる。ただし、ｉ＝０〜Ｎ−１である。

ここで、電縫管２の外表面２Ｓが真円であるとすると、ｉ番目の送受信位置（Ｘｐ（ｉ），Ｙｐ（ｉ））と原点（０，０）とを結ぶ線分が外表面２Ｓを通る位置（Ｘｏ（ｉ），Ｙｏ（ｉ））は、
Ｘｏ（ｉ）＝φ／２・sinθｐ（ｉ） …（７）
Ｙｏ（ｉ）＝φ／２・cosθｐ（ｉ） …（８）
となる。さらに、ｉ番目の超音波ビームによって取得した肉厚をｔ（ｉ）とすると、ｉ番目の送受信位置（Ｘｐ（ｉ），Ｙｐ（ｉ））と原点（０，０）とを結ぶ線分が内表面２Ｂを通る位置（Ｘｉ（ｉ），Ｙｉ（ｉ））は、
Ｘｉ（ｉ）＝（φ／２−ｔ（ｉ））・sinθｐ（ｉ） …（９）
Ｙｉ（ｉ）＝（φ／２−ｔ（ｉ））・cosθｐ（ｉ） …（１０）
となる。

座標演算部９は、演算された外表面２Ｓの位置（Ｘｏ（ｉ），Ｙｏ（ｉ））あるいは内表面２Ｂの位置（Ｘｉ（ｉ），Ｙｉ（ｉ））と肉厚ｔ（ｉ）とをもとに、電縫管２の肉厚形状を表示部１２に表示出力する。たとえば、座標演算部９は、内表面２Ｂの位置Ｘｉ（ｉ）をＸ’座標として横軸にとり、縦軸として各位置Ｘｉ（ｉ）に対する肉厚ｔ（ｉ）を表したグラフを生成し、表示部１２に表示出力する。もちろん、位置Ｘｏ（ｉ）に対する肉厚ｔ（ｉ）をグラフ化してもよいし、角度θｐ（ｉ）に対する肉厚ｔ（ｉ）をグラフ化してもよい。

なお、上述した座標演算は、外表面２Ｓが真円であるとして求めたが、外表面２Ｓが真円でない場合、外表面２ＳでのＳエコーＳＥの伝播時間から各超音波ビームの水距離を求めて外表面２Ｓの形状、すなわち外表面２Ｓの位置（Ｘｏ（ｉ），Ｙｏ（ｉ））を推定し、この推定結果およぶ肉厚ｔ（ｉ）をもとに内表面２Ｂの位置（Ｘｉ（ｉ），Ｙｉ（ｉ））を演算すればよい。

ここで、図５および図６は、それぞれ電縫管溶接部２ａの肉厚形状を測定した結果を示す図である。リニアアレイ型超音波探触子１は、上述したように、周波数＝５ＭＨｚ、ｐ＝０．７５ｍｍの６４チャネル（幅Ｄ＝０．７５×６４（ｍｍ））であり、このリニアアレイ型超音波探触子１を、外径φ＝３２０ｍｍの電縫管２の電縫管溶接部２ａに対して、水距離Ｗ＝２５ｍｍをもたせて走査したものである。なお、図５は、図５（ａ）に示すように、肉厚変化の少ないサンプルに対する測定結果であり、図６は、図６（ａ）に示すように、尖った内面増肉部２１，２２を有したサンプルに対する測定結果である。

図５（ｂ）および図６（ｂ）は、それぞれ図５（ａ）および図６（ａ）に示した各サンプルに対するエコー像であり、上部の白い円弧部分がＳエコーＳＥであり、下部の白い円弧部分がＢエコーＢＥである。いずれのＢエコーＢＥも、極端に弱まって、２つに割れたり、途切れたりする部分がなく、電縫管溶接部２ａ全体のエコー像を良好に取得できている。また、図５（ｃ）および図６（ｃ）は、それぞれ図５（ｂ）および図６（ｂ）に示したエコー像をもとに得られた各サンプルの肉厚形状を示す図であり、横軸に内表面２Ｂの位置をＸ’座標として表し、縦軸に肉厚を表している。なお、●点は、リニアアレイ型超音波探触子１を用いて計測した結果を示し、×点は、マイクロメータを用いて肉厚を実測した結果を示している。図５（ｃ）および図６（ｃ）に示したいずれのグラフも、マイクロメータによって実測した肉厚形状に高い精度で一致していることがわかる。特に、図６では、尖った内面増肉部２１，２２を有するにもかかわらず、マイクロメータによって実測した肉厚形状に高い精度で一致している。

ここで、図７に示す従来の超音波探触子を用い、図５（ａ）および図６（ｂ）に示したサンプルに対して計測した結果について説明する。図７に示した超音波探触子２０は、一般的な超音波厚さ計であり、周波数＝５ＭＨｚで、６ｍｍφの水浸型の広帯域超音波探触子であり、水距離＝２５ｍｍで、円弧型スキャナーを用いて電縫管溶接部２を走査するようにしている。

図８は、図５（ａ）に示した肉厚変化の少ないサンプルに対して図７に示した従来の超音波探触子を用いて肉厚形状を計測した結果を示し、図８（ｂ）に示すように良好なエコー像を得ることができる。なお、エコー像が円弧状とならないのは、走査範囲において水距離が一定となるからである。そして、図８（ｃ）に示すように、この従来の超音波探触子を用いてもマイクロメータによって実測した肉厚形状に高い精度で一致した肉厚形状を得ることができる。

一方、図９は、図６（ａ）に示した尖った内面増肉部２１，２２を有したサンプルに対して図７に示した従来の超音波探触子を用いて肉厚形状を計測した結果を示している。この場合、図９（ｂ）に示すＢエコーＢＥは、内面増肉部２１，２２に対応する部分で、極端に弱くなっており、図９（ｃ）に示すように、内面増肉部２１，２２に対応する部分で、肉厚が大きくジャンプし、さらに電縫管溶接部２の中央部分（Ｘ’座標の０近傍）でマイクロメータの実測結果に比して大きな値を示し、内面増肉部２１，２２に対応する部分の外側部分（Ｘ’座標の−１０ｍｍ以下と＋１０ｍｍ以上）でマイクロメータの実測結果に比して小さな値を示し、肉厚形状の測定結果が悪化しており、肉厚形状の測定精度が劣化していることがわかる。なお、図７に示した従来の超音波探触子をリニアにスキャンした場合、さらに精度の低い肉厚形状が測定される。

図９に示すように肉厚形状の測定精度が劣化するのは、従来の超音波探触子が５ｍｍφという広い送受信部分の面積を有するため、超音波ビームが、ほぼ平面波を形成するからである。平面波の場合、図５（ａ）に示す肉厚変化の少ないサンプルに対しては、平面波の波面がほぼ同位相で内表面２Ｂに入射するので、そのまま波面の揃った反射波が生じ、強いＢエコーＢＥとして受信することができるが、図６（ａ）に示す尖った内面増肉部２１，２２を有したサンプルに対しては、内表面２Ｂに入射する際、平面波の波面に位相差が生じて反射波の波面は大きく乱れ、この結果、反射波の波面のごく一部のみが受信され、弱いＢエコーＢＥとなって受信される。さらに、内面増肉部２１，２２を有するサンプルに対しては、波面が乱れることによって、エコー波形に乱れが生じ、図９（ｃ）に示すように、ＢエコーＢＥの位置特定の際、１波分あるいは半波長分のジャンプが生じることになる。

これに対し、この実施の形態では、各超音波ビームが電縫管の軸方向に直交する横断面内に広がる円筒状の波面を形成し、管軸Ｃ中心に向けて照射される軸中心成分のみのＳエコーおよびＢエコーが受信されるので、図５および図６に示すように、反射波が乱れても乱れなくても常にほぼ一定の強度を有するエコーが受信され、精度の高い肉厚形状の測定を行うことができる。

この円筒状の波面を形成するリニアアレイ型超音波探触子１の各振動子１−１〜１−Ｎは、点波源あるいは管軸Ｃ方向に延びる線波源を用いることによって実現される。ここで、上述したように、各振動子１−１〜１−Ｎが、軸中心成分ＢＭＣが所定値以上の強度でない場合には、同時励振素子数設定部１１によって同時に励振される振動子１−１〜１−Ｎの素子数が決定される。

ここで、具体的なリニアアレイ型超音波探触子１は、コンポジット型振動子を用いることが好ましい。コンポジット型振動子は、たとえば図１０に示す構造をもつ。すなわち、ＰＺＴなどの柱状セラミックス３０間に、たとえばポリマーやエポキシ樹脂などの樹脂３１で埋め、上下に電極３２，３３を形成したものである。なお、リニアアレイ型超音波探触子１として適用する場合には、電極３２，３３の接触状態を変化させることによって、柱状セラミックス３０の１列あるいは数例を１つの線波源とする振動子として用いるようにするとよい。このコンポジット型振動子を用いると、柱状セラミックス３０と樹脂３１との体積比で決定される音響インピーダンスを低く設定することができ、境界面での損失を小さくすることができるとともに、樹脂３１によるダンピングによって超音波パルス幅が短くなり、広帯域の超音波探触子が実現できる。特に、この実施の形態では、肉厚形状の計測に際し、円筒状の波面を形成する超音波ビームの一部である軸中心成分ＢＭＣのみしか用いていないにもかかわらず、広帯域の超音波振動子を用いることによって、伝播時間差を精度良く得ることができ、感度の高い肉厚形状の測定を行うことができる。

また、上述したリニアアレイ型超音波探触子１は、照射面が平面形状である振動子がリニアに形成されたものとして説明したが、図１１に示すように、各振動子４０−１〜４０−３を、照射方向に凸の半円筒状に形成したリニアアレイ型超音波探触子４０としてもよい。この場合、半円筒状の曲面近傍に微小振動子を配列するようにすればよいが、具体的には、可撓性のあるコンポジット型振動子あるいはポリマー型振動子によって実現できる。可撓性のあるコンポジット型振動子は、図１０に示したコンポジット型振動子によっても実現できるが、より具体的には、セラミックなどの振動子粉末をプラスチックあるいはゴムなどの樹脂内に分散させたコンポジット型振動子を用いると曲げに強く、曲面の形成が容易となる。同様に、ポリマー型振動子は、振動子自体が曲げに強いため、曲面の形成が容易となる。このポリマー型振動子は、たとえば、ポリフッ化ビリニデン（ＰＶＤＦ）などの有機系高分子材料を用いた圧電材料によって実現される。

さらに、図１２に示すように、各振動子５０−１〜５０−３のそれぞれに、照射方向に凸の半円柱の音響レンズ５１−１〜５１−３を取り付けて円筒状の波面を形成するリニアアレイ型超音波探触子５０としてもよい。この音響レンズ５１−１〜５１−３は、音響接触媒質水３と音速の異なる材料、たとえばアクリルやポリイミド系の樹脂を用いて超音波ビームを屈折分散して円筒状の波面を形成することができる。この場合、振動子５０−１〜５０−３として照射径が大きい従来の超音波振動子を用いることができる。

このような図１１および図１２に示すような振動子を用いることによって、個々の振動子が大きい場合であっても、円筒状の波面を形成することができるので、感度の高い肉厚形状の測定が可能であるとともに、リニア走査する際の振動子数が少なくても広い範囲を測定することができる。

また、上述した実施の形態では、リニアアレイ型超音波探触子を用いていたが、これに限らず、図１３に示すように、曲率をもった円弧状に配列されたアレイ型超音波探触子６０を用いて同様の処理を行ってもよい。

なお、上述したように、この実施の形態では、広帯域型の振動子を用いて感度を高めることが好ましいが、この他、チャープ信号などの変調された超音波ビームを照射し、相関をとることによって、感度を向上させるようにしてもよい。

この実施の形態では、アレイ型超音波振動子による各超音波ビームが電縫管２の管軸Ｃ方向に直交する横断面内に広がる円筒状の波面を形成するとともに少なくとも電縫管２の管軸Ｃ中心に向けて照射される軸中心成分ＢＭＣが所定値以上の強度である超音波ビームを順次走査し、走査された超音波ビームの軸中心成分ＢＭＣのＳエコーおよびＢエコーのみが検出され、このＳエコーおよびＢエコーによって電縫管２の肉厚形状を測定するようにしているので、ビード切削部のみならず増肉部を含めた電縫管溶接部２ａなどの肉厚が大きく変化する部分を有する電縫管２の肉厚形状を、安定して精度良く測定することができる。

この発明の実施の形態である管体の肉厚形状測定装置の概要構成を示す模式図である。 各振動子から照射される超音波ビームの反射状態を示す模式図である。 図１に示したリニアアレイ型超音波探触子のリニア走査状態を示す模式図である。 座標演算部が行う位置計算の一例を示す模式図である。 肉厚変化の少ない電縫管に対する計測結果を示す図である。 尖った内面増肉部を有する電縫管に対する計測結果を示す図である。 従来の超音波探触子の構成を示す図である。 従来の超音波探触子を用いて肉厚変化の少ない電縫管に対して肉厚測定を行った結果を示す図である。 従来の超音波探触子を用いて尖った内面増肉部を有する電縫管に対して肉厚測定を行った結果を示す図である。 コンポジット型振動子の一例を示す斜視図である。 照射方向に凸の半円筒状の振動子によって形成されたリニアアレイ型超音波探触子の一部を示す斜視図である。 各振動子に照射方向に凸の半円柱の音響レンズを取り付けて円筒状の波面を形成するリニアアレイ型超音波探触子の一部を示す斜視図である。 電縫管の外表面形状に沿って円弧状に配列されたアレイ型超音波探触子を用いて肉厚形状を測定する他の実施の形態の概要構成を示す模式図である。

符号の説明

１、４０，５０ リニアアレイ型超音波探触子
１−１〜１−Ｎ，４０−１〜４０−３，５０−１〜５０−３，６０−１〜６０−Ｎ 振動子
１ａ，６０ａ 保持部
２ 電縫管
２ａ 電縫管溶接部
３ 音響接触媒質水
４ 局部水浸ノズル
５ 信号線群
６ 送受信部
７ 制御装置
８，６８ 肉厚演算部
９，６９ 座標演算部
１０ 制御部
１１ 同時励振素子数設定部
１２ 表示部
１３ 入力部
３０ 柱状セラミックス
３１ 樹脂
３２，３３ 電極
５１−１〜５１−３ 音響レンズ
６０ アレイ型超音波探触子
ＢＭＣ 軸中心成分

Claims (7)

1. 管体の軸方向に直交する横断面内であって該管体外に配列されたアレイ型超音波探触子の各振動子が生成する超音波ビームを走査しながら前記管体の肉厚形状を測定する管体の肉厚形状測定装置において、
   前記アレイ型超音波探触子は、各超音波ビームが前記横断面内に広がる円筒状の波面を形成するとともに少なくとも前記管体の軸中心に向けて照射される軸中心成分が所定値以上の強度である超音波ビームを生成する複数の振動子がアレイ配置され、
   走査された超音波ビームの軸中心成分の管体外表面エコーおよび管体内表面エコーを検出して管体の肉厚形状を測定する肉厚演算部を備えたことを特徴とする管体の肉厚形状測定装置。
2. 前記アレイ型超音波探触子のアレイ方向に直交する方向と、最端部の振動子が前記管体の軸中心を臨む方向との間の角に比して、前記所定値以上の強度となる超音波ビームの指向角が大きくなるように、隣接する前記振動子の同時励振素子数を決定する同時励振素子数設定部を備え、
   前記同時励振素子数設定部によって決定された同時励振素子数の前記振動子を同時励振して走査することを特徴とする請求項１に記載の管体の肉厚形状測定装置。
3. 前記アレイ型超音波探触子の各振動子は、照射方向に凸の半円筒状に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の管体の肉厚形状測定装置。
4. 前記アレイ型超音波探触子の各振動子は、照射方向に凸の半円柱の音響レンズが取り付けられることを特徴とする請求項１または２に記載の管体の肉厚形状測定装置。
5. 管体の軸方向に直交する横断面内であって該管体外に配列されたアレイ型超音波探触子の各振動子が生成する超音波ビームを走査しながら前記管体の肉厚形状を測定する管体の肉厚形状測定方法において、
   各超音波ビームが前記横断面内に広がる円筒状の波面を形成するとともに少なくとも前記管体の軸中心に向けて照射される軸中心成分が所定値以上の強度である超音波ビームを順次走査し、走査された超音波ビームの軸中心成分の管体外表面エコーおよび管体内表面エコーを検出して管体の肉厚形状を測定することを特徴とする管体の肉厚形状測定方法。
6. 前記アレイ型超音波探触子のアレイ方向に直交する方向と、最端部の振動子が前記管体の軸中心を臨む方向との間の角に比して、前記所定値以上の強度となる超音波ビームの指向角が大きくなるように、隣接する前記振動子の同時励振素子数を決定し、該決定された同時励振素子数の前記振動子を同時励振して走査することを特徴とする請求項５に記載の管体の肉厚形状測定方法。
7. 管体を製造する製造工程と、
   前記製造工程で製造された管体を、請求項５または６に記載の管体の肉厚形状測定方法によって肉厚形状を測定する測定工程と、
   を含むことを特徴とする管体の製造方法。