JP2010025817A - 非接触空中超音波による管体超音波探傷装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼管等の被検査管に対する超音波探傷を非接触で高精度に実施する。
【解決手段】送信超音波探触子１８と受信超音波探触子２０とを被検査管１４の周上に離間配置し、送信超音波探触子１８の入射角θ1の被検査管１４の外周面１４ａの法線に対する傾き方向と、受信超音波探触子２０の外周面１４ａの法線に対する傾き方向とが互いに逆方向に設定することによって、送信超音波探触子１８から出力された超音波パルスｂが被検査管１４でガイド波の伝搬モードで伝搬し、この超音波パルスが欠陥４２に当接したときに、この欠陥から生じる超音波パルスｂに対して逆方向にガイド波の伝搬モードで伝搬する欠陥エコーｄを検出できるように受信超音波探触子２０の外周面に対する姿勢を設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、管体超音波探傷装置、及び管体超音波探傷方法に係わり、特に、被検査管に対して非接触空中超音波で超音波探傷を実施できる管体超音波探傷装置、及び管体超音波探傷方法に関する。

一般的に鋼管等の管内に存在する欠陥を探傷する手法として、図１６（ａ）、（ｂ）に示す超音波探傷手法が知られている。図１６（ａ）においては、図示しない治具でもって、被検査管１の外周面に斜角探触子２をシュー３等の超音波伝搬媒体を介して押し付け、この斜角探触子２の振動子４から出力されるパルス状の超音波５を被検査管１内に印加する。超音波５は被検査管１内の外周面と内周面とで反射を繰返し円周方向に伝搬していく。そして、欠陥６が存在すれば、この欠陥６にて超音波５の一部が反射して、欠陥エコーとして、もと来た伝搬路を逆進して、斜角探触子２の振動子４に入力され、この振動子４で電気信号に変換される。そして、この欠陥エコーの超音波の出力時刻からの経過時間で欠陥５の周方向位置を特定し、信号レベルにて欠陥５の規模を算出する。

図１６（ｂ）は、垂直探触子７から出力された超音波５を水８の超音波伝搬媒体を介して、被検査管１の外周面から被検査管１内へ所定の入射角で入射させている。したがって、図１６（ａ）と同様に、超音波５は被検査管１の肉厚部分の外周面と内周面とで反射を繰返し円周方向に伝搬していく。

なお、斜角探触子から出力された超音波を水の超音波伝搬媒体を介して、被検査管の外周面から被検査管内へ入射させて、鋼管の超音波探傷を行う技術が特許文献１に開示されている。

例えば、被検査管１が鋼管等の金属製の場合、図１６（ａ）、（ｂ）のように、超音波５が被検査管１の肉厚部分を円周方向に伝搬するために、超音波５の被検査管１の外周面に対する入射角の範囲が定まる。被検査管１が鋼管の場合、入射角は３０°〜３６°程度であり、被検査管１の肉厚部分を円周方向に伝搬する超音波５の伝搬モードは「横波」である。
特開平１０−９０２３９号公報 層状平面板における音波の透過 鳥飼安生 日本機械学誌 第８巻 第１号 （１９５２年）

しかしながら、図１６（ａ）、（ｂ）に示した鋼管等の管内に存在する欠陥を探傷する超音波探傷手法においても解消すべき次のような課題があった。

すなわち、被検査管に対する超音波探傷における実用レベル以上の欠陥検出精度を得るためには、被検査体内を伝搬する超音波のレベル、及び各探触子から出力されるエコー信号のレベルも所定レベルを確保する必要がある。

そのため、各探触子２、７から出力された超音波５を効率的に被検査管に入射させるために、各探触子２、７と被検査管１との間に、前述したシュー３や水８等の超音波伝搬媒体を介在させる必要がある。

しかしながら、一般に、被検査管１の探傷は円周方向のみならず、軸方向も探傷する必要があるので、被検査管１を軸方向に一定速度で移動させながら、各軸方向位置での周方向の探傷を実施する必要がある。

また、高温状態の被検査管１に超音波伝搬媒体を介在させることはできないので、高温状態の被検査管１に対する超音波探傷は実施できない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、被検査管内を周方向に伝搬する超音波の伝搬モードをガイド波とすることにより、たとえ超音波が被検査管の外周面に対して空気を経由して入出力される場合であったとしても、被検査管内を周方向に伝搬する超音波を十分なレベルに維持でき、被検査管に対する非接触で超音波探傷を実現でき、さらに、高い超音波探傷精度を実現できる非接触空中超音波による管体超音波探傷装置、及び管体超音波探傷方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の請求項１の管体超音波探傷装置は、パルス状の超音波を出力する送信超音波探触子と、この送信超音波探触子を、被検査管の外周面に対して、空間を介して対向し、かつ送信超音波探触子から前記被検査管内に入射した超音波が第１の周方向にガイド波の伝搬モードで伝搬するような姿勢角で支持する送信側支持機構と、被検査管内を第１の周方向に伝搬する前記超音波が欠陥に当接したとき、この欠陥から第２の周方向に伝搬するエコーを受けてエコー信号に変換して出力する受信超音波探触子と、この受信超音波探触子を、被検査管の外周面に対して、空間を介して対向し、かつ前記送信超音波探触子の姿勢角に等しい姿勢角で支持する受信側支持機構と、この受信側支持機構に支持された前記受信超音波探触子から出力されたエコー信号の信号レベルを検出する信号レベル検出部と、この信号レベル検出部で検出されたエコー信号の信号レベルに基づき前記被検査管の欠陥を評価する探傷解析部とを備えている。

このように構成された請求項１の管体超音波探傷装置においては、被検査管に対してパルス状の超音波を入射する送信超音波探触子、被検査管で生じた欠陥のエコーを受ける受信超音波探触子は、それぞれ空間を介して、被検査管の外周面に対向しているので、被検査管に対して非接触で空中超音波による超音波探傷ができる。

また、送信超音波探触子から被検査管内に入射した超音波は第１の周方向にガイド波の伝搬モードで伝搬するように、送信超音波探触子から被検査管の外周面に対する超音波の入射角が、送信側支持機構にて送信超音波探触子の姿勢角として設定されている。また、受信超音波探触子は、ガイド波の伝搬モードで伝搬している超音波が、欠陥に当接した場合に、この欠陥から前記超音波の伝搬方向に対して逆方向（第２の周方向）に伝搬する欠陥エコーを受信超音波探触子で受ける。この場合、超音波の反射波である欠陥エコーの伝搬モードはガイド波の伝搬モードであるので、ガイド波の伝搬モードで伝搬しているエコーを受ける受信超音波探触子は、被検査管の外周面に対して、送信超音波探触子の姿勢角と同じ姿勢角に支持されている。受信超音波探触子は逆方向（第２の周方向）に伝搬する超音波（エコー）を受けてエコー信号に変換する。このエコー信号の信号レベルで欠陥が評価される。

周知のように、物質内を伝搬する超音波の伝搬モードの主なものは、「縦波」、「横波」、「板波」、「ガイド波」等が存在する。そして、「縦波」はどのような物質内も伝搬可能であるが、「横波」、「板波」、「ガイド波」は、固体内にのみ存在可能である。

なお、「板波」及び「ガイド波」はほぼ同じ伝搬モードを示し、平板内を伝搬する場合を「板波」と称し、曲面板内を伝搬する場合を「ガイド波」と称する。図４（ａ）、（ｂ）に「ガイド波」の１種である「ラム波」の振動モードを示す。

超音波探傷において高い探傷精度を維持するためには、送信超音波探触子から出力された超音波が受信超音波探触子に受波されるまでに透過する各部材の合成した透過率Ｔが大きいことが条件となる。

この場合、超音波は、（空気→被検査管→空気）の経路を通過する。次に、超音波が空中から入射角θ₁で被検査管へ入射して、被検査管内を「横波」の伝搬モードで伝搬して、被検体から空中へ出力された場合の超音波の（空気→被検査管→空気）の透過率Ｔ_Yは、超音波が空中から被検査管へ入射したときの透過率Ｔ₁₂に、超音波が被検査管から空中へ入射したときの透過率Ｔ₂₁を乗算したものである。

Ｔ_Y＝Ｔ₁₂×Ｔ₂₁
そして、この「横波」の伝搬モード時における（空気→被検査管→空気）の透過率Ｔ_Yは、空気、被検体の密度、音速、被検体に対する入射角等の音響パラメータを用いて論理的に求められている。

さらに、超音波が空中から入射角θ₁で被検査管へ入射して、被検査管内を「ガイド波」の伝搬モードで伝搬して、被検査管から空中へ出力された場合の超音波の（空気→被検査管→空気）の透過率Ｔ_Gは、空気、被検査管の密度、音速、被検査管の厚さ、超音波の振動周波数、被検査管に対する入射角等の音響パラメータを用いて示される（非特許文献１）。

Ｔ_G＝４Ｋ²／［４Ｍ²＋（Ｋ²―Ｍ²＋１）］
但し、
Ｋ＝（Ｚ_2L・cos²２θ_L）／（Ｚ₁・sinｋ_LYｔ）
＋（Ｚ_2S・sin²２θ_S）／（Ｚ₁・sinｋ_SYｔ）
Ｍ＝（Ｚ_2L・cos²２θ_L）／（Ｚ₁・tanｋ_LYｔ）
＋（Ｚ_2S・sin²２θ_L）／（Ｚ₁・tanｋ_SYｔ）］
Ｚ₁＝ρ₁・Ｃ₁／cosθ₁
Ｚ_2L＝ρ₂・Ｃ_2L／cosθ_L Ｚ_2S＝ρ₂・Ｃ_2S／cosθ_S
ｋ_LY＝（ω／Ｃ_2L）cosθ_L ｋ_SY＝（ω／Ｃ_2S）cosθ_S
sinθ_L＝（Ｃ_2L／Ｃ₁）sinθ₁ sinθ_S＝（Ｃ_2S／Ｃ₁）sinθ₁
ここで、
ρ₁ ;空気蜜津
ρ₂ ；被検査管の密度
θ_L ；縦波屈折率
θ_S ；横波屈折率
Ｃ₁ ；空気音速
Ｃ_2S ;被検査管横波速度
Ｃ_2L ;被検査管縦何速度
ｔ ；被検査管の厚さ
ω ；超音波の振動周波数（ω＝２πｆ）
ｋ_LY ；被検査管の厚さ方向の「縦波」の波数成分
ｋ_SY ；被検査管の厚さ方向の「横波」の波数成分
Ｚ₁ ；空気の音響インピーダンス
Ｚ_2L ；被検査管の「縦波」時の音響インピーダンス
Ｚ_2S ；被検査管の「横波」時の音響インピーダンス
このように、ガイド波の伝搬モード時における（空気→被検査管→空気）の透過率Ｔ_Gは入射角θ₁の他に、被検査管の厚さｔ、超音波の振動周波数ｆにより変化する。

そして、被検査管として鋼管を採用した場合における、「ガイド波」の伝搬モード時における（空気→被検査管→空気）の透過率Ｔ_Gを、入射角θ₁、超音波の振動周波数ｆに被検査管の厚みｔを乗算した乗算値［ｆ・ｔ］を、横軸及び縦軸とする理論特性を図１１に示す。

この理論特性においては、超音波の振動周波数ｆと被検査管の厚みｔが定まれば、乗算値［ｆ・ｔ］が定まる。そして、入射角θ₁が、縦波や横波の伝搬モードが生じない例えば４°以上の角度範囲において、透過率Ｔが最大値を示す特性における先に定めた乗算値［ｆ・ｔ］と入射角θ₁との組合せを選択すればよい。

さらに、超音波の振動周波数ｆは超音波探触子に組込まれた振動子の特性で定まるので、この振動周波数ｆを一定とすると、被検査管の厚みｔが定まれば、透過率Ｔ_Gが最大値を示す最適の入射角θ₁が求まる。

なお、図１０内に記載した各周波数（４６７ｋHz、３７５ｋHz、３３２ｋHz、７６３ｋHz）における各点は、外径Ｄ＝３１８．５ｍｍの被検査管を用いて実測された透過率Ｔ_Gの値である。このように、透過率Ｔ_Gの理論特性は、実測値とよく一致する。

したがって、送信超音波探触子から被検査管内に入射した超音波は第１の周方向にガイド波の伝搬モードで伝搬するように、送信超音波探触子から被検査管の外周面に対する超音波の入射角が、送信側支持機構にて送信超音波探触子の姿勢角として設定することによって、高い超音波探傷精度を実現できる。

また請求項２の管体超音波探傷装置においては、連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号を作成して出力する信号発生部と、この信号発生部から出力された矩形波バースト信号を超音波に変換して出力する送信超音波探触子と、この送信超音波探触子を、被検査管の外周面に対して空間を介して対向し、かつ超音波の出力方向が前記被検査管の任意に定めた第１の半径線に対して、平行でかつ所定距離だけ一方方向にシフトさせて支持する送信側支持機構と、この送信側支持機構で支持された送信超音波探触子から出力されて前記被検査管内を第１の周方向にガイド波の伝搬モードで伝搬する超音波が欠陥に当接したとき、この欠陥から第２の周方向に伝搬するエコーを受けてエコー信号に変換して出力する受信超音波探触子と、この受信超音波探触子を、前記被検査管の外周面に対して空間を介して対向し、かつ超音波の入力方向が前記被検査管の前記第１の半径線に直交する第２の半径線に対して、平行でかつ前記所定距離だけ送信超音波探触子に対して同一方向にシフトさせて支持する受信側支持機構と、この受信側支持機構に支持された前記受信超音波探触子から出力されたエコー信号の信号レベルを検出する信号レベル検出部と、この信号レベル検出部で検出されたエコー信号の信号レベルに基づき前記被検査管の欠陥を評価する探傷解析部とを備えている。

このように構成された本発明の管体超音波探傷装置においては、信号発生部から出力される矩形波バースト信号は、従来の一つ（１周期分）のサイン波からなるパルス信号ではなくて、例えば、図３（ａ）に示すように、連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号である。このように、送信超音波探触子内の振動子に印加するパルス信号を連続する所定個数の負の矩形波からなる矩形波バースト信号とすることによって、振動子における電気信号の超音波への高い変換効率を実現できる。

また、送信超音波探触子及び受信超音波探触子は被検査管の外周面に対して空間を介して対向している。さらに、送信超音波探触子及び受信超音波探触子は互いに直交する半径線に対して平行にかつ同一方向に所定距離だけシフトさせている。結果的に、送信超音波探触子及び受信超音波探触子は、被検査管の外周面上の９０度離れた位置に、所定距離と被検査管の半径で定まる入射角を有して配設されている。

そして、送信超音波探触子から出力された超音波は前記入射角で被検査管内へ入射して、第１の周方向（時計回り）に「ガイド波」の伝搬モードで伝搬していく。そして、超音波が欠陥に当接したとき、この欠陥から第２の周方向（反時計回り）に伝搬するエコー（欠陥エコー）が生じる。受信超音波探触子は第２の周方向（反時計回り）に伝搬するエコーを受けてエコー信号に変換する。このエコー信号の信号レベルで欠陥が評価される。

したがって、請求項１の発明とほぼ同じ効果を奏することが可能である。

請求項３は、上記発明の管体超音波探傷装置において、前記送信超音波探触子における前記矩形波バースト信号を超音波に変換する振動子における超音波の出力面は曲面に形成されている。また、送信側支持機構は、前記送信超音波探触子を、前記振動子の曲面の曲率中心が前記被検査管の第２の半径線上に位置するように支持する。

このような構成においては、送信超音波探触子における矩形波バースト信号を超音波に変換する振動子における超音波の出力面の各位置から出力される各超音波は被検査管の外周面に対してそれぞれ一定の入射角で入射されるので、入射された超音波の時間的バラツキを抑制できるので被検査管に対する探傷精度を向上できる。

なお、超音波の出力面が平面であるときは、超音波の出力面の各位置から出力される各超音波は被検査管の外周面に対してそれぞれ異なる入射角で入射されるので、図９（ａ）に示すように、入射された超音波の時間的バラツキが大きくなる。このことを逆に言えば、種々の方向からの超音波を受け入れるので、欠陥エコーの超音波を受波する受信超音波探触子の採用するのが望ましい。

請求項４は、「管体超音波探傷方法」である。そして、連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号を送信超音波探触子に印加するステップと、この送信超音波探触子を、被検査管の外周面に対して空間を介して対向させ、かつ超音波の出力方向が前記被検査管の任意に定めた第１の半径線に対して、平行でかつ所定距離だけ一方方向にシフトさせて支持するステップと、受信超音波探触子を、前記被検査管の外周面に対して空間を介して対向し、かつ超音波の入力方向が前記被検査管の前記第１の半径線に直交する第２の半径線に対して、平行でかつ前記所定距離だけ送信超音波探触子に対し同一方向にシフトさせて支持するステップと、前記支持された送信超音波探触子から出力され前記被検査管内に入射した超音波を前記被検査管内を第１の周方向にガイド波の伝搬モードで伝搬させるステップと、前記支持された受信超音波探触子で前記第１の周方向に伝搬する超音波が欠陥に当接したとき、この欠陥から第２の周方向に伝搬するエコーを受けてエコー信号に変換して出力するステップと、受信超音波探触子から出力されたエコー信号の信号レベルを検出し、信号レベルに基づき前記被検査管の欠陥を評価するステップとを備えている。

このような構成の管体超音波探傷方法においては、先の発明の管体超音波探装置とほぼ同様の作用効果を奏する。

請求項５の「管体超音波探傷方法」においては、連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号を送信超音波探触子に印加するステップと、この送信超音波探触子を、被検査管の外周面に対して空間を介して対向させ、かつ超音波の出力方向が前記被検査管の任意に定めた第１の半径線に対して、平行でかつ所定距離だけ一方方向にシフトさせて支持するステップと、受信超音波探触子を、前記被検査管の外周面に対して空間を介して対向し、かつ入力される超音波の方向が被検査管の前記第１の半径線に直交する第２の半径線に対して、平行でかつ前記所定距離だけ送信超音波探触子に対し反対方向にシフトさせて支持するステップと、前記支持された送信超音波探触子から出力され前記被検査管内に入射した超音波を前記被検査管内を第１の周方向にガイド波の伝搬モードで伝搬させるステップと、前記支持された受信超音波探触子で前記第１の周方向に伝搬する超音波を受けて電気信号に変換するステップと、前記所定距離を順次変化させた場合における前記変換された電気信号のレベルが最大となる所定距離を最適距離として求めるステップと、
前記送信超音波探触子を、前記第１の半径線に対して、平行でかつ前記最適距離だけシフトさせて支持するステップと、前記受信超音波探触子を、第２の半径線に対して、平行でかつ前記最適距離だけ前記送信超音波探触子に対して同一方向にシフトさせて支持するステップと、前記支持された受信超音波探触子で、前記第１の周方向に伝搬する超音波が欠陥に当接したとき、この欠陥から第２の周方向に伝搬するエコーを受けてエコー信号に変換して出力するステップと、このステップで受信超音波探触子から出力されたエコー信号の信号レベルを検出し、信号レベルに基づき前記被検査管の欠陥を評価するステップとを備えている。

このような構成の超音波探傷方法においては、最初に、送信超音波探触子の超音波の送信方向と、受信超音波探触子の超音波の受信方向を対向させているので、送信超音波探触子から出力された超音波は被検査管内をガイド波の伝搬モードで伝搬して、受信超音波探触子へ受信される、そして、所定距離を順次移動させて、最大受信レベルが得られる所定距離を最適距離（最適入射角θ_M）とする。

そして、送信超音波探触子の入射角が決まると、受信超音波探触子の超音波の受信方向を、先に決めた最適入射角θ_Mを逆向きに設定する。受信超音波探触子の超音波の受信方向を逆向きにすると、送信超音波探触子から一方の周方向（時計回り）に伝搬する超音波は受信されずに、超音波で反対方向（反時計回り）へ進む欠陥エコーが受信超音波探触子で受信される。

このように、送信超音波探触子と受信超音波探触子とを個別に設けることによって、欠陥エコーを個別に受信でき、管体に対する超音波探傷精度を向上することができる。

本発明によれば、被検査管の探傷を非接触で実施できるのみならず、送信超音波探触子を、被検査管内で超音波が「ガイド波」の伝搬モ−ドで伝搬するように、送信側支持機構で支持固定しているので、欠陥検出精度の向上を図ることができる。さらに、欠陥エコーを送信側の超音波に対して、独立に検出しているので、さらに測定精度がより一層向上できる。

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の一実施形態に係わる管体超音波探傷方法が適用される管体超音波探傷装置の概略構成を示す模式図である。

信号発生部１０は、図３（ａ）に示すように、連続する所定個数Ｎの矩形波１１からなる矩形バースト信号ａを作成して送信部１２、信号ケーブル１３を介して例えば鋼管等の被検査管１４に対する取付装置のコ字形状を有したフレーム１５の垂直部１６の中央部の組込まれた送信側支持機構１７に取付けられた送信超音波探触子１８へ送信する。また、このフレーム１５の水平部１９には、受信超音波探触子２０が取付けられた受信側支持機構２１が組込まれてぃる。

前記信号発生部１０が作成する、図３（ａ）に示す、矩形波バースト信号ａにおいて、電圧Ｖ_Hは矩形波バースト信号ａにおける負の矩形波１１の電圧であり、例えば、最大６００Ｖ（ボルト）まで設定可能である。周波数Ｆは、送信超音波探触子１８及び受信超音波探触子２０における振動子に印加する矩形波バースト信号ａにおける連続する負の矩形波１１の周期Ｔに対応する周波数Ｆ（＝１／２πＴ）に設定される。また、波数Ｎは、矩形波バースト信号ａにおける連続する負の矩形波１１の数に設定する。

一般的に、超音波は空気中を伝搬すると、大きく減衰するので、十分な探傷精度を確保できない。そこで、本願発明においては、送信超音波探触子１８と受信超音波探触子２０とを別回路にして、送信超音波探触子１８に対しては、最大６００Ｖ（ボルト）の矩形波バースト信号ａを印加することにより、３０〜４０ｄＢの利得を得、受信超音波探触子２０の経路にプリアンプ３２へ送出する。このプリアンプ３２は、稼働時における欠陥エコー信号を約６０ｄＢ増幅する。この信号発生部１０とプリアンプ３２とで約９０ｄＢの利得得ているので、後述するように、十分な探傷精度を確保できた。

図１における外径Ｄ、厚みｔを有する長尺の被検査管１４は搬送機構２２ａ、２２ｂでもって、フレーム１５の中心位置を矢印方向へ搬送されている。

フレーム１５の垂直部１６の中央部に組込まれた送信側支持機構１７においては、先端に送信超音波探触子１８が固定されたスライド部材２３を上下方向に平行移動させる機構が組込まれている。図５に示すように、被検査管１４の第１の半径線（水平半径線）２４からの上方（時計回り）への移動距離（所定距離）Ｘが、送信探触子位置設定部２５の指示に基づいて自動的に移動設定される。この場合、送信超音波探触子１８は、第１の半径線（水平半径線）２４に対して平行を維持しているので、この送信超音波探触子１８の被検査管１４の外周面１４ａに対する超音波の入射角θ₁は、被検査管１４の外径Ｄを用いて下式で求まる。

θ₁＝Sin^-1（2Ｘ／Ｄ）
フレーム１５の水平部１７の中央部に組込まれた送信側支持機構２１においては、先端に受信超音波探触子２０が固定されたスライド部材２６を水平方向に平行移動させる機構が組込まれている。図５に示すように、被検査管１４の第１の半径線（水平半径線）２４に直交する第２の半径線（垂直半径）２７からの左方（時計回り）への移動距離Ｙが、受信探触子位置設定部２８の指示に基づいて自動的に移動設定される。

この場合、この管体超音波探傷装置の探傷稼働まえの調整時においては、受信探触子位置設定部２８は、第２の半径線（水平半径線）２４に対して、図５に示すように右方向（反時計回り）に受信超音波探触子２０を移動させる。また、調整が終了して、この管体超音波探傷装置の探傷稼働時においては、図６に示すように左方向（時計回り）に受信超音波探触子２０を移動させる。

この場合、受信超音波探触子２１は、第２の半径線（水平半径線）２４に対して平行を維持しているので、この受信超音波探触子２１の被検査管１４の外周面に対する超音波の入射角θ₂は、被検査管１４の外径Ｄを用いて下式で求まる。

θ₂＝sin^-1（2Ｙ／Ｄ）
前記送信超音波探触子１８内には、図２（ａ）に示すように、送信部１２から送信された図３に示す矩形波バースト信号ａを図２（ｂ）に示す波形の超音波パルスｂに変換する振動子２９が収納されている。この振動子２９の超音波パルスｂが出力される出力面２９ｂは曲面に形成されている。この曲面の曲率中心Ｕは、前記被検査管１４の第２の半径線２７上に位置する。そして、この送信超音波探触子１８は被検査管１４の外周面１４ａに対して空間を介して対向している。

このように出力面２９ａを曲面に形成した場合の効果を、図７を用いて説明する。図７において、幅Ｗの振動子２９の中心線と被検査管１４の外周面１４ａとの交点Ｑでの入射角θ₁は、送信超音波探触子１８の移動距離Ｘを用いて、θ1＝Ｓin^-1（２Ｘ／Ｄ）で示され、幅Ｗの振動子２９から曲率中心Ｄをみた角度２θは、θ＝Ｓin^-1（Ｗ／２Ｒ）で表せる。また、
＜ＲＵＯ＝（π／２―θ）
ΔＯＤＲで正弦法則を用いて、
Sin（π／２―θ）／ＯＲ＝sin(θ_1min)／ＯＵ
θ_1min＝Sin（π／２―θ）Ｘ／ＵＯ／２）
以上の式の数値計算を、移動距離Ｘ＝２０ｍｍ、振動子２９の幅Ｗ＝１４の送信超音波探触子１８に対して、外径Ｄ＝３１８．５ｍｍ、振動子２９の幅Ｗ＝２０、厚みｔ＝１４．３ｍｍの被検査管１４を用いて実施して、Ｑ点、Ｒ点、Ｐ点における各入射角θ₁、θ_1min、θ_1maxの値を求めると、共に等しく「７，２°」であった。

したがって、このような構成においては、図７に示すように、送信超音波探触子１８における矩形波バースト信号ａを超音波パルスｂに変換する振動子２９における超音波の出力面２９ａの各位置から出力される各超音波は被検査管１４の外周面１４ａに対してそれぞれ一定の入射角θ₁で入射されるので、図９（ｂ）に示すように、入射された超音波の時間的バラツキを抑制できるので被検査管１４に対する探傷精度を向上できる。

なお、この図９（ｂ）は、送信超音波探触子１８から超音波パルスｂを被検査管１４の外周面１４ａに、前述した移動距離Ｘ＝２０ｍｍ（入射角θ₁＝７．２°）の条件で、入射して、受信超音波探触子２０を図５に示すように、移動距離Ｙ＝―２０ｍｍに位置させた場合におけるこの受信超音波探触子２０で観測された超音波パルスｂの波形図である。図９（ａ）は、図８に示す振動子の入射面が平坦である送信超音波探触子を用いて測定した、波形図である。

両者を比較すれば明らかなように、振動子に曲面が存在すれは、図９（ａ）に示すように示すように、超音波パルスｂは被検査管１４内を長時間かけて伝搬される。しかしながら、平面の振動子を採用した場合は、図９（ａ）に示すように、測定された超音波パルスｂの波形が広くなり、超音波パルスｂは比較的短時間で消滅する。

図８は、平面の振動子を採用した受信超音波探触子２１を送信超音波探触子として採用した場合における、平面の振動子３０の各位置から出力された各超音波の被検査管１４の外周面１４ａに対する各入射角被検査管１４の外周面１４ａに被検査管１４の外周面１４ａに対する各入射角θ₁、θ_1min、θ_{1maxを求める図である。}
この図８から、各入射角θ₁、θ_1min、θ_1maxは、外径Ｄ、振動子幅ａ、移動距離Ｘを用いて、以下のように求まる。

θ₁＝Sin^-1（２Ｘ／Ｄ）
θ_1min＝Sin^-1｛２（Ｘ―ａ／２）／Ｄ｝
θ_1max＝Sin^-1｛２（Ｘ＋ａ／２）／Ｄ｝
図１０に、振動子幅ａ＝１４，２０、３０、４０ｍｍ、移動距離Ｘ＝１０〜３０ｍｍに設定した場合の各入射角θ₁、θ_1min、θ_1maxの各算出値を示す。このように、各入射角θ₁は振動子３０の各位置で値が異なる。

また、前記受信超音波探触子２０内には、図２（ｂ）に示すように、厚みｔの被検査管１４内をガイド波の伝搬モードで第１の周方向（時計回り）に伝搬されてきた超音波パルスｂ（調整時）、または、厚みｔの被検査管１４内をガイド波の伝搬モードで第２の周方向（反時計回り）に伝搬されてきた欠陥エコーｄ（稼働時）を受波する振動子３０が収納されている。この振動子３０の超音波パルスｂ又は欠陥エコーｄが入射される入射面３０ａは平面に形成されている。

振動子３０は超音波パルスｂ又は欠陥エコーｄを電気信号のパルス信号又は欠陥エコー信号に変換して、信号ケーブル３１を介してプリアンプ３２へ送出する。このプリアンプ３２は、稼働時における欠陥エコー信号を約６０ｄＢ増幅して、信号レベル検出部３３へ送出する。なお、調整時におけるパルス信号は信号レベルが高いので、スイッチ３４を閉じてプリアンプ３２をバイパスして、信号レベル検出部３３へ送出する。

信号レベル検出部３３は入力したパルス信号又は欠陥エコー信号の各信号レベルを検出して、送信探触子位置設定部２５、受信探触子位置設定部２８、欠陥判定部３６、データ処理部３７へ送出する。

欠陥判定部３６は、欠陥エコー信号の信号レベルが予め設定された許容値を超えた場合は、欠陥ありと判定し、判定結果をメモリ３８に書込むとともに、表示器３９に表示出力する。データ処理部３７は、受信超音波探触子２０から出力されたパルス信号又は欠陥エコー信号に対して、又は、信号レベルに対して例えば統計処理等のデータ処理を行い、処理結果をメモリ３８に書き込むと共に、表示部３９に表示出力する。

受信探触子位置移動部４０は、送信超音波探触子１８及び受信超音波探触子２０の移動位置Ｘ、Ｙの調整処理が終了すると、受信側支持機構２１に対して、受信超音波探触子２０の、図５に示す現在の−側（右側）の移動位置―Ｙを、図６に示す＋側（左側）の移動位置＋Ｙに移動させる。キーボード等の操作部４０は、操作者の操作指示に基づいて各部に指令を送出する。

このように構成された管体超音波探傷装置の各部の動作を順番に説明する。なお、この管体超音波探傷装置で探傷する各被検査管１４におけるガイド波の伝搬モードが生じる最適入射角θ_Mは、前述したように、概略、被検査管１４の厚みｔに基づいて定まるので、各被検査管１４の厚みｔにて、最適入射角θ_Mを求め、この最適入射角θ_Mの入射角θ₁が得られる異動距離Ｘ、Ｙを予め外径Ｄを用いて算出しておく。

θ₁＝Sin^-1（2Ｘ／Ｄ）、 θ₂＝sin^-1（2Ｙ／Ｄ）
ちなみに、実験に用いた鋼管（Ｄ＝３１８，５ｍｍ、ｔ＝１４．３ｍｍ）においては、入射角θ₁、θ₂＝７．２°であり、移動距離Ｘ、Ｙは２０ｍｍである。

以上の準備が終了すると、被検査管１４を、図１に示すように、フレーム１５内に搬入する。搬送機構２２ａ、２２ｂで被検査管１４の中心軸をフレーム５の中心軸に合わせる。

そして、操作者は、各移動距離Ｘ、Ｙを操作部４１から操作入力して、「調整処理」の実行を送信探触子位置設定部２５，受信探触子位置設定部２８へ指示する。送信探触子位置設定部２５は送信側支持機構１７に移動距離Ｘの初期設定を指示する。その結果、送信側支持機構１７は、送信超音波探触子１８を図５に示すように、上方に移動距離Ｘだけシフト（移動）させる。

受信探触子位置設定部２８は受信側支持機構２１に移動距離Ｙの初期設定を指示する。その結果、受信側支持機構２１は、受信超音波探触子２０を図５に示すように、右方に移動距離―Ｙだけシフト（移動）させる。

なお、スイッチ３４は閉じて、プリアンプ３２をバイパスさせておく。

次に、信号発生部１０を起動すると、送信超音波探触子１８から被検査管１４内に超音波パルスが入射され、この超音波パルスは、この被検査管１４内を第１の周方向（時計回り９）にガイド波の伝搬モードで伝搬する。そして、受信超音波探触子２０で第１の周方向（時計回り）に伝搬する超音波パルスを受けてパルス信号に変換する。パルス信号の信号レベルは信号レベル検出部３３で検出されて送信探触子位置設定部２５及び受信探触子位置設定部２８へ帰還する。

次に、送信探触子位置設定部２５は、送信超音波探触子１８の移動位置Ｘを順次変化させた場合における前記帰還されたパルス信号の信号レベルが最大となる移動距離Ｘを最適移動距離Ｘとして固定する。

続いて、受信探触子位置設定部２８は、受信超音波探触子２０の移動位置Ｙを順次変化させた場合における受信超音波探触子２０で検出されて信号レベル検出部３３を介して帰還されたパルス信号の信号レベルが最大となる移動距離Ｙを最適移動距離Ｙとして決定する。そして、この決定した最適移動距離Ｙを受信探触子位置移動部４０へ送出する。

受信探触子位置移動部４０は、前述したように、送信超音波探触子１８及び受信超音波探触子２０の移動位置Ｘ、Ｙの調整処理が終了すると、受信側支持機構２１に対して、受信超音波探触子２０の、図５に示す現在の−側（右側）の移動位置―Ｙを、図６に示す＋側（左側）の移動位置＋Ｙに移動させる。さらに、スイッチ３４を開放して、受信超音波探触子２０で検出される欠陥エコー信号をプリアンプ３２で６０ｄＢ増幅するように再設定しておく。

以上で各超音波探触子１８，２０の最適感度が得られる移動位置Ｘ、―Ｙが定まったので、調整処理を終了したので、被検査管１４に対する探傷処理を実施する。

操作者は、操作部４１から探傷指示を入力すると、図１２に示すように、送信超音波探触子１８から、被検査管１４内に超音波パルスｂが入射され、この超音波パルスｂは、この被検査管１４内を第１の周方向（時計回り）にガイド波の伝搬モードで伝搬する。この超音波パルスｂが欠陥４２に当接すると、この欠陥４２にて、その一部が欠陥エコーｄとして、被検査管１４内をガイド波の伝搬モードで反対方向である第２の周方向（反時計回り）に伝搬する。そして外周面１４ａにおける超音波の入力方向が反転された受信超音波探触子２０ｄで受信して欠陥エコー信号に変換されて、欠陥の信号レベルになる。欠陥判定部３６はこの欠陥の信号レベルに基づいて欠陥の有無を判定してメモリ３８に書き込むと共に表示部３９に表示する。

次に、上述した図１に示す管体超音波探傷装置の特徴を確認するために図１３に示す４種類の試験管４５、４６，４７、４８を作成した。試験管４５は欠陥がない標準の試験管、試験管４６は内周面に３ｍｍのノッチが存在し、試験管４７は５ｍｍφの貫通孔があり、試験管４８は内周面に直径４ｍｍ、深さ４ｍｍの疵がある。各試験管４５〜４８は外径Ｄ＝３１８．５ｍｍ、厚みｔ＝１４．３ｍｍの鋼管である。

そして、図１４（ａ）は図１３（ｂ）の３ｍｍのノッチが存在する試験管４６の表示部３９に表示された超音波探傷結果を示す欠陥エコーｄを示す波形図である。図示するように、送信超音波探触子１８から出力された超音波パルスｂが試験管を時計方向に１周（３６０°）する期間に欠陥に当接して、この欠陥に対応する欠陥エコーｄが反時計方向にガイド波の伝搬モードで試験管４６の円周を繰り返し伝搬するが、受信超音波探触子２０はこの欠陥エコーｄを１周毎に検索する。なお、基本エコーは送信超音波探触子１８から出力された超音波パルスｂの直接波である。

図１４（ｂ）は図１３（ｃ）の５ｍｍφの貫通孔が存在する試験管４７の表示部３９に表示された欠陥エコーｄを示す波形図である。図１４（ｃ）は図１３（ｄ）の直径４ｍｍ、深さ４ｍｍの疵がある試験管４８の表示部３９に表示された欠陥エコーｄを示す波形図である。このように、被検査管１４内に存在する小さな欠陥４２を高い精度で検出できる。

図１５（ａ）〜（ｄ）は、被検査管１４内に存在する欠陥（きず）４２の位置（周上位置）と、送信超音波探触子１８及び受信超音波探触子２０の位置（周上位置）ととの関係を示す図である。

図１５（ａ）は、図１３（ｃ）で示した５ｍｍφの貫通孔が存在する試験管４７を、５ｍｍφの貫通孔の欠陥４２が受信超音波探触子２０から時計回り方向に約８０°離れた位置に位置させている。図１５（ｂ）は、この状態において、受信超音波探触子２０て検出されて表示部３９に表示された欠陥エコーｄを示す波形図である。

この場合、送信超音波探触子１９の超音波パルスｂの欠陥４２までの距離ＰＬと、欠陥４２から受信超音波探触子２０までの欠陥エコーｄの距離ＤＬとの合計距離（ＰＬ＋ＤＬ）が比較的短いので、超音波減衰が小さく、表示された欠陥エコーｄのレベルは比較的高い。

図１５（ｃ）は、図１３（ｃ）で示した５ｍｍφの貫通孔が存在する試験管４７を、５ｍｍφの貫通孔の欠陥４２が受信超音波探触子２０から反時計回り方向に約４５°離れた位置に位置させている。図１５（ｄ）は、この状態において、受信超音波探触子２０検出されて表示部３９に表示された欠陥エコーｄを示す波形図である。

この場合、送信超音波探触子１８の超音波パルスｂの欠陥４２までの距離ＰＬは非常に短いが、欠陥４２から反時計回りで受信超音波探触子２０までの欠陥エコーｄの距離ＤＬは非常に長いので、合計距離（ＰＬ＋ＤＬ）が長くなるので、超音波減衰が大きく、表示された欠陥エコーｄのレベルは低い。

しかしながら、送信超音波探触子１８から出力された超音波パルスｂの直接波である基準エコー（超音波パルスｂ）と欠陥エコーｄとが同時に表示されるので、欠陥４２の規模を評価できる。

なお、送信超音波探触子１８と受信超音波探触子２０との円周方向における設置間隔の最適間隔は、上述した合計距離（ＰＬ＋ＤＬ）が最短になるのが望ましいが、欠陥４２の発生位置は円周上に一様に分布すると仮定すると、受信超音波探触子２０を送信超音波探触子１８から出力される超音波パルスｂの進行方向後半部分に設定すると、統計的に上述した合計距離が大きくなるので、受信超音波探触子２０の設置位置を送信超音波探触子１８から超音波パルスｂの進行方向に９０°離れた位置に設定した。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。送信超音波探触子１８と受信超音波探触子２０との位置関係を円周方向に必ずしも９０°離す必要はない。０°から１８０°の間の任意の角度に設定可能である。すなわち、送信超音波探触子１８の入射角θ1の被検査管１４の外周面１４ａの法線に対する傾き方向と、受信超音波探触子２０の外周面１４ａの法線に対する傾き方向とが互いに逆方向に設定することによって、送信超音波探触子１８から出力された超音波パルスｂが被検査管１４でガイド波の伝搬モードで伝搬し、この超音波パルスが欠陥４２に当接したときに、この欠陥から生じる超音波パルスｂに対して逆方向にガイド波の伝搬モードで伝搬する欠陥エコーを検出できるように受信超音波探触子２０の外周面濡に対する確姿勢を設定すればよい。

本発明の一実施形態に係わる管体超音波探傷方法が適用される管体超音波探傷装置の概略構成を示す模式図 送信超音波探触子及び受信超音波探触子の断面図 送信超音波探触子波形バースト信号を示す図 ガイド波の伝搬モードの一例を示す図 調整時における送信超音波探触子と受信超音波探触子との位置関係を示す図 稼働時における送信超音波探触子と受信超音波探触子との位置関係を示す図 送信超音波探触子の振動子の形状を示す図 同じく送信超音波探触子の振動子の形状を示す図 送信超音波探触子の振動子の形状と特性との関係を示す図 送信超音波探触子の振動子の形状と移動距離と入射角との関係を示す図 鋼管の伝搬モードにおける算出された透過率、入射角、乗算値［ｆ・ｔ］との関係を示す図 稼働状態時における超音波パルスと欠陥位置と欠陥エコーとの関係を示す図 各試験管の欠陥位置を示す図 各試験管の探傷結果を示す図 欠陥位置と送信超音波探触子及び受信超音波探触子との位置関係を示す図 従来の鋼管に対する超音波探傷を示す図

符号の説明

１０…信号発生部、１１…矩形波、１２…送信部、１４…被検査管、１４ａ…外周面、１５…フレーム、１７…送信側支持機構、１８…送信超音波探触子、２０…受信超音波探、２１…受信側支持機構、２２ａ，２２ｂ…搬送機構、２３、２６…スライド部材、２４…第１の半径線、２５…送信探触子位置設定部、２７…第２の半径線、２８…受信探触子位置設定部、２９．３０…振動子、３２…プリアンプ、３３…信号レベル検出部、３４……スイッチ、３６…欠陥判定部、３７…データ処理部、３８…メモリ、３９…表示部、４０…受信探触子位置移動部、４１…操作部、４２…欠陥、４５〜４８…試験管

Claims (5)

1. パルス状の超音波を出力する送信超音波探触子と、
   この送信超音波探触子を、被検査管の外周面に対して、空間を介して対向し、かつ送信超音波探触子から前記被検査管内に入射した超音波が第１の周方向にガイド波の伝搬モードで伝搬するような姿勢角で支持する送信側支持機構と、
   前記被検査管内を第１の周方向に伝搬する前記超音波が欠陥に当接したとき、この欠陥から第２の周方向に伝搬するエコーを受けてエコー信号に変換して出力する受信超音波探触子と、
   この受信超音波探触子を、前記被検査管の外周面に対して、空間を介して対向し、かつ前記送信超音波探触子の姿勢角に等しい姿勢角で支持する受信側支持機構と、
   この受信側支持機構に支持された前記受信超音波探触子から出力されたエコー信号の信号レベルを検出する信号レベル検出部と、
   この信号レベル検出部で検出されたエコー信号の信号レベルに基づき前記被検査管の欠陥を評価する探傷解析部と
   を備えたことを特徴とする管体超音波探傷装置。
2. 連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号を作成して出力する信号発生部と、
   この信号発生部から出力された矩形波バースト信号を超音波に変換して出力する送信超音波探触子と、
   この送信超音波探触子を、被検査管の外周面に対して空間を介して対向し、かつ超音波の出力方向が前記被検査管の任意に定めた第１の半径線に対して、平行でかつ所定距離だけ一方方向にシフトさせて支持する送信側支持機構と、
   この送信側支持機構で支持された送信超音波探触子から出力されて前記被検査管内を第１の周方向にガイド波の伝搬モードで伝搬する超音波が欠陥に当接したとき、この欠陥から第２の周方向に伝搬するエコーを受けてエコー信号に変換して出力する受信超音波探触子と、
   この受信超音波探触子を、前記被検査管の外周面に対して空間を介して対向し、かつ超音波の入力方向が前記被検査管の前記第１の半径線に直交する第２の半径線に対して、平行でかつ前記所定距離だけ送信超音波探触子に対して同一方向にシフトさせて支持する受信側支持機構と、
   この受信側支持機構に支持された前記受信超音波探触子から出力されたエコー信号の信号レベルを検出する信号レベル検出部と、
   この信号レベル検出部で検出されたエコー信号の信号レベルに基づき前記被検査管の欠陥を評価する探傷解析部と
   を備えたことを特徴とする管体超音波探傷装置。
3. 前記送信超音波探触子における前記矩形波バースト信号を超音波に変換する振動子における超音波の出力面は曲面に形成されており、
   前記送信側支持機構は、前記送信超音波探触子を、前記振動子の曲面の曲率中心が前記被検査管の前記第２の半径線上に位置するように支持する
   ことを特徴とする請求項２記載の管体超音波探傷装置。
4. 連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号を送信超音波探触子に印加するステップと、
   この送信超音波探触子を、被検査管の外周面に対して空間を介して対向させ、かつ超音波の出力方向が前記被検査管の任意に定めた第１の半径線に対して、平行でかつ所定距離だけ一方方向にシフトさせて支持するステップと、
   受信超音波探触子を、前記被検査管の外周面に対して空間を介して対向し、かつ超音波の入力方向が前記被検査管の前記第１の半径線に直交する第２の半径線に対して、平行でかつ前記所定距離だけ送信超音波探触子に対し同一方向にシフトさせて支持するステップと、
   前記支持された送信超音波探触子から出力され前記被検査管内に入射した超音波を前記被検査管内を第１の周方向にガイド波の伝搬モードで伝搬させるステップと、
   前記支持された受信超音波探触子で前記第１の周方向に伝搬する超音波が欠陥に当接したとき、この欠陥から第２の周方向に伝搬するエコーを受けてエコー信号に変換して出力するステップと、
   受信超音波探触子から出力されたエコー信号の信号レベルを検出し、信号レベルに基づき前記被検査管の欠陥を評価するステップと
   を備えたことを特徴とする管体超音波探傷方法。
5. 連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号を送信超音波探触子に印加するステップと、
   この送信超音波探触子を、被検査管の外周面に対して空間を介して対向させ、かつ超音波の出力方向が前記被検査管の任意に定めた第１の半径線に対して、平行でかつ所定距離だけ一方方向にシフトさせて支持するステップと、
   受信超音波探触子を、前記被検査管の外周面に対して空間を介して対向し、かつ入力される超音波の方向が被検査管の前記第１の半径線に直交する第２の半径線に対して、平行でかつ前記所定距離だけ送信超音波探触子に対し反対方向にシフトさせて支持するステップと、
   前記支持された送信超音波探触子から出力され前記被検査管内に入射した超音波を前記被検査管内を第１の周方向にガイド波の伝搬モードで伝搬させるステップと、
   前記支持された受信超音波探触子で前記第１の周方向に伝搬する超音波を受けて電気信号に変換するステップと、
   前記所定距離を順次変化させた場合における前記変換された電気信号のレベルが最大となる所定距離を最適距離として求めるステップと、
   前記送信超音波探触子を、前記第１の半径線に対して、平行でかつ前記最適距離だけシフトさせて支持するステップと、
   前記受信超音波探触子を、第２の半径線に対して、平行でかつ前記最適距離だけ前記送信超音波探触子に対して同一方向にシフトさせて支持するステップと、
   前記支持された受信超音波探触子で、前記第１の周方向に伝搬する超音波が欠陥に当接したとき、この欠陥から第２の周方向に伝搬するエコーを受けてエコー信号に変換して出力するステップと、
   このステップで受信超音波探触子から出力されたエコー信号の信号レベルを検出し、信号レベルに基づき前記被検査管の欠陥を評価するステップと
   を備えたことを特徴とする管体超音波探傷方法。

Images