JP2012145512A - 超音波探傷装置及び超音波探傷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータシャフトの超音波検査において、非解体検査によりき裂高さを測定し、探傷結果の信頼性を向上させる。
【解決手段】ロータシャフトの外周面に対し斜めに超音波を入射させる超音波探触子を用いて検査する超音波探傷装置であって、超音波探触子位置制御手段と、当該探傷部位の形状情報を記憶する形状情報記憶手段と、超音波探触子位置制御手段から得た超音波探触子の位置および向き情報に基づいて探傷結果を形状記憶情報手段に記憶された形状情報上に表示する探傷結果表示手段を備える。さらに、超音波信号と超音波探触子位置制御手段の情報に基づいた超音波照射方向に対応した形状断面情報に基づいて形状あるいは欠陥から超音波信号が反射すると予測される信号位置を照合する超音波信号照合手段と、複数の信号から欠陥特徴点を抽出する欠陥特徴点抽出手段と、欠陥特徴点判別手段に得られた信号からき裂高さを算出するき裂高さ算出手段を備える。
【選択図】 図７

Description

本発明は、ロータシャフトの外周側に形成されてキーが嵌合されたキー溝に係り、このキー溝のコーナ部を検査する超音波探傷装置及び方法に関する。

蒸気タービンと発電機を備えた発電プラントにおいては、蒸気タービンのロータシャフトの端部と発電機のロータシャフトの端部を略円筒状のカップリングで連結して、蒸気タービンの回転力を発電機に伝達するようになっている。ロータシャフトとカップリングとの接続方法の一例としては、ロータシャフトの外周側に略直方体状のキー溝を形成し、カップリングの内周側に略直方体状のキーを形成し、ロータシャフトのキー溝にカップリングのキーを挿入しつつ、ロータシャフトの外周側にカップリングを焼嵌めする方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

超音波探傷によるき裂高さ測定手法として、端部エコー法がある。この手法に関する規格として非特許文献１がある。この手法では、き裂の上端部と下端部のエコーに対する超音波伝播時間，超音波入射角度，超音波探触子位置の情報を用いて、き裂高さを算出する。

配管の溶接部に対する検査装置として特許文献２がある。特許文献２では配管の曲面上に超音波斜角探触子を配置して探傷を行い、溶接部の境界近傍に表示された反射画像が溶接部の境界に相当するものなのか、欠陥に相当するものなのかを判定して欠陥の検出精度を高めている。

特開平１０−２３１７０５号公報 特開２００９−６９０７７号公報

社団法人日本非破壊検査協会規格 ＮＤＩＳ２４１８号 端部エコー法によるきず高さの測定方法

上述したロータシャフトの構造では、例えばロータシャフトの回転加速に伴い、キー溝における４つのコーナ部に、ねじれ応力が集中する。そして、一般に、応力集中によってキー溝のコーナ部にき裂が発生することのないように、ロータシャフトの材質や構造等が決められている。具体例の一つとして、キー溝のコーナ部は、応力集中を分散しやすいように曲面形状となっている。しかしながら、キー溝のコーナ部にき裂が万一発生していないかどうかを検査することが好ましく、初期段階のき裂を検出できることが好ましい。なお、キー溝のコーナ部に発生する初期段階のき裂は、ロータシャフトの軸方向に対して斜め方向に延在する。

ロータシャフトのキー溝のコーナ部を検査する方法としては、ロータシャフトからカップリングを取外すことが困難である等の理由から、超音波探触子等を用いて探傷する超音波探傷方法が考えられる。すなわち、ロータシャフトの外周面の非カップリング領域（言い換えれば、カップリングが設けられていない領域）に超音波探触子を配置し、この超音波探触子からロータシャフトの外周面に対し斜めに超音波を入射させてキー溝のコーナ部の近傍（詳細には、き裂が存在しそうな範囲であって、コーナ部の表面から部材側に数ミリメートルの範囲）に到達させ、き裂が存在する場合はその反射波を超音波探触子で受信する方法である。

ここで、き裂の存在が分かった場合、何らかの方法でき裂寸法を測定し、それに基づいて構造強度評価を行って、運転継続，補修・交換等を実施する必要がある。解体検査を行った場合、き裂深度計のような測定装置を用いればき裂高さを測定できるが、当該部の解体および修繕には多くの時間と労力が必要である。そこで、解体することなくき裂寸法を測定する手法が求められるが、その有効な手段の例として、前述の超音波探傷による測定法が考えられる。

しかし、上述のロータシャフトの検査では、超音波設置面が曲面であり、超音波をロータシャフト軸方向に対して斜め方向に入射させる必要がある。そのため、超音波探触子位置に応じて、超音波入射角度は変化する。また、表面曲率の影響で、超音波探触子を回転させるとロータシャフト内への超音波入射角度は変化するため、端部エコー法を適用するに当たり、探傷結果の信頼性の点で改善の余地がある。上述の配管の溶接部の検査装置においても配管軸方向に対する超音波探傷が考慮されているだけで斜め方向から超音波を入射させる点について考慮されていない。

本発明の目的は、ロータシャフトキー溝部に発生したき裂を何らかの方法で検出した場合に、非解体検査でロータシャフトの外周面に超音波探触子を設置し、き裂高さを測定する超音波探傷装置及び方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、ロータシャフトの外周側に形成されてキーが嵌合されたキー溝における探傷を行う超音波探傷装置において、超音波探触子と、前記超音波探触子の位置および向きを制御する超音波探触子位置制御手段と、該探傷部位の形状情報を記憶した形状情報記憶手段と、前記超音波探触子の信号と、前記超音波探触子位置制御手段の制御に基づく超音波照射方向に対応した形状断面情報に基づいて超音波信号が反射すると予測される信号位置とを照合する超音波信号照合手段と、前記照合手段により得られた探傷断面より欠陥特徴点を抽出する欠陥特徴点抽出手段と前記欠陥特徴点よりき裂高さを算出するき裂高さ算出手段とを備える。

（２）上記（１）において、好ましくは、超音波探触子の信号と、前記超音波探触子位置制御手段の制御に基づく超音波照射方向に対応した形状断面情報に基づいて超音波信号が反射すると予測される信号位置を補正する位置合せ手段とを備える。

（３）上記（１）において、好ましくは、欠陥特徴点を１点抽出した場合、欠陥特徴点の信号強度を抽出する信号強度抽出手段と、予め測定しておいたき裂高さと信号強度の関係を示す校正曲線を記憶する校正曲線記憶手段と、前記信号強度抽出手段から得られた信号強度を前記校正曲線記憶手段に照合し、き裂高さを算出するき裂高さ算出手段とを備える。

（４）上記（１）において、好ましくは、欠陥特徴点を２点以上抽出した場合、欠陥特徴点のき裂先端部信号とき裂根元部信号を判別する欠陥特徴点判別手段と、前記欠陥特徴点判別手段に得られた信号から端部エコー法に基づいてき裂高さを算出するき裂高さ算出手段とを備える。

（５）上記（１）から上記（４）において、好ましくは、ロータシャフトの外周側に形成されてキーが嵌合されたキー溝における複数のコーナ部のうち、前記ロータシャフトの周方向一方側に位置するコーナ部を検査対象とし、前記ロータシャフトの外周面に対し斜めに超音波を入射させる超音波探触子を備える。

（６）上記（１）から上記（５）において、好ましくは、前記超音波探触子を前記ロータシャフトの外周面に沿って前記ロータシャフトの周方向及び軸方向に移動可能としかつ回転させる探触子移動機構を備える。

（７）上記（１）から上記（６）において、好ましくは、超音波探触子として超音波アレイセンサを用いる。

（８）また上記目的を達成するために、本発明の方法においては、ロータシャフトの外周側に形成されてキーが嵌合されたキー溝における探傷を行う超音波探傷方法において、超音波探触子の位置および向きを制御して超音波を照射するステップと、超音波探触子から照射した超音波の信号と、前記位置および向きの制御に基づく超音波照射方向に対応した形状断面情報に基づいて超音波信号が反射すると予測される信号位置とを照合するステップと、前記照合ステップで得られた探傷断面より欠陥特徴点を抽出するステップと前記欠陥特徴点に基づいてき裂高さを算出するステップを有する。

（９）上記（８）において、好ましくは、超音波探触子の信号と、前記位置および向きの制御に基づく超音波照射方向に対応した形状断面情報に基づいて超音波信号が反射すると予測される信号位置を補正する位置合せステップを有する。

（１０）上記（８）において、好ましくは、前記欠陥特徴点の信号強度を抽出する信号強度抽出ステップと、前記き裂高さ算出ステップにおいて、予め測定しておいたき裂高さと信号強度の関係を示す校正曲線を記憶する校正曲線から、前記信号強度抽出ステップで得られた信号強度を前記校正曲線とを照合し、き裂高さを算出する。

（１１）上記（８）において、好ましくは、欠陥特徴点の信号強度を抽出する信号強度抽出ステップと、前記信号強度抽出ステップで得られた欠陥特徴点の内、欠陥特徴点のき裂先端部信号とき裂根元部信号を判別する欠陥特徴点判別ステップと、前記き裂高さ算出ステップにおいて、前記欠陥特徴点判別ステップで得られた信号からき裂高さを算出する。

（１２）上記（８）から上記（１１）において、好ましくは、前記ロータシャフトの周方向一方側に位置するコーナ部を検査対象とし、前記ロータシャフトの外周面の法線方向に対し斜めに超音波を入射させて検査する。

（１３）上記（８）から上記（１２）において、前記超音波探触子を前記ロータシャフトの外周面に沿って前記ロータシャフトの周方向及び軸方向に移動させて探傷する。

（１４）上記（８）から上記（１３）において、前記超音波探触子に超音波アレイセンサを用い、アレイセンサを構成する振動子毎の励振時間を制御して探傷する。

本発明によれば、ロータシャフトの超音波検査において、非解体検査によりき裂高さを測定し、探傷結果の信頼性を向上させることができる。

本発明の検査対象であるロータシャフトの構造を表す斜視図である。 本発明の検査対象であるロータシャフトのキー溝の構造を表すＹ−Ｚ面断面図、Ｘ−Ｙ面断面図、及びＺ−Ｘ面断面図である。 本発明の一実施形態における超音波探傷装置の構成を、ロータシャフトとともに表す概略図である。 図３における探傷制御器１１を構成する機能のブロック図である。 本発明の一実施形態における超音波探触子の配置を表すＺ−Ｘ面平面図及びＸ−Ｙ面断面図であり、検査対象のコーナ部の近傍に超音波を照射する場合を示す。 図５における超音波ビーム照射方向のロータシャフト断面図である。 本発明の一実施形態における超音波探傷装置の制御処理内容を表すフローチャートである。 本発明の一実施形態における超音波探触子の配置を表すＺ−Ｘ面平面図であり、検査対象のコーナ部に超音波を照射し欠陥高さを測定する場合の超音波探触子の動作経路の一例を示す。 本発明の一実施形態における超音波探傷装置のセクタ走査による探傷結果の一例である。 本発明の一実施形態における超音波探傷におけるき裂高さを算出する校正曲線の一例である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の検査対象であるロータシャフトの構造を表す斜視図である。

発電機のロータシャフト１は、その直径が数百ミリメートルに及ぶものもある。この発電機のロータシャフト１の端部と図示しない蒸気タービンのロータシャフトの端部は、略円筒状のカップリング２（図１中、便宜上、二点鎖線で示す）で連結されている。すなわち、ロータシャフト１端部の外周側にカップリング２が焼嵌めされている。

また、ロータシャフト１の端部の外周側には略直方体状のキー溝３が形成されている。なお、図１では、便宜上、キー溝３を１つだけ示しているが、周方向に２つ以上あってもよい。そして、カップリング２の内周側には略直方体状のキー（図示せず）が形成されており、このキーがロータシャフト１のキー溝３に嵌合されている。

図１に示す座標系は、ロータシャフト１の軸心をＺ軸にとっている。また、ロータシャフト１の軸心と直交する径方向断面において、ロータシャフト１の軸心Ｏとキー溝３の幅方向中心（Ｘ−Ｙ面におけるキー溝３の中心）とを結ぶ直線をＹ軸にとり（Ｙ軸はＺ軸と直交する）、ロータシャフト１の軸心Ｏを通ってＹ軸及びＺ軸に直交する直線をＸ軸にとっている。図２（ａ），図２（ｂ）、及び図２（ｃ）は、ロータシャフト１のキー溝３の構造を表すＹ−Ｚ面断面図，Ｘ−Ｙ面断面図、及びＺ−Ｘ面断面図である。

ロータシャフト１のキー溝３はコーナ部４Ａ〜４Ｄを有し、これらコーナ部４Ａ〜４Ｄは曲面形状となっている。キー溝３のコーナ部に、超音波検査を含む何らかの方法で４Ｂにき裂が発生していることが分かったという条件で、き裂高さを測定する本実施形態は説明する。なお、図示のようにコーナ部４Ｂに初期段階のき裂５が発生した場合、当該部はロータシャフトの回転時に発生するねじり応力によってき裂が発生すると想定される。このため、き裂５はロータシャフト１の軸方向に対して斜め方向（約４５度の方向）に延在する。なお、き裂はロータシャフト１のキー溝３の曲面形状を有するコーナ部に発生する。

図３は、本発明の一実施形態における超音波探傷装置の構成を、ロータシャフト１とともに表す概略図である。

本実施形態の超音波探傷装置は、円柱形状をしたロータシャフト１の外周面の法線に対し斜めに超音波を入射させる超音波探触子として、超音波探触子６を用いている。ここで、外周面の法線に対し斜めに超音波を入射させるためには、超音波探触子にシューを取付ける又はフェーズドアレイ法により超音波探触子の代わりに超音波アレイセンサを構成する振動子毎の励振時間を探傷制御器等で制御することにより行う方法がある。また超音波探触子６はカップリング２以外のロータシャフト１の外周面に設置されるため、キー溝３の検査を行うには超音波を斜めに入射させる必要がある。この超音波探傷装置は、大別して、超音波探触子６をロータシャフト１の外周面の非カップリング領域に沿ってロータシャフト１の軸方向及び周方向に移動させる探触子移動機構と、制御系とで構成されている。探触子移動機構は、ロータシャフト１の外周側に取付けられ、ロータシャフト１の全周に亘って延在する円環状のレール７と、このレール７上に（すなわち、ロータシャフト１の周方向に）移動可能に設けられたスキャナ８と、このスキャナ８からロータシャフト１の軸方向に延在するアーム９と、このアーム９上に（すなわち、ロータシャフト１の軸方向に）移動可能に設けられ、超音波探触子６を固定保持する探触子保持部（図示せず）とを備えている。また、探触子保持部は超音波探触子６をき裂が発生している方向に向ける必要があるため、ロータシャフト外面の法線方向に対して回転走査できる機構を備えている。これら装置には移動量や回転角を検知するリニヤエンコーダやロータリエンコーダ等が備え付けられている。なお、き裂高さ測定を行う場合には、超音波探触子に超音波アレイセンサを用いて、フェーズドアレイ法により得られた探傷画像を用いてき裂高さ測定をすることが有効である。フェーズドアレイ法では超音波アレイセンサを構成する振動子の超音波送信タイミングを制御することで送信角度方向を変えることができるため走査が不要となる。他の例として斜角探触子を用いた端部エコー法によりき裂高さを測定することも考えられる。この場合、き裂高さの方向や大きさによっては探触子を走査させることが必要になることがあり、ロータシャフト１のような曲面形状を有する検査対象では、超音波探触子の設置位置，角度に応じて表面曲率が変化するため、この影響も考慮し走査させる必要がある。

制御系は、探触子移動制御器１０，探傷制御器１１、及び表示器（モニタ）１２を備えており、探触子移動制御器１０及び探傷制御器１１は、互いに連携して制御を行うようになっている。探触子移動制御器１０は、レール７上のスキャナ８の移動（すなわち、超音波探触子６のＸ軸方向及びＹ軸方向の移動）及びアーム９上の探触子保持部の移動（すなわち、超音波探触子６のＺ軸方向移動）及び回転（超音波探触子設置位置でのロータシャフト外面の法線方向に対する回転）を制御して、超音波探触子６の位置を制御するようになっている。探傷制御器１１は、超音波探触子６における超音波の送信及びその反射波の受信を制御するとともに、超音波探触子６の位置情報と超音波探触子６で受信した反射波の情報を含む探傷情報を演算処理するようになっている。探傷制御器１１の探傷情報は、探触子移動制御器１０で得た超音波探触子の位置情報等とともに、探傷制御器１１内に記憶する。表示器１２は、探触子移動制御器１０及び探傷制御器１１からの出力信号に基づき、超音波探触子６の位置や探傷結果等を表示するようになっている。形状情報記憶装置１３は探傷制御器１１に接続され、検査対象部のＣＡＤ等の形状情報を有している。

また、探傷制御器１１は、超音波信号照合手段１１ａ，位置合せ手段１１ｂ，欠陥特徴点抽出手段１１ｃ，信号強度抽出手段１１ｄ，欠陥特徴点判別手段１１ｅ，校正曲線記憶手段１１ｆ，き裂高さ算出手段１１ｇを有しており、図４に示すブロック図のように機能連携している。

超音波信号照合手段１１ａは、超音波信号と形状情報記憶装置１３が有する形状情報に基づいて形状あるいは欠陥から超音波信号が反射すると予測される信号位置との照合を行う。位置合せ手段１１ｂは、超音波信号照合手段１１ａにおいて、超音波信号と形状情報に基づいて形状あるいは欠陥から超音波信号が反射すると予測される信号位置と照合し、位置がずれていた場合には複数の特徴点情報に基づいて超音波探傷結果画像と形状情報の位置合せを行う。欠陥特徴点抽出手段１１ｃは、超音波信号照合手段１１ａにおける複数の信号から欠陥特徴点の抽出を行う。信号強度抽出手段１１ｄで欠陥特徴点抽出手段１１ｃにより得られた欠陥反射波の信号強度を抽出する。ここで、欠陥特徴点が２つ以上の場合、欠陥特徴点判別手段１１ｅで特徴点を判別し、その特徴点に基づいてき裂高さを算出することができる。また、欠陥特徴点が１つの場合、信号強度抽出手段１１ｄで得た信号強度を校正曲線記憶手段１１ｆと照合して、き裂高さを算出することができる。き裂高さ算出手段１１ｇは、欠陥特徴点判別手段１１ｅまたは校正曲線記憶手段１１ｆを用いてき裂高さを算出する。

次に、超音波探傷装置の駆動系と制御系の連携動作について記す。例えば、探触子移動制御器１０は、探触子移動機構を制御して超音波探触子６を図５（ａ）及び図５（ｂ）で示す位置に配置させ、探傷制御器１１は、超音波探触子６からロータシャフト１のキー溝３のコーナ部４Ｂの近傍に超音波を照射させる。このとき、図示のようにコーナ部４Ｂの近傍にき裂５が発生していたならば、その反射波が超音波探触子６で受信される。探傷制御器１１は、超音波探触子６で受信した反射波により、コーナ部４Ｂに生じたき裂５を検出し、その結果を表示器１２に表示させる。また、当該部の形状情報を保有した形状情報記憶装置１３は、超音波探触子位置情報とともに記憶した探傷情報に基づいて形状情報と重ねて、表示器１２に表示させる。

超音波探触子６の配置は、予め、超音波探触子６の仕様やロータシャフト１及びキー溝３の寸法等に基づき幾何学的に決められ設定されている。具体例の一つとして、例えば図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように超音波探触子６が配置された場合、言い換えれば、図５（ｂ）に示すように超音波探触子６からロータシャフト１のキー溝３のコーナ部４Ｂへの超音波伝搬方向がＸ軸に平行である場合、超音波入射位置Ｉ（Ｉ_x，Ｉ_y，Ｉ_z）は下記の数式１で与えられる。ｒはロータシャフト１の半径、ｈはキー溝３の深さ、ｗはキー溝３の幅（Ｘ軸方向寸法）、αはＺ−Ｘ面における超音波の照射角度（例えば約４５度）である。

また、コーナ部４Ｂの近傍の超音波照射位置をＪとし、上記の超音波入射位置ＩからＺ軸へ降ろした垂線の交点をＫとしたときの立体角∠ＪＩＫ（すなわち、超音波の照射立体角θ）は、ベクトル演算を用いて下記の数式２で与えられる。

図６に、図５における超音波ビーム照射方向の断面図（ＩＪ通過面）を示す。この断面はロータシャフト軸（図中Ｚ軸）に対して４５°方位であるため、表面は楕円形状になる。図６中に超音波探触子６とキー溝に発生するき裂を図示した。超音波ビームの伝播方向（図中実線矢印）は、超音波探触子６の設置位置と正対方向における円柱形状をしたロータシャフト１の外周面の法線方向に対して超音波屈折角θの方向である。言い換えれば、超音波探触子６の設置位置や正対方向によって、超音波屈折角θが変わることが、本検査対象の難しい点である。例えば、き裂発生方向がずれた場合、き裂に対する超音波入射角を変える必要があり、超音波探触子６を前後左右に移動する必要がある。このため、図６の楕円の長軸と短軸の比が異なるため、超音波探触子の屈折角θを調整する必要がある。

次に、上述した超音波探傷装置の動作と制御手順を、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態における超音波探傷装置での制御処理内容を表すフローチャートである。なお、この制御処理は、探触子移動制御器１０の内部メモリ及び探傷制御器１１の内部メモリに予め記憶されたプログラムに基づいて行われるものである。また、超音波探触子に超音波アレイセンサを用いた場合、探傷制御器１１で超音波アレイセンサへの超音波送信制御，受信信号処理を行う。以下では、超音波アレイレンサを用いた場合について記す。

まず、ステップ１００において、探触子移動制御器１０は探触子移動機構を制御して超音波探触子６を移動して（例えば図８で示す位置６ａ）、超音波を照射する。探傷制御器１１は、超音波探触子６に送信指令を出力して超音波探触子６からき裂が発生した検査対象のコーナ部４Ｂに超音波を照射させる。例えば図８で示すように、上述した超音波入射位置Ｉに配置させて、欠陥特徴点の信号であるコーナエコーあるいは端部エコーが探傷結果として表示器１２に表示されるように、位置６ａにおけるロータシャフト１の外面の法線方向を回転軸として超音波探触子６を回転させる。

ステップ１１０では、位置６ａにおける探傷結果を表示器１２に表示させる。探傷結果の表示においては、例えば、センサ位置を固定して超音波の送受信角度を電子的に切り替え表示するフェーズドアレイ法でのセクタ走査を行う。セクタ走査では、検査対象の断面を表示する。例えば、位置６ａでの探傷画像はＡ−Ａ′断面が表示される。

ステップ１２０では、超音波信号と形状情報との照合を行う。これは、超音波信号照合手段１１ａの実行内容である。ここでは、ステップ１１０で得た探傷画像に形状情報記憶装置１３が有する形状情報に基づいて形状あるいは欠陥から超音波信号が反射すると予測される信号位置との照合を行う。ここで形状あるいは欠陥から超音波信号が反射すると予測される信号位置は、形状情報と超音波探触子の位置，角度から超音波の伝播経路を解析することで求められる。ステップ１２０で得られる探傷画像において、超音波探触子を移動あるいは回転した場合、図６を用いて説明したように、超音波探触子位置，角度によって超音波検査を実施している断面形状が大きく変化する。例えば、図８における位置６ａでの探傷面であるＡ−Ａ断面はロータシャフト軸に対して約４５°方向であるため、ロータシャフト外面輪郭形状は図６に示すように長軸と短軸の比が２：１の略楕円形状となる。しかし、図８における位置６ｂでの探傷面におけるロータシャフト外面輪郭形状は略長方形形状になる。また、図８における位置６ｃでの探傷面におけるロータシャフト外面輪郭形状は略楕円形状になる。このとき、曲面上の探傷であるため超音波探傷面の設置状態により超音波探触子が安定せず、超音波探傷結果に出現する形状信号が形状信号出現位置情報と一致しない場合も想定される。この場合、探触子の設置状態を考慮して探傷結果と形状信号位置を一致させる位置合せを行う。これは、位置合せ手段１１ｂの実行内容である。これにより超音波探触子の設置面が不安定で、設定した位置や角度とずれが生じていても、ずれを補正し測定が可能となり、より信頼性の高い測定が行える。

ステップ１３０では、欠陥特徴点の抽出を行う。これは、欠陥特徴点抽出手段１１ｃの実行内容である。ここで、欠陥特徴点の抽出方法について説明する。超音波探触子位置と超音波ビーム照射方向から先に述べた探傷断面が得られる。超音波信号の反射源は、欠陥想定部あるいはキー溝のＲ部であるため、ＣＡＤ等の形状情報に基づいた幾何学的位置関係から、超音波探触子位置と反射が予想できる位置との距離が算出される。一方、超音波探傷で得られる信号は反射強度の時刻歴情報であるが、予め測定あるいは入手した材料音速を考慮すれば、超音波反射信号源までの距離が算出できる。そこで、超音波信号から得られた距離を形状情報から幾何学的位置関係に算出した距離を比較することで、超音波信号が形状に起因した信号か、欠陥に起因した信号かが判別できる。

また、ステップ１１０で位置合せにより、超音波探触子が安定せず、超音波探傷結果に出現する形状信号が形状信号出現位置情報と一致しない場合でも、形状に起因した信号は判別できるようになる。

これにより、形状情報記憶装置１３から当該部の形状情報を抽出し、探傷制御器１１から得た超音波探触子の位置情報に基づいて探傷結果を形状情報上に表示させることで、欠陥に起因した信号（コーナエコー、端部エコーを含む）か、形状に起因した信号かの判別ができ、欠陥特徴点の情報を抽出できる。

ステップ１４０では、信号強度の抽出を行う。これは、信号強度抽出手段１１ｄの実行内容である。超音波探傷で得られる信号は反射強度の時刻歴情報である。そのため、ステップ１３０で超音波探触子位置情報と形状情報から、欠陥信号が出現する時刻歴範囲が計算により得られる。そこで、その時刻歴範囲にゲートを設定し、その範囲における最大信号強度を抽出する。信号強度の抽出に当たっては、例えば、信号強度のしきい値を設定し、そのしきい値より大きい強度の信号を要分析信号として抽出し、探傷制御器１１内に記憶する。この信号強度は後で説明するステップ２００で用いる。

本発明では、き裂を検出した場合にき裂高さを測定する際に適用する方法である。したがって、本発明による超音波探傷装置を適用するに当たって、き裂が発生する方向に対して適切に超音波を照射すれば、後述する欠陥特徴点が画像に表示される。超音波探触子で受信した超音波から欠陥特徴点として表示される信号として、き裂先端部から発生する回折波である端部エコーと、き裂根元部からの反射信号であるコーナエコーがある。

ステップ１５０では、欠陥特徴点の個数に関する判定を行う。欠陥特徴点の個数が１つか、２つ以上かの判定を行い、それによりこの後の処理が異なる。欠陥特徴点が１つの場合、コーナエコーのみしか抽出できていないと判断して、超音波探触子位置を移動して、端部エコーの抽出を行うため、ステップ１８０の手続きに進む。欠陥特徴点が２つ以上の場合はコーナエコーと端部エコーが含まれていると判断し、き裂高さ算出の手続きのためステップ１６０に進む。

ステップ１６０では、欠陥特徴点の中からき裂先端部の信号である端部エコーとき裂根元部の信号であるコーナエコーの信号を抽出する。これは、欠陥特徴点判別手段１１ｅの実行内容である。ここで、信号が２つの場合は超音波探触子の位置および向き、超音波ビーム照射方向，検査対象であるロータシャフトとの位置関係から、端部エコーとコーナエコーを判別することができる。詳細はステップ１７０で述べる。しかし、欠陥特徴点が３点以上抽出された場合、超音波探触子の位置および向き、超音波ビーム照射方向，検査対象であるロータシャフトとの位置関係から、まずコーナエコーを抽出する。コーナエコーはき裂根元部であることから形状との境界部に発生する特徴を利用して、抽出できる。また、一般にコーナエコー強度が他の欠陥信号に比べて最も大きくなるため、信号強度に基づいて抽出することもできる。次に、端部エコーの抽出であるが、コーナエコーから最も離れたエコーを端部エコーとして抽出する。これは、他の欠陥特徴点の要因として、き裂根元部とき裂先端部の途中に発生する屈曲点のような部位から反射波が発生する場合があることによる。

ステップ１７０では、ステップ１６０で抽出されたコーナエコーと端部エコーの２点の信号に基づいて欠陥高さを算出する。これは、き裂高さ算出手段１１ｇの実行内容である。例えば、図９に示すような探傷画像が得られたとする。これは、図８の位置６ａに超音波アレイセンサを設置し、セクタ走査をすることにより得られた画像の一例である。参考に、超音波ビーム照射方向の断面を点線で図示した。Ｄ１に示す扇形の範囲が超音波測定範囲であり、Ｄ２は超音波アレイセンサの基準点である。また、Ｄ３およびＤ４が欠陥特徴点であり、超音波アレイセンサの位置と向き，超音波ビーム照射方向，検査対象であるロータシャフトとの位置関係，き裂の進展方向を考慮すると、Ｄ３がコーナエコーとなり、Ｄ４が端部エコーとなる。図中角度θは、数式２で得られる超音波の照射立体角である。また、Ｄ３とＤ４の距離Ｈを測定することにより、き裂高さを算出することができる。ここで、き裂高さを算出して、検査は終了となる。上記方法によりロータシャフトのような曲面形状であっても超音波探触子を用いたき裂高さを測定することができる。なお、この後に検査データの拡充と更なる信頼性向上のために、ステップ１００から検査してもよい。

しかし、ステップ１５０において、欠陥特徴点が１つしか抽出されなかった場合、ステップ１８０に進む。この場合、超音波探触子の位置を移動させて再度探傷を行い、欠陥特徴点が２つ抽出できるように試みる。その際、超音波探触子の移動は、例えば、図８に示すように位置６ａから位置６ｂ、そして位置６ｃへと移動させる。このとき、超音波探傷により探傷データを収録する際には、超音波をき裂に照射するように、超音波探触子を回転させて常に欠陥発生部の方に向けるように超音波探触子の向きを制御する。なお、ステップ１８０では超音波探触子の移動量に限界値（例えば、位置６ｃ）を設定しておき、その位置までステップ１００に戻り、ステップ１００以下の手順で探傷を行う。

しかし、ステップ１８０において、超音波探触子の移動量の限界に達したとき（例えば、位置６ｃまで移動）、ステップ１９０に進む。ステップ１９０ではステップ１４０で得た信号強度からき裂高さを算出する。これは、校正曲線記憶手段１１ｆの実行内容である。このステップでは、き裂が小さい場合やき裂の向きと超音波探触子の位置関係から、信号が１つしか検出できない場合を想定している。この場合の信号はコーナエコーとして扱う。コーナエコー強度はき裂高さと相対関係があるため、予め作成した校正曲線（例えば図１０）とコーナエコー強度を照合する。

そして、ステップ１９０において、ステップ１８０の照合結果からき裂高さを算出する。ここでは、図１０に示す校正曲線を用いて、き裂高さ算出法を簡単に説明する。図中●記号は、試験体等で予め測定したデータであり、これらを元に図中直線で示す校正曲線を作成しておく。実際の測定において、コーナエコー強度がＭと得られたとき、校正曲線図では図中□記号のデータとなり、校正曲線に基づいてき裂高さはＮで算出できる。ここで、き裂高さを算出して、検査は終了となる。以上によりコーナの近くにき裂が発生し信号が１つしか検出できない場合であっても精度よくき裂高さを評価できる。

本実施形態の作用効果を説明する。本発明の実施形態によれば、超音波をロータシャフト軸方向に対して斜め方向に入射させるようなロータシャフトの超音波検査において、非解体検査によりき裂高さを測定することができる。また、探傷結果の信頼性を向上させることができる。

１ ロータシャフト
２ カップリング
３ キー溝
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ キー溝のコーナ部
５ き裂
６ 超音波探触子
６ａ，６ｂ，６ｃ 超音波アレイセンサ
７ レール
８ スキャナ
９ アーム
１０ 探触子移動制御器
１１ 探傷制御器
１１ａ 超音波信号照合手段
１１ｂ 位置合せ手段
１１ｃ 欠陥特徴点抽出手段
１１ｄ 信号強度抽出手段
１１ｅ 欠陥特徴点判別手段
１１ｆ 校正曲線記憶手段
１１ｇ き裂高さ算出手段
１２ 表示器
１３ 形状情報記憶装置
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ 探傷画像における特徴信号
Ｍ コーナエコー強度
Ｎ き裂高さ

Claims (14)

1. ロータシャフトの外周側に形成されてキーが嵌合されたキー溝における探傷を行う超音波探傷装置において、
   超音波探触子と、
   前記超音波探触子の位置および向きを制御する超音波探触子位置制御手段と、
   該探傷部位の形状情報を記憶した形状情報記憶手段と、
   前記超音波探触子の信号と、前記超音波探触子位置制御手段の制御に基づく超音波照射方向に対応した形状断面情報に基づいて超音波信号が反射すると予測される信号位置とを照合する超音波信号照合手段と、
   前記照合手段により得られた探傷断面より欠陥特徴点を抽出する欠陥特徴点抽出手段と、
   前記欠陥特徴点よりき裂高さを算出するき裂高さ算出手段を備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
2. 請求項１に記載の超音波探傷装置において
   前記超音波探触子の信号と、前記超音波探触子位置制御手段の制御に基づく超音波照射方向に対応した形状断面情報に基づいて超音波信号が反射すると予測される信号位置を補正する位置合せ手段を備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
3. 請求項１に記載の超音波探傷装置において
   前記欠陥特徴点の信号強度を抽出する信号強度抽出手段と、
   前記き裂高さ算出手段において、予め測定しておいたき裂高さと信号強度の関係を示す校正曲線を記憶する校正曲線記憶手段から、前記信号強度抽出手段から得られた信号強度を前記校正曲線記憶手段に照合し、き裂高さを算出することを特徴とする超音波探傷装置。
4. 請求項１に記載の超音波探傷装置において、
   欠陥特徴点の信号強度を抽出する信号強度抽出手段と、
   前記信号強度抽出手段により得られた欠陥特徴点の内、欠陥特徴点のき裂先端部信号とき裂根元部信号を判別する欠陥特徴点判別手段と、
   前記き裂高さ算出手段において、前記欠陥特徴点判別手段で得られた信号からき裂高さを算出することを特徴とする超音波探傷装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の超音波探傷装置において、
   前記ロータシャフトの周方向一方側に位置するコーナ部を検査対象とし、前記ロータシャフトの外周面の法線方向に対し斜めに超音波を入射させる超音波探触子を用いて検査する超音波探傷装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の超音波探傷装置において、
   前記超音波探触子を前記ロータシャフトの外周面に沿って前記ロータシャフトの周方向及び軸方向に移動可能としかつ回転させる探触子移動機構を備えた超音波探傷装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の超音波探傷装置において、
   超音波探触子として超音波アレイセンサを用いることを特徴とする超音波探傷装置。
8. ロータシャフトの外周側に形成されてキーが嵌合されたキー溝における探傷を行う超音波探傷方法において、
   超音波探触子の位置および向きを制御して超音波を照射するステップと、
   超音波探触子から照射した超音波の信号と、前記位置および向きの制御に基づく超音波照射方向に対応した形状断面情報に基づいて超音波信号が反射すると予測される信号位置とを照合するステップと、
   前記照合ステップで得られた探傷断面より欠陥特徴点を抽出するステップと、
   前記欠陥特徴点に基づいてき裂高さを算出するステップを有することを特徴とする超音波探傷方法。
9. 請求項８に記載の超音波探傷方法において、
   超音波探触子の信号と、前記位置および向きの制御に基づく超音波照射方向に対応した形状断面情報に基づいて超音波信号が反射すると予測される信号位置を補正する位置合せステップを有することを特徴とする超音波探傷方法。
10. 請求項８に記載の超音波探傷方法において、
    前記欠陥特徴点の信号強度を抽出する信号強度抽出ステップと、
    前記き裂高さ算出ステップにおいて、予め測定しておいたき裂高さと信号強度の関係を示す校正曲線を記憶する校正曲線から、前記信号強度抽出ステップで得られた信号強度を前記校正曲線とを照合し、き裂高さを算出することを特徴とする超音波探傷方法。
11. 請求項８に記載の超音波探傷方法において、
    欠陥特徴点の信号強度を抽出する信号強度抽出ステップと、
    前記信号強度抽出ステップで得られた欠陥特徴点の内、欠陥特徴点のき裂先端部信号とき裂根元部信号を判別する欠陥特徴点判別ステップと、
    前記き裂高さ算出ステップにおいて、前記欠陥特徴点判別ステップで得られた信号からき裂高さを算出することを特徴とする超音波探傷方法。
12. 請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載の超音波探傷方法において、
    前記ロータシャフトの周方向一方側に位置するコーナ部を検査対象とし、前記ロータシャフトの外周面の法線方向に対し斜めに超音波を入射させて検査することを特徴とする超音波探傷方法。
13. 請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載の超音波探傷方法において、
    前記超音波探触子を前記ロータシャフトの外周面に沿って前記ロータシャフトの周方向及び軸方向に移動させて探傷することを特徴とする超音波探傷方法。
14. 請求項８から請求項１３のいずれか一項に記載の超音波探傷方法において、
    前記超音波探触子に超音波アレイセンサを用い、超音波アレイセンサを構成する振動子毎の励振時間を制御して探傷することを特徴とする超音波探傷方法。

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