JP2014041085A - 超音波探傷方法および超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動子ユニット間に傾きが発生していても、超音波の送信方向が互いに平行となり、大きな有効ビーム幅を得ることが可能な超音波探傷方法および超音波探傷装置を提供する。
【解決手段】ｎ個（ｎ≧３）の振動子ユニットを配列させた超音波探触子を被検体に対向配置して超音波探傷する方法であって、ｎ個の振動子ユニットの中から、被検体に対して超音波ビームを送受信するための、ｍ個（ｎ≧ｍ≧３）の振動子ユニットからなる１以上のグループを選択するステップと、グループ毎に、超音波ビームが被検体に対して垂直に送受信されるように、グループ内の各振動子ユニットにおいて送信タイミングおよび／または受信遅延時間を調整するステップと、調整された送受信の条件を記憶するステップと、グループを順次切り替えながら、送受信の条件に基づいて被検体に対して超音波ビームを送受信するステップとを含む超音波探傷方法。
【選択図】図４

Description

本発明は超音波探傷方法および超音波探傷装置に係り、特に、鋼管等の被検体に存在する種々の疵を高精度で検出可能な超音波探傷方法および超音波探傷装置に関する。

鋼管等に存在する内部の疵の検査に、超音波探傷検査がしばしば利用される。超音波探傷検査を自動で行う方法の１つとして、被検体である鋼管を回転させながら、または超音波探触子を回転させながら管軸方向に一定のピッチで送り、検査を行う方法がある。

図１は、超音波探触子の構造、および、探触子の走査位置と得られる相対エコー強度との関係を模式的に説明する図である。超音波探触子は、一般的に２枚の電極１と、電極１に挟まれた圧電振動子２と、その背面のバッキング材３とで構成される。図１に示すように、超音波探触子の中央部分にエコー強度のピークが存在し、中央から離れる程、強度が低下する。そして、十分な精度が保証できる程度の範囲、例えば、探触子の中央部分での強度のピーク値に対して６ｄＢ低下するまでの範囲を「有効ビーム幅」という。

上述のように、一定のピッチで鋼管等を送りながら超音波探傷検査を行う場合、鋼管の全面において探傷を行うためには、送りピッチが有効ビーム幅以下でなければならない。製品の生産性を向上させるためには、送りピッチは大きい方が望ましく、すなわち、超音波探傷検査においては、有効ビーム幅の大きな超音波探触子を用いるのが望ましい。

さらに、高品質な製品を安定して供給するため、超音波探傷検査を用いて、被検体中のより細かい疵を高精度で検出することが可能な検査方法に対する要望が高まっている。その実現のためにも、有効ビーム幅を大きくする技術の改良は必要不可欠な課題であるといえる。

大きな有効ビーム幅を得る方法として、マルチ探触子またはアレイ探触子を用いる方法がある。マルチ探触子とは、例えば、図２に模式的に示すように、複数の振動子ユニットを有する探触子であり、超音波の送受信位置を順次変化させることによって有効ビーム幅を大きくするものである。

なお、本明細書中において、「振動子ユニット」とは、個別に超音波の送受信が可能な最小単位を指す。振動子ユニット間は、必ずしも完全に分断されている必要はない。図２に示すように、圧電振動子２が分断されていなくても、上下の電極１のうちの少なくとも一方が分断されていれば良い。

特許文献１には、アレイ探触子を構成する振動子背面の電極について、その両端の幅を内側より大きくし、またはさらに電極の形状を平行四辺形にすることによって、ビームパターンを均一化する方法が開示されている。

特許文献２には、複数の振動子を具備する超音波探触子において、選択された振動子を順次切り替え、適切な切り替えピッチを設定することにより、所定の有効ビーム幅を確保する方法が開示されている。

特開平９−１３８２２４号公報 特開２０１０−１２２０７２号公報

特許文献１および２に記載された方法は、いずれも各振動子ユニットから送信される超音波が互いに平行であることを前提としている。しかしながら、本発明者らは、探触子には各振動子ユニットの間に１°以下の範囲で傾きが生じ得ることを知見した。このような場合、図３に示すように、マルチ探触子を用いても、ビームパターンに乱れが生じて所定の有効ビーム幅が得られなくなることがある。

上記の各振動子ユニット間に生じる傾きの原因については明らかではないが、バッキング材３の収縮による歪み、または振動子ユニットとバッキング材３とを固定するためのエポキシ系接着剤の硬化時の歪みに起因しているものと考えられる。通常、超音波探触子は、背面にバッキング材３を備え、振動子ユニットを保持するとともに余分な振動を抑制している。バッキング材３は、ウレタンゴム等からなり、電極１ｂに塗布した後に凝固させる。また、振動子ユニットとバッキング材３との固定に、エポキシ系接着剤が用いられることがある。このバッキング材の凝固過程および／または接着剤の硬化過程において、歪みが生じ、振動子ユニット間の傾きが発生していると推測される。

本発明は、バッキング材等の歪みに起因した振動子ユニット間の傾きが発生していても、超音波の送信方向が互いに平行となり、大きな有効ビーム幅を得ることが可能な超音波探傷方法および超音波探傷装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の超音波探傷方法および超音波探傷装置を要旨とする。

（１）ｎ個（ｎ≧３）の振動子ユニットを配列させた超音波探触子を被検体に対向配置して超音波探傷する方法であって、
該ｎ個の振動子ユニットの中から、該被検体に対して超音波ビームを送受信するための、ｍ個（ｎ≧ｍ≧３）の振動子ユニットからなる１以上のグループを選択するステップと、
該グループ毎に、該超音波ビームが該被検体に対して垂直に送受信されるように、該グループ内の各振動子ユニットにおいて送信タイミングおよび／または受信遅延時間を調整するステップと、
調整された送受信の条件を記憶するステップと、
該グループを順次切り替えながら、該送受信の条件に基づいて被検体に対して超音波ビームを送受信するステップとを含むことを特徴とする超音波探傷方法。

（２）前記調整ステップが、前記グループ毎に、超音波探触子を調整用反射源に対向配置して超音波ビームを送受信し、エコー強度が最大となるように送受信の条件を調整するステップであることを特徴とする上記（１）に記載の超音波探傷方法。

（３）前記記憶ステップが、前記超音波ビームを前記被検体に対して斜めに送受信する場合には、偏角に応じた送信タイミングおよび／または受信遅延時間をさらに考慮した送受信の条件を記憶するステップであることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の超音波探傷方法。

（４）ｎ個（ｎ≧３）の振動子ユニットの配列を被検体に対向配置した超音波探触子を有する超音波探傷装置であって、
該ｎ個の振動子ユニットの中から、該被検体に対して超音波ビームを送受信するための、ｍ個（ｎ≧ｍ≧３）の振動子ユニットからなる１以上のグループを選択し、該グループ毎に、該超音波ビームが該被検体に対して垂直に送受信されるように、該グループ内の各振動子ユニットにおいて送信タイミングおよび／または受信遅延時間を調整する調整手段と、
該調整された送受信の条件を記憶する記憶手段と、
該グループを順次切り替えながら、記憶された該送受信の条件に基づいて被検体に対して超音波ビームを送受信する制御手段とを備えることを特徴とする超音波探傷装置。

（５）前記調整手段が、調整用反射源を有し、前記グループ毎に、超音波探触子を調整用反射源に対向配置して超音波ビームを送受信し、エコー強度が最大となるように送受信の条件を調整することを特徴とする上記（４）に記載の超音波探傷装置。

（６）前記記憶手段が、前記超音波ビームを前記被検体に対して斜めに送受信する場合には、偏角に応じた送信タイミングおよび／または受信遅延時間をさらに考慮した送受信の条件を記憶することを特徴とする上記（４）または（５）に記載の超音波探傷装置。

本発明によれば、バッキング材等の歪みに起因した振動子ユニット間の傾きが発生していても、超音波ビームの送信方向が互いに平行となるため、所定の有効ビーム幅を確保することができる。したがって、本発明に係る超音波探傷方法および超音波探傷装置は、鋼管の自動探傷を行う際に、送りピッチを大きくすることを可能にし、生産効率を向上させることができるだけでなく、より細かい疵まで精度良く検出することを可能とする。

超音波探触子の構造、および、探触子の走査位置と得られる相対エコー強度との関係を模式的に説明する図である。 複数の振動子ユニットを有するマルチ探触子の構造およびその有効ビーム幅を模式的に説明する図である。 バッキング材等の歪みによりビームパターンに乱れが生じる様子を模式的に説明する図である。 本発明に係る超音波探傷方法に用いられる超音波探触子の一例を模式的に示した図である。 超音波ビームが被検体に対して垂直に送受信されるように調整する方法の一例を示した図である。 斜角探傷法を模式的に説明する図である。 振動子ユニットの送受信条件の調整による振り角度と角度誤差との関係を示した図である。 本発明に係る超音波探傷方法と従来の超音波探傷方法との有効ビーム幅を比較した図である。

図４は、本発明に係る超音波探傷方法に用いられる超音波探触子を模式的に示した図である。超音波探触子は、ｎ個（ｎ≧３）の振動子ユニットを配列させたものであり、図示しない被検体に対向配置することで、超音波探傷に用いられる。被検体に対する超音波ビームの送受信は、ｎ個の振動子ユニットの中から選択される、ｍ個（ｎ≧ｍ≧３）の振動子ユニットからなるグループ毎に行う。なお、選択されるｍ個の振動子ユニットは互いに隣り合っていることが望ましい。

一例として、図４に示す構成を用いて詳しく説明する。図４に示す超音波探触子は、８個の振動子ユニットを配列させており、１回目の超音波ビームの送受信を左側６個の振動子ユニットからなる第１グループで行い、２回目の送受信を右側６個の振動子ユニットからなる第２グループで行う。超音波ビームを送受信するグループは１つでも良いが、２つ以上であれば位置を順次変化させながら超音波ビームの送受信を行うことができるようになるため好ましい。また、大きな有効ビーム幅を得るためには、図４の場合のように、各グループ中の振動子ユニットが、他のグループ中の振動子ユニットと、一部が重複していることが好ましい。

本発明における超音波探触子について、より詳細に説明する。本超音波探触子は、第１電極１ａ、圧電振動子２、第２電極１ｂおよびバッキング材３を順に積層し、接合したものである。

上述のように、振動子ユニットは、個別に超音波の送受信が可能な最小単位を指し、振動子ユニット間は、必ずしも完全に分断されている必要はない。図４に示す構成では、第２電極１ｂを分割することによって、８個の振動子ユニットとしている。振動子ユニットの配列方向は、被検体の長手方向と一致しているのが望ましい。

個別に超音波の送受信が可能な状態にするためには、第１電極１ａおよび第２電極１ｂの少なくとも一方が分割されていれば良いが、さらに、圧電振動子２を分割しても良い。圧電振動子２を分割することによって、隣接する振動子の振動を遮断可能となる。圧電振動子２を分割する場合、分割位置は、電極の分割される位置と一致しているのが望ましい。

振動子ユニットの幅については特に制限はないが、各振動子ユニットの幅は５ｍｍ以下であるのが好ましい。配列直交方向の振動子ユニットの長さについては特に制限はなく、配列方向開口寸法とのバランスにより決定すれば良い。

また、振動子ユニットから送信される超音波の周波数については、特に制限は設けないが、２〜１０ＭＨｚとするのが望ましい。

上述のように、バッキング材３に歪みが発生し、振動子ユニット間に傾きが発生すると、ビームパターンに乱れが生じ、大きな有効ビーム幅が得られなくなる。そこで、本発明に係る超音波探傷方法では、超音波ビームを送受信するグループ毎に、グループ内の各振動子ユニットにおいて送信タイミングおよび／または受信遅延時間を調整することによって、超音波ビームが被検体に対して垂直に送受信されるようにする。この調整によって、超音波ビームの送受信方向が互いに平行となるため、大きな有効ビーム幅を得ることが可能となる。

なお、送信タイミングの調整とは、グループ内の各振動子ユニットから超音波を送信するタイミングにずれを生じさせることをいう。また、受信遅延時間の調整とは、グループ内の各振動子ユニットで受信した信号に所定の遅延時間を加えて合成することをいう。これらの調整の一方または両方を行うことによって、超音波ビームの送受信方向を変化させることができる。

超音波ビームが被検体に対して垂直に送受信されるように各振動子ユニットの送信タイミングおよび／または受信遅延時間を調整する方法について、特に制限はないが、例えば以下の手順により行うことができる。

図５に示すように、超音波探触子を調整用反射源４に対向配置して、グループ毎に超音波ビームを送受信する。この際、各振動子ユニットの送受信の条件である、送信タイミングおよび／または受信遅延時間を調整することによって、超音波ビームの方向を０．１°ピッチで±２°の範囲で振る。調整用反射源４からのエコー強度が最大となる振り角度が、超音波ビームが垂直に送受信される角度であると判断できる。エコー強度が最大となる振り角度は、グループ毎に選定する。なお、調整用反射源４については、特に制限はないが、例えば、平板底面または鋼管底面（内面）を用いることができる。

超音波ビームが被検体に対して垂直に送受信されるように、各振動子ユニットにおける送信タイミングおよび／または受信遅延時間の調整を行ったら、その超音波ビームの送受信の条件を記憶する。

被検体に対して超音波ビームを垂直に送受信する垂直探傷法を用いる場合は、上記の調整された送信タイミングおよび／または受信遅延時間の条件のまま記憶すれば良い。また、図６に示すように、被検体５に対して斜めに送受信する斜角探傷法を用いる場合は、その偏角αに応じた送信タイミングおよび／または受信遅延時間をさらに考慮した送受信の条件を記憶する。

その後、記憶された送受信条件に基づいて被検体に対して超音波ビームを送受信する制御を行い、被検体の超音波探傷検査を実施する。超音波ビームを送受信するグループが２つ以上である場合は、位置を順次切り替えながら超音波ビームの送受信を行う。

鋼管等の被検体の超音波探傷検査を自動で行う場合、被検体をその場で回転させながら探触子を被検体の長手方向に送りながら行っても良いし、超音波探触子をその場で回転させながら被検体を長手方向に送りながら行っても良い。

鋼管等の超音波探傷検査を行う際は、被検体を水中に浸しながら検査を行う、水浸法を用いるのが望ましい。また、被検体の全体を水浸させなくても、探触子と被検体の間隙のみを水で充填する機能を備えた探触子ホルダーを用いても良い。探触子ホルダーを用いる場合、探触子と探触子ホルダーとを被検体の長手方向に移動させ、被検体をその場で回転させる機構とすることができる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

図７は、２ｍｍ幅振動子６個および４ｍｍ幅振動子３個のそれぞれの探触子について、送受信条件の制御により、振り角度を設定した場合、どの程度の誤差が生じるかを調査した結果を示す図である。本結果より、何れの探触子を用いた場合でも±２°の範囲では、０．１°以内の誤差で超音波ビームの送受信方向を振れることが分かった。

したがって、２°程度振動子ユニット間に傾きが生じていても、同時に送受信するグループ毎の振動子ユニットの送受信条件を制御することにより、互いに平行な超音波ビームを送信することが可能である。

図４に示す構成の超音波探触子を用いて、本発明に係る送受信条件の制御を行った場合と、行わなかった場合とで有効ビーム幅の比較を行った。第２電極で分割された振動子ユニットの幅は２ｍｍであり、配列に直交する方向の長さは１３ｍｍである。また、振動子の周波数は５ＭＨｚとした。同時に送受信する１グループの振動子ユニットは６つであり、図３および４に示すように、２グループに分けて送受信を行い、それぞれを重ね合わせた。

有効ビーム幅の評価は、直径４ｍｍの鋼球、および外径１６０ｍｍ、肉厚２０ｍｍの鋼管外面の１２．７ｍｍスリット疵を反射源として、６つの振動子ユニットで送受信した場合の近距離音場限界距離付近となる水距離１２０ｍｍで、水浸法を用いて行った。鋼球およびスリット疵の双方におけるビームプロファイルを図８に示す。なお、有効ビーム幅は、強度のピーク値に対して、鋼球では６ｄＢ低下するまでの範囲、スリット疵では２ｄＢ低下するまでの範囲とした。

図８から、送受信条件の制御を行う本発明の超音波探傷方法を採用した場合、制御を行わなかった場合と比較して、有効ビーム幅が広いことが分かる。

本発明によれば、バッキング材等の歪みに起因した振動子ユニット間の傾きが発生していても、超音波ビームの送信方向が互いに平行となるため、所定の有効ビーム幅を確保することができる。したがって、本発明に係る超音波探傷方法および超音波探傷装置は、鋼管の自動探傷を行う際に、送りピッチを大きくすることを可能にし、生産効率を向上させることができるだけでなく、より細かい疵まで精度良く検出することを可能とする。

１．電極
１ａ．第１電極
１ｂ．第２電極
２．圧電振動子
３．バッキング材
４．調整用反射源
５．被検体

Claims (6)

1. ｎ個（ｎ≧３）の振動子ユニットを配列させた超音波探触子を被検体に対向配置して超音波探傷する方法であって、
   該ｎ個の振動子ユニットの中から、該被検体に対して超音波ビームを送受信するための、ｍ個（ｎ≧ｍ≧３）の振動子ユニットからなる１以上のグループを選択するステップと、
   該グループ毎に、該超音波ビームが該被検体に対して垂直に送受信されるように、該グループ内の各振動子ユニットにおいて送信タイミングおよび／または受信遅延時間を調整するステップと、
   調整された送受信の条件を記憶するステップと、
   該グループを順次切り替えながら、該送受信の条件に基づいて被検体に対して超音波ビームを送受信するステップとを含むことを特徴とする超音波探傷方法。
2. 前記調整ステップが、前記グループ毎に、超音波探触子を調整用反射源に対向配置して超音波ビームを送受信し、エコー強度が最大となるように送受信の条件を調整するステップであ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. 前記記憶ステップが、前記超音波ビームを前記被検体に対して斜めに送受信する場合には、偏角に応じた送信タイミングおよび／または受信遅延時間をさらに考慮した送受信の条件を記憶するステップであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波探傷方法。
4. ｎ個（ｎ≧３）の振動子ユニットの配列を被検体に対向配置した超音波探触子を有する超音波探傷装置であって、
   該ｎ個の振動子ユニットの中から、該被検体に対して超音波ビームを送受信するための、ｍ個（ｎ≧ｍ≧３）の振動子ユニットからなる１以上のグループを選択し、該グループ毎に、該超音波ビームが該被検体に対して垂直に送受信されるように、該グループ内の各振動子ユニットにおいて送信タイミングおよび／または受信遅延時間を調整する調整手段と、
   該調整された送受信の条件を記憶する記憶手段と、
   該グループを順次切り替えながら、記憶された該送受信の条件に基づいて被検体に対して超音波ビームを送受信する制御手段とを備えることを特徴とする超音波探傷装置。
5. 前記調整手段が、調整用反射源を有し、前記グループ毎に、超音波探触子を調整用反射源に対向配置して超音波ビームを送受信し、エコー強度が最大となるように送受信の条件を調整することを特徴とする請求項４に記載の超音波探傷装置。
6. 前記記憶手段が、前記超音波ビームを前記被検体に対して斜めに送受信する場合には、偏角に応じた送信タイミングおよび／または受信遅延時間をさらに考慮した送受信の条件を記憶することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の超音波探傷装置。