JP2014081376A - ボイラー管の低温側クラッキングを決定する方法およびその方法を達成するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】管の超音波非破壊試験を実行するための走査装置を提供する。
【解決手段】走査装置は、ハウジングを具え、ハウジングは、導波路アセンブリおよびエンコーダ・アセンブリを収容するためのキャビティを備えた凹状にカーブした底面を有し、導波路アセンブリは、互いに連通する導波路およびプローブを具え、導波路は、管の外面に整合する輪郭を示す少なくとも１つの面を有し、導波路は、プローブによって発生する超音波信号の管内への伝送を容易にし、エンコーダ・アセンブリは、管と接触するばね付勢車輪を具え、走査装置が管の縦軸の方向に移動するとき、エンコーダ・アセンブリは、管上の位置に対するプローブの位置を表す信号を供給する。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、ボイラー管のクラッキングを決定する方法に関するものである。特に、本発明は、ボイラー管の低温側クラッキングを決定する方法およびこの決定する方法のための装置に関するものである。

ボイラー管故障は、化石燃料発電所の強制的シャットダウンの主な原因である。熱、圧力および時間経過による損耗（ウェア）のような様々な動作条件の結果、ボイラー管は、最終的に、円周方向および軸方向のクラックおよび（浸食および腐食による）壁薄層化を発達させて故障を開始する。ボイラー管が漏出させ始めると、例えば、漏出する蒸気はボイラー環境から失われる。漏出が発見され、修理されない限り、管が最終的に破裂するまで、漏出は増加し続け、それによって、ボイラーを動作しているユーティリティに、直ちにボイラーをシャットダウンさせる。これらの故障はユーティリティに非常に費用がかかるので、早期にボイラー管の漏出を検出する方法は非常に望ましい。

ボイラー・システムにおいて、材料を溶接することによって管を相互接続し、水壁を形成することができる。水壁を形成するための管の構造の結果、市販の走査装置は、管の円周方向を一周完全に走査することができない。さらに、水壁管は、シャットダウンの間、管の高温側からアクセスできる。管の高温側は、ボイラー内の炎および高温ガスと直接接触する側であり、一方、低温側は、高温側反対側に配置され、防護に接触している。クラッキングは、一般に、防護され、防護を除去せずには容易にアクセスできない管の「低温側」の取付溶接で発生する。したがって、改良した走査装置をボイラー管検査のような用途に提供することが望ましい。

本発明は、管の超音波非破壊試験を実行するための走査装置であって、走査装置は、ハウジングを具え、ハウジングは、導波路アセンブリおよびエンコーダ・アセンブリを収容するためのキャビティを備えた凹状にカーブした底面を有し、導波路アセンブリは、互いに連通する導波路およびプローブを具え、導波路は、管の外面に整合する輪郭を示す少なくとも１つの面を有し、導波路は、プローブによって発生する超音波信号の管内への伝送を容易にし、エンコーダ・アセンブリは、管と接触するばね付勢車輪を具え、走査装置が管の縦軸の方向に移動するとき、エンコーダ・アセンブリは、管上の位置に対するプローブの位置を表す信号を供給する。

本発明は、さらに、走査装置を管に配置するステップを含む方法であって、走査装置は、ハウジングを具え、ハウジングは、導波路アセンブリおよびエンコーダ・アセンブリを収容するためのキャビティを備えた凹状にカーブした底面を有し、導波路アセンブリは、互いに連通する導波路およびプローブを具え、導波路は、管の外面に整合する輪郭を示す少なくとも１つの面を有し、導波路は、プローブによって発生する超音波信号の管内への伝送を容易にし、エンコーダ・アセンブリは、管と接触するばね付勢車輪を具え、走査装置が管の縦軸の方向に移動するとき、エンコーダ・アセンブリは、管上の位置に対するプローブの位置を表す信号を供給し、方法は、管の面を、導波路に接触させるステップと、プローブの中心線に対して２０度から４０度の入射角で、壁厚を通って円周方向に進行する超音波信号を管に導入するステップと、超音波信号が管のクラックに接触したとき、導波路を介して超音波信号を取り出すステップと、管内のクラックの位置を決定するために、超音波信号を分析するステップと、を含む。

例示的な走査装置の等角側面図である。 例示的な走査装置の等角底面図である。 例示的なハウジングに配置されている磁石・ねじアセンブリおよび導波路アセンブリのみを有するハウジングの底面図ある。 図１Ａの断面Ａ―Ａに沿う断面図である。 図１Ａの断面Ｂ―Ｂに沿う断面図である。 例示的な走査装置の端面図である。 図３Ｃの断面Ｃ―Ｃに沿う断面図である。 管壁を介して伝わる音を示す断面図である。

本願明細書において、管の非破壊試験用の携帯走査装置が開示される。管は、水壁の部分であり、通常、ボイラーおよび炉において用いられる。走査装置は、小型であり、異なる直径を有する管の使用に容易に適用され、特に蒸気発生器（ボイラー）の水壁管を走査するのに有益である。一実施形態では、携帯走査装置を用いて、水壁管の低温側にある取付溶接で発生するクラックを決定する、特に、通常、防護されているため防護を除去せずにはアクセス困難な取付溶接で発生するクラックを決定する。

本明細書で定義されるように、「管」という用語は、流体を輸送可能な包囲された経路を含む。閉経路は、（導管の軸方向に対して垂直に測定された場合）任意の所望の幾何学的形状を有することができ、円形、長円形、正方形、長方形の断面を有することができる。本明細書では、軸方向は、長手方向とも称され、導管の長さ方向に沿って測定される。

本願明細書では、携帯走査装置が水壁管の「高温側」に接触するとき、水壁管の「低温側」のクラック検出を可能にする方法が開示される。一実施形態では、走査装置が水壁管の高温側と接触するとき、本方法により、水壁管の低温側の軸のクラック検出が可能になる。本方法は、音波を、管外面の一部に接触するために機械加工された導波路に導入するステップを含む。音波は、超音波周波数範囲にある（以下「超音波信号」と称する）。超音波信号は、導波路材料を出て、スネルの法則に基づいて複数の角度で、管内で屈折する。超音波信号は、位相配列信号であり、管壁に導入され、管壁のいずれかの表面で開始される腐食疲労およびクラッキングの検出を容易にする。

走査装置は、プローブおよび超音波（ＵＴ）導波路（時々ウェッジとも称される）を迅速に交換可能に構成されているので、異なる直径を有する管の複数の検査が、迅速に容易になる。本願明細書において後述するように、走査装置の構成により円滑な動作が可能であるので、動作音またはスキューを除去または最小化することができる。

携帯走査装置は、超音波信号を水壁管に対して送受信するための導波路アセンブリと、走査装置を水壁管に保持するための磁気強度を調整するための磁石・ねじアセンブリと、（走査装置によって）管に沿って横断された距離を測定し、この距離を任意の検出したクラックに関連させるためのエンコーダ・アセンブリと、を含むハウジングを具える。導波路アセンブリ、磁石・ねじアセンブリおよびエンコーダ・アセンブリのための関連する支持機構および動作機構もまた、ハウジングに含まれる。

図１Ａおよび図１Ｂでは、管の非破壊試験を実行するための携帯走査装置１００が、例示的な実施形態に従って記載されている。図１Ａおよび図１Ｂは、例示的な携帯走査装置１００の等角図である。図１Ａは等角側面図であり、図１Ｂは等角底面図である。携帯走査装置１００は、上面１０４および底面１１０を有するハウジング１０２を含む。底面１１０は、上面１０４の反対である。携帯走査装置１００は、上面１０４の２つの端から下方へ延在し、対向する側壁１０６および１０８もまた有する。

一実施形態では、ハウジング１０２は、人が走査装置を把持するためのハンドルを有していない。ハウジング１０２が、個別のハンドルを有さずに手で把持および操作できるように、上面１０４および側壁１０６、１０８は設計される。ハウジング１０２の形状により、テスト者は、クラック用に検査される管上で走査装置１００を手動で導くことができる。手動で運搬および操作可能なように、ハウジング１０２が軽量であることが通常は望ましい。ハウジング１０２が最高約１１０°Ｆの適度に高い温度に耐えることができる材料から製造されることもまた望ましく、実際、やや高い温度環境で測定を実行することが望ましいということが判明している。ハウジング１０２は、金属、セラミックまたはポリマーから製造可能である。ハウジング１０２がポリマーまたはセラミックから製造されると、走査装置を落としてもクラッキングまたはチッピング（欠け）が生じないように、ポリマーまたはセラミックが衝撃に対して強化されることが望ましい。例示的実施形態では、ハウジング１０２は、ポリマーから製造される。例示的なポリマーは、木、熱可塑性ポリマーまたは熱硬化性樹脂である。

例示的な熱可塑性ポリマーは、ポリアセタール、ポリオレフィン、ポリアクリル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル酸塩、ポリアリールスルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリベンゾキサゾール、ポリフタルアミド、ポリアセタール、ポリ無水物、ポリビニルエーテル、ポリビニルチオエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルケトン、ポリビニルハロゲン化物、ポリビニルニトリル、ポリビニルエステル、ポリスルホン酸塩、多硫化物、ポリチオエステル、ポリスルホン、ポリシロキサン、ポリウレタン等、または、上述した熱可塑性ポリマーの少なくとも１つを具える組合せである。

例示的な熱硬化性ポリマーは、ポリウレタン、天然ゴム、合成ゴム、エポキシ、フェノール樹脂、ポリエステル、ポリアミド、シリコン等、または、上述した熱硬化性樹脂の少なくとも１つを具える組合せである。熱硬化性樹脂の混合および熱硬化性物質を有する熱可塑性樹脂の混合を利用することができる。

図２は、ハウジング１０２の底面１１０を示す。図１Ａおよび図１Ｂから分かるように、底面１１０は、水壁管の外面全体にわたり滑らかに動かすことができるように凹形の曲面を形成する。底面１１０の湾曲は、管外面の凸形の湾曲に適応するために凹形である。ハウジング１０２は、磁石・ねじアセンブリ１２０Ａ、１２０Ｂおよび１２０Ｃを収容するための開口部１１５（図１Ｂおよび図２参照）をその底面１１０に有するとともに、導波路アセンブリ１４０を収容するためのる開口部１７１（図２参照）およびエンコーダ・アセンブリ１６０を収容するための開口部１５９（図１Ｂおよび図２参照）を有する。図２の底面図（および図３Ｄの断面側面図）は、破線の楕円で表されている３つの磁石・ねじアセンブリ１２０Ａ、１２０Ｂおよび１２０Ｃを表す。第１の磁石・ねじアセンブリ１２０Ａは、第１端部１１４の近傍に位置し、第２の磁石・ねじアセンブリ１２０Ｂは、第１端部１１４から離れて位置する。第１の磁石・ねじアセンブリ１２０Ａおよび第２の磁石・ねじアセンブリ１２０Ｂは、導波路アセンブリ１４０を挟んで対向する側に位置する。第３の磁石・ねじアセンブリ１２０Ｃは、ハウジング１０２の第２端部１１６の近傍に位置する。第２の磁石・ねじアセンブリ１２０Ｂと第３の磁石・ねじアセンブリ１２０Ｃとの間に、エンコーダ・アセンブリ１６０（図３Ｄを参照して後述する）を収納するキャビティ１５９が位置する。

各磁石・ねじアセンブリは、円筒形の磁石１２２（アセンブリ１２０Ａ、１２０Ｂおよび１２０Ｃにそれぞれ対応する１２２Ａ、１２２Ｂおよび１２２Ｃ）と、ねじ１２４（アセンブリ１２０Ａ、１２０Ｂおよび１２０Ｃにそれぞれ対応する１２４Ａ、１２４Ｂおよび１２４Ｃ）と、を具え、ねじ１２４は、ハウジング１０２の空間に含まれるナット１３２（アセンブリ１２０Ａ、１２０Ｂおよび１２０Ｃにそれぞれ対応する１３２Ａ、１３２Ｂおよび１３２Ｃ）に調節可能にねじ留めされる。ナット１３２のための空間は、ナット１３２の外面に対応する幾何学的形状を有する。それゆえ、ナット１３２は、ナット１３２を適所に保つ空間において回転することができない。各磁石１２２は、その幾何中心にねじ１２４を通す穴を有する。ねじ１２４は、ハウジング１０２を通過し、ナット１３２によってねじ留めされる。ねじ１２４Ａ、１２４Ｂおよび１２４Ｃをそれぞれナット１３２Ａ、１３２Ｂおよび１３２Ｃ内で回転させることによって、ハウジング１０２の底面１１０に対するそれぞれの磁石１２２Ａ、１２２Ｂおよび１２２Ｃの位置を調整することができる。それゆえ、磁石１２２Ａ、１２２Ｂおよび／または１２２Ｃは、半径方向（半径方向距離が管の中心から測定される）に、水壁の管に近づけることもできるし、水壁の管から離すこともできる。磁石１２２を管２００に近づけるまたは管２００から離すことによって、管２００上の磁石１２２によって生ずる引力は変えられ、所望の力を印加し走査装置１００を管２００上で保持し（図３Ａ参照）、同時に、走査装置１００を、管２００に沿って容易に摺動させることができる。磁石１２２により、ユーザは管２００に取り付けられたプローブを保持し、ユーザは、エンコーダ位置基準を失うことなく、再位置決めすることができる。

図１Ｂ、図２および図３Ｄを参照すると、軟質吸収材料の少なくとも２つのストリップ、すなわち、液体（以下接触媒質）を吸収および放出することができる第１のストリップ１２６Ａおよび第２のストリップｌ１２６Ｂは、ハウジング１０２の底面１１０に配置されている。吸収材料の第１のストリップ１２６Ａおよび吸収材料の第２のストリップ１２６Ｂは、ハウジング１０２の底面１１０に接合される。吸収材料の第１のストリップ１２６Ａおよび吸収材料の第２の層１２６Ｂは、それぞれ第１の磁石１２２Ａおよび第２の磁石１２２Ｂを部分的に覆う。吸収材料の各層１２６Ａおよび１２６Ｂは、開口部１２７（図１Ｂ参照）を含み、調整のためのねじ１２４Ａおよび１２４Ｂそれぞれへのアクセスを可能にする。

走査装置１００が管２００の表面上を移動する間に、吸収材料の第１のストリップ１２６Ａおよび吸収材料の第２のストリップ１２６Ｂは、接触媒質を吸収および脱着することに加えて、シールとしても作用し、第１のストリップ１２６Ａおよび第２のストリップ１２６Ｂの間にそれぞれ接触媒質のフィルムを捕獲すなわち保持する。接触媒質のフィルムが、導波路１４２と、クラックを検査されている管２００と、の間に存在し、導波路１４２と管２００との間の超音波信号のカップリングを容易にする。接触媒質は、導波路１４２と管２００の間の領域に、接触媒質管１２８（図１Ａ参照）および接触媒質マニホルド１３０（図３Ｂ参照）を介して供給される。接触媒質マニホルド１３０は、ハウジング１０２内に含まれるまたは形成される管１８０、１８２および１８４を介して、底面１１０の複数のポート１８６と流体連通する。ポート１８６は、ハウジング１０２の底面１１０に配置され、導波路アセンブリ１４０の導波路１４２の一方側に存在する。図２は２列のポート１８６を示すが、１列でも十分であることに留意されたい。

走査装置１００が動作すると、接触媒質は、ハウジング１０２の底面１１０上のポート１８６から連続的に放出される。マニホルド１３０の管１８０、１８２および１８４は付加製造によってハウジング１０２の製造の間、ハウジング１０２の一部として鋳造され、これは後述されている。

接触媒質管１２８は、接触媒質供給源（例えば、加圧容器またはポンプであるが、図示せず）に接続されている第１端部と、ハウジング１０２の第２端部１１６に配置された接触媒質マニホルド１３０に接続されている第２端部と、を有する。接触媒質管１２８は、供給源（図示せず）から接触媒質を受けとり、その接触媒質を接触媒質マニホルド１３０に（例えば、とげのある部品（barbed fitting）を介して）送出し、次に、接触媒質マニホルド１３０は、接触媒質をハウジング１０２の底面１１０にある複数のポート１８６に直接送出する。接触媒質は、導波路１４２と検査される管２００との間に、かつ、吸収材料の第１のストリップ１２６Ａと第２のストリップ１２６Ｂとの間に層（本明細書において、「フィルム」と称される）を形成する。超音波信号は、この接触媒質フィルムを介して導波路１４２から管２００に送出される。接触媒質材は、水、有機溶剤またはゲルとすることができる。例示的な実施形態では、接触媒質は水である。

軟質吸収材料は、液体を吸収または脱着することができる繊維材料または多孔質材料を具えることができる。繊維材料は、ポリマーを具える織りまたは不織布の繊維ストリップ（例えば、フェルト）とすることができる。多孔質材料は、高分子発泡体とすることもできる。高分子発泡体は、１から１０００マイクロメートルの平均気孔サイズを有する。例示的な高分子発泡体は、セルロース、ポリウレタン、ポリアクリレート等を具える。例示的な実施形態では、軟質吸収材料は、フェルトである。接着剤を用いて、軟質吸収材料のストリップ１２６Ａおよび１２６Ｂをハウジング１０２の底面１１０へ接合することができる。

導波路アセンブリ１４０およびエンコーダ・アセンブリ１６０の詳細は、図１Ａから得られる断面図の図３Ａ〜図３Ｄを参照して提供される。図３Ａは図１ＡのＡ―Ａでの断面を表し、図３Ｂは図１ＡのＢ―Ｂでの断面を表す。図３Ｃは走査装置１００の端面図であり、図３Ｃにおける断面Ｃ―Ｃは図３Ｄに表される。図３Ｄは、走査装置１００のハウジング１０２内に組み立てられる導波路アセンブリ１４０およびエンコーダ・アセンブリ１６０を有するハウジング１０２の端面図の他の例示的な実施形態である。

図３Ａは、（図１Ａの）断面Ａ―Ａを表し、第１および第２の磁石・ねじアセンブリ１２０Ａ、１２０Ｂの間に配置される導波路アセンブリ１４０を示す。導波路アセンブリ１４０は、水壁管に対する超音波信号の送受信を容易にする。導波路アセンブリ１４０は、プローブ１５０に接触する導波路１４２を具える。プローブ１５０は、超音波（本明細書において、「信号」と称される）の位相配列を送受信する超音波トランスデューサである。一実施形態では、管２００に接触する導波路１４２の表面１４７は、凹形であるので、管２００の凸形の外面に接触することができる。導波路１４２の接触面１４７は、できるだけ密接に管面に接触するためにカーブしている。プローブ１５０近傍の導波路１４２の下方側面１５３は、ハウジング１０２から離れるにつれて漸減し、プローブ１５０に戻る超音波信号の反射を最小化し、超音波信号の干渉を防止する。導波路１４２の側面１５３および１５５は、テクスチャード加工され、これらの面からプローブ１５０への超音波信号の反射を最小化する。一実施形態では、導波路１４２の側面１５３および１５５は、ギザギザであり（例えば、鋸歯形状を有する）、プローブ１５０へ超音波信号の反射を最小化する。

導波路１４２のアーチ形の長さは、プローブ１５０の断面における側面よりはるかに大きい。導波路１４２のアーチ形の長さがこのように増加していることにより、強さおよび安定性がハウジング１０２内の導波路アセンブリ１４０に提供される。接触媒質が、導波路１４２の凹面と管２００の外側凸面との接触を容易にするので、超音波信号が管２００に導入され、信号は管２００から受信可能である。

ハウジング１０２内の摺動可能なホルダ１３１を取り外すことによって、導波路アセンブリ１４０（導波路１４２、プローブ１５０およびケーブル１５２を具える）は、ハウジング１０２の上面１０４を通って取り外すことができる。摺動可能なホルダ１３１は、ポリマーから製造され、ねじ１４４を収納する溝１９１を含む。ねじ１４４は、その一番下にばね付勢ボール１４５を有する。ばね付勢ボール１４５は、導波路１４２の上面（管２００に接触する面１４７に反対の面）に含まれる切欠きに、スナップ式で適合する。ねじ１４４は、ナット１４６に調節可能にねじ留めされ、ハウジング１０２内で導波路１４２を（管の）半径方向に移動させるのを容易にする。導波路１４２は、ナット１４６を回転させることによって、管２００（検査対象）に近づけることもできるし、離すこともできる。

摺動可能なホルダ１３１は、ハウジング１０２内に（摺動することによって）挿入可能であり、溝１８７および１８９によって、ハウジング１０２から取り外すことができる。摺動可能なホルダ１３１は、適所にあるときに、ハウジング１０２の一体部分であるブロック１５７によって支持される。

導波路アセンブリ１４０をハウジング１０２内に挿入するために、摺動可能なホルダ１３１は、溝１８７および１８９に沿ってハウジング１０２から摺動させることによって、最初に取り外される。次に、導波路１４２、プローブ１５０およびケーブル１５２を具える導波路アセンブリ１４０は、上面１０４のキャビティを通ってハウジング１０２内に挿入される。次に、摺動可能なホルダ１３１はハウジング１０２内に摺動して戻され、ばね付勢ボール１４５は、導波路アセンブリ１４０を適所に保持する導波路１４２のスロット１５１内にはめられる。

ハウジング１０２から導波路アセンブリ１４０を取り外すことが望ましいとき、導波路１４２を摺動可能なホルダ１３１から引き離すことによって、導波路１４２は、ばね付勢ボール１４５から引き抜かれる。次に、摺動可能なホルダ１３１は、溝１８７および１８９を介して、ハウジング１０２から摺動して取り出される。次に、導波路アセンブリ１４２は、ハウジング１０２の上面１０４にできた穴を介して、ハウジング１０２から取り出される。

導波路１４２は、光学的に透明なプラスチック部分を具える。光学的に透明なプラスチック部分は、ポリエステル、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、クロスリンクされたスチレン共重合体、ポリエーテルイミド等、または、上述したプラスチック部分の少なくとも１つを具える組み合わせを具える。一実施例では、導波路１４２は、適切な音響特性を有するＲＥＸＯＬＩＴＥ（登録商標、クロスリンクされたスチレン共重合体）、またはＬＵＣＩＴＥ（登録商標、ポリメチルメタクリレート）から機械加工される。

導波路１４２は、プローブ１５０を収容するスロット１５１を有する。一実施形態では、プローブ１５０と管２００と間の導波路１４２の部分は、超音波信号を管２００の方へ導く。

上述したように、導波路１４２の凹面が水壁管２００の外側凸面に整合する輪郭を示す導波路１４２を使用することが望ましい。１セットの管のために使用される導波路１４２を、半径が異なる、他のセットの管のための他の導波路に置換することが望ましい。それゆえ、導波路１４２をばね付勢ボール１４５から取り外し、その位置に、ばね付勢ボール１４５を使用して、新規な導波路（異なる輪郭面を有する）をはめることによって、導波路１４２を容易に置換することができる。既存の導波路１４２を新規な導波路１４２に置換する間、プローブ１５０は既存の導波路１４２から最初に取り外される。プローブ１５０を新規な導波路１４２に圧力圧入する前に、接触媒質は、新規な導波路１４２のスロット１５１に追加される。次に、新規な導波路１４２は、（ばね付勢ボール１４５を使用して）ハウジング１０２内の位置にはめられる。

有利なことに、導波路１４２の面１４７は管２００の外周に輪郭を合わせてカーブしているので、管２００の円周部分を走査することができる。例えば、管２００が２．５インチの直径を有する場合、走査装置１００に使用されるために選択される導波路１４２は、約１．２５インチの半径の輪郭を有する。図３Ａに示すように、管２００が水壁の部分である場合、これは特に有利である。水壁において、管２００は、溶接したウェブ（メンブレン）２０２によって、隣り合って連結される。一実施形態では、導波路１４２の輪郭によって、プローブ１５０は、管２００一方側のウェブ２０２から管２００の他方側のウェブ２０２まで、実質的に管２００の全体部分を走査することができる。

プローブ１５０は、導波路１４２と連通するように動作する。導波路１４２の上面のスロット１５１は、プローブ１５０を収容し、このプローブを、管２００の外面に対して一定の既知の方向および入射角で保持する。スロット１５１は、導波路１４２の製造中に鋳造可能であり、あるいは、導波路１４２に機械加工可能である。プローブ１５０は、導波路１４２に対して、取り付けおよび取り外しができる。上述したように、プローブ１５０は、導波路１４２に圧力圧入される。接触媒質をスロット１５１内で用いて、プローブ１５０と導波路１４２との間の適当な信号伝送を容易にすることができる。

プローブ１５０が取り外し可能であることによって、検査中の管の様々な寸法のために必要な、様々なサイズの導波路１４２を迅速に変更することができる。プローブ１５０は、超音波周波数範囲の音波を、導波路１４２を介して管２００に送信する。送信された音は、様々な角度で超音波信号を送信する位相アレイ信号内にある。

プローブ１５０は、一般に正方形の断面積を有するが、同様に、他の幾何学的な断面積（例えば、円形、三角形、多角形等）を有することもできる。導波路１４２内のプローブ１５０の位置は、所定の方向および角度で固定されるので、超音波信号は、管壁の高温側に導入され、円周方向に管壁の低温側に進むことができる。図３Ａに見られるように、プローブ１５０は、２本の線に関して２０度から４０度の入射角に位置し、第１の線は、プローブ１５０の断面積の中央を通り、第２の線は、管２００（調査対象）の中心および超音波信号が管２００の面に接触する点を通過する。第１の線と第２線との間のこの角度は、入射角と称される。入射角を２０度から４０度の間に調整することによって、音波は、スネルの法則に従って、図４に示すように円周方向に管２００内で屈折しながら進行する。プローブ１５０は、導波路１４２内で中心を外れて配置され、水壁のメンブレン２０２にできるだけ近い信号を得る（図３Ａ参照）。

プローブ１５０は、プローブ１５０から延在するケーブル１５２を含む（図１Ａ参照）。ケーブル１５２は、電気信号を、プローブ１５０と、超音波パルサーおよびレシーバ（図示せず）と、プローブ１５０から受信した電気信号を記録するメモリを有するコンピュータ（図示せず）（例えば、汎用コンピュータ、信号処理部またはアナライザ）と、の間で送信するように動作する。コンピュータは、受信情報を処理し、ディスプレイ・スクリーンを有するので、オペレータは、プローブ１５０から受信した電気信号の視覚的指示を視認することができる。様々なアプリケーションを用いて、検査から獲得および記録されたデータは、コンピュータによってグラフ形状に変換され、表示可能である。データのグラフ形状は、検査の質的および量的結果を超音波プローブ１５０を介して示すことができる。例えば、結果は、検査中の管壁における欠陥と、欠陥の程度（例えばサイズ、範囲および深さ）と、を含むことができる。図３Ｃの走査装置は、水壁管上に配置されて図示されており、水壁管は、それぞれの管２００に溶接されたメンブレン２０２によって一緒に保持された複数の管２００を具える。

一実施形態では、プローブ１５０は、超音波送信機の位相配列およびセンサを具える。位相配列は、順次パルス送信される線形または２次元のアレイの超音波トランスデューサを利用する。個々のウェーブレットの重ね合せにより、位相配列は、ビームの角度を導く能力を提供する。それゆえ、ビーム角度は、個々のパルスのタイミングを調整することによって設定可能である。複数の角度にわたって掃引する能力を有することによって、探知可能性を増加させることができる。

走査装置１００は、ハウジング１０２のキャビティ１５９（図２参照）に収納されるとともに、検査が開始される管２００上の物理的な位置に基準点を提供するように動作するエンコーダ・アセンブリ１６０と、進行中の検査に関してプローブ１５０からの応答を追跡および記録するための手段と、もまた具える。エンコーダ・アセンブリ１６０は、走査装置１００の底面１１０上の任意の位置に存在することができる。例示的な実施形態では、エンコーダ・アセンブリ１６０は、導波路アセンブリ１４０に面する側と反対の第２の磁石・ねじアセンブリ１２０Ｂの側に位置する。

図３Ｄにおいて、エンコーダ・アセンブリ１６０は、車輪１６２と連通するエンコーダ１６３を含み、車輪１６２は、走査装置１００が管２００に対して移動するように、管２００に載置され回転する。エンコーダ・アセンブリ１６０は、ハウジング１０２の部分であるブラケット１６７によって適所に保持される。車輪１６２およびエンコーダ１６３は、片持ち梁（カンチレバービーム）１６６の対向端部に懸架される軸（図示せず）上に載置され、片持ち梁１６６は、ブラケット１６７上に収納される軸１６５上で回転する。車輪１６２は、車輪１６２を管２００の方に向けて、管２００の面と接触させるばね１６４によってばね付勢される。ばね１６４は、ブラケット１６７に接触する一端と、車輪１６２が載置される軸に接触する他端と、を有する片持ちばねとすることができる。他の形状のばね（例えば、板ばね、コイルばね等）を用いることもできる。ばね１６４は、車輪１６２が回転せずに、走査装置１００が管２００上で移動するのを防止し、それゆえ、運動を記録しないのを防止する。エンコーダ１６３内のセンサは車輪１６２の回転を検出し、管２００に沿って移動するとき、プローブ１５０の相対的な位置を示す。エンコーダ１６３は、プローブ１５０の相対的な位置を表す電気的信号を、ケーブル１６６を介してコンピュータに出力するので、コンピュータは、プローブ１５０の読みと管２００上の指定位置とを相関付けることができる。

走査装置１００は、複数の硬化ウェア・ピン１９０（図１Ａおよび図２参照）もまた具え、複数の硬化ウェア・ピン１９０は、走査装置の第１端部および第２の端部の近傍の底面１１０に配置され、導波路への損傷を防止する。硬化ウェア・ピン１９０は、カーバイドから製造可能である。一実施形態では、少なくとも一対のカーバイド・ウェア・ピンは、第１端部１１４の底面１１０に配置され、他の対のカーバイド・ウェア・ピンは、第２端部１１６の底面１１０に配置されている。

後述するように、走査装置１００の動作の間、導波路１４２は、接触媒質を介して管２００に接触する。例示的な一実施形態では、導波路１４２は、管２００の縦軸と略平行な方向に走査するように配置可能である。管２００の縦軸は、図３Ａの紙面に垂直である。走査装置１００は、管２００の縦軸に沿って、（水壁の高温側上の）管２００の面に沿って移動する。走査装置１００は、メンブレン２０２（図３Ａ参照）にできるだけ近接して、管２００の面に沿って移動し、メンブレンの反対側であるが、走査が行われる側と同じ側の管上で、管の少なくとも四分円（９０度）の走査を得る。図４に関して、超音波信号は、所定の角度で管２００の壁に導入され、所定の角度は、管の形状および特性、すなわち、半径、材料、壁厚等によって決定される。

超音波信号２１０は、導波路１４２で屈折し、メンブレン２０２を通過して管壁を介して円周方向に進行する。スネルの法則のため、管壁に入射するとき、信号の角度はさらに約１０度屈折しうる。図４に示すように、超音波信号２１０は、管壁を介して円周方向に進行し、数字２２０によって表される。ビームの電子掃引は、音がメンブレンを通過するのを支援し、より垂直にクラッキングと相互作用することによって、方向を改良することができる。管２００の断面がクラックを含まないとき、ビームは、管壁を介して進行し、コンピュータ・スクリーン上に背景スペクトル（いかなるピークをも含まない）を生成する。信号が管壁のクラックに遭遇すると、音は音が進行する経路に沿って後ろに反射され、導波路１４２およびプローブ１５０によって受信され、ケーブル１５２を介してコンピュータに供給される。コンピュータ・スクリーンは、（背景スペクトルから区別される）より高い振幅ピークを含むスペクトルを示し、このより高い振幅ピークからクラックの位置および近似のサイズが検出可能である。クラックは、この方法によって検出可能である。一実施形態では、クラックを求めて管２００の低温側を完全に走査するために、走査装置１００は、（高温側上で）１８０度回転され、管２００の一方側で超音波信号を管２００に沿って送信したのと反対方向に、管２００の他方側で超音波信号を管２００を送信する。超音波信号またはより大きな強度を有する信号を用いることにより、管２００の全ての低温側が、管２００の一方側（高温側）に沿った単一の走査でクラックを検出可能である点に留意されたい。

図３Ａを参照して、管２００内のクラック位置を決定する方法が詳述される。管２００の四分円５００内のクラック位置を決定するために、走査装置は、管の四分円３００に沿って移動する。超音波信号（信号）は、管２００のメンブレン２０２を通過して反時計回りに横断し、クラックが四分円５００に存在する場合、信号は後ろに反射され、コンピュータ・スクリーンに表示される。同じ管２００の四分円６００の内クラック位置を決定するために、走査装置は、管の四分円４００に沿って移動する。超音波信号は管２００のメンブレン２０２を通過して時計回りに横断し、クラックが四分円６００内に存在する場合、信号は後ろに反射され、コンピュータ・スクリーンに表示される。管２００の走査された部分の２次元像または３次元像は、コンピュータ・スクリーンに表示可能である。

一実施形態では、走査装置１００を製造する１つの方法において、ハウジング１０２は、追加の製造ステップを含む方法によって最初に印刷される。追加の製造ステップは、３Ｄ製造とも称される。ハウジング１０２は、磁石・ねじアセンブリ１２０Ａ、１２０Ｂおよび１２０Ｃを収納するためのキャビティを含むように製造される。ハウジング１０２は、導波路アセンブリ１４０およびエンコーダ・アセンブリ１６０を収納するキャビティもまた含む。接触媒質を輸送するための管１８０、１８２および１８４は、ハウジング１０２に一体的に含まれる。言い換えると、管１８０、１８２および１８４は、ハウジング１０２内に形成され、個別にハウジング１０２に挿入されない。

次に、磁石・ねじアセンブリ１２０Ａ、１２０Ｂおよび１２０Ｃは、ハウジング１０２に取り付けられる。次に、軟質吸収材料１２６Ａおよび１２６Ｂ（例えば、フェルト）のストリップは、ハウジング１０２に接合される。次に、導波路アセンブリ１４０およびエンコーダ・アセンブリ１６０は、ハウジング１０２に取り付けられる。次に、カーバイド・ウェア・ピン１９０は、それぞれ、第３の磁石・ねじアセンブリ１２０Ｃおよびハウジング１０２のカーブする底面に配置可能である。磁石・ねじアセンブリおよび導波路アセンブリの位置は、これらのアセンブリの各々のためのねじ上のナットを回転させることによって調整可能である。次に、導管および電力供給は、上述した、それぞれの位置でハウジング１０２に接続される。

本願明細書において開示される走査装置および方法は、多数の効果がある。走査装置は、追加の製造技術（別名３次元印刷またはラピッド・プロトタイピング）を用いて印刷され、追加の製造技術によって軽量化、小型化、人間工学的な快適性を達成する。走査装置は、水壁管の外径に整合する特定の湾曲を有して印刷される。走査装置は、水壁管の外面に沿って変位する間のずれ（slippage）を防止するためのばね付勢車輪を有するエンコーダを有し、管の正確な軸位置を決定することができる。走査装置は、自給式の水経路およびプローブに接触媒質を送出するための通路を有する。走査装置は、接触媒質の管濡れおよび封じ込めに役立つフェルト挿入物を有する。走査装置は、プローブ導波路の損耗（ウェア）を制限するためのカーバイド・ウェア・ピンをも有する。

本願明細書において、「第１」、「第２」、「第３」等の用語が様々な要素、コンポーネント、領域、層および／または断面を記載するために用いられるが、これらの要素、コンポーネント、領域、層および／または断面がこれらの用語によって制限されてはならないということを理解されたい。これらの用語は、１つの要素、コンポーネント、領域、層または断面を、他の要素、コンポーネント、領域、層または断面から区別するために用いられるだけである。それゆえ、後述する「第１の要素」、「コンポーネント」、「領域」、「層」または「断面」は、本願明細書における教示を逸脱しない範囲で第２の要素、コンポーネント、領域、層または断面を意味することもありうる。

本願明細書において用いられる用語は、特定の実施形態のみを記載するためであって、制限することを意図しない。本明細書において、単数形で記載の要素は、前後関係から明らかに単数形に限定しない限り、複数形の要素を含むことを意図とする。「具える」、「含む」という用語は、本明細書において使われるとき、言及された特徴、領域、整数、ステップ、動作、要素および／またはコンポーネントの存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、領域、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネントおよび／またはそのグループの存在または追加を排除しないということを理解されたい。

さらにまた、本願明細書では、「下」、「底」、「上方」、「上」のような相対語を用いて、図示したように、１つの要素と他の要素との関係を記載する。相対語が、図示された方向に加えて装置の異なる方向を含むことを意図するということを理解されたい。例えば、ある図において装置が回転する場合、他の要素の「下」側にあると記載された要素、その他の要素の「上」側に配置されるであろう。それゆえ、「下」という例示的な用語は、図の特定の方向に応じて、「下」および「上」の両方の方向を含む。

本願明細書において用いられるすべての用語（専門的および科学的な用語を含む）は、他に定められない限り、本発明が属する分野における当業者によって一般に理解されるのと同一の意味を有する。一般的に用いられる辞書で定められる用語は、関連する技術および本発明の前後関係における意味と整合する意味を有するものとして解釈され、本願明細書において特に定められない限り、理想的または過度に形式的な意味で解釈されないということを理解されたい。

例示的な実施形態は、理想とされた実施形態の概略図である断面図を参照して、本願明細書において記載されている。よって、例えば、製造技術および／または製造公差の結果として、図示の形状からの変化が予想されうる。それゆえ、本願明細書において記載されている実施形態は、本願明細書において図示されたように領域の特別形状に限定して解釈されてはならず、例えば、製造から生じる形状に偏差を含むように解釈されるべきである。例えば、平坦に図示または記載された領域は、概して、でこぼこのおよび／または非線形の特徴を有しうる。さらに、図示の鋭角を、丸くすることができる。このように、図示された領域は事実上模式的であり、それらの形状は領域の正確な形状を示すことを意図せず、特許請求の範囲を制限することを意図しない。

本願明細書において「および／または」という用語は、「および」と「または」との両方を意味する。例えば、「Ａおよび／またはＢ」は、「Ａ」、「Ｂ」または「ＡおよびＢ」を意味するものと解釈されたい。

本発明は例示的な実施形態を記載するが、様々な変形が可能であり、開示された実施形態の範囲を逸脱せずに、等価物がその要素に代用可能であるということを当業者は十分に理解するものである。さらに、基本的範囲を逸脱せずに、特定の状況または材料を本発明の教示に適応させるために、多くの変更態様を実行することができる。それゆえ、本発明は、本発明を実行するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されることを意図していない。

Claims (30)

1. 管の超音波非破壊試験を実行するための走査装置であって、
   前記走査装置は、ハウジングを具え、
   前記ハウジングは、導波路アセンブリおよびエンコーダ・アセンブリを収容するためのキャビティを備えた凹状にカーブした底面を有し、
   前記導波路アセンブリは、互いに連通する導波路およびプローブを具え、
   前記導波路は、前記管の外面に整合する輪郭を示す少なくとも１つの面を有し、
   前記導波路は、前記プローブによって発生する超音波信号の前記管内への伝送を容易にし、
   前記エンコーダ・アセンブリは、前記管と接触するばね付勢車輪を具え、
   前記走査装置が前記管の縦軸の方向に移動するとき、前記エンコーダ・アセンブリは、前記管上の位置に対する前記プローブの位置を表す信号を供給し、
   前記走査装置は、水壁の一方側上のクラックを、前記水壁の対向する側に配置されながら検出するように動作する、
   走査装置。
2. 前記走査装置は、ねじを介して前記ハウジングに取り付けられる磁石・ねじアセンブリをさらに具え、
   前記磁石・ねじアセンブリの磁石は、円筒状磁石であり、前記走査装置と、特性が測定されることとなる管と、の接触を容易にするように動作する、
   請求項１記載の走査装置。
3. 前記ハウジングは、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマーまたはそれらの組み合わせを具える、
   請求項１記載の走査装置。
4. 前記ハウジングは、少なくとも２つの磁石・ねじアセンブリを具え、前記少なくとも２つの磁石・ねじアセンブリは、前記導波路アセンブリの反対側に配置されている、
   請求項２記載の走査装置。
5. 前記ハウジングは、少なくとも３つの磁石・ねじアセンブリを具え、前記磁石・ねじアセンブリの少なくとも２つは、前記導波路アセンブリの反対側に直接配置されている、
   請求項１記載の走査装置。
6. 前記ハウジングに接触する軟質吸収材料の２つのストリップをさらに具え、前記２つのストリップは、前記導波路アセンブリに対して反対側に配置されており、
   前記軟質吸収材料は、前記導波路と前記管との間に接触媒質のフィルムを提供するように動作し、
   前記接触媒質は、超音波ビームを前記導波路から前記管へ伝送するように動作する、
   請求項１記載の走査装置。
7. 前記軟質吸収材料は、フェルトである、
   請求項６記載の走査装置。
8. 前記軟質吸収材料と流体連通する接触媒質管をさらに具える、
   請求項６記載の走査装置。
9. 前記ばね付勢車輪は、前記管の縦軸の方向の前記走査装置の移動を測定するように動作する、
   請求項１記載の走査装置。
10. 前記ばね付勢車輪は、片持ちアームの端に載置される、
    請求項１記載の走査装置。
11. 前記ばね付勢車輪は、前記管上のその位置に対して前記走査装置の位置を測定するエンコーダと通信する、
    請求項１記載の走査装置。
12. 前記プローブは、位相配列プローブである、
    請求項１記載の走査装置。
13. 前記導波路は、超音波を前記プローブから前記管の壁に円周方向に導くように動作する、
    請求項１記載の走査装置。
14. ねじを前記磁石・ねじアセンブリ上で回転させることにより、前記磁石を、前記管に近づけて、または、前記管から離して移動させる、
    請求項１記載の走査装置。
15. 前記プローブは、前記プローブの中心線に対して２０度から４０度の入射角度で、前記導波路と接触する、
    請求項１記載の走査装置。
16. 前記導波路は、光学的に透明な材料を具える、
    請求項１記載の走査装置。
17. 前記ハウジングは、ウェッジ・アセンブリの少なくとも一方側に配置されているポートを具え、
    前記ポートは、接触媒質を放出するように動作する、
    請求項１記載の走査装置。
18. ばね付勢ボールを有するねじが、前記導波路アセンブリを前記ハウジング内で位置決めするために用いられる、
    請求項１記載の走査装置。
19. 摺動可能なホルダは、前記ばね付勢ボールを有する前記ねじを収納する、
    請求項１記載の走査装置。
20. 前記摺動可能なホルダは、前記摺動可能なホルダを前記ハウジングから摺動させることによって、前記ハウジングから取り外し可能である、
    請求項１記載の走査装置。
21. 走査装置を管に配置するステップを含む方法であって、
    前記走査装置は、ハウジングを具え、
    前記ハウジングは、導波路アセンブリおよびエンコーダ・アセンブリを収容するためのキャビティを備えた凹状にカーブした底面を有し、
    前記導波路アセンブリは、互いに連通する導波路およびプローブを具え、
    前記導波路は、前記管の外面に整合する輪郭を示す少なくとも１つの面を有し、
    前記導波路は、前記プローブによって発生する超音波信号の前記管内への伝送を容易にし、
    前記エンコーダ・アセンブリは、前記管と接触するばね付勢車輪を具え、
    前記走査装置が前記管の縦軸の方向に移動するとき、前記エンコーダ・アセンブリは、前記管上の位置に対する前記プローブの位置を表す信号を供給し、
    前記方法は、
    前記管の面を、前記導波路に接触させるステップと、
    前記プローブの中心線に対して２０度から４０度の入射角で、壁厚を通って円周方向に進行する超音波信号を前記管に導入するステップと、
    前記超音波信号が前記管のクラックに接触したとき、前記導波路を介して前記超音波信号を取り出すステップと、
    前記管内のクラックの位置を決定するために、前記超音波信号を分析するステップと、
    を含む方法。
22. 接触媒質を前記管の面に配置し、前記導波路と前記管の前記面との接触を容易にするステップをさらに含む、
    請求項２１に記載の方法。
23. 結果をコンピュータに表示し、保存するステップをさらに含む、
    請求項２１に記載の方法。
24. 前記導波路によって導かれ、屈折した超音波信号は、前記管の壁の円周の約９０度をカバーする、
    請求項２１に記載の方法。
25. 前記走査装置を前記管上で第１の方向に移動させるステップをさらに含む、
    請求項２１に記載の方法。
26. 前記走査装置を前記管上で第２の方向に移動させるステップをさらに含み、
    前記第２の方向は、前記第１の方向の反対である、
    請求項２５に記載の方法。
27. データは、コンピュータ・スクリーンに表示される、
    請求項２１に記載の方法。
28. 屈折した超音波信号は、前記走査装置が位置する側から、水壁管の反対側に向けられる、
    請求項２１に記載の方法。
29. 前記データは、２次元画像の形態で、または、３次元画像の形態で表示される、
    請求項２７に記載の方法。
30. 磁石・ねじアセンブリを前記ハウジング内に配置するステップをさらに含み、
    前記磁石・ねじアセンブリは、ねじを介して前記ハウジングに取り付けられ、
    前記磁石・ねじアセンブリの磁石は、前記走査装置と、特性が測定されることとなる管と、の接触を容易にするように動作する、
    請求項２１に記載の方法。