JP2015001499A - 丸棒体の超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ジンバル機構で超音波探傷ヘッドを回動可能に支持する場合に、超音波探傷ヘッドが回動限界に達したことを容易に検出することができる丸棒体の超音波探傷装置を提供する。
【解決手段】下端面を開放したジンバル機構１４と、該ジンバル機構の下面側に回動可能に支持された垂直探触子を有する超音波探傷ヘッド１５とを備え、前記超音波探傷ヘッドの前記シンバル機構から突出する端部に形成されたシュー１７を円周方向に回転される丸棒体３に接触させて探傷する丸棒体の探傷装置であって、前記超音波探傷ヘッドの垂直探触子１６から出力される超音波探傷信号に基づいて前記超音波探傷ヘッドが許容回動範囲を超えた追従異常状態を検出する追従異常検出部２９を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、丸棒体を回転支持した状態で超音波探傷ヘッドを使用して超音波探傷するようにした丸棒体の超音波探傷装置に関する。

この種の丸棒体の超音波探傷装置としては、例えば特許文献１に記載された金属棒状材の超音波検査装置が知られている。
この超音波検査装置では、超音波探触子を有する探触子ヘッド（探傷ヘッド）が、各中心軸線が互いに平行であってかつ被検査丸棒鋼の長手方向に対して傾斜角をなして丸棒鋼の外周面に当接される回転自在な４個の倣いローラを備えている。また、探触子ヘッドは、ワイヤロープに往復動自在に吊設された水平アームとこれに上下動自在に連結された上下アームとにより丸棒鋼の長手方向へ自在に移動し得るように支持されている。そして、探触子ヘッドが棒状材回転装置によって軸心回りに回転される丸棒鋼の外周面上をその長手方向に沿って自動するように構成されている。

ここで、探触子ヘッドの支持構造は、例えば特許文献２に記載されているように、配管の軸方向に移動可能なスライド部の先端に配置したジンバル機構部で保持され、このジンバル機構部がバネ部材によって探触子を配管の表面に密着させるように押圧される構成とされている。

特開平５−３４３２４号公報 特開２００６−２００９０６号公報

ところで、丸棒体を超音波探傷する際に、探傷ヘッドを特許文献２に記載されているようにジンバル機構部で支持する場合には、ジンバル機構部を構成する枠によって探傷ヘッドの許容回動範囲が規制されることになる。一方、棒状体には製造過程での曲がりが生じる可能性があり、棒状体の曲がりが大きくなって、探傷ヘッドが回動限界に達すると、探傷ヘッドのそれ以上の回動ができなくなる。このため、探傷ヘッドの追従性が損なわれて超音波の伝播経路が丸棒体の中心からずれることになり、丸棒体の正確な探傷を行うことができなくなる。

この問題を解決するために、ジンバル機構部の探傷ヘッドを支持する枠部の大きさを大きくして探傷ヘッドの許容回動範囲を広くすることが考えられるが、この場合には、超音波探傷装置の全体の構成が大型化してしまうという問題がある。
一方、探傷ヘッドが回動限界に達したことをリミットスイッチ等で検出することも考えられるが、通常、探傷ヘッドと測定対象となる丸棒体の表面との間には接触媒質として例えば水を供給する関係で、電気的な絶縁特性を確保しにくく探傷ヘッドが回動限界に達したことを検出することができず、探傷ヘッドの追従性が損なわれたことによる探傷漏れの発生を検出することができないという未解決の課題がある。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、探傷ヘッドの追従性が損なわれた場合に、別途検出部材を設けることなく、超音波探傷信号に基づいて容易に検出することができる丸棒体の超音波探傷装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る丸棒体の超音波探傷装置の一態様は、下端面を開放したジンバル機構と、該ジンバル機構の下面側に回動可能に支持された垂直探触子を有する超音波探傷ヘッドとを備え、前記超音波探傷ヘッドの前記シンバル機構から突出する端部に形成されたシューを円周方向に回転される丸棒体に接触させて探傷する丸棒体の探傷装置である。そして、前記超音波探傷ヘッドの垂直探触子から出力される超音波探傷信号に基づいて前記超音波探傷ヘッドが許容回動範囲を超えた追従異常状態を検出する追従異常検出部を備えている。

また、本発明に係る丸棒体の超音波探傷装置の第２の態様は、前記追従異常検出部が、前記超音波探傷信号中の超音波送信波を送信から前記丸棒体の底部側で反射した超音波受信波を受信するまでの超音波伝播時間を計測する伝播時間計測部と、該伝播時間計測部で計測した超音波伝播時間の丸棒体の基準伝播時間に対する偏差が設定値を超えたときに前記超音波探傷ヘッドが回動限界に達している前記丸棒体に追従できない超音波探傷ヘッドの追従異常と判断する異常判断部とを備えている。
さらに、本発明に係る丸棒体の超音波探傷装置の第３の態様は、前記丸棒体はターニングロールによって回転支持され、前記ジンバル機構は弾性体によって前記丸棒体に弾性体によって押圧されるとともに、前記丸棒体の長手方向に移動機構によって移動される。

本発明によれば、ジンバル機構で支持する超音波探傷ヘッドが回動限界に達したことを超音波探傷信号に基づいて検出するので、超音波探傷ヘッドの丸棒体への追従性が損なわれることにより、超音波の伝播経路が丸棒体の軸心部を通らなくなって、未探傷部が発生する追従異常状態を、別途検出部材を設けることなく確実に検出することができる。

本発明に係る丸棒体の超音波探傷装置を示す正面図である。 図１の側面図である。 丸棒体に対する超音波探傷ヘッドの追従状態を示す説明図である。 超音波探傷受信信号を示す信号波形図である。

以下、本発明に係る丸棒体の超音波探傷装置の一実施形態について図面を伴って説明する。
図１は、本発明に係る丸棒体の超音波探傷装置を示す正面図、図２は図１の側面図である。
図中、１は超音波探傷装置であって、この超音波探傷装置１は、丸棒体回転装置２に回転支持される丸ビレット等の丸棒体３の軸方向に移動して丸棒体３を螺旋状に探傷する。

丸棒体回転装置２は、図１及び図２に示すように、丸棒体３を軸方向の両端部側で支持する一対のターニングローラ４ａ，４ｂが上下方向に昇降可能に配置され、これら一対のターニングローラ４ａ，４ｂ間に丸棒体３が載置されて回転支持される。
ここで、一対のターニングローラ４ａ，４ｂは回転軸が丸棒体３の中心軸に対して交差する方向に配置させ、丸棒体３に例えば左端側に移動するスラスト力を与えるように構成されている。そして、丸棒体３の左端部には、図２に示すように、丸棒体３を受け止める端部ストッパー５が配置されている。

超音波探傷装置１は、丸棒体回転装置２に回転支持された丸棒体３に上方から対向するように、丸棒体３の軸方向に沿って配置された案内レール１１と、この案内レール１１に支持された水平移動基台１２と、この移動基台１２に下方に突出して配置された上下方向に移動可能な垂直支持部材１３と、この垂直支持部材１３の下端に固定支持されたジンバル機構１４とを備えている。

ジンバル機構１４は、図１に示すように、開口１４ａを有する底面板部１４ｂと、この底面板部１４ｂの左右端部からそれぞれ上方に延長する側面板部１４ｃ，１４ｄと、側面板部１４ｃ，１４ｄの上端部間を接続する上面板部１４ｅとを有する枠状に形成されている。このジンバル機構１４の底面板部１４ｂに開口１４ａを通って丸棒体３の軸方向に延長する枢軸１４ｆが挿通され、この枢軸１４ｆに超音波探傷ヘッド１５が丸棒体３の軸方向と直行する垂直面内で回動可能に支持されている。また、ジンバル機構１４は、垂直支持部材１３の周囲に配置されたコイルバネ１８によって丸棒体３側に付勢されている。

超音波探傷ヘッド１５は、上端側の中央位置に垂直探触子１６が配置され、下面に丸棒体３と接触するシュー１７が配置されている。
そして、少なくとも超音波探傷ヘッド１５と丸棒体３との接触位置には接触媒質としての水が供給されている。
そして、垂直探触子１６には、図１に示すように、信号処理装置２１が接続されている。この信号処理装置２１は、垂直探触子１６から超音波を発生させるパルスを供給するパルス発生回路２２と、垂直探触子１６から出力される丸棒体３で反射された反射波を受信する受信処理回路２３とを備えている。

受信処理回路２３は、図１に示すように、垂直探触子１６から出力される超音波受信信号を受信する受信回路２４と、この受信回路２４で受信始端超音波受信信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２５と、このＡ／Ｄ変換回路２５から出力されるデジタル受信信号を記憶するメモリ２６と、メモリ２６に記憶されたデジタル受信信号を処理する信号処理回路２７とを備えている。

信号処理回路２７は、メモリ２６に記憶されたデジタル受信信号に基づいて欠陥エコーを検出する欠陥検出部２８と、メモリ２６に記憶されたデジタル受信信号に基づいて超音波探傷ヘッド１５の上端がジンバル機構１４の側面板１４ｃ又は１４ｄに当接してそれ以上の回動が規制される回動限界に達していることを検出する追従異常検出部２９とを備えている。

追従異常検出部２９は、メモリ２６に記憶されたデジタル受信信号の送信パルス波形と丸棒体３の底面で反射される底面エコー波形とから丸棒体３内の超音波伝播時間ｔｕを計測する伝播時間計測部２９ａと、この伝播時間計測部２９ａで計測した超音波伝播時間の丸棒体３の基準伝播時間ｔｂに対する偏差Δｔが設定値Δｔｓを超えたときに前記超音波探傷ヘッド１５が回動限界に達している前記丸棒体３に追従できない超音波探傷ヘッド１５の追従異常と判断する異常判断部２９ｂとを備えている。そして、異常判断部２９ｂで、追従異常であることを検出したときに追従異常信号を警報回路３０に出力する。

次に、上記実施形態の動作を説明する。
今、丸棒体３に曲がりが生じていないものとすると、図３（ａ）に示すように、丸棒体３の中心軸の上方にジンバル機構１４の枢軸１４ｆが位置する。この状態で、信号処理装置２１のパルス発生回路２２から所定間隔で同期パルス信号を超音波探傷ヘッド１５の垂直探触子１６に供給する。垂直探触子１６では、超音波パルスを発振し、発振された超音波パルスが丸棒体３の表面から法線方向に入射する。そして、丸棒体３内に欠陥がないものとすると、丸棒体３内で、中心軸を通って反対側の底面に達する。この底面で反射された反射波が上記と逆の経路を通って垂直探触子１６に到達する。

このため、垂直探触子１６に接続された信号処理装置２１の受信処理回路２３へ受信信号が入力される。
この受信信号は、受信回路２４で受信処理された後Ａ／Ｄ変換器２５でデジタル受信信号に変換してメモリ２６に記憶する。このようにメモリ２６にデジタル受信信号が記憶されると、信号処理回路２７の欠陥検出部２８で、図４（ａ）に示すように、送信パルスＴと底面エコーＢとの間に設定された欠陥判定レベルを超える欠陥エコーが存在するか否かを判定し、欠陥判定レベルを超える欠陥エコーが存在する場合には、表示装置３１に欠陥エコーを表示する。

このとき、追従異常検出部２９では、伝播時間計測部２９ａで、上記と同様にメモリ２６に記憶されているデジタル受信信号に基づいて送信エコーＴを受信した時点から底面エコーＢを受信した時点までの超音波伝播時間ｔｕを算出し、異常判断部２９ｂで、超音波伝播時間ｔｕと予め設定された基準伝播時間ｔｂとの偏差Δｔ（＝ｔｂ−ｔｕ）が予め設定された誤差範囲Δｔｓ以下であるか否かを判定する。この判定結果がΔｔ≦Δｔｓであるときには底面エコーＢが正常範囲内であり、超音波探傷ヘッド１５がジンバル機構１４の左右側面板部１４ｃ及び１４ｄに当接して回動が制限される追従異常が発生していないものと判断する。

また、検査対象となる丸棒体３に許容測定限度となる曲がりが生じた場合には、ジンバル機構１４がコイルバネ１８で丸棒体３側に付勢されているので、シュー１７が丸棒体３の曲がりに追従することにより、超音波探傷ヘッド１５が傾動する。そして、図３（ｂ）に示すように、超音波探傷ヘッド１５の上端がジンバル機構１４の右側面板部１４ｄに当接した状態では、垂直探触子１６から出力される超音波パルスの伝搬経路は、丸棒体３の中心軸を通ることになるので、底面エコーの丸棒体３内の超音波伝播距離は図３（ａ）の状態から変化せず、底面エコーＢの受信位置も変化しない。したがって、追従異常検出部２９で正常状態であると判断される。

しかしながら、図３（ｃ）に示すように、図３（ｂ）の丸棒体３に許容測定限度の曲がりを超える曲がりが発生すると、超音波探傷ヘッド１５は、その上端部がジンバル機構１４の右側面板部１４ｄに当接していて、これ以上の回動が制限されるので、丸棒体３の曲がりに超音波探傷ヘッド１５が追従できない追従異常状態となる。
この追従異常状態となると、図３（ｃ）に示すように、超音波探傷ヘッド１５のシュー１７が丸棒体３の外周面に沿わなくなり、丸棒体３の表面における表面エコーの多重反射が生じるとともに、丸棒体３内の超音波パルスの伝播経路が丸棒体３の中心軸Ｏを通らなくなり、丸棒体３内の超音波伝播距離が短くなることから、メモリ２６に記憶された底面エコーＢの垂直探触子１６への到達時間が図４（ｂ）に示すように短くなる。

このため、追従異常検出部２９で測定される送信パルスを送信した時間から底面エコーＢを受信した超音波伝播時間ｔｕを基準超音波伝播時間ｔｂから減算した偏差Δｔが許容誤差Δｔｓより長くなる。このため、追従異常検出部２９で超音波探傷ヘッド１５の追従異常が発生したものと判断して、警報回路３０に警報信号を出力し、この警報回路３０で、追従異常が発生して、丸棒体３に未探傷領域が発生していることを報知する。

ちなみに、超音波の伝播速度は、丸棒体が鋼材である場合には、約５０００ｍ／ｓ程度であり、水では約１５００ｍ／ｓ程度である。したがって、丸棒体３が鋼材であり、その直径が１００ｍｍであるものとすると、超音波が表面から入射して底面での反射波が表面に達するまでの時間が４００μｓ程度であり、伝播距離が０．５％短くなると２０μｓ程度短くなる。したがって、超音波伝播時間を計測することにより、超音波探傷ヘッド１５が回動限界に達していることを判別することができる。
このように、超音波探傷ヘッド１５が丸棒体３に対して追従できない追従異常が発生した丸棒体３に対しては、別途手作業による超音波探傷処理を行う。

以上説明したように，上記実施形態によると、超音波探傷ヘッド１５がジンバル機構１４での回動限界を超えることにより丸棒体３に対して超音波探傷ヘッド１５が追従することができない状態が発生した場合に、垂直探触子１６から出力される超音波受信信号を信号処理装置２１の受信処理回路２３の信号処理回路２７における追従異常検出部２９でメモリ２６に記憶されている送信パルスＴの送信時刻と底面エコーＢとのデジタル受信信号に基づいて追従異常の発生の有無を検出することができる。すなわち、送信パルスＴの送信時刻と底面エコーＢの受信時刻とから超音波伝播時間ｔｕを算出し、算出した超音波伝播時間ｔｕを基準超音波伝播時間ｔｂから減算した偏差Δｔが許容誤差Δｔｓを超えているか否かを判定することによって、追従異常の発生の有無を検出する。

したがって、超音波探傷ヘッド１５の丸棒体３への追従異常が発生しているか否かを別途超音波探傷ヘッド１５の上端がジンバル機構１４に当接して回動限界に達しているか否かを別途超音波探傷ヘッド１５の回動限界を検出する検出部を新設することなく検出することができる。しかも、超音波探傷ヘッド１５と丸棒体３との間に接触媒質としての水が介在する場合でも、接触スイッチ等を使用することがないので、絶縁不良等を考慮する必要がない。

なお、上記実施形態においては、超音波探傷ヘッド１５に超音波の送受信を行う垂直探触子１６を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、送信用振動子と受信用振動子とを用いた二振動子垂直探触子を適用することもできる。
また、上記実施形態においては丸棒体３を螺旋状に探傷する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、水平移動基台１２を所定ピッチ毎に軸方向移動させて丸棒体３を輪切り状態で探傷するようにしてもよい。

１…超音波探傷装置、２…丸棒体回転装置、３…丸棒体、４ａ，４ｂ…ターニングローラ、１１…案内レール、１２…水平移動基台、１３…垂直支持部材、１４…ジンバル機構、１４ａ…開口、１４ｂ…底面板部、１４ｃ，１４ｄ…側面板部、１４ｅ…上面板部、１４ｆ…枢軸、１５…超音波探傷ヘッド、１６…垂直探触子、１７…シュー、２１…信号処理装置、２２…パルス発生回路、２３…受信処理回路、２４…受信回路、２５…Ａ／Ｄ変換器、２６…メモリ、２７…信号処理回路、２８…欠陥検出部、２９…追従異常検出部、３０…警報回路、３１…表示装置

Claims (3)

1. 下端面を開放したジンバル機構と、該ジンバル機構の下面側に回動可能に支持された垂直探触子を有する超音波探傷ヘッドとを備え、前記超音波探傷ヘッドの前記シンバル機構から突出する端部に形成されたシューを円周方向に回転される丸棒体に接触させて探傷する丸棒体の探傷装置であって、
   前記超音波探傷ヘッドの垂直探触子から出力される超音波探傷信号に基づいて当該超音波探傷ヘッドが許容回動範囲を超えた追従異常状態を検出する追従異常検出部を備えていることを特徴とする丸棒体の超音波探傷装置。
2. 前記追従異常検出部は、前記超音波探傷信号中の超音波送信波を送信から前記丸棒体の底部側で反射した超音波受信波を受信するまでの超音波伝播時間を計測する伝播時間計測部と、該伝播時間計測部で計測した超音波伝播時間の丸棒体の基準伝播時間に対する偏差が設定値を超えたときに前記超音波探傷ヘッドが回動限界に達している前記丸棒体に追従できない超音波探傷ヘッドの追従異常と判断する異常判断部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の丸棒体の超音波探傷装置。
3. 前記丸棒体はターニングロールによって回転支持され、前記ジンバル機構は弾性体によって前記丸棒体に押圧されるとともに、前記丸棒体の長手方向に移動機構によって移動されることを特徴とする請求項１又は２に記載の丸棒体の超音波探傷装置。

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