JP2018536164A - 高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷装置及びその方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2
Description
超音波探傷は、超音波センサ(probe)と鋼板の表面との接触有無に応じて、接触式探傷方式と非接触式探傷方式とに分けることができる。
接触式探傷方式の場合、鋼板の表面状態及び形状によるノイズの発生により誤検出が頻発し、超音波センサと鋼板との間の摩擦によって探触子の探傷面に摩耗が発生して、探傷性能の低下及び探触子の寿命短縮といった問題が生じている。
非接触式探傷方式の場合、超音波センサ(probe)から発信された超音波エネルギーを鋼板に伝達するためには、接触媒質が必要であり、代表的な媒質としては、超音波送信効率に優れた水を挙げることができる。
図1に示したとおり、非接触式超音波探傷検査装置は、被検査体3の下部から一定距離だけ離隔して被検体3に媒質を噴射するノズルケース2と、ノズルケース2の内部に設けられ、被検体3に超音波を送受信する超音波センサ1とを含んで構成される。
しかし、上述の従来技術の場合、被検査体3の下部に噴射される媒質と超音波センサ1についてしか開示されておらず、被検査体3の内部欠陥を検査する具体的な構成については開示されていない。
関連先行技術としては、実開昭63−200161号公報(1988年12月23日公開)がある。
図2を基にすると、本発明の一実施形態による超音波探傷装置は、噴射ノズル110、超音波センサ120、媒質循環ユニット130、昇降部150、及び欠陥検出部160を含む。
噴射ノズル110は、移送手段、例えば、ロール4により移送される鋼板3の下側に設けられ、鋼板3に向かって媒質(例えば、水)を噴射して媒質柱10(例えば、水柱)を形成することができる。媒質柱10は、噴射ノズル110の噴射口から数十ミリメートル(mm)の高さを有するように形成され、これは、安定した超音波の送受信を可能にする。
媒質循環ユニット130は、媒質柱10から落下した媒質を回収して噴射ノズル110に循環させる機能を行う。
媒質受け131は、噴射ノズル110の外側に設けられ、媒質柱10から落下した媒質を受けるように構成される。
媒質受け131は、噴射ノズル110を限定するシリンダ状またはボックス状に形成されることができる。
回収配管132は、媒質受け131に連結され、媒質受け131内の媒質を回収するように構成される。媒質柱10から落下して媒質受け131に落ちた媒質は、回収配管132に供給される。
供給配管133は、回収配管132の媒質を噴射ノズル110に供給するためのものであり、噴射ノズル110と回収配管132にそれぞれ連通する。
供給配管133と回収配管132との間には、噴射ノズル110に噴射圧を供給するための噴射圧供給ユニット140が設けられる。噴射圧供給ユニット140が圧力を供給して噴射ノズル110が一定の圧力で媒質を噴射することにより、媒質柱10が形成される。噴射圧供給ユニット140としては循環ポンプを用いることができ、循環ポンプを制御することにより、噴射ノズル110の噴射圧を制御することができる。
欠陥検出部160は、超音波センサ120を駆動して鋼板の欠陥を検出するための超音波を送受信する。また、欠陥検出部160に鋼板3の厚さ情報が入力され、入力された鋼板3の厚さ情報に従って昇降部150を制御して超音波センサ120を昇降させることにより、鋼板3と超音波センサ120との間の距離を調節することができる。これについては、図3の(a)〜(b)を基にして後に説明する。
図3の(a)は噴射ノズル110によって形成された媒質柱10の形態を示しており、(b)は噴射ノズル110によって形成された媒質柱10が鋼板3に接触した状態を示している。
図3の(a)〜(b)に示したとおり、噴射ノズル110の噴射口と鋼板3の下面との間の距離Dは、媒質柱10の高さhより低く形成することが好ましい。このように、媒質柱10が噴射ノズル110の噴射口と鋼板3の下面との間の距離Dより高い高さhを有するように媒質柱10を形成することにより、媒質柱10を鋼板3に密着させることができ、これにより、安定した超音波の送受信のための媒質柱10を形成することができる。一方、説明していない符号Hは、超音波センサ120と鋼板3との間の距離を示す。
一方、図4の(a)〜(d)は、本発明の一実施形態による超音波検出過程を説明するための図である。図4の(a)は超音波センサ120で発生した超音波信号が鋼板の下部面及び鋼板の上部面に反射する過程を示し、(b)は欠陥のない鋼板の超音波信号の波形図であり。また、(c)は欠陥がある場合の鋼板の超音波信号の波形図であり、(d)は鋼板の厚さTに比べて超音波センサ120と鋼板3との間の距離Hが近すぎる場合の超音波信号の波形図を示す。
本発明の実施形態を説明するにあたり、鋼板3の上面によって反射された後、超音波センサ120によって再反射される超音波信号は、その大きさが相対的に小さいため、無視することができ、鋼板3の内部欠陥探傷には用いられないことに留意すべきである。(即ち、無視することができる)
一方、図4の(b)は鋼板の内部に欠陥がない場合の超音波信号の波形図を示したものである。
そして、S11は、超音波信号S0が鋼板3の上面によって反射されて超音波センサ120に戻ってきた超音波信号であり、S21は、超音波信号S1が鋼板3の上面によって反射されて超音波センサ120に戻ってきた超音波信号であり、S31は、超音波信号S2が鋼板3の上面によって反射されて超音波センサ120に戻ってきた超音波信号である。
[数式1]
△ts=2H×Vs
ここで、Hは超音波センサの表面から鋼板までの距離、Vsは鋼板内における超音波速度である。
[数式2]
△tw=2T×Vw
ここで、Tは鋼板の厚さ、Vwは媒質(水)内における超音波速度である。
一方、図4の(c)は、鋼板の内部に欠陥がある場合の鋼板の超音波信号を示す波形図である。図4の(b)と異なる点は、鋼板3の内部欠陥による信号S12、S22、S32が追加されたことである。超音波信号S12は、超音波信号S0が鋼板3の内部欠陥によって反射された後、超音波センサ120に戻ってきた信号であり、超音波信号S22は、超音波信号S1が鋼板3の内部欠陥によって反射された後、超音波センサ120に戻ってきた信号であり、超音波信号S32は、超音波信号S2が鋼板3の内部欠陥によって反射された後、超音波センサ120に戻ってきた信号である。
[数式3]
△tw<△ts
上記の数式3を数式1〜2と関連付けて再整理すると、数式3を満たす鋼板3と超音波センサ120との間の距離Hは、下記数式4のように整理することができる。
[数式4]
ここで、Hは超音波センサから鋼板までの距離、Tは鋼板の厚さ、Vsは鋼板内における超音波速度、Vwは媒質(水)内における超音波速度である。
しかし、鋼板3の厚さに比べて、超音波センサ120と鋼板3との間の距離Hが近すぎる場合には、欠陥の検出が困難である。
即ち、図4の(d)に示したとおり、鋼板3の厚さTが、超音波センサ120と鋼板3との間の距離Hに比べて厚すぎる場合には、最初の超音波信号S0が発生した後、鋼板3の下面によって反射された多数個の鋼板下面反射波S1、S2が到達してから最初の鋼板上面反射波S11が超音波センサ120に到達する。この場合、一周期(例えば、図4の(c)の△tw+△ts)内では欠陥の有無を判断することが困難であるだけではなく、鋼板3の内部欠陥による反射波(図示せず)の大きさは、他の超音波信号の大きさと類似(例えば、図4(c)におけるS12とS2)するため、容易に区別できないという問題点がある。
したがって、本発明の一実施形態によると、鋼板3の下面によって反射された鋼板下面反射波S1、S2、S3、鋼板3の欠陥によって反射された鋼板欠陥反射波S12、S22、S32、及び鋼板3の上面によって反射された鋼板上面反射波S11、S21、S31がそれぞれ順次到達するように、超音波センサ120と鋼板3との間の距離を調節し、超音波信号の大きさに基づいて欠陥を検出することにより、鋼板3の内部欠陥を容易に検出することができる利点がある。
本発明の一実施形態における超音波探傷装置も上記の実施形態と同様に、噴射ノズル210、超音波センサ220、媒質循環ユニット230、噴射圧供給ユニット240などを含む。
図5〜図6では、上記の実施形態に対応する構成の図面符号を実施形態と類似の符号で表記した。即ち、上述の実施形態において100番台で表記した図面符号を200番台に変更して表記した。
上記のとおり、本発明の一実施形態によると、鋼板の厚さに応じて、鋼板の下面によって反射された鋼板下面反射波、鋼板の欠陥によって反射された鋼板欠陥反射波、及び鋼板の上面によって反射された鋼板上面反射波が順次到達するように、超音波センサと鋼板との間の距離を調節することにより、鋼板の内部欠陥を容易に検査することができる。
一方、図7は本発明の一実施形態による高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷方法を説明するためのフローチャートである。本発明の説明を簡潔にするために、図1〜図6に関して既に説明した事項と重複する部分の説明は省略する。
図1〜図7を参照すると、まず、噴射ノズル110は、鋼板3の下部から一定距離Hだけ離隔した状態で鋼板3に向かって媒質(例えば、水)を噴射して媒質柱10、(例えば、水柱)を形成する(S601)。媒質柱10は、噴射ノズル110の噴射口から数十ミリメートル(mm)の高さを有するように形成され、これは、安定した超音波の送受信を可能にする。
次に、超音波センサ120は、媒質柱10を介して鋼板3の欠陥を検出するための超音波を送受信する(S602)。超音波センサ120は、下部の昇降部150により支持されて上下に昇降することができ、媒質によって沈積される沈積式探触子の形態であることができる。
具体的に、欠陥検出部160は、順次到達した超音波信号の大きさに基づいて欠陥を検出することにより、鋼板3の内部欠陥を容易に検出することができる。
この場合、本発明の一実施形態によると、欠陥検出部160は、鋼板3の厚さ情報に従って昇降部150を制御して超音波センサ120を昇降させることにより、鋼板3と超音波センサ120との間の距離を調節するように構成される。かかる構成により、鋼板3の下面によって反射された鋼板下面反射波S1、S2、S3、鋼板3の欠陥によって反射された鋼板欠陥反射波S12、S22、S32、及び鋼板3の上面によって反射された鋼板上面反射波S11、S21、S31が順次到達することができ、以後、順次到達した超音波信号の大きさに基づいて欠陥を検出することにより、鋼板3の内部欠陥を容易に検出することができるという利点がある。
2:ノズルケース
3:鋼板、被検査体
4:ロール
10:媒質柱
110、210:噴射ノズル
120、220:超音波センサ
130、230:媒質循環ユニット
131、231:媒質受け
132、232:回収配管
133、233:供給配管
134、234:フィルタ
140、240:噴射圧供給ユニット
150:昇降部
160:欠陥検出部
225:探触子アレイ
D:噴射口と鋼板の下面との間の距離
H:超音波センサと鋼板との間の距離
h:媒質柱の高さ
L:探触子アレイの長さ
S0:超音波センサ120によって最初に発生した超音波信号
S1:超音波信号S0が鋼板3の下面によって反射された後、超音波センサ120の表面で再反射された信号
S2:超音波信号S1が鋼板3の下面によって反射された後、超音波センサ120の表面で再反射された信号
S3:超音波信号S2が鋼板3の下面に反射された後、超音波センサ120の表面で再反射された信号
S11:超音波信号S0が鋼板3の上面によって反射されて超音波センサ120に戻ってきた超音波信号
S12:超音波信号S0が鋼板3の内部欠陥によって反射された後、超音波センサ120に戻ってきた信号
S21:超音波信号S1が鋼板3の上面によって反射されて超音波センサ120に戻ってきた超音波信号
S22:超音波信号S1が鋼板3の内部欠陥によって反射された後、超音波センサ120に戻ってきた信号
S31:超音波信号S3が鋼板3の上面によって反射されて超音波センサ120に戻ってきた超音波信号
S32:S32は、超音波信号S2が鋼板3の内部欠陥によって反射された後、超音波センサ120に戻ってきた信号
T:鋼板の厚さ
Δts:〔数式1〕に従って超音波信号が鋼板3の下面を透過した後、鋼板3の上面で反射して鋼板3の下面に戻るのに要する時間
△tw:〔数式2〕に従って超音波信号が鋼板3の下面で反射した後、超音波センサ120に戻るのに要する時間
Vs:鋼板内における超音波速度
Vw:媒質(水)内における超音波速度
W:鋼板の幅
[数式1]
△t s =2T/Vs
ここで、Tは鋼板の厚さ、Vsは鋼板内における超音波速度である。
[数式2]
△t w =2 H/Vw
ここで、Hは超音波センサの表面から鋼板までの距離、Vwは媒質(水)内における超音波速度である。
一方、図4の(c)は、鋼板の内部に欠陥がある場合の鋼板の超音波信号を示す波形図である。図4の(b)と異なる点は、鋼板3の内部欠陥による信号S12、S22、S32が追加されたことである。超音波信号S12は、超音波信号S0が鋼板3の内部欠陥によって反射された後、超音波センサ120に戻ってきた信号であり、超音波信号S22は、超音波信号S1が鋼板3の内部欠陥によって反射された後、超音波センサ120に戻ってきた信号であり、超音波信号S32は、超音波信号S2が鋼板3の内部欠陥によって反射された後、超音波センサ120に戻ってきた信号である。
[数式3]
△t s < △t w
上記の数式3を数式1〜2と関連付けて再整理すると、数式3を満たす鋼板3と超音波センサ120との間の距離Hは、下記数式4のように整理することができる。
[数式4]
ここで、Hは超音波センサから鋼板までの距離、Tは鋼板の厚さ、Vsは鋼板内における超音波速度、Vwは媒質(水)内における超音波速度である。
Claims (16)
- 鋼板の下部から一定距離だけ離隔した状態で前記鋼板に向かって媒質を噴射して媒質柱を形成する噴射ノズルと、
前記媒質柱を介して鋼板の欠陥を検出するための超音波を送受信する超音波センサと、
前記送受信された超音波に基づいて前記鋼板の内部欠陥の存在を検出する欠陥検出部と、
前記鋼板の下面によって反射された鋼板下面反射波、前記鋼板の欠陥によって反射された鋼板欠陥反射波、及び前記鋼板の上面によって反射された鋼板上面反射波が順次到達するように超音波センサを昇降させることにより、前記超音波センサと前記鋼板との間の離隔距離を調節する昇降部と、を含むことを特徴とする高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷装置。 - 前記鋼板の下面によって反射された超音波は、
前記超音波センサによって再反射された後、再び前記鋼板に入射することを特徴とする請求項1に記載の高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷装置。 - 前記欠陥検出部は、
前記鋼板下面反射波の到達時刻と前記鋼板上面反射波の到達時刻との間に前記鋼板欠陥反射波が存在する場合、前記鋼板の内部に欠陥が存在すると判断することを特徴とする請求項1に記載の高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷装置。 - 前記欠陥検出部は、
前記鋼板欠陥反射波の大きさが、前記鋼板下面反射波の大きさと前記鋼板上面反射波の大きさとの間の値である場合、前記鋼板の内部に欠陥が存在すると判断することを特徴とする請求項3に記載の高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷装置。 - 前記昇降部は、
前記噴射ノズルの内部に設けられた油圧シリンダを含むことを特徴とする請求項1に記載の高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷装置。 - 前記媒質は、水を含むことを特徴とする請求項1に記載の高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷装置。
- 前記超音波センサは、前記鋼板の幅方向に沿って複数に配列され、
前記噴射ノズルは、前記複数の超音波センサにより形成された超音波アレイを収容するように構成されることを特徴とする請求項1に記載の高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷装置。 - 前記超音波アレイは、前記鋼板の幅以上の長さを有することを特徴とする請求項8に記載の高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷装置。
- 噴射ノズルにおいて、鋼板の下部から一定距離だけ離隔した状態で前記鋼板に向かって媒質を噴射して媒質柱を形成する第1段階と、
超音波センサにおいて、前記媒質柱を介して鋼板の欠陥を検出するための超音波を送受信する第2段階と、
欠陥検出部において、前記送受信された超音波に基づいて前記鋼板の内部欠陥の存在を検出する第3段階と、を含み、
前記鋼板の下面によって反射された鋼板下面反射波、前記鋼板の欠陥によって反射された鋼板欠陥反射波、及び前記鋼板の上面によって反射された鋼板上面反射波が順次到達するように前記超音波センサを昇降させることにより、前記超音波センサと前記鋼板との間の離隔距離は調節可能に構成されることを特徴とする高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷方法。 - 前記鋼板の下面によって反射された超音波は、
超音波センサによって再反射された後、再び前記鋼板に入射することを特徴とする請求項10に記載の高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷方法。 - 前記第3段階は、
前記鋼板下面反射波の到達時刻と前記鋼板上面反射波の到達時刻との間に前記鋼板欠陥反射波が存在する場合、前記鋼板の内部に欠陥が存在すると判断することを特徴とする請求項10に記載の高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷方法。 - 前記第3段階は、
前記鋼板欠陥反射波の大きさが、前記鋼板下面反射波の大きさと前記鋼板上面反射波の大きさとの間の値である場合、前記鋼板の内部に欠陥が存在すると判断することを特徴とする請求項12に記載の高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷方法。 - 前記超音波センサは、
油圧シリンダを用いて昇降することを特徴とする請求項10に記載の高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷方法。 - 前記媒質は、水を含むことを特徴とする請求項10に記載の高さ調節型超音波センサを用いた鋼板の内部欠陥探傷方法。
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