JP2021004775A - 超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】探傷の精度及び効率を高めることができる超音波探傷装置を提供する。【解決手段】超音波探傷装置は、平坦部１０５及びこれに連続する曲がり部１０６を有する被検体１００に超音波を送受信する探触子１と、被検体１００の表面に沿って探触子１を移動させる走査装置２と、探触子１を制御する超音波探傷器３とを備える。探触子１は、第１振動子２５及び第２振動子２６を有する。超音波探傷器３は、第１振動子２５から平坦部１０５の表面に超音波が入射するように第１振動子２５を制御すると共に、第２振動子２６から曲がり部１０６の表面に超音波が入射するように第２振動子２６を制御する。第１振動子２５及び第２振動子２６は、平坦部１０５の表面に垂直な方向で超音波が伝播するように構成される。【選択図】図３

Description

本発明は、垂直探傷を行う超音波探傷装置に関する。

探触子から被検体の内部に超音波を送信し、反射された超音波を探触子で受信し、その受信結果に基づいて被検体の欠陥を検知する超音波探傷が知られている。この超音波探傷には、垂直探触子を用いて、被検体の表面に垂直な方向で超音波を伝播させる垂直探傷や、斜角探触子を用いて、被検体の表面に傾斜した方向で超音波を伝播させる斜角探傷がある。垂直探傷の結果又は斜角探傷の結果により、欠陥の有無を評価することが可能である。また、垂直探傷の結果と斜角探傷の結果の組合せにより、欠陥の形状などを評価することが可能である。

近年、複雑な形状を有する被検体に対しても、超音波探傷を実施することが求められている。特許文献１は、探触子と、探触子と被検体の間に取付けられて柔軟性を有するシューとを備えた探触子装置を開示する。シューの柔軟性により、シューと被検体の表面との接触性を高めることが可能である。特許文献２は、被検体の表面情報に基づいて超音波の伝播経路を算出し、これを用いて探傷結果を補正する超音波探傷装置を開示する。超音波の伝播経路を用いて探傷結果を補正することにより、探傷の精度を高めることが可能である。

特開２００７−２６３６９７号公報 特開２０１２−０２１８１４号公報

平坦部及びこれに連続する曲がり部を有する被検体に対し、垂直探傷を実施する場合を想定する。垂直探触子が平坦部の表面に配置されたときに、垂直探触子から平坦部の表面に超音波が入射する。この超音波は、平坦部の表面に垂直な方向で伝播する。垂直探触子が曲がり部の表面に配置されたときに、垂直探触子から曲がり部の表面に超音波が入射する。この超音波は、曲がり部の表面で屈折された方向、すなわち、平坦部の表面に傾斜した方向で伝播する。そのため、探傷の精度が低下する。

そこで、特許文献２に記載のように、被検体の表面情報に基づいて超音波の伝播経路を算出し、これを用いて探傷結果を補正することが考えられる。しかし、この場合、超音波の伝播経路を算出する処理や探傷結果を補正する処理の負荷が生じるため、効率が低下する。

本発明は、上記事柄に鑑みてなされたものであり、その目的は、探傷の精度及び効率を高めることができる超音波探傷装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、平坦部及びこれに連続する曲がり部を有する被検体に超音波を送受信する探触子と、前記被検体の表面に沿って前記探触子を移動させる走査装置と、前記探触子を制御する超音波探傷器と、を備えた超音波探傷装置において、前記探触子は、前記平坦部に超音波を送受信するための第１振動子と、前記曲がり部に超音波を送受信するための第２振動子とを有し、前記超音波探傷器は、前記探触子の位置に応じて、前記第１振動子から前記平坦部の表面に超音波が入射するように前記第１振動子を制御すると共に、前記探触子の位置に応じて、前記第２振動子から前記曲がり部の表面に超音波が入射するように前記第２振動子を制御しており、前記第１振動子は、前記第１振動子から前記平坦部の表面に入射した超音波が前記平坦部の表面に垂直な方向で伝播するように構成され、前記第２振動子は、前記第２振動子から前記曲がり部の表面に入射した超音波が前記平坦部の表面に垂直な方向で伝播するように構成される。

本発明によれば、探傷の精度及び効率を高めることができる。

本発明の第１の実施形態における超音波探傷装置の構成を表すブロック図である。 本発明の第１の実施形態における被検体及び走査装置の構造を表す図である。 本発明の第１の実施形態における探触子の構造を表す断面図である。 図３中断面IV−IVによる断面図である。 本発明の第１の実施形態における探触子の第１振動子の動作範囲を検査範囲と共に表す図である。 本発明の第１の実施形態における探触子の第２振動子の動作範囲を検査範囲と共に表す図である。 本発明の第１の実施形態における第２振動子の傾斜角を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態における第２振動子の構造を表す図である。 本発明の第１の変形例における探触子の構造を表す図である。 本発明の第２の変形例における探触子の構造を表す図である。

本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態における超音波探傷装置の構成を表すブロック図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本実施形態における被検体及び走査装置の構造を表す図である。図２（ａ）は、ノズルの軸方向から見た図であり、図２（ｂ）は、ノズル及び胴体の軸方向断面と共に、走査装置の構造を表す図である。図３は、本実施形態における探触子の構造を表す断面図であり、図４は、図３中断面IV−IVによる断面図である。図３は、図４中断面III−IIIによる断面図に相当する。図５は、本実施形態における探触子の第１振動子の動作範囲を検査範囲と共に表す図である。図６は、本実施形態における探触子の第２振動子の動作範囲を検査範囲と共に表す図である。

本実施形態の被検体１００は、胴体１０１及びその側面に接合されたノズル１０２（詳細には、主蒸気ノズル及び給水ノズルなど）を有する原子炉圧力容器である。本実施形態の検査範囲１０３（図中点線で示す範囲）は、ノズル１０２と胴体１０１を接合した円環状の溶接部１０４の周辺である。この検査範囲１０３は、平坦部１０５（詳細には、胴体１０１の一部及びノズル１０２の一部）と、境界線Ｅを介して平坦部１０５に連続する曲がり部１０６（詳細には、ノズル１０２のＲ部の一部であって、平坦部１０５より起伏を有する部分）とを含んでいる。

本実施形態の超音波検査装置は、被検体１００に超音波を送受信する探触子１と、被検体１００の表面に沿って探触子１を移動させる走査装置２と、探触子１を制御する超音波探傷器３と、走査装置２及び超音波探傷器３を制御する制御器４と、探傷結果を記憶する記憶装置５と、探傷結果を表示する表示器６とを備えている。制御器４は、コンピュータ等で構成され、記憶装置５は、メモリ等で構成され、表示器６は、ディスプレイ等で構成されている。

走査装置２は、探触子１をノズル１０２の周方向、軸方向（図２（ｂ）の上下方向）、及び径方向（図２（ｂ）の左右方向）にそれぞれ移動させるための第１機構、第２機構、及び第３機構で構成されている。第１機構は、例えば、ノズル１０２の外周側に着脱可能に取付けられ、ノズル１０２の周方向に延在する軌道１１と、軌道１１に沿って移動可能に設けられた移動体１２と、軌道１１に沿って移動体１２を移動させるモータ（図示せず）と、移動体１２の移動量を検出するエンコーダ（図示せず）とを有している。第２機構は、例えば、移動体１２に対してノズル１０２の軸方向に移動可能に設けられたアーム１３と、移動体１２に対してアーム１３を移動させるモータ（図示せず）と、アーム１３の移動量を検出するエンコーダ（図示せず）とを有している。

第３機構は、例えば、アーム１３の先端側に接続された支持体１４Ａと、一端側が支持体１４Ａに接続され、ノズル１０２の径方向に延在すると共に探触子１の貫通穴２１に挿通するガイド１５と、一端側が支持体１４Ａに接続され、ノズル１０２の径方向に延在すると共に探触子１のねじ穴２２に螺合するボールねじ１６と、ガイド１５の他端側とボールねじ１６の他端側に接合された支持体１４Ｂと、支持体１４Ｂに設けられ、胴体１０１の表面に接触するタイヤ１７と、ボールねじ１６を回転させて探触子１を移動させるモータ（図示せず）と、ボールねじ１６の回転量を検出するエンコーダ（図示せず）とを有している。

制御器４は、上述したエンコーダで検出された移動体１２の移動量、アーム１３の移動量、及びボールねじ１６の回転量を入力し、それらに基づいて探触子１の位置を算出する。また、制御器４は、上述したモータを制御して、探触子１の位置を制御するようになっている。

ローラ型の探触子１は、上述した貫通穴２１及びねじ穴２２を有するアルミ製のシャフト２３と、シャフト２３に固定された樹脂製の固定遅延材２４と、固定遅延材２４の内側に取付けられた第１振動子２５及び第２振動子２６と、シャフト２３に回転可能に設けられ、固定遅延材２４の外側に隣接する樹脂製の回転遅延材２７と、回転遅延材２７の外周側に取付けられ、柔軟性を有するシリコンゴム製のリング２８と有している。固定遅延材２４の上側には油溜め２９が形成されており、油溜め２９の油が固定遅延材２４と回転遅延材２７の間の隙間に供給されるようになっている。

探触子１のリング２８は、被検体１００の曲がり部１０６の表面の曲率半径Ｒ_ｆ（後述の図７参照）より小さい曲率半径Ｒ_１を有する。これにより、平坦部１０５及び曲がり部１０６の表面に沿って探触子１が移動可能である。そして、探触子１が曲がり部１０６の表面に沿って移動する場合に、走査装置２によって押付け力が生じ、リング２８が変形する。これにより、探触子１と曲がり部１０６の表面との接触性を高めるようになっている。

第１振動子２５は、固定遅延材２４、回転遅延材２７、及びリング２８を介し、平坦部１０５に超音波を送受信するためのものである。第１振動子２５は、第１振動子２５から平坦部１０５の表面に入射した超音波が平坦部１０５の表面に垂直な方向で伝播するように構成されている。具体的には、第１振動子２５は、平板形状であって、平坦部１０５の表面に対し平行に配置されている。

第２振動子２６は、固定遅延材２４、回転遅延材２７、及びリング２８を介し、曲がり部１０６に超音波を送受信するためのものである。第２振動子２６は、第２振動子２６から曲がり部１０６の表面に入射した超音波が平坦部１０５の表面に垂直な方向（すなわち、第１振動子２５と同じ方向）で伝播するように構成されている。具体的には、第２振動子２６は、平板形状であって、平坦部１０５の表面に対し傾斜して配置されている（詳細は後述）。

超音波探傷器３は、制御器４からの探傷指令と共に、探触子１の位置を入力する。そして、探触子１の位置に応じて、第１振動子２５から平坦部１０５の表面に超音波が入射するように第１振動子２５を制御する。すなわち、図５（ａ）及び図５（ｂ）で示すように、第１振動子２５からの超音波の入射点Ｉ_１が平坦部１０５の表面に位置する範囲では、第１振動子２５にパルス信号（パルス電圧）を出力する。

第１振動子２５は、超音波探傷器３からのパルス信号によって振動し、平坦部１０５の内部に超音波を送信する。平坦部１０５の内部に欠陥が存在する場合、欠陥で反射された超音波を受信し、受信した超音波を波形信号（電気信号）に変換して超音波探傷器３に出力する。超音波探傷器３は、第１振動子２５からの波形信号に対し所定の処理（詳細には、アナログ信号からデジタル信号への変換処理等）を行い、超音波の入射点Ｉ_１の位置と共に記憶装置５に出力して記憶させる。

また、超音波探傷器３は、探触子１の位置に応じて、第２振動子２６から曲がり部１０６の表面に超音波が入射するように第２振動子２６を制御する。すなわち、図６（ａ）及び図６（ｂ）で示すように、第２振動子２６からの超音波の入射点Ｉ_２が曲がり部１０６に位置する範囲では、第２振動子２６にパルス信号を出力する。

第２振動子２６は、超音波探傷器３からのパルス信号によって振動し、曲がり部１０６の内部に超音波を送信する。曲がり部１０６の内部に欠陥が存在する場合、欠陥で反射された超音波を受信し、受信した超音波を波形信号に変換して超音波探傷器３に出力する。超音波探傷器３は、第２振動子２６からの波形信号に対し所定の処理を行い、超音波の入射点Ｉ_２の位置と共に記憶装置５に出力して記憶させる。

表示器６は、記憶装置５で記憶された波形信号を、超音波の入射点Ｉ_１又はＩ_２の位置と共に表示する。

以上のように本実施形態では、第１振動子２５から平坦部１０５の表面に入射した超音波だけでなく、第２振動子２６から曲がり部１０６の表面に入射した超音波も、平坦部１０５の表面に垂直な方向で伝播する。そのため、従来技術のように被検体の表面情報に基づいて超音波の伝播経路を算出し、これを用いて探傷結果を補正する処理を行わなくとも、探傷の精度を高めることができる。また、前述した処理を行わないため、探傷の効率を高めることができる。

本実施形態の第２振動子２６の傾斜角の設定方法について、図７を用いて補足説明する。図７で示すように、第２振動子２６からの超音波が曲がり部１０６の表面に入射する入射点Ｉ_２が、検査範囲１０３のうち、例えば境界線Ｅより最も離れた位置にある場合を想定する。このとき、超音波の入射点Ｉ_２における超音波の入射角及φ及び屈折角γは、スネル則により、下記の式（１）で示す関係となる。式中のＣ_１は樹脂材の音速、Ｃ_２は被検体の音速である。

超音波の入射点Ｉ_２を通る曲がり部１０６の曲率半径線Ｆと境界線Ｅとの間の角度をαと定義し、平坦部１０５の表面に対する第２振動子２６の傾斜角をβと定義すれば、幾何学的関係により、φ＝α−βである。また、平坦部１０５の表面に垂直な方向で超音波が伝播するために、γ＝αとなる必要がある。そのため、式（１）を変形して下記の式（２）を導出し、更に変形して下記の式（３）を導出する。この式（３）を用いて、傾斜角βを算出して設定する。

本発明の第２の実施形態を、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態における第２振動子の構造を表す図である。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

本実施形態の第２振動子２６は、曲げ板形状であって、平坦部１０５の表面に対する傾斜角（詳細には、例えば図８で示すβ_１〜β_４）が互いに異なる複数の部分で構成されている。すなわち、超音波の入射点Ｉ_２の位置の変化に対応するように、第２振動子２６の傾斜角が変化している。そのため、超音波の入射点Ｉ_２の位置によらず、超音波の伝播方向の精度を高めることができる。したがって、探傷の精度を更に高めることができる。

なお、第１及び第２の実施形態において、探触子１は、平坦部１０５に超音波を送受信する単体の第１振動子２５と、曲がり部１０６に超音波を送受信する単体の第２振動子２６とを備えた場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、例えば図９で示す変形例のように、探触子１は、平坦部１０５に超音波を送信する第１振動子２５Ａと、第１振動子２５Ａに対しシャフト２３の軸方向に離間して配置され、平坦部１０５からの超音波を受信する第１振動子２５Ｂと、曲がり部１０６に超音波を送信する第２振動子２６Ａと、第２振動子２６Ａに対しシャフト２３の軸方向に離間して配置され、曲がり部１０６からの超音波を受信する第２振動子２６Ｂと、第１振動子２５Ａと第１振動子２５Ｂの間に介在し且つ第２振動子２６Ａと第２振動子２６Ｂの間に介在するように、シャフト２３の軸方向で分割された固定遅延材２４の間に配置された音響分離板３０とを備えてもよい。第１振動子２５Ａ，２５Ｂは、上記第１振動子２５と同様、平坦部１０５の表面に垂直な方向で超音波が伝播するように構成されている。第２振動子２６Ａ，２６Ｂは、上記第２振動子２６と同様、平坦部１０５の表面に垂直な方向で超音波が伝播するように構成されている。このような変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。

また、第１及び第２の実施形態において、探触子１は、ローラ型である場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で変形が可能である。このような変形例を図１０（ａ）及び図１０（ｂ）を用い説明する。図１０（ａ）は、本変形例における探触子の構造を表す断面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）中矢印Ｘｂ方向から見た側面図である。本変形例の探触子１は、遅延材３１と、遅延材３１の内側に取付けられた第１振動子２５（又は２５Ａ，２５Ｂ）及び第２振動子２６（又は２６Ａ，２６Ｂ）と、遅延材３１の外側に取付けられ、柔軟性を有するシリコンゴム製のシュー３２とを備えている。シュー３２の先端部の外面は、被検体１００の曲がり部１０６の表面の曲率半径Ｒ_ｆより小さい曲率半径Ｒ_２を有している。このような変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。

なお、以上においては、被検体１００は、胴体１０１及びノズル１０２を有する原子炉圧力容器であり、検査範囲は、胴体１０１とノズル１０２を接合した円環状の溶接部１０４の周辺である場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、被検体は、平坦部及びこれに連続する曲がり部を有していればよく、検査範囲は、平坦部及び曲がり部を含んでいればよい。

１ 探触子
２ 走査装置
３ 超音波探傷器
２３ シャフト
２４ 固定遅延材
２５，２５Ａ，２５Ｂ 第１振動子
２６，２６Ａ，２６Ｂ 第２振動子
２７ 回転遅延材
２８ リング
３１ 遅延材
３２ シュー
１００ 被検体
１０５ 平坦部
１０６ 曲がり部

Claims (5)

1. 平坦部及びこれに連続する曲がり部を有する被検体に超音波を送受信する探触子と、
   前記被検体の表面に沿って前記探触子を移動させる走査装置と、
   前記探触子を制御する超音波探傷器と、を備えた超音波探傷装置において、
   前記探触子は、前記平坦部に超音波を送受信するための第１振動子と、前記曲がり部に超音波を送受信するための第２振動子とを有し、
   前記超音波探傷器は、前記探触子の位置に応じて、前記第１振動子から前記平坦部の表面に超音波が入射するように前記第１振動子を制御すると共に、前記探触子の位置に応じて、前記第２振動子から前記曲がり部の表面に超音波が入射するように前記第２振動子を制御しており、
   前記第１振動子は、前記第１振動子から前記平坦部の表面に入射した超音波が前記平坦部の表面に垂直な方向で伝播するように構成され、
   前記第２振動子は、前記第２振動子から前記曲がり部の表面に入射した超音波が前記平坦部の表面に垂直な方向で伝播するように構成され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、
   前記第１振動子は、平板形状であって、前記平坦部の表面に対し平行に配置され、
   前記第２振動子は、平板形状であって、前記平坦部の表面に対し傾斜して配置され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、
   前記第１振動子は、平板形状であって、前記平坦部の表面に対し平行に配置され、
   前記第２振動子は、曲げ板形状であって、前記平坦部の表面に対する傾斜角が異なる複数の部分で構成されたことを特徴とする超音波探傷装置。
4. 請求項１記載の超音波探傷装置において、
   前記探触子は、シャフトと、前記シャフトに固定された固定遅延材と、前記シャフトに回転可能に設けられ、前記固定遅延材の外側に隣接する回転遅延材と、前記回転遅延材の外周側に取付けられ、柔軟性を有するリングとを更に有し、
   前記第１振動子及び前記第２振動子は、前記固定遅延材の内側に取付けられており、
   前記リングは、前記曲がり部の表面より小さい曲率半径を有することを特徴とする超音波探傷装置。
5. 請求項１記載の超音波探傷装置において、
   前記探触子は、遅延材と、前記遅延材の外側に取付けられ、柔軟性を有するシューとを更に有し、
   前記第１振動子及び前記第２振動子は、前記遅延材の内側に取付けられており、
   前記シューの先端部の外面は、前記曲がり部の表面より小さい曲率半径を有することを特徴とする超音波探傷装置。

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