JP2021156728A - 長尺物探傷システムと方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直径３０ｍｍよりも細い円柱状の長尺物を対象としてその長手方向端面から探傷検査することができ、かつＳ／Ｎ比と測定精度を高めることができる長尺物探傷システムと方法を提供する。【解決手段】フェーズドアレイ探触子１０とフェーズドアレイ探傷装置２０を備え、直径３０ｍｍよりも細い円柱状の長尺物１を試験体ＴＰとしてその端面１ａから探傷検査する。探触子１０は、端面１ａより小径かつ円形の検出面１２と、検出面１２に２次元的に配置された複数の超音波振動子１４と、を有する。探傷装置２０は、複数の振動子１４から長尺物１の中心軸Ｚ−Ｚを含む検査平面２内の集束点３に集束させて超音波ビーム４を発信し、その反射波５を受信する。探傷装置２０は、複数の２次元画像６から正常断面画像７をノイズとして除去するノイズ除去装置２４をさらに有する。【選択図】図１

Description

本発明は、アンカーボルト等の長尺物をその長手方向端面から探傷検査する長尺物探傷システムと方法に関する。

火力・原子力発電所において、タンクやポンプなどの機器は基礎ボルトでコンクリート基礎に固定されている。
かかる基礎ボルトは、長期使用により埋設部分のネジ部が腐食等で減肉する。そのため、使用状態の基礎ボルトを取り外すことなく検査することが要望されている。

この要望を満たす手段として、例えば特許文献１と非特許文献１が既に開示されている。
また、本発明に関連するフェーズドアレイ探傷装置が、特許文献２に開示されている。

特開２０１５−１８４０６８号公報 国際公開第２０１９／００８８３３号

林 山、福冨 広幸、他、「埋め込み基礎ボルトにおける減肉欠陥の検出及びその深さの推定」、日本機械学会論文集（Ａ編）７７巻７８３号（２０１１−１１）

特許文献１と非特許文献１（以下、従来例）では、長尺物として直径３０ｍｍ、長さ３００ｍｍの試験体を用い、リニアアレイ探触子を長尺物の端面に固定して試験している。リニアアレイ探触子の振動子寸法は、０．５ｍｍ×２０ｍｍ、間隔０．１ｍｍであり、チャンネル数は３２である。
一方、産業界で実際に使用されている基礎ボルトの多くは、直径３０ｍｍよりも細く、例えば、直径１６ｍｍ〜２４ｍｍのものが多用されている。
しかし、従来例の手段を直径３０ｍｍよりも細い基礎ボルトに適用する場合、以下の問題点があった。

（１）探触子の小型化が困難
従来例のリニアアレイ探触子は、直径３０ｍｍ（Ｍ３０、谷径２６．２ｍｍ）の端面に合わせて、２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形（対角線長：約２８．３ｍｍ）である。また、この場合に、単一の振動子寸法は０．５ｍｍ×２０ｍｍ、間隔０．１ｍｍである。

この探触子を直径３０ｍｍ未満（例えば１６ｍｍ）の基礎ボルトに適用するため小型化すると、例えば直径１６ｍｍ（Ｍ１６、谷径１３．８ｍｍ）の端面に合わせて、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形（対角線長：約１４．１ｍｍ）となる。この場合、単一の振動子寸法は０．２ｍｍ×１０ｍｍ、間隔０．１ｍｍである。
しかし、振動子幅（０．２ｍｍ）が狭すぎるため、かかる小型の振動子は製作が非常に困難である。

（２）Ｓ／Ｎ比が悪化する
従来のリニアアレイ探触子の場合は、素子が一方向に配列されているため、超音波ビームの集束が線となってしまう。そのため、点に集束させたい位置以外で超音波ビームが反射してノイズとなるため、Ｓ／Ｎ比が低い。
また、仮に幅０．２ｍｍの振動子の製作ができても、超音波強度は、振動子面積に比例するので、この場合の超音波強度は従来例の半分以下（例えば４０％）まで低下し、さらにＳ／Ｎ比が悪化する。

（３）また、振動子寸法の小型化を回避するため、チャンネル数を減らすと、分解能（測定精度）が低下する。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、直径３０ｍｍよりも細い円柱状の長尺物を対象としてその長手方向端面から探傷検査することができ、かつＳ／Ｎ比と測定精度を高めることができる長尺物探傷システムと方法を提供することにある。

本発明によれば、直径３０ｍｍよりも細い円柱状の長尺物を試験体としてその端面から探傷検査する長尺物探傷システムであって、
前記端面より小径かつ円形の検出面と、該検出面に２次元的に配置された複数の超音波振動子と、を有する、フェーズドアレイ探触子と、
複数の前記超音波振動子から前記長尺物の中心軸を含む検査平面内の集束点に集束させて超音波ビームを発信し、その反射波を受信するフェーズドアレイ探傷装置と、を備え、
前記フェーズドアレイ探傷装置は、受信した前記反射波から前記検査平面内の反射波強度の２次元画像を作成する画像処理装置と、
複数の前記２次元画像から正常断面画像をノイズとして除去するノイズ除去装置と、を有する、長尺物探傷システムが提供される。

また本発明によれば、上記の長尺物探傷システムを用いた長尺物探傷方法であって、
（Ａ）前記長尺物の中心軸を中心として基準位置からの旋回角度を変化させて、前記フェーズドアレイ探触子を周方向に旋回させ、
（Ｂ）前記フェーズドアレイ探傷装置により、複数の前記超音波振動子から前記長尺物の中心軸を含む前記検査平面内の集束点に集束させて超音波ビームを発信し、その前記反射波を受信して記憶し、
（Ｃ）受信した前記反射波から複数の前記検査平面における前記旋回角度と反射波強度の前記２次元画像の組み合わせを表示し、
（Ｄ）複数の前記２次元画像から前記試験体の正常部に相当する前記正常断面画像を選択し、
（Ｅ）複数の前記２次元画像から前記正常断面画像をノイズとして除去する、長尺物探傷方法が提供される。

本発明によれば、フェーズドアレイ探触子が、長尺物の端面より小径かつ円形の検出面を有するので、直径３０ｍｍよりも細い円柱状の長尺物を検査対象としてその長手方向端面から探傷検査することができる。

また、フェーズドアレイ探触子が、円形の検出面に２次元的に配置された複数の超音波振動子を有する。これにより、従来より多いチャンネル数（例えば６４チャンネル）であっても、単一の振動子寸法を大きく（例えば、最小でも０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍに）でき、かつ容易に製作できる。従って、超音波強度は、振動子面積に比例するので、この場合の超音波強度は従来例よりも強くなり、Ｓ／Ｎ比が改善される。

さらに、本発明によれば、フェーズドアレイ探傷装置が、複数の超音波振動子から長尺物の中心軸を含む平面内の集束点に集束させて超音波ビームを発信し、その反射波を受信する。
これに対し、リニアアレイ探触子の場合は、素子が一方向に配列されているため、超音波ビームの集束が線となってしまい、点に集束させたい位置以外で超音波ビームが反射してしまう。
従って、本発明によれば、集束点の超音波強度は、従来例のリニアアレイ探触子よりも大幅に強くなり、Ｓ／Ｎ比と測定精度をさらに高めることができる。

また、本発明によれば、画像処理装置により、受信した反射波から検査平面内の反射波強度の２次元画像を作成することができる。
さらに、ノイズ除去装置を備え、作成した２次元画像から正常断面画像をノイズとして除去するので、２次元画像に共通に含まれる正常断面画像を消去して、２次元画像中の相違箇所を顕在化できる。

従って、本発明によれば、直径３０ｍｍよりも細い円柱状の長尺物を対象としてその長手方向端面から探傷検査することができ、かつＳ／Ｎ比と測定精度を高めることができる。

本発明による長尺物探傷システムの全体構成図である。 フェーズドアレイ探触子の具体例を示す側面図（Ａ）と底面図（Ｂ）である。 フェーズドアレイ探触子を上面から見た超音波振動子（素子）の配列図である。 長尺物が直径３０ｍｍ未満（例えば１６ｍｍ）の基礎ボルトである場合を示している。 図４の長尺物（基礎ボルト）を対象とする本発明の長尺物探傷方法の全体フロー図である。 実施例２の試験体モデルの説明図である。 実施例２のシミュレーション結果の比較図である。 選択ステップＳ３とノイズ除去ステップＳ４の説明図である。 実施例３の試験体ＴＰの説明図である。 実施例３の試験結果の比較図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明による長尺物探傷システム１００の全体構成図である。
長尺物探傷システム１００は、直径３０ｍｍよりも細い円柱状の長尺物１を試験体ＴＰとしてその端面１ａから内部を探傷検査する探傷装置である。
この図において、長尺物探傷システム１００は、フェーズドアレイ探触子１０とフェーズドアレイ探傷装置２０を備える。

図２は、フェーズドアレイ探触子１０の具体例を示す側面図（Ａ）と底面図（Ｂ）である。また、図３は、フェーズドアレイ探触子１０を上面から見た超音波振動子１４（素子）の配列図である。
以下、フェーズドアレイ探触子１０を「探触子１０」と、超音波振動子１４を「振動子１４」と略称する。

図２と図３において、探触子１０は、円柱状の長尺物１（試験体ＴＰ）の端面１ａより小径かつ円形の検出面１２と、検出面１２に２次元的に配置された複数の振動子１４と、を有する。

各振動子１４は、圧電素子とそれを上下方向に挟持する１対の電極とからなる。圧電素子は、小さな格子状や円柱状に分割された圧電素子を配列し、隙間にエポキシ樹脂などを充填したコンポジットタイプが好ましく、水晶または圧電セラミックからなり、電極間に電圧を印加することで超音波ビームを発生する。また、圧電素子は、受信した超音波ビームの強度に比例した電圧を電極間に発生する。

隣接する振動子１４の間には隙間１１が設けられ、それぞれ独立して作動するようになっている。隙間１１の大きさ（ギャップ幅）は後述する例では０．０５ｍｍである。

図３において、複数の振動子１４は、中心Ｏを中心とする同心円状に分離され、かつ周方向にそれぞれ分離して位置する。また各振動子１４は、同心円の中心Ｏを通る基準線Ｒに直交する方向に列上に分離されており、基準線Ｒに対し線対称に位置する。

基準線Ｒは、この例では図中のＹ軸である。
振動子１４の出力はその大きさに比例する。また線対称の振動子１４の大きさは、同一に形成されている。

図３において、探触子１０の検出面１２は、直径Ｄの円形であり、基準線Ｒに対し対称の複数の円弧状部分に分割された複数のセグメント１５を有する。セグメント１５は、上述した圧電素子の電極の一方に相当する。

セグメント１５は、この例では中心の円形部分とその他の円弧状部分からなる。なお、セグメント１５の形状はこの例に限定されず、その他の形状であってもよい。
また、隣接するセグメント１５の間の隙間１１の大きさ（ギャップ幅）は、一定であることが好ましいが変化してもよい。以下、ギャップ幅が一定又は一定に近い場合、セグメント間の隙間１１を分割線１６と呼ぶ。

セグメント１５の分割線１６は、この例では、複数の円形分割線１６ａと複数の直線分割線１６ｂと、からなる。

図３において、直線分割線１６ｂは、互いに平行であり、円形の中心Ｏを通る基準線Ｒに直交し、かつ円形分割線１６ａの両端に接している。この場合、直線分割線１６ｂは、基準線Ｒと円形分割線１６ａの交点を通り、互いに平行な直線である。

円形分割線１６ａは、この例では７本であり、検出面１２の円形を８つの円環状部分（リング状部分）に分割している。直線分割線１６ｂは、この例では１４本であり、リング状部分を多数（１１３）の円弧状部分（中央の一つの円を含む）に分割している。

図３において、セグメント１５の内側に記載された「数字」は、セグメント番号Ｉである。セグメント番号Ｉは、Ｙ軸（基準線Ｒ）に対し線対称位置のセグメント１５に同一の番号が付されている。
この結果、検出面１２は、円形分割線１６ａと直線分割線１６ｂで分割された１１３のセグメント１５を有するが、セグメント番号Ｉは、１〜６４である。
上述した探触子１０は、リング分割型アニュラーアレイ探触子である。

図１において、フェーズドアレイ探傷装置２０は、複数の振動子１４から長尺物１の中心軸Ｚ−Ｚと基準線Ｒを含む平面内（以下、検査平面２）の集束点３に集束させて超音波ビーム４を発信し、その反射波５を受信する。
以下、フェーズドアレイ探傷装置２０を「探傷装置２０」と略称する。

図１において、探傷装置２０は、線対称の対の振動子１４を同一条件で制御する複数の制御チャンネル２１を有する。
すなわち図３において、例えば、セグメント番号Ｉが１０、１１、１２、１４と１５のセグメント１５は、Ｙ軸（基準線Ｒ）に対し線対称に位置しており、同一の制御チャンネル２１により同一条件で制御される。
Ｙ軸に対し線対称に位置する他の対の振動子１４も同様である。

上述した探触子１０と探傷装置２０により、長尺物１の中心軸Ｚ−Ｚと基準線Ｒを含む検査平面２において、基準線上に遅延則を設け、各素子から検査平面内の集束点３に超音波ビーム４を集束させることができる。
この場合、点である集束点３に集束した超音波ビーム４の超音波強度は、検出面１２に２次元的に配置されたすべての振動子１４からの超音波ビーム４の総和となるため、線状に集束するリニアアレイ探触子と比較して、同一の計測点において非常に強くできる。

図１において、探傷装置２０は、画像処理装置２２とノイズ除去装置２４を有する。
画像処理装置２２は、受信した反射波５から検査平面２内の反射波強度の２次元画像６を作成する。
ノイズ除去装置２４は、複数の２次元画像６から正常断面画像７をノイズとして除去する。正常断面画像７とは、正常な断面（検査平面２）から得られる次元画像６を意味する。正常断面画像７は正常な検査平面２を含む複数の２次元画像６から経験的に容易に選択することができる。

図１において、探傷装置２０は、コンピュータ（ＰＣ）であり、さらに、記憶装置２６、演算装置、入力装置、及び出力装置２８を備える。
記憶装置２６は、中心軸Ｚ−Ｚを中心として探触子１０を周方向に旋回させた際に得られる複数の２次元画像６を記憶する。
正常断面画像７は、複数の２次元画像６から選択される。この選択は、例えばユーザによる。
出力装置２８は、例えばディスプレイ装置であり、受信した反射波５、２次元画像６、選択した正常断面画像７、ノイズ除去後の探傷画像８を表示する。

図４は、長尺物１が直径３０ｍｍ未満（例えば１６ｍｍ）の基礎ボルトである場合を示している。この場合、長尺物１は、外周に雄ねじ部を有する。すなわち、基礎ボルトの外周には例えばＭ１６、谷径１３．８ｍｍの雄ねじ部が設けられており、その一部に欠損部Ｅ（例えば腐食部）がありこれを検出する必要がある。
欠損部Ｅの端面１ａからの軸方向距離を欠陥距離Ｌ１とする。また、欠陥距離Ｌ１を含むその周辺範囲を検査範囲Ａとする。
欠損部Ｅは、１箇所に限定されず、複数であってもよい。また欠陥距離Ｌ１、検査範囲Ａも複数であってもよい。

図３に示した探触子１０をＭ１６の基礎ボルト（長尺物１）に適用する場合、検出面１２の直径ＤをＭ１６の谷径１３．８３５ｍｍよりも小径に設定する必要がある。直径Ｄが谷径より大きいと、外周部の振動子１４からの超音波ビーム４が端面近傍の雄ねじ部で散乱されノイズとなるからである。
後述する実施例では、検出面１２の直径Ｄを約１２ｍｍに設定した。

図５は、図４の長尺物１（基礎ボルト）を対象とする本発明の長尺物探傷方法の全体フロー図である。
本発明の方法は、上述した長尺物探傷システム１００を用い、Ｓ１〜Ｓ５の各ステップ（工程）を有する。

旋回ステップＳ１では、長尺物１の中心軸Ｚ−Ｚを中心として、基準線Ｒの位置を基準位置からの旋回角度θを変化させて、探触子１０を周方向に旋回させる。旋回角度θは、好ましくは角度検出器により正確に検出する。
旋回角度θは、０〜３６０度の範囲内で検査範囲Ａの位置に応じて設定する。旋回角度θのピッチ（例えば１度）は、必要とする分解能に基づき、決定する。

探傷ステップＳ２では、探傷装置２０により、複数の振動子１４から長尺物１の中心軸Ｚ−Ｚを含む平面（検査平面２）内の集束点３に集束させて超音波ビーム４を発信し、その反射波５を受信して記憶する。
検査平面２は、上述したように基準線Ｒと中心軸Ｚ−Ｚを含む平面である。この構成により、基準線Ｒを含む検査平面２に探触子１０により強い超音波ビーム４を発信し集束点３に集束させることができる。
この際、長尺物１の表面における検査範囲Ａに対応させて、図４に示すように、検査平面２の中心軸Ｚ−Ｚに対する超音波ビーム４の中心軸４ａがなす角度（以下、照射角度α）を最小照射角度α１から最大照射角度α２まで変化させる。
最小照射角度α１は、０度以上、最大照射角度α２は２０度以下であることが好ましい。散乱及びモード変換によりノイズ源となる超音波を減らすためである。
また、同時に集束点３の位置を、長尺物１の欠損部近傍の検査範囲Ａにおいて一定のピッチで軸方向及び半径方向に移動する。一定のピッチ（後述の例では１ｍｍ）は、必要とする分解能に基づき、決定する。
上述したステップＳ２により、長尺物１の欠損部近傍の検査範囲Ａの各点からの反射波５を受信して記憶することができる。
上述したステップＳ１とステップＳ２は、好ましくは交互に実施する。

上述したステップＳ１とステップＳ２により、欠損部近傍の検査範囲Ａに対する複数の組み合わせ（旋回角度θと反射波５の組み合わせ）が記憶装置２６に記憶される。

画像表示ステップＳ３では、出力装置２８（ディスプレイ装置）を用いて、受信した反射波５から検査平面２における複数の旋回角度θと２次元画像６の組み合わせを表示する。
２次元画像６は、検査平面内の反射波強度の２次元分布を示す強度分布図でも、経過時間と反射波強度の関係を示す時間変化図でもよい。

選択ステップＳ４では、旋回角度θと２次元画像６の複数の組み合わせから試験体ＴＰの正常部に相当する正常断面画像７を選択する。この選択は、例えばユーザによる。

ノイズ除去ステップＳ５では、複数の２次元画像６から正常断面画像７をノイズとして除去する。
このステップＳ４において、２次元画像６から正常断面画像７を除去した残存画像の強度分布が最小となるように、正常断面画像７を２次元的にシフトさせる、ことが好ましい。

上述した長尺物探傷方法により、２次元画像６に共通に含まれる正常断面画像７を消去して、２次元画像中の相違箇所を顕在化できる。

長尺物１として、細長い角柱を用い、その側面にねじ山形状を模擬した試験体モデルを作成し、シミュレーションソフト（Ｃｉｖａ２０１７）を用いたシミュレーションを実施した。

表１は、超音波の周波数が５，７，１０ＭＨｚの場合の波長λ、素子サイズｂと波長λの比（ｂ／λ）、及び探触子径Ｄｅが１２ｍｍの場合のＤｅ^２／４λの値を示す。

素子サイズｂと波長λの比（ｂ／λ）が１以上の場合に、グレーティングローブ（ｇｒａｔｉｎｇ ｌｏｂｅ）が発生することが知られている。グレーティングローブとは、合成した波形よりも大きい角度で正面以外の方向に拡散した超音波ビームが発生する現象である。
グレーティングローブは、ｂ／λが０．５以下の場合には、発生しない。また、ｂ／λが０．５を超え、１．０未満の場合には、ステアリング角により発生する可能性がある。
従って、グレーティングローブの発生を抑制する観点から、周波数が５又は７ＭＨｚが好ましく、１０ＭＨｚは不適切であるといえる。

Ｄｅ^２／４λの値は、近距離音場限界距離ｘ０として知られている。近距離音場限界距離ｘ０より近い近距離音場では、超音波強度の変動が大きく、近距離音場限界距離ｘ０を超えると距離ｘの増加とともに音圧が次第に小さくなる。
そのため、安定したデータを得るには、計測範囲を近距離音場限界距離ｘ０を超えた位置に設定することが好ましい。
従って、安定したデータを得るため、端面１ａからの欠陥距離Ｌ１を周波数が５ＭＨｚの場合は３０ｍｍ以上、７ＭＨｚの場合は４３ｍｍ以上とすることが好ましい。

上記観点に基づき、従来例のリニアアレイ探触子と図３に示した探触子１０（リング分割型アニュラーアレイ探触子）とを周波数５ＭＨｚでシミュレーションを実施した。
その結果、探触子１０ではねじ山形状からの反射波強度の２次元画像６が明瞭に得られるが、リニアアレイ探触子では、ほとんど検出できず、リニアアレイ探触子と比較してリング分割型アニュラーアレイ探触子が優れていることがわかった。

また、同じ探触子１０を用い、周波数を５，７，１０ＭＨｚで比較した結果、周波数を７ＭＨｚの場合にねじ部から最も強い反射波強度が得られた。
さらに、チャンネル数を２５ｃｈと６４ｃｈで比較した結果、６４ｃｈの方が、反射波強度が強く、かつ分解能が高いことがわかった。

以上の結果から、リニアアレイ探触子よりもリング分割型アニュラーアレイ探触子が優れており、周波数は７ＭＨｚ、チャンネル数は６４ｃｈが最も適していることがわかった。

図６は、実施例２の試験体モデルの説明図であり、（Ａ）は試験体モデルの側面図、（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、（Ａ）のＸ部拡大図である。
このうち、（Ｂ）は欠陥のないねじ山形状、（Ｃ）は模擬欠陥として、ねじ山の１つが欠落したねじ山形状、（Ｄ）は模擬欠陥として、ねじ山の１つが谷部まで欠けたねじ山形状である。
以下、（Ｂ）を正常モデル、（Ｃ）をねじ山腐食モデル、（Ｄ）をねじ谷腐食モデルと呼ぶ。

図６（Ａ）において、試験体モデルは、１６ｍｍ×１６ｍｍ×２５０ｍｍの直方体であり、その一面（図で右側面）に水平のねじ形状を模擬した。
この図において、全長Ｌは２５０ｍｍ、端面１ａからの欠陥距離Ｌ１は１２０ｍｍ、検査範囲Ａは端面１ａから４０〜２００ｍｍとした。

図６（Ｂ）の正常モデルにおいて、模擬ねじ形状は、ピッチＰ＝２ｍｍ、ねじ山高さｈ＝２．３７５ｍｍとした。
図６（Ｃ）のねじ山腐食モデルにおいて、端面から欠陥距離Ｌ１＝１２０ｍｍに位置する１つのねじ山を谷位置までの２．３７５ｍｍ（斜線範囲）が腐食されたねじ山を模擬した。
図６（Ｄ）のねじ谷腐食モデルにおいて、端面から欠陥距離Ｌ１＝１２０ｍｍに位置する１つのねじ山の頂点から３．１７５ｍｍ（斜線範囲）が腐食されたねじ谷を模擬した。

探触子として、図３に示した探触子１０（リング分割型アニュラーアレイ探触子）をシミュレーションに適用した。
また、Ｍ１６の基礎ボルト（長尺物１）に適用できるように、検出面１２の直径ＤをＭ１６の谷径１３．８ｍｍよりも小径（１２ｍｍ）に設定した。

探触子１０と探傷装置２０のシミュレーション条件は、以下の通りである。
（１）探触子タイプ：垂直
（２）素子配列パターン：アニュラフェーズドアレイ
（３）探触子径：φ１２ｍｍ
（４）リング数：８リング（６４ｃｈ）
（５）リング間ギャップ：０．０５ｍｍ
（６）周波数：７ＭＨｚ

また、シミュレーション条件として、探触子１０を端面１ａに対し垂直に設置した。さらに、ねじの谷の位置を焦点とし、深さ４０ｍｍから２００ｍｍまで垂直方向に１ｍｍピッチで焦点を移動し、超音波は縦波として計算した。

図７は、実施例２のシミュレーション結果の比較図である。
実施例２では、試験体モデルが細長い角柱であり、ねじ山形状はその側面にあり、平歯状である。そのため、上述した旋回ステップＳ１は不要である。

図７は、上述したステップＳ２、Ｓ３で得られた反射波強度の２次元画像６である。２次元画像６は、この例では、検査平面内の反射波強度の２次元分布を示す強度分布図である。
この図において、（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、それぞれ図６の（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）に対応している。

図中のＡは検査範囲、Ｂは模擬ねじ形状、α１は最小照射角度、α２は最大照射角度、Ｌ１は欠陥距離の位置である。

実施例２から以下のことが明らかとなった。
（１）端面１ａから４０〜２００ｍｍの検査範囲Ａにおいて模擬ねじの凹凸によるエコー（反射波５）が確認された。強い反射波５の位置を図中に細長い楕円形で示す。楕円形の中心はねじ谷に位置しており、ねじ谷の反射が主であることがわかる。
（２）エコー（反射波５）の減衰は約−０．１５ｄＢ／ｍｍであり、非常に小さい。従って、各ねじ谷を中心とする楕円形で示す反射波５の大きさと形状の検査深さによる差はほとんどなかった。
（３）図７（Ｃ）のねじ山腐食モデルにおいて、図７（Ｂ）の正常モデルと比較して、腐食部位（欠陥距離Ｌ１）のエコーが少し低下していた。なお、その部位よりも深い位置にあるねじ谷のエコーは得られていた。
（４）図７（Ｄ）のねじ谷腐食モデルにおいて、図７（Ｂ）の正常モデルと比較して、腐食部位（欠陥距離Ｌ１）のエコーが大きく低下していた。また、その部位よりも深い位置にあるねじ谷のエコーは、ほとんど検出できなかった。

図８は、上述した選択ステップＳ４とノイズ除去ステップＳ５の説明図である。
図７の（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を図４に示した１本の基礎ボルトからの２次元画像６であると考える。例えば、図７（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）が旋回角度θ＝０，９０，１８０度に対応すると考える。

この場合、上述した選択ステップＳ４において、図７（Ｂ）の正常モデルの２次元画像６を正常断面画像７として選択する。
また、上述したノイズ除去ステップＳ５において、図７（Ｃ）（Ｄ）の２つの２次元画像６から正常断面画像７をノイズとして除去する。
この結果、図８（Ｃ）（Ｄ）に示すように、２次元画像６に共通に含まれる正常断面画像７を消去して、２次元画像中の相違箇所をノイズ除去後の探傷画像８として顕在化できる。

長尺物１として、Ｍ１６×Ｌ２５０ｍｍのアンカーボルトを用い、その側面に人工欠陥を模擬した円柱状の試験体ＴＰを製作し、試験した。
図９は、実施例３の試験体ＴＰの説明図であり、（Ａ）は試験体ＴＰの側面図、（Ｂ）はねじ山形状の拡大図である。

図９（Ａ）において、円柱状の長尺物１の直径ｄは１６ｍｍ、全長Ｌは２５０ｍｍである。
人工欠陥として、端面１ａ（上面）から欠陥距離Ｌ１＝５０，８０，１２０ｍｍの位置に、欠陥長ｂ＝１２ｍｍ、外径からの欠陥深さｃ＝２，３，５ｍｍの試験体ＴＰをそれぞれ準備した。

図９（Ｂ）において、ねじ山形状は、ピッチＰ＝２ｍｍ、ねじ山高さｈ＝１．０８ｍｍである。

探触子１０には、図３に示したリング分割型アニュラーアレイ探触子を新たに設計し製作した。
Ｍ１６の基礎ボルト（長尺物１）に適用するため、検出面１２の直径ＤをＭ１６の谷径１３．８ｍｍよりも小径に設定した。

新たに設計し製作した探触子１０は、図２、図３と同じであり、各部の寸法は以下の通りである。
（１）探触子タイプ：垂直
（２）素子配列パターン：図３のアニュラフェーズドアレイ
（３）探触子径：φ１１．９５ｍｍ
（４）振動子数：８リング×１５列＝１１３振動子
（５）チャンネル数：６４ｃｈ（左右対称素子短絡）
（６）１ｃｈ素子外径：φ０．７５ｍｍ
（７）ギャップ：０．０５ｍｍ
（８）周波数：７ＭＨｚ

図１０は、実施例３の試験結果の比較図である。
実施例３では、人工欠陥を欠陥距離Ｌ１の全周に準備した。そのため、上述した旋回ステップＳ１は不要である。

図１０は、上述したステップＳ２、Ｓ３で得られた反射波強度の２次元画像６である。２次元画像６は、この例では左図が経過時間と反射波強度の関係を示す時間変化図、右図が図７と同様の強度分布図である。
この図において、（Ａ）は人工欠陥のない場合、（Ｂ）は欠陥距離Ｌ１＝５０ｍｍ、（Ｃ）は欠陥距離Ｌ１＝８０ｍｍ、（Ｄ）は欠陥距離Ｌ１＝１２０ｍｍに人工欠陥がある場合である。なお、減肉深さｃ＝３ｍｍは共通である。

実施例３から以下のことが明らかとなった。
（１）図１０（Ａ）から、人工欠陥のない試験体では、アンカーボルトの端面１ａから６０ｍｍ程度までのねじ部からの反射エコー強度は高いが、端面１ａから６０ｍｍ以降は反射エコー強度が低くなった。深い位置のねじ部からの反射エコーは減衰等の影響により強度が低下したと推定される。
（２）欠陥距離Ｌ１＝５０ｍｍの試験体の試験結果では、深さｃ＝２ｍｍ，３ｍｍおよび４ｍｍの人工欠陥を検出した。しかし、ねじ部分からの反射エコーも強度が高く、減肉の形状・大きさによっては検出が困難になる可能性がある。
（３）人工欠陥位置がＬ１＝８０ｍｍの試験体およびＬ１＝１２０ｍｍの試験体の結果では、欠陥深さｃ＝４ｍｍの人口欠陥は検出できたが、欠陥深さｃ＝２ｍｍおよび３ｍｍは検出が困難であった。検出が困難だった原因として、減肉位置が深くなるに従って減衰の影響が大きくなり、ねじ部と人工欠陥からの反射エコーのＳ／Ｎ比が低くなる。また、人工欠陥が浅いと超音波ビームが反射する面積が低くなることから、反射エコー強度は低くなるため、人工欠陥の検出性が低下したと考えられる。

次に、長尺物１が図４に示した単一のアンカーボルトであり、その側面の一部に欠陥がある円柱状の試験体ＴＰを探傷検査する場合を想定する。
すなわち、図１０の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を図４に示した１本の基礎ボルトからの２次元画像６であると考える。例えば、図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）が旋回角度θ＝０，９０，１８０，２７０度にそれぞれ対応すると考える。

この場合、上述したステップＳ１，Ｓ２により、検査範囲Ａに対する複数の組み合わせ（旋回角度θと２次元画像６の組み合わせ）が記憶装置２６に記憶される。
このうち、欠陥がない旋回角度θ（例えばθ＝０度）の２次元画像６は、図１０（Ａ）に相当し、欠陥がある旋回角度θ（例えばθ＝９０，１８０，２７０度）の２次元画像６は、図１０（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）に相当する。

この場合、上述した選択ステップＳ４において、図１０（Ａ）の人工欠陥のない２次元画像６を正常断面画像７として選択する。
また、上述したノイズ除去ステップＳ５において、図１０（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）の３つの２次元画像６から正常断面画像７をノイズとして除去する。

この際、２次元画像６から正常断面画像７を除去した残存画像の強度分布が最小となるように、正常断面画像７を２次元的にシフトさせることが好ましい。
「２次元的にシフト」とは、２次元画像６が図７のような強度分布図の場合、検査平面内のねじ部のピッチＰに相当する時間と半径方向のズレに相当する距離とを変化させることを意味する。また、２次元画像６が時間変化図である場合には、検査平面内のねじ部のピッチＰに相当する時間のみの変化でもよい。
これにより、検査時のズレに起因する２次元画像６と正常断面画像７のズレを最小化することができる。

この結果、長尺物１が側面の一部に欠陥がある単一のアンカーボルトである場合に、図１０（Ａ）を正常断面画像７として選択し、その他の２次元画像６から正常断面画像７をノイズとして除去することで、２次元画像中の相違箇所をノイズ除去後の探傷画像８として顕在化できる。

上述した本発明の実施形態によれば、フェーズドアレイ探触子１０が、長尺物１の端面１ａより小径かつ円形の検出面１２を有するので、直径３０ｍｍよりも細い円柱状の長尺物１を検査対象としてその長手方向端面から探傷検査することができる。

また、フェーズドアレイ探触子１０が、円形の検出面１２に２次元的に配置された複数の超音波振動子１４を有する。これにより、従来より多いチャンネル数（例えば６４チャンネル）であっても、単一の振動子寸法を大きく（例えば、最小でも０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍに）でき、かつ容易に製作できる。従って、超音波強度は、振動子面積に比例するので、この場合の超音波強度は従来例よりも強くなり、Ｓ／Ｎ比が改善される。

さらに、本発明によれば、探傷装置２０が、複数の超音波振動子１４から長尺物１の中心軸Ｚ−Ｚを含む検査平面２内の集束点３に集束させて超音波ビーム４を発信し、その反射波５を受信する。
これに対し、リニアアレイ探触子の場合は、素子が一方向に配列されているため、超音波ビーム４の集束が線となってしまい、点に集束させたい位置以外で超音波ビーム４が反射してしまう。
従って、本発明によれば、集束点３の超音波強度は、従来例のリニアアレイ探触子よりも大幅に強くなり、Ｓ／Ｎ比と測定精度をさらに高めることができる。

また、本発明によれば、画像処理装置２２により、受信した反射波５から検査平面内の反射波強度の２次元画像６を作成することができる。
さらに、ノイズ除去装置２４を備え、作成した２次元画像６から正常断面画像７をノイズとして除去するので、２次元画像６に共通に含まれる正常断面画像７を消去して、２次元画像中の相違箇所を顕在化できる。

従って、本発明によれば、直径３０ｍｍよりも細い円柱状の長尺物１を対象としてその長手方向端面から探傷検査することができ、かつＳ／Ｎ比と測定精度を高めることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

Ａ 検査範囲、Ｂ 模擬ねじ形状、ｂ 欠陥長、ｃ 欠陥深さ、
Ｄ 直径、Ｅ 欠損部、ｈ ねじ山高さ、Ｌ 全長、
Ｌ１ 欠陥距離、Ｏ 中心、Ｐ ピッチ、
Ｒ 基準線、ＴＰ 試験体、Ｚ−Ｚ 中心軸、α 照射角度、
α１ 最小照射角度、α２ 最大照射角度、θ 旋回角度、
１ 長尺物（基礎ボルト）、１ａ 端面、２ 検査平面、３ 集束点、
４ 超音波ビーム、４ａ 超音波ビームの中心軸、５ 反射波、
６ ２次元画像、７ 正常断面画像、８ 探傷画像、
１０ フェーズドアレイ探触子、１１ 隙間、１２ 検出面、
１４ 超音波振動子、１５ セグメント、１６ 分割線、
１６ａ 円形分割線、１６ｂ 直線分割線、
２０ フェーズドアレイ探傷装置、２２ 画像処理装置、
２４ ノイズ除去装置、２６ 記憶装置、２８ 出力装置、
１００ 長尺物探傷システム

Claims (7)

1. 直径３０ｍｍよりも細い円柱状の長尺物を試験体としてその端面から探傷検査する長尺物探傷システムであって、
   前記端面より小径かつ円形の検出面と、該検出面に２次元的に配置された複数の超音波振動子と、を有する、フェーズドアレイ探触子と、
   複数の前記超音波振動子から前記長尺物の中心軸を含む検査平面内の集束点に集束させて超音波ビームを発信し、その反射波を受信するフェーズドアレイ探傷装置と、を備え、
   前記フェーズドアレイ探傷装置は、受信した前記反射波から前記検査平面内の反射波強度の２次元画像を作成する画像処理装置と、
   複数の前記２次元画像から正常断面画像をノイズとして除去するノイズ除去装置と、を有する、長尺物探傷システム。
2. 前記フェーズドアレイ探傷装置は、前記中心軸を中心として前記フェーズドアレイ探触子を周方向に旋回させた際に得られる複数の前記２次元画像を記憶する記憶装置を備え、
   前記正常断面画像は、複数の前記２次元画像から選択される、請求項１に記載の長尺物探傷システム。
3. 複数の前記超音波振動子は、前記検出面が同心円状に分離され、かつ円の中心を通る基準線に直交する列上に分離し、前記基準線に対し線対称に位置する、請求項１に記載の長尺物探傷システム。
4. 前記フェーズドアレイ探傷装置は、前記線対称の対の前記超音波振動子を同一条件で制御する複数の制御チャンネルを有する、請求項３に記載の長尺物探傷システム。
5. 前記長尺物は、外周に雄ねじ部を有する、請求項１に記載の長尺物探傷システム。
6. 請求項１に記載の長尺物探傷システムを用いた長尺物探傷方法であって、
   （Ａ）前記長尺物の中心軸を中心として基準位置からの旋回角度を変化させて、前記フェーズドアレイ探触子を周方向に旋回させ、
   （Ｂ）前記フェーズドアレイ探傷装置により、複数の前記超音波振動子から前記長尺物の中心軸を含む前記検査平面内の集束点に集束させて超音波ビームを発信し、その前記反射波を受信して記憶し、
   （Ｃ）受信した前記反射波から複数の前記検査平面における前記旋回角度と反射波強度の前記２次元画像の組み合わせを表示し、
   （Ｄ）複数の前記２次元画像から前記試験体の正常部に相当する前記正常断面画像を選択し、
   （Ｅ）複数の前記２次元画像から前記正常断面画像をノイズとして除去する、長尺物探傷方法。
7. 前記（Ｅ）において、前記２次元画像から前記正常断面画像を除去した残存画像の強度分布が最小となるように、前記正常断面画像を２次元的にシフトさせる、請求項６に記載の長尺物探傷方法。
   
   

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