JP2656355B2

JP2656355B2 - 超音波探傷方法およびその装置

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Publication number: JP2656355B2
Application number: JP1230512A
Authority: JP
Inventors: 勝弘恩田; 敏長井; 一朗古村; 泰治平沢; 元晴後藤
Original assignee: Toshiba Corp; Chubu Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Chubu Electric Power Co Inc
Priority date: 1989-09-07
Filing date: 1989-09-07
Publication date: 1997-09-24
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: JPH0394154A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、タービン翼のダブティール部などの複雑形
状部内の欠陥を検出するのに用いられる超音波探傷方法
およびその装置に関する。

（従来の技術）従来、披検体としてタービン翼のダブティール部の組
立て状態の欠陥検査には、ダブティール部外表面からの
Ａスコープによる超音波探傷法が用いられていた。しか
し、Ａスコープ探傷法は、ダブティール部のように形状
が複雑になると、形状部からのエコーと欠陥部からのエ
コーを判別するのが難しくなるため、このような形状複
雑部の欠陥検出にはＢスコープ（断面象表示）による超
音波探傷法が採用される傾向にある。

しかして、従来、このようなＢスコープによる超音波
探傷法として、特開昭57−120858号公報に開示されたも
のがある。すなわち、このものは第10図に示すように、
タービンロータ１とタービン翼２の間に介在されるタブ
ティール部３に発生する欠陥部、ここでは亀裂部４を検
出するためのもので、ダブティール部３の外表面８に多
数の超音波振動子６を有する超音波探触子５を配置し、
超音波振動子６にパルス信号を順次切替えて与えること
により、超音波ビーム７をダブティール部３内部に扇形
に走査させ、ダブティール部３内面および亀裂部４から
反射されてくる超音波を超音波探触子６により受信す
る。そして、この状態で超音波探触子５をダブティール
部３の外表面８の探触子走査線９に沿って移動させ、Ｘ
方向位置10、Ｙ方向位置11および探触子５の傾き角度12
の各々の位置信号を検出し、これら探触子位置信号と上
記超音波ビーム７の反射信号を図示しない演算部に与え
演算処理して、第11図に示すように表示部13上に探傷部
の断面映像であるＢスコープを表示させ、複雑なダブテ
ィール部３の形状と亀裂４の判別を可能にしている。

（発明が解決しようとする課題）このようなＢスコープによる超音波探傷法によると、
超音波探触子５をダブティール部３の外表面８に沿って
正確に移動させ、しかも、この時の超音波探触子５の位
置検出を正確に行わなければならないため、超音波探触
子５を走査させるのに高精度の探触子走査具を必要とす
る。しかし、このような高精度の探触子走査具を必要と
することは、タービン翼２、ダブティール部３の外形形
状がタービンロータの段階毎に種々異なり、タービンロ
ータ自身によっても異なることから全てのダブティール
部３に対して探触子走査具の位置検出精度を維持しよう
とすると、その構成が複雑となり、かえって操作性およ
び検査効率が悪化するおそれがあった。特に、このよう
な探触子走査具の操作性および検査効率の良し悪しは、
タービン翼は１段落に100本前後組み立てられ、しかも
タービンロータ１本に数段落があることから、これらタ
ービン翼２およびダブティール部３を１本毎に全数にわ
たって検査しなければならないことからも極めて重要な
ことである。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、高精度の
探触子走査具を必要とせず操作性および検査効率の低下
を招くことなく複雑形状部の形状エコーおよび欠陥エコ
ーの判別を確実に行うことができる超音波探傷方法およ
びその装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、被検体として、例えばタービン翼ダブティ
ール部などの形状は、その制作図面から予め知る得るこ
とが容易であり、それによって概略の探触子位置が分か
れば超音波探傷時の特定形状部からのエコーを特定する
ための超音波のビーム方向、ビーム路程が予想できるこ
とに着目したものであり、このような内部断面形状が既
知の被検体の少なくとも２つ以上の特定形状部からの反
射超音波を検出し、この反射超音波のビーム方向とビー
ム路程から超音波反射源を特定するとともに超音波ビー
ムの入射点を決定し、この超音波ビームの入射点を基準
にして上記被検体の断面形状とＢスコープを重ね合わせ
て表示するようにしている。

また、本発明は、被検体に対する超音波探傷時のＢス
コープ画像データを記憶する記憶手段と、予め上記被検
体の断面形状データを記憶した形状記憶手段を有し、被
検体に対する超音波探傷時の超音波受信号波形から複数
の特定形状エコーを抽出しそれぞれのエコーの超音波ビ
ーム方向とビーム路程を検出するとともに、この検出さ
れた超音波ビーム方向とビーム路程により超音波反射源
位置と超音波ビーム入射位置を演算し、この演算された
超音波反射源位置と超音波ビーム入射位置を基準にして
上記形状記憶手段の被検体の断面形状と上記記憶手段の
Ｂスコープを重ね合わせ処理し、この処理結果を表示す
るようになっている。

（作用）本発明は、被検体に対して扇形に走査して得られた多
数のエコーの中から予想される特定形状からのエコーの
ビーム方向とビーム路程に相当するエコーを抽出するこ
とで、これらエコーのビーム方向とビーム路程から実際
の探触子位置を求めるようにしている。そして、こうし
て求めた探触子位置を基準として予め用意された被検体
の断面形状とＢスコープを重ね合わせて表示することに
よって被検体の形状をＢスコープ上で表示することがで
き、探触子の走査を不要とするとともに、精度のよい欠
陥検出が可能となる。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面にしたがい説明する。

まず、本発明の超音波探傷方法について説明する。こ
の場合、第１図に示すように被検体としてのタービン翼
ダブティール部21を用意し、このタービン翼ダブティー
ル部の外表面22に多数の超音波振動子23を有する超音波
探触子24を配置する。そして、超音波振動子23にパルス
信号を順次切替えて与えることにより、超音波ビーム25
をダブティール部21内部に扇形に走査（以下、セクタ走
査と称する。）させ、ダブティール部21内面から反射さ
れてくる超音波を超音波探触子24により受信する。この
結果として、第２図に示すように表示部27上に被検体の
断面像であるＢスコープが表示される。ここで、B1′、
B2′、B3′は形状エコー、Ｃは欠陥エコー、l2は形状エ
コーB2′までのビーム路程、θ２はビーム路程l2の方向
を示している。

この場合、Ｂスコープに表示されるエコーはダブティ
ール部21の一部のみであり、このため超音波探触子24の
正確な位置Ｐが判らないとＢスコープに表示されている
形状エコーB1′、B2′、B3′とダブティール部21の形状
部B1、B2、B3の対応は不明である。そこで、いま、Ｂス
コープに表示されている形状エコーB2′について注目
し、この形状エコーB2′のエコー源として第３図に示す
ダブティール部21の凸部形状部B2を仮定すると、この形
状部B2の形状に沿ってビーム路程l2だけ離れた点の軌跡
T2が形状部B2のＲ部分の中心r2、r2′より円弧を形成す
ることにより得られるが、この軌跡T2上に探触子位置
（超音波ビームの入射点に相当）Ｐが存在することにな
る。ここでは、軌跡Ｔとダブティール部21の外表面22と
の交点Ｐ、Ｐ′のいずれかになるが、これら交点Ｐ、
Ｐ′における軌跡T2の法線と外表面22の法線がなす角度
が、第２図に示したＢスコープにおけるビーム方向θ２
と一致する方が実際の超音波ビームの入射点、すなわち
探触子位置として特定されることになる。

なお、ここまでの説明ではＢスコープに表示されたエ
コーB2′が形状部B2と対応していると仮定したが、必ず
しも仮定が正しいとは限らない。このような場合は、予
想される超音波ビーム入射点の軌跡Ｔとダブティール部
21の外表面22との交点が存在しないか、またはＢスコー
プに表示されたエコーのビーム方向と交点における軌跡
T2の法線と外表面22の法線のなす角度とが一致しないこ
とから容易に判断できる。

したがって、このような操作を行うことにより、Ｂス
コープに表示された形状部B1、B2、B3に対応する形状エ
コーB1′、B2′、B3′の超音波ビームの入射点、すなわ
ち探触子位置Ｐが特定されるようになる。この場合、こ
れらにより求められた超音波ビームの入射点は第４図に
示すようにダブティール部21の外表面22の特定位置に集
中されることから、この位置を探触子位置Ｐとして決定
することができる。

そして、このような探触子位置Ｐを基準として第５図
に示すように表示器27にタービン翼ダブティール部21の
外形形状図とＢスコープを重ね合わせて表示することに
よりＢスコープに表示された形状エコーB1′、B2′、B
3′と対応する形状部B1、B2、B3の位置関係が明確とな
り、欠陥26の判定を簡単にできるようになる。

次に、このような超音波探傷方法を適用した超音波探
傷装置の一例を第６図にしたがい説明する。

図において、31はタービン翼ダブティール部で代表さ
れる被検体で、この被検体31にはアレイ探触子32を設け
ている。このアレイ探触子32は多数の超音波振動子33を
配列してなるもので、被検体31内部に扇形に超音波ビー
ム34を走査（セクタ走査）するようにしている。この場
合、アレイ探触子32の多数の超音波振動子33は、電子走
査方式の超音波送受信器35により超音波ビーム34の送受
信のタイミングが制御されている。そして、超音波送受
信器35により受信される超音波ビームの走査方向毎の超
音波受信波形は、A/D変換器36を介して画像記憶装置37
およびピーク検出器38に取り込まれる。ここで、ピーク
検出器38はゲート発生器39で設定されるゲート信号の範
囲で受信した超音波信号のピーク値とそのビーム路程を
検出するようにしている。また、A/D変換器36およびゲ
ート発生器39は、電子走査方式の超音波送受信器35の超
音波送信のタイミングに同期した信号が入力され、これ
を基準として動作するようになっている。

画像記憶装置37に取り込まれた被検体31に対するセク
タ走査による超音波受信波形群は、表示器27に送られ
る。この場合、表示器27は、被検体31の断面像であるＢ
スコープを表示するようにしている。

なお、これらの電子走査方式の超音波送受信器35、画
像記憶装置37、ピーク検出器38、ゲート発生器39は、形
状記憶装置41とともにインターフェイス42を介して計算
機43に接続され、この計算機43の指令に基づいて動作す
るようになっている。ここで、上記形状記憶装置41は、
予め被検体31の断面形状データを記憶したもので、ハー
ドディスクやフロッピーディスクなどにより構成さてい
る。

次に、このような超音波探傷装置を用いて、被検体31
の探傷を実行する場合を第７図のフローチャートにした
がい説明する。この場合、被検体31であるタービン翼ダ
ブティール部の断面形状データは、形状記憶装置41に記
憶されているものとする。

まず、ステップA1において探傷条件の設定を行う。こ
の場合、電子走査方式の超音波送受信器35に対してセク
タ走査時の超音波ビーム偏向開始角度、終了角度、偏向
角度ピッチに基づく超音波送受信制御データを設定す
る。これによって、超音波送受信器35はアレイ探触子32
のそれぞれの超音波振動子33に対し超音波ビームを発振
および受信するタイミングを制御して被検体31内部の所
定角度方向の探傷を可能にする。一方、計算機43はゲー
ト発生器39に対し超音波ビームのセクタ走査時にタービ
ン翼のダブティール部の形状エコーの検出可能なビーム
路程範囲を超音波ビームの偏向走査角度毎にダブティー
ル部形状データより求めてゲート位置を設定する。

この状態からステップA2に進む。このステップA2で
は、計算機43は電子走査方式超音波送受信器35に対して
超音波ビーム偏向開始角度での探傷を指令する。この
時、超音波送受信器35は、A/D変換器36、ゲート発生器3
9に対して超音波送信時点に同期した同期信号を出力す
る。これにより、この同期信号を基準としてアレイ探触
子32より出力された超音波ビーム方向からの受信号波形
が、アナログデジタル変換され、画像記憶装置37の所定
位置に記憶される。また、A/D変換器36からのデジタル
受信号波形はピーク検出器38にも与えられ、ゲート発生
器39のゲート信号の範囲でのピーク値と、そのピーク路
程が検出され、計算機43に取り込まれる。

以下、同様にして超音波ビームの偏向角度を偏向終了
角度まで順次変更しながら上述のステップA2の動作を繰
り返し実行し、その後、セクタ走査終了が判断される
と、ステップA3でそのループを抜ける。これにより被検
体31の一連のセクタ走査による探傷が終了し、画像記憶
装置37には、被検体31内部のＢスコープの画像データが
記憶され、計算機43には、超音波ビーム偏向角度毎のタ
ービン翼ダブティール部の形状エコーのピーク値とその
ビーム路程が取り込まれるようになる。

次に、ステップA4に進む。ステップA4では、特定エコ
ーを抽出する。この場合、形状エコーのピークデータを
超音波ビーム偏向角度に対するピーク値の関係で求める
と複数の極大値が得られることから、この極大値を示す
エコーの超音波ビーム偏向角とビーム路程を検索するこ
とにより特定形状部からのエコーが抽出される。

そして、ステップA5に進む。このステップA5では、第
３図および第４図で述べたように、抽出した複数の形状
エコーB1′、B2′、B3′の超音波ビーム偏向角とビーム
路程からダブティール部の凸部形状部B1、B2、B3をその
エコー源として仮定した場合の予想される超音波ビーム
入射点の軌跡Ｔとダブティール部外表面22との交点Ｐを
求め、そのＰ点における予想超音波ビーム入射点の軌跡
Ｔの法線外表面22との法線とがなす角度が、上述した抽
出エコーの超音波ビーム偏向角とほぼ等しいことを検定
し、対応する形状部位置の特定とその時の入射点位置を
記憶する。

このような動作により抽出した複数のエコーに対し、
ステップA5を繰り返して実行し、その後、ステップA6で
の抽出エコーの処理終了の判定をまってりステップA7に
進む。

ステップA7では、ステップA5で求めた複数抽出エコー
の入射点位置がダブティール部外表面の特定位置に集合
しているかを判断するものであり、入射点位置が分散し
ている場合あるいは入射点位置が一つも無い場合は、正
確な探触子位置が得られなかったものとして警告を発し
て一連の動作を終了する。一方、入射点位置が集合して
いる場合は、ステップA8に進む。

ステップA8では、複数の入射点位置の平均を取り、単
一の探触子位置として決定し、これを基準として画像記
憶装置37に記憶されている被検体のＢスコープ画像デー
タと、形状記憶装置41に予め記憶されている該当ダブテ
ィール断面形状データから画像記憶部37上でＢスコープ
と形状図の重ね合わせ処理を行い、その結果を第４図に
示すように表示器27に表示させて一連の動作を終了す
る。

したがって、このようにすれば探触子の位置検出器を
用いことなく、被検体のＢスコープとその断面形状図を
正確に重ね合わせることができるので、ダブティール溝
部の複雑形状部からのエコーは、その断面形状図に沿っ
て表示されるとともに、欠陥は予想されている発生位置
の近傍で断面形状図から外れて表示されるようになるの
で、欠陥の判定を容易に行うことができる。

また、ダブティール部のＢスコープと断面形状図を正
確に重ね合わせて表示するようにしたので、探触子を外
表面上に沿って機械的に走査させてダブティール溝部の
複雑な形状を忠実にＢスコープに表示させるものに比
べ、高精度の探触子走査具および探触子位置検出器を不
要にできるとともに、検査の効率も格段に向上させこと
ができる。

なお、ここまでの説明では、ダブティール部探傷時の
一つのＢスコープとその外形形状を重ね合わせて表示す
るものについて述べたが、一般にタービン翼ダブティー
ル部の溝部は２〜３箇所あり、欠陥の発生が予想される
位置も経験的に、あるいは力学的に知られている。一
方、複数のダブティール部の欠陥を一箇所の探触子位置
から探傷したとしても欠陥の方向性などによって必ずし
も全ての欠陥を安定に検出することは難しい。そこで、
第８図（ａ）（ｂ）に示すように複数のダブティール部
毎に探触子位置をP1、P2、P3に変えて探傷するようにし
てもよい。この場合、第１図および第５図と同一部分に
は同符号を付して示している。このようにすれば、Ｂス
コープ画像データを格納する画像記憶装置37の容量を拡
張して、それぞれの探触子位置P1、P2、P3毎のＢスコー
プ画像データを記憶するようにしておき、且つそれぞれ
の探触子位置P1、P2、P3毎に第７図で述べたフローチャ
ートにしたがい探触子位置の決定を行い、ダブティール
部断面形状にそれぞれのＢスコープを重ね合わせて表示
するようにすればよく、上述した実施例の構成を何等変
えることなく実現でき、これによってダブティール部全
体の欠陥の判定を一度にできるようになる。

一方、これまではダブティール部のＢスコープ画像か
ら欠陥の判定を行うようにしているが、本発明では探触
子位置検出器がなくとも正確な探触子位置検出を行うこ
とができる。つまり、第９図に示すように被検体51の外
表面52上の探触子位置Ｐからダブティール溝部の欠陥53
の予想される位置を事前に知ることができることから、
その欠陥53からのエコーが検出可能な超音波ビームの偏
向角度θ_Ｄおよびそのビーム路程l_Dを幾何学的に容易に
求められ、さらに探触子位置Ｐから検出可能な特定形状
部B1、B2の超音波ビーム偏向角度θ_M1、θ_M2およびビー
ム路程l_M1、l_M2をも容易に求められる。このことから、
被検体51内部をセクタ走査して第７図で述べたフローチ
ャートにしたがい探触子位置の決定した後、前述の特定
形状部B1、B2および欠陥53の予想される位置に対応する
超音波ビーム偏向角度θ_M1、θ_M2、θ_Ｄおよびビーム路
程l_M1、l_M2、l_Dに基づいて、上述のゲート発生器39のゲ
ート制御データを再設定し、最適な条件で特性形状部B
1、B2からのエコーおよび欠陥53からのエコーを検出
し、そのエコー高さから欠陥判定を定量的に行うことが
できる。この時、特定形状部B1、B2からのエコーの高さ
から探触子の被検体との接触状態を判定させ、欠陥53か
らのエコー高さによる判定をより信頼できるものにする
ことが可能になる。

この結果、探触子位置が予定していた位置と異なる場
合であっても、超音波探傷装置自体が自ら補正して欠陥
検出に最適な超音波ビームで探傷できるため安定に精度
よく欠陥検出して判定できるようになる。

さらに、これまでの実施例では、探触子位置が全くわ
からない時の、探触子位置を決定する手段について説明
したが、もし該略の探触子位置が検出できるか、あるい
は入力できるならば、その探触子の正確な位置はより簡
単に決定できる。すなわち、概略の探触子位置から検出
可能な特定形状部は幾何学的に容易に知り得るから、そ
の超音波ビーム方向とビーム路程を予測して、これに最
も近いエコーのピークデータ（第７図のフローチャート
のステップA2によるゲート内エコーのピーク検出結果）
を検索するように第７図のフローチャートのステップA4
を変更し、且つステップA5の抽出エコーに対応する形状
部の同定における特定形状部の最初の仮定に当てはめれ
ばよく、簡単な探傷手順の変更で実施できるようにな
る。

［発明の効果］本発明によれば、被検体の複雑形状部の形状エコーを
抽出して、その反射源位置を特定するとともに、探触子
位置を決定し、被検体の外形形状図とＢスコープを重ね
合わせて表示するようにしたので、高精度の探触子走査
具や探触子位置検出器を必要とすることなく複雑形状部
の形状エコーと欠陥エコーを容易に、且つ高精度に判定
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は、本発明の超音波探傷方法の一実施
例を説明するための図、第６図は、本発明の超音波探傷
装置の一実施例を示すブロック図、第７図は、同超音波
探傷装置の動作を説明するためのフローチャート、第８
図および第９図は本発明の他の実施例を説明するための
図、第10図および第11図は従来の一例を説明するための
図である。 21……タービン翼ダブティール部、22……外表面、23…
…超音波振動子、24……超音波探触子、25……超音波ビ
ーム、26……欠陥、27……表示器、31……被検体、32…
…アレイ探触子、33……超音波振動子、34……超音波ビ
ーム、35……超音波送受信器、36……A/D変換器、37…
…画像記憶装置、38……ピーク検出器、39……ゲート発
生器、41……形状記憶装置、43……計算機。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平沢泰治神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者後藤元晴神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (56)参考文献特開昭49−90189（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−120858（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−48360（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内部断面形状が既知の被検体の少なくとも
２つ以上の特定形状部からの反射超音波を検出し、この
反射超音波のビーム方向とビーム路程から超音波反射源
を特定するとともに、超音波ビームの入射点を決定し、
この超音波ビームの入射点を基準にして上記被検体の断
面形状とＢスコープを重ね合わせて表示するようにした
ことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項２】被検体に対する超音波探傷時のＢスコープ
画像データを記憶する記憶手段と、予め上記被検体の断
面形状データを記憶した形状記憶手段と、上記被検体に
対する超音波探傷時の超音波受信号波形から複数の特定
形状エコーを抽出しそれぞれのエコーの超音波ビーム方
向とビーム路程を検出する検出手段と、この検出手段に
より検出された超音波ビーム方向とビーム路程により超
音波反射源位置と超音波ビーム入射位置を演算する演算
手段と、この演算手段により演算された超音波反射源位
置と超音波ビーム入射位置を基準にして上記形状記憶手
段の被検体の断面形状と上記記憶手段のＢスコープを重
ね合わせ処理する処理手段と、この処理手段で重ね合わ
せ処理されたデータを表示する表示手段とを具備したこ
とを特徴とする超音波探傷装置。