JP2856638B2

JP2856638B2 - 超音波探傷方法

Info

Publication number: JP2856638B2
Application number: JP5162034A
Authority: JP
Inventors: 繁俊兵藤; 泉佐藤; 興二斉藤
Original assignee: Tokyo Keiki Co Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1999-02-10
Anticipated expiration: 2014-02-10
Also published as: JPH0720096A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波探傷方法に係
り、特に、結晶粒度番号が小さな高減衰材料の内部の疵
を外部から検査する超音波探傷方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属などの被検材の内部に探触子から超
音波を入射し、被検材の内部からの反射エコーを探触子
を介して受信して、被検材の内部などにある疵を、被検
材を破壊することなく検査する超音波探傷方法が、従来
より知られている。この超音波探傷方法のうち、平板突
き合わせ溶接の溶接部の疵や、金属管の外表面または内
外表面に生じた亀裂疵を検査する場合においては、探触
子から超音波を被検材表面に対して斜めに入射する斜角
探傷が行われる。

【０００３】図６は、この斜角探傷を説明する図であ
る。同図において、探触子２０から超音波を入射角θ_i
で被検材である鋼管２１に入射すると、超音波は、屈折
角θ_sで鋼管２１内を伝搬し、最初に管壁の内表面２１
ａに当たり、ここで反射される。鋼管２１の内表面２１
ａの内側は、空気があるだけであるので、超音波は、内
表面２１ａの内側には伝搬しない。この最初の反射点
は、０．５Ｓ（スキップ）点と称される。

【０００４】次に、上記の反射超音波は、再び管内を伝
搬して、外表面２１ｂに当たり、ここで反射される。こ
の反射点は、１Ｓ点と称される。以下、上記と同様にし
て、超音波は、減衰が大きくなるまで、管壁の内表面２
１ａと外表面２１ｂとに交互に反射されて、２２で示す
如き経路で伝搬する。内外表面に疵があると、そこで反
射して、反射エコーが探触子２０に戻ってくる。なお、
実際には、鋼管２１の外表面２１ｂでの乱反射や、入射
超音波のサイドローブの反射などがあるため、２３で示
す入射点での反射がある。これは、表面反射エコー（Ｓ
エコー）として、探触子２０で受信される。

【０００５】ここで、鋼管２１内に縦波と横波とが混在
すると、両者の伝搬経路も音速も異なるので、探触子２
０が受信するエコーの反射波が区別できず、よって、疵
の位置を特定できない。そのため、鋼管２１内に超音波
を斜めに入射する斜角探傷では、入射角θ_iを臨界角よ
り大きくして、鋼管２１内では横波しか存在しないよう
にするのが通常である。

【０００６】なお、図示は省略したが、探触子２０と鋼
管２１との間には、水等の超音波伝搬媒体が介在してい
る。また、鋼管２１と探触子２０のどちらか一方を固定
し、他方を回転させることにより、全周に亘って探傷を
行い、かつ、鋼管２１を軸方向にも移動することによ
り、略全長に亘って探傷することができる。

【０００７】ここで、鋼管２１の結晶粒度番号と、最適
受信周波数とは、図７に示す如く、結晶粒度番号が小さ
くなるほど、最適受信周波数が低くなり、また、結晶粒
度番号が小さくなるほど、図８に示す如く、探傷Ｓ／Ｎ
比が低下することが知られている。上記の結晶粒度番号
は、日本工業規格（ＪＩＳ）Ｇ０５５１に規定された番
号で、値が小さいほどオーステナイト結晶粒の平均断面
積が大であることを示す。また、上記の探傷Ｓ／Ｎ比
は、試験片に加工された基準疵のエコー（Ｓ）に対する
試験片の結晶粒で反射するエコー（Ｎ）の比を表す、結
晶粒が粗大な、すなわち、結晶粒度番号が小さな鋼管ほ
ど、図８に示す如く、探傷Ｓ／Ｎ比が低下する。なお、
図７の縦軸の最適受信周波数は、上記の探傷Ｓ／Ｎ比が
最大となる時の受信周波数である。そこで、従来の超音
波探傷方法では、受信回路側で受信周波数を選択するこ
とにより、疵検出性能を向上させる方法が提案されてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来の
超音波探傷方法では、簡単な回路で大振幅が得られ、ま
た分解能（相隣る二つの反射エコーを分離して超音波探
傷器の画面に表示する能力）を高めることができるなど
の理由から、探触子２０を大振幅（例えば２００Ｖ〜数
百Ｖ）の、図９に示すようなインパルスで励振している
が、このインパルスの周波数成分が広帯域であるため
に、例えば、１０ＭＨｚの探触子２０を用いた場合、得
られる探触子２０の感度（電気−機械変換効率、機械−
電気変換効率）が２ＭＨｚ〜３ＭＨｚ程度の低周波数で
低く、そのため得られる受信信号の低周波数成分が少な
くなる。このことから、最適受信周波数が、図７に示し
たように、低い周波数である、特に結晶粒度番号が小さ
な鋼管２１の探傷時には、受信回路として、極めて高感
度の回路が要求され、実現が困難である。

【０００９】また、超音波探傷方法では、探傷しようと
する鋼管２１と同一サイズ、同一材質（または近似の材
質）の鋼管の、内表面と外表面のそれぞれに、同一形
状、同一寸法の基準疵を加工した試験片をあらかじめ用
意し、外表面の基準疵が１Ｓ点にあるように試験片の位
置を決めて、基準疵のエコーの振幅（超音波探傷器の表
示装置の画面上での振幅）が検査仕様で定められた値に
なるように、超音波探傷器のゲインを調整した後、内表
面の基準疵が０．５Ｓ点に位置するように試験片の位置
を定めて、その基準疵のエコーの振幅を測定する。この
場合、試験片の肉厚が薄ければ、試験片内での超音波の
減衰が小さいので、内面基準疵のエコーの振幅が、上記
したゲイン調整後の外面基準疵のエコーの振幅と略近似
した値となる。

【００１０】しかし、探傷しようとする鋼管２１の厚さ
が厚くなるほど（肉厚が大きくなるほど）、０．５Ｓ点
と１Ｓ点との距離が長くなるため、超音波の伝搬距離が
長くなり、１Ｓ点からの反射超音波が０．５Ｓ点からの
それに比して、大きく減衰される。このため、疵エコー
の最適受信周波数は、図１０に示す如く、０．５Ｓ点の
特性（実線Ｉ）に比べ、破線IIで示す如く、１Ｓ点の疵
エコーの最適受信周波数がより低下する。このため、受
信周波数が一つである従来方法では、探傷しようとする
鋼管２１の肉厚が大であると、疵検出に最適な周波数が
選択困難になったり、疵エコーの振幅が小さくなって、
検出困難な場合が発生するという問題がある。

【００１１】本発明は、以上の点に鑑みなされたもの
で、探触子の低周波数の感度を大とすることにより、結
晶粒が粗大な鋼管の内部の疵からのエコーを感度よく、
かつ、Ｓ／Ｎ比よく検査できる超音波探傷方法を提供す
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波探傷方法
は、上記の目的を達成するため、結晶粒度番号が所定値
以下の被検材に、探触子から超音波を斜めに入射するこ
とにより、被検材内から反射する横波超音波の反射エコ
ーを受信して被検材の疵の検査を行う超音波探傷方法に
おいて、前記探触子として帯域幅を持つ送受信周波数特
性の探触子を用い、この探触子の送受信周波数帯域内
で、かつ、あらかじめ定めた周波数および波数の正と負
の半サイクルをそれぞれ有する、矩形波、三角波または
鋸歯状波で探触子を励振して疵検査する構成としたもの
である。

【００１３】

【作用】本発明では、探触子を励振する周波数を、探傷
しようとする疵に応じて設定し、また、励振波形を１波
〜４波の正と負の半サイクルをそれぞれ有する非正弦波
である矩形波または三角波とする。ここで、本明細書に
おける矩形波および三角波は、後述する図２（Ａ）およ
び（Ｂ）に示すように、センターレベルに対して正極性
の半サイクルと負極性の半サイクルとが交互に繰り返さ
れる信号である。この矩形波あるいは三角波は、いずれ
も図３に示すように、中心周波数ｆ₀で帯域幅ｆ_wの狭帯
域信号の周波数スペクトラムを示し、中心周波数ｆ₀は
矩形波あるいは三角波の周期Ｔの逆数であり、帯域幅ｆ
_wは主としてｆ₀と波数により定まる。波数が多くなるほ
どｆ_wが狭くなり、振幅Ｐ１とＰ２との差（またはＰ１
／Ｐ２比）は正弦波が一番大きく、以下三角波、矩形波
の順となる。なお、本発明では、非正弦波として鋸歯状
波を用いることもできる。

【００１４】疵エコーの振幅は、上記のＰ１／Ｐ２比が
小であるほど大である。よって、図４にIIIで示す如
く、励振波形が、矩形波、三角波および正弦波のうち、
疵エコーの振幅は、矩形波が最大で、正弦波が最小とな
る。これに対し、図４にＩＶで示す如く、Ｓ／Ｎ比は、
励振波形が、矩形波、三角波および正弦波のいずれもそ
れほど変化がなく、励振波形には影響されないことが確
かめられた。

【００１５】また、探触子を励振する送信信号の波数と
疵エコーの振幅との関係は、図５にＶで示す如く、疵エ
コーの振幅は波数が１波〜３波では波数の増加と共に向
上するが、３波以上では疵エコーの振幅の改善効果は認
められないことが確かめられた。これは、波数の増大に
よりエネルギーが増大するためと考えられ、探触子の振
動子の機械的振動および被検材中の超音波パルス（機械
的振動）の立ち上がりにはある程度のエネルギーが必要
であることを示している。一方、送信信号の波数とＳ／
Ｎ比との関係は、図５にVIで示す如く、１波〜４波まで
は高Ｓ／Ｎ比が得られるが、５波以上では低下すること
が確かめられた。

【００１６】以上の結果から、探触子を励振する送信信
号波形は、４波の矩形波または三角波が望ましいことと
なる。ただし、上記の波数に比例して反射エコーの時間
幅も広くなるため、ある波数以上になると、疵エコーの
振幅は増大せずに、エコーの時間幅のみ増大する。この
ため、薄肉鋼管材の探傷検査では、外表面と０．５Ｓ点
との距離が短いために、波数を増大しすぎると、前記図
６の２３での表面反射エコーと０．５Ｓ点からの内面反
射エコーの相隣る二つの反射エコーが、超音波探傷器の
画面に分離して表示できなくなる。

【００１７】従って、薄肉鋼管材の探傷検査の場合は、
所要の分解能を確保するために、疵エコーの振幅が低下
するものの、１波〜３波のいずれかの矩形波または三角
波を用いる必要がある。また、送信信号の周波数は、図
７および図１０に示したように、被検材の結晶粒度番号
および肉厚によって変化するので、あらかじめ最適の周
波数になるように、矩形波または三角波の周期を設定す
る。この矩形波または三角波は、図３に示したように、
狭帯域信号であるから、探触子の帯域を選択することと
相まって、探触子の感度を所要の低周波数で従来より大
とすることができる。

【００１８】以上の点に着目して、本発明では、周波数
を設定し、かつ、１波〜４波の矩形波または三角波の送
信信号で探触子を励振することにより、従来よりも受信
信号中の低周波数成分を多くでき、効率の良い超音波探
傷をすることができる。

【００１９】

【実施例】次に、本発明の一実施例について図面と共に
説明する。

【００２０】図１は本発明方法が適用される超音波探傷
装置の一実施例のブロック図を示す。同図中、超音波探
傷器１は、同軸ケーブル２を介して探触子３に接続され
ている。探触子３は、内部の超音波振動子が、超音波探
傷器１からの送信信号で励振されると、超音波を発生し
て、被検材（鋼管４）内に超音波を入射し、また、被検
材からの超音波エコーを受信することができる構成とさ
れている。この探触子３は、振動子の機械的共振周波数
を含む相対的に広い送受信周波数特性を持つ、例えば、
中心周波数ｆ₀に対して０．５ｆ₀〜１．５ｆ₀の帯域幅
の広周波数帯域探触子で、通常の探触子がその超音波振
動子の機械的共振周波数のみで使用するように設計され
ているのに対し、機械的共振特性のＱの低い超音波振動
子を用いるか、超音波振動子をその背面に機械的負荷を
かけて機械的共振特性のＱを低くして用いることによ
り、例えば、１ＭＨｚ〜３ＭＨｚの範囲の送受信周波数
特性を有する。この広周波数帯域探触子３を、後述する
図２（Ａ）に示す矩形波または同図（Ｂ）に示す三角波
で励振すると、放射される超音波の周波数は、励振送信
信号の周波数で規制される。

【００２１】上記の被検材は、例えば、結晶粒の大きさ
が粗大な高減衰材料（ステンレスまたは高合金）の結晶
粒度番号が３以下の鋼管４であり、前記探触子３から超
音波が臨界角に近い角度で外表面に対して斜めに入射さ
れる。これにより、前記したように、鋼管４内を横波超
音波が伝搬して、内表面等に生じた亀裂疵で反射され
る。なお、探触子３と鋼管４との間には、超音波を伝搬
させる媒質（通常は水）と、その媒質による超音波の伝
搬経路を作る機構部が必要であるが、その図示は省略し
た。

【００２２】次に、パルス式の超音波探傷器１の構成に
ついて説明する。同期信号発振器１１は、超音波探傷器
１の各部の動作を起動する、一定周期の同期信号を発振
出力する。送信発振器１２は、同期信号発振器１１から
の同期信号を入力信号として受け、同期信号が入力され
た時点から、探傷しようとする鋼管４の探傷位置および
材質などに応じてあらかじめ定めた周波数で、かつ、所
定サイクル数の送信信号を間欠的に発振する回路で、送
信信号の波形を選択する波形選択器、送信信号の波数を
設定する波数設定器および送信信号の周波数を設定する
周波数設定器を含む。

【００２３】ここでは、上記の送信信号は、例えば、図
２（Ａ）に示す如く、周期がＴの３波の矩形波あるい
は、同図（Ｂ）に示す如く、周期がＴの３波の三角波で
ある。この周期Ｔの逆数が、上記のあらかじめ定めた周
波数である。上記の矩形波および三角波は、０Ｖをセン
ターレベルとし、正の半サイクルと負の半サイクルが交
互に繰り返される波形である。また、「波数」は、「周
期」と同義で、従って、１波のときは、一つの正の半サ
イクルと一つの負の半サイクルからなる幅Ｔの波形とな
る。なお、この波数や周期Ｔは、鋼管４の材質や寸法に
応じて適宜定められる。例えば、鋼管４の肉厚が薄いと
きは、波数は、前記したように分解能確保の点から小さ
な値とされる。

【００２４】この送信信号は、送信器１３に供給され、
ここで大振幅信号に電力増幅された後、同軸ケーブル２
を介して探触子３に印加され、これを励振して超音波を
発生させる。なお、同軸ケーブル２との整合をとる回路
も送信器１３に含まれる。

【００２５】受信器１４は、探触子３により鋼管４から
の反射エコーを受信し、電気信号に変換されたエコー信
号が入力され、これを増幅する回路で、送信周波数の選
択に対応できるように、広帯域の受信周波数特性を有す
る。検波器１５は、受信器１４からの受信エコー信号を
包絡線検波する。増幅器１６は検波信号を増幅し、増幅
信号を出力する。掃引波発生器１７は、前記同期信号に
同期して、増幅器１６からの増幅信号がＣＲＴ表示器１
８で表示されるような、掃引波を発生する。ＣＲＴ表示
器１８は、増幅信号を表示する陰極線管（ＣＲＴ）、増
幅信号を表示に必要な振幅および直流電位に増幅する水
平偏向回路、輝度および焦点調整回路などから構成され
る。

【００２６】本実施例では、まず、鋼管４の０.５Ｓ点
の探傷を行うために、０.５Ｓ点に最適な周波数を設定
すると共に、あらかじめ基準疵の予備探傷により得た
０.５Ｓ点の探傷時の感度に設定した後、所定波数の矩
形波または三角波を探触子３へ出力する。受信器１４
は、上記の最適な周波数を選択受信するように切替設定
し、この時の反射エコーの包絡線検波信号をＣＲＴ表示
器１８に表示する。

【００２７】次に、周波数および感度を１Ｓ点の探傷に
最適な値に切り替え、また、受信器１４も、この時の最
適周波数を選択受信するように、切替設定された後、所
定波数の矩形波または三角波を探触子３へ出力する。そ
して、この時の反射エコーの包絡線検波信号を、ＣＲＴ
表示器１８で表示させ、振幅などを測定する。

【００２８】このように、本実施例によれば、周波数を
低周波数に設定し、かつ、１波〜４波の矩形波または三
角波の送信信号で探触子３を励振することにより、従来
よりも低周波数成分を多くできるため、例えば、５ＭＨ
ｚ狭帯域プローブを用いたインパルス発振法では検出が
困難であった結晶粒が粗大な鋼管４の内外表面の疵を、
Ｓ／Ｎ比３以上で検出することができる。従って、受信
器１４として、それほど高感度の受信器を用いなくと
も、正確に探傷することができる。また、送信信号の帯
域幅がインパルスよりもはるかに狭くなるため、疵まで
の距離や結晶粒度番号等の条件が変わったときの最適周
波数を求め易くできる。

【００２９】なお、本発明は、上記の実施例に限定され
るものではなく、例えば、０.５Ｓ点の探傷と、１Ｓ点
の探傷とを、それぞれ周波数や波数が最適に設定された
別々の探傷器で行うようにしても良い。また、矩形波ま
たは三角波以外でも、図３のような周波数スペクトラム
を有する他の波形（鋸歯状波など）で探触子を励振する
ようにしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、周
波数を設定し、かつ、１波〜４波の矩形波または三角波
の送信信号で探触子を励振することにより、従来よりも
送信信号の低周波数成分を多くでき、効率の良い超音波
探傷をすることができるため、結晶粒が粗大な鋼管の内
部の疵からのエコーを感度良く、かつ、Ｓ／Ｎ比良く明
瞭に検査することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法が適用される超音波探傷装置の一実
施例のブロック図である。

【図２】本発明方法で送信する信号波形の各例を示す図
である。

【図３】本発明方法で用いる送信信号の周波数スペクト
ラムの一例を示す図である。

【図４】送信波形と疵エコーの振幅およびＳ／Ｎ比との
関係を示す図である。

【図５】送信信号の波数と疵エコーの振幅およびＳ／Ｎ
比との関係を示す図である。

【図６】鋼管内の超音波経路を説明する図である。

【図７】結晶粒度番号と最適受信周波数との関係を示す
図である。

【図８】結晶粒度番号と探傷Ｓ／Ｎ比との関係を示す図
である。

【図９】従来方法における送信信号波形の一例を示す図
である。

【図１０】鋼管の肉厚と疵エコーの最適受信周波数との
関係を示す図である。

【符号の説明】

１…超音波探傷器３…探触子４…結晶粒度番号が３以下の鋼管１１…同期信号発振器１２…送信発振器１３…送信器１４…受信器１５…検波器１６…増幅器１７…掃引波発生器１８…ＣＲＴ表示器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者斉藤興二東京都大田区南蒲田２丁目16番46号株式会社トキメック内 (56)参考文献特開平５−40106（ＪＰ，Ａ) 特開平５−3871（ＪＰ，Ａ) 特開平４−274755（ＪＰ，Ａ) 特開平２−186261（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶粒度番号が所定値以下の被検材に、
探触子から超音波を斜めに入射することにより、該被検
材内から反射する横波超音波の反射エコーを受信して該
被検材の疵の検査を行う超音波探傷方法において、前記探触子として帯域幅を持つ送受信周波数特性の探触
子を用い、該探触子の送受信周波数帯域内で、かつ、あ
らかじめ定めた周波数および波数の正と負の半サイクル
をそれぞれ有する、矩形波、三角波または鋸歯状波で該
探触子を励振して疵検査することを特徴とする超音波探
傷方法。
【請求項２】前記矩形波、三角波または鋸歯状波の波
数は、前記被検材の材質および寸法に応じて、１波〜４
波のいずれかに設定されることを特徴とする請求項１記
載の超音波探傷方法。