JP3058352B2 - ガスパイプライン壁厚さ及び欠陥検出 - Google Patents
ガスパイプライン壁厚さ及び欠陥検出Info
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は天然ガスパイプラインの壁厚さ及び欠陥の検
出に関する。その装置はパイプライン・ピグ（Pig）内
に超音波変換器を有し、かつ大きなダイナミックレンジ
を持つ電子部品を有する。
出に関する。その装置はパイプライン・ピグ（Pig）内
に超音波変換器を有し、かつ大きなダイナミックレンジ
を持つ電子部品を有する。
発明の背景 超音波検査は大口径オイルパイプラインの無傷状態を
評価する標準的な方法である。しかしながら、天然ガス
パイプラインに適用される類似の方法は著しく大きなチ
ャレンジを提起する。ガスは変換器からパイプ壁へ発す
る探査用超音波信号に対して結合力が不十分である。天
然ガスは、オイル（1.5Mレイルズ（Rayls）か、それ以
上）に比較して、非常に低い固有の音響インピーダンス
（メタンに対して１バールで300レイルズ）を示す。結
果として大きな超音波信号損失が変換器／ガス及びパイ
プ壁界面に起きる。この障害を回避するために、過去の
試験的な開発には液体充填ホイール、電磁音響変換器
（EMAT）、及び液体スラグ技術が使用されている。この
ような原理を採用する高速、インライン検査システムの
原型が存在し、他方、全てが広い商業的な開発を妨げる
重大な動作欠陥を示す。
評価する標準的な方法である。しかしながら、天然ガス
パイプラインに適用される類似の方法は著しく大きなチ
ャレンジを提起する。ガスは変換器からパイプ壁へ発す
る探査用超音波信号に対して結合力が不十分である。天
然ガスは、オイル（1.5Mレイルズ（Rayls）か、それ以
上）に比較して、非常に低い固有の音響インピーダンス
（メタンに対して１バールで300レイルズ）を示す。結
果として大きな超音波信号損失が変換器／ガス及びパイ
プ壁界面に起きる。この障害を回避するために、過去の
試験的な開発には液体充填ホイール、電磁音響変換器
（EMAT）、及び液体スラグ技術が使用されている。この
ような原理を採用する高速、インライン検査システムの
原型が存在し、他方、全てが広い商業的な開発を妨げる
重大な動作欠陥を示す。
実験的な結果は天然ガスパイプラインの高速、インラ
イン超音波検査の重要な問題への代わりの方法の技術的
な可能性を実証する。本発明はパイプライン欠陥を検出
し且つ壁厚さの変動を観察するために古典的なパルスエ
コー構成のガス結合型超音波検査システムの動作を示唆
する。実験的な結果は良い信号対雑音特性を実証する。
そのため、本発明は天然ガスパイプライン、立ち管、及
び類似構造に対して高速、インライン超音波検査システ
ム用の可能技術を提供する。関連従来技術の簡単な要約
は以下の通りである。
イン超音波検査の重要な問題への代わりの方法の技術的
な可能性を実証する。本発明はパイプライン欠陥を検出
し且つ壁厚さの変動を観察するために古典的なパルスエ
コー構成のガス結合型超音波検査システムの動作を示唆
する。実験的な結果は良い信号対雑音特性を実証する。
そのため、本発明は天然ガスパイプライン、立ち管、及
び類似構造に対して高速、インライン超音波検査システ
ム用の可能技術を提供する。関連従来技術の簡単な要約
は以下の通りである。
Bosselarrらに対する米国特許第3,409,897号（1968）
は、パイプライン−主にオイルパイプラインの漏れを検
出し且つ位置決めする方法を開示する。その装置はパイ
プラインからの流体漏れが発生する超音波ノイズを検出
する。この装置はパイプラインの壁厚さを扱わない。
は、パイプライン−主にオイルパイプラインの漏れを検
出し且つ位置決めする方法を開示する。その装置はパイ
プラインからの流体漏れが発生する超音波ノイズを検出
する。この装置はパイプラインの壁厚さを扱わない。
Woodに対する米国特許第3,413,653号（1968）は、パ
イプラインの漏れを検出する方法を開示する。その装置
はピグの上流及び下流にある超音波検出器を経由してパ
イプライン破れ目のノイズを検出するために立体的シー
ルを使用する。この方法は磁気検出器を使用して溶接点
を検出する。３つの検出器を使用して漏れ、溶接点、及
びバックグラウンドノイズを互いに区別することが可能
である。
イプラインの漏れを検出する方法を開示する。その装置
はピグの上流及び下流にある超音波検出器を経由してパ
イプライン破れ目のノイズを検出するために立体的シー
ルを使用する。この方法は磁気検出器を使用して溶接点
を検出する。３つの検出器を使用して漏れ、溶接点、及
びバックグラウンドノイズを互いに区別することが可能
である。
Rohrerに対する米国特許第3,439,527号（1969）は、
装置のようなピグにあるシールによって形成する高圧チ
ャンバを特徴とするガス本管を試験する装置を開示す
る。高圧力チャンバは地面上のイヤフォンに接続される
マイクロフォンを有する。イヤフォンはガス本管の漏れ
のノイズに対して聞くために使用される。この装置はパ
イプラインに使用されず、かつ壁厚さを扱わない。
装置のようなピグにあるシールによって形成する高圧チ
ャンバを特徴とするガス本管を試験する装置を開示す
る。高圧力チャンバは地面上のイヤフォンに接続される
マイクロフォンを有する。イヤフォンはガス本管の漏れ
のノイズに対して聞くために使用される。この装置はパ
イプラインに使用されず、かつ壁厚さを扱わない。
Bogleに対する米国特許第3,478,576号（1969）は、上
流及び下流検出器を有するパイプピグ及び受信信号を同
期するための遅延手段を開示する。この方法は漏れから
発生する信号を強調し且つ分散水源によるノイズを減ず
る。
流及び下流検出器を有するパイプピグ及び受信信号を同
期するための遅延手段を開示する。この方法は漏れから
発生する信号を強調し且つ分散水源によるノイズを減ず
る。
Harrisに対する米国特許第3,592,967号（1971）は、
漏れによって生じる超音波信号を検出する漏れ検出器を
開示する。この装置はパッシブであり、ガスパイプライ
ンに向けられていず、壁厚さを扱わない。
漏れによって生じる超音波信号を検出する漏れ検出器を
開示する。この装置はパッシブであり、ガスパイプライ
ンに向けられていず、壁厚さを扱わない。
Evansに対する米国特許第3,810,384号（1974）は、パ
イプラインの壁厚さを超音波的に測定し、かつピグを経
由してパイプラインの割れを検出する装置を開示する。
この装置は適切な結合流体を含むパイプライン用であ
る。変換器、パイプ壁の内部を囲む炭化水素（すなわ
ち、ガソリン、オイル、液化石油ガス、又は水）はこの
ような結合流体の代表である。
イプラインの壁厚さを超音波的に測定し、かつピグを経
由してパイプラインの割れを検出する装置を開示する。
この装置は適切な結合流体を含むパイプライン用であ
る。変換器、パイプ壁の内部を囲む炭化水素（すなわ
ち、ガソリン、オイル、液化石油ガス、又は水）はこの
ような結合流体の代表である。
Muravievらに対する米国特許第4,372,151号（1983）
は、自動欠陥位置決め装置を開示する。その装置はパイ
プラインの割れによって発生する圧力降下波の先端を検
出する。この装置は永久に接続されるセンサからなる。
は、自動欠陥位置決め装置を開示する。その装置はパイ
プラインの割れによって発生する圧力降下波の先端を検
出する。この装置は永久に接続されるセンサからなる。
Goodmanらに対する米国特許第4,416,145号（1983）
は、機械的な欠陥（使い古したベアリング）に加えて容
器に対する漏れ検出器を開示する。その装置は２つのソ
ースから超音波信号を検出する。一方は超音波駆動部か
らの信号の周波数シフトである。第２は、加圧されて容
器の表面に適用される液体によって、形成される泡の破
裂で生じる音からである。
は、機械的な欠陥（使い古したベアリング）に加えて容
器に対する漏れ検出器を開示する。その装置は２つのソ
ースから超音波信号を検出する。一方は超音波駆動部か
らの信号の周波数シフトである。第２は、加圧されて容
器の表面に適用される液体によって、形成される泡の破
裂で生じる音からである。
Hudosonらに対する米国特許第4,485,668号（1984）
は、漏れを検出するべきパイプを経由して変換器を通過
することにより加圧パイプのリークを検出する方法を開
示する。その漏れは地上の受信機を経由して検出され
る。
は、漏れを検出するべきパイプを経由して変換器を通過
することにより加圧パイプのリークを検出する方法を開
示する。その漏れは地上の受信機を経由して検出され
る。
Ver Nooyに対する米国特許第4,552,063号（1985）
は、不十分に支持された部分又はパイプラインの過重点
を検出する方法を開示し、この方法は器具類のピグを用
いてパイプラインの内部を通過させるステップと、振動
信号をパイプラインの導入するためにピグにより運こば
れる手段によりパイプラインの壁を連続的に打ち又は振
動させるステップと、内部壁の打撃の結果として発生す
る音を聞くことによりパイプライン内部から前記信号を
受信するステップと、そして不支持部分又はパイプライ
ンの荷重及び応力集中の点を示す受信音の予め選択され
た特徴を検出するステップを備える。
は、不十分に支持された部分又はパイプラインの過重点
を検出する方法を開示し、この方法は器具類のピグを用
いてパイプラインの内部を通過させるステップと、振動
信号をパイプラインの導入するためにピグにより運こば
れる手段によりパイプラインの壁を連続的に打ち又は振
動させるステップと、内部壁の打撃の結果として発生す
る音を聞くことによりパイプライン内部から前記信号を
受信するステップと、そして不支持部分又はパイプライ
ンの荷重及び応力集中の点を示す受信音の予め選択され
た特徴を検出するステップを備える。
Peacockらに対する米国特許第4,987,769号（1991）
は、特に内燃機関において超音波漏れ検出を可能にする
装置を開示する。超音波ソースはエンジンのスパークプ
ラグ開口の取り付けに適する管状体に入れられ且つ超音
波信号はエンジンシリンダに注入される。指向性超音波
検出器が漏れ信号を検出するために使用される。
は、特に内燃機関において超音波漏れ検出を可能にする
装置を開示する。超音波ソースはエンジンのスパークプ
ラグ開口の取り付けに適する管状体に入れられ且つ超音
波信号はエンジンシリンダに注入される。指向性超音波
検出器が漏れ信号を検出するために使用される。
Okadaらに対する米国特許第5,333,501号（1994）は、
音波を検出するためにパイプラインに沿った位置に一定
間隔で配置される検出器を有する異常モニタ装置を開示
する。その装置は異常から音の到着の時間により異常の
位置決めを行う。
音波を検出するためにパイプラインに沿った位置に一定
間隔で配置される検出器を有する異常モニタ装置を開示
する。その装置は異常から音の到着の時間により異常の
位置決めを行う。
Thompsonらに対する米国特許第3,850,028号（1974）
は、永久磁石の磁界中に置かれた交流電流導体を有する
超音波電磁変換器を開示し、前記導体は試験物体の表面
に並列にある蛇行経路を規定して永久磁石の磁界に対し
て横切る方向に流れる試験物体の渦電流を誘起する。２
つのこのような変換器が設けられ、変換器が物体と接触
することなく試験中の物体内に、レイリー波、ラム波又
は他の弾性波を発生しそして検出する送信機−受信機対
として採用される。
は、永久磁石の磁界中に置かれた交流電流導体を有する
超音波電磁変換器を開示し、前記導体は試験物体の表面
に並列にある蛇行経路を規定して永久磁石の磁界に対し
て横切る方向に流れる試験物体の渦電流を誘起する。２
つのこのような変換器が設けられ、変換器が物体と接触
することなく試験中の物体内に、レイリー波、ラム波又
は他の弾性波を発生しそして検出する送信機−受信機対
として採用される。
Alersらに対する米国特許第4,104,922号（1978）は、
電磁音響変換器を開示し、これは、導電性物質が、変換
器に相対的に移動するとき、この導電性物質を超音波的
に検査するものである。コイルは、磁石によって形成す
る磁界中に、そのコイルの導体が磁界に対して横切るよ
うに置かれる。そのコイルは磁石の先端側の近くに主と
して位置し、そこでは磁束が磁石及び物質が互いに向け
て移動するにつれて集中する。
電磁音響変換器を開示し、これは、導電性物質が、変換
器に相対的に移動するとき、この導電性物質を超音波的
に検査するものである。コイルは、磁石によって形成す
る磁界中に、そのコイルの導体が磁界に対して横切るよ
うに置かれる。そのコイルは磁石の先端側の近くに主と
して位置し、そこでは磁束が磁石及び物質が互いに向け
て移動するにつれて集中する。
Thompsonらに対する米国特許第4,092,868号は、パイ
プラインの内部検査に適する電磁音響方法及び装置を開
示する。必要なもの全て揃っている移動検査ステーショ
ンがパイプ内部に配置される。そのステーションはパイ
プを介して進みパイプ壁内でラム波を送信し、その波が
反射されそして伝送された部分を受信し、受信波の振幅
及び位相を記録する。記録された情報は、パイプにおけ
る不連続の位置及び性質を決定するために分析される。
この方法は金属パイプについて使用されなければならな
い。
プラインの内部検査に適する電磁音響方法及び装置を開
示する。必要なもの全て揃っている移動検査ステーショ
ンがパイプ内部に配置される。そのステーションはパイ
プを介して進みパイプ壁内でラム波を送信し、その波が
反射されそして伝送された部分を受信し、受信波の振幅
及び位相を記録する。記録された情報は、パイプにおけ
る不連続の位置及び性質を決定するために分析される。
この方法は金属パイプについて使用されなければならな
い。
Proceeding of the 12th World Conference on Non−
DestructiveTesting（1989）by Boogaad et al.,“Eval
uation of The Techiques Implemented In Commerciall
y Available On−Stream Pipeline Inspection Tools"
は、パイプライン検査手段の評価試験の結果を要約す
る。この論文は利用可能なパイプライン検査技術の能力
及び限界を検討する。その論文は超音波のピグの使用を
含み、液体がセンサを囲むときにのみその超音波装置が
機能することを述べている。さらに、その性能はワック
ス、水又はガスを含む原油では相当に劣化する。この文
献は1989の技術の状態を要約する。
DestructiveTesting（1989）by Boogaad et al.,“Eval
uation of The Techiques Implemented In Commerciall
y Available On−Stream Pipeline Inspection Tools"
は、パイプライン検査手段の評価試験の結果を要約す
る。この論文は利用可能なパイプライン検査技術の能力
及び限界を検討する。その論文は超音波のピグの使用を
含み、液体がセンサを囲むときにのみその超音波装置が
機能することを述べている。さらに、その性能はワック
ス、水又はガスを含む原油では相当に劣化する。この文
献は1989の技術の状態を要約する。
the Gas Reserch Instituteに対する提案“Gas Coupl
ed Ultrasonic For The Inspection Of Pipes In Natur
al Gas Delivery System",（1991）は、レーザ結合型変
換器を使用し実際として信号を検出するために使用され
るガス結合型変換器について超音波を生成することを記
載する。しかしながら、その提案は同一のガス結合型変
換器を使用して信号を生成し受信することが可能でない
ということを結論とした。
ed Ultrasonic For The Inspection Of Pipes In Natur
al Gas Delivery System",（1991）は、レーザ結合型変
換器を使用し実際として信号を検出するために使用され
るガス結合型変換器について超音波を生成することを記
載する。しかしながら、その提案は同一のガス結合型変
換器を使用して信号を生成し受信することが可能でない
ということを結論とした。
“Gas−coupled Acoustic Microscopy In The Pulse
−Echo Mode",（1993）,C.M.Fortunko et al.はパルス
エコーモードで動作するガス結合型走査用音響マイクロ
スコープの技術の実行可能性を実証する。高圧力窒素又
はアルゴン環境がこのマイクロスコープに使用される。
この実験においては、コインがポリメチルメタクリル
（PMMA）のカプセルに入れられ実験材料として使用され
た。現在、0.25mmサブ表面横分解能はPMMAで3MHzに到達
可能でありかつさらにもっと良い性能が高周波数で可能
である。
−Echo Mode",（1993）,C.M.Fortunko et al.はパルス
エコーモードで動作するガス結合型走査用音響マイクロ
スコープの技術の実行可能性を実証する。高圧力窒素又
はアルゴン環境がこのマイクロスコープに使用される。
この実験においては、コインがポリメチルメタクリル
（PMMA）のカプセルに入れられ実験材料として使用され
た。現在、0.25mmサブ表面横分解能はPMMAで3MHzに到達
可能でありかつさらにもっと良い性能が高周波数で可能
である。
“Assessment of Thechnology for Detection of Str
ess Corrosion Cracking in Gas Pipelines"（1994）は
The Gas Research Instituteに対して準備され、非破壊
評価技術の評価であり、この技術は天然ガスパイプライ
ンにおける応力腐食割れのインライン検出に適用され
る。その評価はいかなる単一の技術もその検査に対する
産業上の目的に合うことを実証しなかったことを明らか
にしたが、超音波及び電磁方法の双方はさらなる開発の
候補であると理解された。また、信号識別を改良するた
めに使用されるデータ分析方法が評価された。比較テー
ブルが各方法内の異なる技術を評価し且つ完全な参考文
献目録が関連参考資料として添付されている。
ess Corrosion Cracking in Gas Pipelines"（1994）は
The Gas Research Instituteに対して準備され、非破壊
評価技術の評価であり、この技術は天然ガスパイプライ
ンにおける応力腐食割れのインライン検出に適用され
る。その評価はいかなる単一の技術もその検査に対する
産業上の目的に合うことを実証しなかったことを明らか
にしたが、超音波及び電磁方法の双方はさらなる開発の
候補であると理解された。また、信号識別を改良するた
めに使用されるデータ分析方法が評価された。比較テー
ブルが各方法内の異なる技術を評価し且つ完全な参考文
献目録が関連参考資料として添付されている。
発明の要約 本発明の最初の目的は天然ガスパイプラインに使用さ
れる方法を提供しパイプの壁厚さを測定することであ
る。
れる方法を提供しパイプの壁厚さを測定することであ
る。
本発明の別の目的は欠陥、例えば、割れ、層間剥離、
スケーリング、及び腐食を天然ガスパイプラインにおい
て検出する方法を提供することである。
スケーリング、及び腐食を天然ガスパイプラインにおい
て検出する方法を提供することである。
さらに本発明の別の目的は低コスト、高速回復、大き
なダイナミックレンジ増幅器の使用により上記利益を提
供することである。増幅器はダイプレクサの使用により
広いダイナミックレンジを達成する。
なダイナミックレンジ増幅器の使用により上記利益を提
供することである。増幅器はダイプレクサの使用により
広いダイナミックレンジを達成する。
なおさらに本発明の別の目的は天然ガスパイプライン
壁の超音波探査信号を提供することであり、これらの信
号は壁（横）に垂直でありかつ天然ガスパイプライン壁
の法線（たて）に対して45゜角度にある。
壁の超音波探査信号を提供することであり、これらの信
号は壁（横）に垂直でありかつ天然ガスパイプライン壁
の法線（たて）に対して45゜角度にある。
本発明の他の目的は下記記載及び添付クレームから現
れ、この明細書に一部を形成する添付図面に言及がなさ
れ、そこでは同一の参照符号は幾つかの点で対応部分を
示す。
れ、この明細書に一部を形成する添付図面に言及がなさ
れ、そこでは同一の参照符号は幾つかの点で対応部分を
示す。
本発明に使用される超音波成分技術はガス結合疑似エ
コー走査音響マイクロスコープ（Ｇ−SAM）の技術的な
実現可能性を実証するのに先に使用されたものと類似
し、このマイクロスコープは結合ガスとしてアルゴン及
び窒素を使用する。ここに出願日から１年以下に刊行さ
れる従来の仕事は、フォーカス型変換器を持つ高圧力、
ガス結合超音波システムを使用して、表面マッピング及
び透過探傷だけを示した。“Gas Coupled Acoustic Mic
roscopy In The Pulse Echo Mode"（1993）,Fortunko e
t al.を参照。
コー走査音響マイクロスコープ（Ｇ−SAM）の技術的な
実現可能性を実証するのに先に使用されたものと類似
し、このマイクロスコープは結合ガスとしてアルゴン及
び窒素を使用する。ここに出願日から１年以下に刊行さ
れる従来の仕事は、フォーカス型変換器を持つ高圧力、
ガス結合超音波システムを使用して、表面マッピング及
び透過探傷だけを示した。“Gas Coupled Acoustic Mic
roscopy In The Pulse Echo Mode"（1993）,Fortunko e
t al.を参照。
フォーカス型超音波変換器を有するパルスエコーＧ−
SAMに対照して、このインラインガスパイプライン検査
概念はフラット型超音波変換器を使用する。これは重要
な差異である。フォーカス型超音波変換器の実証の成功
はフラット型変換器が成功することを意味しない。スチ
ール板及び大きな半径の外殻における垂直割れを検出す
るために、本発明は板表面法線に関し小さな角度θｉに
変換器の円対称軸のアライメントを行う。代表的には、
窒素が結合ガスである場合、4.5゜の入射角度θｉは表
面法線について45゜の屈折角度θｒでスチール板内に剪
断波を発射する。同様にして、結合ガスとして天然ガス
を使用する場合、2.5゜の入射角度θｉはスチール内に4
5゜の屈折角度θｒで伝搬するたて波を発生しそして検
出する。音は窒素中よりも天然ガス中の方がより高速
に、460m/s対330m/sで伝搬するので、入射角度は天然ガ
スの方が多少小さくなる。壁厚さを測定するために、変
換器の対称軸は板又はパイプ壁に対して垂直に沿ってア
ライメントがされる。
SAMに対照して、このインラインガスパイプライン検査
概念はフラット型超音波変換器を使用する。これは重要
な差異である。フォーカス型超音波変換器の実証の成功
はフラット型変換器が成功することを意味しない。スチ
ール板及び大きな半径の外殻における垂直割れを検出す
るために、本発明は板表面法線に関し小さな角度θｉに
変換器の円対称軸のアライメントを行う。代表的には、
窒素が結合ガスである場合、4.5゜の入射角度θｉは表
面法線について45゜の屈折角度θｒでスチール板内に剪
断波を発射する。同様にして、結合ガスとして天然ガス
を使用する場合、2.5゜の入射角度θｉはスチール内に4
5゜の屈折角度θｒで伝搬するたて波を発生しそして検
出する。音は窒素中よりも天然ガス中の方がより高速
に、460m/s対330m/sで伝搬するので、入射角度は天然ガ
スの方が多少小さくなる。壁厚さを測定するために、変
換器の対称軸は板又はパイプ壁に対して垂直に沿ってア
ライメントがされる。
最近まで、信号損失は、特別のインピーダンスミスマ
ッチの結果として、MHz周波数でガスの高吸収及びガス
−固体境界での非常に高い信号反射損失に起因して受け
難いほど大きくなる。しかしながら、実験結果は広い帯
域、充分に減衰されるセラミック変換器、及び高ダイナ
ミックレンジ受信機増幅器の使用がこの効果に打ち勝つ
ことができるということを示す。
ッチの結果として、MHz周波数でガスの高吸収及びガス
−固体境界での非常に高い信号反射損失に起因して受け
難いほど大きくなる。しかしながら、実験結果は広い帯
域、充分に減衰されるセラミック変換器、及び高ダイナ
ミックレンジ受信機増幅器の使用がこの効果に打ち勝つ
ことができるということを示す。
本発明に実験的な結果は、MHz周波数でガス結合、パ
ルスエコー超音波システムを設計するとき、高い超音波
吸収が打ち勝つべき大きな障害の一つではないというこ
とを示す。事実、窒素の超音波吸収は0.1MPa（15psi）
で2.25MHzで0.72dB/mmだけであり、また圧力と共に逆に
減る。天然ガスの超音波吸収はその成分が可変のため知
られていない。しかしながら、メタンは全天然ガスの主
成分であり、79から97モルパーセントの範囲にある。純
粋メタンの超音波吸収定数は実験的にも理論的にも良く
知られている。2.25MHz及び１バールでは、純粋メタン
の吸収係数は約0.62dB/mmである。しかしながら、実際
の損失は他の構成成分の分子緩和効果により生じる過剰
吸収のために相当に大きい。
ルスエコー超音波システムを設計するとき、高い超音波
吸収が打ち勝つべき大きな障害の一つではないというこ
とを示す。事実、窒素の超音波吸収は0.1MPa（15psi）
で2.25MHzで0.72dB/mmだけであり、また圧力と共に逆に
減る。天然ガスの超音波吸収はその成分が可変のため知
られていない。しかしながら、メタンは全天然ガスの主
成分であり、79から97モルパーセントの範囲にある。純
粋メタンの超音波吸収定数は実験的にも理論的にも良く
知られている。2.25MHz及び１バールでは、純粋メタン
の吸収係数は約0.62dB/mmである。しかしながら、実際
の損失は他の構成成分の分子緩和効果により生じる過剰
吸収のために相当に大きい。
図面の簡単な説明 図１は天然ガスパイプラインで移動するピグに取り付
けられる超音波検査システムの断面図の概略である。
けられる超音波検査システムの断面図の概略である。
図２は圧力容器内部の実行可能性の実証の概略であ
る。
る。
図３は図２のダイプレクサ及び関連エレクトロニクス
のより詳細な図である。
のより詳細な図である。
図４は図２の実行可能性の実証で使用される２つの実
例の直交図である。
例の直交図である。
図5Aは図２のパルスエコーセンサからの戻りのオシロ
スコープトレースであり、センサの信号対ノイズの性能
について雰囲気中の空気圧力の効果を説明する。
スコープトレースであり、センサの信号対ノイズの性能
について雰囲気中の空気圧力の効果を説明する。
図5Bは図２のパルスエコーセンサからの戻りのオシロ
スコープトレースであり、圧力を増加させることによ
り、センサの信号対ノイズ性能についてガス接触媒質を
増大させる効果を説明する。環境は6.9MPa（1000psi）
の圧力で窒素である。
スコープトレースであり、圧力を増加させることによ
り、センサの信号対ノイズ性能についてガス接触媒質を
増大させる効果を説明する。環境は6.9MPa（1000psi）
の圧力で窒素である。
図6Aは図２の裏面センサからのオシロスコープ走査で
ある。その走査は通常角で送信機を持つサンプル板を通
過する超音波信号からなる。
ある。その走査は通常角で送信機を持つサンプル板を通
過する超音波信号からなる。
図6Bは図２の裏面センサからオシロスコープである。
走査は2.5゜で送信機をもつ板を通過する超音波信号か
らなり45゜の長手波及びスチール板内部の23゜の剪断波
を生成する。
走査は2.5゜で送信機をもつ板を通過する超音波信号か
らなり45゜の長手波及びスチール板内部の23゜の剪断波
を生成する。
図７は図２のパルスエコーセンサからのエコー戻りの
オシロスコープトレースである。そのトレースはスチー
ル板の前面からの反射を示しスチール板内の２つのたて
波反射を示す。
オシロスコープトレースである。そのトレースはスチー
ル板の前面からの反射を示しスチール板内の２つのたて
波反射を示す。
図８は図２のパルスエコーセンサからのエコー戻りの
オシロスコープトレースである。そのトレースは板の前
表面からの反射と板厚さの40％であるEDMノッチからの4
5゜剪断波反射とを示す。
オシロスコープトレースである。そのトレースは板の前
表面からの反射と板厚さの40％であるEDMノッチからの4
5゜剪断波反射とを示す。
図9Aは図２のパルスエコーセシサからのトレースアレ
ー走査である。その走査は板の表面の板厚さの20％であ
るノッチを持つスチール板の実例からなる。
ー走査である。その走査は板の表面の板厚さの20％であ
るノッチを持つスチール板の実例からなる。
図9Bは図２のパルスエコーセンサのトレースアレー走
査である。その走査は板の厚さの40％であるノッチを持
つスチール板の実例からなる。
査である。その走査は板の厚さの40％であるノッチを持
つスチール板の実例からなる。
図10は本発明の方法を利用する器具類のピグの概略表
現を含む天然ガスパイプラインの断面である。
現を含む天然ガスパイプラインの断面である。
本発明の開示された実施形態を詳細に説明する前に、
本発明は他の実施形態について可能であるので、本発明
は示された特別の配置の詳細に適用において限定されな
いということが理解されるべきである。また、ここに使
用される用語は記載の目的のためであり、かつ限定のた
めではない。
本発明は他の実施形態について可能であるので、本発明
は示された特別の配置の詳細に適用において限定されな
いということが理解されるべきである。また、ここに使
用される用語は記載の目的のためであり、かつ限定のた
めではない。
好ましい実施形態の記載 以前に電磁音響変換器がパイプラインにおいて探索用
超音波信号を励起し且つ検出するために提案された。こ
の変換器は変換器面とパイプ壁との間に小さな分離、代
表的には1mmを要求する。本発明により変換器パイプ壁
分離距離は10mm以上に増大する。これはパイプラインの
粗さ、段差、溶接ビードに対して有利である。さらに、
電磁音響変換器はパイプ壁が金属であることを要求す
る。本発明は金属、プラスチック、又はセラミックから
なるパイプ壁と両立できる。本発明は液体結合超音波検
査システムで現在使用される電源供給要求及び信号処理
構成と両立できる。
超音波信号を励起し且つ検出するために提案された。こ
の変換器は変換器面とパイプ壁との間に小さな分離、代
表的には1mmを要求する。本発明により変換器パイプ壁
分離距離は10mm以上に増大する。これはパイプラインの
粗さ、段差、溶接ビードに対して有利である。さらに、
電磁音響変換器はパイプ壁が金属であることを要求す
る。本発明は金属、プラスチック、又はセラミックから
なるパイプ壁と両立できる。本発明は液体結合超音波検
査システムで現在使用される電源供給要求及び信号処理
構成と両立できる。
図１は本発明の方法の実際の実現のための最良モード
を説明する。
を説明する。
器具31は検査ピグ35上にあり、ガスの流れ方向Ｙにパ
イプライン30を介して移動する。変換器T1、２からの超
音波検査信号34はパイプライン30の厚さd1及びパイプラ
イン30にある任意の欠陥（図示しない）を測定する。内
部の一定間隔を維持し検査ピグ35をパイプライン30に沿
って推進させるために、検査ピグ35にはシール32及び33
が設けられる。
イプライン30を介して移動する。変換器T1、２からの超
音波検査信号34はパイプライン30の厚さd1及びパイプラ
イン30にある任意の欠陥（図示しない）を測定する。内
部の一定間隔を維持し検査ピグ35をパイプライン30に沿
って推進させるために、検査ピグ35にはシール32及び33
が設けられる。
実現可能性の実証 図２は高圧力ガスで超音波伝搬現象を研究するために
NIST（National Institute of Standards and Technolo
gy）で開発された実験的な装置のブロック図を示す。多
種の検査超音波非破壊試験（NDT）概念の評価が開示さ
れる。その装置は、直径305mm（12in）、長さ610mm（24
in）の円筒圧力容器10を使用する。圧力容器10は10Mpa
（1500psi）までの圧力で多種のガスを収容することが
できかつサンプル及び変換器移動制御、信号操作、圧力
及び温度モニタ用の適切な貫通接続を有する。容器10内
には、多数の自由度を持つ並進運動段14は変換器15及び
サンプル16の双方を操作する。４つの位置調整モータは
並進運動段14に位置しサンプルのＺ座標、パルスエコー
変換器15のX,Y,及びθｉ座標を操作する。Ｘ座標（図示
内）は図面の平面の中に入る。座標θｉは変換器対称軸
と板表面法線間の矢状平面の角度である。
NIST（National Institute of Standards and Technolo
gy）で開発された実験的な装置のブロック図を示す。多
種の検査超音波非破壊試験（NDT）概念の評価が開示さ
れる。その装置は、直径305mm（12in）、長さ610mm（24
in）の円筒圧力容器10を使用する。圧力容器10は10Mpa
（1500psi）までの圧力で多種のガスを収容することが
できかつサンプル及び変換器移動制御、信号操作、圧力
及び温度モニタ用の適切な貫通接続を有する。容器10内
には、多数の自由度を持つ並進運動段14は変換器15及び
サンプル16の双方を操作する。４つの位置調整モータは
並進運動段14に位置しサンプルのＺ座標、パルスエコー
変換器15のX,Y,及びθｉ座標を操作する。Ｘ座標（図示
内）は図面の平面の中に入る。座標θｉは変換器対称軸
と板表面法線間の矢状平面の角度である。
変換器及びエレクトロニクス 商業的なピエゾ電気−セラミック変換器15は、直径13
mm（0.5in）であり、探索超音波信号Si,Srを発生し受信
する。この実験に使用される変換器はParametrics V306
であった。しかしながら、他の変換器が使用されてもよ
い。パルスエコー変換器15は、θｉの角度で取り付けら
れ、超音波信号Siをガス接触媒質に送信する。超音波信
号Siはスチール板16に到達するとき角度θｒで超音波信
号Srとしてスチール板16の内部で反射される。スチール
版及び大きな半径の外殻にある垂直割れを検出するため
に本発明は板16表面の法線NPについてセンサ15の入射角
度θｉのアライメントを行って、板16内部の屈折角θｒ
が45゜になる。壁厚さd2を測定するために超音波信号Si
は板16の法線NPに沿って、θｉ＝θｒ＝０゜にアライメ
ントされる。変換器15が水中で動作される場合、中心周
波数2.5MHzを示す。しかしながら、ガス中においては中
心周波数は多少低い。これはガスにおける音の周波数依
存減衰により生じる。超音波信号を発生し、検出し、且
つその条件設定を行うために、次の部品が使用される。
つまり、400Vで8kwの利用可能なピーク出力を持つ商業
的な矩形波パルサ17、特別な磁気ダイプレクサ回路18及
び64dBダイナミックレンジ及び60MHz帯域幅を持つ高入
力インピーダンス受信機増幅器19である。この実現可能
性実証の目的のためにRitec.Inc.からの商業的装置が使
用された。増幅器19はRitec広帯域受信機モデルBR−640
である。パルサ17はRitec矩形波パルサモデルSP−801で
ある。ダイプレクサ18はRitecダイプレクサRD−Ｈであ
る。本発明は上記装置に限定されないということは理解
されるべきである。手動の、段階的な減衰器（図示され
ない）はパルサ17の出力パルスの有能電力レベル且つ増
幅器19の受信機増幅器ゲインを制御する。400−MS/S、
８ビットデジタル蓄積オシロスコープ（DSO）は信号波
形を記録するために使用される。専用パーソナルコンピ
ュータ21は実現可能性実証を制御する。
mm（0.5in）であり、探索超音波信号Si,Srを発生し受信
する。この実験に使用される変換器はParametrics V306
であった。しかしながら、他の変換器が使用されてもよ
い。パルスエコー変換器15は、θｉの角度で取り付けら
れ、超音波信号Siをガス接触媒質に送信する。超音波信
号Siはスチール板16に到達するとき角度θｒで超音波信
号Srとしてスチール板16の内部で反射される。スチール
版及び大きな半径の外殻にある垂直割れを検出するため
に本発明は板16表面の法線NPについてセンサ15の入射角
度θｉのアライメントを行って、板16内部の屈折角θｒ
が45゜になる。壁厚さd2を測定するために超音波信号Si
は板16の法線NPに沿って、θｉ＝θｒ＝０゜にアライメ
ントされる。変換器15が水中で動作される場合、中心周
波数2.5MHzを示す。しかしながら、ガス中においては中
心周波数は多少低い。これはガスにおける音の周波数依
存減衰により生じる。超音波信号を発生し、検出し、且
つその条件設定を行うために、次の部品が使用される。
つまり、400Vで8kwの利用可能なピーク出力を持つ商業
的な矩形波パルサ17、特別な磁気ダイプレクサ回路18及
び64dBダイナミックレンジ及び60MHz帯域幅を持つ高入
力インピーダンス受信機増幅器19である。この実現可能
性実証の目的のためにRitec.Inc.からの商業的装置が使
用された。増幅器19はRitec広帯域受信機モデルBR−640
である。パルサ17はRitec矩形波パルサモデルSP−801で
ある。ダイプレクサ18はRitecダイプレクサRD−Ｈであ
る。本発明は上記装置に限定されないということは理解
されるべきである。手動の、段階的な減衰器（図示され
ない）はパルサ17の出力パルスの有能電力レベル且つ増
幅器19の受信機増幅器ゲインを制御する。400−MS/S、
８ビットデジタル蓄積オシロスコープ（DSO）は信号波
形を記録するために使用される。専用パーソナルコンピ
ュータ21は実現可能性実証を制御する。
図３は図２のパルサ17、ダイプレクサ18、増幅器19及
び変換器15のより詳細なブロック図を示す。図３の形態
は特別に有効なパルスエコー回路を形成する。
び変換器15のより詳細なブロック図を示す。図３の形態
は特別に有効なパルスエコー回路を形成する。
矩形波超音波パルサ17は大きな蓄積キャパシタＣ及び
２つの半導体スイッチS1及びS2を用いて実現される。な
お、直列抵抗ＲL1及びＲL2が出力インピーダンスを確立
するために使用される。その蓄積キャパシタＣは高電圧
入力HVから抵抗ＲC、ＲL2及び接地へのスイッチS2を経
由して充電される。次にスイッチS2は開成される。変換
器15を駆動させる電気パルスは第１にスイッチS1を閉成
し、次にスイッチS2を閉成することにより発生する。ス
イッチS2は次の超音波パルスまで閉成位置のままであ
る。図３に示される回路の特有の特徴は特別の有効なダ
イプレクサ18〔送信／受信（T/R）〕設計の使用を可能
にし、且つ変換器15のリングダウン時間を減少させるた
めに支援する。ダイプレクサ18は広帯域変圧器５を使用
して実現されこれは変換器入力インピーダンスレベルを
増大させる。この特徴は受信機増幅器19回路のノイズフ
ァクタ（NF）を最小にすることに有益である。
２つの半導体スイッチS1及びS2を用いて実現される。な
お、直列抵抗ＲL1及びＲL2が出力インピーダンスを確立
するために使用される。その蓄積キャパシタＣは高電圧
入力HVから抵抗ＲC、ＲL2及び接地へのスイッチS2を経
由して充電される。次にスイッチS2は開成される。変換
器15を駆動させる電気パルスは第１にスイッチS1を閉成
し、次にスイッチS2を閉成することにより発生する。ス
イッチS2は次の超音波パルスまで閉成位置のままであ
る。図３に示される回路の特有の特徴は特別の有効なダ
イプレクサ18〔送信／受信（T/R）〕設計の使用を可能
にし、且つ変換器15のリングダウン時間を減少させるた
めに支援する。ダイプレクサ18は広帯域変圧器５を使用
して実現されこれは変換器入力インピーダンスレベルを
増大させる。この特徴は受信機増幅器19回路のノイズフ
ァクタ（NF）を最小にすることに有益である。
ダイプレクサ18の機能により大きな超音波パルスが変
換器15を駆動させることを可能にする。ダイプレクサ18
の変圧器のコアは大きな信号で飽和し、かくして害から
増幅器を保護する。次に、超音波パルスのエコーが変換
器を経由して戻るとき、変換器５は飽和を外れ小さなエ
コー信号が増幅器19を経由して出力７に戻ることを可能
にする。
換器15を駆動させることを可能にする。ダイプレクサ18
の変圧器のコアは大きな信号で飽和し、かくして害から
増幅器を保護する。次に、超音波パルスのエコーが変換
器を経由して戻るとき、変換器５は飽和を外れ小さなエ
コー信号が増幅器19を経由して出力７に戻ることを可能
にする。
図３に説明される回路の形態がエネルギー使用の点で
有効でないけれど、S/N性能及び変換器／前置増幅器回
復特性の点で従来の設計について重要な改良を提供す
る。
有効でないけれど、S/N性能及び変換器／前置増幅器回
復特性の点で従来の設計について重要な改良を提供す
る。
図２に示されるように、平坦な板の実例16の裏面に直
接接続される、裏面変換器24がある。これは直径1.4mm
の商業的なピン変換器であり、超音波ビーム診断法を提
供しかつアライメントの支援を行う。この種の変換器が
同軸ケーブルの全キャパシタンス（ここではほぼ300p
F）に比較して非常に小さなキャパシタンス（代表的に
は20pF）を固有に呈するため、そのケーブルは特別に非
常に低いノイズを有し、電圧モード前置増幅器22が取り
付けられる。別の増幅器23及び前置増幅器22は裏面変換
器24に従ってデジタルオシロスコープ20に適する信号レ
ベルを得る。
接接続される、裏面変換器24がある。これは直径1.4mm
の商業的なピン変換器であり、超音波ビーム診断法を提
供しかつアライメントの支援を行う。この種の変換器が
同軸ケーブルの全キャパシタンス（ここではほぼ300p
F）に比較して非常に小さなキャパシタンス（代表的に
は20pF）を固有に呈するため、そのケーブルは特別に非
常に低いノイズを有し、電圧モード前置増幅器22が取り
付けられる。別の増幅器23及び前置増幅器22は裏面変換
器24に従ってデジタルオシロスコープ20に適する信号レ
ベルを得る。
図４は実現可能性実証において使用される２つの表面
接地平坦板Ａ、Ｂを示す。各々は114mm（4.5in）長さ
Ｌ、44mm（1.75in）幅Ｗ及び13mm（0.5in厚さＴ）であ
る。実験において、２つの実例は図４に示されるように
並んで配置される。２つの板は標準放電加工（EDM）法
により作られた薄く、表面一切欠きノッチＮを含むこと
を除き同一である。そのノッチ深さは名目板厚さＴ（す
なわち、2.5mm（0.1in）及び5.1mm（0.2in））である。
接地平坦板Ａ、Ｂを示す。各々は114mm（4.5in）長さ
Ｌ、44mm（1.75in）幅Ｗ及び13mm（0.5in厚さＴ）であ
る。実験において、２つの実例は図４に示されるように
並んで配置される。２つの板は標準放電加工（EDM）法
により作られた薄く、表面一切欠きノッチＮを含むこと
を除き同一である。そのノッチ深さは名目板厚さＴ（す
なわち、2.5mm（0.1in）及び5.1mm（0.2in））である。
ノッチＮは0.3mm（0.01in）口幅を有しかつ板Ａ及び
Ｂの全幅Ｗ（すなわち44mm（1.75in））を横切る。探査
用超音波信号Suは板法線PNに関し入射角θｉで板Ａ又は
Ｂに誘起される。板内の超音波信号SPは剪断波信号に対
する「Snell法」により板法線PNに関して角度θrrにあ
る。次に続く試験結果を達成するために、超音波信号SP
が図４に示される剪断範囲SRについて走査される。
Ｂの全幅Ｗ（すなわち44mm（1.75in））を横切る。探査
用超音波信号Suは板法線PNに関し入射角θｉで板Ａ又は
Ｂに誘起される。板内の超音波信号SPは剪断波信号に対
する「Snell法」により板法線PNに関して角度θrrにあ
る。次に続く試験結果を達成するために、超音波信号SP
が図４に示される剪断範囲SRについて走査される。
実験方法 図５、６、７、８、９の下記検討は図２の実験からの
データに関連する。このため、下記検討は図５、６、
７、８、又は９ばかりでなく図２の参照を含む。
データに関連する。このため、下記検討は図５、６、
７、８、又は９ばかりでなく図２の参照を含む。
原理的には、図２に示される実験配置は板16の厚さを
測定するために使用される。板厚さd2測定及び層間剥離
を検出することは板表面法線NPに沿って伝搬する長手波
信号を使用して最もよくなされる。この信号はガスの圧
縮波信号から生じ、板表面のNP法線方向に伝搬する。他
方、垂直割れ検出はたて波又は剪断波信号で最も良く達
成され、これらの信号は板表面法線NPに関して角度θｒ
で伝搬する。このような信号を発生するために、疑似エ
コー変換器15の対称軸は矢状平面で回転したて波又は剪
断波信号のいずれかに対してSnell法を満足させなけれ
ばならない。音の伝搬が水よりもガスにおいてより遅
く、300−500m/s対1500m/sで伝搬するので、超音波プロ
ーブ15の入射角度θｉは同様により小さい。さらに、誤
アライメントの感度はガス結合システムに対してより大
きい。そのため、板表面法線NPに関して適正な初期変換
器アライメントを達成することは非常に重要になる。
測定するために使用される。板厚さd2測定及び層間剥離
を検出することは板表面法線NPに沿って伝搬する長手波
信号を使用して最もよくなされる。この信号はガスの圧
縮波信号から生じ、板表面のNP法線方向に伝搬する。他
方、垂直割れ検出はたて波又は剪断波信号で最も良く達
成され、これらの信号は板表面法線NPに関して角度θｒ
で伝搬する。このような信号を発生するために、疑似エ
コー変換器15の対称軸は矢状平面で回転したて波又は剪
断波信号のいずれかに対してSnell法を満足させなけれ
ばならない。音の伝搬が水よりもガスにおいてより遅
く、300−500m/s対1500m/sで伝搬するので、超音波プロ
ーブ15の入射角度θｉは同様により小さい。さらに、誤
アライメントの感度はガス結合システムに対してより大
きい。そのため、板表面法線NPに関して適正な初期変換
器アライメントを達成することは非常に重要になる。
実験的な作業に対してシステムを準備するために、雰
囲気圧で板表面法線NPに沿って変換器15対称軸のアライ
メントを代表してまず行う。ガスGG圧力は所望される作
業用レベル、代表的には6.9MPa（1000psi）まで増大す
る。（ガスGG圧力を増大させることは実験システムの信
号対ノイズ（S/N）性能を大きく改善し、さらに調整を
非常に容易にする。）次に我々は板16の超音波信号の空
間特性を探査するために図２に示されるように小さいピ
ン変換器24を使用する。最後に、前表面反射信号のレベ
ルが最大になるように、変換器15の対称軸をアライメン
トする。
囲気圧で板表面法線NPに沿って変換器15対称軸のアライ
メントを代表してまず行う。ガスGG圧力は所望される作
業用レベル、代表的には6.9MPa（1000psi）まで増大す
る。（ガスGG圧力を増大させることは実験システムの信
号対ノイズ（S/N）性能を大きく改善し、さらに調整を
非常に容易にする。）次に我々は板16の超音波信号の空
間特性を探査するために図２に示されるように小さいピ
ン変換器24を使用する。最後に、前表面反射信号のレベ
ルが最大になるように、変換器15の対称軸をアライメン
トする。
変換器アライメント手順 図5Aは超音波信号のオシロスコープトレースでありこ
れは雰囲気空気（海抜1500m）を用いて観察される。図
２における実験の変換器15の対称軸は板表面法線NPに沿
っている。ここに、変換器15の前表面と板16は約34mm
（1.3in）離れている。図5Aにおいて、三角形マーカは
前表面反射信号の位置を、185μｓで示す。
れは雰囲気空気（海抜1500m）を用いて観察される。図
２における実験の変換器15の対称軸は板表面法線NPに沿
っている。ここに、変換器15の前表面と板16は約34mm
（1.3in）離れている。図5Aにおいて、三角形マーカは
前表面反射信号の位置を、185μｓで示す。
図5Bは結合ガスGG（窒素）の圧力を約6.9MPa（1000ps
i）まで増大させた後、図5Aに現れる同一の超音波信号
である。受信機増幅器19のゲインは結合ガス増大圧力に
対して52dBだけ減少する。第１の信号50は直接前表面反
射に対応する。第２の信号51は変換器15と板16との間の
第２の反射に対応し、外見上370μｓにある。２つの信
号はノイズから明確に出現する。実現可能性実証の信号
対雑音性能は増大ガス圧力で非常に急速に改良し、かつ
第２の反射は0.3MPa（40psi）でさえ明確に観察可能に
なる。この点で、板表面法線NPについて変換器15対称軸
の最終的なアライメントは可能になる。
i）まで増大させた後、図5Aに現れる同一の超音波信号
である。受信機増幅器19のゲインは結合ガス増大圧力に
対して52dBだけ減少する。第１の信号50は直接前表面反
射に対応する。第２の信号51は変換器15と板16との間の
第２の反射に対応し、外見上370μｓにある。２つの信
号はノイズから明確に出現する。実現可能性実証の信号
対雑音性能は増大ガス圧力で非常に急速に改良し、かつ
第２の反射は0.3MPa（40psi）でさえ明確に観察可能に
なる。この点で、板表面法線NPについて変換器15対称軸
の最終的なアライメントは可能になる。
板表面法線NPについてある角度でたて波及び剪断波信
号を発生するために、矢状平面でパルスエコー変換器15
の対称軸を回転する。ピン変換器24を使用して、生じた
超音波ビームの空間的特性及び信号対ノイズ特性を習得
する。
号を発生するために、矢状平面でパルスエコー変換器15
の対称軸を回転する。ピン変換器24を使用して、生じた
超音波ビームの空間的特性及び信号対ノイズ特性を習得
する。
図6A及び図6Bは図２のスチール板16の裏側から超音波
信号を探査することにより見られたピクセルアレーであ
る。その信号は8mmの雰囲気空気と13mmのスチール板15
とを経由して伝送される。各々の走査領域は片側で20mm
である。その走査領域はピクセル0.5mm平方のアレーか
らなる。その「６−dB−ダウン」点はビームセンタから
約5mmである。
信号を探査することにより見られたピクセルアレーであ
る。その信号は8mmの雰囲気空気と13mmのスチール板15
とを経由して伝送される。各々の走査領域は片側で20mm
である。その走査領域はピクセル0.5mm平方のアレーか
らなる。その「６−dB−ダウン」点はビームセンタから
約5mmである。
図6Aはスチール板15を経由して板15に対する軸法線NP
に向けられる超音波信号60を示す。
に向けられる超音波信号60を示す。
図6Bは入射角度θｉが2.5゜であるときスチール板15
の後ろで検出される信号を示し、45゜たて波方向信号62
及び板15内部の23゜剪断波信号61を生成する。
の後ろで検出される信号を示し、45゜たて波方向信号62
及び板15内部の23゜剪断波信号61を生成する。
壁厚さ決定 図７は図２の実験の代表的な結果であり、ゲージ圧力
は6.9MPa（1000psi）であり、ガス経路は38mm（1.5in）
であり、板15の厚さは12.7mm（0.5in）であり、かつ増
幅器19ゲイシは64dBである。
は6.9MPa（1000psi）であり、ガス経路は38mm（1.5in）
であり、板15の厚さは12.7mm（0.5in）であり、かつ増
幅器19ゲイシは64dBである。
図７はパルスエコー変換器15からのオシロスコープト
レースである。板16の前表面からの直接反射がａで示さ
れる。続く信号は板16内での多重反射ｂ及びｃである。
平坦板における超音波反射ｂ及びｃは約４μｓ離れてお
り、12.7mm（0.5in）の名目板厚さd2に一致する。連続
する反射間の時間間隔の測定は板の厚さ及び層間剥離の
存在を示す。
レースである。板16の前表面からの直接反射がａで示さ
れる。続く信号は板16内での多重反射ｂ及びｃである。
平坦板における超音波反射ｂ及びｃは約４μｓ離れてお
り、12.7mm（0.5in）の名目板厚さd2に一致する。連続
する反射間の時間間隔の測定は板の厚さ及び層間剥離の
存在を示す。
模擬垂直割れの検出 原理的には、双方のたて波及び勇断波信号は欠陥検出
用の疑似エコー構成において有益である。水結合システ
ムにおいて、たて波信号は好ましい。我々の実験におい
て、我々はたて波及び剪断波欠陥信号を観察したけれ
ど、我々は剪断波信号が前表面反射信号から明確に分離
するということを発見した。図８におけるオシロスコー
プ20のトレースはこの効果の説明である。たて波欠陥信
号81は第１の観察可能な前表面反射80の６μｓ後だけに
起きる。我々は垂直割れ（壁厚さの40％）の存在を検出
することを可能にするために２つの信号間の干渉の振る
舞いをモニタするけれど、処理が信頼できない。他方、
剪断彼反射82は前表面反射の開始に続いて約11μｓに到
着し且つ明確に認識できる。
用の疑似エコー構成において有益である。水結合システ
ムにおいて、たて波信号は好ましい。我々の実験におい
て、我々はたて波及び剪断波欠陥信号を観察したけれ
ど、我々は剪断波信号が前表面反射信号から明確に分離
するということを発見した。図８におけるオシロスコー
プ20のトレースはこの効果の説明である。たて波欠陥信
号81は第１の観察可能な前表面反射80の６μｓ後だけに
起きる。我々は垂直割れ（壁厚さの40％）の存在を検出
することを可能にするために２つの信号間の干渉の振る
舞いをモニタするけれど、処理が信頼できない。他方、
剪断彼反射82は前表面反射の開始に続いて約11μｓに到
着し且つ明確に認識できる。
図9A及び図9Bは板で45゜の屈折角θｒで屈折される剪
断波信号を用いた図２のスチール板16でのノッチ26の走
査である。ノッチ26は20mm走査の中央に位置する。その
走査ステップサイズは0.5mmであり、窒素雰囲気のゲー
ジ圧力は6.8MPa（980psi）であった。変換器面及びスチ
ール板の前表面間の距離は38mmであった。
断波信号を用いた図２のスチール板16でのノッチ26の走
査である。ノッチ26は20mm走査の中央に位置する。その
走査ステップサイズは0.5mmであり、窒素雰囲気のゲー
ジ圧力は6.8MPa（980psi）であった。変換器面及びスチ
ール板の前表面間の距離は38mmであった。
図9A及び図9Bは図２の板の矢状平面における疑似エコ
ー変換器15を移動することにより得られる２つの走査で
ある。これらは壁厚さについて図9Aの20％深さ及び図9B
の40％深さを持つ垂直ノッチ26からの剪断波反射を示
す。波形平均化はディスプレイ信号の信号対ノイズ特性
を改良する（８倍）。図８、9A及び9Bのデータはガス結
合、パルスエコー方法を用いる実現可能性を実証して、
欠陥26を検出し、かつ板面における壁厚さd2を測定す
る。
ー変換器15を移動することにより得られる２つの走査で
ある。これらは壁厚さについて図9Aの20％深さ及び図9B
の40％深さを持つ垂直ノッチ26からの剪断波反射を示
す。波形平均化はディスプレイ信号の信号対ノイズ特性
を改良する（８倍）。図８、9A及び9Bのデータはガス結
合、パルスエコー方法を用いる実現可能性を実証して、
欠陥26を検出し、かつ板面における壁厚さd2を測定す
る。
本発明の実際の実現 図10はシール132、133が設けられる検査ピグ110又は
ロボット110に実現される本発明のブロック図を示し、
このピグ110又はロボット110を加圧された天然ガスパイ
プライン116又は圧力容器116を経由して流れ方向Ｙに推
進する。パルサ117はダイプレクサ118を経由して動作し
て高出力超音波パルスＰを天然ガスG3を経由してスチー
ルパイプラインに発射する。超音波パルスＰはパルスエ
コー変換器115からパルスライン法線Ｎに対して入射角
θipで発射される。入射角θipは、パイプライン116の
壁厚さd3を測定するためと、層間剥離又はスケーリング
欠陥（図示しない）を検出するために、０゜である。パ
イプライン116に対して垂直の割れ126及び欠陥126を検
出するために、超音波パルスＰの入射角度θipは、スチ
ールパイプライン116の屈折角度θrpがパイプライン法
線Ｎに対して45゜であるようにしてある。スチールパイ
プライン116の外径ODから又はパイプライン116中の欠陥
126から反射される小さなエコーはパルスエコー変換器1
15に戻ってくる。そのパルスエコーからの小さな電気信
号はパルスエコー変換器115からダイプレクサ118を経由
して増幅器119に進む。ダイプレクサ118と増幅器119の
組み合わせは極端に大きなダイナミックレンジを有する
回路を形成する。これにより増幅器119はパルスエコー
変換器115へ進む大きな電気パルスＰを残存させること
ができ、飽和から回復し、小さなエコー信号を受け、そ
してそれを次の段階で使用するために適切なレベルに増
幅することができる。
ロボット110に実現される本発明のブロック図を示し、
このピグ110又はロボット110を加圧された天然ガスパイ
プライン116又は圧力容器116を経由して流れ方向Ｙに推
進する。パルサ117はダイプレクサ118を経由して動作し
て高出力超音波パルスＰを天然ガスG3を経由してスチー
ルパイプラインに発射する。超音波パルスＰはパルスエ
コー変換器115からパルスライン法線Ｎに対して入射角
θipで発射される。入射角θipは、パイプライン116の
壁厚さd3を測定するためと、層間剥離又はスケーリング
欠陥（図示しない）を検出するために、０゜である。パ
イプライン116に対して垂直の割れ126及び欠陥126を検
出するために、超音波パルスＰの入射角度θipは、スチ
ールパイプライン116の屈折角度θrpがパイプライン法
線Ｎに対して45゜であるようにしてある。スチールパイ
プライン116の外径ODから又はパイプライン116中の欠陥
126から反射される小さなエコーはパルスエコー変換器1
15に戻ってくる。そのパルスエコーからの小さな電気信
号はパルスエコー変換器115からダイプレクサ118を経由
して増幅器119に進む。ダイプレクサ118と増幅器119の
組み合わせは極端に大きなダイナミックレンジを有する
回路を形成する。これにより増幅器119はパルスエコー
変換器115へ進む大きな電気パルスＰを残存させること
ができ、飽和から回復し、小さなエコー信号を受け、そ
してそれを次の段階で使用するために適切なレベルに増
幅することができる。
上述のアプローチによりこの方法が大きなガスバブル
（すなわち丘の頂上にある）を有するオイルパイプライ
ンで使用されることを可能にしている。この方法はガス
に出会うとき良いデータを継続して得るであろう。
（すなわち丘の頂上にある）を有するオイルパイプライ
ンで使用されることを可能にしている。この方法はガス
に出会うとき良いデータを継続して得るであろう。
増幅器の出力は信号処理及び蓄積用のピグ電子パッケ
ージ121に進む。ピグ電子パッケージ121はパイプライン
116を通過して移動する間、ピグを維持するのに必要な
処理手段、蓄積手段及び電源を含む。
ージ121に進む。ピグ電子パッケージ121はパイプライン
116を通過して移動する間、ピグを維持するのに必要な
処理手段、蓄積手段及び電源を含む。
図10に示される本発明はプラスチック、セラミック又
はスチール（ステンレススチールを含む）パイプライン
又は圧力容器116内のロボット110に使用され得る。
はスチール（ステンレススチールを含む）パイプライン
又は圧力容器116内のロボット110に使用され得る。
本発明は好ましい実施例を参照して記載されたけれ
ど、多数の修正及び変形が成され、かつなお、その結果
は本発明の範囲内になる。ここに開示される特別の実施
例に関するいかなる制限も意図されず又は推論されるべ
きでない。
ど、多数の修正及び変形が成され、かつなお、その結果
は本発明の範囲内になる。ここに開示される特別の実施
例に関するいかなる制限も意図されず又は推論されるべ
きでない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フォーテュンコ，クリストファーエム. アメリカ合衆国，コロラド 80303，ボ ールダー，ウエスト ムーアヘッド サ ークル ＃１ケー 850 (72)発明者 デューブ，ウィリアム ピー. アメリカ合衆国，コロラド 80207，デ ンバー，ダーリア ストリート 2085 (72)発明者 シュラム，レイモンド イー. アメリカ合衆国，コロラド 80221，ソ ーントン，レーン ストリート 9814 (72)発明者 マクロースキー，ジョゼフ ディー. アメリカ合衆国，コロラド 30020，ブ ルームフィールド，ストーンハブン ア ベニュ 1480 (72)発明者 レンケン，マーティン シー. アメリカ合衆国，コロラド 80303，ボ ールダー，マンハッタン ドライブ ＃207 665 (72)発明者 ライト，グレン エム. アメリカ合衆国，テキサス 78240，サ ン アントニオ，リンク メドウズ 7308 (72)発明者 テラー，セシル エム．，ザ セカンド アメリカ合衆国，テキサス 78230，サ ン アントニオ，ハンターズ サークル 3503 (56)参考文献 特開 昭58−182550（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−169015（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−45341（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28 G01B 17/02
Claims (13)
- 【請求項１】圧力容器壁厚さを測定し且つ圧力容器壁の
欠陥を検出する方法であって、パルサで高出力電気パル
スを発生するステップと、 前記高出力電気パルスをダイプレクサを経由し且つ同時
に、前記圧力容器内に位置する超音波変換器及び増幅器
に送信するステップと、 加圧ガス接触媒質を介して前記圧力容器の内表面に前記
超音波変換器からの超音波パルスを送信するステップ
と、 前記超音波変換器、前記ダイプレクサ及び前記増幅器を
経由して前記圧力容器の前記内表面からの戻り信号を受
信し、前記変換器から前記内表面までの距離d1を計算す
るステップと、 前記超音波変換器、前記ダイプレクサ及び前記増幅器を
経由して前記圧力容器の外表面からの戻り信号を受信す
るステップと、 前記圧力容器壁の厚さを計算するステップと、 前記圧力容器壁にある欠陥を検出するステップとを含
み、 前記圧力容器が、ガスパイプライン壁と、金属、プラス
チック及びセラミックの構成物を有するガスパイプライ
ンのグループから選択され、 前記増幅器及び前記ダイプレクサの組み合わせが大きな
ダイナミックレンジ、高速応答及び高速回復を有する回
路を形成し、 前記ダイプレクサが、前記増幅器の入力電圧制限に整合
する飽和閾を生成する手段を含むように選択される前記
方法。 - 【請求項２】前記ガスパイプライン壁内部からの多重戻
り信号を処理することにより前記欠陥を特徴づけるステ
ップをさらに含む請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】前記パイプラインの壁内部の前記超音波パ
ルスの屈折角度を生成するように、前記超音波変換器
を、前記パイプラインの前記壁に関する法線角度に関し
て小さな入射角度で据え付けるステップと、 前記パイプラインの前記壁内部の屈折角度で前記超音波
パルスを使用し前記パイプラインの前記壁内部の欠陥を
検出するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】前記パルサ、前記ダイプレクサ、前記超音
波変換器及び前記増幅器がピグに据え付けられるステッ
プをさらに含む請求項１に記載の方法。 - 【請求項５】前記圧力容器の壁内部の前記超音波パルス
の屈折角度を生成するように、前記超音波変換器を前記
圧力容器の壁に関する法線角度に関して小さな入射角度
で据え付けるステップと、 前記圧力容器の壁内部の屈折角度で前記超音波パルスを
使用し前記圧力容器の壁内部の欠陥を検出するステップ
をさらに含む請求項１に記載の方法。 - 【請求項６】圧力容器壁厚さを測定し且つ圧力容器壁の
欠陥を検出する装置であって、 高出力電気パルスを発生する手段と、 ダイプレクサを経由し同時に前記圧力容器内に位置する
超音波変換器及び増幅器に前記高出力電気パルスを送信
する手段と、 加圧ガス接触媒質を介して前記圧力容器の内表面に前記
超音波変換器からの超音波パルスを送信する手段と、 前記超音波変換器、前記ダイプレクサ及び前記増幅器を
経由して前記圧力容器の前記内表面からの戻り信号を受
信し且つ前記変換器から内表面までの距離d1を計算する
手段と、 前記超音波変換器、前記ダイプレクサ及び前記増幅器を
経由して前記圧力容器の外表面からの戻り信号を受信す
る手段と、 前記圧力容器の壁厚さを計算する手段と、 前記圧力容器の壁にある欠陥を検出する手段とを有し、 前記圧力容器は、金属、プラスチック及びセラミックの
圧力容器のグループから選択され、 前記圧力容器は、ガスパイプライン壁を有するガスパイ
プラインをさらに含み、 前記高出力電気パルスを発生する前記手段はさらにパル
スを含み、 前記ダイプレクサは前記増幅器の入力電圧制限に整合す
る飽和閾を生成するための手段をさらに有する前記装
置。 - 【請求項７】前記増幅器は大きなダイナミックレンジ、
高速応答及び高速回復をさらに有する請求項６に記載の
装置。 - 【請求項８】前記ガスパイプラインの壁厚さを計算する
手段は電力供給、蓄積装置及び処理モジュールをさらに
有する請求項６に記載の装置。 - 【請求項９】さらに前記ガスパイプラインの壁内部から
の多重戻り信号を処理することにより欠陥を検出し特徴
づける手段を有する請求項６に記載の装置。 - 【請求項１０】前記パイプラインの壁内部の前記超音波
パルスの屈折角度を生成するように、前記超音波変換器
を前記パイプラインの壁に関する法線角度に関して小さ
な入射角度で据え付ける手段と、 前記パイプラインの壁内部の屈折角度で前記超音波パル
スを使用し前記パイプラインの壁内部の欠陥を検出する
手段をさらに有する請求項６に記載の装置。 - 【請求項１１】前記パルサ、前記ダイプレクサ、前記超
音波変換器、前記増幅器のためのピグハウジング手段、
及び前記計算手段をさらに有する請求項６に記載の装
置。 - 【請求項１２】前記圧力容器の壁内部の前記超音波パル
スの屈折角度を生成するように、前記超音波変換器を前
記圧力容器の壁に関する法線角度に関して小さな入射角
度で据え付ける手段と、 前記圧力容器の壁内部の屈折角度で前記超音波パルスを
使用し前記圧力容器の壁内部の欠陥を検出する手段をさ
らに有する請求項９に記載の装置。 - 【請求項１３】前記欠陥は前記圧力容器壁の外部表面に
位置する請求項６に記載の装置。
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