JP3229210B2 - 伝熱管検査用超音波探傷プローブ - Google Patents

伝熱管検査用超音波探傷プローブ

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JP3229210B2
JP3229210B2 JP18092596A JP18092596A JP3229210B2 JP 3229210 B2 JP3229210 B2 JP 3229210B2 JP 18092596 A JP18092596 A JP 18092596A JP 18092596 A JP18092596 A JP 18092596A JP 3229210 B2 JP3229210 B2 JP 3229210B2
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04Wave modes and trajectories
    • G01N2291/044Internal reflections (echoes), e.g. on walls or defects
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波探傷検査に
関し、特に熱交換器伝熱管の超音波探傷プローブに関す
る。
【0002】
【従来の技術】管形熱交換器においては細い伝熱管が使
用されており、熱交換を行う2つの熱媒体の伝熱管壁を
通る漏洩乃至両者の混合が好ましくない場合は、その細
い伝熱管の損傷発生を早期に検出するため定期的或いは
必要に応じ各種の探傷検査が行われている。特に管形熱
交換器が蒸気発生器として使用される場合は、伝熱管は
熱的、化学的にも厳しい条件下にあるので、この探傷検
査は重要である。このような探傷検査に用いられる検査
方式に超音波探傷があり、例えば図9に示すようなプロ
ーブヘッド1が使用される。プローブヘッド1はその外
周前後端部に設けられた調芯部材3によって、伝熱管5
内に挿入されたとき同軸的に保持され、超音波探触子7
はミラー9を介して探傷用超音波を送受する。
【0003】プローブヘッド1のより詳しい基本的な構
造が図10に示されている。図10において、プローブ
ヘッド1には前端部及び後端部において軸受11,13
を介してガイドリング15、17が設けられ、ガイドリ
ング15,17は前述の調芯部材3を備えている。従っ
てプローブヘッド1は、伝熱管5の中で同軸状に保持さ
れ且つその伝達軸9を介してθ軸方向に回転されうる。
そしてガイドリング17は、可撓プローブチューブ21
により伝熱管5の軸方向即ちX軸方向に駆動されて位置
決めされる。超音波ビームを発射する超音波探触子7
は、枢動軸23を介して支持された角度可変ミラー9に
向いており、モータ25によりミラー9の角度を変えて
超音波ビームの伝熱管5への入射角を調整している。少
なくともプローブヘッド1の周りには超音波伝搬媒質で
ある水27が満たされる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前述の従来のプローブ
ヘッド1は、前後端部に調芯部材3を備えているので、
伝熱管5が直管で変形が無ければ伝熱管5と同芯無いし
同軸に保持されるから、超音波ビームの発射に格別の調
整をする必要はなく、良好な検査結果が得られる。しか
しながら、もし伝熱管5が湾曲したりしていれば、超音
波探触子7は伝熱管5の中心にはなく超音波ビームの伝
熱管5への入射角が適性値からずれ、有効な反射超音波
が戻って来ない。この不具合を防止するため、角度可変
ミラー9をモータ25で駆動して入射角の調節を行う
が、この調節は操作員の経験と勘で行わざるを得ず非常
に難しい作業である。又、伝熱管5の変形が僅かな湾曲
であれば前述のような角度可変ミラー9の枢動により実
用範囲で入射角の調整を行うことは何とか可能ではある
が、管内面に凹凸や傾斜などの不規則な変形があれば、
入射角の適切な調整が極めて困難になり有効な反射波を
受信し難い。又反射波を受信できて一応の検査が実施さ
れ、欠陥が検出されたとしてもプローブヘッドの姿勢が
不明であるため欠陥位置の正確な同定ができないなどの
問題もある。要するに、従来の構造の超音波探傷プロー
ブでは伝熱管に湾曲や内表面の凹凸などの不規則形状が
あると被検査部と超音波探触子との相対的な位置関係が
所定の位置関係からずれてしまい、適切な探傷検査の実
施、取り分け微小な欠陥の検出が極めて困難であった。
従って、本発明は被検査物である伝熱管に変形などの不
規則形状があっても正確な探傷検査を行うことができる
超音波探傷プローブを提供することを課題とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】如上の課題を解決するた
め、本発明によれば、調芯部材が前端部及び後端部にそ
れぞれ軸受を介して取り付けられたプローブヘッドと同
プローブヘッド内に設けられた超音波探触子とを有する
超音波探傷プローブは、軸回りに回動可能の前記プロー
ブヘッド内にホルダが軸方向位置調節自在に設けられ、
そのホルダに前記超音波探触子が姿勢調節制御機構を介
して支持され、更にそのホルダに超音波発信子とこの超
音波発信子からの超音波の反射波を受信するアレイセン
サとが配設され、アレイセンサの受信超音波信号に基づ
いて姿勢調節制御機構が調整されて超音波探触子の向き
乃至姿勢が調節される。その姿勢調節制御機構は、プロ
ーブヘッドの中心軸を含む面内で枢動するチルティング
機構とその中心軸に直交する面内で枢動するパーニング
機構とを有する。
【0006】
【発明の実施の形態】以下添付の図面を参照して本発明
の実施形態を説明する。図1の概略斜視図及び図2の断
面図を参照するに、超音波探傷プローブ30のプローブ
ヘッド31は長弾丸状の外形を有し、前端部及び後端部
に軸受33を介して調芯部材35が取り付けられてい
る。調芯部材35は主として弾性材料からできており、
リップ部に設けた複数の半径方向スリット35aにより
大きな弾性が与えられて自身を伝熱管5の内面の中心に
置く調芯機能を有する。従って、両端部が調芯部材35
を介して伝熱管5の内面に支持されるプローブヘッド3
1は、伝熱管5に変形が無ければその内面と同軸状にあ
る。プローブヘッド31の図示しない後部には円周方向
(θ軸回り)回転機構が設けられていて、これは更に伝
熱管5の外部に位置する送り機構と連絡している。そし
て伝熱管5の外側にある送り機構によりプローブヘッド
31は、伝熱管5の長手方向即ちX軸方向に移動され、
位置決めされる。又円周方向駆動機構により調芯部材3
5を伝熱管5上に静止した儘でプローブヘッド31を軸
回りに回転することができる。
【0007】プローブヘッド31の内部に空所があり、
その中にホルダ37が設けられている。このホルダ37
は図示しない軸方向移動機構により軸方向変位が可能に
なっている。更にそのホルダ37には超音波発信子39
とアレイセンサ41が所定の位置関係で設けられてい
る。アレイセンサ41は複数の小さいエレメントセンサ
を碁盤目状に配置したもので、それぞれ独立して受信超
音波に感応する。アレイセンサ41の位置及び大きさ
は、伝熱管5の直径や予想し得る凹凸などの変形を考慮
して決められている。更に超音波探触子43が姿勢調節
制御機構50を介してホルダ37内に支持されている。
姿勢調節制御機構50は、図3に示すようにホルダ37
に固定された外フレーム51,外フレーム51に軸53
を介して枢動自在に支持された内フレーム55、超音波
探触子43を内フレーム55内に枢動自在に支持する軸
57,位置検出器と一体化し外フレーム51に取り付け
れたチルティングモータ59及び位置検出器と一体化
内フレーム55に取り付けられパーニングモータ6
1から構成される。このような姿勢調節制御機構50に
おいて、チルティングモータ59は超音波探触子43を
Y軸回りに回転し、角度調節を行い、パーニングモータ
61は超音波探触子43をP軸回りに回転し、角度調節
を行う。
【0008】超音波発信子39、アレイセンサ41及び
超音波探触子43の位置的関係が図1に示されている。
プローブヘッド31の中心軸に沿う超音波発信子39と
アレイセンサ41の距離はd,同様に超音波探触子43
とアレイセンサ41の距離はDであり、これらの数値は
後述する演算制御操作で使用される。図示はしていない
が、超音波発信子39、アレイセンサ41及び超音波探
触子43から延びた信号線や姿勢調節制御機構50から
延びた動力信号線は、伝熱管5の外側にある制御演算装
置などに連絡している。
【0009】次に前記探傷プローブ30を使用して伝熱
管5を探傷する手順を説明する。超音波探触子43を使
用し、そこから超音波ビームを伝熱管5の目標位置の内
面に向けて発射し、反射してきた超音波を受信してその
信号から探傷を行う操作は、通常の超音波探触子のもの
と同じである。本発明では、超音波探触子43の超音波
の発射方向を適切に調整する点に特徴があるので、以下
この点に付いて詳しく説明する。図4及び図5はプロー
ブヘッド31の軸直角断面における超音波探触子43の
首振り角度即ちパーニング角度を決定する要領を示して
いる。図4において、伝熱管5の変形の無い理想内面5
aが2点鎖線で示されているが、現実の内面5bは実線
に示すごとく傾いている。今、超音波発信子39からの
下向超音波ビーム(発射方向は図において鉛直下方を向
くように固定されている。)の入射点Qで内面5bが角
度αだけ傾いていると、超音波の表面反射波は角度2α
だけ傾いて破線のように進みアレイセンサ41のエレメ
ントセンサ41aに入る。このときの受信までの経過時
間から入射点Qまでの距離が算出され、水平方向に展延
したアレイセンサ41の最大値エコーを感知したエレメ
ントセンサの中心からの片寄りから入射点Qの傾斜角度
αが算出される。従って、入射点Qを検査するときは、
図5に示すように超音波探触子43のパーニング角度を
αとするようにを制御する。半径Rは、プローブヘッド
31の軸に対する姿勢調節制御機構50の取付け位置の
偏心距離(既知)であり、旋回調節はプローブヘッド3
1の円周方向(θ軸)駆動機構により実現される。
【0010】以上は、プローブヘッド31の軸直角面内
における超音波探触子43のパーニング角度の選定要領
であるが、次にプローブヘッド31の軸平行面内におけ
る超音波探触子43のチルティング角度の選定要領を説
明する。図6及び図7を参照するに、伝熱管5の理想内
面5a(2点鎖線)に対し、点Qで現実の内面5bが角
度βだけ傾斜しているとすると、超音波発信子39から
の超音波の反射波は、2点鎖線の方向から実線のように
ずれる。前述と同様に、距離及び傾斜角度が経過時間及
びエコー最大値の感知エレメントセンサの偏倚位置から
それぞれ算出される。従って、点Qの探傷を行うときの
超音波探触子43のチルティング角度及び補正距離Lが
図7のようになり、これらは制御演算装置で算出され
る。超音波探触子43のチルティング角度βの設定は、
姿勢調節制御機構50のチルティングモータ59の回転
によって行い、補正距離Lに対応する軸方向位置調整は
ホルダ37の図示しない軸方向移動機構によって行われ
る。尚、現実の管内面5bの傾きは、一般には軸直角断
面及び軸平行断面の双方に現れるから、超音波探触子4
3の実際の姿勢調節は前述の2つの選定要領に基づく姿
勢調節を組み合わせて行うこととなる。
【0011】以上説明したように、先ず超音波発信子3
9及びアレイセンサ41を利用し、伝熱管5の変形内面
5bの各点の位置及び傾斜角度が測定されるので、各点
を被検査部とする超音波探触子の姿勢は、距離D、距離
dを既知とし姿勢調節制御機構50及びホルダ37の軸
方向移動機構とにより適切に制御され、有効な超音波反
射波が得られて検査が行われる。尚、前述の実施形態に
おいては、分離された超音波発振器とアレイセンサを使
用したが、図8に示すように中央に送受信エレメント1
39を持つアレイセンサ141を使用しても良い。
【0012】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
プローブヘッドに所定の位置関係で配設した超音波発信
子とその発射超音波の反射波を受けるアレイセンサ(マ
ルチセンサ)を用いて予め被探傷部である伝熱管内面の
位置、形状を把握し、これに基づき超音波探触子の姿勢
を調節するので、伝熱管に傾斜、凹凸などの形状変形が
あっても精確な探傷を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の概念的配置を示す斜視図で
ある。
【図2】前記実施形態における超音波探傷プローブの断
面図である。
【図3】前記超音波探傷プローブの要部を示す部分斜視
図である。
【図4】図1のIV−IV線に沿う概念断面図である。
【図5】図1のV−V線に沿う概念断面図である。
【図6】前記実施形態の作用を説明する概念的軸方向断
面図である。
【図7】前記実施形態の作用を説明する概念的軸方向断
面図である。
【図8】前記実施形態の一部を改変する改変実施形態の
部分概念図である。
【図9】従来の装置の概念図である。
【図10】従来の装置の拡大断面図である。
【符号の説明】
5 伝熱管 5b 伝熱管内面 30 超音波探傷プローブ 31 プローブヘッド 33 軸受 35 調芯部材 37 ホルダ 39 超音波発信子 41 アレイセンサ 43 超音波探触子 50 姿勢調節制御機構 51 外フレーム 53 軸 55 内フレーム 57 軸 59 チルティングモータ 61 パーニングモータ α,β 傾斜角度 D,d 距離 Q 入射点

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 調芯部材が前端部及び後端部にそれぞれ
    軸受を介して取り付けられたプローブヘッドと同プロー
    ブヘッド内に設けられた超音波探触子とを有する超音波
    探傷プローブにおいて、軸回りに回動可能の前記プロー
    ブヘッド内にホルダが軸方向位置調節自在に設けられ、
    前記ホルダに前記超音波探触子が姿勢調節制御機構を介
    して支持され、更に前記ホルダに超音波発信子と同超音
    波発信子からの超音波の反射波を受信するアレイセンサ
    とが配設され、前記アレイセンサの受信超音波信号に基
    づいて前記姿勢調節制御機構が調整されて前記超音波探
    触子の向きが調節されることを特徴とする伝熱管検査用
    超音波探傷プローブ。
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