JP3759050B2 - 超音波探触子ホルダ、超音波探傷器、及び管体の超音波探傷方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波探傷器の探触子ホルダ、超音波探傷器、及び管体の超音波探傷方法に関するものであり、特に、熱交換器等に使用される管体の超音波探傷装置に使用するのに好適な探触子ホルダ、超音波探傷器、及び管体の超音波探傷方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱交換器に使用される伝熱管の欠陥を探傷する方法として、従来、渦流探傷法、超音波探傷法等が用いられている。これらの技術は、多くの場合、伝熱管の端部を解放し、管内に探傷用プローブを挿入して検査を行う方法であり、ボイラーチューブ等、伝熱管の端部を解放可能なものの検査に使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、伝熱管の中には、端部が互いに溶接で接合されているものがあり、このようなものは管内に探傷用プローブを挿入することができない。よって、外面から検査を行う必要がある。しかしながら、一般に伝熱管の直径は小口径（１Ｂ程度）であり、曲率が大きいため、探触子が管体に対して精度良く保持されないと、安定した探傷ができない。
【０００４】
また、探傷を行うためには、Ｔエコーが十分減衰した後で欠陥エコーが検出されるようにする必要があるが、伝熱管の厚さは2.0〜2.2mm程度であるために、欠陥エコーからの超音波の反射を受信するまでの時間が短くなる。一般に欠陥エコーからの超音波の反射を受信するまでの時間を長くするためには、斜角探傷を使い、スキップ回数を多くすればよいが、あまりスキップ回数を多くすると超音波の減衰が大きくなって欠陥の検出精度が落ちる。
【０００５】
このような問題点のために、伝熱管の外側から超音波探傷を行うには熟練を要し、作業能率が悪いという問題点があった。本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、熟練を要しなくても、効率よく管体の超音波測定ができるようにする超音波探触子ホルダ、超音波探傷器、及び管体の超音波探傷方法を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、管体を超音波探傷するために用いられる超音波探触子ホルダであって、探触子を保持する保持部と、当該保持部の左右に設けられた抱き爪部とを有し、
(1)前記保持部には、超音波探触子が、管体の長手方向に向かって斜角で入射するように取り付け可能とされ、
(2)前記保持部のうち管体に接触する部分は、管体の外径と同じ曲率を有する曲面となっており、
(3)取り付けられた超音波探触子の前面と前記保持部のうち管体に接触する部分の一部の間には、超音波が通過可能な穴部が形成され、
(4)当該穴部には、当該穴部に水を充填し、局部水浸探傷を可能とするように水が供給されるようにされており、
(5)前記抱き爪部は、前記保持部に固定された板バネ部材と、当該板バネ部材に固定されたローラとを有し、探傷時において、管体が前記保持部の曲面に接触したとき、前記ローラが管体の外面に接触し、板バネ部材の弾性力により、前記ローラが管体外面に押しつけられる構造とされている
ことを特徴とする超音波探触子ホルダ（請求項１）である。
【０００７】
本手段を使用するときは、超音波探触子を取り付けた状態で、保持部の曲面を管体の外周に接触させると同時に、抱き爪部のローラを管体の外周部に接触させ、保持部と抱き爪部で管体を挟み込むようにする。その際、抱き爪部が板バネ材を有しているので、左右の抱き爪部のローラを管体に接触させ、保持部を管体に押しつけると、抱き爪部が左右に広がって、管体の最大径部を乗り越え、保持部の曲面が管体に接触した状態では、板バネ材の弾性力により、ローラが管体に押しつけられるようになって、探触子ホルダが管体に安定して取り付けられる。
【０００８】
この状態で、穴部に水を供給すれば、穴部が水で充填され、この水が超音波探触子と管体の間を超音波結合するカップラントとなり、いわゆる局部水浸型の超音波プローブが構成される。この状態で超音波探触子にトリガー信号を与えることにより、斜角探傷が実施できる。
【０００９】
本手段においては、前述のように、保持部の曲面と抱き爪部のローラとで、管体を挟み込んでおり、しかも、保持部の曲面の曲率は管体の外周面の曲率に一致しているので、超音波探触子と管体との関係を極めて正確に保つことができる。そして、超音波探触子ホルダを容易に管体の長手方向、円周方向に摺動させることができ、摺動させた場合でも、超音波探触子と管体との関係を正確に維持することができる。よって、熟練度の低い者でも、効率よく超音波探傷を実施することができる。
【００１０】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記穴部が前記保持部の、管体の長手方向端部に形成され、前記保持部の端面には、水の漏洩を防止する漏洩防止部材が設けられ、当該漏洩防止部材は、吸音材で構成されていることを特徴とするもの（請求項２）である。
【００１１】
超音波探触子から放出された超音波は、その一部が管体の表面で反射され、前記穴部内で多重反射を繰り返すことがある。このような場合には、観測されるＴエコーが長くなり、短い距離にある欠陥の検出ができなくなってしまう。本手段においては、前記穴部を前記保持部の端部にし、前記保持部の、管体の長手方向端面に、吸音材で構成された水の漏洩を防止する漏洩防止部材を設けるようにしている。よって、穴部内で多重反射する超音波が、吸音材で構成された漏洩防止部材により吸収されて急速に減衰し、Ｔエコーが短くなる。よって、検出しようとする欠陥と超音波探触子の距離を短くできるので、超音波の減衰が小さくなり、高精度で欠陥の検出を行うことができる。
【００１２】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第２の手段であって、前記漏洩防止部材の一部が前記穴部内に入り込み、超音波探触子の先端部の一部を、前記漏洩防止部材側の一部が覆うようにされていることを特徴とするもの（請求項３）である。
【００１３】
理由は必ずしも明確ではないが、発明者等の実験によると、本手段のような構成をとることにより、より効率的に穴部内での超音波の多重反射を減衰させることができ、Ｔエコーを短くすることができることが判明した。なお、超音波探触子の先端部表面積の１５〜２５％を覆うようにすると最も好ましい結果が得られる。
【００１４】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記保持部に、前記穴部に水を供給する水供給孔と共に、前記穴部から水を排出する水排出孔が設けられていることを特徴とするもの（請求項４）である。
【００１５】
一般の局部水浸型超音波探触子においては、探触子前面の水は、被探傷材との隙間より流出するようにされている。本手段においては、前記穴部から水を排出する水排出孔が設けられているので、穴部に対流する空気が容易に穴部内から排出され、穴部を水で充填することができる。
【００１６】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前記保持部に、前記保持部を管体の円周方向に沿って摺動させたときその摺動量を検出するロータリーエンコーダが設けられ、当該ロータリーエンコーダは、前記保持部に設けられた回転軸に支持され、前記保持部の摺動に伴って回転し、円周部に凹凸が交互に刻まれた円筒部材と、当該円筒部材の外周に光を投受光する光ファイバーとを有することを特徴とするもの（請求項５）である。
【００１７】
本手段においては、ロータリーエンコーダが設けられているので、その出力から超音波探触子の管体円周方向位置を検出することができる。そして、そのロータリーエンコーダは、前記保持部に設けられた回転軸に支持され、前記保持部の摺動に伴って回転し、円周部に凹凸が交互に刻まれた円筒部材と、当該円筒部材の外周に光を投受光する光ファイバーとを有するものであるので、交互に刻まれた凹凸のピッチを細かくし、光ファイバーのスポット径を小さくすることによって、分解能を上げることができ、かつ、小型のロータリーエンコーダとして探触子ホルダに組み込むことができる。回転の検出は、光ファイバーを通して円筒部材に光を照射し、その反射光を同じ光ファイバーを通して検出することにより行う。
【００１８】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかである超音波探触子ホルダと、当該探触子ホルダに保持された超音波探触子と、当該超音波探触子を励振し、かつ当該超音波探触子からの信号を受信して処理する超音波探傷器本体とを有することを特徴とする超音波探傷器（請求項６）である。
【００１９】
本手段においては、前記第１の手段から第５の手段のいずれかである超音波探触子ホルダを使用しているので、それぞれの探触子ホルダが有する作用効果を使用した超音波探傷を行うことができる。
【００２０】
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第６の手段であって、前記ロータリーエンコーダによって検出された前記探触子ホルダの管体円周方向位置をＸ軸とし、欠陥信号が検出されたとき、Ｘ軸上に欠陥信号の存在を表示する機能を有することを特徴とするもの（請求項７）である。
【００２１】
前記課題を解決するための第８の手段は、前記第６の手段又は第７の手段であって、前記ロータリーエンコーダによって検出された前記探触子ホルダの管体円周方向位置をＸ軸とし、欠陥信号が検出されたとき、超音波ビーム路程から検出される欠陥の深さ方向の位置を、Ｙ軸方向位置として表示する機能を有することを特徴とするもの（請求項８）である。
【００２２】
これら第７の手段、第８の手段においては、欠陥の位置、深さが表示されるため、Ａスコープを使用して欠陥を検出する場合に比べ、これらを正確に検出でき、かつ、熟練度の低い者でも精度の良い検出を行うことができる。
【００２３】
前記課題を解決するための第９の手段は、前記第６の手段から第８の手段のいずれかである超音波探傷器を用いて、管体の欠陥を検出することを特徴とする管体の超音波探傷方法（請求項９）である。
【００２４】
本手段においては、前記第６の手段から第８の手段のいずれかである超音波探傷器を使用しているので、それぞれの超音波探傷器が有する作用効果を使用した超音波探傷を行うことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１〜図４は、本発明の実施の形態の１例である超音波探触子ホルダの概要を示す図であり、図１は正面図、図２は側面図、図３は図２におけるＡ−Ａ端面図、図４は図１におけるＢ−Ｂ断面図である。
【００２６】
超音波探触子ホルダ（以下「探触子ホルダ」と称することがある）１は、探触子４を保持する保持部２と、その左右両側に設けられた抱き爪部３から成り立っている。保持部２の、被検査体である管体Ｔに接触する部分（接触部）２ａは、管体Ｔの外径と同じ曲率を有し、管体Ｔの外周に密着するようになっている。そして、検査時においては図１に示すように、この接触部２ａを管体Ｔの外周面に接触させ、抱き爪部３のローラ８により管体Ｔを両側から挟み込んで、管体Ｔと保持部２との密着性を保つようになっている。
【００２７】
保持部２の管体Ｔの長手方向端部には、探触子４を挿入するための孔５ａと、局部水浸部を形成する孔５ｂとが設けられている。この孔５ｂは、図３、図４に示すように保持部２の本体部の端部に解放しているが、保持部２の一部である漏洩防止部材６がこの開放部分を覆い、水が解放部から漏れるのを防止している。漏洩防止部材６は、ゴム等の吸音性のある物質で形成されている。このように、漏洩防止部材６を吸音性のある物質で形成することにより、部分水浸部を形成する孔５ｂ内で超音波が多重反射するような場合でも、その減衰を早くし、Ｔエコーを短くすることが可能となる。
【００２８】
孔５ｂの深さは、図２に示すように、探触子４の先端部が、この孔５ｂ内に入るような深さとされている。この孔５ｂに向かって、保持部２の両側から給水孔１０、排水孔１１がそれぞれ設けられている。このように、給水孔１０と共に排水孔１１を設けることにより、局部水浸部を形成する孔５ｂ中に空気が残留して、超音波の伝搬を妨げることを防止することができる。
【００２９】
抱き爪部３は、板バネ３ａを主として構成されており、図１に示すように管体Ｔを抱き込むときは、図１の上部から抱き爪部３のローラ８を管体Ｔの外周に沿わせて、保持部２を上方から押しつけると、この板バネ３ａが外側に開き、ローラ８が回転しながら抱き爪部３が管体Ｔを挟み込み、直径に相当する部分を超えると、板バネ３ａの弾性により、ローラ８が管体Ｔを押しつけるようにして進み、最後に、図１に示すように、接触部２ａとローラ８で管体を挟み込んだような状態となって、探触子ホルダ１が、管体Ｔに安定して設置される。ローラ８は、抱き爪部３の板バネ３ａに設けられたローラ保持部７に保持された軸９に取り付けられ、回転自在とされている。
【００３０】
保持部２の片側の側面からは光ファイバセンサ１２が挿入され、その先にロータリーエンコーダ本体部１３が取り付けられている。ロータリーエンコーダ本体部１３の一部は、保持部２に設けられた穴１４の内部に入っており、この穴１４は蓋１５により密閉されている。
【００３１】
図４に示すように、ロータリーエンコーダ本体部１３は、軸１３ａに取り付けられたＯリング１３ｂ、リング１３ｃ、円筒体１３ｄを有している。Ｏリング１３ｂは、リング１３ｃに嵌り込んでいる。Ｏリング１３ｂは、管体Ｔの外周面に接触し、保持部２が管体Ｔの外周に沿って円周方向に摺動すると、それに伴って回転する。この回転は軸１３ａを介して円筒体１３ｄに伝えられ、円筒体１３ｄも共に回転する。
【００３２】
円筒体１３ｄの外周面には、その外周面に交互に凹凸が形成されている。よって、その外周面に光ファイバーセンサ１２からの光を照射し、その反射光を光ファイバーセンサ１２で受光した場合、円筒体１３ｄが回転すると反射光強度がパルス状に変化する。よって、この光を光センサで受光してパルスを計数することにより、保持部２の管体Ｔの円周方向への摺動量を測定することができる。
【００３３】
このような方式のロータリーエンコーダを使用しているので、円筒体１３ｄの凹凸のピッチを0.1mm程度とすることができ、これにより、保持部２の管体Ｔの円周方向への摺動量を0.3〜0.4mm程度の分解能で測定することができる。光ファイバーセンサは、図１では大きく書かれているが、その大部分は補強部材であって、使用している光ファイバーのスポット径は十分小さいものであり、この程度の分解能を得ることが可能である。
【００３４】
図５に、漏洩防止部材６を特殊な形状とした例を示す。漏洩防止部材６は、前出のように吸音物質で形成されるが、この例においては、それに凸部６ａを設け、探触子４の先端部表面を覆うようにしている。このようにすると、局部水浸部である孔５ｂ内での超音波の多重反射を特に効果的に減衰させることができ、Ｔエコーを短くすることができる。
【００３５】
図６に、このような探触子ホルダを用いて管体の外周面に形成された孔食の検出を行った場合の表示の例を示す。図６においてＸ軸は円周方向を示し、前記のようなロータリーエンコーダを使用して検出した探触子の円周方向位置を示す。
【００３６】
図６（Ａ）は、いわゆるＣスコープに相当するもので、管体表面を展開して平面図化し、どの部分に欠陥があるかを示すものである。太い線で示される部分が欠陥の存在する部分である。この場合、管体長手方向の位置検出器を持っていないので、通常のＣスコープと異なり、表示は１次元的にＸ軸上のみに現われる。これを見れば、管体の円周方向のどの位置に欠陥があるかを識別することができる。この表示を形成する方法は、通常のＣスコープ形成方法と変わるところがないので説明を省略する。
【００３７】
図６（Ｂ）は、いわゆるＢスコープに相当するもので、欠陥の位置（Ｘ軸方向）とその深さ（Ｘ軸と直角な方向）を２次元平面に表したものである。太い線で囲まれた部分が欠陥を示す。これを見れば、円周方向のどの位置にどの程度の深さの欠陥があるかが分かる。欠陥の深さは、ビーム路程により計算することができる。この表示を形成する方法は、通常のＢスコープ形成方法と変わるところがないので説明を省略する。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熟練を要しなくても、効率よく管体の超音波測定ができるような超音波探触子ホルダ、超音波探傷器、及び管体の超音波探傷方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例である超音波探触子ホルダの概要を示す正面図である。
【図２】本発明の実施の形態の１例である超音波探触子ホルダの概要を示す側面図である。
【図３】図１におけるＡ−Ａ端面図である。
【図４】図１におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図５】漏洩防止部材を特殊な形状とした例を示す図である。
【図６】探触子ホルダを用いて管体の外周面に形成された孔食の検出を行った場合の表示の例を示す図である。
【符号の説明】
１…超音波探触子ホルダ、２…保持部、２ａ…接触部、３…抱き爪部、３ａ…板バネ、４…探触子、５ａ、５ｂ…孔、６…漏洩防止部材、６ａ…凸部、７…ローラ保持部、８…ローラ、９軸、１０…給水孔、１１…排水孔、１２…光ファイバセンサ、１３…ロータリーエンコーダ本体部、１３ａ…軸、１３ｂ…Ｏリング、１３ｃ…リング、１３ｄ…円筒体、１４…孔、１５…蓋、Ｔ…管体

Claims (5)

1. 管体を超音波探傷するために用いられる超音波探触子ホルダであって、探触子を保持する保持部と、当該保持部の左右に設けられた抱き爪部とを有し、
   (1)前記保持部には、超音波探触子が、管体の長手方向に向かって斜角で入射するように取り付け可能とされ、
   (2)前記保持部のうち管体に接触する部分は、管体の外径と同じ曲率を有する曲面となっており、
   (3)取り付けられた超音波探触子の前面と前記保持部のうち管体に接触する部分の一部の間には、超音波が通過可能な穴部が形成され、
   (4)当該穴部には、当該穴部に水を充填し、局部水浸探傷を可能とするように水が供給されるようにされており、
   (5)前記抱き爪部は、前記保持部に固定された板バネ部材と、当該板バネ部材に固定されたローラとを有し、探傷時において、管体が前記保持部の曲面に接触したとき、前記ローラが管体の外面に接触し、板バネ部材の弾性力により、前記ローラが管体外面に押しつけられる構造とされている超音波探触子ホルダであって、前記保持部に、前記保持部を管体の円周方向に沿って摺動させたときその摺動量を検出するロータリーエンコーダが設けられ、当該ロータリーエンコーダは、前記保持部に設けられた回転軸に支持され、前記保持部の摺動に伴って回転し、円周部に凹凸が交互に刻まれた円筒部材と、当該円筒部材の外周に光を投受光する光ファイバーとを有することを特徴とする超音波探触子ホルダ。
2. 請求項１に記載の超音波探触子ホルダと、当該探触子ホルダに保持された超音波探触子と、当該超音波探触子を励振し、かつ当該超音波探触子からの信号を受信して処理する超音波探傷器本体とを有することを特徴とする超音波探傷器。
3. 請求項２に記載の超音波探傷装置であって、前記ロータリーエンコーダによって検出された前記探触子ホルダの管体円周方向位置をＸ軸とし、欠陥信号が検出されたとき、Ｘ軸上に欠陥信号の存在を表示する機能を有することを特徴とする超音波探傷器。
4. 請求項２又は請求項３に記載の超音波探傷器であって、前記ロータリーエンコーダによって検出された前記探触子ホルダの管体円周方向位置をＸ軸とし、欠陥信号が検出されたとき、超音波ビーム路程から検出される欠陥の深さ方向の位置を、Ｙ軸方向位置として表示する機能を有することを特徴とする超音波探傷器。
5. 請求項２から請求項４のうちいずれか１項に記載の超音波探傷器を用いて、管体の欠陥を検出することを特徴とする管体の超音波探傷方法。

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