JP3800133B2 - 溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法及び装置であり、溶接部に内在するきずを精度良く探傷できる超音波探傷方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
溶接鋼管などの溶接部には、溶接方法や条件により様々なきずが発生し、溶接部の品質低下の原因となる。このため、Ｘ線や超音波を用いた非破壊検査が行われている。Ｘ線は、ピンホールやスラグ巻き込みなどの点状きずを容易に検出することができ、検査実績も多いが、能率が低く、設備コストが高い、安全性などの問題がある。一方、超音波探傷は、割れきずや融合不良などの面状きずを検出するのに適した方法であり、検査能率、設備コスト、安全性の面からもＸ線検査より優れるため、両管端部の数１０ｍｍを除いて、溶接部全面の検査を担っている。
【０００３】
このため、「溶接鋼管の超音波探傷法」（鉄鋼協会品質管理部会（ＮＤＩ部門）編）（1999年 2月22日発行）の5.2 ＵＯＥ鋼管(pp.95〜100)に記載されているように、サブマージドアーク溶接（ＳＡＷ）鋼管では、超音波探傷を行った後、超音波できず有りと判定された部位および両管端部のみをＸ線検査している。この超音波探傷やＸ線検査にて有害きずが検出された場合には、溶接補修を行うか、切断することによりきず部を除去する。さらに、溶接補修した箇所が、補修後、Ｘ線検査あるいはさらに超音波探傷により再検査される。
【０００４】
このＳＡＷ鋼管の溶接部検査に用いられる超音波探傷装置は、鋼管の軸方向に伸びたきず（以下、縦方向きずという）と鋼管の周方向に伸びたきず（以下、横方向きず）の各々について内面きず、外面きず検出用の複数の探触子（送受信探触子）を配置し、溶接部に発生する様々なきずを見逃すことなく検出できるように工夫されている（図６参照) 。また、横方向きずの検出を強化するため、溶接線上を長手方向に向かって探傷する探触子を設置する場合もある。
【０００５】
また、オンライン超音波探傷する方法として、「溶接鋼管の超音波探傷法」（鉄鋼協会品質管理部会（ＮＤＩ部門）編）（1999年 2月22日発行）の4.5.2 (pp.74〜76) に記載されているように、サブマージドアーク溶接（ＳＡＷ）鋼管では、鋼管の溶接部を常時監視し、該鋼管溶接部の真上からのずれを検出して、上記探触子群を常に溶接部から所定の位置に配置できるようにしながら、鋼管を直線搬送しつつ探傷する方法が採られている。ここで、溶接位置の検出方法には、電磁誘導法や光学的方式が用いられている。
【０００６】
図７は、光学的方式による溶接部検知及び倣い方法を示したものであり、この方式は、溶接部の輝度の違いを利用するものである。具体的には、２個の投光器７０によって照射される光が２枚のミラー７１を介して溶接部２の両端をそれぞれ照らすようにし、照らされた部分をＩＴＶカメラ７２で覗き、ビデオモニター７３に映像を出す。カメラ７２のビジコンに映る溶接シーム映像の一定の幅を走査して、溶接部２の両端の光っている部分を２本の電圧パルスに変換する。この２本のパルスが走査の始端と次の始端のパルス中央に来るようにしてある正負の電圧をサーボ増幅器７４で増幅して直流サーボモータ７５を作動させ、探触子移動機構７６でシーム追従を行わせる。
【０００７】
また、溶接部検出器と超音波探触子群の位置関係は、「溶接鋼管の超音波探傷法」（鉄鋼協会品質管理部会（ＮＤＩ部門）編）（1999年 2月22日発行）の4.5.1 (pp.72〜73) の電縫鋼管シーム倣い装置の構成で示されるように、探触子ヘッドの上流側に溶接部検出器が設置されている（図８参照）。図８において、溶接鋼管１は図の矢印方向に移送されており、探触子ヘッド８０による探傷に先立ってＣＣＤカメラ等の溶接部検出器８１で溶接シーム２が検出される。
【０００８】
超音波探触子で送受信される超音波信号は、探傷周波数、振動子径などによって規定される指向角で拡がりながら材料中を伝搬する。一般的なＫフォーム配置における縦方向きず用の斜角探触子の場合を例示すると、図９(a) のようになる。ここで、鋼管溶接部の外面きずと内面きず狙いの２探触子では、溶接部中央部の超音波信号強度が弱くなり、きず検出能が低下する。この傾向は厚肉材ほど顕著になる。よって、特に厚肉材の時は、図９(b) に示すように、伝搬距離が長くなるに伴い超音波信号が拡散することを利用している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記に示した溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法では、以下の課題がある。
先ず第１に、溶接部の検出方法において、光学式方法では外乱光や材料表面光沢の違いの影響を受けるといった問題がある。さらに、近年では、溶接部の高さが低くなり、溶接部境界での光量が減少し、溶接部中心を正確に検知できない問題がある。
【００１０】
第２に、溶接部検出器は、超音波探触子群の手前に設置されている。これは、なるべく溶接鋼管先端より探傷するため、まず溶接部中心位置を検出し、追従してから探傷するためである。一方、超音波探触子群の配置において、溶接部直上より溶接部長手方向に超音波を送受信する超音波探触子は、溶接部検出器の直後に配置する必要がある。この理由は、他の超音波探触子に比べ、溶接部中心位置からずれた位置で超音波を送受信すると、図１０に示すように、探傷感度の劣化が著しいためである。
【００１１】
しかしながら、溶接部直上より溶接部長手方向に超音波を送受信する超音波探触子を上流側に配置すると、溶接部上及びその近傍に接触媒質である水が散乱した状態となり、溶接部長手方向に対して直角方向に超音波を送受信する超音波探触子や溶接部長手方向に対して所定の角度をもった方向に超音波を送受信する超音波探触子で外面きずを狙った超音波が、その残り水を誤検出してしまう問題がある。
【００１２】
第３に、複数個の超音波探触子を用いて探傷検査しているため、被検査管の寸法変更時の調整に時間がかかり、設備コストも増大する。
【００１３】
第４に、特に厚肉材の探傷において、図９(b) の方法を利用するが、超音波伝播距離に比例して単位面積あたりの超音波信号強度が低下するため、きずからの反射エコー強度も低下し、最悪の場合、きずエコーがノイズ信号に埋没する危険がある。
【００１４】
本発明は、前述のような課題を解決すべくなされたもので、その目的は、溶接鋼管溶接部の超音波探傷に際し、▲１▼ 鋼管外面側の水のり等による誤検出を低減することができ、▲２▼ 従来よりも少ない数の超音波探触子で有害きずを溶接部全断面にわたって精度良く確実に検出することができ、設備コストも低減できると共に、鋼管寸法が変更された時の調整時間も短縮することができ、▲３▼ 厚肉材であっても溶接部全断面のきずを精度良く確実に検出することができ、▲４▼ 溶接鋼管両端の不感帯部分を低減することができ、溶接部のほぼ全長にわたって水のり等による誤検出のない探傷が可能となり、▲５▼ 溶接部中心を正確に検知して超音波探触子群を追従させることができ、高精度な探傷が可能となる溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法及び装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１は、溶接鋼管の溶接部を複数の超音波探触子で構成された超音波探触子群により探傷する方法において、前記超音波探触子群は、溶接部の側方における溶接鋼管外面上に設置された超音波探触子と、溶接部の真上から溶接鋼管長手方向に超音波を送受信する超音波探触子とを有し、前記溶接部の側方における前記溶接鋼管外面上に設置された超音波探触子を、前記溶接部の真上から溶接鋼管長手方向に超音波を送受信する超音波探触子より、搬送される溶接鋼管の上流側に配置することを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００１６】
この請求項１は、溶接鋼管の外面側の水のり等を誤検出し易い溶接鋼管溶接部の外面側のきずを検出する超音波探触子を溶接部の真上から溶接鋼管長手方向に超音波を送受信する超音波探触子よりも先頭側（搬送される溶接鋼管の上流側）に配置するものである。この請求項１によれば、外面きず用の超音波探触子の先頭側における溶接部上やその近傍には接触媒質である水等が存在しないため、外面きずを狙った超音波が残り水等を誤検出することがない。
【００１７】
また、複数個の超音波探触子は、溶接鋼管長手方向の直角方向に超音波を送受信する超音波探触子あるいは溶接鋼管長手方向に対して所定の角度をもった方向に超音波を送受信する超音波探触子と、溶接部の真上から溶接鋼管長手方向に超音波を送受信する超音波探触子とを組合わせて構成される。
【００１８】
また、本発明は、例えば超音波探触子の図１に示す配置あるいは図６に示す一般的なＫフォーム配置やＸフォーム配置などにより、溶接鋼管の軸方向に伸びた縦方向きず、溶接鋼管の周方向に伸びた横方向きず、あるいはピンホール等の球状きず等を探傷する場合である。図１に示す配置の場合には、縦方向きず検出用の超音波探触子４を、溶接部直上から溶接部長手方向に超音波を送受信する横方向きず検出用の超音波探触子５よりも先頭側に配置し、超音波探触子４で外面きずを検出する際に超音波探触子５の接触媒質である水等を誤検出しないようにする。図６に示す一般的なＫフォーム配置やＸフォーム配置などの場合にも、外面きず用の超音波探触子を溶接部直上から溶接部長手方向に超音波を送受信する横方向きず検出用の超音波探触子５よりも先頭側に配置し、外面きず用の超音波探触子で外面きずを検出する際、横方向きず検出用の超音波探触子５の接触媒質である水等を誤検出しないようにする。
【００１９】
本発明の請求項２は、請求項１に記載の超音波探傷方法において、溶接鋼管長手方向の直角方向に超音波を送受信する超音波探触子は、複数の異なる屈折角で探傷し得る超音波探触子であることを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００２０】
この請求項２は、通常型の超音波探触子の他に、複数の異なる屈折角で探傷し得る屈折角可変の超音波探触子を用いる場合である。この屈折角可変の超音波探触子は、例えば、複数個の超音波振動子が凸曲面上に配列され、この超音波振動子群のうち、ある一定数の振動子群を同時に励起し、その振動子群で超音波ビームを送受信した後、この振動子群を所定の間隔で順次切り替えて走査することで、超音波ビームの入射角度を変えるように構成された配列型（振動子群）超音波探触子を用いることができる。また、これに限らず、例えば、超音波ビームの入射角度が異なる超音波振動子を通常のくさび上に複数個配列して構成することもできる。本発明では、通常型の超音波探触子のみを用いてもよいし、屈折角可変の超音波探触子のみを用いてもよいし、両者を組み合わせて用いてもよい。また、横方向きずの検出には、溶接部真上に配設した通常型の超音波探触子を用いる。
【００２１】
この請求項２によれば、例えば配列型超音波探触子は、図２に示すように、設定した所定数の選択超音波振動子を順次切り替えることで、超音波ビームの屈折角度θを変えることができるため、被検査材溶接部の内面、外面、中央位置の縦方向きずや横方向きず等を１つの超音波探触子で確実に検出することが可能となる。また、通常型の超音波探触子を溶接部真上に配設した場合、図３に示すように、溶接部の真上から超音波ビームを溶接部長手方向に送受信することにより、被検査材溶接部の内面、外面、中央位置の横方向きずを１つの超音波探触子で確実に検出することが可能となる。図６の配置では溶接部の両側に縦方向きず検出用と横方向きず検出用の超音波探触子を鋼管外面きず用と鋼管内面きず用に計８個必要となるのに対して、図１の例では縦方向きず検出用と横方向きず検出用の計４個の超音波探触子でよく、超音波探触子の数を少なくすることができ、設備コストを低減し、セッティング時間を短縮することができる。さらに、超音波探触子の数が少ないため、また、屈折角可変の超音波探触子の場合、任意の屈折角度の超音波ビームを容易に得ることができるため、鋼管寸法が変更されても極めて短時間に容易に対応することができる。
【００２２】
また、配列型超音波探触子に、略扇形くさびの凸曲面上に配列した超音波振動子群のうちのある一定数の振動子群を順次選択的に動作させる超音波探触子を用いることにより、任意の屈折角度の超音波ビームを容易に得ることができ、厚肉材であっても溶接部全断面のきずを精度良く確実に検出することができる。また、略扇形くさびを用いることで、超音波通過部の面積を小さくすることができ、探傷面の曲面形状による感度低下を小さくすることができ、また局部水浸ホルダ寸法を小さくすることができる。
【００２３】
本発明の請求項３は、請求項１または２に記載の超音波探傷方法において、各々の方向（溶接鋼管長手方向の直角方向、溶接鋼管長手方向に対して所定の角度をもった方向、あるいは溶接部の真上から溶接鋼管長手方向）に超音波を送受信する超音波探触子は、探傷箇所を跨いで両側から超音波を送受信するように配置することを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００２４】
この請求項３によれば、超音波探触子を溶接部を挟んで２個以上配置することにより、また、溶接部直上に２個以上配置することにより、溶接部全断面のきずをより確実に検出することができる。さらに、溶接部を挟んで直角方向の左右一対の超音波探触子を溶接部長手方向にずらして配設し、好ましくは該超音波探触子の寸法以上ずらして配設することにより、同時に超音波を送信しても干渉することがなく、１個当りの超音波の送信繰り返し速度を上げることができ、高速で搬送される溶接鋼管でも、溶接部全断面の縦方向きずを確実に検出することが可能となる。
【００２５】
本発明の請求項４は、請求項１、２または３に記載の超音波探傷方法において、溶接鋼管先端部が超音波探触子群を通過するまでは溶接鋼管を低速で搬送し、通過後は溶接鋼管を高速で搬送することを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００２６】
本発明の請求項５は、請求項１、２、３または４に記載の超音波探傷方法において、溶接鋼管後端部が超音波探触子群に入る直前までは溶接鋼管を高速で搬送し、その後は溶接鋼管を低速で搬送することを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００２７】
本発明の請求項４または５は、溶接鋼管先端部または後端部を例えば２つの材料検知センサを使用して判定し、溶接鋼管先端部または後端部においては溶接鋼管の搬送速度を低速（例えば１０ｍ／分以下）にして探傷を行う。この請求項５または６によれば、溶接鋼管の両端部分を低速で探傷するため、溶接鋼管両端の不感帯部分を低減することができ、溶接部のほぼ全長にわたって水のり等による誤検出のない探傷が可能となる。
【００２８】
本発明の請求項６は、請求項１、２、３、４または５に記載の超音波探傷方法において、溶接部にレーザ光を照射し、その照射した溶接部の位置の画像から溶接部中心位置を求め、その結果に基づき超音波探触子群を追従させることを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００２９】
この請求項６は、レーザ光を用いた光学手法で溶接部を照射し、溶接部照射位置近傍をカメラで撮影し、溶接部断面画像を表示し、溶接部中心を算出し、溶接部中心位置と探傷手段のずれ量に基づいて探傷手段を追従制御する。なお、溶接部中心を算出できなかった時には、検査員がその表示した画像を基に溶接部中心に倣うように探傷手段を追従させる。この請求項６によれば、レーザ光を用いた溶接部断面画像により溶接部中心を正確に検知して追従させることができるため、高精度な探傷が可能となる。
【００３０】
本発明の請求項７は、請求項１、２、３、４、５または６に記載の超音波探傷方法において、溶接鋼管先端部では超音波探触子群を高速で追従させ、溶接鋼管先端部以降では超音波探触子群を低速で追従させることを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００３１】
本発明の請求項８は、請求項１、２、３、４、５、６または７に記載の超音波探傷方法において、溶接鋼管先端部以降では超音波探触子群を低速で追従させ、溶接鋼管後端部では超音波探触子群を高速で追従させることを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００３２】
この請求項７または８は、溶接鋼管先端部または後端部を例えば２つの材料検知センサを使用して判定し、溶接鋼管先端部または後端部においては超音波探触子群を高速（例えば５ｍｍ／秒）で追従移動させる。この請求項７または８によれば、超音波探触子群を高速で追従移動させるため、溶接鋼管両端の不感帯部分を低減することができ、溶接部のほぼ全長にわたって水のり等による誤検出のない探傷が可能となる。
【００３３】
本発明の請求項９は、請求項１、２、３、４、５、６、７または８に記載の超音波探傷方法において、超音波探触子群の入側で溶接鋼管先端部の溶接部中心位置を検出し、超音波探触子群の中央で溶接鋼管先端部以降の溶接部中心位置を検出することを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００３４】
この請求項９は、レーザ光とカメラ等による溶接部検出器を超音波探触子群の入側と中央に配置し、入側の溶接部検出器により超音波探触子群の手前で溶接鋼管先端部の溶接部中心位置を算出して超音波探触子群を高速追従させ、中央の溶接部検出器により溶接鋼管先端部以降の溶接部中心位置を算出して超音波探触子群を低速追従させ、さらに溶接鋼管後端部の溶接部中心位置を算出して超音波探触子群を高速追従させる。なお、溶接部直上より溶接部長手方向に超音波を送受信する超音波探触子を用いる場合には、その手前に中央の溶接部検出器を配置する。また、これら２つの溶接部検出器を利用して溶接鋼管先端部と後端部の判定を行い、溶接鋼管先端部が超音波探触子群を通過するまでは低速で搬送し、通過後から溶接鋼管後端部が超音波探触子群に入る前まで高速搬送し、溶接鋼管後端部が超音波探触子群に入ったら再度低速で搬送する。
【００３５】
この請求項９によれば、溶接鋼管先端部または後端部を例えば２つの溶接部検出器を使用して判定し、溶接鋼管先端部または後端部においては溶接鋼管を低速で搬送し、かつ、超音波探触子群を高速で追従させることができ、溶接鋼管両端の不感帯部分を低減することができ、溶接部のほぼ全長にわたって水のり等による誤検出のない探傷が可能となる。さらに、溶接部直上より溶接部長手方向に超音波を送受信する超音波探触子を用いた場合には、その手前に配置された中央の溶接部検出器により追従制御が行われるため、図１０に示す探傷感度の劣化を防止することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する一実施形態に基づいて詳細に説明する。この実施形態は、ＵＯＥ鋼管などのストレートシーム大径溶接鋼管の溶接部の超音波探傷に本発明を適用した例である。図１は、本発明で使用する超音波探傷装置の装置構成の１例を示したものである。図２は、本発明で使用する縦方向きず検出用の超音波探触子の１例を示したものであり、図３は、本発明で使用する横方向きず検出用の超音波探触子の１例を示したものである。図４は、本発明で使用する溶接部検出器の１例を示したものである。
【００３９】
図１の実施形態において、溶接鋼管１が進入してくる方向を先頭にして、溶接鋼管先端部の溶接部検出器３Ａを配置し、次に縦方向きず（縦割れ）検出用の複数個の超音波振動子を併設させた配列型（振動子群）超音波探触子４を溶接鋼管溶接部２を跨いで２個配置し、次に溶接鋼管先端部以降の溶接部検出器３Ｂを配置し、最後に横方向きず（横割れ）検出用の通常型超音波探触子５を溶接部２の真上に２個配置する。
【００４０】
縦方向きず検出用の配列型超音波探触子４は、図１に示すように、溶接鋼管１の溶接部２の側方における鋼管外面上に設置され、溶接部２の長手方向の直角方向に超音波を送受信して溶接部２の縦方向きずを検出するものであり、図２に示すように、側面視で半円状等の略扇形のくさび１０と、この扇形くさび１０の円弧上面に配列された多数の超音波振動子１２からなる超音波振動子群１１とから構成され、各超音波振動子１２から超音波が発信され、扇形くさび１０を介して被検査材に超音波が入射され、反射波が受信される。超音波振動子１２は、溶接部長手方向に長い棒状の振動子であり、ニオブ酸鉛系磁器、チタン酸鉛系磁器、ニオブ酸リチウム系磁器等の圧電振動子が用いられる。扇形くさび１０は溶接部長手方向に長い略１／４円断面の円筒であり、アクリル樹脂、ポリスチロール樹脂等が用いられる。
【００４１】
このような配列型超音波探触子４において、ｎ個の超音波振動子群１１のうち、例えばある一定数（ｋ個）の超音波振動子群を同時に励振し、その振動子群で超音波を送受信した後、この振動子群を所定の間隔で順次切り替えて走査することで、指向性超音波ビームの屈折角度（入射角度）θを任意に変えることができる。これにより、被検査材の溶接部２の内面、外面、中央位置に発生する縦方向きず６を１つの探触子で検出することが可能となる。また、扇形くさび１０を用いることにより超音波通過部の面積を小さくすることができ、探傷面の曲面形状による感度低下が小さくなり、また局部水浸ホルダ寸法を小さくすることができる。
【００４２】
この配列型超音波探触子４は、図１に示すように、従来と同様に、溶接部２を挟んで左右一対で配設することにより、より確実な探傷を行えるようにしている。この場合、左右一対の配列型超音波探触子４Ａ，４Ｂは、溶接部２の長手方向に超音波振動子１２の寸法以上ずらして配置し、同時に超音波を送信しても干渉しないようにしている。
【００４３】
横方向きず検出用の通常型超音波探触子５は、図３に示すように、例えば略直方体形状のくさび２０と円形の超音波振動子２１からなる一般に使用されている探触子であり、超音波振動子２１から発信された超音波がくさび２０を介して被検査材に入射され、反射波が受信される。この通常型超音波探触子５も、配列型と同様に、超音波振動子２１には、ニオブ酸鉛系磁器、チタン酸鉛系磁器、ニオブ酸リチウム系磁器等の圧電振動子が用いられ、くさび２０には、アクリル樹脂、ポリスチロール樹脂等が用いられる。
【００４４】
このような通常型超音波探触子５を用いて溶接部２の直上から超音波を入射することにより、被検査材の溶接部２の内面、外面、中央位置に発生する横方向きず７を１つの探触子で検出することが可能となる。なお、この場合も、溶接部２の長手方向に２個対向設置し、より確実な探傷を行えるようにしている。
【００４５】
図１に示すように、縦方向きず検出用の配列型超音波探触子４の各超音波振動子１２には、パルサーレシーバー群３０の各パルサーレシーバ３１がぞれぞれ接続され、このパルサーレシーバー群３０に加算器３２、増幅器３３、きず評価器３４が順に接続されている。
【００４６】
図示しない屈折角度制御器により予め設定された所定数（ｋ個）の超音波振動子１２を１つのグループとする超音波振動子群を選択し、これらに対応するパルサーレシーバー３１により送信電圧を印加することで、扇形くさび１０を介して被検査材に超音波信号が送信される。
【００４７】
一方、きずエコー等の受信は次のような手順で行われる。それぞれの超音波振動子１２に受信された信号は、パルサーレシーバ群３０に入力された後、加算器３２で加算される。次に、増幅器３３で所定の増幅後、きず評価器３４において予め決めておいた閾値と比較することで、きずの有無を評価する。
【００４８】
図２に示すように、超音波信号形成に寄与する選択超音波振動子群（ｋ個）を所定間隔で順次切り替え走査することで、超音波信号を偏向させ、溶接部２の全断面が探傷可能となる。
【００４９】
横方向きず検出用の通常型超音波探触子５は、パルサーレシーバーと振動子により超音波を送受信し、図１に示すように、増幅器４１で所定の増幅後、きず評価器４２において予め決めておいた閾値と比較することで、きずの有無を評価する。
【００５０】
溶接部検出器３は、溶接部中心位置を検出するものであり、図４に示すように、レーザ光源５０とカメラ５１からなる。レーザ光源５０から溶接部中心線に沿って所定の角度で照射し、照射した位置をカメラ５１で撮影する。
【００５１】
図５(a) は、カメラ５１で撮影された溶接部の形状画像であり、この画像において、図５(b) に示すように、溶接鋼管１の外径、肉厚等毎に予め設定しておいた溶接部分のみを計測できる計測ウインドウ５２を自動的に付与し、ウインドウ５２内にある画像データにより溶接部中心位置を算出する。この方法は、処理するデータ数をできる限り少なくすることにより、溶接部中心位置を算出する１方法であり、撮影した画像から他の計測手法を用いて溶接部中心位置を算出して問題ないことは言うまでもない。
【００５２】
図１に示すように、このような溶接部検出器３Ａ、３Ｂには、それぞれ演算部５５が接続され、これら演算部５５に画像切換部５６・画像表示部５７および追従制御装置５８が接続されている。溶接鋼管１は、内面溶接・外面溶接等が終了すると、ローラ等により搬送されるが、この２つの溶接部検出器３Ａ、３Ｂで溶接鋼管先端部か先端部以降なのかを判定し、溶接部検出器３Ａ、３Ｂを適宜選択する。溶接鋼管先端部の場合は、先頭の溶接部検出器３Ａを使用し、先端部以降の場合は、中間の溶接部検出器３Ｂを使用し、算出された溶接部中心位置と超音波探傷手段のずれ量を算出し、その量を追従制御装置５８に送信する。
【００５３】
追従制御装置５８は超音波探傷手段の移動機構を制御し、超音波探傷手段を溶接部２の長手方向の直角方向に追従移動させるものであり、先頭の溶接部検出器３Ａで算出した場合、即ち溶接鋼管１の先端部では、超音波探傷手段を高速で追従移動させ、中間の溶接部検出器３Ｂで算出した場合、即ち溶接鋼管１の先端部以降では、低速で追従移動させる。さらに、溶接鋼管１の後端部では高速に戻して追従させる。具体的な追従速度は、例えば、高速追従が５ｍｍ／秒、低速追従が１ｍｍ／秒に設定される。
【００５４】
また、溶接鋼管１の搬送速度は、鋼管先端部が超音波探触子群（配列型超音波探触子４及び通常型超音波探触子５）を通過するまでは、例えば１０ｍ／分以下の低速とし、超音波探触子群を順次着管させ、探傷を開始する。鋼管先端部の通過後は、例えば１５ｍ／分程度の高速で搬送し、鋼管後端部が超音波探触子群を通過する直前に再度１０ｍ／分以下の低速で搬送し、超音波探触子群を順次離管させ、探傷を終了する。
【００５５】
なお、以上は、探触子から超音波を送受信する方向が、溶接鋼管長手方向に対して直角方向と、溶接部直上から溶接鋼管長手方向の場合を例示したが、溶接鋼管長手方向に対して所定の角度を持った方向でもよい（図６に示す一般的なＫフォーム配置やＸフォーム配置など）。また、これら３方向の超音波探触子は、配列型超音波探触子４でも、通常型超音波探触子５でもよい。屈折角可変の超音波探触子は、配列型超音波探触子に限らず、複数の異なる屈折角で探傷し得るものであればよい。なお、平面視における溶接線に対する入射角度は、どのような組み合わせでもよいが、４５〜９０°、好ましくは６０〜９０°が好ましい。
【００５６】
【実施例】
以下に示す超音波探触子（図２、図３）と超音波探傷装置（図１）を用いた。縦方向きず検出用の配列型超音波探触子は、アクリル樹脂製の扇形くさび（円筒の１／４、曲率５０ｍｍ×幅１５ｍｍ）の凸曲面上に超音波振動子（長さ１ｍｍ×幅１０ｍｍ）を３２個配設し、頂点側が第１ＣＨ、９０度側が第３２ＣＨである。各々の超音波振動子にパルサーレシーバー群が接続されている。屈折角度制御器により予め設定された所定数の振動子を１つのグループとする振動子群（１６個）を選択し、パルサー群により送信電圧を印加することで、扇形くさびを介して材料中に超音波ビームを送信する。横方向きず検出用の通常形超音波探触子は、直径１０ｍｍの超音波振動子を用いた。パルサーレシーバーより超音波ビームを送信し、所定の増幅後にきず評価器で予め決めておいた閾値と比較することで信号の有無を評価した。
【００５７】
上記の超音波探傷装置において配列型超音波探触子を先頭に配置して外面きずを溶接部真上の通常形超音波探触子よりも手前で探傷し、また、図３の溶接部検出器により溶接部中心位置を検出し、溶接鋼管の先端部および後端部において、超音波探触子群を５ｍｍ／秒で高速追従させ、かつ、溶接鋼管を１０ｍ／分以下の低速で搬送し、溶接鋼管の中間部において、超音波探触子群を１ｍｍ／秒で低速追従させ、かつ、溶接鋼管を１５ｍ／分程度の高速で搬送し、探傷を行ったところ、表１の結果が得られた。この表１から明らかなように、本発明は、従来方法に比べて、▲１▼ 外面きず検出に際し、残り水等がないため、誤検出率を大幅に低減でき、▲２▼ レーザ光による溶接部検出により、追従不良による再検率を０にすることができ、▲３▼ 配列型超音波探触子と溶接部真上の通常形超音波探触子の使用により設備コストを低減でき、▲４▼ 高速追従と低速搬送により、両管端不感帯を減少させることができた。
【００５８】
【表１】
【００５９】
なお、以上はストレートシーム大径溶接鋼管について説明したが、これに限らず、その他の溶接鋼管の溶接部の探傷にも本発明を適用できることはいうまでもない。
【００６０】
【発明の効果】
(1) 溶接鋼管の外面側の水のり等を誤検出し易い溶接鋼管溶接部の外面側のきずを検出する超音波探触子を溶接部の真上から溶接鋼管長手方向に超音波を送受信する超音波探触子よりも先頭側（搬送される溶接鋼管の上流側）に配置することにより、外面きず用の超音波探触子の先頭側における溶接部上やその近傍には接触媒質である水等が存在しないため、外面きずを狙った超音波が残り水等を誤検出することがなく、誤検出率を大幅に低減することができる。
【００６１】
(2) 配列型等の屈折角可変の超音波探触子を用いれば、溶接部の内面、外面、中央位置の縦方向きずや横方向きず等を１つの超音波探触子で確実に検出することができ、また、溶接部の真上に配置した通常型の超音波探触子を用いれば、溶接部の内面、外面、中央位置の横方向きずを１つの超音波探触子で確実に検出することができ、超音波探触子の数を従来よりも少なくすることができる。これにより、設備コストを削減することができ、またセッティング時間を短縮することができる。さらに、超音波探触子の数が少ないため、また、屈折角可変の超音波探触子では、任意の屈折角度の超音波ビームを容易に得ることができるため、鋼管寸法が変更されても極めて短時間に容易に対応することができ、探傷作業を迅速に行うことができる。
【００６２】
(3) 扇形くさびの凸曲面上に配列した超音波振動子群のうちのある一定数の振動子群を順次選択的に動作させる配列型超音波探触子を用いることにより、任意の屈折角度の超音波ビームを容易に得ることができ、厚肉材であっても溶接部全断面のきずを精度良く確実に検出することができる。
【００６３】
(4) 配列型超音波探触子に扇形くさびを用いることで、超音波通過部の面積を小さくすることができ、探傷面の曲面形状による感度低下を小さくすることができ、また局部水浸ホルダ寸法を小さくすることができる。
【００６４】
(5) 縦方向きず検出用の配列型超音波探触子および横方向きず検出用の超音波探触子を２個以上配置することにより、溶接部全断面のきずをより確実に検出することができる。
【００６５】
(6) 溶接部を挟んで直角方向の左右一対の超音波探触子を溶接部長手方向にずらして配設し、好ましくは該超音波探触子の寸法以上ずらして配設することにより、同時に超音波を送信しても干渉することがなく、１個当りの超音波の送信繰り返し速度を上げることができ、高速で搬送される溶接鋼管でも、溶接部全断面の縦方向きずを確実に検出することが可能となる。
【００６６】
(7) 超音波探触子から超音波を送受信する方向を、溶接鋼管長手方向に対して直角方向、溶接鋼管長手方向に対して所定の角度をもった方向、溶接部の真上における溶接鋼管長手方向に沿う方向のうちの少なくとも２方向とすることにより、縦方向きず、横方向きず、ピンホール等の球状きずの全てを誤検出すること無く確実に検出することができる。
【００６７】
(8) レーザ光を用いた溶接部断面画像により溶接部中心を正確に検知して追従させることができるため、高精度な探傷が可能となる。
【００６８】
(9) 溶接鋼管先端部または後端部を２つの溶接部検出器を使用して判定し、溶接鋼管先端部または後端部においては溶接鋼管を低速で搬送し、かつ、超音波探触子群を高速で追従させることにより、溶接鋼管両端の不感帯部分を低減することができ、溶接部のほぼ全長にわたって水のり等による誤検出のない探傷が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いる超音波探傷装置の超音波探触子の配置と装置構成の一例を示す平面図である。
【図２】本発明で用いる縦方向きず用の配列型超音波探触子を示す斜視図である。
【図３】本発明で用いる横方向きず用の通常型超音波探触子であり、(a) は平面図、(b) は鉛直断面図である。
【図４】本発明で用いる溶接部検出器の１例を示す斜視図である。
【図５】図４の溶接部検出器による検出結果の１例を示す図である。
【図６】一般的な探触子配置を示す平面図である。
【図７】従来の光学的方式による溶接部検知及び倣い方法を示したものであり、(a) は溶接部の断面図、(b) は溶接部の平面図、(c) は装置のブロック図である。
【図８】従来の溶接部検出器と超音波探触子群の配置を示す概略側面図である。
【図９】 (a) 縦方向きず検出用の探触子の配置とその超音波ビームの伝搬挙動を示す断面図、(b) はスキップを変えた縦方向きず検出用の探触子の配置とその超音波ビームの伝搬挙動を示す断面図である。
【図１０】溶接線真上より探傷する時の溶接部中心位置のずれによる探傷性能を示すグラフである。
【符号の説明】
１…溶接鋼管
２…溶接部
３…溶接部検出器
４…配列型（振動子群）超音波探触子
５…通常型超音波探触子
６…縦方向きず
７…横方向きず
１０…扇形くさび
１１…超音波振動子群
１２…超音波振動子
２０…くさび
２１…超音波振動子
３０…パルサーレシーバ群
３１…パルサーレシーバ
３２…加算器
３３…増幅器
３４…きず評価器
４１…増幅器
４２…きず評価器
５０…レーザ光源
５１…カメラ
５２…計測ウインドウ
５５…演算部
５６…画像切換部
５７…画像表示部
５８…追従制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法及び装置であり、溶接部に内在するきずを精度良く探傷できる超音波探傷方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
溶接鋼管などの溶接部には、溶接方法や条件により様々なきずが発生し、溶接部の品質低下の原因となる。このため、Ｘ線や超音波を用いた非破壊検査が行われている。Ｘ線は、ピンホールやスラグ巻き込みなどの点状きずを容易に検出することができ、検査実績も多いが、能率が低く、設備コストが高い、安全性などの問題がある。一方、超音波探傷は、割れきずや融合不良などの面状きずを検出するのに適した方法であり、検査能率、設備コスト、安全性の面からもＸ線検査より優れるため、両管端部の数１０ｍｍを除いて、溶接部全面の検査を担っている。
【０００３】
このため、「溶接鋼管の超音波探傷法」（鉄鋼協会品質管理部会（ＮＤＩ部門）編）（1999年 2月22日発行）の5.2 ＵＯＥ鋼管(pp.95〜100)に記載されているように、サブマージドアーク溶接（ＳＡＷ）鋼管では、超音波探傷を行った後、超音波できず有りと判定された部位および両管端部のみをＸ線検査している。この超音波探傷やＸ線検査にて有害きずが検出された場合には、溶接補修を行うか、切断することによりきず部を除去する。さらに、溶接補修した箇所が、補修後、Ｘ線検査あるいはさらに超音波探傷により再検査される。
【０００４】
このＳＡＷ鋼管の溶接部検査に用いられる超音波探傷装置は、鋼管の軸方向に伸びたきず（以下、縦方向きずという）と鋼管の周方向に伸びたきず（以下、横方向きず）の各々について内面きず、外面きず検出用の複数の探触子（送受信探触子）を配置し、溶接部に発生する様々なきずを見逃すことなく検出できるように工夫されている（図６参照) 。また、横方向きずの検出を強化するため、溶接線上を長手方向に向かって探傷する探触子を設置する場合もある。
【０００５】
また、オンライン超音波探傷する方法として、「溶接鋼管の超音波探傷法」（鉄鋼協会品質管理部会（ＮＤＩ部門）編）（1999年 2月22日発行）の4.5.2 (pp.74〜76) に記載されているように、サブマージドアーク溶接（ＳＡＷ）鋼管では、鋼管の溶接部を常時監視し、該鋼管溶接部の真上からのずれを検出して、上記探触子群を常に溶接部から所定の位置に配置できるようにしながら、鋼管を直線搬送しつつ探傷する方法が採られている。ここで、溶接位置の検出方法には、電磁誘導法や光学的方式が用いられている。
【０００６】
図７は、光学的方式による溶接部検知及び倣い方法を示したものであり、この方式は、溶接部の輝度の違いを利用するものである。具体的には、２個の投光器７０によって照射される光が２枚のミラー７１を介して溶接部２の両端をそれぞれ照らすようにし、照らされた部分をＩＴＶカメラ７２で覗き、ビデオモニター７３に映像を出す。カメラ７２のビジコンに映る溶接シーム映像の一定の幅を走査して、溶接部２の両端の光っている部分を２本の電圧パルスに変換する。この２本のパルスが走査の始端と次の始端のパルス中央に来るようにしてある正負の電圧をサーボ増幅器７４で増幅して直流サーボモータ７５を作動させ、探触子移動機構７６でシーム追従を行わせる。
【０００７】
また、溶接部検出器と超音波探触子群の位置関係は、「溶接鋼管の超音波探傷法」（鉄鋼協会品質管理部会（ＮＤＩ部門）編）（1999年 2月22日発行）の4.5.1 (pp.72〜73) の電縫鋼管シーム倣い装置の構成で示されるように、探触子ヘッドの上流側に溶接部検出器が設置されている（図８参照）。図８において、溶接鋼管１は図の矢印方向に移送されており、探触子ヘッド８０による探傷に先立ってＣＣＤカメラ等の溶接部検出器８１で溶接シーム２が検出される。
【０００８】
超音波探触子で送受信される超音波信号は、探傷周波数、振動子径などによって規定される指向角で拡がりながら材料中を伝搬する。一般的なＫフォーム配置における縦方向きず用の斜角探触子の場合を例示すると、図９(a) のようになる。ここで、鋼管溶接部の外面きずと内面きず狙いの２探触子では、溶接部中央部の超音波信号強度が弱くなり、きず検出能が低下する。この傾向は厚肉材ほど顕著になる。よって、特に厚肉材の時は、図９(b) に示すように、伝搬距離が長くなるに伴い超音波信号が拡散することを利用している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記に示した溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法では、以下の課題がある。
先ず第１に、溶接部の検出方法において、光学式方法では外乱光や材料表面光沢の違いの影響を受けるといった問題がある。さらに、近年では、溶接部の高さが低くなり、溶接部境界での光量が減少し、溶接部中心を正確に検知できない問題がある。
【００１０】
第２に、溶接部検出器は、超音波探触子群の手前に設置されている。これは、なるべく溶接鋼管先端より探傷するため、まず溶接部中心位置を検出し、追従してから探傷するためである。一方、超音波探触子群の配置において、溶接部直上より溶接部長手方向に超音波を送受信する超音波探触子は、溶接部検出器の直後に配置する必要がある。この理由は、他の超音波探触子に比べ、溶接部中心位置からずれた位置で超音波を送受信すると、図１０に示すように、探傷感度の劣化が著しいためである。
【００１１】
しかしながら、溶接部直上より溶接部長手方向に超音波を送受信する超音波探触子を上流側に配置すると、溶接部上及びその近傍に接触媒質である水が散乱した状態となり、溶接部長手方向に対して直角方向に超音波を送受信する超音波探触子や溶接部長手方向に対して所定の角度をもった方向に超音波を送受信する超音波探触子で外面きずを狙った超音波が、その残り水を誤検出してしまう問題がある。
【００１２】
第３に、複数個の超音波探触子を用いて探傷検査しているため、被検査管の寸法変更時の調整に時間がかかり、設備コストも増大する。
【００１３】
第４に、特に厚肉材の探傷において、図９(b) の方法を利用するが、超音波伝播距離に比例して単位面積あたりの超音波信号強度が低下するため、きずからの反射エコー強度も低下し、最悪の場合、きずエコーがノイズ信号に埋没する危険がある。
【００１４】
本発明は、前述のような課題を解決すべくなされたもので、その目的は、溶接鋼管溶接部の超音波探傷に際し、▲１▼ 鋼管外面側の水のり等による誤検出を低減することができ、▲２▼ 従来よりも少ない数の超音波探触子で有害きずを溶接部全断面にわたって精度良く確実に検出することができ、設備コストも低減できると共に、鋼管寸法が変更された時の調整時間も短縮することができ、▲３▼ 厚肉材であっても溶接部全断面のきずを精度良く確実に検出することができ、▲４▼ 溶接鋼管両端の不感帯部分を低減することができ、溶接部のほぼ全長にわたって水のり等による誤検出のない探傷が可能となり、▲５▼ 溶接部中心を正確に検知して超音波探触子群を追従させることができ、高精度な探傷が可能となる溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法及び装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１は、溶接鋼管の溶接部を複数の超音波探触子で構成された超音波探触子群により探傷する方法において、前記超音波探触子群は、溶接部の側方における溶接鋼管外面上に設置された超音波探触子と、溶接部の真上から溶接鋼管長手方向に超音波を送受信する超音波探触子とを有し、前記溶接部の側方における前記溶接鋼管外面上に設置された超音波探触子を、前記溶接部の真上から溶接鋼管長手方向に超音波を送受信する超音波探触子より、搬送される溶接鋼管の上流側に配置することを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００１６】
この請求項１は、溶接鋼管の外面側の水のり等を誤検出し易い溶接鋼管溶接部の外面側のきずを検出する超音波探触子を溶接部の真上から溶接鋼管長手方向に超音波を送受信する超音波探触子よりも先頭側（搬送される溶接鋼管の上流側）に配置するものである。この請求項１によれば、外面きず用の超音波探触子の先頭側における溶接部上やその近傍には接触媒質である水等が存在しないため、外面きずを狙った超音波が残り水等を誤検出することがない。
【００１７】
また、複数個の超音波探触子は、溶接鋼管長手方向の直角方向に超音波を送受信する超音波探触子あるいは溶接鋼管長手方向に対して所定の角度をもった方向に超音波を送受信する超音波探触子と、溶接部の真上から溶接鋼管長手方向に超音波を送受信する超音波探触子とを組合わせて構成される。
【００１８】
また、本発明は、例えば超音波探触子の図１に示す配置あるいは図６に示す一般的なＫフォーム配置やＸフォーム配置などにより、溶接鋼管の軸方向に伸びた縦方向きず、溶接鋼管の周方向に伸びた横方向きず、あるいはピンホール等の球状きず等を探傷する場合である。図１に示す配置の場合には、縦方向きず検出用の超音波探触子４を、溶接部直上から溶接部長手方向に超音波を送受信する横方向きず検出用の超音波探触子５よりも先頭側に配置し、超音波探触子４で外面きずを検出する際に超音波探触子５の接触媒質である水等を誤検出しないようにする。図６に示す一般的なＫフォーム配置やＸフォーム配置などの場合にも、外面きず用の超音波探触子を溶接部直上から溶接部長手方向に超音波を送受信する横方向きず検出用の超音波探触子５よりも先頭側に配置し、外面きず用の超音波探触子で外面きずを検出する際、横方向きず検出用の超音波探触子５の接触媒質である水等を誤検出しないようにする。
【００１９】
本発明の請求項２は、請求項１に記載の超音波探傷方法において、溶接鋼管長手方向の直角方向に超音波を送受信する超音波探触子は、複数の異なる屈折角で探傷し得る超音波探触子であることを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００２０】
この請求項２は、通常型の超音波探触子の他に、複数の異なる屈折角で探傷し得る屈折角可変の超音波探触子を用いる場合である。この屈折角可変の超音波探触子は、例えば、複数個の超音波振動子が凸曲面上に配列され、この超音波振動子群のうち、ある一定数の振動子群を同時に励起し、その振動子群で超音波ビームを送受信した後、この振動子群を所定の間隔で順次切り替えて走査することで、超音波ビームの入射角度を変えるように構成された配列型（振動子群）超音波探触子を用いることができる。また、これに限らず、例えば、超音波ビームの入射角度が異なる超音波振動子を通常のくさび上に複数個配列して構成することもできる。本発明では、通常型の超音波探触子のみを用いてもよいし、屈折角可変の超音波探触子のみを用いてもよいし、両者を組み合わせて用いてもよい。また、横方向きずの検出には、溶接部真上に配設した通常型の超音波探触子を用いる。
【００２１】
この請求項２によれば、例えば配列型超音波探触子は、図２に示すように、設定した所定数の選択超音波振動子を順次切り替えることで、超音波ビームの屈折角度θを変えることができるため、被検査材溶接部の内面、外面、中央位置の縦方向きずや横方向きず等を１つの超音波探触子で確実に検出することが可能となる。また、通常型の超音波探触子を溶接部真上に配設した場合、図３に示すように、溶接部の真上から超音波ビームを溶接部長手方向に送受信することにより、被検査材溶接部の内面、外面、中央位置の横方向きずを１つの超音波探触子で確実に検出することが可能となる。図６の配置では溶接部の両側に縦方向きず検出用と横方向きず検出用の超音波探触子を鋼管外面きず用と鋼管内面きず用に計８個必要となるのに対して、図１の例では縦方向きず検出用と横方向きず検出用の計４個の超音波探触子でよく、超音波探触子の数を少なくすることができ、設備コストを低減し、セッティング時間を短縮することができる。さらに、超音波探触子の数が少ないため、また、屈折角可変の超音波探触子の場合、任意の屈折角度の超音波ビームを容易に得ることができるため、鋼管寸法が変更されても極めて短時間に容易に対応することができる。
【００２２】
また、配列型超音波探触子に、略扇形くさびの凸曲面上に配列した超音波振動子群のうちのある一定数の振動子群を順次選択的に動作させる超音波探触子を用いることにより、任意の屈折角度の超音波ビームを容易に得ることができ、厚肉材であっても溶接部全断面のきずを精度良く確実に検出することができる。また、略扇形くさびを用いることで、超音波通過部の面積を小さくすることができ、探傷面の曲面形状による感度低下を小さくすることができ、また局部水浸ホルダ寸法を小さくすることができる。
【００２３】
本発明の請求項３は、請求項１または２に記載の超音波探傷方法において、各々の方向（溶接鋼管長手方向の直角方向、溶接鋼管長手方向に対して所定の角度をもった方向、あるいは溶接部の真上から溶接鋼管長手方向）に超音波を送受信する超音波探触子は、探傷箇所を跨いで両側から超音波を送受信するように配置することを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００２４】
この請求項３によれば、超音波探触子を溶接部を挟んで２個以上配置することにより、また、溶接部直上に２個以上配置することにより、溶接部全断面のきずをより確実に検出することができる。さらに、溶接部を挟んで直角方向の左右一対の超音波探触子を溶接部長手方向にずらして配設し、好ましくは該超音波探触子の寸法以上ずらして配設することにより、同時に超音波を送信しても干渉することがなく、１個当りの超音波の送信繰り返し速度を上げることができ、高速で搬送される溶接鋼管でも、溶接部全断面の縦方向きずを確実に検出することが可能となる。
【００２５】
本発明の請求項４は、請求項１、２または３に記載の超音波探傷方法において、溶接鋼管先端部が超音波探触子群を通過するまでは溶接鋼管を低速で搬送し、通過後は溶接鋼管を高速で搬送することを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００２６】
本発明の請求項５は、請求項１、２、３または４に記載の超音波探傷方法において、溶接鋼管後端部が超音波探触子群に入る直前までは溶接鋼管を高速で搬送し、その後は溶接鋼管を低速で搬送することを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００２７】
本発明の請求項４または５は、溶接鋼管先端部または後端部を例えば２つの材料検知センサを使用して判定し、溶接鋼管先端部または後端部においては溶接鋼管の搬送速度を低速（例えば１０ｍ／分以下）にして探傷を行う。この請求項５または６によれば、溶接鋼管の両端部分を低速で探傷するため、溶接鋼管両端の不感帯部分を低減することができ、溶接部のほぼ全長にわたって水のり等による誤検出のない探傷が可能となる。
【００２８】
本発明の請求項６は、請求項１、２、３、４または５に記載の超音波探傷方法において、溶接部にレーザ光を照射し、その照射した溶接部の位置の画像から溶接部中心位置を求め、その結果に基づき超音波探触子群を追従させることを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００２９】
この請求項６は、レーザ光を用いた光学手法で溶接部を照射し、溶接部照射位置近傍をカメラで撮影し、溶接部断面画像を表示し、溶接部中心を算出し、溶接部中心位置と探傷手段のずれ量に基づいて探傷手段を追従制御する。なお、溶接部中心を算出できなかった時には、検査員がその表示した画像を基に溶接部中心に倣うように探傷手段を追従させる。この請求項６によれば、レーザ光を用いた溶接部断面画像により溶接部中心を正確に検知して追従させることができるため、高精度な探傷が可能となる。
【００３０】
本発明の請求項７は、請求項１、２、３、４、５または６に記載の超音波探傷方法において、溶接鋼管先端部では超音波探触子群を高速で追従させ、溶接鋼管先端部以降では超音波探触子群を低速で追従させることを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００３１】
本発明の請求項８は、請求項１、２、３、４、５、６または７に記載の超音波探傷方法において、溶接鋼管先端部以降では超音波探触子群を低速で追従させ、溶接鋼管後端部では超音波探触子群を高速で追従させることを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００３２】
この請求項７または８は、溶接鋼管先端部または後端部を例えば２つの材料検知センサを使用して判定し、溶接鋼管先端部または後端部においては超音波探触子群を高速（例えば５ｍｍ／秒）で追従移動させる。この請求項７または８によれば、超音波探触子群を高速で追従移動させるため、溶接鋼管両端の不感帯部分を低減することができ、溶接部のほぼ全長にわたって水のり等による誤検出のない探傷が可能となる。
【００３３】
本発明の請求項９は、請求項１、２、３、４、５、６、７または８に記載の超音波探傷方法において、超音波探触子群の入側で溶接鋼管先端部の溶接部中心位置を検出し、超音波探触子群の中央で溶接鋼管先端部以降の溶接部中心位置を検出することを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法である。
【００３４】
この請求項９は、レーザ光とカメラ等による溶接部検出器を超音波探触子群の入側と中央に配置し、入側の溶接部検出器により超音波探触子群の手前で溶接鋼管先端部の溶接部中心位置を算出して超音波探触子群を高速追従させ、中央の溶接部検出器により溶接鋼管先端部以降の溶接部中心位置を算出して超音波探触子群を低速追従させ、さらに溶接鋼管後端部の溶接部中心位置を算出して超音波探触子群を高速追従させる。なお、溶接部直上より溶接部長手方向に超音波を送受信する超音波探触子を用いる場合には、その手前に中央の溶接部検出器を配置する。また、これら２つの溶接部検出器を利用して溶接鋼管先端部と後端部の判定を行い、溶接鋼管先端部が超音波探触子群を通過するまでは低速で搬送し、通過後から溶接鋼管後端部が超音波探触子群に入る前まで高速搬送し、溶接鋼管後端部が超音波探触子群に入ったら再度低速で搬送する。
【００３５】
この請求項９によれば、溶接鋼管先端部または後端部を例えば２つの溶接部検出器を使用して判定し、溶接鋼管先端部または後端部においては溶接鋼管を低速で搬送し、かつ、超音波探触子群を高速で追従させることができ、溶接鋼管両端の不感帯部分を低減することができ、溶接部のほぼ全長にわたって水のり等による誤検出のない探傷が可能となる。さらに、溶接部直上より溶接部長手方向に超音波を送受信する超音波探触子を用いた場合には、その手前に配置された中央の溶接部検出器により追従制御が行われるため、図１０に示す探傷感度の劣化を防止することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する一実施形態に基づいて詳細に説明する。この実施形態は、ＵＯＥ鋼管などのストレートシーム大径溶接鋼管の溶接部の超音波探傷に本発明を適用した例である。図１は、本発明で使用する超音波探傷装置の装置構成の１例を示したものである。図２は、本発明で使用する縦方向きず検出用の超音波探触子の１例を示したものであり、図３は、本発明で使用する横方向きず検出用の超音波探触子の１例を示したものである。図４は、本発明で使用する溶接部検出器の１例を示したものである。
【００３９】
図１の実施形態において、溶接鋼管１が進入してくる方向を先頭にして、溶接鋼管先端部の溶接部検出器３Ａを配置し、次に縦方向きず（縦割れ）検出用の複数個の超音波振動子を併設させた配列型（振動子群）超音波探触子４を溶接鋼管溶接部２を跨いで２個配置し、次に溶接鋼管先端部以降の溶接部検出器３Ｂを配置し、最後に横方向きず（横割れ）検出用の通常型超音波探触子５を溶接部２の真上に２個配置する。
【００４０】
縦方向きず検出用の配列型超音波探触子４は、図１に示すように、溶接鋼管１の溶接部２の側方における鋼管外面上に設置され、溶接部２の長手方向の直角方向に超音波を送受信して溶接部２の縦方向きずを検出するものであり、図２に示すように、側面視で半円状等の略扇形のくさび１０と、この扇形くさび１０の円弧上面に配列された多数の超音波振動子１２からなる超音波振動子群１１とから構成され、各超音波振動子１２から超音波が発信され、扇形くさび１０を介して被検査材に超音波が入射され、反射波が受信される。超音波振動子１２は、溶接部長手方向に長い棒状の振動子であり、ニオブ酸鉛系磁器、チタン酸鉛系磁器、ニオブ酸リチウム系磁器等の圧電振動子が用いられる。扇形くさび１０は溶接部長手方向に長い略１／４円断面の円筒であり、アクリル樹脂、ポリスチロール樹脂等が用いられる。
【００４１】
このような配列型超音波探触子４において、ｎ個の超音波振動子群１１のうち、例えばある一定数（ｋ個）の超音波振動子群を同時に励振し、その振動子群で超音波を送受信した後、この振動子群を所定の間隔で順次切り替えて走査することで、指向性超音波ビームの屈折角度（入射角度）θを任意に変えることができる。これにより、被検査材の溶接部２の内面、外面、中央位置に発生する縦方向きず６を１つの探触子で検出することが可能となる。また、扇形くさび１０を用いることにより超音波通過部の面積を小さくすることができ、探傷面の曲面形状による感度低下が小さくなり、また局部水浸ホルダ寸法を小さくすることができる。
【００４２】
この配列型超音波探触子４は、図１に示すように、従来と同様に、溶接部２を挟んで左右一対で配設することにより、より確実な探傷を行えるようにしている。この場合、左右一対の配列型超音波探触子４Ａ，４Ｂは、溶接部２の長手方向に超音波振動子１２の寸法以上ずらして配置し、同時に超音波を送信しても干渉しないようにしている。
【００４３】
横方向きず検出用の通常型超音波探触子５は、図３に示すように、例えば略直方体形状のくさび２０と円形の超音波振動子２１からなる一般に使用されている探触子であり、超音波振動子２１から発信された超音波がくさび２０を介して被検査材に入射され、反射波が受信される。この通常型超音波探触子５も、配列型と同様に、超音波振動子２１には、ニオブ酸鉛系磁器、チタン酸鉛系磁器、ニオブ酸リチウム系磁器等の圧電振動子が用いられ、くさび２０には、アクリル樹脂、ポリスチロール樹脂等が用いられる。
【００４４】
このような通常型超音波探触子５を用いて溶接部２の直上から超音波を入射することにより、被検査材の溶接部２の内面、外面、中央位置に発生する横方向きず７を１つの探触子で検出することが可能となる。なお、この場合も、溶接部２の長手方向に２個対向設置し、より確実な探傷を行えるようにしている。
【００４５】
図１に示すように、縦方向きず検出用の配列型超音波探触子４の各超音波振動子１２には、パルサーレシーバー群３０の各パルサーレシーバ３１がぞれぞれ接続され、このパルサーレシーバー群３０に加算器３２、増幅器３３、きず評価器３４が順に接続されている。
【００４６】
図示しない屈折角度制御器により予め設定された所定数（ｋ個）の超音波振動子１２を１つのグループとする超音波振動子群を選択し、これらに対応するパルサーレシーバー３１により送信電圧を印加することで、扇形くさび１０を介して被検査材に超音波信号が送信される。
【００４７】
一方、きずエコー等の受信は次のような手順で行われる。それぞれの超音波振動子１２に受信された信号は、パルサーレシーバ群３０に入力された後、加算器３２で加算される。次に、増幅器３３で所定の増幅後、きず評価器３４において予め決めておいた閾値と比較することで、きずの有無を評価する。
【００４８】
図２に示すように、超音波信号形成に寄与する選択超音波振動子群（ｋ個）を所定間隔で順次切り替え走査することで、超音波信号を偏向させ、溶接部２の全断面が探傷可能となる。
【００４９】
横方向きず検出用の通常型超音波探触子５は、パルサーレシーバーと振動子により超音波を送受信し、図１に示すように、増幅器４１で所定の増幅後、きず評価器４２において予め決めておいた閾値と比較することで、きずの有無を評価する。
【００５０】
溶接部検出器３は、溶接部中心位置を検出するものであり、図４に示すように、レーザ光源５０とカメラ５１からなる。レーザ光源５０から溶接部中心線に沿って所定の角度で照射し、照射した位置をカメラ５１で撮影する。
【００５１】
図５(a) は、カメラ５１で撮影された溶接部の形状画像であり、この画像において、図５(b) に示すように、溶接鋼管１の外径、肉厚等毎に予め設定しておいた溶接部分のみを計測できる計測ウインドウ５２を自動的に付与し、ウインドウ５２内にある画像データにより溶接部中心位置を算出する。この方法は、処理するデータ数をできる限り少なくすることにより、溶接部中心位置を算出する１方法であり、撮影した画像から他の計測手法を用いて溶接部中心位置を算出して問題ないことは言うまでもない。
【００５２】
図１に示すように、このような溶接部検出器３Ａ、３Ｂには、それぞれ演算部５５が接続され、これら演算部５５に画像切換部５６・画像表示部５７および追従制御装置５８が接続されている。溶接鋼管１は、内面溶接・外面溶接等が終了すると、ローラ等により搬送されるが、この２つの溶接部検出器３Ａ、３Ｂで溶接鋼管先端部か先端部以降なのかを判定し、溶接部検出器３Ａ、３Ｂを適宜選択する。溶接鋼管先端部の場合は、先頭の溶接部検出器３Ａを使用し、先端部以降の場合は、中間の溶接部検出器３Ｂを使用し、算出された溶接部中心位置と超音波探傷手段のずれ量を算出し、その量を追従制御装置５８に送信する。
【００５３】
追従制御装置５８は超音波探傷手段の移動機構を制御し、超音波探傷手段を溶接部２の長手方向の直角方向に追従移動させるものであり、先頭の溶接部検出器３Ａで算出した場合、即ち溶接鋼管１の先端部では、超音波探傷手段を高速で追従移動させ、中間の溶接部検出器３Ｂで算出した場合、即ち溶接鋼管１の先端部以降では、低速で追従移動させる。さらに、溶接鋼管１の後端部では高速に戻して追従させる。具体的な追従速度は、例えば、高速追従が５ｍｍ／秒、低速追従が１ｍｍ／秒に設定される。
【００５４】
また、溶接鋼管１の搬送速度は、鋼管先端部が超音波探触子群（配列型超音波探触子４及び通常型超音波探触子５）を通過するまでは、例えば１０ｍ／分以下の低速とし、超音波探触子群を順次着管させ、探傷を開始する。鋼管先端部の通過後は、例えば１５ｍ／分程度の高速で搬送し、鋼管後端部が超音波探触子群を通過する直前に再度１０ｍ／分以下の低速で搬送し、超音波探触子群を順次離管させ、探傷を終了する。
【００５５】
なお、以上は、探触子から超音波を送受信する方向が、溶接鋼管長手方向に対して直角方向と、溶接部直上から溶接鋼管長手方向の場合を例示したが、溶接鋼管長手方向に対して所定の角度を持った方向でもよい（図６に示す一般的なＫフォーム配置やＸフォーム配置など）。また、これら３方向の超音波探触子は、配列型超音波探触子４でも、通常型超音波探触子５でもよい。屈折角可変の超音波探触子は、配列型超音波探触子に限らず、複数の異なる屈折角で探傷し得るものであればよい。なお、平面視における溶接線に対する入射角度は、どのような組み合わせでもよいが、４５〜９０°、好ましくは６０〜９０°が好ましい。
【００５６】
【実施例】
以下に示す超音波探触子（図２、図３）と超音波探傷装置（図１）を用いた。縦方向きず検出用の配列型超音波探触子は、アクリル樹脂製の扇形くさび（円筒の１／４、曲率５０ｍｍ×幅１５ｍｍ）の凸曲面上に超音波振動子（長さ１ｍｍ×幅１０ｍｍ）を３２個配設し、頂点側が第１ＣＨ、９０度側が第３２ＣＨである。各々の超音波振動子にパルサーレシーバー群が接続されている。屈折角度制御器により予め設定された所定数の振動子を１つのグループとする振動子群（１６個）を選択し、パルサー群により送信電圧を印加することで、扇形くさびを介して材料中に超音波ビームを送信する。横方向きず検出用の通常形超音波探触子は、直径１０ｍｍの超音波振動子を用いた。パルサーレシーバーより超音波ビームを送信し、所定の増幅後にきず評価器で予め決めておいた閾値と比較することで信号の有無を評価した。
【００５７】
上記の超音波探傷装置において配列型超音波探触子を先頭に配置して外面きずを溶接部真上の通常形超音波探触子よりも手前で探傷し、また、図３の溶接部検出器により溶接部中心位置を検出し、溶接鋼管の先端部および後端部において、超音波探触子群を５ｍｍ／秒で高速追従させ、かつ、溶接鋼管を１０ｍ／分以下の低速で搬送し、溶接鋼管の中間部において、超音波探触子群を１ｍｍ／秒で低速追従させ、かつ、溶接鋼管を１５ｍ／分程度の高速で搬送し、探傷を行ったところ、表１の結果が得られた。この表１から明らかなように、本発明は、従来方法に比べて、▲１▼ 外面きず検出に際し、残り水等がないため、誤検出率を大幅に低減でき、▲２▼ レーザ光による溶接部検出により、追従不良による再検率を０にすることができ、▲３▼ 配列型超音波探触子と溶接部真上の通常形超音波探触子の使用により設備コストを低減でき、▲４▼ 高速追従と低速搬送により、両管端不感帯を減少させることができた。
【００５８】
【表１】
なお、以上はストレートシーム大径溶接鋼管について説明したが、これに限らず、その他の溶接鋼管の溶接部の探傷にも本発明を適用できることはいうまでもない。
【００６０】
【発明の効果】
(1) 溶接鋼管の外面側の水のり等を誤検出し易い溶接鋼管溶接部の外面側のきずを検出する超音波探触子を溶接部の真上から溶接鋼管長手方向に超音波を送受信する超音波探触子よりも先頭側（搬送される溶接鋼管の上流側）に配置することにより、外面きず用の超音波探触子の先頭側における溶接部上やその近傍には接触媒質である水等が存在しないため、外面きずを狙った超音波が残り水等を誤検出することがなく、誤検出率を大幅に低減することができる。
【００６１】
(2) 配列型等の屈折角可変の超音波探触子を用いれば、溶接部の内面、外面、中央位置の縦方向きずや横方向きず等を１つの超音波探触子で確実に検出することができ、また、溶接部の真上に配置した通常型の超音波探触子を用いれば、溶接部の内面、外面、中央位置の横方向きずを１つの超音波探触子で確実に検出することができ、超音波探触子の数を従来よりも少なくすることができる。これにより、設備コストを削減することができ、またセッティング時間を短縮することができる。さらに、超音波探触子の数が少ないため、また、屈折角可変の超音波探触子では、任意の屈折角度の超音波ビームを容易に得ることができるため、鋼管寸法が変更されても極めて短時間に容易に対応することができ、探傷作業を迅速に行うことができる。
【００６２】
(3) 扇形くさびの凸曲面上に配列した超音波振動子群のうちのある一定数の振動子群を順次選択的に動作させる配列型超音波探触子を用いることにより、任意の屈折角度の超音波ビームを容易に得ることができ、厚肉材であっても溶接部全断面のきずを精度良く確実に検出することができる。
【００６３】
(4) 配列型超音波探触子に扇形くさびを用いることで、超音波通過部の面積を小さくすることができ、探傷面の曲面形状による感度低下を小さくすることができ、また局部水浸ホルダ寸法を小さくすることができる。
【００６４】
(5) 縦方向きず検出用の配列型超音波探触子および横方向きず検出用の超音波探触子を２個以上配置することにより、溶接部全断面のきずをより確実に検出することができる。
【００６５】
(6) 溶接部を挟んで直角方向の左右一対の超音波探触子を溶接部長手方向にずらして配設し、好ましくは該超音波探触子の寸法以上ずらして配設することにより、同時に超音波を送信しても干渉することがなく、１個当りの超音波の送信繰り返し速度を上げることができ、高速で搬送される溶接鋼管でも、溶接部全断面の縦方向きずを確実に検出することが可能となる。
【００６６】
(7) 超音波探触子から超音波を送受信する方向を、溶接鋼管長手方向に対して直角方向、溶接鋼管長手方向に対して所定の角度をもった方向、溶接部の真上における溶接鋼管長手方向に沿う方向のうちの少なくとも２方向とすることにより、縦方向きず、横方向きず、ピンホール等の球状きずの全てを誤検出すること無く確実に検出することができる。
【００６７】
(8) レーザ光を用いた溶接部断面画像により溶接部中心を正確に検知して追従させることができるため、高精度な探傷が可能となる。
【００６８】
(9) 溶接鋼管先端部または後端部を２つの溶接部検出器を使用して判定し、溶接鋼管先端部または後端部においては溶接鋼管を低速で搬送し、かつ、超音波探触子群を高速で追従させることにより、溶接鋼管両端の不感帯部分を低減することができ、溶接部のほぼ全長にわたって水のり等による誤検出のない探傷が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いる超音波探傷装置の超音波探触子の配置と装置構成の一例を示す平面図である。
【図２】本発明で用いる縦方向きず用の配列型超音波探触子を示す斜視図である。
【図３】本発明で用いる横方向きず用の通常型超音波探触子であり、(a) は平面図、(b) は鉛直断面図である。
【図４】本発明で用いる溶接部検出器の１例を示す斜視図である。
【図５】図４の溶接部検出器による検出結果の１例を示す図である。
【図６】一般的な探触子配置を示す平面図である。
【図７】従来の光学的方式による溶接部検知及び倣い方法を示したものであり、(a) は溶接部の断面図、(b) は溶接部の平面図、(c) は装置のブロック図である。
【図８】従来の溶接部検出器と超音波探触子群の配置を示す概略側面図である。
【図９】 (a) 縦方向きず検出用の探触子の配置とその超音波ビームの伝搬挙動を示す断面図、(b) はスキップを変えた縦方向きず検出用の探触子の配置とその超音波ビームの伝搬挙動を示す断面図である。
【図１０】溶接線真上より探傷する時の溶接部中心位置のずれによる探傷性能を示すグラフである。
【符号の説明】
１…溶接鋼管
２…溶接部
３…溶接部検出器
４…配列型（振動子群）超音波探触子
５…通常型超音波探触子
６…縦方向きず
７…横方向きず
１０…扇形くさび
１１…超音波振動子群
１２…超音波振動子
２０…くさび
２１…超音波振動子
３０…パルサーレシーバ群
３１…パルサーレシーバ
３２…加算器
３３…増幅器
３４…きず評価器
４１…増幅器
４２…きず評価器
５０…レーザ光源
５１…カメラ
５２…計測ウインドウ
５５…演算部
５６…画像切換部
５７…画像表示部
５８…追従制御装置
Claims (9)
- 溶接鋼管の溶接部を複数の超音波探触子で構成された超音波探触子群により探傷する方法において、
前記超音波探触子群は、溶接部の側方における溶接鋼管外面上に設置された超音波探触子と、溶接部の真上から溶接鋼管長手方向に超音波を送受信する超音波探触子とを有し、前記溶接部の側方における前記溶接鋼管外面上に設置された超音波探触子を、前記溶接部の真上から溶接鋼管長手方向に超音波を送受信する超音波探触子より、搬送される溶接鋼管の上流側に配置することを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法。 - 請求項１に記載の超音波探傷方法において、溶接鋼管長手方向の直角方向に超音波を送受信する超音波探触子は複数の異なる屈折角で探傷し得る超音波探触子であることを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法。
- 請求項１または２に記載の超音波探傷方法において、各々の方向に超音波を送受信する超音波探触子は探傷箇所を跨いで両側から超音波を送受信するように配置することを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法。
- 請求項１、２または３に記載の超音波探傷方法において、溶接鋼管先端部が超音波探触子群を通過するまでは溶接鋼管を低速で搬送し、通過後は溶接鋼管を高速で搬送することを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法。
- 請求項１、２、３または４に記載の超音波探傷方法において、溶接鋼管後端部が超音波探触子群に入る直前までは溶接鋼管を高速で搬送し、その後は溶接鋼管を低速で搬送することを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法。
- 請求項１、２、３、４または５に記載の超音波探傷方法において、溶接部にレーザ光を照射し、その照射した溶接部の位置の画像から溶接部中心位置を求め、その結果に基づき超音波探触子群を追従させることを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法。
- 請求項１、２、３、４、５または６に記載の超音波探傷方法において、溶接鋼管先端部では超音波探触子群を高速で追従させ、溶接鋼管先端部以降では超音波探触子群を低速で追従させることを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法。
- 請求項１、２、３、４、５、６または７に記載の超音波探傷方法において、溶接鋼管先端部以降では超音波探触子群を低速で追従させ、溶接鋼管後端部では超音波探触子群を高速で追従させることを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法。
- 請求項１、２、３、４、５、６、７または８に記載の超音波探傷方法において、超音波探触子群の入側で溶接鋼管先端部の溶接部中心位置を検出し、超音波探触子群の中央で溶接鋼管先端部以降の溶接部中心位置を検出することを特徴とする溶接鋼管溶接部の超音波探傷方法。
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