JP4144699B2

JP4144699B2 - 探触子及びこれを用いた材料評価試験方法

Info

Publication number: JP4144699B2
Application number: JP2003032664A
Authority: JP
Inventors: 泰和横野; 芳浩長野; 美年四辻
Original assignee: 出光エンジニアリング株式会社
Priority date: 2003-02-10
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2023-02-10
Also published as: JP2004245598A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波による材料評価試験に用いる探触子及びその材料評価試験方法に関する。さらに詳しくは、石油・石油化学プラント、火力発電プラント等で用いる機器及び装置類のように、高温又は高圧環境で使用される機器類の劣化・損傷評価に適し、例えば、精油所の加熱炉管、発電所におけるボイラの蒸気管等の劣化・損傷評価に用いることの可能な探触子およびその評価試験方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、石油化学プラントや火力発電プラント等で用いられる加熱炉管は、外表面に対して直接バーナー等で加熱するため、配管火陥側にはボイドやフィッシャ等のクリープ損傷が生じやすく、係る劣化・損傷を評価する必要がある。
【０００３】
従来、このような材料の劣化・損傷を評価する手法として、後述の特許文献１にみられるように漏洩弾性波（ＬＡＳＷ）を用いて評価する方法が知られている（漏洩弾性波法）。同方法によれば、図１（ａ）に示すように、超音波の浸透深さが１波長程度であるため、評価の対象となるのは試験体の極表層部に限られ、１波長より深い部分のデータを取得することができなかった。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１３１２９７号公報
【０００５】
一方、図１（ｂ）に示す一振動子型垂直探触子を用いて、ボイド等の劣化・損傷部で後方散乱された超音波を捉えることで材料の劣化・損傷を評価する方法が知られている。同方法によれば、試験体深部の劣化・損傷等は把握することができる。しかし、探触子を試験体に直接接触させた場合（直接接触法）には送信パルスを、探触子と試験体の間に水を介在させた場合（水浸法）には試験体表面で反射する表面反射波を受信してしまうために、これらの信号と試験体表面近傍で後方散乱された信号とが交錯し、両者を識別することが困難であった。
【０００６】
このように、漏洩弾性波法と後方散乱波法を併用して材料評価試験を行った場合であっても、試験体表面近傍における深さ数ｍｍ部分が不感帯となっていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来の実状に鑑みて、本発明の目的は、表面反射波等の影響を受けずに試験体の劣化・損傷等を評価することが可能な探触子及びこれを用いた材料評価試験方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明にかかる探触子の特徴構成は、試験体に超音波を送信すると共に試験体からの後方散乱波を受信することにより試験体の評価を行うためのものであって、各々が遅延材を有する送信子及び受信子を設け、これら遅延材の前記試験体側対向面と前記試験体表面との間に接触媒質を介在させるためのリング状の弾性部材からなる保持体を設け、前記試験体の対象深さからの後方散乱波の波形と、前記試験体表面で反射した表面反射波の波形及び前記試験体表面並びに前記遅延材の前記試験体側対向面の間で発生する多重反射波の波形とが識別可能となるように前記保持体厚みを設定したことにある。
【０００９】
同特徴構成によれば、接触媒質が超音波の送受信精度を向上させる。そして、保持体により接触媒質の厚みを常時一定の微少厚さに維持することができるので、微少な後方散乱波を検出することができる。また、この接触媒質の微少厚さを維持する機構を設け、送信子及び受信子を別体としたことにより、試験体内で発生する後方散乱波と試験体表面で反射した表面反射波及び多重反射波の受信子への到達時刻を異ならせることができる。
【００１０】
さらに、保持体としてリング状の弾性部材を用いることにより、試験体表面における凹凸形状等の表面粗さに対しても適度な弾性変形により、送受信子の姿勢を一定に維持することができる。また、試験体表面に傷を生じさせることもない。
【００１２】
上記特徴構成において、前記接触媒質の厚みが１ｍｍ以上であることが望ましい。
【００１４】
本発明にかかる材料評価試験方法の特徴は、上記いずれかの特徴構成を有する探触子を用いて試験体に超音波を送信すると共に試験体からの後方散乱波を受信することにより試験体の評価を行うことにある。
【００１５】
【発明の効果】
上記本発明の特徴によれば、試験体に起因する後方散乱波と、試験体表面で反射した表面反射波及び多重反射波との交錯を防止し、試験体表面近傍における深さ数ｍｍ位置での劣化・損傷等を正確に評価することが可能となった。
【００１６】
なお、本発明のその他の目的、構成、作用、効果については、以下に示す「発明の実施の形態」の項で明らかになるであろう。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜５を参照しながら、本発明の実施形態についてさらに詳細に説明する。本発明は、試験体１００の表面１０１近傍における深さＨ＝数ｍｍ程度の位置（以下、「対象深さＨ」という。）に発生する結晶粒界や水素侵食によるボイド等のクリープ損傷の評価に適している。本実施形態では、試験体１００として厚さ数ｍｍの平板状鋼板を用いる。
【００１８】
図２は評価装置１の概略を示す論理ブロック図である。この評価装置１は、送信子３から試験体１００に対して超音波パルスを発生させるパルサー３１と、受信子４からの受信波を受信するレシーバー３２とを有する。このレシーバー３２からの音響信号は、アンプ３３により増幅され、フィルター３４で低周波及び高周波ノイズが除去された後、Ａ／Ｄコンバーター３５でＡ／Ｄ変換されてデジタル信号化される。そして、パーソナルコンピュータ３６内のＲＡＭやハードディスクなどのメモリーに記憶される。パーソナルコンピューター３６はパルサー３１に対して送信を指示する指示手段と、Ａ／Ｄコンバータ３５からのデータを解析する解析手段を含む。パーソナルコンピュータ３６における処理結果は、図６，７，８に示す如きものであり、表示器３７により表示され、プリンター３８により用紙に出力することもできる。
【００１９】
送受信子２は、大略、ハウジング１０に送信子３及び受信子４を収納し、この送受信子２の試験体側対向面１４の周縁に保持体１５を設けてなる。ハウジング１０内では、音響隔離面１３により送信子３と受信子４は音響的に隔離してある。
【００２０】
送信子３及び受信子４は、アクリル樹脂の遅延材１１，１２と、これらの上面にそれぞれ貼り付けた振動子１１ａ，１２ａとを備えている。また、この遅延材１１、１２の試験体側対向面１４はハウジングで覆わずに露出させてある。
【００２１】
本明細書において、「表面反射波」とは、送信子３から送信され試験体表面１０１で反射した後、直ちに受信子４に至る反射波のことを、「多重反射波」とは、送信子３から送信され試験体表面１０１で反射した後、遅延材１１，１２の下面１４及び試験体表面１０１での反射を繰り返した反射波のことをいう。
【００２２】
これらの送信子３及び受信子４は図３に示すように、送信子中心軸Ｘと受信子中心軸Ｙの交点Ｐが特定深さｈに位置するように振動子１１ａ、１２ａをそれぞれ試験体表面１０１に対してそれぞれ傾斜させて上述の対象深さＨの範囲内に照準を合わせてある。本実施形態では、送信子３、受信子４は互いに試験体表面１０１の法線面に対して面対称となるように配置してある。なお、本発明は、後方散乱波を捉える点で、底面エコーを捉える垂直探傷とは異なっている。
【００２３】
送受信子２における遅延材１１，１２の下面１４周縁に沿ってシリコンゴム等の弾性部材よりなるリング状の保持体１５を設けてある。この保持体１５により、送受信子２と試験体表面１０１との間に下向き凹部１７が形成され、この凹部１７に接触媒質Ｗを充填させる。この保持体１５により送受信子２と試験体表面１０１との距離を一定に保つことができる。また、この保持体１５を弾性部材としたことにより、試験体表面１０１における凹凸等の表面粗さに対しても、適当な弾性変形により保持体１５と試験体表面１０１は密着した状態となる。なお、保持体１５は弾性体であるため、保持体１５の厚さと接触媒質Ｗの厚さとは試験体表面１０１接触時のものとして扱うとよい。
【００２４】
接触媒質Ｗとしては、例えば、グリセリン、水、マシン油などを用いる。これらの接触媒質Ｗは超音波の伝達効率を低下させることなく、試験体１００に超音波を伝播させることができると共に、微少な後方散乱波Ｓ３を受信することができる。
【００２５】
送信子３から送信された超音波はこの接触媒質Ｗを介して試験体１００内に入射することとなるが、図４に示すように、一部は試験体１００の表面１０１と遅延材１１，１２の下面１４との間で多重反射を繰り返すこととなる。この多重反射波Ｓ２及び直達波（クロストーク）が受信子４に到達することを防ぐため、図５（ｂ）に示すように、接触媒質Ｗを送信子３側と受信子４側とで二分するよう面状の音響隔離体１６を設ける。本実施形態では、この音響隔離体１６をハウジング１０内の音響隔離面１３直下に直線的に配置してある。なお、音響隔離体１６は音響隔離面１３の一部を下方に延長させて構成してもよい。
【００２６】
図３、４に示すように、接触媒質Ｗとして水を用いた場合、鋼材中での縦波音速は接触媒質内の音速の約４倍であることが知られており、接触媒質中の１ｍｍが鋼材中における４ｍｍの移動速度に相当する。よって、鋼板表面から４ｍｍ深さ近傍を評価しようとすると、接触媒質の厚さを１ｍｍ以上、望ましくは１．５ｍｍ以上とすることで、後方散乱波Ｓ３と表面反射波Ｓ１及び多重反射波Ｓ２の受信子４到達時刻を異ならせ、これらの信号が互いに交錯することを防止できる。係る原理により、接触媒質Ｗの厚みＤ及び音響隔離体１６と相まって、上述の不感帯の評価を精度良く行うことができる。
【００２７】
【実施例】
本実施例では、試験体１００として、肉厚１０ｍｍの炭素鋼板を用いて評価試験を行った。送受信子２として、周波数１０ＭＨｚのものを使用した。また、接触媒質Ｗの厚さＤは、表面反射波Ｓ１の立ち上がり時間が８μｓとなるように調整した。受信子４で得られた受信信号は、５ＭＨｚのハイパスフィルターにてフィルタリングを行い、１００ＭＨｚサンプリングのデジタル信号として記憶させて波形解析を行った。また、保持体としてゴム製のＯリング１５を用いると共に、凹部１７に充填する接触媒質Ｗとしてグリセリンを用いた。
【００２８】
本評価試験では、凹部１７内に音響隔離体１６を設けない場合と設けた場合の２通りの試験を行った。図６、図７は、各々の試験で得られた受信波形のグラフであり、縦軸は出力信号の振幅を、横軸は時間を示す。図６は、図５（ａ）に示す音響遮蔽体１６を設けなかった場合の受信波形であって、（ａ）はゲインを０ｄＢとした場合、（ｂ）はゲインを６ｄＢにした場合のグラフである。同グラフに示すように、表面反射波群Ｓ１と多重反射波群Ｓ２の間に後方散乱波群Ｓ３が観測され、これらの波が互いに交錯することなく識別可能であることが確かめられた。
【００２９】
一方、図７は、図５（ｂ）に示す音響遮蔽体１６を設けた場合の受信波形を示すグラフであって、（ａ）はゲインを０ｄＢとした場合、（ｂ）はゲインを６ｄＢにした場合、（ｃ）はゲインを１２ｄＢにした場合のグラフである。同グラフでは、多重反射波Ｓ２は観測されず、表面反射波群Ｓ１と後方散乱波群Ｓ３も互いに交錯することなく識別可能であることが確かめられた。また、図６に示す音響隔離体１６を設けなかった場合の振幅分布に比べ、表面反射波Ｓ１の振幅が大幅に減衰していることがわかる。
【００３０】
最後に、本発明のその他の実施形態の可能性について言及する。なお、以下の各実施形態を適宜組み合わせて実施することもできる。
上述の評価試験に加え、図１（ｂ）に示す一振動子型探触子を用いた評価試験及び図１（ａ）に示す漏洩弾性波法を用いた評価試験を適宜併用することで、板厚方向の劣化・損傷分布を評価することができる。発明者らの実験によれば、表面下０．８ｍｍまでは漏洩弾性波法で、表面下１．５〜４ｍｍまでを本発明に係る探触子２を用いた方法で、表面下４ｍｍよりも深部は一振動子型探触子を用いた水浸法で各々評価することにより、板厚方向の劣化・損傷分布を評価することができた。
【００３１】
上記実施形態では、後方散乱波振幅の時系列データから試験体１００の劣化・損傷を評価したが、これに加え、図示しないタイマーと連携して各時間ゲート毎にサンプリングされた信号からＦＦＴ手段等を用いて周波数スペクトラムを求めることで試験体１００を評価することもできる（スペクトロスコピー法）。散乱により高周波成分は減衰することから、試験体における劣化・損傷の度合いが強い程、後方散乱波のスペクトラム分布は低周波側にシフトすると共に、低周波側のスペクトラム強度が増加する。図８（ｂ）は、健全な試験体と、内部にクリープ損傷を有する試験体とで、後方散乱波のスペクトラム強度の周波数分布を比較したものである。クリープ損傷を有する試験体のスペクトラム分布は、健全な試験体と比べ、低周波側にシフトし、低周波側ではスペクトラム強度が増加していることがわかる。
【００３２】
上記実施形態では、試験体表面１０１に送受信子２を配置して評価試験を行ったが、図示しないモーターコントローラーにより送受信体２を試験体表面に沿ってスキャンさせるようにしてもよい。また、試験体１００として平板状鋼板に限らず、例えば、配管のように曲面である試験体表面に本発明に係る探触子を配置し、材料評価試験を行うこともできる。その際、モーターコントローラにより探触子を移動させることで、管周方向及び管軸方向に渡って試験体表面近傍の劣化・損傷分布を評価することができる。そして、各点で得られたデータを図８（ｃ）に示すように上述の表示器３７等を用いて色調表示させる。同図は、管軸方向及び管周方向にそれぞれ５０ｍｍの範囲を１ｍｍピッチで走査したものであり、各走査位置における後方散乱波振幅及び周波数スペクトラムの低周波成分（５〜８ＭＨｚ）の部分積分値Ｂ１を色調表示したものである。
【００３３】
上述の実施例等では、試験体１００として鋼材を用いた。しかし、試験体１００は鋼材に限られず、保持体１５の厚みＤも試験体１００及び保持体１５の音響インピーダンスとの相対的関係で求められる。
【００３４】
なお、特許請求の範囲の項に記入した符号は、あくまでも図面との対照を便利にするためのものにすぎず、この記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明と従来技術を比較した図であって、（ａ）は漏洩弾性波（ＬＳＡＷ）法による場合、（ｂ）は一振動子型探触子を用いて後方散乱波を捉える場合、（ｃ）は本発明に係る探触子を用いて後方散乱波を捉える場合を示す。
【図２】本発明に係る探触子を用いた評価装置の論理ブロック図である。
【図３】送信側中心軸及び受信側中心軸を含む断面での送受信子と試験体との関係を示す断面図である。
【図４】表面反射波及び多重反射波の軌跡を及びその受信波形を模式的に示す図である。
【図５】送信子、受信子、保持体及び音響隔離体の関係を示す図であって、（ａ）は保持体を備える場合の送受信子の断面図及びそのＡ−Ａ断面図を、（ｂ）は保持体と音響隔離体を備える場合の送受信子の断面図及びそのＡ−Ａ断面図を示す。
【図６】音響隔離体が介在しない場合の受信波形であり、（ａ）はゲインを０ｄＢ、（ｂ）は６ｄＢとした場合に相当する。
【図７】音響隔離体を介在させた場合の図６相当図であり、（ａ）はゲインを０ｄＢ、（ｂ）は６ｄＢ、（ｃ）は１２ｄＢにした場合に相当する。
【図８】本発明に係る探触子を用いて得られたデータであって、（ａ）は振幅の時系列分布を、（ｂ）はスペクトラム強度の周波数分布を、（ｃ）スキャンの色調表示を示す。
【符号の説明】
１：評価装置、２：送受信子、３：送信子、４：受信子、１０：ハウジング、１１，１２：音響遅延材、１１ａ：送信側振動子、１２ａ：受信側振動子、１３：音響隔離面、１４：下面（試験体側対向面）、１５：保持体、１６：音響隔離体、１７：凹部、３１：パルサー、３２：レシーバー、３３：アンプ、３４：フィルター、３５：Ａ／Ｄコンバーター、３６：パーソナルコンピュータ、３７：表示器、３８：プリンター、１００：試験体、１０１：試験体表面、Ｐ：交点、Ｓ１：表面反射波、Ｓ２：多重反射波、Ｓ３：後方散乱波、Ｗ：接触媒質、Ｘ：送信子中心軸、Ｙ：受信子中心軸

Claims

試験体に超音波を送信すると共に試験体からの後方散乱波を受信することにより試験体の評価を行うための探触子であって、
各々が遅延材を有する送信子及び受信子を設け、これら遅延材の前記試験体側対向面と前記試験体表面との間に接触媒質を介在させるためのリング状の弾性部材からなる保持体を設け、前記試験体の対象深さからの後方散乱波の波形と、前記試験体表面で反射した表面反射波の波形及び前記試験体表面並びに前記遅延材の前記試験体側対向面の間で発生する多重反射波の波形とが識別可能となるように前記保持体厚みを設定した探触子。
前記接触媒質の厚みが１ｍｍ以上である請求項１に記載の探触子。
請求項１又は２に記載の探触子を用いて試験体に超音波を送信すると共に試験体からの後方散乱波を受信することにより試験体の評価を行う材料評価試験方法。