JP4371364B2 - Automatic ultrasonic flaw detector and automatic ultrasonic flaw detection method for thick structure - Google Patents

Automatic ultrasonic flaw detector and automatic ultrasonic flaw detection method for thick structure Download PDF

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Description

本発明は厚肉構造物の自動超音波探傷装置および自動超音波探傷方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、従来プローブを用いて厚肉構造物中に生じたき裂欠陥をTOFD法とフェーズドアレイ法の両方を適用して計測するという自動化技術の改良に関する。   The present invention relates to an automatic ultrasonic inspection device and an automatic ultrasonic inspection method for a thick-walled structure. More specifically, the present invention relates to an improvement in an automated technique of measuring crack defects generated in a thick structure using a conventional probe by applying both the TOFD method and the phased array method.

既設火力発電設備の老朽化は年々進み、欧米では、経年火力発電所の高温蒸気配管において、既存の非破壊検査では検出が困難な溶接熱影響部(Heat Affected Zone、HAZ)のクリープ損傷による内在欠陥を起因とする噴破事故を経験している。我が国においても、このような高温蒸気配管といった厚肉構造物に内在する欠陥に対しての強い懸念がある。   The aging of existing thermal power generation facilities has progressed year by year, and in Europe and the United States, there is inherent heat damage in heat-affected zones (HAZ) that are difficult to detect by existing non-destructive inspection in high-temperature steam piping of aged thermal power plants. Experienced blast accidents caused by defects. In Japan, there is a strong concern for defects inherent in such thick-walled structures such as high-temperature steam piping.

このような高温蒸気配管の溶接熱影響部をはじめ、スラグ巻き込みや溶け込み不良などに起因して厚肉構造物材料とくに当該厚肉構造物の溶接部に生ずるき裂等の内在欠陥(本明細書ではこのようなき裂等の内在欠陥を「き裂欠陥」あるいは単に「き裂」と称する)を探傷するための非破壊検査として、超音波探傷試験が実施されており、HAZの内在き裂欠陥の早期発見を目的としてTOFD(Time of flight Diffraction)法やフェーズドアレイ法(PA法)などの適用研究が進められている。   In addition to the weld heat affected zone of such high-temperature steam pipes, there are inherent defects such as cracks that occur in the welded parts of thick-walled structure materials, particularly welded parts of this thick-walled structure due to slag entrainment and poor penetration (this specification Then, as a non-destructive inspection for detecting such an internal defect such as a crack as a “crack defect” or simply “a crack”), an ultrasonic flaw detection test has been carried out. Application research such as TOFD (Time of flight Diffraction) method and phased array method (PA method) has been promoted for the purpose of early detection.

TOFD法は、送信用と受信用の2つのプローブ(探触子)の間で超音波を発し、探傷体である厚肉構造物材料中におけるき裂欠陥の位置を同定するというものである。ここでいうき裂欠陥の「位置」とは、前後左右方向の位置と材料の厚さ方向の位置(あるいは高さ)との両方を含んだ三次元的位置のことを意味している。例えば、図14に示す2つのプローブ(探触子)101,102のうちの一方(送信用プローブ101)から、探傷対象である配管等の材料103に対して探傷用超音波を送信し、当該材料103の表面を伝うラテラル波LW、き裂104の上端104aおよび下端104bでの回折波、そして材料103の底面の反射波BWを他方のプローブ(受信側プローブ102)で受信し、受信波の位相差からき裂104の高さや位置を同定する(図15参照)。ちなみに、き裂104の上端104aや下端104bといった欠陥の先端での回折波は端部エコーとも呼ばれ、このような端部エコーの伝搬時間差を利用してき裂104の高さを測定する手法は「端部エコー法」とも呼ばれる。そして、上述のようなTOFD法によれば当該き裂104の高さや位置を高い精度で同定することが可能である。また、このTOFD法には、プローブ101,102を溶接線105と平行に長手方向へと直線的に移動させるいわゆるラインスキャン(Dスキャンともいう)を行うだけで、き裂104の高さ等を同定できるという特徴もある(図16、図17参照)。   In the TOFD method, ultrasonic waves are emitted between two probes for transmission and reception (probes), and the position of a crack defect in a thick structure material that is a flaw detector is identified. Here, the “position” of the crack defect means a three-dimensional position including both the position in the front-rear and left-right directions and the position (or height) in the thickness direction of the material. For example, flaw detection ultrasonic waves are transmitted from one of the two probes (probes) 101 and 102 shown in FIG. 14 (transmission probe 101) to the material 103 such as a pipe to be flaw detected, The lateral wave LW propagating on the surface of the material 103, the diffracted wave at the upper end 104a and the lower end 104b of the crack 104, and the reflected wave BW on the bottom surface of the material 103 are received by the other probe (receiving probe 102). The height and position of the crack 104 are identified from the phase difference (see FIG. 15). Incidentally, the diffracted wave at the tip of the defect such as the upper end 104a and the lower end 104b of the crack 104 is also called an end echo. Also called “end echo method”. Then, according to the TOFD method as described above, the height and position of the crack 104 can be identified with high accuracy. In addition, in this TOFD method, the height of the crack 104 and the like can be adjusted only by performing a so-called line scan (also referred to as a D scan) in which the probes 101 and 102 are linearly moved in the longitudinal direction in parallel with the weld line 105. There is also a feature that it can be identified (see FIGS. 16 and 17).

一方、フェーズドアレイ法(PA法)は、複数のパルスレシーバー201と圧電素子(ピエゾ素子)202とを1対1に配置し(図19参照)、パルス電圧のタイミングをずらすことによって超音波ビームの方向を変化させ、焦点深度を変えて探傷することが可能となっている(図20、図21参照)。以前には、ケーブル203を通じ、単一のパルスレシーバー201により単一の圧電素子202を震わせて超音波を生じさせていたが(図18参照)、これだと自由に向きを変えることが難しかったので、複数のパルスレシーバー201と圧電素子202の一つひとつを分離することにより、プローブの向きを変えなくても超音波の向きを変える探傷技術が提案されている。このようなフェーズドアレイ法によれば、わざわざプローブの向きを変えるまでもなく、圧電素子202に対する電圧印加のタイミングをずらすことによって超音波の向きを変えることができる(図20、図21参照)。また、フェーズドアレイ法の場合、上述のような構成のプローブを溶接線と平行に一度だけ動かせば3次元情報が得られるという利点もある。   On the other hand, in the phased array method (PA method), a plurality of pulse receivers 201 and piezoelectric elements (piezo elements) 202 are arranged on a one-to-one basis (see FIG. 19), and the timing of the pulse voltage is shifted to shift the ultrasonic beam. It is possible to detect flaws by changing the direction and changing the depth of focus (see FIGS. 20 and 21). Previously, a single pulse receiver 201 vibrated a single piezoelectric element 202 through a cable 203 to generate ultrasonic waves (see FIG. 18), but this made it difficult to change the direction freely. Therefore, a flaw detection technique has been proposed that separates each of the plurality of pulse receivers 201 and the piezoelectric elements 202 to change the direction of the ultrasonic waves without changing the direction of the probe. According to such a phased array method, the direction of the ultrasonic wave can be changed by shifting the timing of voltage application to the piezoelectric element 202 without needing to change the direction of the probe (see FIGS. 20 and 21). In the case of the phased array method, there is also an advantage that three-dimensional information can be obtained by moving the probe having the above-described configuration only once in parallel with the weld line.

さらには、上述したTOFD法とフェーズドアレイ法とを組み合わせて探傷するという複合的な探傷技術も提案されている(例えば特許文献1参照)。   Furthermore, a composite flaw detection technique in which flaw detection is performed by combining the above-described TOFD method and phased array method has also been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特開2001−50938号公報JP 2001-50938 A

しかしながら、TOFD法の場合には、き裂104の高さや位置を高い精度で同定することができる反面、当該き裂104が溶接線105に対してどの辺りにあるのかを完全に同定することが難しいという問題がある。例えば、配管等において溶接線105と母材(溶接線以外の材料部分)との間に割り入ってくるようなき裂104が生じることがあるが(例えば図16参照)、特にこれが古い配管等である場合においては、溶接欠陥などと呼ばれる元々存在する傷と、経年に伴い途中で生じた致命的になりかねないき裂104との区別がつかない場合があり、このような場合には精度の高い探傷結果が得られないという問題がある。   However, in the case of the TOFD method, the height and position of the crack 104 can be identified with high accuracy, but on the other hand, it is possible to completely identify where the crack 104 is located with respect to the weld line 105. There is a problem that it is difficult. For example, a crack 104 may be generated between the weld line 105 and the base material (material portion other than the weld line) in piping or the like (see, for example, FIG. 16). In some cases, it may not be possible to distinguish between an originally existing flaw called a weld defect or the like and a potentially fatal crack 104 that has occurred over the course of time. There is a problem that high flaw detection results cannot be obtained.

さらに、TOFD法の場合だと2次元スキャンが必要となることから、プローブ101(102)を例えば図22に示すようにジグザグに移動させるなどの手法が必要となる。このように2次元的にスキャンした場合、3次元的な情報が得られ、尚かつ、相変わらず高い精度のき裂欠陥情報が得られはするが、スキャンするのに時間がかかり過ぎてしまうことに加え、2次元のスキャンを行うための高価な駆動装置も必要になってくるという別の問題が生じる。   Further, in the case of the TOFD method, since a two-dimensional scan is required, a method of moving the probe 101 (102) in a zigzag manner as shown in FIG. 22, for example, is required. When two-dimensional scanning is performed in this way, three-dimensional information is obtained, and high-accuracy crack defect information is still obtained, but it takes too much time to scan. In addition, another problem arises that an expensive driving device for performing two-dimensional scanning is also required.

また、上述した端部エコー法の場合、プローブの操作に伴う波形の微妙な変化から端部エコーを判定するという性質の探傷手法であることから、検査員の技量に負うところが大きく、検査結果に個人差が生じやすいという面もある。   In addition, in the case of the above-described end echo method, since it is a flaw detection method of determining the end echo from a subtle change in the waveform accompanying the operation of the probe, it greatly depends on the skill of the inspector, and the inspection result There is also an aspect that individual differences are likely to occur.

一方、フェーズドアレイ法の場合は、プローブを動かさなくても超音波ビームの方向を変えられるという長所はあるものの、き裂の高さの推定精度がTOFD法の場合よりも悪いという問題がある。また、超音波ビームの焦点以外の場所にき裂欠陥が内在しているような場合には、当該欠陥からの反射波を検出しにくいという問題もある。   On the other hand, the phased array method has the advantage that the direction of the ultrasonic beam can be changed without moving the probe, but has the problem that the accuracy of estimation of the crack height is worse than that of the TOFD method. In addition, when a crack defect is inherent in a place other than the focal point of the ultrasonic beam, there is a problem that it is difficult to detect a reflected wave from the defect.

また、上述したようにTOFD法とフェーズドアレイ法とを組み合わせた探傷技術も存在するが、これら探傷技術は、ただ単にTOFD法とフェーズドアレイ法とを組み合わせたというハードウェアに着目した技術に過ぎず、ソフトウェア的に特別な処理を行っているわけではない。例えば上述した特許文献1でいえば、正確な時間測定を支援するための信号処理等の技術についてまでは開示されていない。このため、超音波探傷に要する時間の割には測定精度がそれほど高くないことに加えて、き裂測定には波形計測が必要であり、計測者による測定誤差が大きいという課題もある。さらには、対象とする材料の金属組織に起因するノイズによって、き裂の検出が困難になるということもある。   In addition, as described above, there are flaw detection technologies that combine the TOFD method and the phased array method, but these flaw detection technologies are simply technologies that focus on the hardware that combines the TOFD method and the phased array method. The software is not specially processed. For example, in Patent Document 1 described above, there is no disclosure of a technique such as signal processing for supporting accurate time measurement. For this reason, in addition to the fact that the measurement accuracy is not so high for the time required for ultrasonic flaw detection, waveform measurement is necessary for crack measurement, and there is a problem that measurement error by the measurer is large. Furthermore, cracks may be difficult to detect due to noise caused by the metal structure of the target material.

さらに、材料にき裂欠陥が内在する場合には、さしあたり、当該き裂が存在する部分や機材の除去、ないしは交換が行われているというのが実情である。しかし、材料に生じたき裂等の内在欠陥が当該機器の大きさに比べて相対的に微小である場合には、当該き裂の存在が即座に設備機器の破損につながるというわけではなく、多くの場合は破損を生じるまでに十分な時間的余裕がある。したがって、現状においては、き裂が生じてから破損に至るまでの余寿命をより的確に推定・把握し、より合理的な保守計画を策定することが望ましく、そのためには、超音波探傷試験においてき裂の寸法をできるだけ正確に測定することが要求される。そして、このようにき裂寸法を高精度に測定するためには、プローブや測定条件の最適化とともに、検査結果の再現性を向上させるための自動化技術も重要となる。   Furthermore, when a crack defect is inherent in the material, for the time being, the actual situation is that the part where the crack exists or the equipment is removed or replaced. However, if the inherent defect such as a crack generated in the material is relatively small compared to the size of the equipment, the presence of the crack does not immediately lead to damage to the equipment. In this case, there is sufficient time to cause damage. Therefore, in the present situation, it is desirable to more accurately estimate and grasp the remaining life from the occurrence of a crack to failure, and to develop a more rational maintenance plan. It is required to measure the crack dimensions as accurately as possible. And in order to measure a crack dimension with high accuracy in this way, an automated technique for improving the reproducibility of the inspection result is important as well as optimizing the probe and measurement conditions.

そこで、本発明は、従来の粗探傷に要する検査時間内に粗探傷および精密探傷の情報が取得でき、尚かつ、高精度な欠陥寸法測定結果の入手を可能とする厚肉構造物の自動超音波探傷装置および自動超音波探傷方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、定量的な位置計測結果および寸法測定結果から、例えばHAZの欠陥と溶接欠陥などのような、元々存在する傷と経年に伴い途中で生じたき裂との識別を可能として高い探傷結果が得られるようにした厚肉構造物の自動超音波探傷装置および自動超音波探傷方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention is capable of acquiring information on rough flaw detection and precision flaw detection within the inspection time required for conventional rough flaw detection, and is capable of obtaining highly accurate defect dimensional measurement results. An object of the present invention is to provide an ultrasonic flaw detection apparatus and an automatic ultrasonic flaw detection method. Furthermore, the present invention is capable of discriminating originally existing scratches and cracks that have occurred with the passage of time, such as HAZ defects and weld defects, from quantitative position measurement results and dimension measurement results. An object of the present invention is to provide an automatic ultrasonic flaw detection apparatus and an automatic ultrasonic flaw detection method for a thick-walled structure capable of obtaining a flaw detection result.

かかる目的を達成するため、本発明者は種々の検討を行った。TOFD法ならばHAZ等の内在欠陥をフェーズドアレイ法よりも精度よく寸法測定できる反面、元々存在する傷と経年に伴い途中で生じたき裂欠陥とを明確に識別するのが困難だという面もある。したがって、従来の溶接部検査技術の場合、TOFD法で通常行われるDスキャンの粗探傷の結果だけでは、溶接線と垂直な方向(深さ方向)のき裂欠陥位置を判別しきれず、これに加えて欠陥検出部位でBスキャンを実施して精密探傷する必要があった(図11参照)。この場合、2次元走査が可能な高価な駆動装置が必要となり、検査時間も長くなることから、本発明者はこれを鑑み、TOFD法のBスキャン、またはパルスエコー法のラスタスキャンの代わりに、フェーズドアレイ法をTOFD法のDスキャンと併用することが望ましいと考えた。   In order to achieve this object, the present inventor has conducted various studies. With the TOFD method, it is possible to measure the size of internal defects such as HAZ with higher accuracy than with the phased array method, but it is also difficult to clearly distinguish between existing scratches and crack defects that have occurred over the course of time. . Therefore, in the case of the conventional weld inspection technique, the crack defect position in the direction perpendicular to the weld line (depth direction) cannot be determined only by the result of the rough scanning of the D scan normally performed by the TOFD method. In addition, it was necessary to carry out a B-scan at the defect detection site for precise flaw detection (see FIG. 11). In this case, since an expensive driving device capable of two-dimensional scanning is required and the inspection time becomes long, the present inventor considers this and instead of the B scan of the TOFD method or the raster scan of the pulse echo method, We thought it desirable to use the phased array method together with the D scan of the TOFD method.

さらに本発明者は、従来の超音波探傷は要する時間の割には測定精度がそれほど高くないこと、き裂測定には波形計測が必要であるが計測者による測定誤差が大きいこと、対象とする材料の金属組織に起因するノイズによってき裂の検出が困難になる場合があることといった点に関し、得られた測定結果情報に更なる処理を施すことにより、従来の探傷設備はそのままに測定精度を向上させる技術に着目し、種々の検討と試験を重ねた結果、これを達成しうる技術を知見するに至った。   Furthermore, the present inventor targets that measurement accuracy is not so high for the time required for conventional ultrasonic flaw detection, and that waveform measurement is necessary for crack measurement, but the measurement error by the measurer is large. With regard to the fact that cracks may become difficult to detect due to noise caused by the metallographic structure of the material, the accuracy of measurement can be improved while maintaining the conventional flaw detection equipment by further processing the obtained measurement result information. Focusing on the technology to improve, as a result of various examinations and tests, it came to know the technology that can achieve this.

本発明はかかる知見に基づくものであり、請求項1に記載の厚肉構造物の自動超音波探傷装置は、厚肉構造物中に生じたき裂欠陥をTOFD法とフェーズドアレイ法の両方を適用して超音波で探傷する厚肉構造物の超音波探傷装置において、送信超音波波形と厚肉構造物の材料の底面や内在き裂欠陥などの反射エコーの波形とから当該材料中を伝搬する超音波の実際の音速ならびに反射体までの距離を、ゼロクロス法、相関関数法、位相スペクトル法のうちの少なくともひとつを利用して材料毎に計測する音速・距離測定手段と、受信波形に形状エコーや後方散乱波によるノイズが顕著に表れている場合にこれらノイズを空間平均法とウェーブレット変換法のいずれか一方または両方を適用した信号処理により当該ノイズ強度を低下させてこれと引き換えに欠陥信号を強調するノイズ除去手段と、材料中における複数種類の結晶粒の大きさに依存する超音波の周波数と減衰率との関係の測定結果、あるいはこれと同様に結晶粒の大きさに依存する超音波の背面散乱波の振幅と周波数特性の測定結果を利用して当該結晶粒の大きさを評価し、この評価結果に基づき当該結晶粒に最適な探傷周波数を選択する結晶粒評価手段と、超音波の波動伝搬の挙動が複雑な場合に当該波動伝搬を解析して可視化し、粗大な結晶を有する材料の超音波伝搬特性を予測可能とする超音波伝搬特性予測手段とを備えていることを特徴とするものである。   The present invention is based on such knowledge, and the automatic ultrasonic flaw detector for a thick structure according to claim 1 applies both the TOFD method and the phased array method to crack defects generated in the thick structure. In an ultrasonic flaw detector with a thick structure that detects flaws with ultrasonic waves, it propagates in the material from the transmitted ultrasonic waveform and the waveform of the reflected echo such as the bottom surface and internal crack defects of the material of the thick structure. Sound velocity / distance measurement means that measures the actual sound speed of ultrasonic waves and the distance to the reflector for each material using at least one of the zero cross method, correlation function method, and phase spectrum method, and shape echo in the received waveform Or noise due to backscattered waves, the noise intensity is reduced by signal processing using either or both of the spatial averaging method and wavelet transform method. In addition to the noise removal means that emphasizes the defect signal in exchange, the measurement result of the relationship between the frequency and attenuation rate of the ultrasonic wave depending on the size of multiple types of crystal grains in the material, or the size of the crystal grains The size of the crystal grain is evaluated using the measurement result of the amplitude and frequency characteristics of the ultrasonic backscattered wave depending on the thickness, and the optimal flaw detection frequency for the crystal grain is selected based on the evaluation result. An evaluation means, and an ultrasonic wave propagation characteristic prediction means for analyzing and visualizing the wave propagation when the wave propagation behavior of the ultrasonic wave is complicated, and predicting the ultrasonic wave propagation characteristic of a material having a coarse crystal. It is characterized by having.

また、請求項2に記載の発明は、厚肉構造物中に生じたき裂欠陥をTOFD法とフェーズドアレイ法の両方を適用して超音波で探傷する厚肉構造物の超音波探傷方法において、送信超音波波形と厚肉構造物の材料の底面や内在き裂欠陥などの反射エコーの波形とから当該材料中を伝搬する超音波の実際の音速ならびに反射体までの距離を、ゼロクロス法、相関関数法、位相スペクトル法のうちの少なくともひとつを利用して材料毎に計測する音速・距離測定ステップと、受信波形に形状エコーや後方散乱波によるノイズが顕著に表れている場合にこれらノイズを空間平均法とウェーブレット変換法のいずれか一方または両方を適用した信号処理により当該ノイズ強度を低下させてこれと引き換えに欠陥信号を強調するノイズ除去ステップと、材料中における複数種類の結晶粒の大きさに依存する超音波の周波数と減衰率との関係の測定結果、あるいはこれと同様に結晶粒の大きさに依存する超音波の背面散乱波の振幅と周波数特性の測定結果を利用して当該結晶粒の大きさを評価し、この評価結果に基づき当該結晶粒に最適な探傷周波数を選択する結晶粒評価ステップと、超音波の波動伝搬の挙動が複雑な場合に当該波動伝搬を解析して可視化し、粗大な結晶を有する材料の超音波伝搬特性を予測可能とする超音波伝搬特性予測ステップとからなることを特徴とするものである。   The invention according to claim 2 is an ultrasonic flaw detection method for a thick-walled structure in which crack defects generated in a thick-walled structure are flawlessly detected by applying both the TOFD method and the phased array method. The zero-crossing method and the correlation between the transmitted ultrasonic waveform and the waveform of the reflected echo from the bottom surface of the material of the thick-walled structure and internal crack defects, as well as the actual sound velocity of the ultrasonic wave propagating through the material and the distance to the reflector. A sound velocity / distance measurement step that measures each material using at least one of the functional method and phase spectrum method, and when noise due to shape echoes or backscattered waves appears significantly in the received waveform A noise removal step of reducing the noise intensity by signal processing applying either one or both of the average method and the wavelet transform method and emphasizing the defect signal in exchange for this, The measurement result of the relationship between the frequency and attenuation rate of the ultrasonic wave depending on the size of multiple types of crystal grains in the material, or the amplitude of the back scattered wave of the ultrasonic wave depending on the size of the crystal grains as well as this The measurement result of frequency characteristics is used to evaluate the size of the crystal grain, and based on this evaluation result, the crystal grain evaluation step for selecting the optimum flaw detection frequency and the behavior of ultrasonic wave propagation are complicated. In this case, the wave propagation is analyzed and visualized, and an ultrasonic wave propagation characteristic prediction step that makes it possible to predict the ultrasonic wave propagation characteristic of a material having a coarse crystal is characterized.

請求項1記載の厚肉構造物の自動超音波探傷装置においては、TOFD法とフェーズドアレイ法の両方を適用して探傷手法を補完する(より具体的には、TOFD法により欠陥の寸法を、フェーズドアレイ法により欠陥の位置を評価する)ことにより、1次元走査(スキャン)でもき裂欠陥位置と寸法を高精度に測定することを可能としている(図11参照)。しかもこの場合には2次元ないし3次元の走査が不要となるため高価な駆動装置を要することがないという利点に加え、検査時間が短縮されるという利点もある。   In the automatic ultrasonic flaw detector for a thick structure according to claim 1, the flaw detection method is supplemented by applying both the TOFD method and the phased array method (more specifically, the dimension of the defect by the TOFD method, By evaluating the position of the defect by the phased array method), it is possible to measure the crack defect position and size with high accuracy even in one-dimensional scanning (scanning) (see FIG. 11). In addition, in this case, since two-dimensional or three-dimensional scanning is not required, there is an advantage that an expensive driving device is not required, and an inspection time is shortened.

しかも本発明によれば、得られた測定情報に対して各種機能によるデータ処理を施すこととしているため、さらに高精度な探傷結果が得られる。すなわち、(i)送信波形等から音速や距離を求める音速・距離測定機能により、材料中の欠陥をより高精度にサイジングすることが可能となり、(ii)得られた信号に形状エコーや後方散乱波によるノイズが顕著な場合にはこれら不要なノイズを除去することができ、(iii)材料中の結晶粒サイズの評価結果に基づき最適な探傷周波数を選択することができ、(iv)超音波の波動伝搬挙動が複雑な場合には当該波動伝搬を解析して可視化することができるというように、測定情報をさらにデータ処理することにより、既存の探傷設備はそのままにこれまでよりも高精度な探傷結果が得られる。この場合、従来の粗探傷に要する検査時間内に粗探傷および精密探傷の情報が取得でき、高精度な欠陥寸法測定結果の入手が可能となる。   In addition, according to the present invention, since the obtained measurement information is subjected to data processing by various functions, a more accurate flaw detection result can be obtained. In other words, (i) the sound velocity / distance measurement function that determines the sound velocity and distance from the transmission waveform, etc., makes it possible to size defects in the material with higher accuracy, and (ii) shape echo and backscattering in the obtained signal. When noise caused by waves is significant, these unnecessary noises can be removed. (Iii) The optimum flaw detection frequency can be selected based on the evaluation result of the crystal grain size in the material. If the wave propagation behavior of the system is complex, the wave propagation can be analyzed and visualized. By processing the measurement information further, the existing flaw detection equipment remains intact and more accurate than before. A flaw detection result is obtained. In this case, information on rough flaw detection and precision flaw detection can be acquired within the inspection time required for conventional rough flaw detection, and highly accurate defect dimension measurement results can be obtained.

また、請求項2記載の厚肉構造物の自動超音波探傷方法によれば、上述の自動超音波探傷装置と同様、TOFD法とフェーズドアレイ法の両方を適用して探傷手法を補完する(より具体的には、TOFD法により欠陥の寸法を、フェーズドアレイ法により欠陥の位置を評価する)ことにより、1次元走査(スキャン)でもき裂欠陥位置と寸法を高精度に測定することが可能である(図11参照)。しかもこの場合には2次元ないし3次元の走査が不要となるため高価な駆動装置を要することがないという利点に加え、検査時間が短縮されるという利点もある。   According to the automatic ultrasonic flaw detection method for a thick-walled structure according to claim 2, the flaw detection method is supplemented by applying both the TOFD method and the phased array method, as in the above-described automatic ultrasonic flaw detection device (more Specifically, by measuring the defect dimensions by the TOFD method and the defect positions by the phased array method, it is possible to measure the crack defect position and dimension with high accuracy even in one-dimensional scanning. Yes (see FIG. 11). In addition, in this case, since two-dimensional or three-dimensional scanning is not required, there is an advantage that an expensive driving device is not required, and an inspection time is shortened.

しかも本発明によれば、得られた測定情報に対して各種機能によるデータ処理を施すこととしているため、さらに高精度な探傷結果が得られる。すなわち、(i)送信波形等から音速や距離を求める音速・距離測定機能により、材料中の欠陥をより高精度にサイジングすることが可能となり、(ii)得られた信号に形状エコーや後方散乱波によるノイズが顕著な場合にはこれら不要なノイズを除去することができ、(iii)材料中の結晶粒サイズの評価結果に基づき最適な探傷周波数を選択することができ、(iv)超音波の波動伝搬挙動が複雑な場合には当該波動伝搬を解析して可視化することができるというように、測定情報をさらにデータ処理することにより、既存の探傷設備はそのままにこれまでよりも高精度な探傷結果が得られる。この場合、従来の粗探傷に要する検査時間内に粗探傷および精密探傷の情報が取得でき、高精度な欠陥寸法測定結果の入手が可能となる。   In addition, according to the present invention, since the obtained measurement information is subjected to data processing by various functions, a more accurate flaw detection result can be obtained. In other words, (i) the sound velocity / distance measurement function that determines the sound velocity and distance from the transmission waveform, etc., makes it possible to size defects in the material with higher accuracy, and (ii) shape echo and backscattering in the obtained signal. When noise caused by waves is significant, these unnecessary noises can be removed. (Iii) The optimum flaw detection frequency can be selected based on the evaluation result of the crystal grain size in the material. If the wave propagation behavior of the system is complex, the wave propagation can be analyzed and visualized. By processing the measurement information further, the existing flaw detection equipment remains intact and more accurate than before. A flaw detection result is obtained. In this case, information on rough flaw detection and precision flaw detection can be acquired within the inspection time required for conventional rough flaw detection, and highly accurate defect dimension measurement results can be obtained.

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.

図1〜図13に本発明の一実施形態を示す。本発明に係る厚肉構造物の自動超音波探傷装置(以下、単に「自動超音波探傷装置」ともいう)は、厚肉構造物の材料(以下単に「材料」ともいう。図5において符号1で示す)に生じたき裂欠陥(図5において符号2で示す)をTOFD法とフェーズドアレイ法の両方を適用し、プローブ(または探触子。図5において符号3で示す)から発振した超音波で探傷するというものである。   1 to 13 show an embodiment of the present invention. The automatic ultrasonic flaw detector for a thick structure according to the present invention (hereinafter also simply referred to as “automatic ultrasonic flaw detector”) is also referred to as a material for a thick structure (hereinafter simply referred to as “material”). The ultrasonic wave oscillated from the probe (or probe; indicated by reference numeral 3 in FIG. 5) by applying both the TOFD method and the phased array method to the crack defect (denoted by reference numeral 2 in FIG. Flaw detection.

さらに本実施形態の自動超音波探傷装置は、従来の探傷手法(例えばTOFD法など)を行う際に用いられていた従来型のプローブ3を用いることを前提にしつつ、き裂検査結果から欠陥位置および欠陥寸法を測定することを可能にしている。すなわち、従来のプローブ3などのハード面はそのままに、ソフト面における特有のデータ処理を行うこととし、従来機器をそのまま使用しながらも欠陥位置や欠陥寸法を測定することを可能としている。ソフト面における特有のデータ処理は、き裂検査の際の波形を分析する「波形分析機能」と、数値解析による超音波伝搬現象を可視化する「可視化機能」という2つの機能によってその主な部分が構築されており、より具体的には主に以下に述べる4つの機能、すなわち、
(i) 送信波形と底面や欠陥などの反射体からの波形から、音速、または反射体までの距離を求める機能(音速・距離測定機能)
(ii) 得られた信号に形状エコーや後方散乱波によるノイズが顕著な場合、これらを信号処理により除去する機能(ノイズ除去機能)
(iii) 後方散乱波の周波数、速度分散、減衰を用い、結晶粒の大きさを評価する機能(結晶粒評価機能)
(iv) 有限要素法により、粗大な結晶を有する材料1の超音波伝搬特性を予測する機能(超音波伝搬特性予測機能)
という各機能によって構成される。以下では、まず、これら各機能について順次説明し、その後、溶接部検査技術を向上させるためのハード面での測定技術について説明する。上述の各機能は、例えば自動超音波探傷装置に内蔵された制御処理装置ないしは制御処理回路に搭載されている。
Furthermore, the automatic ultrasonic flaw detector according to the present embodiment is based on the result of the crack inspection based on the assumption that the conventional probe 3 used when performing the conventional flaw detection technique (for example, TOFD method) is used. And allows defect dimensions to be measured. In other words, the hardware surface of the conventional probe 3 and the like is left as it is, and the data processing peculiar to the software surface is performed, and the defect position and the defect size can be measured while using the conventional device as it is. The main part of data processing on the software side is the “waveform analysis function” that analyzes the waveform during crack inspection and the “visualization function” that visualizes the ultrasonic propagation phenomenon by numerical analysis. More specifically, the four functions described below, namely:
(i) A function that calculates the speed of sound or the distance to the reflector from the waveform of the transmission and the waveform from the reflector such as the bottom or defects (sound speed / distance measurement function)
(ii) A function that removes noise caused by shape echoes and backscattered waves in the obtained signal by signal processing (noise removal function)
(iii) Function for evaluating crystal grain size using the frequency, velocity dispersion, and attenuation of backscattered waves (crystal grain evaluation function)
(iv) Function to predict the ultrasonic propagation characteristics of material 1 with coarse crystals by the finite element method (ultrasonic propagation characteristics prediction function)
It consists of each function. In the following, first, each of these functions will be described in order, and then a measurement technique on the hardware side for improving the welded part inspection technique will be described. Each of the above functions is mounted on, for example, a control processing device or a control processing circuit built in the automatic ultrasonic flaw detector.

(i)「音速・距離測定機能」について
まず、本実施形態においては、材料1中を伝搬する超音波の音速(「音速」とは一般的に音が空気中を伝搬する際の速度をいうが、本明細書では材料1中を伝搬する超音波の伝搬速度のことをも意味している)を実時間で測定し、測定した音速に基づいて、材料1中の欠陥をより高精度にサイジングすることとしている。すなわち、I)材料1中における超音波の音速(伝搬速度)は、き裂欠陥2のサイジング精度に大きな影響を与えるということに加え、II)対象となる材料1中での音速が当該材料1の経年劣化などによって変化する、という2点を踏まえ、材料1中における実際の伝搬速度を材料1ごとに把握してより正確な超音波探傷を実現できるようにしている。また、実際に超音波の音速を求める方法として、1)ゼロクロス法、2)相関関数法、3)位相スペクトル法を備え、これらのうちのいずれかを利用することとしている。
(i) “Sound velocity / distance measurement function” First, in this embodiment, the sound velocity of ultrasonic waves propagating in the material 1 (“sound velocity” generally means the velocity at which sound propagates in the air. However, in this specification, the propagation speed of the ultrasonic wave propagating in the material 1 is also measured in real time, and the defect in the material 1 is more accurately determined based on the measured sound speed. Trying to size. That is, in addition to the fact that I) the sound velocity (propagation velocity) of the ultrasonic wave in the material 1 has a great influence on the sizing accuracy of the crack defect 2, II) the sound velocity in the target material 1 is the material 1 Based on the two points of change due to deterioration over time, the actual propagation speed in the material 1 is grasped for each material 1 so that more accurate ultrasonic flaw detection can be realized. In addition, as a method for actually obtaining the ultrasonic sound velocity, 1) a zero cross method, 2) a correlation function method, and 3) a phase spectrum method are provided, and any one of these methods is used.

1)の「ゼロクロス法」による場合、板状の試験体底面からのi番目の反射波(時刻T)およびi+1番目の反射波(時刻T)のそれぞれにつき同一位相の点間の伝搬時間差Δt(=T−T)を求め、これに基づいて音速を算出する(図1参照)。ゼロクロス法とは、0(ゼロ)となる横軸位置から伝搬時間を求めて音速を計算する、より詳しくは、ある隣接する2つの測定点における測定結果に基づき、2つの測定点の間で位相がゼロとなる横軸の位置(時間)を求めてここから音速を正確に計算する、というものである(図1参照)。 In the case of the “zero cross method” of 1 ), the propagation time difference between points of the same phase for each of the i-th reflected wave (time T 1 ) and the i + 1-th reflected wave (time T 2 ) from the bottom of the plate-shaped specimen Δt (= T 2 −T 1 ) is obtained, and the sound speed is calculated based on this (see FIG. 1). The zero-crossing method calculates the speed of sound by calculating the propagation time from the horizontal axis position where 0 (zero), more specifically, based on the measurement results at two adjacent measurement points, the phase between the two measurement points. The position (time) at which the horizontal axis becomes zero is obtained, and the sound speed is accurately calculated from this position (see FIG. 1).

ただし、隣接する波形の相似性が低下している場合にはこのようなゼロクロス法を適用することができなくなるので、その場合には、2)の「相関関数法」を用いる(図2、図3参照)。相関関数法は、相関関数Rxyが最大となる2つの波形(これら2つの波形は上述のゼロクロス法のように隣接しているものに限らない)を選択し、両者間の伝搬時間差(ここではτ)を求めるというものである。上述したゼロクロス法およびこの相関関数法では、内挿(補間ともいう)により最小収録時間間隔以下までの伝搬時間を求めることより、0.2%程度の精度で音速を測定することが可能となる。例えば、ある時刻tでの値をx(t)(≠0)、 次の時刻t+Δtでの値をx(t+Δt)(≠0)とする。内挿により、x(T)=0(t<T<t+Δt)の時刻Tを求める。デジタル収録においては、収録時刻は、0,Δt,2Δt,3Δt,4Δt,……,nΔt,……(nは自然数)となる。そのため、もし何も処理しないとすれば伝搬時間は必ずΔtの整数倍となる。しかし、上述したように、内挿により0となる正確な時刻を求めることができ、最小収録時間間隔以下までの伝播時間を求めることもできる。 However, since the zero cross method cannot be applied when the similarity of adjacent waveforms is reduced, the “correlation function method” of 2) is used in that case (FIGS. 2 and 2). 3). In the correlation function method, two waveforms that maximize the correlation function R xy (these two waveforms are not limited to those adjacent to each other as in the above-described zero cross method), and a propagation time difference between them (here, τ). In the above-described zero cross method and this correlation function method, it is possible to measure the sound speed with an accuracy of about 0.2% by obtaining the propagation time up to the minimum recording time interval by interpolation (also referred to as interpolation). . For example, a value at a certain time t is x (t) (≠ 0), and a value at the next time t + Δt is x (t + Δt) (≠ 0). A time T of x (T) = 0 (t <T <t + Δt) is obtained by interpolation. In digital recording, the recording time is 0, Δt, 2Δt, 3Δt, 4Δt,..., NΔt, (n is a natural number). Therefore, if nothing is processed, the propagation time is always an integer multiple of Δt. However, as described above, an accurate time that becomes 0 can be obtained by interpolation, and a propagation time up to a minimum recording time interval can be obtained.

また、材料1が分散性材料である場合には超音波の位相速度が周波数に依存して変化するので、この場合には、3)の位相スペクトル法により音速を求める(図4参照)。すなわち、異なる2つの波形をFFT変換(高速フーリエ変換)して各波形の位相スペクトルを算出し、2つ波形の位相差Δφから、数式1より位相速度を求める。
[数1]
=2πfL/(−Δφ)
ここでLは伝搬時間、Δφは位相差、fは周波数である。
Further, when the material 1 is a dispersible material, the phase velocity of the ultrasonic wave changes depending on the frequency. In this case, the sound velocity is obtained by the phase spectrum method of 3) (see FIG. 4). That is, two different waveforms are subjected to FFT transform (fast Fourier transform) to calculate the phase spectrum of each waveform, and the phase velocity is obtained from Equation 1 from the phase difference Δφ between the two waveforms.
[Equation 1]
V p = 2πfL / (− Δφ)
Here, L is a propagation time, Δφ is a phase difference, and f is a frequency.

このように、音速・距離測定機能を備えた本実施形態の自動超音波探傷装置は、音速および伝搬時間をオンラインで、つまり測定しながらリアルタイムで高精度に求めることにより、(I)材料1が厚肉であるとしても、多くとも1%程度の誤差範囲内の精度で欠陥の高さ測定を行うことが可能となり、(II)コーナーエコー及び端部エコーの距離をより正確に測定可能となることから従来よりも高精度で欠陥の深さを求めることができ、さらに、(III) 上述した3)の位相スペクトル法により位相速度を求めた場合には、材料1の特性をオンラインで推定できるようになる。   As described above, the automatic ultrasonic flaw detector of the present embodiment having the sound speed / distance measurement function obtains the sound speed and the propagation time with high accuracy in real time while measuring the sound speed and propagation time online, that is, (I) Material 1 is obtained. Even if it is thick, it becomes possible to measure the height of the defect with an accuracy within an error range of at most about 1%, and (II) the distance between the corner echo and the end echo can be measured more accurately. Therefore, the depth of the defect can be obtained with higher accuracy than before, and (III) when the phase velocity is obtained by the phase spectrum method of 3) described above, the characteristics of the material 1 can be estimated online. It becomes like this.

なお、「コーナーエコー」とは、欠陥のコーナーで反射されたエコーのことを指し、「端部エコー」とは、例えばき裂2の上端や下端といった材料1中の欠陥の先端での回折波のことを指す。また、「端部エコー法」とは、コーナーエコーと端部エコーの伝搬時間差から欠陥の高さを推定する手法のことを指す。例えば、図5に示すように矢印で表す超音波ビームがき裂2のコーナー部に当たると、そこで反射されたコーナーエコーがプローブ3に戻るので、回折波(端部エコー)とこのコーナーエコーとの伝搬時間差を求めることができる(図5参照)。   The “corner echo” refers to an echo reflected at the corner of the defect, and the “end echo” refers to a diffracted wave at the tip of the defect in the material 1 such as the upper end or the lower end of the crack 2. Refers to that. The “edge echo method” refers to a technique for estimating the height of the defect from the difference in propagation time between the corner echo and the edge echo. For example, as shown in FIG. 5, when an ultrasonic beam represented by an arrow hits a corner portion of the crack 2, the reflected corner echo returns to the probe 3, so that the diffracted wave (end echo) and the propagation of this corner echo are transmitted. A time difference can be obtained (see FIG. 5).

(ii)「ノイズ除去機能」について
オーステナイト系鋼はフェライト系に比べ結晶粒が大きく、更に溶接部は母材の圧延組織に比べ結晶粒が大きいため、結晶粒界で反射、屈折し、散乱によるエコーが現れる。このエコーは林のように見えるので「林状エコー」と呼ばれる。探傷試験体がこのオーステナイト系鋼である場合には、溶接部は弾性異方性を有する粗大な柱状晶組織となるため、その溶接部を探傷する時、林状エコーがき裂欠陥2の端部エコーをマスクしてしまい、欠陥のサイジング精度が低下する場合がある。また、入射する超音波の波長と同等以上の結晶粒を有する材料1の場合には、後方散乱波によるノイズがSN比を低下させ、探傷精度が低下する場合がある。
(ii) “Noise-removing function” Austenitic steel has larger crystal grains than ferrite, and the weld has larger crystal grains than the rolled structure of the base metal. An echo appears. This echo is called a “forest echo” because it looks like a forest. When the flaw detection specimen is this austenitic steel, the welded portion has a coarse columnar crystal structure having elastic anisotropy. Therefore, when the welded portion is flawed, the forest echo is the end of the crack defect 2. The echo may be masked and the sizing accuracy of the defect may be reduced. Further, in the case of the material 1 having a crystal grain equal to or greater than the wavelength of the incident ultrasonic wave, noise due to the backscattered wave may reduce the SN ratio and the flaw detection accuracy may be reduced.

これに対し、本実施形態の自動超音波探傷装置においては、顕著な林状エコーや後方散乱波によるノイズがある場合であっても、オンラインで信号処理することによりこれらを除去して欠陥エコーを識別できるため、超音波探傷に有効である。さらに本実施形態においては、以下に説明するような「ノイズ除去機能」を備えることにより、得られた信号にこれらのような形状エコーや後方散乱波によるノイズが顕著に表れている場合であっても、信号処理することによってこれら除去できるようにしている(図6参照)。   In contrast, in the automatic ultrasonic flaw detector of the present embodiment, even if there is a noticeable forest echo or noise due to backscattered waves, these are removed by online signal processing to remove defect echoes. Since it can be identified, it is effective for ultrasonic flaw detection. Furthermore, in the present embodiment, by providing a “noise removal function” as described below, the noise obtained by such shape echoes and backscattered waves appears remarkably in the obtained signal. These can be removed by signal processing (see FIG. 6).

すなわち、ノイズ処理するにあたっては(図6のステップ1)、ある位置からわずかでも離れるとノイズの位相が欠陥エコーの位相より速く変わることから、ある場所の近傍で幾つかの測定結果を空間平均法により空間平均し(ステップ2)、ノイズの強度を低下させ(ステップ3)、これと引き換えに欠陥信号を強調することとしている。これについて説明すると、まず、波動はAexp(ωt+kx)という形で簡単に表すことができる(Aは振幅、ωは角周波数、tは時刻、kは波数、xはソースからある空間位置までの距離、ωt+kxは位相)。き裂欠陥からある空間位置の近傍までの距離はあまり変化しないものの、ノイズとなるソースからその空間位置までの距離にはばらつきが大きいことから、ある位置からわずかでも離れるとノイズの位相が欠陥エコーの位相より速く変わる。本実施形態で行う空間平均法とは、ある位置を中心とした幾つかの位置での受信波形を平均することであり、これにより、位置によるばらつきを抑えてノイズ強度を低下させることとしている。以下に具体例を挙げて説明する。ある領域の中心点cにおける信号をsc(k)とし(kは時刻を表す)、点c周りの点(i,j)での信号をsij(k)とした場合、空間平均した点cでの信号sc(k)avrは、以下の数式2のように計算できる。 That is, when performing noise processing (step 1 in FIG. 6), the noise phase changes faster than the phase of the defect echo when it is slightly distant from a certain position. (Step 2), the intensity of noise is reduced (step 3), and the defect signal is enhanced in exchange for this. To explain this, first, the wave can be simply expressed as Aexp (ωt + kx) (A is the amplitude, ω is the angular frequency, t is the time, k is the wave number, and x is the distance from the source to a certain spatial position. , Ωt + kx is the phase). Although the distance from the crack defect to the vicinity of a certain spatial position does not change very much, the distance from the noise source to the spatial position varies widely, so the phase of the noise echoes the defect echoes even slightly away from a certain position. It changes faster than the phase. The spatial averaging method performed in the present embodiment is to average received waveforms at several positions centered on a certain position, thereby reducing the noise intensity by suppressing variations due to the position. A specific example will be described below. If the signal at the center point c of a certain region is s c (k) (k represents time), and the signal at the point (i, j) around the point c is s ij (k), a spatially averaged point The signal s c (k) avr at c can be calculated as in Equation 2 below.

また、欠陥エコーは林状エコーに比べ、エコーの各周波数成分の強度があまり変わらないことに着目し、空間平均を施したUT(Ultrasonic testing)信号のウェーブレット変換を行う(ステップ4、ステップ5)。すなわち、プローブ3の探傷周波数帯域に局在する帯域fb=[fL,fH]において、帯域fbをn分割し、それぞれの短い周波数帯域に局在する時間―周波数成分si(t)(ただし、i=1,2,3,…,n)を抽出する。各si(t)に対して正規化を行い、次の数式3で相関処理を施す。 Also, focusing on the fact that defect echoes do not change much in intensity of each frequency component of echoes compared to forest echoes, UT (Ultrasonic testing) signals subjected to spatial averaging are subjected to wavelet transform (steps 4 and 5). . That is, in the band f b = [f L , f H ] localized in the flaw detection frequency band of the probe 3, the band f b is divided into n, and the time-frequency component s i (t ) (Where i = 1, 2, 3,..., N). Normalization is performed on each s i (t), and correlation processing is performed using Equation 3 below.

ここでEc(tj)は時刻tjのUT信号に対応する相関係数、Siはsiを正規化したものである。周波数の変化によって林状エコーの強度がかなり変わるので、林状エコーに対応する相関係数が小さい。一方、欠陥エコーの周波数成分の強度があまり変化しないので、UT信号のSN比がある値以上であれば、欠陥エコーに対応する相関係数が林状エコーより大きい。したがって、時刻tjでの相関係数があるしきい値ec 以上であれば、その時刻に局在するエコーが欠陥エコーであると判断できる。 Here, E c (t j ) is a correlation coefficient corresponding to the UT signal at time t j , and S i is a normalized value of s i . Since the intensity of the forest echo varies considerably with the change in frequency, the correlation coefficient corresponding to the forest echo is small. On the other hand, since the intensity of the frequency component of the defect echo does not change much, the correlation coefficient corresponding to the defect echo is larger than the forest echo if the SN ratio of the UT signal is greater than a certain value. Therefore, if there is a threshold e c or correlation at time t j, it can be determined that the echo localized in its time is defect echo.

なお、本実施形態におけるノイズ除去機能は、上述した空間平均法とウェーブレット変換法とを事案に応じて適宜選択して使い分けるようにしている。すなわち、ノイズ除去処理を行うにあたり(ステップ1)、はじめに空間平均法を適用するか否かの判断を行う(ステップ2)。空間平均法だけで十分なノイズ除去が可能だと判断した場合にはステップ3に進むが、そうでないと判断した場合にはステップ6に進んでウェーブレット変換法を適用する(ステップ6)。また、ステップ3で空間平均法を実施した後には更にウェーブレット変換法を適用するかどうかを判断し(ステップ4)、ステップ6でウェーブレット変換法を実施した後には更に空間平均法を適用するかどうかを判断し(ステップ7)、両方のノイズ除去処理を実施すべきと判断した場合には残りの一方の処理をも引き続き実施うることとしている(図6参照)。すなわち、当初判断したとおり一方のノイズ除去処理のみで足りればそれだけ少ないステップ数で処理を終了するし、その一方で、ノイズ処理を参照した結果一方のノイズ除去処理だけでは足りないと判断すれば併せてもう一方のノイズ除去処理を実施することとして、いずれの材料1に対してもケース・バイ・ケースで最適なノイズ除去処理が行われるようにしている。   Note that the noise removal function in the present embodiment selects and uses the above-described spatial averaging method and wavelet transform method appropriately according to the case. That is, in performing noise removal processing (step 1), it is first determined whether or not to apply the spatial averaging method (step 2). If it is determined that sufficient noise removal is possible only by the spatial averaging method, the process proceeds to step 3. If not, the process proceeds to step 6 to apply the wavelet transform method (step 6). Further, after performing the spatial averaging method in step 3, it is determined whether or not the wavelet transform method is further applied (step 4), and after performing the wavelet transform method in step 6, whether or not the spatial average method is further applied. (Step 7), and when it is determined that both noise removal processes should be performed, the remaining one process can be continued (see FIG. 6). That is, if only one noise removal process is sufficient as determined at the beginning, the process is completed with a smaller number of steps. On the other hand, if it is determined that one noise removal process is not sufficient as a result of referring to the noise process. At the same time, the other noise removal process is performed so that the optimum noise removal process is performed on each material 1 on a case-by-case basis.

なお、画像表示する際には、各位置のA−scan波形に対して林状エコーおよび後方散乱波のノイズを空間平均およびウェーブレット変換することにより、SN比が向上し、欠陥の判別をしやすくなる。   When displaying an image, the A / scan waveform at each position is subjected to spatial averaging and wavelet transform of forest echoes and backscattered noise, thereby improving the SN ratio and facilitating defect discrimination. Become.

(iii)「結晶粒評価機能」について
また、本実施形態においては、仮に材料1の結晶粒が大きい場合にあっても、欠陥の検出性能が低下するのを防止して高いサイジング精度を維持する観点から、結晶粒のモニタリングを行うこととしている。すなわち、例えばステンレスといったオーステナイト系鋼の溶接金属や鋳造品はその結晶粒が大きいために、周波数の高い探傷用超音波に対し結晶粒間で散乱波を生じさせて信号を激しく減衰させる。このため、探傷用の信号のSN比が低下し、欠陥の検出性能が低下するという現象が生じる場合がある。その一方で、このような状況を回避するために探傷用超音波の周波数を低くすると超音波ビームの指向性が悪化し、サイジング精度が低下するという状況に陥る。そこで本実施形態では、材料1の結晶粒のモニタリングを行い、その大きさを正確に把握することにより当該結晶粒に最適な探傷周波数を選択し、欠陥の検出性能およびサイジング精度を向上させるようにしている。また、例えば熱時効処理すると結晶粒が大きくなるといわれているなど、結晶粒の大きさは環境や劣化状況に依存するので、このように結晶粒の大きさをモニタリングした場合には、材料1の劣化の程度や損傷の度合いを評価してその寿命を予測することができ、これによって事故防止や設備の延命を図ることが可能となる。
(iii) “Crystal Grain Evaluation Function” In the present embodiment, even if the crystal grains of the material 1 are large, the defect detection performance is prevented from deteriorating and high sizing accuracy is maintained. From the point of view, the monitoring of crystal grains is planned. That is, for example, a weld metal or cast product of austenitic steel such as stainless steel has large crystal grains, so that a scattered wave is generated between the crystal grains with respect to high-frequency ultrasonic waves for flaw detection, and the signal is attenuated violently. For this reason, there may be a phenomenon that the SN ratio of the flaw detection signal is lowered and the defect detection performance is lowered. On the other hand, if the frequency of the flaw detection ultrasonic wave is lowered in order to avoid such a situation, the directivity of the ultrasonic beam is deteriorated and the sizing accuracy is lowered. Therefore, in this embodiment, the crystal grains of the material 1 are monitored, and the size of the crystal grains is accurately grasped to select the optimum flaw detection frequency for the crystal grains, thereby improving the defect detection performance and the sizing accuracy. ing. In addition, since the size of the crystal grains depends on the environment and the deterioration state, for example, it is said that the crystal grains become larger when the thermal aging treatment is performed. The lifetime can be predicted by evaluating the degree of deterioration and the degree of damage, thereby preventing accidents and extending the life of the equipment.

本実施形態における結晶粒のモニタリングの具体例について説明する。まず、多結晶体の減衰係数αは平均結晶粒径Dと波長λより、以下の数式4〜数式6のように表される(ただし、A,B,Cは定数)。
[数4]
(λ/D≫1のとき) α=AD34(Rayleigh散乱)
[数5]
(λ/D≒1のとき) α=BDf2(Stochastic散乱)
[数6]
(λ/D≪1のとき) α=CD-1(拡散散乱)
なお、材料1の結晶が使用中に大幅に変わるようなことはない。したがって、上記のように「λ/D」の大小を比べるにあたっては、製造時の結晶粒の値をもって上記いずれの式に用いるかを決定すればよい。
A specific example of crystal grain monitoring in the present embodiment will be described. First, the attenuation coefficient α of the polycrystal is expressed by the following formulas 4 to 6 from the average crystal grain size D and the wavelength λ (where A, B, and C are constants).
[Equation 4]
(When λ / D >> 1) α = AD 3 f 4 (Rayleigh scattering)
[Equation 5]
(When λ / D≈1) α = BDf 2 (Stochastic scattering)
[Equation 6]
(When λ / D << 1 ) α = CD −1 (diffuse scattering)
Note that the crystal of material 1 does not change significantly during use. Therefore, when comparing the magnitudes of “λ / D” as described above, it is only necessary to determine which formula is used based on the value of the crystal grain at the time of manufacture.

なお、振幅A1を有する波が距離Xを伝搬して振幅A2となる場合、減衰計数αは数式7によって求められる。結晶粒が大きければこの減衰係数αも大きくなる。 When the wave having the amplitude A 1 propagates through the distance X to become the amplitude A 2 , the attenuation coefficient α is obtained by Equation 7. If the crystal grain is large, the attenuation coefficient α also increases.

このように、探傷に用いられる信号の減衰はその周波数に依存しており、周波数が高ければ高いほど減衰の程度が大きくなることが認められ、このような関係は図7のような減衰スペクトルとして表すことができる(ただし、波長が結晶粒より十分に小さいとしたらその波は媒質を通ることができなくなるため、数式6中において周波数fは不要)。つまり、この図7は、ある結晶粒サイズの場合における周波数と減衰率との関係を示しており、結晶粒サイズが変わると当然にこの関係曲線も変わってくる。そこで、複数種類の結晶粒サイズについて周波数と減衰率との関係をそれぞれ前もって測定しておけば、周波数と減衰率から、結晶粒の大きさを少なくともある程度の精度で推定することが可能となる(以下、「減衰スペクトル法」という)。   In this way, the attenuation of the signal used for flaw detection depends on the frequency, and it is recognized that the higher the frequency, the greater the degree of attenuation. This relationship is expressed as an attenuation spectrum as shown in FIG. (However, if the wavelength is sufficiently smaller than the crystal grain, the wave cannot pass through the medium, so the frequency f is not necessary in Equation 6.) That is, FIG. 7 shows the relationship between the frequency and the attenuation factor in the case of a certain crystal grain size, and this relationship curve naturally changes as the crystal grain size changes. Therefore, if the relationship between the frequency and the attenuation rate is measured in advance for a plurality of types of crystal grain sizes, the size of the crystal grains can be estimated with at least some accuracy from the frequency and the attenuation rate ( Hereinafter referred to as “attenuation spectrum method”).

また、背面散乱波も結晶粒の大きさに依存するので、図8に示すような背面散乱波を用いて結晶粒の大きさを評価するという方法を採用することも可能である。すなわち、上述した周波数と減衰率の関係曲線と同様、図8に示す背面散乱波の振幅と周波数特性も結晶粒サイズに依存する。したがって、背面散乱波を分析することより、結晶粒サイズを少なくとともある程度の精度で推定することが可能となる(以下、「背面散乱波法」という)。   Further, since the back scattered wave also depends on the size of the crystal grain, it is possible to adopt a method of evaluating the size of the crystal grain using the back scattered wave as shown in FIG. In other words, the amplitude and frequency characteristics of the backscattered wave shown in FIG. 8 also depend on the crystal grain size, as in the above-described relationship curve between frequency and attenuation rate. Therefore, by analyzing the backscattered wave, the crystal grain size can be estimated with a certain degree of accuracy (hereinafter referred to as “backscattered wave method”).

さらには、上述した各方法で結晶粒の大きさを推定して互いに修正・補完すれば、より正確な結晶粒の大きさが把握できることになり、欠陥の検出性能およびサイジング精度をさらに向上させることが可能となる点で好ましい。例えば、上述した「減衰スペクトル法」、「減衰法」、「背面散乱波法」のそれぞれによって得られた結晶粒の大きさの推定値(それぞれをD1,D2,D3とする)から、より正確な推定値を得ることができる(図9参照)。具体的には、周波数fおよび音速VよりD1,D2,D3の重みを決めて得られた重み付き平均D=f(D1,D2,D3,f,V)の値をより正確な推定値とすることができる。   Furthermore, if the size of the crystal grains is estimated by the above-described methods and corrected and complemented with each other, more accurate crystal grain sizes can be grasped, and defect detection performance and sizing accuracy can be further improved. Is preferable in that it becomes possible. For example, the estimated values of crystal grains obtained by the above-described “attenuation spectrum method”, “attenuation method”, and “backscattering wave method” (respectively D1, D2, and D3) are more accurate. Can be obtained (see FIG. 9). Specifically, the weighted average D = f (D1, D2, D3, f, V) obtained by determining the weights of D1, D2, and D3 from the frequency f and the sound velocity V is set as a more accurate estimated value. can do.

(iv)「超音波伝搬特性予測機能」について
さらに本実施形態においては、探傷の同定、欠陥信号の識別などの精度をさらに向上させる観点から、有限要素法により波動伝搬を解析し可視化するようにしている。例えばオーステナイト系鋼の溶接部は当該溶接部において結晶が粗大化し、尚かつ弾性異方性を有しているという特性があるため、伝搬挙動が複雑となり、実験結果を解釈し難い面があるが、このように波動伝搬を有限要素法により解析し可視化することとすれば特性予測精度が向上する。
(iv) “Ultrasonic propagation characteristic prediction function” Furthermore, in this embodiment, from the viewpoint of further improving the accuracy of flaw detection identification, defect signal identification, etc., wave propagation is analyzed and visualized by the finite element method. ing. For example, the welded part of austenitic steel has characteristics that the crystal is coarsened and has elastic anisotropy in the welded part, so that the propagation behavior becomes complicated and the experimental results are difficult to interpret. Thus, if the wave propagation is analyzed and visualized by the finite element method, the characteristic prediction accuracy is improved.

本実施形態における有限要素法による波動伝搬の解析・可視化の具体例について説明する(図10参照)。まず、試験体形状およびその溶接部の形状をCADのファイルフォーマット(例えば.dxf形式等)に変換し、有限要素法のプログラムにインプットする(ステップ21、ステップ22)。これにより、簡易に実際の試験体ないしはその溶接部の形状を利用した解析を行うことが可能となる。また、EBSP(Electron Backscatter dif- fraction Patterns:後方散乱電子回折パターン)などにより求められた結晶の大きさ及びその方位といった結晶情報をそのまま有限要素法のモデルに取り入れることにより(ステップ23、ステップ24)、より現実に近いモデルを確立することが可能となり、この結果、より現実に即した解析結果が得られることが期待できる(ステップ27、ステップ29)。ステップ25、ステップ26では、例えば「刻み時間」「要素サイズ」「何秒まで計算するか」などの判断要素を波動解析(ステップ27)における解析のためのパラメータとして入力する(ステップ25、ステップ26)。   A specific example of wave propagation analysis / visualization by the finite element method in this embodiment will be described (see FIG. 10). First, the shape of the test body and the shape of the welded portion are converted into a CAD file format (for example, .dxf format) and input to a finite element method program (steps 21 and 22). As a result, it is possible to easily perform analysis using the shape of the actual specimen or the welded portion. Also, by incorporating crystal information such as crystal size and orientation obtained by EBSP (Electron Backscatter dif-fraction Patterns) into the finite element method model as it is (steps 23 and 24). Thus, it is possible to establish a model that is closer to reality, and as a result, it can be expected that an analysis result that is more realistic will be obtained (steps 27 and 29). In step 25 and step 26, for example, judgment elements such as “step time”, “element size”, and “how many seconds to calculate” are input as parameters for analysis in the wave analysis (step 27) (step 25, step 26). ).

また、上述の解析結果を可視化すれば(ステップ28)、例えば粒界間での散乱波の状況もこの可視化によって明らかとなり、その結果を背面散乱波による結晶粒の大きさの推定に応用することもできるようになり、超音波の伝搬特性をさらに明らかにして実験結果の解釈や最適な実験条件の選択などをする際の有力な根拠とすることが可能となる。有限要素法により求めた各時刻におけるモデルの各位置での変位は、例えば、AVSまたはMicroAVSの可視化環境を用いて、各時刻における変位の分布を画像化する。各時刻における変位の画像をムービー化することによって、波動伝搬を可視化することが可能となる(ステップ28)。   If the above analysis result is visualized (step 28), for example, the situation of the scattered wave between the grain boundaries will be clarified by this visualization, and the result will be applied to the estimation of the crystal grain size by the back scattered wave. As a result, the propagation characteristics of ultrasonic waves can be further clarified and used as an effective basis for interpreting experimental results and selecting optimal experimental conditions. For the displacement at each position of the model at each time obtained by the finite element method, for example, the distribution of the displacement at each time is imaged using an AVS or Micro AVS visualization environment. Wave propagation can be visualized by converting the displacement image at each time into a movie (step 28).

また、ステップ26、ステップ27で波動解析を行うにあたり、本実施形態では「陽解法」を実施することとしている(図10参照)。すなわち、要素に分布する質量を節点に集中していると考える集中質量近似を用いれば、質量マトリクスは対角成分だけに値をもつ対角行列になる。このとき、その逆行列は対角成分の逆数で求められるので、節点加速度は質量マトリクスの対角成分の逆数を掛けることにより簡単に求められる。この場合、連立方程式を解くことなく節点加速度を求めることができる(陽解法)。   Further, in performing wave analysis in step 26 and step 27, in this embodiment, “explicit solution” is performed (see FIG. 10). That is, if the mass distribution approximation that considers that the mass distributed to the elements is concentrated at the nodes, the mass matrix becomes a diagonal matrix having values only in the diagonal components. At this time, since the inverse matrix is obtained by the inverse of the diagonal component, the nodal acceleration can be easily obtained by multiplying the inverse of the diagonal component of the mass matrix. In this case, the nodal acceleration can be obtained without solving simultaneous equations (explicit method).

以上がソフト面における特有のデータ処理機能についての説明であるが、引き続き、溶接部検査技術を向上させるためのハード面での測定技術について説明する。   The above is a description of the data processing function peculiar to the software side. Next, the measurement technique on the hardware side for improving the welded part inspection technique will be described.

まず、TOFD法とフェーズドアレイ法によるそれぞれのサイジング精度については、例えばHAZの内在欠陥に関して、TOFD法はき裂欠陥2をフェーズドアレイ法よりも精度よく寸法測定できるという特性を有する反面、溶接施工時に発生した溶接欠陥(例えばスラグ巻き込みや溶け込み不良など)とHAZの欠陥とを識別することが困難である、つまり両者を明確に識別するのが難しいという面がある。例えば製作した試験体などのように、実機溶接部では概して外面溶接初層の近傍でスラグ巻き込みや溶け込み不良が多いことから、自然欠陥の部位をより正確に評定することができれば、き裂欠陥2の性状を精度よく評価することが可能となる。ここで従来の溶接部検査技術について簡単に触れると、溶接部におけるき裂欠陥2を検査する際、溶接線と垂直な方向(深さ方向)のき裂欠陥2の位置はTOFD法で通常行われるDスキャンの粗探傷の結果だけでは判別できず、き裂2と自然欠陥を識別するために、これに加えて精密探傷として欠陥検出部位でBスキャンを実施する必要がある(図11参照)。ところが、2次元走査が可能な高価な駆動装置が必要となり、検査時間も長くなることが避けられない(図11参照)。   First, regarding the sizing accuracy by the TOFD method and the phased array method, for example, regarding the intrinsic defect of the HAZ, the TOFD method has a characteristic that the crack defect 2 can be measured with higher accuracy than the phased array method, but at the time of welding construction, There is a problem that it is difficult to distinguish the generated weld defect (for example, slag entrainment or poor penetration) from the HAZ defect, that is, it is difficult to clearly identify both. For example, as in the case of manufactured specimens, there are many slag entrapments and penetration defects in the vicinity of the first layer of the outer surface welding in actual machine welds. Therefore, if the site of natural defects can be more accurately evaluated, crack defects 2 It is possible to accurately evaluate the properties of. Here, when briefly inspecting the conventional welded part inspection technique, when inspecting the crack defect 2 in the welded part, the position of the crack defect 2 in the direction perpendicular to the weld line (depth direction) is usually measured by the TOFD method. In order to discriminate between the crack 2 and the natural defect, it is necessary to perform a B-scan at the defect detection site as a precise flaw detection in addition to this (see FIG. 11). . However, an expensive driving device capable of two-dimensional scanning is required, and the inspection time is inevitably increased (see FIG. 11).

以上を踏まえ、本実施形態においては、TOFD法のBスキャン、またはパルスエコー法のラスタスキャンの代わりに、フェーズドアレイ法をTOFD法のDスキャンと併用することとしている。こうした場合、駆動装置が安価な1次元走査で足り、しかも高さ10mm以下の微小なき裂2に対してもRMS(平方二乗平均;任意の量の時間変化波形に対して、その量の二乗の平均値の平方根で与えた平均振幅のこと)が0.9以上と高精度な検査が実施可能となる(図11参照)。したがってこれによれば1次元機械走査のみでき裂欠陥2の測定が可能となり、粗探傷および精密探傷を併せた検査時間を短縮すること、ならびに走査に必要な駆動装置を安価にすることが可能となる(図11参照)。なお、上述のRMSについては、以下に示す数式8により平均二乗誤差を求めることにした。   Based on the above, in this embodiment, the phased array method is used in combination with the D scan of the TOFD method instead of the B scan of the TOFD method or the raster scan of the pulse echo method. In such a case, an inexpensive one-dimensional scan is sufficient for the driving device, and even for a minute crack 2 having a height of 10 mm or less, the RMS (root mean square); An average amplitude given by the square root of the average value) is 0.9 or more, and a highly accurate inspection can be performed (see FIG. 11). Therefore, according to this, only one-dimensional mechanical scanning can be performed, and the crack defect 2 can be measured, the inspection time including the rough flaw detection and the precision flaw detection can be shortened, and the driving device necessary for the scanning can be made inexpensive. (See FIG. 11). For the above-mentioned RMS, the mean square error was determined by the following formula 8.

ここで、xiは測定値、Xiは実測値、nはデータ数である。 Here, x i is a measured value, X i is an actually measured value, and n is the number of data.

このようにTOFD法とフェーズドアレイ法を併用した評価手法についてもう少し具体的に説明する(図12参照)。評価を開始し(ステップ31)、まず、当該き裂欠陥2がTOFD法で検知されている場合には(ステップ32)、TOFD法のBスキャン画像から欠陥の大きさおよび位置#1(試験体の厚み方向および溶接線と平行な方向)を決定する(ステップ33)。フェーズドアレイ法(PA法)によっても検知できる場合には、Bスキャン画像から欠陥の位置#1を参考値として読み取る(ステップ34、ステップ35)。両手法から認識できる欠陥を検知レベルA、TOFD法でのみ認識される欠陥を検出レベルB−aと定義する(図13参照)。材料1が厚く、内面付近のき裂欠陥2を検出できない場合には、フェーズドアレイ法のBスキャン画像からき裂欠陥2の寸法と位置#1を決定し、このような欠陥を検知レベルB−bと定義する。検知レベルAおよびB−bの場合にはフェーズドアレイ法のトップビュー(試験体の厚み方向の投影像)から位置#2(溶接線と垂直な方向)を決定し(ステップ36)、欠陥の寸法、位置および検知レベルから欠陥の性状を特定する(ステップ37)。続いて、Ndを欠陥指示の総数とし、カウンター値Nとの大小を比較する(ステップ38)。Ndの方がNよりも大きい場合にはこのNに1を加え(ステップ39)、ステップ32に戻る。一方、そうでない場合には欠陥の寸法、位置、検知レベルおよび欠陥性状を記載し(ステップ40)、評価を終了する(ステップ41)。このように、TOFD法により欠陥の寸法を、フェーズドアレイ法により欠陥の位置を評価することにより、従来よりも高精度に溶接部の探傷試験を行うことができる。   The evaluation method using the TOFD method and the phased array method in this way will be described more specifically (see FIG. 12). Evaluation is started (step 31). First, when the crack defect 2 is detected by the TOFD method (step 32), the defect size and position # 1 (test body) are determined from the B-scan image of the TOFD method. Thickness direction and direction parallel to the weld line) (step 33). If it can also be detected by the phased array method (PA method), the defect position # 1 is read as a reference value from the B-scan image (steps 34 and 35). A defect that can be recognized from both methods is defined as a detection level A, and a defect that is recognized only by the TOFD method is defined as a detection level Ba (see FIG. 13). When the material 1 is thick and the crack defect 2 near the inner surface cannot be detected, the size and position # 1 of the crack defect 2 are determined from the B-scan image of the phased array method, and such a defect is detected at level B-b. It is defined as In the case of detection levels A and B-b, position # 2 (direction perpendicular to the weld line) is determined from the top view (projected image in the thickness direction of the specimen) of the phased array method (step 36), and the defect size is determined. Then, the nature of the defect is specified from the position and the detection level (step 37). Subsequently, Nd is used as the total number of defect instructions, and the magnitude is compared with the counter value N (step 38). When Nd is larger than N, 1 is added to N (step 39), and the process returns to step 32. On the other hand, if not, the dimension, position, detection level and defect properties of the defect are described (step 40), and the evaluation is terminated (step 41). As described above, by evaluating the dimension of the defect by the TOFD method and the position of the defect by the phased array method, the flaw detection test of the welded portion can be performed with higher accuracy than conventional.

ここまで説明したように、本実施形態では、材料1の溶接部におけるき裂欠陥2を早期に検知することを目的として、一度の機械走査でTOFD法やフェーズドアレイ法などの手法を同時に適用することにより、従来の粗探傷に要する検査時間で粗探傷および精密探傷の情報が取得できるようにし、高精度な欠陥寸法測定を行うことを可能としている。また、定量的な位置および寸法測定からHAZの欠陥と溶接欠陥を識別することを可能としている。すなわち、
(1)高温蒸気管溶接部などの非破壊検査を高度化するため、1回の自動探傷でフェーズドアレイプローブ3と同時に従来のTOFDプローブ3を用いて測定を行う。
(2)従来の単一振動子を用いた精密探傷に対し、フェーズドアレイプローブ3を用いることにより、測定に有する時間を大幅に短縮(具体的には、例えば1/60程度)に短縮することを可能としている。
(3)フェーズドアレイプローブ3を用いた探傷(斜角探傷)により、欠陥の三次元位置が得られ、位置測定精度は軸方向および周方向においてそれぞれ平均二乗誤差で高精度であり(例示すると、0.64mm以下および2.27mm以下)、軸方向に2mm間隔の周方向き裂欠陥2を十分に識別できる。
(4)ちなみに、欠陥指示が重畳しない場合においては、き裂2の高さに関してはフェーズドアレイ法よりTOFD法の方が高さ測定精度が良く、長さに関してはフェーズドアレイ法の方が測定精度が良い。また、き裂欠陥2がTOFD法のDスキャン方向と垂直な方向に存在し、欠陥指示が重畳する場合にはフェーズドアレイ法が有効となる。
(5)TOFD法とフェーズドアレイ法を併用することにより、検知された欠陥指示から欠陥位置を測定することにより熱影響部のき裂2と溶接欠陥を識別し、かつ高精度に欠陥寸法を測定することが可能となる。
As described so far, in the present embodiment, for the purpose of early detection of the crack defect 2 in the welded portion of the material 1, techniques such as the TOFD method and the phased array method are simultaneously applied with a single mechanical scan. This makes it possible to acquire information on rough flaw detection and precision flaw detection in the inspection time required for conventional rough flaw detection, and to perform highly accurate defect dimension measurement. Further, it is possible to distinguish HAZ defects and weld defects from quantitative position and dimension measurements. That is,
(1) In order to improve nondestructive inspection of high-temperature steam pipe welds and the like, measurement is performed using the conventional TOFD probe 3 simultaneously with the phased array probe 3 in one automatic flaw detection.
(2) By using the phased array probe 3 in comparison with the conventional precision flaw detection using a single transducer, the time required for measurement is significantly reduced (specifically, for example, about 1/60). Is possible.
(3) The three-dimensional position of the defect is obtained by flaw detection (diagonal flaw detection) using the phased array probe 3, and the position measurement accuracy is high with a mean square error in each of the axial direction and the circumferential direction (for example, 0.64 mm or less and 2.27 mm or less), and circumferential crack defects 2 with an interval of 2 mm in the axial direction can be sufficiently identified.
(4) By the way, when the defect indications do not overlap, the TOFD method has better height measurement accuracy than the phased array method with respect to the height of the crack 2, and the phased array method has a higher measurement accuracy with respect to the length. Is good. Further, when the crack defect 2 exists in a direction perpendicular to the D-scan direction of the TOFD method and the defect instruction is superimposed, the phased array method is effective.
(5) By using the TOFD method and the phased array method in combination, the defect position is measured from the detected defect indication to identify the crack 2 and the weld defect in the heat affected zone, and the defect dimension is measured with high accuracy. It becomes possible to do.

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態においては、(ii)の「ノイズ除去機能」における信号処理の具体例として、空間平均法とウェーブレット変換法のいずれか一方あるいは両方を適用する方法について説明したが(図6参照)、これら両手法は本願の出願時点における好適な手法を例示したものに過ぎないから、これらと同様の処理を実施するその他の信号処理法に代替させることは可能である。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the present embodiment, as a specific example of signal processing in the “noise removal function” of (ii), a method of applying one or both of the spatial averaging method and the wavelet transform method has been described (see FIG. 6). These two methods are merely examples of suitable methods at the time of filing of the present application, and can be replaced with other signal processing methods that perform the same processing as these.

本発明に係る厚肉構造物の自動超音波探傷の一実施形態において、ゼロクロス法により、板状の試験体底面からのi番目の反射波およびi+1番目の反射波のそれぞれにつき同一位相の点間の伝搬時間差Δt(=T−T)を求めるという算出内容を示す図である。In one embodiment of the automatic ultrasonic flaw detection of a thick-walled structure according to the present invention, the zero-cross method is used to detect points between the same phase for each of the i-th reflected wave and the i + 1-th reflected wave from the bottom of the plate-shaped specimen. is a diagram showing calculation contents of obtaining the propagation time difference Δt of (= T 2 -T 1). 隣接する波形の相似性が低下している場合に、相関関数法により、相関関数Rxyが最大となる2つの波形を選択して両者間の伝搬時間差τを求めるという算出内容を示す図である。It is a figure which shows the calculation content of selecting the two waveforms with the largest correlation function Rxy and calculating | requiring the propagation time difference (tau) between both by the correlation function method, when the similarity of adjacent waveforms is falling. . 相関関数法により2つの波形を選択して両者間の伝搬時間差τを求める際の各波形の位相スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the phase spectrum of each waveform at the time of selecting two waveforms by correlation function method and calculating | requiring the propagation time difference (tau) between both. 位相スペクトル法により音速を求める際の周波数と位相の関係例を示す図である。It is a figure which shows the example of a relationship between the frequency at the time of calculating | requiring a sound speed with a phase spectrum method. 超音波ビームがき裂のコーナー部に当たりそこからコーナーエコーと呼ばれる反射波が探触子に戻る様子を簡単に示す図である。It is a figure which shows simply a mode that a reflected wave called a corner echo returns to a probe from an ultrasonic beam hitting the corner part of a crack. ノイズ除去機能により、顕著な林状エコーや後方散乱波によるノイズがある場合であってもオンラインで信号処理する場合の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process sequence in the case of performing signal processing on-line even when there exists noise by a remarkable forest-like echo and a backscattered wave by a noise removal function. 探傷に用いられる信号の減衰がその周波数に依存していることを表す減衰スペクトルの一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the attenuation spectrum showing that attenuation of the signal used for a flaw detection is dependent on the frequency. 背面散乱波のイメージと、当該背面散乱波の振幅と周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the image of a backscattered wave, and the amplitude and frequency characteristic of the said backscattered wave. 「減衰スペクトル法」、「減衰法」、「背面散乱波法」のそれぞれによって得られた結晶粒の大きさの推定値から、より正確な推定値を得る手法を端的に示す図である。It is a figure which shows directly the method of obtaining a more exact estimated value from the estimated value of the size of the crystal grain obtained by each of "attenuation spectrum method", "attenuation method", and "backscattering wave method". 本実施形態における有限要素法による波動伝搬の解析・可視化手順の具体例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the specific example of the analysis and visualization procedure of the wave propagation by the finite element method in this embodiment. 従来の溶接部検査技術と本実施形態にかかる検査技術とを対比して示す表である。It is a table | surface which compares and shows the conventional welding part inspection technique and the inspection technique concerning this embodiment. 本実施形態におけるき裂欠陥の寸法性状評価の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the dimensional property evaluation of the crack defect in this embodiment. 本実施形態におけるき裂欠陥の寸法性状評価の評価成績例を示す表である。It is a table | surface which shows the example of an evaluation result of the dimensional property evaluation of the crack defect in this embodiment. 従来における厚肉構造物の超音波探傷の様子を簡単に示す図である。It is a figure which shows simply the mode of the ultrasonic flaw detection of the thick structure in the past. 従来の超音波探傷の際に得られる波形の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the waveform obtained in the case of the conventional ultrasonic flaw detection. 従来における厚肉構造物の超音波探傷の様子を簡単に示す図である。It is a figure which shows simply the mode of the ultrasonic flaw detection of the thick structure in the past. プローブを溶接線と平行に長手方向へと直線的に移動させる様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that a probe is linearly moved to a longitudinal direction in parallel with a welding line. ケーブルを通じて単一のパルスレシーバーにより単一の圧電素子を震わせて超音波を生じさせるというプローブ構造の従来例を示す図である。It is a figure which shows the prior art example of the probe structure which vibrates a single piezoelectric element with a single pulse receiver through a cable, and produces an ultrasonic wave. 複数のパルスレシーバーと圧電素子とを1対1に配置しフェーズドアレイの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a phased array which arrange | positions a some pulse receiver and a piezoelectric element on one-to-one basis. パルス電圧のタイミングをずらすことによって超音波ビームの方向を変化させ、焦点深度を変えて探傷するフェーズドアレイ法を示す図である。It is a figure which shows the phased array method which changes the direction of an ultrasonic beam by shifting the timing of a pulse voltage, and changes a depth of focus, and performs a flaw detection. 図20において、パルス電圧のタイミングをずらすことによって超音波ビームの方向が変化する仕組みを端的に示す図である。In FIG. 20, it is a figure which shows simply the mechanism in which the direction of an ultrasonic beam changes by shifting the timing of a pulse voltage. TOFD法において、プローブをジグザグに移動させて2次元スキャンをする様子を示す図である。In a TOFD method, it is a figure which shows a mode that a probe is moved to a zigzag and a two-dimensional scan is performed.

符号の説明Explanation of symbols

1 厚肉構造物の材料
2 き裂(き裂欠陥)
3 プローブ
1 Materials for thick-walled structures 2 Cracks (crack defects)
3 Probe

Claims (2)

厚肉構造物中に生じたき裂欠陥をTOFD法とフェーズドアレイ法の両方を適用して超音波で探傷する厚肉構造物の超音波探傷装置において、送信超音波波形と前記厚肉構造物の材料の底面や内在き裂欠陥などの反射エコーの波形とから当該材料中を伝搬する超音波の実際の音速ならびに反射体までの距離を、ゼロクロス法、相関関数法、位相スペクトル法のうちの少なくともひとつを利用して前記材料毎に計測する音速・距離測定手段と、受信波形に形状エコーや後方散乱波によるノイズが顕著に表れている場合にこれらノイズを空間平均法とウェーブレット変換法のいずれか一方または両方を適用した信号処理により当該ノイズ強度を低下させてこれと引き換えに欠陥信号を強調するノイズ除去手段と、前記材料中における複数種類の結晶粒の大きさに依存する超音波の周波数と減衰率との関係の測定結果、あるいはこれと同様に前記結晶粒の大きさに依存する前記超音波の背面散乱波の振幅と周波数特性の測定結果を利用して当該結晶粒の大きさを評価し、この評価結果に基づき当該結晶粒に最適な探傷周波数を選択する結晶粒評価手段と、前記超音波の波動伝搬の挙動が複雑な場合に当該波動伝搬を解析して可視化し、粗大な結晶を有する前記材料の超音波伝搬特性を予測可能とする超音波伝搬特性予測手段とを備えていることを特徴とする厚肉構造物の超音波探傷装置。   In an ultrasonic flaw detection apparatus for a thick-walled structure in which crack defects generated in a thick-walled structure are flawlessly detected by applying both the TOFD method and the phased array method, the transmitted ultrasonic waveform and the thick-walled structure The actual sound speed of the ultrasonic wave propagating in the material and the distance to the reflector from the waveform of the reflected echo such as the bottom surface of the material or an internal crack defect, and at least one of the zero cross method, the correlation function method, and the phase spectrum method are used. Sound velocity / distance measuring means that measures each material using one, and if noise due to shape echo or backscattered wave appears remarkably in the received waveform, these noises are either spatial averaging method or wavelet transform method Noise removal means for enhancing the defect signal in exchange for reducing the noise intensity by signal processing using one or both, and a plurality of types of connections in the material. Measurement result of the relationship between the frequency and attenuation rate of the ultrasonic wave depending on the size of the grain, or measurement result of the amplitude and frequency characteristics of the backscattered wave of the ultrasonic wave depending on the size of the crystal grain similarly to this The crystal grain size is evaluated using the above-described evaluation results, and the crystal grain evaluation means for selecting the optimum flaw detection frequency for the crystal grain based on the evaluation result, and the behavior of the ultrasonic wave propagation is complicated. Ultrasonic flaw detection of a thick-walled structure characterized by comprising ultrasonic propagation characteristic predicting means that analyzes and visualizes wave propagation and makes it possible to predict the ultrasonic propagation characteristic of the material having a coarse crystal apparatus. 厚肉構造物中に生じたき裂欠陥をTOFD法とフェーズドアレイ法の両方を適用して超音波で探傷する厚肉構造物の超音波探傷方法において、送信超音波波形と前記厚肉構造物の材料の底面や内在き裂欠陥などの反射エコーの波形とから当該材料中を伝搬する超音波の実際の音速ならびに反射体までの距離を、ゼロクロス法、相関関数法、位相スペクトル法のうちの少なくともひとつを利用して前記材料毎に計測する音速・距離測定ステップと、受信波形に形状エコーや後方散乱波によるノイズが顕著に表れている場合にこれらノイズを空間平均法とウェーブレット変換法のいずれか一方または両方を適用した信号処理により当該ノイズ強度を低下させてこれと引き換えに欠陥信号を強調するノイズ除去ステップと、前記材料中における複数種類の結晶粒の大きさに依存する超音波の周波数と減衰率との関係の測定結果、あるいはこれと同様に前記結晶粒の大きさに依存する前記超音波の背面散乱波の振幅と周波数特性の測定結果を利用して当該結晶粒の大きさを評価し、この評価結果に基づき当該結晶粒に最適な探傷周波数を選択する結晶粒評価ステップと、前記超音波の波動伝搬の挙動が複雑な場合に当該波動伝搬を解析して可視化し、粗大な結晶を有する前記材料の超音波伝搬特性を予測可能とする超音波伝搬特性予測ステップとからなることを特徴とする厚肉構造物の超音波探傷方法。


In an ultrasonic flaw detection method for a thick structure in which a crack defect generated in a thick structure is ultrasonically detected by applying both the TOFD method and the phased array method, a transmitted ultrasonic waveform and the thick structure The actual sound speed of the ultrasonic wave propagating in the material and the distance to the reflector from the waveform of the reflected echo such as the bottom surface of the material or an internal crack defect, and at least one of the zero cross method, the correlation function method, and the phase spectrum method are used. The sound velocity / distance measurement step that measures each material using one, and if noise due to shape echo or backscattered wave appears remarkably in the received waveform, these noises are either spatial averaging method or wavelet transform method A noise removal step of reducing the noise intensity by signal processing applying one or both and emphasizing a defect signal in return, and a plurality of noise removal steps in the material Measurement result of the relationship between the frequency and attenuation rate of the ultrasonic wave depending on the size of the crystal grain, or the amplitude and frequency characteristics of the backscattered wave of the ultrasonic wave depending on the size of the crystal grain as well as this The size of the crystal grain is evaluated using the measurement results of the above, and the crystal grain evaluation step for selecting the optimum flaw detection frequency for the crystal grain based on the evaluation result, and the behavior of the wave propagation of the ultrasonic wave are complicated Ultrasonic wave of a thick-walled structure, characterized in that it comprises an ultrasonic wave propagation characteristic prediction step that makes it possible to analyze and visualize the wave propagation and predict the ultrasonic wave propagation characteristic of the material having a coarse crystal Flaw detection method.


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US7891247B2 (en) * 2007-05-16 2011-02-22 The Boeing Company Method and system for detecting an anomaly and determining its size
US8015877B2 (en) 2007-05-16 2011-09-13 The Boeing Company Imaging an anomaly using backscattered waves
US8499632B1 (en) 2010-08-23 2013-08-06 The Boeing Company Characterizing anomalies in a laminate structure
CN102955004B (en) * 2012-10-31 2014-10-22 同济大学 Subway tunnel segment service performance detection method based on wave velocity determination
CN105388212B (en) * 2015-10-23 2018-08-10 北京大学 The supersonic detection method of defect in a kind of thick walled composite tubular shape structure
JP7252918B2 (en) * 2020-04-14 2023-04-05 三菱重工業株式会社 Soft tissue detection method
CN112362746A (en) * 2020-09-16 2021-02-12 中国大唐集团科学技术研究院有限公司火力发电技术研究院 Creep damage degree rapid evaluation method based on ultrasonic waves

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