JP4389218B2 - 管の斜角超音波探傷における屈折角の測定方法及び装置並びにこれを用いた管の斜角超音波探傷方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、管の斜角超音波探傷における屈折角の測定方法及び装置並びにこれを用いた管の斜角超音波探傷方法及び装置に関し、特に管内部での超音波の伝搬時間を精度良く測定することにより、精度良く屈折角を測定することのできる測定方法及び装置並びにこれを用いた管の斜角超音波探傷方法及び装置に関する。

従来より、各種被検査材の溶接部等に生じたきずや鋼管、棒鋼等の表面きずを非破壊的に検査する方法として、被検査材表面に対して斜め方向に超音波を入射させる斜角超音波探傷が知られている。

斯かる斜角超音波探傷において、入射した超音波はスネルの法則に従った所定の屈折角で屈折し被検査材内部を伝搬することになる。すなわち、上記超音波の屈折角は、被検査材への超音波の入射角、接触媒質（水など）において伝搬する超音波の音速、被検査材内部において伝搬する超音波の音速によって決定されることになる。

斜角超音波探傷を行う際には、上記のようにして決定された屈折角に基づいて、探傷しようとする部位（例えば被検査材の溶接部等）に超音波が伝搬するように超音波探触子を配設すれば良い。しかしながら、上記のようにスネルの法則に基づいて算出される屈折角はあくまでも入射角等から算出される理論値であるため、実際の屈折角が理論値からずれていれば、理論値に基づいて配設した超音波探触子から探傷部位に超音波が伝搬せず或いは超音波ビームの中心が探傷部位から外れることにより、有害なきずを見逃してしまう事態が生じることも考えられる。

特に、被検査材が管である場合には、超音波が入射する管の外面が弧状であることに起因して、仮に入射角を一定としても管の径に応じて屈折角が変化し得るため、実際の屈折角と入射角等から算出される理論値との誤差が比較的大きくなると考えられる。また、鋼管の水浸法で多用される焦点型超音波探触子を用いる場合には、鋼管の弧状の外面に超音波が入射し屈折することに起因して、入射する超音波ビームの中心と屈折する超音波ビームの中心とが必ずしも一致しないという問題があり、実際の屈折角（屈折する超音波ビームの中心の屈折角）と入射角（入射する超音波ビームの中心の入射角）等によって算出される理論値との誤差が顕著になると考えられる。

従って、このような事態を回避するには、超音波の屈折角を実測（入射角の値を用いずに測定）することが有用である。また、斜角超音波探傷を行った被検査材を再度探傷するような場合（例えば、被検査材の製造メーカで斜角超音波探傷を行った被検査材に対して、その出荷後に購入先において再度斜角超音波探傷を行うような場合）にも、両者の探傷条件を合致させるべく、超音波の屈折角を実測することが望ましい。

各種被検査材のうち板材については、超音波の屈折角を測定する方法として従来より種々の方法が提案されている。例えば、図４に示すように、被検査材の表面（超音波入射面）から裏面に設けられた人工きずまでの超音波の伝搬時間を測定し、被検査材内部において伝搬する超音波の音速から下記の式（１）に基づき、被検査材の表面（超音波入射面）から裏面に設けられた人工きずまでの超音波の伝搬距離Ｌを算出した後、これと被検査材の厚みｔとから幾何学的に下記の式（２）に基づいて屈折角θを求める方法が提案されている。
Ｌ＝伝搬時間×被検査材内部において伝搬する超音波の音速 ・・・（１）
ｃｏｓθ＝ｔ／Ｌ ・・・（２）

なお、一般的には、伝搬距離Ｌを上記式（１）に基づいて算出するのではなく、図５に示すように、円弧形状（半径Ｒ＝１００ｍｍ）を有するＡ１形標準試験片を用いて算出している。すなわち、図５に示すＡ１形標準試験片の円弧中心に超音波探触子を配設し、超音波を発振してから反射エコーを受信するまでの伝搬時間と伝搬距離（２Ｒ＝２００ｍｍ）との関係を予め校正しておくことにより、上記式（１）に示す超音波の音速の値を用いずに、測定した伝搬時間から直ちに伝搬距離を算出する方法が採用されている。

また、特許文献１に記載のように、送信用の超音波探触子と受信用の超音波探触子とをそれらの間隔可変に配設し、送信用の超音波探触子によって送信された超音波が被検査材を伝搬して受信用の超音波探触子で受信された際の両超音波探触子への超音波入射点の間隔と被検査材の厚みとから屈折角を算出する方法が提案されている。

さらに、特許文献２に記載のように、いわゆるＢスキャン画像のエコーダイナミック弧の両端点をつなぐ直線の傾斜に基づいて屈折角を測定する方法が提案されている。
特開平９−３３４９５号公報 特開平７−１６８７８４２号公報

しかしながら、従来より提案されている上記超音波屈折角の測定方法は、何れも対象とする被検査材が板材であるため、管の斜角超音波探傷における屈折角の測定方法としてそのまま適用することは困難である。

より具体的に説明すれば、前述した被検査材内部における超音波の伝搬時間に基づいて屈折角を算出する方法を管の斜角探傷、特に鋼管の斜角探傷で多用されている水浸法による斜角探傷における屈折角の測定方法として適用する場合、超音波探触子から管の外面までの水距離に対して管の肉厚が薄い場合、水中伝搬に要する長い伝搬時間に比べて管の肉厚に応じた管内外面の間の僅かな伝搬時間を管内部における超音波の伝搬時間として測定する必要が生じる。従って、従来のように超音波を発振してから反射エコーを受信するまでの時間全体を試験片を用いて校正したのでは、十分な伝搬時間の測定精度が得られないという問題がある。

また、特許文献１に記載の方法を管の斜角超音波探傷における屈折角の測定方法として適用するためには、管の周方向に沿って送信用の超音波探触子と受信用の超音波探触子とを間隔可変に配設する必要があり、多種多様の外径を有する管に適用することは事実上困難である。また、送信用及び受信用の超音波探触子への超音波入射点の間隔を正確に測定するには、各超音波探触子の超音波入射点を正確に検出する必要がある他、超音波入射点における管の周方向接線に沿った姿勢に超音波探触子を保持する必要があり、実際には楕円形状を有する鋼管等の管の外周面でこのような動作を実行することは極めて困難である。

また、特許文献２に記載の方法は、Ｂスキャン画像を用いる方法であるため、被検査材の周方向に沿って超音波探触子を走査する必要があり、超音波探触子の入射角を一定にした状態で精度良く走査することは事実上困難である。また、特許文献２に記載の方法においてエコーダイナミック弧を得るためには、超音波ビームの拡がりが大きい超音波探触子（特許文献２の図２参照）を用いる必要があり、鋼管の水浸法で多用される焦点型超音波探触子を用いたのでは、きずからの反射エコーが１パルス乃至２パルス分しか得られず、明確なエコーダイナミック弧が得られないという問題がある。さらには、手動での探傷や鋼管の水浸法では本来不要であるＢスキャン画像を必要とするため、検査効率の低下を招くという問題もある。

本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、管の斜角超音波探傷において、管内部での超音波の伝搬時間を精度良く測定することにより、精度良く屈折角を測定することのできる測定方法及び装置並びにこれを用いた管の斜角超音波探傷方法及び装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するべく、本発明は、超音波探触子から被測定管に向けて発振された超音波が反射して得られる反射エコーについて、前記被測定管の内面に設けられた人工きずでの反射エコー及び前記被測定管の外面に設けられた人工きずでの反射エコーを選択するステップと、前記超音波の発振に同期して一定時間間隔で出力され且つ前記選択した２つの反射エコーと同時に表示される信号を参照することにより、前記選択した２つの反射エコーの時間間隔を算出するステップと、前記算出した時間間隔と前記被測定管内を伝搬する超音波の音速とに基づいて、前記選択した２つの反射エコーの伝搬距離（２×Ｄ）を算出するステップと、前記算出した伝搬距離と前記被測定管の内径ＩＤ及び外径ＯＤとに基づいて、超音波の屈折角θを以下の式で算出するステップとを含むことを特徴とする管の斜角超音波探傷における屈折角の測定方法を提供するものである。
ｃｏｓθ＝｛（ＯＤ／２） ^２ ＋Ｄ ^２ −（ＩＤ／２） ^２ ｝／｛２×ＯＤ／２×Ｄ｝
前記一定時間間隔で出力され且つ前記選択した２つの反射エコーと同時に表示される信号は、例えば、周波数可変の電気パルス信号とすることができる。

或いは、前記課題を解決するべく、本発明は、超音波探触子から被測定管に向けて発振された超音波が反射して得られる反射エコーについて、前記被測定管の外面での反射エコー、前記被測定管の内面に設けられた人工きずでの反射エコー及び前記被測定管の外面に設けられた人工きずでの反射エコーのうち何れか２つの反射エコーを選択するステップと、厚みが既知の試験片に向けて、前記超音波探触子からの超音波の発振に同期して他の超音波探触子から発振された超音波が反射して得られる底面多重反射エコー（超音波の入射面と対向する面から繰り返し反射される反射エコー）を参照することにより、前記選択した２つの反射エコーの伝搬距離を算出するステップと、前記算出した伝搬距離と前記被測定管の寸法とに基づいて、超音波の屈折角を算出するステップとを含むことを特徴とする管の斜角超音波探傷における屈折角の測定方法としても提供される。
斯かる発明は、比較的肉厚が厚い被測定管の場合に好適に用いることができる。ただし、厚みが既知の試験片から得られる底面多重反射エコーは縦波の反射エコーである一方、斜角超音波探傷に用いられる反射エコーは横波であるため、選択した２つの反射エコーの伝搬距離を算出するには音速に関する補正が必要である。しかしながら、超音波の発振に同期して一定時間間隔で信号を出力する信号出力手段を必要としないため、簡易に屈折角の測定が可能であるという利点を有する。なお、前記選択した２つの反射エコーの伝搬距離をより一層精度良く算出するためには、前記試験片の厚みを前記選択した２つの反射エコーの時間間隔よりも小さくすることが好ましい。

以上の発明によれば、被測定管の外面での反射エコー（超音波が被測定管に入射する際の外面での反射エコー）、被測定管の内面に設けられた人工きずでの反射エコー及び被測定管の外面（外面のうち超音波が被測定管に入射する部位とは異なる部位）に設けられた人工きずでの反射エコーのうち何れか２つの反射エコーを選択し、超音波の発振に同期して一定時間間隔で出力される信号を参照することにより、選択した２つの反射エコーの時間間隔を算出するように構成される。すなわち、超音波探触子は、超音波の発振後、被測定管の外面での反射エコー、被測定管の内面に設けられた人工きずでの反射エコー、被測定管の外面に設けられた人工きずでの反射エコーの順に受信することになるが、超音波の発振に同期して一定時間間隔で出力される信号を参照する（例えば、当該出力信号と前記選択した２つの反射エコーとをモニタに同時に表示し、両者を対比して２つの反射エコーの時間間隔が前記出力信号の時間間隔の何倍に相当するかを読み取る）ことにより、前記選択した２つの反射エコーの時間間隔を精度良く算出することができる。なお、前記選択した２つの反射エコーの時間間隔をより一層精度良く算出するためには、超音波の発振に同期して出力される信号の時間間隔を、前記選択した２つの反射エコーの時間間隔よりも小さくすることが好ましい。

ここで、前記算出した時間間隔（選択した何れか２つの反射エコーの時間間隔）は、被測定管内部での超音波の伝搬時間に対応（比例）することになる。より具体的に説明すれば、例えば、被測定管の外面での反射エコーと被測定管の内面に設けられた人工きずでの反射エコーとの時間間隔は、被測定管の外面から内面までの超音波の伝搬時間の２倍に相当し、被測定管の外面での反射エコーと被測定管の外面に設けられた人工きずでの反射エコーとの時間間隔は、被測定管の外面から内面までの超音波の伝搬時間の４倍に相当することになる。従って、前記算出した時間間隔と前記被測定管内を伝搬する超音波の音速とに基づいて前記選択した２つの反射エコーの伝搬距離を算出し（時間を距離に換算し）、当該算出した伝搬距離と被測定管の寸法（外径、内径等）とに基づいて幾何学的に超音波の屈折角を算出することが可能である。

なお、本発明において、「前記被測定管の外面での反射エコー、前記被測定管の内面に設けられた人工きずでの反射エコー及び前記被測定管の外面に設けられた人工きずでの反射エコーのうち何れか２つの反射エコーを選択する」とは、被測定管の内面及び外面に双方に人工きずを設け、被測定管の外面での反射エコーを含めた３つの反射エコーのうち何れか２つの反射エコーを選択する場合に限らず、被測定管の内面及び外面に何れか一方にのみ人工きずを設け、被測定管の外面での反射エコーと前記内面及び外面の何れか一方に設けられた人工きずでの反射エコーとを選択する場合をも含む意味である。また、「前記選択した２つの反射エコーの伝搬距離」とは、一方の反射エコーが生じた被測定管の部位から他方の反射エコーが生じた被測定管の部位まで超音波が伝搬した距離の２倍の値を意味する。

なお、本発明は、前記何れかの測定方法によって測定した屈折角に基づいて管の斜角超音波探傷を行うことを特徴とする管の斜角超音波探傷方法としても提供される。

また、前記課題を解決するべく、本発明は、上記何れかに記載の測定方法を実施するために用いられる管の斜角超音波探傷における屈折角測定装置であって、超音波探触子と、前記超音波探触子から被測定管に向けて発振された超音波が反射して得られる反射エコーを表示する超音波探傷器と、前記超音波の発振に同期して一定時間間隔で信号を前記超音波探傷器に出力する信号出力手段とを備え、前記超音波探傷器は、前記信号出力手段から出力された信号を前記反射エコーと同時に表示するように構成されていることを特徴とする管の斜角超音波探傷における屈折角測定装置としても提供される。

前記信号出力手段は、周波数可変の電気パルス信号を出力するパルス発生器とすることができる他、厚みが既知の試験片と、当該試験片の厚み方向に超音波を発振すると共にその底面多重反射エコーを受信するように前記試験片の表面に配設された超音波探触子とで構成することも可能である。

なお、本発明は、前記屈折角測定装置を具備することを特徴とする管の斜角超音波探傷装置としても提供される。

本発明によれば、管の斜角超音波探傷において、管内部での超音波の伝搬時間（伝搬距離）を精度良く測定することが可能であり、ひいては精度良く屈折角を測定することが可能である。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態に係る管の斜角超音波探傷における屈折角の測定方法（以下、適宜「屈折角測定方法」という）について説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る屈折角測定方法を適用するための屈折角測定装置の概略構成図であり、図１（ａ）は全体構成を示し、図１（ｂ）は信号出力手段（パルス発生器）の回路構成を示す。図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る屈折角測定装置１００は、超音波探触子１と、超音波探触子１から被測定管に向けて発振された超音波が反射して得られる反射エコーを表示する超音波探傷器２と、超音波の発振に同期して一定時間間隔で信号を超音波探傷器２に出力する信号出力手段３とを備えている。なお、本実施形態では、好ましい態様として、信号出力手段３から出力される信号の時間間隔が、前記反射エコーの時間間隔よりも小さく設定されている。

本実施形態に係る信号出力手段３は、周波数可変の電気パルス信号を出力するパルス発生器とされている。図１（ｂ）に示すように、本実施形態に係るパルス発生器３は、超音波探触子１からの超音波の発振タイミングを検出する（超音波探傷器２から出力された発振パルスを所定のしきい値と比較し、当該しきい値を超えたタイミングを発振タイミングとして検出する）ための発振パルス検出回路３１と、所定周波数のクロックパルスを発生するクロック発生回路３２と、クロック発生回路３２から出力されたクロックパルスを発信パルス検出回路で検出された発振タイミングに同期させるためのゲート回路３３と、増幅回路３４と、減衰器３５と、出力インタフェース３６とを具備している。斯かる構成において、クロック発生回路３２から出力されるクロックパルスの周波数を適宜変更することにより、パルス発生器３から出力される電気パルス信号の周波数を変更可能（本実施形態では、デューティ比が０．５で、１、５、１０、２５μsecの各パルス幅を有する電気パルス信号、すなわち、時間間隔がそれぞれ１、５、１０、２５μsecの電気パルス信号を出力可能）にしている。

超音波探傷器２は、パルス発生器３から出力された電気パルス信号を、超音波探触子１から被測定管に向けて発振された超音波が反射して得られる反射エコーと同時に表示（超音波探傷器２が具備するモニタ２１に表示）するように構成されている。

以下、斯かる構成を有する屈折角測定装置１００によって屈折角を測定する方法について説明する。

図２は、本実施形態に係る屈折角測定方法を説明するための説明図であり、図２（ａ）は超音波探触子１の配置例を示す概略図であり、図２（ｂ）は超音波探傷器２のモニタ２１で表示される表示画面の例を模式的に示す図である。図２（ａ）に示すように、本実施形態に係る屈折角測定方法を実施するに際し、先ず被測定管Ｐの内面Ｐ１及び外面Ｐ２の適宜の位置にそれぞれ人工きずＤ１及びＤ２を設ける。

なお、図２（ａ）では説明の便宜上、人工きずＤ１及びＤ２を被測定管Ｐの同一断面上に設けるように、また、図２（ｂ）でも人工きずＤ１での反射エコーＤＥ１及び人工きずＤ２での反射エコーＤＥ２が同時にモニタ２１上に表示されるように図示しているが、実際には、内外面人工きずＤ１、Ｄ２は、感度較正や探傷ゲートの位置設定を考慮して、被測定管Ｐの長手方向に異なる位置に設けるのが一般的である。このため、被測定管Ｐがその長手方向に移動（管長手方向についての被測定管Ｐと超音波探触子１との相対的な位置関係が変動）した際、被測定管Ｐの外面での反射エコーＰＥは、被測定管Ｐの全長に亘って検出されモニタ２１上に表示されるが、被測定管Ｐの内面又は外面人工きずでの反射エコーＤＥ１又はＤＥ２は、各人工きずＤ１又はＤ２での反射エコーが検出される管長手方向位置に被測定管Ｐが位置した際にそれぞれモニタ２１上に表示されることになる。また、本実施形態では被測定管Ｐの内面Ｐ１及び外面Ｐ２の双方に人工きずＤＥ１及びＤＥ２を設ける構成について説明するが、本発明はこれに限るものではなく、何れか一方にのみ人工きずを設ける構成を採用することも可能である。

図２（ａ）に示すように、超音波探触子１から被測定管Ｐに向けて発振された超音波は、接触媒質としての水Ｗを伝搬し被測定管Ｐの外面の部位Ｐ０に到達する。この際、外面の部位Ｐ０で到達した超音波の一部が反射し、逆の伝搬経路を辿って超音波探触子１により外面反射エコーＰＥとして検出される。一方、被測定管Ｐの外面の部位Ｐ０から被測定管Ｐに入射した超音波は、屈折角θで屈折した後、被測定管Ｐの内部を伝搬する。そして、被測定管Ｐの内面Ｐ１に設けられた人工きずＤ１で反射すると共に、被測定管Ｐの外面Ｐ２に設けられた人工きずＤ２でも反射する。人工きずＤ１及びＤ２で反射した超音波は、逆の伝搬経路を辿り、超音波探触子１によってそれぞれ反射エコーＤＥ１及びＤＥ２として検出される。

図２（ｂ）に示すように、超音波探触子１によって検出された各反射エコーＰＥ、ＤＥ１及びＤＥ２は、超音波探触子１の発振パルスと共に超音波探傷器２のモニタ２１に表示される。ただし、これらの波形を全て表示する必要はなく、モニタ２１の倍率を適宜変更して、反射エコーＰＥ、ＤＥ１及びＤＥ２のうち、後述するように選択する何れか２つの反射エコーを表示してもよい。

前述のように、超音波探傷器２は、これら反射エコーＰＥ、ＤＥ１及びＤＥ２とパルス発生器３から出力された電気パルス信号ＰＳとを表示するように構成されている。そして、反射エコーＰＥ、ＤＥ１及びＤＥ２のうち何れか２つの反射エコーを選択すると共に、電気パルス信号ＰＳの周波数を適宜変更して、電気パルス信号ＰＳの時間間隔が前記選択した反射エコーの時間間隔よりも小さくなるように調整する。この状態で電気パルス信号ＰＳと前記選択した２つの反射エコーとのモニタ２１の時間軸上の位置を目視で対比し、前記選択した２つの反射エコーの時間間隔が電気パルス信号ＰＳの時間間隔の何倍に相当するかを読み取れば、前記選択した２つの反射エコーの時間間隔を精度良く算出することができる。換言すれば、電気パルス信号ＰＳの一定時間間隔が、２つの反射エコーの時間間隔を算出するための目盛りの役割を果たすことになる。このため、電気パルス信号ＰＳの時間間隔の設定値としては、信号波形の乱れが生じず且つ目視で読み取り可能な限りにおいて小さければ小さいほど好ましい。なお、図２（ｂ）に示す例では、被測定管Ｐの内面Ｐ１の人工きずＤ１での反射エコーＤＥ１と外面Ｐ２の人工きずＤ２での反射エコーＤＥ２とを選択し、電気パルス信号ＰＳの時間間隔を５μsecに設定することにより、両反射エコーＤＥ１とＤＥ２との時間間隔を９μsecとして算出可能である。

なお、上記の説明においては、便宜上、人工きずＤ１及びＤ２を被測定管Ｐの同一断面上に設けると共に、人工きずＤ１での反射エコーＤＥ１及び人工きずＤ２での反射エコーＤＥ２が同時にモニタ２１上に表示されるものとして説明したが、前述したように、実際には内外面人工きずＤ１、Ｄ２を被測定管Ｐの長手方向の異なる位置に設けるのが一般的である。内外面人工きずＤ１、Ｄ２を被測定管Ｐの長手方向の異なる位置に設ける構成において、外面反射エコーＰＥと、内外面人工きずでの反射エコーＤＥ１又はＤＥ２の何れかとを選択して時間間隔を算出する場合、前述のように外面反射エコーＰＥは被測定管Ｐの全長に亘って検出されるため、内面人工きずＤ１での反射エコーＤＥ１又は外面人工きずＤ２での反射エコーＤＥ２をそれぞれ検出できる各位置で被検査管Ｐを停止させれば、２つの反射エコーが同時にモニタ２１に表示されることになる。従って、２つの反射エコーが同時にモニタ２１に表示される位置で被検査管Ｐを停止させた状態で前記２つの反射エコーの時間間隔を算出すればよい。

一方、内外面人工きずＤ１、Ｄ２を被測定管Ｐの長手方向の異なる位置に設ける構成において、内面人工きずＤ１での反射エコーＤＥ１と外面人工きずＤ２での反射エコーＤＥ２とを選択する場合には、以下のようにして前記２つの反射エコーの時間間隔を算出すればよい。すなわち、まず何れか一方の人工きずでの反射エコーを検出できる管長手方向位置で被測定管Ｐを停止させ、モニタ２１の前記反射エコーが検出された時間軸上の位置を記録する。その後、他方の人工きずでの反射エコーを検出できる管長手方向位置に被検査管Ｐを移動して停止させ、その状態で検出している他方の人工きずでの反射エコーの時間軸上の位置と、先に記録した一方の人工きずでの反射エコーの時間軸上の位置との時間間隔を算出すればよい。なお、電気パルス信号ＰＳを出力するパルス発生器３にオフセット機能を付与し、前記一方の人工きずでの反射エコーの検出位置に合致するように電気パルス信号ＰＳの立ち上がり（又は立ち下がり）の位置をオフセットさせれば、上記のように一方の人工きずでの反射エコーが検出された時間軸上の位置を記録しなくても時間間隔を算出することが可能である。

次に、以上のようにして算出した時間間隔（選択した２つの反射エコーの時間間隔）と被測定管Ｐ内を伝搬する超音波の音速とに基づいて、選択した２つの反射エコーの伝搬距離を算出する。より具体的には、算出した時間間隔と超音波の音速とを乗算することにより伝搬距離を算出する。例えば、反射エコーＤＥ１とＤＥ２とを選択した場合を考えると、算出される伝搬距離は、図２（ａ）に示す人工きずＤ１とＤ２との距離Ｄの２倍に相当することになる。

そして、算出した伝搬距離（２Ｄ）と被測定管Ｐの寸法（内径ＩＤ、外径ＯＤ）とに基づいて超音波の屈折角θを算出する。より具体的には、下記の式（３）に基づいて屈折角θを算出すればよい。
ｃｏｓθ＝｛（ＯＤ／２）^２＋Ｄ^２−（ＩＤ／２）^２｝／｛２×ＯＤ／２×Ｄ｝ ・・・（３）

なお、上記式（３）は、以下の理由によって成立する。すなわち、図２（ａ）に示すように、超音波が人工きずＤ１において人工きずＤ２に向けて反射する際、入射角αと反射角βとは等しくなる関係にあるため、超音波の入射部位Ｐ０と人工きずＤ１との距離は、人工きずＤ１とＤ２との距離Ｄに等しくなる。従って、図２（ａ）においてハッチを施した三角形（各辺の長さがそれぞれＤ、ＯＤ／２、ＩＤ／２の三角形）について余弦定理を適用すれば、上記式（３）が成立することになる。

以上に説明したように、本実施形態に係る屈折角測定方法によれば、被測定管Ｐの外面Ｐ２での反射エコーＰＥ、被測定管Ｐの内面Ｐ１に設けられた人工きずＤ１での反射エコーＤＥ１及び被測定管Ｐの外面Ｐ２に設けられた人工きずＤ２での反射エコーのうち何れか２つの反射エコーを選択し、超音波の発振に同期して選択した２つの反射エコーの時間間隔よりも小さい一定時間間隔で出力される信号を参照することにより、選択した２つの反射エコーの時間間隔を精度良く算出することが可能である。そして、前記精度良く算出した時間間隔と被測定管Ｐ内を伝搬する超音波の音速とに基づいて伝搬距離を算出し、当該算出した伝搬距離と被測定管の寸法（外径、内径）とに基づいて幾何学的に超音波の屈折角θを精度良く算出することが可能である。

なお、以上のようにして屈折角θを測定した後、人工きずを設けた被測定管Ｐを実際に超音波探傷を行うべき製品としての管に変更し、前記測定した屈折角θに応じて探傷部位等を設定すれば、有害なきずの見逃しを回避した超音波探傷が行える他、超音波探傷を行った後、同一の管について再度超音波探傷を行う場合には、両者の探傷条件を合致させることができるという利点が得られる。

＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態に係る屈折角測定方法を適用するための屈折角測定装置の概略構成図である。図３に示すように、本実施形態に係る屈折角測定装置２００も第１実施形態と同様に、超音波探触子１と、超音波探触子１から被測定管に向けて発振された超音波が反射して得られる反射エコーを表示する超音波探傷器２と、超音波の発振に同期して一定時間間隔で出力される信号であって、好ましい態様として前記反射エコーの時間間隔よりも小さい時間間隔の信号を超音波探傷器２に出力する信号出力手段４とを備えている。しかしながら、本実施形態に係る信号出力手段４は、厚み及び音速が既知の試験片４１と、試験片４１の厚み方向に超音波を発振すると共にその底面反射エコーを受信するように試験片４１の表面に配設された超音波探触子４２とで構成されている点で、第１実施形態と異なる。

本実施形態に係る超音波探傷器２は、超音波探触子４２から出力された試験片４１の底面多重反射エコーを、超音波探触子１から被測定管に向けて発振された超音波が反射して得られる反射エコーと同時に表示（超音波探傷器２が具備するモニタ２１に表示）するように構成されている。

以下、斯かる構成を有する屈折角測定装置２００によって屈折角を測定する方法について説明する。

本実施形態に係る屈折角測定方法も、図２を参照して説明した第１実施形態と同様（従って、以下の説明では便宜上、必要に応じて図２に示す符号を用いる）に、先ず被測定管Ｐの内面Ｐ１及び外面Ｐ２の適宜の位置にそれぞれ人工きずＤ１及びＤ２を設ける。そして、超音波探触子１から被測定管Ｐに向けて超音波を発振することにより、外面の部位Ｐ０、人工きずＤ１及びＤ２で反射した超音波が、逆の伝搬経路を辿り、超音波探触子１によってそれぞれ外面反射エコーＰＥ、反射エコーＤＥ１及びＤＥ２として検出される。超音波探触子１によって検出された各反射エコーＰＥ、ＤＥ１及びＤＥ２は、超音波探触子１の発振パルスと共に超音波探傷器２のモニタ２１に表示される。

前述のように、超音波探傷器２は、これら反射エコーＰＥ、ＤＥ１及びＤＥ２と、超音波探触子４２から出力された試験片４１の底面多重反射エコーとを表示するように構成されている。そして、第１実施形態と同様に、反射エコーＰＥ、ＤＥ１及びＤＥ２のうち何れか２つの反射エコーを選択する。ここで、試験片４１の底面反射エコーは、好ましい態様として前記選択した２つの反射エコーの時間間隔に相当する厚みよりも小さく設定された試験片４１の厚みに応じた一定の時間間隔で繰り返し出力される。換言すれば、反射エコーＰＥ、ＤＥ１及びＤＥ２のうちの何れを選択したとしても、各底面反射エコーの時間間隔は、選択した２つの反射エコーの時間間隔よりも小さい値となる。また、各底面エコーの時間間隔は、既知である試験片４１の厚みの２倍の距離に相当することになる。従って、底面多重反射エコーと前記選択した２つの反射エコーとのモニタ２１の時間軸上の位置を目視で対比し、前記選択した２つの反射エコーの時間間隔が底面多重反射エコーの時間間隔の何倍に相当するかを読み取れば、被測定管Ｐ内を伝搬する超音波の音速を用いて時間を距離に換算しなくても、前記選択した２つの反射エコーの伝搬距離を直接精度良く算出することができる。なお、算出した伝搬距離と被測定管Ｐの寸法とに基づいて超音波の屈折角を算出する方法については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

以上に説明したように、本実施形態に係る屈折角測定方法によれば、被測定管Ｐの外面Ｐ２での反射エコーＰＥ、被測定管Ｐの内面Ｐ１に設けられた人工きずＤ１での反射エコーＤＥ１及び被測定管Ｐの外面Ｐ２に設けられた人工きずＤ２での反射エコーのうち何れか２つの反射エコーを選択し、超音波の発振に同期して選択した２つの反射エコーの時間間隔よりも小さい一定時間間隔で出力される信号を参照することにより、選択した２つの反射エコーの伝搬距離を精度良く算出することが可能である。そして、前記精度良く算出した伝搬距離と被測定管の寸法（外径、内径）とに基づいて幾何学的に超音波の屈折角θを精度良く算出することが可能である。

なお、以上に説明した第１実施形態及び第２実施形態においては、電気パルス信号（或いは底面多重反射エコー）と、選択した２つの反射エコーとを目視で対比することにより、選択した２つの反射エコーの時間間隔（或いは伝搬距離）を測定する方法について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、これらを自動的に測定する方法を適用することも可能である。選択した２つの反射エコーの時間間隔を自動的に測定するには、例えば、超音波探触子１から超音波を発振したタイミングを基準として、選択した２つの反射エコーについて各反射エコーまでの電気パルス信号のパルス数をそれぞれカウンタ回路で計数し、当該計数した各反射エコーに対応するパルス数の差を時間間隔として算出すればよい。同様にして、選択した２つの反射エコーの伝搬距離を自動的に測定するには、例えば、超音波探触子１から超音波を発振したタイミングを基準として、選択した２つの反射エコーについて各反射エコーまでの底面反射エコーの数をそれぞれカウンタ回路で計数し、当該計数した各反射エコーに対応する底面反射エコーの数の差に基づいて伝搬距離を算出すればよい。

図１は、本発明の第１実施形態に係る屈折角測定方法を適用するための屈折角測定装置の概略構成図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る屈折角測定方法を説明するための説明図である。 図３は、本発明の第２実施形態に係る屈折角測定方法を適用するための屈折角測定装置の概略構成図である。 図４は、従来の板材についての屈折角測定方法を説明するための説明図である。 図５は、従来の板材についての屈折角測定方法において、伝搬時間と伝搬距離との関係を校正する方法を説明するための説明図である。

符号の説明

１・・・超音波探触子
２・・・超音波探傷器
３・・・信号出力手段（パルス発生器）
４・・・信号出力手段
４１・・・試験片
４２・・・超音波探触子
１００，２００・・・屈折角測定装置
Ｐ・・・被測定管

Claims (8)

1. 超音波探触子から被測定管に向けて発振された超音波が反射して得られる反射エコーについて、前記被測定管の内面に設けられた人工きずでの反射エコー及び前記被測定管の外面に設けられた人工きずでの反射エコーを選択するステップと、
   前記超音波の発振に同期して一定時間間隔で出力され且つ前記選択した２つの反射エコーと同時に表示される信号を参照することにより、前記選択した２つの反射エコーの時間間隔を算出するステップと、
   前記算出した時間間隔と前記被測定管内を伝搬する超音波の音速とに基づいて、前記選択した２つの反射エコーの伝搬距離（２×Ｄ）を算出するステップと、
   前記算出した伝搬距離と前記被測定管の内径ＩＤ及び外径ＯＤとに基づいて、超音波の屈折角θを以下の式で算出するステップとを含むことを特徴とする管の斜角超音波探傷における屈折角の測定方法。
   ｃｏｓθ＝｛（ＯＤ／２） ^２ ＋Ｄ ^２ −（ＩＤ／２） ^２ ｝／｛２×ＯＤ／２×Ｄ｝
2. 前記一定時間間隔で出力され且つ前記選択した２つの反射エコーと同時に表示される信号は、周波数可変の電気パルス信号であることを特徴とする請求項１に記載の管の斜角超音波探傷における屈折角の測定方法。
3. 超音波探触子から被測定管に向けて発振された超音波が反射して得られる反射エコーについて、前記被測定管の外面での反射エコー、前記被測定管の内面に設けられた人工きずでの反射エコー及び前記被測定管の外面に設けられた人工きずでの反射エコーのうち何れか２つの反射エコーを選択するステップと、
   厚みが既知の試験片に向けて、前記超音波探触子からの超音波の発振に同期して他の超音波探触子から発振された超音波が反射して得られる底面多重反射エコーを参照することにより、前記選択した２つの反射エコーの伝搬距離を算出するステップと、
   前記算出した伝搬距離と前記被測定管の寸法とに基づいて、超音波の屈折角を算出するステップとを含むことを特徴とする管の斜角超音波探傷における屈折角の測定方法。
4. 請求項１から３の何れかに記載の測定方法によって測定した屈折角に基づいて管の斜角超音波探傷を行うことを特徴とする管の斜角超音波探傷方法。
5. 請求項１から４の何れかに記載の測定方法を実施するために用いられる管の斜角超音波探傷における屈折角測定装置であって、
   超音波探触子と、前記超音波探触子から被測定管に向けて発振された超音波が反射して得られる反射エコーを表示する超音波探傷器と、前記超音波の発振に同期して一定時間間隔で信号を前記超音波探傷器に出力する信号出力手段とを備え、
   前記超音波探傷器は、前記信号出力手段から出力された信号を前記反射エコーと同時に表示するように構成されていることを特徴とする管の斜角超音波探傷における屈折角測定装置。
6. 前記信号出力手段は、周波数可変の電気パルス信号を出力するパルス発生器であることを特徴とする請求項５に記載の管の斜角超音波探傷における屈折角測定装置。
7. 前記信号出力手段は、厚みが既知の試験片と、当該試験片の厚み方向に超音波を発振すると共にその底面多重反射エコーを受信するように前記試験片の表面に配設された超音波探触子とで構成されていることを特徴とする請求項５に記載の斜角超音波探傷における屈折角測定装置。
8. 請求項５から７の何れかに記載の屈折角測定装置を具備することを特徴とする管の斜角超音波探傷装置。

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