JP4415313B2 - Ultrasonic probe, ultrasonic flaw detection method and ultrasonic flaw detection apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、金属管を超音波探傷するための超音波探触子及びこれを用いた超音波探傷方法並びに超音波探傷装置に関し、特に斜角探傷において金属管に発生する微小なきずまで高精度に探傷することが可能な超音波探触子及びこれを用いた超音波探傷方法並びに超音波探傷装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic probe for ultrasonic flaw detection of a metal tube, an ultrasonic flaw detection method using the ultrasonic probe, and an ultrasonic flaw detection device, and more particularly to high accuracy up to minute flaws generated in a metal pipe in oblique flaw detection. The present invention relates to an ultrasonic probe capable of performing flaw detection, an ultrasonic flaw detection method and an ultrasonic flaw detection apparatus using the same.
油井管、ラインパイプ、機械部品等として用いられる金属管に対する高品質化の要求が増すにつれて、当該金属管に対する非破壊検査の基準も厳格化される傾向にある。 As the demand for high quality metal pipes used as oil well pipes, line pipes, machine parts, etc. increases, the standards for non-destructive inspection for metal pipes tend to be stricter.
従来より、金属管に対する非破壊検査方法として、金属管に超音波を入射し、きずからの反射エコーを検出することによってきずを非破壊的に検査する超音波探傷方法が実施されてきた。斯かる超音波探傷方法の内、金属管の内外表面及び内部に生じたきずや、金属管の溶接部のきずを検査する場合においては、主として金属管表面に対して斜めに超音波を入射する斜角探傷法が適用されてきた。 Conventionally, as a nondestructive inspection method for a metal tube, an ultrasonic flaw detection method for inspecting a defect nondestructively by making an ultrasonic wave incident on the metal tube and detecting a reflection echo from the defect has been performed. Among such ultrasonic flaw detection methods, when inspecting flaws generated on the inner and outer surfaces of the metal tube and inside, and flaws in the welded portion of the metal tube, ultrasonic waves are mainly incident obliquely with respect to the surface of the metal tube. Oblique flaw detection has been applied.
ここで、金属管に斜めに超音波を入射する際には、超音波探触子から入射される超音波(入射波)が縦波超音波だけであっても、金属管内部に伝搬する屈折波には縦波超音波(屈折縦波)と横波超音波(屈折横波)とが存在することが知られている。これらの屈折波は、入射波に対して図1に示す関係にあるとすると、下記の式(1)で表されるスネルの法則が成立する。
sinθi/Vi=sinθs/Vs=sinθL/VL ・・・(1)
ただし、上記式(1)において、Viは媒質I(図1参照)における縦波超音波の音速を、Vsは媒質II(図1参照)における横波超音波の音速を、VLは媒質IIにおける縦波超音波の音速を、θiは入射波の入射角を、θsは横波超音波の屈折角を、θLは縦波超音波の屈折角を意味する。なお、一般的な斜角探傷法の場合、媒質Iは水(液状接触媒質)又は超音波探触子(斜角探触子)を構成するアクリル等の樹脂であり、媒質IIは被検査対象である金属管である。
Here, when an ultrasonic wave is incident obliquely on a metal tube, even if the ultrasonic wave (incident wave) incident from the ultrasonic probe is only a longitudinal wave ultrasonic wave, refraction propagates inside the metal tube. It is known that there are longitudinal wave ultrasonic waves (refracted longitudinal waves) and transverse wave ultrasonic waves (refracted transverse waves). If these refracted waves have the relationship shown in FIG. 1 with respect to the incident wave, Snell's law expressed by the following equation (1) holds.
sin θi / Vi = sin θs / Vs = sin θL / VL (1)
However, in the above equation (1), Vi is the velocity of longitudinal ultrasonic waves in the medium I (see FIG. 1), Vs is the velocity of transverse ultrasonic waves in the medium II (see FIG. 1), and VL is the longitudinal velocity in the medium II. The sound velocity of the wave ultrasonic wave, θi means the incident angle of the incident wave, θs means the refraction angle of the transverse wave ultrasonic wave, and θL means the refraction angle of the longitudinal wave ultrasonic wave. In the case of the general oblique flaw detection method, the medium I is water (liquid contact medium) or a resin such as acrylic constituting an ultrasonic probe (oblique probe), and the medium II is an object to be inspected. It is a metal tube.
上述のように、超音波探触子から超音波を入射角θiで金属管に入射すると、図2に示すように、超音波は、金属管の内表面、外表面で反射を繰り返しながら、金属管内部を伝搬する。金属管の内外表面や内部にきずが存在すると、そこで反射した超音波(反射エコー)が超音波探触子に戻ってきてきずエコーとして受信されることになる。 As described above, when an ultrasonic wave is incident on the metal tube at an incident angle θi from the ultrasonic probe, the ultrasonic wave is repeatedly reflected on the inner surface and the outer surface of the metal tube as shown in FIG. Propagates inside the tube. If there is a flaw on the inner or outer surface or inside of the metal tube, the reflected ultrasonic wave (reflected echo) does not return to the ultrasonic probe and is received as an echo.
ただし、図1に示すように、金属管内部(媒質II)に伝搬する屈折波に縦波超音波と横波超音波とが混在すると、超音波探触子で受信するきずエコーが縦波超音波によるものなのか、横波超音波によるものなのか区別することが困難であり、その結果、きずの発生位置を特定できないという問題や、受信信号波形が複雑となり、きずエコーのSN比が低下するなどという問題があった。 However, as shown in FIG. 1, when longitudinal and transverse ultrasonic waves coexist in a refracted wave propagating inside the metal tube (medium II), the flaw echo received by the ultrasonic probe becomes longitudinal ultrasonic waves. It is difficult to distinguish whether it is due to shear wave or due to transverse ultrasonic waves. As a result, it is difficult to determine the position of occurrence of a flaw, the received signal waveform becomes complicated, and the SN ratio of the flaw echo decreases. There was a problem.
斯かる問題を解決するべく、一般的には、金属管内部に伝搬する屈折波に横波超音波しか存在しなくなるように、入射角θiを縦波超音波の臨界角よりも大きく設定している。より具体的に説明すれば、例えば、媒質Iを水とすれば、常温での媒質Iにおける縦波超音波の音速Viは約1500m/secとなり、媒質II(金属管)における縦波超音波の音速VLを5900m/sec、横波超音波の音速Vsを3200m/secとすれば、前記式(1)から、縦波超音波の臨界角(θL=90°)となる入射角θiは約15°となり、横波超音波の屈折角θsは約33°となる。つまり、超音波の入射角として15°以上の角度を選択することで、原理的に媒質II中には横波超音波しか存在しないことになる。 In order to solve such a problem, in general, the incident angle θi is set to be larger than the critical angle of the longitudinal ultrasonic wave so that only the transverse ultrasonic wave exists in the refracted wave propagating inside the metal tube. . More specifically, for example, if the medium I is water, the sound velocity Vi of the longitudinal wave ultrasonic wave in the medium I at room temperature is about 1500 m / sec, and the longitudinal wave ultrasonic wave in the medium II (metal tube) Assuming that the speed of sound VL is 5900 m / sec and the speed of sound Vs of transverse ultrasonic waves is 3200 m / sec, the incident angle θi, which is the critical angle of longitudinal ultrasonic waves (θL = 90 °), is about 15 °. Thus, the refraction angle θs of the transverse ultrasonic wave is about 33 °. That is, by selecting an angle of 15 ° or more as the incident angle of the ultrasonic wave, in principle, only the transverse wave ultrasonic wave exists in the medium II.
しかしながら、上記の従来の超音波探傷方法では、被検査対象となる金属管のt/D(tは金属管の肉厚、Dは金属管の外径)が大きい高t/D金属管(例えば、t/Dが20%以上)を探傷する際、図3に示すように、高t/D金属管の外表面側から超音波を前記縦波超音波の臨界角以上となる入射角θiで入射すると、金属管内部に伝搬する屈折横波が金属管内面に到達せずに外面に至る伝搬経路を辿り、金属管の内面に存在する内面きずを検出することができない事態が生じるという問題があった。 However, in the conventional ultrasonic flaw detection method described above, a high t / D metal tube having a large t / D (t is the thickness of the metal tube, D is the outer diameter of the metal tube) of the metal tube to be inspected (for example, , T / D is 20% or more), as shown in FIG. 3, the ultrasonic wave is applied from the outer surface side of the high t / D metal tube at an incident angle θi that is equal to or greater than the critical angle of the longitudinal ultrasonic wave. When incident, the refraction transverse wave propagating inside the metal tube does not reach the inner surface of the metal tube but follows the propagation path to the outer surface, and there is a problem that the inner surface flaw existing on the inner surface of the metal tube cannot be detected. It was.
斯かる問題を解決する手段としては、例えば、特許文献1において、金属管内部における横波超音波の屈折角θsが大きくなる(約35°より大きい)ような振動子(第一の振動子)と、屈折角θsが小さくなる(約35°より小さい)ような振動子(第二の振動子)とを備えた超音波探触子を用い、通常の金属管を探傷する場合には、第一の振動子のみを使用する一方、高t/D金属管を探傷する場合には、第一の振動子と第二の振動子とを組み合わせて使用することが提案されている。
As means for solving such a problem, for example, in
上記特許文献1に記載の超音波探触子によれば、高t/D金属管を探傷する場合において、第二の振動子によって生じる屈折横波を金属管内面に到達させることが可能であるものの、第二の振動子によって屈折縦波も生じてしまうため、前述したように、きずの発生位置を特定できないという問題や、受信信号波形が複雑となる結果、きずエコーのSN比が低下するなどという問題が生じることになる。
According to the ultrasonic probe described in
ところで、金属管中に発生する微小きずを検出するために、端面が球面(又は円柱面)形状の音響レンズを振動子の前に配置し(或いは振動子の端面を球面形状や円柱面形状に加工し)、超音波を金属管中で集束させる方法を採用する場合がある(非特許文献1参照)。より具体的には、金属管の管軸方向に短く且つきず深さの小さなきずを検出する際には、端面が球面形状の音響レンズが用いられ(或いは振動子の端面を球面形状に加工し)、きず深さは小さいが管軸方向に連続したきずを検出する際には端面が円柱面形状(円柱面の湾曲方向が金属管の周方向に沿った形状)の音響レンズが用いられる(或いは振動子の端面を円柱面形状に加工する)。 By the way, in order to detect minute flaws generated in the metal tube, an acoustic lens whose end face is spherical (or cylindrical) is placed in front of the vibrator (or the end face of the vibrator is made spherical or cylindrical). In some cases, a method of focusing ultrasonic waves in a metal tube is employed (see Non-Patent Document 1). More specifically, when detecting a flaw that is short in the tube axis direction of the metal tube and has a small flaw depth, an acoustic lens having a spherical end surface is used (or the end surface of the vibrator is processed into a spherical shape). ) When detecting flaws having a small flaw depth but continuous in the tube axis direction, an acoustic lens having an end surface of a cylindrical surface shape (a shape in which the cylindrical surface is curved along the circumferential direction of the metal tube) is used ( Alternatively, the end face of the vibrator is processed into a cylindrical surface shape).
上記方法によれば、超音波を集束させる(例えば金属管の内面に集束させる)ことにより、きずエコーの強度を高め、ひいてはきずエコーを良好なSN比で検出することが可能である。 According to the above method, it is possible to increase the intensity of the flaw echo by focusing the ultrasonic wave (for example, to focus on the inner surface of the metal tube) and to detect the flaw echo with a good S / N ratio.
図4は、金属管の内面に超音波(屈折横波)を集束させた場合における、金属管内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波の伝搬挙動の一例を模擬的に示す図である。なお、図4には、t/Dが略20%以上の金属管の場合(図4(a)及び(b))と、t/Dが略20%以下(10%程度)の金属管の場合(図4(c)及び(d))とにおける屈折縦波及び屈折横波の伝搬挙動を示している。 FIG. 4 is a diagram schematically illustrating an example of propagation behavior of a refraction longitudinal wave and a refraction transverse wave propagating inside the metal tube when an ultrasonic wave (a refraction transverse wave) is focused on the inner surface of the metal tube. FIG. 4 shows a metal tube having a t / D of approximately 20% or more (FIGS. 4A and 4B) and a metal tube having a t / D of approximately 20% or less (about 10%). The propagation behavior of the refraction longitudinal wave and the refraction transverse wave in the case (FIGS. 4C and 4D) is shown.
図4に示すように、t/Dが略20%以下の金属管の場合には、屈折横波を金属管の内面に集束させる(図4(c))と共に、屈折縦波を発生させない(図4(d))条件を設定可能であるのに対し、t/Dが略20%以上の金属管(高t/D金属管)の場合、前述のように、屈折横波を金属管内面に到達させようとする(図4(a))と、屈折縦波も発生することになってしまう(図4(b))。この際、発生した屈折縦波の一部が屈折横波と同様に金属管内面に到達するが、当該金属管内面に到達した屈折縦波は、金属管内面に対して略垂直に近い角度で伝搬するため、金属管の内外表面で多重反射することになる。 As shown in FIG. 4, in the case of a metal tube having t / D of approximately 20% or less, the refracted transverse wave is focused on the inner surface of the metal tube (FIG. 4C) and no refracted longitudinal wave is generated (FIG. 4). 4 (d)) The conditions can be set, but in the case of a metal tube (high t / D metal tube) with a t / D of approximately 20% or more, as described above, the refracted shear wave reaches the inner surface of the metal tube. If it tries to make it (FIG. 4 (a)), a refraction longitudinal wave will also generate | occur | produce (FIG.4 (b)). At this time, a part of the generated refraction longitudinal wave reaches the inner surface of the metal tube in the same manner as the refraction transverse wave, but the refraction longitudinal wave reaching the inner surface of the metal tube propagates at an angle substantially perpendicular to the inner surface of the metal tube. Therefore, multiple reflection occurs on the inner and outer surfaces of the metal tube.
図5は、高t/D金属管を探傷した場合に観察される反射エコーの一例を示す図である。図5に示すように、屈折縦波の多重反射エコーの間に埋もれるようにして屈折横波による内面きずエコーが観察される。従って、屈折縦波の多重反射エコーがきず検出を妨害するノイズ信号となることから微小きずを良好なSN比で検出することは困難となる。また、金属管の肉厚によっては、林状に出現する屈折縦波の多重反射エコーにきずエコーが埋没するため、きずエコーの出現を熟練検査員ですら識別困難な場合もある。 FIG. 5 is a diagram showing an example of a reflected echo observed when a high t / D metal tube is flawed. As shown in FIG. 5, the inner surface flaw echo by the refraction transverse wave is observed so as to be buried between the multiple reflection echoes of the refraction longitudinal wave. Therefore, it is difficult to detect a minute flaw with a good S / N ratio because a refracted longitudinal wave multiple reflection echo becomes a noise signal that hinders flaw detection. In addition, depending on the thickness of the metal tube, the flaw echo is buried in the multiple reflection echo of the refraction longitudinal wave that appears in a forest shape, so that even a skilled inspector may not be able to identify the appearance of the flaw echo.
上記高t/D金属管において林立する多重反射エコーのノイズを除去する方法としては、例えば、特許文献2において、二種の周波数での探傷を交互に行い、各周波数での探傷波形を差分処理することで多重反射エコーを除去する方法が提案されている。より具体的に説明すれば、一方の周波数での探傷で、きずエコーと多重反射エコーを検出し、他方の周波数での探傷で多重反射エコーのみを検出した後、これらを差分することで、きずエコーのみを抽出しようとする方法である。 As a method for removing the noise of the multiple reflection echo that stands in the high t / D metal pipe, for example, in Patent Document 2, flaw detection at two frequencies is performed alternately, and the flaw detection waveform at each frequency is subjected to differential processing. Thus, a method of removing multiple reflection echoes has been proposed. More specifically, after detecting flaw echoes and multiple reflection echoes with flaw detection at one frequency, and detecting only multiple reflection echoes with flaw detection at the other frequency, flaws can be obtained by subtracting them. It is a method that tries to extract only echo.
しかしながら、上記特許文献2に記載の方法には、以下の(a)〜(c)のような問題がある。すなわち、
(a)二種の周波数で交互にほぼ同一の位置での探傷波形を収集する必要があるため、検査能率が約1/2に低下する。
(b)きずエコーの強度が隣接する多重反射エコーの強度と比較して同等乃至小さい場合、且つ/或いは、きずエコーの出現位置が多重反射エコーの出現位置と極めて接近している場合、多重反射エコーを差分処理する際に、きずエコーの一部若しくは大半を差し引くことになり、差分処理後の波形からきずエコーを検出できない場合がある。
(c)複数の周波数で探傷するために、特殊な超音波探傷器が必要となり、専用装置の導入など検査コストが高騰する。
(A) Since it is necessary to collect flaw detection waveforms at almost the same position alternately at two frequencies, the inspection efficiency is reduced to about ½.
(B) When the intensity of the flaw echo is equal to or smaller than the intensity of the adjacent multiple reflection echo and / or when the appearance position of the flaw echo is very close to the appearance position of the multiple reflection echo, the multiple reflection When differential processing is performed on the echo, a part or most of the scratch echo is subtracted, and the scratch echo may not be detected from the waveform after the differential processing.
(C) In order to detect flaws at a plurality of frequencies, a special ultrasonic flaw detector is required, and the inspection cost such as introduction of a dedicated device increases.
本発明は、以上に説明したような従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、金属管の斜角探傷において微小なきずまで高精度に探傷することが可能な超音波探触子及びこれを用いた超音波探傷方法並びに超音波探傷装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and an ultrasonic probe capable of highly accurately detecting even a minute flaw in oblique inspection of a metal tube. It is another object of the present invention to provide an ultrasonic flaw detection method and an ultrasonic flaw detection apparatus using the same.
前記課題を解決するべく、本発明の発明者らは鋭意検討した結果、以下のような知見を得た。すなわち、
(A)前述したように、高t/D金属管を端面が球面(又は円柱面)形状(金属管の軸方向に直交する断面の端部形状が円弧形状)の超音波探触子で探傷する場合、金属管内面に屈折横波を集束させようとする(図4(a))と、同時発生する屈折縦波もまた金属管内面に到達する(図4(b))。ただし、金属管内面に到達する屈折縦波は、金属管の中心から見て超音波の伝搬方向側(図4の紙面左側)に位置する部分から送信され、金属管外表面に入射した超音波によって生じるものである。紙面左側の部分から送信された超音波は、金属管外表面への入射角が小さくなっており、これにより縦波超音波の屈折角も小さいものとなって屈折縦波が金属管内面に到達する。
In order to solve the above problems, the inventors of the present invention have made extensive studies and as a result, have obtained the following knowledge. That is,
(A) As described above, a high t / D metal tube is flaw-detected with an ultrasonic probe whose end surface is spherical (or cylindrical surface) (the end of the cross section perpendicular to the axial direction of the metal tube is an arc). In this case, when the refracted transverse wave is focused on the inner surface of the metal tube (FIG. 4A), the simultaneously generated refracted longitudinal wave also reaches the inner surface of the metal tube (FIG. 4B). However, the refracted longitudinal wave that reaches the inner surface of the metal tube is transmitted from a portion located on the ultrasonic wave propagation direction side (left side in FIG. 4) when viewed from the center of the metal tube, and is incident on the outer surface of the metal tube. It is caused by. The ultrasonic wave transmitted from the left side of the paper has a small incident angle on the outer surface of the metal tube, which reduces the refraction angle of the longitudinal ultrasonic wave, and the refracted longitudinal wave reaches the inner surface of the metal tube. To do.
(B)そこで、図6(a)に示すように、金属管の中心(図6(a)において横軸が0mmの位置)から見て超音波の伝搬方向側(図6(a)の紙面左側)に位置する部分の超音波探触子の金属管の軸方向に直交する断面の端部形状(以下、適宜「断面端部形状」と略称する)を円弧形状から逸脱させ、その曲率半径を反対側(図6(a)の紙面右側)に位置する部分に比べて大きなものとする(円弧形状を押し潰したような形状とする)。これにより、超音波探触子の紙面左側部分から送信された超音波の入射角及び縦波超音波の屈折角が大きくなり、屈折縦波は金属管内面に到達せずに金属管の外面に至ることになる(図6(b))。従って、屈折縦波による多重反射エコーを抑制することが可能である。なお、屈折横波については、金属管内面に到達し且つ内面近傍の特定の位置で集束するように考慮しながら、探触子断面端部全体の形状として、円弧形状からの逸脱量を設定すれば良い。 (B) Therefore, as shown in FIG. 6 (a), the ultrasonic wave propagation direction side (paper surface in FIG. 6 (a)) viewed from the center of the metal tube (the position where the horizontal axis is 0 mm in FIG. 6 (a)). The end portion of the cross section orthogonal to the axial direction of the metal tube of the ultrasonic probe located on the left side) is deviated from the arc shape (hereinafter referred to as “cross-sectional end shape” as appropriate), and the curvature radius thereof Is larger than the portion located on the opposite side (the right side of FIG. 6A) (the arc shape is crushed). As a result, the incident angle of ultrasonic waves and the refraction angle of longitudinal ultrasonic waves transmitted from the left side of the surface of the ultrasonic probe are increased, and the refraction longitudinal waves do not reach the inner surface of the metal tube and do not reach the outer surface of the metal tube. (FIG. 6B). Therefore, it is possible to suppress multiple reflection echoes due to refraction longitudinal waves. As for the refracted shear wave, if the deviation from the arc shape is set as the shape of the entire probe cross-section end while considering to reach the inner surface of the metal tube and converge at a specific position near the inner surface. good.
本発明は、以上に説明した本発明の発明者らが見出した知見に基づき完成されたものである。
すなわち、本発明は、金属管に超音波を斜めに入射して探傷するための超音波探触子であって、前記超音波探触子の金属管の軸方向に直交する断面の端部形状が、金属管内部に伝搬する縦波超音波及び横波超音波からなる屈折波において、横波超音波が集束すると共に縦波超音波が金属管内面に到達しないように設計された非円弧形状とされていることを特徴とする超音波探触子を提供するものである。
The present invention has been completed based on the knowledge found by the inventors of the present invention described above.
That is, the present invention is an ultrasonic probe for detecting flaws by obliquely incident ultrasonic waves on a metal tube, and has an end shape in a cross section perpendicular to the axial direction of the metal tube of the ultrasonic probe However, in a refracted wave consisting of longitudinal and transverse ultrasonic waves propagating inside the metal tube, the non-circular shape is designed so that the transverse ultrasonic wave is focused and the longitudinal ultrasonic wave does not reach the inner surface of the metal tube. It is an object of the present invention to provide an ultrasonic probe.
本発明に係る非円弧形状の超音波探触子によれば、屈折波の内、横波超音波が集束することによって微小なきずからの反射エコー強度が高まると共に、同時発生する縦波超音波が金属管内面に到達しない伝搬経路を辿るため、当該縦波超音波による多重反射エコーを抑制することができ、高精度な超音波探傷を実現することが可能である。 According to the non-arc-shaped ultrasonic probe according to the present invention, the reflected echo intensity from minute flaws is increased by focusing the transverse wave ultrasonic wave among the refracted waves, and simultaneously generated longitudinal wave ultrasonic waves are generated. Since a propagation path that does not reach the inner surface of the metal tube is traced, multiple reflected echoes due to the longitudinal ultrasonic waves can be suppressed, and high-accuracy ultrasonic flaw detection can be realized.
なお、「超音波探触子の金属管の軸方向に直交する断面の端部形状が非円弧形状とされている」とは、金属管を探傷するために超音波探触子を配設した際に、超音波探触子の金属管の軸方向に直交する断面の端部形状が非円弧形状とされていることを意味する他、振動子の前に音響レンズを配置して構成された超音波探触子において、音響レンズの断面端部形状が非円弧形状とされている場合をも含む意味である。さらには、後述するように、複数の素子を並設して構成されるアレイ探触子からなる超音波探触子において、各素子について超音波送受信の遅延時間を調整することによって、断面端部形状が非円弧形状とされた超音波探触子から超音波が送信される態様を模擬する場合をも含む意味である。 “The end shape of the cross section perpendicular to the axial direction of the metal tube of the ultrasonic probe is a non-arc shape” means that the ultrasonic probe is disposed to detect the metal tube. In addition, it means that the end shape of the cross section orthogonal to the axial direction of the metal tube of the ultrasonic probe is a non-arc shape, and an acoustic lens is arranged in front of the transducer. In the ultrasonic probe, this means including the case where the cross-sectional end shape of the acoustic lens is a non-arc shape. Furthermore, as will be described later, in an ultrasonic probe including an array probe configured by arranging a plurality of elements in parallel, by adjusting the delay time of ultrasonic transmission / reception for each element, This also includes the case of simulating a mode in which ultrasonic waves are transmitted from an ultrasonic probe having a non-arc shape.
ここで、屈折波の内、横波超音波が集束すると共に縦波超音波が金属管内面に到達しないように超音波探触子の断面端部形状を設計するには、例えば、予め設定された金属管の形状(外径、肉厚等)と、金属管における横波超音波の音速と、接触媒質における縦波超音波の音速と、金属管における横波超音波の集束点とに基づいて、前記集束点に伝搬する超音波の伝搬経路を演算する第1ステップと、前記第1ステップで演算された伝搬経路と、予め設定された前記超音波探触子の金属管周方向に沿った長さとに基づいて、超音波探触子の断面端部形状を演算する第2ステップと、前記第2ステップで演算された超音波探触子の断面端部形状と、予め設定された金属管における縦波超音波の音速とに基づいて、金属管内部に伝搬する縦波超音波の伝搬経路を演算する第3ステップと、前記第3ステップで演算された縦波超音波の伝搬経路の内、金属管内面に到達する伝搬経路が存在する場合には、前記横波超音波の集束点を変更して、前記第1ステップから前記第3ステップまでを繰り返す一方、金属管内面に到達する伝搬経路が存在しない場合には、前記第2ステップで演算した断面端部形状を採用する第4ステップとを実行すれば良い。 Here, in order to design the cross-sectional end shape of the ultrasonic probe so that the transverse wave ultrasonic wave is focused among the refracted waves and the longitudinal wave ultrasonic wave does not reach the inner surface of the metal tube, for example, it is set in advance. Based on the shape of the metal tube (outer diameter, wall thickness, etc.), the sound velocity of the transverse ultrasonic wave in the metal tube, the sound velocity of the longitudinal wave ultrasonic wave in the contact medium, and the focal point of the transverse wave ultrasonic wave in the metal tube, A first step of calculating a propagation path of the ultrasonic wave propagating to the focal point; a propagation path calculated in the first step; and a preset length along the circumferential direction of the metal tube of the ultrasonic probe. Based on the second step of calculating the cross-sectional end shape of the ultrasonic probe, the cross-sectional end shape of the ultrasonic probe calculated in the second step, and the vertical length in the preset metal tube Longitudinal ultrasonic waves propagating inside a metal tube based on the speed of ultrasonic waves If there is a propagation path that reaches the inner surface of the metal pipe among the propagation path of the longitudinal wave ultrasonic wave calculated in the third step and the third step of calculating the propagation path of the horizontal wave, the convergence of the transverse wave ultrasonic wave While changing the point and repeating from the first step to the third step, when there is no propagation path reaching the inner surface of the metal tube, the cross-sectional end shape calculated in the second step is adopted. Four steps may be executed.
なお、前述したように、前記超音波探触子を複数の素子を並設して構成されるアレイ探触子とし、金属管内部に伝搬する縦波超音波及び横波超音波からなる屈折波において、横波超音波が集束すると共に縦波超音波が金属管内面に到達しないように、前記各素子について超音波送受信の遅延時間を設定する構成を採用することも可能である。 As described above, the ultrasonic probe is an array probe configured by arranging a plurality of elements in parallel, and in a refracted wave composed of longitudinal and transverse ultrasonic waves propagating inside the metal tube. It is also possible to adopt a configuration in which the delay time of ultrasonic transmission / reception is set for each element so that the transverse wave ultrasonic wave is focused and the longitudinal wave ultrasonic wave does not reach the inner surface of the metal tube.
また、前記課題を解決するべく、本発明は、前記超音波探触子を用いて探傷することを特徴とする超音波探傷方法、或いは、前記超音波探触子を具備することを特徴とする超音波探傷装置としても提供される。 In order to solve the above-mentioned problem, the present invention is characterized by an ultrasonic flaw detection method characterized by flaw detection using the ultrasonic probe or the ultrasonic probe. Also provided as an ultrasonic flaw detector.
本発明に係る超音波探触子等によれば、金属管の斜角探傷において微小なきずまで高精度に探傷することができるという優れた効果を奏するものである。 According to the ultrasonic probe and the like according to the present invention, an excellent effect is achieved that a flaw can be detected with high accuracy even in a minute angle inspection of a metal tube.
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明に係る超音波探触子(超音波探傷装置)の実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of an ultrasonic probe (ultrasonic flaw detector) according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings as appropriate.
<第1実施形態>
図7は、本発明の第1実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示すブロック図である。図7に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置100は、超音波探触子1と、超音波探傷器2と、警報器3と、マーキング装置4とを備えている。
<First Embodiment>
FIG. 7 is a block diagram showing a schematic configuration of the ultrasonic flaw detector according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the
超音波探触子1は、金属管Pの外面に対向配置され、その金属管Pの軸方向に直交する断面の端部形状(超音波探触子1を構成する振動子の断面端部形状)は、金属管P内部に伝搬する縦波超音波U1及び横波超音波U2からなる屈折波において、横波超音波U2が集束すると共に縦波超音波U1が金属管P内面に到達しないように、後述する手順で設計された非円弧形状とされている。斯かる非円弧形状を設計通りに精度良く実現するべく、本実施形態に係る超音波探触子1を構成する振動子は、PZTに代表されるセラミック系圧電素子ではなく、変形の容易なPZT−エポキシコンポジット圧電素子によって構成されている。
The
本実施形態に係る超音波探傷器2は、パルサー21と、プリアンプ22と、フィルター23と、メインアンプ24と、きず判定部25とを備えており、同軸ケーブルCを介して超音波探触子1と接続されている。超音波探触子1を構成する振動子は、パルサー21からの所定周期毎の送信信号で励振され、接触媒質としての水Wを介して金属管Pに超音波Uを入射する。入射した超音波Uは縦波超音波U1及び横波超音波U2からなる屈折波として金属管P内部に伝搬し、その反射エコー(きずエコーなど)が振動子で受信され、その受信信号が超音波探傷器2に送信される。前記受信信号は、超音波探傷器2のプリアンプ22で増幅され、フィルター23によって所定周波数帯域でのフィルタリングが施された後、メインアンプ24でさらに増幅される。メインアンプ24からの出力信号は、きず判定部25において予め定められた所定のしきい値と比較され、当該しきい値以上の出力信号であればきず有りと判定されて、警報器3やマーキング装置4への動作指令が出力される。警報器3は前記動作指令に基づいて警報音を出力し、マーキング装置4は前記動作指令に基づいて金属管P表面に所定のマーキングを施すように構成されている。
The ultrasonic flaw detector 2 according to the present embodiment includes a
以上に説明した構成を有する超音波探傷装置100によって金属管Pを探傷する際、金属管Pはスパイラル搬送(周方向に回転しながら軸方向にも移動)され、これにより、金属管Pの略全面に亘る探傷が可能となる。ただし、これに限るものではなく、金属管Pを軸方向に直進搬送しながら、超音波探触子1を金属管Pの周方向に回転させる態様を採用することも可能である。
When flaw detection is performed on the metal pipe P by the
なお、本実施形態に係る超音波探傷装置100は、例えば、自動車部品等に用いられるメカニカルチューブや高温環境下で使用されるステンレス鋼管など、t/D(tは金属管Pの肉厚、Dは金属管Pの外径)が20%以上である鋼管を好適な被検査対象とすることが可能である。
The
以下、超音波探触子1の断面端部形状を非円弧形状に設計する手順について具体的に説明する。
The procedure for designing the cross-sectional end shape of the
図8は、超音波探触子の断面端部形状を設計する手順を概略的に示すフロー図である。また、図9A〜図9Dは、外径40mmで肉厚10mmである金属管(鋼管)Pを被検査対象とした場合における設計手順を説明するための説明図である。
図8に示すように、超音波探触子1の断面端部形状を設計するに際しては、先ず最初に(1)金属管Pの形状(外径、肉厚)、(2)金属管Pにおける横波超音波の音速、(3)金属管Pにおける縦波超音波の音速、(4)接触媒質(本実施形態では水)における縦波超音波の音速、及び(5)超音波探触子1の金属管Pの周方向に沿った長さを条件設定する(図8のS1)。なお、接触媒質における縦波超音波の音速や金属管Pにおける横波超音波及び縦波超音波の音速としては、それぞれ接触媒質の種類や金属管Pの材質等に応じた既知の数値データを用いても良いし、予め実験データを採取しこれを設定値として用いることも可能である。また、超音波探触子1の金属管Pの周方向に沿った長さとしては、十分な送受信感度が得られると共に実際に作製可能である長さを設定すればよい。一般的には、金属管Pの形状や検出すべききずの寸法、更には振動子の材質等に依存するが、6〜20mm程度の値としている。
FIG. 8 is a flowchart schematically showing a procedure for designing the cross-sectional end shape of the ultrasonic probe. 9A to 9D are explanatory diagrams for explaining a design procedure when a metal pipe (steel pipe) P having an outer diameter of 40 mm and a wall thickness of 10 mm is an inspection target.
As shown in FIG. 8, when designing the cross-sectional end shape of the
次に、(6)金属管Pにおける横波超音波の集束点S(図9A参照)を設定(図8のS2)した後、上記(1)、(2)、(4)及び(6)の条件に基づいて、集束点Sに伝搬する超音波の伝搬経路を演算する(図8のS3)。図9Aを参照して、斯かる演算内容をより具体的に説明すれば、先ず最初に、金属管Pの内面P2に設定した集束点Sから金属管Pの外面P1に向けて、放射状に横波超音波U2の複数の伝搬経路(実際には、横波超音波U2は外面P1から集束点Sに向けて伝搬する)を描く。次に、金属管Pの外面P1と接触媒質Wとの境界面においてスネルの法則が成立するため、上記(2)及び(4)の条件に基づいて入射波の入射角を算出し、横波超音波U2の各伝搬経路にそれぞれ繋がる接触媒質Wにおける縦波超音波Uの各伝搬経路を算出する。そして、集束点Sに伝搬する超音波(縦波超音波U及び横波超音波U2)の各伝搬経路の初期点(集束点Sと反対側の端点)S0を、想定している超音波探触子1と金属管Pとのオフセット距離に略等しい距離だけ初期点S0が金属管Pから離間するように、且つ、各伝搬経路を辿る超音波の伝搬時間(伝搬経路の長さと音速とによって算出される)が互いに同じになるように決定する。以上のようにして、集束点Sに伝搬する超音波(縦波超音波U及び横波超音波U2)の伝搬経路が演算されることになる。
Next, (6) after setting the convergence point S (see FIG. 9A) of the transverse ultrasonic wave in the metal tube P (S2 in FIG. 8), the above (1), (2), (4) and (6) Based on the conditions, the propagation path of the ultrasonic wave propagating to the focal point S is calculated (S3 in FIG. 8). Referring to FIG. 9A, the calculation contents will be described in more detail. First, a transverse wave is radiated radially from the focusing point S set on the inner surface P2 of the metal tube P toward the outer surface P1 of the metal tube P. A plurality of propagation paths of the ultrasonic wave U2 (in practice, the transverse ultrasonic wave U2 propagates from the outer surface P1 toward the focusing point S) is drawn. Next, since Snell's law is established at the boundary surface between the outer surface P1 of the metal pipe P and the contact medium W, the incident angle of the incident wave is calculated based on the above conditions (2) and (4), and the super Each propagation path of the longitudinal wave ultrasonic wave U in the contact medium W connected to each propagation path of the sound wave U2 is calculated. Then, an assumed ultrasonic probe is assumed for the initial point (end point opposite to the converging point S) S0 of each propagation path of the ultrasonic wave (longitudinal ultrasonic wave U and transverse wave ultrasonic wave U2) propagating to the converging point S. The initial point S0 is separated from the metal tube P by a distance substantially equal to the offset distance between the
次に、上記のようにして演算された伝搬経路と上記(5)の条件に基づいて、超音波探触子1の断面端部形状を演算する(図8のS4)。より具体的に説明すれば、各伝搬経路の各初期点S0を順次結んだ曲線或いは各初期点S0から近似(最小自乗近似等)される曲線の長さを算出し、これを上記(5)の条件(超音波探触子1の金属管Pの周方向に沿った長さ)と比較して、両者が略等しい長さとなるように、不要な伝搬経路を端から割愛し、残った伝搬経路の各初期点S0から算出される曲線Dを超音波探触子1の断面端部形状とする。なお、図9Aに示す例は、金属管Pの中心軸に対して左右に略等しい長さの断面端部形状となるように、不要な伝搬経路を既に割愛した状態を示している。
Next, the cross-sectional end shape of the
次に、上記のようにして演算された断面端部形状Dと上記(3)の条件に基づいて、金属管P内部に伝搬する縦波超音波U1の伝搬経路を演算する(図8のS5)。より具体的に説明すれば、図9Aに示すように、断面端部形状Dを構成する各初期点S0から接触媒質Wにおける各伝搬経路を辿った縦波超音波Uには、金属管Pの外面P1と接触媒質Wとの境界面においてスネルの法則が成立するため、上記(3)の条件に基づいて、屈折して金属管P内部に伝搬する縦波超音波U1の屈折角を算出し、縦波超音波Uの各伝搬経路にそれぞれ繋がる縦波超音波U1の各伝搬経路を演算する。 Next, based on the cross-sectional end shape D calculated as described above and the condition (3) above, the propagation path of the longitudinal ultrasonic wave U1 propagating inside the metal tube P is calculated (S5 in FIG. 8). ). More specifically, as shown in FIG. 9A, the longitudinal wave ultrasonic wave U that follows each propagation path in the contact medium W from each initial point S0 that constitutes the cross-sectional end shape D includes a metal tube P. Since Snell's law is established at the boundary surface between the outer surface P1 and the contact medium W, the refraction angle of the longitudinal wave ultrasonic wave U1 that is refracted and propagates inside the metal tube P is calculated based on the condition (3). Each propagation path of the longitudinal wave ultrasonic wave U1 connected to each propagation path of the longitudinal wave ultrasonic wave U is calculated.
次に、上記のようにして算出した縦波超音波U1の各伝搬経路の内、金属管Pの内面P2(図9A参照)に到達する伝搬経路が存在するか否かを判断する(図8のS6)。図9Aに示す例では、内面P2に到達する伝搬経路が存在することになる。 Next, it is determined whether or not there is a propagation path that reaches the inner surface P2 (see FIG. 9A) of the metal pipe P among the propagation paths of the longitudinal ultrasonic wave U1 calculated as described above (FIG. 8). S6). In the example shown in FIG. 9A, there is a propagation path that reaches the inner surface P2.
内面P2に到達する伝搬経路が存在する場合には、横波超音波の集束点Sを変更(例えば、内面P2に沿って所定ピッチで変更)し(図8のS7)、前述した演算(図8のS2〜S5)を繰り返す。図9B〜図9Dは、その様子を示すものであり、集束点Sを金属管Pの内面P2に沿って金属管Pの中心軸から段階的に離間させるように変更することにより、図9Dに示す状態では、縦波超音波U1の全ての伝搬経路が内面P2に到達しないようになる。 When there is a propagation path that reaches the inner surface P2, the focal point S of the transverse ultrasonic waves is changed (for example, changed at a predetermined pitch along the inner surface P2) (S7 in FIG. 8), and the above-described calculation (FIG. 8). Steps S2 to S5) are repeated. FIG. 9B to FIG. 9D show such a state. By changing the focusing point S along the inner surface P2 of the metal tube P so as to be stepped away from the central axis of the metal tube P, FIG. 9D is obtained. In the state shown, all propagation paths of the longitudinal wave ultrasonic wave U1 do not reach the inner surface P2.
そして、内面P2に到達する伝搬経路が存在しなくなった場合には、直前に演算(図8のS4)した断面端部形状Dを最終的な超音波探触子1の断面端部形状として採用する。図9Aに示す例では、図9Dに示す状態となったときの断面端部形状Dを採用することになる。より具体的には、金属管Pの軸方向に直交する超音波探触子1の各断面の端部が一様に曲線Dとなるような断面端部形状を採用することになる。
When there is no longer any propagation path reaching the inner surface P2, the cross-sectional end shape D calculated immediately before (S4 in FIG. 8) is adopted as the cross-sectional end shape of the final
以上に説明した手順により、超音波探触子1の断面端部形状は非円弧形状(断面端部形状D)に設計される。なお、以上に説明した設計手順は、設計者がその都度作図することによって実行しても良いが、プログラム化して自動的に実行することも無論可能であり、設計効率の点では後者の方が望ましい。また、図9A〜図9Dでは、説明を容易にするべく、2次元での超音波の伝搬経路を解析することにより、従来の円柱面形状と同様に、金属管Pの軸方向に直交する超音波探触子1の各断面の端部が一様な曲線となるような断面端部形状の設計手順についてのみ説明したが、3次元での超音波の伝搬経路を解析することにより、従来の球面形状と同様に、金属管Pの軸方向に直交する超音波探触子1の各断面の端部が一様な曲線とならない断面端部形状を設計することも可能である。
By the procedure described above, the cross-sectional end shape of the
図10は、各種寸法の高t/D金属管について、前述した図8に示すフロー図に基づいて超音波探触子1の断面端部形状を設計した結果の一例を示す図である。なお、図10では、金属管の各種寸法に応じて設計された超音波探触子1の断面端部形状の差異を分かり易くするべく、設計された各断面端部形状を水平方向及び鉛直方向に平行移動してプロットしている。図10に示すように、本発明の被検査対象としては、図9A〜図9Dを用いて説明した外径40mmで肉厚10mmである金属管に限るものではなく、高t/D金属管を含む各種寸法の金属管に対して前述した設計手順を適用することにより、各種寸法の金属管に応じた超音波探触子1の断面端部形状を設計可能である。
FIG. 10 is a diagram showing an example of the result of designing the cross-sectional end shape of the
なお、金属管Pにおける横波超音波の集束点Sの設定(図8のS2)に際しては、きずの反射率を考慮することが好ましい。より具体的に説明すれば、図11に示すように、きず(金属管Pの軸方向に伸びるスリット状のきず)での横波超音波の反射率は、横波超音波の入射角θに依存する(現実に設定可能な入射角の範囲で考えれば、40°〜50°程度で反射率が大きくなる)ため、探傷精度を高める(きずエコーの強度を高める)には、入射角θが40°〜50°程度となり得る集束点Sを初期値とし、図8に示すフロー図に従って超音波探触子1の断面端部形状を設計するのが好ましい。
In setting the focusing point S of the transverse ultrasonic wave in the metal tube P (S2 in FIG. 8), it is preferable to consider the reflectance of the flaw. More specifically, as shown in FIG. 11, the reflectance of the transverse ultrasonic wave at the flaw (slit-like flaw extending in the axial direction of the metal tube P) depends on the incident angle θ of the transverse wave ultrasonic wave. (If the range of incident angles that can be actually set is considered, the reflectivity increases at about 40 ° to 50 °). Therefore, in order to improve the flaw detection accuracy (increase the intensity of flaw echoes), the incident angle θ is 40 °. It is preferable to design the end shape of the cross section of the
図12は、以上に説明した本実施形態に係る超音波探傷装置100によって、高t/D(t/Dが20%以上)のメカニカルチューブ内面に存在する深さ0.1mmの微小きずを探傷した際に得られた探傷波形(メインアンプ24の出力信号波形)の一例を示す。図12に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置100によれば、屈折波(U1、U2)の内、横波超音波U2が集束することによって微小きずからの反射エコー強度が高まると共に、同時発生する縦波超音波U1が金属管(メカニカルチューブ)P内面に到達しない伝搬経路を辿るため、当該縦波超音波U1による多重反射エコーを抑制することができ、きずエコーのみを良好なSN比で検出することが可能である。
FIG. 12 shows flaw detection of 0.1 mm deep flaws existing on the inner surface of a mechanical tube having a high t / D (t / D is 20% or more) by the ultrasonic
なお、本実施形態では、超音波探触子1を構成する振動子自体の断面端部形状を非円弧形状とする態様について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、振動子の前にアクリル等の樹脂などで作製した音響レンズを配置し、当該音響レンズの断面端部形状を前述した設計手順に従って設計された非円弧形状とすることも可能である。斯かる態様を採用する場合には、振動子として、PZTに代表される変形困難なセラミック系圧電素子を用いることができる。
In the present embodiment, the aspect in which the cross-sectional end shape of the transducer itself constituting the
<第2実施形態>
図13は、本発明の第2実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図である。図13に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置100Aは、超音波探触子1と、超音波探傷器(図示せず)と、警報器(図示せず)と、マーキング装置(図示せず)とを備えている。また、本実施形態に係る超音波探傷装置100Aは、探触子ホルダー71と、上下動アーム72と、水平動アーム73と、管追従機構74と、エアシリンダー75とを備えている。なお、超音波探傷器、警報器及びマーキング装置は、前述した第1実施形態と同様の構成であるため、その説明は省略する。
<Second Embodiment>
FIG. 13 is a diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic flaw detector according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 13, an ultrasonic flaw detector 100A according to this embodiment includes an
超音波探触子1は、金属管の材質(縦波・横波超音波の音速)、外径、肉厚等に応じて、その断面端部形状が予め設計され(図8参照)用意された複数の超音波探触子の中から、被検査対象たる金属管Pに適したものが選択され、探触子ホルダー71に手動又は自動的に装填される。
The
探触子ホルダー71は、上下動アーム72及び水平動アーム73等を介して、管追従機構74に連結されている。管追従機構74は、エアシリンダー75に連結されており、エアシリンダー75によって上下動するように構成されている。管追従機構74が上下動する際、これに連結された上下動アーム72、水平動アーム73及び探触子ホルダー71も一体となって上下動することになる。
The
超音波探触子1と金属管Pとの相対的な位置関係は、上下動アーム72及び水平動アーム73を駆動することにより予め決定しておく。超音波探触子1と金属管Pとの相対的な位置関係がずれると、超音波探触子1の断面端部形状の設計時に想定した金属管Pにおける横波超音波の集束点Sの位置がずれることになるため、きず検出能が低下することになる。従って、超音波探触子1と金属管Pとの相対的な位置関係を精度良く設定するためには、上下動アーム72、水平動アーム73としてリニアガイドを用いることが好ましい。
The relative positional relationship between the
以上の構成を有する超音波探傷装置100Aによって金属管Pを探傷する際には、内部への水侵入防止用の栓(図示せず)で金属管Pの先端部を閉塞した状態で、スパイラル搬送しながら探傷用水槽(図示せず)を通過させる。このとき、所定の材料検知センサによって金属管Pの先端部を検知したタイミングでエアシリンダー75が起動し、これにより管追従機構74、上下動アーム72、水平動アーム73及び探触子ホルダー71が一体となって下降し、管追従機構74が適当な圧力で金属管Pの外面に押し付けられる。
When flaw detection is performed on the metal pipe P by the ultrasonic flaw detection apparatus 100A having the above-described configuration, spiral conveyance is performed with the tip of the metal pipe P closed with a plug (not shown) for preventing water from entering the inside. While passing through a flaw detection water tank (not shown). At this time, the
適当な圧力で押し付けられた管追従機構74は、上下左右に所定の範囲だけ可動に構成されており、その下面が金属管Pの外面に接触した状態を保ちながら、金属管Pの搬送時のガタに追従して上下左右に移動することになる。この際、管追従機構に連結された上下動アーム72、水平動アーム73及び探触子ホルダー71も上下左右に追従して移動することになり、これにより探触子ホルダー71に装填された超音波探触子1と金属管Pとの相対的な位置関係は一定に保たれることになる。
The
本実施形態に係る超音波探傷装置100Aによっても、横波超音波が集束することによって微小きずからの反射エコー強度が高まると共に、同時発生する縦波超音波が金属管P内面に到達しない伝搬経路を辿るため、当該縦波超音波による多重反射エコーを抑制することができ、きずエコーのみを良好なSN比で検出することが可能である。 Also with the ultrasonic flaw detector 100A according to the present embodiment, the intensity of reflected echo from minute flaws is increased by the convergence of the transverse wave ultrasonic wave, and the propagation path through which the longitudinal wave ultrasonic wave that occurs simultaneously does not reach the inner surface of the metal tube P is obtained. Therefore, it is possible to suppress the multiple reflection echo due to the longitudinal ultrasonic wave, and it is possible to detect only the flaw echo with a good SN ratio.
なお、図13では、金属管P中の超音波伝搬方向が時計回り及び反時計回りの2方向になるように、2個の超音波探触子1を配設した例について図示したが、探傷効率をより一層向上させるべく、例えば、超音波伝搬方向が時計回り及び反時計回りとなる超音波探触子1を金属管Pの軸方向に沿ってそれぞれ複数個ずつ配設することも可能である。
FIG. 13 shows an example in which two
<第3実施形態>
図14は、本発明の第3実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示すブロック図である。図14に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置100Bは、超音波探触子1Aと、送信回路5と、受信回路6と、警報器3と、マーキング装置4とを備えている。なお、警報器3及びマーキング装置4は、第1実施形態と同様の構成であるため、その説明は省略する。
<Third Embodiment>
FIG. 14 is a block diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic flaw detector according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 14, the
本実施形態に係る超音波探触子1Aは、金属管Pの外面に対向配置され、複数個(例えば、32個)の微小圧電素子11を金属管Pの軸方向に直交する断面に並設(例えば、0.5mm間隔で直線状に配列)して構成されるアレイ探触子とされている。
The
送信回路5は、超音波探触子1Aが具備する圧電素子11の個数と同じ数のパルサー51及び遅延回路(送信遅延回路)52を具備している。各パルサー51は、超音波探触子1Aの各圧電素子11に接続されると共に、各遅延回路52に接続されている。各圧電素子11は、各圧電素子11に接続された各パルサー51からの所定周期毎の送信信号で励振され、接触媒質としての水Wを介して金属管Pに超音波Uを入射する。ここで、各パルサー51から送信信号を送信するタイミングは、各遅延回路52によって設定された送信遅延時間に応じて各パルサー51毎に異ならせることが可能であり、後述するように各パルサー51の送信遅延時間を適宜設定することにより、断面端部形状が非円弧形状とされた超音波探触子から超音波を送信する態様を模擬している。
The
金属管Pに入射した超音波Uは縦波超音波U1及び横波超音波U2からなる屈折波として金属管P内部に伝搬し、その反射エコーは超音波探触子1Aが具備する圧電素子11によって受信され、その受信信号が受信回路6に送信される。
The ultrasonic wave U incident on the metal tube P propagates inside the metal tube P as a refracted wave composed of the longitudinal wave ultrasonic wave U1 and the transverse wave ultrasonic wave U2, and the reflected echo is transmitted by the
受信回路6は、超音波探触子1Aが具備する圧電素子11の個数と同じ数のプリアンプ61及び遅延回路(受信遅延回路)62を具備している。また、受信回路6は、加算器63と、メインアンプ64と、きず判定部65とを備えている。各プリアンプ61は、超音波探触子1Aの各圧電素子11に接続されると共に、各遅延回路62に接続されている。各圧電素子11からの受信信号は、各圧電素子11に接続された各プリアンプ61によって増幅された後、各プリアンプ61に接続された各遅延回路62によって、各圧電素子11の送信遅延時間(各圧電素子11に接続された各パルサー51の送信遅延時間)と同じ受信遅延時間の遅延を施される。各遅延回路62の出力信号は、受信回路6が具備する加算器63によって加算された後、メインアンプ64によって増幅される。メインアンプ64からの出力信号は、第1実施形態のきず判定部25と同様の構成であるきず判定部65に入力され、きずの有無が判定されることになる。
The reception circuit 6 includes the same number of
以下、前述した送信遅延時間及び受信遅延時間の設定方法について説明する。 Hereinafter, a method for setting the above-described transmission delay time and reception delay time will be described.
図15は、送信遅延時間及び受信遅延時間の設定方法を説明するための説明図である。図15に示すように、送信遅延時間及び受信遅延時間を設定するに際し、先ず最初に、第1実施形態で説明した手順(図8参照)と同様の手順で設計した非円弧形状Dの水平方向(図15の紙面左右方向)の長さと超音波探触子1Aの長さとを比較し、両者が略同じ長さとなるように、使用する圧電素子11を選択する(選択された圧電素子11の纏まりを選択素子群という)。
FIG. 15 is an explanatory diagram for explaining a method of setting the transmission delay time and the reception delay time. As shown in FIG. 15, when setting the transmission delay time and the reception delay time, first, the horizontal direction of the non-arc shape D designed by the same procedure as the procedure described in the first embodiment (see FIG. 8). 15 is compared with the length of the
次に、選択素子群を構成する各圧電素子11の中心座標と非円弧形状Dとの相対距離をそれぞれ算出(いずれかの圧電素子11と非円弧形状Dとの相対距離を0として算出する。図15では、右端の圧電素子11と非円弧形状Dとの相対距離が0)し、各相対距離を接触媒質Wにおける縦波超音波Uの音速で除した値を、各圧電素子11に対応する送信遅延時間及び受信遅延時間として設定する。
Next, the relative distance between the center coordinates of each
以上に説明した方法で送信遅延時間及び受信遅延時間を設定することにより、断面端形状が非円弧形状Dとされた超音波探触子で超音波を送受信する場合と同様の挙動を示すことになる。すなわち、図14に示すように、金属管P内部に伝搬する縦波超音波U1及び横波超音波U2からなる屈折波において、横波超音波U2が集束すると共に縦波超音波U1が金属管内面に到達しないことになる。従って、横波超音波U2が集束することによって微小きずからの反射エコー強度が高まると共に、同時発生する縦波超音波U1による多重反射エコーを抑制することができるため、きずエコーのみを良好なSN比で検出することが可能である。 By setting the transmission delay time and the reception delay time by the method described above, the same behavior as when transmitting and receiving ultrasonic waves with an ultrasonic probe whose cross-sectional end shape is a non-circular arc shape D is shown. Become. That is, as shown in FIG. 14, in the refracted wave composed of the longitudinal wave ultrasonic wave U1 and the transverse wave ultrasonic wave U2 propagating inside the metal tube P, the transverse wave ultrasonic wave U2 is focused and the longitudinal wave ultrasonic wave U1 is applied to the inner surface of the metal tube. Will not reach. Therefore, the intensity of the reflected echo from the minute flaw is increased by the convergence of the transverse wave ultrasonic wave U2, and the multiple reflected echo by the longitudinal wave ultrasonic wave U1 that is simultaneously generated can be suppressed. Can be detected.
本実施形態に係る超音波探傷装置100Bは、超音波探触子1Aがアレイ探触子で構成され、各圧電素子11について超音波送受信の遅延時間を適宜設定することにより、断面端部形状が非円弧形状とされた超音波探触子(非円弧形状探触子)を模擬できる構成である。換言すれば、各圧電素子11の配列が固定(本実施形態では直線状に配列)された一種の超音波探触子1Aを用いて、超音波送受信の遅延時間を適宜変更するだけで、多種の非円弧形状探触子を模擬することができるため、金属管Pの材質、外径、肉厚等に応じた多数の非円弧形状探触子を用意する必要が無く、ランニングコストを安価に抑えることが可能である。また、金属管Pの材質、外径、肉厚等に応じて非円弧形状探触子を取り替える必要がないため、段取り替え等に要する時間を短縮することができ、検査能率を向上可能であるという利点を有する。
In the
なお、本実施形態では、超音波探触子1Aとして各圧電素子11を直線状に配列したアレイ探触子を適用する場合について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、各配列に応じた超音波送受信の遅延時間を設定しさえすれば、円弧状や多角状に配列したアレイ探触子を適用することも可能である。
In the present embodiment, the case where the array probe in which the
1,1A・・・超音波探触子
2・・・超音波探傷器
P・・・金属管
U・・・超音波
U1・・・縦波超音波
U2・・・横波超音波
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記超音波探触子の金属管の軸方向に直交する断面の端部形状が、金属管内部に伝搬する縦波超音波及び横波超音波からなる屈折波において、横波超音波が集束すると共に縦波超音波が金属管内面に到達しないように設計された非円弧形状とされていることを特徴とする超音波探触子。 An ultrasonic probe for detecting flaws by obliquely injecting ultrasonic waves into a metal tube,
The end shape of the cross section perpendicular to the axial direction of the metal tube of the ultrasonic probe has a longitudinal wave and a longitudinal wave that are propagated inside the metal tube. An ultrasonic probe characterized by having a non-circular shape designed so that wave ultrasonic waves do not reach the inner surface of a metal tube.
予め設定された金属管の形状と、金属管における横波超音波の音速と、接触媒質における縦波超音波の音速と、金属管における横波超音波の集束点とに基づいて、前記集束点に伝搬する超音波の伝搬経路を演算する第1ステップと、
前記第1ステップで演算された伝搬経路と、予め設定された前記超音波探触子の金属管周方向に沿った長さとに基づいて、超音波探触子の断面端部形状を演算する第2ステップと、
前記第2ステップで演算された超音波探触子の断面端部形状と、予め設定された金属管における縦波超音波の音速とに基づいて、金属管内部に伝搬する縦波超音波の伝搬経路を演算する第3ステップと、
前記第3ステップで演算された縦波超音波の伝搬経路の内、金属管内面に到達する伝搬経路が存在する場合には、前記横波超音波の集束点を変更して、前記第1ステップから前記第3ステップまでを繰り返す一方、金属管内面に到達する伝搬経路が存在しない場合には、前記第2ステップで演算した断面端部形状を採用する第4ステップと、
を実行することによって設計された非円弧形状とされていることを特徴とする請求項1に記載の超音波探触子。 The cross-sectional end shape of the ultrasonic probe is:
Propagation to the focusing point based on the preset metal tube shape, the sound velocity of the transverse wave ultrasonic wave in the metal tube, the sound velocity of the longitudinal wave ultrasonic wave in the contact medium, and the focal point of the transverse wave ultrasonic wave in the metal tube A first step of calculating a propagation path of ultrasonic waves to be
Based on the propagation path calculated in the first step and a preset length along the circumferential direction of the metal tube of the ultrasonic probe, a first shape for calculating the cross-sectional end shape of the ultrasonic probe is calculated. Two steps,
Propagation of longitudinal ultrasonic waves propagating inside the metal tube based on the cross-sectional end shape of the ultrasonic probe calculated in the second step and the sound velocity of longitudinal ultrasonic waves in the metal tube set in advance A third step of calculating a route;
If there is a propagation path that reaches the inner surface of the metal tube among the propagation paths of the longitudinal wave ultrasonic wave calculated in the third step, the focal point of the transverse wave ultrasonic wave is changed, While repeating up to the third step, when there is no propagation path reaching the inner surface of the metal tube, a fourth step adopting the cross-sectional end shape calculated in the second step;
The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the ultrasonic probe has a non-arc shape designed by performing the above.
前記超音波探触子は、複数の素子を並設して構成されるアレイ探触子とされ、
金属管内部に伝搬する縦波超音波及び横波超音波からなる屈折波において、横波超音波が集束すると共に縦波超音波が金属管内面に到達しないように、前記各素子について超音波送受信の遅延時間が設定されていることを特徴とする超音波探触子。 An ultrasonic probe for detecting flaws by obliquely injecting ultrasonic waves into a metal tube,
The ultrasonic probe is an array probe configured by arranging a plurality of elements in parallel,
In the refracted wave consisting of longitudinal and transverse ultrasonic waves propagating inside the metal tube, the ultrasonic wave is delayed for each element so that the transverse wave ultrasonic wave is focused and the longitudinal wave ultrasonic wave does not reach the inner surface of the metal tube. ultrasonic probe you characterized in that time is set.
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