JP4564867B2 - 超音波探傷方法及びその装置 - Google Patents

Description

本願発明は、超音波探傷方法及びその装置に関するものである。

丸棒（円柱）や円筒状の被検査材料（以下被検材と呼ぶ。）の超音波探傷を行うに際して、迅速な探傷を行うために、旧来の物理的なプローブの回転走査（又はプローブを固定しての被検材の回転駆動）を行う手法に代わる方法として、複数の振動子（エレメント）を被検材の外周を取り囲むよう、環状に配列したアレー探触子を用い、一連の振動子を数個シフトして順次振動させ、被検材の外周の各位置に向けて超音波を発するものが提案されている（特許文献１）。
尚、このように環状にエレメントが配列されたアレー探触子では、メンテナンス時、一部のエレメントの不具合により、その全体を交換する必要が生じる。このため、本願の発明者は、複数のエレメントを弧状に配列した弧状のフェーズドアレー探触子を、複数用いて、被検材の外周を取り囲むように配列したものを考えた。即ち、複数の弧状のアレー探触子を用いて、円周をブロック分けして、探傷を行うのである。
また、他においても、円周をブロック分けして探傷を行うものが提案されている（特許文献２及び特許文献３）。

特開昭５９−１２６９５２号公報 実告平３−１１７３４号公報（特開昭５９−６３５６０号公報） 特公平１−４３９０６号公報

一方、パイプ（円筒）又はピレット（円柱）の超音波ビーム回転式探傷装置を上記のフェーズドアレープローブ（アレー探触子）で実現しようとすると、上記のブロック分けをする・しないに拘わらず、パルス繰り返し周波数が上がらないという問題があった。
この点について、図９（概念図）を用いて、詳しく述べる。
上記従来の探傷装置では、図９（Ａ）に示す通り、パイプ又はピレットといった円形の断面を有する被検材と弧状の断面を有する（複数の振動子１０が弧状に配列された）フェーズドアレープローブ１とプローブ収納ブロックＪを同心円（Ｍは被検材ｍの中心を示す。）上に配置し、当該被検材ｍとフェーズドアレープローブ１と含むプローブ収納ブロックＪの間をカップリング用の探傷水ｗで満たす（図９において、図面の煩雑を避けるため、被検材ｍについて付すべきハッチングを省略してある）。
具体的には、この超音波探傷装置は、被検材ｍに対して、フェーズドアレープローブ１が呈する弧の中心角φを二等分する二等分線ｔ１上に、被検材ｍの中心Ｍが位置するよう、物理的な配置を採る。

上記従来の超音波探傷装置にあって、図９（Ｂ）へ示す通り、アレープローブ１の当該発信用アレーエレメント（振動子１０…１０）を位相制御されたパルスで超音波励振し、超音波を被検材ｍに向け発信し、カップリング用の探傷水ｗを通過させる。被検材ｍに到着した超音波について、被検材ｍ表面でその一部が被検材ｍ内部に入射し、その他のものが被検材ｍ表面で反射される。入射した超音波は、被検材ｍ内部を伝播し、材料（被検材ｍ）内の欠陥、音響的インピーダンス不整合面で反射又は屈折する（図示しない）。このように反射又は屈折した超音波は再び被検材ｍ表面に戻り、ここで上記超音波の一部がカップリング用の探傷水ｗに伝播し、超音波は、最終的には当該受信用アレーエレメントに到達する。受信用アレーエレメントでは超音波は電気信号に変換され、信号増幅され、位相遅延され、位相合成されたのち、評価回路に送られる。
発信から受信に到る一連の動作が完了した後、発信用受信用アレーエレメントを適当なエレメント数分シフトさせ、上記と同様な発信受信シーケンスが繰り返される。この繰り返し周期を超音波繰り返し周期といい、この逆数を超音波繰り返し周波数という。この超音波繰り返し周期は、主に残響超音波信号（ゴーストエコーとも呼ばれる）の残存時間で決定される。
残響超音波信号の主要な成分は、カップリング用の探傷水内の、フェーズドアレープローブ表面と被検材ｍ表面との間の多重反射、及び、プローブ収納ブロック表面と被検材ｍ表面との間の多重反射である。
このため、一つの弧状のアレー探触子による超音波の多重反射が、問題となる欠陥エコーを弁別することができるまで減衰するのを待って、次の超音波の発射を行わねばならず、上記の残響時間の長さが探傷の迅速性を阻害していた（次のパルスを早く出せないでいた）。
ここで、プローブ収納ブロック表面と被検材表面との間の多重反射については、プローブ収納ブロックの表面を超音波吸収効果の高い材料で構成したり、乱反射を行わせる楔加工を施したりした対処することができるが、フェーズドアレープローブ表面と被検材表面との間の多重反射については、これまで有効な対策がなかった。

上記の残響超音波信号について、計測実験のデータに基いて説明する。
図１０へ示す実験機材を用いて多重反射による残響超音波のデータを採取した。この実験機材は、長方形のステンレスの板ｋの表面ｋ１に、フェーズドアレープローブ１のプローブユニット２と、パイプ状のテスト用被検材ｍ０とを固定したものである。上記の図９（Ａ）に示すように、フェーズドアレープローブ１（の呈する弧）が、被検材ｍ０と間隔を隔てて、被検材ｍ０と同心となるよう、夫々板ｋ表面に配置・固定した。
そして、探傷水（水）の中に被検材ｍと共に上記板ｋを浸けて、実験を行った。
尚、このフェーズドアレープローブ１は、弧の半径が５２．５ｍｍ、弧の中心角が６０度であり、その中央部分に０．３５ｍｍピッチ間隔で配設された１２８個の振動子にて構成され、そのうち同時に振動する振動子を３２個とした。一連の３２個の振動子群が振動して超音波を発し探傷を行った後、数個シフトして次の３２個の振動子群が振動し探傷を行う。最も反射エコーが強い振動子群から得た結果を図１１（Ａ）、図１２（Ａ）及び図１３（Ａ）へ示す。
各図に示すグラフにおいて、縦軸は反射エコーの強さを、横軸は被検材中の横波伝播距離（ｍｍ）を示している。横波音速を３２３０ｍ／ｓｅｃとした。音波の到達距離は、到達時間から換算されることから、横軸が示す距離は、時間と考えることができる。
図１１（Ａ）が示すデータは、被検材ｍ０を直径３４．０ｍｍ、肉厚７．０ｍｍのパイプとし、超音波の被検材ｍ０への入射点における屈折角２４．６度、フェーズドアレープローブ１の感度を４８．８ｄＢとして得た。
図１２（Ａ）が示すデータは、被検材ｍ０を直径３４．０ｍｍ、肉厚７．０ｍｍのパイプとし、超音波の被検材ｍ０への入射点における屈折角４５．０度、フェーズドアレープローブ１の感度を５０．４ｄＢとして得た。
図１３（Ａ）が示すデータは、被検材ｍ０を直径４８．６ｍｍ、肉厚３．７ｍｍのパイプとし、超音波の被検材ｍ０への入射点における屈折角３６．８度、フェーズドアレープローブ１の感度を５１．２ｄＢとして得た。尚、上記各感度は、図１１（Ａ）及び図１３（Ａ）では内面の０．１ｍｍノッチきずのエコー高さ、図１２（Ａ）では外面の０．１ｍｍノッチきずのエコー高さが画面縦軸の４／５（８０％）になる感度とした。
図１１〜図１３に示すグラフの波形のピークは、フェーズドアレープローブ表面と被検材表面との間の多重反射、即ち、フェーズドアレープローブ表面と被検材表面との間における反射エコーを示している。

Ｓ／Ｎ比１２ｄＢを確保するとして、多重反射エコーのピークが、縦軸の１／５（２０％）以下へ減衰するまでの時間（距離）について、図１１（Ａ）に示す結果を見ると、概ね３５０ｍｍ（横軸）を要し、図１２（Ａ）に示す結果を見ると、概ね２５０ｍｍを要し、図１３（Ａ）に示す結果を見ると概ね３００ｍｍを要している。最も大きな数値である３５０ｍｍ（Ｌとする）の場合、時間に換算すれば２１８μｓｅｃ（Ｔとする）となり（音速Ｖ＝３２３０ｍ／ｓｅｃとすれば、Ｔ＝２＊Ｌ／Ｖで示される。）、これが超音波繰り返し周期の上限となる。超音波繰り返し周波数で言えば約４ＫＨｚとなる。このような範囲において、欠陥エコーが含まれていても、上記の多重反射エコーに隠れ、弁別することは困難である。
従って、この実験結果が示す通り、実際の探傷において、超音波の多重反射について、欠陥エコーを弁別することができるまで減衰するのを待って、次のパルスを出させねばならず、前述の通り、上記の残響時間の長さが探傷の迅速性を阻害していたのである。

本願発明者は、鋭意研究の末、従来のように被検材の中心と弧状のアレー中心とを一致させることが、フェーズドアレープローブ表面と被検材表面との間の多重反射による残響時間（欠陥の探傷が可能とされる程度に振幅が減衰するまでの時間）を、大きくする要因となっていることを発見した。
そこで、本願発明者は、被検材の中心に対し、弧状のアレー探触子の中心を一致させない、即ち偏心させることによって、少なくとも上記のフェーズドアレープローブ表面と被検材表面との間の多重反射（振幅）を軽減し、その残響時間を大幅に低減できることを見出した。

尚、上記の特許文献２及び３において、未探傷領域の回避を目的とし、丸棒である被検材の外周面を取り囲むフェーズドアレープローブの夫々が発する超音波の焦点を、丸棒である被検材の中心（軸）から偏心させたものが見受けられる。例えば、特許文献３において、未探傷領域の発生を防止するために、被検材の中心Ｏに対して焦点Ｆを変位させることが記載されている。

しかし、これらの文献に示された手法の何れにおいても、物理的には、個々のフェーズドアレープローブが、被検材と同心となるように配置され、プローブの焦点のみを被検材の中心に対して偏心させたものであり、従って、上記の多重反射の問題は、上記の特許文献２及び３においても依然として、解消されていないのである。

そこで、本願発明者は、フェーズドアレープローブ表面と被検材表面との間の多重反射を軽減する方法を提供して、上記の課題を解決した。

本願第１の発明は、円柱或いは円筒状の被検材ｍの外周面を取り囲むように、何れも同一半径の弧を呈する複数のフェーズドアレープローブ１…１を設けて、当該被検材ｍを探傷するものであり、フェーズドアレープローブ１…１の夫々は、複数の振動子１０…１０を弧状に配列したものである超音波探傷方法について、次の構成を採るものを提供する。
即ち、この方法は、内部に円柱或いは円筒状の被検材ｍを通過させることが可能な筒状体と、通過させる被検材ｍに対して同心となるように筒状体を支持する支持部材とを用い、個々のフェーズドアレープローブ１…１を、被検材ｍの軸方向と直交する平面上（仮想面）にて、フェーズドアレープローブ１が呈する弧の中心角を等分する二等分線（仮想線）と、被検材ｍの中心軸との間に偏心距離ｄを持たせるように、被検材ｍに対しオフセットするものであり、上記の各フェーズドアレープローブ１…１の夫々を、筒状体の内周面にて、筒状体の軸方向の異なる位置に、配設する。
ここで偏心とは、フェーズドアレープローブ１が呈する弧の中心角を等分する二等分線（仮想線）と、被検材ｍの中心との間の、ずれをいう。従って、偏心距離とは、当該二等分線（仮想線）に被検材ｍの中心から降ろした垂線（仮想線）の長さであり、また、オフセットするとは、当該二等分線上が被検材ｍの中心軸を通らないように被検材に対しフェーズドアレープローブをずらして配置するということである。
尚、上記の二等分線は、フェーズドアレープローブ１が呈する弧の両端を結ぶ線分を垂直に等分する線でもある。

本願第２の発明では、上記本願第１の発明にあって、上記の偏心距離ｄは、被検材ｍの半径より小さく、フェーズドアレープローブ１の呈する弧の半径の１／２０〜１／５であることを特徴とする超音波探傷方法を提供する。

本願第３の発明では、上記本願第１又は２の発明にあって、各フェーズドアレープローブ１…１の上記偏心距離ｄが、何れも同一の大きさであることを特徴とする超音波探傷方法を提供する。

本願第４の発明では、同一半径の弧を呈する複数のフェーズドアレープローブ１…１を備え、フェーズドアレープローブ１の夫々は、複数の振動子１０…１０が弧状に配列されたものである超音波探傷装置について次のものを提供する。

即ち、この装置は、内部に円柱或いは円筒状の被検材を通過させることが可能な筒状体と、通過させる被検材に対して同心となるよう筒状体を支持する支持部材とを備え、全フェーズドアレープローブ１…１から距離を等しくする中心軸（仮想線）に対し、フェーズドアレープローブ１の夫々は、当該中心軸の周方向に沿って配列され、個々のフェーズドアレープローブ１が呈する弧の中心角を等分する二等分線（仮想線）と上記中心軸との間に偏心距離ｄを備えるよう、各フェーズドアレープローブ１は、上記の中心軸に対しオフセットされ、上記の各フェーズドアレープローブ１…１の夫々は、筒状体の内周面にて、筒状体の軸方向の異なる位置に、配設されたものである。

本願の各発明は、フェーズドアレープローブ表面と被検材表面との間の多重反射（残響）を、物理的なフェーズドアレープローブの配置の工夫により、簡便に且つ迅速に減衰させた。即ち、プローブから被検材へ超音波を入射させる間について、各フェーズドアレープローブ（の呈する弧が属する円）の中心と被検材の中心との間に、正確にはフェーズドアレープローブが呈する弧の中心角を等分する二等分線と被検材の中心との間に（当該二等分線上に、被検材の中心が来ないよう）、偏心距離を設定することにより、残響時間を短縮させた。
本願発明において、被検材内の探傷条件（例えば、縦波探傷、横波探傷の選択、屈折角、焦点深度等）が同一であっても、各発信信号シーケンスでのフェーズドアレーの緒言データ（例えばエレメント毎の送信パルスデレー量、受信信号デレー量、プローブと被検材の超音波入射点までの超音波伝播距離等）は異なる。しかし、一般のフェーズドアレープローブ表面と被検材表面との間の曲面的平行度（プローブ表面と被検材表面の各部における物理的な距離の一定性）は低減され、多重反射は軽減された（早期に減衰するものとした）。
例えば、従来の方法（フェーズドアレープローブの配置を被検材と同心とする方法と）では、超音波繰り返し周波数は４ｋＨｚ（材料変形、変心を考慮すると２ｋＨｚ程度が実用的）程度が限界であるが、この発明の実施によって超音波繰り返し周波数を８ｋＨｚ程度まで上げることが可能となった。

以下、図面を参照しつつ、本願発明の好ましい実施の形態について、説明する。図１〜図８へ本願発明の一実施の形態を示す。図１は、本願発明の一実施の形態を示す略全体縦断面図である。図２は図１に示す探傷装置の要部（第１探傷部１００ａ）の略縦断面図である。図３は図２に示す装置を正面視した状態を示す説明図である。図４は図１に示す探傷装置の要部（第２探傷部１００ｂ）の略縦断面図である。図５は図４に示す装置を正面視した状態を示す説明図である。図６（Ａ）は図１〜図５に示す装置に用いられるフェーズドアレープローブ１のプローブユニット２の正面図であり、図６（Ｂ）はその側面図である。図７は、図６に示すプローブユニット２を取り付けるリング３の略正面図を示している。図８は図７に示すリング３の説明図である。尚、図３及び図５において、被検材ｍは省略してある。
説明の便宜上、図面において、適宜、Ｕは上方を、Ｓは下方を、Ｆは前方（被検材ｍの進行方向）を、Ｂは後方を示す。

図１へ示す通り、本願発明に係る超音波探傷装置は、２つの探傷部（第１探傷部１００ａと第２探傷部１００ｂ）を備える。
この探傷装置は、被検材ｍとなる鋼管（パイプ）又はビレットの、欠陥を探傷するものであり、このような鋼管の製造工程或いは加工工程において、鋼管の移動中に探傷を行う。即ち、鋼管の製造・加工装置が備える送り装置によって移送されて来る鋼管の移送経路の途中に、この探傷装置を配置して、鋼管の探傷を行う。上記の送り装置は、被検材ｍを軸方向に沿って移送し、被検材ｍに回転は与えない。即ち、被検材ｍを、直線的に移動させるのみで、その周方向については変位させない。図１へ示す通り、後方Ｂ側から前方Ｆに向けて、被検材ｍは、直線的に送られる。
上記の軸方向に対する移送は、探傷装置に対する相対的な移動であり、探傷装置（プローブ）を被検材ｍの軸方向に沿って直線的に移動させるものとしても実施可能である。

以下、上記探傷装置の各部の構成について、詳述する。
探傷部１００ａ，１００ｂの夫々は、複数のプローブユニット２…２（図６（Ａ）（Ｂ））と、複数のリング３…３（図７）と、端部リング４…４（図１、図２及び図４）と、複数のブッシュ５…５と、リング支持体６と、ブッシュ保持体５０（図１〜図５）と、係止具７とを備える。
この第１探傷部１００ａ（図２及び図３）と第２探傷部１００ｂ（図４及び図５）とは、リング３の数が異なり（図４へ示す通り第２探傷部１００ｂは第１探傷部１００ａよりも１枚リング３の数が多い。）、また被検材ｍに対するリング３…３の向きが異なるのみで、他の構成は同一である。従って、以下、第１探傷部１００ａを両探傷部の代表として説明する。

プローブユニット２は、図６（Ａ）（Ｂ）へ示す既成のユニットを採用することができる。図８へ示す通り、個々のプローブユニット２（以下必要に応じて単にユニット２と呼ぶ。）には、複数の振動子１０…１０を備えたフェーズドアレープローブ１（以下、必要に応じて単にプローブ１と呼ぶ。）が設けられている。この実施の形態において、１つのプローブ１は、１２８個の振動子１０…１０を備える。振動子１０…１０は、超音波の送信・受信を行うものであり、送信回路、受信回路（図示せず。）に電気的に接続されている。図１〜６において、１１は、当該回路との接続を担う導線を示している。送信回路は、振動子１０に超音波の発信（振動）に必要なパルス電圧を、所定のタイミングで加える回路である。また、受信回路は、振動子１０が受信した超音波（反射波）を電気信号に変換して信号処理する回路である。送信回路と受信回路の何れも、従来周知の回路を採用して実施することができる。
この実施の形態において、個々のプローブ１は、１回の探傷に、１２８個のうち３２個の振動子を振動させる。そして、振動させる振動子を数個づつシフトして、次の３２個を振動させる。このシーケンスが繰り返される。
ユニット２は、図６へ示す通り、板状体（立方体）であり、先端にプローブ１が設けられている。即ち、ユニット２の先端は、弧を呈する。

図７へ示す通り、個々のリング３は、その表裏に貫通する中空部分３０を備えた円盤、即ち環状体である。
リング３…３同士は、同心となるよう重ねられ、係止具７にて止められる（図１、図２及び図４）。これにて、リング３…３は、１本の筒状体（特許請求の範囲の請求項５の筒状体に対応）を形成する。この実施の形態において、係止具７は、ナットを備えたボルトである（以下ボルト７と呼ぶ）。

リング３…３の夫々は、上記のプローブユニット２を取り付ける受容部２１が形成されている。
受容部２１は、リング３の端面に形成された凹部である。受容部２１は、ユニット２の形状・寸法に対応する内部形状・寸法を備えた凹部であり、受容するユニット２にぴたりと沿うものである。
受容部２１に上記のユニット２を嵌め込み、ネジ或いはボルトといった固定具にて、リング３にユニット２を固定する。但し、リング３に対してこのような固定具を用いて固定するのではなく、上記のボルト７によるリング３…３の固定によって、個々のリング３へユニット２を固定するものとしても実施可能である。受容部２１は、リング３の中空部分３０に連絡しており、取り付けられたユニット２のプローブ１は、リング３の中空部分３０を臨む。
１つのリング３に一つの受容部２１が形成されることによって、１つのリング３につき、１つのユニット２を設けることができる。但し、１つのリング３に複数の受容部２１を設けて、複数のユニット２を設けるものとしても実施可能である。例えば、円盤状のリング３の両面に受容部２１を形成するものとしても実施可能である。
この実施の形態では、次の支持体６の支持板６２を除き、１つのリング３に一つのユニット２が設けられている。

図２（図３）へ示す通り、上記のリング支持体６は、地面或いは床面に設置固定される基台６１と、基台６１上面に立設された支持板６２とを備える。支持板６２は、上下に伸びる板状体であり、前後に貫通する貫通部６３を備える。支持板６２は、上記リング３…３に重ねられて、リング３…３と共に上記のボルト７によるボルト止めがなされる。ボルト止めに際して、支持板６２の前後が、リング３…３に挟まれた状態に止められる。
上記において、支持板６２の貫通部６３がリング３…３の中空部分３０と対応するように、支持板６２は、リング３…３に重ねられて、ボルト止めされる。具体的には、ボルト７…７は、全リング３…３、支持板６２、端部リング４，４及びブッシュ保持体５０，５０を貫くものであり、上記のリング３…３、支持板６２、端部リング４，４及びブッシュ保持体５０，５０を一体に固定する。
これにて、リング３…３（及び端部リング４，４とブッシュ保持体５０，５０）は、その軸方向を水平にして、リング支持体６に保持される。
この実施の形態において、上記支持板６２には、貫通部６３の内部を臨むように、プローブ１（ユニット２）が（２つ）取り付けられている。即ち、この支持体６２にも、（２つの）ユニット２の受容部２１が設けられて、この受容部２１にユニット２が取り付けられている。以下、支持板６１の貫通部６２も、中空部分３０の一つとして、他のリング３と同様に説明する。

上記の通り、リング３…３の上記ボルト止めの際、重ねられたリング３…３が呈する円筒の両端面に、端部リング４，４が一緒にボルト７にて止められ、これにて、リング支持体６と両端部リング４，４との間に、上記のリング３…３の夫々が挟持される（図２、図４）。
図１及び図２（図４）へ示すように、リング３…３及び支持板６２の中空部分３０、端部リング４，４及び各ブッシュ５…５の中央（中空部分４０，５０）へ、被検材ｍが通される。

リング３…３の内周面（中空部分３０）の断面形状については、その全体が正円となるものではないが、後述の通り、内周面上において、プローブ１の呈する弧以外の部分に（ユニット２が設けられた部分以外に）正円となる部分（図８）を有する。当該正円となる部分が被検材ｍと同心となるように、リング 3…３を配置する。支持板６２についても同様である。

具体的には、リング３…３は、この実施の形態において、全て同じ外径を備える円盤であり、その厚み（表裏の端面間の幅）も全て同一である（支持板６２については、ユニット２を２つ取り付けられるものであるため、その分リング３…３よりも厚みが大きい）。
リング３の内周面からプローブ１がリング３の中空部分３０を臨むように、尚且つ、プローブ１が呈する弧が被検材ｍの軸方向と直交する平面（仮想面）に属するように、ユニット２は、リング３に取り付けられる。
上記の受容部２１は、このようなユニット２の外径に合わせて、リング３の端面に設けられた凹部である。

また、ブッシュ５…５の夫々は、環状部材であり、端部リング４…４を挟んで、リング３…３の反対側に配置され、上記ブッシュ保持体５０，５０に保持される。この実施の形態において、ブッシュ５…５は、リング３…３の前方と後方に夫々３枚づつ合計６枚配設されている。但し、ブッシュ５の枚数は、このような数に限定するものではなく、変更可能である。
上記の端部リング４の中空部分４０及びブッシュ５の内周面（中空部分５０）の断面形状は、円である。上記において、当該中空部分４０，５０が、被検材ｍと同心になるように、端部リング４，４及びブッシュ５，５が、配置され、固定される。即ち、端部リング４，４は、中空部分４０を被検材ｍと同心とするように、リング３，３に対して取り付けられ、ブッシュ保持体５０，５０は、中空部分５０とリング３…３とが同心となるように、ブッシュ５…５を保持する。
各ブッシュ５…５は、送られてくる被検材ｍを案内（ガイド）する。この実施の形態では、少なくとも一部のブッシュ５ａ，５ａの内径（中空部分５０の径）を、他のブッシュ５…５の内径（中空部分５０の径）より小さなものとして、ブッシュ５…５の内周面が被検材ｍの外周に対応する（沿う）ものとし、当該ブッシュ５，５ａにより、（移送中撓んで芯ぶれを起そうとする）被検材ｍに対して芯出し（軸の位置決め）を行う。
特許請求の範囲の請求項５に記載の支持部材は、上記の、リング３…３と、端部リング４…４と、ブッシュ５…５と、ブッシュ保持体５０…５０と、リング支持体６と、係止具７…７とにて構成されている。

図７へ点線で示す通り、上記の各リング３の内部には、探傷水の給水部３２，３２が設けられている。この給水部３２，３２は、外部から中空部分３０へ探傷水を導入するための通路である。図７において、図面の煩雑を避けるため、前記の位置決め部３１は省略している。また、図１〜図５及び図８において、上記の給水部３２，３２については省略して描いてある）。給水部３２，３２によって、探傷中、探傷水が供給される。中空部分３０内へ供給された探傷水は、上記のブッシュ５…５と被検材ｍ間のクリアランスから外部に排出される。但し、給水部３２を各リング３に設けるのではなく、一部のリング３や支持体６２にのみ設けるものとしても実施可能である。また、排水についても、上記のブッシュ５…５と被検材ｍ間のクリアランスに専ら頼るのではなく、一部のリング３又は支持体６２へ別途の排水通路を形成して実施することも可能である。

ユニット２…２の配置について詳しく説明する。
先ず第１に、全てのユニット２…２間において、次の関係を有する。即ち、被検材ｍの軸方向において隣接するユニット２，２同士にあって、弧を呈する互いのプローブ１を、被検材ｍの中心線（仮想線）と直交する平面（仮想平面）において、被検材ｍの中心に対し、順次、同一の向き（例えば前方側から正面視した状態において時計回り）に所定角度ずらした状態とする（これは、実際にこのように配置してから次の第２の状態に配置し直すという意味ではなく、最終的にプローブ１…１間の配置はこのような基準を満たすものであるという意味である）。即ち、図８へ示す通り、被検材ｍの軸方向と交差する（仮想）平面において、個々のプローブ１は、被検材ｍの中心Ｍを中心として、夫々互いの向きを異にする（図８において被検材ｍは省略して描いている）。この実施の形態において、プローブ１の呈する弧の中心角は６０度である。そして、隣接するプローブ１間において、被検材ｍの中心Ｍを中心とし、２５．７度のずれ（ずれ角）を有する。
上記のずれ角については、被検材ｍの軸方向と交差する（仮想）平面において、個々のプローブ１が呈する弧の中心角φを二等分（角度θ）する二等分線同士がなす角度と考えればよい。
このように、所定角度（この実施の形態において２５．７度）ずれた状態となるよう、プローブ１…１の向きを決める。
このように各プローブ１…１を所定角度づつずらすことによって、被検材の外周を３６０度カバーする。

第２に、このように向きを異にするプローブ１…１の夫々について、被検材ｍの軸方向と直交する上記の（仮想）平面において、個々のプローブ１…１の、上記二等分線を、被検材ｍの中心に対して、所定間隔（偏心距離ｄ）明けた状態に配置する。

各プローブ１…１は、、上記の第１の向き、及び、第２の配置を採るよう、ユニット２…２の夫々が探傷部に固定される。
各プローブ１について、上記の向き・配置を満たすものであれば、特に上記のリング３…３を採用することに限定するものではないが、上記構成を採るリング３…３へ、ユニット２…２を取り付けることによって、容易に上記の向き及び配置を実現することができる。

以下、上記のプローブ１…１の設置の方法について、具体的に説明する。
この実施の形態において、リング３…３の受容部２１…２１を、リング３の端面において、受容するユニット２が次の配置（及び向き）を採る位置・向きに設けておく。
プローブ１の（呈する）上記弧が被検材ｍの中心と同心に配置されているとした場合、当該弧の中心角を二等する二等分線（仮想線）は、被検材ｍの中心を通る（以下被検材ｍの中心を通る上記二等分線を中心包含線ｔ２と呼ぶ。）。プローブ１が呈する上記の弧の二等分線が、この中心包含線ｔ２に対し平行であって、中心包含線ｔ２に対し所定間隔（偏心距離ｄ）離れた平行線（仮想線／以下必要に応じてオフセット線ｔ１と呼ぶ。）となるよう、ユニット２を配置する。ユニット２を嵌めれば、上記の配置を採るように、受容部２１を、リング３に形成すればよい。
受容部２１の位置は、偏心距離ｄを採らないプローブ１の位置（プローブ１が被検材ｍの中心Ｍと同心の配置）を基準として、即ち、特許請求の範囲の請求項４に記載の全フェーズドアレープローブから距離を等しくする中心軸を基準として、当該位置にあるプローブ１の呈する弧の端ｐ１，ｐ２を結ぶ直線（以下弧端線ｔ３と呼ぶ。）に沿って（当該弧端線ｔ３の延長線上にて）、プローブ１を一方の弧端側へ（偏心距離ｄ分）寄せた位置に来るようユニット２を配置するものであるのが好ましい（偏心距離ｄ設定後も両弧端が上記弧端線ｔ３の延長線上に位置するようにユニット２配置するのが好ましい）。但し、中心包含線ｔ２上に被検材ｍの中心Ｍを位置させないものであればよく、このような配置に限定するものではない。即ち、二等分線が偏心距離を有するものであれはよく、弧端線上にプローブの弧端が位置するように移動するものに限定しない。
この探傷装置において、被検材の中心Ｍ（中心軸）と、上記の全フェーズドアレープローブから距離を等しくする中心軸とは、一致する。

上記の偏心距離ｄの大きさは、プローブ１が呈する弧の半径の１／２０〜１／５とする。この実施の形態において、プローブ１が呈する弧の半径を５２．５ｍｍとし、これに対して、５ｍｍの偏心距離を設定している。
被検材ｍの先端（前面）を正面視した状態において、上記の中心包含線ｔ２を上下に伸びる（鉛直方向に伸びる）ものとした場合、偏心距離ｄは、中心包含線ｔ２の右側に設定しても、左側に設定しても、何れでもよい。
上記の通り、一つの探傷装置において、検査の対象とする被検材の寸法は、このような一つの寸法に限らない。即ち、探傷装置に通すことが可能であり、必要な水距離（プローブ１表面と被検材ｍ表面間の距離、即ち介される探傷水の幅）を確保できるものであれば、一つの探傷装置の検査対象となる被検材ｍの寸法は一義的なものではない。
この実施の形態において、被検材ｍは、直径（外径）５０ｍｍの寸法のものを例示する。尚、偏心距離ｄを設定することによって、プローブ１の各位置（各振動子１０…１０）において、水距離は一定とならない（これが多重反射の早期減衰を実現する）。

リング３の内周面全体（プローブ１を除く。）の断面形状を正円とすると、上記の通りプローブ１が偏心距離ｄを有するように配置されることによって、被検材ｍの軸方向と直交する平面上において、プローブ１（の弧端）とリング３内周面の他の部分との間に段差が生じる。このような段差は、超音波の反射源となるので、好ましくない。
このため、プローブ１とリング３の内周面の他の部位との間に段差ができないように、リング３の内周面の各部を曲線的に形成する。
例えば、リング３の内周面の断面形状は、図８に示す形状を採るのが好ましい（図８において被検材ｍは省略してある）。この場合、プローブ１の呈する弧の中心は、前述のオフセット線ｔ１上にある。ここで、説明の便宜上、プローブ１の弧端ｐ１，ｐ２を結ぶ弧端線ｔ３と平行であり且つ被検材のｍの中心Ｍを通る線ｔ４（以下平行中心線ｔ４と呼ぶ。）が、被検材ｍの中心Ｍを中心とする円（上記の通り、この実施の形態では、必要な水距離を確保するために、直径５０ｍｍの被検材に対して半径５２．５ｍｍの円）と交差する点を、交点ｐ３，ｐ４とする。

平行中心線ｔ４を挟んでプローブ１と反対側について、リング３の内周は、上記の円（中心Ｍ）と一致するよう形成する。即ち、平行中心線ｔ４を挟んでプローブ１と反対側についてリング３の内周面は、交点３，ｐ４を弧端とする弧であり、正円の一部となるように形成する（前述の正円となる部分である）。
リング３の内周面の上記弧と反対側において、弧端ｐ１と交点ｐ４との間、及び弧端ｐ２と交点ｐ３との間は、段差のない凹曲線（被検材ｍ側を凹とする）とするのである。この凹曲線については、段差なく湾曲するものであれば、どのような曲線であっても実施可能である。また、正円となる範囲も上記に限定するものではない。また、正円となる部分を持たないものであってもよい。
また、上記の偏心距離ｄの設定によって、隣接するリング３，３間にて内周面に段差ができるが、プローブ１の厚みｘ方向（図６（Ｂ））については、超音波は広がらない（実際には若干広がるが、当該被検材ｍの軸方向の段差が問題となる程広がらない) ので無視することができる。

この実施の形態において、ユニット２は既製品を用いた。当該既製品において、プローブ１の呈する弧の中心角φは、前記の通り６０度に限定するものではない。しかし、上記の弧端線ｔ３と平行中心線ｔ４とを一致させないようにする必要があり、このような点から、上記の中心角φは、１８０度より小さいものである必要がある。
より現実的には、上記の弧端線ｔ３は、被検材ｍに交わらないのが好ましい。通常、このような対象とする被検材ｍの直径と水距離（プローブと被検材表面との間の距離）とを考慮すると、上記の中心角φは１２０度以下とするのが好ましい。
使用可能なプローブ１の振動子１０の大きさや数を考慮すると、上記の中心角は、８度以上１００度以下とするのが好ましい。
但し、プローブ１の中心角φは、上記の数値範囲に限定するものではない。

この実施の形態において、図３及び図５へ示す通り、少なくとも、ボルト止めされたリング３…３の夫々は、周方向Ｒについて、隣接するリング３に対し所定の角度ずらした状態に固定される。即ち、個々のリング３に設けられたボルト７を通す孔は、上記の所定角度ずれた位置に夫々設けられて、ボルト７を通して固定することにより、隣接するフェズドアレープローブ１，１間において、上記のずれを持たせることができる。この実施の形態において、上記のずれ角は、前記の通り、２５．７度とする。但し、このような数値は変更可能である。
また、図２及び図４へ示す通り、リング３…３夫々の端面に、位置決め部３１として凹凸を設け、隣り合うリング３，３同士の当該位置決め部３１を嵌め合うことによって、上記のずれを正確に決めることができる。この実施の形態では、上記凹凸の凸部として、ピンをリングへ装着している。
このようにリング３…３をずらして取り付けることにより、個々のリングに設けられたプローブ１（ユニット２）同士が所定の角度をずらされた状態に配置される。
尚、図１、図２及び図４において、図面の煩雑を避けるため、このようなリング３…３間の周方向についての位置関係を考慮して描いていない（支持板６２に支持されているユニット２の一部を除き、全て同一の方向に配置されているように描かれているが、実際には、リング３…３において、夫々上記の角度ずらして配置しており、これらの図に描くものと、この点について異なっている。

リング３…３夫々について、その中空部分３０の形状は、同じで、中空部分３０に対するにプローブ１の取り付け位置は同じであるが、夫々、上記の被検材Ｍの周方向に向きの相違から、ボルト７…７を通す穴の位置が異なる（上記の所定角度ずれている）。

前述の通り、第１の基準によって、被検材ｍを中心として被検材ｍの軸方向と交差する平面においてユニット２…２の夫々は向きが異なるが、（第２の基準を無視し偏心距離を設定しないとすれば）、同平面において、隣接するプローブ１，１間で弧の一部が重複するように配置される（実際には偏心距離が設定されるので、装置の前方Ｆ又は後方Ｂから各プローブ１…１を透視した場合、上記のプローブ１…１の弧同士は、交差することはあっても、重複しない。図３及び図５は、図面の煩雑を避けるため、偏心距離を無視して各ユニット２…２を描いてある）。

プローブ１の動作について説明する。
通常、１つのプローブ１を構成する振動子の全てを、同時に振動させるのではなく、一部の振動子を順次所定個数シフトさせて振動させる。この実施の形態において、１２８個の振動子中、同時に振動させるのは、３２個である。一連の３２個の振動子が振動して超音波を発し探傷を行った後、数個シフトして３２個の振動子が振動し探傷を行う。これを繰り返す。
上記のシフト数を５個として、具体的に説明する。
一つのユニット２（プローブ１）の弧状に配列された振動子１０…１０を、端から１番、２番、…、１２７番、１２８番と名前付けすると、最初の送信電圧を受けて１〜３２番の振動子１０…１０が超音波を発し、次に５個シフトした６〜３７番の振動子１０…１０が超音波を発し、そして更に５個シフトした１１〜４２番の振動子１０…１０が超音波を発生する。このようなシフトを順次行って、被検材ｍの各部を探傷する。
偏心距離の設定により、超音波の残響時間を短縮すること（エコーの減衰を早めること）によって、上記のシフトによる次の振動子群の動作開始を早めることができるのである。
即ち、３２個の振動子の振動から、次の３２個の振動子の振動までの時間が、本願発明の実施によって短縮されたのである。

プローブ１…１（ユニット２…２）の夫々について、被検材ｍの軸方向に沿い後方Ｂ側から前方Ｆ側に向けて、第１、第２、…、第１５と名前付けすると、送られてくる被検材ｍに対し、第１のプローブ１ａから、第２のプローブ１ｂ、第３のプローブ１ｃ…、というように、軸方向について順番に探傷を行う（この実施の形態において、第１〜１５の１５個のプローブ１…１（ユニット２…２）が用いられ、そのうち第１〜７プローブは第１探傷部１００ａに備えられ、第８〜１５プローブは第２探傷部１００ｂに備えられている）。
ユニット２…２間において、第１プローブから順に（後ろから前に）探傷を行う。但し、上記において、振動子のシフトにより第１プローブ１の１２８番の振動子の動作が済んでから、第２プローブの１〜３２番の振動子を動作させるのではなく、第１プローブが動作開始後、第１プローブの最後の振動子が動作する前に第２プローブの振動子を動作させる。他のプローブについても、先行するプローブの動作開始後、当該先行するプローブの最後の振動子が動作する前に、後続のプローブの振動子を動作させる。
但し、プローブ１…１（ユニット２…２）の各々については、軸方向に相当距離離れており、同時に探傷が可能である。従って、上記と異なり、例えば、第１プローブの１〜３２番の振動子が超音波を発信するタイミングで、他のプローブの１〜３２番の振動子は同時に超音波を発信することが可能である。このとき、第１プローブの発信振動子番号組と、他のプローブの発信振動子番号組とは必ずしも同一である必要は無い。

この実施の形態において、第１探傷部１００ａは、７つのユニット２…２を備え、第２探傷部１００ｂは、８つのユニット２…２を備えるものとした。但し、このようなユニット２の数、即ちプローブ１…１の数は、変更可能である。これに伴い、リング３…３の個数も変更可能である。リング３，３間でずらす角度（ずれ角）についても、上記に限定するものでく、２５．７度に以外の角度に、変更可能である。例えば、ずれ角は、プローブ１の呈する弧の中心角やユニットの数の変更に伴って変更することができる。上記において、プローブ１には、弧の中心角が６０度の既成品を用いたが、プローブの中心角は、このような角度に限定するものではない。
また、上記において、１つのプローブ１が備える振動子１０…１０の数は、１２８個としたが、このような数に限定するものではなく、他の個数にて実施することが可能である。また同時に振動する振動子１０…１０の数も上記の３２個に限定するものではなく、変更可能である。また、振動後、次の振動へシフトする振動子の数も、上記５個に限定するものではなく、変更可能である。

この実施の形態では、第１探傷部１００ａと第２探傷部１００ｂの２つの探傷部が分担して、被検材ｍの外周３６０度をカバーしている。但し、探傷部の数も、２機に限定するものではなく、１つでも、３つ以上でも実施可能である。
上記において、探傷装置のプローブ１…１は、被検材の外周３６０度全てをカバーする。しかし、このようなものではなく、例えば当該探傷装置のプローブ１…１は、３６０度より小さい範囲をカバーするものとし、カバーしない範囲については、別途の手段で探傷を行うものとしても実施可能である。
また、上記の３６０度を超えて（重複して）、プローブ１…１が配置されるものであっても実施可能である。
また、上記の実施の形態において、探傷水は、外部から供給し排出するものとした（流水）としたが、浸水式、即ち装置を水中に浸水させるものとしても実施可能である。
上記の実施の形態において、鋼管（被検材ｍ）の製造・加工装置が備える送り装置によって移送されて来る鋼管（被検材ｍ）の移送経路の途中に、当該探傷装置を配置して、鋼管（被検材ｍ）の探傷を行うものとした。この他、当該探傷装置が送り装置を備えるものとしても実施可能である。その場合、製造・加工の工程とは別に、鋼管（被検材ｍ）の探傷を行うことができる。

前述の図１０に示す実験機材について、上記偏心距離を設定して残響超音波の、計測実験を行った。当該実験によって得られたデータを、図１１（Ｂ）（Ｃ）、図１２（Ｂ）（Ｃ）及び図１３（Ｂ）（Ｃ）に示す。
何れも、偏心距離を設定した被検材以外は、前述の図１１（Ａ）、図１２（Ａ）及び図１３（Ａ）に示すものと同じ条件で行った。
即ち、図１１（Ｂ）（Ｃ）が示すデータは、被検材ｍ０を直径３４．０ｍｍ、肉厚７．０ｍｍのパイプとし、超音波の被検材ｍ０への入射点における屈折角２４．６度、フェーズドアレープローブ１の感度を４８．８ｄＢとして得られたものである。図１２（Ｂ）（Ｃ）が示すデータは、被検材ｍ０を直径３４．０ｍｍ、肉厚７．０ｍｍのパイプとし、超音波の被検材ｍ０への入射点における屈折角４５．０度、フェーズドアレープローブ１の感度を５０．４ｄＢとして得られたものである。図１３（Ｂ）（Ｃ）が示すデータは、被検材ｍ０を直径４８．６ｍｍ、肉厚３．７ｍｍのパイプとし、超音波の被検材ｍ０への入射点における屈折角３６．８度、フェーズドアレープローブ１の感度を５１．２ｄＢとして得られたものである。
上記において、前述の（上下に伸びるものとした）中心包含線ｔ２に対して左右何れか一方へのオフセットを＋（正）、左右何れか他方へのオフセットを−（負）とした（データを採取した位置特定の便宜上このように正負を設定した）。図１１（Ｂ）及び図１２（Ｂ）においては、偏心距離ｄは、＋５ｍｍとした。図１１（Ｃ）及び図１２（Ｃ）において、偏心距離ｄは、−５ｍｍとした。図１３（Ｂ）において、偏心距離ｄは、＋４ｍｍとした。図１３（Ｃ）において、偏心距離ｄは、−４ｍｍとした。

図１１（Ｂ）（Ｃ）を見ると、何れも横軸について１５０ｍｍ以内で、縦軸（５つの升目）の１／５以下（１升以内）にエコーのピークが減衰している（図１１（Ｃ）では１００ｍｍ以内で１／５以下に収束している）。多重反射エコーのピークが、縦軸の１／５以下へ減衰するまでに要する時間（距離）について、偏心距離を設けない場合（図１１（Ａ））に要した３５０ｍｍに比して著しい低下が見られる。
同様に 図１２（Ｂ）（Ｃ）を見ると、何れも横軸について１５０ｍｍ以内で、縦軸（５つの升目）の１／５以下（１升以内）にエコーのピークが減衰している（図１２（Ｃ）では１００ｍｍ以内で１／５以下に収束している）。多重反射エコーのピークが、縦軸の１／５以下へ減衰するまでに要する時間（距離）について、偏心距離を設けない場合（図１２（Ａ））に要した２５０ｍｍに比して著しい低下が見られる。
また、同様に 図１３（Ｂ）（Ｃ）を見ると、何れも横軸について２００ｍｍ以内で、縦軸（５つの升目）の１／５以下（１升以内）にエコーのピークが減衰している（図１３（Ｃ）では１００ｍｍ以内で１／５以下に収束している）。多重反射エコーのピークが、縦軸の１／５以下へ減衰するまでに要する時間（距離）について、偏心距離を設けない場合（図１３（Ａ））に要した３００ｍｍに比して著しい低下が見られる。
縦軸１／５以下にエコーのピークが減衰するまでに要する時間の最も大きな数値である２００ｍｍ（Ｌとする）の場合、時間に換算すれば１２４μｓｅｃ（Ｔとする）となり（音速Ｖ＝３２３０ｍ／ｓｅｃとすれば、Ｔ＝２＊Ｌ／Ｖで示される。）、これが超音波繰り返し周期の上限となる。超音波繰り返し周波数で言えば約８ＫＨｚとなる。
このような実験結果から、偏心距離の設定が、多重反射エコーの軽減に極めて有効であることが分かる。

本願発明の一実施の形態を示す略全体縦断面図である。 図１に示す探傷装置の要部（第１探傷部１００ａ）の略縦断面図である。 図２に示す装置を正面視した状態を示す説明図である。 図１に示す探傷装置の要部（第２探傷部１００ｂ）の略縦断面図である。 図４のに示す装置を正面視した状態を示す説明図である。 （Ａ）は図１〜図５に示す装置に用いられるフェーズドアレープローブ１のプローブユニット２の正面図であり、（Ｂ）はその側面図であり、（Ｃ）はその要部説明図である。 図６に示すプローブユニット２を取り付けるリング３の略正面図を示している。 図７に示すリング３の説明図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は従来のフェーズドアレープローブ１を用いた探傷方法を示す説明図である。 従来及び本願発明に係る探傷装置の残響エコーを測定する実験機材の正面図である。 （Ａ）は図１０に示す機材で得られた従来の結果を示す説明図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は同様に図１０に示す機材で得られた本願発明の効果を示す説明図である。 （Ａ）は図１０に示す機材で得られた従来の結果を示す説明図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は同様に図１０に示す機材で得られた本願発明の効果を示す説明図である。 （Ａ）は図１０に示す機材で得られた従来の結果を示す説明図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は同様に図１０に示す機材で得られた本願発明の効果を示す説明図である。

１ フェーズドアレープローブ
１０ 振動子
ｄ 偏心距離
ｍ 被検材

Claims (4)

1. 円柱或いは円筒状の被検材の外周面を取り囲むように、何れも同一半径の弧を呈する複数のフェーズドアレープローブを設けて、当該被検材を探傷するものであり、フェーズドアレープローブの夫々は、複数の振動子を弧状に配列したものである超音波探傷方法において、
   内部に円柱或いは円筒状の被検材を通過させることが可能な筒状体と、通過させる被検材に対して同心となるように筒状体を支持する支持部材とを用いるものであり、
   個々のフェーズドアレープローブを、被検材の軸方向と直交する平面上にて、フェーズドアレープローブが呈する弧の中心角を等分する二等分線と被検材の中心軸との間に偏心距離を持たせるように、被検材に対しオフセットするものであり、
   上記の各フェーズドアレープローブの夫々を、筒状体の内周面にて、筒状体の軸方向の異なる位置に、配設することを特徴とする記載の超音波探傷方法。
2. 上記の偏心距離は、被検材の半径より小さく、フェーズドアレープローブの呈する弧の半径の１／２０〜１／５であることを特徴とする請求項１記載の超音波探傷方法。
3. 各フェーズドアレープローブの上記偏心距離は、何れも同一の大きさであることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波探傷方法。
4. 同一半径の弧を呈する複数のフェーズドアレープローブを備え、フェーズドアレープローブの夫々は、複数の振動子が弧状に配列されたものである超音波探傷装置において、
   内部に円柱或いは円筒状の被検材を通過させることが可能な筒状体と、通過させる被検材に対して同心となるよう筒状体を支持する支持部材とを備え、
   全フェーズドアレープローブから距離を等しくする中心軸に対し、フェーズドアレープローブの夫々は、当該中心軸の周方向に沿って配列され、
   個々のフェーズドアレープローブが呈する弧の中心角を等分する二等分線と上記中心軸との間に偏心距離を備えるよう、各フェーズドアレープローブは、上記中心軸に対しオフセットされ、
   上記の各フェーズドアレープローブの夫々は、筒状体の内周面にて、筒状体の軸方向の異なる位置に、配設されたものであることを特徴とする超音波探傷装置。

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