JP4596325B2 - 内面フィン付き管の超音波探傷方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、内面フィン付き管の超音波探傷方法及び装置に関し、特に、管の内面形状が管周方向に不均一な場合であっても、管内面の谷底部に発生した管軸方向に延びる微小な欠陥（割れ状微小欠陥）を確実に検出することを可能とする超音波探傷方法及び装置に関する。

エチレンの製造プラントに用いられる鋼管として、熱伝達効率を上げることを目的とし、その内面に横断面形状が三角丸ねじ山状で管軸方向に真直な複数条（通常、８〜１２条）のフィンを形成した所謂内面フィン付き管が知られている。

図１は、上記の内面フィン付き管の一例を示す模式的断面図である。図１に示すように、内面フィン付き管Ｐは、その内面が周方向に交互に設けられた山部（フィン部）Ｍと谷部Ｒとから形成されている。このような内面フィン付き管Ｐは、通常、高Ｃｒ−高ＮｉのＦｅ基合金を素材とし、遠心鋳造法やユジーンセジュルネ法に代表される熱間押し出し製管法によって製造される。

しかし、上記内面フィン付き管Ｐを熱間押し出し製管法で製造する場合には、素材の高Ｃｒ−高ＮｉのＦｅ基合金が熱間加工性に劣るので、山部Ｍの形状、特にその頂部の形状が所定の形状になり難いという特性がある。このため、山部Ｍの形状が所定の形状になるように、例えば押し出し比を大きくする等の対策が施されるが、この場合、谷底部Ｒｓのほぼ中央において、管軸方向に延びる微小な割れ疵状の欠陥Ｋが発生することがある。

斯かる欠陥Ｋの発生を見逃すと、管Ｐの使用中に重大事故を招く要因になる。従って、製品の出荷前に検査して欠陥Ｋを手入れ除去する等の処置が必要であり、このための高能率な非破壊検査方法として、超音波探傷方法が適用されている。

しかし、超音波探傷方法を適用する際、図２に示すように、内外面ともにフィンが形成されていない通常の鋼管（すなわち内外面が管周方向に同心で且つ同一曲率半径の円弧面である鋼管）を検査するのと同じように、谷底部Ｒｓに対して鋭角な入射角θ（概ね３５〜５５°）で超音波ビームを入射させたのでは、谷底部Ｒｓの近傍までに亘って極めて過大なフィンからの（山部Ｍの側面からの）反射エコー（形状エコー）が発生する。このため、谷底部Ｒｓのほぼ中央に存在する微小な欠陥Ｋからの反射エコー（欠陥エコー）と識別が困難であり、この結果、欠陥Ｋを確実に検出することができないという問題があった。

より具体的に説明すれば、本発明の発明者らは、下記の表１及び図３に示す探傷条件で、谷底部Ｒｓに設けた人工欠陥（ノッチ）の探傷試験を行った。

なお、表１における谷部肉厚は、前述した図１に符号ｔで示す部位の厚みに相当する。また、表１における山部高さは、前述した図１に符号ｈで示す部位の厚みに相当する。

上記探傷試験の結果、図４に示すように、１５％ノッチ（深さ０．９ｍｍ（谷部肉厚６ｍｍの１５％＝０．９ｍｍ）のノッチ）や１２．５％ノッチ（深さ０．７５ｍｍ（谷部肉厚６ｍｍの１２．５％＝０．７５ｍｍ）であれば、上記形状エコーの高さをノイズレベル（Ｎ）とし、上記欠陥エコーの高さを信号レベル（Ｓ）としたときのＳ／Ｎ比が２を超え検出可能であるが、５％ノッチ（深さ０．３ｍｍ（谷部肉厚６ｍｍの５％＝０．３ｍｍ）のノッチはＳＮ比が２を大きく下回るため検出が極めて困難であることが分かった。このように従来の超音波探傷方法では、極めて過大な形状エコーが発生することに起因して、谷底部のほぼ中央に存在する微小な欠陥を検出することが困難であるという問題があった。

さらに、管の偏肉（特に、谷部肉厚の不均一）によって、形状エコーの検出される位置（時間軸）が変化する。このため、管に偏肉が生じている場合には、欠陥を検出するために設定した探傷ゲート内に形状エコーが入ってしまうケースがある。この際、形状エコーの高さが欠陥エコーの高さよりも十分小さければ、欠陥エコーを検出するしきい値を高めることにより問題は生じないが、微小な欠陥の欠陥エコーは形状エコーの高さとの差が小さいため、探傷ゲート内に入った形状エコーを欠陥エコーと誤認識してしまう場合がある。これにより、欠陥の自動判定が困難であるという問題があった。

ここで、本発明の発明者は、内面フィン付き管を被探傷材とした超音波探傷技術として、例えば、特許文献１、２に開示された方法や装置を提案している。

特許文献１に記載の技術は、図５に示すように、欠陥Ｋからの欠陥エコーを識別するのに障害となる山部Ｍの側面からの形状エコーを過小にするために、内面フィン付き管Ｐの内面の谷底部Ｒｓの中央に対して、谷底部Ｒｓの中央を通る管の直径線Ｌとほぼ直交する入射角θ（θ＝９０〜７０°）で、管の外面側から超音波ビームを入射する方法である。

上記特許文献１に記載の方法は、内面フィン付き管Ｐの内面形状が管周方向でほぼ均一な場合、具体的には谷底部Ｒｓの谷部肉厚ｔ（前述の図１参照）がほぼ同じである場合には何らの問題も生じない。しかしながら、内面形状が管周方向で不均一、すなわち谷底部Ｒｓの管肉厚ｔが不均一であると、山部Ｍの側面からの形状エコーと欠陥Ｋからの欠陥エコーとの識別が困難になったり、著しい場合には欠陥Ｋを全く検出できなくなるという欠点のあることが判明した。

一方、特許文献２に記載の技術は、内面フィン付き管の内面の谷底部の中央に対して、谷底部の中央を通る管の直径線とほぼ直交する角度（９０〜７０°）で、管外面から超音波ビームを入射し、検出される探傷信号を２値化処理して複数レベルの信号に区分した上でＢスコープ表示させ、このＢスコープ表示画像を画像処理することによって谷底部に発生した欠陥を検出する技術である。

特許文献２に記載の技術によれば、欠陥の深さが大きい場合には、画像上で欠陥エコーと形状エコーとの識別が可能である。しかしながら、欠陥の深さが小さい場合には、両エコーの識別が難しく、欠陥の判断を誤る虞がある。さらに、画像化や画像処理が必要なため、高速検査への適用が難しく、処理装置のコストが高くなるといった欠点がある。
特開平１０−２７４６４３号公報 特開平１１−２１１７０４号公報

本発明は、以上に説明した従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、内面フィン付き管の内面形状が管周方向に不均一な場合であっても、管内面の谷底部に発生した管軸方向に延びる微小な欠陥を確実に検出することを可能とする内面フィン付き管の超音波探傷方法及びこの方法の実施に用いる超音波探傷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、本発明の発明者は鋭意検討を重ねた結果、以下の（Ａ）〜（Ｅ）に示す新しい知見を見出した。すなわち、
（Ａ）内面フィン付き管の外面側に超音波探触子を設置し、超音波探触子から送信される超音波ビームの入射角（管内面の谷底部に対する入射角）を、一般的な斜角超音波探傷と同様に３５〜５５°の範囲内の角度に設定する。そして、超音波探触子を前記管の管周方向に相対移動させ（例えば、超音波探触子の位置を固定する一方、管を管周方向に回転させ）ながら斜角超音波探傷を行えば、管内面の各山部の個数に応じた周期毎に、所定範囲に亘る探傷位置（管の管周方向位置）で形状エコーが連続的に生じ且つ形状エコーの位置（時間軸）が前記所定範囲内で変化する。

（Ｂ）一方、欠陥エコーは、その高さがほぼ最大となる探傷位置、すなわち超音波探触子から送信された超音波ビームの中心が管外面で屈折し直接欠陥に到達する（欠陥が生じている管内面の谷底部に到達する）探傷位置において単発的に生じる。

上記（Ａ）及び（Ｂ）で述べた事象について、より具体的に説明する。図６は、上記（Ａ）及び（Ｂ）で説明した形状エコー及び欠陥エコーの出現態様を説明するための模式図であり、上記の所定範囲に亘る探傷位置で生じる形状エコー及び欠陥エコーを重畳して示すものである。図６に示すように、形状エコーは所定範囲に亘る探傷位置で連続的に生じると共に、各形状エコーの位置が前記所定範囲内で変化する。一方、欠陥エコーは単発的に生じる。そして、連続的に生じる各形状エコーの位置は、欠陥エコーに隣接した位置から徐々に変化し、そのピーク位置（高さが最大となる形状エコーの位置）は、欠陥エコーの位置よりも遠くなる。すなわち、管の外面での反射エコー（表面エコー）を基準とした場合、ピーク位置の形状エコーの方が欠陥エコーよりも遅れて出現する。

上記のように形状エコーのピーク位置が欠陥エコーの位置よりも遠くなるのは、以下の理由によるものと考えられる。図７は、形状エコー及び欠陥エコーが上記のような出現態様となる理由を説明するための模式図である。なお、説明を簡易にするため、図７では管の谷部側面（山部側面）を円柱面で近似している。図７に示す矢符の方向に管が回転するとすれば、谷部が図７に示すＡ点に位置したときに、超音波探触子から送信された超音波ビームの中心が管外面で屈折し直接欠陥（谷底部にある欠陥）に到達することになり、高さがほぼ最大となる欠陥エコーが生じる。この際、実際の超音波ビームはある程度の広がりを有するため、図７に破線で示すように、管の谷部側面に対して垂直に当たるエネルギーの小さな超音波ビームが存在し、これが谷部側面で反射して超音波探触子に戻ることにより、高さの小さな形状エコーが生じることになる。そして、管の谷部がＡ点から更に回転してＢ点に向かうまでの間に、欠陥エコーは消失すると共に、形状エコーの高さが徐々に大きくなる。そして、管の谷部がＢ点に位置したときに、すなわち超音波ビームの中心が管の谷部側面に対して垂直になったときに、形状エコーの高さが最大となる。管の谷部がＢ点に位置するときの管の外面から谷部側面までの超音波ビームの伝搬距離は、管の谷部がＡ点に位置するときの管の外面から欠陥まで（谷底部まで）の超音波ビームの伝搬距離よりも長い。従って、Ａ点で生じる欠陥エコーよりも、Ｂ点で生じるピーク位置の形状エコーの方が遅れて出現することになる。以上に説明した理由により、形状エコーは連続的に生じると共に各形状エコーの位置が欠陥エコーに隣接した位置から徐々に変化し、そのピーク位置は欠陥エコーの位置よりも遠くなるものと考えられる。

（Ｃ）そして、上記欠陥エコーの高さがほぼ最大となる探傷位置（図７に示すＡ点の位置）で、欠陥エコー近傍の探傷信号（探傷波形）を拡大表示すれば、欠陥エコーに隣接して形状エコーも同時に生じていることが観察できる。その理由は図７を参照して前述した通りである。図８は、欠陥エコー近傍の実際の探傷波形例を示す図である。図８に示すように、欠陥エコーに隣接して形状エコーも同時に生じている。なお、図８に示す例では、欠陥エコーよりも僅かに近い位置で形状エコーが生じているが、これは管の谷部が図７に示すＡ点に位置する場合において、破線で示す管の外表面から谷部側面までの超音波ビーム（中心から外れて広がった超音波ビーム）の伝搬距離の方が、管の外表面から欠陥までの超音波ビームの伝搬距離よりも短いためだと考えられる。ただし、欠陥エコーと同時に生じる形状エコーは、図８に示すように欠陥エコーよりも僅かに近い位置で必ず生じるとは限らず、谷部側面（山部側面）の実際の形状等によっては、欠陥エコーよりも遠い位置で生じることも考えられる。

（Ｄ）以上に説明した（Ａ）〜（Ｃ）の事象からすれば、反射エコーを検出するための探傷ゲートを２つ設定し、欠陥エコー（管内面の谷底部に施した人工欠陥の欠陥エコー）の高さがほぼ最大となる探傷位置において、一方の探傷ゲート内で形状エコーを検出し得る一方、他方の探傷ゲート内で欠陥エコーを検出し得るように、両探傷ゲートの位置（時間軸）をそれぞれ調整した後、超音波探触子を管の管周方向に相対移動させれば（管を管周方向に回転させれば）、欠陥エコーと形状エコーとを精度良く識別できる可能性がある。すなわち、管内面の谷底部に欠陥（自然欠陥）が無い場合には、形状エコーが各探傷ゲート内の何れか一方にのみ生じるが、管内面の谷底部に欠陥（自然欠陥）が存在する場合には、前記調整を行った探傷位置において瞬間的に、一方の探傷ゲート内で形状エコーが生じると同時に他方の探傷ゲート内で欠陥エコーが生じることになる。よって、各探傷ゲート内の何れか一方でのみ反射エコーを検出した場合には、その反射エコーは無効とする（すなわち、該反射エコーは形状エコーであると判定する）一方、各探傷ゲート内の双方で反射エコーを検出した場合には、他方の探傷ゲート内で生じた反射エコーを有効とする（すなわち、該反射エコーは欠陥エコーであると判定する）ことにより、欠陥エコーと形状エコーとを精度良く識別できることが期待できる。

（Ｅ）管に偏肉（特に、谷部肉厚の不均一）があることに起因して、探傷位置に応じて形状エコーの位置（時間軸）が微妙に変化したとしても、管に欠陥が無い場合には、超音波ビームの一回の送信タイミングで得られる探傷波形中に複数の反射エコーが生じることはない。従って、上記（Ｄ）のように、探傷波形に対して２つの探傷ゲートを設定し、各探傷ゲート内の双方で反射エコーを検出した場合に初めて欠陥エコーが生じていると判定する方法を採用すれば、偏肉の影響を除去乃至低減し得ることが期待できる。また、超音波探触子から送信される超音波ビームの入射角（管内面の谷底部に対する入射角）は、一般的な斜角探傷と同様に３５〜５５°の範囲内の角度に設定すれば良いため、特許文献１や２に記載の技術のように入射角をほぼ９０°にする場合に比べて、そもそも偏肉の影響を受け難い。

本発明は、上記の発明者が見出した新しい知見に基づき完成されたものである。すなわ
ち、前記課題を解決するべく、本発明は、内面が周方向に交互に設けられた山部と谷部とから形成されている内面フィン付き管の外面側に設置した超音波探触子を前記管の管周方向に相対移動させながら斜角超音波探傷を行うことにより、前記管内面の谷底部において管軸方向に延びる欠陥を検出する超音波探傷方法であって、以下に示す各ステップ（１）〜（３）を含むことを特徴とする内面フィン付き管の超音波探傷方法を提供するものである。

（１）まず、超音波探触子から出力される探傷信号に対して、反射エコーを検出するための第１の探傷ゲート及び第２の探傷ゲートをそれぞれ設定する。

（２）次に、欠陥からの反射エコーの高さがほぼ最大となる探傷位置において、第１の探傷ゲート内で管のフィンからの反射エコー（形状エコー）を検出し得る一方、第２の探傷ゲート内で欠陥からの反射エコー（欠陥エコー）を検出し得るように、第１及び第２の探傷ゲートの位置をそれぞれ調整する。なお、この調整の際には、例えば、管内面の谷底部に所定の人工欠陥を施した後、管（或いは超音波探触子）を管周方向に極めて低速で回転させ、前記人工欠陥からの欠陥エコーの高さがほぼ最大となる探傷位置（管の位置或いは超音波探触子の位置）で管（或いは超音波探触子）を停止させる。そして、該探傷位置で超音波探触子から出力される探傷信号（探傷波形）をオシロスコープ等で観察し、第１の探傷ゲート内で形状エコーを検出し得る（すなわち、第１の探傷ゲート内に形状エコーが入る）一方、第２の探傷ゲート内で欠陥エコーを検出し得る（すなわち、第２の探傷ゲート内に欠陥エコーが入る）ように、第１及び第２の探傷ゲートの位置（時間軸）をそれぞれ調整すればよい。なお、前述したように、欠陥エコーと、これと同時に生じる形状エコーとの位置関係は、探傷する管の谷部側面（山部側面）の実際の形状等によって変わり得るため、探傷する管の種類や寸法毎に第１及び第２の探傷ゲートの位置（時間軸）を調整することが好ましい。

（３）そして、上記（２）の調整が終了した後、実際の被探傷材である管に対して斜角超音波探傷を行い、第１及び第２の探傷ゲート内の双方で、それぞれ所定高さ以上の反射エコーを検出した場合にのみ、第２の探傷ゲート内で検出した反射エコーを欠陥からの反射エコーであると判定する。

なお、本発明において、超音波探触子から送信される超音波ビームの入射角（管内面の谷底部に対する入射角、図２のθに相当）は、一般的な斜角探傷と同様に約３５〜５５°に設定すればよい。

上記のように、本発明は、第１及び第２の探傷ゲート内の双方で、それぞれ所定高さ以上の反射エコーを検出した場合にのみ、第２の探傷ゲート内で検出した反射エコーを欠陥からの反射エコーであると判定するものである。従って、第２の探傷ゲート内で欠陥エコーを検出するためには、第１の探傷ゲート内に生じる形状エコーを検出できることが前提となる。換言すれば、上記判定方法をより確実に機能させるには、第１の探傷ゲート内に生じる形状エコーの高さが、該形状エコーを検出できる程度に大きくなる必要がある。

従って、上記判定方法をより確実に機能させるには、欠陥からの反射エコーの高さがほぼ最大となる探傷位置において、前記管のフィンからの反射エコーの高さが前記欠陥からの反射エコーの高さの５０％以上となるように、前記超音波探触子から送信される超音波ビームの入射角を調整することが好ましい。換言すれば、形状エコーの高さが欠陥エコー（人工欠陥の欠陥エコー）の高さの５０％以上となるように、超音波探触子から送信される超音波ビームの入射角（管内面の谷底部に対する入射角）を約３５〜５５°の範囲内で微調することが好ましい。

また、前述のように、超音波探触子を管の管周方向に相対移動させて探傷した場合、第１及び第２の探傷ゲート内の双方で反射エコーが生じるのは、所定の探傷位置（欠陥エコーの高さがほぼ最大となる探傷位置）における瞬間的な事象である。換言すれば、超音波探触子を管の管周方向に相対移動させる際の移動速度が速すぎたり、或いは、超音波探触子から所定のタイミング毎に繰り返し送信される超音波ビームの繰り返し周波数（すなわち、パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ））が小さすぎたりすれば、本来超音波ビームが直接到達したならば欠陥エコーの高さがほぼ最大となったであろう上記の探傷位置において超音波ビームが直接到達することなく、探傷位置が次の探傷位置に変化してしまい、上記の瞬間的な事象を見逃してしまう、すなわち欠陥を見逃してしまう虞がある。

従って、上記見逃しの虞を低減するには、超音波探触子から送信される超音波ビームの管の外面における走査速度を所定値以上に低下させるか、或いは、超音波探触子から送信される超音波ビームのパルス繰り返し周波数を所定値以上に大きくすることが好ましい。具体的には、超音波探触子から送信される超音波ビームの管の外面における走査速度をＳ（ｍｍ／秒）とし、前記超音波探触子から送信される超音波ビームのパルス繰り返し周波数をｆ（パルス／秒）としたとき、以下の式（１）を満足するように、前記走査速度及び／又は前記パルス繰り返し周波数を調整することが好ましい。
Ｓ／ｆ≦０．０５（ｍｍ／パルス） ・・・ （１）

なお、前記課題を解決するべく、本発明は、内面が周方向に交互に設けられた山部と谷部とから形成されている内面フィン付き管の外面側に設置した超音波探触子と、該超音波探触子による超音波ビームの送受信を制御すると共に、該超音波探触子から出力される探傷信号に基づいて前記管内面の谷底部において管軸方向に延びる欠陥を検出する超音波探傷器とを備え、前記超音波探触子を前記管の管周方向に相対移動させながら斜角超音波探傷を行う超音波探傷装置であって、前記超音波探傷器は、前記超音波探触子から出力される探傷信号に対して、反射エコーを検出するための第１の探傷ゲート及び第２の探傷ゲートをそれぞれ位置調整可能に設定する探傷ゲート設定部と、前記第１及び第２の探傷ゲート内の反射エコーをそれぞれ所定のしきい値と比較し、前記第１及び第２の探傷ゲート内の双方で前記しきい値以上の高さを有する反射エコーを検出した場合にのみ、前記第２の探傷ゲート内で検出した反射エコーを欠陥からの反射エコーであると判定する欠陥判定部とを備えることを特徴とする内面フィン付き管の超音波探傷装置としても提供される。

好ましくは、前記超音波探触子は、前記欠陥からの反射エコーの高さがほぼ最大となる探傷位置において、前記管のフィンからの反射エコーの高さが前記欠陥からの反射エコーの高さの５０％以上となるように、送信される超音波ビームの入射角が調整される。

また、前記超音波探触子から送信される超音波ビームの前記管の外面における走査速度をＳ（ｍｍ／秒）とし、前記超音波探触子から送信する超音波ビームのパルス繰り返し周波数をｆ（パルス／秒）としたとき、前記超音波探傷器は、以下の式（１）を満足するように、前記パルス繰り返し周波数を設定することが好ましい。
Ｓ／ｆ≦０．０５（ｍｍ／パルス） ・・・ （１）

本発明に係る内面フィン付き管の超音波探傷方法及び装置によれば、管の内面形状が管周方向に不均一な場合であっても、管内面の谷底部に発生した管軸方向に延びる微小な欠陥（割れ状微小欠陥）を確実に検出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ついて説明する。

図９は、本実施形態に係る超音波探傷方法を実施するための超音波探傷装置の概略構成を示す図であり、図９（ａ）は超音波探触子の設置態様を示す模式的断面図を、図９（ｂ）は超音波探傷装置の機器構成を示すブロック図である。
図９に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置１０は、内面フィン付き管Ｐの外面側に設置した超音波探触子１と、超音波探触子１による超音波ビームＵの送受信を制御すると共に、超音波探触子１から出力される探傷信号に基づいて管Ｐ内面の谷底部Ｒｓにおいて管軸方向に延びる欠陥Ｋを検出する超音波探傷器２とを備えている。また、本実施形態に係る超音波探傷装置１０は、超音波探傷器２から出力された欠陥エコーや探傷信号等を表示するための表示器３を備えている。そして、超音波探触子１を管Ｐの管周方向に相対移動（本実施形態では管Ｐを管周方向に回転）させながら斜角超音波探傷を行うように構成されている。

超音波探触子１は、一般的な斜角超音波探傷と同様に、送信される超音波ビームＵの入射角（谷底部Ｒｓに対する入射角）θが３５〜５５°の範囲内の角度に設定されている。さらに、本実施形態では、好ましい態様として、予め管Ｐの谷底部Ｒｓに管軸方向に延びる欠陥（人工欠陥）Ｋを施し、この欠陥Ｋからの反射エコーの高さがほぼ最大となる探傷位置において、管Ｐのフィンからの（山部Ｍの側面からの）反射エコー（形状エコー）の高さが欠陥Ｋからの反射エコー（欠陥エコー）の高さの５０％以上となるように、送信される超音波ビームの入射角θが微調されている。より具体的に説明すれば、上記欠陥Ｋを施した管Ｐを管周方向に極めて低速で回転させ、欠陥Ｋからの欠陥エコーの高さがほぼ最大となる探傷位置（管Ｐの位置）で管Ｐを停止させる。そして、該探傷位置で超音波探触子１から出力される探傷信号（探傷波形）を表示器３に表示させて観察しながら、形状エコーの高さが欠陥Ｋからの欠陥エコーの高さの５０％以上となるように、超音波探触子１の入射角が微調される。

超音波探傷器２は、超音波探触子１から出力される探傷信号（より具体的には、後述する増幅器２４で増幅された後の探傷信号）に対して、反射エコーを検出するための第１の探傷ゲート及び第２の探傷ゲートをそれぞれ位置（時間軸）調整可能に設定する探傷ゲート設定部２１と、第１及び第２の探傷ゲート内の反射エコーをそれぞれ所定のしきい値と比較し、第１及び第２の探傷ゲート内の双方で前記しきい値以上の高さを有する反射エコーを検出した場合にのみ、第２の探傷ゲート内で検出した反射エコーを欠陥エコーであると判定する欠陥判定部２２とを備えている。また、本実施形態に係る超音波探傷器２は、超音波探触子１から所定のタイミング毎に超音波ビームを送信させるためのパルス信号を供給する発振器２３と、超音波探触子１から出力される探傷信号を増幅するための増幅器２４とを備えている。

探傷ゲート設定部２１においては、欠陥（人工欠陥）Ｋからの反射エコーの高さがほぼ最大となる探傷位置において、第１の探傷ゲート内で管Ｐの形状エコーを検出し得る一方、第２の探傷ゲート内で欠陥エコーを検出し得るように、第１及び第２の探傷ゲートの位置がそれぞれ調整されている。より具体的に説明すれば、前述したのと同様に、欠陥Ｋを施した管Ｐを管周方向に極めて低速で回転させ、欠陥Ｋからの欠陥エコーの高さがほぼ最大となる探傷位置（管Ｐの位置）で管Ｐを停止させる。そして、該探傷位置で超音波探触子１から出力される探傷信号（探傷波形）を表示器３に表示させて観察し、第１の探傷ゲート内で形状エコーを検出し得る（すなわち、第１の探傷ゲート内に形状エコーが入る）一方、第２の探傷ゲート内で欠陥エコーを検出し得る（すなわち、第２の探傷ゲート内に欠陥エコーが入る）ように、第１及び第２の探傷ゲートの位置（時間軸）がそれぞれ調整されている。

以上に説明した構成を有する超音波探傷装置１０を用いて、実際の被探傷材である管Ｐを管周方向に回転させながら斜角超音波探傷を行えば、第１及び第２の探傷ゲート内の双方で、それぞれ所定高さ以上の反射エコーを検出した場合にのみ、第２の探傷ゲート内で検出した反射エコーが欠陥エコーであると判定される。

図１０は、本実施形態に係る超音波探傷装置１０（欠陥判定部２２）における判定方法を説明するための説明図である。図１０（ａ）に示すように、第１の探傷ゲート（Ｇａｔｅ−１）及び第２の探傷ゲート（Ｇａｔｅ−２）内の双方でしきい値Ｌ以上の高さを有する反射エコーを検出した場合にのみ、第２の探傷ゲート内で検出した反射エコーが欠陥エコーであると判定され、表示器３に出力される。一方、図１０（ｂ）及び（ｃ）に示すように、第１の探傷ゲート（Ｇａｔｅ−１）又は第２の探傷ゲート（Ｇａｔｅ−２）内の何れか一方でのみしきい値Ｌ以上の高さを有する反射エコーを検出した場合には、検出した反射エコーは形状エコーであると判定され、表示器３には反射エコーが出力されない。また、図１０では図示を省略しているが、第１の探傷ゲート（Ｇａｔｅ−１）内でしきい値Ｌ以上の高さを有する反射エコーを検出せず、且つ、第２の探傷ゲート（Ｇａｔｅ−２）内でもしきい値Ｌ以上の高さを有する反射エコーを検出しなかった場合にも、当然表示器３には反射エコーが出力されないことになる。

なお、図１０（ａ）に示すように、管Ｐを管周方向に回転させた場合に、第１の探傷ゲート（Ｇａｔｅ−１）内で形状エコーを検出できると共に、第２の探傷ゲート（Ｇａｔｅ−２）内で欠陥エコーを検出できるのは、所定の探傷位置（欠陥エコーの高さがほぼ最大となる探傷位置）における瞬間的な事象である。このため、管Ｐの回転速度が速すぎたり、超音波探触子１から所定のタイミング毎に繰り返し送信される超音波ビームの繰り返し周波数が小さすぎたりすれば、上記瞬間的な事象を見逃してしまう、すなわち欠陥を見逃してしまう虞がある。そこで、斯かる見逃しの虞を低減するべく、本実施形態では、好ましい態様として、超音波探触子１から送信される超音波ビームの管Ｐの外面における走査速度（管Ｐ外面の周速度に相当）をＳ（ｍｍ／秒）とし、超音波探触子１から送信する超音波ビームのパルス繰り返し周波数をｆ（パルス／秒）としたとき、超音波探傷器１において、以下の式（１）を満足するようにパルス繰り返し周波数ｆが設定されている。
Ｓ／ｆ≦０．０５（ｍｍ／パルス） ・・・ （１）

より具体的に説明すれば、超音波探傷器２の発振器２３から超音波探触子１に供給するパルス信号の繰り返し周波数ｆが式（１）を満足するように設定されている。なお、上記Ｓ／ｆ（以下、適宜「パルス密度」という）は、一般的な斜角超音波探傷では０．５〜１ｍｍ／パルス程度に設定される値である。すなわち、管Ｐ外面の周速度が一定の値であるとすれば、本実施形態に係る発振器２３から供給されるパルス信号の繰り返し周波数ｆは、一般的な超音波探傷器の１０倍〜２０倍以上の値とされている。

図１１は、パルス密度Ｓ／ｆを種々変更し、各パルス密度について谷底部Ｒｓに欠陥（５％ノッチ）を設けた管Ｐに対して複数回の探傷試験を繰り返し行った場合における欠陥検出の再現性を評価した結果の一例を示す。なお、図１１の縦軸に示す再現性は、以下の式（２）で定義される値である。
再現性＝｛１−（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）／２×Ａｖｅ｝×１００（％）・・・（２）
ここで、式（２）におけるＭａｘは複数回の探傷試験において検出された欠陥エコーの最大の高さを、Ｍｉｎは最小の高さを、Ａｖｅは平均の高さをそれぞれ意味する。

図１１に示すように、上記式（１）を満足するようにパルス繰り返し周波数ｆを設定すれば、欠陥検出の再現性を９５％以上にすることができた。これは、欠陥の見逃しの虞を大きく低減可能であることを意味する。なお、本実施形態では、式（１）を満足するようにパルス繰り返し周波数ｆが一般的な超音波探傷器の１０倍〜２０倍以上の値に設定された態様について説明したが、一般的な超音波探傷器と同等のパルス繰り返し周波数ｆに設定する一方、超音波ビームの管Ｐの外面における走査速度Ｓを調整（すなわち管Ｐの回転速度を調整）して式（１）を満足させる態様を採用することも可能である。

以上に説明した本実施形態に係る超音波探傷装置１を用いた超音波探傷方法によれば、内面フィン付き管Ｐの内面形状が管周方向に不均一な場合であっても、管Ｐ内面の谷底部Ｒｓに発生した管軸方向に延びる微小な欠陥Ｋを確実に検出することが可能である。

図１２は、外径６０．３ｍｍφで１０条のフィンが形成された内面フィン付き管（谷部肉厚：６ｍｍ、山部高さ：６ｍｍ）の１箇所の谷底部に５％ノッチ（深さ０．３ｍｍ）を施し、この管を本実施形態に係る超音波探傷方法によって探傷した結果を示す。より具体的に説明すれば、図１２（ａ）は、超音波探触子１からの超音波ビームの送信タイミング毎に第１の探傷ゲート（Ｇａｔｅ−１）内で検出された反射エコー（形状エコー）を表示したチャート出力（横軸は管の管周方向位置）である。図１２（ｂ）は、超音波探触子１からの超音波ビームの送信タイミング毎に第２の探傷ゲート（Ｇａｔｅ−２）内で検出された反射エコーであって欠陥エコーと判定されたものを表示したチャート出力（横軸は管の管周方向位置）である。

図１２に示すように、管が１回転する間に形状エコーのピークは１０回検出されている（図１２（ａ））が、欠陥エコーのピークは１回しか検出されておらず（図１２（ｂ））、本実施形態に係る超音波探傷方法によれば、管内面の谷底部に発生した微小な欠陥であっても精度良く検出できることが分かる。

図１は、内面フィン付き管の一例を示す模式的断面図である。 図２は、一般的な超音波探触子の設置態様を示す模式的断面図である。 図３は、本発明の発明者らが実施した探傷試験の探傷条件を示す模式的断面図である。 図４は、図３に示す探傷試験の結果を示す図である。 図５は、従来技術の文献に記載された超音波探触子の設置態様を示す模式的断面図である。 図６は、形状エコー及び欠陥エコーの出現態様を説明するための模式図である。 図７は、形状エコー及び欠陥エコーが図６に示すような出現態様となる理由を説明するための模式図である。 図８は、欠陥エコー近傍の実際の探傷波形例を示す図である。 図９は、本発明に係る超音波探傷方法を実施するための超音波探傷装置の概略構成を示す図である。 図１０は、図９に示す超音波探傷装置（欠陥判定部）における判定方法を説明するための説明図である。 図１１は、図９に示す超音波探傷装置における欠陥検出の再現性に対してパルス密度Ｓ／ｆの及ぼす影響を評価した結果の一例を示す。 図１２は、図９に示す超音波探傷装置によって探傷した結果の一例を示す。

符号の説明

１・・・超音波探触子
２・・・超音波探傷器
３・・・表示器
１０・・・超音波探傷装置
２１・・・探傷ゲート設定部
２２・・・欠陥判定部
２３・・・発振器
２４・・・増幅器
Ｐ・・・管
Ｋ・・・欠陥
Ｒｓ・・・谷底部

Claims (6)

1. 内面が周方向に交互に設けられた山部と谷部とから形成されている内面フィン付き管の外面側に設置した超音波探触子を前記管の管周方向に相対移動させながら斜角超音波探傷を行うことにより、前記管内面の谷底部において管軸方向に延びる欠陥を検出する超音波探傷方法であって、
   前記超音波探触子から出力される探傷信号に対して、反射エコーを検出するための第１の探傷ゲート及び第２の探傷ゲートをそれぞれ設定し、
   前記欠陥からの反射エコーの高さがほぼ最大となる探傷位置において、前記第１の探傷ゲート内で前記管のフィンからの反射エコーを検出し得る一方、前記第２の探傷ゲート内で前記欠陥からの反射エコーを検出し得るように、前記第１及び第２の探傷ゲートの位置をそれぞれ調整し、
   前記第１及び第２の探傷ゲート内の双方で、それぞれ所定高さ以上の反射エコーを検出した場合にのみ、前記第２の探傷ゲート内で検出した反射エコーを欠陥からの反射エコーであると判定する
   ことを特徴とする内面フィン付き管の超音波探傷方法。
2. 前記欠陥からの反射エコーの高さがほぼ最大となる探傷位置において、前記管のフィンからの反射エコーの高さが前記欠陥からの反射エコーの高さの５０％以上となるように、前記超音波探触子から送信される超音波ビームの入射角を調整する
   ことを特徴とする請求項１に記載の内面フィン付き管の超音波探傷方法。
3. 前記超音波探触子から送信される超音波ビームの前記管の外面における走査速度をＳ（ｍｍ／秒）とし、前記超音波探触子から送信される超音波ビームのパルス繰り返し周波数をｆ（パルス／秒）としたとき、以下の式（１）を満足するように、前記走査速度及び／又は前記パルス繰り返し周波数を調整する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内面フィン付き管の超音波探傷方法。
   Ｓ／ｆ≦０．０５（ｍｍ／パルス） ・・・ （１）
4. 内面が周方向に交互に設けられた山部と谷部とから形成されている内面フィン付き管の外面側に設置した超音波探触子と、該超音波探触子による超音波ビームの送受信を制御すると共に、該超音波探触子から出力される探傷信号に基づいて前記管内面の谷底部において管軸方向に延びる欠陥を検出する超音波探傷器とを備え、前記超音波探触子を前記管の管周方向に相対移動させながら斜角超音波探傷を行う超音波探傷装置であって、
   前記超音波探傷器は、
   前記超音波探触子から出力される探傷信号に対して、反射エコーを検出するための第１の探傷ゲート及び第２の探傷ゲートをそれぞれ位置調整可能に設定する探傷ゲート設定部と、
   前記第１及び第２の探傷ゲート内の反射エコーをそれぞれ所定のしきい値と比較し、前記第１及び第２の探傷ゲート内の双方で前記しきい値以上の高さを有する反射エコーを検出した場合にのみ、前記第２の探傷ゲート内で検出した反射エコーを欠陥からの反射エコーであると判定する欠陥判定部と
   を備えることを特徴とする内面フィン付き管の超音波探傷装置。
5. 前記超音波探触子は、前記欠陥からの反射エコーの高さがほぼ最大となる探傷位置において、前記管のフィンからの反射エコーの高さが前記欠陥からの反射エコーの高さの５０％以上となるように、送信される超音波ビームの入射角が調整されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の内面フィン付き管の超音波探傷装置。
6. 前記超音波探触子から送信される超音波ビームの前記管の外面における走査速度をＳ（ｍｍ／秒）とし、前記超音波探触子から送信する超音波ビームのパルス繰り返し周波数をｆ（パルス／秒）としたとき、前記超音波探傷器は、以下の式（１）を満足するように、前記パルス繰り返し周波数を設定する
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載の内面フィン付き管の超音波探傷装置。
   Ｓ／ｆ≦０．０５（ｍｍ／パルス） ・・・ （１）

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