JP4596331B2

JP4596331B2 - 管のねじ継手の超音波探傷方法

Info

Publication number: JP4596331B2
Application number: JP2006255975A
Authority: JP
Inventors: 郁司星野; 正樹山野; 重夫永作
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2026-09-21
Also published as: BRPI0717066B1; CA2663676A1; AR062935A1; JP2008076238A; MX2009003044A; NO20090933L; US20100107766A1; CA2663676C; RU2394234C1; EP2064540A4; US8091425B2; NO344188B1; BRPI0717066A2; EP2064540A1; CN101558297B; EP2064540B1; CN101558297A; WO2008035794A1

Description

本発明は、油井管等の管の継手として用いられるねじ継手を構成するピンの各部位とボックスの各部位との接触部位に存在する不良部（欠陥、非密着箇所、焼き付き箇所）を検出可能な方法に関する。

従来より、油井管用の継手として、ねじ継手が広く用いられている。図１は、ねじ継手の一般的な構成を概略的に示す軸方向断面図である。図１に示すように、ねじ継手１００は、外周面に雄ねじ部１１、メタルシール部１２及びショルダー部１３を具備するピン１と、内周面にピン１の各部位に対応する雌ねじ部２１、メタルシール部２２及びショルダー部２３を具備し、ピン１と締結されるボックス２とを備えている。

雄ねじ部１１と雌ねじ部２１（以下、適宜これらを総称して「ねじ部１１、２１」という）とは、互いに螺合することにより、ピン１とボックス２とを締結する機能を奏する。メタルシール部１２の外径はメタルシール部２２の内径よりも僅かに大きくされており（この径の差を「干渉代」という）、ピン１とボックス２とを締結すると、前記干渉代により、両メタルシール部１２、２２の接触部位に面圧が発生し、この接触面圧によってねじ継手１００の気密性を良好に保持する機能を奏する。ショルダー部１３、２３は、過度の塑性変形が生じるような高い接触面圧がメタルシール部１２、２２に発生しないようにし、且つ、十分なねじ込み量を確保して、ねじ継手１００の締結を確実にする機能を奏する。なお、メタルシール部１２、２２のみならず、ねじ部１１、２１においても、両者の螺合を確実にして容易に弛まないようにするため、メタルシール部１２、２２と同様の干渉代を有するものがある。この場合、ショルダー部１３、２３は、ねじ部１１、２１の干渉代を安全域に制限し、ボックス２に過大な応力が発生することを抑制する機能をも奏する。

以上の構成を有するねじ継手の締結状態を評価する方法として、従来より、ねじ継手の締結時に発生するトルクの変化をモニターする方法が広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。図２は、従来のねじ継手の締結状態評価方法を説明する説明図である。図２に示すように、ねじ継手の締結が順次進行するに従い、ねじ部１１、２１の干渉や、メタルシール部１２、２２の干渉による摩擦抵抗によりトルクが発生する。そして、ショルダー部１３、２３の当接によりトルクは急激に上昇する。従来は、このトルクの変化をオペレータがモニターすることによりねじ継手の締結状態の合否を判定している。すなわち、例えばトルクが予め決定したしきい値以上に上昇した場合には、ショルダー部１２、２２が互いに当接するに至ったと判断し、ねじ継手１００の締結が良好に完了したと判定している。

しかしながら、図２に示す従来の評価方法は、実際にねじ部１１、２１が干渉したこと、メタルシール部１２、２２が干渉したこと、ショルダー部１３、２３が当接したことを、それぞれ個別に何らかの物理量を測定することによって評価するものではない。あくまでも、トルクが発生するのは、各部位が密着（干渉又は当接）したのが理由であろうという過去の経験則に基づく評価方法である。確かに、各部位が密着（干渉又は当接）すればトルクが発生するが、ねじ部１１、２１が焼き付いた場合等、他の要因によっても大きなトルクが発生し得るため、トルクの変化をモニターするだけでは、精度良く締結状態を評価（ピン１の各部位１１、１２、１３とボックス２の各部位２１、２２、２３とが密着状態となっているか、或いは非密着状態となっているかの評価）することは困難である。

また、図２に示す従来の評価方法では、ねじ継手１００を構成するピン１の各部位１１、１２、１３とボックス２の各部位２１、２２、２３との接触部位に、ねじ継手１００の気密性を損なう虞のある欠陥（きず）が存在しても、これに起因したトルクの変化が生じ難いため、欠陥を検出することはできない。

ところで、欠陥や複数の部材の非密着箇所を検出する方法として、欠陥や非密着箇所での超音波の反射を利用した超音波探傷方法が公知である。上記ピン１とボックス２との接触部位に存在する欠陥や非密着箇所を検出するに当たっても、この超音波探傷方法を利用することが考えられる。

従来、例えば、管のねじ継手に関する超音波の反射を利用した測定方法として、特許文献２には、ピンとボックスとの接触部位における超音波の反射率を測定することにより、該接触部位における接触面圧を測定する方法が開示されている。

しかしながら、特許文献２に記載の技術は、専らピンとボックスとの接触部位における接触面圧を測定する方法を開示するに留まるものであり、接触部位に存在する欠陥や接触部位の非密着状態を検出する方法については何ら開示も示唆もない。

また、クラッド鋼の接合部位の検査方法として、接合部位での超音波の反射と通過の原理を利用したＪＩＳＧ０６０１−１９８９「クラッド鋼の試験方法」が実用化されている。より具体的には、上記ＪＩＳ規格では、平板材の健全な接合部位を通過した超音波が平板材の底面で初めて反射することによって得られる第１回底面エコーの強度を８０％に感度調整する。そして、上記第１回底面エコー強度が５％以下となり、接合部位からのエコーが主体となる部分を非接合部と定義している。

しかしながら、上記のＪＩＳ規格は、上記のように平板材の底面エコーの強度変化に基づいて接合部位を検査する方法であるため、平板材ではないために底面エコーが得られないねじ継手に適用することは困難である。また、上記のＪＩＳ規格は、あくまでも非接合部を検出する方法であって、接合部位に欠陥（きず）が存在することを想定していないため、接合部位に欠陥が存在することにより反射率等が変化するのか、或いは接合部位が非接合状態（非密着状態）であることにより反射率等が変化するのか、何れであるかを識別することは困難である。

なお、ねじ継手を構成するピンの各部位とボックスの各部位との接触部位に存在する不良部が、非密着状態であるか或いは欠陥であるかを識別することは、ねじ継手の品質管理上重要である。非密着状態は、ボックスとピンとの締結不足や寸法誤差等によって発生する可能性がある。一方、欠陥は、接触前からボックス又はピンに存在するきずや、接触部位への不純物の噛み込み、ボックスとピンとの間の潤滑剤不足による焼き付きの進行等によって発生する可能性がある。非密着状態と欠陥とを識別することにより、不良部が非密着状態である場合には、ねじ継手の締結条件や寸法公差を見直すといった処置を施すことができる一方、不良部が欠陥である場合には、欠陥が生じたねじ継手を廃棄・交換するといった処置を施すことができ、不良部の種類に応じた適切な品質管理を行うことが可能である。
特開平１０−２６７１７５号公報米国特許第４８７０８６６号明細書

本発明は、斯かる従来技術の問題を解決するためになされたものであり、油井管等の管の継手として用いられるねじ継手を構成するピンの各部位とボックスの各部位との接触部位に存在する不良部（欠陥、非密着箇所、焼き付き箇所）を検出可能な方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するべく、本発明の発明者らは鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
（１）ピンの各部位（雄ねじ部、メタルシール部、ショルダー部）とボックスの各部位（雌ねじ部、メタルシール部、ショルダー部）との接触部位に介在する潤滑剤の厚みは、これら各部位の締結状態に応じて局部的に変化する。具体的には、健全なねじ継手であってピンの各部位とボックスの各部位とが互いに密着した状態（例えば、メタルシール部１２の外径がメタルシール部２２の内径よりも僅かに大きい状態）では、非密着状態（例えば、メタルシール部１２の外径がメタルシール部２２の内径よりも小さい状態）と異なり局部的に潤滑剤が介在しなくなる。
（２）介在する潤滑剤の有無に応じて超音波のエコー強度は変化する。具体的には、潤滑剤が実質的に介在しない箇所に送信した超音波のエコー強度は、潤滑剤が介在する箇所に送信した超音波のエコー強度よりも小さくなる。
（３）健全なねじ継手であってピンの各部位とボックスの各部位とが密着した状態であれば潤滑剤が実質的に介在しない箇所（超音波のエコー強度が小さくなる箇所）に、欠陥や焼き付きが存在すると、これらが存在しない場合に比べて超音波のエコー強度が大きくなる。
（４）ボックスに存在する欠陥からのエコー、或いは、ボックスとピンとの焼き付き箇所からのエコーの受信時間（超音波を発信してから受信するまでの時間）は、健全な密着状態のねじ継手からのエコー、非密着状態のねじ継手からのエコー、或いは、ピンに存在する欠陥からのエコーの受信時間に比べて短くなる。

本発明は、上記発明者らの知見に基づき完成されたものである。すなわち、本発明は、外周面に雄ねじ部、メタルシール部及びショルダー部を具備するピンと、内周面に前記ピンの前記各部位に対応する雌ねじ部、メタルシール部及びショルダー部を具備し、前記ピンと潤滑剤を介して締結されるボックスとを備えた管のねじ継手の超音波探傷方法であって、超音波探触子を前記ねじ継手の軸方向に相対的に移動させることにより、又は複数の振動子を一列に配列したアレイ型超音波探触子の各振動子による超音波の送受信を電気的に制御することにより、前記ボックスの雌ねじ部、メタルシール部及びショルダー部の内、少なくとも１つの部位について、前記ねじ継手の軸方向に沿った複数の箇所に超音波を送受信し、前記複数箇所について検出したエコー強度の軸方向分布及びエコーの受信時間の軸方向分布に基づき、前記ねじ継手に存在する不良部を検出することを特徴とする管のねじ継手の超音波探傷方法を提供するものである。

本発明によれば、ねじ継手を構成するボックスの雌ねじ部、メタルシール部及びショルダー部の内、少なくとも１つの部位（以下、適宜「評価対象部位」という）について、ねじ継手の軸方向に沿った複数の箇所に超音波が送受信される。前述のように、ピンの各部位とこれに対応するボックスの各部位との接触部位に介在する潤滑剤の厚みは、互いに密着した健全な状態において、ねじ継手の軸方向に沿って局部的に薄くなり、潤滑剤が実質的に介在しない箇所に送信した超音波のエコー強度は潤滑剤が介在する箇所に送信した超音波のエコー強度よりも小さくなる。従って、ボックスの各部位について、ねじ継手の軸方向に沿った複数の箇所に超音波を送受信すると、ピンの各部位と互いに密着した状態では、接触部位の潤滑剤が実質的に介在しない箇所で超音波のエコー強度が局部的に小さくなる一方、残りの箇所で超音波のエコー強度が大きい軸方向分布となる。一方、ボックスの各部位がピンの各部位と互いに密着していない状態では、各部位の接触部位に局部的に潤滑剤が介在しない箇所が存在しないため、各部位の領域全体に亘って超音波のエコー強度が大きい軸方向分布となる。

また、上記のように密着状態であれば潤滑剤が実質的に介在しない箇所（超音波のエコー強度が小さくなる箇所）に欠陥や焼き付きが存在する場合も、これら欠陥や焼き付き箇所でエコーが反射するため、各部位の領域全体に亘って超音波のエコー強度が大きくなる軸方向分布となる。

よって、前記複数箇所について検出したエコー強度の軸方向分布に基づき、ねじ継手の評価対称部位に存在する不良部（欠陥、非密着箇所、焼き付き箇所）を検出することが可能である。具体的には、例えば、検出した評価対象部位のエコー強度の軸方向分布について、エコー強度の最小値と、締結状態（密着状態又は非密着状態）が変化しても殆ど変化しないエコー強度（基準値）との比（最小値／基準値）が予め決定した所定のしきい値を超えていれば、不良部が存在していると判定することが可能である。或いは、エコー強度が所定のしきい値以下となる領域の軸方向長さが、予め決定した所定の長さ以下となる場合に、不良部が存在していると判定することも可能である。

また、前述のように、ボックスに存在する欠陥からのエコー、或いは、ボックスとピンとの焼き付き箇所からのエコーの受信時間（超音波を発信してから受信するまでの時間）は、健全な密着状態のねじ継手からのエコー、非密着状態のねじ継手からのエコー、或いは、ピンに存在する欠陥からのエコーの受信時間に比べて短くなる。従って、前記複数箇所について検出したエコーの受信時間の軸方向分布に基づき、ねじ継手の評価対称部位に存在する不良部を識別することが可能（ボックスに存在する欠陥及びボックスとピンとの焼き付きを他の不良部と識別可能）である。具体的には、例えば、検出した評価対象部位のエコーの受信時間の軸方向分布について、予め採取した健全な密着状態のねじ継手におけるエコーの受信時間の軸方向分布との差を求め、この差が予め決定した所定のしきい値を超える領域の軸方向長さが、予め決定した所定の長さを超える場合に、不良部の中でも特に、ボックスに存在する欠陥か或いは焼き付きが存在していると判定することが可能である。

好ましくは、前記エコー強度の軸方向分布に基づいて前記ねじ継手に不良部が存在するか否かを判定し、不良部が存在すると判定した場合には前記エコーの受信時間の軸方向分布に基づいて前記不良部の種類を識別する。

本発明に係る管のねじ継手の超音波探傷方法によれば、油井管等の管の継手として用いられるねじ継手を構成するピンの各部位とボックスの各部位との接触部位に存在する不良部（欠陥、非密着箇所、焼き付き箇所）を精度良く検出することが可能である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る管のねじ継手の超音波探傷方法の一実施形態について説明する。
まず最初に、本発明に想到するに至る過程において本発明の発明者らが得た知見について詳細に説明する。

本発明の発明者らは、図１に示すねじ継手１００を構成するピン１の各部位（雄ねじ部１１、メタルシール部１２、ショルダー部１３）とボックス２の各部位（雌ねじ部２１、メタルシール部２２、ショルダー部２３）とを互いに密着させた状態で締結した場合、非密着状態で締結した場合、ピン１に欠陥を形成した場合、ボックス２に欠陥を形成した場合、ピン１とボックス２との間に焼き付きを生じさせた場合のそれぞれについて、ボックス２の各部位に超音波を送受信し、該超音波の送受信位置をねじ継手１００の軸方向に走査したときに得られるエコー強度の軸方向分布及びエコーの受信時間の軸方向分布を評価する試験を行った。

図３は、ボックス２のメタルシール部２２について実施したエコー強度の軸方向分布及びエコーの受信時間の軸方向分布を評価する試験の概要を示す説明図である。図３（ａ）は、ボックス２のメタルシール部２２とピン１のメタルシール部１２とを密着状態（メタルシール部１２の外径をメタルシール部２２の内径よりも僅かに大きくした状態）で締結した場合の評価試験の概要を示す。図３（ｂ）は、メタルシール部１２、２２を非密着状態（メタルシール部１２の外径をメタルシール部２２の内径よりも小さくした状態）で締結した場合の評価試験の概要を示す。図３（ｃ）は、メタルシール部１２のシール面に軸方向長さ２ｍｍ、周方向長さ１ｍｍ、深さ０．５ｍｍの人工欠陥（スリット）Ｆ１を設け、該人工欠陥Ｆ１を設けなかったとすればメタルシール部１２、２２が密着する状態で締結した場合の評価試験の概要を示す。図３（ｄ）は、メタルシール部２２のシール面に軸方向長さ２ｍｍ、周方向長さ１ｍｍ、深さ０．５ｍｍの人工欠陥（スリット）Ｆ２を設け、該人工欠陥Ｆ２を設けなかったとすればメタルシール部１２、２２が密着する状態で締結した場合の評価試験の概要を示す。図３（ｅ）は、メタルシール部１２、２２の間に焼き付きＦ３を生じさせ、該焼き付きＦ３が生じていないとすればメタルシール部１２、２２が密着する状態で締結した場合の評価試験の概要を示す。

具体的には、図３（ａ）〜（ｅ）のそれぞれの場合について、ボックス（外径：約１５０ｍｍ、内径：約１２５ｍｍ）のメタルシール部２２に対し、超音波探触子として水浸探触子（周波数：５ＭＨｚ、振動子径：約１９ｍｍ、焦点距離：約６４ｍｍ、ポイントフォーカス）を用いて、メタルシール部２２のシール面中央部で集束するように超音波を送受信し、超音波探触子をねじ継手１００の軸方向に移動させることにより超音波の送受信位置をねじ継手１００の軸方向に走査したときに得られるエコー強度の軸方向分布及びエコーの受信時間の軸方向分布を評価した。なお、超音波探触子は、送信した超音波がメタルシール部２２のシール面に対して垂直に入射するように、その角度を調整した。また、ピン１とボックス２との間には潤滑剤を介在させた。

図４は、上記評価試験により、ボックス２のメタルシール部２２について得られたエコー強度の軸方向分布及びエコーの受信時間の軸方向分布の一例を示すグラフである。

図４（ａ）は、メタルシール部１２、２２を密着状態で締結した場合（図３（ａ）の状態に相当）に得られたエコー強度の軸方向分布（上図）及びエコーの受信時間の軸方向分布（下図）を示す。図３（ａ）に示すように、メタルシール部１２、２２を密着状態で締結した場合、シール面中央部（図３（ａ）に破線の矢符で示す領域）では、潤滑剤が殆ど介在せず、ボックス２とピン１とが直接積層された状態に近い。このため、ボックスのメタルシール部２２に入射した超音波がピン１に向けて透過し易くなる結果、図４（ａ）に示すように、シール面中央部（図４（ａ）に破線の矢符で示す領域）におけるエコー強度が低下する軸方向分布となる。また、エコーの受信時間は、メタルシール部１２、２２のシール面に沿って直線状に変化する軸方向分布となる。このような軸方向分布となるのは、メタルシール部１２、２２のシール面がテーパ状に形成されており、ねじ継手１００の軸方向に対して直線状に傾斜しているのに対し、超音波を送受信する超音波探触子をねじ継手１００の軸方向に平行に移動させたからである。

図４（ｂ）は、メタルシール部１２、２２を非密着状態で締結した場合（図３（ｂ）の状態に相当）に得られたエコー強度の軸方向分布（上図）及びエコーの受信時間の軸方向分布（下図）を示す。図３（ｂ）に示すように、メタルシール部１２、２２を非密着状態で締結した場合、シール面中央部にも潤滑剤が介在し、ボックス２、潤滑材及びピン１が積層された３層構造となる。このため、ボックスのメタルシール部２２に入射した超音波が潤滑剤との界面で殆ど反射することになる結果、図４（ｂ）に示すように、シール面中央部におけるエコー強度は低下せず、メタルシール部２２の領域全体に亘ってエコー強度が大きい軸方向分布となる。また、エコーの受信時間は、図４（ａ）に示すメタルシール部１２、２２を密着状態で締結した場合と同様の軸方向分布となる。

図４（ｃ）は、メタルシール部１２のシール面に人工欠陥Ｆ１を設けた場合（図３（ｃ）の状態に相当）に得られたエコー強度の軸方向分布（上図）及びエコーの受信時間の軸方向分布（下図）を示す。図３（ｃ）に示すように、メタルシール部１２のシール面に人工欠陥Ｆ１を設けた場合、人工欠陥Ｆ１内に潤滑剤が充填され、ボックス２、潤滑材及びピン１が積層された３層構造となる。このため、図４（ｃ）に示すように、人工欠陥Ｆ１を設けた場合も、図４（ｂ）と同様のエコー強度の軸方向分布となる。また、超音波は人工欠陥Ｆ１の存在しないメタルシール部２２と潤滑剤との界面で反射するため、エコーの受信時間についても、図４（ｂ）と同様の軸方向分布となる。

図４（ｄ）は、メタルシール部２２のシール面に人工欠陥Ｆ２を設けた場合（図３（ｄ）の状態に相当）に得られたエコー強度の軸方向分布（上図）及びエコーの受信時間の軸方向分布（下図）を示す。図３（ｄ）に示すように、メタルシール部２２のシール面に人工欠陥Ｆ２を設けた場合、人工欠陥Ｆ２内に潤滑剤が充填され、ボックス２、潤滑材及びピン１が積層された３層構造となる。このため、図４（ｄ）に示すように、人工欠陥Ｆ２を設けた場合も、図４（ｂ）や図４（ｃ）と同様のエコー強度の軸方向分布となる。一方、超音波は人工欠陥Ｆ２の底部と潤滑剤との界面で反射するため、人工欠陥Ｆ２の深さに応じてエコーの受信時間は短くなる。つまり、エコーの受信時間は、人工欠陥Ｆ２が存在する領域（図４（ｄ）に破線の矢符で示す領域）で短い（直線上から外れる）軸方向分布となる。

図４（ｅ）は、メタルシール部１２、２２の間に焼き付きＦ３を生じさせた場合（図３（ｅ）の状態に相当）に得られたエコー強度の軸方向分布（上図）及びエコーの受信時間の軸方向分布（下図）を示す。図３（ｅ）に示すように、メタルシール部１２、２２の間に焼き付きＦ３が生じている場合、メタルシール部１２、２２のシール面の表面性状が劣化する（例えば、表面粗さが粗くなる）ため、シール面間に潤滑剤が充填されているか否かに関わらず、超音波は通過し難くなる。このため、図４（ｅ）に示すように、シール面中央部におけるエコー強度はあまり低下せず（シール面で散乱するため若干低下する）、メタルシール部２２の領域全体に亘ってエコー強度が比較的大きな軸方向分布となる。また、エコーの受信時間は、焼き付きＦ３が存在する領域（図４（ｅ）に破線の矢符で示す領域）で短い（直線上から外れる）軸方向分布となる。

以上に説明したように、本発明の発明者らは、ピン１のメタルシール部１２とボックス２のメタルシール部２２との接触部位に介在する潤滑剤は、メタルシール部１２、２２が互いに密着した状態では、非密着状態と異なり局部的に介在しなくなることを知見した（図３（ａ）、（ｂ）参照）。そして、潤滑剤が実質的に介在しない箇所に送信した超音波のエコー強度は、潤滑剤が介在する箇所に送信した超音波のエコー強度よりも小さくなる結果、メタルシール部１２、２２が互いに密着した健全な状態では、非密着状態に比べて超音波のエコー強度が局部的に低下することを知見した（図４（ａ）、（ｂ）の上図参照）。また、健全なねじ継手であってメタルシール部１２、２２が密着した状態であれば潤滑剤が実質的に介在しない箇所に、欠陥や焼き付きが存在すると、これらが存在しない場合に比べて超音波のエコー強度が大きくなることを知見した（図４（ｃ）〜（ｅ）の上図参照）。さらに、メタルシール部２２に存在する欠陥からのエコー、或いは、メタルシール部１２、２２間の焼き付き箇所からのエコーの受信時間は、健全な密着状態のねじ継手からのエコー、非密着状態のねじ継手からのエコー、或いは、メタルシール部１２に存在する欠陥からのエコーの受信時間に比べて短くなることを知見した（図４（ａ）〜（ｅ）の下図参照）。

なお、図３、図４では、ボックス２のメタルシール部２２について実施した評価試験について例示したが、雌ねじ部２１、ショルダー部２３についても同様の結果が得られることを確認した。

本発明は、上記発明者らの知見に基づき完成されたものであり、ボックス２の雌ねじ部２１、メタルシール部２２及びショルダー部２３の内、少なくとも１つの部位について、ねじ継手１００の軸方向に沿った複数の箇所に超音波を送受信し、前記複数箇所について検出したエコー強度の軸方向分布及びエコーの受信時間の軸方向分布に基づき、ねじ継手１００に存在する不良部（欠陥、非密着箇所、焼き付き箇所）を検出することを特徴とする。

本発明によれば、雌ねじ部２１、メタルシール部２２及びショルダー部２３の内、少なくとも１つの部位（評価対象部位）について、ねじ継手１００の軸方向に沿ったエコー強度の軸方向分布を評価することにより、評価対象部位に超音波のエコー強度が局部的に低下する領域が存在するか否かを検出可能である。そして、評価対象部位にエコー強度が局部的に低下する領域が存在していれば、ボックスの評価対象部位とこれに対応するピンの部位とが互いに密着した状態となっており、接触部位に不良部が存在しないと判定することが可能である。一方、評価対象部位に超音波のエコー強度が局部的に低下する領域が存在していなければ、ボックスの評価対象部位とこれに対応するピンの部位との接触部位に不良部が存在していると判定することが可能である。さらに、ねじ継手１００の軸方向に沿ったエコーの受信時間の軸方向分布を評価することにより、ボックスに存在する欠陥及びボックスとピンとの焼き付きを他の不良部と識別することが可能である。

以下、本発明に係る超音波探傷方法の具体例（評価対象部位についての不良部の検出方法の具体例）について説明する。

図５は、評価対象部位がメタルシール部２２である場合の不良部の検出方法の具体例を説明する説明図である。メタルシール部１２、２２の接触部位に不良部が存在するか否かを判定するには、図５（ａ）に示すように、メタルシール部２２に超音波を走査することにより得られたエコー強度の軸方向分布について、締結状態（密着状態又は非密着状態）が変化しても殆ど変化しないエコー強度を基準値Ａと、エコー強度の最小値Ｂ（エコー強度の軸方向分布の両端部は除く最小値）とを読み取る。そして、最小値Ｂと基準値Ａとの比（Ｂ／Ａ）が予め決定した所定のしきい値よりも大きくなれば、不良部が存在していると判定すればよい。或いは、図５（ａ）に示すように、エコー強度が所定のしきい値Ｔｈ１以下となる領域の軸方向長さＬ_Ｅが、予め決定した所定の長さ以下となる場合に、不良部が存在していると判定することも可能である。

なお、送受信する超音波の周波数（探傷周波数）を過度に高くし過ぎると、メタルシール部１２、２２の接触部位に存在する不良部の有無に関わらず、超音波はピン１に向けて透過し難くなる。換言すれば、不良部の有無に関わらず、上記のＢ／Ａの値や軸方向長さＬ_Ｅの値が変化し難くなるため好ましくない。従って、送受信する超音波の周波数は、２５ＭＨｚ以下（より好ましくは５ＭＨｚ以下）に設定することが好ましい。

また、メタルシール部１２、２２の接触部位に存在する不良部の種類を識別するには、メタルシール部２２に超音波を走査することにより得られたエコーの受信時間の軸方向分布（図５（ｂ）参照）を用いればよい。具体的には、得られたエコーの受信時間の軸方向分布と、予め採取した健全な密着状態のねじ継手におけるエコーの受信時間の軸方向分布との差（図５（ｃ）参照）を求め、この差が予め決定した所定のしきい値Ｔｈ２を超える領域の軸方向長さＬ_Ｔが、予め決定した所定の長さを超える場合に、不良部の中でも特に、ボックス２に存在する欠陥か或いは焼き付きが存在していると判定することが可能である。或いは、得られたエコーの受信時間の軸方向分布（図５（ｂ）参照）にハイパスフィルタリング処理を施して、直線状に変化する成分を除去した後、予め決定した所定のしきい値を超える領域の軸方向長さが、予め決定した所定の長さを超える場合に、不良部の中でも特に、ボックス２に存在する欠陥か或いは焼き付きが存在していると判定してもよい。

以下、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具体例について説明する。

図６は、超音波探傷装置の全体構成を概略的に示すブロック図である。図７は、超音波探傷装置を構成する超音波走査装置の概略構成を示す図である。
図６、図７に示すように、本具体例の超音波探傷装置２００は、ねじ継手１００の軸方向に沿って超音波を走査するための超音波走査装置３と、超音波走査装置３が具備する超音波探触子３１、３２、３３からの超音波の送受信を制御等するための超音波探傷器４と、超音波走査装置３が具備するモータ３５を駆動するためのモータドライバ５と、ねじ継手１００の周方向に沿って超音波走査装置３を走査する又はねじ継手１００を周方向に回転させるための回転装置６と、超音波探傷器４、モータドライバ５及び回転装置６を制御するための制御装置７と、超音波の接触媒質としての水を供給する給水器８とを備える。

超音波走査装置３は、ねじ部１１、２１の超音波探傷を実施するための超音波探触子３１と、メタルシール部１２、２２の超音波探傷を実施するための超音波探触子３２と、ショルダー部１３、２３の超音波探傷を実施するための超音波探触子３３とを備える。超音波探触子３１としては、例えば、水浸探触子（周波数：３．５ＭＨｚ、振動子径：約１３ｍｍ、焦点距離：約３８ｍｍ、ポイントフォーカス）を用いて、雌ねじ部２１のねじ山の頂部で集束するように垂直に超音波を送受信する構成を採用可能である。また、超音波探触子３２としては、図４に示す結果を得た評価試験に用いたものと同様の超音波探触子を用いることが可能である。さらに、超音波探触子３３としては、例えば、水浸探触子（周波数：５ＭＨｚ、振動子径：約１９ｍｍ、焦点距離：約６４ｍｍ、ポイントフォーカス）を用いて、ショルダー部２３のコーナー部２３１（図１参照）で集束するように超音波を送受信する構成を採用可能である。そして、超音波探触子３３から送信された超音波がボックス２内に伝搬する際、屈折角３５°〜４５°程度の横波超音波となるように、超音波探触子３３の角度を調整すればよい。なお、集束された超音波ビームの径（焦点における超音波ビーム径）は極力小さい方が好ましい。例えば、超音波探触子３２の場合、メタルシール部１２、２２の高密着部（潤滑剤が実質的に介在しない部分）の軸方向長さは１ｍｍ程度であるため、焦点における超音波ビーム径も１ｍｍ程度以下にすることが好ましい。

超音波走査装置３は、超音波探触子３１〜３３の他、探触子ホルダー３４と、モータ３５と、探触子ホルダー３４及びモータ３５が取り付けられる架台３６とを備える。

超音波探触子３１〜３３は、探触子ホルダー３４に取り付けられる。探触子ホルダー３４は、給水器８から供給され、給水口３４１から流入した接触媒質としての水Ｗを、超音波探触子３１〜３３とねじ継手１００のボックス２外面との間隙に充填する機能も備える。モータ３５の回転動力は、この回転動力を直線運動に変換する適宜の機械要素を介して探触子ホルダー３４に伝達され、これにより探触子ホルダー３４は、ねじ継手１００の軸方向に沿って移動可能とされている。探触子ホルダー３４が移動することにより、探触子ホルダー３４に取り付けられた超音波探触子３１〜３３もねじ継手１００の軸方向に沿って移動し、これにより超音波の送受信位置は、ねじ継手１００の軸方向に沿って走査される。この際、架台３６はねじ継手１００（ボックス２）に接触した状態を保持するため、架台３６に取り付けられた探触子ホルダー３４とボックス２の外面との距離、ひいては超音波探触子３１〜３３とボックス２の外面との距離は一定に保たれる。そして、回転装置６により、架台３６又はねじ継手１００が周方向に回転するため、ねじ継手１００の周方向の複数位置について超音波を送受信することが可能である。

図８は、上記の構成を有する超音波探傷装置２００を用いて、密着状態のメタルシール部２２の超音波探傷を行った結果の一例を示す。なお、ボックス（外径：約１５０ｍｍ、内径：約１２５ｍｍ）のメタルシール部１２、２２の各シール面に軸方向長さ２ｍｍ、周方向長さ３ｍｍ、深さ０．５ｍｍの人工欠陥（スリット）を設けた。図８に示す例は、ねじ継手１００の軸方向に１２ｍｍピッチ、周方向に１°ピッチで全周のエコー強度分布を測定した例であり、図８（ａ）は横軸が軸方向位置、縦軸が周方向位置で、各測定点でのエコー強度の大きさに応じて濃淡表示したＣスコープを、図８（ｂ）は健全部、ピン側に設けた（メタルシール部１２側に設けた）欠陥の近傍、ボックス側に設けた（メタルシール部２２側に設けた）欠陥の近傍についてのエコー強度の軸方向分布及びエコーの受信時間の軸方向分布を示す。

図８（ａ）に示すように、締結時のチャック疵（締結時にボックス２を工具で把持することにより、ボックス２外面に生じる疵）が存在している領域及び人工欠陥を設けた領域以外の領域では、周方向に見てほぼ均等なエコー強度が得られている。一方、図８（ｂ）に示すように、健全部におけるエコー強度の軸方向分布は、メタルシール部のほぼ中央部においてエコー強度が低下していることが分かる。これに対し、ピン側欠陥近傍（周方向位置１８０°付近）やボックス側欠陥近傍（周方向位置９０°付近）におけるエコー強度の軸方向分布は、健全部と異なりエコー強度が局部的に低下する領域が存在しないため、この分布の差異により、欠陥を検出可能であることが分かる。また、エコーの受信時間については、ピン側欠陥近傍では直線状に変化する軸方向分布になっているのに対し、ボックス側欠陥近傍では欠陥が存在する領域で短くなっているため、この分布の差異により、欠陥がピン及びボックスの何れに存在しているかを識別可能であることが分かる。なお、ピン１とボックス２との間に非密着箇所が存在する場合、その非密着箇所のエコー強度の軸方向分布及びエコーの受信時間の軸方向分布は、ピン側欠陥近傍と同様の傾向を示す。しかしながら、非密着箇所については、欠陥と異なり、ねじ継手１００の周方向に連続して存在する場合が多いため、エコー強度の軸方向分布と周方向分布の双方を評価すれば、ピン側欠陥と非密着箇所とを識別できると考えられる。

なお、超音波走査装置としては、図７に示す構成に限られるものではなく、例えば、図９に示すようなアレイ型超音波探触子（図９に示す例では、ねじ部１１、２１の超音波探傷を行うためのアレイ型超音波探触子３１Ａと、メタルシール部１２、２２及びショルダー部１３、２３の超音波探傷を行うためのアレイ型超音波探触子３２Ａ）を具備する構成を採用することも可能である。そして、アレイ型超音波探触子３１Ａ、３２Ａの各振動子による超音波の送受信を公知の方法によって電気的に制御することにより、送受信される超音波をねじ継手１００の軸方向に走査させればよい。

図１は、ねじ継手の一般的な構成を概略的に示す軸方向断面図である。図２は、従来のねじ継手の締結状態評価方法を説明する説明図である。図３は、ボックスのメタルシール部について実施したエコー強度の軸方向分布及びエコーの受信時間の軸方向分布を評価する試験の概要を示す説明図である。図４は、ボックスのメタルシール部について得られたエコー強度の軸方向分布及びエコーの受信時間の軸方向分布の一例を示すグラフである。図５は、評価対象部位がメタルシール部である場合の不良部の検出方法の具体例を説明する説明図である。図６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全体構成を概略的に示すブロック図である。図７は、超音波探傷装置を構成する超音波走査装置の概略構成を示す図である。図８は、超音波探傷装置を用いて、密着状態のメタルシール部の超音波探傷を行った結果の一例を示す。図９は、他の例の超音波走査装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ピン
２ボックス
３超音波走査装置
１１雄ねじ部
１２メタルシール部
１３ショルダー部
２１雌ねじ部
２２メタルシール部
２３ショルダー部
３１，３２，３３超音波探触子
１００ねじ継手

Claims

外周面に雄ねじ部、メタルシール部及びショルダー部を具備するピンと、
内周面に前記ピンの前記各部位に対応する雌ねじ部、メタルシール部及びショルダー部を具備し、前記ピンと潤滑剤を介して締結されるボックスとを備えた管のねじ継手の超音波探傷方法であって、
超音波探触子を前記ねじ継手の軸方向に相対的に移動させることにより、又は複数の振動子を一列に配列したアレイ型超音波探触子の各振動子による超音波の送受信を電気的に制御することにより、前記ボックスの雌ねじ部、メタルシール部及びショルダー部の内、少なくとも１つの部位について、前記ねじ継手の軸方向に沿った複数の箇所に超音波を送受信し、前記複数箇所について検出したエコー強度の軸方向分布及びエコーの受信時間の軸方向分布に基づき、前記ねじ継手に存在する不良部を検出することを特徴とする管のねじ継手の超音波探傷方法。
前記エコー強度の軸方向分布に基づいて前記ねじ継手に不良部が存在するか否かを判定し、不良部が存在すると判定した場合には前記エコーの受信時間の軸方向分布に基づいて前記不良部の種類を識別することを特徴とする請求項１に記載の管のねじ継手の超音波探傷方法。