JP4596337B2 - 超音波探傷方法及び継目無管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管などの管状の被探傷材の内面に存在する内面きずを超音波を用いて探傷する方法及びこれを用いた継目無管の製造方法に関し、特に、管状被探傷材の軸方向に対して種々の傾斜角度を有する内面きずを、管状の被探傷材の肉厚対外径比や内面きずの傾斜角度に関わらず、ほぼ同程度の検出能で検出することが可能な超音波探傷方法及びこれを用いた継目無管の製造方法に関する。

近年、管に対する高品質化要求が高まるにつれて、管の非破壊検査基準が厳格化される傾向にある。

例えば、代表的な管である継目無管は、ビレットをピアサーによって穿孔して中空シェルを形成し、この中空シェルをマンドレルミル等によって圧延することにより製造される。この継目無管には、軸方向に対して種々の傾斜角度を有するきず（以下、適宜「傾斜きず」という）が存在する。

この傾斜きずは、ビレットに元々存在する縦割れきずが上記製造工程において軸方向に変形を受けることによって発生したり、或いは、中空シェルのパスセンターを維持するためのガイドシューの案内面に存在するきずが転写することによって発生するといわれている。従って、傾斜きずの継目無管の軸方向に対する傾斜角度は、継目無管の管径やその発生原因の相違によって変化する。すなわち、継目無管には、種々の傾斜角度を有する傾斜きずが存在する。

継目無管の使用環境は年々厳しくなる傾向にあるため、その高品質化が要求され、上記傾斜きずを精度良く検出することも厳しく要求されている。

ところで、従来より、継目無管に存在する傾斜きずを探傷するための種々の方法が提案されている。

例えば、日本国特開昭５５−１１６２５１号公報（以下、特許文献１という）には、検出対象とする傾斜きずの位置及び傾斜角度に応じて超音波探触子を適宜の位置及び傾斜角度で配置することにより、傾斜きずを探傷する方法が提案されている。

しかしながら、特許文献１に記載の方法は、検出対象とする傾斜きずの傾斜角度に応じて、超音波探触子の傾斜角度をその都度変更する必要があるため、極めて手間が掛かるという問題がある。また、前述のように継目無管に存在する種々の傾斜角度を有する傾斜きずを一回の探傷作業で検出するには、多数の超音波探触子を準備してそれぞれ異なる傾斜角度で配置する必要がある。つまり、超音波探触子の配置設定や校正等が煩雑であると共に、大型の装置が必須であることやコスト高騰を招くという問題がある。

上記特許文献１に記載の方法における問題点を解決するべく、日本国特開昭６１−２２３５５３号公報（以下、特許文献２という）には、複数の振動子（超音波送受信用素子）を一列に配列したアレイ型超音波探触子を適用した探傷方法が提案されている。より具体的には、前記振動子の配列方向を管の軸方向に一致させると共に、超音波探触子を管の軸心から偏芯させて配置することにより、管内に横波超音波を伝搬させる。そして、各振動子による超音波の送受信タイミングを電気的に制御する電子走査によって、超音波探触子で送受信する超音波の傾斜角度（管の軸方向に対する傾斜角度）を変更することにより、種々の傾斜角度を有する傾斜きずを探傷する方法である。

しかしながら、特許文献２に記載の方法には、主として以下のような課題が存在する。

図１は、本発明の発明者が実験によって確認した、アレイ型超音波探触子を適用した探傷方法における傾斜きずの傾斜角度（傾斜きずの延びる方向と管の軸方向との成す角度）と反射エコー強度との関係の一例を示す図である。より具体的に説明すれば、図１は、特許文献２に記載のものと同様のアレイ型超音波探触子を管の軸心から偏芯させて配置する際の偏芯量を一定の値とした状態において、傾斜きずの延びる方向と超音波探触子から送信された超音波の伝搬方向（超音波の入射点を含む管の接平面の法線方向から見た伝搬方向）とが直交するように、各傾斜きずの傾斜角度に応じて電子走査で超音波の傾斜角度を変更した場合における、各傾斜きずでの反射エコー強度（傾斜角度０°の傾斜きずにおける反射エコー強度を０ｄＢとしたときの相対強度）を示す。本発明の発明者は、図１に示すように、特許文献２に記載の方法には、たとえ同じ大きさの傾斜きず（深さ０．５ｍｍ×長さ２５ｍｍ）であっても、傾斜きずの傾斜角度に応じて反射エコーの強度が異なってしまうという問題を見出した。

これは、傾斜きずの延びる方向と超音波探触子から送信された超音波の伝搬方向とが直交するように、アレイ型超音波探触子の偏芯量を一定の値としたまま、各傾斜きずの傾斜角度に応じて電子走査で超音波の傾斜角度を変更することにより、管の超音波伝搬面において、管内に入射した超音波（超音波ビームの中心線）が管内面に到達した点における管の法線と前記超音波（超音波ビームの中心線）との成す角度（内面屈折角）、及び、管内に入射した超音波（超音波ビームの中心線）が管外面に到達した点における管の法線と前記超音波（超音波ビームの中心線）との成す角度（外面屈折角）が、
（１）超音波探触子の偏芯量
（２）電子走査による超音波の傾斜角度
（３）管の肉厚ｔ対外径Ｄの比（＝ｔ／Ｄ）
に応じて変化してしまうことが原因であると本発明の発明者は考えた。

以上のように、本発明の発明者は、特許文献２に記載の方法には、傾斜きずの傾斜角度に応じて反射エコーの強度が異なってしまうという問題があり、この問題は有害なきずを見逃したり、検出不要な微小きずを過検出することにつながる虞があることを見出した。

一方、日本国特開２００５−２２１３７１号公報（以下、特許文献３という）には、欠陥の傾き（上記傾斜きずの傾斜角度に相当）及び探傷屈折角（＝上記外面屈折角）から導出される振動子の管軸方向の傾き（上記超音波の傾斜角度に相当）及び管周方向入射角（上記偏芯量に応じて決定される管周方向入射角に相当）を各振動子が備えたアレイ型超音波探触子を用いた超音波探傷方法が提案されている。

特許文献３に記載の方法によれば、各振動子が備える管軸方向の傾き及び管周方向入射角に応じて、特定の傾斜角度を有する傾斜きず（特に、管外面に存在する外面きず）を高精度に検出可能である。しかしながら、超音波探触子の設計時とは異なる傾斜角度の傾斜きずに対しては検出能が低下するという問題がある。

また、特許文献３に記載の方法によれば、外面きずに比べて内面きずの検出能が低下する傾向があるため、内面きずを見逃す虞がある。本発明の発明者は、この原因が、管の肉厚対外径比及び傾斜きずの傾斜角度に応じて、内面屈折角が外面屈折角よりも大きくなり過ぎることにあると考えた。

さらに、日本国特開平５−２４９０９１号公報（以下、特許文献４という）には、管への超音波の入射点を頂点とし且つ該入射点における垂線を中心軸とする円錐の側面に沿って超音波探触子を回転させることで、管への超音波の入射角を一定に保ちながら（つまり、外面屈折角を一定に保ちながら）、所望の傾斜角度を有する傾斜きずを検出する超音波探傷方法が提案されている。

しかしながら、特許文献４に記載の方法も、管の肉厚対外径比及び傾斜きずの傾斜角度に応じて、内面屈折角が一定の値である外面屈折角よりも大きくなり過ぎるため、外面きずに比べて内面きずの検出能が低下するという問題がある。

換言すれば、特許文献３及び４に記載の方法は共に、スネルの法則に基づき、超音波探触子と管との間に充填する接触媒質中の超音波（縦波超音波）の伝搬速度、管中の超音波（横波超音波）の伝搬速度、及び、管への超音波の入射角から導出することのできる外面屈折角を探傷条件設定の基礎としているため、管の肉厚対外径比や傾斜きずの傾斜角度によっては、内面きずの検出能が低下して、検出が困難になるという問題が存在する。

以上に説明したように、従来の超音波探傷方法には、管の肉厚対外径比や傾斜きずの傾斜角度によって、管内面に存在する内面きずの検出能が低下するという問題があるが、内面きずを超音波探傷で検出することは、外面きず以上に重要であるといえる。これは、外面きずの検査が、目視検査を始め、渦流探傷や漏洩磁束探傷などの他のＮＤＩ手法でも容易に実施できるからである。これに対し、内面きずの検査を目視検査、渦流探傷、或いは漏洩磁束探傷で実施するには、適宜のセンサヘッドを管内部に挿入する必要が生じるため、検査時間が増大したり、センサヘッドの内挿機構が大型化・複雑化し易いという問題が生じるからである。

なお、上記従来技術の問題点は、超音波探傷の対象が継目無管に限るものではなく、例えばスパイラル管などの溶接管や、中ぐり車軸など、傾斜きずが発生する可能性のある全ての管状被探傷材の超音波探傷について共通する。

本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、管状被探傷材の軸方向に対して種々の傾斜角度を有する内面きずを、管状の被探傷材の肉厚対外径比や内面きずの傾斜角度に関わらず、ほぼ同程度の検出能で検出することが可能な超音波探傷方法及びこれを用いた継目無管の製造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、本発明の発明者は鋭意検討した。この結果、内面屈折角が３５°以上６０°以下となるように探傷条件を設定しさえすれば、管状の被探傷材の肉厚対外径比や内面きずの傾斜角度に関わらず、内面きずでの反射エコー強度をほぼ同程度にすることができ、ひいてはほぼ同程度の検出能で内面きずを検出できることを見出した。

本発明は、上記発明者の知見により、完成されたものである。すなわち、本発明は、請求の範囲の請求項１に記載の如く、超音波探触子を管状の被探傷材の外面に対向配置して超音波探傷する方法であって、前記超音波探触子から送信された超音波の前記管状被探傷材への周方向入射角αｉと、前記超音波探触子から送信された超音波の前記管状被探傷材への軸方向入射角βｉと、前記管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄとから、下記の式（１）で算出される内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下となるように、前記管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄに応じて、前記周方向入射角αｉ及び前記軸方向入射角βｉを設定することを特徴とする超音波探傷方法を提供するものである。
ここで、前記式（１）における伝搬角度γ、外面屈折角θｒ及び角度φは、それぞれ下記の式（２）〜（４）で表される。
なお、前記式（３）におけるＶｓは管状被探傷材中を伝搬する超音波の伝搬速度を、Ｖｉは超音波探触子と管状被探傷材との間に充填する接触媒質における超音波の伝搬速度を意味する。また、前記式（４）におけるｋ及びθ’は、それぞれ下記の式（５）及び（６）で表される。

斯かる発明によれば、内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下となるように、管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄに応じて、周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉを設定することになる。これにより、周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉによって定まる超音波の伝搬方向と直交する方向に延びる内面きずについては、管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄや内面きずの傾斜角度に関わらず、内面きずでの反射エコー強度をほぼ同程度にすることができ、ひいてはほぼ同程度の検出能で内面きずを検出することが可能である。

なお、本発明において、「内面屈折角」とは、管状被探傷材Ｐの超音波伝搬面において、管状被探傷材Ｐ内に入射した超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）が管状被探傷材Ｐの内面に到達した点Ａにおける管状被探傷材Ｐの法線Ｌ２と前記超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）との成す角度θｋを意味する（図３（ｄ）参照）。また、「周方向入射角」とは、管状被探傷材Ｐの周方向断面において、超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）の入射点Ｏにおける管状被探傷材Ｐの法線Ｌ３と前記超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）との成す角度αｉを意味する（図３（ｂ）参照）。さらに、「軸方向入射角」とは、管状被探傷材Ｐの軸方向断面において、超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）の入射点Ｏにおける管状被探傷材Ｐの法線Ｌ４と前記超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）との成す角度βｉを意味する（図３（ｃ）参照）。

ここで、検出対象とするきずの延びる方向が予め分かっている場合には、請求の範囲の請求項２に記載の如く、前記周方向入射角αｉと前記軸方向入射角βｉとから算出される前記管状被探傷材に入射した超音波の伝搬方向が、検出対象とするきずの延びる方向と略直交するように、前記周方向入射角αｉ及び前記軸方向入射角βｉを設定した後、前記内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下となるように、前記周方向入射角αｉ及び前記軸方向入射角βｉの内、少なくとも何れか一方を調整することが好ましい。

好ましくは、請求の範囲の請求項３に記載の如く、前記超音波探触子は、複数の振動子が配列されたアレイ型超音波探触子とされ、前記複数の振動子による超音波の送受信タイミングを電気的に制御することによって、前記管状被探傷材に送信する超音波の前記周方向入射角αｉ及び前記軸方向入射角βｉの内、少なくとも何れか一方を電気的に調整する構成とされる。

斯かる好ましい構成によれば、周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉの内、少なくとも何れか一方は、機械的な偏角機構を利用することなく、容易且つ再現性良く調整することが可能である。さらには、遠隔操作や管状被探傷材のｔ／Ｄ等に応じた自動調整も実現可能である。

本発明において、「伝搬角度」とは、管状被探傷材Ｐ内に入射した超音波（超音波ビームの中心線）の伝搬方向（超音波の入射点Ｏを含む管状被探傷材Ｐの接平面の法線方向から見た伝搬方向）と、入射点Ｏを通る管状被探傷材Ｐの周方向接線Ｌとの成す角度γを意味する（図３（ａ）参照）。また、「外面屈折角」とは、管状被探傷材Ｐの超音波伝搬面において、管状被探傷材Ｐ内に入射した超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）が管状被探傷材Ｐの外面に到達した点Ｂにおける管状被探傷材Ｐの法線Ｌ１と前記超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）との成す角度θｒを意味する（図３（ｄ）参照）。

なお、上記式（１）における外面屈折角θｒは、式（３）に示すように、周方向入射角αｉと軸方向入射角βｉとの関数（Ｖｓ／Ｖｉは一定の値とした場合）である。また、上記式（１）における伝搬角度γは、式（２）に示すように、周方向入射角αｉと軸方向入射角βｉとの関数である。さらに、上記式（１）における角度φは、式（４）に示すように、ｋとθ’との関数である。ここで、ｋは、上記式（５）に示すように、管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄの関数であり、θ’は、上記式（６）に示すように、伝搬角度γと外面屈折角θｒとの関数である。よって、角度φは、周方向入射角αｉと、軸方向入射角βｉと、管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄとの関数となる。従って、上記式（１）で表される内面屈折角θｋは、結果的に、周方向入射角αｉと、軸方向入射角βｉと、管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄとの関数である。

また、前記課題を解決するべく、本発明は、請求の範囲の請求項４に記載の如く、超音波探触子を管状の被探傷材の外面に対向配置して超音波探傷する方法であって、前記超音波探触子から送信された超音波の前記管状被探傷材への入射角θｗと、前記管状被探傷材に入射した超音波の伝搬角度γと、前記管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄとから、下記の式（１）で算出される内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下となるように、前記管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄに応じて、前記入射角θｗ及び前記伝搬角度γを設定することを特徴とする超音波探傷方法としても提供される。
ここで、前記式（１）における外面屈折角θｒ及び角度φは、それぞれ下記の式（７）及び（４）で表される。
なお、前記式（７）におけるＶｓは管状被探傷材中を伝搬する超音波の伝搬速度を、Ｖｉは超音波探触子と管状被探傷材との間に充填する接触媒質における超音波の伝搬速度を意味する。また、前記式（４）におけるｋ及びθ’は、それぞれ下記の式（５）及び（６）で表される。

斯かる発明によれば、内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下となるように、管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄに応じて、入射角θｗ及び伝搬角度γを設定することになる。これにより、設定した超音波の伝搬方向（伝搬角度γ）と直交する方向に延びる内面きずについては、管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄや内面きずの傾斜角度に関わらず、内面きずでの反射エコー強度をほぼ同程度にすることができ、ひいてはほぼ同程度の検出能で内面きずを検出することが可能である。

なお、本発明において、「管状被探傷材への入射角」とは、管状被探傷材Ｐの超音波伝搬面において、超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）の入射点Ｏにおける管状被探傷材Ｐの法線Ｌ３と前記超音波Ｕ（超音波ビームの中心線）との成す角度θｗを意味する（図７（ｄ）参照）。また、入射角θｗが決まれば、スネルの法則によって屈折角θｓは一意的に定まるため、本発明における「入射角θｗを設定」するとは、文字通り入射角θｗを設定する場合のみならず、屈折角θｓを設定する場合をも含む概念である。

ここで、検出対象とするきずの延びる方向が予め分かっている場合には、請求の範囲の請求項５に記載の如く、前記管状被探傷材に入射した超音波の伝搬方向が、検出対象とするきずの延びる方向と略直交するように、前記伝搬角度γを設定した後、前記内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下となるように、前記入射角θｗを調整することが好ましい。

なお、上記式（１）における外面屈折角θｒは、式（７）に示すように、入射角θｗの関数（Ｖｓ／Ｖｉは一定の値とした場合）である。また、上記式（１）における角度φは、式（４）に示すように、ｋとθ’との関数である。ここで、ｋは、上記式（５）に示すように、管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄの関数であり、θ’は、上記式（６）に示すように、伝搬角度γと外面屈折角度θｒとの関数である。よって、角度φは、入射角θｗと、伝搬角度γと、管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄとの関数となる。従って、上記式（１）で表される内面屈折角θｋは、入射角θｗと、伝搬角度γと、管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄとの関数である。

さらに、前記課題を解決するべく、本発明は、請求の範囲の請求項６に記載の如く、素材ビレットを穿孔加工することによって継目無管を製造する第１工程と、前記第１工程によって製造された継目無管を請求項１から５の何れかに記載の超音波探傷方法を用いて探傷する第２工程とを含むことを特徴とする継目無管の製造方法としても提供される。

図１は、従来のアレイ型超音波探触子を適用した探傷方法における傾斜きずの傾斜角度と反射エコー強度との関係の一例を示す図である。 図２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模式図である。 図３は、図２に示す超音波探傷装置における超音波の伝搬挙動を示す説明図である。 図４は、内面屈折角と内面きずでの反射エコー強度の一例を示す図である。 図５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模式図である。 図６は、本発明の第４実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す模式図である。 図７は、図６に示す超音波探傷装置における超音波の伝搬挙動を示す説明図である。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の実施形態について、管状被探傷材が鋼管などの管である場合を例に挙げて説明する。

＜第１実施形態＞
図２は、本発明の第１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模式図であり、図２（ａ）は正面図を、図２（ｂ）は側面図を示す。図３は、図２に示す超音波探傷装置における超音波の伝搬挙動を示す説明図であり、図３（ａ）は斜視図を、図３（ｂ）は管周方向断面図を、図３（ｃ）は管軸方向断面図を、図３（ｄ）は超音波伝搬面（図３（ａ）に示す点Ｏ、点Ａ及び点Ｂを含む面）に沿った断面図を示す。図２に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置１００は、複数（本実施形態では１２８個）の短冊状の振動子（本実施形態では、寸法：０．７５ｍｍ×１０ｍｍ、発振周波数：５ＭＨｚ）１１を直線上に配列したリニアアレイ型超音波探触子１と、超音波探触子１による超音波の送受信を制御する送受信制御手段２と備えている。また、本実施形態に係る超音波探傷装置１００は、管Ｐからの反射エコー（より具体的には、後述する波形合成回路２２３で合成された反射エコー）の振幅を所定のしきい値と比較することにより、管Ｐに存在するきずを検出するきず判定回路３と、きず判定回路３によってきずが検出された場合に所定の警報等を出力するための警報等出力手段４とを備えている。

超音波探触子１は、振動子１１の配列方向が管Ｐの軸方向に沿うように、接触媒質（本実施形態では水）を介して管Ｐの外面に対向配置されている。超音波探触子１は、ボールねじ等から構成される位置決め機構（図示せず）によって、水平方向（図２（ｂ）の矢符Ｘの方向）に移動させることができると共に、任意の位置で固定することが可能とされている。前記位置決め機構によって設定した超音波探触子１の水平方向位置（管Ｐの軸心からの偏芯量）によって、管Ｐへの超音波の周方向入射角αｉ（管周方向断面において、管Ｐの点Ｏにおける法線Ｌ３と超音波ビームＵとの成す角度、図３（ｂ）参照）が決定されることになる。

本実施形態に係る送受信制御手段２は、送信回路２１と、受信回路２２と、制御回路２３とを具備する。送信回路２１は、各振動子１１にそれぞれ接続され各振動子１１から超音波を送信させるためのパルス信号を供給するパルサー２１１と、各パルサー２１１から各振動子１１に供給するパルス信号の遅延時間（送信遅延時間）を設定するための遅延回路２１２とを具備する。受信回路２２は、各振動子１１にそれぞれ接続され各振動子１１で受信した反射エコーを増幅するためのレシーバ２２１と、各レシーバ２２１で増幅された反射エコーの遅延時間（受信遅延時間）を設定するための遅延回路２２２と、各遅延回路２２２で遅延時間を設定された反射エコーを合成するための波形合成回路２２３とを具備する。制御回路２３は、配列された複数の振動子１１の内、超音波を送受信する振動子１１を選択すると共に、当該選択した各振動子１１についての遅延回路２１２又は遅延回路２２２で設定される遅延時間を決定するように動作する。

以上の構成を有する送受信制御手段２において、遅延回路２１２で所定の送信遅延時間を設定することにより、超音波探触子１から送信する超音波の伝搬方向を変更することが可能である。そして、レシーバ２２１で増幅された反射エコーに遅延回路２２２で所定の受信遅延時間（一般的には、遅延回路２１２で設定したものと同じ遅延時間）を設定した後、波形合成回路２２３で合成することにより、特定の方向から伝搬してきた超音波を選択的に増幅することが可能となる。

換言すれば、本実施形態に係る遅延回路２１２及び遅延回路２２２による遅延制御によって、振動子１１の配列方向（管Ｐの軸方向）に沿った超音波の電気的な偏角走査が可能とされている。つまり、遅延回路２１２及び遅延回路２２２による遅延制御によって、管Ｐへの超音波の軸方向入射角βｉ（管軸方向断面において、管Ｐの点Ｏにおける法線Ｌ４と超音波ビームＵとの成す角度、図３（ｃ）参照）が決定されることになる。

より具体的に説明すれば、本実施形態に係る超音波探傷装置１００は、超音波探触子１を構成する複数の振動子１１の内、所定数の振動子１１から構成される振動子群（本実施形態では１６個の振動子からなる振動子群）に対して、接触媒質（水）中の超音波（縦波超音波）の伝搬速度、管Ｐ中の超音波（横波超音波）の伝搬速度、振動子１１の配列ピッチ等から算出される送信遅延時間及び受信遅延時間を設定し、これにより軸方向入射角βｉだけ偏向させた超音波を送受信して探傷する構成とされている。そして、１つの振動子群での探傷が終了した後、選択する振動子群を順次切り替えることで電子走査を行い、探傷速度を向上させている。この際、複数の振動子群（本実施形態では３つの振動子群）から同時に超音波を送受信させる構成とすれば、電子走査自体の高速化も実現可能である。また、選択した複数の振動子群からそれぞれ異なる軸方向入射角βｉの超音波を送受信させれば、複数の異なる傾斜角度を有するきずを同時に探傷することが可能である。なお、本実施形態では、管Ｐを軸方向にスパイラル搬送することにより、管Ｐ全長に亘る超音波探傷を実現している。

ここで、本実施形態に係る超音波探傷装置１００は、後述する内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下となるように、管Ｐの肉厚対外径比ｔ／Ｄに応じて、周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉが設定されていることを特徴としている。以下、その理由について、図３を適宜参照しつつ、より具体的に説明する。

図３に示すように、超音波探触子１を構成する各振動子１１から送信された超音波は、管Ｐの外面における点Ｏから入射した後、管Ｐの内面における点Ａで反射し、管Ｐの外面における点Ｂに到達するものとする。そして、点Ｏから入射した超音波の伝搬方向（入射点Ｏを含む管Ｐの接平面の法線方向から見た伝搬方向）と、入射点Ｏを通る管Ｐの周方向接線Ｌとの成す角度（伝搬角度）をγ（以下、適宜「伝搬方向γ」ともいう）とし、点Ｂにおける外面屈折角（図３（ｄ）に示す超音波伝搬面において、管Ｐの点Ｂにおける法線Ｌ１と超音波ビームＵとの成す角度）をθｒとし、点Ａにおける内面屈折角（図３（ｄ）に示す超音波伝搬面において、管Ｐの点Ａにおける法線Ｌ２と超音波ビームＵとの成す角度）をθｋとした場合、θｋ、γ及びθｒは、それぞれ以下の式（１）〜（３）で表される。

ここで、上記式（３）において、Ｖｓは管Ｐ中を伝搬する超音波の伝搬速度を、Ｖｉは振動子１１と管Ｐとの間に充填する接触媒質における超音波の伝搬速度を意味する。また、上記式（１）において、φは、図３（ｂ）に示す管軸方向断面において、管中心Ｃ及び点Ｏを通る直線と、管中心Ｃ及び点Ａを通る直線との成す角度（管中心Ｃ及び点Ａを通る直線と、管中心Ｃ及び点Ｂを通る直線との成す角度に等しい）を意味し、下記の式（４）で表される。

そして、上記式（４）において、ｋ及びθ’は、それぞれ下記の式（５）及び（６）で表される。

上記式（２）及び（３）から分かるように、超音波の伝搬方向γ及び外面屈折角θｒは、超音波探触子１の偏芯量によって決まる管Ｐへの超音波の周方向入射角αｉ及び管Ｐへの超音波の軸方向入射角βｉの関数となる。また、上記式（１）で表される内面屈折角θｋは、上記式（２）〜（６）から導出されるように、周方向入射角αｉ、軸方向入射角βｉ及び管Ｐの肉厚対外径比ｔ／Ｄの関数となる。

ここで、前述したように、特許文献２に記載の方法では、超音波探触子を管Ｐの軸心から偏芯させて配置する際の偏芯量を一定にする（すなわち、偏芯量に応じて決定される管Ｐへの周方向入射角αｉを一定にする）条件下で、超音波の伝搬方向と傾斜きずの延びる方向とが直交するように、超音波の管Ｐの軸方向に対する傾斜角度のみを変更（軸方向入射角βｉのみを変更）することになる。この際、上記式（１）及び（３）から導出されるように、軸方向入射角βｉのみを変更したのでは、外面屈折角θｒ及び内面屈折角θｋは、それぞれ軸方向入射角βｉの変更に応じて変化するため、前述のように、傾斜きずの傾斜角度に応じて反射エコーの強度が異なってしまい、ひいてはきず検出能が変化することになる。

図４は、内面きず（深さ０．５ｍｍ×長さ２５ｍｍ）の延びる方向と超音波探触子から送信された超音波の伝搬方向γとを直交させた状態で、内面屈折角θｋを３０°以上７５°以下の範囲で変化させた場合における内面きずでの反射エコー強度の一例を示す。なお、図４に示すような反射エコー強度の変化は、超音波の伝搬方向γに関わらず、同様の傾向を示す。図４に示すように、内面屈折角θｋがおよそ３５°以上５５°以下の範囲では、反射エコー強度は略一定となるが、θｋが５５°を超えると、反射エコー強度は単調に減少し、θｋ＝６０°で反射エコー強度のピーク値（θｋ≒４０°のとき）に対して−１２ｄＢ以下となる。なお、図４に示す実験データと、数値計算によって得られた計算データとを比較すると、内面屈折角θｋが６０度を超える範囲での挙動が異なる。これは、内面屈折角θｋが大きくなると、管Ｐでの超音波の屈折角θｓ（図３（ｄ）に示す超音波伝搬面において、管Ｐの入射点Ｏにおける法線と入射後の超音波ビームＵとの成す角度）も大きくなる結果、実際の実験では、接触媒質と管Ｐとの境界面における往復通過率が低下したり、管Ｐ中での伝搬に伴う減衰が増加してしまうことが原因であると考えられる。

内面屈折角θｋが変化することに伴う反射エコー強度の低下をレシーバ２２１による増幅で補償するとしても、実際には−１２ｄＢ程度の低下を補償するのが限界である。従って、図４からして、少なくとも反射エコー強度のピーク値に比べて−１２ｄＢ以上の反射エコー強度が得られるように、内面屈折角θｋが６０°以下となる条件に設定することが必要である。

一方、内面屈折角θｋがおよそ３０°以下の場合、管Ｐの内面に到達した横波超音波が反射する際に、エネルギーの５０％以上が横波から縦波へとモード変換することが分かっている。このモード変換のために、管Ｐ中を伝搬する横波超音波の強度が低下し、この結果、１．０スキップでの外面きずの検出能が低下してしまうという問題が生じる。このような問題を回避すると共に、±２°〜５°程度の超音波ビームの広がりを考慮すれば、管Ｐ内面での反射に際して縦波へのモード変換が生じないように、内面屈折角θｋが３５°以上となる条件に設定することが必要である。

以上に説明した理由により、本実施形態に係る超音波探傷装置１００は、内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下（好ましくは、反射エコー強度の変化が少ない３５°以上５５°以下）となるように、管Ｐの肉厚対外径比ｔ／Ｄに応じて、周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉが設定される。これにより、管Ｐの肉厚対外径比ｔ／Ｄや内面きずの傾斜角度に関わらず、内面きずでの反射エコー強度をほぼ同程度にすることができ、ひいてはほぼ同程度の検出能で内面きずを検出可能である。

なお、検出対象とする内面きずの延びる方向が予め分かっている場合には、管Ｐに入射した超音波の伝搬方向γが、検出対象とするきずの延びる方向と略直交するように、周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉを設定した後、内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下となるように、周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉの内、少なくとも何れか一方を調整すればよい。

また、３５°以上６０°以下の範囲内での内面屈折角θｋの変化に応じて、レシーバ２２１の増幅度を変更する構成を採用すれば、内面きずでの反射エコー強度をより一層同程度にすることができ、ひいては内面きずの検出能をより一層同程度にできる点で好ましい。

表１は、外径１９０ｍｍ、肉厚１１ｍｍ（ｔ／Ｄ≒５．８％）の管Ｐに対して、超音波探傷装置１００の周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉを種々の値に設定した場合における、超音波の伝搬角度γ、外面屈折角θｒ及び内面屈折角θｋを算出した結果を示す。これらの算出には、前述した式（１）〜（６）を用いた。また、式（３）におけるＶｓ＝３２００ｍ／ｓｅｃ（鋼管内の横波超音波の伝搬速度）、Ｖｉ＝１５００ｍ／ｓｅｃ（水中の縦波超音波の伝搬速度）とした。

内面きずの超音波探傷を行う際に、内面きずの傾斜角度（＝超音波の伝搬角度γ）に関わらず同等のきずエコー（内面きずでの反射エコー）を得るためには（すなわち、同等の内面屈折角θｋを得るためには）、例えば、表１の条件Ａ、Ｂ及びＣに示すように、偏芯量（周方向入射角αｉ）及び軸方向入射角βｉを内面きずの傾斜角度毎に調整して設定することが、探傷結果の安定性の観点からすれば理想的である。ただし、設定が煩雑となる他、複数の異なる傾斜角度を有する内面きずを同時に探傷する場合には、異なる偏芯量が設定された超音波探触子１を複数準備する必要があるという欠点がある。

一方、内面きずの傾斜角度が０°以上４５°以下の範囲（従って、超音波の伝搬角度γ＝０°以上４５°以下）であれば、超音波探触子１の偏芯量を一定にしたとしても、表１の条件Ｄ、Ｅ及びＦに示すように、偏芯量（周方向入射角αｉ）及び軸方向入射角βｉを適正に設定することにより、内面屈折角θｋを４０°以上５６°以下の範囲内にすることができる。内面屈折角θｋの変化がこの程度であれば、前述した図４に示すように、内面きずでの反射エコー強度の変化は１０ｄＢ程度であるため、超音波の伝搬角度γに応じて（内面きずの傾斜角度に応じて）レシーバ２２１の増幅度を変更する構成を採用すれば、０°以上４５°以下の範囲内の何れの傾斜角度の内面きずについてもほぼ同一の検出能とすることが可能である。

また、前述したように、３つの振動子群から同時に超音波を送受信させる構成を採用する場合、第１の振動子群には表１の条件Ｄを、第２の振動子群には表１の条件Ｅを、第３の振動子群には表１の条件Ｆをそれぞれ設定することにより、傾斜角度０°、２２°及び４５°の傾斜角度を有する内面きずを単一の超音波探触子１で同時に探傷することが可能である。

表２は、外径１６０ｍｍ、肉厚２８ｍｍ（ｔ／Ｄ≒１８％）の管Ｐに対して、超音波探傷装置１００の周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉを種々の値に設定した場合における、超音波の伝搬角度γ、外面屈折角θｒ及び内面屈折角θｋを算出した結果を示す。なお、表１の場合と同様に、これらの算出には、前述した式（１）〜（６）を用いた。また、式（３）におけるＶｓ＝３２００ｍ／ｓｅｃ（鋼管内の横波超音波の伝搬速度）、Ｖｉ＝１５００ｍ／ｓｅｃ（水中の縦波超音波の伝搬速度）とした。

表２の条件Ａ、Ｂ及びＣに示すように、偏芯量（周方向入射角αｉ）及び軸方向入射角βｉの数値は、表１の条件Ｄ、Ｅ及びＦとは異なるが、それぞれを適正に設定することにより、内面きずの傾斜角度が０°以上４５°以下の範囲（従って、超音波の伝搬角度γ＝０°以上４５°以下）であれば、超音波探触子１の偏芯量を一定にしたとしても、内面屈折角θｋを４１°以上５１°以下の範囲内にすることができる。従って、超音波の伝搬角度γに応じて（内面きずの傾斜角度に応じて）レシーバ２２１の増幅度を変更する構成を採用すれば、０°以上４５°以下の範囲内の何れの傾斜角度の内面きずについてもほぼ同一の検出能とすることが可能である。

しかしながら、表１及び表２に示す何れの条件の場合も、内面きずの傾斜角度（超音波の伝搬角度γ）が６７°（表１の条件Ｇ、表２の条件Ｄ）、或いは７８°（表１の条件Ｈ、表２の条件Ｅ）と大きくなれば、内面きずの傾斜角度毎に偏芯量（周方向入射角αｉ）及び軸方向入射角βｉを調整して設定する必要がある。

＜第２実施形態＞
図５は、本発明の第２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模式図であり、図５（ａ）は側面図を、図５（ｂ）は正面図を示す。図５に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置１００Ａは、複数（本実施形態では３２個）の短冊状の振動子（本実施形態では、寸法：０．７５ｍｍ×１０ｍｍ、発振周波数：５ＭＨｚ）１１を管Ｐの同心円弧上に配列したアレイ型超音波探触子１Ａと、超音波探触子１Ａによる超音波の送受信を制御する送受信制御手段２と備えている。また、本実施形態に係る超音波探傷装置１００Ａも、第１実施形態に係る超音波探傷装置１００と同様に、管Ｐからの反射エコーの振幅を所定のしきい値と比較することにより、管Ｐに存在するきずを検出するきず判定回路３と、きず判定回路３によってきずが検出された場合に所定の警報等を出力するための警報等出力手段４とを備えている。

超音波探触子１Ａは、振動子１１の配列方向が管Ｐの周方向に沿うように、接触媒質（本実施形態では水）を介して管Ｐの外面に対向配置されている。そして、各振動子１１は、送信される超音波が所定の軸方向入射角βｉ（本実施形態では１７°）となるように、管Ｐの軸方向に傾けて配置されている。従って、本実施形態に係る超音波探触子１Ａについての管Ｐへの超音波の軸方向入射角βｉは、振動子１１の傾きによって決定される固定値となる。

本実施形態に係る送受信制御手段２は、第１実施形態と同様の構成とされており、遅延回路２１２及び遅延回路２２２による遅延制御によって、振動子１１の配列方向（管Ｐの周方向）に沿った超音波の電気的な偏角走査が可能とされている。つまり、遅延回路２１２及び遅延回路２２２による遅延制御によって、管Ｐへの超音波の周方向入射角αｉが決定されることになる。

より具体的に説明すれば、本実施形態に係る超音波探傷装置１００Ａは、超音波探触子１Ａを構成する３２個の振動子１１に対して、接触媒質（水）中の超音波（縦波超音波）の伝搬速度、管Ｐ中の超音波（横波超音波）の伝搬速度、振動子１１の配列ピッチ等から算出される送信遅延時間及び受信遅延時間を設定し、これにより周方向入射角αｉだけ偏向させた超音波を送受信して探傷する構成とされている。そして、送信遅延時間及び受信遅延時間の設定を変更して、周方向入射角αｉを高速に変更しながら探傷することで、複数の異なる傾斜角度を有するきずを順次探傷することが可能である。なお、本実施形態では、管Ｐを軸方向にスパイラル搬送することにより、管Ｐ全長に亘る超音波探傷を実現している。

そして、本実施形態に係る超音波探傷装置１００Ａも、第１実施形態と同様に、前述した式（１）で表される内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下となるように、管Ｐの肉厚対外径比ｔ／Ｄに応じて、周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉが設定されていることを特徴としている。これにより、管Ｐの肉厚対外径比ｔ／Ｄや内面きずの傾斜角度に関わらず、内面きずでの反射エコー強度をほぼ同程度にすることができ、ひいてはほぼ同程度の検出能で内面きずを検出可能である。

なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、３５°以上６０°以下の範囲内での内面屈折角θｋの変化に応じて、レシーバ２２１の増幅度を変更する構成を採用すれば、内面きずでの反射エコー強度をより一層同程度にすることができ、ひいては内面きずの検出能をより一層同程度にできる点で好ましい。

表３は、外径１９０ｍｍ、肉厚１１ｍｍ（ｔ／Ｄ≒５．８％）の管Ｐに対して、超音波探傷装置１００Ａの周方向入射角αｉを種々の値に設定（軸方向入射角βｉは１７°で固定）した場合における、超音波の伝搬角度γ、外面屈折角θｒ及び内面屈折角θｋを算出した結果を示す。これらの算出には、前述した式（１）〜（６）を用いた。また、式（３）におけるＶｓ＝３２００ｍ／ｓｅｃ（鋼管内の横波超音波の伝搬速度）、Ｖｉ＝１５００ｍ／ｓｅｃ（水中の縦波超音波の伝搬速度）とした。

表３に示すように、軸方向入射角βｉを１７°で固定し、周方向入射角αｉを０°以上１５°以下の範囲で電気的に変更することにより、内面屈折角θｋを３９°以上６０°以下の範囲内に維持しながら、超音波の伝搬角度γを５０°以上９０°以下の範囲に変更可能である。従って、超音波の伝搬角度γに応じて（内面きずの傾斜角度に応じて）レシーバ２２１の増幅度を変更する構成を採用すれば、５０°以上９０°以下の範囲内の何れの傾斜角度の内面きずについてもほぼ同一の検出能とすることが可能である。

＜第３実施形態＞
本実施形態に係る超音波探傷装置は、図２に示す第１実施形態に係る超音波探傷装置１００と、図５に示す第２実施形態に係る超音波探傷装置１００Ａとを組み合わせた構成である。より具体的には、超音波探傷装置１００が具備する超音波探触子１と、超音波探傷装置１００Ａが具備する超音波探触子１Ａとを、管Ｐの周方向に沿って、或いは、管Ｐの軸方向に沿って併設した構成とされている。なお、超音波探触子による超音波の送受信を制御する送受信制御手段２は、超音波探触子１及び超音波探触子１Ａのそれぞれに対して別個に設けても良いし、超音波探触子１及び超音波探触子１Ａの双方について兼用する構成を採用することも可能である。

前述したように、第１実施形態に係る超音波探傷装置１００によれば、表１の条件Ｄ、Ｅ及びＦ、或いは、表２の条件Ａ、Ｂ及びＣに示すように、超音波探触子１の偏芯量を固定（周方向入射角αｉを固定）したまま、軸方向入射角βｉを変更することで、０°以上４５°以下の範囲内の何れの傾斜角度の内面きずについてもほぼ同等に検出することが可能である。

一方、第２実施形態に係る超音波探傷装置１００Ａによれば、表３に示すように、軸方向入射角βｉを固定し、周方向入射角αｉを変更することで、５０°以上９０°以下の範囲内の何れの傾斜角度の内面きずについてもほぼ同等に検出することが可能である。

従って、超音波探傷装置１００と超音波探傷装置１００Ａとを組み合わせた本実施形態に係る超音波探傷装置によれば、０°以上９０°以下の範囲内の何れの傾斜角度の内面きずについても、ほぼ同等に検出することが可能である。また、超音波探傷装置１００Ａの周方向入射角αｉ及び超音波探傷装置１００の軸方向入射角βｉを遅延制御によって電気的に変更するだけでよく、周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉの機械的な調整が不要であるため、探傷条件の設定が極めて簡易であり、探傷効率を高めることができる。

なお、本実施形態に係る超音波探傷装置として、超音波探触子１及び超音波探触子１Ａをそれぞれ２つずつ備える構成を採用して、例えば下記のように配置すれば、０°以上３６０°以下の範囲内の何れの傾斜角度の内面きずについても、ほぼ同等に検出することが可能である。つまり、各超音波探触子１の偏芯量（周方向入射角αｉ）の正負の符号が互いに反転するように各超音波探触子１を配置すると共に、各超音波探触子１の軸方向入射角βｉの変更範囲の正負の符号が互いに反転するように遅延制御を行う。一方、各超音波探触子１Ａの軸方向入射角βｉの正負の符号が互いに反転するように各超音波探触子１Ａを配置すると共に、各超音波探触子１Ａの周方向入射角αｉの変更範囲の正負の符号が互いに反転するように遅延制御を行う。これにより、０°以上３６０°以下の範囲内の何れの傾斜角度の内面きずについても、ほぼ同等に検出することが可能である。

また、本実施形態に係る超音波探傷装置の変形例として、管Ｐの軸方向及び周方向に沿って微小な振動子を配置した２次元アレイ型超音波探触子を備える構成を採用することも可能である。斯かる構成についても、内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下となるように、各振動子の遅延制御を行って周方向入射角αｉ及び軸方向入射角βｉを調整し、超音波の伝搬角度γに応じて（内面きずの傾斜角度に応じて）レシーバ２２１の増幅度を変更する構成を採用すれば、０°以上３６０°以下の範囲内の何れの傾斜角度の内面きずについても、ほぼ同等に検出することが可能である。

＜第４実施形態＞
図６は、本発明の第４実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す模式図であり、図６（ａ）は斜視図を、図６（ｂ）は平面図を示す。図７は、図６に示す超音波探傷装置における超音波の伝搬挙動を示す説明図であり、図７（ａ）は斜視図を、図７（ｂ）は管周方向断面図を、図７（ｃ）は平面図を、図７（ｄ）は超音波伝搬面（図７（ｂ）に示す点Ｏ、点Ａ及び点Ｂを含む面）に沿った断面図を示す。図６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１Ｂと、超音波探触子１Ｂによる超音波の送受信を制御する送受信制御手段２Ｂと備えている。また、本実施形態に係る超音波探傷装置１００Ｂは、管Ｐからの反射エコーの振幅を所定のしきい値と比較することにより、管Ｐに存在するきずを検出するきず判定回路３と、きず判定回路３によってきずが検出された場合に所定の警報等を出力するための警報等出力手段４とを備えている。

超音波探触子１Ｂは、接触媒質（本実施形態では水）を介して管Ｐの外面に対向配置されている。より具体的に説明すれば、超音波探触子１Ｂは、送信される超音波の管Ｐへの入射点Ｏが特定の位置に保持されるように、長径方向（図６（ｂ）に示すｘ方向）が管Ｐの軸方向に沿い、短径方向（図６（ｂ）に示すｙ方向）が管Ｐの周方向に沿い、なお且つ中心Ｓ０が管Ｐの軸心に正対する楕円Ｓに沿って旋回可能な構成とされている。なお、超音波探触子１Ｂを楕円Ｓに沿って旋回可能にする機構（図示せず）は、公知の機械要素を用いて比較的簡易な構造として作製可能であるため、ここではその詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る送受信制御手段２Ｂは、超音波探触子１Ｂが具備する振動子に接続され該振動子から超音波を送信させるためのパルス信号を供給するパルサーや、前記振動子に接続され該振動子で受信した反射エコーを増幅するためのレシーバなどから構成される。

以上の構成を有する超音波探傷装置１００Ｂによれば、検出対象とするきずの延びる方向と、超音波探触子１Ｂから送信される超音波の伝搬方向とが略直交するように、楕円Ｓに沿った旋回軌跡上の所定位置に超音波探触子１Ｂを固定して管Ｐを探傷することになる。これにより、特定の傾斜角度を有するきずを検出することができる。なお、本実施形態では、管Ｐを軸方向にスパイラル搬送することにより、管Ｐ全長に亘る超音波探傷を実現している。

そして、本実施形態に係る超音波探傷装置１００Ｂも、第１〜第３実施形態と同様に、前述した式（１）で表される内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下となるように、管Ｐの肉厚対外径比ｔ／Ｄに応じて、入射角θｗ及び伝搬角度γが設定されていることを一つの特徴としている。以下、その理由について、図７を適宜参照しつつ、より具体的に説明する。

図７に示すように、超音波探触子１Ｂから送信された超音波は、管Ｐの外面における点Ｏから入射した後、管Ｐの内面における点Ａで反射し、管Ｐの外面における点Ｂに到達するものとする。そして、点Ｏから入射した超音波の伝搬方向（入射点Ｏを含む管Ｐの接平面の法線方向から見た伝搬方向）と、入射点Ｏを通る管Ｐの周方向接線Ｌとの成す角度（伝搬角度）をγ（以下、適宜「伝搬方向γ」ともいう）とし、点Ｂにおける外面屈折角（図７（ｄ）に示す超音波伝搬面において、管Ｐの点Ｂにおける法線Ｌ１と超音波ビームＵとの成す角度）をθｒとし、点Ａにおける内面屈折角（図７（ｄ）に示す超音波伝搬面において、管Ｐの点Ａにおける法線Ｌ２と超音波ビームＵとの成す角度）をθｋとする。また、管Ｐへの超音波の入射角（図７（ｄ）に示す超音波伝搬面において、管Ｐの入射点Ｏにおける法線Ｌ３と入射する超音波ビームＵとの成す角度）をθｗとし、管Ｐでの超音波の屈折角（図７（ｄ）に示す超音波伝搬面において、管Ｐの入射点Ｏにおける法線Ｌ３と入射後の超音波ビームＵとの成す角度）をθｓとする。

入射角θｗで管Ｐに入射した超音波は、幾何光学的な伝搬挙動を示す。すなわち、入射角θｗで管Ｐに入射した超音波は、スネルの法則に従って決定される屈折角θｓで管Ｐ内に伝搬することになる。そして、幾何学的に導出されるように、外面屈折角θｒは屈折角θｓと等しくなる。つまり、下記の式（７）が成立することになる。
ここで、上記式（７）において、Ｖｓは管Ｐ中を伝搬する超音波の伝搬速度を、Ｖｉは超音波探触子１Ｂと管Ｐとの間に充填する接触媒質における超音波の伝搬速度を意味する。

一方、前述した式（１）で表される内面屈折角θｋは、上記式（７）及び前述した式（４）〜（６）から導出されるように、入射角θｗ、伝搬角度γ及び管Ｐの肉厚対外径比ｔ／Ｄの関数となる。そして、超音波の伝搬方向γが管Ｐの軸方向に一致する（すなわち、伝搬角度γ＝９０°）ときに最小値となって、外面屈折角θｒ（＝屈折角θｓ）と等しくなり、超音波の伝搬方向γが管Ｐの周方向に一致する（すなわち、伝搬角度γ＝０°）ときに最大値となって、以下の式（８）で表される。

ここで、管Ｐの肉厚対外径比ｔ／Ｄが数％程度であれば、上記式（８）によって算出される内面屈折角θｋと外面屈折角θｒとの差は１０°程度の範囲内に収まる。従って、管Ｐの軸方向に延びる内面きず（伝搬方向γが管Ｐの周方向に一致する超音波によって検出）を検出する場合の内面屈折角θｋと、管Ｐの周方向に延びる内面きず（伝搬方向γが管Ｐの軸方向に一致する超音波によって検出）を検出する場合の内面屈折角θｋとの差が１０°程度の範囲内に収まることになり、両内面きずの検出能に有意差は生じない。しかしながら、管Ｐのｔ／Ｄが１５％以上になると、上記式（８）によって算出される内面屈折角θｋは、外面屈折角θｒに対して２０°以上も大きくなり（すなわち、伝搬方向γを管Ｐの軸方向から周方向に変更することにより、内面屈折角θｋは２０°以上も大きくなり）、管Ｐの軸方向に延びる内面きずの検出能が大きく低下することになる。同様にして、管Ｐの軸方向と周方向の間の傾斜角度を有する内面きずについても、内面屈折角θｋの増加に伴って検出能が低下することになる。

以上に説明した内面屈折角θｋの変動に伴う内面きずの検出能低下を抑制するには、内面きずの傾斜角度に関わらず（超音波の伝搬方向γに関わらず）、内面きずでの反射エコー強度がほぼ同程度となるような内面屈折角θｋで探傷すればよい。このような内面屈折角θｋの範囲は、前述した図４に示すように、３５°以上６０°以下（好ましくは、反射エコー強度の変化が少ない３５°以上５５°以下）である。従って、本実施形態に係る超音波探傷装置１００Ｂは、内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下（好ましくは、反射エコー強度の変化が少ない３５°以上５５°以下）となるように、管Ｐの肉厚対外径比ｔ／Ｄに応じて、入射角θｗ及び伝搬角度γが設定される。より具体的には、検出対象とするきずの延びる方向と、超音波探触子１Ｂから送信される超音波の伝搬方向とが略直交するように、超音波探触子１Ｂを楕円Ｓに沿った旋回させることにより伝搬角度γが設定される。また、楕円Ｓの形状（長径、短径、及び、超音波の入射点Ｏと楕円Ｓとの距離）を設定することにより、入射角θｗが設定されることになる。これにより、管Ｐの肉厚対外径比ｔ／Ｄや内面きずの傾斜角度に関わらず、内面きずでの反射エコー強度をほぼ同程度にすることができ、ひいてはほぼ同程度の検出能で内面きずを検出可能である。

なお、３５°以上６０°以下の範囲内での内面屈折角θｋの変化に応じて、レシーバ２２１の増幅度を変更する構成を採用すれば、内面きずでの反射エコー強度をより一層同程度にすることができ、ひいては内面きずの検出能をより一層同程度にできる点で好ましい。

以下、楕円Ｓの形状（長径、短径、及び、超音波の入射点Ｏと楕円Ｓとの距離）の決定方法について説明する。図６に示すように、楕円Ｓの長径を２ｘ、短径を２ｙ、超音波の入射点Ｏと楕円Ｓとの距離をｈとしたとき、超音波探触子１Ｂが楕円Ｓの長径部に位置する場合に送信される超音波の入射角θｗ（θｗ１と称する）と、超音波探触子１Ｂが楕円Ｓの短径部に位置する場合に送信される超音波の入射角θｗ（θｗ２と称する）とは、それぞれ以下の式（９）及び（１０）で表される。

そして、上記式（９）及び（１０）で表される入射角θｗ１及びθｗ２が、以下の式（１１）を満足するように、且つ、入射角θｗ１及びθｗ２のそれぞれに基づいて算出される内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下の範囲内となるように、探傷する管Ｐのｔ／Ｄに応じて、楕円Ｓの形状（ｘ、ｙ及びｈ）を決定する。

本実施形態では、管Ｐの肉厚対外径比ｔ／Ｄ＝１１％であり、楕円Ｓの形状（ｘ、ｙ及びｈ）は、前述した式（９）で表される入射角θｗ１が約１８°、式（１０）で表される入射角θｗ２が約１４°になるように決定した。斯かる入射角θｗ１及びθｗ２は、上記式（１１）を満足すると共に、式（１）で表される内面屈折角θｋを３５°以上６０°以下の範囲とすることができる。

表４は、肉厚対外径比ｔ／Ｄ＝１１％の管Ｐに対して、超音波探傷装置１００Ｂの超音波探触子１Ｂを、上記のようにして形状を決定した楕円Ｓに沿って旋回させた場合における、超音波の伝搬角度γ、入射角θｗ、外面屈折角θｒ及び内面屈折角θｋを算出した結果を示す。これらの算出には、前述した式（１）及び（４）〜（７）を用いた。また、式（７）におけるＶｓ＝３２００ｍ／ｓｅｃ（鋼管内の横波超音波の伝搬速度）、Ｖｉ＝１５００ｍ／ｓｅｃ（水中の縦波超音波の伝搬速度）とした。

表４に示すように、内面きずの傾斜角度が０°以上９０°以下の範囲（従って、超音波の伝搬角度γ＝０°以上９０°以下）で、内面屈折角θｋを３５°以上６０°以下の範囲内に維持するのみならず、ほぼ一定の値とすることが可能である。表４には、超音波の伝搬角度γ＝０°以上９０°以下の場合のみを示しているが、実際には伝搬角度γ＝０°以上３６０°以下の範囲内で、内面屈折角θｋをほぼ一定の値にすることが可能である。従って、０°以上３６０°以下の範囲内の何れの傾斜角度の内面きずについてもほぼ同一の検出能とすることが可能である。

Claims (6)

1. 超音波探触子を管状の被探傷材の外面に対向配置して超音波探傷する方法であって、
   前記超音波探触子から送信された超音波の前記管状被探傷材への周方向入射角αｉと、前記超音波探触子から送信された超音波の前記管状被探傷材への軸方向入射角βｉと、前記管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄとから、下記の式（１）で算出される内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下となるように、前記管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄに応じて、前記周方向入射角αｉ及び前記軸方向入射角βｉを設定することを特徴とする超音波探傷方法。
   ここで、前記式（１）における伝搬角度γ、外面屈折角θｒ及び角度φは、それぞれ下記の式（２）〜（４）で表される。
   なお、前記式（３）におけるＶｓは管状被探傷材中を伝搬する超音波の伝搬速度を、Ｖｉは超音波探触子と管状被探傷材との間に充填する接触媒質における超音波の伝搬速度を意味する。また、前記式（４）におけるｋ及びθ’は、それぞれ下記の式（５）及び（６）で表される。
   
2. 前記周方向入射角αｉと前記軸方向入射角βｉとから算出される前記管状被探傷材に入射した超音波の伝搬方向が、検出対象とするきずの延びる方向と略直交するように、前記周方向入射角αｉ及び前記軸方向入射角βｉを設定した後、
   前記内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下となるように、前記周方向入射角αｉ及び前記軸方向入射角βｉの内、少なくとも何れか一方を調整することを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
3. 前記超音波探触子は、複数の振動子が配列されたアレイ型超音波探触子とされ、
   前記複数の振動子による超音波の送受信タイミングを電気的に制御することによって、前記管状被探傷材に送信する超音波の前記周方向入射角αｉ及び前記軸方向入射角βｉの内、少なくとも何れか一方を電気的に調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波探傷方法。
4. 超音波探触子を管状の被探傷材の外面に対向配置して超音波探傷する方法であって、
   前記超音波探触子から送信された超音波の前記管状被探傷材への入射角θｗと、前記管状被探傷材に入射した超音波の伝搬角度γと、前記管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄとから、下記の式（１）で算出される内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下となるように、前記管状被探傷材の肉厚対外径比ｔ／Ｄに応じて、前記入射角θｗ及び前記伝搬角度γを設定することを特徴とする超音波探傷方法。
   ここで、前記式（１）における外面屈折角θｒ及び角度φは、それぞれ下記の式（７）及び（４）で表される。
   なお、前記式（７）におけるＶｓは管状被探傷材中を伝搬する超音波の伝搬速度を、Ｖｉは超音波探触子と管状被探傷材との間に充填する接触媒質における超音波の伝搬速度を意味する。また、前記式（４）におけるｋ及びθ’は、それぞれ下記の式（５）及び（６）で表される。
   
5. 前記管状被探傷材に入射した超音波の伝搬方向が、検出対象とするきずの延びる方向と略直交するように、前記伝搬角度γを設定した後、
   前記内面屈折角θｋが３５°以上６０°以下となるように、前記入射角θｗを調整することを特徴とする請求項４に記載の超音波探傷方法。
6. 素材ビレットを穿孔加工することによって継目無管を製造する第１工程と、
   前記第１工程によって製造された継目無管を請求項１から５の何れかに記載の超音波探傷方法を用いて探傷する第２工程とを含むことを特徴とする継目無管の製造方法。