JP4726688B2

JP4726688B2 - 超音波探傷方法

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Publication number: JP4726688B2
Application number: JP2006116533A
Authority: JP
Inventors: 裕久山田; 泰士長谷川; 竜一本間; 豊高木
Original assignee: Nippon Steel Corp; Fukujukogyo Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Fukujukogyo Co Ltd
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2026-04-20
Also published as: JP2007285994A

Description

本発明は、金属材料又は無機材料からなる被検査体の内部に超音波を入射させ、被検査体内部の欠陥から反射してくる反射エコーを検出することにより、当該欠陥を検出する超音波探傷法に関する。特に、被検査体が、中実の柱状又は中空で筒状の柱状の形状をしている場合、又は、被検査体が、中実の柱状又は中空で筒状の柱状の形状で、その内部又は外部にネジが切ってある場合に好適な超音波探傷技術に関する。

鋼材やアルミ材などの金属材料や無機材料の内部にある介在物や、鋼材同士を溶接したときの溶接部の不良といった被検査体の欠陥を検出するために、被検査体に超音波を入射して、当該欠陥による反射エコーの有無を調べることが広く行われている。例えば、接触媒質と被検査体との音響的なカップリングを安定させ、精密な探傷を行うために、超音波を発信、受信する超音波探触子、及び、被検査体を水中に浸して測定する水浸式超音波探傷法が、通常、利用される（非特許文献１、参照）。

金属板の被検査体の内部にある欠陥（介在物や空隙など）を、超音波探触子を用いて垂直探傷法で検出するときには、図２（ａ）に示すように配置して、集束型探触子２を被検査体３１の面内方向に二次元走査して測定すればよい。

一方、柱状体が被検査体であるとき、例えば、図２（ｂ）に示すような円筒状の被検査体１の内部欠陥を検出するときや、図２（ｃ）に示すような平板に溶接等により接合された円筒状の被検査体１０１の内部欠陥を検出するとき、特に、側壁近傍の欠陥を検出するときには、被検査体の上面（上の端面１０４）の端に超音波探触子を対向させて設置しなければならず、超音波探触子から送信された超音波のすべてを円筒状の被検査体内に入射させることは困難である。

すなわち、超音波探触子から送信された超音波の一部又は大部分は、被検査体に入射せずに、被検査体外の水中を伝播することになる。

この場合、被検査体の内側壁１０２又は外側壁１０３に気泡や水中を浮遊するゴミ等が付着し、かつ、その位置が、付着物から反射した超音波エコーが溶接部等の検査したいエコーと同じ位置に検出されるような位置であれば、付着物からのエコーを欠陥と判断してしまい、誤検出となる場合がある。

このために、探傷前に、刷毛等を用いて付着物を完全に除去しておくことが必要になるが、被検査体の形状や数によっては、この作業は非常に煩雑なものとなり、検査の効率を低下させる原因になっていた。また、中実の柱状体の超音波探傷をする場合も、上記の中空の柱状体である筒状体の探傷と同様の問題があった。

水浸式超音波探傷法において、気泡の存在が問題となることは古くから知られているが、従来は、水の中に浮遊している気泡からの反射エコーを誤検出することを問題としており、その対策として、特許文献１〜４に開示されているように、使用する水の中に気泡が混入するのを防ぐことや、気泡を含まない水を供給すること等が提案されている。

特開２００２−２２７１５号公報特開２００２−２９６２４６号公報特開２００１−１１６７２９号公報特開平１１−２１１７０２号公報新非破壊検査便覧（日刊工業新聞社１９９２年１０月１５日発行）、Ｐ２９５図２．３７９、Ｐ３０７図２．３９２

このような状況に鑑み、本発明は、中空で筒状の柱状体、又は、中実の柱状の被検査体の欠陥を、気泡や付着物からの反射エコーを誤検出することなく、高感度で効率よく検出することを目的とする。

本発明の要旨とするところを以下に記載する。

本発明の超音波探傷方法は、端面Ａ及び端面Ｂ並びに側壁Ｃを有する柱状体の被検査体について、前記端面Ａに超音波探触子を対向させて超音波を垂直に入射させ、被検査体内部又は端面Ｂ近傍の所定の部位の欠陥による反射エコーを検出する水浸式の超音波探傷方法であって、被検査体の側壁Ｃに嵌着可能な側壁Ｄと端面Ｅを有し、端面Ｅが前記端面Ａと並ぶように、かつ、端面Ａから所定の範囲に取り付け可能な付着物除去具を被検査体に嵌装して、被検査体の側壁Ｃに付着した付着物による、前記所定の部位の欠陥による反射エコーへの影響を除去して探傷をすることを特徴とする。

また、本発明の超音波探傷方法は、前記被検査体は、側壁Ｃにネジを有し、前記付着物除去具は、側壁Ｄに前記ネジに嵌合するネジを有することを特徴とする。

そして、前記柱状体は、中実の柱状体であり、前記側壁は、外側壁であることを特徴とする。

また、前記柱状体は、中空で筒状の柱状体であり、前記側壁は、内側壁又は外側壁であることを特徴とする。

さらに、また、前記柱状体は、前記端面Ｂで他の部材に接合された接合部を有し、前記所定の部位の欠陥は、該接合部にあることを特徴とする。

例として、円筒の内側壁にネジが切ってある被検査体を探傷する場合における本発明による付着物除去具の例を、図６に示す。図６（ａ）に示すように、側壁すなわち外周にネジが切ってある付着物除去具２０８を使用してもよいし、図６（ｂ）に示すように、内側壁すなわち内周にネジがない付着物除去具８を使用してもよい。

また、円筒の外側壁にネジが製作してある場合の本発明による付着物除去具３０８を、図７に示す。この場合も、図７（ａ）に示すように、リング状の付着物除去具の内周にネジを製作した付着物除去具を使用してもよいし、円筒の側壁である外周にネジがない場合の付着物除去具１０８を使用してもよい。

このとき、被検査体の上面（端面）と付着物除去具の上面（端面）を揃えるように嵌め合わせることにより、上側から超音波をロスが少なく被検査体に入射させることができ、かつ、不要な超音波の散乱の抑制して、ノイズを低減することができる。

さらに、また、本発明の超音波探傷方法は、前記付着物除去具は、その厚さが、付着物除去具の壁面による前記超音波の反射エコーが前記被検査体内の被検査箇所の欠陥からの反射エコーに混入しないように、被検査体の超音波入射面である前記端面Ａから被検査箇所までの距離並びに付着物除去具及び被検査体中の音速に基づいて所定の計算で設定されるものであることを特徴とする。

本発明の超音波探傷方法においては、柱状体（筒状又は中実の柱状）の被検査体について、水浸式の超音波探傷法により欠陥を検出する際に、気泡や浮遊するゴミ等を欠陥と誤認識することなく被検査体内部の欠陥を高感度に検出することができる。また、従来のように被検査体に付着した気泡や浮遊するゴミ等を１つ１つ取り除く煩雑な手順が必要なくなるために、被検査材内部の欠陥を効率よく検出することも可能である。

本発明の超音波探傷方法の実施の形態を、具体的に図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明においては、中実の柱状体を「柱状体」、中空で筒状の柱状体を「筒」と記す。

まず、筒状の被検査体の例として、上側に端面があり、側壁として内側壁と外側壁を有する円筒状の金属を平板に接合した被検査体１０１の接合部５を、従来の方法を用いて送受信型の超音波探触子２により探傷した場合の配置の概略を、図３（ａ）に、また、超音波波形３を、図３（ｂ）に示す。この場合、受信する信号には、被検査体表面で反射した表面エコー１１と、欠陥があれば欠陥で反射した欠陥エコー１３が含まれる。この欠陥エコーの有無により、接合部の健全性等を評価する。

ところが、図４に示すように、被検査体の内側壁に気泡９が付着した場合には、超音波探触子の位置によっては、気泡で反射された気泡からのエコー１４が検出される。この気泡からのエコー１４が、前記欠陥エコー１３に近い位置に検出された場合には、両者を判別することは難しく、気泡からのエコー１４を欠陥エコーと誤認識してしまう。

この気泡等の付着物を除去するために、本発明では、図１に示す付着物除去具８を円筒内部に嵌め合わせて装着し、探傷を行う。付着物除去具８の上面（端面）からは被検査体の上面（端面）と同様に超音波が強く反射するので、付着物除去具の表面エコーが被検査体の表面エコーと重なるように、両者の上面は同一平面となるように装着するのが好ましい。

付着物除去具８により、気泡等の付着物がとり除かれることになるので、その影響を低減することが可能である。また、付着物除去具の装着により、内部に気泡等が残る場合があるが、付着物除去具を通過して再度水中に伝播する超音波の強度は非常に少ないので、実用上問題とならない。

以上、円筒の内側壁の付着物の除去について説明したが、円筒の外側壁に付着した付着物を除去するためには、図５に示すように、円筒の外側壁にリング状の付着物除去具１０８を装着すればよい。さらに、内側と外側の両側壁への付着物を除去するために、両者を同時に使用することも可能である。

以上においては、被検査体として円形の断面形状を有する筒状の物体を例に説明したが、断面形状が多角形である角形の筒状の物体に対しても、角形の断面形状の付着物除去具を嵌合させることにより、本発明の超音波探傷法を適用できる。

また、リング状の付着物除去具の超音波の伝播方法と交差する方向の幅（断面の幅）は、該幅が超音波探触子径よりも著しく小さい場合、付着物除去具の外側壁への気泡等の付着が問題となるので、超音波探触子径と同程度であることが好ましい。

同様に、筒状内部に嵌め合わせて用いる付着物除去具においても、特に、付着物除去具の重量を抑えたい場合には、付着する気泡等が探傷結果に影響を与えない断面の幅を確保したうえで、内部をくり貫いたドーナツ状としてもよい。

また、柱状の被検査体の側壁に付着する気泡等の影響を除くために、リング状の付着物除去具を使用する場合についても、同様の効果が得られる。

＜第１の実施の形態＞
上側に端面があり、側壁として内側壁と外側壁を有する円筒状の金属を平板に接合した筒状の被検査体１０１を超音波探傷するときの付着物除去具の好ましい厚さｔを決定する方法を、図８〜１０を用いて説明する。

図８は、気泡等の付着物がないときの探傷の様子を示す図である。図８において、超音波探触子２により発生した超音波３の一部は、被検査体の上面で反射して超音波探触子に戻り、表面エコー１１として検出される。残りは、被検査体１の中に入射し、接合部５に欠陥があれば、そこで反射したエコーが、欠陥エコー１３として検出される。

それぞれのエコーの到達時間は、水中の縦波音速をＣｗ、超音波探触子と被検査体上面までの距離をＬ、被検査体中の縦波音速をＣ_l1、被検査体の筒の高さをｈとすると、送信パルスから表面エコーまでが２Ｌ／Ｃｗ、表面エコーから欠陥エコーまでが２ｈ／Ｃ_l1である。

通常の探傷では、図８（ｂ）に示すように、送信パルスから（１）式で表される時間τ_d後を中心として適当な幅２τをもつゲート１５を作成し、この中に検出されたエコーを欠陥エコーと判断して探傷を行う。

ところが、図９に示すように、被検査体１の側壁面（この場合は外側壁面）に気泡９が付着している場合に、被検査体の外側を探傷しようとして超音波探触子を外側壁面に近づけて設置すると、超音波探触子の一部が、被検査体から外れて気泡に向かって進行することになる。気泡によって反射されたエコー６も、他のエコーと同様に、超音波探触子によって検出され、その到達時間τ_bは、被検査体上面（端面）から気泡までの距離をｄとすれば（２）式で表される。

到達時間τ_b後の気泡からのエコーが、欠陥を検出するためのゲート２０内となった場合、気泡エコーと欠陥エコーと区別する手段はないために、気泡エコーを欠陥エコーと誤認識してしまうことになる。

図１０に、筒内側壁の気泡からのエコーを除去するために付着物除去具８を装着した場合の探傷の様子を示す。円筒状の付着物除去具８を用いて気泡の除去を行うことにより、気泡からのエコーの発生を防ぐ。また、付着物除去具８の厚さｔは、以下に記すように付着物除去具内部からの反射エコーが、欠陥検出ゲート２０内に混入しないように決定されるが、その上面が、被検査体の上面と一致するように、脚部を持った構造となっている。

付着物除去具の厚さをｔとすると、超音波は、その中にも入射し、裏面で反射したエコー（以後、エコー１と呼ぶ）１５が検出される。他にも、超音波探触子には、付着物除去具裏面で縦波から横波にモード変換したエコー（以後、エコー２と呼ぶ）１６や、付着物除去具上面で反射した後に再度付着物除去具裏面に縦波として進行し、裏面で反射した後に検出されるエコー（以後、エコー３と呼ぶ）１７等が検出される。

エコー２の原因となる横波は、縦波が垂直でなく、ある角度を持って裏面に入射したときに発生するため、超音波探触子の振動子径や集束の様子によって強く発生したり、又は、検出されなかったりする。

付着物除去具８中の縦波（ｌ）及び横波（ｓ）の音速を、それぞれ、Ｃ_l2及びＣ_s2とする。これら付着物除去具内部の反射エコーが欠陥検出ゲート２０内に混入すると、欠陥と誤判断されるため、例えば、エコー１とエコー２の間に検出ゲートが内包されるためには、付着物除去具の厚さｔは、以下の条件（３）式を満たす必要がある。

これを、ｔについて展開すると、（４）式が得られる。

この（４）式を満たすように付着物除去具の厚さｔを決定すれば、エコー１やエコー２が検出ゲート内に混入することはない。

もちろん、エコー２とエコー３の間に検出ゲートが内包されるようにｔの値を決定することも可能である。

以上のように、付着物除去具の形状及び厚さは、超音波入射面から探傷箇所までの距離と、被検査体と付着物除去具の音速に基づいて、付着物除去具内での多重反射エコーが探傷箇所に混入しないように設定すればよい。

また、付着物除去具の材質は、被検査体と同一であってもよいし、音速のわかっている別種の金属や樹脂等でもかまわない。

＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態では、検査箇所として筒状の物体を平板に接合した場合の接合部を例にとって本発明の実施の形態を説明した。本発明は、このような接合部を検査する場合のみではなく、筒状、又は、柱状の物体の内部において特定の深さの部位を検査する場合にも有効である。その場合の付着物除去具の厚さｔを決定する方法について、以下に説明する。

図１１は、筒状の物体の深さｓの部位１８を検査する場合を説明する図である。このとき、欠陥エコーが検出される時間は、第１の実施の形態と同様にして（５）式で表される。

一方、付着物除去具内での多重反射エコーの出現する間隔は第１の実施の形態と同じであるから、多重反射エコーが欠陥エコーと重ならない条件は（６）式となる。

これを、ｔについて展開すると、（７）式が得られる。

この（７）式を満たすように、付着物除去具の厚さｔを決定すれば、多重反射エコーが欠陥エコーと重なることはない。したがって、筒状、又は、柱状の被検査体の内部において特定の深さにある欠陥を超音波探傷することができる。

被検査体として、高さ２０ｍｍ、外形２６ｍｍ、内側にＭ１６−ピッチ１．５ｍｍのネジが製作してある鋼材を板厚３０ｍｍの鋼板に液相拡散接合により接合して製作し、超音波探触子により、接合部の欠陥検出を試みた。

使用したプローブは周波数１５ＭＨｚ、超音波振動子直径１２ｍｍ、焦点距離Ｆ＝１００ｍｍであり、水距離Ｌを２０ｍｍに設定し、円筒を含む３５ｍｍ×３５ｍｍのエリアを０．２ｍｍピッチで探傷した結果を、図１２（ａ）に示す。

探傷結果は画像として得られ、欠陥からのエコーが強い部分が白く検出されている。この結果は、被検査体の円筒内部や外側壁面の気泡を刷毛等により十分に除去した後に得られた結果である。

続いて、被検査体を十分に乾かし、再度水中に没して探傷した結果が、図１２（ｂ）である。この場合は、Ｂ部やＤ部のように円筒内部のネジ部に付着した気泡からのエコーが顕著にみられる。今回使用した鋼材の音速はＣ_l1＝Ｃ_l2＝５，９２０ｍ／ｓ，Ｃ_s2＝３，２３０ｍ／ｓであり、ゲートの幅τ＝０．５μｓ（鋼中でのゲート幅はＣ_l1ｘτ／２＝２．９６ｍｍに相当する）に設定すれば、（４）式より付着物除去具の厚さｔは、１５．２ｍｍ＜ｔ＜１８．５ｍｍであればよい。

そこで、図１３に示すような、ｔ＝１７ｍｍの付着物除去具を製作し、図１２（ｂ）の状態の被検査体に装着して再度探傷した。その結果を、図１２（ｃ）に示す。装着前にみられた気泡からのエコーが除去されて、図１２（ａ）に示されている欠陥のみが検出されていることがわかる。

図１４には、図１２に示すＡ、Ｂ、Ｃの各部で測定される超音波エコーを示す。ただし、図１２（ｃ）では、エコー１とエコー３のみが存在しており、この場合は、エコー２が検出されていない。図１２（ａ）と図１２（ｃ）を比較すると、欠陥エコーは、エコー１よりも後ろで検出されており、エコー１を欠陥と誤認識することがないことがわかる。

本発明の超音波探傷方法の一実施の形態の概略を示す図である。（ａ）は、付着物除去具を円筒内部に装着した態様を示し、（ｂ）は、付着物除去具の態様を示す。従来法における超音波探触子と、幅広の被検査体との配置例を示す図である。従来法における超音波探触子と、円筒の被検査体との配置例を示す図である。従来法における超音波探触子と、円筒を平板に接合した被検査体との配置例を示す図である。従来法における、円筒を平板に接合した被検査体を探傷する場合の配置と信号の例を示す図である。（ａ）は、配置を示し、（ｂ）は、信号を示す。従来法における、気泡が付着した場合の信号の例を示す図である。（ａ）は、配置を示し、（ｂ）は、信号を示す。外側壁面の付着物を除去するための付着物除去具を示す図である。（ａ）は、付着物除去具を装着した態様を示し、（ｂ）は、付着物除去具の態様を示す。内側壁面にネジがある場合に付着物を除去するための付着物除去具を示す図である。（ａ）は、外周にネジが切ってある付着物除去具を示し、（ｂ）は、内周にネジが切ってない付着物除去具を示す。外側壁面にネジがある場合に付着物を除去するための付着物除去具を示す図である。（ａ）は、内周にネジを設けたリング状の付着物除去具を示し、（ｂ）は、ネジがない付着物除去具を示す。円筒を平板に接合した被検査体を探傷する場合の配置と信号を示す図である。（ａ）は、配置を示し、（ｂ）は信号を示す。図８で示す配置での、気泡が付着した場合の信号を示す図である。（ａ）は、配置を示し、（ｂ）は、信号を示す。内側壁面の付着物除去具を装着した場合の配置と信号を示す図である。（ａ）は、配置を示し、（ｂ）は、信号を示す。円筒の所定の深さを検査するときに、内側壁面の付着物除去具を装着した場合の配置と信号を示す図である。（ａ）は、配置を示し、（ｂ）は、信号を示す。実施例の探傷結果を示す図である。（ａ）は、気泡なしの結果を示し、（ｂ）は、気泡ありの結果を示し、（ｃ）は、ｔ＝１７mmのキャップ（付着物除去具）を装着した時の結果を示す。実施例で使用した付着物除去具を示す図である。実施例で確認して、欠陥エコー、気泡からのエコー、付着物除去具内の反射エコーを示す図である。（ａ）は、欠陥エコーを示し、（ｂ）は、気泡からのエコーを示し、（ｃ）は、付着物除去具内の反射エコーを示す。

符号の説明

１円筒状の被検査体
２超音波探触子
３欠陥等を検出したい箇所から反射する超音波
４欠陥
５接合部（ロウ付け、溶接部）
６気泡からの反射する超音波
７付着物除去具裏面から反射する超音波
８付着物除去具
９気泡
１０送信パルス
１１表面エコー
１３欠陥エコー
１４気泡からのエコー
１５付着物除去具裏面からのエコー（エコー１）
１６付着物除去具裏面からのエコー（エコー２）
１７付着物除去具裏面からのエコー（エコー３）
１８検査したい部位
２０ゲート
３１板状の被検査体
１０１板の接合した円筒状の被検査体
１０２内側壁
１０３外側壁
１０４端面
１０８被検査体の外側に嵌め合わせる付着物除去具
２０８外側壁にネジを有し、被検査体の内側に嵌め合わせる付着物除去具
３０８内側壁にネジを有し、被検査体の外側に嵌め合わせる付着物除去具

Claims

端面Ａ及び端面Ｂ並びに側壁Ｃを有する柱状体の被検査体について、前記端面Ａに超音波探触子を対向させて超音波を垂直に入射させ、被検査体内部又は端面Ｂ近傍の所定の部位の欠陥による反射エコーを検出する水浸式の超音波探傷方法であって、
被検査体の側壁Ｃに嵌着可能な側壁Ｄと端面Ｅを有し、端面Ｅが前記端面Ａと並ぶように、かつ、端面Ａから所定の範囲に取り付け可能な付着物除去具を被検査体に嵌装して、
被検査体の側壁Ｃに付着した付着物による、前記所定の部位の欠陥による反射エコーへの影響を除去して探傷をする
ことを特徴とする超音波探傷方法。
前記被検査体は、側壁Ｃにネジを有し、前記付着物除去具は、側壁Ｄに前記ネジに嵌合するネジを有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。
前記柱状体は、中実の柱状体であり、前記側壁は、外側壁であ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。
前記柱状体は、中空で筒状の柱状体であり、前記側壁は、内側壁又は外側壁であ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。
前記柱状体は、前記端面Ｂで他の部材に接合された接合部を有し、前記所定の部位の欠陥は、該接合部にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波探傷方法。
前記付着物除去具は、その厚さが、付着物除去具の壁面による前記超音波の反射エコーが前記被検査体内の被検査箇所の欠陥からの反射エコーに混入しないように、被検査体の超音波入射面である前記端面Ａから被検査箇所までの距離並びに付着物除去具及び被検査体中の音速に基づいて所定の計算で設定されるものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波探傷方法。