JP4740718B2

JP4740718B2 - 超音波厚さ測定装置

Info

Publication number: JP4740718B2
Application number: JP2005323839A
Authority: JP
Inventors: 良太梶木; 峰寛中川; 英信穴見
Original assignee: Nippon Steel Corp; Shin Nippon Nondestructive Inspection Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Shin Nippon Nondestructive Inspection Co Ltd
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2025-11-08
Also published as: JP2007132713A

Description

本発明は、配管の周方向に走行可能な自走式台車に搭載した複数の超音波探触子で配管の肉厚を測定する超音波厚さ測定装置に関する。

従来、大径管の内面を周方向に走行可能な親台車と、親台車の底部に固定され、親台車を大径管の内面の任意の位置に固定可能な磁力を有するマグネットと、親台車の進行方向に２列かつ千鳥状に並べて配置され、親台車に上下動かつ前後に首振り可能に設けられて大径管に常時付勢される子台車と、親台車の走行距離を測定する距離計と、超音波探触子（超音波センサー）を同時に作動させる多チャンネル型超音波制御装置と、大径管の肉厚の測定結果を表示する表示装置とを有する測定システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。なお、親台車及び子台車は大径管の内周を走行するようになっているが、大径管の外周を走行するようにすることもできる。

特開２００４−１４４７１０号公報（図１〜図４）

しかしながら、特許文献１に記載された発明では、管の走査において、管径が大きい（例えば、２０００ｍｍ以上）場合には、管径の変化に対応して子台車が上下動かつ前後に首振りして走査可能であるが、管径が小さい（例えば、３００〜１５００ｍｍ）場合には、親台車の４つの走行車輪は台車本体に対して固定されているので、子台車の倣い車輪が管に倣うことができないため、子台車に取付けられた探触子により測定できないという問題があった。また、子台車が管の外面を移動する場合、子台車の車輪は子台車に固定されているので、管径が小さい（例えば、３００〜１５００ｍｍ）場合には、子台車に取付けた超音波探触子と管の外周面との間の距離が管径によって変化し、正確な管の肉厚を測定する上で問題となっていた。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、超音波探触子毎に測定される配管の肉厚値を確認することができると共に、配管の外径の影響を受けずに常に正確な肉厚の測定を行なうことが可能な超音波厚さ測定装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明の超音波厚さ測定装置は、配管の外周面を周方向に走行可能な親台車と、前記親台車に取付けられて該親台車の走行距離を測定する距離計と、前記親台車に取付けられて前記外周面の周方向に直交する方向の一定幅領域を覆いながら該親台車と共に移動する複数の子台車と、前記外周面との間に水が充填される所定の隙間を有して前記各子台車に配置された超音波探触子と、前記超音波探触子とそれぞれ接続し該超音波探触子に作動信号を送信すると共に該超音波探触子からの出力信号を受信して波形信号として出力する超音波探傷機と、前記各波形信号を基に、前記隙間を考慮した前記配管の肉厚を求めるデータ処理機とを有する超音波厚さ測定装置であって、
前記データ処理機は、前記配管の肉厚内を往復する超音波の最短伝播時間から最小肉厚を算出し、前記距離計の出力信号及び前記最小肉厚から前記超音波探触子毎に前記配管の周方向の測定位置に対する肉厚分布を求め、階層分けして色別表示し、
前記親台車は、中央に空間部を備えた台車フレームと、該台車フレームの前側部に前側回動軸を介して回動可能に設けられ両側に対となる前側車輪を備えた前側回動フレームと、該台車フレームの後側部に後側回動軸を介して回動可能に設けられ両側に対となる後側車輪を備えた後側回動フレームと、該前側回動フレーム及び該後側回動フレームの底部にそれぞれ前記配管の外周面と一定の距離を設けて取付けられた永久磁石とを有し、しかも、前記台車フレームの前後には、前記前側回動軸及び前記後側回動軸にそれぞれ設けられたウォームホイールと該ウォームホイールに各々螺合し前記台車フレームに軸受を介して回転可能に支持されたウォームシャフトとを有し、
前記隙間の距離ｇは、前記子台車の進行方向の前後の車輪の中心間の距離及び前記配管の中心と前記子台車の車輪の中心との距離から前記子台車の前後の車輪の中心を結ぶ線分の中点と前記配管の中心との間の距離δを算出し、更に、予め設定された前記子台車の車輪の半径及び前記子台車を平面で走行させた際の前記超音波探触子の探触面と該平面との間の距離ｃを用いて前記中点と前記超音波探触子の探触面との間の距離εを算出して、前記配管の半径λを用いて、δ−ε−λにより求め、超音波の水中の伝播速度から水が充填された前記隙間を超音波が通過する時間ｔ ₁ を求めて、前記超音波探触子の探触面から前記配管の内周面までの超音波の伝播時間ｔから差し引き、前記配管の肉厚内を超音波が伝播するのに要する時間ｔ ₂ を求める。

本発明の超音波厚さ測定装置において、前記親台車は、中央に空間部を備えた台車フレームと、該台車フレームの前側部に回動可能に設けられ両側に対となる前側車輪を備えた前側回動フレームと、該台車フレームの後側部に回動可能に設けられ両側に対となる後側車輪を備えた後側回動フレームと、該前側回動フレーム及び該後側回動フレームの底部にそれぞれ前記配管の外周面と一定の距離を設けて取付けられた永久磁石とを有しているので、配管の外径が小さな場合でも、親台車を配管の周方向に沿って移動させることができる。

本発明の超音波厚さ測定装置において、前記各子台車は、前記空間部に中心位置を互いにずらせながら面上に並べられて、それぞれ自在継手機構を介して前記台車フレームに取付けられていることが好ましい。
これによって、子台車を配管の外周面に沿って確実に移動させることができる。

本発明の超音波厚さ測定装置において、前記配管の外周面と前記超音波探触子との間の距離を、該配管の外径に基づいて求めている。超音波探触子と配管の外周面との間の距離を配管の外径に応じて算出するので、配管の外径が変化しても、超音波探触子と配管の内周面との間の距離を正確に把握することができる。

そして、本発明の超音波厚さ測定装置において、前記配管の外周面と前記超音波探触子との間の距離は、前記子台車の進行方向の前後の車輪の中心間の距離及び前記配管の中心と前記子台車の車輪の中心との距離から前記子台車の前後の車輪の中心を結ぶ線分の中点と前記配管の中心との間の距離δを算出し、更に、予め設定された前記子台車の車輪の半径及び前記子台車を平面で走行させた際の前記超音波探触子の探触面と該平面との間の距離を用いて前記中点と前記超音波探触子の探触面との間の距離εを算出して、前記配管の半径λを用いて、δ−ε−λにより求める。
これによって、配管の外径に基づいて配管の外周面と超音波探触子との間の距離を算出することができ、配管の外径が変化しても超音波探触子と配管の外周面との間の距離を正確に把握することが可能になる。

請求項１、２記載の超音波厚さ測定装置においては、超音波探触子毎に測定される肉厚値を知ることができ、測定後に再測定の決定や計測データの信頼性の判断を迅速に行なうことが可能になる。

特に、配管の外径が小さな場合でも、親台車を配管の周方向に沿って移動させることができ、距離計及び子台車に取付けた超音波探触子を配管の外周面に沿って確実に移動させることが可能になる。その結果、親台車の移動距離及び配管の肉厚の各測定を正確に行なうことが可能になる。

請求項２記載の超音波厚さ測定装置においては、子台車を配管の外周面に沿って確実に移動させることができ、子台車が移動しても子台車に取付けた超音波探触子と配管の外周面との間の距離を一定に保つことが可能になる。その結果、配管の肉厚の各測定をより正確に行なうことが可能になる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の一実施の形態に係る超音波厚さ測定装置の構成を示す説明図、図２は同超音波厚さ測定装置の側面図、図３は同超音波厚さ測定装置の平面図、図４（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同超音波厚さ測定装置の自在継手機構が設けられた子台車の側面図、正面図、図５は同超音波厚さ測定装置のデータ処理機の説明図、図６は超音波探触子の探触面と平面との間の隙間の説明図、図７は超音波探触子の探触面と配管の外周面との間の隙間の説明図、図８は同超音波厚さ測定装置のデータ処理機の表示器に表示される画面の説明図、図９は同超音波厚さ測定装置のデータ処理機の表示器に表示される配管の測定位置に対する一定幅の領域の肉厚分布の説明図である。

図１〜図３に示すように、本発明の一実施の形態に係る超音波厚さ測定装置１０は、配管１１の外周面１２を周方向に走行可能な親台車１３と、親台車１３に取付けられて親台車１３の走行距離を測定する距離計１４と、外周面１２の周方向に直交する方向の一定幅領域を覆いながら親台車１３と共に移動する複数（本実施の形態では１２台）の子台車１５Ａ〜１５Ｌと、子台車１５Ａ〜１５Ｌにそれぞれ配置された超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌと、超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌにそれぞれ接続し作動信号を送信すると共に超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌからの出力信号を受信して波形信号として出力する超音波探傷機１７Ａ〜１７Ｌと、各波形信号を基に配管１１の肉厚を求めるデータ処理機１８とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。

親台車１３は、台車フレーム１９と、台車フレーム１９の進行方向前側部に回動可能に設けられ幅方向両側に対となる前側車輪２０、２１を備えた前側回動フレーム２２と、台車フレーム１９の進行方向後側部に回動可能に設けられ幅方向両側に対となる後側車輪２３、２４を備えた後側回動フレーム２５と、前側回動フレーム２２及び後側回動フレーム２５の底部にそれぞれ配管１１の外周面１２と一定の距離Ｇを設けて取付けられた永久磁石２６、２７とを有している。

ここで、台車フレーム１９は中央に空間部を備え、上部台車フレーム２８及び上部台車フレーム２８の下端部にねじ締結された下部台車フレーム２９を有している。更に、上部台車フレーム２８において、その進行方向の前後には、それぞれ回動調整機構３０、３１を備えた前側回動軸３２及び後側回動軸３３が設けられている。そして、前側回動軸３２の幅方向両端部には対となるアーム部材３４、３５の先部がそれぞれ固定され、アーム部材３４、３５の基部は前側回動フレーム２２の後側に設けられた連結部材３６の両端部に取付けられ、後側回動軸３３の両端部には対となるアーム部材３７、３８の先部がそれぞれ固定され、アーム部材３７、３８の基部は後側回動フレーム２５の前側に設けられた連結部材３９の両端部に取付けられている。

上部台車フレーム２８は、上部台車フレーム２８の幅方向両側に平行に並べて配置される上部側枠部材４０、４１と、上部側枠部材４０、４１の前後両端部同士をぞれぞれ連結する上部連結枠部材４２、４３を備えた平面視して矩形状の上部枠体４４を有している。そして、上部側枠部材４０、４１の中央部には、２つのトラック状の切り欠き孔４５、４６が並べて形成されている。これによって、上部台車フレーム２８の内側の状態を外部から観察することができ、上部台車フレーム２８の軽量化が達成できる。

また、上部側枠部材４０、４１の前側及び後側にはそれぞれ軸受４７、４８を介して前側回動軸３２及び後側回動軸３３が貫通しており、前側回動軸３２及び後側回動軸３３を覆うように上部側枠部材４０、４１の前端部及び後端部の上側にはカバー部材４９、５０が架け渡されている。そして、前側回動軸３２及び後側回動軸３３の中央部には、ウォームホイール５１、５２が設けられ、ウォームホイール５１、５２に螺合するウォームシャフト５３、５４が曲率調整ノブ５５、５６により回転駆動されるようになっている。なお、ウォームシャフト５３、５４の両端部は、カバー部材４９、５０にそれぞれ取付けられた軸受５７〜６０により回転可能に支持されている。

前側回動フレーム２２の連結部材３６には前車輪取付け部材６１が、後側回動フレーム２３の連結部材３９には後車輪取付け部材６２がそれぞれ連結され、両側に対となる永久磁石２６が前車輪取付け部材６１の底部の前側車輪２０、２１の近傍位置に、両側に対となる永久磁石２７が後車輪取付け部材６２の底部で後側車輪２３、２４の近傍位置にそれぞれ取付けられている。ここで、永久磁石２６、２７をそれぞれ前車輪取付け部材６１及び後車輪取付け部材６２の底部に取付けた際に、左右の永久磁石２６の中心位置及び左右の永久磁石２７の中心位置は、前側車輪２０、２１及び後側車輪２３、２４の中心位置にそれぞれ実質的に一致するようにしている。また、上部台車フレーム２８と下部台車フレーム２９は、下部台車フレーム２９に取付けられたブラケット７３を上部台車フレーム２８にねじ締結することにより一体化されている。

これによって、親台車１３が配管１１の外周面１２上を走行しながら上下動しても、永久磁石２６、２７と外周面１２とのあいだの距離Ｇを一定に保つことができる。なお、前側車輪２０、２１及び後側車輪２３、２４の各タイヤは、軟質材の一例であるウレタンゴムで形成することができ、その外径は、例えば７０ｍｍ程度である。そして、各車輪２０、２１、２３、２４にはそれぞれ動力伝達機構６３を介して減速電動機６４が連結されている。

更に、下部台車フレーム２９内の空間部には、下部台車フレーム２９の進行方向に直交する方向（幅方向）に沿って図示しない３つの支持部材が並べて設けられ、支持部材には１２台の子台車１５Ａ〜１５Ｌがそれぞれ自在継手機構７７（図４参照）を介して取付けられている。なお、各支持部材はその取付け位置が下部台車フレーム２９内において微調整可能に設けられ、下部台車フレーム２９の進行方向に向かって最前列に配置された支持部材には間隔Ｐで子台車１５Ａ〜１５Ｄが、その後側に配置された支持部材には間隔Ｐで子台車１５Ｅ〜１５Ｈが、最後列の支持部材には間隔Ｐで子台車１５Ｉ〜１５Ｌがそれぞれ取付けられている。ここで、第２列目の子台車１５Ｅ〜１５Ｈは、最前列の子台車１５Ａ〜１５Ｄに対して、それぞれ中心位置を一方側に２Ｐ／３ずらして外周面１２上に配置され、最後列の子台車１５Ｉ〜１５Ｌは、最前列の子台車１５Ａ〜１５Ｄに対して、それぞれ中心位置を一方側にＰ／３ずらして外周面１２上に配置されている。また、各列の間隔は、いずれもＷとしている。

ここで、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、子台車１５Ａ（子台車１５Ｂ〜１５Ｌも同様）を支持部材に取付けている自在継手機構７７は、支持部材側に連結する第１の連結部８５と、子台車１５Ａ側に連結する第２の連結部８６を有している。第１の連結部８５は、支持部材にねじ締結されるホルダーベース８７を有し、ホルダーベース８７先部側で支持部材に当接する部分には間隔を開けて掛止突起８８、８９が設けられ支持部材に形成された凹部に嵌合することにより位置決めがなされている。

また、第１の連結部８５は、ホルダーベース８７の基部の両側に設けられ中央に凹部を有するガイド部材９２、９３と、ガイド部材９２、９３の図示しない凹部内で回転するスライドボールと、スライドボールに当接しながらガイド部材９２、９３に沿って摺動するスライド部材９５を有している。そして、スライド部材９５の基端にはガイド部材９２、９３の基端に掛止される突起９６が設けられ、スライド部材９５の先部には先側が突出するコイルスプリング９７が埋設され、コイルスプリング９７の先端部はホルダーベース８７に固定されたストッパー部材９８内に押圧状態で装入されている。
このような構成とすることにより、スライド部材９５は、突起９６によりガイド部材９２、９３上を摺動する際の最上位置が決められて、コイルスプリング９７により常にガイド部材９２、９３の基端側に付勢される状態になる。なお、符号９６ａはストッパーを示す。

一方、第２の連結部８６は、スライド部材９５の基側の中央に設けられた図示しない軸受で一側が回転可能に支持される回転軸９９と、基側が回転軸９９の他側に連結され先側が分岐してその間で子台車１５Ａを把持する平面視してコ字状のアーム部材１００と、アーム部材１００の分岐した各先部にそれぞれ設けられた図示しない軸受メタルで基側が回転可能に支持され、先側が子台車１５Ａに螺合する取付けボルト１０１、１０２を有している。

このような構成とすることにより、子台車１５Ａは取付けボルト１０１、１０２と共に軸受メタルの内側をアーム部材１００に対して角度α（例えば、約１０°）の範囲で回動でき、アーム部材１００はスライド部材９５に対して回転軸９９の回りに角度β（例えば、約１０°）の範囲で回動できる。そして、子台車１５Ａはスライド部材９５を介して、ガイド部材９２、９３に沿って上下に摺動することができるので、子台車１５Ａは配管１１の外周面１２上で、首振り可能かつ外周面１２に対して上下動可能となる。

図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、子台車１５Ａは、進行方向の前後にそれぞれ幅方向に対となる車輪１０９を備え超音波探触子１６Ａを載置する子台車フレーム１１０と、子台車フレーム１１０に載置した超音波探触子１６Ａを固定する押さえ部材１１１とを有している。そして、押さえ部材１１１を子台車フレーム１１０に取付けた状態で、押さえ部材１１１及び子台車フレーム１１０には、子台車フレーム１１０に載置された超音波探触子１６Ａの探触面に超音波伝達媒体の一例である水を供給する流路１１２、１１３が連通して形成されており、流路１１２の上流側にはホースニップル１１４が接続され、流路１１３の下流側には流路１１３の流出口の一部を覆うように水止め部材１１５が子台車フレーム１１０の下部に取付けられている。また、図１及び図２に示すように、下部台車フレーム２９には、ホースニップル１１６を介して供給される水を１２分割してそれぞれホースニップル１１４に分配するマニホールド１１８が設けられている。
これによって、ホースニップル１１６から供給される水はマニホールド１１８及びホースニップル１１４を経由して超音波探触子１６Ａの探触面と配管１１の外周面１２との間の隙間ｇに充填することができ、超音波探触子１６Ａから送信される超音波を配管１１内に確実に導入し配管１１の内周面からの反射波を確実に超音波探触子１６Ａで受信することができる。

ここで、各超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌは子台車１５Ａ〜１５Ｌにそれぞれ設けられているが、子台車１５Ａ〜１５Ｌの車輪１０９及び子台車フレーム１１０により、同じ支持部材に取付けられた隣り合う子台車１５Ａ〜１５Ｄ、１５Ｅ〜１５Ｈ、１５Ｉ〜１５Ｌ同士の接近距離には必然的に限界が生じる。その結果、最前列に配置される支持部材に取付けた各子台車１５Ａ〜１５Ｄに配置した超音波探触子１６Ａ〜１６Ｄ同士の中間部分には、子台車１５Ａ〜１６Ｄの移動に伴って帯状の測定不能領域が発生するが、後側に配置される支持部材に取付ける子台車１５Ｅ〜１５Ｈを、子台車１５Ａ〜１５Ｄに対して、それぞれ一方側に２Ｐ／３ずらせて配置し、最後列の支持部材に取付ける子台車１５Ｉ〜１５Ｌを、最前列の支持部材に取付けた子台車１５Ａ〜１５Ｄに対して、それぞれ一方側にＰ／３ずらせて配置することにより、子台車１５Ａ〜１５Ｄの走行により生じた帯状の測定不能領域は、子台車１５Ｅ〜１５Ｈの各超音波探触子１６Ｅ〜１６Ｈにより測定され、子台車１５Ｅ〜１５Ｈの走行により生じた帯状の測定不能領域は子台車１５Ｉ〜１５Ｌの各超音波探触子１６Ｉ〜１６Ｌにより測定される。

各超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌから発信される超音波パルスは、探触面の全面から発射されるが、測定に有効に使用できるものは、これより幅の狭い部分（有効ビーム幅）から発射される超音波であるので、同じ支持部材に取付けられた隣り合う超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌの中心間隔Ｐは、例えば、隣り合う超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌが干渉しない幅（即ち、横方向有効探傷幅２Ｖの１倍を超える範囲）で、しかも、横方向有効探傷幅２Ｖの２倍未満にする。

なお、親台車１３が配管１１の外周面１２を周方向に移動した際、各子台車１５Ａ〜１５Ｌは子台車１５Ａと子台車１５Ｈで挟まれる周方向に直交する方向の一定幅Ｊの領域を覆いながら移動することになる。ここで、子台車１５Ａ〜１５Ｄが間隔Ｐで周方向に直交する方向に配置されているので、子台車１５Ａと子台車１５Ｄの間隔（周方向に直交する方向の間隔）は３Ｐ＋２Ｐ／３となり、これに超音波探触子１６Ａ、１６Ｄの横方向有効探傷幅２Ｖをそれぞれ考慮して、一定幅Ｊの領域の大きさは１１Ｐ／３＋２Ｖとなる。

図２、図３に示すように、距離計１４は後側回動フレーム２５の後側車輪２３付近に設けられ、配管１１の外周面１２に常に接触して転動する測長輪１１９と、測長輪１１９を後側回動フレーム２５に取付ける回動アーム１２０と、測長輪１１９の回転軸１２１に接続して測長輪１１９の回転数を計測するロータリーエンコーダ１２２とを有している。
ここで、親台車１３における測長輪１１９の位置と各超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌの探触面の中心位置との関係から、親台車１３が走行を開始した測定開始位置に対する各超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌの探触面の中心位置が判るので、ロータリーエンコーダ１２２により測長輪１１９の移動距離が判ると、配管１１の外周面１２上を親台車１３が走行しているときの各超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌの探触面の中心位置、すなわち測定位置を特定することができる。

なお、図１、図３に示すように、各超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌの作動信号及び出力信号をそれぞれ伝送する信号線と、ロータリーエンコーダ１２２の信号線と、各減速電動機６４の電源線とは、後側回動フレーム２５に設けられた図示しない端子盤に接続され、端子盤には各超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌの信号線とそれぞれ接続する超音波探触子用配線群１２３と、ロータリーエンコーダ１２２の信号線と接続するロータリーエンコーダ用配線１２４を有するケーブル１２５の一端側がケーブルコネクター１２６を介して接続されている。

また、端子盤には、各減速電動機６４の電源線に接続する親台車駆動用ケーブル１２７の一端側が接続され、マニホールドのホースニップル１１６にはポンプ１２８を備えた水配管１２９が接続されている。そして、超音波探触子用配線群１２３の他端側は各超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌに作動信号を送信すると共にその出力信号を受信する超音波探傷機１７Ａ〜１７Ｌにそれぞれ接続され、各超音波探傷機１７Ａ〜１７Ｌの出力側がデータ処理機１８に接続されている。また、ロータリーエンコーダ用配線１２４及び親台車駆動用ケーブル１２７の他端側と、ポンプ１２８の電源線１３０がデータ処理機１８に接続されている。

データ処理機１８は、図５に示すように、各減速電動機６４及びポンプ１２８にそれぞれ電力を供給する、例えば、定電圧源を用いて構成される電動機用電源部１３１及びポンプ用電源部１３２を有している。また、データ処理機１８は、測定開始信号を受信して電動機用電源部１３１から電力の供給を開始させ、測定終了信号を受信して電動機用電源部１３１から電力の供給を停止させる機能及び親台車１３の走行速度を制御する機能を備えた電動機操作部１３３と、測定開始信号を受信してポンプ用電源部１３２から電力の供給を開始させ、測定終了信号を受信してポンプ用電源部１３２から電力の供給を停止させる機能を備えたポンプ操作部１３４と、測定開始信号を受信してロータリーエンコーダ１２２を作動させる機能及びロータリーエンコーダ１２２からの出力信号を受信して親台車１３の移動距離を演算する機能を備えた移動距離演算部１３５とを有している。

更に、データ処理機１８は、測定開始信号を受信して各超音波探傷機１７Ａ〜１７Ｌを作動させる機能及び各超音波探傷機１７Ａ〜１７Ｌから出力される波形信号をそれぞれデジタル信号に変換して各超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌで測定した最小肉厚を算出する機能を備えた肉厚演算部１３６と、移動距離演算部１３５で求めた親台車１３の移動距離及び各超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌで測定した最小肉厚から肉厚測定を行なったときの超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌ毎の測定位置を演算し、超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌ毎の測定位置と最小肉厚の関係（肉厚分布）を求めて、例えば、超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌ毎に最小肉厚の値を階層分けして色別に表形式に保存する第１のデータ処理機能を備えた第１の肉厚分布演算部１３７を有している。

更に、データ処理機１８は、超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌ毎の測定位置と最小肉厚の関係から、配管１１の外周面１２の測定開始点に対する位置、すなわち、配管１１の周方向の測定位置を演算し、子台車１５Ａ〜１５Ｌの配置で決まる一定幅Ｊの領域内での肉厚分布を演算して保存する第２のデータ処理機能を備えた第２の肉厚分布演算部１３８と、測定開始及び測定終了の各信号の送信並びに親台車１３の走行速度指令信号を電動機操作部１３３に送信する測定管理機能、超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌ毎に最小肉厚の値を階層分けして色別に表示する機能、特定の測定位置における超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌ毎の波形信号データ及び最小肉厚データを検索して表示する機能、及び配管１１の周方向の測定位置に対する一定幅Ｊの領域の肉厚分布を表示する機能を備えた測定管理部１３９と、測定管理部１３９からの出力信号を受信して表示する表示器１４０とを有している。ここで、電動機操作部１３３、ポンプ操作部１３４、移動距離演算部１３５、肉厚演算部１３６、第１の肉厚分布演算部１３７、第２の肉厚分布演算部１３８、及び測定管理部１３９は、例えば、、パーソナルコンピュータに上記の各機能を発現するプログラムを搭載することにより構成することができる。

続いて、本発明の一実施の形態に係る超音波厚さ測定装置１０を用いた配管１１の肉厚測定方法について説明する。
先ず、親台車１３において、ケーブル１２５、親台車用駆動ケーブル１２７及び水配管１２９の取付けを行なう。次いで、配管１１の曲率半径に応じて子台車１５Ａ〜１５Ｌが配管１１の外周面１２上に倣うように、下部台車フレーム２９内に設けられた各支持部材の位置を調節して固定する。更に、曲率調整ノブ５５、５６によりウォームシャフト５３、５４を回転して配管１１の曲率半径に応じて、前側回動フレーム２２、後側回動フレーム２５を回動し、走行方向が配管１１の周方向になるように親台車１３を配管１１の外周面１２上の測定開始位置に、永久磁石２６、２７により吸着させて配置する。

そして、データ処理機１８の測定管理部１３９から測定開始信号を電動機操作部１３３、ポンプ操作部１３４、移動距離演算部１３５、及び肉厚演算部１３６に入力すると共に、電動機操作部１３３には親台車１３の走行速度指令信号を入力する。これによって、各超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌの探触面と配管１１の外周面１２との間の隙間ｇに水が充填されると共に親台車１３は走行を開始し、ロータリーエンコーダ１２２は親台車１３の移動距離を計測する。更に、各超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌから超音波パルスが配管１１の外周面１２に向けて送信され、配管１１内に進入した超音波は配管１１の内周面で反射して反射波となって各超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌで受信される。

ロータリーエンコーダ１２２からの出力は移動距離演算部１３５に入力され、親台車１３の移動距離が演算されて移動距離データとして出力される。また、各超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌで受信された反射波は超音波探傷機１７Ａ〜１７Ｌに入力されて波形信号とし肉厚演算部１３６に出力され、肉厚演算部１３６では波形信号がデジタル信号に変換されて配管１１の肉厚内を往復する超音波の最短伝播時間が計測され配管１１内の超音波伝播速度に基づいて最小肉厚が算出され、肉厚データとして出力される。

ここで、配管の外周面と超音波探触子１６Ａ（１６Ｂ〜１６Ｌも同様）の探触面との間の隙間ｇは、配管の外径により変化するので、以下の方法により外径に応じて隙間ｇを算出する。いま、図６に示すように、平面Ｆ上を子台車１５Ａ（１５Ｂ〜１５Ｌも同様）が走行する際に、超音波探触子１６Ａの探触面と平面Ｆとの間の隙間がｃとなるように子台車１５Ａに超音波探触子１６Ａが配置されているとする。なお、子台車１５Ａの車輪１０９の半径をｄ、車輪１０９の中心間の距離を２Ｄとしている。一方、図７に示すように、外径が２λの配管１１の外周面１２上を子台車１５Ａが走行する場合、配管１１の外周面１２と超音波探触子１６Ａの探触面との間の隙間ｇは、各車輪１０９の回転中心Ｚ₁、Ｚ₃を結んだ線分Ｚ₁Ｚ₃の二等分点（中点）Ｚ₂と配管１１の中心Ｘ₀とを結ぶ線分が配管１１の外周面１２と交わるＹ₂点と超音波探触子１６Ａの探触面と交わるＵ点との間の距離となる。

また、各車輪１０９の回転中心Ｚ₁、Ｚ₃と配管１１の中心Ｘ₀とを結ぶ線分が配管１１の外周面１２と交わる点をそれぞれＹ₁、Ｙ₃とすると、線分Ｘ₀Ｚ₁の長さはλ＋ｄ、線分Ｚ₁Ｚ₂の長さはＤなので、中点Ｚ₂と配管１１の中心Ｘ₀との間の距離δ、すなわち、線分Ｘ₀Ｚ₂の長さは｛（λ＋ｄ）²−Ｄ²｝^1/2となる。
一方、線分Ｘ₀Ｙ₂の長さ（配管１１の半径）はλ、中点Ｚ₂と超音波探触子１６Ａの探触面との間の距離ε、すなわち、線分ＵＺ₂の長さは、図６からｄ−ｃで、更に、図７でδ＝λ＋ｇ＋εの関係が成立しているので、ｇはδ−λ−ε、すなわち、｛（λ＋ｄ）²−Ｄ²｝^1/2−λ−（ｄ−ｃ）となる。従って、外周面１２上を子台車１５Ａが走行する際の超音波探触子１６Ａの探触面と外周面１２との距離ｇは、平面Ｆ上を子台車１５Ａが走行する際の超音波探触子１６Ａの探触面と平面Ｆとの間の距離ｃから｛（λ＋ｄ）²−Ｄ²｝^1/2−λ−ｄだけ修正されたものとなる。

一方、超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌから発信された超音波が配管１１の内周面で反射して受信されるまでの時間２ｔ（波形信号から求まる時間）は、超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌの探触面と配管１１の外周面１２との間の隙間ｇを超音波が伝播するのに要する時間ｔ₁と、配管１１の外周面１２と内周面との間の肉厚内を超音波が伝播するのに要する時間ｔ₂の和の２倍であり、超音波の水中の伝播速度をＶ₁とすると、配管１１の肉厚内の伝播に要する時間ｔ₂は、
ｔ₂＝ｔ−ｔ₁
＝ｔ−［ｃ＋｛（λ＋ｄ）²−Ｄ²｝^1/2−λ−ｄ］／Ｖ₁
となり、隙間ｇを伝播する超音波の伝播時間を正確に算出することにより、波形信号から超音波が配管１１の肉厚内を伝播する時間ｔ₂を正確に求めることができる。

移動距離演算部１３５から出力される移動距離データ及び肉厚演算部１３６から出力される肉厚データは第１の肉厚分布演算部１３７に入力される。そして、親台車１３の移動距離データから、各超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌの親台車１３内での配置に基づいて、超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌ毎に、肉厚測定が行なわれたときの測定開始位置からの移動距離が順次算出され、超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌ毎の測定位置と最小肉厚の関係（肉厚分布）を求めて、例えば、超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌ毎に最小肉厚の値を階層分けして色別に表示する表形式データとして保存する。
更に、第１の肉厚分布演算部１３７で求まった超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌ毎の測定位置と最小肉厚の関係は第２の肉厚分布演算部１３８に入力され、超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌ毎の測定位置から配管１１の外周面１２の測定開始点に対する位置、すなわち、配管１１の周方向の測定位置を演算して、子台車１５Ａ〜１５Ｌの配置で決まる一定幅Ｊの領域内での肉厚分布を演算し階層分けして色別に表示するデータとして保存する。なお、親台車１３が配管１１の外周面１２を周方向に１周して測定開始位置に戻ってくると、親台車１３の走行を停止する。

そして、第１の肉厚分布演算部１３７及び第２の肉厚分布演算部１３８に保存された演算結果は測定管理部１３９に入力されて、図８に示すように、表示器１４０の表示領域Ａに配管１１の周方向の測定位置に対する一定幅Ｊの領域の肉厚分布（板厚分布）を表示し、表示領域Ｂに超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌ毎に最小肉厚（最小板厚）の値を階層分けして色別に表示する。また、表示領域Ｃに特定の測定位置（例えば、表示領域Ｂで反転している測定位置）における超音波探触子１６Ａ〜１６Ｌ毎の波形信号データ及び最小肉厚データを表示する。更に、図９に示すように、例えば、表示器１４０の表示領域Ａに表示される配管１１の周方向の測定位置に対する一定幅Ｊの領域の肉厚分布のみを拡大して表示領域Ｄに示すデータ処理結果と共に表示することもできる。

測定開始位置に戻った親台車１３は、一定幅Ｊに対して所定の重なり幅となるように配管１１の軸方向の一方側に移動させて測定開始位置に再配置し、親台車１３を再び配管１１の外周面１２上で周方向に走行させ、配管１１の軸方向に所定の長さについて測定を行う。そして、測定作業が完了すると、親台車１３及びポンプ１２８を停止させ、ケーブル１２５、親台車用駆動ケーブル１２７及び水配管１２９を取り外してから親台車１３を配管１１の外周面１２から取り出す。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明の超音波厚さ測定装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、超音波探触子を各支持部材にそれぞれ２、３、又は５以上取付け、支持部材の数も２又は４以上にしてもよく、ロータリーエンコーダを後側回動フレームに取付けたが前側回動フレームに取付けてもよい。
更に、第１の肉厚分布演算部及び第２の肉厚分布演算部に保存される演算結果を順次測定管理部に入力して、測定中にリアルタイムで表示器に配管の周方向の測定位置に対する一定幅の領域の肉厚分布を表示したり、表示器に各超音波探触子毎に最小肉厚の値を階層分けして色別に表示したり、あるいは表示器に各超音波探触子毎の波形信号データ及び最小肉厚データを表示するようにすることもできる。

本発明の一実施の形態に係る超音波厚さ測定装置の構成を示す説明図である。同超音波厚さ測定装置の側面図である。同超音波厚さ測定装置の平面図である。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同超音波厚さ測定装置の自在継手機構が設けられた子台車の側面図、正面図である。同超音波厚さ測定装置のデータ処理機の説明図である。超音波探触子の探触面と平面との間の隙間の説明図である。超音波探触子の探触面と配管の外周面との間の隙間の説明図である。同超音波厚さ測定装置のデータ処理機の表示器に表示される画面の説明図である。同超音波厚さ測定装置のデータ処理機の表示器に表示される配管の測定位置に対する一定幅の領域の肉厚分布の説明図である。

符号の説明

１０：超音波厚さ測定装置、１１：配管、１２：外周面、１３：親台車、１４：距離計、１５Ａ〜１５Ｌ：子台車、１６Ａ〜１６Ｌ：超音波探触子、１７Ａ〜１７Ｌ：超音波探傷機、１８：データ処理機、１９：台車フレーム、２０、２１：前側車輪、２２：前側回動フレーム、２３、２４：後側車輪、２５：後側回動フレーム、２６、２７：永久磁石、２８：上部台車フレーム、２９：下部台車フレーム、３０、３１：回動調整機構、３２：前側回動軸、３３：後側回動軸、３４、３５：アーム部材、３６：連結部材、３７、３８：アーム部材、３９：連結部材、４０、４１：上部側枠部材、４２、４３：上部連結枠部材、４４：上部枠体、４５、４６：切り欠き孔、４７、４８：軸受、４９、５０：カバー部材、５１、５２：ウォームホイール、５３、５４：ウォームシャフト、５５、５６：曲率調整ノブ、５７〜６０：軸受、６１：前車輪取付け部材、６２：後車輪取付け部材、６３：動力伝達機構、６４：減速電動機、７３：ブラケット、７７：自在継手機構、８５：第１の連結部、８６：第２の連結部、８７：ホルダーベース、８８、８９：掛止突起、９２、９３：ガイド部材、９５：スライド部材、９６：突起、９６ａ：ストッパー、９７：コイルスプリング、９８：ストッパー部材、９９：回転軸、１００：アーム部材、１０１、１０２：取付けボルト、１０９：車輪、１１０：子台車フレーム、１１１：押さえ部材、１１２、１１３：流路、１１４：ホースニップル、１１５：水止め部材、１１６：ホースニップル、１１８：マニホールド、１１９：測長輪、１２０：回動アーム、１２１：回転軸、１２２：ロータリーエンコーダ、１２３：超音波探触子用配線群、１２４：ロータリーエンコーダ用配線、１２５：ケーブル、１２６：ケーブルコネクター、１２７：親台車駆動用ケーブル、１２８：ポンプ、１２９：水配管、１３０：電源線、１３１：電動機用電源部、１３２：ポンプ用電源部、１３３：電動機操作部、１３４：ポンプ操作部、１３５：移動距離演算部、１３６：肉厚演算部、１３７：第１の肉厚分布演算部、１３８：第２の肉厚分布演算部、１３９：測定管理部、１４０：表示器

Claims

配管の外周面を周方向に走行可能な親台車と、前記親台車に取付けられて該親台車の走行距離を測定する距離計と、前記親台車に取付けられて前記外周面の周方向に直交する方向の一定幅領域を覆いながら該親台車と共に移動する複数の子台車と、前記外周面との間に水が充填される所定の隙間を有して前記各子台車に配置された超音波探触子と、前記超音波探触子とそれぞれ接続し該超音波探触子に作動信号を送信すると共に該超音波探触子からの出力信号を受信して波形信号として出力する超音波探傷機と、前記各波形信号を基に、前記隙間を考慮した前記配管の肉厚を求めるデータ処理機とを有する超音波厚さ測定装置であって、
前記データ処理機は、前記配管の肉厚内を往復する超音波の最短伝播時間から最小肉厚を算出し、前記距離計の出力信号及び前記最小肉厚から前記超音波探触子毎に前記配管の周方向の測定位置に対する肉厚分布を求め、階層分けして色別表示し、
前記親台車は、中央に空間部を備えた台車フレームと、該台車フレームの前側部に前側回動軸を介して回動可能に設けられ両側に対となる前側車輪を備えた前側回動フレームと、該台車フレームの後側部に後側回動軸を介して回動可能に設けられ両側に対となる後側車輪を備えた後側回動フレームと、該前側回動フレーム及び該後側回動フレームの底部にそれぞれ前記配管の外周面と一定の距離を設けて取付けられた永久磁石とを有し、しかも、前記台車フレームの前後には、前記前側回動軸及び前記後側回動軸にそれぞれ設けられたウォームホイールと該ウォームホイールに各々螺合し前記台車フレームに軸受を介して回転可能に支持されたウォームシャフトとを有し、
前記隙間の距離ｇは、前記子台車の進行方向の前後の車輪の中心間の距離及び前記配管の中心と前記子台車の車輪の中心との距離から前記子台車の前後の車輪の中心を結ぶ線分の中点と前記配管の中心との間の距離δを算出し、更に、予め設定された前記子台車の車輪の半径及び前記子台車を平面で走行させた際の前記超音波探触子の探触面と該平面との間の距離ｃを用いて前記中点と前記超音波探触子の探触面との間の距離εを算出して、前記配管の半径λを用いて、δ−ε−λにより求め、超音波の水中の伝播速度から水が充填された前記隙間を超音波が通過する時間ｔ ₁ を求めて、前記超音波探触子の探触面から前記配管の内周面までの超音波の伝播時間ｔから差し引き、前記配管の肉厚内を超音波が伝播するのに要する時間ｔ ₂ を求めることを特徴とする超音波厚さ測定装置。
請求項１記載の超音波厚さ測定装置において、前記各子台車は、前記空間部に中心位置を互いにずらせながら面上に並べられて、それぞれ自在継手機構を介して前記台車フレームに取付けられていることを特徴とする超音波厚さ測定装置。