JP5309198B2 - 超音波探傷装置及び超音波探傷方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波探傷技術の分野に係る。

超音波の送信用探触子と受信用探触子の２個の探触子を一定間隔で固定配置し、ＴＯＦＤ（Time of Flight Diffraction、飛行時間回折法）法を用いて被検査体内の欠陥を超音波探傷する装置の存在と、及びそのＴＯＦＤ法の規定がイギリスの規格ＢＳ７７０６（１９９３）に規定されていること、並びにＴＯＦＤ法では送信用探触子から出射した超音波を被検査体に入射する入射角は４５度〜５５度、その超音波に基づく被検査体内の欠陥先端からの回折波を受信用探触子で受信する受信角も４５度〜５５度に設定されていた、ということが知られている（例えば特許文献１参照。）。

その一方、送信した超音波ビームの広がりで回折波の強度が低下して欠陥検出性の低下が懸念されるから、その懸念を払拭する方法として、送信用探触子から出射される超音波ビームを集束させて欠陥先端に照射し、さらに受信用探触子の回折波検出領域も集束をさせて、回折波を効率良く検出することが公知である（特許文献１，特許文献２）。

回折波を効率良く検出する場合、超音波の入射角は４５度が効率上好ましいという点が公知である（例えば特許文献２の第４頁−第５頁，図２参照。）。

さらには、同一のケーシング内に装備される送信振動子列と受信振動子列として複数の振動素子を集合させた振動子群を、使用するとともに、その振動子群のそれぞれその振動素子に遅延回路を接続し、遅延回路による各振動素子の励起のタイミングを徐々にずらしていくことにより、超音波の進行方向を制御しつつ行う電子的走査により超音波の屈折角を微調整して欠陥深さ測定を行うことが公知である（例えば特許文献３の第３頁−第６頁，図１−図１２参照。）。

特開２００１−２２８１２８号公報（第２−４頁，図１−図８） 特開２００１−２２８１２６号公報（第４頁−第５頁，図１−図４） 特開２００２−６２２８１号公報（第３−６頁，図１−図１２）

これら従来例では、超音波送信探触子と受信探触子の２個の探触子を一定間隔で固定したＴＯＦＤ（Time of Flight Diffraction、飛行時間回折法）法で超音波探傷を行っており、さらに、超音波の入射角は４５度〜５５度、受信角も４５度〜５５度で設定されていた。この角度を４５度〜５５度と規定する理由は、従来は、欠陥先端に超音波ビームを照射して得られる回折波は４５度〜５５度方向が強いと考えられて一般的に用いられてきたからだ。

しかし、超音波の入射角を約４５度〜５５度、受信用も約４５度〜５５度で設定したＴＯＦＤ法では、超音波送信探触子と受信探触子を約４５度〜５５度の送受信角度を保つためにそれに応じた広い一定間隔で超音波送信探触子と受信探触子の間隔を固定して配置し、超音波送信探触子と受信探触子を合せた外寸が大きくなることから各送受探触子の接触する面積が小さい検査箇所や狭隘部の超音波探傷検査には適用ができないとともに超音波の送信から受信までの超音波の経路長さが長くなって超音波受信強度が弱くなる課題があった。

従って、本発明の目的は、検査対象物の浅い位置から深い位置にわたって確実に欠陥を検出することであり、更に好ましくは、超音波の減衰が大きい検査対象物にも超音波探傷が確実に実施できるようにすることである。

上記目的を達成するために、超音波を送信する複数の送信用振動素子を配列した送信振動子列、及び超音波を受信する複数の受信用振動素子を配列した受信振動子列の双方を有し、前記送信振動子列と前記受信振動子列の中央が検査対象物の欠陥表面開口部上に設置された送受信アレーセンサと、超音波送信角と超音波受信角との和の半分が３０度以内となる集束位置に各々の前記送信用の振動素子から発信された各超音波を集束させる制御装置と、前記受信用振動素子が受信した前記検査対象物内で回折して来た超音波に基づいて探傷情報を生成する生成手段と、前記生成手段によって生成された探傷情報を表示する表示手段とを有する超音波探傷装置を提案する。

本発明によれば、超音波回折強度が微弱となるような条件下でも確実に超音波探傷できるようになる。

本発明の実施例による超音波探傷装置の全体図。 本発明の実施例による超音波探傷装置の動作フローチャート図。 各振動素子への送信超音波振動子制御信号のタイミングチャート図。 送信超音波の発生タイミングチャート図。 本発明の実施例における欠陥信号の出力表示例１（Ａスキャン信号）の例示図。 （ａ）図及び（ｂ）図共に超音波送信角θｔと受信角θｒの定義の解説図。 送受信一体型小型アレーセンサの幅／奥行き／高さ，超音波振動子の素子幅／素子長さおよび絶縁材幅の定義の解説図。 送受信一体型小型アレーセンサの構造図。 送受信一体型小型アレーセンサの別の構造図。 本発明の欠陥信号の出力表示例２であり、超音波探傷装置の表示装置に表された画像をプリンターで紙にプリントした図。 本発明の欠陥信号の出力表示例３の例示図。 本発明の欠陥信号の出力表示例４であり、超音波探傷装置の表示装置に表された画像をプリンターで紙にプリントした図。 本発明の欠陥信号の出力表示例５であり、超音波探傷装置の表示装置に表された画像をプリンターで紙にプリントした図。 本発明の超音波探傷装置を欠陥検出および欠陥サイジングに適用した一例を示す図。 本発明の超音波探傷装置を欠陥検出および欠陥サイジングに適用した別の例を示す図。 本発明の原子炉炉内のシュラウドサポート部への送受信一体型小型アレーセンサの適用を各ケースについて示した図。 本発明を原子炉炉内炉底部のＣＲＤハウジングスタブチューブおよび原子力圧力容器の近傍に適用した場合の図。 本発明の送受信一体型小型アレーセンサを吊り下げ式検査装置に搭載した場合の図。 本発明である送受信一体型小型アレーセンサを凹面形状の検査対象部位へ適用した例１の図。 本発明である送受信一体型小型アレーセンサを凹面形状の検査対象部位へ適用した例２の図。 本発明である送受信一体型小型アレーセンサを凸面径形状の検査対象部位へ適用した例１の図。 本発明である送受信一体型小型アレーセンサを凸面径形状の検査対象部位へ適用した例２の図。 本発明である送受信一体型小型アレーセンサの凹凸面径形状への追従機構の例の図。 本発明の超音波探傷装置を欠陥検出および欠陥サイジングに適用した別の例を示す図。 本発明の超音波探傷装置を用いた原子炉内簡易検査装置の実施例の図。 本発明の超音波探傷装置を用いた原子炉内検査装置の実施例の図。

本発明の実施例では、超音波探傷装置の超音波の送受信アレーセンサの送信用振動素子に供給する信号又は前記受信用振動素子から出力される信号の少なくとも一方の信号の増幅度を前記超音波の集束の位置に応じて変化させることを提案する。

本発明の実施例においては、超音波の検査対象材料への送受信の入射角が３０度以下の領域を用いることで、送信および受信の集束点の交差領域を広くすることで、送信超音波の集束点と受信超音波の集束点の僅かな位置ずれによる欠陥検出感度の変動を大幅に低減することの例示も含まれている。

発明者等は複数の超音波の振動素子を配列した送信振動子列を備えているアレー型送信超音波振動子（送信用アレーセンサともいう。）と複数の超音波の振動素子を配列した受信振動子列を備えているアレー型送信受信超音波振動子（受信用アレーセンサともいう。）を１つのケーシング内に納めて一体成型した送受信一体型小型アレーセンサ（以下、単に送受信アレーセンサ又はセンサと略称する。）を製作した。発明者等は、このセンサを用いて超音波の送信および受信の両者に集束をかけて、尚且つ、従来では回折波の検出が困難と考えられていた超音波の送信／受信角をそれぞれ０度〜３０度に設定して検査対象物内の欠陥に超音波を照射し、欠陥探傷および欠陥サイジング試験を実施した。

その結果、欠陥探傷および欠陥サイジングが良好に実施可能であることを、はじめて発明者等が明らかにした。即ち、超音波の送信／受信角が、従来は４５度から５５度であるのを３０度以下という浅い角度でも、欠陥探傷および欠陥サイジングが良好に可能であることを発見した。

即ち、超音波の送信／受信角が４５度から５５度である従来ＴＯＦＤ法とは異なる新しい超音波探傷方法を確立することができた。この新しい超音波探傷方法は送受信の入射角が３０度以下の領域を用いることで、送信および受信の集束点の交差領域を広くすることが可能であり、送信超音波の集束点と受信超音波の集束点の僅かな位置ずれによる欠陥検出感度の変動を大幅に低減することができ、欠陥検出および欠陥サイジングが安定に実施可能である特徴を持つという、いわゆる欠陥検出感度のロバスト性を実現できるに至った。

この新しい超音波探傷方法を用いることで、従来法である端部エコー法やＴＯＦＤ法では欠陥検出および欠陥サイジングが不可能であった、（１）欠陥幅が狭く、超音波回折強度が微弱な欠陥、（２）超音波の減衰が大きい材料や超音波が屈曲する異方性材料中の欠陥、（３）探触子の接触可能面積が小さい検査箇所や狭隘部の欠陥、（４）溶接金属中の欠陥の欠陥検出および欠陥サイジングが実現できた。

この新しい超音波探傷方法を実現する具体的な実施例を以下に説明する。図１は本発明の超音波探傷装置の全体を表すものである。本発明の実施例による超音波探傷装置は大きく分けて、超音波探傷装置本体１２２と、その超音波探傷装置本体１２２と各信号線で電気的に接続された送受信アレーセンサ１４（以下、単にセンサ１４という。）から構成される。その各信号線は一束にされて信号ケーブル１２３とされる。

センサ１４は、送信用アレーセンサを構成する送信振動子列１５の各振動素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄから検査対象物である検査対象材料２１内に超音波１６を送信し、その超音波１６に基づいて検査対象材料２１内で超音波１６が欠陥２２の下端で回折して発生した回折波を受信用アレーセンサを構成する受信振動子列１９の各振動素子Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒで受信し、受信振動子列１９の各振動素子から回折波を受信したことによって各振動素子に発生した電気的信号を超音波探傷装置本体１２２へ出力するものである。この送信振動子列１５の各振動素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは送信用に用いられるので送信用振動素子であり、受信振動子列１９の各振動素子Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒは受信用に用いられるので受信用振動素子と定義できる。

この送信振動子列１５と受信振動子列１９を一体にして備えたセンサ１４は、検査対象材料２１の表面に、欠陥２２の真上にセンサ１４の中央部が位置するようにして置かれる。

超音波探傷装置本体１２２は、その受信振動子列１９の各振動素子から電気的信号を受けて超音波探傷結果として検査結果を創出するものである。超音波探傷装置本体１２２としては、入力装置１とメモリ２と超音波制御装置３と情報処理装置４とＩ／Ｏ５と表示装置６と送信側アンプ制御装置９と受信側アンプ制御装置１０と送信超音波振動子制御装置７と受信信号処理装置８と送信側アンプ１１と受信側アンプ１２とを有する。

以下でこれら各装置の詳細な説明およびその装置の役割を記載する。図１は本発明の実施例による超音波探傷装置の全体図を表すものである。図２は本発明の実施例における動作ステップのフローを記載したものである。

先ず、入力装置１を用いて、超音波の送受信パターンを決定するための入力条件を入力する（ステップａ）。入力条件とは、欠陥を高感度に検出する為の、超音波送受信パターンを決定する為の条件であり、（１）送信振動子列（図２では励起素子列と記している。）とする振動素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ、（２）受信振動子列（図２では受信素子列と記している。）の振動素子Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒ、(３）送信超音波集束点の位置(Ｆ１１，Ｆ１２，…，Ｆｍｎ，ｍ＝１〜ｉ，ｎ＝１〜ｊ）、（４）受信側集束点の位置（Ｆ１１，Ｆ１２，…，Ｆｍｎ，ｍ＝１〜ｉ，ｎ＝１〜ｊ）、（５）送信側アンプ１１の増幅度を表すゲイン、（６）受信側アンプ１２の増幅度を表すゲイン等から構成される。この入力条件は入力装置１からメモリ２および超音波制御装置３へ転送される（ステップｂ）。

超音波制御装置３では、入力条件より各超音波集束点に超音波が集束されるような各超音波振動子の超音波送信タイミングＴｔｉｍｎおよび受信タイミングＴｒｉｍｎを計算する（ステップｃ）。ここでＴｔ：送信超音波遅延時間，Ｔｒ：受信遅延時間，ｉ：振動素子の番号（Ａ，Ｂ，Ｃ，………），ｍｎ：２次元座標である。

送信振動子列の各振動素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄおよび受信振動子列の振動素子Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒを動作させるために必要な超音波制御信号を送信超音波振動子制御装置７および受信信号処理装置８へ超音波制御装置３からＩ／Ｏ５を介して送信する（ステップｄ）。送信超音波振動子制御信号（集束点Ｆｍｎ，初期値Ｆ１１）は送信側アンプ１１を用いて増幅され、送信振動子列１５の各振動素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄへ供給される（ステップｅ）。

送信振動子列１５の各振動素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄから放出されたそれぞれの超音波１６（球面波）は時間差があるため、検査対象材料２１内部の集束点１７（Ｆｍｎ）の位置で各超音波１６は集束される（ステップｆ）。図１においては集束点１７（Ｆｍｎ）に超音波１６を集束させるため、集束点１７（Ｆｍｎ）に最も遠いセンサ１４の最外部付近に存在する振動素子Ａへの送信信号が最も早く入力され、最も早く超音波が振動素子Ａから放出される。また、集束点１７（Ｆｍｎ）に最も近いセンサ１４の中心付近に存在する振動素子Ｄへの送信信号が最も遅く入力され、最も遅く超音波１６が振動素子Ｄから放出される。

図３に各振動素子への送信超音波振動子制御信号のタイミングチャートを示す。また、図４に図３によって発生する超音波１６の発生タイミングチャートを示す。上でも述べたように、検査対象材料２１内部の集束点１７（Ｆｍｎ）の位置で超音波を集束されるための各振動素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄへの遅延時間ＴｒＡｍｎ，ＴｒＢＡｍｎ，ＴｒＣｍｎ，…は超音波制御装置３で計算される。従って、超音波１６（球面波）は時間差があるため、検査対象材料２１内部の集束点１７（Ｆｍｎ）の位置で超音波は集束させることが可能となる。

集束点１７（Ｆｍｎ）の位置に欠陥端部がある場合、超音波が欠陥端部で回折して回折波１８が生じ、回折波１８は受信振動子列１９の各振動素子Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒに時間差を持ちながら入射する（ステップｇ）。

図１では集束点１７（Ｆｍｎ）に最も近いセンサ１４の中央付近に存在する受信側の振動素子Ｏに入射する回折波１８が時間的に最も早く、また、集束点１７（Ｆｍｎ）に最も遠いセンサ１４の最外部付近に存在する受信側の振動素子Ｒに入射する回折波１８が時間的に最も遅い。受信振動子列１９の各振動素子Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒに回折波１８が入射すると、受信振動子列１９の各振動素子Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒには回折波１８の強度および時間に対応した超音波受信信号（電気信号）が誘起され、この超音波受信信号（電気信号）は受信側アンプ１２で増幅されて、受信信号処理装置８へ入力される（ステップｈ）（ここで、受信側アンプ１２と受信信号処理装置８を入れ替えて、受信信号処理装置８で信号を加算して１つの信号に合成した後に、受信側アンプ１２の１個で増幅しても良い）。

受信信号処理装置８では、受信振動子列１９の各振動素子Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒの受信の集束点１７（Ｆｍｎ）と受信振動子列１９の各振動素子Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒの位置関係（距離関係）より各超音波受信信号（電気信号）を合成する受信タイミングＴｒｉｍｎを制御した後、各超音波受信信号（電気信号）を加算して１つの超音波受信信号を作成する（ステップｉ）。受信タイミングＴｒｉｍｎは入力条件より決定された受信の集束点（集束点１７（Ｆｍｎ）と同じ）に受信振動子列１９の各振動素子Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒの受信の集束点が集束されるような値を超音波制御装置３で計算されたものである。

超音波受信信号はＩ／Ｏ５を介して情報処理装置２０４とメモリ２へ転送される（ステップｊ）。ここで得られる超音波受信信号を情報処理装置４で表示形態に応じて処理して表示装置６で探傷情報として表示させたときの代表例を図５に示す。この信号表示はＡスコープと呼ばれており、探傷情報として横軸が超音波受信信号（電気信号）の時間、縦軸には超音波受信信号強度が表示される。図５のように探傷情報として欠陥回折波信号が表示されることにより、その欠陥回折波信号の存在を欠陥の存在根拠として認識して欠陥の検出が可能となる。また、超音波の送信した時間と回折波の検出時間（超音波の伝播時間）より、欠陥の深さを測定（欠陥サイジング）することができる。

従来の超音波探傷方法による回折波１８は微弱であるため、本実施例では上記のように、欠陥端部に送信超音波を集束させ、受信側も集束させることにより回折波検出感度を大幅に向上させることが可能となる。しかも、超音波の送信角や回折波の受信角が３０度以下の領域を用いることで、送信および受信の集束点の交差領域を広くすることが可能であり、欠陥検出および欠陥サイジングをロバストにすることが可能となった。このように、本発明の実施例では、超音波の送受信角が３０度以下となる領域に超音波の集束点を少なくとも一点設定してあり、全点をそのように設定しても良い。

このようにして、超音波１６の集束点と受信の集束点が同じ場所になるように超音波制御装置３で超音波送信タイミングと受信タイミングを計算し、その制御信号を送信超音波振動子制御装置７と受信信号処理装置８に与えて処理する。

以上のステップｅからステップｊの動作は、２次元座標で定義される集束点（Ｆ１１，Ｆ１２，…，Ｆｍｎ，ｍ＝１〜ｉ，ｎ＝１〜ｊ）が複数存在する場合には、ステップｊ以降のステップｋ，ｌ，ｍ，ｎ，ｏを実行することによって、複数の各集束点に対して行われる。そして、最終的には、ステップＰで回折波を受信して得られた受信信号を所望する表示形態に合うように情報処理装置４で処理し、その情報処理装置を用いて受信信号を所望の表示形態の探傷情報として表示装置６で画像表示するとともに、受信信号の情報（受信データ）を処理，解析する。

このように、本発明の実施例では、小型で高感度，高分解分解能および欠陥検出がロバスト探傷方法を実現する為、（１）超音波探傷装置において、送信用アレーセンサと受信用アレーセンサのそれぞれの集束音場の交点（集束点１７）が存在し、そのなす超音波の送信角と受信角の角度の和の１／２が３０度を含む範囲で集束音場の交点を移動させること、（２）集束音場の交点が送信用アレーセンサと受信用アレーセンサの中心であること、（３）超音波の送信角θｔと受信角θｒの値を従来では回折波の検出が困難と考えられていた３０度以下の領域を用いて（送信角θｔと受信角θｒをそれぞれ３０度以下の領域を含むように設定）、欠陥に超音波を送信／受信し、超音波の伝播時間より欠陥探傷および欠陥サイジング試験を実施すること、（４）小型，高感度，高分解分解能な送受信一体型小型アレーセンサに適した小型で緻密化したアレーセンサ（素子幅：１.０mm以下，絶縁材幅：０.２mm以下）にしてあることなどが提案できる。

図６の（ａ）図及び（ｂ）図にセンサ１４から検査対象材料２１への超音波１６の送信角θｔと超音波である回折波１８のセンサ１４への受信角θｒの定義を示す。超音波送信角θｔは送信振動子列１５の中央と集束点１７を結んだ線（図中の実線）とセンサ１４の中心（送信振動子列１５と受信振動子列１９の間）と集束点１７を結んだ線（図中の破線）とのなす角と定義する。受信角θｒは受信振動子列１９の中央と集束点１７を結んだ線（図中の実線）とセンサ１４の中心（送信振動子列１５と受信振動子列１９の間）と集束点１７を結んだ線（図中の破線）とのなす角と定義する。

本発明の実施例では、超音波探傷装置で送信した超音波と回折波として受信した超音波のそれぞれの集束音場の交点（集束点１７）が存在し、その集束音場の交点に対する超音波送信角θｔと受信角θｒとの和の１／２が３０度以下を含む範囲で集束音場の交点を移動させている。この動作を実行するには、送信角θｔと受信角θｒの値がそれぞれ３０度以下を含む範囲で集束音場の交点の位置を変位させるように、入力条件として送信超音波集束点（Ｆ１１,Ｆ１２,…，Ｆｍｎ，ｍ＝１〜ｉ，ｎ＝１〜ｊ）と受信側集束点（Ｆ１１，Ｆ１２，…，Ｆｍｎ，ｍ＝１〜ｉ，ｎ＝１〜ｊ）を入力し、図１の装置を用いて図２の動作のフローを実行して実現できる。

図７には、センサ１４の幅／奥行き／高さ、電気的信号を超音波に変換する振動素子、即ち送信振動子列１５と受信振動子列１９を構成する振動素子の素子幅／素子長さおよび絶縁材幅の定義を図示してある。

本発明の実施例では、送信用アレーセンサと受信用アレーセンサを小型に一体化したセンサ１４を用いること、そのセンサ１４の大きさが検査対象部位あるいは検査対象部位である溶接金属部の幅より小さい、または同等であること、センサ１４に装備された送信振動子列１５と受信振動子列１９を構成する振動素子の幅が素子と素子との間隔の２倍以上、４０倍以下であること、特に、原子炉炉内で用いる超音波探傷装置において、検査対象面である溶接金属部や母材に直接接触させる送受信一体型小型アレーセンサの接触面積（フットプリント）をセンサ１４の幅方向３０mm×センサ１４の奥行き方向３０mm以下の小型として、溶接金属部の欠陥の真上からセンサ１４を直接接触させることにより欠陥の検出またはサイジングを行えるようにした。センサ１４の振動素子に関しては、素子幅が２.０mmを超えると真下方向の超音波が真下に強くなって横方向のそれが弱くなるので、結果として超音波の集束制御が行いにくくなること、及び素子幅が０.１mm未満である場合には、発信できる超音波のエネルギーが弱くなって深い位置に超音波が伝わりにくくなることを考慮して、振動集束素子幅は０.１mm〜２.０mmとし、振動素子間の絶縁材幅は０.０５mm〜０.２mmとした。このようにして、小型で振動素子が緻密化されたセンサ１４を構成する。

例えば、センサ１４の振動集束素子幅と、振動素子間の絶縁材幅は、送信振動子列１５と受信振動子列１９の各振動素子（超音波振動子）間の間隔を１.０mm（素子幅：０.８mm，絶縁材幅：０.２mm）に設定し、送信振動子列１５を８素子、受信振動子列１９を８素子、合計で１６素子、幅：１.０mm／素子×１６素子＝１６mm、素子長さ：１０mmのアレー探触子で実現した。また、送信振動子列１５と受信振動子列１９の各振動素子（超音波振動子）間の間隔を０.５mm(素子幅：０.４mm，絶縁材幅：０.１mm）に設定し、送信振動子列１５を１６素子、受信振動子列１９を１６素子、合計で３２素子、幅：０.５mm／素子×３２素子＝１６mm，素子長さ：１０mmのアレー探触子で実現した。また、送信振動子列１５と受信振動子列１９の各振動素子（超音波振動子）間の間隔を０.２５mm(素子幅：０.２mm，絶縁材幅：０.０５mm）に設定し、送信振動子列１５を３２素子、受信振動子列１９を３２素子、合計で６４素子、幅：０.２５mm／素子×６４素子＝１６mm，素子長さ：１０mmのアレー探触子で実現した。これらにより、センサ１４の幅と奥行きによって定められるセンサ１４の断面（フットプリント）が幅方向約１６mm×奥行き方向１０mmと非常に小さいセンサが実現できる。

即ち、本発明の実施例は、センサ１４の断面積（フットプリント）が幅方向３０mm×奥行き方向３０mm以下の非常に小さいセンサを用い、この小型のセンサ１４で欠陥探傷および欠陥サイジングが実現できる。原子炉炉内の代表的な溶接金属部の幅は約２０〜５０mm前後であり、この上に接触させることを考えるとセンサ１４のフットプリントは幅方向３０mm×奥行き方向３０mm以下にすることで検査が良好に実施可能となる。

前述の説明では、「検査対象面である溶接金属部や母材に直接接触させる送受信一体型小型アレーセンサの接触面積を３０mm×３０mm以下の小型とし」、という表現を用いているが、この表現は、検査対象材料の表面にセンサ１４を直接密着させる方法は当然の事ながら、検査対象材料の表面との摩擦を避ける為に用いられる部分水浸法（水距離１０mm以下）を実施することも意味として含む。

図８にセンサ１４の構造の一例を示す。送信振動子列１５と受信振動子列１９の各振動素子は超音波の出入りする入出射面であるエポキシ樹脂板１０１の上に設置され、樹脂１０２で位置が固定されている。ケーシング１００と樹脂１０２の間には超音波を吸収する遮音材１０３が充填されている。図９にセンサ１４の別の構造例では、送信振動子列１５と受信振動子列１９の各振動素子はエポキシ樹脂板１０１の上に設置され、その間には吸音材１０４（コルク材等）が設置され、これにより、送信振動子列１５と受信振動子列１９間の音のクロストークは大幅に低減可能であり、ノイズの低減とさらなる検出感度の向上が実現できる。

後に記載した実施例で詳細には説明するが、本装置構成を用いれば、集束点１７をセンサ１４の中心真下方向に電子的に走査すること、即ち集束点１７の位置を移動させることが可能となる。ここで得られる探傷情報として欠陥の信号を表示装置６で表示させたときの代表例を図１０に示す。この信号表示は欠陥深さを表示したものであり、横軸が送受信一体型小型アレーセンサ１４の送信振動子列１５と受信振動子列１９が並んでいる方向の距離、縦軸はセンサ１４の底面方向の距離である。図１０中の原点が受信アレープローブの中心であり、超音波の受信角θｒの時の信号強度（Ａスコープの信号強度を色濃淡画像で表示）を表示したものである。即ち、この２次元座標上の濃淡分布は超音波受信信号（電気信号）強度を表したものである。超音波受信信号（電気信号）の強度か高い部分には超音波の発生源（反射源）である欠陥の先端があると評価できるため、欠陥のサイジングが可能となる。図１０から分かるとおり、欠陥の先端を視覚的に認識することが可能であり、欠陥検出および欠陥サイジングの客観性が向上できる。

図１１に本発明の実施例における超音波探傷装置の別の表示例を示す。図１１は欠陥先端が２箇所ある場合の例を示した。焦点深さＦ１１（θｒ＝θ１），Ｆ１２（θｒ＝θ２），Ｆ１３（θｒ＝θ３），Ｆ１４（θｒ＝θ４）…に対して、θｒ毎にＡスコープを表示させたものであるが、このときのＦ１１（θｒ＝θ１），Ｆ１２（θｒ＝θ２），Ｆ１３（θｒ＝θ３），Ｆ１４（θｒ＝θ４）のＡスコープの模式波形を図１１に示した。Ｆ１１（θｒ＝θ１）に着目すると、超音波集束点領域に存在する超音波信号が欠陥指示信号と考えられ、同様にＦ１２（θｒ＝θ２），Ｆ１３（θｒ＝θ３），Ｆ１４（θｒ＝θ４）の超音波集束点領域に着目し、この超音波集束点領域にゲートをかけて全て加算すると最下部のＡスコープ波形（ＡＣスコープ）が得られる。このＡＣスコープの超音波信号が存在するところに欠陥先端があると認識できることから、欠陥検出および欠陥サイジングが可能となる。

図１２に本発明の実施例における探傷情報の別の表示例を示す。この探傷情報の信号表示は欠陥深さを客観的に評価することを目的に表示したものであり、横軸が欠陥深さ（∝超音波受信信号の時間）、縦軸は集束パターン番号である。縦軸の集束パターン番号とは送信超音波集束点（＝受信側集束点）番号でありＦ１１，Ｆ１２，Ｆ１３，Ｆ１４に対応する。即ち、図３ｃは縦軸（集束パターン番号）に対応したＡスコープの信号強度を色濃淡画像で表示させたものである。超音波受信信号（電気信号）の強度が高い部分には回折波である超音波の発生源（反射源）としての欠陥の先端があると評価できるため、欠陥のサイジングが可能となる。図１２から分かるとおり、欠陥の先端を視覚的に認識することが可能であり、欠陥検出および欠陥サイジングの客観性が向上できる。

集束点１７をセンサ１４の中心真下方向に電子的に走査する探傷条件で、そのセンサ１４を機械的に走査（センサ１４の送信振動子列１５と受信振動子列１９の各振動素子が並んでいる方向に対して直交する水平方向に走査）した場合の、欠陥の信号を含む探傷情報を表示装置６で表示させたときの代表例を図１３に示す。横軸が超音波受信信号（電気信号）の時間、縦軸はセンサ１４の走査方向の距離であり、この２次元座標上の濃淡分布は超音波受信信号（電気信号）強度を表したものである。即ち、超音波受信信号（電気信号）の局所的に強度か高い部分には回折波である超音波の発生源（反射源）である欠陥の先端があると評価でき、また、その他の定常的に強度か高い部分には底面エコーと判断できるため、欠陥の検出およびサイジングが可能となる。

超音波の送受信で得られた受信信号の情報は図１０，図１１，図１２，図１３のいずれかの表示による探傷情報として表示装置６で可視化されるのであるが、それらの探傷情報は受信信号処理装置８からメモリ２に送られて蓄積された受信信号や情報処理装置４に送られてきた受信信号に基づいて情報処理装置４で表示形態にあった探傷情報に処理されて表示装置６に表示される。

図１では欠陥２２の下側の先端の位置が概ね判明している場合で、超音波１６の集束点１７をその先端の位置に合せて一箇所にする入力条件とする。検査対象材料２１の表面に開口している欠陥２２の先端（各図中の欠陥２２の下端）に超音波１６の集束点１７を定め、その集束点１７に超音波１６を集束させるように送信振動子列１５の各振動素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄから超音波１６を発信して欠陥２２の先端である集束点１７に向かって超音波１６を集束させる。集束された超音波１６は欠陥２２の先端で回折して回折波１８が生じる。この回折波１８は受信振動子列１９の各振動素子Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒに入射して受信される。各振動素子Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒが回折波を受信することによって各振動素子Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒから超音波受信信号（電気信号）が出力されて送受信信号遅延制御装置７へ伝送され、増幅および遅延処理が実行された後、超音波波形である図５の波形が表示装置６に表示される。その表示内容は図１０，図１１または図１３等で有っても良い。これにより、欠陥検出および欠陥サイジングが可能となる。図１では欠陥２２の先端がある程度分かっているときの手法について述べた。この場合には、集束点１７は一箇所であるから、集束点１７を複数設定して集束点を移動させる必要が無い。

図１４は、本発明の実施例による超音波探傷装置を欠陥検出および欠陥サイジングに適用した別の例を示すものである。上で述べたように欠陥２２の下側の先端がある程度分かっているときの手法について述べたが、実際の検査ではカメラ等を用いた目視検査にて検査対象材料２１の表面に欠陥２２の開口があるという初期情報しかない場合が多い。即ち、欠陥２２の深さ、即ち、欠陥２２の下端の位置は分からない状態で、超音波探傷試験を実施することが多い。図１４ではこのような、欠陥２２の深さは分からない状態で、超音波探傷試験を実施する例について記載したものであり、以下で詳細に説明する。

図１４を用いて欠陥探傷およびサイジングの手順を以下に記載する。検査対象材料２１の中に発生した欠陥２２の真上、即ち、検査対象材料２１の表面に現れた欠陥２２の開口にセンサ１４を、センサ１４の中央部が対面するように押し当てる。

欠陥２２とセンサ１４の位置合わせは、目視あるいはカメラと照明を用いた遠隔目視にて実施し、センサ１４の中心と欠陥２２の開口とを位置合わせする。即ち、欠陥２２の真上にセンサ１４の位置合わせをして欠陥検出および欠陥サイジングを実施する。

検査対象材料の表面に存在する欠陥２２の開口側からの目視では欠陥２２の深さは分からないため、本実施例では送信超音波１６の集束点１７（＝超音波の集束受信点）を欠陥の奥行き（深さ）方向であるセンサ１４の真下方向に連続的にあるいは離散的に走査させる。この送信超音波１６の集束点１７（＝超音波の集束受信点）のセンサ１４真下方向の走査は超音波制御装置３を用いて送信超音波振動子制御装置７および受信信号処理装置８を制御して可能であり、超音波集束幅は数ミリ程度の有限の大きさを持つ事から、欠陥２２の端部と集束した送信超音波１６との相互作用で回折波１８が生じる。この回折波１８は受信振動子列１９に入射し、超音波受信信号（電気信号）は受信側アンプ１２で増幅されて、受信信号処理装置８へ伝送／信号合成されメモリ２に記憶または情報処理装置４で信号処理される。ここで得られる超音波波形は図５が得られ、欠陥検出および欠陥サイジングの出力は図１０，図１３が得られる。これにより、欠陥２２の深さは分からない状態でも欠陥検出および欠陥サイジングが可能となる。

図１４と表１を用いて集束点１７の位置（深さ）により送信アンプのゲインを変化させる一例を説明する。図１４では集束点１７をＦ１１→Ｆ１２→Ｆ１３→Ｆ１４へと走査させている。このため、図１４の例では、送受信の集束点１７の位置として４箇所の位置が超音波の送受信パターンを決定するための入力条件として設定される。

検査対象材料２１の集束点１７の内表層付近（Ｆ１１）では深い点（Ｆ１４）に比べて超音波の伝播距離が短く、検査対象材料２１中の超音波の減衰が少ないため、表層付近（Ｆ１１）では超音波の強度が高い。これに対し、集束点の深い点（Ｆ１４）では超音波の伝播距離が長く、検査対象材料２１中の超音波の減衰が大きく、表層付近（Ｆ１１）に比べ超音波の強度が低くなる。集束点の深い点（Ｆ１４）に合わせて送信側アンプ１１のゲインを設定してしまうと、表層付近（Ｆ１１）ではゲインが高すぎて、超音波の不感帯が大きくなる為、検査対象材料２１の表層付近（Ｆ１１）の欠陥を検出することができない。

このため、検査対象材料２１の表層付近（Ｆ１１）では集束点の深い点（Ｆ１４）に比べ送信側アンプ１１のゲインを低く設定する。即ち、本実施例では集束点深さに最適な超音波強度を与える為、超音波制御装置３で集束点深さに最適な超音波強度を計算および設定し、Ｉ／Ｏ５を通して送信側アンプ制御装置９を制御し、送信側アンプ１１のゲインを集束点深さに応じて変化させる。したがって、超音波制御装置３と送信側アンプ制御装置９が第１増幅度制御装置としても機能する。これにより、検査対象材料２１内の集束点１７の内表層付近（Ｆ１１）から集束点の深い点（Ｆ１４）までの広範囲における欠陥検出および欠陥サイジングが可能となる。

表１に代表的な送信側アンプ１１のゲイン設定を示す。ＡＴ１〜ＡＴ４は送信側アンプ１１の各アンプ名称であり、一振動素子に一アンプが接続されているものである。Ｆ１１〜Ｆ１４は送受信の集束点１７を示し、集束点１７の浅い方から順にＦ１１〜Ｆ１４である。各アンプＡＴ１〜ＡＴ４のある集束点(Ｆ１１〜Ｆ１４)におけるゲインはＧである。例えば、アンプＡＴ１の集束点Ｆ１１のゲインはＧＡ１、集束点Ｆ１４のゲインはＧＤ１である。表１に示すとおり、各アンプのゲインは集束点深さに応じてゲインを最適化し、集束点深さが深くになるに従いゲインを大きく設定する（ＧＡ＜ＧＢ＜ＧＣ＜ＧＤ）ことを特徴とする。

上記では集束点１７の深さにより送信アンプのゲインを変化させる実施例の一例を示したが、この効果は、集束点１７の深さにより受信側アンプ１２のゲインを変化させることでも実現可能であり、その一例を以下に説明する。検査対象材料２１の表層付近（Ｆ１１）では深い点（Ｆ１４）に比べて超音波の伝播距離が短く、検査対象材料２１中の超音波の減衰が少ないため、表層付近（Ｆ１１）では超音波の強度が高い。これに対し、集束点の深い点（Ｆ１４）では超音波の伝播距離が長く、検査対象材料２１中の超音波の減衰が大きく、表層付近（Ｆ１１）に比べ超音波の強度が低くなる。集束点の深い点（Ｆ１４）に合わせて受信側アンプ１２のゲインを設定してしまうと、表層付近（Ｆ１１）ではゲインが高すぎて、検査対象材料２１の表層付近（Ｆ１１）の欠陥を正確に検出することができない。

このため、受信側アンプ１２のゲインを検査対象材料２１の表層付近（Ｆ１１）では集束点の深い点（Ｆ１４）に比べ低く設定する。即ち、本発明の特徴は集束点深さに最適な超音波検出感度を与える為、超音波制御装置３で集束点深さに最適な超音波検出感度を計算および受信側アンプ１２のゲインを設定し、Ｉ／Ｏ５を通して受信側アンプ制御装置１０を制御し、受信側アンプ１２のゲインを集束点深さに応じて変化させるところにある。したがって、超音波制御装置３と受信側アンプ制御装置１０が第２増幅度制御装置としても機能する。

これにより、検査対象材料２１の表層付近(Ｆ１１）から集束点の深い点（Ｆ１４）までの欠陥検出が可能となる。表２に代表的な受信側アンプ１２のゲイン設定を示す。ＡＲ１〜ＡＲ４は受信振動子列の各振動素子一個につき一台の受信側アンプ１２を接続した、その受信アンプ１２の各アンプ名称であり、Ｆ１１〜Ｆ１４は集束点１７を示し、集束点１７の浅い方から順にＦ１１〜Ｆ１４である。各アンプ（ＡＲ１〜ＡＲ４）のある集束点（Ｆ１１〜Ｆ１４）におけるゲインはＧである。例えば、アンプＡＲ１の集束点Ｆ１１のゲインはＧＯ１、集束点Ｆ１４のゲインはＧＲ１である。表２に示すとおり、各アンプのゲインは集束点深さに応じてゲインを最適化し、集束点深さが深くになるに従いゲインを大きく設定する（ＧＯ＜ＧＰ＜ＧＱ＜ＧＲ）。

上記では集束点の深さにより送信側アンプまたは受信側アンプのゲインを変化させる一例を示したが、この効果は、集束点（深さ）により送信側アンプと受信側アンプの両者のゲインを変化させることでも実現可能である。即ち、送信側アンプと受信側アンプの両者の各アンプのゲインは集束点１７の深さに応じてゲインを最適化し、集束点１７の深さが深くになるに従いゲインを大きく設定することを特徴とする。

図１５は、本発明の実施例による超音波探傷装置を欠陥検出および欠陥サイジングに適用した別の例を示すものである。上で述べたように図１４の例ではセンサ１４の真下方向に欠陥２２が進展している場合の欠陥検出および欠陥サイジング方法について記載した。

図１４のように欠陥２２は真下方向に進展しているケースが多いと考えられるが、稀なケースとしては欠陥が真下方向ではなく、斜め方向に進展している欠陥や欠陥先端が枝分かれしているケースなども考える必要がある。図１５は欠陥の進展形状が分からない状態で、超音波探傷試験を実施する例について記載したものであり、以下で詳細に説明する。欠陥探傷およびサイジングの手順を以下に記載する。検査対象材料２１の中に発生した斜め方向に進展している欠陥や欠陥先端が枝分かれしている欠陥２４の表面開口部の真上にセンサ１４を押し当てる。

表面開口側からの目視では欠陥の進展方向や欠陥形状は分からないため、先ず送信超音波１６の集束点（＝超音波の集束受信点）をセンサ１４の真下方向に連続的にあるいは離散的に走査させ超音波データを収録した後、次に、集束点（＝超音波の集束受信点）をセンサ１４の送信振動子列１５の振動素子配列方向（図１５中のＸ方向）に超音波集束幅（数ミリ程度）の１／２または１／４程度の距離を移動させた後に真下方向（図１５中のＹ方向）に連続的にあるいは離散的に走査させ超音波データを収録する。

この後、更に集束点（＝超音波の集束受信点）をセンサ１４の送信振動子列１５の振動素子配列方向（図１５中のＸ方向）に超音波集束幅（数ミリ程度）の１／２または１／４程度の距離を移動させた後に真下方向（図１５中のＹ方向）に連続的にあるいは離散的に走査させ超音波データを収録する手順を繰り返すことで、センサ１４の下部の２次元的な走査が実現できる。本実施例の走査方法および欠陥検出により検査対象材料２１の中に発生した斜め方向に進展している欠陥や欠陥先端が枝分かれしている欠陥２４をも欠陥検出および欠陥サイジングが可能となる。

図１６は既述のいずれかの実施例による超音波探傷装置を原子炉炉内のシュラウドサポート部の超音波探傷作業に適用した例を示したものである。原子炉内のシュラウドサポート２５とシュラウドサポートリング２７とは原子炉圧力容器内に装備されていて、互いにインコネル溶接金属部２９で溶接されている。シュラウドサポート２５とシュラウドサポートリング２７とを接合するインコネル溶接金属部２９を溶接で得る際には温度上昇が生じ、インコネル溶接金属部２９の近傍にシュラウドサポートリングの熱影響部２８が発生する。同様にインコネル溶接金属部２９の近傍にシュラウドサポートの熱影響部２６が発生する。一般的にインコネル溶接金属部２９，シュラウドサポートリングの熱影響部２８およびシュラウドサポートの熱影響部２６は応力腐食割れの感受性が高いと考えられており、これらの部位の欠陥検出および欠陥サイジングは非常に重要な課題となっている。表面開口欠陥２２の検出は従来型の斜角探触子を用いた超音波探傷方法では欠陥検出および欠陥サイジングは非常に困難である。

また、従来ＴＯＦＤ法を用いた溶接部の検査では、溶接線を跨いだ体系、での検査となるため、超音波ビームの伝播経路が送信探触子→母材→溶接金属部→母材→受信探触子となり、超音波ビームが母材から溶接金属部へ入射するに、超音波ビームが曲がること、および溶接金属内部では超音波ビームが拡散／減衰することが知られている。また、従来型のＴＯＦＤ法を用いた超音波探傷方法は、超音波送信探触子と受信探触子を一定間隔で固定し、走査することが必要であり外寸が大きくなることから、図１７に示すような幅が狭く段差があるインコネル溶接金属部２９，シュラウドサポートリングの熱影響部２８およびシュラウドサポートの熱影響部２６には適用が困難である。図１７は表面開口欠陥２２の欠陥検出および欠陥サイジングに適したセンサ１４を用いた超音波探傷装置を原子炉炉内のシュラウドサポート部のインコネル溶接金属部２９，シュラウドサポートリングの熱影響部２８およびシュラウドサポートの熱影響部２６に適用した例を示したものである。

図１６中のケース（１）は表面開口欠陥２２の欠陥検出および欠陥サイジングに適したセンサ１４を用いた超音波探傷装置をシュラウドサポートリングの熱影響部２８に適用した例を示したものであるが、図からも分かる通り、表面開口欠陥２２の頂上（欠陥２２の開口部）にセンサ１４を設置させることが可能であり、シュラウドサポートリングの熱影響部２８に適用可能である欠陥検出および欠陥サイジングが可能となる。

図１６中のケース（３）は本発明である表面開口欠陥２２の欠陥検出および欠陥サイジングに適したセンサ１４を用いた超音波探傷装置をシュラウドサポートの熱影響部２６に適用した例を示したものであるが、図からも分かる通り、表面開口欠陥２２の頂上にセンサ１４を設置させることが可能であり、シュラウドサポートの熱影響部２６に適用可能である欠陥検出および欠陥サイジングが可能となる。

同様に、図１６中のケース（２）は表面開口欠陥２２の欠陥検出および欠陥サイジングに適したセンサ１４を用いた超音波探傷装置をインコネル溶接金属部２９に適用した例を示したものであるが、図からも分かる通り、表面開口欠陥２２の頂上にセンサ１４を設置させることが可能であり、インコネル溶接金属部２９に適用可能であり欠陥検出および欠陥サイジングが可能となる。

特にインコネル溶接金属部２９は超音波の減衰が大きいこと、超音波が屈曲することおよびノイズエコーが発生することから、インコネル溶接金属部２９での超音波伝播距離が長くなる従来型の斜角探触子を用いた超音波探傷方法や従来型ＴＯＦＤ法を用いた超音波探傷方法では欠陥検出および欠陥サイジングは非常に困難である。これに対し、本発明である送受信一体型小型アレーセンサ１４を用いた超音波探傷方法では、送受信一体型小型アレーセンサ１４をインコネル溶接金属部２９へ設置して欠陥検出および欠陥サイジングを実施するため、以下の利点がある。（１）溶接金属部の超音波伝播距離が比較的短くでき、回折波の検出効率が高くなる。（２）超音波の屈曲の影響が多少あったとしても、送受信一体型小型アレーセンサ１４から出射される超音波と欠陥先端からの回折波はほぼ同じ経路を伝播するため、送受信一体型小型アレーセンサ１４は小型であり、送信超音波振動子群と受信超音波振動子群が近接しているため、回折波を効率的に検出できる。更に後で別の実施例で記載する送信超音波振動子と受信超音波振動子を交互に配置した送受信一体型小型アレーセンサでは、超音波の送信領域と受信領域をほぼ同じ領域にすることができるため、超音波の屈曲の影響による回折波の検出効率の低下を防止でき、回折波を効率的に検出し欠陥検出効率を飛躍的に改善できる。（３）直接接触であるため、水浸法で問題となるような検査対象部位から反射されるような形状エコーの影響が無く、回折波のＳＮ比が高くなる。即ち、従来法に比べて本発明は欠陥検出および欠陥サイジング性が大幅に改善される。

図１６を用いて、欠陥サイジング方法について説明する。図１６のシュラウドサポート２５のように板厚ｔが既知の部位を利用し、センサ１４で出射した超音波が反対面である底面に反射して戻ってきて、検出された時間より材料の音速を評価することが可能であり、この音速と回折波の現れた時間との関係より欠陥サイジングが可能となる。また、図１６のインコネル溶接金属部２９も同様に、板厚ｔが既知の部位を利用し、センサ１４で出射した超音波が反対面である底面に反射して戻ってきて、検出された時間より材料の音速を評価することが可能であり、この音速と回折波の現れた時間との関係より欠陥サイジングが可能となる。

センサ１４の大きさが検査対象部位あるいは検査対象部位である溶接金属部の幅より小さい、または同等である。即ち、図１６中のＷｗｅｌは検査対象部位あるいは検査対象部位である溶接金属部の幅、Ｗはセンサ１４の大きさ（幅）である。図１６からも分かるとおり、センサ１４の大きさ（幅）Ｗは検査対象部位あるいは検査対象部位である溶接金属部の幅Ｗｗｅｌより小さい、または同等であるから、例えば、検査対象部位である溶接金属部でセンサ１４から発信された超音波で欠陥２２を探傷する際には他の溶接金属外の金属組織内を通過しなくて良い。図１６は溶接部の両端に段差がある場合を示したが、段差が無い表面における溶接のＸ開先，Ｖ開先，レ開先でも同様であり、センサ１４の大きさ（幅）Ｗは検査対象部位あるいは検査対象部位である溶接金属部の幅Ｗｗｅｌより小さい、または同等であることが好ましい。

図１７は既述のいずれかの実施例による超音波探傷装置を原子炉炉内炉底部のＣＲＤハウジングスタブチューブ３１および原子力圧力容器３２の近傍の探傷に適用した例を示したものである。記述のいずれかの実施例による超音波探傷装置のセンサ１４，多関節マニピュレータ３３を収納可能な検査装置３４はＣＲＤハウジング３５で支持、および炉心支持板３６で拘束する。センサ１４の信号ケーブルや多関節マニピュレータ３３の信号ケーブル，動力ケーブルおよび高圧水ホース等は検査装置３４の上部より一括してケーブルおよびホース３７として束ねられ、上部の運転／制御場所であるオペレーションフロアまで引き伸ばされ、それぞれの制御装置に接続される。

マニピュレータ基部３８はマニピュレータ基部上下および回転機構３９に固定されておりマニピュレータ基部は上下運動および回転運動が可能な構造である。マニピュレータ３３は３個の屈曲関節４０と２個の回転関節４１から構成されている。マニピュレータ３３の先端にはハンド４２があり、小型アレーセンサ１４に取り付けられた把持部４３をハンド４２で把持する。小型アレーセンサ１４と把持部４３の間には、小型アレーセンサ１４がＣＲＤハウジングスタブチューブ３１と原子力圧力容器３２およびＣＲＤハウジングスタブチューブ３１と原子力圧力容器３２の溶接部等の曲面に追従可能な構造を持つコンプライアンス機構４４が設置されている。このコンプライアンス機構４４はＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸とも変移可能なものである。このコンプライアンス機構４４により小型アレーセンサ１４をスムーズにＣＲＤハウジングスタブチューブ３１と原子力圧力容器３２およびＣＲＤハウジングスタブチューブ３１と原子力圧力容器３２の溶接部等の曲面に追従させることが可能となる。この結果上で述べた欠陥検出および欠陥サイジングの方法を用いて欠陥２２の欠陥検出および欠陥サイジングが実現できる。

図１８は既述のいずれかの実施例による超音波探傷装置のセンサ１４を吊り下げ式検査装置４５、即ち、水中検査装置に搭載した例を示すものである。吊り下げ式検査装置４５はセンサ１４，２個の水中ＣＣＤカメラ４６，照明４７，スラスタ４８およびクラッド除去および回収装置４９を搭載している。

吊り下げ式検査装置４５は一般産業用タンクおよびプールや原子炉炉内の炉内構造物に発生した欠陥の有無を目視試験および非破壊試験である超音波試験で欠陥検出および欠陥サイジングの実施を目的とするものである。本吊り下げ式検査装置４５は吊り下げワイヤ５０で吊り下げられているため、上部の気中より人間が吊り下げワイヤ５０を操作することおよびスラスタ４８の推進力を利用して、吊り下げ式検査装置４５を検査対象部へ誘導およびセンサ１４を検査対象部へ密着させることが可能であり、センサ１４を用いることで欠陥検出および欠陥サイジングが可能となる。

２個の水中ＣＣＤカメラ４６は目視試験用であり、２個の水中ＣＣＤカメラ４６を用いてステレオ画像を再生し、検査員が検査部位の凹凸を的確に認識することが可能となり、検査部位の凹凸あるいは欠陥（表面開口欠陥）であるかを容易に判断することができ、視認性が高く、また、効率的に目視検査を実施可能となる。照明４７は検査部位が暗いときに、水中ＣＣＤカメラ４６用の光源として用いるものであり、電球はハロゲンランプ、メタルはライドランプおよび発光ダイオード等から構成され、水中ＣＣＤカメラ４６の視認性を向上させるため調光機能が装備されている。

スラスタ４８は本吊り下げ式検査装置４５の姿勢を制御する推進装置である。このスラスタ４８の回転方向および回転数を制御し、吊り下げ式検査装置４５の姿勢を変化させることが可能である。クラッド除去および回収装置４９は検査部位に付着したクラッド等の付着物を除去および吸引する装置である。クラッド除去および回収装置４９は付着物を除去するための回転ブラシと剥がされた付着物を回収する為の装置から構成される。クラッド除去および回収装置４９を用いてクラッド等の付着物を除去することで、クラッド等の付着物の下にある欠陥（表面開口欠陥）を見出すことが可能となる。

また、除去されクラッド等の付着物は、クラッド回収用ホース１１０と吸引装置を用いて吸引し、フィルターでクラッド等の付着物を回収する構造とする。このため水の濁りが発生しないため、効率的に目視検査を実施することが可能となる。本吊り下げ式検査装置４５を一般産業用タンクおよびプールや原子炉炉内の炉内構造物に発生した欠陥の目視試験および非破壊試験である超音波試験に適用することにより欠陥検出および欠陥サイジングが実現できる。さらに、本吊り下げ式検査装置４５を自走遊泳可能な遠隔操縦とすることによりその機動性は高くなり、検査範囲も拡大される。即ち、センサ１４および２個の水中ＣＣＤカメラ４６，照明４７，スラスタ４８およびクラッド除去および回収装置４９を搭載した水中検査装置を自走遊泳可能とした上で遠隔操縦も可能とすることであっても良い。その場合に水中検査装置の構造は図２０の構造が基本的な構造として採用できる。

以下では記述の各実施例の超音波探傷装置では、センサ１４の検査対象に対面する超音波送受信面（超音波の入出射面ともいう。）が平坦であるが、検査対象の表面の形状によっては、以下に説明するように平坦でなくとも良い。即ち、超音波送受信面を平坦以外の形状にした例を以下に記載する。図１９では検査対象部位５３が凹面形状の場合のセンサ１４の超音波送受信面の形状例を示したものである。検査対象部位５３が凹面形状である場合、センサ１４の検査対象部位５３への接触面が平板であると、センサ１４の接触面と検査対象部位５３の表面との間に隙間ができ、検査対象部位５３への超音波入射効率が低下する場合がある。

このような超音波入射効率の低下を防止する為、センサ１４の超音波入出射面にシリンドリカル形状または球形状の一部分の面形状を成しているアクリルやポリエチレン等の緩衝材５２を装着する。この緩衝材５２を検査対象部位５３の形状に合わせることで、超音波入射効率の低下を防止できる。緩衝材５２の形状は検査対象部位５３の凹面形状の半径より、緩衝材５２の形状の半径が小さいこととする。これにより検査対象部位５３への緩衝材５２の追従性が向上し、超音波入射効率の低下を防止でき、信頼性が高く高精度な超音波検査が実現できる。

図２０も検査対象部位５３が凹面形状の場合に採用するセンサ１４の例を示したものである。図１９との違いは、送信振動子列１５と受信振動子列１９の各振動素子の配置を、検査対象部位５３の形状に沿うように配置してあるところである。これにより図１９と同じように、超音波入射効率の低下を防止でき、信頼性が高く高精度な超音波検査が実現できる。

図２１は検査対象部位５３が凸面径形状の場合に対応したセンサ１４の例を示したものである。検査対象部位５３が凸面径形状である場合、センサ１４の検査対象部位５３への接触面が平板であると、センサ１４の接触面と検査対象部位５３間に隙間ができ、検査対象部位５３への超音波入射効率が低下する場合がある。このような超音波入射効率の低下を防止する為、センサ１４の超音波入出射面にシリンドリカル形状または球形状の一部分の面の形状を成しているアクリルやポリエチレン等の緩衝材５２を装着する。この緩衝材５２を検査対象部位５３の形状に合わせることで、超音波入射効率の低下を防止できる。緩衝材５２の形状は検査対象部位５３の凸面径形状の半径より、緩衝材５２の形状の半径が大きいこととする。これにより検査対象部位５３への緩衝材５２の追従性が向上し、超音波入射効率の低下を防止でき、信頼性が高く高精度な超音波検査が実現できる。

図２２も検査対象部位５３が凸面径形状の場合のセンサ１４の例を示したものである。図２１との違いは、送信振動子列１５と受信振動子列１９の振動素子配列を、検査対象部位５３の形状に合わせて弓形の配置にしているところである。これにより図２１と同じく超音波入射効率の低下を防止でき、信頼性が高く高精度な超音波検査が実現できる。

図２３は既述の実施例による超音波探傷装置のセンサ１４にセンサ１４の検査対象部位５３への追従性向上機構を追加したものである。凹凸がある検査対象部位５３をセンサ１４で走査しながら検査すると、センサ１４の端部が検査対象部位５３と干渉し、センサ１４のスムーズな走査や、検査対象部位５３への的確な密着が得られないことがある。

この現象を回避するため、センサ１４の端部に摩擦低減手段としてローラーまたはボールベアリング等の滑り機構５４を装着し、センサ１４の端部が検査対象部位５３と干渉や突っかかりを防止する。これにより、センサ１４のスムーズな走査や検査対象部位５３への的確な密着が得られ、信頼性が高く高精度な超音波検査が実現できる。

図２４は記述の実施例による超音波探傷装置のセンサ１４の送信振動子列と受信振動子列との各振動素子の配列に工夫を凝らしてセンサ５５とした例である。図２４の例では装置構成および制御系は図１と同じである。その工夫点は以下のとおりである。即ち、図２４ではセンサ５５は送信振動子１５の振動素子と受信振動子１９の振動素子とを交互に配置して構成されている。センサ５５の利点は、溶接金属部や不均一材料中を超音波が伝播する際の屈曲の影響が多少あったとしても、別の送受信一体型小型アレーセンサ５５から出射される超音波と欠陥先端からの回折波１８は同じ経路を伝播するため、超音波の送信領域と受信領域を全く同じ領域にすることができ、超音波の屈曲の影響による回折波の検出効率の低下を防止でき、回折波を効率的に検出し欠陥検出効率を飛躍的に改善できることである。

記述の実施例による超音波探傷装置を用いた原子炉内の検査装置を図２５に示す。即ち、棒状の操作ポール１３３の下方の先端に記述の実施例による超音波探傷装置のセンサ１４又は５５を装着し、原子炉内の欠陥深さサイジング実施する実施例を示したものである。以下、代表してセンサ１４を採用した例を示す。センサ１４は操作ポール１３３の下方側先端に取り付けられている。操作ポール１３３の下方はオペレーションフロア１１８上の作業台車１１５から原子炉の圧力容器内の炉水１１９中に降ろされる。センサ１４の欠陥２２への位置合わせは、センサ１４付の操作ポール１３３とほぼ同時に原子炉の圧力容器内の炉水１１９中に投入された照明付カメラ１３５で監視しながら、原子炉の圧力容器内のシュラウド等の炉内構造物１３１の欠陥２２の真上（欠陥２２の開口部）にセンサ１４を位置合わせする。照明付カメラ１３５のカメラケーブル１３４は作業台車１１５上のモニターに接続され、作業台車１１５上でセンサ１４の位置をモニターで監視できる。

欠陥２２の真上（欠陥２２の開口部）にセンサ１４を位置合わせした後、センサ１４に信号ケーブル１２３で接続された超音波探傷装置本体１２２で欠陥２２の検出及び深さサイジングが可能となる。センサ１４を欠陥２２の表面（炉内構造物１３１）に密着させる為、操作ポール１３３とセンサ１４の間に馴染み機構１３６（コンプライアンス機構，ジンバル機構）を設置してある。さらに、操作ポール１３３と送受信一体型小型アレーセンサ１４の間にＸ−Ｙスキャナーを設置することにより、欠陥の分布が測定可能となる。

図２６で既述の実施例による超音波探傷装置を用いた原子炉内の他の検査装置を以下に説明する。オペレーションフロア１１８上の作業台車１１５から原子炉の圧力容器内の炉水１１９中に、検査・補修装置１１４（以下、マスト１１４という。）が作業台車１１５上の上下移動機構１１６からワイヤ１１７で吊って降ろされる。炉水１１９中に降ろされたマスト１１４は原子炉の圧力容器内の炉心支持板１２１に着座させ、原子炉の圧力容器内の上部格子板１２０で支持される。マスト１１４には伸縮自在なリンク機構であるパンタグラフ機構１１３が据付けられていて、そのパンタグラフ機構１１３の先端にセンサ１４を含む点検ヘッド１１１が装着されている。したがって、パンタグラフ機構１１３を伸長させると、パンタグラフ機構１１３が縮んでマスト１１４内に納められていたセンサ１４を含む点検ヘッド１１１が水平方向に突き出る。このようにパンタグラフ機構１１３の伸縮作用によってマスト１１４からセンサ１４が進退移動できる。

パンタグラフ機構１１３の伸長作用で原子炉内の炉内構造物１３１にセンサ１４を押し当てて欠陥検出または欠陥深さサイジングを実施する。センサ１４は点検ヘッド１１１の内部に格納されており、センサ１４を検査対象であるシュラウド等の炉内構造物１３１に押し付けてシュラウド等の欠陥の検出およびサイジングを実施する。センサ１４は点検ヘッド１１１の内部に設置されたジンバル機構で保持され、ジンバル機構は押し付け機構で保持され、押し付け機構はＸ−Ｙスキャナーで把持されている。即ち、点検ヘッド１１１の内部にはＸ−Ｙスキャナー，押し付け機構，ジンバル機構および送受信一体型小型アレーセンサ１４が内蔵されている。パンタグラフ機構１１３はマスト１１４内部の直線移動機構で支持されており、その直線移動機構によってパンタグラフ機構１１３はマスト１１４内部を上下することが可能である。

これにより、検査対象面であるシュラウド等の詳細探傷を実施する場合や測定点を僅かに移動させたいときは、Ｘ−Ｙスキャナーを用いてセンサ１４を移動させる。また、粗探傷や検査場所を大きく変える場合は、マスト１１４内部の直線移動機構とパンタグラフ機構１１３で点検ヘッド１１１およびセンサ１４を移動させることができる。

次に、マスト１１４の原子炉の圧力容器内への投入および回収方法を説明する。マスト１１４は作業台車１１５に設置された上下移動機構１１６でワイヤ１１７を用いてオペレーションフロア１１８の高さから炉水１１９中に吊り下げ、降下させる。検査・補修装置１１４は上部格子板１２０を通過させて、炉心支持板１２１へ着座させる。その後、上で述べたような手順で、パンタグラフ機構１１３の伸縮で点検ヘッド１１１を検査位置方向に展開し、センサ１４を検査対象面であるシュラウド等に押し付けてシュラウド等の欠陥を検出およびサイジングする。検査終了後、点検ヘッド１１１の展開と逆手順で点検ヘッド１１１をますと１１４内に収納し、検査・補修装置１１４は作業台車１１５に設置された上下移動機構１１６でオペレーションフロア１１８の高さまで吊り上げられて、天井クレーン等を用いてオペレーションフロア１１８の上に回収される。

マスト１１４の回転，パンタグラフ機構１１３の上下移動および展開・収納等の動作はオペレーションフロア１１８上の検査・補修装置コントローラ１２４で制御し、制御信号は信号ケーブル１２３を用いて伝送される。点検ヘッド１１１に内蔵されたセンサ１４は超音波探傷装置本体１２２で制御され、信号は信号ケーブル１２３を用いて相互に伝送される構成となっている。

本発明は、例えば、溶接構造物の溶接線やその周辺に生じたき裂など、構造物に生じた欠陥を超音波を用いて非破壊的に検出するという超音波探傷装置に利用用途がある。

１…入力装置、２…メモリ、３…超音波制御装置、４…情報処理装置、５…Ｉ／Ｏ、６…表示装置、７…送信超音波振動子制御装置、８…受信信号処理装置、９…送信側アンプ制御装置、１０…受信側アンプ制御装置、１１…送信側アンプ、１２…受信側アンプ、１３…信号ケーブル、１４…送受信一体型小型アレーセンサ、１５…送信振動子列、１６…超音波、１７…集束点、１８…回折波、１９…受信振動子列、２０…超音波受信信号（電気信号）、２１…検査対象材料、２２…欠陥。

Claims (2)

1. 超音波を送信する複数の送信用振動素子を配列した送信振動子列、及び超音波を受信する複数の受信用振動素子を配列した受信振動子列の双方を有し、前記送信振動子列と前記受信振動子列の中央が検査対象物の欠陥表面開口部上に設置された送受信アレーセンサと、
   超音波送信角と超音波受信角との和の半分が３０度以内となる集束位置に各々の前記送信用の振動素子から発信された各超音波を集束させる制御装置と、
   前記受信用振動素子が受信した前記検査対象物内で回折して来た超音波に基づいて探傷情報を生成する生成手段と、
   前記生成手段によって生成された探傷情報を表示する表示手段とを有する超音波探傷装置。
2. 超音波を送信する複数の送信用振動素子を配列した送信振動子列、及び超音波を受信する複数の受信用振動素子を配列した受信振動子列の双方を有した送受信アレーセンサを前記送信振動子列と前記受信振動子列の中央が検査対象物の欠陥表面開口部上に設置し、
   超音波送信角と超音波受信角との和の半分が３０度以内となる集束位置に各々の前記送信用の振動素子から発信された各超音波を集束させ、
   前記受信用振動素子が受信した前記検査対象物内で回折して来た超音波に基づいて探傷情報を生成し、
   前記生成手段によって生成された探傷情報を表示することを有する超音波探傷方法。

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