JP6165471B2 - 軸部材の超音波探傷方法、およびそれに用いるプローブ - Google Patents

Description

本発明は、軸部材の超音波探傷方法、およびそれに用いるプローブに関するものである。

各種装置等を構成する部材の状態を非破壊で検査する手法の一つとして超音波探傷法が用いられている。
検査対象が、ポンプの回転軸やタービンの主軸等の軸部材である場合、軸部材の外周部に、インペラやタービン翼等の部材が設けられていることがある。このような軸部材を軸受等によって支持した状態のまま超音波探傷法で検査しようとすると、軸部材の外周面に取り付けられた他の部材があるため、超音波を発するプローブを軸部材の外周面に当てたまま、軸部材の外周面に沿って走査させることが困難となり、超音波探傷が行えない。

そこで、従来は、特許文献１、２等に記載のように、軸部材の端面に検査プローブを押しあてた状態で超音波を発することによって、検査を行うことが提案されている。

特開２００８−２５６６２４号公報 特開２０００−１４６９２２号公報

ところで、図５に示すように、軸部材１の外周部に、この軸部材１に他の部材５を位置決めして取り付けるため、軸部材１の周方向に連続する環状のリング状溝や、軸部材１の周方向の一部に連続するキー溝等の溝３が形成されることがある。
このような溝３においては、溝３の底面３ｃ近傍に応力が集中しやすいため、検査時においては、溝３の底面３ｃ等にクラックＣ等が生じていないか、高精度に検査することが望まれる。

しかし、軸部材１の端面１ａに検査プローブＺを押しあてた状態で超音波を発すると、その検出データには、溝３の両側面３ａ，３ｂによる反射波が現れるため、溝３の底面３ｃにクラックＣ等が存在していても、クラックＣによる波形変化を認識しにくい。

特許文献１においては、軸部材１の端面１ａから、軸部材１の中心軸に対して斜めに超音波を発しているため、このような手法によれば、クラックＣの存在が高感度に検出できる可能性がある。しかし、この場合においても、軸部材１が長尺であり、その軸方向の長さが径方向の寸法よりも遥かに大きければ、軸部材１の端面１ａから斜めに超音波を発しても、その角度は自ずと小さくなる。すると、軸部材１の端面１ａに直交する方向に超音波を発した場合と、検出精度に実質的な差は現れにくい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、軸の外周面に形成された溝等においても、高精度な検出を行うことのできる軸部材の超音波探傷方法、およびそれに用いるプローブを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の軸部材の超音波探傷方法、およびそれに用いるプ
ローブは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明は、軸方向に複数段のインペラを有し、軸方向に不等間隔のリング溝を有する軸部材のリング溝部の超音波探傷方法であって、予め、前記軸部材の外周面において、前記リング溝部から前記軸部材の軸方向に沿って離れた規定位置にセットしたときに、前記リング溝部を含む角度領域に向けて超音波を出力するよう設定されたプローブを用意しておき、前記プローブを前記軸部材の前記インペラとインペラとの間において前記外周面の前記規定位置に押しあてて、前記プローブと前記軸部材とを、該軸部材の軸周りに相対的に回転させた状態で、該プローブから前記超音波を出力する工程と、出力された前記超音波の反射波を検出し、該反射波に基づくエコー画像を生成して出力する工程と、を備えることを特徴とする。
この方法によれば、軸部材の外周面上の規定位置にプローブをセットしたときに、そのプローブから軸部材のリング溝部に向けて超音波を出力できるようなプローブを予め用意しておくことで、リング溝部に確実に超音波を当てて検査を行うことができる。そして、軸が長尺なものであっても、軸の端面にプローブを押し当てる場合に比較して、プローブからリング溝部までの距離が短くなる。
ここで、プローブは、複数の圧電素子を備えたフェイズドアレイ式のものとする。これによって、一つのプローブにおいて、前記規定位置からリング溝部を含む角度領域に向けて超音波を出力できる。
なお、一つのプローブで、前記規定位置から、軸部材の軸方向において位置が互いに異なる複数のリング溝部に向けて超音波を出力できるようにしてもよい。これにより、一か所から複数の検査対象部位を検査することができる。

また、これにより、リング溝部が、軸部材の周方向に連続する環状のリング溝や、周方向の一部に連続するキー溝等である場合に、これらを周方向に沿って連続的に走査して検査を行うことができる。

前記超音波を出力する工程は、一つの前記検査対象部位に対し、前記超音波の伝搬方向が互いに異なる複数のモードで超音波を当てるようにしてもよい。
検査対象部位に亀裂が存在する場合、超音波を横波で当てると、亀裂の位置が高精度に検出できる。また、超音波を縦波で当てると、亀裂の先端位置、つまり亀裂の深さが高精度に検出できる。

本発明の参考例は、上記したような軸部材の超音波探傷方法に用いるプローブであって、それぞれが超音波を発する複数の圧電素子と、前記圧電素子を保持する保持部材と、を備え、前記保持部材は、前記軸部材の前記外周面に押しあてられる面が、前記外周面に沿った湾曲面とされていることを特徴とする。
このプローブにおいては、湾曲面により、プローブと軸部材とを相対的に回転させた場合であっても、プローブを軸部材に安定的に押し当てることができる。

ここで、前記検査対象部位を有する前記軸部材の外周面に、インペラや翼部材等の複数の軸装着部材が設けられている場合に、プローブは、軸部材の外周面上において互いに隣接する複数の前記軸装着部材の間隔よりも小さな外形寸法を有するものとする。
これによって、プローブを軸部材の外周側から軸部材の外周面に確実に押し当てることができる。
さらに、前記軸装着部材の基部と前記軸部材の外周面との間に凹部が形成されている場合に、プローブは、凹部の高さよりも小さな外形寸法を有するものとする。
これによって、プローブを凹部内に挿入して超音波探傷を行うことができる。

本発明によれば、軸の外周面に形成された溝等が検査対象部位である場合においても、プローブを軸部材の外周面に押し当てて検査対象部位に超音波を当てることができ、高精度な検出を行うことが可能となる。

本発明の超音波探傷方法、およびそれに用いるプローブの第１実施形態を示す図であり、軸部材の外周面にプローブを押し当てた状態を示す側面図である。 本発明のプローブの概略構成を示す三面図である。 本発明の超音波探傷方法の応用例を示す図である。 本発明の超音波探傷方法のさらに他の応用例を示す図である。 従来の超音波探傷方法の一例を示す図である。

以下に、本発明に係る軸部材の超音波探傷方法、およびそれに用いるプローブの実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１は、本実施形態において検査対象となる軸部材１０の一例を示すものである。
この図１に示すように、軸部材１０は、例えばポンプの主軸として用いられるものであり、その外周面に、周方向に連続する複数のリング溝（検査対象部位）１１が、軸部材１０の軸方向に間隔を隔てて形成されている。
また、軸部材１０の外周面には、径方向外周側に向けて延びるインペラ（軸装着部材）１２が、軸部材１０の軸方向に沿って間隔を隔てて複数列に形成されている。各インペラ１２は、内周側の基端部１２ａに、軸部材１０の軸方向一方の側から他方の側に向けて窪んだ凹部１３が形成されている。

このような軸部材１０を超音波探傷により検査するためのプローブ２０は、フェイズドアレイ式であり、図２に示すように、ブロック（保持部材）２１と、ブロック２１に一体に設けられた複数の圧電素子２２と、ブロック２１および圧電素子２２を覆うダンパー材２３と、吸音材２４と、を備えている。
ブロック２１は、検査対象である軸部材１０に対向する面が、軸部材１０の外径と略同じ曲率で形成された湾曲面２１ａとされている。
複数の圧電素子２２は、軸部材１０の軸方向に沿って並び、湾曲面２１ａを軸部材１０の外周面１０ａに沿わせた状態で、軸部材１０の軸方向に対して傾斜するよう配置されている。

このプローブ２０は、軸部材１０の軸方向または周方向において互いに隣接するインペラ１２，１２間を通して軸部材１０の外周面１０ａにブロック２１の湾曲面２１ａを突き当てることができるよう、湾曲面２１ａを下方に向けた状態で上方から平面視したときの大きさが、軸部材１０の軸方向または周方向において互いに隣接するインペラ１２，１２の間隔よりも小さく形成されている。また、プローブ２０は、湾曲面２１ａを軸部材１０の外周面１０ａに突き当てた状態のまま、軸部材１０とプローブ２０とを、軸部材１０の軸周りに相対的に回転させたときに、プローブ２０が例えばインペラ１２の凹部１３内に位置して、インペラ１２と干渉しないよう、凹部１３の高さ（軸部材１０の外周面１０ａから外周側に向けた方向の開口寸法）よりも小さく形成されている。
このように、プローブ２０はなるべく小型化するのが好ましい。プローブ２０を小型化するには、例えば、プローブ２０に備えられたダンパー材２３を、ダンピング性能に優れた材料から形成することによって、ダンパー材２３の厚さを小さくするのが好ましい。
また、プローブ２０の圧電素子２２は、ダンピング性能の高いコンポジット振動子等を用いるのが好ましい。

このようなプローブ２０は、軸部材１０の設計データに基づき、軸部材１０の外周面１０ａにおいて、軸方向のどの位置にセットするのかを予め設定しておき、そのセット位置（規定位置）から、検査対象のリング溝１１に向けて超音波を発するよう、圧電素子２２の中心屈折角を設定しておく。これには、プローブ２０のセット位置における超音波の入射点と、リング溝１１との位置関係から、中心屈折角θｃを算出すればよい。
また、プローブ２０は、軸部材１０の外周面１０ａにおいて、予め定めたセット位置から、複数のリング溝１１に向けて超音波を発することができるように、圧電素子２２の中心屈折角θｃを設定しておいてもよい。
このようにして、軸部材１０のすべてのリング溝１１のそれぞれについて、そのリング溝１１を検査するためのプローブ２０を用意しておく。

なお、上記プローブ２０は、複数の圧電素子２２を発振させたときのスキャン角度θｓを、前記の中心屈折角θｃに対して±１０°以上となるように設定するのが好ましい。

また、プローブ２０は、例えば棒状の保持部材２５の先端に設けるようにしても良い。これにより、使用者は、保持部材２５を手で持ち、プローブ２０の湾曲面２１ａを軸部材の外周面１０ａに突き当てて検査を行うことができる。

上記プローブ２０は、図示しないコントローラに接続されることによって動作する。コントローラは、圧電素子２２を振動させるための駆動信号を出力するとともに、プローブ２０で検出される振動に応じた検出信号を受信し、受信した検出信号に基づき、探傷結果をエコー像としてモニタやプリンタ等の出力部に出力する。

このようなプローブ２０を用いて軸部材１０の検査を行うには、まず、各リング溝１１に合わせて事前に中心屈折角θｃを設定したプローブ２０を用意しておく。ここで、中心屈折角θｃは、リング溝１１の位置と、インペラ１２と干渉しない位置にプローブ２０をセットしたときに、そのセット位置に対する検査対象のリング溝１１の位置関係に応じて決まる。したがって、複数のリング溝１１間で、それぞれのリング溝１１を検知するプローブ２０の中心屈折角θｃは、互いに異なることがある。
そして、図３に示すように、それぞれのプローブ２０を、軸部材１０の外周面１０ａにおいて、それぞれのリング溝１１に対し軸方向に沿ってオフセットした所定のセット位置にセットし、湾曲面２１ａを外周面１０ａに突き当てる。
この状態で、軸部材１０またはプローブ２０を、軸部材１０の軸周りに回転させる。ここでは、軸部材１０をその軸周りに回転させる。
そして、コントローラ（図示無し）では、駆動信号を出力することによって圧電素子２２を駆動する。すると、プローブ２０においては、超音波がスキャン出力される。
コントローラ（図示無し）では、一定時間間隔ごとに、プローブ２０で検出される振動に応じた検出信号を受信する。そして、受信した検出信号に基づいて、探傷結果データとしてのエコー画像を生成することができる。

上述したようにして、プローブ２０を軸部材１０の外周面１０ａに突き当てたまま、リング溝１１の超音波探傷検査を行うことができる。このとき、プローブ２０は、軸部材１０の外周面１０ａにおいて、その軸方向のセット位置を予め定めておき、そのセット位置から検査対象のリング溝１１に向けて超音波を発することができるよう設定されている。これにより、軸部材１０が軸方向に長い場合においても、リング溝１１の検査をリング溝１１に近い位置から高感度に行うことができる。
また、プローブ２０を軸部材１０の外周面１０ａに突き当てた状態で、超音波を軸方向に対して傾斜した方向から発することによって、リング溝１１に亀裂等があった場合には、その亀裂の先端のエコーが検出できるため、亀裂の深さを検出することができる。
このとき、プローブ２０は外周面１０ａに突き当てる部分が外周面１０ａに沿う湾曲面２１ａとされているため、プローブ２０と軸部材１０とを軸部材１０の軸周りに相対的に回転させることができる。したがって、軸部材１０を周方向に走査して、リング溝１１を全周にわたって超音波探傷することができる。
このようにして、リング溝１１の検査を高精度に行うことが可能となっている。

ここで、図４に示すように、超音波の中心屈折角が互いに異なる複数のプローブ２０を用い、一つのプローブ２０で複数のリング溝１１に対して超音波探傷ができるようにしても良い。
これによって、例えば、４本のリング溝を３つのプローブ２０で超音波探傷することもできる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明に係る軸部材の超音波探傷方法、およびそれに用いるプローブの第２実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上記第１実施形態と共通する構成については同符号を付してその説明を省略する。
本実施形態においては、プローブ２０は、複数の圧電素子２２において、超音波の伝搬方向と同じ方向に粒子を振動させる縦波と、超音波の伝搬方向に対して垂直方向に粒子を振動させる横波とをそれぞれ出力できるよう、縦波モードと横波モードで駆動可能であるように設定されている。

このようなプローブ２０においては、上記第１実施形態と同様にして、各リング溝１１の超音波探傷を行いながら、縦波を出力する縦波モードと、横波を出力する横波モードとを、切り替える。
これにより、リング溝１１に亀裂等があった場合には、横波モードで出力される横波により、亀裂の軸方向位置が高精度に特定される。縦波モードで出力される縦波により、亀裂の先端位置で検出されるエコーにより、亀裂の深さが特定できる。

なお、上記においては、縦波モードと横波モードとを選択可能であるようにしたが、これに限るものではなく、図４に示すように、一つのリング溝１１に対して、超音波の中心屈折角が互いに異なる二つのプローブ２０を用い、一方で縦波モードで探傷を行い、他方で横波モードで探傷を行うようにしても良い。

１０ 軸部材
１０ａ 外周面
１１ リング溝（検査対象部位）
１２ インペラ（軸装着部材）
１２ａ 基端部
１３ 凹部
２０ プローブ
２１ ブロック（保持部材）
２１ａ 湾曲面
２２ 圧電素子
２３ ダンパー材
２５ 保持部材

Claims (2)

1. 軸方向に複数段のインペラを有し、
   軸方向に不等間隔のリング溝を有する軸部材のリング溝部の超音波探傷方法であって、
   予め、前記軸部材の外周面において、前記リング溝部から前記軸部材の軸方向に沿って離れた規定位置にセットしたときに、前記リング溝部を含む角度領域に向けて超音波を出力するよう設定されたプローブを用意しておき、
   前記プローブを前記軸部材の前記インペラとインペラとの間において前記外周面の前記規定位置に押しあてて、前記プローブと前記軸部材とを、該軸部材の軸周りに相対的に回転させた状態で、該プローブから前記超音波を出力する工程と、
   出力された前記超音波の反射波を検出し、該反射波に基づくエコー画像を生成して出力する工程と、を備えることを特徴とする軸部材の超音波探傷方法。
2. 前記超音波を出力する工程は、一つの前記リング溝部に対し、前記超音波の伝搬方向が互いに異なる複数のモードで前記超音波を当てることを特徴とする請求項１に記載の軸部材の超音波探傷方法。

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