JP6347462B2 - Phased array ultrasonic inspection method and ultrasonic inspection system - Google Patents

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Description

本発明はフェーズドアレイ超音波探傷方法および超音波探傷システムに関し、特にボルト等、長尺の検査対象物をその長手方向の一方の端面から探傷する場合に適用して有用なものである。   The present invention relates to a phased array ultrasonic inspection method and an ultrasonic inspection system, and is particularly useful when applied to a case where a long inspection object such as a bolt is inspected from one end face in the longitudinal direction.

原子力機器の基礎ボルトのネジの谷部においては、地震荷重を受けた場合、応力集中によるき裂発生の可能性がある。また、高経年化が進む原子力発電所や火力発電所等においては、基礎ボルトを含むボルトに疲労き裂が発生した事例が多く報告されている。き裂が検出されたボルトの健全性を評価する場合、そのき裂の深さに関する寸法のデータが必要である。   In the roots of the screws of the foundation bolts of nuclear equipment, cracks may occur due to stress concentration when subjected to seismic loads. In nuclear power plants and thermal power plants, which are aged, there have been many reports of fatigue cracks occurring in bolts including foundation bolts. When evaluating the soundness of a bolt in which a crack has been detected, dimensional data relating to the depth of the crack is required.

従来技術に係るき裂寸法の推定法として端部エコー法と垂直探傷法が知られている。このうち、ボルトのき裂面での反射エコーとき裂先端による端部エコーは分離しないので、端部エコー法をボルトのき裂深さの推定に適用することは困難である。また、垂直探傷法では、縦波垂直探触子をボルト端面において走査する必要があり、ネジ部のエコーが妨害となり小さなき裂を検出できないといった問題がある。   An edge echo method and a vertical flaw detection method are known as methods for estimating crack size according to the prior art. Of these, since the reflection echo at the crack surface of the bolt and the end echo due to the crack tip are not separated, it is difficult to apply the end echo method to the estimation of the crack depth of the bolt. In the vertical flaw detection method, it is necessary to scan the longitudinal wave vertical probe on the end face of the bolt, and there is a problem in that a small crack cannot be detected because the echo of the screw portion is obstructed.

一方、Suh 等はき裂面を伝搬する表面波によるボルトにおけるき裂の深さ推定方法を提案した(非特許文献1)。しかしながら、かかる推定方法では、平滑でないき裂面で表面波が激しく減衰し、それを受信することは容易ではないという問題を有している。   On the other hand, Suh et al. Proposed a method for estimating crack depth in bolts by surface waves propagating on the crack surface (Non-Patent Document 1). However, such an estimation method has a problem that the surface wave attenuates violently on a non-smooth crack surface and it is not easy to receive it.

D. M. Suh and W. W. Kim、A New Ultrasonic Technique for Detection and Sizing of Small Cracks in Studs and Bolts、Journal Nondestructive Evaluation、Vol. 14、No. 4、P.201-206、1995.D. M. Suh and W. W. Kim, A New Ultrasonic Technique for Detection and Sizing of Small Cracks in Studs and Bolts, Journal Nondestructive Evaluation, Vol. 14, No. 4, P.201-206, 1995.

本発明は、上記従来技術に鑑み、ボルト等、長尺の検査対象物に発生しているき裂の位置および寸法を、その長手方向の一方の端面からの探傷により容易かつ正確に測定し得るフェーズドアレイ超音波探傷方法および超音波探傷システムを提供することを目的とする。   In view of the above prior art, the present invention can easily and accurately measure the position and size of a crack generated on a long inspection object such as a bolt by flaw detection from one end face in the longitudinal direction. An object of the present invention is to provide a phased array ultrasonic inspection method and an ultrasonic inspection system.

上記目的を達成するフェーズドアレイ超音波探傷方法および超音波探傷システムを開発すべく、本発明者等は、長尺の検査対象物であるボルトの途中に発生しているき裂をフェーズドアレイ超音波探傷法により検出する方法を検討した。   In order to develop a phased array ultrasonic flaw detection method and an ultrasonic flaw detection system that achieve the above-described object, the present inventors have developed a phased array ultrasonic wave to detect a crack generated in the middle of a bolt that is a long inspection object. The detection method by the flaw detection method was examined.

ここで、フェーズドアレイ超音波探傷法は、複数の素子から構成されるアレイ探触子に対して各素子の送受信タイミングを電子的に制御することで異なる伝搬方向や集束位置の超音波を自在に励起する技術である。しかしながら、この手法で得られた探傷結果から、き裂深さを推定することは課題として残されている。そこで、有限要素法を利用してボルトにおける波動伝搬のシミュレーションを行い、受信波形のき裂深さと相関性がある特徴量を特定し、これを実験で検証した。   Here, in the phased array ultrasonic flaw detection method, ultrasonic waves in different propagation directions and focusing positions can be freely controlled by electronically controlling the transmission / reception timing of each element for an array probe composed of a plurality of elements. Exciting technology. However, estimating the crack depth from the flaw detection results obtained by this method remains a problem. Therefore, we conducted a simulation of wave propagation in bolts using the finite element method, identified features that correlate with the crack depth of the received waveform, and verified them experimentally.

< シミュレーションによる検討>
まず、シミュレーションモデルに関して説明する。シミュレーションモデルは、図1に示すように、き裂の位置およびその寸法を、それぞれ軸方向の位置P、長さLおよび深さDで定義する。
<Examination by simulation>
First, the simulation model will be described. In the simulation model, as shown in FIG. 1, the position of the crack and its dimensions are defined by an axial position P, a length L, and a depth D, respectively.

フェーズドアレイ超音波探傷法で探傷した結果から、き裂深さの推定法を検討するため、ボルトにおける波動伝搬のシミュレーションを実施した。有限要素法に基づいたシミュレーションの2次元モデルを図2に示す。同図に示すように、ピッチ0.6mm、幅0.5mmの32素子のリニアアレイ探触子(以下、「アレイ探触子」ともいう)1をボルト2の一方の端面(図中右端面)に配置する。探傷モードを縦波とし、屈折角をステップ0.5°で−5から25°まで変化させた。図中のαは、超音波の中心ビームがき裂3先端に当たるときの屈折角(以下、先端屈折角と称す)である。ボルト2の材質を炭素鋼とし、その縦波音速を5,920m/sに設定した。ボルト2の直径および長さはそれぞれ30mmおよび200mmであり、ネジ部4の長さは120mmである。P=50もしくは100mmのネジの谷部にき裂3を挿入した。き裂3の幅を0.5mmに固定し、深さDを0.5、1.0、2.0、2.5、4.0、6.0、7.5および12.5mmと変化させた。超音波ビームの集束位置をP=50mmの場合には60mmに、P=100mmの場合には110mmにそれぞれ設定した。   Based on the results of flaw detection by the phased array ultrasonic flaw detection method, a simulation of wave propagation in a bolt was carried out in order to investigate a crack depth estimation method. A two-dimensional model of simulation based on the finite element method is shown in FIG. As shown in the drawing, a 32-element linear array probe (hereinafter also referred to as an “array probe”) 1 having a pitch of 0.6 mm and a width of 0.5 mm is connected to one end face of the bolt 2 (right end face in the figure). ). The flaw detection mode was a longitudinal wave, and the refraction angle was changed from −5 to 25 ° in steps of 0.5 °. Α in the figure is a refraction angle (hereinafter referred to as a tip refraction angle) when the central beam of the ultrasonic wave hits the tip of the crack 3. The material of the bolt 2 was carbon steel, and the longitudinal wave sound velocity was set to 5,920 m / s. The diameter and length of the bolt 2 are 30 mm and 200 mm, respectively, and the length of the screw portion 4 is 120 mm. A crack 3 was inserted into the valley of a screw with P = 50 or 100 mm. The width of the crack 3 is fixed to 0.5 mm, and the depth D is changed to 0.5, 1.0, 2.0, 2.5, 4.0, 6.0, 7.5, and 12.5 mm. I let you. The focal position of the ultrasonic beam was set to 60 mm when P = 50 mm, and 110 mm when P = 100 mm.

図中のアレイ探触子1が水を介して鋼材に放射した場合の3次元の超音波音場を所定のソフトを用いて計算した。主な計算条件として、水平距離を0mmに、入力波形の周波数を5MHzに、サンプリング周波数を100MHzに、空間分解能を0.1mmに設定した。   A three-dimensional ultrasonic field when the array probe 1 in the figure radiates to the steel material through water was calculated using predetermined software. As main calculation conditions, the horizontal distance was set to 0 mm, the frequency of the input waveform was set to 5 MHz, the sampling frequency was set to 100 MHz, and the spatial resolution was set to 0.1 mm.

<シミュレーション結果および考察>
1) 軸方向位置50mmおよび深さ6mmのき裂の場合
アレイ探触子1(図2参照、以下同じ)から異なる屈折角の超音波が励起され、各屈折角に対応する受信波形をシミュレーションで計算した。−5°から20°までの屈折角に対応した受信波形を扇状に並べた結果を図3に示す。この結果はセクター(S)スキャン断面画像と呼ばれる。図中のNEおよびSEはそれぞれき裂3(図2参照、以下同じ)およびネジ部4(図2参照、以下同じ)に起因する指示であり、以下、それぞれき裂エコーNEおよびネジエコーSEと呼ぶ。BWは底面エコーであり、MNEはき裂3での多重反射に基づく指示である。色の濃淡はエコーの強さを表す。
<Simulation results and discussion>
1) In the case of a crack with an axial position of 50 mm and a depth of 6 mm Ultrasonic waves with different refraction angles are excited from the array probe 1 (see FIG. 2, the same applies hereinafter), and the received waveform corresponding to each refraction angle is simulated. Calculated. FIG. 3 shows the result of arranging received waveforms corresponding to refraction angles from −5 ° to 20 ° in a fan shape. This result is called a sector (S) scan cross-sectional image. NE and SE in the figure are instructions caused by the crack 3 (see FIG. 2, the same applies hereinafter) and the screw part 4 (see FIG. 2, the same applies hereinafter), and are hereinafter referred to as a crack echo NE and a screw echo SE, respectively. . BW is a bottom echo, and MNE is an instruction based on multiple reflections at the crack 3. The shade of color represents the strength of the echo.

図3に示すように、ネジエコーSE、き裂エコーNE、底面エコーBWおよびき裂3での多重反射の指示が明瞭に観察されている。図3において、き裂エコーNEの拡大図に示すように、き裂3の開口部および先端付近の2箇所においては、き裂エコーNEの強度が高い。   As shown in FIG. 3, the indication of multiple reflection at the screw echo SE, the crack echo NE, the bottom echo BW, and the crack 3 is clearly observed. In FIG. 3, as shown in the enlarged view of the crack echo NE, the strength of the crack echo NE is high at two locations near the opening and the tip of the crack 3.

各屈折角におけるき裂エコーNEの強度分布を図4に示す。同図に示すように、き裂エコーNEの強度は屈折角の変化に従って増減し、屈折角が8°および15°のとき極大値(ピーク)となる。以下、この二つのピークについて考察する。   FIG. 4 shows the intensity distribution of the crack echo NE at each refraction angle. As shown in the figure, the intensity of the crack echo NE increases and decreases according to the change in the refraction angle, and reaches a maximum value (peak) when the refraction angle is 8 ° and 15 °. Hereinafter, these two peaks will be considered.

屈折角が15°に対応するピークは、き裂3とネジ部4からなるコーナー部での反射によるものである。図2に示すモデルにおいて、超音波中心ビームがそのコーナー部に当たるとき、屈折角は幾何学的に15°程度である。   The peak corresponding to the refraction angle of 15 ° is due to reflection at the corner portion composed of the crack 3 and the screw portion 4. In the model shown in FIG. 2, when the ultrasonic central beam hits the corner portion, the refraction angle is geometrically about 15 °.

異なる時刻における屈折角15°の波動伝搬の様子を図5に示す。図中の赤色と青色は、それぞれ縦波と横波を表す。また、LおよびTはそれぞれアレイ探触子1に励起された縦波および横波を意味する。RLおよびSLは、それぞれコーナー部およびネジ部4での縦波反射波を示す。同図に示すように、励起された縦波は、ネジ部4で反射しながらコーナー部に向かって伝搬し、時刻9.5μsのときそのコーナー部で縦波が反射され、その反射波がボルト2の端面に向かって伝搬し、最後にアレイ探触子1により受信される。   FIG. 5 shows the state of wave propagation at a refraction angle of 15 ° at different times. Red and blue in the figure represent a longitudinal wave and a transverse wave, respectively. L and T mean a longitudinal wave and a transverse wave excited by the array probe 1, respectively. RL and SL indicate longitudinal wave reflected waves at the corner portion and the screw portion 4, respectively. As shown in the figure, the excited longitudinal wave propagates toward the corner portion while being reflected by the screw portion 4, and at the time of 9.5 μs, the longitudinal wave is reflected at the corner portion, and the reflected wave becomes a bolt. 2 is propagated toward the end face of 2 and finally received by the array probe 1.

一方、屈折角が8°に対応するピークは、波動伝搬シミュレーション結果から主にき裂3の先端近傍での反射によるものであることが判った。き裂エコーNEの強度に影響を及ぼす因子として、励起された超音波音場の強度、き裂3での超音波エネルギーの反射の割合、およびネジ部4での散乱が挙げられる。   On the other hand, the peak corresponding to the refraction angle of 8 ° was found to be mainly due to reflection near the tip of the crack 3 from the wave propagation simulation result. Factors affecting the intensity of the crack echo NE include the intensity of the excited ultrasonic sound field, the rate of reflection of ultrasonic energy at the crack 3, and the scattering at the screw portion 4.

P=50mm、D=6mmの場合の先端屈折角αは7.4°である。図2に示すアレイ探触子1が放射した3次元の超音波音場を計算するとともに、屈折角が0°のときの超音波音場の最大強度で各屈折角の超音波音場の強度を正規化して図6に示す。同図に示すように、超音波音場の強度は屈折角の増大とともに低下するものの、その低下は緩やかである。例えば、屈折角が7.4°のとき、超音波音場の最大強度は0.978であるに対して、屈折角が10°のときは0.962である。このように、屈折角が若干変化しても超音波音場の強度変化が無視できる程度であるため、屈折角の若干の変化ではき裂エコー強度の顕著な変化を生じない。   When P = 50 mm and D = 6 mm, the tip refraction angle α is 7.4 °. The three-dimensional ultrasonic field emitted from the array probe 1 shown in FIG. 2 is calculated, and the intensity of the ultrasonic field at each refraction angle is the maximum intensity when the refraction angle is 0 °. Is normalized and shown in FIG. As shown in the figure, the intensity of the ultrasonic sound field decreases as the refraction angle increases, but the decrease is gradual. For example, when the refraction angle is 7.4 °, the maximum intensity of the ultrasonic sound field is 0.978, whereas when the refraction angle is 10 °, it is 0.962. Thus, even if the refraction angle changes slightly, the intensity change of the ultrasonic sound field is negligible, so that a slight change in the refraction angle does not cause a significant change in crack echo intensity.

き裂3の先端付近での超音波の反射は屈折角に依存して大きく変化する。音線で表したその変化の様子を図7に示す。図中の太線は中心ビームを、破線はネジ部4での超音波の散乱を示す。また、同図(a)は、超音波の中心ビームがき裂3の先端に当たる場合を表わしている。このとき、励起された超音波エネルギーの半分程度がき裂3で反射され、残りはき裂3を通過する。反射された超音波はネジ部4で散乱されつつ、最後にアレイ探触子1に受信される。屈折角が先端屈折角αより小さな場合には、き裂3で反射される超音波エネルギーの割合が減少する。一方、同図の(b)に示すように、屈折角の増大に伴いその割合も増加する。ある屈折角になると、同図(c)に示すように、すべての超音波のエネルギーが反射される。屈折角がそれ以上増大しても反射される超音波の割合は増加しない。き裂エコーNEの強度は主に反射される超音波の割合の増加によって増幅されると考えられる。一方、図7に示すように、屈折角の増大に従ってネジ部4での散乱による影響も累積する。その散乱は、アレイ探触子1に戻る超音波のエネルギーの減少およびき裂エコーNEの強度の低下を招来する。このように、き裂3の先端の反射とネジ部4での散乱の相互作用によって先端屈折角αの付近でピークが形成されると考えられる。   The reflection of the ultrasonic wave near the tip of the crack 3 varies greatly depending on the refraction angle. The state of the change represented by sound rays is shown in FIG. The thick line in the figure indicates the center beam, and the broken line indicates the scattering of the ultrasonic wave at the screw portion 4. FIG. 4A shows a case where the center beam of the ultrasonic wave hits the tip of the crack 3. At this time, about half of the excited ultrasonic energy is reflected by the crack 3, and the rest passes through the crack 3. The reflected ultrasound is finally received by the array probe 1 while being scattered by the screw portion 4. When the refraction angle is smaller than the tip refraction angle α, the proportion of ultrasonic energy reflected by the crack 3 decreases. On the other hand, as shown in (b) of the figure, the ratio increases as the refraction angle increases. When a certain refraction angle is reached, all ultrasonic energy is reflected as shown in FIG. Even if the refraction angle is further increased, the ratio of reflected ultrasonic waves does not increase. It is considered that the intensity of the crack echo NE is amplified mainly by an increase in the ratio of reflected ultrasonic waves. On the other hand, as shown in FIG. 7, the influence of scattering at the screw portion 4 accumulates as the refraction angle increases. The scattering results in a decrease in the energy of the ultrasonic waves returning to the array probe 1 and a decrease in the intensity of the crack echo NE. Thus, it is considered that a peak is formed in the vicinity of the tip refraction angle α by the interaction between the reflection at the tip of the crack 3 and the scattering at the screw portion 4.

<異なるき裂深さの場合>
き裂3の深さを変化させた場合の屈折角におけるき裂エコーNEの強度分布を計算し、き裂Sの深さ0.5mmの場合の最大値で正規化した。P=50mmの場合の屈折角におけるき裂エコーNEの強度分布を図8に示す。同図に示すように、き裂3が浅い場合には、一つのピークしか観察されない。き裂深さが2mm以上になる場合には、き裂3のコーナー部と先端付近に対応するそれぞれのピークP1、P2が観測される。ピークP1に対応する屈折角(以下、ピークP1 屈折角と称す)はき裂3の深さに依存せず一定である。ピークP1の強度は、き裂3の深さの増加に従って増幅し、き裂3の深さが2mmで飽和する。一方、ピークP2に関しては、それに対応する屈折角(以下、ピークP2屈折角と称す)および強度が、き裂3が深くなるにつれてそれぞれ減少および増幅する。同図から求めたピークP2屈折角を表1に示す。
<For different crack depths>
The intensity distribution of the crack echo NE at the refraction angle when the depth of the crack 3 was changed was calculated and normalized with the maximum value when the depth of the crack S was 0.5 mm. FIG. 8 shows the intensity distribution of the crack echo NE at the refraction angle when P = 50 mm. As shown in the figure, when the crack 3 is shallow, only one peak is observed. When the crack depth is 2 mm or more, respective peaks P1 and P2 corresponding to the corner portion and the tip vicinity of the crack 3 are observed. The refraction angle corresponding to the peak P1 (hereinafter referred to as the peak P1 refraction angle) is constant regardless of the depth of the crack 3. The intensity of the peak P1 is amplified as the depth of the crack 3 increases, and the depth of the crack 3 is saturated at 2 mm. On the other hand, with respect to the peak P2, the corresponding refraction angle (hereinafter referred to as the peak P2 refraction angle) and intensity decrease and amplify as the crack 3 becomes deeper. Table 1 shows the peak P2 refraction angle obtained from the figure.

同表に示すように、浅いき裂3の場合には、ピークP1とピークP2とが分離されないので、ピークP1の屈折角で記されている。参考のため、先端屈折角αも同表に示している。同表に示すように、き裂深さが2mmから12.5mmへと変化することによって、ピークP2の屈折角は13.5°から2°へと減少する。その値がいずれも先端屈折角αより幾らか大きい。   As shown in the table, in the case of the shallow crack 3, since the peak P1 and the peak P2 are not separated, they are indicated by the refraction angle of the peak P1. For reference, the tip refraction angle α is also shown in the table. As shown in the table, when the crack depth is changed from 2 mm to 12.5 mm, the refraction angle of the peak P2 is reduced from 13.5 ° to 2 °. Both of these values are somewhat larger than the tip refraction angle α.

一方、P=100mmの場合の屈折角におけるき裂エコーNEの強度分布を図9に示す。同図に示すように、き裂3の深さが4mm未満のとき、一つのピークしか観察されないのに対して、き裂3が深くなると二つのピークが明瞭に観察される。ピークP1で屈折角が7°付近でき裂3の深さの変化に伴い若干変動する。これは、屈折角のピッチが0.5°に設定されたため、同図に出現したピークが必ずしも真のピークとは限らないからである。ピークP1の強度は、き裂3が深くなるにつれ増幅し6mmで飽和する。一方、P=50mmの場合と同じ、ピークP2の屈折角とピークP2の強度はそれぞれき裂3の深さの増加に伴い減少および増幅する。同図から得られたピークP2の屈折角を表2に示す。   On the other hand, the intensity distribution of the crack echo NE at the refraction angle in the case of P = 100 mm is shown in FIG. As shown in the figure, when the depth of the crack 3 is less than 4 mm, only one peak is observed, whereas when the crack 3 becomes deeper, two peaks are clearly observed. At the peak P1, the refraction angle is around 7 °, and varies slightly with the change in the depth of the crack 3. This is because since the pitch of the refraction angle is set to 0.5 °, the peak appearing in the figure is not necessarily a true peak. The intensity of the peak P1 is amplified as the crack 3 becomes deeper and is saturated at 6 mm. On the other hand, as in the case of P = 50 mm, the refraction angle of the peak P2 and the intensity of the peak P2 decrease and amplify as the depth of the crack 3 increases. Table 2 shows the refraction angle of the peak P2 obtained from FIG.

表2に示すように、ピークP2の屈折角は先端屈折角αに比べて若干大きく、き裂3の深さが4mmから12.5mmへと変化することに従って4.8°から1°へと変化する。   As shown in Table 2, the refraction angle of the peak P2 is slightly larger than the tip refraction angle α, and from 4.8 ° to 1 ° as the depth of the crack 3 changes from 4 mm to 12.5 mm. Change.

P=50mmの場合に比べて、ピークP1とピークP2の屈折角の差が小さく、ピークP2の屈折角の変化範囲も狭小となる。このことから、軸方向位置が増加するにつれ、ピークP1とピークP2が分離し難くなることが考えられる。   Compared to the case of P = 50 mm, the difference between the refraction angles of the peak P1 and the peak P2 is small, and the change range of the refraction angle of the peak P2 is also narrow. From this, it can be considered that the peak P1 and the peak P2 become difficult to separate as the axial position increases.

前述の通り、いずれの軸方向においてもピークP2の屈折角はき裂3の深さに依存して変化し、き裂3の深さと強い相関関係がある。この相関関係を利用すれば、フェーズドアレイ超音波探傷法で得られた探傷結果からボルト2におけるき裂の深さを推定可能であることが考えられる。   As described above, the refraction angle of the peak P2 changes depending on the depth of the crack 3 in any axial direction, and has a strong correlation with the depth of the crack 3. If this correlation is used, it is considered that the crack depth in the bolt 2 can be estimated from the flaw detection result obtained by the phased array ultrasonic flaw detection method.

すなわち、上記シミュレーション実験の結果、次の知見を得た。
1) 浅いき裂3の場合には、屈折角におけるき裂エコー強度の分布のピークが一つしかないのに対して、き裂3が深くなると、ピークは二つある。二つのピークはそれぞれき裂のコーナー部とき裂先端付近での反射によるものである。
2) き裂3の先端付近での反射に起因したピークの屈折角は先端屈折角αより若干大きいものの、き裂3の深さに依存して変化し、き裂3の深さの増加とともに減少する。
That is, as a result of the simulation experiment, the following knowledge was obtained.
1) In the case of the shallow crack 3, there is only one peak of the distribution of the crack echo intensity at the refraction angle, whereas when the crack 3 becomes deep, there are two peaks. The two peaks are due to the reflection at the crack corner and near the crack tip.
2) Although the peak refraction angle due to reflection near the tip of crack 3 is slightly larger than the tip refraction angle α, it changes depending on the depth of crack 3 and increases with increasing depth of crack 3. Decrease.

かかる知見に基づく本発明の構成は、次の通りである。   The configuration of the present invention based on such knowledge is as follows.

本発明の第1の態様は、
複数の素子からなるアレイ探触子を用いて検査対象物の超音波探傷を行うフェーズドアレイ超音波探傷方法において、
検査対象物の一方の端面に前記アレイ探触子を配設するとともに、前記検査対象物の内部に向けて屈折角を変化させつつ超音波を照射して前記検査対象物からのエコーをデジタル化した探傷データを得る探傷工程と、
前記探傷データに基づき、前記検査対象物中のき裂の有無を判断するき裂検査工程と、
前記き裂検査工程でき裂が存在すると判断された場合には、前記探傷データ中から前記き裂によるエコーが最大となる最大エコーを検出する最大エコー検出工程と、
前記屈折角が零度の方向において、前記最大エコーを与える位置である軸方向位置を特定する軸方向位置検出工程と、
前記探傷データに基づき、各屈折角に対応する前記エコーのエコー強度分布特性から前記エコー強度の極大値であるピークを検出するピーク検出工程と、
前記ピークを与える屈折角に対応する前記エコー強度に対する所定の割合の前記エコー強度に対応する二つの屈折角のうち小さい方の屈折角である先端屈折角を選択する先端屈折角検出工程と、
前記先端屈折角に基づき前記軸方向に直交する方向のき裂の寸法であるき裂深さを検出するき裂深さ検出工程とを有し、
前記先端屈折角検出工程は、
前記ピーク検出工程で前記ピークが2個検出された場合に、前記屈折角が小さい方の前記ピークを与える屈折角に対応する前記エコー強度に対する所定の割合の前記エコー強度に対応する二つの屈折角のうち小さい方の屈折角を選択して先端屈折角とする
ことを特徴とするフェーズドアレイ超音波探傷方法にある。
The first aspect of the present invention is:
In a phased array ultrasonic flaw detection method for performing ultrasonic flaw detection on an inspection object using an array probe composed of a plurality of elements,
The array probe is arranged on one end face of the inspection object, and the echo from the inspection object is digitized by irradiating ultrasonic waves while changing the refraction angle toward the inside of the inspection object. Flaw detection process for obtaining flaw detection data,
Based on the flaw detection data, a crack inspection process for determining the presence or absence of a crack in the inspection object;
When it is determined that a crack exists in the crack inspection process, a maximum echo detection process for detecting a maximum echo from which the echo due to the crack is maximized from the flaw detection data;
An axial position detecting step for specifying an axial position that is a position for giving the maximum echo in a direction where the refraction angle is zero degrees;
Based on the flaw detection data, a peak detection step of detecting a peak that is a maximum value of the echo intensity from an echo intensity distribution characteristic of the echo corresponding to each refraction angle;
A tip refraction angle detection step of selecting a tip refraction angle which is a smaller refraction angle of two refraction angles corresponding to the echo intensity at a predetermined ratio to the echo intensity corresponding to the refraction angle giving the peak;
It possesses a裂深detection step of Ki for detecting a certain Ki裂深of dimensions in the direction of crack perpendicular to the axial direction on the basis of the tip angle of refraction,
The tip refraction angle detection step includes
When two peaks are detected in the peak detection step, two refraction angles corresponding to the echo intensity at a predetermined ratio to the echo intensity corresponding to the refraction angle that gives the peak with the smaller refraction angle The phased array ultrasonic flaw detection method is characterized in that the smaller refraction angle is selected to be the tip refraction angle .

本態様によれば、上述の如き知見を利用して、探傷データに基づき作成した各屈折角に対応するエコーのエコー強度分布特性からエコー強度の極大値を求め、この極大値を利用することで先端屈折角を求めている。この先端屈折角は検査対象物の内部に発生しているき裂の先端の情報を与えるものであるので、この先端屈折角を利用することによりアレイ探触子を配設した検査対象物の端面、端面からき裂までの軸方向寸法等の幾何学的な関係からき裂の深さを良好に検出することができる。この結果、検査対象物の健全性を評価することができる。特に、アレイ探触子を配設し得る面積が小さく、探傷部位である内部が他の部材に埋まっているボルト、角柱等の探傷に用いて有用なものとなる。
そして、知見に基づき、き裂の先端近傍に起因するき裂エコーを特定して、このエコーに基づき先端屈折角を求めているので、正確に先端屈折角を求めることができ、これを利用してき裂深さも正確かつ的確に求めることができる。
According to this aspect, using the knowledge as described above, the maximum value of the echo intensity is obtained from the echo intensity distribution characteristic of the echo corresponding to each refraction angle created based on the flaw detection data, and this maximum value is used. The tip refraction angle is obtained. Since the tip refraction angle gives information on the tip of the crack generated inside the inspection object, the end surface of the inspection object on which the array probe is disposed by using the tip refraction angle. The crack depth can be detected well from the geometrical relationship such as the axial dimension from the end face to the crack. As a result, the soundness of the inspection object can be evaluated. In particular, the area in which the array probe can be disposed is small, and it is useful for flaw detection of bolts, prisms, etc., where the interior of the flaw detection site is buried in another member.
Based on the knowledge, a crack echo originating from the vicinity of the crack tip is identified, and the tip refraction angle is obtained based on this echo. Therefore, the tip refraction angle can be obtained accurately and used. The crack depth can also be determined accurately and accurately.

本発明の第2の態様は、
第1の態様に記載するフェーズドアレイ超音波探傷方法において、前記所定の割合は、前記エコー強度の半分とした
ことを特徴とするフェーズドアレイ超音波探傷方法にある。
The second aspect of the present invention is:
The phased array ultrasonic flaw detection method described in the first aspect is the phased array ultrasonic flaw detection method characterized in that the predetermined ratio is half of the echo intensity.

本態様によれば、先端屈折角を、知見に基づき適確に特定することができる。特に、検査対象物がボルトの場合には、先端屈折角が、実際より少なくとも小さい値として検出されるので、安全側でボルトのき裂の深さを検出することができる。すなわち、実際のき裂の深さは、計測値よりも大きくなることはなく、ボルトの取替え時期の目安としてき裂深さを利用する場合には、適確な測定値を与えることができる。   According to this aspect, the tip refraction angle can be accurately specified based on the knowledge. In particular, when the inspection object is a bolt, the tip refraction angle is detected as a value that is at least smaller than the actual value, so that the depth of the bolt crack can be detected on the safe side. That is, the actual crack depth does not become larger than the measured value, and when the crack depth is used as a guide for the replacement time of the bolt, an accurate measured value can be given.

本発明の第3の態様は、
検査対象物の一方の端面に配設され、前記検査対象物の内部に向けてそれぞれ超音波を照射する複数の素子からなり、フェーズドアレイ超音波探傷に用いるアレイ探触子と、
前記各素子を制御することにより前記超音波の屈折角を変化させて前記検査対象物の内部の探傷を行うとともに、超音波の照射の結果で得られる探傷結果のエコーをデジタル化した探傷データを受信するフェーズドアレイ探傷装置と、
前記フェーズドアレイ探傷装置を介して前記アレイ探触子により前記検査対象物の所定の探傷が行われるように制御するとともに、前記フェーズドアレイ探傷装置から送信されてくる前記探傷データを処理して前記検査対象物の内部の超音波探傷を行う演算処理手段とを有するフェーズドアレイ超音波探傷システムであって、
前記演算処理手段は、
前記探傷データに基づき、前記検査対象物中のき裂の有無を判断するき裂検査工程と、
前記き裂検査工程でき裂が存在すると判断された場合には、前記探傷データ中から前記エコーが最大となる最大エコーを検出する最大エコー検出工程と、
前記屈折角が零度の方向において、前記最大エコーを与える位置である軸方向位置を特定する軸方向位置検出工程と、
前記探傷データに基づき、各屈折角に対応する前記エコーのエコー強度分布特性から前記エコー強度の極大値であるピークを検出するピーク検出工程と、
前記ピークを与える屈折角に対応する前記エコー強度に対する所定の割合の前記エコー強度に対応する二つの屈折角のうち小さい方の屈折角である先端屈折角を選択する先端屈折角検出工程と、
前記先端屈折角に基づき前記軸方向に直交する方向のき裂の寸法であるき裂深さを検出するき裂深さ検出工程とを実行するように構成し、
前記先端屈折角検出工程では、
前記ピーク検出工程で前記ピークが2個検出された場合に、前記屈折角が小さい方の前記ピークを与える屈折角に対応する前記エコー強度に対する所定の割合の前記エコー強度に対応する二つの屈折角のうち小さい方の屈折角を選択して先端屈折角とする
ことを特徴とするフフェーズドアレイ超音波探傷システムにある。
The third aspect of the present invention is:
An array probe used for phased array ultrasonic flaw detection, comprising a plurality of elements disposed on one end surface of the inspection object and radiating ultrasonic waves toward the inside of the inspection object,
Flaw detection data obtained by changing the refraction angle of the ultrasonic wave by controlling each element and performing flaw detection inside the inspection object and digitizing the echo of the flaw detection result obtained as a result of the ultrasonic irradiation A phased array flaw detector to receive,
The array probe is controlled to perform a predetermined flaw detection by the array probe via the phased array flaw detector, and the flaw detection data transmitted from the phased array flaw detector is processed to perform the inspection. A phased array ultrasonic flaw detection system having an arithmetic processing means for performing ultrasonic flaw detection inside an object,
The arithmetic processing means includes:
Based on the flaw detection data, a crack inspection process for determining the presence or absence of a crack in the inspection object;
When it is determined that there is a crack in the crack inspection process, a maximum echo detection process for detecting a maximum echo that maximizes the echo from the flaw detection data;
An axial position detecting step for specifying an axial position that is a position for giving the maximum echo in a direction where the refraction angle is zero degrees;
Based on the flaw detection data, a peak detection step of detecting a peak that is a maximum value of the echo intensity from an echo intensity distribution characteristic of the echo corresponding to each refraction angle;
A tip refraction angle detection step of selecting a tip refraction angle which is a smaller refraction angle of two refraction angles corresponding to the echo intensity at a predetermined ratio to the echo intensity corresponding to the refraction angle giving the peak;
A crack depth detection step of detecting a crack depth that is a dimension of a crack in a direction orthogonal to the axial direction based on the tip refraction angle ; and
In the tip refraction angle detection step,
When two peaks are detected in the peak detection step, two refraction angles corresponding to the echo intensity at a predetermined ratio to the echo intensity corresponding to the refraction angle that gives the peak with the smaller refraction angle The phased array ultrasonic flaw detection system is characterized in that the smaller refraction angle is selected to be the tip refraction angle .

本態様によれば、上述の如き知見を利用して、探傷データに基づき作成した各屈折角に対応するエコーのエコー強度分布特性からエコー強度の極大値を求め、この極大値を利用することで先端屈折角を求めている。この先端屈折角は検査対象物の内部に発生しているき裂の先端の情報を与えるものであるので、この先端屈折角を利用することによりアレイ探触子を配設した検査対象物の端面、端面からき裂までの軸方向寸法等の幾何学的な関係からき裂の深さを良好に検出することができる。この結果、検査対象物の寿命を適確に判断することができる。特に、アレイ探触子を配設し得る面積が小さく、探傷部位である内部が他の部材に埋まっているボルト、角柱等の探傷に用いて有用なものとなる。
そして、知見に基づき、き裂の先端に起因するき裂エコーを特定して、このエコーに基づき先端屈折角を求めているので、正確に先端屈折角を求めることができ、これを利用してき裂深さも正確かつ的確に求めることができる。
According to this aspect, using the knowledge as described above, the maximum value of the echo intensity is obtained from the echo intensity distribution characteristic of the echo corresponding to each refraction angle created based on the flaw detection data, and this maximum value is used. The tip refraction angle is obtained. Since the tip refraction angle gives information on the tip of the crack generated inside the inspection object, the end surface of the inspection object on which the array probe is disposed by using the tip refraction angle. The crack depth can be detected well from the geometrical relationship such as the axial dimension from the end face to the crack. As a result, the lifetime of the inspection object can be accurately determined. In particular, the area in which the array probe can be disposed is small, and it is useful for flaw detection of bolts, prisms, etc., where the interior of the flaw detection site is buried in another member.
Based on the knowledge, the crack echo caused by the crack tip is specified, and the tip refraction angle is obtained based on this echo. Therefore, the tip refraction angle can be obtained accurately, and this can be used to crack the crack. Depth can also be determined accurately and accurately.

本発明の第4の態様は、
第3の態様に記載するフェーズドアレイ超音波探傷システムにおいて、前記所定の割合は、前記エコー強度の半分とした
ことを特徴とするフェーズドアレイ超音波探傷システムにある。
The fourth aspect of the present invention is:
The phased array ultrasonic flaw detection system described in the third aspect is the phased array ultrasonic flaw detection system characterized in that the predetermined ratio is half of the echo intensity.

本態様によれば、先端屈折角を、知見に基づき適確に特定することができる。特に、検査対象物がボルトの場合には、先端屈折角が、実際より少なくとも小さい値として検出されるので、安全側でボルトのき裂の深さを検出することができる。すなわち、実際のき裂の深さは、計測値よりも大きくなることはなく、ボルトの取替え時期の目安としてき裂深さを利用する場合には、適確な測定値を与えることができる。   According to this aspect, the tip refraction angle can be accurately specified based on the knowledge. In particular, when the inspection object is a bolt, the tip refraction angle is detected as a value that is at least smaller than the actual value, so that the depth of the bolt crack can be detected on the safe side. That is, the actual crack depth does not become larger than the measured value, and when the crack depth is used as a guide for the replacement time of the bolt, an accurate measured value can be given.

本発明によれば、フェーズドアレイ超音波探傷法を利用した場合のボルト等、検査対象物のき裂の深さ推定を適確かつ正確に行なうことができる。すなわち、き裂を付与したボルトに対して、有限要素法を用いたシミュレーションによる検討結果を用いて屈折角におけるき裂エコー強度の分布がき裂深さと強い相関関係があるという知見を得、かかる相関関係を利用してき裂深さの推定法を提案しているので、良好に所望のき裂深さを検出することができる。具体的には、き裂の先端付近での反射に起因したピークの屈折角は先端屈折角より若干大きいものの、き裂深さに依存して変化し、き裂深さの増加とともに減少するので、この関係を利用すればき裂深さを適確に推定することができる。ちなみに、本発明によれば、検査対象物がボルトの場合、推定したき裂深さが真値より大きいものの、最大誤差を2mm以内に収めることができる。   According to the present invention, it is possible to accurately and accurately estimate the crack depth of an inspection object such as a bolt when the phased array ultrasonic flaw detection method is used. In other words, for the bolts with cracks, we obtained the knowledge that the distribution of crack echo intensity at the refraction angle has a strong correlation with the crack depth by using the results of simulations using the finite element method. Since a crack depth estimation method is proposed using the relationship, a desired crack depth can be detected satisfactorily. Specifically, the peak refraction angle due to reflection near the crack tip is slightly larger than the tip refraction angle, but it changes depending on the crack depth and decreases with increasing crack depth. If this relationship is used, the crack depth can be estimated accurately. Incidentally, according to the present invention, when the object to be inspected is a bolt, although the estimated crack depth is larger than the true value, the maximum error can be kept within 2 mm.

シミュレーションモデルにおけるき裂の位置およびその寸法を、それぞれ軸方向の位置P、長さLおよび深さDで定義して示す説明図である。It is explanatory drawing which defines and shows the position of the crack in the simulation model, and its dimension by the position P of the axial direction, the length L, and the depth D, respectively. 有限要素法に基づいたシミュレーションの2次元モデル(ボルト)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the two-dimensional model (bolt) of the simulation based on a finite element method. 各屈折角に対応する受信波形をシミュレーションで計算した−5°から20°までの屈折角に対応した受信波形を扇状に並べた結果(Sスキャン断面画像)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result (S scan cross-sectional image) which arranged the received waveform corresponding to the refraction angle from -5 degrees to 20 degrees which calculated the received waveform corresponding to each refraction angle by simulation. 各屈折角におけるき裂エコーNEの強度分布を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the intensity distribution of the crack echo NE in each refraction angle. 屈折角15°の波動伝搬の様子を、それぞれ異なる時刻(6.0μs、8.0μs、9.5μs、10.5μs、16.0μs)毎に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the mode of wave propagation with a refraction angle of 15 degrees for each different time (6.0 μs, 8.0 μs, 9.5 μs, 10.5 μs, 16.0 μs). 屈折角が0°のときの超音波音場の最大強度で各屈折角の超音波音場の強度を正規化して示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing the intensity of the ultrasonic sound field at each refraction angle normalized by the maximum intensity of the ultrasonic sound field when the refraction angle is 0 °. 屈折角に依存して変化する、ボルトのき裂で反射される超音波の音線を示す説明図で、(a)は超音波の中心ビームがき裂の先端に当たる場合、(b)は(a)より大きな屈折角の場合、(c)はすべての超音波のエネルギーが反射される場合をそれぞれ示している。FIG. 6 is an explanatory diagram showing an acoustic ray of an ultrasonic wave reflected by a bolt crack, which changes depending on a refraction angle, and (a) shows a case where the central beam of an ultrasonic wave hits the tip of the crack, and (b) shows In the case of a larger refraction angle, (c) shows a case where all ultrasonic energy is reflected. き裂の深さを変化させた複数の場合における、P=50mmの場合の屈折角に対するき裂エコーNEの強度分布を計算し、き裂の深さが0.5mmの場合の最大値で正規化して示す特性図である。Calculates the intensity distribution of the crack echo NE with respect to the refraction angle when P = 50 mm in a plurality of cases where the crack depth is changed, and is normalized with the maximum value when the crack depth is 0.5 mm. FIG. き裂の深さを変化させた複数の場合における、P=100mmの場合の屈折角に対するき裂エコーNEの強度分布を計算し、き裂の深さが0.5mmの場合の最大値で正規化して示す特性図である。Calculates the intensity distribution of the crack echo NE with respect to the refraction angle when P = 100 mm in a plurality of cases where the crack depth is changed, and is normalized with the maximum value when the crack depth is 0.5 mm. FIG. 本発明の実施の形態に係るフェーズドアレイ超音波探傷システムを示すブロック図である。1 is a block diagram showing a phased array ultrasonic flaw detection system according to an embodiment of the present invention. 図10に示す超音波探傷システムにおける演算処理部における処理手順に関する図で、(a)は処理手順を示すフローチャート、(b)はき裂深さの幾何学的関係を示す説明図である。It is a figure regarding the process sequence in the arithmetic processing part in the ultrasonic flaw detection system shown in FIG. 10, (a) is a flowchart which shows a process sequence, (b) is explanatory drawing which shows the geometric relationship of a crack depth. 探傷工程で得られる探傷データを示す説明図で、(a)はSスキャンデータ、(b)はBスキャンデータ、(c)はAスキャンデータである。It is explanatory drawing which shows the flaw detection data obtained at a flaw detection process, (a) is S scan data, (b) is B scan data, (c) is A scan data. 実際の探傷に用いた検査対象物であるボルトを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the volt | bolt which is a test target object used for actual flaw detection. 図13のボルトの探傷により得られたセクタースキャン画像を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the sector scan image obtained by the flaw detection of the volt | bolt of FIG. 図13に示すボルトのき裂深さを種々変化させた場合の異なる屈折角におけるエコー強度分布を示す特性図である。FIG. 14 is a characteristic diagram showing echo intensity distributions at different refraction angles when the crack depth of the bolt shown in FIG. 13 is variously changed. 図13に示すボルトのき裂深さの測定値を実際の深さとの比較において示す特性図である。It is a characteristic view which shows the measured value of the crack depth of the volt | bolt shown in FIG. 13 in comparison with an actual depth.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図10は本発明の実施の形態に係るフェーズドアレイ超音波探傷システムを示すブロック図である。同図に示すように、本形態に係るフェーズドアレイ超音波探傷システムは、アレイ探触子1、演算処理部11、フェーズドアレイ探傷装置12、制御装置13、モーター14および表示部15からなる。ここで、本形態におけるアレイ探触子1は複数(例えば32個)の素子を直線状に並べたリニアアレイ探触子であり、本形態における長尺の検査対象物であるボルト22の一方の端面にバネ等で押圧して当接させてある。演算処理部11はフェーズドアレイ探傷装置12と制御装置13を制御する。フェーズドアレイ探傷装置12はアレイ探触子1に電圧を印加することにより、ボルト22内を伝搬する超音波を励起させ、ボルト22の内部に向けて探傷用の超音波を照射する。また、フェーズドアレイ探傷装置12は、アレイ探触子1で受信されたボルト22内の探傷結果を表す探傷データを演算処理部11に送出する。すなわち、フェーズドアレイ探傷装置12は、アレイ探触子1の各素子を制御することにより超音波の屈折角を変化させてボルト22の内部の探傷を行うとともに、超音波の照射の結果得られる探傷結果のエコーをデジタル化した探傷データを受信して演算処理部11に送出する。この結果、探傷データは演算処理部11に記憶される。   FIG. 10 is a block diagram showing a phased array ultrasonic flaw detection system according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the phased array ultrasonic flaw detection system according to this embodiment includes an array probe 1, an arithmetic processing unit 11, a phased array flaw detection device 12, a control device 13, a motor 14, and a display unit 15. Here, the array probe 1 in the present embodiment is a linear array probe in which a plurality of (for example, 32) elements are arranged in a straight line, and one of the bolts 22 that are long inspection objects in the present embodiment. It is pressed against the end face with a spring or the like and brought into contact therewith. The arithmetic processing unit 11 controls the phased array flaw detector 12 and the control device 13. The phased array flaw detector 12 applies a voltage to the array probe 1 to excite ultrasonic waves propagating in the bolts 22 and irradiates the inside of the bolts 22 with ultrasonic waves for flaw detection. The phased array flaw detector 12 also sends flaw detection data representing flaw detection results in the bolts 22 received by the array probe 1 to the arithmetic processing unit 11. In other words, the phased array flaw detector 12 performs flaw detection inside the bolt 22 by changing the refraction angle of the ultrasonic wave by controlling each element of the array probe 1, and flaw detection obtained as a result of the ultrasonic irradiation. The flaw detection data obtained by digitizing the resulting echo is received and sent to the arithmetic processing unit 11. As a result, the flaw detection data is stored in the arithmetic processing unit 11.

さらに本形態において、制御装置13は演算処理部11の制御によりボルト22の端面(図10中の上端面)上でアレイ探触子1を回動させるモーター14を制御する。さらに詳言すると、アレイ探触子1はボルト22の中心軸O−O′回りに360°回動するように構成してあり、各回動位置で屈折角を所定の範囲で振って探傷データを収集する。さらに詳言すると、アレイ探触子1による探傷は、中心軸O−O′を含む面OTを、ボルト22の上端面の中心線S−S′を起点(0°)として図中時計方向に適宜回動し、変化させる回動角θの各回動位置で面OT内において探傷用の超音波の照射範囲を振り、回動角θが0°〜360°に対応する各位置で探傷データを収集する。面OT内における超音波の走査範囲は中心軸O−O′に対して−βから+φの範囲としている。ここで、モーター14の駆動に伴うアレイ探触子1の位置データは制御装置13から演算処理部11に供給される。また、演算処理部11で処理されたデータは表示部15に表示される。   Furthermore, in this embodiment, the control device 13 controls the motor 14 that rotates the array probe 1 on the end face (the upper end face in FIG. 10) of the bolt 22 under the control of the arithmetic processing unit 11. More specifically, the array probe 1 is configured to rotate 360 ° around the central axis OO ′ of the bolt 22, and flaw detection data is obtained by swinging the refraction angle within a predetermined range at each rotation position. collect. More specifically, the flaw detection by the array probe 1 is performed in the clockwise direction in the drawing with the surface OT including the central axis OO ′ as the starting point (0 °) as the center line SS ′ of the upper end surface of the bolt 22. The irradiation range of the ultrasonic wave for flaw detection is swung within the surface OT at each rotation position of the rotation angle θ that is appropriately rotated and changed, and flaw detection data is obtained at each position corresponding to the rotation angle θ of 0 ° to 360 °. collect. The scanning range of the ultrasonic wave in the plane OT is in the range of −β to + φ with respect to the central axis OO ′. Here, the position data of the array probe 1 as the motor 14 is driven is supplied from the control device 13 to the arithmetic processing unit 11. Further, the data processed by the arithmetic processing unit 11 is displayed on the display unit 15.

かかるフェーズドアレイ超音波探傷システムにおける演算処理部11では、次に示すような処理が行われる。かかる処理を、この場合の処理のフローチャートである図11(a)に基づいて説明する。   In the arithmetic processing unit 11 in the phased array ultrasonic flaw detection system, the following processing is performed. Such processing will be described with reference to FIG. 11A which is a flowchart of processing in this case.

1)ステップS1
検査対象物であるボルト22を探傷し、探傷結果である探傷データを得る(探傷工程)。この探傷データは、図12に示すように、(a)Sスキャンデータ、(b)Bスキャンデータ、(c)Aスキャンデータからなる。
1) Step S1
The bolt 22 that is the inspection object is flawed, and flaw detection data that is a flaw detection result is obtained (flaw detection step). As shown in FIG. 12, the flaw detection data includes (a) S scan data, (b) B scan data, and (c) A scan data.

2)ステップS2
ボルト22中のき裂の有無を判断するため、探傷データを分析する。具体的には、図12(b)に示すBスキャンデータ上のデータカーソルを移動し、同図(a)に示すSスキャンデータおよび同図(b)に示すBスキャンデータ上でき裂エコーの有無を観察する。
2) Step S2
In order to determine the presence or absence of a crack in the bolt 22, the flaw detection data is analyzed. Specifically, the data cursor on the B scan data shown in FIG. 12B is moved, and the presence or absence of a crack echo on the S scan data shown in FIG. 12A and the B scan data shown in FIG. Observe.

3)ステップS3
ボルト22中のき裂の有無を判断し、き裂深さを推定するプロセスに進むか、または終了(「END」)する。ちなみに、図12(a)および同図(b)に示すSおよびBスキャンデータにおいてはき裂エコーが観察されるため、き裂深さを推定するプロセスに進む。
3) Step S3
Proceed to the process of determining whether there is a crack in the bolt 22 and estimating the crack depth, or end ("END"). Incidentally, since crack echoes are observed in the S and B scan data shown in FIGS. 12A and 12B, the process proceeds to the process of estimating the crack depth.

4)ステップS4
最大のき裂エコーに対応するSスキャンを得る。図12(b)に示すように、周方向位置によってき裂エコーの強度は異なる。これは、き裂深さが周方向によって異なるからである。き裂エコーの強度がき裂深さの増加に伴い増大することから、最大のき裂エコーに対応するSスキャンデータに基づき推定したき裂深さは最大であると考えられる。そこで、図12に示すように、できるだけ強いエコーを通るように屈折角カーソルを移動する。その後、Bスキャン上のデータカーソルを移動し、Sスキャンデータ上でき裂エコーが最大となる位置で停止する。このときのSスキャンデータは最大のき裂エコーに対応すると仮定する(最大エコー検出工程)。
4) Step S4
An S-scan corresponding to the largest crack echo is obtained. As shown in FIG. 12B, the intensity of the crack echo differs depending on the circumferential position. This is because the crack depth varies depending on the circumferential direction. Since the strength of the crack echo increases as the crack depth increases, the crack depth estimated based on the S scan data corresponding to the maximum crack echo is considered to be the maximum. Therefore, as shown in FIG. 12, the refraction angle cursor is moved so as to pass as strong an echo as possible. Thereafter, the data cursor on the B scan is moved and stopped at a position where the crack echo is maximum on the S scan data. It is assumed that the S scan data at this time corresponds to the maximum crack echo (maximum echo detection step).

5)ステップS5
屈折角が零度の方向、すなわち中心軸O−O′(図10参照;以下同じ)方向において、最大のき裂エコーを与える位置であるき裂の軸方向位置を求める(軸方向位置検出工程)。具体的には、き裂エコーと重なるようにSスキャンデータ上の線を移動してその位置を読み取り、読み取ったき裂の軸方向位置をPとする。図12に示す場合は、P=50mmである。
5) Step S5
In the direction where the refraction angle is zero degrees, that is, in the direction of the central axis OO ′ (see FIG. 10; the same applies hereinafter), the axial position of the crack, which is the position that gives the maximum crack echo, is obtained (axial position detection step). Specifically, the line on the S scan data is moved so as to overlap with the crack echo and the position thereof is read, and the axial position of the read crack is defined as P. In the case shown in FIG. 12, P = 50 mm.

6)ステップS6
屈折角におけるき裂のエコー強度の分布上のピーク数によって、ピークP1またはピークP2を検出する(ピーク検出工程)。具体的には、エコー強度分布を作成するため、Sスキャンデータ上の屈折角カーソルを移動し、Aスキャンデータから異なる屈折角に対応するき裂エコーの強度を読み取り、屈折角に対するエコー強度分布の特性(図8および図9参照)を得る(ピーク検出工程)。
6) Step S6
Peak P1 or peak P2 is detected based on the number of peaks on the distribution of the crack echo intensity at the refraction angle (peak detection step). Specifically, in order to create an echo intensity distribution, the refraction angle cursor on the S scan data is moved, the crack echo intensities corresponding to different refraction angles are read from the A scan data, and the echo intensity distribution with respect to the refraction angle is calculated. Characteristics (see FIG. 8 and FIG. 9) are obtained (peak detection step).

7)ステップS7
ステップS6の処理の結果、ピークが二つ検出された場合には、ピークP2を利用してき裂深さを推定する。具体的には、前述のように、ピークP2を与える屈折角はき裂深さに依存して変化するものの、先端屈折角αより若干大きい。そこで、ピークP2の半値に対応する二つの屈折角のうち小さな方を先端屈折角αに等しいと仮定する。
7) Step S7
If two peaks are detected as a result of the process of step S6, the crack depth is estimated using the peak P2. Specifically, as described above, the refraction angle that gives the peak P2 varies depending on the crack depth, but is slightly larger than the tip refraction angle α. Therefore, it is assumed that the smaller one of the two refraction angles corresponding to the half value of the peak P2 is equal to the tip refraction angle α.

8)ステップS8
ステップS6の処理の結果、ピークが一つしか検出されなかった場合には、ピークP1を利用してき裂深さを推定する。具体的には、ピークP1の半値に対応する二つの屈折角のうち小さな方を先端屈折角αに等しいと仮定する。
8) Step S8
If only one peak is detected as a result of the process in step S6, the crack depth is estimated using the peak P1. Specifically, it is assumed that the smaller one of the two refraction angles corresponding to the half value of the peak P1 is equal to the tip refraction angle α.

9)ステップS9
ステップS7、S8の処理の結果求まる先端屈折角αを用いて、図11(b)に示す幾何学的な関係から、D=r−tan(α)(ただし、rはボルト22のネジの谷を基準にした半径)を利用してき裂深さDを求める。ここで、rはボルト22の谷径である。例えば、r=26.8mmの場合、図12から得られるき裂の軸方向位置P(=50mm)、先端屈折角(=7.01°)を代入すると、き裂深さD=7.25mmと求められる。
9) Step S9
Using the tip refraction angle α obtained as a result of the processing in steps S7 and S8, D = r−tan (α) (where r is a trough of the screw of the bolt 22) from the geometrical relationship shown in FIG. The crack depth D is obtained using a radius based on. Here, r is the valley diameter of the bolt 22. For example, when r = 26.8 mm, the crack depth D = 7.25 mm when the axial position P (= 50 mm) and the tip refraction angle (= 7.01 °) of the crack obtained from FIG. 12 are substituted. Is required.

上述の如き実施の形態に係る超音波探傷システムの効果を実証するため、検査対象であるボルトにき裂を形成してその探傷実験を行なった。図13は、実際の探傷に用いた検査対象物であるボルトを示す説明図である。同図に示すように、ボルト22は長さ300mmの炭素鋼SS400製ボルトであり、これに異なる深さのき裂23を放電加工で付与した。ボルト22の直径は24mmまたは30mmであり、き裂23の軸方向位置Pは50mmとした。き裂23の深さを0.5、1.0、2.0、4.6および8mmと変化させた。き裂23の形状はボルト試験体に付与した疲労き裂の形状を参考に決定した。   In order to verify the effect of the ultrasonic flaw detection system according to the above-described embodiment, a flaw detection experiment was performed by forming a crack in a bolt to be inspected. FIG. 13 is an explanatory view showing a bolt which is an inspection object used for actual flaw detection. As shown in the figure, the bolts 22 are carbon steel SS400 bolts having a length of 300 mm, and cracks 23 having different depths were applied thereto by electric discharge machining. The diameter of the bolt 22 was 24 mm or 30 mm, and the axial position P of the crack 23 was 50 mm. The depth of the crack 23 was changed to 0.5, 1.0, 2.0, 4.6, and 8 mm. The shape of the crack 23 was determined with reference to the shape of the fatigue crack applied to the bolt specimen.

また、測定条件は、探傷モードを縦波に、音速を5,900m/sに設定し、屈折角をステップ0.2°で−20°から20°へと変化させた。送信のときは、超音波のエネルギーを軸方向の位置60mmに集束させる。受信のときは、軸方向の距離分解能の向上を図る目的で受信波形を軸方向の位置10mmないし150mmに集束させるように設定した。デジタイザー周波数および印加電圧はそれぞれ50MHzおよび200Vである。アレイ探触子1をボルト22の中心軸O−O′において0.5°毎で回動して測定を実施した。   The measurement conditions were that the flaw detection mode was set to longitudinal wave, the sound velocity was set to 5,900 m / s, and the refraction angle was changed from −20 ° to 20 ° at a step of 0.2 °. At the time of transmission, the ultrasonic energy is focused at a position 60 mm in the axial direction. At the time of reception, the received waveform was set to be focused at a position in the axial direction of 10 mm to 150 mm for the purpose of improving the axial distance resolution. The digitizer frequency and applied voltage are 50 MHz and 200 V, respectively. Measurement was carried out by rotating the array probe 1 every 0.5 ° about the central axis OO ′ of the bolt 22.

P=50mm、D=6mmのき裂23を探傷し、得られたセクタースキャンデータの断面画像を図14に示す。同図に示すように、ネジエコーSE、き裂エコーNEおよびき裂23での多重反射による指示が明瞭に観察される。また、き裂エコーNEの拡大図においては、コーナー部とき裂23の先端付近の反射に対応するそれぞれの指示も明確である。これは図3のシミュレーション結果と良く一致している。   FIG. 14 shows a cross-sectional image of the sector scan data obtained by detecting the crack 23 having P = 50 mm and D = 6 mm. As shown in the figure, the indication due to multiple reflection at the screw echo SE, the crack echo NE and the crack 23 is clearly observed. Further, in the enlarged view of the crack echo NE, the respective instructions corresponding to the reflection near the tip of the corner portion and the crack 23 are also clear. This is in good agreement with the simulation results of FIG.

き裂23の深さを0.5、1、2、4、6および8mmと変化させた場合の異なる屈折角におけるき裂エコーのエコー強度分布を図15に示す。同図は、き裂深さ0.5mmの場合の最大値で正規化して示している。同図に示すように、D≦1mmのときには、一つのピークしか観察されない。D=2mmのとき、ピークP1とピークP2とが分離し始める。D≧4mmのとき、ピークP2はピークP1から完全に分離し明瞭に観察される。アレイ探触子1とボルト22の端面の両者の中心が幾らか一致していないため、ピークP1の屈折角が若干変動している。また、エコー強度はアレイ探触子1の接触状態に依存して変化する。その接触状態を一定にすることは困難であるので、エコー強度については議論しない。同図から得られたピークP1、P2に関係する屈折角を表3に示す。   FIG. 15 shows echo intensity distributions of crack echoes at different refraction angles when the depth of the crack 23 is changed to 0.5, 1, 2, 4, 6 and 8 mm. This figure is normalized and shown with the maximum value when the crack depth is 0.5 mm. As shown in the figure, when D ≦ 1 mm, only one peak is observed. When D = 2 mm, the peak P1 and the peak P2 begin to separate. When D ≧ 4 mm, the peak P2 is completely separated from the peak P1 and is clearly observed. Since the centers of the array probe 1 and the end face of the bolt 22 do not coincide somewhat, the refraction angle of the peak P1 slightly varies. Further, the echo intensity changes depending on the contact state of the array probe 1. Since it is difficult to make the contact state constant, the echo intensity will not be discussed. Table 3 shows refraction angles related to the peaks P1 and P2 obtained from FIG.

表3に示すように、ピークP2の屈折角が先端屈折角αより1°程度大きく、き裂深さの増加に従って減少する。同表の結果は表1のシミュレーション結果とよく一致している。   As shown in Table 3, the refraction angle of the peak P2 is about 1 ° larger than the tip refraction angle α, and decreases as the crack depth increases. The results in the table are in good agreement with the simulation results in Table 1.

超音波探傷試験の観点から、枝分かれの応力腐食き裂を除いた疲労き裂などのき裂をき裂と見なすことができる。シミュレーションおよび実験による検討の結果により、屈折角におけるき裂エコー強度の分布のピークは、き裂深さと強い相関関係があるので、この間をボルト22に発生したき裂の深さの推定に利用する上記実施の形態によれば、所望のき裂深さDを良好に計測することができる。   From the viewpoint of the ultrasonic flaw detection test, a crack such as a fatigue crack excluding a branching stress corrosion crack can be regarded as a crack. As a result of examination by simulation and experiment, the peak of the distribution of crack echo intensity at the refraction angle has a strong correlation with the crack depth, and this interval is used to estimate the depth of the crack generated in the bolt 22. According to the above embodiment, the desired crack depth D can be satisfactorily measured.

上記実験の結果から推定したき裂深さと、実際のき裂深さ(真値)の比較を図16に示す。同図に示すように、いずれの場合においてもき裂深さが真値より幾らか大きく推定されるものの、最大誤差は2mm以内である。これは、図11に示したフローチャートに基づく推定法の妥当性を示している。また、同図に示すように、軸方向位置Pが50mmから100mmへと増加すると、推定したき裂深さDの誤差が増大する。これは、軸方向位置Pが遠くなると超音波エネルギーが集束し難くなることによるものと考えられる。   FIG. 16 shows a comparison between the crack depth estimated from the results of the experiment and the actual crack depth (true value). As shown in the figure, although the crack depth is estimated to be somewhat larger than the true value in any case, the maximum error is within 2 mm. This indicates the validity of the estimation method based on the flowchart shown in FIG. As shown in the figure, when the axial position P increases from 50 mm to 100 mm, the error of the estimated crack depth D increases. This is considered to be due to the fact that the ultrasonic energy becomes difficult to converge when the axial position P becomes far.

上記実施の形態における検査対象物は、ボルトを例に採り説明したが、検査対象物をこれに限定する必要は、勿論ない。角柱等の長尺ものであれば、全く同様の作用・効果を得ることができる。さらに、長尺物に限る必要はなく、ブロック部材等であっても構わない。ただ、ブロック部材には、他の超音波探傷方法を適用し得る余地があるので、本発明は、前記長尺物の場合に特に有用なものであるといい得る。   The inspection object in the above embodiment has been described by taking a bolt as an example, but it is needless to say that the inspection object is not limited to this. If it is a long object such as a prism, the same actions and effects can be obtained. Furthermore, it is not necessary to limit to a long thing, A block member etc. may be sufficient. However, since the block member has room for other ultrasonic flaw detection methods, the present invention can be said to be particularly useful in the case of the long object.

また、上記実施の形態では、アレイ探触子をリニアアレイとしたが、これは勿論、マトリクスアレイでも構わない。マトリクスアレイの場合は、多くの素子が必要になるが、アレイ探触子を回動する必要はない。   In the above embodiment, the array probe is a linear array. However, this may be a matrix array. In the case of a matrix array, many elements are required, but it is not necessary to rotate the array probe.

また、上記実施の形態では、リニアアレイのアレイ探触子を中心軸回りに360°回動させているが、回動角度は、検査範囲に応じて設定すれば良い。なお、上記実施の形態ではアレイ探触子1をモーター14で回動しているが、モーター14は必ずしも必要ではない。手動で所定の角度に調整するように構成することもできる。また、マトリクスアレイを用いた場合は、超音波ビームを電子的に回動させることで同様の効果を得ることができる。   In the above embodiment, the array probe of the linear array is rotated 360 ° around the central axis. However, the rotation angle may be set according to the inspection range. In the above embodiment, the array probe 1 is rotated by the motor 14, but the motor 14 is not necessarily required. It can also be configured to manually adjust to a predetermined angle. In the case of using a matrix array, the same effect can be obtained by electronically rotating the ultrasonic beam.

本発明は超音波探傷により各種プラントの保守・保全を行う産業分野で利用して有用なものである。   The present invention is useful in the industrial field in which various plants are maintained and maintained by ultrasonic flaw detection.

1 アレイ探触子
2、22 ボルト
3、23 き裂
α 先端屈折角
D き裂深さ
P1、P2 ピーク
1 Array probe 2, 22 Volts 3, 23 Crack α Tip refraction angle D Crack depth P1, P2 Peak

Claims (4)

複数の素子からなるアレイ探触子を用いて検査対象物の超音波探傷を行うフェーズドアレイ超音波探傷方法において、
検査対象物の一方の端面に前記アレイ探触子を配設するとともに、前記検査対象物の内部に向けて屈折角を変化させつつ超音波を照射して前記検査対象物からのエコーをデジタル化した探傷データを得る探傷工程と、
前記探傷データに基づき、前記検査対象物中のき裂の有無を判断するき裂検査工程と、
前記き裂検査工程でき裂が存在すると判断された場合には、前記探傷データ中から前記き裂によるエコーが最大となる最大エコーを検出する最大エコー検出工程と、
前記屈折角が零度の方向において、前記最大エコーを与える位置である軸方向位置を特定する軸方向位置検出工程と、
前記探傷データに基づき、各屈折角に対応する前記エコーのエコー強度分布特性から前記エコー強度の極大値であるピークを検出するピーク検出工程と、
前記ピークを与える屈折角に対応する前記エコー強度に対する所定の割合の前記エコー強度に対応する二つの屈折角のうち小さい方の屈折角である先端屈折角を選択する先端屈折角検出工程と、
前記先端屈折角に基づき前記軸方向に直交する方向のき裂の寸法であるき裂深さを検出するき裂深さ検出工程とを有し、
前記先端屈折角検出工程は、
前記ピーク検出工程で前記ピークが2個検出された場合に、前記屈折角が小さい方の前記ピークを与える屈折角に対応する前記エコー強度に対する所定の割合の前記エコー強度に対応する二つの屈折角のうち小さい方の屈折角を選択して先端屈折角とする
ことを特徴とするフェーズドアレイ超音波探傷方法。
In a phased array ultrasonic flaw detection method for performing ultrasonic flaw detection on an inspection object using an array probe composed of a plurality of elements,
The array probe is arranged on one end face of the inspection object, and the echo from the inspection object is digitized by irradiating ultrasonic waves while changing the refraction angle toward the inside of the inspection object. Flaw detection process for obtaining flaw detection data,
Based on the flaw detection data, a crack inspection process for determining the presence or absence of a crack in the inspection object;
When it is determined that a crack exists in the crack inspection process, a maximum echo detection process for detecting a maximum echo from which the echo due to the crack is maximized from the flaw detection data;
An axial position detecting step for specifying an axial position that is a position for giving the maximum echo in a direction where the refraction angle is zero degrees;
Based on the flaw detection data, a peak detection step of detecting a peak that is a maximum value of the echo intensity from an echo intensity distribution characteristic of the echo corresponding to each refraction angle;
A tip refraction angle detection step of selecting a tip refraction angle which is a smaller refraction angle of two refraction angles corresponding to the echo intensity at a predetermined ratio to the echo intensity corresponding to the refraction angle giving the peak;
It possesses a裂深detection step of Ki for detecting a certain Ki裂深of dimensions in the direction of crack perpendicular to the axial direction on the basis of the tip angle of refraction,
The tip refraction angle detection step includes
When two peaks are detected in the peak detection step, two refraction angles corresponding to the echo intensity at a predetermined ratio to the echo intensity corresponding to the refraction angle that gives the peak with the smaller refraction angle A phased array ultrasonic flaw detection method, wherein a smaller refraction angle is selected to be a tip refraction angle .
請求項1に記載するフェーズドアレイ超音波探傷方法において、
前記所定の割合は、前記エコー強度の半分とした
ことを特徴とするフェーズドアレイ超音波探傷方法。
In the phased array ultrasonic flaw detection method according to claim 1 ,
The phased array ultrasonic flaw detection method characterized in that the predetermined ratio is half of the echo intensity.
検査対象物の一方の端面に配設され、前記検査対象物の内部に向けてそれぞれ超音波を照射する複数の素子からなり、フェーズドアレイ超音波探傷に用いるアレイ探触子と、
前記各素子を制御することにより前記超音波の屈折角を変化させて前記検査対象物の内部の探傷を行うとともに、超音波の照射の結果で得られる探傷結果のエコーをデジタル化した探傷データを受信するフェーズドアレイ探傷装置と、
前記フェーズドアレイ探傷装置を介して前記アレイ探触子により前記検査対象物の所定の探傷が行われるように制御するとともに、前記フェーズドアレイ探傷装置から送信されてくる前記探傷データを処理して前記検査対象物の内部の超音波探傷を行う演算処理手段とを有するフェーズドアレイ超音波探傷システムであって、
前記演算処理手段は、
前記探傷データに基づき、前記検査対象物中のき裂の有無を判断するき裂検査工程と、
前記き裂検査工程でき裂が存在すると判断された場合には、前記探傷データ中から前記エコーが最大となる最大エコーを検出する最大エコー検出工程と、
前記屈折角が零度の方向において、前記最大エコーを与える位置である軸方向位置を特定する軸方向位置検出工程と、
前記探傷データに基づき、各屈折角に対応する前記エコーのエコー強度分布特性から前記エコー強度の極大値であるピークを検出するピーク検出工程と、
前記ピークを与える屈折角に対応する前記エコー強度に対する所定の割合の前記エコー強度に対応する二つの屈折角のうち小さい方の屈折角である先端屈折角を選択する先端屈折角検出工程と、
前記先端屈折角に基づき前記軸方向に直交する方向のき裂の寸法であるき裂深さを検出するき裂深さ検出工程とを実行するように構成し、
前記先端屈折角検出工程では、
前記ピーク検出工程で前記ピークが2個検出された場合に、前記屈折角が小さい方の前記ピークを与える屈折角に対応する前記エコー強度に対する所定の割合の前記エコー強度に対応する二つの屈折角のうち小さい方の屈折角を選択して先端屈折角とする
ことを特徴とするフフェーズドアレイ超音波探傷システム。
An array probe used for phased array ultrasonic flaw detection, comprising a plurality of elements disposed on one end surface of the inspection object and radiating ultrasonic waves toward the inside of the inspection object,
Flaw detection data obtained by changing the refraction angle of the ultrasonic wave by controlling each element and performing flaw detection inside the inspection object and digitizing the echo of the flaw detection result obtained as a result of the ultrasonic irradiation A phased array flaw detector to receive,
The array probe is controlled to perform a predetermined flaw detection by the array probe via the phased array flaw detector, and the flaw detection data transmitted from the phased array flaw detector is processed to perform the inspection. A phased array ultrasonic flaw detection system having an arithmetic processing means for performing ultrasonic flaw detection inside an object,
The arithmetic processing means includes:
Based on the flaw detection data, a crack inspection process for determining the presence or absence of a crack in the inspection object;
When it is determined that there is a crack in the crack inspection process, a maximum echo detection process for detecting a maximum echo that maximizes the echo from the flaw detection data;
An axial position detecting step for specifying an axial position that is a position for giving the maximum echo in a direction where the refraction angle is zero degrees;
Based on the flaw detection data, a peak detection step of detecting a peak that is a maximum value of the echo intensity from an echo intensity distribution characteristic of the echo corresponding to each refraction angle;
A tip refraction angle detection step of selecting a tip refraction angle which is a smaller refraction angle of two refraction angles corresponding to the echo intensity at a predetermined ratio to the echo intensity corresponding to the refraction angle giving the peak;
A crack depth detection step of detecting a crack depth that is a dimension of a crack in a direction orthogonal to the axial direction based on the tip refraction angle ; and
In the tip refraction angle detection step,
When two peaks are detected in the peak detection step, two refraction angles corresponding to the echo intensity at a predetermined ratio to the echo intensity corresponding to the refraction angle that gives the peak with the smaller refraction angle A phased array ultrasonic flaw detection system characterized in that the smaller refraction angle is selected to be the tip refraction angle .
請求項3に記載するフェーズドアレイ超音波探傷システムにおいて、
前記所定の割合は、前記エコー強度の半分とした
ことを特徴とするフェーズドアレイ超音波探傷システム。
The phased array ultrasonic flaw detection system according to claim 3 ,
The predetermined ratio is half of the echo intensity. A phased array ultrasonic flaw detection system, wherein:
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