JP6402531B2 - 欠陥検出装置、欠陥検出方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置及び欠陥検出方法、当該欠陥検出方法をコンピュータに実行させるためのプログラムに関するものである。なお、本明細書においては、管径が５インチ以下、管厚みが７．５ｍｍ以下の小径の電縫鋼管について欠陥検出を行う場合を想定した例を説明するが、本発明においてはこれに限定されるものではなく、例えばアーク溶接鋼管などの他の溶接鋼管を欠陥検出の対象とするものであってもよい。

まず、電縫鋼管の一般的な製造方法について説明する。

図１８は、一般的な電縫鋼管の製造方法の一例を示す模式図である。図１８（ａ）に示すように、一般的な電縫鋼管の製造方法においては、帯状の鋼板（帯鋼）２０１を、方向２０２に向かって連続的に搬送しながら、多数のロール群（図示せず）により管状に成形し、その突合せ端面２０３を高周波コイル２０４による誘導加熱又はコンタクトチップ（図示せず）による直接通電加熱により溶融するとともに、スクイズロール２０５により押圧を加えることで、突合せ端面２０３を溶接して溶接部２１０を形成する。このようにして、図１８（ｂ）に示すように、溶接部２１０（溶接面）が管軸方向２２０に沿って形成された電縫鋼管２００が製造される。なお、本明細書において、溶接面とは、オープ管状に成形された熱延鋼板端部が、加熱され、溶融し、溶融部が押圧を加えることによって排出されて接合が完了した時の接合面をいう。この溶接面は、溶接衝合面と称される場合もある。

電縫鋼管２００では溶接部２１０（溶接面）の品質が非常に重要であり、電縫鋼管２００の製造工程においては、一般に超音波斜角探傷によって溶接部２１０（溶接面）に欠陥が存在するか否かのオンライン探傷が行われている。

図１９は、従来の斜角探傷法の一例を示す模式図である。図１９には、図１８（ｂ）に示した電縫鋼管２００の断面（より詳細には、電縫鋼管２００の断面のうちの溶接部２１０（溶接面）付近）が示されている。そして、超音波ビームの送受信を行うアレイ探触子２５０は、電縫鋼管２００の外表面２００Ｇの外側に設置されている。このような状態で、図１９に示す従来の斜角探傷法では、アレイ探触子２５０から、電縫鋼管２００の外表面２００Ｇに対して超音波ビームを出力し、当該超音波ビームを電縫鋼管２００の内表面２００Ｎで一度反射させて溶接部２１０（溶接面）に照射し、反射した超音波ビームをアレイ探触子２５０で受信し、受信した超音波ビームを解析して溶接部２１０（溶接面）に欠陥が存在するか否かを検出する。

また、従来、下記の特許文献１には、超音波ビームの送信用と受信用とで別のアレイ探触子を設ける、いわゆるタンデム探傷法の技術が開示されている。

また、従来、下記の特許文献２には、超音波探傷子から電縫鋼管の溶接部（溶接面）に直射で超音波ビームを送信し、反射した超音波ビームを当該超音波探傷子で受信して、受信した超音波ビームを解析して溶接部（溶接面）に欠陥が存在するか否かを検出する技術が開示されている。

また、従来、下記の特許文献３には、フェイズドアレイ探傷子を用いて、当該フェイズドアレイ探傷子を構成する複数の超音波探傷子のうちの一部または全部を含む超音波探傷子群から、電縫鋼管の溶接部（溶接面）に直射で超音波ビームを送信し、反射した超音波ビームを当該超音波探傷子群で受信して、受信した超音波ビームを解析して溶接部（溶接面）に欠陥が存在するか否かを検出する技術が開示されている。

特許第４５４４２４０号公報 特開２００６−４７０２６号公報 国際公開第２０１４／００７０２３号

しかしながら、上述した図１９に示す従来の斜角探傷法では、超音波ビームを電縫鋼管２００の内表面２００Ｎで一度反射させて溶接部２１０（溶接面）に照射しているため、溶接部２１０（溶接面）に対して略垂直に超音波ビームを照射することができず、その結果、溶接部２１０（溶接面）に欠陥が存在する場合、アレイ探触子２５０に届く当該欠陥からの正反射の超音波ビームが弱くなる。このため、例えば、ペネトレータのような微小欠陥（０．３ｍｍ程度）の検出は困難となるという問題があった。

また、上述した特許文献１の技術では、比較的厚みの薄い（７．５ｍｍ程度以下）管径が５インチ以下の小径の電縫鋼管に対して探傷を行う場合には、溶接部（溶接面）に存在する欠陥からの反射超音波ビームに係るＳＮ比が低下するという問題があった。

また、上述した特許文献２の技術では、超音波探傷子から送信する超音波ビームの集束技術は開示させておらず、このため、溶接部（溶接面）に存在する欠陥からの反射超音波ビームに係るＳＮ比が低下するという問題があった。

また、上述した特許文献３の技術では、フェイズドアレイ探傷子から電縫鋼管の溶接部（溶接面）に超音波ビームを送信して欠陥探傷を行う際に、当該超音波ビームの集束点を考慮して欠陥探傷を行うことは開示されておらず、このため、溶接部（溶接面）に存在する欠陥の検出精度を向上させることが困難であるという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、微小欠陥の検出も可能であり、且つ、比較的厚みの薄い小径の溶接鋼管であっても欠陥の検出精度の向上を実現する仕組みを提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

本発明の欠陥検出装置は、溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置であって、前記溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子と、前記フェイズドアレイ探触子を構成する前記複数の超音波振動子のうちの一部の超音波振動子からなる探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接面に対して略垂直に直接入射し且つ前記溶接面に収束するように、前記探傷用超音波ビームを送信する送信手段と、前記溶接鋼管の管厚みと、前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面における前記管厚みの方向の領域の区分数Ｎを設定する区分数設定手段と、実測または３次元シミュレーション解析により予め導出された、前記区分数Ｎに分けられた領域ごとの前記探傷用超音波ビームの前記溶接鋼管の円周方向における最大音圧位置に係る情報と前記探傷用超音波振動子群の中央位置との関係に基づいて、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管との位置関係を固定した状態で、前記区分数Ｎに分けられた領域ごとに、前記探傷用超音波ビームの前記最大音圧位置と前記溶接面の位置とが一致するように前記探傷用超音波振動子群の中央位置を移動させることで前記区分数Ｎに分けられた領域ごとの前記探傷用超音波振動子群を設定する超音波振動子群設定手段と、前記送信手段を制御して、前記区分数Ｎに分けられた各領域に対して、前記超音波振動子群設定手段において前記区分数Ｎに分けられた領域ごとに設定された前記探傷用超音波振動子群から前記探傷用超音波ビームを順次送信させる制御手段と、反射したそれぞれの前記探傷用超音波ビームを、当該探傷用超音波ビームを送信した前記探傷用超音波振動子群を介して順次受信する受信手段と、前記受信手段で順次受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定手段と、を有する。

本発明の欠陥検出方法は、溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子と、前記フェイズドアレイ探触子を構成する前記複数の超音波振動子のうちの一部の超音波振動子からなる探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に対して略垂直に直接入射し且つ前記溶接面に収束するように、前記探傷用超音波ビームを送信する送信手段とを備え、前記溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置による欠陥検出方法であって、前記溶接鋼管の管厚みと、前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面における前記管厚みの方向の領域の区分数Ｎを設定する区分数設定ステップと、実測または３次元シミュレーション解析により予め導出された、前記区分数Ｎに分けられた領域ごとの前記探傷用超音波ビームの前記溶接鋼管の円周方向における最大音圧位置に係る情報と前記探傷用超音波振動子群の中央位置との関係に基づいて、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管との位置関係を固定した状態で、前記区分数Ｎに分けられた領域ごとに、前記探傷用超音波ビームの前記最大音圧位置と前記溶接面の位置とが一致するように前記探傷用超音波振動子群の中央位置を移動させることで前記区分数Ｎに分けられた領域ごとの前記探傷用超音波振動子群を設定する超音波振動子群設定ステップと、前記送信手段を制御して、前記区分数Ｎに分けられた各領域に対して、前記超音波振動子群設定ステップにおいて前記区分数Ｎに分けられた領域ごとに設定された前記探傷用超音波振動子群から前記探傷用超音波ビームを順次送信させる制御ステップと、反射したそれぞれの前記探傷用超音波ビームを、当該探傷用超音波ビームを送信した前記探傷用超音波振動子群を介して順次受信する受信ステップと、前記受信ステップで順次受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定ステップと、を有する。

本発明のプログラムは、溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子と、前記フェイズドアレイ探触子を構成する前記複数の超音波振動子のうちの一部の超音波振動子からなる探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に対して略垂直に直接入射し且つ前記溶接面に収束するように、前記探傷用超音波ビームを送信する送信手段とを備え、前記溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置による欠陥検出方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記溶接鋼管の管厚みと、前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面における前記管厚みの方向の領域の区分数Ｎを設定する区分数設定ステップと、実測または３次元シミュレーション解析により予め導出された、前記区分数Ｎに分けられた領域ごとの前記探傷用超音波ビームの前記溶接鋼管の円周方向における最大音圧位置に係る情報と前記探傷用超音波振動子群の中央位置との関係に基づいて、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管との位置関係を固定した状態で、前記区分数Ｎに分けられた領域ごとに、前記探傷用超音波ビームの前記最大音圧位置と前記溶接面の位置とが一致するように前記探傷用超音波振動子群の中央位置を移動させることで前記区分数Ｎに分けられた領域ごとの前記探傷用超音波振動子群を設定する超音波振動子群設定ステップと、前記送信手段を制御して、前記区分数Ｎに分けられた各領域に対して、前記超音波振動子群設定ステップにおいて前記区分数Ｎに分けられた領域ごとに設定された前記探傷用超音波振動子群から前記探傷用超音波ビームを順次送信させる制御ステップと、反射したそれぞれの前記探傷用超音波ビームを、当該探傷用超音波ビームを送信した前記探傷用超音波振動子群を介して順次受信する受信ステップと、前記受信ステップで順次受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定ステップと、をコンピュータに実行させる。

本発明によれば、微小欠陥の検出も可能であり、且つ、比較的厚みの薄い小径の溶接鋼管であっても欠陥の検出精度の向上を実現することができる。

本発明の実施形態に係る欠陥検出装置の概略構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態を示し、図１に示す探傷用超音波ビームの送受信の一例を示す図である。 本発明の実施形態を示し、図１に示す音響レンズの一例を示す図である。 本発明の実施形態を示し、図１に示すフェイズドアレイ探触子の概略図である。 本発明の実施形態を示し、図１に示す探傷用超音波ビームの焦点での有効ビーム径の解析モデル及びその解析結果を示す図である。 探傷予備実験に用いる電縫鋼管を示す模式図である。 図６に示す電縫鋼管に対して、フェイズドアレイ探触子の或る探傷用超音波振動子群を用いて探傷を行う際の探傷条件を示す図である。 図６に示す電縫鋼管に対して、図７に示すフェイズドアレイ探触子の或る探傷用超音波振動子群を用いて行った探傷予備実験の結果を示す図である。 図７に示すフェイズドアレイ探触子の探傷用超音波振動子群が、周波数１０ＭＨｚの探傷用超音波ビームを送信し、ピッチ０．２５ｍｍ、開口径８ｍｍの場合の探傷波形を示す図である。 本発明の実施形態を示し、２次元シミュレーションによる探傷用超音波ビームの音圧分布を示す図である。 本発明の実施形態を示し、図７に示す探傷状態に対して図１０（ａ）に示すＴ軸負方向に電縫鋼管を１°刻みで回転させた際のφ０．２ｍｍの平底穴のＳ／Ｎを示す図である。 本発明の実施形態を示し、図１の超音波振動子群設定部において探傷用超音波振動子群を設定する際の処理のイメージを示す図である。 本発明の実施形態を示し、図１の超音波振動子群設定部において探傷用超音波振動子群を設定する際の処理のイメージを示す図である。 本発明の実施形態を示し、図６に示す電縫鋼管に対して、図１の超音波振動子群設定部により各径路ごとに位置の最適化を実施した後の探傷用超音波振動子群を用いて行った探傷実験の結果を示す図である。 本発明の実施形態を示し、図６に示す電縫鋼管に対して、図１の超音波振動子群設定部により各径路ごとに位置の最適化を実施する前と後の探傷用超音波振動子群を用いて行った探傷実験の結果を示す図である。 本発明の実施形態を示し、図１に示す電縫鋼管の回転角度と欠陥（きず）の反射エコーの振幅との関係について、３次元シミュレーション解析による結果、２次元シミュレーション解析による結果、及び、実験結果を示す図である。 本発明の実施形態に係る欠陥検出装置による欠陥検出方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。 一般的な電縫鋼管の製造方法の一例を示す模式図である。 従来の斜角探傷法の一例を示す模式図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る欠陥検出装置１００の概略構成の一例を示す図である。この欠陥検出装置１００は、溶接鋼管の一種である電縫鋼管２００の管軸方向（図１８（ｂ）の２２０）に沿って形成された溶接部２１０（溶接面）に存在する欠陥を検出するための装置である。また、図１には、図１８（ｂ）に示した電縫鋼管２００の断面（より詳細には、電縫鋼管２００の断面のうちの溶接部２１０付近）が示されている。

本実施形態に係る欠陥検出装置１００は、図１に示すように、音響レンズ１１０と、フェイズドアレイ探触子１２０と、制御処理装置１４０を有して構成されている。また、制御処理装置１４０は、被検体条件入力部１４１と、送受信条件設定部１４２と、最大音圧位置情報記憶部１４３と、送受信制御部１４４と、送信部１４５−１と、受信部１４５−２と、受信信号処理部１４６と、欠陥判定部１４７と、水判定部１４８と、記録・表示部１４９を有して構成されている。

音響レンズ１１０は、フェイズドアレイ探触子１２０と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間にフェイズドアレイ探触子１２０に対応して設けられている。音響レンズ１１０は、フェイズドアレイ探触子１２０から出力される探傷用超音波ビーム１３１を前記管軸方向に集束させるための集束レンズである。ここで、探傷用超音波ビーム１３１は、電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）に欠陥が存在する場合に、当該欠陥を検出するために送信されるものである。

フェイズドアレイ探触子１２０は、電縫鋼管２００の外表面２００Ｇの外側に設置され、複数の超音波振動子１２１が配列されて形成されている。本実施形態におけるフェイズドアレイ探触子１２０には、探傷用超音波ビーム１３１を出力する探傷用超音波振動子群と、カップリングチェック用超音波ビーム（水判定用超音波ビーム）１３２を出力するカップリングチェック用超音波振動子群（水判定用超音波振動子群）とが設けられている。この際、本実施形態においては、探傷用超音波振動子群は、フェイズドアレイ探触子１２０を構成する複数の超音波振動子のうちの一部の複数の超音波振動子１２１からなるものである。また、本実施形態においては、この探傷用超音波振動子群は、カップリングチェック用超音波振動子群の超音波振動子とは異なる超音波振動子から構成されていても、また、カップリングチェック用超音波振動子群の超音波振動子と同じ超音波振動子から構成されていてもよい。

フェイズドアレイ探触子１２０（厳密に言えば音響レンズ１１０）と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間には、探傷用超音波ビーム１３１を効率的に伝播させるための媒体として水が存在している。カップリングチェックとは、フェイズドアレイ探触子１２０（厳密に言えば音響レンズ１１０）と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間が空気等なく水で満たされていて探傷用超音波ビーム１３１の送受信を正常に行える環境であるかを確認するための処理である。

被検体条件入力部１４１は、被検体である電縫鋼管２００の条件（被検体条件）を入力する処理を行う。例えば、被検体条件入力部１４１は、ユーザにより操作入力された被検体条件を制御処理装置１４０内に入力する処理を行う。ここで、被検体条件としては、例えば、電縫鋼管２００の外径や管厚み、電縫鋼管２００の管厚み方向の内部の変位分布、管軸方向２２０の長さ、造管速度などが挙げられる。

送受信条件設定部１４２は、被検体条件入力部１４１により入力された被検体条件に基づいて、送受信条件を設定する処理を行う。ここで、送受信条件としては、例えば、探傷用超音波ビーム１３１やカップリングチェック用超音波ビーム１３２の送受信タイミングや、これらの超音波ビームの送信周波数、これらの超音波ビームの送受信に使用する超音波振動子１２１（以降、必要に応じて「チャネル（ｃｈ）」と呼ぶ）、送信する探傷用超音波ビーム１３１の溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の領域に対する区分数Ｎ、区分数Ｎに分けられた領域ごとに探傷用超音波ビーム１３１が溶接部２１０（溶接面）で集束するように探傷用超音波振動子群の各チャネルの送信タイミングの遅延時間などが挙げられる。

この送受信条件設定部１４２は、区分数設定部１４２１と、超音波振動子群設定部１４２２を含み構成されている。

区分数設定部１４２１は、被検体条件入力部１４１により入力された電縫鋼管２００の管厚みと、溶接部２１０（溶接面）における探傷用超音波ビーム１３１の有効ビーム径とに基づいて、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の領域の区分数Ｎを設定する。また、区分数設定部１４２１は、電縫鋼管２００の管厚みを前記有効ビーム径で割った値について小数第１位以下を切り上げた値を、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の領域の区分数Ｎとして設定する。

超音波振動子群設定部１４２２は、最大音圧位置情報記憶部１４３に記憶されている、区分数Ｎに分けられた領域ごとの探傷用超音波ビーム１３１の電縫鋼管２００の円周方向における最大音圧位置（以下、この探傷用超音波ビーム１３１の電縫鋼管２００の円周方向における最大音圧位置を、単に、「探傷用超音波ビーム１３１の最大音圧位置」と称する）に係る情報に基づいて、区分数Ｎに分けられた領域ごとに、探傷用超音波ビーム１３１の最大音圧位置と溶接部２１０（溶接面）の位置とが一致するように、当該探傷用超音波ビーム１３１を送受信する探傷用超音波振動子群を設定する。

最大音圧位置情報記憶部１４３には、実測または３次元シミュレーション解析により予め導出された、区分数Ｎに分けられた領域ごとの探傷用超音波ビーム１３１の最大音圧位置に係る情報が記憶されている。

送受信制御部１４４は、送受信条件設定部１４２で設定された送受信条件に基づいて、送信部１４５−１及び受信部１４５−２を制御する。特に、本実施形態では、送受信制御部１４４は、送信部１４５−１を制御して、区分数Ｎに分けられた各領域に対して、超音波振動子群設定部１４２２において区分数Ｎに分けられた領域ごとに設定された探傷用超音波振動子群から探傷用超音波ビーム１３１を順次送信させる制御を行う。

送信部１４５−１は、送受信制御部１４４による制御に基づいて、フェイズドアレイ探触子１２０の探傷用超音波振動子群から探傷用超音波ビーム１３１を送信し、フェイズドアレイ探触子１２０のカップリングチェック用超音波振動子群からカップリングチェック用超音波ビーム１３２を送信する処理を行う。具体的に、送信部１４５−１は、フェイズドアレイ探触子１２０の探傷用超音波振動子群から電縫鋼管２００の外表面２００Ｇに向けて斜角に探傷用超音波ビーム１３１を出力し、電縫鋼管２００の外表面２００Ｇから入射した当該探傷用超音波ビーム１３１が電縫鋼管２００の内表面２００Ｎで反射することなく溶接部２１０（溶接面）に対して略垂直に直接入射し且つ当該溶接面に集束するように探傷用超音波ビーム１３１を送信する。この際、送信部１４５−１は、送受信制御部１４４による制御に基づいて、区分数Ｎに分けられた各領域に対して、超音波振動子群設定部１４２２において区分数Ｎに分けられた領域ごとに設定された探傷用超音波振動子群から探傷用超音波ビーム１３１を順次送信する処理を行う。また、送信部１４５−１は、フェイズドアレイ探触子１２０のカップリングチェック用超音波振動子群から電縫鋼管２００の外表面２００Ｇに対して略垂直にカップリングチェック用超音波ビーム１３２を送信する。

受信部１４５−２は、送受信制御部１４４による制御に基づいて、反射したそれぞれの探傷用超音波ビーム１３１を、当該探傷用超音波ビームを送信した探傷用超音波振動子群を介して順次受信し、また、反射したカップリングチェック用超音波ビーム１３２を、当該カップリングチェック用超音波ビーム１３２を送信したカップリングチェック用超音波振動子群を介して受信する処理を行う。

受信信号処理部１４６は、受信部１４５−２で受信した超音波ビーム（受信信号）を処理する。

欠陥判定部１４７は、受信部１４５−２で順次受信した探傷用超音波ビーム１３１に基づいて、電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）に欠陥が存在するか否かを判定する処理を行う。さらに、欠陥判定部１４７は、溶接部２１０に欠陥が存在する場合に、その位置や大きさを判定する処理も行う。

水判定部１４８は、受信部１４５−２で受信したカップリングチェック用超音波ビーム１３２に基づいて、フェイズドアレイ探触子１２０（厳密に言えば音響レンズ１１０）と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間が空気等なく水で満たされているか否かを判定する処理を行う。

記録・表示部１４９は、受信信号処理部１４６による処理の結果や欠陥判定部１４７及び水判定部１４８による判定結果を記録したり表示したりする処理を行う。さらに、記録・表示部１４９は、必要に応じて、各種のデータや各種の情報を記録したり表示したりする処理を行う。

なお、送信部１４５−１は、カップリングチェックの結果、カップリングチェックに問題が無かった場合（即ち、水判定部１４８でフェイズドアレイ探触子１２０（厳密に言えば音響レンズ１１０）と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間が水で満たされていると判定された場合）に、フェイズドアレイ探触子１２０の探傷用超音波振動子群から探傷用超音波ビーム１３１を送信する処理を行う。また、図１に示す例では、送信部１４５−１と受信部１４５−２を別構成としているが、本実施形態においては、これらの構成部をまとめて送受信部１４５として構成してもよい。

次に、探傷用超音波ビーム１３１の送受信について説明する。

図２は、本発明の実施形態を示し、図１に示す探傷用超音波ビーム１３１の送受信の一例を示す図である。ここで、図２では、図１に示す電縫鋼管２００とフェイズドアレイ探触子１２０のみを図示している。

本実施形態では、上述したように、探傷用超音波ビーム１３１を出力する探傷用超音波振動子群１２２は、フェイズドアレイ探触子１２０を構成する複数の超音波振動子のうちの一部の複数の超音波振動子１２１から構成されている。そして、本実施形態では、探傷用超音波振動子群１２２から探傷用超音波ビーム１３１を送信して、この探傷用超音波ビーム１３１を電縫鋼管２００の外表面２００Ｇにおける入射方向に対して角度α（約７０°）屈折させて、電縫鋼管２００の内表面２００Ｎで反射させることなく直接溶接部２１０（溶接面）に略垂直に入射させる。

また、本実施形態では、溶接部２１０（溶接面）に存在する欠陥２１１の検出感度を向上させることを目的として、溶接部２１０（溶接面）に略垂直に集束ビームを入射させるようにしている。これは、集束ビームを溶接部２１０（溶接面）に対して略垂直に入射させることで、多重反射による超音波エネルギーのロスを生じることなく正反射方向で欠陥２１１からの反射超音波ビームを直接受信することが可能であることによるものである。なお、通常の単一集束探触子を用いることである程度の集束ビームを形成することは可能であるが、電縫鋼管２００の曲率の影響により電縫鋼管２００内の狙った位置にビームを良好に集束させることは困難である。そこで、本実施形態では、電縫鋼管２００の曲率の影響を受けずに電縫鋼管２００内の狙った位置にビームを良好に集束させるべく、フェイズドアレイ探触子１２０を採用することにした。フェイズドアレイ探触子１２０を採用すれば、探傷用超音波振動子群１２２の選択や各超音波振動子による超音波送信の遅延時間制御により、電縫鋼管２００の曲率を考慮した集束ビームを形成できるため、単一集束探触子よりも更に高い欠陥検出性能を実現できる。

図３は、本発明の実施形態を示し、図１に示す音響レンズ１１０の一例を示す図である。この音響レンズ１１０は、上述したように、フェイズドアレイ探触子１２０と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間にフェイズドアレイ探触子１２０に対応して設けられている。音響レンズ１１０は、フェイズドアレイ探触子１２０から出力される探傷用超音波ビーム１３１を電縫鋼管２００の管軸方向２２０に集束させる。このように、音響レンズ１１０を設けることにより、探傷用超音波ビーム１３１を、フェイズドアレイ探触子１２０による電縫鋼管２００の管厚み方向の集束させることができるのみならず、電縫鋼管２００の管軸方向２２０にも集束させることが可能である。

図４は、本発明の実施形態を示し、図１に示すフェイズドアレイ探触子１２０の概略図である。図４に示すように、フェイズドアレイ探触子１２０（探傷用超音波振動子群１２２を含む）の開口径は、隣接する超音波振動子１２１の中心位置の距離を示すピッチｐとし、超音波振動子１２１の数を素子数ｎとすると、ほぼピッチｐ×素子数ｎとして表すことができる。また、図４では、各超音波振動子１２１の幅を素子サイズｓとして示している。

図５は、本発明の実施形態を示し、図１に示す探傷用超音波ビーム１３１の焦点での有効ビーム径の解析モデル及びその解析結果を示す図である。この解析では、厚み３．４ｍｍの溶接部２１０（溶接面）に欠陥２１１を設けず、図５（ａ）に示すように溶接部２１０（溶接面）の厚み方向に波形取得ポイントを設定して、探傷用超音波ビーム１３１の振動による電縫鋼管２００の内部の変位分布を読み取り、−６ｄＢ幅を求めた。この際、図５（ａ）に示すように、探傷用超音波ビーム１３１の狙いは溶接部２１０（溶接面）の厚み方向の中央とし、また、フェイズドアレイ探触子１２０の仕様は、周波数が５ＭＨｚ、ピッチｐが０．５ｍｍ、素子数が１６素子（１６ｃｈ）とした。この場合の解析結果を図５（ｂ）に示す。

図５（ｂ）に示すように、探傷用超音波ビーム１３１の振動による電縫鋼管２００の内部の変位の最大値を１とし、変位が０．５となる−６ｄＢ幅（即ち、当該変位が０．５以上となる範囲）として定義される有効ビーム径が１．６ｍｍとなる結果が得られた。ここで、区分数設定部１４２１は、被検体条件入力部１４１により入力された電縫鋼管２００の管厚み方向の内部の変位分布に基づいて前記有効ビーム径を決定し、被検体条件入力部１４１により入力された電縫鋼管２００の管厚み（溶接部２１０（溶接面の厚み）と、当該決定した有効ビーム径とに基づいて、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の領域をＮ個（Ｎは１以上の整数）に区分する区分数Ｎを設定する。本例の場合、区分数設定部１４２１は、電縫鋼管２００の管厚みである３．４ｍｍを有効ビーム径である１．６ｍｍで割った値である２．１２５について小数第１位以下を切り上げて、前記区分数Ｎとして「３」を設定する。そして、本実施形態では、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の領域に対して、外周面２００Ｇ側から昇順で第１〜第Ｎの領域（本例では、第１〜第３の領域）を定義する。この際、本実施形態では、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の領域をＮ等分して、第１〜第Ｎの領域（本例では、第１〜第３の領域）を設定する。ここでは、上述した有効ビーム径が１．６ｍｍである場合の例を示したが、当該有効ビーム径は、電縫鋼管２００の管厚み方向の内部の変位分布や、フェイズドアレイ探触子１２０の仕様などによって変化するものである。

＜実測により最大音圧位置に係る情報を求めて探傷用超音波振動子群を設定する手法＞
次に、区分数Ｎに分けられた領域ごとの探傷用超音波ビーム１３１の最大音圧位置に係る情報を実測により予め導出して最大音圧位置情報記憶部１４３に記憶し、超音波振動子群設定部１４２２において、当該最大音圧位置に係る情報に基づいて、区分数Ｎに分けられた領域ごとに探傷用超音波振動子群を最適化して設定する手法について説明する。

実測により最大音圧位置に係る情報を求めて探傷用超音波振動子群を最適化して設定する手法を説明する前に、まず、探傷用超音波振動子群の最適化を行わない場合の探傷予備実験を行った。

図６は、探傷予備実験に用いる電縫鋼管２００を示す模式図である。この際、電縫鋼管２００としては、外径が１０１．６ｍｍ、管厚みが３．４ｍｍのものを使用した。

図６（ａ）は、探傷予備実験に用いるサンプルの電縫鋼管２００を外表面の外側から見た図である。この電縫鋼管２００に切削部６１０を形成した。

図６（ｂ）は、図６（ａ）で示した電縫鋼管２００の断面（より詳細には、電縫鋼管２００の断面のうちの溶接部２１０（溶接面）付近）を示している。図６（ｂ）に示すように、切削部６１０には、電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）から３ｍｍ離れた面（高さ３．１ｍｍ、幅５０ｍｍ）６１２に人工きず（平底穴）６１１を形成した。この際、矢印６２０で示す方向の断面６２１に示すように、人工きず６１１は、溶接部２１０（溶接面）に達する平底穴として形成した。

図６（ｃ）は、切削部６１０の面６１２に形成した人工きず（平底穴）６１１を示す図である。図６（ｃ）に示すように、人工きず（平底穴）６１１は、穴径が、φ０．５ｍｍ、φ０．３ｍｍ、φ０．２ｍｍで、それぞれ、管厚み方向の深さが、外表面２００Ｇから０．６ｍｍ、中央部、内表面２００Ｎから０．６ｍｍの計９個作成した。以降、外表面２００Ｇから０．６ｍｍに形成された人工きず（平底穴）６１１を「外表面側平底穴」と称し、中央部に形成された人工きず（平底穴）６１１を「中央部平底穴」と称し、内表面２００Ｎから０．６ｍｍに形成された人工きず（平底穴）６１１を「内表面側平底穴」と称する。

図７は、図６に示す電縫鋼管２００に対して、フェイズドアレイ探触子１２０の或る探傷用超音波振動子群１２２を用いて探傷を行う際の探傷条件を示す図である。この際、図７（ａ）に示す探傷用超音波振動子群１２２は、上述した超音波振動子群設定部１４２２による最適化がされていないものである。また、図７に示す例は、区分数設定部１４２１により区分数Ｎとして「５」が設定された場合の例である。

まず、フェイズドアレイ探触子１２０の中央部からの探傷用超音波ビームが電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）に垂直に入射するように、フェイズドアレイ探触子１２０と電縫鋼管２００の位置を調整し、基準位置を決定した。このとき、探傷用超音波ビームの経路７０３で音響レンズ１１０の前面からの水距離を２２．６ｍｍとした。また、本例では、図７（ｂ）に示すように、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向に探傷用超音波ビームの焦点を５点設定し（即ち、区分数Ｎを５に設定し）、フェイズドアレイ探触子１２０の中央部に位置する探傷用超音波振動子群１２２を用いて探傷用超音波ビームの送受信を行った。具体的に、図７（ｂ）に示すように、図７（ａ）に示す経路７０１では、探傷用超音波ビームの焦点設定位置を外表面２００Ｇから０．５ｍｍの深さとし、図７（ａ）に示す経路７０２では、探傷用超音波ビームの焦点設定位置を外表面２００Ｇから１．１ｍｍの深さとし、図７（ａ）に示す経路７０３では、探傷用超音波ビームの焦点設定位置を外表面２００Ｇから１．７ｍｍの深さとし、図７（ａ）に示す経路７０４では、探傷用超音波ビームの焦点設定位置を外表面２００Ｇから２．３ｍｍの深さとし、図７（ａ）に示す経路７０５では、探傷用超音波ビームの焦点設定位置を外表面２００Ｇから２．９ｍｍの深さとした。

そして、探傷用超音波振動子群１２２を、周波数及びピッチ（図４に示すピッチｐ）に関して４通り、図４に示す開口径に関して２通り（８ｍｍ、１６ｍｍ）の計８通りのものを使用して探傷予備実験を行った。その結果を図８に示す。

図８は、図６に示す電縫鋼管２００に対して、図７に示すフェイズドアレイ探触子１２０の或る探傷用超音波振動子群１２２を用いて行った探傷予備実験の結果を示す図である。

図８（ａ）は、経路７０１における外表面側平底穴のＳ／Ｎを示す図である。また、図８（ｂ）は、経路７０３における中央部平底穴のＳ／Ｎを示す図である。また、図８（ｃ）は、経路７０５における内表面側平底穴のＳ／Ｎを示す図である。この際、Ｓ／Ｎの信号Ｓは、きずエコーの高さを用い、ノイズＮはきずが無いときのゲート７１０内の最大ノイズとした。図８（ａ）〜図８（ｃ）において、Ｓ／Ｎが１．０以上で検出の可否を判断した。図８（ａ）〜図８（ｃ）において、「−」は、Ｓ／Ｎが１．０未満で検出が不可である旨を示している。また、図８（ｂ）において、不等号は、信号Ｓが１００％（測定のフルスケール値；後述の図９における基準高さ）以上であったことを示す。図８（ａ）〜図８（ｃ）に示す探傷予備実験の結果から、外表面側平底穴及び内表面側平底穴の検出は困難であり、ほぼ中央部平底穴の検出のみとなった。また、図８（ｂ）に示すＳ／Ｎを比較すると、周波数が１０ＭＨｚ、ピッチが０．２５ｍｍ、開口径が８ｍｍの場合で最もＳ／Ｎが高く、検出性能が優れていることが分かった。その際の探傷波形を図９に示す。

図９は、図７に示すフェイズドアレイ探触子１２０の探傷用超音波振動子群１２２が、周波数１０ＭＨｚの探傷用超音波ビームを送信し、ピッチ０．２５ｍｍ、開口径８ｍｍの場合の探傷波形を示す図である。

図９（ａ）は、φ０．２ｍｍの中央部平底穴の探傷波形である。また、図９（ｂ）は、きずが無い場合の探傷波形である。基準高さを１００％とした場合、図９（ａ）の白線で示すゲート７１０（図７（ａ））に相当する期間のきずエコーの高さが４１％であり、図９（ｂ）の白線で示すゲート７１０に相当する期間の最大ノイズの高さが１４％であるため、図８（ｂ）に示すようにＳ／Ｎは２．９となった。

また、図９（ｂ）に示すきずが無い場合の探傷波形から、きずが無い場合でも溶接部２１０（溶接面）の影響と思われる微弱な信号が出る傾向が見られた。なお、従来のシミュレーション解析を行った際には、周波数が５ＭＨｚの場合が最もＳ／Ｎが良い結果が得られていたが、シミュレーション解析の結果と実験結果との違いは、探傷用超音波ビームの散乱ノイズをシミュレーション解析では模擬できていないことが主要因と思われる。

そこで、上述した探傷予備実験の条件と同等の条件で２次元超音波伝搬シミュレーションを実施した。その結果、探傷用超音波ビームの焦点設定位置と音圧の高い領域とがずれることが判明した。このため、本発明者は、探傷条件の修正を行い、探傷用超音波ビームの最大音圧位置と溶接部２１０（溶接面）の位置を一致させて、Ｓ／Ｎの向上を図ることを検討した。

図１０は、本発明の実施形態を示し、２次元シミュレーションによる探傷用超音波ビームの音圧分布を示す図である。なお、図１０は、フェイズドアレイ探触子１２０の探傷用超音波振動子群１２２が、周波数１０ＭＨｚの探傷用超音波ビーム１３１を送信し、ピッチ０．２５ｍｍ、開口径８ｍｍの場合の解析結果である。

図１０（ａ）は、経路７０１の探傷用超音波ビームの音圧分布を示す図である。また、図１０（ｂ）は、経路７０３の探傷用超音波ビームの音圧分布を示す図である。また、図１０（ｃ）は、経路７０５の探傷用超音波ビームの音圧分布を示す図である。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）においては、フェイズドアレイ探触子１２０（探傷用超音波振動子群１２２）から送信される探傷用超音波ビームの音圧が高い程、灰色の濃度を濃くして図示している。

図１０（ａ）〜図１０（ｃ）において、計算上、焦点は溶接部２１０（溶接面）に設定されて溶接部２１０（溶接面）に探傷用超音波ビームが最集束されるはずであるが、その位置がずれており、特に、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）では溶接部２１０（溶接面）よりも手前に探傷用超音波ビームの音圧が高い領域（即ち灰色の濃度が濃い領域）が存在していることが分かる。

この位置のずれは、探傷用超音波振動子群の各チャネルにおける送信タイミングの遅延時間を直線ビームとして計算しているが、実際には探傷用超音波ビームの拡がりのために最大音圧が付与される位置がずれる現象が生じていると考えられる。

そこで、本発明者は、欠陥検出の感度向上のために、i）最大音圧の領域を溶接部２１
０（溶接面）に近づけること、ii）溶接部２１０（溶接面）を最大音圧の領域に予め設定しおくこと、を考えた。そして、本発明者は、i）については、フェイズドアレイ探触子
１２０をＹ軸負方向に移動して調整することを考え、ii）については、図１０（ａ）に示すように電縫鋼管２００をＴ軸負方向に回転させて事前調整することを考えた。

本発明者が、図７に示す探傷状態に対してアライメント調整を行った結果、上述したi
）のＹ軸負方向の調整では、ほぼ効果は無かったが、上述したii）のＴ軸負方向の調整では、電縫鋼管２００の管厚み方向の深さの異なる人工きず（平底穴）６１１でそれぞれＳ／Ｎがピークとなる位置の検出に成功した。このＳ／Ｎがピークとなる位置は、探傷用超音波ビームの最大音圧位置と見なすことができるものである。

次に、実測により最大音圧位置に係る情報を求めて探傷用超音波振動子群を設定する手法について説明する。

図１１は、本発明の実施形態を示し、図７に示す探傷状態に対して図１０（ａ）に示すＴ軸負方向に電縫鋼管２００を１°刻みで回転させた際のφ０．２ｍｍの平底穴のＳ／Ｎを示す図である。この際、１２°以上の回転は、電縫鋼管２００の外表面エコーときずエコーとが近接して分離が難しくなるため、電縫鋼管２００の回転角度は１１°までとした。なお、図１１は、フェイズドアレイ探触子１２０の探傷用超音波振動子群１２２が、周波数１０ＭＨｚの探傷用超音波ビーム１３１を送信し、ピッチ０．２５ｍｍ、開口径８ｍｍの場合の解析結果である。

図１１には、電縫鋼管２００の各回転角度における、φ０．２ｍｍの外表面側平底穴（経路７０１）のＳ／Ｎと、φ０．２ｍｍの中央部平底穴（経路７０３）のＳ／Ｎと、φ０．２ｍｍの内表面側平底穴（経路７０５）のＳ／Ｎが示されている。

この方法では、内表面側平底穴の検出性能が、図８（ｃ）に示された結果と比較して飛躍的に改善されている。また、φ０．２ｍｍの外表面側平底穴ではＴ−１１°のときにＳ／Ｎが最大（Ｓ／Ｎ＝４．０）となり、φ０．２ｍｍの中央部平底穴ではＴ−９°のときにＳ／Ｎが最大（Ｓ／Ｎ＝４．８）となり、φ０．２ｍｍの内表面側平底穴ではＴ−７°のときにＳ／Ｎが最大（Ｓ／Ｎ＝５．７）となり、初期条件の２〜３倍近いＳ／Ｎとなった。本実施形態では、図１１に示すようなＳ／Ｎの実測を行って、その結果得られた区分数Ｎに分けられた領域ごとのＳ／Ｎが最大となる位置（図１１に示す例では、経路７０２及び７０４については例示していないが、経路７０１であればＴ−１１°の位置、経路７０３であればＴ−９°の位置、経路７０５であればＴ−７°の位置）を、実測により予め導出された、区分数Ｎに分けられた領域ごとの探傷用超音波ビーム１３１の最大音圧位置に係る情報として最大音圧位置情報記憶部１４３に記憶する。

ただし、各径路においてＳ／Ｎが最大となる回転角度が異なるため、各径路の探傷ごとに電縫鋼管２００を所定の回転角度で回転させることも考えられるが、この場合、電縫鋼管２００の実操業の観点から不適である。そこで、本発明者は、電縫鋼管２００の実操業に適用させるべく、フェイズドアレイ探触子１２０と電縫鋼管２００との位置関係を固定した状態で、電縫鋼管２００の管厚みの全領域を高いＳ／Ｎでカバーするために、探傷用超音波ビームの焦点の補正を行うことを考えた。図１２にその例を示す。

図１２は、本発明の実施形態を示し、図１の超音波振動子群設定部１４２２において探傷用超音波振動子群を設定する際の処理のイメージを示す図である。

まず、フェイズドアレイ探触子１２０の中央に位置する超音波振動子群を経路７０３の探傷用超音波振動子群１２２−３とし、電縫鋼管２００をＴ軸負方向に９°回転させて経路７０３の焦点位置１２０１−３（溶接部２１０（溶接面）の位置）と最大音圧位置１２０２−３との位置合わせを行い、この位置で、フェイズドアレイ探触子１２０と電縫鋼管２００との位置関係を固定する。ここで、図１２に示す最大音圧位置１２０２は、図１１に示すＳ／Ｎが最大となる位置を示す。

その上で、超音波振動子群設定部１４２２は、経路７０１については、経路７０１の焦点位置１２０１−１（溶接部２１０（溶接面）の位置）と最大音圧位置１２０２−１との位置を合わせるために、経路７０３の探傷用超音波振動子群１２２−３に対して溶接部２１０（溶接面）の方向に所定距離だけ移動させた位置に存在する超音波振動子群を経路７０１の探傷用超音波振動子群１２２−１として設定する。また、超音波振動子群設定部１４２２は、経路７０５については、経路７０５の焦点位置１２０１−５（溶接部２１０（溶接面）の位置）と最大音圧位置１２０２−５との位置を合わせるために、経路７０３の探傷用超音波振動子群１２２−３に対して溶接部２１０（溶接面）の逆方向に所定距離だけ移動させた位置に存在する超音波振動子群を経路７０５の探傷用超音波振動子群１２２−５として設定する。このようにして、超音波振動子群設定部１４２２は、区分数Ｎに分けられた領域ごとに探傷用超音波振動子群１２２を最適化して設定する。

また、図１３は、本発明の実施形態を示し、図１の超音波振動子群設定部１４２２において探傷用超音波振動子群を設定する際の処理のイメージを示す図である。この図１３は、図１２に示す内容を別の表現形式で示したものである。

図１３（ａ）には、開口径が１６ｍｍのフェイズドアレイ探触子１２０とともに、開口径が８ｍｍの探傷用超音波振動子群１２２が示されている。即ち、フェイズドアレイ探触子１２０の全体としては開口径が１６ｍｍであるが、そのうち、実際に探傷で使用する開口径は８ｍｍ分である。したがって、図１３（ｂ）のデータは、全て、探傷用超音波振動子群１２２の開口径を８ｍｍとした場合の結果である。図１３（ｂ）には、図１３（ａ）に示す探傷用超音波振動子群１２２の開口の中央位置と、Ｓ／Ｎピーク時（Ｓ／Ｎが最大時）のＴ軸負方向の回転角度との関係が示されている。まず、各径路７０１、７０３及び７０５において、同じＴ軸負方向の回転角度でＳ／Ｎピークを与えるための条件として、図１２の場合と同様に、電縫鋼管２００のＴ軸負方向の回転角度を９°に固定して設定する。

この回転角度９°の場合、図１３（ｂ）に示すように、図１２で説明した経路７０３の探傷用超音波振動子群１２２−３における開口の中央位置は８ｍｍであり、この経路７０３の探傷用超音波振動子群１２２−３は、超音波振動子群設定部１４２２により、図１３（ａ）に示す探傷用超音波振動子群１２２の位置に設定される。また、この回転角度９°の場合、図１３（ｂ）に示すように、図１２で説明した経路７０１の探傷用超音波振動子群１２２−１における開口の中央位置は５ｍｍであり、図１３（ａ）において、経路７０１の探傷用超音波振動子群１２２−１は、超音波振動子群設定部１４２２により、上述した経路７０３の探傷用超音波振動子群１２２−３よりも左側に３ｍｍずれた位置に設定される。また、この回転角度９°の場合、図１３（ｂ）に示すように、図１２で説明した経路７０５の探傷用超音波振動子群１２２−５における開口の中央位置は１１ｍｍであり、図１３（ａ）において、経路７０５の探傷用超音波振動子群１２２−５は、超音波振動子群設定部１４２２により、上述した経路７０３の探傷用超音波振動子群１２２−３よりも右側に３ｍｍずれた位置に設定される。

図１４は、本発明の実施形態を示し、図６に示す電縫鋼管２００に対して、図１の超音波振動子群設定部１４２２により各径路ごとに位置の最適化を実施した後の探傷用超音波振動子群１２２を用いて行った探傷実験の結果を示す図である。この図１４には、探傷用超音波振動子群１２２が、周波数１０ＭＨｚの探傷用超音波ビームを送信し、ピッチ０．２５ｍｍ、開口径８ｍｍの場合の探傷実験の結果を示している。

図１４（ａ）は、図６（ｃ）と同様に、図６（ｂ）の切削部６１０の面６１２に形成した人工きず（平底穴）６１１を示す図である。また、図１４（ｂ）は、各径路７０１、７０３及び７０５における、いわゆるＣスコープ画像を模式的に示す図である。図１４（ｂ）において、白色の濃度が増す程、図１４（ａ）に示す人工きず（平底穴）６１１の検出性能が高いことを示している。この図１４（ｂ）に示す探傷実験の結果から、各径路７０１、７０３及び７０５において、対応するφ０．２ｍｍ、φ０．３ｍｍ及びφ０．５ｍｍの人工きず（平底穴）６１１の検出が可能であることが分かった。なお、φ０．３ｍｍ以上の人工きず（平底穴）６１１の場合には、異なる経路の探傷用超音波ビームによっても、検出可能である場合があることも分かった。

図１５は、本発明の実施形態を示し、図６に示す電縫鋼管２００に対して、図１の超音波振動子群設定部１４２２により各径路ごとに位置の最適化を実施する前と後の探傷用超音波振動子群１２２を用いて行った探傷実験の結果を示す図である。この図１５には、探傷用超音波振動子群１２２が、周波数１０ＭＨｚの探傷用超音波ビームを送信し、ピッチ０．２５ｍｍ、開口径８ｍｍの場合の探傷実験の結果を示している。

具体的に、図１５（ａ）は、比較例を示しており、図１の超音波振動子群設定部１４２２による位置の最適化を実施する前の或る探傷用超音波振動子群１２２を用いて行った探傷実験の結果であるＳ／Ｎを示す図である。なお、図１５（ａ）に示す中央部平底穴のＳ／Ｎの値において、図８（ｂ）に示す中央部平底穴のＳ／Ｎの値と異なる部分があるが、これは再実験を行ったために生じた誤差である。

図１５（ｂ）は、本発明の実施形態を示しており、図１の超音波振動子群設定部１４２２により各径路ごとに位置の最適化を実施した後の探傷用超音波振動子群１２２を用いて行った探傷実験の結果であるＳ／Ｎを示す図である。

この図１５（ｂ）に示す探傷実験の結果から、各径路７０１、７０３及び７０５において、対応するφ０．２ｍｍ、φ０．３ｍｍ及びφ０．５ｍｍの人工きず（平底穴）６１１の検出が高精度に行えることが分かった。即ち、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示す探傷実験の結果から、図１の超音波振動子群設定部１４２２において各径路（区分数Ｎに分けられた領域）ごとに探傷用超音波振動子群１２２の位置の最適化を行うことは、溶接部２１０（溶接面）の管厚み方向のあらゆる領域に存在する各種の大きさの欠陥２１１を検出する際に、大変有用であることが分かった。

＜３次元シミュレーション解析により最大音圧位置に係る情報を求めて探傷用超音波振動子群を設定する手法＞
次に、区分数Ｎに分けられた領域ごとの探傷用超音波ビーム１３１の最大音圧位置に係る情報を３次元シミュレーション解析により予め導出して最大音圧位置情報記憶部１４３に記憶し、超音波振動子群設定部１４２２において、当該最大音圧位置に係る情報に基づいて、区分数Ｎに分けられた領域ごとに探傷用超音波振動子群を最適化して設定する手法について説明する。

図１６は、本発明の実施形態を示し、図１に示す電縫鋼管２００の回転角度と欠陥（きず）の反射エコーの振幅との関係について、３次元シミュレーション解析による結果、２次元シミュレーション解析による結果、及び、実験結果を示す図である。この図１６は、図７に示す経路７０３でφ０．２ｍｍの中央部平底穴の探傷を行った場合の結果である。なお、図１６に示す実験結果のデータは、図１１に示す実験結果のデータとは別の機会の測定データである。

≪２次元シミュレーション解析≫
まず、２次元シミュレーション解析について説明する。

２次元シミュレーション解析を行う際に必要な設定項目を以下に示す。
・電縫鋼管２００の外径及び管厚み
・フェイズドアレイ探触子１２０の仕様（周波数、ピッチ、素子数、素子サイズ）
・フェイズドアレイ探触子１２０と電縫鋼管２００の幾何学的位置関係、及び、電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）の位置
・水の物性値（密度、縦波の音速、横波の音速）
・電縫鋼管２００の鋼材の物性値（密度、縦波の音速、横波の音速）
・要素サイズ（有限要素法（ＦＥＭ）等の場合のメッシュサイズ）

以下に、２次元シミュレーション解析に使用した設定値の一例を示す。
・電縫鋼管２００の外径：１０１．６ｍｍ、管厚み：３．４ｍｍ
・フェイズドアレイ探触子１２０の仕様
周波数：１０ＭＨｚ、ピッチ：０．２５ｍｍ、素子数：６４ｃｈ、素子サイズ：０．２ｍｍ
・フェイズドアレイ探触子１２０と電縫鋼管２００の幾何学的位置関係
水距離（フェイズドアレイ探触子１２０と電縫鋼管２００との距離）：２２．６ｍｍ
・水の物性値
密度：１．０×１０^-6（ｋｇ／ｍｍ³）、縦波の音速：１．４８×１０⁶（ｍｍ／ｓ）、横波の音速：なし
・電縫鋼管２００の鋼材の物性値
密度：７．８×１０^-6（ｋｇ／ｍｍ³）、縦波の音速：５．９×１０⁶（ｍｍ／ｓ）、横波の音速：３．２×１０⁶（ｍｍ／ｓ）
・要素サイズ（ＦＥＭ等の場合のメッシュサイズ）:０．０１ｍｍ

≪３次元シミュレーション解析≫
次に、３次元シミュレーション解析について説明する。

３次元シミュレーション解析を行う際に必要な設定項目を以下に示す。
・電縫鋼管２００の外径及び管厚み
・フェイズドアレイ探触子１２０の仕様（周波数、ピッチ、素子数、素子サイズ、管軸方向焦点距離）
・フェイズドアレイ探触子１２０と電縫鋼管２００の幾何学的位置関係、及び、電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）の位置
・水の物性値（密度、縦波の音速、横波の音速）
・電縫鋼管２００の鋼材の物性値（密度、縦波の音速、横波の音速）
・要素サイズ（有限要素法（ＦＥＭ）等の場合のメッシュサイズ）

以下に、３次元シミュレーション解析に使用した設定値の一例を示す。
・電縫鋼管２００の外径：１０１．６ｍｍ、管厚み：３．４ｍｍ
・フェイズドアレイ探触子１２０の仕様
周波数：１０ＭＨｚ、ピッチ：０．２５ｍｍ、素子数：６４ｃｈ、素子サイズ：０．２ｍｍ×７ｍｍ（７ｍｍは管軸方向の奥行長さ）、管軸方向焦点距離：５２ｍｍ
・フェイズドアレイ探触子１２０と電縫鋼管２００の幾何学的位置関係
水距離（フェイズドアレイ探触子１２０と電縫鋼管２００との距離）：２２．６ｍｍ
・水の物性値
密度：１．０×１０^-6（ｋｇ／ｍｍ³）、縦波の音速：１．４８×１０⁶（ｍｍ／ｓ）、横波の音速：なし
・電縫鋼管２００の鋼材の物性値
密度：７．８×１０^-6（ｋｇ／ｍｍ³）、縦波の音速：５．９×１０⁶（ｍｍ／ｓ）、横波の音速：３．２×１０⁶（ｍｍ／ｓ）
・要素サイズ（ＦＥＭ等の場合のメッシュサイズ）:０．０１ｍｍ（ＸＹ面）×０．０１ｍｍ（奥行）

次に、３次元シミュレーション解析の処理手順について説明する。ここでは、図７に示す経路７０３の場合の例について説明する。

［１］まず、図７に記載するようなモデル化を行う。
［２］続いて、溶接部２１０（溶接面）の管厚み方向の中央に欠陥（きず）を模擬するため、０．３ｍｍ（管厚み方向のサイズ）×０．３ｍｍ（電縫鋼管２００の周方向サイズ）×０．３ｍｍ（管軸方向のサイズ）の空気部を配置する。
［３］続いて、フェイズドアレイ探触子１２０の中央の３２素子を探傷用超音波振動子群１２２として用いて送受信を行うことを前提とし、その３２素子からの溶接部２１０（溶接面）の管厚み方向の中央に探傷用超音波ビームが収束されように各素子の送信波を発生させるタイミングのずれ（遅延時間）を計算する。なお、この計算は、一般的に良く知られているレイトレース法を用いることが可能であり、超音波の送信点と到達点が幾何的に決められ、その間の物性値が既知であれば計算可能である。
［４］続いて、［３］で算出した遅延時間を送信用の３２素子にそれぞれ設定して、送信波を発生させて、探傷用超音波ビームを伝播させる。ここで、フェイズドアレイ探触子１２０は、周波数が１０ＭＨｚ仕様であるため、１０ＭＨｚのパルス波が送信させ、その後は波動方程式に従って、探傷用超音波ビームが水中や電縫鋼管２００内を伝播する。また、電縫鋼管２００と水の界面では、スネルの法則に従って超音波が屈折する。この際、時間分解能を０．００５μｓ（周波数１０ＭＨｚにより１周期が０．１μｓであり、十分な時間分解能にするため、その１／２０の０．００５μｓ）と設定する。
［５］続いて、探傷用超音波ビームを送信した３２素子において、反射した探傷用超音波ビームを受信する。そして、当該３２素子で受信した信号（変位の振幅）を、合成（当該３２素子で受信した各信号ついて同時刻の信号を加算）して１つの波形信号に変換する。
［６］続いて、きず（空気部）からの信号振幅をＡとする。信号振幅Ａは、きず（空気部）からの反射エコー振幅を意味するものである。
［７］続いて、モデル化した電縫鋼管２００について、電縫鋼管２００の中心を回転中心として１度回転させて、きず（空気部）、溶接部２１０（溶接面）を含めて新たな電縫鋼管２００としてモデル化する。この際、回転させる方向は、溶接部２１０（溶接面）がフェイズドアレイ探触子１２０に近づく方向とする。そして、上記の［４］〜［７］の処理を繰り返し行う。
以上の処理により、図１６に示すような、電縫鋼管２００の回転角度と欠陥（きず）の反射エコーの振幅との関係を、３次元シミュレーション解析による結果として得ることができる。

上述したように、図１６は、図７に示す経路７０３における結果であるが、上述した処理と同様の方法により、他の経路（７０１〜７０２、７０４〜７０５）についても、電縫鋼管２００の回転角度と欠陥（きず）の反射エコーの振幅との関係について、３次元シミュレーション解析による結果等を取得することができる。

図１６に示された結果から、欠陥（きず）の反射エコーの振幅が最大となる電縫鋼管２００の回転角度は、実験結果（１０°）に対して、２次元シミュレーション解析による結果（８°）よりも、３次元シミュレーション解析による結果（９°）の方が近いことが分かった。また、２次元シミュレーションの結果による、きずエコー高さが最大となる横軸位置（電縫鋼管の回転角度（８°））では、実験結果におけるきずエコー高さは０．３３程度の低い値になってしまうため、２次元シミュレーションの結果は、適切な回転角度を示していない。しかしながら、３次元シミュレーションの結果による、きずエコー高さが最大となる横軸位置（電縫鋼管の回転角度（９°））では、実験結果におけるきずエコー高さは０．７５程度の高い値を示しており、実用的に十分高い精度の値であると言える。

本発明者は、３次元シミュレーション解析による結果の方が、２次元シミュレーション解析による結果よりも、高精度である理由を以下のように考えた。

２次元シミュレーション解析では、電縫鋼管２００の管軸方向（図１８（ｂ）の２２０）における探傷用超音波ビームの収束が全く考慮されていない。この点、実際の超音波探傷では、電縫鋼管２００の管軸方向における探傷用超音波ビームの収束が行われており、例えば、図１１に示すような実験データを得ている。探傷用超音波ビームの伝播は、波動方程式に基づいて、電縫鋼管２００と水との界面ではスネルの法則に従い超音波が屈折する。しかしながら、２次元シミュレーション解析では、上述したように電縫鋼管２００の管軸方向における探傷用超音波ビームの収束が考慮されていないため、電縫鋼管２００と水との界面では正確な屈折現象をシミュレーションすることができない（３次元シミュレーション解析ではできる）。したがって、図１６に示すように、３次元シミュレーション解析による結果の方が、２次元シミュレーション解析による結果よりも精度が良いと考えられる。

本実施形態では、図１６に示すような欠陥（きず）の反射エコーの振幅（以下、きず反射エコー振幅）と称する）における３次元シミュレーション解析を、図７に示す経路７０３の場合のみならず他の経路（７０１〜７０２、７０４〜７０５）についても行って、その結果得られた区分数Ｎに分けられた領域ごとのきず反射エコー振幅が最大となる位置（図１６に示す例では、経路７０１〜７０２及び７０４〜７０５については例示していないが、経路７０３であれば電縫鋼管２００の回転角度が９°の位置）を、３次元シミュレーション解析により予め導出された、区分数Ｎに分けられた領域ごとの探傷用超音波ビーム１３１の最大音圧位置に係る情報として最大音圧位置情報記憶部１４３に記憶する。

なお、上述した＜実測により最大音圧位置に係る情報を求めて探傷用超音波振動子群を設定する手法＞の説明では、Ｓ／Ｎが最大となる位置を、実測により予め導出された、区分数Ｎに分けられた領域ごとの探傷用超音波ビーム１３１の最大音圧位置に係る情報として最大音圧位置情報記憶部１４３に記憶する例を示したが、３次元シミュレーション解析の場合と同様に、図１６に示す実測を、図７に示す経路７０３の場合のみならず他の経路（７０１〜７０２、７０４〜７０５）についても行って、その結果得られた区分数Ｎに分けられた領域ごとのきず反射エコー振幅が最大となる位置（図１６に示す例では、経路７０１〜７０２及び７０４〜７０５については例示していないが、経路７０３であれば電縫鋼管２００の回転角度が１０°の位置）を、実測により予め導出された、区分数Ｎに分けられた領域ごとの探傷用超音波ビーム１３１の最大音圧位置に係る情報として最大音圧位置情報記憶部１４３に記憶する形態も適用可能である。

その後、３次元シミュレーション解析による場合も、上述した＜実測により最大音圧位置に係る情報を求めて探傷用超音波振動子群を設定する手法＞において図１２や図１３を用いて説明した場合と同様に、最大音圧位置情報記憶部１４３に記憶した最大音圧位置に係る情報に基づいて、超音波振動子群設定部１４２２が、区分数Ｎに分けられた領域ごとに探傷用超音波振動子群１２２を最適化して設定を行う。

＜欠陥検出装置による処理手順＞
次に、本実施形態に係る欠陥検出装置１００による欠陥検出方法の処理手順について説明する。

図１７は、本発明の実施形態に係る欠陥検出装置１００による欠陥検出方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。この図１７に示すフローチャートの説明においては、図１に示す欠陥検出装置１００の構成を用いて説明を行う。また、この図１７におけるフローチャートの処理を行う際には、最大音圧位置情報記憶部１４３に、予め、実測または３次元シミュレーション解析により予め導出された、各領域ごとの探傷用超音波ビーム１３１の最大音圧位置に係る情報が記憶されているものとする。

まず、ステップＳ１において、被検体条件入力部１４１は、被検体である電縫鋼管２００の条件（被検体条件）を入力する処理を行う。例えば、被検体条件入力部１４１は、ユーザにより操作入力された被検体条件（例えば、電縫鋼管２００の外径や管厚み、電縫鋼管２００の管厚み方向の内部の変位分布、管軸方向２２０の長さ、造管速度など）を制御処理装置１４０内に入力する処理を行う。

続いて、ステップＳ２において、送受信条件設定部１４２は、ステップＳ１で入力された被検体条件に基づいて、送受信条件を設定する処理を行う。ここで、送受信条件として、例えば、探傷用超音波ビーム１３１やカップリングチェック用超音波ビーム１３２の送受信タイミングや、これらの超音波ビームの送信周波数、これらの超音波ビームの送受信に使用する超音波振動子１２１、送信する探傷用超音波ビーム１３１の溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の領域に対する区分数Ｎ、区分数Ｎに分けられた領域ごとに探傷用超音波ビーム１３１が溶接部２１０（溶接面）で集束するように探傷用超音波振動子群の各チャネルの送信タイミングの遅延時間などを設定する。

本実施形態では、送受信条件設定部１４２の区分数設定部１４２１は、被検体条件入力部１４１により入力された電縫鋼管２００の管厚みと、溶接部２１０（溶接面）における探傷用超音波ビーム１３１の有効ビーム径とに基づいて、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の領域の区分数Ｎを設定する。具体的に、送受信条件設定部１４２の区分数設定部１４２１は、被検体条件入力部１４１により入力された電縫鋼管２００の管厚み方向の内部の変位分布に基づいて前記有効ビーム径を決定し、被検体条件入力部１４１により入力された電縫鋼管２００の管厚み（溶接部２１０（溶接面の厚み）と、当該決定した有効ビーム径とに基づいて、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の領域をＮ個（Ｎは１以上の整数）に区分する区分数Ｎを設定する。この際、送受信条件設定部１４２の区分数設定部１４２１は、電縫鋼管２００の管厚みを前記有効ビーム径で割った値について小数第１位以下を切り上げた値を、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の領域の区分数Ｎとして設定する。

また、本実施形態では、送受信条件設定部１４２の超音波振動子群設定部１４２２は、最大音圧位置情報記憶部１４３に記憶されている、区分数Ｎに分けられた領域ごとの探傷用超音波ビーム１３１の最大音圧位置に係る情報に基づいて、区分数Ｎに分けられた領域ごとに、探傷用超音波ビーム１３１の最大音圧位置と溶接部２１０（溶接面）の位置とが一致するように、当該探傷用超音波ビーム１３１を送受信する探傷用超音波振動子群を設定する。

続いて、ステップＳ３において、送信部１４５−１は、送受信制御部１４４の制御により、送受信条件設定部１４２で設定された送受信条件に基づいて、フェイズドアレイ探触子１２０のカップリングチェック用超音波振動子群から電縫鋼管２００の外表面２００Ｇに対して略垂直にカップリングチェック用超音波ビーム１３２を送信する。

続いて、ステップＳ４において、受信部１４５−２は、送受信制御部１４４の制御により、送受信条件設定部１４２で設定された送受信条件に基づいて、反射したカップリングチェック用超音波ビーム１３２をカップリングチェック用超音波振動子群を介して受信する。その後、受信部１４５−２で受信したカップリングチェック用超音波ビーム１３２は、受信信号処理部１４６で処理される。

続いて、ステップＳ５において、水判定部１４８は、ステップＳ４で受信したカップリングチェック用超音波ビーム１３２に基づいて、カップリングチェックが問題なしか否かを判断する。具体的に、水判定部１４８は、フェイズドアレイ探触子１２０（厳密に言えば音響レンズ１１０）と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間が空気等なく水で満たされているか否かを判定することで、カップリングチェックが問題なしか否かを判断する。

ステップＳ５の判断の結果、カップリングチェックが問題ありの場合（Ｓ５／ＮＯの場合）には、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６に進むと、記録・表示部１４９は、カップリングチェックが問題ありである旨の警告表示を行う。この警告表示を行うことで、ユーザは、設備のメンテナンスを行うことになり、設備のメンテナンス後、ユーザの操作により、図１７のフローチャートの最初から処理が行われることになる。

一方、ステップＳ５の判断の結果、カップリングチェックが問題なし場合（Ｓ５／ＹＥＳの場合）には、ステップＳ７に進む。カップリングチェックが問題なしである場合、溶接部２１０の欠陥探傷の処理が開始されることになる。

ステップＳ７に進むと、送信部１４５−１は、送受信制御部１４４の制御により、送受信条件設定部１４２で設定された送受信条件に基づいて、ステップＳ２で設定された或る領域（区分数設定部１４２１で区分数Ｎに分けられた領域のうちの１つの領域）に対応するフェイズドアレイ探触子１２０の探傷用超音波振動子群１２２から、電縫鋼管２００の外表面２００Ｇから電縫鋼管２００内（溶接鋼管内）に入射した探傷用超音波ビーム１３１が電縫鋼管２００の内表面２００Ｎで反射することなく溶接部２１０（溶接面）に対して略垂直に直接入射し且つ当該溶接面に収束するように、探傷用超音波ビーム１３１を送信する。

続いて、ステップＳ８に進むと、受信部１４５−２は、送受信制御部１４４の制御により、送受信条件設定部１４２で設定された送受信条件に基づいて、反射した当該探傷用超音波ビーム１３１を当該探傷用超音波振動子群１２２を介して受信する。その後、受信部１４５−２で受信した探傷用超音波ビーム１３１は、受信信号処理部１４６で処理される。

続いて、ステップＳ９において、例えば送受信制御部１４４は、溶接部２１０（溶接面）の深さ方向（管厚み方向）について全て欠陥探傷を行ったか否かを判断する。即ち、ここでは、ステップＳ２において区分数設定部１４２１で区分数Ｎに分けられた領域のうちの全ての領域について欠陥探傷を行ったか否かを判断する。

ステップＳ９の判断の結果、溶接部２１０（溶接面）の深さ方向について未だ全ての欠陥探傷については行っていない場合（Ｓ９／ＮＯの場合）には、未だ欠陥探傷を行っていない溶接部２１０（溶接面）の深さ方向の欠陥探傷を行うべく、ステップＳ７に戻る。即ち、ステップＳ２において区分数設定部１４２１で区分数Ｎに分けられた領域のうちの全ての領域については未だ欠陥探傷を行っていない場合には、未だ欠陥探傷を行っていない領域について欠陥探傷を行うべく、ステップＳ７に戻る。

一方、ステップＳ９の判断の結果、溶接部２１０（溶接面）の深さ方向について全て欠陥探傷を行った場合（Ｓ９／ＹＥＳの場合）には、ステップＳ１０に進む。即ち、ステップＳ２において区分数設定部１４２１で区分数Ｎに分けられた領域のうちの全ての領域について欠陥探傷を行った場合には、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０に進むと、例えば送受信制御部１４４は、電縫鋼管２００の管軸方向２２０について全て欠陥探傷を行ったか否かを判断する。

ここで、本実施形態では、上述したように、音響レンズ１１０による管軸方向２２０の超音波ビームの集束により、管軸方向ビーム集束径が一般的な１ｍｍであるとする。一方、ステップＳ１において管軸方向２２０の長さが入力されている。
そこで、本実施形態では、ステップＳ１０において、これらの情報に基づいて、電縫鋼管２００の管軸方向２２０について全て欠陥探傷を行ったか否かを判断することになる。

ステップＳ１０の判断の結果、電縫鋼管２００の管軸方向２２０について未だ全ての欠陥探傷については行っていない場合（Ｓ１０／ＮＯ）には、未だ行っていない電縫鋼管２００の管軸方向２２０の位置の欠陥探傷を行うべく、ステップＳ７に戻る。

一方、ステップＳ１０の判断の結果、電縫鋼管２００の管軸方向２２０について全て欠陥探傷を行った場合（Ｓ１０／ＹＥＳの場合）には、ステップＳ１１に進む。

続いて、ステップＳ１１において、欠陥判定部１４７は、ステップＳ８で受信した探傷用超音波ビーム１３１に基づいて、電縫鋼管２００の溶接部２１０に欠陥が存在するか否かを判定する処理を行う。さらに、欠陥判定部１４７は、溶接部２１０に欠陥が存在する場合に、その位置や大きさを判定する処理も行う。

なお、この欠陥判定部１４７による欠陥判定の前段階において、例えば受信信号処理部１４６が、受信した探傷用超音波ビーム１３１の波形に対して、正の最大振幅をＡ、負の最大振幅をＢ（Ｂは負の値）としてそれぞれを検出し、Ａ−Ｂをその波形検出位置での信号Ｃとして処理を行う。

続いて、ステップＳ１２において、記録・表示部１４９は、ステップＳ１１による欠陥判定結果を表示する処理を行う。例えば、記録・表示部１４９は、欠陥判定結果として、例えば、ｘ軸方向を管軸方向２２０の位置、ｙ軸方向を溶接部２１０の深さ位置とし、上記信号Ｃの２次元マップを作成し表示を行う。

ステップＳ１２の処理が終了すると、図１７におけるフローチャートの処理が終了する。

本実施形態に係る欠陥検出装置１００によれば、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の領域を区分数Ｎに分けた領域ごとに、探傷用超音波ビーム１３１の最大音圧位置と溶接部２１０（溶接面）の位置とが一致するように制御を行うようにしたので、微小欠陥の検出も可能であり、且つ、比較的厚みの薄い小径の溶接鋼管（例えば、管径が５インチ以下、管厚みが７．５ｍｍ以下の小径の電縫鋼管）であっても欠陥の検出精度の向上を実現することができる。

（その他の実施形態）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。
即ち、上述した本発明の実施形態の制御処理装置１４０の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。このプログラム及び当該プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、本発明に含まれる。

なお、上述した本発明の実施形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。即ち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１００：欠陥検出装置、１１０：音響レンズ、１２０：フェイズドアレイ探触子、１２１：超音波振動子、１３１：探傷用超音波ビーム、１３２：カップリングチェック用超音波ビーム（水判定用超音波ビーム）、１４０：制御処理装置、１４１：被検体条件入力部、１４２：送受信条件設定部、１４２１：区分数設定部、１４２２：超音波振動子群設定部、１４３：最大音圧位置情報記憶部、１４４：送受信制御部、１４５−１：送信部、１４５−２：受信部、１４６：受信信号処理部、１４７：欠陥判定部、１４８：水判定部、１４９：記録・表示部、２００：電縫鋼管、２００Ｇ：外表面、２００Ｎ：内表面、２１０：溶接部

Claims (7)

1. 溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置であって、
   前記溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子と、
   前記フェイズドアレイ探触子を構成する前記複数の超音波振動子のうちの一部の超音波振動子からなる探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接面に対して略垂直に直接入射し且つ前記溶接面に収束するように、前記探傷用超音波ビームを送信する送信手段と、
   前記溶接鋼管の管厚みと、前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面における前記管厚みの方向の領域の区分数Ｎを設定する区分数設定手段と、
   実測または３次元シミュレーション解析により予め導出された、前記区分数Ｎに分けられた領域ごとの前記探傷用超音波ビームの前記溶接鋼管の円周方向における最大音圧位置に係る情報と前記探傷用超音波振動子群の中央位置との関係に基づいて、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管との位置関係を固定した状態で、前記区分数Ｎに分けられた領域ごとに、前記探傷用超音波ビームの前記最大音圧位置と前記溶接面の位置とが一致するように前記探傷用超音波振動子群の中央位置を移動させることで前記区分数Ｎに分けられた領域ごとの前記探傷用超音波振動子群を設定する超音波振動子群設定手段と、
   前記送信手段を制御して、前記区分数Ｎに分けられた各領域に対して、前記超音波振動子群設定手段において前記区分数Ｎに分けられた領域ごとに設定された前記探傷用超音波振動子群から前記探傷用超音波ビームを順次送信させる制御手段と、
   反射したそれぞれの前記探傷用超音波ビームを、当該探傷用超音波ビームを送信した前記探傷用超音波振動子群を介して順次受信する受信手段と、
   前記受信手段で順次受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定手段と、
   を有することを特徴とする欠陥検出装置。
2. 前記溶接鋼管は、管径が５インチ以下、管厚みが７．５ｍｍ以下の小径の電縫鋼管であることを特徴とする請求項１に記載の欠陥検出装置。
3. 前記区分数設定手段は、前記溶接鋼管の管厚み方向の内部の変位分布に基づいて前記有効ビーム径を決定し、前記溶接鋼管の管厚みと、当該決定した有効ビーム径とに基づいて、前記区分数Ｎを設定することを特徴とする請求項１または２に記載の欠陥検出装置。
4. 前記区分数設定手段は、前記溶接鋼管の管厚みを前記有効ビーム径で割った値について小数第１位以下を切り上げた値を、前記区分数Ｎとして設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の欠陥検出装置。
5. 前記有効ビーム径は、前記探傷用超音波ビームの振動による前記溶接鋼管の内部の変位の最大値を１とした場合に、当該変位が０．５以上となる範囲に対応していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の欠陥検出装置。
6. 溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子と、前記フェイズドアレイ探触子を構成する前記複数の超音波振動子のうちの一部の超音波振動子からなる探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に対して略垂直に直接入射し且つ前記溶接面に収束するように、前記探傷用超音波ビームを送信する送信手段とを備え、前記溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置による欠陥検出方法であって、
   前記溶接鋼管の管厚みと、前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面における前記管厚みの方向の領域の区分数Ｎを設定する区分数設定ステップと、
   実測または３次元シミュレーション解析により予め導出された、前記区分数Ｎに分けられた領域ごとの前記探傷用超音波ビームの前記溶接鋼管の円周方向における最大音圧位置に係る情報と前記探傷用超音波振動子群の中央位置との関係に基づいて、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管との位置関係を固定した状態で、前記区分数Ｎに分けられた領域ごとに、前記探傷用超音波ビームの前記最大音圧位置と前記溶接面の位置とが一致するように前記探傷用超音波振動子群の中央位置を移動させることで前記区分数Ｎに分けられた領域ごとの前記探傷用超音波振動子群を設定する超音波振動子群設定ステップと、
   前記送信手段を制御して、前記区分数Ｎに分けられた各領域に対して、前記超音波振動子群設定ステップにおいて前記区分数Ｎに分けられた領域ごとに設定された前記探傷用超音波振動子群から前記探傷用超音波ビームを順次送信させる制御ステップと、
   反射したそれぞれの前記探傷用超音波ビームを、当該探傷用超音波ビームを送信した前記探傷用超音波振動子群を介して順次受信する受信ステップと、
   前記受信ステップで順次受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定ステップと、
   を有することを特徴とする欠陥検出方法。
7. 溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子と、前記フェイズドアレイ探触子を構成する前記複数の超音波振動子のうちの一部の超音波振動子からなる探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に対して略垂直に直接入射し且つ前記溶接面に収束するように、前記探傷用超音波ビームを送信する送信手段とを備え、前記溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置による欠陥検出方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
   前記溶接鋼管の管厚みと、前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面における前記管厚みの方向の領域の区分数Ｎを設定する区分数設定ステップと、
   実測または３次元シミュレーション解析により予め導出された、前記区分数Ｎに分けられた領域ごとの前記探傷用超音波ビームの前記溶接鋼管の円周方向における最大音圧位置に係る情報と前記探傷用超音波振動子群の中央位置との関係に基づいて、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管との位置関係を固定した状態で、前記区分数Ｎに分けられた領域ごとに、前記探傷用超音波ビームの前記最大音圧位置と前記溶接面の位置とが一致するように前記探傷用超音波振動子群の中央位置を移動させることで前記区分数Ｎに分けられた領域ごとの前記探傷用超音波振動子群を設定する超音波振動子群設定ステップと、
   前記送信手段を制御して、前記区分数Ｎに分けられた各領域に対して、前記超音波振動子群設定ステップにおいて前記区分数Ｎに分けられた領域ごとに設定された前記探傷用超音波振動子群から前記探傷用超音波ビームを順次送信させる制御ステップと、
   反射したそれぞれの前記探傷用超音波ビームを、当該探傷用超音波ビームを送信した前記探傷用超音波振動子群を介して順次受信する受信ステップと、
   前記受信ステップで順次受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定ステップと、
   をコンピュータに実行させるためのプログラム。