JP6494369B2

JP6494369B2 - 超音波検査装置

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Publication number: JP6494369B2
Application number: JP2015070491A
Authority: JP
Inventors: 正光安部; 光良中谷; 吉晴中山
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: JP2016191572A

Description

本発明は、主として多数の管を備える設備に対して、超音波により探傷試験を行うための超音波検査装置に関するものである。

各種プラントにおける熱交換器や反応器などには、図５に示すように、一定の間隔で平行に配置された多数の管３０と、これら管３０に垂直な管板２０とが溶接されている。このような熱交換器や反応器での溶接された部分（溶接部１０）の検査では、上記管３０の数が極めて多いので、一つ一つの管３０に対しての上記検査を速やかに行うことが要求される。

上記検査を超音波により速やかに行うには、フェーズドアレイ法を採用することが考えられる。フェーズドアレイ法では、探触子において、電気的な走査を行い得るので、時間を要する機械的な走査を短縮または省略することが可能である。

フェーズドアレイ法を採用した超音波検査装置として、溶接部に対して斜角リニアスキャンをし得るフェーズドアレイ探触子と、母材の深さを検出するシングルアレイ探触子とを備える装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載された超音波検査装置によると、フェーズドアレイ探触子からの超音波が溶接部を透過することにより屈折しても、屈折した分をシングルアレイ探触子により得られる母材の深さから適切に補正が可能なので、裏波エコーと欠陥エコーとを確実に区別することができる。

特許第５６１０４４４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の超音波検査装置では、フェーズドアレイ探触子による一方向の探傷方向によってのみ溶接部の欠陥を検出するので、その探傷方向に沿った面状の欠陥を検出できないおそれがある。特に、図６に示すように、検査の対象となる溶接部１０が管３０と管板２０とを溶接した部分の場合、このような溶接部１０は複数層のビード１１，１２からなり様々な方向の欠陥１〜４が生じ得るので、上記特許文献１に記載の超音波検査装置１４０では、全ての欠陥１〜４を検出できないおそれがある。また、図５に示すように、このような溶接部１０は管３０の外周囲に位置するので、上記超音波検査装置１４０では、全ての周囲に対して管３０の内面から探傷試験を行う必要があり、結果として欠陥１〜４を速やかに検出することができない。

そこで、本発明は、複数層のビードからなり管の周囲に位置する溶接部の欠陥を確実に且つ速やかに検出し得る超音波検査装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る超音波検査装置は、管の周囲に位置して複数層のビードからなる溶接部を超音波による探傷試験で検査する超音波検査装置であって、
上記管の深さ方向に所定数のアレイ素子が配列されてなるとともにフェーズドアレイ法により超音波を発信するフェーズドアレイ探触子と、
このフェーズドアレイ探触子を上記管の内面に沿わせながら当該管の中心軸回りに回転させる駆動機と、
上記フェーズドアレイ探触子の探傷方向を複数方向で且つ上記溶接部に向くように設定する複数超音波ビーム設定部とを備え、
上記探傷方向が、管の中心軸に垂直な方向から一方に傾斜させた方向と、管の中心軸に垂直な方向と、管の中心軸に垂直な方向から他方に傾斜させた方向との三方向であり、
上記管の中心軸に垂直な方向から一方に傾斜させた探傷方向の探傷試験と、上記管の中心軸に垂直な方向から他方に傾斜させた探傷方向の探傷試験とが、セクタスキャンによるものであり、
上記管の中心軸に垂直な方向の探傷試験が、リニアスキャンによるものであることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る超音波検査装置は、請求項１に記載の超音波検査装置において、フェーズドアレイ探触子が管の中心軸回りに回転した角度を検知する回転角検知部と、
上記回転角検知部に検知された角度、および上記フェーズドアレイ探触子に発信された超音波の反響から、探傷試験の結果である画像を探傷方向ごとに作成する画像作成部とを備えるものである。

さらに、本発明の請求項３に係る超音波検査装置は、請求項２に記載の超音波検査装置において、画像作成部に作成された探傷方向ごとの画像を足し合わせる画像処理部を備えるものである。

上記超音波検査装置によると、探傷方向が管の深さ方向に異なる複数方向となるので、溶接部の欠陥を確実に検出することができる。また、管の中心軸回りを回転しながら探傷試験を行うので、溶接部の欠陥を速やかに検出することができる。

本発明の実施の形態に係る超音波検査装置による探傷試験の一つ（三方向の探傷方向のうちの一つ）を示す縦断面図である。同超音波検査装置による探傷試験の他の一つ（三方向の探傷方向のうちの他の一つ）を示す縦断面図である。同超音波検査装置による探傷試験の残りの一つ（三方向の探傷方向のうちの残りの一つ）を示す縦断面図である。同超音波検査装置の概略構成を示す図である。同超音波検査装置による検査の対象となる管と管板とを示す一部切欠斜視図である。従来の超音波検査装置による探傷試験を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る超音波検査装置について図面に基づき説明する。
まず、上記超音波検査装置に係る技術的思想の概略について説明する。
上記超音波検査装置における検査（超音波による探傷試験）の対象は、図５に示すように、一定の間隔で平行に配置された多数の管３０と、これら管３０に垂直な管板２０とが溶接された部分（以下、溶接部１０という）である。このような溶接部１０は、確実な溶接の強度を確保するために、複数回のパスが施されており、その結果として複数層（本実施の形態では一例として２層）のビード１１，１２からなる。このような溶接部１０には、図６に示すように、欠陥１〜４が、ビード１１，１２と管３０および管板２０との境界だけでなく、ビード１１，１２同士の境界にも生じ得る。このため、これら欠陥１〜４は様々な方向の面状となるので、探傷方向が一方向である従来の超音波検査装置１４０では、その探傷方向に沿う方向の欠陥３を検出できないおそれがある。

そこで、本発明の超音波による探傷試験では、図１〜３に示すように、フェーズドアレイ法により探傷方向を管３０の深さ方向に異なる三方向（複数方向であればよい）にすることで、上記溶接部１０に生じ得るような様々な方向の欠陥１〜４でも、確実に検出できる。勿論、上記三方向は、いずれも上記溶接部１０に向くようにされる。また、探傷試験の際に、フェーズドアレイ法のための探触子であるフェーズドアレイ探触子（詳しくは後述する）５５を管３０の中心軸３１回りに回転５１させることで、管３０の外周囲に位置する溶接部１０（図５参照）の欠陥１〜４を速やかに検出することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る超音波検査装置４０について図１〜図４に基づき詳細に説明する。
この超音波検査装置４０は、図４に示すように、管３０に挿入されて当該管３０の中心軸３１回りに回転５１しつつ当該管３０の内面から溶接部１０にフェーズドアレイ法の探傷試験を行う回転探傷部５０と、この回転探傷部５０の回転５１および探傷試験を制御する制御部６０とを有する。なお、以下では、上記管３０において、回転探傷部５０が挿入される元を管手前といい、回転探傷部５０が挿入される先を管奥という。

［回転探傷部５０］
回転探傷部５０は、管３０の深さ方向に配列された所定数（フェーズドアレイ法に必要な数）のアレイ素子５６からなるフェーズドアレイ探触子５５と、図示しないバッテリーからの電力により駆動して回転探傷部５０を管３０の中心軸３１回りに回転５１させるモータ（駆動機の一例である）５２と、管３０の中心軸３１回りに回転５１した回転探傷部５０の角度の信号を発するエンコーダ５３とを有する。上記フェーズドアレイ探触子５５は、その各アレイ素子５６の発振時５４を調整することで、超音波による探傷方向および探傷範囲を自在に変更可能である。また、図示しないが、上記回転探傷部５０は、上記フェーズドアレイ探触子５５を覆うとともに管３０の内面に面し得るウェッジと、このウェッジの周囲から超音波による探傷試験に必要な接触媒体（水またはグリセリンなど）を供給し得る媒体供給穴とを有する。さらに、上記回転探傷部５０は、上記管３０の内面とウェッジとの間隔が数μｍ〜数百μｍとなる大きさにされることで、上記媒体供給穴から供給された接触媒体を毛細管現象により上記間隔に満たし得るものである。

［制御部６０］
上記制御部６０は、上記回転探傷部５０の回転５１に関する構成として、上記回転探傷部５０を作動させる指示部６１と、この指示部６１からの指示によりモータ５２を駆動させる駆動部６２と、上記エンコーダ５３からの信号により回転探傷部５０の回転５１した角度を検知する回転角検知部６３とを有する。また、上記制御部６０は、上記回転探傷部５０の超音波による探傷試験に関する構成として、上記指示部６１からの指示によりフェーズドアレイ探触子５５の探傷方向が三方向になるように設定する複数超音波ビーム設定部６７と、この複数超音波ビーム設定部６７の設定に基づいてフェーズドアレイ探触子５５に超音波を発信させる発信部６４と、この発信部６４によりフェーズドアレイ探触子５５から発信された超音波の反射（以下では反射エコーという）を受信する受信部６５と、この受信部６５に受信された反射エコーから欠陥１〜４の有無を判別するための画像を作成する画像作成部６６と、この画像作成部６６により作成された画像を処理する画像処理部６８とを有する。

上記指示部６１は、図示しないスタートボタンに接続されて、このスタートボタンが押されることにより、または、上記回転角検知部６３で検知された角度に基づいて、上記駆動部６２および複数超音波ビーム設定部６７に指示する。上記駆動部６２は、上記指示部６１からの指示により、上記モータ５２とバッテリーとの電気的な接続をＯＮ／ＯＦＦに切り替える。上記回転角検知部６３は、検知した回転探傷部５０の角度を、モータ５２を停止させる判断のために指示部６１に知らせるとともに、検出された欠陥１〜４の位置を特定させるために画像作成部６６に知らせる。

上記複数超音波ビーム設定部６７は、上記フェーズドアレイ探触子５５の探傷方向を管３０の中心軸３１に垂直な方向から管奥側（図１参照）にする第一斜角スキャン部７１と、上記フェーズドアレイ探触子５５の探傷方向を管３０の中心軸３１に垂直な方向（図２参照）にする垂直スキャン部７２と、上記フェーズドアレイ探触子５５の探傷方向を管３０の中心軸３１に垂直な方向から管手前側（図３参照）にする第二斜角スキャン部７３とからなる。上記第一斜角スキャン部７１は、図１に示すように、上記フェーズドアレイ探触子５５の探傷方向が管３０の中心軸３１に垂直な方向から管奥側になるよう、すなわちアレイ素子５６の発振時５４を管手前側から管奥側につれて遅延させるように設定する。上記垂直スキャン部７２は、図２に示すように、上記フェーズドアレイ探触子５５の探傷方向が管３０の中心軸３１に垂直な方向になるよう、すなわちアレイ素子５６の発振時５４を同時として設定する。上記第二斜角スキャン部７３は、図３に示すように、上記フェーズドアレイ探触子５５の探傷方向が管３０の中心軸３１に垂直な方向から管手前側になるよう、すなわちアレイ素子５６の発振時５４を管奥側から管手前側につれて遅延させるように設定する。また、上記複数超音波ビーム設定部６７は、その第一斜角スキャン部７１、垂直スキャン部７２および第二斜角スキャン部７３を介して、それぞれ発信部６４によりフェーズドアレイ探触子５５から超音波を発信させるタイミングは、略同時または僅かに遅れたものとされる。ここで、略同時とは、上記フェーズドアレイ探触子５５が上記三種類の超音波を可能な限り遅れることなく発信する時間をいう。また、僅かに遅れたとは、その遅れを人が自然に体感できない程度、例えば、１／３０秒〜１／９０秒程度をいう。

上記画像作成部６６は、上記受信部６５に受信された反射エコーと、回転角検知部６３により知らされた回転探傷部５０の回転５１した角度とから、上記三種類の超音波ごとに（上記三方向の探傷方向ごとに）三種類の画像を作成する。それぞれの画像は、例えば、縦軸を上記管３０の内面から外方に向かう方向、横軸を管手前から管奥に向かう方向、および、色彩を上記反射エコー強度、とするコンター図である。上記画像処理部６８は、上記三種類の画像を足し合わせることで、１枚の画像にする。この１枚の画像は、上記三種類の反射エコー強度の情報を全て含むことになる。

以下、上記超音波検査装置４０を使用する超音波検査方法について説明する。
まず、回転探傷部５０を管３０に挿入することで、溶接部１０に管３０の内面から超音波による探傷試験のための準備を行う。次に、スタートボタンを押すことにより、指示部６１から駆動部６２および複数超音波ビーム設定部６７に指示される。すると、回転探傷部５０は、モータ５２により管３０の中心軸３１回りに回転５１するとともに、フェーズドアレイ探触子５５から溶接部１０に向けて超音波が発信される。フェーズドアレイ探触子５５から発信される超音波は、探傷方向が管３０の中心軸３１に垂直な方向から管奥側になるようなもの（図１参照）と、探傷方向が管３０の中心軸３１に垂直な方向になるようなもの（図２参照）と、探傷方向が管３０の中心軸３１に垂直な方向から管手前側になるようなもの（図３参照）との三種類である。すなわち、上記超音波検査方法における探傷試験では、探傷方向が三方向となる。これら三種類の超音波が発信されるタイミングは、略同時または僅かに遅れる。

これら超音波の反射、つまり反射エコーが、フェーズドアレイ探触子５５を通じて受信部６５により受信される。この受信部６５に受信された超音波の反響と、回転角検知部６３により知らされた回転探傷部５０の回転５１した角度とから、上記三種類の超音波ごとに三種類の画像が画像作成部６６により作成される。これら三種類の画像は、画像処理部６８により足し合わされて１つの画像にされる。

このように、上記超音波検査装置４０によると、探傷方向が管３０の深さ方向に異なる三方向（複数方向）となるので、上記溶接部１０の欠陥１〜４を確実に検出することができる。また、フェーズドアレイ探触子５５が管３０の中心軸３１回りを回転５１しながら探傷試験を行うので、上記溶接部１０の欠陥１〜４を速やかに検出することができる。

さらに、上記探傷方向が、管３０の中心軸３１に垂直な方向から管奥側（一方）に傾斜させた方向と、管３０の中心軸３１に垂直な方向と、管３０の中心軸３１に垂直な方向から管手前側（他方）に傾斜させた方向であるから、これら探傷方向は様々な方向であるといえる。このため、上記溶接部１０の欠陥１〜４が様々な方向を向くものであっても、これら全ての探傷方向の探傷試験で検出されない欠陥１〜４の確率を下げることにつながり、結果として上記溶接部１０の欠陥１〜４をより確実に検出することができる。

加えて、上記画像作成部６６により作成される画像により、探傷試験の結果が可視化されるので、視覚的に欠陥１〜４の有無を判別しやすくすることにつながり、結果として上記溶接部１０の欠陥１〜４をより確実に検出することができる。

また、上記画像処理部６８により、画像作成部６６の画像が足し合わされて１枚の画像にされることで、管３０ごとの探傷試験の結果が１枚の画像として可視化されるので、視覚的に欠陥１〜４の有無を一層判別しやすくすることにつながり、結果として上記溶接部１０の欠陥１〜４を一層確実に検出することができる。

ところで、上記実施の形態での探傷試験は、図１〜図３における各アレイ素子５６の発振時５４から全ての探傷方向でリニアスキャンによるものとして図示したが、これに限定されるものではない。例えば、管３０の中心軸３１に垂直な方向から管奥側（一方）に傾斜させた探傷方向の探傷試験と、管３０の中心軸３１に垂直な方向から管手前側（他方）に傾斜させた探傷方向の探傷試験とが、セクタスキャンによるものであってもよい。これにより、探傷範囲が広がることになり、様々な方向の欠陥を検出する確率が高まるので、上記溶接部１０の欠陥１〜４を一層確実に検出することができる。なお、探傷試験が全ての探傷方向でリニアスキャンによるものとすると、上記三方向の探傷試験で条件が同一になるので、探傷試験の精度を高めることができる。

また、上記実施の形態では、溶接部１０が管３０と管板２０との溶接された部分として説明したが、管３０の周囲に位置するものであればよい。

１〜４欠陥
１０溶接部
１１ビード（１層目）
１２ビード（２層目）
２０管板
３０管
３１中心軸
４０超音波検査装置
５０回転探触部
５１回転
５２モータ
５３エンコーダ
５４発振時
５５フェーズドアレイ探触子
５６アレイ素子
６０制御部
６２駆動部
６７複数超音波ビーム設定部

Claims

管の周囲に位置して複数層のビードからなる溶接部を超音波による探傷試験で検査する超音波検査装置であって、
上記管の深さ方向に所定数のアレイ素子が配列されてなるとともにフェーズドアレイ法により超音波を発信するフェーズドアレイ探触子と、
このフェーズドアレイ探触子を上記管の内面に沿わせながら当該管の中心軸回りに回転させる駆動機と、
上記フェーズドアレイ探触子の探傷方向を複数方向で且つ上記溶接部に向くように設定する複数超音波ビーム設定部とを備え、
上記探傷方向が、管の中心軸に垂直な方向から一方に傾斜させた方向と、管の中心軸に垂直な方向と、管の中心軸に垂直な方向から他方に傾斜させた方向との三方向であり、
上記管の中心軸に垂直な方向から一方に傾斜させた探傷方向の探傷試験と、上記管の中心軸に垂直な方向から他方に傾斜させた探傷方向の探傷試験とが、セクタスキャンによるものであり、
上記管の中心軸に垂直な方向の探傷試験が、リニアスキャンによるものであることを特徴とする超音波検査装置。
フェーズドアレイ探触子が管の中心軸回りに回転した角度を検知する回転角検知部と、上記回転角検知部に検知された角度、および上記フェーズドアレイ探触子に発信された超音波の反響から、探傷試験の結果である画像を探傷方向ごとに作成する画像作成部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波検査装置。
画像作成部に作成された探傷方向ごとの画像を足し合わせる画像処理部を備えることを特徴とする請求項２に記載の超音波検査装置。