JP6594608B2 - 超音波検出方法及び超音波分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、非破壊検査方法に関する。より詳細には、本発明は、超音波検出及び分析方法に関する。

大きくて複雑な物体（例えば、固体蒸気タービンロータ）の検査は非常に難しい場合がある。そのような検査は、凹凸、空洞、欠陥、材料疲労、亀裂、及び／又は材料変化等の特徴を確認するために重要である。大きな物体では、物体のサイズ、物体の複雑さ、及び／又は物体の材料によって、非破壊法が制限される。そのような特徴を確認できないと、修理サイクルの延長、稼働率の制限、及び／又はシステム故障が生じる可能性がある。

一部の商用検査システムは、大きな物体の検査を行うことが可能である。既知の超音波技術は単一プローブ法を用いており、ワンパスで検査することができる材料の容量が限られている。例えば、既知の技術の１つ、パルスエコーは、ワンパスでの対象が小容量の円筒形固体ロータ材に限られている。

そのような検査を非破壊的方法で実現するためには、超音波システムを相当な費用で物体に組み込むことになり、複雑及び／又は度重なる分析が必要になり、高度な運動制御及び／又は複雑なプローブ位置決め制御、並びにそれらの組み合わせが必要になり、結果的に費用が高くなる。

米国特許第７，４２８，８４２号明細書

上記の欠点の１つ又はそれ以上に悩まされることのない超音波検出方法及び超音波分析方法が当該技術分野において望ましいであろう。

一実施形態において、超音波検出方法は、送信用フェーズドアレイ装置及び受信用フェーズドアレイ装置を有する超音波検出システムを設けるステップを含む。フェーズドアレイ波又はビームがタービンロータを通して送信用フェーズドアレイ装置から受信用フェーズドアレイ装置に送信され、それによってタービンロータに関する超音波検出情報を入手する。

別の実施形態において、超音波検出方法は、送信用フェーズドアレイ装置及び受信用フェーズドアレイ装置を有する超音波検出システムを設けるステップと、送信用フェーズドアレイ装置及び受信用フェーズドアレイ装置をタービンロータの周辺に位置決めするステップと、フェーズドアレイ波又はビームを送信用フェーズドアレイ装置からタービンロータへと送信するステップであって、フェーズドアレイ波又はビームが反射特徴で反射しないステップと、タービンロータの周辺の送信用フェーズドアレイ装置及び受信用フェーズドアレイ装置の位置決めを調整するステップと、フェーズドアレイ波又はビームを送信用フェーズドアレイ装置からタービンロータへと送信するステップであって、フェーズドアレイ波又はビームが反射特徴で反射するステップとを含む。反射されたフェーズドアレイ波又はビームは、受信用フェーズドアレイ装置によって受信される。

別の実施形態において、超音波分析方法は、回転体内の反射特徴を検出するステップと、送信用フェーズドアレイ装置及び受信用フェーズドアレイ装置を有する超音波分析システムを設けるステップと、複数の送信用フェーズドアレイ装置及び受信用フェーズドアレイ装置を反射特徴の周囲に所定の構成で位置決めするステップと、フェーズドアレイ波又はビームを複数の送信用フェーズドアレイ装置から回転体へと送信するステップと、フェーズドアレイ波又はビームを回転体内の反射特徴で反射するステップと、フェーズドアレイ波又はビームを複数の受信用フェーズドアレイ装置で受信し、それによって反射特徴に関する超音波情報を入手するステップとを含む。

本発明のその他の特徴及び利点は、例として本発明の原理を示す添付図面と共に、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明に係る超音波検出方法の一実施形態によって分析される物体内の第１の位置に反射特徴を備えた超音波検出システムの斜視図である。 本発明に係る超音波検出方法の一実施形態によって分析される物体内の第２の位置に反射特徴を備えた超音波検出システムの斜視図である。

可能な限り、同一の部品を示すために、図面を通して同一の参照番号が用いられる。

例示的な超音波検出方法が提供される。本発明の実施形態は、本明細書において開示した１つ又はそれ以上の特徴を利用しない方法と比較して、大きな固体又は略固体物体の特徴の非破壊分析を可能にすること、修理及び／又は点検サイクルを削減又は排除すること、ピッチキャッチ法で２つ又はそれ以上のプローブを利用すること、大きな物体へのプローブの組み込みを回避すること、或いはそれらの組み合わせが可能である。

図１及び２は、超音波検出方法を実行するための超音波検出システム１００の実施形態を示す。システム１００は、測定対象の回転体１０６に対して配設された２つ又はそれ以上の超音波フェーズドアレイ装置１１２を含む。回転体１０６は、中心線の周りを回転可能であり、タービンロータ、固体蒸気ロータのシャフト、タービンロータホイールの下の部分、又はブレード取付部等の、一体型鍛造品から製造された物体を含むがこれに限定されるものではない任意の適切な物体である。

一実施形態において、回転体１０６は、約３トン以上、約３トン〜約１５０トン、約３トン〜約５０トン、約５０トン〜約１００トン、約１００トン〜約１５０トン、約５０トン、約１００トン、約１５０トン、或いはその中の任意の適切な組み合わせ、部分組み合わせ、範囲、又は部分範囲の質量を有する。一実施形態では、特徴がシャフト表面に機械加工される。この特徴は、フェーズドアレイ装置１１２を位置決め及び／又は固定するための領域を形成する。

フェーズドアレイ装置１１２は、超音波フェーズドアレイ波又はビーム１１５を送信及び／又は受信するように構成される。フェーズドアレイ装置１１２は、各々が送信用フェーズドアレイ装置１２０及び受信用フェーズドアレイ装置１３０を含む機構にグループ化される。一実施形態において、送信用フェーズドアレイ装置１２０は、既定容量の回転体１０６によって磁界を生成するように受信用フェーズドアレイ装置１３０に対して位置決めされる。一実施形態において、この機構は、回転体１０６の周辺に位置し、超音波フェーズドアレイ波又はビーム１１５を送信用フェーズドアレイ装置１２０から受信用フェーズドアレイ装置１３０に送信し、それによって回転体１０６に関する超音波検出情報を入手するように構成される。

一実施形態では、フェーズドアレイ装置１１２の位置決めは、超音波フェーズドアレイ波又はビーム１１５によって所望の程度の問い合わせを行うように調整される。更なる実施形態では、フェーズドアレイ装置１１２の位置決めは、超音波フェーズドアレイ波又はビーム１１５によって所望の程度の問い合わせを行うように自動化される。一実施形態において、フェーズドアレイ装置１１２は略平面的である。フェーズドアレイ装置１１２は複数の部分要素を有しており、部分要素は、トランスデューサー（例えば、４部分要素、８部分要素、１６部分要素、３２部分要素、６４部分要素、又は１２８部分要素）、所定の動作周波数（例えば、約１ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚを含むがこれに限定されるものではない）、又はそれらの組み合わせである。

一実施形態において、フェーズドアレイ波又はビーム１１５は、回転体１０６の領域を通って移動して反射特徴１１４の有無を決定する。フェーズドアレイ波又はビーム１１５のパス内に反射特徴１１４がない場合には、フェーズドアレイ波又はビーム１１５は反射されない。フェーズドアレイ波又はビーム１１５のパス内に反射特徴がある場合には、フェーズドアレイ波又はビーム１１５は反射及び／又は屈折されるか、或いは別の方法で変調される。反射特徴１１４は、回転体１０６内の不連続部であり、この不連続部には、空洞、欠陥、材料疲労、亀裂、腐食、別の材料変化、又はそれらの組み合わせが含まれるがこれに限定されるものではない。反射特徴１１４がない場合には、機構（送信用フェーズドアレイ装置１２０及び受信用フェーズドアレイ装置１３０を含む）が回転体１０６の軸方向長さ１０４に沿って漸進的に移動して、回転体１０６内の反射特徴１１４の存在を検出する。別の実施形態では、回転体１０６は固定されており、機構は回転体１０６の周りを円周方向に移動する。一実施形態において、回転体１０６は、中心線１１０の周りを軸方向に毎分約１〜約２回転、毎分約０．５〜約１．５回転、毎分約０．５〜約１回転、毎分約１〜約１．５回転、毎分約１．５〜約２回転、或いはその中の任意の適切な組み合わせ、部分組み合わせ、範囲、又は部分範囲で回転する。

一実施形態において、システム１００は、機構（送信用フェーズドアレイ装置１２０及び受信用フェーズドアレイ装置１３０を含む）の漸進的移動を通じて検出された、且つ／又は、パルスエコー等のその他の方法によって発見された反射特徴１１４を検証及び／又は分析するために用いられる。システム１００は反射特徴１１４に対応する位置に対して位置決めされ、フェーズドアレイ波又はビーム１１５が回転体１０６内の反射特徴１１４に関する超音波検出情報を入手する。一実施形態では、送信用フェーズドアレイ装置１２０からのフェーズドアレイ波又はビーム１１５が反射特徴１１４に接触し、反射特徴１１４がフェーズドアレイ波又はビーム１１５を変形させる。フェーズドアレイ波又はビーム１１５は、例えば、サイズ、入射音波又はビームに対する配向、形態、音波経路行程、及びそれらの適切な組み合わせだがこれに限らない、反射特徴１１４のパラメータによって変形される。

受信用フェーズドアレイ装置１３０によって反射されたフェーズドアレイ波又はビーム１１５の分析によって、反射特徴１１４の存在及び／又はパラメータに関する情報が得られる。得られた情報は反射特徴１１４の形態の特徴を表しており、この形態には、サイズ、形状、配向、幾何学的及び材料的側面、又はそれらの組み合わせが含まれるがこれに限定されるものではない。回転体１０６の周辺にフェーズドアレイ装置１１２を再配置することによって、同じ反射特徴１１４の様々な視点からの反応が得られる。一実施形態において、反射特徴１１４に関する超音波検出情報としては、位置、配向、サイズ、検出された反射特徴１１４の妥当性、及びそれらの組み合わせが挙げられるがこれに限定されるものではない。

送信用フェーズドアレイ装置１２０及び受信用フェーズドアレイ装置１３０は、一般的に、互い及び／又は回転体１０６に対してある角度をなして位置決めされる。送信用フェーズドアレイ装置１２０は、所定の伝達角でフェーズドアレイ波又はビーム１１５を放射する。一実施形態では、所定の伝達角は調整可能である。一実施形態では、送信用フェーズドアレイ装置１２０と受信用フェーズドアレイ装置１３０の角度は異なっている。一実施形態では、送信用フェーズドアレイ装置１２０と受信用フェーズドアレイ装置１３０の角度は同じ又は実質的に同じである。

受信用フェーズドアレイ装置１３０及び／又は送信用フェーズドアレイ装置１２０の適切な伝達角は、中心線１１０の平行線に対して配設される角度として、約０度〜約９０度、約１度〜約８９度、約０度〜約８０度、約０度〜約７０度、約１０度〜約８０度、約１０度〜約６０度、約４５度〜約８０度、約３０度〜約６０度、約３０度〜約４５度、約４５度〜約６０度、約１０度、約３０度、約４５度、約６０度、約８０度、或いはその中の任意の適切な組み合わせ、部分組み合わせ、範囲、又は部分範囲が挙げられるがこれに限定されるものではない。

例えば、図１を参照すると、フェーズドアレイ装置１１２は第１の位置１０２に位置している。第１の位置１０２において、フェーズドアレイ波又はビーム１１５が第１の伝達角１１７で送信用フェーズドアレイ装置１２０から出て、反射特徴１１４で反射して、第１の反射角１１９を形成する。図２を参照すると、フェーズドアレイ装置１１２は第２の位置２０２に位置している。第２の位置２０２において、フェーズドアレイ波又はビーム１１５が第２の伝達角２１７で送信用フェーズドアレイ装置１２０から出て、反射特徴１１４に反射して、第２の反射角２１９を形成する。一実施形態では、第１の伝達角１１７は第２の伝達角２１７と同じであり、第２の反射角２１９と異なる第１の反射角１１９を形成する。一実施形態では、第１の伝達角１１７は第２の伝達角２１７と異なり、第２の反射角２１９と異なる第１の反射角１１９を形成する。

一実施形態では、フェーズドアレイ波又はビーム１１５が歪曲して、これに限らないが、フェーズドアレイ装置１１２で直接アクセスできない領域からのデータを入手する。フェーズドアレイ波又はビーム１１５の歪曲には、送信用フェーズドアレイ装置１２０から出るフェーズドアレイ波又はビーム１１５が表面法線の周りを回転することが含まれる。

一実施形態において、システム１００は複数の機構（各々の機構は送信用フェーズドアレイ装置１２０及び受信用フェーズドアレイ装置１３０を含む）を含む。この複数の機構は回転体１０６上の複数の位置に位置しており、その機構の受信用フェーズドアレイ装置１３０が様々な視点からの超音波検出情報を入手する。この複数の機構からの超音波検出情報を組み合わせて、様々な信号属性に関して分析することで、回転体１０６内の反射特徴１１４に関する精度が向上する。

本発明は、好適な実施形態に関して説明されたが、当業者には、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であり、そして、本発明の構成要素に対して同等物の置き換えが可能であることが理解されるであろう。更に、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に照らして、多くの修正を行うことが可能である。従って、本発明は、本発明を実施するにあたって想定される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されず、本発明には、特許請求の範囲の技術的範囲内にある全ての実施形態が含まれることが意図されている。

Claims (12)

1. 複数のフェーズドアレイ装置を有する超音波検出システムを設けるステップであって、前記複数のフェーズドアレイ装置は複数の機構にグループ化され、各機構は送信用フェーズドアレイ装置及び受信用フェーズドアレイ装置を含む、ステップと、
   各機構の前記送信用フェーズドアレイ装置及び前記受信用フェーズドアレイ装置を、回転体の周辺の複数の異なる場所に位置決めするステップと、
   各送信用フェーズドアレイ装置から前記回転体にフェーズドアレイ波を送信するステップと、
   前記フェーズドアレイ波が、前記回転体の反射特徴で反射するステップと、
   反射したフェーズドアレイ波を、複数の前記受信用フェーズドアレイ装置で受信して、前記反射特徴に関する超音波検出情報を入手するステップと、
   前記フェーズドアレイ装置を再配置して、同一の反射特徴に関して異なる視点からの超音波検出情報を入手するステップと、
   を含む、超音波検出方法。
2. 前記回転体は、タービンロータ、固体蒸気ロータのシャフト、タービンロータホイールの下の部分、及びブレード取付部の、一体型鍛造品から製造された部材からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
3. 予め検出された反射特徴を分析するステップを更に含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記回転体内の反射特徴の存在を検出するステップを更に含む、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記反射特徴は、空洞、欠陥、材料疲労、亀裂、及び腐食からなる群から選択された傷を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記反射特徴が前記フェーズドアレイ波を変形させる、請求項４または５に記載の方法。
7. 前記フェーズドアレイ波は、サイズ、入射音波に対する配向、形態、及び音波経路行程からなるリストから選択された前記反射特徴のパラメータによって変形される、請求項６に記載の方法。
8. 各パラメータは識別可能な方法で前記フェーズドアレイ波を変形させる、請求項７に記載の方法。
9. 前記送信用フェーズドアレイ装置は所定の伝達角で前記フェーズドアレイ波を放射する、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 前記伝達角を調整するステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記送信用フェーズドアレイ装置は所定の動作周波数を有する、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記送信用及び受信用フェーズドアレイ装置は複数のトランスデューサーを更に含む、請求項１から１１のいずれかに記載の方法。