JP6728737B2 - 超音波探傷装置、および、超音波探傷方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いて検査対象物を探傷する超音波探傷装置、および、超音波探傷方法に関する。

従来、検査対象物の傷、亀裂、接合不良等の欠陥を検査する際に、超音波探傷装置が利用されている。超音波探傷装置は、送信窓から超音波ビームを送信する送信探触子と、受信窓を通過した超音波を受信する受信探触子とを含んで構成され、受信探触子が受信した超音波を解析することで、欠陥の有無、欠陥の位置や大きさ等を検知するものである。

超音波探傷装置として、例えば、送信探触子と受信探触子とを一定の間隔に保持するとともに、送信窓と受信窓とを検査対象物の検査面に対向させた状態で、送信探触子から超音波ビームを送信して検査対象物内に入射させる技術が開示されている（例えば、特許文献１、２）。

特開２０１３−２３４８８６号公報 特許第４４３７６５６号公報

上記したように、従来の超音波探傷装置は、検査面の対向面から超音波を送信するとともに、当該対向面で超音波を受信しているため、送信探触子から照射された超音波ビームが入射し、かつ、反射した超音波が受信探触子に到達する検査面上の範囲（以下、「検査可能範囲」と称する）をある程度までしか絞ることができない。したがって、検査対象物の検査面における検査対象となる範囲（以下、「検査必要範囲」と称する）が、検査可能範囲より小さい場合、受信探触子は、検査必要範囲で反射した超音波のみならず検査必要範囲外で反射した超音波も受信してしまう。このため、ノイズが大きくなり、検査必要範囲の探傷が困難となっていた。

本発明は、このような課題に鑑み、ノイズの発生を抑制し、高精度に探傷することが可能な超音波探傷装置、および、超音波探傷方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の超音波探傷装置は、検査対象物の検査面における予め定められた検査必要範囲を探傷する超音波探傷装置であって、検査面に対向する第１の対向面部と、第１の対向面部から立設した側面部に設けられる送信窓とを有し、送信窓から検査必要範囲に向けて超音波ビームを送信する送信探触子と、検査面に対向する第２の対向面部と、第２の対向面部から立設した側面部に設けられる受信窓とを有し、受信窓を通過した超音波を受信する受信探触子と、を備え、送信探触子は、超音波ビームの送信探触子側の縁部が、検査必要範囲における送信探触子側の縁部または当該縁部より内側に到達する角度となるように形成され、検査面に対する送信窓の角度および検査面に対する受信窓の角度は、検査必要範囲外で反射した超音波が受信窓に到達しない関係となっていることを特徴とする。

また、送信窓と受信窓との間に超音波を伝搬させる媒質部が設けられているとしてもよい。

また、検査対象物の少なくとも一部を媒質部として利用するとしてもよい。

また、受信探触子が受信した超音波に基づいて、検査必要範囲の傷の有無を判定する判定部をさらに備えるとしてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の超音波探傷方法は、検査対象物の検査面に対向する第１の対向面部と、第１の対向面部から立設した側面部に設けられる送信窓とを有し、送信窓から送信される超音波ビームの送信探触子側の縁部が、検査面における予め定められた検査必要範囲における送信探触子側の縁部または当該縁部より内側に到達する角度となるように形成され、送信窓から超音波ビームを送信する送信探触子と、検査面に対向する第２の対向面部と、第２の対向面部から立設した側面部に設けられる受信窓とを有し、受信窓を通過した超音波を受信する受信探触子とを備えた超音波探傷装置を用い、検査必要範囲を探傷する超音波探傷方法であって、検査面に対する送信窓の角度および検査面に対する受信窓の角度が、検査必要範囲外で反射した超音波が受信窓に到達しない関係となるように、送信探触子および受信探触子を配し、送信探触子に、送信窓から検査必要範囲に向けて超音波ビームを送信させることを特徴とする。

本発明によれば、ノイズの発生を抑制し、高精度に探傷することが可能となる。

超音波探傷装置の使用形態を説明するための図である。 超音波探傷装置を説明する図である。 実施形態にかかる超音波探傷装置の特徴を説明する図である。 実施形態にかかる超音波探傷方法の処理の流れを説明するフローチャートである。 第１の変形例にかかる超音波探傷装置を説明する図である。 第２の変形例にかかる超音波探傷装置を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（超音波探傷装置１００）
図１は、超音波探傷装置１００の使用形態を説明するための図である。本実施形態の図１をはじめ以下の図では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。また、本実施形態では、超音波探傷装置１００の検査対象物として構造物５０（例えば、リアクタ）を例に挙げて説明する。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、構造物５０は、底板６２と、底板６２から立設するとともに図１中、Ｙ軸方向に延在したリブ６４とを含んで構成された金属製の隔壁６０を積層することで形成される。なお、隔壁６０同士、すなわち、リブ６４の上面と、隔壁６０（底板６２）の底面６２ａとは、ＴＩＧ（Tungsten InerGas）溶接等の溶接や拡散接合、ろう付け等によって接合される。

こうして、１の隔壁６０のリブ６４間に形成された溝部６６と、当該隔壁６０の上に積層された他の隔壁６０の底面６２ａとによって流路５２が形成される。そして、構造物５０の使用時には、流体（ガス、液体、または、混相流）が流路５２を流れることとなる。なお、流路５２の幅（図１中、Ｘ軸方向の幅）は、例えば、３６ｍｍ程度であり、高さ（図１中、Ｚ軸方向の高さ）は、例えば、１５ｍｍ程度であり、リブ６４の幅（図１中、Ｘ軸方向の幅）は、例えば、５ｍｍ程度である。

このように、構造物５０に形成された流路５２には、様々な流体が流れることとなるが、リブ６４の上面と隔壁６０の底面６２ａとの接合不良が生じると、１の流路５２を流れている流体が他の流路５２に混入してしまい、不具合が生じてしまう。そこで、超音波探傷装置１００を用いて、リブ６４の上面と隔壁６０の底面６２ａとの接合面（検査面）Ｓの接合不良を検査する。

超音波探傷装置１００は、図１（ｃ）に示すように、送信探触子１１０と、受信探触子１２０と、制御装置１３０とを含んで構成され、送信探触子１１０と制御装置１３０とは、支持部材１４２によって接続され、受信探触子１２０と制御装置１３０とは、支持部材１４４によって接続される。送信探触子１１０および受信探触子１２０は、溝部６６の底面６６ａおよび接合面Ｓの上方（真上）に配されるリブ６４の側面６４ａに接触可能な寸法関係に形成され、溝部６６（流路５２）に接触して配される。換言すれば、送信探触子１１０と受信探触子１２０との間に、接合面Ｓの上方のリブ６４が挟まれるように配される。なお、送信探触子１１０と構造物５０との間、および、受信探触子１２０と構造物５０との間には、超音波の減衰を抑制するグリセリンや水等が充填されることとなる。

図２は、超音波探傷装置１００を説明する図であり、図２（ａ）は送信探触子１１０および受信探触子１２０の斜視図を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＩＩ（ｂ）−ＩＩ（ｂ）線断面図を示し、図２（ｃ）は超音波探傷装置１００の機能ブロック図を示す。なお、図２（ｃ）中、信号の流れを矢印で示す。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、送信探触子１１０は、筐体１１２（例えば、金属製）と、筐体１１２内に配され、超音波ビームを発信する振動子１１４と、筐体１１２の内部に充填され、超音波の伝搬を維持する充填物（例えば、アクリル）１１６とを含んで構成される。筐体１１２は、検査面と対向するとともに、流路５２（溝部６６）の底面６６ａに接触する対向面部１１２ａ（第１の対向面部）と、対向面部１１２ａから直角に立設した側面部１１２ｂとを含んで構成され、側面部１１２ｂには、超音波ビームを通過させる送信窓１１８が設けられている。

受信探触子１２０は、送信探触子１１０と同様に、金属製の筐体１２２と、筐体１２２内に配され、超音波を受信して電気信号に変換する振動子１２４と、筐体１２２内部に充填され、超音波の伝搬を維持する充填物（例えば、アクリル）１２６とを含んで構成される。筐体１２２は、検査面と対向するとともに、流路５２（溝部６６）の底面６６ａに接触する対向面部１２２ａ（第２の対向面部）と、対向面部１２２ａから直角に立設した側面部１２２ｂとを含んで構成され、側面部１２２ｂには、超音波を通過させる受信窓１２８が設けられている。

制御装置１３０は、図２（ｃ）に示すように、パルサレシーバ１３２と、制御部１３４とを含んで構成される。パルサレシーバ１３２は、支持部材１４２を通じて送信探触子１１０の振動子１１４に電力を供給し、振動子１１４を振動させて超音波ビームを送信（発信）させる。また、パルサレシーバ１３２は、支持部材１４４を通じて受信探触子１２０の振動子１２４から入力された電気信号を、例えばデジタル値で表される振動情報に変換して制御部１３４に送信する。

制御部１３４は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して超音波探傷装置１００全体を管理および制御する。また、制御部１３４は、パルサレシーバ１３２を制御して、送信探触子１１０に超音波ビームを送信させたり、パルサレシーバ１３２から送信された振動情報（受信探触子１２０が受信した超音波に基づく情報）を受信したりする。

また、本実施形態において制御部１３４は、判定部１３４ａとして機能する。判定部１３４ａは、パルサレシーバ１３２から受信した振動情報に基づいて、検査面（接合面Ｓ）の接合不良（傷の有無）を判定する。

以上説明したように、超音波探傷装置１００は、検査対象物（構造物５０）の検査面（接合面Ｓ）に超音波ビームを送信し、検査可能範囲で反射（または、回折、散乱）した超音波を受信して解析することで、検査可能範囲の探傷を行う。具体的に説明すると、超音波は密度が異なる物質の境界において反射するという特性を有するため、検査可能範囲に傷等の欠陥が存在する場合、欠陥と周囲の箇所との境界において超音波が反射する。したがって、超音波探傷装置１００は、反射した超音波を受信して解析することで、欠陥の有無、欠陥の位置、欠陥の形状等を把握することができる。

ここで、検査が必要な検査必要範囲が検査可能範囲（送信探触子１１０から照射された超音波ビームが入射し、かつ、反射した超音波が受信探触子１２０に到達する検査面上の範囲）より小さい場合、検査必要範囲外で反射した超音波が受信探触子に到達してノイズとなり、欠陥由来の反射波がノイズに埋もれてしまい、検査必要範囲の探傷が困難となる。

図３は、本実施形態にかかる超音波探傷装置１００の特徴を説明する図であり、図３（ａ）は従来の超音波探傷装置１０における検査可能範囲および検査必要範囲を示し、図３（ｂ）は超音波探傷装置１００における検査可能範囲および検査必要範囲を示す。なお、図３中、理解を容易にするために、流路５２をグレーの塗りつぶしで示し、超音波ビームおよび反射した超音波をハッチングで示す。

図３（ａ）に示すように、従来の超音波探傷装置１０は、送信探触子２０の対向面部２０ａに送信窓２２が設けられている。送信窓２２を通じて送信された超音波ビームは、ビーム幅を広げつつ入射方向（送信方向）に直進する（図３（ａ）中、超音波ビームの縁部を矢印ａ１、ａ２で示す）。ここで、超音波を発信する振動子はある程度の大きさを有するため、超音波ビームのビーム幅もある程度大きくなってしまい、検査必要範囲（接合面Ｓ）が５ｍｍ程度と狭隘である場合には、検査必要範囲が検査可能範囲より狭くなる。そうすると、受信探触子３０は、検査必要範囲外（検査必要範囲の外縁より大きい範囲）で反射した超音波（図３（ａ）中、反射した超音波の縁部を矢印ｂ１、ｂ２で示す）も受信して（拾って）しまう。

そこで、本実施形態の超音波探傷装置１００では、検査面に対する送信窓１１８の角度および検査面に対する受信窓１２８の角度が、検査必要範囲外で反射した超音波が受信窓１２８に到達しない関係となるように、送信探触子１１０および受信探触子１２０が配される。

具体的に説明すると、図３（ｂ）に示すように、送信窓１１８を対向面部１１２ａ（検査面と対向する面）から直角に立設した側面部１１２ｂに設けるとともに、受信窓１２８を対向面部１２２ａ（検査面と対向する面）から直角に立設した側面部１２２ｂに設けている。また、送信窓１１８と受信窓１２８との間の距離が検査必要範囲の幅（図３中、Ｘ軸方向の幅）よりわずかに大きくなるように、送信探触子１１０および受信探触子１２０が配されている。

これにより、送信窓１１８から送信された超音波ビームの送信探触子１１０側の縁部Ａ１は、側面部１１２ｂによって入射方向が制限され、超音波ビームが、側面部１１２ｂより対向面部１１２ａ側に入射する事態を回避することができる。また、超音波ビームの縁部Ａ１は、検査必要範囲における送信探触子１１０側の縁部ＦＳより内側に到達することとなる。したがって、対向面部１１２ａの下方に位置する流路５２において反射波が生じる事態を回避することが可能となる。

一方、送信窓１１８から送信された超音波ビームの受信探触子１２０側の縁部Ａ２は、入射方向を制限する障害物がないため、検査必要範囲より受信探触子１２０側（外側）まで入射することとなる。したがって、超音波ビームの縁部Ａ１から縁部Ａ２までの範囲（ビーム幅の範囲）で反射波が生じることとなる。つまり、検査必要範囲のみならず、受信探触子１２０側の流路５２においても反射波が生じることとなる。

しかし、本実施形態の受信窓１２８は、対向面部１２２ａではなく、側面部１２２ｂに設けられているため、受信探触子１２０の対向面部１２２ａに到達する反射波（図３（ｂ）中、Ｎで示す）を受信することはない。したがって、受信探触子１２０側の流路５２において生じた反射波が受信窓１２８に到達してしまう事態を回避することができ、流路５２由来のノイズを除去することが可能となる。こうして、受信窓１２８には、検査必要範囲内において生じた反射波のみが到達することとなり、精度よく検査必要範囲の探傷を行うことが可能となる。

（超音波探傷方法）
続いて、超音波探傷装置１００を用いた超音波探傷方法の処理の流れを説明する。図４は、超音波探傷方法の処理の流れを説明するフローチャートである。図４に示すように、まず、検査面（接合面Ｓ）に対する送信窓１１８の角度および検査面（接合面Ｓ）に対する受信窓１２８の角度が、検査必要範囲外で反射した超音波が受信窓１２８に到達しない関係となるように、送信探触子１１０および受信探触子１２０を設置する（設置工程Ｓ１１０）。そして、制御部１３４は、パルサレシーバ１３２を制御して、送信探触子１１０に送信窓１１８から検査必要範囲に向けて超音波ビームを送信させる（送信工程Ｓ１２０）。こうして、超音波ビームが検査対象物に入射され、検査必要範囲において反射波（または、回折波、散乱波）が生じることとなる。

そして、受信探触子１２０は、受信窓１２８を通じて受信した超音波に基づく振動を電気信号に変換してパルサレシーバ１３２に出力する（受信工程Ｓ１３０）。パルサレシーバ１３２は、受信探触子１２０から入力された電気信号を振動情報に変換して、制御部１３４に送信する。そして、制御部１３４の判定部１３４ａは、パルサレシーバ１３２から送信された振動情報に基づいて、検査必要範囲の傷の有無を判定する（判定工程Ｓ１４０）。

以上説明したように、本実施形態にかかる超音波探傷装置１００およびこれを用いた超音波探傷方法によれば、ノイズの発生を抑制し、高精度に検査必要範囲を探傷することが可能となる。

（第１の変形例）
図５は、第１の変形例にかかる超音波探傷装置１００を説明する図である。なお、図５中、理解を容易にするために、溝部６６をグレーの塗りつぶしで示し、超音波ビームおよび反射した超音波をハッチングで示す。

上記実施形態では、送信探触子１１０の対向面部１１２ａおよび受信探触子１２０の対向面部１２２ａを、流路５２の底面６６ａに接触させて、探傷する構成を例に挙げて説明した。しかし、図５に示すように、送信探触子１１０の対向面部１１２ａおよび受信探触子１２０の対向面部１２２ａを流路５２の上面、すなわち、隔壁６０の底面６２ａに接触させて接合面Ｓを探傷してもよい。

（第２の変形例）
図６は、第２の変形例にかかる超音波探傷装置２００を説明する図である。なお、図６中、理解を容易にするために、流路５２をグレーの塗りつぶしで示し、超音波ビームおよび反射した超音波をハッチングで示す。

上記したように、超音波は密度の異なる物質の境界において反射するため、送信窓１１８と受信窓１２８との間に空隙が存在すると、送信窓１１８と空隙との境界で超音波ビームを反射してしまい、検査必要範囲まで超音波ビームを入射させることができない。上記実施形態では、送信窓１１８と受信窓１２８との間に挟むことができるリブ６４が検査対象物に設けられているため、送信窓１１８と受信窓１２８との間にリブ６４を介在させる（検査対象物の少なくとも一部を媒質部として利用する）ことで、超音波ビームがリブ６４を通過して検査必要範囲まで入射できる構成を例に挙げて説明した。しかし、図６に示すように、構造物５０の蓋部５４等、検査対象物は、必ずしも、送信窓１１８と受信窓１２８との間に検査対象物の一部が介在する形状となっているわけではない。

そこで、図６に示すように、第２の変形例にかかる超音波探傷装置２００は、送信探触子１１０、受信探触子１２０、制御装置１３０（ここでは、不図示）に加えて、媒質部２１０を備える。なお、上記実施形態において説明した構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

媒質部２１０は、超音波を伝搬させる物質で構成され、送信窓１１８と受信窓１２８との間に設けられる。媒質部２１０を備える構成により、検査対象物の形状に拘らず、探傷することが可能となる。

なお、媒質部２１０は、超音波を伝搬させることができれば、材質に限定はないが、検査対象物と実質的に同一の材質、または、検査対象物と実質的に密度が等しい材質が好ましい。これにより、媒質部２１０と検査対象物との境界で生じる反射波を抑制することができる。

また、図６（ｂ）に示すように、媒質部２１０における検査対象物と接触する接触面部２１０ａが、検査対象物の被接触面５４ａに沿った形状であるとよい。これにより、媒質部２１０と検査対象物との接触面積を大きくして、媒質部２１０と検査対象物との間に形成される空隙を少なくすることができ、検査必要範囲内に効率よく超音波ビームを入射させることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、検査面に対する送信窓１１８の角度および検査面に対する受信窓１２８の角度が９０°（直角）である構成を例に挙げて説明した。しかし、検査面に対する送信窓１１８の角度および検査面に対する受信窓１２８の角度に限定はなく、例えば、４５°、６５°等であってもよい。

また、上記実施形態では、検査必要範囲とリブ６４の幅とが実質的に等しいため、送信探触子１１０と受信探触子１２０とでリブ６４を挟むだけで、送信窓１１８と受信窓１２８との間の距離を、検査必要範囲外で反射した超音波が受信窓１２８に到達しない距離に維持することができた。しかし、送信探触子１１０と受信探触子１２０との間の距離を調整して、検査必要範囲を調整してもよい。

また、上記実施形態において、超音波探傷装置１００が判定部１３４ａを備える構成を例に挙げて説明した。しかし、判定部１３４ａを備えず独立したハードウェアとして超音波探傷装置を形成しても、既存の判定部に接続すれば、検査対象物を探傷することができる。

本発明は、超音波を用いて検査対象物を探傷する超音波探傷装置、および、超音波探傷方法に利用することができる。

１００ 超音波探傷装置
１１０ 送信探触子
１１２ａ 対向面部（第１の対向面部）
１１２ｂ 側面部
１１８ 送信窓
１２０ 受信探触子
１２２ａ 対向面部（第２の対向面部）
１２２ｂ 側面部
１２８ 受信窓
１３４ａ 判定部
２００ 超音波探傷装置
２１０ 媒質部

Claims (5)

1. 検査対象物の検査面における予め定められた検査必要範囲を探傷する超音波探傷装置であって、
   前記検査面に対向する第１の対向面部と、前記第１の対向面部から立設した側面部に設けられる送信窓とを有し、前記送信窓から前記検査必要範囲に向けて超音波ビームを送信する送信探触子と、
   前記検査面に対向する第２の対向面部と、前記第２の対向面部から立設した側面部に設けられる受信窓とを有し、前記受信窓を通過した超音波を受信する受信探触子と、
   を備え、
   前記送信探触子は、前記超音波ビームの送信探触子側の縁部が、前記検査必要範囲における該送信探触子側の縁部または当該縁部より内側に到達する角度となるように形成され、
   前記検査面に対する前記送信窓の角度および該検査面に対する前記受信窓の角度は、前記検査必要範囲外で反射した超音波が該受信窓に到達しない関係となっていることを特徴とする超音波探傷装置。
2. 前記送信窓と前記受信窓との間に超音波を伝搬させる媒質部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
3. 前記検査対象物の少なくとも一部を前記媒質部として利用することを特徴とする請求項２に記載の超音波探傷装置。
4. 前記受信探触子が受信した超音波に基づいて、前記検査必要範囲の傷の有無を判定する判定部をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波探傷装置。
5. 検査対象物の検査面に対向する第１の対向面部と、前記第１の対向面部から立設した側面部に設けられる送信窓とを有し、前記送信窓から送信される超音波ビームの送信探触子側の縁部が、前記検査面における予め定められた検査必要範囲における該送信探触子側の縁部または当該縁部より内側に到達する角度となるように形成され、前記送信窓から超音波ビームを送信する送信探触子と、前記検査面に対向する第２の対向面部と、前記第２の対向面部から立設した側面部に設けられる受信窓とを有し、前記受信窓を通過した超音波を受信する受信探触子とを備えた超音波探傷装置を用い、前記検査必要範囲を探傷する超音波探傷方法であって、
   前記検査面に対する前記送信窓の角度および該検査面に対する前記受信窓の角度が、前記検査必要範囲外で反射した超音波が前記受信窓に到達しない関係となるように、前記送信探触子および前記受信探触子を配し、
   前記送信探触子に、前記送信窓から前記検査必要範囲に向けて超音波ビームを送信させることを特徴とする超音波探傷方法。