JP6802113B2 - 超音波検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄板構造物の板厚変化又は水滴付着を検出するのに好適な超音波検査方法に関する。

特許文献１は、板材の厚さを測定する方法を開示している。この方法では、板材の一方側端面及び反対側端面に送信用探触子及び受信用探触子をそれぞれ配置し、送信用探触子から板材の内部に縦波を送信する。受信用探触子は、板材の内部を直進する縦波の直接透過波Ｓ３と、板材の減肉部の表面及び健全部の表面で反射して、反射の度に縦波から横波に若しくは横波から縦波にモード変換したモード変換波Ｓ２と、板材の健全部の表面のみで反射して、反射の度に縦波から横波に若しくは横波から縦波にモード変換したモード変換波Ｓ１とを受信する。

モード変換波Ｓ２，Ｓ１は、直接透過波Ｓ３と比べて伝播距離が長いだけでなく、縦波より伝播速度が遅い横波にモード変換していることから、直接透過波Ｓ３より遅れて受信される。モード変換波Ｓ１は、モード変換波Ｓ２と比べて伝播距離が長いから、モード変換波Ｓ２より遅れて受信される。そして、直接透過波Ｓ３とモード変換波Ｓ１との伝播時間の差分に基づいて、板材の健全部の厚さを演算する。また、直接透過波Ｓ３とモード変換波Ｓ２との伝播時間の差分に基づいて、板材の減肉部の厚さを演算する。

特開２００２−２０２１１６号公報（図１及び図２）

ところで、厚さが１ｍｍ程度の薄板で構成された空調ダクト（薄板構造物）は、錆などの腐食によって劣化する場合があるため、減肉や孔食などの部分損傷が発生していないかを確認する必要がある。空調ダクトの外面に対しては目視検査が有効であるものの、空調ダクトの周囲を覆っている保温材を剥がす必要があり、さらに高所の場合には作業用の足場を組むなどの付帯作業が増える。また、空調ダクトの内面に対しては目視検査が有効でない。

そこで、特許文献１に記載のように送信用探触子及び受信用探触子を用いることにより、空調ダクトの板厚変化（詳細には、減肉部など）を検出することが考えられる。しかしながら、特許文献１に記載の方法は、厚さが１ｍｍ程度の薄板で構成された空調ダクトに適していない。すなわち、厚さが１ｍｍ程度の薄板では、上述した超音波の伝播時間の差分がほとんど生じない。

本発明の目的は、薄板構造物の板厚変化又は水滴付着を検出することができる超音波検査方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、代表的な本発明は、薄板構造物の板厚変化又は水滴付着を検出する超音波検査方法であって、前記薄板構造物を構成する少なくとも１つの薄板の一方側端面及び反対側端面に送信用探触子及び受信用探触子をそれぞれ配置し、前記薄板を伝播する板波を励起する単一の周波数ｆ１を有する横波を、前記薄板の厚さ変化又は水滴付着に応じてＡ０モード成分の板波の速度変化が得られるように、０．１ＭＨｚ≦ｆ１≦１ＭＨｚの範囲内で設定した周波数ｆ１にて、前記送信用探触子から前記薄板の一方側端面に入射し、前記薄板を伝播した板波を前記受信用探触子で受信し、前記受信用探触子で受信した板波の伝播時間を演算し、この伝播時間を予め取得した参照時間と比較することにより、前記薄板の厚さ変化又は水滴付着を検出する。

本発明によれば、薄板構造物の板厚変化又は水滴付着を検出することができる。

本発明の一実施形態における超音波検査装置の構成を表すブロック図である。 本発明の一実施形態における検査対象の空調ダクトの断面構造と共に、送信用探触子及び受信用探触子の配置を表す断面図である。 図２中断面III−IIIによる断面図である。 本発明の一実施形態における正弦波形の送信信号を表す図である。 薄板を伝播する板波の分散曲線を表す図である。 本発明の一実施形態における受信信号を表す図であり、薄板の減肉部がない場合及び減肉部がある場合を示す。 本発明の一実施形態における超音波検査方法の手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の変形例におけるチャープ波形の送信信号を表す図である。

本発明の検査対象の薄板構造物（詳細には、厚さが３ｍｍ未満の薄板で構成されたもの）として空調ダクトを例にとり、本発明の一実施形態を説明する。

図１は、本実施形態における超音波検査装置の構成を表すブロック図である。図２は、本実施形態における検査対象の空調ダクトの断面構造と共に、送信用探触子及び受信用探触子の配置を表す断面図である。図３は、図２中断面III−IIIによる断面図である。

断面矩形状の空調ダクト１は、４つの薄板２Ａ〜２Ｄで構成されており、その周囲が保温材３で覆われている。薄板２Ａ〜２Ｄは、厚さが１ｍｍ程度で、メッキ鋼板、ＳＵＳやアルミなどの金属板が用いられている。空調ダクト１内の空気が湿分を含むため、薄板２Ａ〜２Ｄの内面に水滴が付着して錆などの腐食の要因となる。そのため、例えば図２で示すように薄板２Ａの減肉部４が発生する可能性がある。

本実施形態の超音波検査装置は、空調ダクト１の板厚変化（詳細には、減肉部４等）を検出することを目的とし、送信用探触子１１及び受信用探触子１２と、送信用探触子１１及び受信用探触子１２による板波の送受信を制御する超音波探傷器１３と、超音波探傷器１３で取得した受信信号を処理する信号処理装置１４とを備えている。

送信用探触子１１及び受信用探触子１２は、薄板２Ａの一方側端面及び反対側端面にそれぞれ配置されている。なお、本実施形態では、送信用探触子１１及び受信用探触子１２が常設されており、それらのケーブル（図示せず）が保温材３を貫通している。そのため、保温材３を剥がす必要がなく、足場の設置などの付帯作業も大幅に軽減できる。

送信用探触子１１は、例えば横波垂直型探触子（詳細には、薄板の端面に垂直な方向に横波を入射するもの）であって、超音波探傷器１３からの送信信号（電気信号）が印加されて横波を生成する。本実施形態では、単一の周波数ｆ１を有する正弦波形の送信信号（図４参照）が印加されて、周波数ｆ１を有する横波を生成する。そして、生成した横波を薄板２Ａの端面に入射して、周波数ｆ１を有する板波を励起するようになっている。受信用探触子１２は、図２及び図３中矢印Ｌで示すように薄板２Ａを伝播した板波を受信し、受信した板波を受信信号（電気信号）に変換して超音波探傷器１３へ出力するようになっている。

超音波探傷器１３は、図示しないものの、信号処理装置１４からの検査開始の指令に応じて送信信号を発生させる送信信号発生部と、送信信号発生部で発生した送信信号を増幅して送信用探触子１１へ出力する送信信号増幅部と、受信用探触子１２から入力した受信信号を増幅する受信信号増幅部と、受信信号増幅部で増幅した受信信号をデジタル化して信号処理装置１４へ出力する受信信号変換部とを有している。

信号処理装置１４は、図示しないものの、超音波探傷器１３から入力した受信信号を処理して板波の伝播時間などを演算する信号処理部と、信号処理部の演算結果を検査日時と関連付けて記憶する記憶部と、信号処理部で演算した板波の伝播時間に基づいて薄板の減肉部の有無を判定する判定部と、信号処理部の演算結果や判定部の判定結果を表示する表示部とを有している。

薄板２Ａを伝播する板波は、その伝播速度が周波数に依存しており、さらに板波の伝播モード（詳細には、反対称モードであるＡ０モード、又は対称モードであるＳ０モード）や薄板２Ａの厚さに応じて変化する。図５は、板波の周波数と伝播速度の関係を表す分散曲線であり、Ａ０モード又はＳ０モードであって薄板の厚さｔ＝０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍの場合をそれぞれ示す。なお、本実施形態では、主としてＡ０モード成分の板波を励起するように、送信用探触子１１の向き（言い換えれば、横波の振動方向）が固定されている。そして、薄板２Ａの健全部の厚さｔ＝１．０ｍｍであってその厚さ変化（１．０ｍｍ未満）を検出することを目的としているから、薄板２Ａの厚さ変化に応じてＡ０モード成分の板波の速度変化が得られるように、上述した周波数ｆ１は、０．１ＭＨｚ≦ｆ１≦１ＭＨｚの範囲内で設定されている。

薄板２Ａに減肉部４がない場合は、Ａ０モード成分の板波が比較的速くなり、例えば図６（ａ）で示すような受信信号が得られる。信号処理装置１４は、この受信信号を処理して板波の伝播時間Ｗ１を演算する。一方、薄板２Ａに減肉部４がある場合は、Ａ０モード成分の板波が比較的遅くなり、例えば図６（ｂ）で示すような受信信号が得られる。信号処理装置１４は、この受信信号を処理して板波の伝播時間Ｗ２（但し、Ｗ２＞Ｗ１）を演算する。そして、信号処理装置１４は、演算した伝播時間Ｗ１又はＷ２を予め取得した参照時間（詳細には、例えば初期若しくは前回の検査時に取得した伝播時間、又は数値解析で取得した伝播時間）と比較することにより、薄板２Ａの厚さ変化（詳細には、減肉部４等）を検出するようになっている。なお、信号処理装置１４は、薄板２Ａの減肉部４を検出した場合に、板波の伝播時間に基づいて減肉部４の厚さを演算してもよい。

次に、本実施形態の超音波検査方法を説明する。図７は、本実施形態における超音波検査方法の手順を説明するためのフローチャートである。

まず、ステップＳ１００にて、作業者は、超音波探傷器１３の送信信号の周波数ｆ１を、０．１ＭＨｚ≦ｆ１≦１ＭＨｚの範囲内で、例えば０．５ＭＨｚに設定する。また、ステップＳ１１０にて、作業者は、送信用探触子１１及び受信用探触子１２を、薄板２Ａの一方側端面及び反対側端面にそれぞれ設置する。

そして、ステップＳ１２０に進み、信号処理装置１４は、超音波探傷器１３へ検査開始の指令を出力し、超音波探傷器１３は、この指令に応じて送信用探触子１１へ送信信号を出力する。送信用探触子１１は、単一の周波数ｆ１を有する送信信号によって周波数ｆ１を有する横波を生成し、この横波を薄板２Ａの端面に入射して周波数ｆ１を有する板波を励起する。受信用探触子１２は、薄板２Ａを伝播した板波を受信し、受信した板波を受信信号に変換して超音波探傷器１３へ出力する。

その後、ステップＳ１３０に進み、信号処理装置１４は、超音波探傷器１３で取得した受信信号を処理して板波の演算時間を演算する。その後、ステップＳ１４０に進み、信号処理装置１４は、演算した板波の伝播時間と予め取得した参照時間との差分を演算し、この差分が所定の閾値より大きいか否かを判定する。これにより、薄板２Ａに減肉部が発生しているか否かを判定する。差分が所定の閾値より大きい場合は、ステップＳ１４０の判定が満たされ、ステップＳ１５０に移る。ステップＳ１５０では、信号処理装置１４は、薄板２Ａに減肉部が発生している旨の警告表示を行う。

ステップＳ１５０の終了後、次回の検査中止の指示が入力されなければ、ステップＳ１６０に移る。また、ステップＳ１４０にて差分が所定の閾値より小さい場合は、その判定が満たされないため、ステップＳ１５０を経由しないで（すなわち、警告表示を行うことなく）、ステップＳ１６０に移る。ステップＳ１６０では、信号処理装置１４は、設定時間が経過したか否かを判定する。設定時間が経過しなければ、ステップＳ１６０の判定が満たされず、その判定が繰り返される。一方、設定時間が経過すれば、ステップＳ１６０の判定が満たされ、上述のステップＳ１２０に戻って、上記同様の手順を繰り返す。すなわち、定期的に検査を実施して、空調ダクト１の健全性を監視するようになっている。

以上のようにして本実施形態においては、薄板構造物である空調ダクト１の板厚変化を検出することができる。

また、本実施形態においては、薄板２Ａの減肉部４の表面で反射した板波を受信する反射法でなく、薄板２Ａの減肉部４を透過した板波を受信する透過法を採用している。これにより、減肉部４の表面が緩やかに傾斜するような場合でも、減肉部４の検出性能を高めることができる。また、薄板２Ａの一方側端面及び他方側端面に送信用探触子１１及び受信用探触子１２を配置しているので、薄板２Ａを伝播する板波の減衰が少なくなり、減肉部４の検出性能を高めることができる。

なお、上記一実施形態においては、主としてＡ０モード成分の板波を励起するように送信用探触子１１の向きを固定している。そして、送信用探触子１１は、単一の周波数ｆ１を有する正弦波形の送信信号によって周波数ｆ１を有する横波を生成し、この横波を薄板２Ａの端面に入射して周波数ｆ１を有する板波を励起している。そして、薄板２Ａの厚さ変化に応じてＡ０モード成分の板波の速度変化が得られるように、周波数ｆ１を０．１ＭＨｚ≦ｆ１≦１ＭＨｚの範囲内で設定している。しかしながら、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。

第１の変形例として、主としてＳ０モード成分の板波を励起するように送信用探触子１１の向きを固定してもよい。そして、送信用探触子１１は、単一の周波数ｆ２を有する正弦波形の送信信号によって周波数ｆ２を有する横波を生成し、この横波を薄板２Ａの端面に入射して周波数ｆ２を有する板波を励起する。そして、薄板２Ａの厚さ変化に応じてＳ０モード成分の板波の速度変化が得られるように、周波数ｆ２を１ＭＨｚ≦ｆ２≦５ＭＨｚの範囲内で設定する（上述の図４参照）。第１の変形例では、Ａ０モード成分の板波の振幅よりＳ０モード成分の板波の振幅が小さいことから、検出感度が低減するものの、空調ダクト１の板厚変化を検出することができる。

第２の変形例として、Ａ０モード成分及びＳ０モード成分の板波を励起するように送信用探触子１１の向きを固定してもよい。そして、送信用探触子１１は、周波数ｆ１から周波数ｆ２まで変化するチャープ波形の送信信号（図８参照）によって各周波数成分を有する横波を生成し、この横波を薄板２Ａの端面に入射して各周波数成分を有する板波を励起する。そして、薄板２Ａの厚さ変化に応じてＡ０モード成分の板波の速度変化が得られるように、周波数ｆ１を０．１ＭＨｚ≦ｆ１≦１ＭＨｚの範囲内で設定し、かつ、薄板２Ａの厚さ変化に応じてＳ０モード成分の板波の速度変化が得られるように、周波数ｆ２を１ＭＨｚ≦ｆ２≦５ＭＨｚの範囲内で設定する。

第２の変形例では、信号処理装置１４は、超音波探傷器１３で取得した受信信号を各周波数成分に分解し、各周波数成分の板波の伝播時間を演算する。例えば周波数ｆ１＝０．１ＭＨｚ、周波数ｆ２＝５ＭＨｚに設定した場合、０．１ＭＨｚから１ＭＨｚまでの各周波数成分では、Ａ０モード成分の板波の速度変化による伝播時間の変化があらわれ、１ＭＨｚから５ＭＨｚまでの各周波数成分では、Ｓ０モード成分の板波の速度変化による伝播時間の変化があらわれる。そして、各周波数成分の板波の伝播時間と対応する参照時間との差分が閾値以上であるか否かを判定する。そして、いずれかの周波数成分の板波の伝播時間と対応する参照時間との差分が閾値以上であると判定した場合、薄板２Ａに減肉部が発生している旨の警告表示を行う。したがって、上記一実施形態又は第１の変形例と比べ、検出性能を高めることができる。

また、上記一実施形態においては、空調ダクト１を構成する薄板２Ａの一方側端面及び反対側端面に送信用探触子１１及び受信用探触子１２をそれぞれ常設して定期的に検査を実施する場合を例にとって説明したが、これに限られない。例えば薄板２Ｂ〜２Ｄのそれぞれの一方側端面及び反対側端面に送信用探触子１１及び受信用探触子１２をそれぞれ常設して定期的に検査を実施してもよい。また、手間がかかるものの、検査を実施する度に送信用探触子１１及び受信用探触子１２を設置してもよい。

また、上記一実施形態においては、空調ダクト１の板厚変化を検出する場合を例にとって説明したが、これに限られず、空調ダクト１の水滴付着を検出してもよい。詳しく説明すると、板波は、超音波が薄板の外面及び内面での反射を繰り返しながら伝播するものであり、薄板の外面又は内面に水滴が付着した場合、水滴に超音波が漏洩する。水滴に漏洩した超音波のうち、水滴内で反射して薄板に戻るものがあるため、水滴の付着に応じて板波の速度変化が生じる。したがって、上記一実施形態とほぼ同様、受信用探触子１２で受信した板波の伝播時間を予め取得した参照時間と比較することにより、空調ダクト１の水滴付着を検出することができる。なお、空調ダクト１に付着した水滴は蒸発するため、検査日時に応じて、板波の伝播時間が回復する。したがって、空調ダクト１の板厚変化と識別して水滴付着を検出することができ、空調ダクト１の腐食リスクを監視することができる。

なお、以上においては、検査対象として空調ダクト１を例にとって説明したが、これに限られず、空調ダクト１以外の他の薄板構造物を検査対象としてもよい。

１ 空調ダクト（薄板構造物）
２Ａ〜２Ｄ 薄板
４ 減肉部
１１ 送信用探触子
１２ 受信用探触子

Claims (3)

1. 薄板構造物の板厚変化又は水滴付着を検出する超音波検査方法であって、
   前記薄板構造物を構成する少なくとも１つの薄板の一方側端面及び反対側端面に送信用探触子及び受信用探触子をそれぞれ配置し、
   前記薄板を伝播する板波を励起する単一の周波数ｆ１を有する横波を、前記薄板の厚さ変化又は水滴付着に応じてＡ０モード成分の板波の速度変化が得られるように、０．１ＭＨｚ≦ｆ１≦１ＭＨｚの範囲内で設定した周波数ｆ１にて、前記送信用探触子から前記薄板の一方側端面に入射し、
   前記薄板を伝播した板波を前記受信用探触子で受信し、
   前記受信用探触子で受信した板波の伝播時間を演算し、この伝播時間を予め取得した参照時間と比較することにより、前記薄板の厚さ変化又は水滴付着を検出することを特徴とする超音波検査方法。
2. 薄板構造物の板厚変化又は水滴付着を検出する超音波検査方法であって、
   前記薄板構造物を構成する少なくとも１つの薄板の一方側端面及び反対側端面に送信用探触子及び受信用探触子をそれぞれ配置し、
   前記薄板を伝播する板波を励起する第１の周波数ｆ１から第２の周波数ｆ２まで変化するチャープ波形の横波を、前記薄板の厚さ変化又は水滴付着に応じてＡ０モード成分の板波の速度変化が得られるように、０．１ＭＨｚ≦ｆ１≦１ＭＨｚの範囲内で設定した周波数ｆ１にて、且つ、前記薄板の厚さ変化又は水滴付着に応じてＳ０モード成分の板波の速度変化が得られるように、１ＭＨｚ≦ｆ２≦５ＭＨｚの範囲内で設定した周波数ｆ２にて、前記送信用探触子から前記薄板の一方側端面に入射し、
   前記薄板を伝播した板波を前記受信用探触子で受信し、
   前記受信用探触子で受信した板波の伝播時間を演算し、この伝播時間を予め取得した参照時間と比較することにより、前記薄板の厚さ変化又は水滴付着を検出することを特徴とする超音波検査方法。
3. 空調ダクトの板厚変化又は水滴付着を検出する検査を定期的に実施する超音波検査方法であって、
   前記空調ダクトを構成する少なくとも１つの薄板の一方側端面及び反対側端面に送信用探触子及び受信用探触子をそれぞれ常設し、
   前記薄板を伝播する板波を励起する横波を、前記薄板の厚さ変化又は水滴付着に応じて板波の速度変化が得られるように予め設定した周波数にて、前記送信用探触子から前記薄板の一方側端面に入射し、
   前記薄板を伝播した板波を前記受信用探触子で受信し、
   前記受信用探触子で受信した板波の伝播時間を演算し、この伝播時間を予め取得した参照時間と比較することにより、前記薄板の厚さ変化又は水滴付着を検出することを特徴とする超音波検査方法。

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