JP7289815B2 - 長尺物探傷システムと方法 - Google Patents
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Description
かかる基礎ボルトは、長期使用により埋設部分のネジ部が腐食等で減肉する。そのため、使用状態の基礎ボルトを取り外すことなく検査することが要望されている。
また、本発明に関連するフェーズドアレイ探傷装置が、特許文献2に開示されている。
一方、産業界で実際に使用されている基礎ボルトの多くは、直径30mmよりも細く、例えば、直径16mm~24mmのものが多用されている。
しかし、従来例の手段を直径30mmよりも細い基礎ボルトに適用する場合、以下の問題点があった。
従来例のリニアアレイ探触子は、直径30mm(M30、谷径26.2mm)の端面に合わせて、20mm×20mmの正方形(対角線長:約28.3mm)である。また、この場合に、単一の振動子寸法は0.5mm×20mm、間隔0.1mmである。
しかし、振動子幅(0.2mm)が狭すぎるため、かかる小型の振動子は製作が非常に困難である。
従来のリニアアレイ探触子の場合は、素子が一方向に配列されているため、超音波ビームの集束が線となってしまう。そのため、点に集束させたい位置以外で超音波ビームが反射してノイズとなるため、S/N比が低い。
また、仮に幅0.2mmの振動子の製作ができても、超音波強度は、振動子面積に比例するので、この場合の超音波強度は従来例の半分以下(例えば40%)まで低下し、さらにS/N比が悪化する。
前記端面より小径かつ円形の検出面と、該検出面に2次元的に配置された複数の超音波振動子と、を有する、フェーズドアレイ探触子と、
複数の前記超音波振動子から前記長尺物の中心軸を含む検査平面内の集束点に集束させて超音波ビームを発信し、その反射波を受信するフェーズドアレイ探傷装置と、を備え、
前記フェーズドアレイ探傷装置は、受信した前記反射波から前記検査平面内の反射波強度の2次元分布を示す強度分布図である2次元画像を作成する画像処理装置と、
前記中心軸を中心として前記フェーズドアレイ探触子を周方向に旋回させた際に得られる複数の前記2次元画像を記憶する記憶装置と、
複数の前記2次元画像から正常断面画像をノイズとして除去し、除去した残存画像の強度分布が最小となるように、前記正常断面画像を2次元的にシフトさせる、ノイズ除去装置と、を有し、
前記正常断面画像は、前記試験体の正常部に相当する複数の前記2次元画像から選択される、長尺物探傷システムが提供される。
(A)前記長尺物の前記中心軸を中心として基準位置からの旋回角度を変化させて、前記フェーズドアレイ探触子を周方向に旋回させ、
(B)前記フェーズドアレイ探傷装置により、複数の前記超音波振動子から前記長尺物の前記中心軸を含む前記検査平面内の集束点に集束させて超音波ビームを発信し、その前記反射波を受信して記憶し、
(C)受信した前記反射波から複数の前記検査平面における前記旋回角度と反射波強度の前記2次元画像の組み合わせを表示し、
(D)複数の前記2次元画像から前記試験体の正常部に相当する前記正常断面画像を選択し、
(E)複数の前記2次元画像から前記正常断面画像をノイズとして除去し、除去した残存画像の強度分布が最小となるように、前記正常断面画像を2次元的にシフトさせる、長尺物探傷方法が提供される。
これに対し、リニアアレイ探触子の場合は、素子が一方向に配列されているため、超音波ビームの集束が線となってしまい、点に集束させたい位置以外で超音波ビームが反射してしまう。
従って、本発明によれば、集束点の超音波強度は、従来例のリニアアレイ探触子よりも大幅に強くなり、S/N比と測定精度をさらに高めることができる。
さらに、ノイズ除去装置を備え、作成した2次元画像から正常断面画像をノイズとして除去するので、2次元画像に共通に含まれる正常断面画像を消去して、2次元画像中の相違箇所を顕在化できる。
長尺物探傷システム100は、直径30mmよりも細い円柱状の長尺物1を試験体TPとしてその端面1aから内部を探傷検査する探傷装置である。
この図において、長尺物探傷システム100は、フェーズドアレイ探触子10とフェーズドアレイ探傷装置20を備える。
以下、フェーズドアレイ探触子10を「探触子10」と、超音波振動子14を「振動子14」と略称する。
振動子14の出力はその大きさに比例する。また線対称の振動子14の大きさは、同一に形成されている。
また、隣接するセグメント15の間の隙間11の大きさ(ギャップ幅)は、一定であることが好ましいが変化してもよい。以下、ギャップ幅が一定又は一定に近い場合、セグメント間の隙間11を分割線16と呼ぶ。
この結果、検出面12は、円形分割線16aと直線分割線16bで分割された113のセグメント15を有するが、セグメント番号Iは、1~64である。
上述した探触子10は、リング分割型アニュラーアレイ探触子である。
以下、フェーズドアレイ探傷装置20を「探傷装置20」と略称する。
すなわち図3において、例えば、セグメント番号Iが10、11、12、14と15のセグメント15は、Y軸(基準線R)に対し線対称に位置しており、同一の制御チャンネル21により同一条件で制御される。
Y軸に対し線対称に位置する他の対の振動子14も同様である。
この場合、点である集束点3に集束した超音波ビーム4の超音波強度は、検出面12に2次元的に配置されたすべての振動子14からの超音波ビーム4の総和となるため、線状に集束するリニアアレイ探触子と比較して、同一の計測点において非常に強くできる。
画像処理装置22は、受信した反射波5から検査平面2内の反射波強度の2次元画像6を作成する。
ノイズ除去装置24は、複数の2次元画像6から正常断面画像7をノイズとして除去する。正常断面画像7とは、正常な断面(検査平面2)から得られる次元画像6を意味する。正常断面画像7は正常な検査平面2を含む複数の2次元画像6から経験的に容易に選択することができる。
記憶装置26は、中心軸Z-Zを中心として探触子10を周方向に旋回させた際に得られる複数の2次元画像6を記憶する。
正常断面画像7は、複数の2次元画像6から選択される。この選択は、例えばユーザによる。
出力装置28は、例えばディスプレイ装置であり、受信した反射波5、2次元画像6、選択した正常断面画像7、ノイズ除去後の探傷画像8を表示する。
欠損部Eの端面1aからの軸方向距離を欠陥距離L1とする。また、欠陥距離L1を含むその周辺範囲を検査範囲Aとする。
欠損部Eは、1箇所に限定されず、複数であってもよい。また欠陥距離L1、検査範囲Aも複数であってもよい。
後述する実施例では、検出面12の直径Dを約12mmに設定した。
本発明の方法は、上述した長尺物探傷システム100を用い、S1~S5の各ステップ(工程)を有する。
旋回角度θは、0~360度の範囲内で検査範囲Aの位置に応じて設定する。旋回角度θのピッチ(例えば1度)は、必要とする分解能に基づき、決定する。
検査平面2は、上述したように基準線Rと中心軸Z-Zを含む平面である。この構成により、基準線Rを含む検査平面2に探触子10により強い超音波ビーム4を発信し集束点3に集束させることができる。
この際、長尺物1の表面における検査範囲Aに対応させて、図4に示すように、検査平面2の中心軸Z-Zに対する超音波ビーム4の中心軸4aがなす角度(以下、照射角度α)を最小照射角度α1から最大照射角度α2まで変化させる。
最小照射角度α1は、0度以上、最大照射角度α2は20度以下であることが好ましい。散乱及びモード変換によりノイズ源となる超音波を減らすためである。
また、同時に集束点3の位置を、長尺物1の欠損部近傍の検査範囲Aにおいて一定のピッチで軸方向及び半径方向に移動する。一定のピッチ(後述の例では1mm)は、必要とする分解能に基づき、決定する。
上述したステップS2により、長尺物1の欠損部近傍の検査範囲Aの各点からの反射波5を受信して記憶することができる。
上述したステップS1とステップS2は、好ましくは交互に実施する。
2次元画像6は、検査平面内の反射波強度の2次元分布を示す強度分布図でも、経過時間と反射波強度の関係を示す時間変化図でもよい。
このステップS4において、2次元画像6から正常断面画像7を除去した残存画像の強度分布が最小となるように、正常断面画像7を2次元的にシフトさせる、ことが好ましい。
グレーティングローブは、b/λが0.5以下の場合には、発生しない。また、b/λが0.5を超え、1.0未満の場合には、ステアリング角により発生する可能性がある。
従って、グレーティングローブの発生を抑制する観点から、周波数が5又は7MHzが好ましく、10MHzは不適切であるといえる。
そのため、安定したデータを得るには、計測範囲を近距離音場限界距離x0を超えた位置に設定することが好ましい。
従って、安定したデータを得るため、端面1aからの欠陥距離L1を周波数が5MHzの場合は30mm以上、7MHzの場合は43mm以上とすることが好ましい。
その結果、探触子10ではねじ山形状からの反射波強度の2次元画像6が明瞭に得られるが、リニアアレイ探触子では、ほとんど検出できず、リニアアレイ探触子と比較してリング分割型アニュラーアレイ探触子が優れていることがわかった。
さらに、チャンネル数を25chと64chで比較した結果、64chの方が、反射波強度が強く、かつ分解能が高いことがわかった。
このうち、(B)は欠陥のないねじ山形状、(C)は模擬欠陥として、ねじ山の1つが欠落したねじ山形状、(D)は模擬欠陥として、ねじ山の1つが谷部まで欠けたねじ山形状である。
以下、(B)を正常モデル、(C)をねじ山腐食モデル、(D)をねじ谷腐食モデルと呼ぶ。
この図において、全長Lは250mm、端面1aからの欠陥距離L1は120mm、検査範囲Aは端面1aから40~200mmとした。
図6(C)のねじ山腐食モデルにおいて、端面から欠陥距離L1=120mmに位置する1つのねじ山を谷位置までの2.375mm(斜線範囲)が腐食されたねじ山を模擬した。
図6(D)のねじ谷腐食モデルにおいて、端面から欠陥距離L1=120mmに位置する1つのねじ山の頂点から3.175mm(斜線範囲)が腐食されたねじ谷を模擬した。
また、M16の基礎ボルト(長尺物1)に適用できるように、検出面12の直径DをM16の谷径13.8mmよりも小径(12mm)に設定した。
(1)探触子タイプ:垂直
(2)素子配列パターン:アニュラフェーズドアレイ
(3)探触子径:φ12mm
(4)リング数:8リング(64ch)
(5)リング間ギャップ:0.05mm
(6)周波数:7MHz
実施例2では、試験体モデルが細長い角柱であり、ねじ山形状はその側面にあり、平歯状である。そのため、上述した旋回ステップS1は不要である。
この図において、(B)(C)(D)は、それぞれ図6の(B)(C)(D)に対応している。
(1)端面1aから40~200mmの検査範囲Aにおいて模擬ねじの凹凸によるエコー(反射波5)が確認された。強い反射波5の位置を図中に細長い楕円形で示す。楕円形の中心はねじ谷に位置しており、ねじ谷の反射が主であることがわかる。
(2)エコー(反射波5)の減衰は約-0.15dB/mmであり、非常に小さい。従って、各ねじ谷を中心とする楕円形で示す反射波5の大きさと形状の検査深さによる差はほとんどなかった。
(3)図7(C)のねじ山腐食モデルにおいて、図7(B)の正常モデルと比較して、腐食部位(欠陥距離L1)のエコーが少し低下していた。なお、その部位よりも深い位置にあるねじ谷のエコーは得られていた。
(4)図7(D)のねじ谷腐食モデルにおいて、図7(B)の正常モデルと比較して、腐食部位(欠陥距離L1)のエコーが大きく低下していた。また、その部位よりも深い位置にあるねじ谷のエコーは、ほとんど検出できなかった。
図7の(B)(C)(D)を図4に示した1本の基礎ボルトからの2次元画像6であると考える。例えば、図7(B)(C)(D)が旋回角度θ=0,90,180度に対応すると考える。
また、上述したノイズ除去ステップS5において、図7(C)(D)の2つの2次元画像6から正常断面画像7をノイズとして除去する。
この結果、図8(C)(D)に示すように、2次元画像6に共通に含まれる正常断面画像7を消去して、2次元画像中の相違箇所をノイズ除去後の探傷画像8として顕在化できる。
図9は、実施例3の試験体TPの説明図であり、(A)は試験体TPの側面図、(B)はねじ山形状の拡大図である。
人工欠陥として、端面1a(上面)から欠陥距離L1=50,80,120mmの位置に、欠陥長b=12mm、外径からの欠陥深さc=2,3,5mmの試験体TPをそれぞれ準備した。
M16の基礎ボルト(長尺物1)に適用するため、検出面12の直径DをM16の谷径13.8mmよりも小径に設定した。
(1)探触子タイプ:垂直
(2)素子配列パターン:図3のアニュラフェーズドアレイ
(3)探触子径:φ11.95mm
(4)振動子数:8リング×15列=113振動子
(5)チャンネル数:64ch(左右対称素子短絡)
(6)1ch素子外径:φ0.75mm
(7)ギャップ:0.05mm
(8)周波数:7MHz
実施例3では、人工欠陥を欠陥距離L1の全周に準備した。そのため、上述した旋回ステップS1は不要である。
この図において、(A)は人工欠陥のない場合、(B)は欠陥距離L1=50mm、(C)は欠陥距離L1=80mm、(D)は欠陥距離L1=120mmに人工欠陥がある場合である。なお、減肉深さc=3mmは共通である。
(1)図10(A)から、人工欠陥のない試験体では、アンカーボルトの端面1aから60mm程度までのねじ部からの反射エコー強度は高いが、端面1aから60mm以降は反射エコー強度が低くなった。深い位置のねじ部からの反射エコーは減衰等の影響により強度が低下したと推定される。
(2)欠陥距離L1=50mmの試験体の試験結果では、深さc=2mm,3mmおよび4mmの人工欠陥を検出した。しかし、ねじ部分からの反射エコーも強度が高く、減肉の形状・大きさによっては検出が困難になる可能性がある。
(3)人工欠陥位置がL1=80mmの試験体およびL1=120mmの試験体の結果では、欠陥深さc=4mmの人口欠陥は検出できたが、欠陥深さc=2mmおよび3mmは検出が困難であった。検出が困難だった原因として、減肉位置が深くなるに従って減衰の影響が大きくなり、ねじ部と人工欠陥からの反射エコーのS/N比が低くなる。また、人工欠陥が浅いと超音波ビームが反射する面積が低くなることから、反射エコー強度は低くなるため、人工欠陥の検出性が低下したと考えられる。
すなわち、図10の(A)(B)(C)(D)を図4に示した1本の基礎ボルトからの2次元画像6であると考える。例えば、図10(A)(B)(C)(D)が旋回角度θ=0,90,180,270度にそれぞれ対応すると考える。
このうち、欠陥がない旋回角度θ(例えばθ=0度)の2次元画像6は、図10(A)に相当し、欠陥がある旋回角度θ(例えばθ=90,180,270度)の2次元画像6は、図10(B)(C)(D)に相当する。
また、上述したノイズ除去ステップS5において、図10(B)(C)(D)の3つの2次元画像6から正常断面画像7をノイズとして除去する。
「2次元的にシフト」とは、2次元画像6が図7のような強度分布図の場合、検査平面内のねじ部のピッチPに相当する時間と半径方向のズレに相当する距離とを変化させることを意味する。また、2次元画像6が時間変化図である場合には、検査平面内のねじ部のピッチPに相当する時間のみの変化でもよい。
これにより、検査時のズレに起因する2次元画像6と正常断面画像7のズレを最小化することができる。
これに対し、リニアアレイ探触子の場合は、素子が一方向に配列されているため、超音波ビーム4の集束が線となってしまい、点に集束させたい位置以外で超音波ビーム4が反射してしまう。
従って、本発明によれば、集束点3の超音波強度は、従来例のリニアアレイ探触子よりも大幅に強くなり、S/N比と測定精度をさらに高めることができる。
さらに、ノイズ除去装置24を備え、作成した2次元画像6から正常断面画像7をノイズとして除去するので、2次元画像6に共通に含まれる正常断面画像7を消去して、2次元画像中の相違箇所を顕在化できる。
D 直径、E 欠損部、h ねじ山高さ、L 全長、
L1 欠陥距離、O 中心、P ピッチ、
R 基準線、TP 試験体、Z-Z 中心軸、α 照射角度、
α1 最小照射角度、α2 最大照射角度、θ 旋回角度、
1 長尺物(基礎ボルト)、1a 端面、2 検査平面、3 集束点、
4 超音波ビーム、4a 超音波ビームの中心軸、5 反射波、
6 2次元画像、7 正常断面画像、8 探傷画像、
10 フェーズドアレイ探触子、11 隙間、12 検出面、
14 超音波振動子、15 セグメント、16 分割線、
16a 円形分割線、16b 直線分割線、
20 フェーズドアレイ探傷装置、22 画像処理装置、
24 ノイズ除去装置、26 記憶装置、28 出力装置、
100 長尺物探傷システム
Claims (5)
- 直径30mmよりも細い円柱状の長尺物を試験体としてその端面から探傷検査する長尺物探傷システムであって、
前記端面より小径かつ円形の検出面と、該検出面に2次元的に配置された複数の超音波振動子と、を有する、フェーズドアレイ探触子と、
複数の前記超音波振動子から前記長尺物の中心軸を含む検査平面内の集束点に集束させて超音波ビームを発信し、その反射波を受信するフェーズドアレイ探傷装置と、を備え、
前記フェーズドアレイ探傷装置は、受信した前記反射波から前記検査平面内の反射波強度の2次元分布を示す強度分布図である2次元画像を作成する画像処理装置と、
前記中心軸を中心として前記フェーズドアレイ探触子を周方向に旋回させた際に得られる複数の前記2次元画像を記憶する記憶装置と、
複数の前記2次元画像から正常断面画像をノイズとして除去し、除去した残存画像の強度分布が最小となるように、前記正常断面画像を2次元的にシフトさせる、ノイズ除去装置と、を有し、
前記正常断面画像は、前記試験体の正常部に相当する複数の前記2次元画像から選択される、長尺物探傷システム。 - 複数の前記超音波振動子は、前記検出面が同心円状に分離され、かつ円の中心を通る基準線に直交する列上に分離し、前記基準線に対し線対称に位置する、請求項1に記載の長尺物探傷システム。
- 前記フェーズドアレイ探傷装置は、前記線対称の対の前記超音波振動子を同一条件で制御する複数の制御チャンネルを有する、請求項2に記載の長尺物探傷システム。
- 前記長尺物は、外周に雄ねじ部を有する、請求項1に記載の長尺物探傷システム。
- 請求項1に記載の長尺物探傷システムを用いた長尺物探傷方法であって、
(A)前記長尺物の前記中心軸を中心として基準位置からの旋回角度を変化させて、前記フェーズドアレイ探触子を周方向に旋回させ、
(B)前記フェーズドアレイ探傷装置により、複数の前記超音波振動子から前記長尺物の前記中心軸を含む前記検査平面内の集束点に集束させて超音波ビームを発信し、その前記反射波を受信して記憶し、
(C)受信した前記反射波から複数の前記検査平面における前記旋回角度と反射波強度の前記2次元画像の組み合わせを表示し、
(D)複数の前記2次元画像から前記試験体の正常部に相当する前記正常断面画像を選択し、
(E)複数の前記2次元画像から前記正常断面画像をノイズとして除去し、除去した残存画像の強度分布が最小となるように、前記正常断面画像を2次元的にシフトさせる、長尺物探傷方法。
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