JP7569264B2

JP7569264B2 - 超音波探傷装置

Info

Publication number: JP7569264B2
Application number: JP2021076495A
Authority: JP
Inventors: 祥山口; 聡北澤; 泰広仁平; 和也江原
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2024-10-17
Anticipated expiration: 2041-04-28
Also published as: JP2022170398A; WO2022230648A1

Description

本発明は、超音波探傷装置に関する。

発電プラント設備では、安全性の担保のため、被検体の欠陥の寸法や位置に基づいて余寿命の評価が行われる。被検体の欠陥を検出する非破壊検査装置の一つとして、超音波探傷装置がある。

超音波探傷装置は、超音波センサを備える。超音波センサは、被検体の内部へ超音波を送信する。また、超音波センサは、被検体の内部に欠陥が存在する場合に、欠陥で反射された超音波を受信する。この超音波センサの受信結果に基づいて、欠陥の寸法や、超音波センサを基準とした相対座標系における欠陥の位置を取得することが可能である。そして、超音波センサの位置を更に取得すれば、被検体における欠陥の位置を取得することが可能である。

特許文献１は、超音波センサ（対象物）の位置を計測するエンコーダを開示する。このエンコーダは、超音波センサの移動方向に延在するガイドレールと、超音波センサを保持すると共に、ガイドレールに沿って移動可能なホルダと、ホルダに設けられた位置センサと、演算装置とを備える。ガイドレールは、超音波センサの移動方向に互いに離間された複数の反射源を有する。位置センサは、ガイドレールの内部へ超音波を送信し、反射源で反射された超音波を受信する。演算装置は、位置センサの受信結果に基づいて、超音波センサの位置を演算する。

特開２０１８－０５９８６７号公報

上記従来技術では、被検体の欠陥を検出する超音波センサとは別に、超音波センサの位置を検出する位置センサを用いる。そのため、部品点数が増加し、検査準備時間の増加などを招く。

本発明の目的は、超音波センサの位置を検出する他のセンサを用いなくとも、被検体における欠陥の位置を取得することができる超音波探傷装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、複数の圧電素子を有し、超音波の送信範囲が可変可能な超音波センサと、前記超音波センサと被検体の間に介在するウェッジと、前記超音波センサによる超音波の送受信を制御する制御装置と、前記超音波センサの受信結果に基づいて、前記被検体の欠陥の情報を取得するコンピュータと、を備えた超音波探傷装置において、前記ウェッジは、その内部に形成されて超音波を反射する反射源を有し、前記コンピュータは、前記超音波センサの受信結果に基づいて、前記超音波センサを基準とした相対座標系における前記反射源と前記欠陥の位置関係を演算し、前記位置関係と前記被検体を基準とした絶対座標系における前記反射源の位置とに基づいて、前記絶対座標系における前記欠陥の位置を演算する。

本発明によれば、超音波センサの位置を検出する他のセンサを用いなくとも、被検体における欠陥の位置を取得することができる。

本発明の第１の実施形態における超音波探傷装置の構成を表す概略図である。図１の断面II－IIによる断面図である。本発明の第１の実施形態における超音波探傷装置の動作を表すフローチャートである。本発明の第２の実施形態における超音波探傷装置の構成を表す概略図である。本発明の一変形例における超音波探傷装置の構成を表す概略図である。

本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、配管の探傷検査を行う場合を例にとって説明する。

図１は、本実施形態における超音波探傷装置の構成を表す概略図である。図２は、図１の断面II－IIによる断面図である。

本実施形態の超音波探傷装置は、超音波センサ１と、超音波センサ１と配管１００（被検体）の間に介在するウェッジ２と、超音波センサ１による超音波の送受信を制御する制御装置３と、超音波センサ１の受信結果に基づいて、配管１００の欠陥１０１の情報を取得するコンピュータ４と、表示装置５とを備える。

ウェッジ２の内面（言い換えれば、配管１００との接触面）は、配管１００の形状に合わせて曲面で形成され、ウェッジ２の外面（言い換えれば、超音波センサ１との接触面）は、超音波センサ１の形状に合わせて平面で形成されている。ウェッジ２は、一方側（図１の左側）の端面が配管１００の基準点Ｏと重なるように、配管１００の外面に取付けられている。なお、本実施形態では、配管１００を基準とした絶対座標系として、配管１００の基準点Ｏを原点とし、配管１００の軸方向をＸ軸とし、配管１００の半径方向（図１の上下方向）をＺ軸とする座標系が定義されている。

超音波センサ１は、移動機構（図示せず）又は検査者によって配管１００の軸方向（図１の左右方向）に移動可能なように、ウェッジ２の外面に配置されている。なお、本実施形態では、超音波センサ１を基準とした相対座標系として、超音波センサ１の中心点ｏを原点とし、配管１００の軸方向をｘ軸とし、配管１００の半径方向をｚ軸とする座標系が定義されている。

超音波センサ１は、配管１００の軸方向に配列された複数の圧電素子６を有し、超音波の送信範囲が可変可能なように構成されている。圧電素子６は、後述する駆動信号によって発振し、超音波を送信する。また、圧電素子６は、反射された超音波を受信し、波形信号に変換する。

制御装置３は、複数の圧電素子６のうちの送信素子を選択し、送信素子へ駆動信号を出力するパルサ（図示せず）と、複数の圧電素子６のうちの受信素子を選択し、受信素子からの波形信号を入力するレシーバ（図示せず）とを有する。制御装置３は、複数の圧電素子６のうちの送信素子と受信素子の組合せを選択して制御することにより、送信素子と受信素子の組合せに対応する複数の波形信号を取得するようになっている。

詳しく説明すると、まず、パルサは、送信素子として１番目の圧電素子６を選択し、この圧電素子６から超音波を送信させる。レシーバは、受信素子として例えば全ての圧電素子６を選択し、Ｎ個の圧電素子６から入力したＮ個の波形信号Ｗ_１１，Ｗ_１２，…，Ｗ_１Ｎを取得する。次に、パルサは、送信素子として２番目の圧電素子６を選択し、この圧電素子６から超音波を送信させる。レシーバは、受信素子として例えば全ての圧電素子６を選択し、Ｎ個の圧電素子６から入力したＮ個の波形信号Ｗ_２１，Ｗ_２２，…，Ｗ_２Ｎを取得する。このようにして送信素子と受信素子の組合せを切り替えながら、複数の波形信号Ｗ_１１，Ｗ_１２，…，Ｗ_ＮＮを取得する。レシーバは、複数の波形信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換してコンピュータ４へ出力する。

コンピュータ４は、プログラムに従って処理を実行するプロセッサ（図示せず）と、プログラムやデータを記憶するメモリ（図示せず）とを有する。コンピュータ４は、配管１００の内部の位置毎に、その位置で超音波が反射されたと仮定した場合の送信素子と受信素子の組合せに応じた超音波の伝播時間に基づき、複数の波形信号の強度（振幅）を抽出して合算し、合算した強度の分布を示す配管１００の画像を生成する。

詳しく説明すると、配管１００の内部の位置（ｘｉ，ｚｉ）で超音波が反射されたと仮定し、送信素子から位置（ｘｉ，ｚｉ）までの超音波の伝播時間τｍｉと、位置（ｘｉ，ｚｉ）から受信素子までの超音波の伝播時間τｎｉを演算する。そして、配管１００の内部の位置（ｘｉ，ｚｉ）毎に、送信素子と受信素子の組合せに応じた超音波の伝播時間（τｍｉ＋τｎｉ）に基づき、複数の波形信号の強度Ｓｉ（τｍｉ＋τｎｉ）を抽出して合算する（いわゆる開口合成法）。そして、合算した強度を画素値に変換して、合算した強度の分布を示す配管１００の画像を生成する。

コンピュータ４は、上述した配管１００の画像を用いて、配管１００の欠陥１０１の寸法や、超音波センサ１を基準とした相対座標系における欠陥１０１の位置を演算する。

ここで本実施形態の最も大きな特徴として、ウェッジ２は、その内部に形成されて超音波を反射する反射源７を有する。本実施形態の反射源７は、配管１００の軸方向に直交する方向に延在する貫通穴であるが、例えば、ウェッジ２の内面又は外面に開口した切欠きでもよい。

コンピュータ４は、ウェッジ２の一方側端面と反射源７の間の距離、すなわち配管１００を基準とした絶対座標系における反射源７のＸ座標（Ｘ０）を予め入力して記憶している。

また、コンピュータ４は、ウェッジ２の内部の位置毎に、その位置で超音波が反射されたと仮定した場合の送信素子と受信素子の組合せに応じた超音波の伝播時間に基づき、複数の波形信号の強度を抽出して合算し、合算した強度の分布を示すウェッジ２の画像を生成する。そして、ウェッジ２の画像を用いて、超音波センサ１を基準とした相対座標系における反射源７のｘ座標を演算する。

そして、コンピュータ４は、相対座標系における反射源７と欠陥１０１の位置関係と、絶対座標系における反射源７のＸ座標に基づいて、絶対座標系における欠陥１０１のＸ座標（Ｘ１）を演算する。詳しく説明すると、絶対座標系における超音波センサ１の中心点ｏのＸ座標（Ｘ２）は、{（絶対座標系における反射源７のＸ座標）－（相対座標系における反射源７のｘ座標）}で演算され、絶対座標系における欠陥１０１のＸ座標（Ｘ１）は、{（絶対座標系における超音波センサ１の中心点ｏのＸ座標）＋（相対座標系における欠陥１０１のｘ座標）}で演算される。あるいは、絶対座標系における欠陥１０１のＸ座標（Ｘ１）は、{（絶対座標系における反射源７のＸ座標）＋（相対座標系における欠陥１０１のｘ座標）－（相対座標系における反射源７のｘ座標）}で演算される。

次に、本実施形態の超音波探傷装置の動作を、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態における超音波探傷装置の動作を表すフローチャートである。

ステップＳ１にて、制御装置３は、超音波センサ１による超音波の送受信を制御する。すなわち、複数の圧電素子６のうちの送信素子と受信素子の組合せを選択して制御することにより、送信素子と受信素子の組合せに対応する複数の波形信号を取得する。

ステップＳ２にて、コンピュータ４は、ウェッジ２及び配管１００の画像を生成する。そして、ウェッジ２及び配管１００の画像を用いて、超音波センサ１を基準とした相対座標系における反射源７と欠陥１０１の位置関係を演算する。

ステップＳ３にて、コンピュータ４は、相対座標系における反射源７と欠陥１０１の位置関係と、配管１００を基準とした絶対座標系における反射源７のＸ座標とに基づいて、絶対座標系における欠陥１０１のＸ座標を演算する。そして、ウェッジ２及び配管１００の画像や、絶対座標系における欠陥１０１のＸ座標などを表示装置５に表示させる。

以上のように本実施形態においては、超音波センサ１の位置を検出する他のセンサを用いなくとも、配管１００における欠陥１０１の位置を取得することができる。その結果、超音波センサ１の位置を検出する他のセンサを用いる場合と比べ、検査準備時間の短縮を図ることができる。

本発明の第２の実施形態を、図４を用いて説明する。

図４は、本実施形態における超音波探傷装置の構成を表す概略図である。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

本実施形態のウェッジ２は、配管１００の軸方向（すなわち、超音波センサ１の移動方向）に互いに離れると共にウェッジ２の深さ方向の位置が互いに異なる複数の反射源７ａ，７ｂ，７ｃを有する。

コンピュータ４は、ウェッジ２の一方側端面と反射源７ａの間の距離、すなわち配管１００を基準とした絶対座標系における反射源７ａのＸ座標（Ｘ０ａ）と、ウェッジ２の外面と反射源７ａの間の距離、すなわち超音波センサ１を基準とした相対座標系における反射源７ａのｚ座標を予め入力して記憶している。また、ウェッジ２の一方側端面と反射源７ｂの間の距離、すなわち配管１００を基準とした絶対座標系における反射源７ｂのＸ座標（Ｘ０ｂ）と、ウェッジ２の外面と反射源７ｂの間の距離、すなわち超音波センサ１を基準とした相対座標系における反射源７ｂのｚ座標を予め入力して記憶している。また、ウェッジ２の一方側端面と反射源７ｃの間の距離、すなわち配管１００を基準とした絶対座標系における反射源７ｃのＸ座標（Ｘ０ｃ）と、ウェッジ２の外面と反射源７ｃの間の距離、すなわち超音波センサ１を基準とした相対座標系における反射源７ｃのｚ座標を予め入力して記憶している。

コンピュータ４は、ウェッジ２の画像を用いて、超音波センサ１を基準とした相対座標系における反射源のｚ座標を演算する。そして、反射源のｚ座標により、反射源７ａ，７ｂ，７ｃのうちのいずれに該当するか、ウェッジ２の画像に現れた反射源を識別する。そして、識別された反射源のＸ座標を用いて、第１の実施形態と同様、絶対座標系における欠陥１０１のＸ座標を演算する。

したがって、第１の実施形態と同様、超音波センサ１の位置を検出する他のセンサを用いなくとも、配管１００における欠陥１０１の位置を取得することができる。また、本実施形態においては、第１の実施形態と比べ、配管１００の軸方向における検査範囲を拡大することができる。

なお、第２の実施形態において、ウェッジ２は、超音波センサ１の移動方向に互いに離れると共にウェッジ２の深さ方向の位置が互いに異なる複数の反射源７ａ，７ｂ，７ｃを有する場合を例にとって説明したが、これに限られない。例えば図５で示す変形例のように、ウェッジ２は、超音波センサ１の移動方向に互いに離れると共に形状が互いに異なる複数の反射源７ａ，７ｂ，７ｃを有してもよい。この場合、コンピュータ４は、反射源の形状により、反射源７ａ，７ｂ，７ｃのうちのいずれに該当するか、ウェッジ２の画像に現れた反射源を識別する。このような変形例においても、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、第１及び第２の実施形態において、超音波探傷装置は、開口合成法に準じた制御を行う場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えばフェーズドアレイ法に準じた制御を行ってもよい。詳しく説明すると、制御装置３は、複数の圧電素子６による複数の超音波の送信タイミングを制御して、複数の超音波からなる合成波の送信方向を可変すると共に、複数の圧電素子６による複数の超音波の受信タイミングを制御して、複数の超音波からなる合成波の受信方向を可変してもよい。この場合、コンピュータ４は、合成波の受信強度の分布を示すウェッジ２及び配管１００の画像を生成する。

１超音波センサ
２ウェッジ
３制御装置
４コンピュータ
６圧電素子
７，７ａ，７ｂ，７ｃ反射源

Claims

複数の圧電素子を有し、超音波の送信範囲が可変可能な超音波センサと、
前記超音波センサと被検体の間に介在するウェッジと、
前記超音波センサによる超音波の送受信を制御する制御装置と、
前記超音波センサの受信結果に基づいて、前記被検体の欠陥の情報を取得するコンピュータと、を備えた超音波探傷装置において、
前記ウェッジは、その内部に形成されて超音波を反射する反射源を有し、
前記コンピュータは、前記超音波センサの受信結果に基づいて、前記超音波センサを基準とした相対座標系における前記反射源と前記欠陥の位置関係を演算し、前記位置関係と前記被検体を基準とした絶対座標系における前記反射源の位置とに基づいて、前記絶対座標系における前記欠陥の位置を演算することを特徴とする超音波探傷装置。
請求項１に記載の超音波探傷装置において、
前記ウェッジは、前記超音波センサの移動方向に互いに離れると共に前記ウェッジの深さ方向の位置が互いに異なる複数の反射源を有し、
前記コンピュータは、前記ウェッジの深さ方向の位置の違いによって前記複数の反射源を識別することを特徴とする超音波探傷装置。
請求項１に記載の超音波探傷装置において、
前記ウェッジは、前記超音波センサの移動方向に互いに離れると共に形状が互いに異なる複数の反射源を有し、
前記コンピュータは、形状の違いによって前記複数の反射源を識別することを特徴とする超音波探傷装置。
請求項１に記載の超音波探傷装置において、
前記制御装置は、前記複数の圧電素子のうちの送信素子と受信素子の組合せを選択して、前記送信素子から前記ウェッジ及び前記被検体に超音波を送信させると共に、前記ウェッジの前記反射源又は前記被検体の欠陥で反射された超音波が前記受信素子で受信されて変換された波形信号を取得することにより、前記送信素子と前記受信素子の組合せに対応する複数の波形信号を取得しており、
前記コンピュータは、前記ウェッジ及び前記被検体の内部の位置毎に、前記位置で超音波が反射されたと仮定した場合の前記送信素子と前記受信素子の組合せに応じた超音波の伝播時間に基づき、前記複数の波形信号の強度を抽出して合算し、合算した強度の分布を示す画像を生成することを特徴とする超音波探傷装置。
請求項１に記載の超音波探傷装置において、
前記制御装置は、前記複数の圧電素子による複数の超音波の送信タイミングを制御して、前記複数の超音波からなる合成波の送信方向を可変すると共に、前記複数の圧電素子による複数の超音波の受信タイミングを制御して、前記複数の超音波からなる合成波の受信方向を可変しており、
前記コンピュータは、前記合成波の受信強度の分布を示す画像を生成することを特徴とする超音波探傷装置。