JPH02259560A - 鋼管溶接部の超音波探傷方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、鋼管の溶接部の超音波探傷方法およびその装
置に関する。

〔従来の技術〕

第２図は、一般に使用されている超音波フェイズドアレ
イ装置の構成例を示すものであり、その構成及び動作は
、例えば特開昭５７−１４７０５３に開示されている。

第２図において、まず、Ｎチャンネルの幅の狭い短冊形
の振動子１１＋　１　！＋・・・・・・、１．４で構成
されるアレイ形プローブ１は、各振動子１１＋　１　！
１・・・・・・１８に夫々付随したＮチャンネルの超音
波送信器２０．２□、・・・・・・、２８を含む超音波
送信器群２と、Ｎチャンネルの超音波受信器３１＋３２
＋・・・・・・、３８を含む超音波受信器群３とに結合
されている。

また、上記超音波送信器群２には各超音波送信器２１，
２□、・・・・・・、２８から超音波送信パルスを発生
せしめるための外部トリガー信号を送信制御器４から入
力可能としており、送信制御器４には超音波を送信する
ために使われる超音波送信器のチャンネルとそれら各々
に与える外部トリガー信号の遅延時間設定値がコンピュ
ータ５によりあらかじめプログラム設定される。これに
より超音波の送信方向および超音波の集束距離に応じて
設定された遅延時間に従って、プログラム設定された各
振動子から超音波を所定の繰り返し周期に放射し得る。

一方、受信動作はまず、アレイ形プローブｌと超音波受
信器群３とにより超音波を受信する。この受信された信
号は超音波受信器３３，３□、・・・・・・。

３ＮでＮ個の受信々号となり、さらに各受信々号は増幅
後、Ａ／Ｄ変換器７において、受信制御器６からの信号
によりデジタル変換開始時間をずらしながらデジタル化
され、加算器８に入力される。

加算器８では、受信制御器６からの信号により加算され
るチャンネルが選択され、選択されたチャンネルの信号
を加算し、表示装置９に結果が表示され受信動作が完了
する。ここで、受信制御器６には、Ａ／Ｄ変換器７にお
けるデジタル変換開始を決定する遅延時間設定値と加算
器８において選択されるチャンネルがコンピュータ５に
よりあらかじめプログラム設定される。また、この遅延
時間は超音波の受信方向および集束距離に応じてコンピ
ュータ５で計算される。

つまり、超音波フェイズドアレイ装置は、遅延時間設定
により任意の方向に超音波ビームを偏向でき、任意の位
置に超音波ビームを集束できる。

また、プローブを走査せずに（機械的に移動させずに）
超音波ビームの走査ができる。このような走査法を一般
に電子走査法というが、この電子走査法には、第３図（
ａ）のように超音波送受信用の複数個の振動子ブロック
を順次切り換えながら超音波ビームを実線、破線、・・
・・・・、−点鎖線というように直線上に走査させるリ
ニア走査法と、第３図（ｂ）のように複数個の振動子ブ
ロックによる超音波送受信方向を順次変更しながら超音
波ビームを実線、破線、・・・・・・、−点鎖線という
ように扇形上に走査させるセクタ走査法とがある。

以下、リニア走査法やセクタ走査法を用いた方法の説明
が出てくるが、超音波ビームの伝播の様子は、実際は第
３図（ａ）（ｂ）の実線２点線、−点鎖線のように幅を
もって表現すべきであるが、多数のビームが出て重なり
合うとわかりにく（なるので、全後出てくる図は全て、
第４図（ａ）（ｂ）の実線２点線。

−点鎖線のようにビームの中心の軌跡を表す線によって
表現することとする。

鋼管の探傷に超音波フェイズドアレイ装置を適用する場
合リニア走査法で探傷することが一般的であり、その−
例が特開昭６１−１８８６０に開示されている。リニア
走査法による鋼管探傷の例を第５図に示す、この図にお
いて９個の振動子１□１□。

・・・・・・、１．で構成されるアレイ形プローブ１は
隣接する３個の振動子を一組としてアレイ形プローブ１
の一端より他端に向け、振動子を１個づつずらしながら
超音波の送信および受信を行う。この場合特定の方向ａ
に偏向した細い超音波ビーム５１〜５７がアレイ形プロ
ーブｌの一端から他端まで走査され、かつ走査方向の超
音波信号が逐次受信される。偏向角ａは、探傷に用いる
屈折角θｒと接触媒質により決まる入射角θｉおよびプ
ローブの位置により設定され、上記振動子群例えば１゜
と１ｚａｌｚに与える各超音波送信パルスの遅延時間設
定により決定されるが、各振動子群１．と１ｔと１１．
１ｔと１．と１４、・・・・・・に同じ遅延時間設定の
パルス電圧を与えると、図示の如（各超音波ビーム５１
，５２．・・・・・・の偏向角ａは同じである。しかし
ながら鋼管１１の表面は円筒面であるから、各超音波の
鋼管１１への入射角θｉはそれぞれ異なったものになり
、鋼管ｌｌ内に入っていく屈折角θｒも異なったものに
なる０図では超音波ビーム５１，５４．５７の入角をθ
ｉ′θｉ、θｉ“、同屈折角をθｒｌ、θｒ、θｒＩＩ
としており、θｉ’＜θｉくθｉ＃、θｒ’＜θｒくθ
ｒｒｒである。斜角探傷に用いる屈折角は一定であるの
が好ましく、屈折角が異なるとビームの分散等が生じ探
傷感度が落ちるということも考えられる。

この問題に対しては第６図に示すように、屈折角θｒ従
って入射角θｉが全て同じになるように、偏向角ａを変
えることが考えられている。偏向角ａは振動子群に与え
る超音波送信パルスの遅延時間設定により変えることが
でき、そしてθｉを同じにするａ　ｉ　　（ｉ’＝１．
Ｌ　・・・・・・）は鋼管とプローブの幾何学的条件（
即ち、例えば鋼管の中心０を原点とするＸ−Ｙ座標系に
おけるアレイ形プローブ１の中心位置とその超音波送受
信面の傾き、前記振動子群の振動子の個数とその間隔、
鋼管１１の外径Ｒ）により求めることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら実際の鋼管の場合、鋼管の横断面即ち超音
波ビームの伝播経路が含まれる面の形状は必ずしも真円
ではない。鋼管の中でもＵＯ管は、銅帯を左右両縁側か
ら曲げて断面Ｕ字状にし、更に曲げて０字状にし、その
突き合わせ部を溶接して断面円形の鋼管とするようにし
て製造するため真円から外れ易い。また、手動探傷では
なく実際の探傷ラインで自動探傷を行う場合、搬送時の
鋼管の振動やスパッタ等の鋼管表面上の付着物により鋼
管表面に対する超音波送受信面の傾きを一定にすること
は難しい。つまりプローブが傾きが設定からずれてしま
うことがある。

このように鋼管断面の非円形性およびプローブの傾きの
違いは上記計算を狂わせてしまい、超音波ビームは鋼管
溶接部の目標の領域を正しく狙ゎな（なってしまう。即
ち入射角θｉが狂い、ひいては屈折角θｒが狂うが、後
者の狂いはかなり大きい。これはスネルの法則により決
定され、水から鋼に入射する場合、水および鋼の超音波
音速をそれぞれ１４８０ｍ　／　ｓ　、　３２３０ｍ　
／　ｓとすると、θｌが２５．５°ならθｒは７０’と
なる。ここで入射角θｌが１”変化して２６．５　＠に
なるとθｒは７６．９°となる。即ち入射角が１”変化
すると屈折角は６．９＠変化してしまうことになる。

第７図（ａ）、　（ｂ）は第６図に示す方法で鋼管溶接
部１２の上部を探傷する場合の超音波ビームの軌跡を示
す一例である。第７図（ａ）は設定通りの場合であり鋼
管溶接部１２の上部に超音波ビームが到達しているのに
対し、第７図（財）は入射角が０．５°変化した場合で
ありこのような微小な変化で超音波ビームが目標の探傷
領域を大きく外れてしまうことがわかる。

そこで本発明は、か＼る点に鑑みてなされたもので、鋼
管断面が非円形であっても、プローブの傾きが設定通り
でなくても、鋼管溶接部の目標の領域を正しく捕捉し探
傷できるようにしようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、超音波フェイズドアレイ装置で鋼管溶接部を
斜角探傷する方法において、鋼管の外径・肉厚に対し所
望屈折角で鋼管溶接部の目標の領域を探傷できるように
配置されたアレイ形プローブにより該所望屈折角を中心
に広範囲にわたるセクタ走査で多数の超音波ビームを送
受信して探傷データを得、それと同時に該鋼管溶接部の
近くに配置したモニター用受信プローブでセクタ走査に
より得た前記超音波ビームのうちどのビームが受信され
たかを判定し、その判定結果からセクタ走査により得た
前記超音波ビームのうちどのビームが目標の探傷領域の
中央に到達したかを推定し、そのビームがセクタ走査角
範囲の中心になる様他のビームの偏向角を制御して鋼管
溶接部の欠陥検査を行うことを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明によれば、鋼管探傷断面の非円形性およびプロー
ブの傾きの変化による超音波ビームの伝播方向の変動を
モニター用受信プローブで監視し、その結果に基づいて
鋼管溶接部の目標の探傷領域中心に到達する超音波ビー
ムを判定し、そのビームによりセクタ走査の中心角を制
御して欠陥検査をしているので、目標の探傷領域全てを
セクタ走査範囲の中に入れることができるため確実に検
査できる。

以下、具体的実施例について図面を参照して詳細に説明
する。

第１図（ａ）は前述の第２図に示す超音波フェイズドア
レイ装置を用いて行った本発明の一実施例を示す模式図
であり、カップリング装置１０により接触媒質の水とカ
ップリングされたアレイ形プローブ１を用いて鋼管１１
の溶接部１２の上部を、探傷する様子を示している。ま
た、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の中で超音波ビームが
鋼管へ入射する部分の拡大図である。

鋼管１１の外径・肉厚、プローブ１の位置・傾き、所望
入射角等の設定条件に基づき、コンピュータ５の指令に
より、第１図Φ）の如きセクタ走査で超音波ビーム２１
．・・・・・・、２９を送信する。その際のセクタ走査
は目標の探傷領域に到達するように設定された所望入射
角を中心に広範囲に渡る多数の超音波ビームが送受信で
きるようにする。

超音波ビーム２１．・・・・・・、２９は鋼管１１に入
射するとスネルの法則に基づいて屈折して超音波ビーム
３１．・・・・・・　３９となるが、その屈折角は鋼管
の形状やプローブの傾き等で変動する。該超音波ビーム
３１．・・・・・・、３９は鋼管１１および溶接部１２
の中を伝播し、伝播経路に欠陥があるとそこで反射して
戻ってくる。

受信動作は、前述の第２図の説明の如き方法で行い、セ
クタ走査で送信した全超音波ビームの受信を行い、探傷
データを得る。

しかしながらこのようなセクタ走査による探傷を行った
だけでは、前述の如く屈折角は鋼管の形状やプローブの
傾き等で変動するので超音波ビームは設定通り伝播して
いるか不明である。そこで、モニター用受信プローブ１
３を溶接部１２の近くに配置し、該送信制御器４からの
信号によりタイミングをとりながら超音波受信器１４で
該超音波ビーム３１．・・・・・・、３９を受信し、ア
レイ形プローブ１トモニター用受信プローブ１３の幾何
学的配置から計算されたビーム路程により設定されたゲ
ート内の信号についてピーク検出器１５でピーク検出を
行いそのデータをコンピュータ５に入力する。コンピュ
ータ５は該送信制御器４を制御しているためピーク検出
器１５のデータは該超音波ビーム３１．・・・・・・、
３９に対応して入力される。

コンピュータ５では第１図（ｇ）に示すように該ピーク
検出器のデータの大小判定を行い、最大値を演算しく５
−１）、最大値に対応した超音波ビームをモニター用受
信プローブ１３により受信したビーム（以後パイロット
ビームと称す）とする（５−２）。さらにコンピュータ
５ではアレイ形プローブ１とモニター用受信プローブ１
３の位置、セクタ走査の走査ピッチ、鋼管の外径および
肉厚等のデータを入力しく５−３）、これらのデータに
より幾何学的にパイロットビームを基準として何番目の
超音波ビーム（探傷中心ビームと称す）が目標の鋼管溶
接部１２の上部中心に達する超音波ビームかを演算しく
５−４）、この演算結果に一致した超音波ビームの偏向
角度をセクタ走査の中心ビームの偏向角度とし、他のセ
クタ走査ビームを走査ピッチ分だけずらして次の鋼管断
面の欠陥検査をする。

第１図（ａ）の場合では、超音波ビーム３６がパイロッ
トビーム、探傷中心ビームは３４で、次の鋼管の断面を
探傷する時のセクタ走査探傷は（ｈ）の如くセクタ走査
の中心ビーム３５が鋼管溶接部１２の上部中心に達する
様に３１〜３９のビームの偏向角度を変更する。

セクタ走査で鋼管探傷をする場合、鋼管への超音波ビー
ムの入射点がほぼ一定であることカーら、鋼管断面の非
円形性およびプローブの傾きの変化に伴う超音波ビーム
の伝播方向の変動は、セクタ走査による全てのビームに
対し同じ傾向で起こると考えられ、また鋼管溶接部１２
の各断面を探傷する際隣接断面探傷時の入射点変動は小
さいことからモニター用受信プローブで得た情報からセ
クタ走査の中心ビームを鋼管溶接部の中心となる様制御
する本発明の方法は非常に確度が高く超音波ビームを有
効に使用した方法であるといえる。

モニター用受信プローブ１３には無指向性のプローブを
用いてもよいが、受信指向性のあるプローブを用いる場
合は、アレイ形プローブ１とモニター用受信プローブ１
３の位置および鋼管の外径・肉厚から受信すべき超音波
ビームの角度が決定されるので、例えば斜角プローブを
用いる場合は振動子の傾きを、またアレイ形プローブを
用いる場合は遅延時間設定値を、この角度に基づいて決
定すればよい。

第１図（Ｃ）は第１図（５）に比ペアレイ形プローブ１
が＋０．５°傾いた場合であり、この場合は超音波ビー
ム３１，３２，３３は探傷に有効なビームとはならない
。また、第１図（ｄ）は第１図（５）に比ペアレイ形プ
ローブｌが一〇、　５°傾いた場合であり、この場合は
超音波ビーム３６〜３９は探−傷に有効なビームとはな
らない。ビームは３になる。

これまでアレイ形プローブおよびモニター用受信プロー
ブをそれぞれ個々にカップリングさせる方法による例に
ついて説明したが、アレイ形プローブおよびモニター用
受信プローブをまとめて水槽に入れ、それをカップリン
グさせる方法でもよい。

また、もっと多数の振動子を有するアレイ形プローブを
用いて、上記実施例のセクタ走査に用いる振動子ブロッ
クを順次切り換えながら走査させるいわゆるリニア走査
を組み合わせれば、探傷時間はかかるが、より密度の濃
い探傷が可能となる。

モニター用受信プローブが１つの場合に限らず、第１図
（ｅ）に示す如く、溶接部１２をはさんで２つのモニタ
ー用受信プローブ１３．１３’　を配置して、それぞれ
が受信した超音波ビーム３７．３３より探傷中心ビーム
を演算すれば探傷中心ビーム確実に捕捉できる。

また、モニター用受信プローブが１つの場合として、モ
ニター用受信プローブ１３′だけを用いて判定する方法
でもよい。

今まで説明してきた実施例は鋼管溶接部の上部に対する
探傷例であるが、鋼管溶接部の下部に対する探傷として
は、例えば第１図（ｆ）に示す方法が考えられる。この
方法では、モニター用受信プローブ１３を溶接部１２を
はさんでアレイ形プローブ１と反対側に配置し、それに
より超音波ビームの方向を監視し、その結果に基づいて
目標の鋼管溶接部の下部中心に到達する超音波ビームを
判定し、そのビームにより探傷中心ビームを演算して欠
陥検査をするものである。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、鋼管探傷断面の非円形
性およびプローブの傾きの変化による超音波ビームの伝
播方向の変動をモニター用受信プローブで監視し、その
結果に基づいて鋼管溶接部の目標の探傷領域中心に到達
する超音波ビームを判定し、そのビームの偏向角をセク
タ走査の中心偏向角とすべ（他ビームの偏向角を制御し
て欠陥検査をしているので、目標の探傷領域を確実に検
査でき、検査の信頬性、再現性が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）、０１）は本発明の実施状態を示
す模式図であり、第１図（匂は欠陥検査に用いる探傷デ
ータを選択するためのコンピュータ内での動作を示す説
明図、 第２図は超音波フェイズドアレイ装置の説明図、第３図
および第４図はリニア走査、セクタ走査の説明図、 第５図および第６図はリニア走査法による鋼管探傷方法
の説明図、 第７図（ａ）、　（ｂ）は第６図に示す方法で鋼管探傷
を行う場合の超音波ビームの軌跡の一例を示す図である
。 １ニアレイ形プローブ、　２：超音波送信器群、３：超
音波受信器群、　４：送信制御器、　５：コンピュータ
、　６：受信制御器、　７：Ａ／Ｄ変換器、　８：加算
器、　９：表示装置、１０：カップリング装置、　　１
１：鋼管、１２：鋼管溶接部、　　１３．　　ｌａ’：
モニター用受信プローブ、　　１４：超音波受信器、　
　１５：ピーク検出器、　２１，２２．・・・・・・２
９：超音波ビーム、　３１．３２．・・・・・・３９：
超音波ビーム、４１．４２．・・・・・・４９：超音波
ビーム、５１．５２．・・・・・・５７：超音波ビーム
、６１．６２．・・・・・・６９：超音波ビーム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超音波フェイズドアレイ装置を用いて鋼管溶接部を
   斜角探傷する方法において、セクタ走査で多数の超音波
   ビームを送受信して探傷データを得、それと同時に該鋼
   管溶接部の近くに配置したモニター用受信プローブにに
   より前記超音波ビームのうちどのビームが受信されたか
   を判定し、その判定結果から前記超音波ビームのうちの
   どのビームが目標の探傷領域の中央に到達したかを推定
   し、そのビームがセクタ走査の中心ビームとなる様各ビ
   ームの偏向角度を制御して鋼管溶接部の欠陥検査を行う
   ことを特徴とする鋼管溶接部の超音波探傷方法。 ２、鋼管溶接部に対してセクタ走査により複数本の超音
   波ビームを順次斜角送信し、斜角入射させ、その反射信
   号を受信するアレイ形プローブと、前記鋼管溶接部近傍
   に配置され前記アレイ形プローブから送信された超音波
   ビームを受信するモニター用受信プローブと、このモニ
   ター用受信プローブが受信した超音波ビームが前記アレ
   イ形プローブの何番目に送信した超音波ビームかを検出
   する検出手段と、前記後悔鋼管の外径および肉厚に基づ
   き前記アレイ形プローブからの超音波ビームが前記溶接
   部の探傷範囲をカバーするのに必要となるビーム本数を
   演算する演算手段と、前記検出手段の検出順番に基づき
   定められた順番の超音波ビームより探傷領域中央に到達
   したビームを演算する手段とそのビームをセクタ走査の
   中心ビームとなるべく各ビームの偏向角を制御する手段
   とを有することを特徴とする鋼管溶接部の超音波探傷装
   置。