JPH028264B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、内部の傷について中実部材を検査す
る装置に関する、特に中実部材の表面近くに位置
した内部の傷について中実部材を超音波検査する
装置に関する。

従来の技術 中実物体の内部を試験して傷あるいは他の欠陥
を検出するため非破壊評価法が長い間使用されて
きた。今日広く使用されているこの種の方法の一
つに超音波試験法がある。

この方法では、音響エネルギのビームを中実物
体の表面下方に送るために超音波発信器を用いて
いる。超音波の音響ビームが何らかの欠陥部、例
えば割れ、異物等の夾雑物、空〓などに遭遇した
とすれば、反射音波が生まれるが、これは中実物
体の表面上に同じように配置した受信器で検出し
得るものである。欠陥部の性質によつては、音響
ビームが受信器の現在位置と一致しない方向に反
射されることもある。この理由のために、内部傷
全部を確実に検出するために、検査中の物体の表
面を多重走行することがしばしば必要である。

更に、たとえ現在使用している検査法で傷を検
出したとしても、反射する音波は中実物体の表面
下の様々な深さから発生するため、この傷の深さ
を決定することは、応々にして即座に可能という
わけではない。このことは、異種材料の基板に接
合された内部クラツド層を有する圧力容器の場合
に殊に煩わしいことである。このような場合にあ
つて、注目すべき主な領域は、クラツド層と基板
材料との間の界面であつて、基板内の深い処に生
じた傷は圧力容器の機能にとつて全く取るに足ら
ないものであるからである。従来技術の超音派検
査装置では、一回の走査で深さが広範に異なる傷
を検出することはできるが、その傷が基板内の取
るに足らない欠陥なのか、あるいはクラツド層と
基板との間にある容認すべからざる欠陥であるの
かを決定するには更にその後の検査を必要として
いた。

非常に厳格な検査要求がなされているこの種の
問題の一つに、炭素鋼から成る基板と厚さ3/8イ
ンチ（1.0cm）のステンレス鋼から成る内側クラ
ツド層を有する原子炉圧力容器の場合がある。こ
の場合ステンレス鋼クラツド層と炭素鋼基板との
間に生じた傷によつて、ついには、容器は破損を
招き、高圧の内容物が容器から放出するはめにな
るからである。この種の容器は一般には非常に大
型であつて検査要求が非常に厳格であるために、
発信器／送信器の向きを変えて様々な方向に多重
走査する必要があるが、これは、結局費用と時間
のかかる手順とゆうことになる。

従つて、傷の存在を決定するのに多重走査を必
要とせず、大型圧力容器におけるクラツド層と基
板との間の注目領域を検査する装置であつて、注
目領域外の基板内に生じた取るに足らない傷の検
出に影響されない装置が、要望されているのであ
る。

発明の目的 本発明の目的は、検査機器による唯一回の走査
で中実部材の表面近くの注目領域の完全な検査を
可能とした超音波検査装置を提供することであ
る。

発明の概要 本発明の超音波検査装置は、注目領域内に最高
の音響強度と感度を与えるように配置した１個の
超音波発信器と好ましくは２個の超音波受信器と
を使用している。

この受信器は、一定の間隔をおいて、被検査中
実部材の表面を走査する台車に固定されている。
また、発信器は、伝導媒体を通つて中実部材内に
超音波音響ビームを送り、ついには表面下方の予
め選定した深さで注目領域を通過させるように配
向されている。更に、この発信器は、表面と中実
部材内のビーム走路との間の夾角がおよそ20゜に
等しくなるようにも配向してある。発信器から注
目領域までの音響ビームの長さが媒体と中実部材
とのフレネル距離に等しくなるように、発信器が
表面から間隔を置かれているのに加えて、この夾
角によつて、注目領域に最高の音響強度が与えら
れるのである。

この注目領域に傷や欠陥が存在しているとすれ
ば、反射音波が発生するはずである。本発明によ
れば、本検査装置は、台車に固定され、かつ表面
の平面に対して発信器を配向したのと類似の方法
で角度配向された受信器によつてこの反射音波を
検出し、注目領域内から発生したこれらの音波の
みを受信している。好ましい具体例において、２
個の受信器が相互に向かい合つて台車上に位置決
めされ、そして発射された音響ビームに対し横方
向に反射した音波を受信できるように注目領域に
向けて配向されている。この位置決めによつて、
本発明による検査装置は、大きな円筒表面、例え
ば大型の原子炉圧力容器の内部における周および
縦両方向の割れを唯１回の走査で検出し、かつ両
者を識別することができるのである。

更に、別の具体例も開示しているが、これは表
面の平面内で発射された音響ビームと同方向に進
む反射信号を受信できるように、注目領域に関し
発信器に対向して台車上に位置した第三の受信器
は、クラツド被覆した原子炉圧力容器に起りうる
ような、クラツド層と基板との間の離層ケ所を検
出するのに有効である。

発信器および受信器をここに開示したように位
置決めすることによつて、本発明は、中実部体内
の傷の検出を中実物体表面下方の所定の深さにあ
る注目領域に制限している。更に、受信器を検査
工程中注目領域のまわりの複数の配向方向に位置
決めすることによつて、本発明では、本検査装置
操作員が特定の点に多重走査する必要もなく、
様々の欠陥部を検出し、これらの間を識別できる
ようになつている。

発明の実施例 以下、本発明を添付図面に示す実施例に基づい
て詳細に説明する。

第１図は、可動台車１８上に載置した１個の超
音波発信器１０と２個の向かい合つた第一および
第二の超音波受信器１２，１６を有する本発明の
好ましい具体例を開示している。更に、第１図に
は、もう一つの超音波受信器１４を台車１８上に
同じように固定した別の具体例が開示されてもい
る。

台車１８は、台車を検査中の中実部材の実質的
に平担な表面２２上所定の距離に保持する手段２
０を包含するものとして示されている。これらの
保持手段２０は、台車１８に固定され表面２２上
を転動する簡単な車輪あるいはキヤスタとして示
したけれども、代わりに、台車１８を表面２２上
で正確に操作できるように中実部材上の他の場所
にしつかりと固定した機械ブーム（図示せず）や
台車１８を位置決めするのに使用できる他の手段
等各種各様の位置決め用補助具を用いることがで
きる。この位置決め機構は、本検査装置が稼動す
るはずの特定の適用分野や制限事項に依つて、使
用するその型式が決まるもので、それ故制限する
意味でと言うよりは、唯説明の意味で開示したも
のである。

表面２２をその一部として有する中実物体は、
基板２６に被覆されたクラツド層２４を有する複
合体として第１図に示してある。例えば、原子炉
容器の場合では、クラツド層２４はステンレス鋼
などの材料から成り、およそ3/8インチ（1.0cm）
の厚さを有している。また、この場合の基板２６
は、通常、炭素鋼の形をとり、ステンレス鋼クラ
ツド層２４より相当に厚いものである。

第１図に示すようなクラツド被覆した容器を検
査するにあたり、原子炉の運転中破損が生じるの
を避けるために、クラツド層２４と基板２６との
間の界面に割れやその他の傷が存在しないことが
きわめて重要である。現在の検査では、その指針
として、周および縦の両方向の割れのみならず、
存在し得るその他の欠陥を検出するために、容器
内表面全体についてこの界面の完全検査を行なう
ことを求めている。

超音波発信器１０は、一般に2.25メガヘルツの
周波数で作動する超音波振動子である。この発信
器は、音を伝導する液体、例えば水などの媒体
（第１図では図示せず）を介してクラツド層２４
の表面２２の下方で超音波エネルギの指向ビーム
を下方に発射するものである。表面２２下方の傷
によつて反射された音波は、上方に進んでその表
面を去り、最良受信角度が特定の方展に制限され
ている指向性マイクロホンに類似した超音波受信
器１２，１４，１６によつて検出される。発信器
１０のための電力および各受信器１２，１４，１
６からの検出音波の強さを示す電気信号は、第１
図に示す導電体２８の制御局（図示せず）あるい
は他の手段から供給される。電源および信号変換
装置は超音波検査の技術分野では周知のものであ
り、ここに説明する必要はなかろう。この変換装
置は受信器１２，１４，１６の１つに受信され
た、通常のバツクグラウンド音響レベルあるいは
干渉音響レベルを超える異常に高いレベルの音の
存在を決定するのに働くことを述べておけば十分
であろう。このように異常に高いレベルの音は、
表面２２の下方に反射性の傷が存在することを示
すものである。

第２図は、発射された音響ビームおよび反射し
た音響ビーム両者について、仮に目に見えるとす
れば出現するであろうこれらの走路の中心線を示
す略図である。第１図の発信器１０および受信器
１２，１４，１６は、第２図では、１０ａ，１２
ａ，１４ａおよび１６ａと符号を付した点として
それぞれ示してある。発射された音響ビームの走
路３０は、伝導媒体３２を通つて進み（部分３０
ａ）、クラツド層２４の表面２２に点３４で遭遇
し、次に中実部材２４を通つてその表面２２下方
の予定距離４０に位置した焦点３６に進むものと
して示されてある。音響ビーム３０は、中実部材
２４に遭遇したとき、伝導媒体３２と中実部材２
４における音響速度の差によつて屈析することに
気付くことが大切である。異種物体間の界面を移
動する際のこの屈析は、発射された音響ビーム３
０の表面点３４における二つの部分３０ａ，３０
ｂの間の急変角の原因となる。異種媒体間を進む
音波について周知のこの表面屈析現象は、音響学
の基本原理を用いて推定することができる。

本発明によれば、発信器１０は、表面２２の平
面と中実部材内の発射音響ビームの送路３０ｂと
の間に夾角３８の形成をみるように表面２２の平
面に対して配向してある。約20゜のこの角度は、
超音波音響エネルギを中実部材２４内を透過させ
表面２２下方の比較的浅い処にある傷を検出する
うえで最適角度となるように、経験を通じて決定
されている。角度３８が20゜以上の大きさを有す
る場合には、発射された音響ビーム１０ｂは中実
部材２４，２６内の深い処を進み効力損失を招く
ことになることは、すでに見い出されている。角
度３８が20゜以下の場合、表面２２に沿つて表面
波が形成されるばかりでなく表面裏側から伝導媒
体３２内への反射も起こり、更には中実部材２４
内音響ビームを全ての場合に弱めるようなある形
態転換も引き起こされるのである。

焦点３６は、中実部材２４の表面２２下方の予
定の深さに位置してある。第２図に符号４０で示
すこの深さは、本検査装置を適用する特定の利用
分野に従つて選ばれるものである。炭素鋼基板２
６の内部にステンレス鋼クラツド層２４を有する
原子炉容器の場合では、この所定の深さ４０は、
クラツド層２４の厚さに等しいように、すなわち
一般には3/8インチ（1.0cm）になるように選ばれ
るはずである。傷の存在によつて、反射する音響
信号が、傷の性質や発射された音響ビームの方向
に依存したある方向に進行する注目領域を焦点３
６上に規定することは現在では可能である。この
注目領域は、焦点３６を包囲し、かつ発信器１０
から発出する発射音響ビームの幅に依存した直径
を有する容積部であると考えることができる。よ
り狭い音響ビームの場合には、相応してより狭い
注目領域が生じるか、あるいはその逆になる。直
径１インチ（2.5cm）の発音素子を有する代表的
な超音波発信器を用いた場合に、本発明の好まし
い具体例では、直径約1/2インチ（1.3cm）の焦点
３６を包囲する注目領域が形成される。

また、受信器１２，１４，１６は、第１図に示
すように台車１８に固定され、走路４２，４４，
４６に沿つて進む反射された音響放射をそれぞれ
受信するように配向されている。受信器１２，１
４，１６をこのように配向することにより注目領
域外にある傷からの非所望の反射を受信しないよ
うにすることができる。添付図面を見れば明らか
なように、反射音の走路４２，４４，４６は、発
射音の走路３０と形状が同じであるが、方向と位
置ばかりは変わつている。従つて、中実部材２４
内の反射音走路のうち、符号４２ａ，４４ａ，４
６ａを付した部分は、それぞれ、表面２２の平面
に対し約20゜の角度を成し、そして中実部材２４
から伝導媒体３２内へと進むように屈析してい
る。

４つの点１０ａ，１２ａ，１４ａおよび１６ａ
が、表面２２の面に平行な一平面において四角形
を形成していることは、第２図から理解すること
ができる。本発明の好ましい具体例では、第一受
信器１２と第二受信器１６は発信器１０から等距
離にあつて、点１０ａに位置する頂点を含む二等
辺三角形を形ちづくるように位置決めされてい
る。第三の受信器１４を追加した別の具体例も第
１図および第２図に詳しく開示してあり、発信器
１０の角１０ａに向かい合つた角１４ａに位置さ
れた受信器１４によつて四角形１０ａ，１２ａ，
１４ａ，１６ａが形成されることを示している。

伝導媒体３２が水であり、クラツド層２４がス
テンレス鋼である場合、媒体３２を通つて進む発
射音響ビームの部分３０ａの走路と交点３４で表
面２２の面から立ち上つている垂線（この垂線に
は符号４８が付してある）から成る角度５０は、
およそ13.9゜である。上に論述したように、伝導
媒体３２や中実部材２４の組成がそれぞれ水ある
いはステンレス鋼以外であるとすれば、異質材料
内の音響速度の変化に従つて、すなわち角度３８
をおよそ20゜の好ましい大きさに維持するために、
この角度５０は再算定する必要がある。

本発明の好ましい具体例のもう１つの特徴は、
添付図面を調べても明らかにはならないが、焦点
３６における音響放射の強度に関係したものであ
る。最も強い音響エネルギの位置が発音素子に直
ぐ近い点にあるのではなく、実際にはそこからあ
る距離はなれて生じることは、音響科学の基本教
義である。フレネル距離と称されるこの最大音響
強度点までの距離は、発音素子の直径および発生
した音の波長の関数である。すなわち、この距離
は次式によつて定義される。

フレネル距離＝4D／λ 式中、Ｄは発音素子の直径に相当し、λは発生し
た音の波長に等しい。

焦点３６を発信器１０からのフルネル距離に位
置させることによつて、注目領域内の音波の強さ
な最大になり、これによつて検査効率を高めるこ
とができる。上の式は、単一媒体を進む音波につ
いてのものであるが、本発明のように複数媒体を
進行する音についてこれを網羅するため式を展開
することは可能である。この場合、フレネル式は
次のように転換される。

4D＝L₁λ₁＋L₂λ₂ 式中、Ｄは発音素子の直径であり、L₁は伝導媒
体内（１０ａから３４へ）を進行した距離、λ₁は
伝導媒体３２内における音の波長、L₂は中実部
材内（３４から３６へ）を進行した距離、λ₂は中
実部材２４内における音の波長にそれぞれ対応す
る。この式から、Ｄ、λ₁およびλ₂の与えられた数
値について、L₁およびL₂の一連の解を得ること
ができる。

焦点３６を中実部材２４の表面２２下方の予め
選定した距離に固定することによつて、距離L₂
を簡単な三角関係に基づいて計算することができ
る。距離L₂の計算から、上記の式には単一の解
が与えられる。すなわち台車１８が発信器１０を
保持しなければならない表面２２上の距離５１が
決定される。厚さ3/8インチ（1.0cm）のステンレ
ス鋼クラツド材を水没状態に維持した場合、距離
５１は表面２２上およそ３インチ（7.1cm）にな
る。これによつて、焦点３６は表面２２下方の3/
８インチの深さ４０に、同時に発音素子からのフ
レネル距離に位置することになる。

第３図は、表面２２の平面に平行な面で見たと
きに見える発信器１０および受信器１２，１４，
１６を示す図である。同時に、発射された音３０
および反射した音４２，４４，４６の各走路も示
している。なお、台車１８も参考のために示して
ある。第３図のこの状態を見れば理解できるよう
に発射音響ビーム３０は、様々な方向に反射され
る注目領域５２に遭遇する。音の走路４２および
４６は、この好ましい具体例の受信器１２，１６
に出合い、以下で詳細に説明するように、注目領
域内にある割れを検出するうえで働くものであ
る。受信器１４が、別の具体例の一部品としてこ
こにも図示されているが、これは、第３図に示す
ように表面２２の平面で見たとき、実質的に方向
を変えずに注目領域５２から表面２２に向かつて
反射して戻る音波４４を検出するためのものであ
る。

第４ａ図、第４ｂ図および第４Ｃ図は、それぞ
れ、本発明が、中実物体、特に基板２６上に内側
クラツド層２４を有する大型の円筒圧力容器を試
験するとき予期される各種の傷を識別し得ること
を示すものである。

第４ａ図には、発射された音響ビーム３０が、
符号２２ａを付した円筒容器の表面下方に存在す
る縦方向の割れ５４に遭遇したときの反射が示さ
れている。この種の欠陥を検出するには、発信器
１０および第一受信器１２を円筒表面２２ａの縦
方向軸線（図示せず）に平行な線５６を規定する
ように配向する。発射音響ビーム３０は、割れ５
４に45゜の角度で遭遇しそこから走路４２に反射
される。この反射した音波４２は、受信器１４，
１６ではなく、受信器１２で検出され、欠陥部５
４の存在とその性質が縦方向の割れである点の両
方が確定される。

第４ｂ図は、円筒表面２２ａ下方の周方向割れ
５８の検出状態を示している。反射された音波４
６は、他の受信器ではなく受信器１６によつて検
出されることが図示されており、従つて欠陥部５
８の存在とその性質が周方向の割れである点の両
方がわかる。発信器１０および受信器１６は、発
信器１０と受信器１２が円筒表面２２ａの縦方向
軸線に平行な線５６を規定していることを示す第
４ａ図と同様に第４ｂ図に配向されて示されてい
る。

第４ｃ図は、表面２２ａ下方のクラツド層２４
と基板２６の間に存在する離層ケ所６０を検出す
るため、本発明のこの別な具体例を適用した例を
示すものである。音波４４は、離層ケ所６０から
上方に反射するが、この離層ケ所６０は表面２２
の平面で観察したとき発射音響ビーム３０をその
方向を変えずに反射させる表面２２ａに平行なミ
ラーとして働いている。音波４４が他の受信器で
はなく受信器１４によつて検出されることから、
傷６０の存在とその傷の性質が離層ケ所である点
の両方がわかる。離層ケ所のこの種の傷は、原子
炉圧力容器では比較的稀れなものであるので、第
４ｃ図に示す実施例は、ここで、好ましい具体例
と言うよりはむしろ、別な具体例と称したわけで
ある。

本発明の装置は表面２２の面から見て規定して
きたけれども、これには原子炉圧力容器等の円筒
状内面２２ａのように実質的に平担な表面全てを
包含するものとしている点にも留意すべきであ
る。すなわち、これらの容器自体は本装置の寸法
と比較して、相当に大きいので、その内表面２２
ａは全て実施目的にかなつた平担なものとみなす
ことができる。検査すべき中実物体の表面が著し
い曲率を有しているとすれば、ここに開示したよ
うな音波の適正な発射と検出ができるように、発
信器１０および受信器１２，１４，１６の向きを
変えることが必要であろう。

発明の効果 本発明による超音波走査装置では、表面２２下
方の予じめ選定した距離４０に位置した注目領域
５２内に傷が存在しているかどうかを決定するた
めに、特定の点を一度走査する必要があるにすぎ
ない。これは、(1)傷が存在するかどうか、(2)その
傷の性質は何なのか（周方向割れそれとも離層ケ
所であるのかなど）、そして(3)その傷はクラツド
層２４と基板２６の間の界面に位置しているかど
うか等を確認するために、超音波走査装置を個別
の点各々について何回も様々な方向から走らせな
ければならない従来技術の装置を超えた相当たる
利点である。多重走査を排除したことによつて、
本発明による装置は、原子炉圧力容器に適用した
場合に時間および費用を著しく節約することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、中実部材の表面を走査している本発
明の検査装置を示す等角図である。第２図は、発
射された超音波ビームの角度関係と、受信器によ
つて受信されている反射ビームの方向とを示す説
明図である。第３図は、表面の平面内から見た、
発射された超音波音響ビームと反射した超音波音
響ビームを示す略図である。第４ａ図、第４ｂ
図、第４ｃ図は、それぞれ、表面の平面内から見
たときの、反射音響ビームの方向に対する各種の
傷の作用を示す略図である。 １０……超音波発信器、１２，１４，１６……
超音波受信器、１８……台車、２０……台車保持
手段、２２……中実部材表面、２４……クラツド
層、２６……基板、２８……導電体、３０……発
射音響ビーム走路、３２……伝導媒体、３４……
表面点、３６……焦点、３８……夾角、４０……
深さ、４２，４４，４６……反射音響ビーム走
路、５２……注目領域、５４，５８……割れ、６
０……離層ケ所。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 音波伝導媒体内に没設させた中実部材の実質
   的に平担な表面下方で予め選定した距離に位置し
   た焦点を包囲する注目領内の傷の存在を検出する
   超音波検査装置において、 前記検査装置と前記表面との間に一定の与えら
   れた間隔を維持しながら、前記検査装置を前記表
   面上で移送する台車と、 前記台車に固定され、前記媒体を通じて前記中
   実部材内へと前記注目領域に向けて超音波の音響
   放射ビームを指向する超音波発信器であつて、前
   記中実部材内を進行するビーム走路と前記平担表
   面との間におよそ20゜の夾角が形成できるように
   前記表面に対し配向されている超音波発信器と、 前記台車に固定され、前記注目領域内に傷が存
   在する結果として発生する反射超音波を受信する
   第一超音波受信器であつて、前記注目領域内に発
   生し前記平担表面とおよそ20゜の夾角をなす反射
   音波走路に沿つて前記中実部材内を進行する反射
   音波のみを受信するように前記中実部材の前記平
   担表面に対して配向されている第一超音波受信器
   と、 前記台車に固定され、前記注目領域内に傷が存
   在する結果として発生する反射超音波を受信する
   第二超音波受信器であつて、前記注目領域内に発
   生し前記平担表面とおよそ20゜の夾角をなす反射
   音波走路に沿つて前記中実部材内を進行する反射
   音波のみを受信するように前記中実部材の前記平
   担表面に対して配向されており前記第一超音波受
   信器とは異なつた位置にある第二超音波受信器
   と、から成ることを特徴とする超音波検査装置。