JPH063440B2 - 鋼管溶接部の超音波探傷方法およびその装置 - Google Patents

鋼管溶接部の超音波探傷方法およびその装置

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JPH063440B2
JPH063440B2 JP61237722A JP23772286A JPH063440B2 JP H063440 B2 JPH063440 B2 JP H063440B2 JP 61237722 A JP61237722 A JP 61237722A JP 23772286 A JP23772286 A JP 23772286A JP H063440 B2 JPH063440 B2 JP H063440B2
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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、一般ち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１１，１２，……，１Ｎで構成されるアレイ形
プローブ１は、各振動子１１，１２，……，１Ｎに夫々
付随したＮチャンネルの超音波送信器２１，２２，…
…，２Ｎ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，……，３Ｎ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，
２２，……，２Ｎ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、プログラム選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１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３１，３２，……，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，……，一点鎖線というよう
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，……，一
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，破線，一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
わかりにくくなるので、今後出てくる図は全て、第４図
(a)(b)の実線，破線，一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、その一
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１１，１２，……，１９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１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１１と１２と１３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
１と１２と１３、１２と１３と１４、……に同じ遅延時
間設定のパルス電圧を与えると、図示の如く各超音波ビ
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１１内に入っていく屈折角θｒも異なったもの
になる。図では超音波ビーム５１，５４，５７の入射角
をθｉ′，θｉ，θｉ″、同屈折角をθｒ′，θｒ，θ
ｒ″としており、θｉ′＜θｉ＜θｉ″、θｒ′＜θｒ
＜θｒ″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ａｉ（ｉ＝１，２，…
…）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Ｏ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問題点〕
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、鋼帯を左右両縁側か
ら曲げて断面Ｕ字状にし、更に曲げてＯ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わなくなってしまう。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、θｉ
が25.5°ならθｒは７０°となる。ここで入射角θｉ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図に示す方向で鋼管溶接部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１
２の上部に超音波ビームが到達しているのに対し、第７
図(b)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に
到達したかを推定し、そのビームによる探傷データを用
い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に到達する超音波ビームを
判定し、そのビームによる探傷データを用いて欠陥検査
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(b)の如きセクタ走査で超音波ビーム２
１，……，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と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（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１３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（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（オフセットビームと称す）から
何本の超音波ビーム（有効ビーム本数と称す）が目標の
鋼管溶接部１２の上部に達する超音波ビームかを演算し
（５−４）、この演算結果に一致した超音波ビームによ
る探傷データを、既に入力されている超音波ビーム３
１，……，３９による探傷データ（５−６）の中から選
択し（５−５）、これを用いて欠陥検査をする。
第１図(a)の場合では、超音波ビーム３７がパイロット
ビーム、オフセットビームは３４で、探傷データとして
選択される超音波ビームは３４，３５，３６で、有効ビ
ーム本数３となる。
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から、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、モニター用受信プロー
ブで得た情報から欠陥検査に用いる探傷データを選択す
る本発明の方法は非常に確度の高い方法であるといえ
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(a)に比べアレイ形プローブ１が＋0.
5°傾いた場合であり、この場合は超音波ビーム３８が
パイロットビーム、オフセットビームは３５、有効ビー
ム本数３となり、欠陥検査には超音波ビーム３５，３
６，３７による探傷データを用いることになる。また、
第１図(d)は第１図(a)に比べアレイ形プローブ１が−0.
5°傾いた場合であり、この場合は超音波ビーム３６が
パイロットビーム、オフセットビームは３２、有効ビー
ム本数４となり、欠陥検査には超音波ビーム３２，３
３，３４，３５による探傷データを用いることになる。
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の間にある超音波ビーム
３４，３５，３６による探傷データを用いて欠陥検査を
行う方法でもよい。
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に到達する超音波ビームを判定
し、そのビームによる探傷データを用いて欠陥検査をす
るものである。
〔実施例〕
特に真円からはずれた断面を有する外径７６cm（３０イ
ンチ）、肉厚１８mmのＵＯ鋼管の溶接部にノッチ疵とド
リルホールの人工欠陥を施したサンプルに対して、第１
図(a)に示した本発明による方法と従来法とで繰り返し
探傷を行い比較した。
アレイ形プローブは、周波数４ＭＨＺ、エレメントピッ
チ0.8mm、駆動チャンネル数１２チャンネルのものを用
い、真円の場合セクタ走査の真中のビームが偏向角０°
で屈折角６５°となるようにプローブを傾けた。
本発明による方法では、９本のビームを第１図(a)のよ
うに広範囲にセクタ走査し、モニター用受信プローブで
監視したのに対し、従来法はモニター用受信プローブを
置かず、同じアレイ形プローブで９本のビームを目標の
溶接部上部の領域だけに集中させてセクタ走査して探傷
する方法と、振動子サイズ８mm×９mmの通常斜角プロー
ブで探傷する方法の２方法を行った。
結果は、従来法は２方法とも断面が大きく真円からはず
れた場所にある欠陥を見逃すことがあったが、本発明に
よる方法では、１００％欠陥を検出することができた。
〔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に到達する
超音波ビームを判定し、そのビームによる探傷データを
用い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、検査の信頼性・再現性が大幅に向上する。
【図面の簡単な説明】
第１図(a)〜(f)は本発明の実施状態を示す模式図であ
り、第１図(g)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：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、１１：鋼管、 １２：鋼管溶接部、１３，１３′：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、２
１，２２……２９：超音波ビーム、３１，３２，……３
９：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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉本 隆夫 千葉県君津市君津１番地 新日本製鐵株式 会社君津製鐵所内 (72)発明者 玉木 清英 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 宇田川 義夫 大阪府東大阪市菱江728番地 日本クラウ トクレーマー・フェルスター株式会社大阪 事業所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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
    うちどのビームが目標の探傷領域に到達したかを推定
    し、そのビームによる探傷データを用いて鋼管溶接部の
    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. 【請求項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、前記鋼管の外径および肉厚と
    前記モニター用受信プローブの設置位置と超音波ビーム
    走査方向とに基づき前記アレイ形プローブからの超音波
    ビームのうち前記鋼管溶接部の探傷したい範囲に到達す
    るビームが前記検出手段で検出した超音波ビームを基準
    として何番目のビームから何本のビームかを幾何学的に
    演算する手段と、前記アレイ形プローブが受信した信号
    の中で前記演算手段の演算結果に一致した超音波ビーム
    による信号を探傷データとして採用する探傷データ選択
    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。
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