JPH11504110A - ガスパイプライン壁厚さ及び欠陥検出 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 天然ガスパイプライン（３０）、立ち管、及び類似構造において壁厚さを測定し且つ材質欠陥を検出する新超音波方法。その方法はパイプ壁に且つそれから探査超音波信号を送信する結合流体として天然ガス（Ｇ）の使用に頼るため仕事に固有に適する。さらにその方法はパイプ（３０）の内部からの検査動作を容易にする。実験装置が開示される。ダイプレクサ（１８）の使用により同一の変換器（１５）は探査超音波信号を発生し且つ検査するために使用されることが有意義に示される。同一の構成はオイルは結合流体であるオイルパイプラインの商業的な超音波検査に使用されるが；今までこの方法は天然ガスの低い特別の音響インピーダンスに起因して天然ガスパイプラインに使用されていない。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスパイプライン壁厚さ及び欠陥検出 発明の分野 本発明は天然ガスパイプラインの壁厚さ及び欠陥の検出に関する。その装置は パイプライン金属塊内に超音波変換器を包み、かつ大きなダイナミックレンジを 持つ電子部品を有する。 発明の背景 超音波検査は大口径オイルパイプラインの完全な状態を評価する標準的な方法 である。しかしながら、天然ガスパイプラインに適用される類似の方法は著しく 大きなチャレンジを提示する。ガスは変換器からパイプ壁へ発する探査用超音波 信号に対して結合力が不十分である。天然ガスは非常に低い固有の音響インピー ダンス（メタンに対して１バールで３００レイルズ（Ｒａｙｌｓ））を、オイル （１．５Ｍレイルズ及びこれ以上）に比較して、呈する。結果として大きな超音 波信号損失が変換器／ガス及びパイプ壁界面に起きる。この障害を回避するため に、過去の試験的な開発には液体充填ホイール、電磁音響変換器（ＥＭＡＴ）、 及び液体スラグ技術の使用がある。このような原理を採用する高速、インライン 検査システムの原型が存在し、他方、全てが広い商業的な開発を妨げる重大な動 作欠陥を呈する。 実験的な結果は天然ガスパイプラインの高速、インライン超音波検査の重要な 問題への代わりの方法の技術的な柔軟性を実証する。本発明はパイプライン欠陥 を検出し且つ壁厚さの変動を観察するために古典的なパルスエコー構成のガス結 合型超音波検査システムの動作を示唆する。実験的な結果は良い信号対雑音特徴 を実証する。そのため、本発明は天然ガスパイプライン、立ち管、及び類似構造 に対して高速、インライン超音波検査システム用の可能技術を提供する。関連従 来技術の簡単な要約は以下の通りである。 米国特許番号 3、409、897(1968)でBosselarr et al.に対するものは、パイプ ライン−主にオイルパイプラインの漏れを検出し且つ位置決めする方法を開示す る。その装置はパイプラインからの流体漏れが発生する超音波ノイズを検出する 。この装置はパイプラインの壁厚さを扱わない。 米国特許番号 3,413,653(1968)でWoodに対するものはパイプラインの漏れを検 出する方法を開示する。その装置は金属塊の上流及び下流に超音波検出器を経由 してパイプライン破れ目のノイズを検出するためにシールの幾何学を使用する。 この方法は磁気検出器を使用して溶接点を検出する。３つの検出器を使用して漏 れ、溶接点、及びバックグラウンドノイズを互いに区別することが可能である。 米国特許番号 3,439,527(1969)でRohrerに対するものは装置と同様に金属塊の シールが形成する高圧チャンバを特徴とするガス本管を試験する装置を開示する 。高圧力チャンバは地面レベルでイアフォンに接続されるマイクロフォンを有す る。イアフォンはガス本管の漏れのノイズに対して聞くために使用される。この 装置はパイプラインに使用されず、かつ壁厚さを扱わない。 米国特許番号 3,478,576(1969)でBogle に対するものは上流及び下流検出器を 有するパイプ金属塊及び受信信号を同期するための遅延手段を開示する。この方 法は漏れから発生する信号を強調し且つ非点ソースノイズを減ずる。 米国特許番号 3,592,967(1971)でHarrisに対するものは漏れが派生する超音波 信号を検出する漏れ検出器を開示する。この装置はパッシブであり、ガスパイプ ラインに向けられていず、壁厚さを扱わない。 米国特許番号 3,810,384(1974)でEvans に対するものはパイプラインの壁厚さ を超音波的に測定し、かつ金属塊を経由してパイプラインの割れを検出する装置 を開示する。この装置は適切な結合流体を含むパイプライン用である。変換器、 パイプ壁の内部を囲む炭化水素（すなわち、ガソリン、オイル、液化石油ガス、 又は水）はこのような結合流体の代表である。 米国特許番号 4,372,151(1983)でMuraviev et al．に対するものは自動欠陥位 置決め装置を開示する。その装置はパイプラインの割れが発生する圧力降下波の 先端を検出する。この装置は永久に接続されるセンサからなる。 米国特許番号 4,416,145(1983)でGoodman et al.に対するものは機械的な欠陥 （使い古したベアリング）に加えて容器に対する漏れ検出器を開示する。その装 置は２つのソースから超音波信号を検出する。一方は超音波駆動部から信号の周 波数シフトである。第２は液体が形成するバブルの破裂により生成される音から 出、容器の表面について加圧された後に印加される。 米国特許番号 4,485,668(1984)でHudoson et al.に対するものは漏れを検出す るべきパイプを経由して変換器を通過することにより加圧パイプのリークを検出 する方法を開示する。その漏れは上記の地面受信機を経由して検出される。 米国特許番号 4,552,063(1985)でVer Nooyに対するものは不十分に支持された 部分又はパイプラインの過重点を検出する方法を開示する。この方法は計器金属 塊を持つパイプラインの内部を横切り、振動信号をパイプラインの導入するため に金属塊により支持される手段によりパイプラインの壁を連続的に打ち又は振動 させ、内部壁 の打撃の結果として発生する音を聞きことによりパイプライン内部から前記信号 を受信し、且つ不支持部分又はパイプラインの荷重及び応力集中の点を示す受信 音の前選択される特性を検出するステップを備える。 米国特許番号 4,987,769(1991)でPeacock et al.に対するものは、特に内燃機 関において超音波漏れ検出を可能にする装置を開示する。超音波ソースはエンジ ンのスパークプラグ開口の取り付けに適する管状体に入れられ且つ超音波信号は エンジンシリンダに注入される。指向性超音波検出器が漏れ信号を検出するため に使用される。 米国特許番号 5,333,501(1994)でOkada et al.に対するものは音波を検出する ためにパイプラインに沿った位置に一定間隔で配置される検出器を有する異常モ ニタ装置を開示する。その装置は異常から音の到着の時間により異常の位置決め を行う。 米国特許番号 3,850,028(1974)でThompson et al．に対するものは、永久磁石 の磁界に位置する交流電流導体を有する超音波電磁変換器を開示し、前記導体は 試験物体の表面に並列にある蛇行経路を規定して永久磁石の磁界に対して横切る 方向に流れる試験物体の渦電流を誘起する。２つのこのような変換器が設けられ 、送信機−受 信機対として採用され、Rayleigh，Lamb、又は変換器の物体との接触を要求する ことなく試験下で物体内の他の弾性波を発生し且つ検出する。 米国特許番号 4,104,922(1978)でAlers et al.に対するものは電磁音響変換器 を開示し、これは、導電性物質を、これが変換器に相対的に移動するにつれて、 超音波的に検査するために設けられる。コイルが磁石が形成する磁界に位置する ことによりコイルの導体は磁界に対して横切る。そのコイルは磁石の先端側の近 くに主として位置し、そこでは磁束が磁石及び物質が互いに向けて移動するにつ れて集中する。 米国特許番号 4,092,868でThompson et al．に対するものはパイプラインの内 部検査に適する電磁音響方法及び装置を開示する。完全なはめ込み、移動検査ス テーションががパイプ内部に配置される。そのステーションはパイプを介して進 みパイプ壁内でLamb波を送信し、その波の反射及び送信部分を受信し、受信波の 振幅及び位相を記録する。記録される情報は分析され、パイプの不連続の位置及 び性質を決定する。この方法は金属パイプについて使用されなければならない。 Proceeding of the 12th World Conference on Non-Destructive Testing（19 89）by Boogaard et al.，"Evaluation of The Techiques Implemented In Comm ercially Available On-Stream Pipeline Inspection Tools"はパイプライン検 査手段の評価試験の結果を要約する。この論文は利用可能なパイプライン検査技 術の能力及び限界を検討する。その論文は超音波の金属塊の使用を含み、液体が センサを囲みときのみその超音波装置が機能することを述べる。付加的に、性能 はワックス、水又はガスを含む原油では相当に劣化する。この文献は1989の技術 の状態を要約する。 "Gas Coupled Ultrasonics For The Inspection Of Pipes In Natural Gas De livery System"，(1991)すなわちthe Gas Reserch Institute に対する提案はレ ーザ結合型変換器を使用し実際として信号を検出するために使用されるガス結合 型変換器について超音波を生成することを記載する。しかしながら、その提案は 同一のガス結合型変換器を使用して信号を生成し受信することが可能でないとい うことを結論とした。 "Gas-coupled Acoustic Microscopy In The Pulse-Echo Mode"，(1993)，C.M ．Fortunko et al.はパルスエコーモードで動作するガ ス結合型走査用音響マイクロスコープの技術の実行可能性を実証する。高圧力窒 素又はアルゴン環境がこのマイクロスコープに使用される。この実施例において は、コインがポリメチルメタクリル（ＰＭＭＡ）のカプセルに入れられ実験材料 として使用された。現在、０．２５ｍｍサブ表面横分解能はＰＭＭＡで３ＭＨｚ に到達可能でありかつさらにもっと良い性能が高周波数で可能である。 "Assessment of Technology for Detection of Stress Corrosion Cracking i n Gas Pipelines"(1994)はThe Gas Research Institute に対して準備され、非 破壊評価技術の評価であり、この技術は天然ガスパイプラインにおける応力腐食 割れのインライン検出に適用される。その評価はいかなる単一の技術もその検査 に対する産業上の目的に合うことを実証しなかったことを明らかにしたが、超音 波及び電磁方法の双方はさらなる開発の候補であると理解された。また、信号識 別を改良するために使用されるデータ分析方法が評価された。比較テーブルが各 方法内の異なる技術を評価し且つ完全な参考文献目録が関連参考資料として付加 される。 発明の要約 本発明の最初の目的は天然ガスパイプラインに使用される方法を提供しパイプ の壁厚さを即的することである。 本発明の別の目的は欠陥−例えば割れ、薄い層に分かれること、スケーリング 、及び腐食−を天然ガスパイプラインで検出する方法を提供することである。 さらに本発明の別の目的は低コスト、高速回復、大きなダイナミックレンジ増 幅器の使用により上記利益を提供することである。増幅器はダイプレクサの使用 により広いダイナミックレンジを達成する。 なおさらに本発明の別の目的は天然ガスパイプライン壁の超音波探査信号を提 供することであり、これらの信号は壁（横の）に垂直でありかつ天然ガスパイプ ラインの法線（長手の）に対して４５角度にある。 本発明の他の目的は下記記載及び添付クレームから現れ、この明細書に一部を 形成する添付図面に言及がなされ、そこでは同一の参照符号は幾つかの点で対応 部分を示す。 本発明に使用される超音波成分技術はガス結合疑似エコー走査音響マイクロス コープ（Ｇ−ＳＡＭ）の技術的な実現可能性を実証するのに先に使用されたもの と類似し、このマイクロスコープは結合 ガスとしてアルゴン及び窒素を使用する。ここに出願日から１年以下に刊行され る従来の仕事は、フォーカス型変換器を持つ高圧力、ガス結合超音波システムを 使用して、表面マッピング及びスルー透過だけを示した。"Gas Coupled Acousti c Microscopy In The Pulse Echo Mode"(1993)，Fortunko et al.を参照。 フォーカス型超音波変換器を有するパルスエコーＧ−ＳＡＭに対照して、この インラインガスパイプライン検査概念は平坦な超音波変換器を使用する。これは 重要な差異である。フォーカス型超音波変換器の実証の成功は平坦な変換器が成 功するであることを意味しない。スチール板の垂直割れ及び大きな半径の殻を検 出するために本発明は板表面法線に関し小さな角度θi に変換器の円対称軸のア ライメントを行う。代表的には４．５＿の入射角度θi は窒素が結合ガスである とき表面法線について４５＿の屈折角度θr にスチール板の剪断波を発射する。 対応して、結合ガスとして天然ガスを使用して２．５＿の入射角度θi はスチー ルにおいて長手波を発生し且つ検出して４５＿の屈折角度θr で伝搬する。音は 窒素よりも天然ガスでより高速に、４６０ｍ／ｓ対３３０ｍ／ｓ伝搬するので、 入射角度は天然ガスで多少より小さくなる。壁厚さを測定するために、変換器の 対称軸は板又はパイプ壁に対して垂直に沿ってアライメントがされる。 最近まで、信号損失は、特別のインピーダンスミスマッチの結果として、ＭＨ ｚ周波数でガスの高吸収及びガス−固体境界での非常に高い信号反射損失に起因 して受け難いほど大きくなる。しかしながら、実験結果は広い帯域、充分に減衰 されるセラミック変換器、及び高ダイナミックレンジ受信機増幅器の使用がこの 効果に打ち勝つことができるということを示す。 本発明に実験的な結果は、ＭＨｚ周波数でガス結合、パルスエコー超音波シス テムを設計するとき、高超音波吸収が打ち勝つべき主障害物の範囲内にはないと いうことを示す。事実、窒素の超音波吸収は０．１ＭＰａ（１５ｐｓｉ）で２． ２５ＭＨｚで０．７２ｄＢ／ｍｍだけであり、また圧力と共に逆に減る。窒素ガ スの超音波吸収はその可変成分のため知られていない。しかしながら、メタンは 全天然ガスの主成分であり、７９から９７モルパーセントの範囲にある。純粋メ タンの超音波吸収定数は実験的にも理論的にも良く知られている。２．２５ＭＨ ｚ及び１バールで、純粋メタンの吸収係数は約０．６２ｄＢ／ｍｍである。しか しながら、実際の損失は他の構成成分の分子緩和効果により生じる過剰吸収のた めに相当に大きい。 図面の簡単な説明 図１は天然ガスパイプラインで移動する金属塊に取り付けられる超音波検査シ ステムの断面図の概略である。 図２は圧力容器内部の実行可能性の実証の概略である。 図３は図２のダイプレクサ及び関連エレクトロニクスのより詳細な図である。 図４は図２の実行可能性の実証で使用される２つの実例の直交図である。 図５ａは図２のパルスエコーセンサからの戻りのオシロスコープトレースであ り、センサの信号対ノイズ性能について雰囲気中の空気圧力の効果を説明する。 図５ｂは図２のパルスエコーセンサからの戻りのオシロスコープトレースであ り、圧力を増加させることにより、センサの信号対ノイズ性能についてガス接触 媒質を増大させる効果を説明する。環境は６．９ＭＰａ（１０００ｐｓｉ）の圧 力で窒素である。 図６ａは図２の裏面センサからのオシロスコープ走査である。その走査は通常 角で送信機を持つサンプル板を通過する超音波信号からなる。 図６ｂは図２の裏面センサからオシロスコープである。走査は２．５＿で送信 機をもつ板を通過する超音波信号からなり４５＿の長手波及びスチール板内部の ２３＿の剪断波を生成する。 図７は図２のパルスエコーセンサからのエコー戻りのオシロスコープトレース である。そのトレースはスチール板の前面からの反射を示しスチール板内の２つ の長手波反射を示す。 図８は図２のパルスエコーセンサからのエコー戻りのオシロスコープトレース である。そのトレースは板の前表面からの反射と板厚さの４０％であるＥＤＭノ ッチからの４５＿剪断波反射とを示す。 図９ａは図２のパルスエコーセンサからのトレースアレー走査である。その走 査は板の裏面の板厚さの２０％であるノッチを持つスチール板の実例からなる。 図９ｂは図２のパルスエコーセンサのトレースアレー走査である。その走査は 板の厚さの４０％であるノッチを持つスチール板の実例からなる。 図１０は本発明の方法を利用する計器金属塊の概略表現を含む天然ガスパイプ ラインの断面である。 本発明の開示された実施例を詳細に説明する前に、本発明は他の実施例につい て可能であるので、本発明は示された特別の配置の詳細に適用において限定され ないということが理解されるべきである。また、ここに使用される用語は記載の 目的のためであり、かつ限定のためではない。 好ましい実施例の記載 以前に電磁音響変換器がパイプラインにおいて探索用超音波信号を励起し且つ 検出するために提案された。この変換器は変換器面とパイプ壁との間に小さな分 離、代表的には１ｍｍを要求する。本発明により変換器パイプ壁分離距離は１０ ｍｍ以上に増大する。これはパイプラインの粗さ、段差、溶接ビードに対して有 利である。付加的に、電磁音響変換器はパイプ壁が金属であることを要求する。 本発明は金属、プラスチック、又はセラミックからなるパイプ壁と両立できる。 本発明は液体結合超音波検査システムで現在使用される電源供給要求及び信号処 理計画と両立できる。 図１は本発明の方法の実際の実現のための最良モードを説明する。 器械３１は検査金属塊３５上にあり、ガスの流れ方向Ｙにパイプライン３０を 介して移動する。変換器Ｔ１、２からの超音波検査信号３４はパイプライン３０ の厚さｄ１及びパイプライン３０にある任意の欠陥（図示しない）を測定する。 内部の一定間隔を維持し検査金属塊３５をパイプライン３０に沿って推進させる ために、検査金属塊３５にはシール３２及び３３が設けられる。 実現可能性の実証 図２は高圧力ガスで超音波伝搬現象を研究するためにＮＩＳＴで開発された実 験的な装置のブロック図を示す。多種の検査超音波非破壊試験（ＮＤＴ）概念の 評価は開示される。その装置は、直径３０５ｍｍ（１２ｉｎ）、長さ６１０ｍｍ （２４ｉｎ）の円筒圧力容器１０を使用する。圧力容器１０は１０Ｍｐａ（１５ ００ｐｓｉ）までの圧力で多種のガスを収容することができかつサンプル及び変 換器移動制御、信号操作、圧力及び温度モニタ用の適切なフィードスルーを有す る。容器１０内には、多数の自由度を持つ並進運動段１４は変換器１５及びサン プル１６の双方を操作する。４つの位置 調整モータは並進運動段１４に位置しサンプルのＺ座標、パルスエコー変換器１ ５のＸ，Ｙ，及びθi 座標を操作する。Ｘ座標（図示内）は図面の平面の中に入 る。座標θi は変換器対称軸と板表面法線間の矢の平面の角度である。 変換器及びエレクトロニクス 商業的なピエゾ電気−セラミック変換器１５は、直径１３ｍｍ（０．５ｉｎ） であり、探索超音波信号Ｓi ，Ｓr を発生し受信する。この実験に使用される変 換器はParametrics Ｖ３０６であった。しかしながら、他の変換器が使用されて もよい。パルスエコー変換器１５は、θi の角度で取り付けられ、超音波信号Ｓ i をガス接触媒質に送信する。超音波信号Ｓi はスチール板１６に到達するとき 角度θr で超音波信号Ｓr としてスチール板の内部で反射される。スチール板及 び大きな半径殻の垂直割れを検出するために本発明は板１６表面の法線ＮＰにつ いてセンサの入射角度θi のアライメントを行って、板１５内部の屈折角θr が ４５＿になる。壁厚さｄ２を測定するために超音波信号Ｓi は板１６の法線ＮＰ に沿ってアライメントが行われ、θi ＝θr ＝０＿となる。変換器１５は水で動 作されるとき中心周波数２．５ＭＨｚを呈する。しかしながら、ガ スにおいては中心周波数は多少低い。これはガスにおける音の周波数依存減衰に より生じる。超音波信号を発生し、検出し、且つその条件設定を行うために、下 記部品が使用される：４００Ｖで８ｋｗの利用可能なピーク出力を持つ商業的な 矩形波パルサ１７、特別の磁気ダイプレクサ回路１８及び６４ｄＢダイナミック レンジ及び６０ＭＨｚ帯域幅を持つ高入力インピーダンス受信機増幅器１９。こ の実現可能性実証の目的のためにRitec，Inc．からの商業的装置が使用された。 増幅器１９はRitec 広帯域受信機モデルＢＲ−６４０である。パルサ１７はRite c 矩形波パルサモデルＳＰ−８０１である。ダイプレクサ１８はRitec ダイプレ クサRD-Hである。本発明は上記装置に限定されないということは理解されるべき である。手動の、段階的な減衰器（図示されない）はパルサ１７の出力パルス利 用可能−パワーレベル且つ増幅器１９の受信機増幅器ゲインを制御する。４００ −ＭＳ／Ｓ、８ビットデジタル蓄積オシロスコープ（ＤＳＯ）は信号波形を記録 するために使用される。専用パーソナルコンピュータ２１は実現可能性実証を制 御する。 図３は図２のパルス１７、ダイプレクサ１８、増幅器１９及び変換器１５のよ り詳細なブロック図を示す。図３の形態は特別に有効なパルスエコー回路を形成 する。 矩形波超音波パルサ１７は大きな蓄積キャパシタＣ及び２つの半導体スイッチ Ｓ1 及びＳ2 を用いて実現される。なお、直列抵抗Ｒ L1及びＲL2が出力インピーダンスを確立するために使用される。その蓄積キャパ シタＣは高電圧入力ＨＶから抵抗ＲC 、ＲL2及び接地へのスイッチＳ2 を経由し て充電される。次にスイッチＳ2 は開成される。変換器１５を駆動させる電気パ ルスは第１にスイッチを閉成し、次にスイッチＳ2 を閉成することにより発生す る。スイッチＳ2 は次の超音波パルスまで閉成位置のままである。図３に示され る回路の特有の特徴は特別の有効なダイプレクサ１８〔送信／受信（Ｔ／Ｒ）〕 設計の使用を可能にし、且つ変換器１５のリングダウン時間を減少させるために 支援する。ダイプレクサ１８は広帯域変圧器５を使用して実現されこれは変換器 入力インピーダンスレベルを同大させる。この特徴は受信機増幅器１９回路のノ イズファクタ（ＮＦ）を最小にすることに有益である。 ダイプレクサ１８の機能により大きな超音波パルスが変換器１５を駆動させる ことを可能にする。ダイプレクサ１８の変圧器の芯は大きな信号で飽和し、かく して害から増幅器を保護する。次に、超音波パルスのエコーが変換器を経由して 戻るとき、変換器５は飽和を外れ小さなエコー信号が増幅器１９を経由して出力 ７にに戻ることを可能にする。 図３に説明される回路の形態がエネルギー使用の点で有効でないけれど、Ｓ／ Ｎ性能及び変換器／前置増幅器回復特性の点で従来の設計について重要な改良を 提供する。 図２に示されるように、平坦な板の実例１６の裏面に直接接続される、裏面変 換器２４がある。これは直径１．４ｍｍの商業的なピン変換器であり、超音波ビ ーム診断法を提供しかつアライメントの支援を行う。この種の変換器が同軸ケー ブルの全キャパシタンス（ここではほぼ３００ｐＦ）に比較して非常に小さなキ ャパシタンス（代表的には２０ｐＦ）を固有に呈するため、そのケーブルは特別 に非常に低いノイズを有し、電圧モード前置増幅器２２が取り付けられる。別の 増幅器２３及び前置増幅器２２は裏面変換器２４に従ってデジタルオシロスコー プ２０に適する信号レベルを得る。 図４は実現可能性実証において使用される２つの表面接地平坦板Ａ、Ｂを示す 。各々は１１４ｍｍ（４．５ｉｎ）長さＬ、４４ｍｍ（１．７５ｉｎ）幅Ｗ及び １３ｍｍ（０．５ｉｎ厚さＴ）である。実験において、２つの実例は図４に示さ れるように並んで配置される。２つの板は標準放電加工（ＥＤＭ）法により作ら れた薄く、表面−切欠きノッチＮを含むことを除き同一である。そのノッチ深さ は名目板厚さＴ（すなわち、２．５ｍｍ（０．１ｉｎ）及び５．１ｍｍ（０．２ ｉｎ））である。 ノッチＮは０．３ｍｍ（０．０１ｉｎ）口幅を有しかつ板Ａ＆Ｂの全幅Ｗ（す なわち４４ｍｍ（１．７５ｉｎ））を横切る。探査用超音波信号Ｓu は板法線Ｐ Ｎに関し入射角θiiで板Ａ又はＢに誘起される。板の超音波信号ＳＰは剪断波信 号に対する「Snell 法」により板法線ＰＮに関する角度θrrにある。試験結果を 達成するために超音波信号ＳＰを追跡することは図４に示される剪断範囲ＳＲに ついて走査される。 実験方法 図５、６、７、８、９の下記検討は図２の実験からのデータに関連する。この ため、下記検討は図５、６、７、８、又は９と同様に図２への参照を含む。 原理的には、図２に示される実験配置は板１６の厚さを測定するために有益で ある。板厚さｄ２測定及び薄い板に分かれることを検出することは板表面法線Ｎ Ｐに沿って伝搬する長手波信号を使用して最もよくなされる。この信号はガスの 圧縮波信号から生じ、板表 面のＮＰ法線方向に伝搬する。他方、垂直割れ検出は長手又は剪断波信号で最も 良く達成され、これらの信号は板表面法線ＮＰに関して角度θr で伝搬する。こ のような信号を発生するために、疑似エコー変換器１５の対称軸は矢の平面で回 転し長手又は剪断波信号のいずれかに対してSnell 法を満足させなければならな い。音の伝搬が水よりもガスにおいてよりおそく、３００−５００ｍ／ｓ対１５ ００ｍ／ｓで伝搬するので、超音波プローブ１５の入射角度θi は対応してより 小さい。さらに、誤アライメントの感度はガス結合システムに対してより大きい 。そのため、板表面法線ＮＰに関して適正な初期変換器アライメントを達成する ことは非常に重要になる。 実験的な作業に対してシステムを準備するために、雰囲気圧で板表面法線ＮＰ に沿って変換器１５対称軸のアライメントを代表してまず行う。ガスＧＧ圧力は 所望される作業用レベル、代表的には６．９ＭＰａ（１０００ｐｓｅ）まで増大 する。（ガスＧＧ圧力を増大させることは実験システムの信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ ）性能を大きく改善し、さらに調整を非常に容易にする。）次に我々は板１６の 超音波信号の空間特性を探査するために図２に示されるように小さいピン変換器 ２４を使用する。最後に、我々は変換器１５の対称軸 のアライメントを行い前表面反射信号のレベルを最大にする。 変換器アライメント手順 図５ａは超音波信号のオシロスコープトレースでありこれは雰囲気空気（海面 １５００ｍ以上）を用いて観察される。図２における実験の変換器１５の対称軸 は板表面法線ＮＰに沿っている。ここに、変換器１５の前表面及び板１６は約３ ４ｍｍ（１．３ｉｎ）離れている。図５ａにおいて、三角形マーカは前表面反射 信号の位置を、１８５μＳで示す。 図５ｂは結合ガスＧＧ（窒素）の圧力を約６．９ＭＰａ（１０００ｐｓｉ）ま で増大させた後図５ａに現れる同一の超音波信号である。受信機増幅器１９のゲ インは結合ガス増大圧力に対して52ｄＢだけ減少する。第１の信号５０は直接前 表面反射に対応する。第２の信号５１は変換器１５と板１６との間の第２の反射 に対応し、外見上３７０μＳにある。２つの信号はノイズから明確に出現する。 実現可能性実証の信号対ノイズ性能は増大ガス圧力で非常に急速に改良し、かつ 第２の反射は０．３ＭＰａ（４０ｐｓｉ）でさえ明確に観察可能になる。この点 で、板表面法線ＮＰについて変換器１５ 対称軸の最終的なアライメントは可能になる。 板表面法線ＮＰについてある角度で及び剪断波信号を発生するために、我々は 矢の平面でパルスエコー変換器１５の対称軸を回転する。我々はピン変換器２４ を使用して合成超音波ビームの空間及び信号ノイズ特性を学ぶ。 図６ａ及び図６ｂは図２のスチール板１６の裏側から超音波信号を探査するこ とにより見られたピクセルアレーである。その信号は８ｍｍの雰囲気空気と１３ ｍｍのスチール板１５とを経由して送信される。各々の走査領域はある側で２０ ｍｍである。その走査領域はピクセル０．５ｍｍ平方のアレーからなる。その「 ６−ｄＢ−ダウン」点はビームセンタから約５ｍｍである。 図６ａはスチール板１５を経由して板１５に対する軸法線ＮＰに向けられる超 音波信号６０を示す。 図６ｂは入射角度θi が２．５＿であるときスチール板１５の後ろで検出され る信号を示し、４５＿長手方向信号６２及び板１５内部の２３＿剪断波信号６１ を生成する。 壁厚さ決定 図７は図２の実験の代表的な結果であり、ゲージ圧力は６．９Ｍこの図におい てゲージ圧力はＰａ（１０００ｐｓｉ）であり、ガス 経路は３８ｍｍ（１．５ｉｎ）であり、板１５の厚さは１２．７ｍｍ（０．５ｉ ｎ）であり、かつ増幅器１９ゲインは６４ｄＢである。 図７はパルスエコー変換器１５からのオシロスコープトレースである。板１５ の前表面からの直接反射がａで示される。下記信号は板１５ｂ及びｃ内で多重反 射である。平坦板ｂ及びｃにおける超音波反射間の分離は約４μｓであり、１２ ．７ｍｍ（０．５ｉｎ）の名目板厚さｄ２に一致する。連続反射間の時間分離の 測定は板の厚さ及び薄い層に分かれることの存在を示す。 模擬垂直割れの検出 原理的には、双方の長手方向及び剪断波信号は欠陥検出用の疑似エコー構成に おいて有益である。水結合システムにおいて、長手方向波信号は好ましい。我々 の実験において、我々は長手方向及び剪断波欠陥信号を観察したけれど、我々は 剪断波信号が前表面反射信号から明確に分離するということを発見した。図８の オシロスコープ２０トレースはこの効果の説明である。長手方向波欠陥信号８１ は第１の観察可能な前表面反射８０の６μｓ後だけに起きる。我々は垂直割れ（ 壁厚さの４０％）の存在を検出することを可能にする ために２つの信号間の干渉の振る舞いをモニタするけれど、処理が信頼できない 。他方、剪断波反射８２は前表面反射の開始に続いて約１１μｓに到着し且つ明 確に認識できる。 図９ａ及び図９ｂは板で４５＿の屈折角θr で屈折される剪断波信号を用いた 図２のスチール板１６でのノッチ２６の走査である。ノッチ２６は２０ｍｍ走査 の中央に位置する。その走査ステップサイズは０．５ｍｍであり、窒素雰囲気の ゲージ圧力は６．８ＭＰａ（９８０ｐｓｉ）であった。変換器面及びスチール板 の前表面間の距離は３８ｍｍであった。 図９ａ及び図９ｂは図２の板の矢の平面における疑似エコー変換器１５を移動 することにより得られる２つの走査である。これらは壁厚さについて図９ａの２ ０％深さ及び図９ｂの４０％深さを持つ垂直ノッチ２６からの剪断波反射を示す 。波形平均化はディスプレイ信号の信号対ノイズ特性を改良する（８倍）。図８ 、９ａ及び９ｂのデータはガス結合、パルスエコー方法を用いる実現可能性を実 証して、欠陥２６を検出し、かつ板幾何学での壁厚さｄ２を測定する。 本発明の実際の実現 図１０はシール１３２、１３３が設けられる調査金属塊１１０又はロボット１ １０に実現される本発明のブロック図を示し、この調査金属塊１１０又がロボッ ト１１０を加圧された天然ガスパイプライン１１６又は圧力容器１１６を経由し て流れＹp 方向に推進する。パルサ１１７はダイプレクサ１１８を経由して動作 して高出力超音波パルスＰを天然ガスＧ３を経由してスチールパイプラインに発 射する。超音波パルスＰはパルスエコー変換器１１５からパイプライン法線Ｎに 対して入射角θipで発射される。入射角θipはパイプライン１１６の壁厚さｄ３ を測定するために、薄い層に分かれること又はスケーリング欠陥（図示しない） を検出するために０＿である。パイプライン１１６に対して垂直の割れ１２６及 び欠陥１２６を検出するために、超音波パルスＰの入射角度θipは、スチールパ イプライン１１６の屈折角度θrpがパイプライン法線Ｎに対して４５＿であるよ うにしてある。スチールパイプライン１１６の外径ＯＤから又はパイプライン１ １６の欠陥１２６からの反射される小さなエコーはパルスエコー変換器１１５に 戻り向けられる。そのパルスエコーからの小さな電気信号はパルスエコー変換器 １１５からダイプレクサ１１８を経由して増幅器１１９に進む。ダイプレクサ１ １８と増幅器１１９の組み合わせは極端に大きなダイナミックレンジを有する回 路を形成する。これにより増幅器１１９はパルスエコー変換器１１５へ進む大き な電気パルスＰを生き残し、飽和から回 復し、小さなエコー信号を受け、且つそれを次の段階で使用するために適切なレ ベルに増幅することができる。 上記方法によりこの方法は大きなガスバブル（すなわち丘の頂上で）を有する オイルパイプラインで使用されることが可能になる。この方法はガスに出会うと き良いデータを継続して得るであろう。 増幅器の出力は信号処理及び蓄積用の金属塊電子パッケージ１２１に進む。金 属塊電子パッケージ１２１は金属塊の移動中にパイプライン１１６を経由して金 属塊を維持するために要求される処理、蓄積及び電力を含む。 図１０に示される本発明はプラスチック、セラミック又はスチール（ステンレ ススチールを含む）パイプライン又は圧力容器１１６内のロボット１１０に使用 され得る。 本発明は好ましい実施例を参照して記載されたけれど、多数の修正及び変形が 成され、かつなお、その結果は本発明の範囲内になる。ここに開示される特別の 実施例に関するいかなる制限も意図されず又は推論されるべきでない。

【手続補正書】 【提出日】１９９６年１１月２５日 【補正内容】 【図１】 【図１０】 【図２】 【図３】 【図４】 【手続補正書】 【提出日】１９９７年９月３日 【補正内容】 (1) 明細書第９頁第１５行の「４５＿」を『４５°』に補正します。 明細書第１０頁第１４行の「４．５＿」を『４．５°』に、 第１５行の「４５＿」を『４５°』に、 第１７行の「２．５＿」を『２．５°』に、 第１８行の「４５＿」を『４５°』に補正します。 明細書第１３頁第１行及び２行の「２．５＿」を『２．５°』に、 「４５＿」を『４５°』に、 第３行の「２３＿」を『２３°』に補正します。 明細書第１６頁第１８行の「４５＿」を『４５°』に、 第２０行の「０＿」を『０°』に補正します。 明細書第２３頁第２０行の「２．５＿」を『２．５°』に、 第２１行の「４５＿」を『４５°』に、 第２２行の「２３＿」を『２３°』に補正します。 明細書第２５頁第６行の「４５＿」を『４５°』に補正します。 明細書第２６頁第１０行の「０＿」を『０°』に、 第１３及び１４行の「４５＿」を『４５０°』に補正します 。 (2) 請求の範囲を別紙の通り補正します。 請求の範囲 １．圧力容器壁厚さを測定し且つ圧力容器壁の欠陥を検出し： パルサで高出力電気パルスを発生し； ダイプレクサを経由して同時に圧力容器内に位置する超音波変換器に且つ増幅 器に高出力電気パルスを送信し； 加圧ガス接触媒質を経由して圧力容器内表面に超音波変換器からの超音波信号 を送信し； 超音波変換器、ダイプレクサ、及び増幅器を経由して圧力容器の内表面からの 戻り信号を受信し且つ変換器から内表面への距離ｄ１を計算し； 超音波変換器、ダイプレクサ、及び増幅器を経由して圧力容器の外表面からの 戻り信号を受信し； 圧力容器壁の厚さを計算し； 圧力容器壁にある欠陥を検出し； ガスパイプライン壁と金属、プラスチック及びセラミックの部品を有するガス パイプラインのグループから前記圧力容器を選択し； 増幅器及びダイプレクサの組み合わせが大きなダイナミックレンジ、高速応答 、高速回復を有する回路を形成し、 増幅器の入力電圧制限に一致する飽和閾を生成する手段を具備するダイプレク サを選択するステップを具備する方法。 ２．ガスパイプライン壁内部から多重戻り信号を処理することにより欠陥の特 徴を表すステップをさらに具備する請求項１に記載の方法。 ３．パイプラインの壁に関する法線角度に関し小さな入射角度で超音波変換器 を取り付け、これによりパイプラインの壁内部の超音波パルスの屈折角度を生成 し； パイプラインの壁内部の屈折角度で超音波パルスを使用しパイプラインの壁内 部の欠陥を検出するステップをさらに具備する請求項１に記載の方法。 ４．金属塊にパルス、ダイプレクサ、超音波変換器及び増幅器を取り付けるス テップをさらに具備する請求項１に記載の方法。 ５．圧力容器壁厚さを測定し且つ圧力容器壁の欠陥を検出し： 高出力電気パルスを発生する手段； ダイプレクサを経由して同時に圧力容器内に位置する超音波変換器に且つ増幅 器に高出力電気パルスを送信する手段； 加圧ガス接触媒質を経由して圧力容器内表面に超音波変換器からの超音波信号 を送信する手段； 超音波変換器、ダイプレクサ、及び増幅器を経由して圧力容器の内表面からの 戻り信号を受信し且つ変換器から内表面への距離ｄ１を計算する手段； 超音波変換器、ダイプレクサ、及び増幅器を経由して圧力容器の外表面からの 戻り信号を受信する手段； 圧力容器壁の厚さを計算する手段； 圧力容器壁にある欠陥を検出する手段を具備し； 前記圧力容器は金属、プラスチック及びセラミックの圧力容器のグループから 選択され； 前記圧力容器はさらにガスパイプライン壁を有するガスパイプラインをさらに 具備し； 高出力電気パルスを発生する前記手段はさらにパルサを具備し； 前記ダイプレクサは増幅器の入力電圧制限に一致する飽和閾を生成するための 手段をさらに具備する装置。 ６．増幅器は大きなダイナミックレンジ、高速応答及び高速回復をさらに具備 する請求項５に記載の装置。 ７．ガスパイプライン壁の厚さを計算する手段は電力供給、蓄積装置、及び処 理モジュールをさらに具備する請求項５に記載の装置。 ８．さらにガスパイプライン壁内部から多重戻り信号を処理することにより欠 陥を検出しその特徴を表す手段を具備する請求項５に記載の装置。 ９．パイプラインの壁に関する法線角度に関し小さな入射角度で超音波変換器 を取り付け、これによりパイプラインの壁内部の超音波パルスの屈折角度を生成 する手段； パイプラインの壁内部の屈折角度で超音波パルスを使用しパイプラインの壁内 部の欠陥を検出する手段をさらに具備する請求項５に記載の装置。 10．パルサ、ダイプレクサ、超音波変換器、増幅器、計算手段のための金属塊 収容手段をさらに具備する請求項５に記載の装置。 11．圧力容器の壁に関する法線角度に関し小さな入射角度で超音波変換器を取 り付け、これにより圧力容器の壁内部の超音波パルスの屈折角度を生成し； 圧力容器の壁内部の屈折角度で超音波パルスを使用し圧力容器の壁内部の欠陥 を検出するステップをさらに具備する請求項１に記載の装置。 12．圧力容器の壁に関する法線角度に関し小さな入射角度で超音波変換器を取 り付け、これにより圧力容器の壁内部の超音波パルスの屈折角度を生成する手段 ； 圧力容器の壁内部の屈折角度で超音波パルスを使用し圧力容器の壁内部の欠陥 を検出する手段をさらに具備する請求項８に記載の装置。 13．欠陥は圧力容器壁の外部表面に位置する請求項５に記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＫ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 フォーテュンコ，クリストファーエム. アメリカ合衆国，コロラド 80303，ボー ルダー，ウエスト ムーアヘッド サーク ル ＃１ケー 850 (72)発明者 デューブ，ウィリアム ピー. アメリカ合衆国，コロラド 80207，デン バー，ダーリア ストリート 2085 (72)発明者 シュラム，レイモンド イー. アメリカ合衆国，コロラド 80221，ソー ントン，レーン ストリート 9814 (72)発明者 マクロースキー，ジョゼフ ディー. アメリカ合衆国，コロラド 30020，ブル ームフィールド，ストーンハブン アベニ ュ 1480 (72)発明者 レンケン，マーティン シー. アメリカ合衆国，コロラド 80303，ボー ルダー，マンハッタン ドライブ ＃207 665 (72)発明者 ライト，グレン エム. アメリカ合衆国，テキサス 78240，サン アントニオ，リンク メドウズ 7308 (72)発明者 テラー，セシル エム．，ザ セカンド アメリカ合衆国，テキサス 78230，サン アントニオ，ハンターズ サークル 3503

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．圧力容器壁厚さを測定し且つ圧力容器壁の欠陥を検出し： パルサで高出力電気パルスを発生し； ダイプレクサを経由して同時に圧力容器内に位置する超音波変換器に且つ増幅 器に高出力電気パルスを送信し； 加圧ガス接触媒質を経由して圧力容器内表面に超音波変換器からの超音波信号 を送信し； 超音波変換器、ダイプレクサ、及び増幅器を経由して圧力容器の内表面からの 戻り信号を受信し且つ変換器から内表面への距離ｄ１を計算し； 超音波変換器、ダイプレクサ、及び増幅器を経由して圧力容器の外表面からの 戻り信号を受信し； 圧力容器壁の厚さを計算するステップを具備する方法。 ２．前記圧力容器は金属、プラスチック及びセラミックのグループから選択され る請求項１に記載の方法。 ３．前記圧力容器はさらにガスパイプライン壁を有するガスパイプラインを具備 する請求項２に記載の方法。 ４．増幅器及びダイプレクサの組み合わせは大きなダイナミックレンジ、高速応 答、及び高速回復を有する回路を形成する請求項３に記載の方法。 ５．ガスパイプライン内部から多重戻り信号を処理することにより欠陥の特徴を 表すステップをさらに具備する請求項３に記載の方法。 ６．パイプラインの壁に関する法線角度に関し小さな入射角度で超音波変換器を 取り付け、これによりパイプライン壁内の超音波パルスの屈折の角度を形成し； パイプライン壁内部の屈折角度で超音波パルスを使用しパイプライン壁内の欠 陥を検出するステップをさらに具備する請求項３に記載の方法。 ７．金属塊内にパルサ、ダイプレクサ、超音波変換器、及び増幅器を取り付ける ステップをさらに具備する請求項３に記載の方法。 ８．圧力容器壁厚さを測定し且つ圧力容器壁の欠陥を検出し； パルサで高出力電気パルスを発生する手段； ダイプレクサを経由して同時に圧力容器内に位置する超音波変換器に且つ増幅 器に高出力電気パルスを送信する手段； 加圧ガス接触媒質を経由して圧力容器内表面に超音波変換器からの超音波信号 を送信する手段； 超音波変換器、ダイプレクサ、及び増幅器を経由して圧力容器の内表面からの 戻り信号を受信し且つ変換器から内表面への距離ｄ１を計算する手段； 超音波変換器、ダイプレクサ、及び増幅器を経由して圧力容器の外表面からの 戻り信号を受信する手段； 圧力容器壁の厚さを計算する手段を具備する装置。 ９．前記圧力容器は金属、プラスチック及びセラミックのグループから選択され る請求項８に記載の装置。 １０．前記圧力容器はさらにガスパイプライン壁を有するガスパイプラインを具 備する請求項９に記載の装置。 １１．高出力電気パルスを発生する手段はさらにパルサを具備する請求項１０に 記載の装置。 １２．ダイプレクサはさらに増幅器の入力制限に一致される飽和閾を生成する手 段を具備する請求項１１に記載の装置。 １３．増幅器は大きなダイナミックレンジ、高速応答、及び高速回復を具備する 請求項１２に記載の装置。 １４．ガスパイプライン壁の厚さを計算する手段は電力供給、蓄積装置、及び処 理モジュールをさらに具備する請求項１０に記載の装置。 １５．さらにガスパイプライン壁内部から多重戻り信号を処理することにより欠 陥を検出しその特徴を表す手段を具備する請求項１０に記載の装置。 １６．パイプラインの壁に関する法線角度に関し小さな入射角度で 超音波変換器を取り付け、これによりパイプライン壁内の超音波パルスの屈折の 角度を形成する手段； パイプライン壁内部の屈折角度で超音波パルスを使用しパイプライン壁内の欠 陥を検出する手段をさらに具備する請求項１０に記載の装置。 １７．パルサ、ダイプレクサ、超音波変換器、増幅器、計算手段用の金属塊収容 手段をさらに具備する請求項１０に記載の装置。 １８．圧力容器の壁に関する法線角度に関し小さな入射角度で超音波変換器を取 り付け、これにより圧力容器壁内の超音波パルスの屈折の角度を形成し； パイプライン壁内部の屈折角度で超音波パルスを使用しパイプライン壁内の欠 陥を検出するステップをさらに具備する請求項２に記載の方法。 １９．圧力容器の壁に関する法線角度に関し小さな入射角度で超音波変換器を取 り付け、これにより圧力容器壁内の超音波パルスの屈折の角度を形成する手段； パイプライン壁内部の屈折角度で超音波パルスを使用しパイプラ イン壁内の欠陥を検出する手段をさらに具備する請求項９に記載の装置。