JPWO2007004303A1 - 超音波探傷試験における傷高さ測定法並びに装置 - Google Patents

Abstract

TOFD法の適用が困難な厚肉のステンレス鋼溶接部の傷高さ測定を、端部エコー法より簡便かつ精度良く短い検査時間で行えるようにする。しかも、検査員によるばらつきを少なくできる。被検査物２０中の傷２４に対し斜め方向から送信用探触子１によって超音波２１を入射して傷２４の端部２５において回折波を発生させると共に、傷２４の上方へ直接伝播する回折波２２と、一度裏面２７で反射した後に傷の上方に伝播する回折波２３とを傷２４の上方の受信用探触子２で受信し、それらの伝播時間差から傷２４の端部の裏面２７からの高さ位置を測定するものである。

Description

本発明は超音波探傷試験における傷高さ測定法並びに装置に関する。更に詳述すると、本発明は、厚ステンレス鋼やインコネルなどの超音波探傷に向かないとされる材料における傷の高さを測定するのに好適な超音波探傷試験における傷高さ測定法並びに装置に関する。

沸騰水型軽水炉プラントの再循環系配管における溶接部には、応力腐食割れ（Stress Corrosion Crack, SCC）が発生することが知られている。一方、既設火力発電設備の老朽化は進む傾向にあり、欧米では、経年火力発電プラントの高温蒸気配管において、 熱影響部におけるクリープボイドの発生・連結によるき裂の発生に起因した噴破事故を経験している。

この原子力プラントの配管の溶接部のような厚肉配管溶接部に対する非破壊検査には、従来から超音波探傷試験が実施されている。そして、厚肉配管溶接部に対する非破壊検査には、単に傷の有無を検出するだけでなく、傷高さを精度良く測定する必要が高まっている。そして、欠陥のサイジングには発生端と終端を検出することが不可欠である。そこで、近年では、高精度な傷高さ測定および傷の早期発見が要求されるようになり、現在、フェーズドアレイ法やTOFD（Time Of Flight Diffraction）法などの適用が考えられている。

超音波探傷試験による非破壊検査では、端部エコーを用いた傷高さ測定法が一般的である。この端部エコー法は、これまで、一般的によく用いられてきた手法である。この手法の代表例として、斜角探触子を用いた場合（斜角探傷法）を図１５に示す。従来の端部エコーを用いた傷高さ測定法は、斜角探触子（プローブ）１０１を移動させながら、傷１０２の開口端１０３からの反射波（コーナーエコーと呼ばれる）１０４が一番強い場所を求め（図１６（Ａ）参照）、次いで傷１０２の先端１０５からの反射波（端部エコーと呼ばれる。以下、特に断りがない場合には上端部を単に端部と記す）１０６が一番強い場所を求める（図１６（Ｂ）参照）。そして、これら２つのエコー１０４，１０６の到達時間ｔ_１，ｔ_２の差から傷高さｈを算出するようにしている。ここで、超音波ビームの中心軸が傷１０２の上端部１０５や開口端１０３と一致したときに、それぞれに対応するエコー１０４，１０６の高さが最大となる。尚、図１５中、符号１０７は発信波である超音波ビームであり、１０１’，１０７’は傷１０２の上端部１０５に一致したとき位置での斜角探触子と超音波ビームである。

このため、２つのエコー１０４，１０６は、同時に同じ強さで現れることはない。コーナーエコーが受信され始めた位置から探触子を移動量Ｌずつスリットに近づけていった場合の受信波形に対するシミュレーション結果を図８に示す。この図から明らかなように、探触子１０１をスリット１０２に近づけると、まずコーナーエコー１０４が最大になり、さらに近づけると端部エコー１０６が大きくなる。端部エコー１０６およびコーナーエコー１０４が最大となるときのエコー立ち上がり時間をｔ_ｔおよびｔ_ｃとすると、ビーム路程は数式１に示すように、

＜数１＞
Ｗ_ｉ＝Ｃｔ_ｉ／２，ｉ＝ｔ，ｃ
となる。ただし、Ｃは音速であり、上記の例では横波音速となる。

そこで、端部エコー１０６およびコーナーエコー１０４が得られた時のビーム路程ＷｔおよびＷｃを求め、幾何学的な関係から数式２により傷高さｈを求めることができる。

＜数２＞
ｈ＝（Ｗｃ−Ｗｔ）ｃｏｓθ
ただし、θは屈折角である。横波４５°斜角探触子により入射された超音波ビームの中心軸上に傷端部がある場合（図１５のPosition １）の超音波の波面を超音波伝播有限要素シミュレーションにより予測した一例を図７に示す。この図から横波がスリットに達した後、スリット端部から縦波および横波回折波が円弧状に広がり、探触子に戻る回折波が端部エコーとして受信される。

また、図１６に示すように傷先端１０５から見て発信波２０７とは逆向きに伝播する回折波２０６を受信するように送信用探触子２０１と受信用探触子２０２を配置し、傷の高さｈを測定するのがTOFD法である。TOFD法では、傷高さとビーム路程から、数式３によりｈを求めることができる。

＜数３＞
ｈ＝Ｔ−Ｗｔｓｉｎ（ｃｏｓ^−１（Ｗｓ／２Ｗｔ））
ただし、Ｔは被検査対象物の厚さ、Ｗｓは表面波のビーム路程である。

社団法人 日本非破壊検査協会発行「日本非破壊検査協会規格 端部エコー法によるきず高さの測定方法」 平成９年６月１日発行 社団法人 日本非破壊検査協会発行「日本非破壊検査協会規格 TOFD法によるきず高さの測定方法」 平成１３年１２月１日発行

しかしながら、TOFD法は波形が見易く検査員によるばらつきが少なく傷高さを精度良く測定できるものであるが、それは炭素鋼などに限られるものであり、結晶粒が大きい材質例えばオーステナイト系ステンレス鋼やインコネルなどに対しては、使えない問題がある。つまり、原子力プラントの一次系構造物の炉内構造物や循環配管等に主に使用されているオーステナイト系ステンレス鋼は、炭素鋼やクロム合金鋼と異なり、結晶粒が大きく非均質・弾性異方性を有するため、超音波の減衰や直進性などで端部エコーが検出し難い問題がある。更に溶接部は母材の圧延組織に比べ結晶粒が大きく、また、母材と溶接部では音速が異なる。このため、原子力プラントの運転中に発生するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接部周辺の傷特に裏面開口きずの測定では、結晶粒界や溶接部境界で反射、屈折、散乱による減衰や林状エコーが現れ、ノイズとなるエコーときず端部で発生する端部エコーとの判別が困難となることから、溶接部を通過しかつ長い路程を経て微弱な回折波を受信せざるを得ないTOFD法では適用することができない。

他方、斜角探傷法はオーステナイト系ステンレス鋼やインコネル（Special Metals Corporationの登録商標）などに対しても使えるが、一般に端部エコーはコーナーエコーよりかなり小さいため、ステンレス鋼溶接部の応力腐食割れを探傷する場合には、回折波が基材での結晶粒界散乱により減衰し、溶接部の溶け込み境界での反射に起因するエコー（ノイズ）と端部エコーは同程度の強度になる場合がある。即ち、ノイズに端部エコーが埋没し、見いだし難い問題がある。また、分岐した応力腐食割れの複数の先端や屈曲部からも端部エコーが得られる。さらに、プローブを移動させながら端部エコーのピークを探すので、本当のピークを把握し切れていないという問題を含む。このような状況で、 応力腐食割れの真の先端からの端部エコーを見出し、それに応じたｔ_ｔから精度よくビーム路程Ｗｔを求めるためには、相当の経験と技量が検査員に必要とされ、検査員によるばらつきが大きく、精度良く測定できないものである。

さらに、フェーズドアレイ探触子を用いた端部エコー法においても、溶接金属からのエコーと区別して微弱な端部エコーを識別しなければならない傷高さ測定は、端部エコーを用いた傷高さ測定法（斜角探傷法）と同じく難易度が高く、検査員の技量に負うところが大きい。

本発明は、検査員によるばらつきが少なく傷高さを精度良く測定できる超音波探傷法を提供することを目的とする。従来の端部エコー法より簡便に、かつ被検査対象物の材質による制約を受けずに、傷の検出および高さを精度よく測定する超音波探傷法を提供することを目的とする。より具体的には、TOFD法の適用が困難な厚肉のステンレス鋼溶接部の探傷を、従来の端部エコー法より簡便な手法で傷高さ測定を可能とする超音波探傷法を提供することを目的とする。さらに、本発明は検査時間の短縮が可能な超音波探傷法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明者等が種々実験・研究した結果、きず上端部あるいはきず下端部において発生する上端回折波あるいは下端回折波は、図７に示すように縦波および横波に限られず、傷の上方（探触面）へ向けてエネルギーが集中し傷の上方側へ強いエネルギーを有して伝播していること、即ち回折波の傷の上方へ直接伝播する成分と一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分が最も強いエネルギを有していることを知見するに至った。しかも、この回折波の傷の上方へ直接伝播する成分と、一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分とは、探触子の位置を変えずに同時に到達時間差をもったほぼ同じ強さのエコーとして測定できることを知見するに至った。

本発明は、かかる回折波の傷の上方へ直接伝播する成分と一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分に着目し、傷の上方に受信用探触子を配置することにより、短いビーム路程で回折波を受信するようにしている。即ち、本発明にかかる超音波探傷試験における傷高さ測定法は、被検査物中の傷に対し斜め方向から超音波パルスを入射して傷の端部において回折波を発生させると共に、傷の上方で回折波を受信するようにしている。また、本発明にかかる超音波探傷装置は、被検査物中の傷に対し斜め方向から超音波ビームを入射する送信用探触子と、傷の上方へ伝播する回折波を受信する受信用探触子と、受信用探触子が受信した傷端部で発生する回折波の傷の上方へ伝播する成分を表示する探傷器とを備えるものである。

この場合、回折波の拡散減衰や材料の金属組織による散乱減衰が少なく、強い端部エコーを受信することができる。したがって、直接傷の上方へ伝播する回折波成分しか受信されない場合には、斜角探傷によればコーナーエコーは容易に得られるため、送信に用いる探触子で得られたコーナーエコーから被検査対象物の厚さを測定し、若しくは、受信用探触子を利用して被検査対象物の厚さを測定し、更に直接傷の上方へ伝播する回折波の伝播時間ｔ_ｔ１と送受信探触子間の距離並びに入射角θとから傷先端の位置から受信探触子までの距離を求め、これらの差分から傷の高さを測定することができる。または、送信用探触子（斜角探触子）から時間ｔ_０に送信された超音波パルスが傷の端部に到達して回折波を発生させ、それが時間ｔ_１に傷の上方の受信用探触子で受信され、その後時間ｔ_２後に送信用の斜角探触子で受信されたときに、端部エコーが傷の上端から受信用探触子に到達するまでの時間ｔ_ｘは、ｔ_ｘ＝（ｔ_１−ｔ_０）−（ｔ_２−ｔ_０）／２から求められるので、音速からきず端部の高さ位置が求められる。そこで、被検査物の肉厚ときず高さ位置との差分から傷高さ即ち傷の長さを求めることができる。また、直接傷の上方へ伝播する回折波成分が２回受信される場合、すなわち内部きずのようにきず上端部ときず下端部において発生する上端回折波と下端回折波とを受信する場合には、これらの到達時間差（伝播時間差）からきず高さを求めることができる。

また、本発明にかかる超音波探傷試験における傷高さ測定法は、被検査物中の傷に対し斜め方向から超音波を入射して前記傷の端部において回折波を発生させると共に、傷の上方へ伝播する回折波と、一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する回折波とを前記傷の上方で受信し、それらの伝播時間差から前記傷の端部の高さ位置を測定するようにしている。また、本発明にかかる超音波探傷装置は、被検査物中の傷に対し斜め方向から超音波ビームを入射する送信用探触子と、傷の上方へ伝播する回折波を受信する受信用探触子と、受信用探触子が受信した傷端部で発生する回折波の傷の上方へ直接伝播する成分と一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分とを到達時間差を示すものとして同時に表示する探傷器とを備えるようにしている。

この場合、短いビーム路程で回折波を受信することで回折波の拡散減衰や材料の金属組織による散乱減衰を少なくすると共に、傷先端から傷の上方へ直接伝播する回折波（以下、単に直接波と呼ぶ）と、裏面で反射してから傷の上方へ向けて伝播する回折波（以下、単に反射波と呼ぶ）とが強いエコーとして同時に受信されてそれらの到達時間差が示される。したがって、直接波と裏面反射波との到達時間差からきず端部の高さ位置惹いてはきず高さが求められる。例えば、図５に示すように、傷直上に縦波垂直探触子を配置することで直接受信される縦波回折波Ｌ_ｔ１と裏面で反射した後に受信される縦波回折波Ｌ_ｔ２のそれぞれのビーム路程Ｗ_ｔ１およびＷ_ｔ２の差の半分が傷高さとなる。よって、Ｗ_ｔ１およびＷ_ｔ２の伝播時間ｔ_ｔ１およびｔ_ｔ２の差分からθによらず数式４により傷高さを求めることができる。

＜数４＞
ｈ＝１／２（Ｗ_ｔ２−Ｗ_ｔ１）＝Ｃ_Ｌ／２（ｔ_ｔ２−ｔ_ｔ１）
ただし、Ｃ_Ｌは縦波音速である。

したがって、きずが裏面あるいは探傷面に開口する裏面開口きずあるいは表面開口きずの場合には、きず端部高さ位置そのものが裏面あるいは探傷面からの高さを示すため、傷の高さ即ち傷の長さを直接求めることとなる。また、内部きずのように、きずの両端部が閉じられている傷の場合には、きずの上端部と下端部とでそれぞれ上端回折波と下端回折波とが生ずることから、それぞれの回折波においてきずの上方の受信用探触子に直接到達するエコーと裏面で反射して伝播するエコーとの到達時間差からそれぞれのきず端部高さ位置を求めてからきず高さを求めたり、あるいは上端回折波と下端回折波の直接受信用探触子に到達するエコー同士の到達時間差からきず高さを求めることができる。

尚、傷の上方へ直接伝播する成分と一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分との到達時間差は、戻ってくるエコーの強さには左右されないことから、斜角探触子から入射される超音波パルスは、必ずしもきずの端部にその中心軸を一致させなくとも、傷のどこかに超音波パルスの中心軸が当たるようにすれば良い。傷の中心あたりに超音波パルスの中心が当たれば、きず端部でそれぞれ回折波が発生して傷の上方へ直接伝播する成分と一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分とが得られるので、信号のピーク位置を必ずしも見いだす必要がない。

ここで、超音波ビームとしては、縦波の利用が好ましいがこれに特に限定されるものではなく、横波を用いても良い。縦波を用いる理由としては、横波より速く探触子に到達することのほかに、波長が長いため、金属組織による影響を受け難いためである。しかし、横波も受信できることから、何らかの理由で縦波が受信できない場合には、横波で補完することができる。

また、送信用探触子と受信用探触子とは、別々に移動させて測定することもできるが、好ましくは一体型にして一緒に移動させながら測定することであり、あるいは一方を固定して他方を移動させること、例えば、受信用探触子を傷の上方に固定して、送信用探触子を移動させても良いし、その逆に送信用探触子を固定して送信用探触子を移動させるにより探傷することが好ましい。いずれにしても、受信するときには、回折波のきずの上方へ直接伝播するエコーと一度裏面で反射した後に傷の上方へ伝播するエコーとが信号の強弱に関係なく必ず同じ到達時間差で同時に現れるため、傷の高さ位置あるいは傷高さそのものを簡単に見つけ出すことができる。さらに、送信用探触子と受信用探触子とを連結部材によって連結して間隔を一定に移動させる場合には、回折波の傷の上方へ直接伝播する成分と一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分とが同時に同じ強さで現れるため、傷に接近することで波が現れさらにその強度が変化していっても、到達時間が一切変わらずに現れるため、傷の端部から戻ってくる波が一番強くなる位置を正確に求めなくとも、傷の端部の位置換言すれば傷の高さを測定することができる。また、連結部材は少なくとも１つの探触子に対する取付位置が可変であり、送信用探触子と受信用探触子との間隔が調整可能とされていることが好ましい。

さらに、受信用探触子の配置位置は、裏面で反射した回折波を受信できる範囲において状況に応じて適宜選択することができ、傷の直上に配置することが好ましい。この場合には、最も短いビーム路程で傷先端から直接伝播する回折波と、裏面で反射して伝播する回折波による強いエコーを受信可能となるので、材料種別による超音波の減衰の影響を最も少なくできる。また、受信用探触子を傷の直上から離して設置する場合には、受信用探触子に楔（ウェッジ）を付けて使用することが好ましい。受信用探触子を傷直上から横にずらすと信号は弱くなるが、適正な角度のウェッジを付けると強い信号が得られる。裏面で反射した回折波を受信できる範囲において傷から離して設置しても良い。例えば、受信用探触子は傷の端部回折波の底面からの反射波を受信できる範囲で斜角探触子寄りに接近させて配置されることが好ましいこともある。この場合には、送信用探触子を溶接箇所に接近させて超音波ビームを入射させようとするにも、スペース上の制約から受信用探触子を送信用探触子に近づけて使うことを可能とできる。

さらに、本発明にかかる超音波探傷測定法並びに装置は、送信波としてステンレスなどのように結晶粒の大きな材質内でも減衰の少ない低い中心周波数を用いる一方、受信波として送信波よりも高い中心周波数を用いることが好ましい。この場合には、ステンレスなどのように結晶粒が大きい材質の場合でも、送信時における超音波の減衰が少なく、受信時にはきずの上へ直接伝播する回折波と底面で反射してからきずの上へ伝播する回折波とが分離し易い。

また、本発明にかかる超音波探傷測定装置は、送信用探触子と受信用探触子とを探傷器の送信部並びに受信部に対し任意に切り替え可能とするスイッチング回路を有し、送信用探触子で送信した後に送信用探触子と受信用探触子の双方で受信する第１のモードと、受信用探触子で送信と受信を実施する第２のモードとを選択可能としたものであることが好ましい。この場合、第１のモードにおいて何らかの理由で傷端部からの回折波のうち直接傷の上方へ伝播する成分しか受信できず、底部で反射して傷の上方へ伝播した成分・回折波を受信できない場合にも、モード２で検出した被検査物の厚さと第１のモードで検出した傷端部回折波の直接傷の上方へ伝播する成分から推定されるきず先端の位置（厚み方向）から傷高さを推定できる。

本発明にかかる超音波探傷試験における傷高さ測定方法並びに装置は、直接波と間接波との到達時間差だけできず端部の高さ位置惹いてはきず高さを算出することができ、従来の傷高さの算出において送信用探触子の屈折角を事前に求めることが不要である上に、一般的な超音波探傷器、縦波または横波斜角探触子および縦波垂直探触子を用いることが可能であり、より簡便に実施することが可能である。

また、本発明は、片側に送信用斜角探触子を、傷直上に受信用垂直探触子を配置することにより探傷が可能となるので、探傷領域を挟むように２つの探触子を対向して同時に配置するTOFD法が適用できない空間的制約がある場合においても実施可能である。

また、本発明にかかる超音波探傷試験における傷高さ測定方法並びに装置によると、最も短いビーム路程で回折波を受信するようにしているので、炭素鋼やクロム系合金鋼に比べて超音波の減衰が大きいステンレス鋼やインコネルなどの溶接部の傷の高さを簡単かつ高精度に測定可能とする。

さらに、本発明によると、回折波の傷の上方へ直接伝播する成分と一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分とが同時に現れるので、到達時間差が明確に判読できる。しかも、この直接波と反射波とでは受信エコーの信号の強さに関係なく、到達時間差が現れるので、正確に送信用超音波の中心を傷の端部に一致させなくとも、到達時間差を知ることができる。加えて、屈折角とエコーの高さとの関係がなくなるため、サイジング誤差を及ぼす因子を減らすことができる。これにより、迅速に測定できると共にサイジング精度を向上できる。

本発明にかかる超音波探傷装置の一実施例を示すブロック図である。 図１のスイッチング回路を示す図で、（Ａ）はパルスレシーバとスイッチング回路と送信受信用の各探触子との関係を示す機能ブロック図、（Ｂ）は第１のモード、（Ｃ）は第２のモードを示す。 探触子ホルダーを示す平面図である。 探触子ホルダーの側面図である。 本発明にかかる超音波探傷試験における傷高さ測定法の一例を示す原理図である。 探傷器に表示される傷の上方へ直接伝播する回折波と、一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する回折波とを示す図で、（Ａ）は裏面開口きず、（Ｂ）は内部きずの場合を示す。 超音波ビームが傷に達して回折波を生ずる状態を説明するシュミレーションの図である。 端部エコー法においてコーナーエコーが受信され始めた位置から探触子を移動量Ｌずつスリットに近づけていった場合（x=0→x=5l）の受信波形に対するシミュレーション結果を示す。 被検査対象物の一例を厚肉ステンレス管の溶接部の断面を示す図である。 受信したスリット端部から直接到達する回折波による端部エコーの最大値を示すグラフである。 受信用の垂直探触子の中心周波数による影響を検討するため、溶接金属から十分離れた位置のスリットを測定した結果であり、高さ３mmのスリットによるＬ_ｔ１およびＬ_ｔ２を異なる中心周波数の垂直探触子で受信したエコーを示す。 溶接金属近傍の高さ３mmおよび６mmのスリットによる回折波を５ＭＨｚの垂直振動子で受信したエコーを示す。 従来の端部エコー法と本発明方法により溶接金属部のスリットの高さを測定した結果を比較するグラフである。 本発明にかかる超音波探傷試験における傷高さ測定法の他の実施例を示す原理図である。 端部エコー法の代表例として、斜角探触子を用いた場合（斜角探傷法）の原理を示す説明図である。 従来の端部エコーを用いた傷高さ測定法において探傷器に表示される反射波の状態を示す説明図であり、（Ａ）は傷の開口端からの反射波であるコーナーエコーが一番強い場所を求めたときの状態、（Ｂ）は探触子を移動させて傷の先端からの端部エコーを受信した状態をそれぞれ示す。 TOFD法による測定原理を示す説明図である。

符号の説明

１ 送信用探触子（斜角探触子）
２ 受信用探触子
３ スイッチング回路
４ パルスレシーバ
５ Ａ／Ｄ変換ボード
６ 制御・データ取得用パソコン
７ 連結部材
２０ 被検査対象物
２１ 入射超音波パルス
２２ きず上方へ直接伝播する回折波
２３ 裏面で反射した後にきず上方へ直接伝播する回折波
２４ 傷
２５ きず上端部
２６ きず開口部
２７ 裏面
２８ 探傷面
２９ 溶接部
３０ 溶接のビード
Ｔ 被検査対象物の肉厚
ｈ きず高さ
Ｗ_ｔ１ きず上方へ直接伝播する回折波の路程
Ｗ_ｔ２ 裏面で反射した後にきず上方へ直接伝播する回折波の路程
ｔ_ｔ１ きず上方へ直接伝播する回折波の受信用探触子への到達時間
ｔ_ｔ２ 裏面で反射した後にきず上方へ直接伝播する回折波の受信用探触子への到達時間

以下、図面に基づいて本発明の実施の一形態を詳細に説明する。

図１から図４に本発明にかかる超音波探傷装置の一実施形態を示す。この実施形態の超音波探傷装置は、被検査物中の傷に対し斜め方向から超音波ビームを入射する送信用探触子１と、傷の上方へ伝播する回折波を受信する受信用探触子２と、超音波ビームが傷の端部に達したときに発生する回折波の傷の上方へ伝播する成分と一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分とを同時に表示して端傷面への到達時間差を示す探傷器とを備える。

本実施形態では、データ収集用並びに制御装置としてパーソナルコンピュータ６を利用し、Ａ／Ｄ変換ボード５を介して接続されたパルスレシーバ４とスイッチング回路３とを介して、送信用探触子１並びに受信用探触子２とを制御するように設けられている。送信用探触子１としては、本実施形態の場合には、斜角探触子が採用され、受信用探触子２としては垂直探触子が採用されている。これら斜角探触子１と垂直探触子２とはスイッチング回路３を介してパルスレシーバ４の送信部Ｔ並びに受信部Ｒ１，Ｒ２に対し任意に切り替え可能に接続されている。スイッチング回路３は、斜角探触子１で送信した後に斜角探触子１と垂直探触子２の双方で受信する第１のモードと、垂直探触子２で送信と受信を実施する第２のモードとを電気的に切り替え可能としたものである。

制御・データ取得用パソコン６は、中央演算処理装置と中央演算処理部の動作手順を規定するプログラムや中央演算処理部によって処理されるデータなどを記憶するメモリ、並びに取り込まれたデータを格納する記憶手段、表示手段、キーボードやマウスなどの入力手段などを備え、Ａ／Ｄ変換ボード５とパルスレシーバ４とによって、探傷器に相当する機能を構成する。勿論、探傷器を別途使用し、データ収集のみをパソコン６で行うようにしても良い。パルスレシーバ４は、制御・データ取得用パソコン６の中央演算処理部からの指令に基づいてあるいは当該パルスレシーバ４の直接制御により、送信用探触子１への送信のトリガ、並びに受信用探触子２の駆動を行う。

尚、パソコン６においては、傷の上方へ直接伝播する回折波と一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する回折波との被検査物中の伝播時間差を求めて、該伝播時間差即ち受信用探触子２への直接波と裏面反射波との到達時間差から、送信用探触子１の超音波パルスの入射角θによらず、前述の数式４により裏面２８からのきず端部２５の高さ位置即ち、この例ではきず高さが求めたり、きず上端部ときず下端部のそれぞれの裏面からの高さ位置を算出し、それらの差分から傷高さを求める演算部、更に傷の上方へ直接伝播する成分と一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分との伝播時間差からきず上端部ときず下端部のそれぞれの前記裏面からの高さ位置を算出して傷高さを求めるなどの、受信用探触子２並びに送信用探触子１で得られる回折波の到達時間情報に基づくさまざまなきず端部高さ位置あるいはきず高さを求める演算を処理できる演算部を備えるようにしても良い。この演算部は、上述の様々の演算を行うプログラムと各探触子１，２から取得されるデータを記憶する記憶手段と中央演算処理部とで構成される。

スキャン条件の設定、探傷時の走査コントロールなどは全て中央演算処理部を備える制御データにおいて行う。探傷器本体であるパルスレシーバ４と制御・データ取得用パソコン６とはＡ／Ｄ変換ボード５を介して接続されている。尚、表示装置には、図６に示すように横軸にパルス反射波が戻ってくるのにかかった時間を示し、縦軸に反射して戻った超音波の強さ（エコー高さ）を表している。

斜角探触子１と垂直探触子２とは、本実施形態の場合、図３及び図４に示すように、板状の連結部材７によって連結され、間隔を一定にして同時に移動可能に構成されている。連結部材７は少なくとも１つの探触子例えば受信用の垂直探触子２に対する取付位置が可変であり、斜角探触子１と垂直探触子２との間隔を調整可能とされている。勿論、斜角探触子１と垂直探触子２との連結関係は固定的なものとしても良い。本実施形態の場合、連結部材７は、長手方向に穿たれた長孔１１を備え、該長孔１１を利用して連結する探触子１，２の間隔を調整可能としている。即ち、連結部材７の一端を一方の探触子例えば斜角探触子１に対して締付けねじ８を介して固定する一方、長孔１１を貫通する締付けねじ９並びにストッパ１０を介して他方の探触子例えば垂直探触子２を取り付けるようにしている。斜角探触子１は両側を挟持する治具１２に対し締付けねじ８を固着し、垂直探触子２も同様に両側を挟持する治具１３に締付けねじ９を固着している。また、締付けねじ９はストッパ１０に対して固定され、ストッパ１０を連結部材７に固定することによって垂直探触子２の連結部材７に対する位置決めが行われる。ストッパ１０にはビス１４が設けられ、このビス１４を締め付けることでストッパ１０と連結部材７と一体化して受信用探触子２の位置を固定可能に構成されている。したがって、締付けねじ９を弛めることによって、長孔１１の範囲で垂直探触子２の固定位置を移動させ、斜角探触子１と垂直探触子２との間隔が調整される。

斜角探触子１と垂直探触子２とは必要に応じて接近させて用いたり、あるいは離して使用されるものである。互いに接近させて用いる場合、受信用探触子はウェッジを付けて、受信波の面外変位を増強するように構成することが好ましい。

尚、受信波は縦波であることが好ましい。この場合、横波より速く探触子に到達することのほかに、波長が長いため、金属組織による影響を受け難いためである。

また、本実施形態の超音波探傷測定装置は、送信用探触子１と受信用探触子２とを探傷器の送信部並びに受信部に対し任意に切り替え可能とするスイッチング回路３を有する。このスイッチング回路３は、送信用探触子１で送信した後に送信用探触子１と受信用探触子２の双方で受信する第１のモードと、受信用探触子２で送信と受信を実施する第２のモードとを選択可能としたものであることが好ましい。第１のモードでは、エコーが複数出現するために斜角探触子１の受信信号で得られるエコーと垂直探触子２の信号のエコーの時間を比較することにより、より正確に必要なエコーを認識することができる。例えば、きずの端部で発生した回折波は、真っ直ぐにきずの上へ伝播する成分に比べて送信用探触子１に向けて斜めに戻る成分の方が路程が長いので、斜角探触子１で反射エコーが受信される直前に垂直探触子２で受信された反射エコーを探すことによって、真っ直ぐにきずの上へ伝播する成分をより正確にかつ容易に求めることができる。また、第２のモードでは、容易に被検査対象物２０の厚さＴを測定できるので、例えば第１のモードの測定において何らかの理由で傷端部２５からの回折波のうち傷２４の上方へ直接伝播する成分２２しか受信できず、底面２７で反射して傷２４の上方へ伝播した回折波２３を受信できない場合にも、第２のモードで検出した被検査対象物２０の厚さＴと第１のモードで検出した傷２４の上方へ直接伝播する回折波２２から推定されるきず先端２５の傷高さ位置を推定できる。

例えば、第１のモードにおいて、何らかの事情により、受信用探触子２において傷の上方へ直接伝播する回折波２２しか受信できない場合には、斜角探傷によればコーナーエコーは容易に得られるため、送信に用いる探触子１で得られたコーナーエコーから被検査対象物２０の厚さＴを測定し、若しくは、受信用探触子２を利用して被検査対象物２０の厚さＴを測定し、更に傷の上方へ直接伝播する回折波２２の伝播時間ｔ_ｔ１と送受信探触子間の距離並びに入射角θとからきず先端２５の位置から受信探触子２までの距離を求め、これらの差分から傷２４の高さを測定することができる。または、送信用探触子（斜角探触子）１から時間ｔ_０に送信された超音波パルスが傷２４に到達して回折波を発生させ、それが時間ｔ_１に傷の上方の受信用探触子２で受信され、その後時間ｔ_２後に送信用の斜角探触子１で受信されたときに、端部エコーが傷の上端から受信用探触子に到達するまでの時間ｔ_ｘは、ｔ_ｘ＝（ｔ_１−ｔ_０）−（ｔ_２−ｔ_０）／２から求められるので、音速からきず端部の高さ位置が求められる。そこで、被検査物の肉厚ときず高さ位置との差分から傷高さ即ち傷の長さを求めることができる。

次ぎに、上述の装置を用いて本発明の超音波探傷試験における傷高さ測定法を説明する。このきず高さ測定法は、きずの発生の仕方並びに材質に関係なく傷の端部の位置、さらには傷の高さを求めることができる。ところで、原子力プラントなどにおいて実施される超音波探傷試験による傷高さ測定は、主に裏面開口きずを対象としたものである。これは、運転中に発生するきずのほとんどが内面からの開口きず（裏面開口きず）であり、溶接中などに発生する内部きずはあまり問題となることがないからである。運転中に発生する裏面開口きずは、その条件下において益々発展し、破断などの原因として大きな問題となる。これに対し、溶接時などに発生する内部きずなどは、多くの場合それ以上きずは進展せず問題となることが少ないし、問題となる場合には別の兆候として把握されたり、きずの種類と発生箇所は多くの場合には予め予測されることが現在は一般的である。

そこで、裏面開口きずを例に挙げて本発明の超音波探傷試験における傷高さ測定法を図５に基づいて説明する。

まず、多くの場合、原子力プラントの溶接部の検査時には二次クリーピング波による事前検査が行われる。二次クリーピング波は、通常の斜角探触子とは発信する超音波ビームの射角（約４５°）が異なるもので、射角を大きくすることで底面で反射したときに底面に沿って伝播する縦波である。この二次クリーピング波を用いることで、きずが溶接部の手前側か向こう側のいずれ側に存在するのか、さらには管の周方向のどの位置にあるかが事前情報として明らかになっていることが多い。そこで、この二次クリーピング波による事前検査で得られたきずの位置から、超音波探傷装置の送信用探触子１並びに受信用探触子２の配置位置を定める。勿論、二次クリーピング波を使ってきず高さをおおまかに求めことも可能であるので、存在する傷が内部きずか裏面開口きずかの判断を予め行って測定を開始することも可能である。

ここで、送信用探触子１と受信用探触子２との探傷面２８上への配置は、図５に示すように、被検査物２０中の傷２４に対し斜め方向から超音波を入射して傷２０の端部２５において回折波を発生させると共に、傷２４の上方へ伝播する回折波２２と、一度裏面２７で反射した後に傷２４の上方に伝播する回折波２３とを傷２４の上方で受信するように設定されている。ここで、受信用探触子２としては、垂直探触子が採用され、傷２４の上方、好ましくは直上の探傷面２８に固定されている。他方、送信用探触子１としては、斜角探触子が採用され、傷から離れた位置から傷へ向けて決められた手順の動きによって走査される。このとき、傷２４の上方へ直接伝播する回折波２２と一度裏面２７で反射した後に傷２４の上方に伝播する回折波２３との到達時間差（ｔ_ｔ２−ｔ_ｔ１）は、戻ってくるエコーの強さには左右されないことから、斜角探触子から入射される超音波パルスは、必ずしもきずの端部にその中心軸を一致させなくとも、傷のどこかに超音波パルスの中心軸が当たるようにすれば良い。傷の中心あたりに超音波パルスの中心が当たれば、きず端部でそれぞれ回折波が発生して傷の上方へ直接伝播する成分と一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分とが得られるので、信号のピーク位置を必ずしも見いだす必要がない。

送信用探触子１から送信された超音波パルスが傷（スリットで代用）に到達したとき、図７に示すように、回折波が傷の端部で発生する。そして、傷の上方へ直接伝播する回折波と一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する回折波とが強いエネルギをもって受信される。このとき、探傷器の表示装置には、図６に示すように、短いビーム路程で回折波を受信することで回折波の拡散減衰や材料の金属組織による散乱減衰が少ない強い信号のまま（強いエコー）、傷先端から傷の上方へ直接伝播する回折波と、裏面で反射してから傷の上方へ向けて伝播する回折波とが同時にそれらの到達時間差をもって示される。

この状態を模式する図５に示すように、きずの端部で発生した回折波のうち、裏面２７で反射した後に傷の上方に伝播する回折波２３の路程Ｗ_ｔ２は、傷の上方に直接伝播する回折波２２の路程Ｗ_ｔ１に傷２４の高さｈの２倍分の路程（往復分）を含むものであることから、回折波２２の路程Ｗ_ｔ１と回折波２３の路程Ｗ_ｔ２との差分が傷高さｈを示すものである。そして、路程の差分は縦波あるいは横波の音速から伝播時間の差として求まる。そこで、直接波と裏面反射波との到達時間差だけから、送信用探触子１の超音波パルスの入射角θによらず、前述の数式４により裏面２８からのきず端部２５の高さ位置、この例ではきず高さが求められる。

また、図６の（Ｂ）に示す内部きずのように、きずの両端部が閉じられている傷の場合には、きずの上端部と下端部とでそれぞれ上端回折波と下端回折波とが生ずることから、それぞれの回折波においてきずの上方の受信用探触子に直接到達するエコーと裏面で反射して伝播するエコーとの到達時間差から上下のきず端部高さ位置をそれぞれ求めてその差分からきず高さを求めることができる。また、上端回折波と下端回折波の受信用探触子２に直接伝播するエコー同士の到達時間差からきず高さを求めることもできる。この場合、到達時間差に音速を乗算するだけで、きず高さが求められる。

ここで、受信波としては縦波の利用が好ましいがこれに特に限定されるものではなく、横波を用いても良い。受信用探触子２では縦波だけでなく、横波も受信され、より高精度でロバスト性にも優れていることが実験で確認された。したがって、検出位置によっては横波が強い場合もあるので、縦波か横波のいずれか一方若しくは双方を用いることで、より検出結果の良い方を用いることでより明確な傷の検出を行うことができる。縦波を用いる理由としては、横波より速く探触子に到達することのほかに、波長が長いため、金属組織による影響を受け難いためである。しかし、横波も受信できることから、何らかの理由で縦波が受信できない場合には、横波で補完することができる。例えば、縦波Ｌと横波Ｓとの関係は以下の通りとなる。被検査対象物の肉厚Ｔ、傷高さｈ、ｖ_Ｌは縦波の音速、ｖ_Ｓは横波の音速、回折波の発生時刻ｔ_０、直接受信する縦波Ｌ_１の到達時間ｔ_Ｌ１、直接受信する横波Ｓ_１の到達時間ｔ_Ｓ１、裏面反射後に受信する縦波Ｌ_２の到達時間ｔ_Ｌ２、裏面反射後に受信する横波Ｓ_１の到達時間ｔ_Ｓ２とした場合、
ｔ_Ｌ１＝ｔ_０＋（Ｔ−ｈ）／ｖ_Ｌ
ｔ_Ｓ１＝ｔ_０＋（Ｔ−ｈ）／ｖ_Ｓ
ｔ_Ｌ２＝ｔ_０＋（Ｔ＋ｈ）／ｖ_Ｌ
ｔ_Ｓ２＝ｔ_０＋（Ｔ＋ｈ）／ｖ_Ｓ
で表される。
そして、受信される順番がＬ_１，Ｌ_２，Ｓ_１，Ｓ_２の場合には、
ｔ_０＋（Ｔ＋ｈ）／ｖ_Ｌ＜ｔ_０＋（Ｔ−ｈ）／ｖ_ｓ
→ｈ＜（（ｖ_Ｌ−ｖ_Ｓ）／（ｖ_Ｌ＋ｖ_Ｓ））・Ｔ
また、受信される順番がＬ_１，Ｓ_１，Ｌ_２，Ｓ_２の場合には、
ｔ_０＋（Ｔ＋ｈ）／ｖ_Ｌ＞ｔ_０＋（Ｔ−ｈ）／ｖ_ｓ
→ｈ＞（（ｖ_Ｌ−ｖ_Ｓ）／（ｖ_Ｌ＋ｖ_Ｓ））・Ｔ
となる。つまり、被検査対象物の肉厚Ｔときず高さｈの大小関係でＬ_２が先に到達するか、Ｓ_１が先に到達するかが変わる。そこで、傷の大きさや測定環境に応じて、適宜縦波と横波とを使い分けることによって、精度を高めることが可能となる。

また、上述の実施形態では、受信用探触子２を傷２４の上方に固定して、送信用探触子１を移動させながら、回折波２２，２３の受信状態を監視しながら走査させるようにしているが、その逆に送信用探触子を固定して受信用探触子を移動させることにより探傷することも可能である。また、場合によっては、図３及び図４に示すように、連結部材７に間隔が一定に保たれた状態の一体型の送信用探触子１と受信用探触子２とを同時に移動させて、探傷することも可能である。この場合、一体型の送信用探触子１と受信用探触子２とを移動させるだけで信号が得られるので、一方の探触子の固定位置の選定に時間をとられることがない。いずれにしても、受信するときには、図６に示すように、きずの上方へ直接伝播する回折波と一度裏面で反射した後に傷の上方へ伝播する回折波とが信号の強弱に関係なく必ず同じ到達時間差で同時に現れるため、傷の高さ位置あるいは傷高さそのものを簡単に見つけ出すことができる。しかも、送信用あるいは受信用若しくは双方の探触子が傷に接近することで、傷の上方へ直接伝播する回折波と一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する回折波とが同時に同じ強さで現れるため、検出エコーの信号強度が変化しても、到達時間は一切変わらずに現れるため、傷の端部から戻ってくる波が一番強くなる位置を正確に求めなくとも、到達時間差を読み取れる位置でその値を測定することで、傷の端部の位置換言すれば傷の高さを測定することができる。したがって、入射する超音波ビームの中心をきずの端部２５に必ずしも一致させることはなく、きずの中心あたりに超音波ビームの中心が当たることできずの両端部でそれぞれ回折波が発生する。

ここで、受信用探触子２で検出する傷先端から直接伝播する回折波と、裏面で反射して伝播する回折波とは、短いビーム路程を経由して得られるものなので材料種別などによる超音波の減衰の影響を少なくでき、強いエコーを受信可能となる。このため、受信用探触子２の配置位置は、傷の直上であることが最も好ましいものの、直上であることに限られず、裏面で反射した回折波を受信できる範囲において状況に応じて適宜選択することができる。しかも、受信用探触子を傷の直上から離して設置する場合には、受信用探触子に適正な角度の楔（ウェッジ）を付けて使用することで、面外変位を増強してから傷から離れることで弱くなりがちな信号を強い信号として受信することができる。また、受信用探触子２は傷の端部回折波の裏面２７からの反射波を受信できる範囲で斜角探触子１寄りに接近させて配置されることが好ましいこともある。例えば、送信用探触子１を溶接箇所に接近させて超音波ビームを入射させ、回折波２２，２３を溶接部を通さずに受信しようとする場合などには、スペース上の制約から受信用探触子２を送信用探触子１に近づけて使うことが必要な場合がある。この場合にも適度なウェッジを付けることで好適な受信状況を得られる。このようにウェッジを付ける場合には、ビードなどの関係で傷の直上に受信用探触子を配置できない場合など、反射波を捉えられる範囲でプローグを傷直上から若干移動させるときに好ましい。

上述の測定方法は、図１及び図２に示す装置の第１のモードにおいて実行される。しかしながら、何らかの理由で傷端部からの回折波のうち直接傷の上方へ伝播する成分しか受信できず、裏面で反射して傷の上方へ伝播した成分・回折波を受信できない場合にも、第２のモードに切り替えることで、被検査対象物２０の厚さＴを求めることによって、第１のモードで検出した傷端部回折波の直接傷の上方へ伝播する成分から推定されるきず先端の位置（厚み方向）から傷高さを推定できる。例えば、傷の上方へ直接伝播する回折波の伝播時間ｔ_ｔ１と送受信探触子間の距離並びに入射角θとから傷先端２５の位置から受信探触子２までの距離を求め、被検査対象物２０の厚さＴととの差分から傷の高さを測定することができる。または、送信用探触子へ戻る回折波の伝播時間を利用して送信用探触子１からきず端部２５までの時間を相殺してきず端部２５から受信用探触子２までの回折波伝播時間を求めて、それから求められるきず端部の高さ位置と被検査物の肉厚との差分から傷高さ即ち傷の長さを求めることができる。

また、直接傷の上方へ伝播する回折波成分が２回受信される場合、すなわち内部きずのようにきず上端部ときず下端部において発生する上端回折波と下端回折波とを受信する場合には、これらの到達時間差（伝播時間差）からきず高さを求めることができる。傷の上方へ直接伝播する回折波２２の伝播時間ｔ_ｔ１と送受信探触子間の距離並びに入射角θとからきず先端２５の位置から受信探触子２までの距離を求め、これらの差分から傷２４の高さを測定することができる。

さらに、受信波としては送信波よりも高い中心周波数を用いることが好ましい。この場合には、きずの上へ直接伝播する回折波と底面で反射して傷の上へ伝播する回折波とが分離し易い。しかし、被検査体がステンレスなどのように結晶粒が大きい材質の場合には、高い周波数帯域では減衰が大きく好ましくない。そこで、一般に送信用周波数は比較的低い中心周波数の超音波ビームが用いられるが、低い中心周波数帯域を受信波とすれば、受信時にきずの上へ直接伝播する回折波と底面で反射してからきずの上へ伝播する回折波とが接近して重なったりあるいは連続して現れるため、２つの回折波を分離し難くなり、到達時間差を求める上で好ましくない。本実施形態では、送信用としては中心周波数が比較的低周波数である超音波パルスが使用され、受信波としては送信波の中心周波数よりも高周波の中心周波数の領域を用いるようにしている。例えば、発信用としては２〜３．５ＭＨｚ程度、より好ましくは２〜２．５ＭＨｚの比較的低い中心周波数を用い、受信用としては３〜５ＭＨｚ程度、より好ましくは５ＭＨｚ前後の比較的高い中心周波数を用いることが好ましい。この場合には、図１１に示すように、ステンレスなどのように結晶粒が大きく減衰し易い材質の場合でも、送信時は低周波数のために超音波の減衰が少なく、受信時には高周波数のため直接伝播する回折波と底面で反射してから伝播する回折波とが分離し易くなる。このため、到達時間差を検査者が容易に判読できたり、あるいは波形の相似性などを利用した画像処理により電気的に到達時間差を検出する場合において検出が容易となる。尚、従来は、被検査対象物がステンレスなどのように結晶粒が大きい材質の場合には、高い周波数帯域では減衰が大きいものと考えられていたが、実際に本発明者等が実験した結果、２つの回折波を明瞭に認識できる程度に十分に強い信号が得られることを知見した。勿論、送信用と受信用とで使用する中心周波数を異ならせずに、例えば２〜５ＭＨｚの範囲で任意の周波数を選定して送信用と受信用とで同じ中心周波数を用いることも可能である。

本発明の超音波探傷試験における傷高さ測定方法を検証するために、低炭素オーステナイト系ステンレス鋼製の溶接被検査対象物に施工された傷を模擬したスリットの高さ測定を試みた。

（被検査対象物および実験方法）
被検査対象物の基材および溶接金属はSUS316Lである。溶接は層間温度が規定される原子力仕様に基づき、初層はＴIG溶接で、２層目以降はCO_２溶接で行った。結晶粒径は、同じ面積の円形に換算すると、基材では約１6０mm、溶接部では約５００mmであった。被検査対象物の厚さは４０mmであり、測定を容易にするために、溶接部の余盛と裏波を研削した。傷を模擬してスリットを入れた。スリットは図９に示す溶接金属部とそこから十分に離れた部位にそれぞれ放電加工により導入した。スリットの高さは３、６、９、１２mmである。本被検査対象物の縦波音速を測定した結果、基材で5.648m/s、溶接金属で5.383m/sであった。

実験にはパルサレシーバ（PANAMEＴRICS製MODEL5800）およびオシロスコープ（Ｔektronix製ＴDS5034B）を用いた。超音波の送信には基材での減衰を抑制し、傷先端からの強い端部エコーを得るために、集束型の縦波斜角探触子（屈折角４５度、中心周波数３.５MHz、振動子径２０mm）を用いた。受信には縦波垂直探触子（中心周波数２.２５および５MHz、振動子径２５mm）を用いた。接触媒体にはグリセリンペーストを使用した。

(測定条件)
本発明では傷の上方へ伝播する回折波が重要である。上記のシミュレーション結果から、スリットの上方においても端部エコーが受信できることが予測される。そこで、縦波斜角探触子により溶接金属から十分離れた位置の高さ３mmのスリットの端部に超音波を入射し、スリット直上の近辺で小さな垂直探触子（中心周波数が２.２５MHz、振動子径３mm）を移動させ、端部エコーを受信した。受信したスリット端部から直接到達する回折波による端部エコーの最大値を図１０に示す。この図の横軸の原点は探触子がスリット直上に位置した状態であり、入射点は-37ｍｍである。従来の端部エコー法では-37mm、TOFD法では+37mm近辺での端部エコーを利用していることになる。同図からスリット直上近辺では従来の端部エコー法やTOFD法より強い端部エコーを受信できることが明らかになった。

次に、受信用の垂直探触子の中心周波数による影響を検討するため、溶接金属から十分離れた位置のスリットを測定した。測定結果の一例として、高さ３mmのスリットによるＬ_ｔ１およびＬ_ｔ２を異なる中心周波数の垂直探触子で受信したエコーを図１１に示す。以下の垂直探触子で得られるエコーは、送信に用いた斜角探触子で最大の端部エコーが得られる位置におけるエコーである。また、一般的には超音波探傷試験のエコーは全波されている場合が多いが、エコーの位相情報も端部エコーを特定するために有益である。このため、受信された波形は全波せずに表示している。送信用探触子と異なる周波数の受信用探触子を用いたにも関わらず、この図からＬ_ｔ１およびＬ_ｔ２に対応した明瞭なエコーを観察することができた。なお、本被検査対象物中を伝播する超音波の中心周波数は２．７２Ｈｚ程度あり、５ＭＨｚはそれより高く、２.２５ＭＨｚはやや低いということになる。この図からＬ_ｔ２に対するエコーはＬ_ｔ１よりも周波数が低下しているが、両者の波形の相似性が高い。これより、この位相情報は、両者のエコーを他のエコーと区別するときに有効である。また、５ＭＨｚの受信用探触子の結果は、２.２５ＭＨｚのものと比べてＬ_ｔ１およびＬ_ｔ２を分離し易くなっている。一般に金属の結晶粒界散乱に起因する林状エコーを抑制するため、ステンレス鋼の場合には、低合金や炭素鋼の場合に比べて、低い中心周波数の探触子が用いられる。しかしながら、本発明方法では、低い中心周波数の送信用探触子を用い、高い中心周波数の受信用探触子を用いることによって、傷の２つの端部エコーに対する分離性を向上させることが期待できる。

(スリット高さ測定精度)
ステンレス鋼溶接部を本提案法により探傷する場合、溶接金属を伝播した回折波を受信しなければならない。超音波は上記溶接部のような粗大な結晶粒を有する金属を伝播する過程で高調波成分が減衰し、中心周波数が低下する。よって、受信に高い中心周波数の振動子を用いた場合、溶接部を伝播してきた回折波の検出が困難となることが予想される。溶接金属近傍の高さ３mmおよび６mmのスリットによる回折波を５ＭＨｚの垂直振動子で受信したエコーを図１２に示す。溶接金属を跨いだ測定により傷高さを測定することは困難な場合がある。しかしながら、２次クリーピング波を用いることにより、送信用探触子の位置から見て、傷が溶接金属の手前か奥かは容易に判別ができるため、以下の測定は溶接を跨がずに超音波をスリットに入射した。この図からスリットによる回折波が溶接金属を伝播しているにも関わらず、高い中心周波数の探触子を用いてもＬ_ｔ１およびＬ_ｔ２の明瞭なエコーを観測することができる。また、スリットの高さに応じて、Ｌ_ｔ１およびＬ_ｔ２の伝播時間差が変化していることが判る。ここで、低い中心周波数の送信用探触子と高い中心周波数の受信用振動子を用いることの妥当性を確認することができた。

本実施例における高さ測定の精度を評価するため、上記の送信用探触子を用い、従来の端部エコー法によりスリット高さを測定した。従来の端部エコー法と本発明方法により溶接金属部のスリットの高さを測定した結果を比較して図１３に示す。スリット高さの測定の際に、従来の端部エコー法では基材の縦波音速を用いた。これに対して本発明方法では受信する回折波は主に溶接金属を伝播することから溶接金属の縦波音速を用いた。従来の端部エコー法の平均自乗誤差は０．５６mmであったのに対し、本発明方法の平均自乗誤差は０．３４mmであった。よって、本発明方法による結果は、従来の端部エコー法と同様にスリットの高さを高精度に測定できることが明らかになった。

本実施例では、ステンレス鋼の溶接部を対象としたが、同材料より超音波の減衰が少ない一般的な構造材料である炭素鋼やクロム合金鋼などにも十分に適用可能と考えられる。

本実施例から、
（１）斜角探触子により傷先端へ超音波を入射することにより発生し、傷の上方へ伝播する回折波と、一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する回折波に着目した。傷直上に垂直探触子を配置することによって観測されるこれらの回折波の伝播時間差から、入射した超音波の屈折角によらず、簡便に傷高さを測定することが可能であることが判明した。
（２）２つの強い端部エコーを得るため、送信に集束型縦波探触子を用いることにより、識別するのに十分な強度で傷を模擬したスリットの先端からの両端部エコーを観測することができた。一方、受信に送信用探触子より高い中心周波数の垂直探触子を用いることにより、両端部エコーの分離性を向上できることが明らかになった。
（３）炭素鋼やクロム系合金鋼に比べて超音波の減衰が大きいステンレス鋼の溶接部に傷を模擬して導入されたスリットの高さ測定に適用した結果、従来の端部エコー法と同様に高精度で高さを測定できることが明らかとなり、超音波の減衰が大きいステンレス鋼の溶接部などにおける傷測定並びに傷高さ測定の有効性を確認することができた。
（４）高精度な傷高さ測定で十分な精度を確保することが困難な配管エルボなどの複雑な部位や狭隘部などにおいても、本発明を活用することによって測定精度の改善が十分期待できることが判明した。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では受信用探触子は傷の直上に配置した例を挙げて主に説明しているが、これに特に限定されるものではなく、図１４に示すように、傷の直上からずらして受信用探触子を配置するようにしても実施可能である。最も短いビーム路程で回折波を受信するという観点からは、傷直上に垂直探触子を配置することが好ましいが、裏面で反射した回折波を受信できる範囲であれば受信用探触子を傷の直上から離して設置しても受信する回折波の強度が大きく減衰することはない。そこで、受信用探触子を傷の直上に配置できない場合、例えば溶接ビードなどが残されているために受信用探触子をビードの上に配置できない、あるいは配置し難いような場合には、ビードの際まで受信用探触子をずらして配置することにより傷の上方へ伝播する回折波を受信することができる。この場合、ウェッジを付けて使用することが好ましい。ウェッジを付けることで面外変位を強くすることができるので反射エコーの強度は大きく減衰されずに強い信号を得ることができる。勿論、溶接ビードの上に受信用探触子を配置できないわけではなく、本発明者等の実験においても信号を受信できることを確認した。

また、二次クリーピング波を使ってきず高さを求めことも可能である。二次クリーピング波は、通常の斜角探触子とは発信する超音波ビームの射角（約４５°）が異なるもので、射角を大きくすることで底面で反射したときに底面に沿って伝播する縦波である。この二次クリーピング波を用いることで、きずの位置が溶接部の手前側か向こう側から簡単に判るものであるが、多くの場合原子力プラントの溶接部の検査時には事前に行われる検査である。したがって、きずが溶接部のどちら側に存在するのか、あるいは管の周方向のどの位置にあるかも事前情報として明らかになっていることが多い。そこで、この二次クリーピング波による事前検査で得られたきずの位置から、回折波の溶接部を通過しない部分を受信することができる。即ち、図１４に示すように、送信用探触子１と受信用探触子２とを接近させて溶接部２９のビード３０の際まで近づけて配置し、溶接部２９の手前側に反射してくる直接回折波２２と反射回折波２３とを受信するようにして、溶接部２９を通過する影響を少なくすることができる。

また、図１７に示すように傷先端１０５から見て発信波２０７とは逆向きに伝播する回折波２０６を受信するように送信用探触子２０１と受信用探触子２０２を配置し、傷の高さｈを測定するのがTOFD法である。TOFD法では、傷高さとビーム路程から、数式３によりｈを求めることができる。

次に、受信用の垂直探触子の中心周波数による影響を検討するため、溶接金属から十分離れた位置のスリットを測定した。測定結果の一例として、高さ３mmのスリットによるＬ_ｔ１およびＬ_ｔ２を異なる中心周波数の垂直探触子で受信したエコーを図１１に示す。以下の垂直探触子で得られるエコーは、送信に用いた斜角探触子で最大の端部エコーが得られる位置におけるエコーである。また、一般的には超音波探傷試験のエコーは全波されている場合が多いが、エコーの位相情報も端部エコーを特定するために有益である。このため、受信された波形は全波せずに表示している。送信用探触子と異なる周波数の受信用探触子を用いたにも関わらず、この図からＬ_ｔ１およびＬ_ｔ２に対応した明瞭なエコーを観察することができた。なお、本被検査対象物中を伝播する超音波の中心周波数は２．７２ＭＨｚ程度あり、５ＭＨｚはそれより高く、２.２５ＭＨｚはやや低いということになる。この図からＬ_ｔ２に対するエコーはＬ_ｔ１よりも周波数が低下しているが、両者の波形の相似性が高い。これより、この位相情報は、両者のエコーを他のエコーと区別するときに有効である。また、５ＭＨｚの受信用探触子の結果は、２.２５ＭＨｚのものと比べてＬ_ｔ１およびＬ_ｔ２を分離し易くなっている。一般に金属の結晶粒界散乱に起因する林状エコーを抑制するため、ステンレス鋼の場合には、低合金や炭素鋼の場合に比べて、低い中心周波数の探触子が用いられる。しかしながら、本発明方法では、低い中心周波数の送信用探触子を用い、高い中心周波数の受信用探触子を用いることによって、傷の２つの端部エコーに対する分離性を向上させることが期待できる。

Claims (18)

1. 被検査物中の傷に対し斜め方向から超音波パルスを入射して前記傷の端部において回折波を発生させると共に、前記傷の上方で前記回折波を受信するものである超音波探傷試験における傷高さ測定法。
2. 前記傷が内部きずの場合には、前記傷のきず上端部ときず下端部において発生する上端回折波と下端回折波のそれぞれの傷の上方へ直接伝播する成分の伝播時間差から傷高さを測定するものである超音波探傷試験における傷高さ測定法。
3. 被検査物中の傷に対し斜め方向から超音波を入射して前記傷の端部において回折波を発生させると共に、傷の上方へ伝播する回折波と、一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する回折波とを前記傷の上方で受信し、それらの伝播時間差から前記傷の端部の高さ位置を測定するものである超音波探傷試験における傷高さ測定法。
4. 前記傷が裏面開口きずあるいは表面開口きずの場合には、傷の上方へ伝播する回折波と、一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する回折波との伝播時間差から前記底面あるいは端傷面からの前記傷の高さを測定するものである請求項３記載の超音波探傷試験における傷高さ測定法。
5. 前記傷が内部きずの場合には、前記傷のきず上端部ときず下端部において発生する上端回折波と下端回折波の傷の上方へ伝播する成分と、一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分との伝播時間差からそれぞれきず上端部ときず下端部の前記裏面からの高さ位置を測定し、これら傷高さ位置の差分から前記傷高さを測定するものである請求項３記載の超音波探傷試験における傷高さ測定法。
6. 送信用探触子と受信用探触子との間隔を一定にして、前記送信用探触子と受信用探触子とを探傷面上で前記傷に向けて同時に移動させながら探傷を行うものである請求項１から５のいずれか１つに記載の超音波探傷試験における傷高さ測定法。
7. 送信用探触子と受信用探触子のいずれか一方を探傷面上で固定した状態で、他方の探触子を前記探傷面上で前記傷に向けて接近離反させるように移動させながら探傷を行うものである請求項１から５のいずれか１つに記載の超音波探傷試験における傷高さ測定法。
8. 前記受信用探触子を前記探傷面に固定し、前記送信用探触子を前記探傷面上で前記傷に向けて接近離反させるように移動させながら探傷を行うものである請求項７記載の超音波探傷試験における傷高さ測定法。
9. 前記受信用探触子は前記傷の直上の探傷面に配置されることを特徴とする請求項８記載の超音波探傷試験における傷高さ測定法。
10. 前記受信用探触子は前記傷の端部回折波の底面からの反射波を受信できる範囲で前記斜角探触子寄りに接近させて配置されるものである請求項８記載の超音波探傷試験における傷高さ測定法。
11. 前記受信用探触子はウェッジを付けているものである請求項１０記載の超音波探傷試験における傷高さ測定法。
12. 前記受信波は前記送信波の中心周波数よりも高周波の中心周波数を用いるものである請求項１から１１のいずれか１つに記載の超音波探傷試験における傷高さ測定法。
13. 前記受信波として縦波が用いられるものである請求項１から１２のいずれか１つに記載の超音波探傷試験における傷高さ測定法。
14. 被検査物中の傷に対し斜め方向から超音波ビームを入射する送信用探触子と、前記傷の上方へ伝播する回折波を受信する受信用探触子と、前記受信用探触子が受信した前記傷端部で発生する回折波の前記傷の上方へ直接伝播する成分と一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分とを到達時間差（伝播時間差）を示すものとして同時に表示する探傷器とを備える超音波探傷装置。
15. 前記送信用探触子と前記受信用探触子とは連結部材によって連結され、一定間隔を保って同時に移動するものである請求項１４記載の超音波探傷装置。
16. 前記連結部材は少なくとも１つの前記探触子に対する取付位置が可変であり、送信用探触子と受信用探触子との間隔が調整可能とされているものである請求項１５記載の超音波探傷装置。
17. 前記送信用探触子と前記受信用探触子とを探傷器の送信部並びに受信部に対し任意に切り替え可能とするスイッチング回路を有し、前記送信用探触子で送信した後に前記送信用探触子と前記受信用探触子の双方で受信する第１のモードと、前記受信用探触子で送信と受信を実施する第２のモードとを選択可能としたものである請求項１４から１６のいずれか１つに記載の超音波探傷装置。
18. 前記受信用探触子の受信波の中心周波数が前記送信用探触子の発信波の中心周波数よりも高いことを特徴とする請求項１４から１７のいずれか１つに記載の超音波探傷装置。