JPWO2007110900A1

JPWO2007110900A1 - 欠陥検査装置及び欠陥検査方法

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Publication number: JPWO2007110900A1
Application number: JP2008507281A
Authority: JP
Inventors: 宏明畠中; 伸和井戸; 稔田上
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2009-08-06
Anticipated expiration: 2026-03-24
Also published as: US8175820B2; EP2006676B1; EP2006676A4; US20090105967A1; JP4821848B2; EP2006676A1; WO2007110900A1; CA2647004A1; CA2647004C

Abstract

本発明は、被検査材料の内部に発生する欠陥の分布を定量的に評価することを目的とする。本発明では、この目的を達成するために、超音波探触子と、当該超音波探触子を介して、所定の伝播媒質が設けられた被検査材料の表面に超音波を入射する一方、前記被検査材料の内部に存在する欠陥によって散乱した超音波をノイズ信号として受信する超音波送受信手段と、前記ノイズ信号を、前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する時間幅で時分割し、当該時分割したノイズ信号毎に周波数スペクトルを算出する周波数スペクトル算出手段と、前記周波数スペクトルに基づいて前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する欠陥の進行度を示す値を算出する欠陥分布検出手段とを具備する。

Description

本発明は、欠陥検査装置及び欠陥検査方法に関するものである。

ボイラー管やガスタービンエンジンの動翼等、高温・高応力に曝される金属部品では、経年劣化による疲労破壊やクリープ損傷によって空孔（ボイド）やクラック等の欠陥が生じる恐れがある。また、天然ガス等を改質することによって水素を含む混合ガスを生成する改質工場の配管に使用される金属部品では、水素侵食によってボイドやクラック等の欠陥が生じる恐れがある。これら欠陥の進行度を検査し、金属部品の余寿命を正確に予測することは、当該金属部品の検査や交換等の時期を計画する上で非常に重要である。

例えば、特許第１６４６０３１号公報には、検査対象となる金属部品の表面から超音波を入射し、金属部品内部に存在する欠陥によって生じる超音波の散乱波をノイズ信号として検出することで、欠陥の進行度を定量的に検査する技術が開示されている。また、欠陥の進行度と金属部品の余寿命との間には密接な関係があるため、欠陥の進行度から金属材料の余寿命を予測することができる。

具体的には、欠陥が発生していない初期の金属部品に超音波を入射した場合に検出されるノイズ信号をＦＦＴ処理して得られる周波数スペクトルの面積値Ｓ_０と、所定の稼動時間が経過した金属部品に超音波を入射した場合に検出されるノイズ信号をＦＦＴ処理して得られる周波数スペクトルの面積値Ｓ_Ｘとの比（スペクトル面積比Ｓ_Ｘ／Ｓ_０）を欠陥の進行度として求める。

図１２（ａ）は、欠陥が発生していない初期の金属部品に超音波を入射した場合に検出されるノイズ信号の一例を示すものである。なお、この図において、符号Ｗ１は超音波の入射信号、ＷＮはノイズ信号、Ｗ２は入射された超音波が金属部品の底面（裏面）で反射し、表面にて検出された底面反射信号である。図１２（ｂ）は、このように検出されたノイズ信号ＷＮを時間幅Ｔｇに相当する時間窓で切り取り、当該切り取った信号をＦＦＴ処理して得られた周波数スペクトルである。図１３（ａ）は、所定の稼動時間が経過した金属部品に超音波を入射した場合に検出されるノイズ信号ＷＮの一例を示すものである。この図に示すように、ある程度稼動時間が経過すると、欠陥が多く発生するので、検出されるノイズ信号ＷＮも大きくなる。図１３（ｂ）は、このように検出されたノイズ信号ＷＮを、時間Ｔｇに相当する時間窓で切り取り、当該切り取った信号をＦＦＴ処理して得られる周波数スペクトルである。

つまり、図１２（ｂ）に示す周波数スペクトルの面積値Ｓ_０と、図１３（ｂ）に示す周波数スペクトルの面積値Ｓ_Ｘとの比がスペクトル面積比Ｓ_Ｘ／Ｓ_０である。一方、図１４は、事前に実験により求めておいたスペクトル面積比Ｓ_Ｘ／Ｓ_０と金属部品の寿命消費率との関係を示す特性曲線（以下、余寿命曲線という）の一例である。ここで、例えばクリープ損傷に関する余寿命曲線を想定した場合、寿命消費率とは、金属部品の稼動開始時刻から経過した時間ｔと、クリープ破断寿命ｔ_fとの比である。所定の稼動時間が経過した金属部品に対して、スペクトル面積比Ｓ_Ｘ／Ｓ_０＝１．５が得られたとすると、金属部品の寿命消費率は、上記図１４に基づいて約８５％となることがわかる。よって、余寿命はクリープ破断寿命ｔ_fの１５％であると予測される。
特許第１６４６０３１号公報

確かに、上記従来技術では、欠陥の進行度を定量的に評価でき、欠陥の進行度と金属部品の寿命消費率との関係に基づいて、金属部品の余寿命を予測することができる。しかしながら、従来では金属部品の板厚方向全体に対して欠陥の進行度を定量的に評価するものであり、板厚方向に対してどの部分に大きな欠陥が発生しているのか、つまり板厚方向に対する欠陥の分布を定量的に評価するものではなかった。

このように、金属部品の内部に発生する欠陥の分布を定量的に評価することは、欠陥の発生から金属部品の破壊に至るまでのプロセスを調査する上で非常に重要である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、被検査材料の内部に発生する欠陥の分布を定量的に評価することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、欠陥検査装置に係る第１の解決手段として、超音波探触子と、当該超音波探触子を介して、所定の伝播媒質が設けられた被検査材料の表面に超音波を入射する一方、前記被検査材料の内部に存在する欠陥によって散乱した超音波をノイズ信号として受信する超音波送受信手段と、前記ノイズ信号を、前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する時間幅で時分割し、当該時分割したノイズ信号毎に周波数スペクトルを算出する周波数スペクトル算出手段と、前記周波数スペクトルに基づいて前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する欠陥の進行度を示す値を算出する欠陥分布検出手段とを具備する、という手段を採用する。

また、本発明では、欠陥検査装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記超音波探触子を前記被検査材料の表面に沿って移動させると共に、前記被検査材料の表面における検査位置毎に、前記超音波探触子を表面に向かって下降させて当該表面に接触させる超音波探触子駆動手段をさらに備え、前記欠陥分布検出手段は、前記検査位置毎に、被検査材料の深さ方向の位置に対応する欠陥の進行度を示す値を算出し、当該欠陥の進行度を示す値の２次元分布データを生成することを特徴とする。

また、本発明では、欠陥検査装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解
決手段において、前記超音波探触子を、前記伝播媒質を介して被検査材料の表面に接触させる際に、被検査材料表面の面内方向に回転させることを特徴とする。

また、本発明では、欠陥検査装置に係る第４の解決手段として、上記第１の解
決手段において、前記超音波送受信手段は、超音波探触子を介して、被検査材料の底面で反射した超音波を底面反射信号として受信し、前記底面反射信号の強度に基づいて、超音波が前記被検査材料に正しく入射されているか否かを判定する判定手段をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明では、欠陥検査装置に係る第５の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記ノイズ信号を時分割する時間幅に応じて前記超音波の周波数を設定することを特徴とする。

また、本発明では、欠陥検査装置に係る第６の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記欠陥の進行度を示す値に基づいて前記被検査材料の破壊寿命を判定する破壊寿命判定手段をさらに備えることを特徴とする。

一方、本発明では、欠陥検査方法に係る第１の解決手段として、被検査材料の表面に所定の伝播媒質を介して超音波を入射して、前記被検査材料の内部に存在する欠陥によって散乱した超音波をノイズ信号として検出し、当該検出した前記ノイズ信号を、前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する時間幅で時分割し、当該時分割したノイズ信号毎に周波数スペクトルを算出し、当該周波数スペクトルに基づいて前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する欠陥の進行度を示す値を算出する、という手段を採用する。

また、本発明では、欠陥検査方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記被検査材料の表面における検査位置毎に超音波を入射し、前記検査位置毎に前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する欠陥の進行度を示す値を算出し、前記欠陥の進行度を示す値の２次元分布データを生成することを特徴とする。

また、本発明では、欠陥検査方法に係る第３の解決手段として、上記第１の解
決手段において、前記伝播媒質は、密度１(g/ｃｍ^３)以下、動粘度100（ｍｍ^２／ｓ）以下の油であることを特徴とする。

また、本発明では、欠陥検査方法に係る第４の解決手段として、上記第１の解
決手段において、被検査材料の底面で反射した超音波を底面反射信号として検出し、前記底面反射信号の強度に基づいて、超音波が前記被検査材料に正しく入射されているか否かを判定することを特徴とする。

また、本発明では、欠陥検査方法に係る第５の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記ノイズ信号を時分割する時間幅に応じて前記超音波の周波数を設定することを特徴とする。

また、本発明では、欠陥検査方法に係る第６の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記欠陥の進行度を示す値に基づいて前記被検査材料の破壊寿命を判定することを特徴とする。

本発明によれば、被検査材料の表面に所定の伝播媒質を介して超音波を入射して、前記被検査材料の内部に存在する欠陥によって散乱した超音波をノイズ信号として検出し、前記ノイズ信号を、前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する時間幅で時分割し、当該時分割したノイズ信号毎に周波数スペクトルを算出し、当該周波数スペクトルに基づいて前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する欠陥の進行度を示す値を算出するので、被検査材料の深さ方向の欠陥分布を定量的に評価することが可能である。

本発明の一実施形態に係る欠陥検査装置の構成ブロック図である。本発明の一実施形態に係る超音波探触子１周辺の詳細図である。本発明の一実施形態に係る超音波探触子１の接触状態を示す詳細図である。本発明の一実施形態に係る欠陥分布の検出方法を示す説明図である。本発明の一実施形態に係る欠陥検査装置によって検出した欠陥分布の模式図である。本発明の一実施形態に係る欠陥検査装置で使用する超音波の特性を示す説明図である。本発明の一実施形態に係る欠陥検査装置において、４〜８（MHz）の周波数帯域を有する超音波を使用した場合に検出した欠陥分布の模式図である。本発明の一実施形態に係る欠陥検査装置において、４〜２０（MHz）の周波数帯域を有する超音波を使用した場合に検出した欠陥分布の模式図である。本発明の一実施形態に係る欠陥検査装置において、１０〜２０（MHz）の周波数帯域を有する超音波を使用した場合に検出した欠陥分布の模式図である。本発明の一実施形態に係る欠陥検査装置において、１５〜２０（MHz）の周波数帯域を有する超音波を使用した場合に検出した欠陥分布の模式図である。各周波数帯域を有する超音波を使用した場合における、寿命消費率と散乱波強度を示すパラメータとの関係を示す特性図である。従来の欠陥検出方法を示す第１説明図である。従来の欠陥検出方法を示す第２説明図である。従来の欠陥検出方法を示す第３説明図である。

符号の説明

１…超音波探触子、２…探触子駆動部、３…超音波送受信部、４…Ａ／Ｄコン
バータ、５…周波数スペクトル算出部、６…欠陥分布検出部、７…画像処理部、８…制御部、９…記憶部、１０…表示部

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る欠陥評価装置の構成ブロック図である。なお、本欠陥評価装置は、溶接部Ｒ１及びＲ２を有する金属部品（被検査材料）Ｒの内部にクリープ損傷によって発生する欠陥の分布を定量的に評価するものである。

図１に示すように、本欠陥評価装置は、超音波探触子１、探触子駆動部２、超
音波送受信部３、Ａ／Ｄコンバータ４、周波数スペクトル算出部５、欠陥分布検
出部６、画像処理部７、制御部８、記憶部９及び表示部１０から構成されている。

超音波探触子１は、超音波送受信部３から入力される４〜２０MHzの周波数帯
域を有する超音波を、被検査材料Ｒの表面に対し、所定の接触媒質を介して入射
する一方、被検査材料Ｒの内部に存在するボイドやクラック等の欠陥によって散
乱した超音波（散乱波）、及び被検査材料Ｒの底面（裏面）によって反射した超
音波（底面反射波）を受信する。また、この超音波探触子１は、探触子駆動部２
に機械的に接続されており、当該探触子駆動部２によってＸ軸方向、つまり被検
査材料Ｒの表面に沿って移動する一方、Ｚ軸方向、つまり被検査材料Ｒの表面に
対して垂直方向に上下動する。

図２は、上記超音波探触子１の周辺の構成を詳細に示すものである。この図に
示すように、超音波探触子１は探触子ホルダ１ａによって把持され、当該探触子
ホルダ１ａは接続ネジ１ｂを介して回転自在に走査部接続治具１ｃに接続されて
いる。走査部接続治具１ｃは、探触子駆動部２のＸ、Ｚ軸方向の可動部（図示せ
ず）に接続されている。被検査材料Ｒの表面には接触媒質Ｃが予め所定の厚さで
塗布されている。この接触媒質Ｃとしては、粘度の低いものが好ましく、例えば、
密度１(g/ｃｍ^３)以下、動粘度100（ｍｍ^２／ｓ）以下の油を使用することが好ま
しい。

図１に戻って説明すると、探触子駆動部２は、制御部８の制御の下、超音波探
触子１（詳細には探触子ホルダ１ａ、接続ネジ１ｂ及び走査部接続治具１ｃを含
む）をＸ軸方向に移動させると共に、Ｚ軸方向に上下動させる。超音波送受信部
３は、制御部８の制御の下、４〜２０MHzの周波数帯域を有する超音波を生成し、
所定のタイミングで超音波探触子１に出力する一方、超音波探触子１が受信した
散乱波及び底面反射波を検出し、入射した超音波を示す入射信号Ｗ１、散乱波を
示すノイズ信号ＷＮ、底面反射波を示す底面反射信号Ｗ２をＡ／Ｄコンバータ４
に出力する。

Ａ／Ｄコンバータ４は、アナログ信号である上記入射信号Ｗ１、ノイズ信号Ｗ
Ｎ及び底面反射信号Ｗ２をデジタル信号に変換して周波数スペクトル算出部５に出力する。また、このＡ／Ｄコンバータ４は、デジタル信号化した底面反射信号Ｗ２を制御部８に出力する。周波数スペクトル算出部５は、Ａ／Ｄコンバータ４によってデジタル信号化された入射信号Ｗ１、ノイズ信号ＷＮ及び底面反射信号Ｗ２に基づいてノイズ信号ＷＮのＦＦＴ処理を行い、当該ＦＦＴ処理から得られる周波数スペクトルを示す情報を欠陥分布検出部６に出力する。なお、詳細は後述するが、この周波数スペクトル算出部５は、入射信号Ｗ１を入射してから底面反射信号Ｗ２を受信するまでの時間幅Ｔｇを、複数の時間幅Ｔｇ１〜Ｔｇｎに分割し、当該分割した各時間幅Ｔｇ１〜Ｔｇｎに相当する時間窓で切り取ったノイズ信号ＷＮ１〜ＷＮｎ毎にＦＦＴ処理を行って周波数スペクトルを算出する。

欠陥分布検出部６は、周波数スペクトル算出部５から入力される周波数スペクトルを示す情報に基づいて、各ノイズ信号ＷＮ１〜ＷＮｎ毎の周波数スペクトルの面積値（Ｓ_Ｘ１〜Ｓ_Ｘｎ）を算出し、当該面積値（Ｓ_Ｘ１〜Ｓ_Ｘｎ）と、事前に実験によって求めておいた、欠陥のない被検査材料におけるノイズ信号の周波数スペクトルの面積値Ｓ_０との比（スペクトル面積比）を欠陥の進行度を示す値として算出し、各ノイズ信号ＷＮ１〜ＷＮｎ毎のスペクトル面積比を画像処理部７に出力する。

画像処理部７は、欠陥分布検出部６から入力されるノイズ信号ＷＮ１〜ＷＮｎ毎のスペクトル面積比に基づいて、ノイズ信号ＷＮ１〜ＷＮｎに対応する（つまり分割した各時間幅Ｔｇ１〜Ｔｇｎに対応する）被検査材料Ｒの深さ方向の位置とスペクトル面積比との関係を示す画像データを生成して制御部８に出力する。なお、詳細は後述するが、超音波探触子１は探触子駆動部２によってＸ軸方向に移動するので、画像処理部７は、被検査材料Ｒの深さ方向及びＸ軸方向に関する2次元のスペクトル面積比の分布を示す画像データを生成する。

制御部８は、記憶部９に記憶されている制御プログラムに基づいて、本欠陥検査装置の全体動作を制御するものであり、探触子駆動部２による超音波探触子１のＸ軸方向への移動やＺ軸方向の上下動、超音波送受信部３による超音波の入射等を制御する一方、画像処理部７から入力される画像データを記憶部９に記憶させると共に、画像データを表示させるための表示信号を生成して表示部１０に出力する。また、詳細は後述するが、制御部８は、Ａ／Ｄコンバータ４から入力された底面反射信号Ｗ２に基づいて、カップリングチェックを行う。記憶部９は、上記制御部８で使用される制御プログラム、画像データ、その他の各種データを記憶する。表示部１０は、制御部８から入力される表示信号に基づいて、被検査材料Ｒの深さ方向及びＸ軸方向に関する2次元のスペクトル面積比の分布を示す画像を表示する。

次に、このように構成された本欠陥検査装置の欠陥検査動作について説明する。

〔カップリングチェック動作〕
まず、カップリングチェック動作について説明する。カップリングチェックと
は、超音波を入射するために、接触媒質Ｃを予め塗布した被検査材料Ｒの表面に
超音波探触子１を接触させた際、正しく超音波が入射されているか否かを判定す
る工程である。

初期状態として、超音波探触子１が図２に示すような位置にあると想定すると、制御部８は、接触媒質Ｃを介して被検査材料Ｒの表面に接触するように超音波探触子１をＺ軸方向に下げるよう探触子駆動部２を制御する。この時、超音波探触子１が被検査材料Ｒの表面に接触した後、さらにある一定の距離だけＺ軸方向に下降させる。このようにすることで、図３に示すように、探触子ホルダ１ａと走査部接続治具１ｃとの間隔を狭める方向に力が加わるため、接続ネジ１ｂが探触子ホルダ１ａごと回転することになる。これにより、超音波探触子１の接触面に接触媒質Ｃをよくなじませ、超音波探触子１と被検査材料Ｒ間の空気を除去することができ、超音波を正しく入射することができる。

なお、超音波探触子１を被検査材料Ｒの表面に接触した後にさらに下降させる距離は、超音波探触子１がおよそ９０°回転する程度に設定することが望ましい。また、超音波探触子１が被検査材料Ｒの表面に接触したことを検知するセンサや、超音波探触子１が被検査材料Ｒの表面から離れた場合には、接続ネジ１ｂや探触子ホルダ１ａが元の状態に戻るような機構を備えることが望ましい。

さらに、本実施形態では、超音波を伝播させるための接触媒質Ｃとして、密度
１(g/ｃｍ^３)以下、動粘度100（ｍｍ^２／ｓ）以下の油を使用する。一般的に、超音波を用いた非破壊検査では、接触媒質としてグリセリンペースト等の粘度の比較的高いものが使用されていた。これは、密度及び粘度の高い接触媒質ほど超音波の伝達効率が良いので、被検査材料に対する超音波の入射強度を高く維持することができ、その結果、外乱によるノイズの影響を低減することが可能であるからである。

しかしながら、上記のように密度及び粘度の高い接触媒質を使用した場合、超音波を入射する位置によって、超音波探触子１と被検査材料Ｒの表面との距離に不均一が発生しやすい。すなわち、超音波を入射する位置によって、入射強度が大きく変動してしまい、正確に欠陥を検出することが困難となる。また、本欠陥検査装置は、クリープ損傷によって発生する微細な欠陥を定量的に検出するため、超音波探触子１と被検査材料Ｒの表面との距離を極小且つ一定に保持する必要がある。従って、上記のような低密度且つ低粘度の油を使用することによって、膜厚が小さく、且つ均一な接触媒質を形成することができ、正確に欠陥を検出することができる。

上記のように、超音波探触子１を被検査材料表面に接触させると、制御部８は
超音波送受信部３を制御して、超音波探触子１を介して超音波を被検査材料Ｒの
内部に入射する。入射された超音波は、被検査材料Ｒの内部に存在する欠陥によ
って散乱され、当該散乱によって生じる散乱波が超音波探触子１にて受信される。
また、被検査材料Ｒの底面（裏面）によって反射した超音波（底面反射波）も超
音波探触子１にて受信される。

超音波送受信部３は、超音波探触子１が受信した散乱波及び底面反射波を検出
し、入射した超音波を示す入射信号Ｗ１、散乱波を示すノイズ信号ＷＮ、底面反
射波を示す底面反射信号Ｗ２をＡ／Ｄコンバータ４に出力する。図４に、上記入
射信号Ｗ１、ノイズ信号ＷＮ及び底面反射信号Ｗ２を示す。ここで、超音波が正
しく入射されていない場合、底面反射信号Ｗ２の振幅は小さくなる。よって、底
面反射信号Ｗ２の振幅が、所定の閾値より小さい場合に、正しく超音波が入射さ
れていないと判定することができる。

具体的には、Ａ／Ｄコンバータ４は、デジタル信号化した底面反射信号Ｗ２を
制御部８に出力する。制御部８は、底面反射信号Ｗ２の振幅と所定の閾値との比
較を行い、当該振幅が閾値より小さい場合に、正しく超音波が入射されていない
と判定し、その判定結果を表示部１０に表示させ、ユーザにカップリングエラー
が発生したことを報知する。そして、制御部８は、探触子駆動部２を制御して、
超音波探触子１をＸ軸方向に移動させ、再び底面反射信号Ｗ２を検出する。なお、
超音波探触子１をＸ軸方向に移動させる場合、一旦超音波探触子１を被検査材料
Ｒの表面からＺ軸方向に上昇させた後に移動させることが望ましい。

以上のように、制御部８は、底面反射信号Ｗ２の振幅と所定の閾値との比較を
行い、当該振幅が閾値以上であれば、正しく超音波が入射されていると判定し、
以下に説明する欠陥検査を開始する。

〔欠陥検査〕
カップリングチェックが終了すると（この時、超音波探触子１は接触媒質Ｃを
介して被検査材料Ｒの表面に接触している）、制御部８は、超音波送受信部３を
制御して、超音波探触子１から超音波を被検査材料Ｒの内部に入射する。超音波
送受信部３は、超音波探触子１が受信した散乱波及び底面反射波を検出し、図４
に示すような入射した超音波を示す入射信号Ｗ１、散乱波を示すノイズ信号ＷＮ、
底面反射波を示す底面反射信号Ｗ２をＡ／Ｄコンバータ４に出力する。Ａ／Ｄコ
ンバータ４は、アナログ信号である上記入射信号Ｗ１、ノイズ信号ＷＮ及び底面
反射信号Ｗ２をデジタル信号に変換して周波数スペクトル算出部５に出力する。

周波数スペクトル算出部５は、Ａ／Ｄコンバータ４によってデジタル信号化された入射信号Ｗ１、ノイズ信号ＷＮ及び底面反射信号Ｗ２に基づいてノイズ信号ＷＮのＦＦＴ処理を行い、当該ＦＦＴ処理から得られる周波数スペクトルを示す情報を欠陥分布検出部６に出力する。より具体的には、この周波数スペクトル算出部５は、入射信号Ｗ１を入射してから底面反射信号Ｗ２を受信するまでの時間幅Ｔｇ（図４参照）を、複数の時間幅Ｔｇ１〜Ｔｇｎに分割し、当該分割した各時間幅Ｔｇ１〜Ｔｇｎに相当する時間窓で切り取った各ノイズ信号ＷＮ１〜ＷＮｎ毎にＦＦＴ処理を行って周波数スペクトルを算出する。

これらの分割した各時間幅Ｔｇ１〜Ｔｇｎは、被検査材料Ｒの深さ方向の位置に対応するものである。例えば、被検査材料Ｒの深さ方向に対して１ｍｍピッチで欠陥を検出する場合、被検査材料Ｒ内部における超音波の伝播速度を5.95（ｍｍ／μｓ）と想定し（一般の鋼材料における縦波音速）、この１ｍｍという距離を時間幅に換算すると下記（１）式のようになる。
１（ｍｍ）／5.95（ｍｍ／μｓ）×２＝0.34（μｓ）・・・・（１）

つまり、各時間幅Ｔｇ１〜Ｔｇｎは、時間幅Ｔｇを0.34（μｓ）で等分したものである。このように、時間幅Ｔｇを各時間幅Ｔｇ１〜Ｔｇｎに分割し、当該各時間幅Ｔｇ１〜Ｔｇｎに相当する時間窓で切り取った各ノイズ信号ＷＮ１〜ＷＮｎ毎にＦＦＴ処理を行うことによって、被検査材料Ｒの深さ方向に対して１ｍｍピッチ毎に図１３（ｂ）に示すような周波数スペクトルを得ることができる。

欠陥分布検出部６は、周波数スペクトル算出部５から入力される周波数スペクトルを示す情報に基づいて、分割した各ノイズ信号ＷＮ１〜ＷＮｎ毎に、周波数スペクトルの面積値（Ｓ_Ｘ１〜Ｓ_Ｘｎ）を算出し、当該面積値（Ｓ_Ｘ１〜Ｓ_Ｘｎ）と、事前に実験によって求めておいた、欠陥のない被検査材料におけるノイズ信号の周波数スペクトルの面積値Ｓ_０との比（スペクトル面積比）を算出して、各ノイズ信号ＷＮ１〜ＷＮｎ毎のスペクトル面積比Ｐ１〜Ｐｎを画像処理部７に出力する。このようなスペクトル面積比は、欠陥の進行度を示す値である。

画像処理部７は、上記スペクトル面積比Ｐ１〜Ｐｎに基づいて、各ノイズ信号ＷＮ１〜ＷＮｎに対応する（つまり分割された各時間幅Ｔｇ１〜Ｔｇｎに対応する）被検査材料Ｒの深さ方向の位置とスペクトル面積比Ｐ１〜Ｐｎとの関係を示す画像データを生成する。なお、この時点において、画像データは、Ｘ軸上のある座標の検査位置における被検査材料Ｒの深さ方向の位置とスペクトル面積比Ｐ１〜Ｐｎとの関係を示すものであるので、一次元の画像データとなる。

続いて、制御部８は、探触子駆動部２を制御して、超音波探触子１をＸ軸方向（走査方向）に一定距離（例えば数ｍｍ程度）移動させてカップリングチェックを行った後、再び当該Ｘ軸座標における被検査材料Ｒの深さ方向の位置とスペクトル面積比Ｐ１〜Ｐｎとの関係を検出して画像データを生成していく。このような動作を繰り返すことにより、図５に示すような、縦軸を被検査材料Ｒの深さ方向の位置、横軸をＸ軸座標とするスペクトル面積比の分布、つまり欠陥の分布を示す画像データを得ることができる。制御部８は、上記のような画像データを表示させるための表示信号を生成して表示部１０に出力し、表示部１０は上記表示信号に基づいて、被検査材料Ｒの深さ方向及びＸ軸方向に関する2次元のスペクトル面積比の分布（欠陥の分布）を示す画像を表示する。

図５は、被検査材料Ｒの稼動開始時刻（初期状態）からクリープ破壊（寿命消費率１００％）に至るまでの欠陥の分布を示すものであり、スペクトル面積比の値が大きい（つまり欠陥の進行度が大きい）部位ほど、数値の高いパターンで示されている。ここでは、欠陥の進行度に応じて、１（進行度が低い）〜８（進行度が高い）までの数値を割り当てている。

この図５に示すように、稼動開始からある時間経過した場合の、被検査材料Ｒ内部のどの部位に、どの程度の大きさの欠陥が発生しているかを定量的に評価することが可能である。図５からは時間の経過（クリープ損傷の進行）と共に、溶接部Ｒ１及びＲ２周辺に大きな欠陥が多数生じていることがわかる。

ところで、本実施形態では、図６（ａ）に示すような振幅特性及び図６（ｂ）
に示すような周波数特性を有する超音波を使用している。図６（ｂ）に示すように、当該超音波は、中心周波数が１２（MHz）で、ピーク強度に対して２０（ｄＢ）低下する周波数が４、２０（MHz）、つまり４〜２０（MHz）の周波数帯域を有している。このような超音波を使用した理由について以下説明する。

まず、上述したように、被検査材料Ｒの深さ方向に対して１ｍｍ毎のスペクトル面積比を得る場合、時間幅Ｔｇを0.34（μｓ）で等分する必要がある。この0.34（μｓ）の時間幅に収まる最低の周波数成分は、１／0.34（μｓ）＝2.95（MHz）となるので、2.95（MHz）以下の周波数成分の解析を行うことは大きな誤差を含むことになってしまう。従って、2.95（MHz）より大きな周波数帯域を有することは必須である。これが第１の理由である。

次に、第２の理由として、実際に超音波の周波数帯域を変えて、被検査材料Ｒの深さ方向及びＸ軸方向に関する2次元の欠陥分布を評価した実験結果を用いて説明する。なお、この実験では、図１に示すような被検査材料Ｒの溶接部周辺において、クリープ損傷によって発生した欠陥の分布について評価した。

図７は４〜８（MHz）の周波数帯域を有する超音波を用いた場合、図８は４〜２０（MHz）の周波数帯域を有する超音波を用いた場合、図９は１０〜２０（MHz）の周波数帯域を有する超音波を用いた場合、図１０は１５〜２０（MHz）の周波数帯域を有する超音波を用いた場合のそれぞれ被検査材料Ｒの稼動開始時刻からクリープ破壊（寿命消費率１００％）に至るまでの欠陥の分布を示すものである。図１１は、各周波数帯域を有する超音波を使用した場合における、寿命消費率と散乱波強度を示すパラメータとの関係を示す特性図である。

図７〜図１０に示すように、いずれの周波数帯域の場合であっても、寿命消費率の上昇に応じて、図５と同様な欠陥分布を得ることができる。しかしながら、図１１に示すように、１０〜２０（MHz）及び１５〜２０（MHz）の周波数帯域を有する場合、寿命消費率に対する散乱波強度を示すパラメータの変化量が小さく、散乱波の検出感度が弱いことがわかる。

一方、４〜８（MHz）の周波数帯域を有する場合、図１１から散乱波の検出感度が強いことがわかるが、図７に示すように、溶接部周辺以外の材料ノイズも大きくなっており、有意なノイズ信号（クリープ損傷に起因する欠陥によって発生するノイズ信号）を捉えることが困難となっている。従って、本実施形態では、これらの実験結果に基づき、有意なノイズ信号を捉えることができ、散乱波の検出感度も強い４〜２０（MHz）の周波数帯域を有する超音波を使用することに決定した。

以上のように、本実施形態によれば、被検査材料Ｒの内部に発生する欠陥の分布を定量的に評価することが可能であり、欠陥の発生から被検査材料の破壊に至るまでのプロセスを調査する上で非常に有効である。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。

（１）上記実施形態では、被検査材料Ｒの内部に発生する欠陥の分布を定量的に評価したが、これに限定されず、このような欠陥の分布の評価結果に基づいて、被検査材料Ｒの余寿命を予測する機能（破壊寿命判定手段）を備えるような構成にしても良い。具体的には、従来のように図１４に示す余寿命曲線から余寿命を予測することができる。

（２）上記実施形態では、被検査材料Ｒの深さ方向に対して１ｍｍ毎の欠陥分布を検出したが、これに限定されず、深さ方向に対する欠陥の検出ピッチは適宜変更可能である。しかし、深さ方向に対する欠陥の検出ピッチを変更する場合、当該変更に応じて、使用する超音波の周波数や、時間幅Ｔｇの分割時間幅を調整する必要がある。

（３）上記実施形態では、クリープ損傷に起因する欠陥を検出する場合について説明したが、これに限定されず、本欠陥検査装置は、水素侵食やその他の原因により発生するボイドやクラック等の欠陥であっても検出することが可能である。

Claims

超音波探触子と、
当該超音波探触子を介して、所定の伝播媒質が設けられた被検査材料の表面に超音波を入射する一方、前記被検査材料の内部に存在する欠陥によって散乱した超音波をノイズ信号として受信する超音波送受信手段と、
前記ノイズ信号を、前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する時間幅で時分割し、当該時分割したノイズ信号毎に周波数スペクトルを算出する周波数スペクトル算出手段と、
前記周波数スペクトルに基づいて前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する欠陥の進行度を示す値を算出する欠陥分布検出手段と
を具備することを特徴とする欠陥検査装置。
前記超音波探触子を前記被検査材料の表面に沿って移動させると共に、前記被検査材料の表面における検査位置毎に、前記超音波探触子を表面に向かって下降させて当該表面に接触させる超音波探触子駆動手段をさらに備え、
前記欠陥分布検出手段は、前記検査位置毎に、被検査材料の深さ方向の位置に対応する欠陥の進行度を示す値を算出し、当該欠陥の進行度を示す値の２次元分布データを生成することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
前記超音波探触子を、前記伝播媒質を介して被検査材料の表面に接触させる際
に、被検査材料表面の面内方向に回転させることを特徴とする請求項２記載の欠
陥検査装置。
前記超音波送受信手段は、超音波探触子を介して、被検査材料の底面で反射し
た超音波を底面反射信号として受信し、
前記底面反射信号の強度に基づいて、超音波が前記被検査材料に正しく入射さ
れているか否かを判定する判定手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
前記ノイズ信号を時分割する時間幅に応じて前記超音波の周波数を設定することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
前記欠陥の進行度を示す値に基づいて前記被検査材料の破壊寿命を判定する破壊寿命判定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
被検査材料の表面に所定の伝播媒質を介して超音波を入射して、前記被検査材料の内部に存在する欠陥によって散乱した超音波をノイズ信号として検出し、
当該検出した前記ノイズ信号を、前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する時間幅で時分割し、
当該時分割したノイズ信号毎に周波数スペクトルを算出し、
当該周波数スペクトルに基づいて前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する欠陥の進行度を示す値を算出する
ことを特徴とする欠陥検査方法。
前記被検査材料の表面における検査位置毎に超音波を入射し、
前記検査位置毎に、前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する欠陥の進行度を示す値を算出し、
前記欠陥の進行度を示す値の２次元分布データを生成する
ことを特徴とする請求項７記載の欠陥検査方法。
前記伝播媒質は、密度１(g/ｃｍ^３)以下、動粘度100（ｍｍ^２／ｓ）以下の油で
あることを特徴とする請求項７記載の欠陥検査方法。
被検査材料の底面で反射した超音波を底面反射信号として検出し、
前記底面反射信号の強度に基づいて、超音波が前記被検査材料に正しく入射さ
れているか否かを判定することを特徴とする請求項７記載の欠陥検査方法。
前記ノイズ信号を時分割する時間幅に応じて前記超音波の周波数を設定することを特徴とする請求項７記載の欠陥検査方法。
前記欠陥の進行度を示す値に基づいて前記被検査材料の破壊寿命を判定することを特徴とする請求項７記載の欠陥検査方法。