JPWO2014007023A1 - 欠陥検出装置、欠陥検出方法、プログラム及び記憶媒体 - Google Patents

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Abstract

欠陥検出装置１００は、電縫鋼管２００の外表面２００Ｇの外側に設置され、複数の超音波振動子１２１が配列されたフェイズドアレイ探触子１２０と、フェイズドアレイ探触子１２０に配列された複数の超音波振動子１２１のうちの一部の複数の超音波振動子からなる探傷用超音波振動子群から電縫鋼管２００の外表面２００Ｇに対して斜角に探傷用超音波ビーム１３１を出力する送信部１４４と、反射した探傷用超音波ビーム１３１を探傷用超音波振動子群を介して受信する受信部１４５と、受信部１４５で受信した探傷用超音波ビーム１３１に基づいて溶接部２１０に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定部１４７を備える。送信部１４４は、溶接鋼管２００の外表面２００Ｇから溶接鋼管２００内に入射した探傷用超音波ビーム１３１が溶接鋼管２００の内表面で反射することなく溶接面に対して略垂直に直接入射し且つ溶接面に集束するように探傷用超音波ビーム１３１を送信する。

Description

本発明は、溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置及び欠陥検出方法、当該欠陥検出方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、当該プログラムを記憶するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に関するものである。なお、本明細書においては、管径が５インチ以下、管厚みが７．５ｍｍ以下の小径の電縫鋼管について欠陥検出を行う場合を例に説明を行うが、本発明においてはこれに限定されるものではなく、例えばアーク溶接鋼管などの他の溶接鋼管を欠陥検出の対象とするものであってもよい。
まず、電縫鋼管の一般的な製造方法について説明する。図１８Ａおよび図１８Ｂは、一般的な電縫鋼管の製造方法の一例を示す模式図である。図１８Ａに示すように、一般的な電縫鋼管の製造方法においては、帯状の鋼板（帯鋼）２０１を、方向２０２に向かって連続的に搬送しながら、多数のロール群（図示せず）により管状に成形し、その突合せ端面２０３を高周波コイル２０４による誘導加熱又はコンタクトチップ（図示せず）による直接通電加熱により溶融するとともに、スクイズロール２０５により押圧を加えることで、突合せ端面２０３を溶接して溶接部２１０を形成する。このようにして、図１８Ｂに示すように、溶接部２１０（溶接面）が管軸方向２２０に沿って形成された電縫鋼管２００が製造される。なお、本明細書において、溶接面とはオープ管状に成形された熱延鋼板端部が、加熱され、溶融し、溶融部が押圧を加えることによって排出されて接合が完了した時の接合面をいう。溶接面は溶接衝合面と称される場合もある。
電縫鋼管２００では溶接部２１０の品質が非常に重要であり、電縫鋼管２００の製造工程においては、一般に超音波斜角探傷によって溶接部２１０に欠陥が存在するか否かのオンライン探傷が行われている。
図１９は、従来の斜角探傷法の一例を示す模式図である。図１９には、図１８Ｂに示した電縫鋼管２００の断面（より詳細には、電縫鋼管２００の断面のうちの溶接部２１０付近）が示されている。そして、超音波ビームの送受信を行うアレイ探触子２５０は、電縫鋼管２００の外表面２００Ｇの外側に設置されている。このような状態で、図１９に示す従来の斜角探傷法では、アレイ探触子２５０から、電縫鋼管２００の外表面２００Ｇに対して超音波ビームを出力し、当該超音波ビームを電縫鋼管２００の内表面２００Ｎで一度反射させて溶接部２１０（溶接面）に照射し、反射した超音波ビームをアレイ探触子２５０で受信し、受信した超音波ビームを解析して溶接部２１０（溶接面）に欠陥が存在するか否かを検出する。
特許第４５４４２４０号公報には、超音波ビームの送信用と受信用とで別のアレイ探触子を設ける、いわゆるタンデム探傷法の技術が開示されている。
しかしながら、上述した図１９に示す従来の斜角探傷法では、超音波ビームを電縫鋼管２００の内表面２００Ｎで一度反射させて溶接部２１０（溶接面）に照射しているため、溶接部２１０（溶接面）に対して略垂直に超音波ビームを照射することができず、その結果、溶接部２１０（溶接面）に欠陥が存在する場合、アレイ探触子２５０に届く当該欠陥からの正反射の超音波ビームが弱くなる。このため、例えば、ペネトレータのような微小欠陥（０．２ｍｍ程度）の検出は困難となるという問題があった。
また、上述した特許第４５４４２４０号公報の技術では、比較的厚みの薄い（７．５ｍｍ程度以下）管径が５インチ以下の小径の電縫鋼管に対して探傷を行う場合には、溶接部２１０（溶接面）に存在する欠陥からの反射超音波ビームに係るＳＮ比が低下するという問題があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、微小欠陥の検出も可能であり、且つ、比較的厚みの薄い小径の溶接鋼管であっても欠陥の検出精度の向上を実現する仕組みを提供することを目的とする。
本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
本発明の第１の観点によれば、溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置であって、前記溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子と、前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接面に対して略垂直に直接入射し且つ前記溶接面に収束するように、前記探傷用超音波ビームを送信する送信手段と、反射した前記探傷用超音波ビームを前記探傷用超音波振動子群を介して受信する受信手段と、前記受信手段で受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定手段と、を含む欠陥検出装置が提供される。
本発明の第２の観点によれば、前記溶接鋼管は、管径が５インチ以下、管厚みが７．５ｍｍ以下の小径の電縫鋼管である第１の観点による欠陥検出装置が提供される。
本発明の第３の観点によれば、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間には、前記探傷用超音波ビームが伝播する媒体として水が存在しており、前記送信手段は、前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む水判定用超音波振動子群から前記溶接鋼管の外表面に対して略垂直に水判定用超音波ビームを更に送信し、前記受信手段は、反射した前記水判定用超音波ビームを前記水判定用超音波振動子群を介して更に受信し、前記受信手段で受信した前記水判定用超音波ビームに基づいて、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間が水で満たされているか否かを判定する水判定手段を更に含む第１または第２の観点による欠陥検出装置が提供される。
本発明の第４の観点によれば、前記送信手段は、前記水判定手段で前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間が水で満たされていると判定された場合に、前記探傷用超音波振動子群から前記探傷用超音波ビームを送信する第３の観点による欠陥検出装置が提供される。
本発明の第５の観点によれば、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間に前記フェイズドアレイ探触子に対応して設けられ、前記探傷用超音波ビームを前記管軸方向に集束させるための集束レンズを更に含む第１乃至第４のいずれかの観点による欠陥検出装置が提供される。
本発明の第６の観点によれば、前記溶接鋼管の管厚みと、前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面における前記管厚みの方向の領域の区分数Ｎを設定する設定手段と、前記設定手段により設定された区分数Ｎに応じて前記探傷用超音波振動子群に含まれる複数の超音波振動子をＮ個の群に分割する分割手段と、を更に含み、前記送信手段は、前記溶接面の区分された各領域に順次探傷用超音波ビームが入射するように、前記分割手段によって分割された各群から順次探傷用超音波ビームを送信する第１乃至第４のいずれかの観点による欠陥検出装置が提供される。
本発明の第７の観点によれば、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間に前記フェイズドアレイ探触子に対応して設けられ、前記探傷用超音波ビームを前記管軸方向に集束させるための集束レンズを更に含み、前記集束レンズは、前記管軸方向に沿った曲面の曲率半径が、前記複数の超音波振動子の配列方向に沿って変化しており、前記フェイズドアレイ探触子から前記溶接面に至るまでの前記探傷用超音波ビームの伝播距離が大きくなる方向に向けて前記曲率半径が大きくなっている第６の観点によるに欠陥検出装置が提供される。
本発明の第８の観点によれば、前記溶接鋼管の管厚みと、前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面における前記管厚みの方向の区分数Ｎを設定する設定手段を更に有し、前記送信手段は、前記溶接面の区分された各領域に前記探傷用超音波ビームが順次入射するように、前記複数の超音波振動子の一部を含む単一の探傷用超音波振動子群から送信方向を順次切り替えて前記探傷用超音波ビームを送信する第１乃至第５のいずれかの観点による欠陥検出装置が提供される。
本発明の第９の観点によれば、前記溶接鋼管の管厚みと、前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面における前記管厚みの方向の区分数Ｎを設定する設定手段を更に有し、前記送信手段は、前記溶接面の区分された各領域に前記探傷用超音波ビームが順次入射するように、前記複数の超音波振動子の全部を含む探傷用超音波振動子群から送信方向を順次切り替えて前記探傷用超音波ビームを送信するとともに、前記複数の超音波振動子の一部を含む水判定用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面に対して前記水判定用超音波ビームを送信する第３または第４の観点による欠陥検出装置が提供される。
本発明の第１０の観点によれば、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間に前記フェイズドアレイ探触子に対応して設けられ、前記探傷用超音波ビームを前記管軸方向に集束させるための集束レンズを更に含む第９の観点による欠陥検出装置が提供される。
本発明の第１１の観点によれば、前記設定手段は、前記溶接鋼管の管厚みを前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径で割った値について小数第１位以下を切り上げた値を、前記区分数Ｎとして設定する第６乃至第１０のいずれかの観点による欠陥検出装置が提供される。
本発明の第１２の観点によれば、前記有効ビーム径は、前記探傷用超音波ビームの振動による前記溶接鋼管の内部の変位の最大値を１とした場合に、当該変位が０．５以上となる範囲に対応している第６乃至第１１のいずれかの観点による欠陥検出装置が提供される。
本発明の第１３の観点によれば、溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子を用いて、前記溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置による欠陥検出方法であって、前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接面に対して略垂直に直接入射し且つ前記溶接面に集束するように、前記探傷用超音波ビームを送信する第１の送信ステップと、反射した前記探傷用超音波ビームを前記探傷用超音波振動子群を介して受信する第１の受信ステップと、前記第１の受信ステップで受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定ステップと、を含む欠陥検出方法が提供される。
本発明の第１４の観点によれば、前記溶接鋼管は、管径が５インチ以下、管厚みが７．５ｍｍ以下の小径の電縫鋼管である第１３の観点による欠陥検出方法が提供される。
本発明の第１５の観点によれば、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間には、前記探傷用超音波ビームが伝播する媒体として水が存在しており、前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む水判定用超音波振動子群から前記溶接鋼管の外表面に対して略垂直に水判定用超音波ビームを送信する第２の送信ステップと、反射した前記水判定用超音波ビームを前記水判定用超音波振動子群を介して受信する第２の受信ステップと、前記第２の受信ステップで受信した前記水判定用超音波ビームに基づいて、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間が水で満たされているか否かを判定する水判定ステップと、を更に含む第１３または第１４の観点による欠陥検出方法が提供される。
本発明の第１６の観点によれば、溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子を用いて、前記溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置による欠陥検出方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接面に対して略垂直に直接入射し且つ前記溶接面に集束するように、前記探傷用超音波ビームを送信する第１の送信ステップと、反射した前記探傷用超音波ビームを前記探傷用超音波振動子群を介して受信する第１の受信ステップと、前記第１の受信ステップで受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定ステップと、をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。
本発明の第１７の観点によれば、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間には、前記探傷用超音波ビームが伝播する媒体として水が存在しており、前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む水判定用超音波振動子群から前記溶接鋼管の外表面に対して略垂直に水判定用超音波ビームを送信する第２の送信ステップと、反射した前記水判定用超音波ビームを前記水判定用超音波振動子群を介して受信する第２の受信ステップと、前記第２の受信ステップで受信した前記水判定用超音波ビームに基づいて、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間が水で満たされているか否かを判定する水判定ステップと、を更にコンピュータに実行させる第１６の観点によるプログラムが提供される。
本発明の第１８の観点によれば、第１６または第１７の観点によるプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体が提供される。
本発明によれば、微小欠陥の検出も可能であり、且つ、比較的厚みの薄い小径の溶接鋼管であっても欠陥の検出精度の向上を実現することができる。
本発明の第１の実施形態に係る欠陥検出装置の概略構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、図１に示す探傷用超音波ビームの送受信の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、図１に示す音響レンズの一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、図１に示すフェイズドアレイ探触子の概略図である。 本発明の第１の実施形態を示し、図４に示すフェイズドアレイ探触子の開口径と欠陥検出に係るＳＮ比との相関の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、シミュレーションに用いた電縫鋼管の断面図である。 比較例１の探傷手法におけるシミュレーションモデルの概要図である。 本発明の探傷手法におけるシミュレーションモデルの概要図である。 比較例２の探傷手法におけるシミュレーションモデルの概要図である。 比較例３の探傷手法におけるシミュレーションモデルの概要図である。 図７Ａ〜図７Ｄに示す本発明の探傷手法と比較例の探傷手法との各探傷手法におけるシミュレーションモデルによる解析結果を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、探傷用超音波ビームの焦点での有効ビーム径の解析モデルを示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、探傷用超音波ビームの焦点での有効ビーム系の解析結果を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるフェイズドアレイ探触子の概略構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、カップリングチェックを説明するための図である。 本発明の第１の実施形態を示し、反射したカップリングチェック用超音波ビームの受信波形の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、図１及び図３に示す音響レンズを説明するための図である。 本発明の第１の実施形態を示し、図１及び図３に示す音響レンズの曲率半径とフェイズドアレイ探触子のアレイ長さ（アレイ位置）との関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る欠陥検出装置による欠陥検出方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態を示し、反射した探傷用超音波ビームの受信波形の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、反射した探傷用超音波ビームの受信波形の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、２次元マップの一例を示す図である。 一般的な電縫鋼管の製造方法の一例を示す模式図である。 一般的な電縫鋼管の製造方法の一例を示す模式図である。 従来の斜角探傷法の一例を示す模式図である。
以下に、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る欠陥検出装置１００の概略構成の一例を示す図である。この欠陥検出装置１００は、溶接鋼管の一種である電縫鋼管２００の管軸方向（図１８Ｂの２２０）に沿って形成された溶接部２１０（溶接面）に含まれる欠陥を検出するための装置である。また、図１には、図１８Ｂに示した電縫鋼管２００の断面（より詳細には、電縫鋼管２００の断面のうちの溶接部２１０付近）が示されている。
本実施形態に係る欠陥検出装置１００は、図１に示すように、音響レンズ１１０と、フェイズドアレイ探触子１２０と、制御処理装置１４０と、を含んでいる。また、制御処理装置１４０は、被検体条件入力部１４１と、送受信条件設定部１４２と、送受信制御部１４３と、送信部１４４と、受信部１４５と、受信信号処理部１４６と、欠陥判定部１４７と、水判定部１４８と、記録・表示部１４９と、を含んでいる。
音響レンズ１１０は、フェイズドアレイ探触子１２０と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間にフェイズドアレイ探触子１２０に対応して設けられている。音響レンズ１１０は、フェイズドアレイ探触子１２０から出力される探傷用超音波ビーム１３１を前記管軸方向に集束させるための集束レンズである。ここで、探傷用超音波ビーム１３１は、電縫鋼管２００の溶接部２１０に欠陥が存在する場合に、当該欠陥を検出するために送信されるものである。
フェイズドアレイ探触子１２０は、電縫鋼管２００の外表面２００Ｇの外側に設置され、複数の超音波振動子１２１が配列されて形成されている。本実施形態におけるフェイズドアレイ探触子１２０には、探傷用超音波ビーム１３１を出力する探傷用超音波振動子群と、カップリングチェック用超音波ビーム（水判定用超音波ビーム）１３２を出力するカップリングチェック用超音波振動子群（水判定用超音波振動子群）とが互いに異なる超音波振動子によって構成されている。即ち、本実施形態の場合、探傷用超音波振動子群は、フェイズドアレイ探触子１２０に配列された複数の超音波振動子１２１のうちの一部の複数の超音波振動子から構成され、カップリングチェック用超音波振動子群は、フェイズドアレイ探触子１２０に配列された複数の超音波振動子１２１のうちの一部の複数の超音波振動子であって探傷用超音波振動子群を構成する複数の超音波振動子とは異なる超音波振動子から構成されている。
フェイズドアレイ探触子１２０（厳密に言えば音響レンズ１１０）と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間には、探傷用超音波ビーム１３１を効率的に伝播させるための媒体として水が存在している。カップリングチェックとは、フェイズドアレイ探触子１２０（音響レンズ１１０）と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間が空気等なく水で満たされていて探傷用超音波ビーム１３１の送受信を正常に行える環境であるかを確認するための処理である。
被検体条件入力部１４１は、被検体である電縫鋼管２００の条件（被検体条件）を入力する処理を行う。例えば、被検体条件入力部１４１は、ユーザにより操作入力された被検体条件を制御処理装置１４０内に入力する処理を行う。ここで、被検体条件としては、例えば、電縫鋼管２００の外径や管厚み、管軸方向２２０の長さ、造管速度などが挙げられる。
送受信条件設定部１４２は、被検体条件入力部１４１により入力された被検体条件に基づいて、送受信条件を設定する処理を行う。ここで、送受信条件としては、例えば、探傷用超音波ビーム１３１やカップリングチェック用超音波ビーム１３２の送受信タイミングや、これらの超音波ビームの送信周波数、これらの超音波ビームの送受信に使用する超音波振動子１２１（以降、必要に応じて「チャネル（ｃｈ）」と呼ぶ）、探傷用超音波ビーム１３１が溶接部２１０（溶接面）で集束するように探傷用超音波振動子群の各チャネルの送信タイミングの遅延時間などが挙げられる。
送受信制御部１４３は、送受信条件設定部１４２で設定された送受信条件に基づいて、送信部１４４及び受信部１４５を制御する。
送信部１４４は、送受信制御部１４３による制御に基づいて、フェイズドアレイ探触子１２０の探傷用超音波振動子群から探傷用超音波ビーム１３１を送信し、フェイズドアレイ探触子１２０のカップリングチェック用超音波振動子群からカップリングチェック用超音波ビーム１３２を送信する処理を行う。具体的に、送信部１４４は、フェイズドアレイ探触子１２０の探傷用超音波振動子群から電縫鋼管２００の外表面２００Ｇに向けて斜角に探傷用超音波ビーム１３１を出力し、電縫鋼管２００の外表面２００Ｇから入射した当該探傷用超音波ビーム１３１が電縫鋼管２００の内表面２００Ｎで反射することなく溶接部２１０（溶接面）に対して略垂直に直接入射し且つ溶接面に集束するように（溶接面において焦点を形成するように）探傷用超音波ビーム１３１を送信する。また、送信部１４４は、フェイズドアレイ探触子１２０のカップリングチェック用超音波振動子群から電縫鋼管２００の外表面２００Ｇに対して略垂直にカップリングチェック用超音波ビーム１３２を送信する。
受信部１４５は、送受信制御部１４３による制御に基づいて、反射した探傷用超音波ビーム１３１を探傷用超音波振動子群を介して受信し、また、反射したカップリングチェック用超音波ビーム１３２をカップリングチェック用超音波振動子群を介して受信する処理を行う。
受信信号処理部１４６は、受信部１４５で受信した超音波ビーム（受信信号）を処理する。
欠陥判定部１４７は、受信部１４５で受信した探傷用超音波ビーム１３１に基づいて、電縫鋼管２００の溶接部２１０に欠陥が存在するか否かを判定する処理を行う。さらに、欠陥判定部１４７は、溶接部２１０に欠陥が存在する場合に、その位置や大きさを判定する処理も行う。
水判定部１４８は、受信部１４５で受信したカップリングチェック用超音波ビーム１３２に基づいて、フェイズドアレイ探触子１２０（厳密に言えば音響レンズ１１０）と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間が空気等なく水で満たされているか否かを判定する処理を行う。
記録・表示部１４９は、受信信号処理部１４６による処理の結果や欠陥判定部１４７及び水判定部１４８による判定結果を記録したり表示したりする処理を行う。さらに、記録・表示部１４９は、必要に応じて、各種のデータや各種の情報を記録したり表示したりする処理を行う。
なお、送信部１４４は、カップリングチェックの結果、カップリングに問題が無かった場合（即ち、水判定部１４８でフェイズドアレイ探触子１２０（厳密に言えば音響レンズ１１０）と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間が水で満たされていると判定された場合）に、フェイズドアレイ探触子１２０の探傷用超音波振動子群から探傷用超音波ビーム１３１を送信する処理を行う。
次に、探傷用超音波ビーム１３１の送受信について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態を示し、図１に示す探傷用超音波ビーム１３１の送受信の一例を示す図である。ここで、図２では、図１に示す電縫鋼管２００とフェイズドアレイ探触子１２０のみを図示している。
本実施形態では、探傷用超音波ビーム１３１を出力するフェイズドアレイ探触子１２０の探傷用超音波振動子群は、複数の超音波振動子１２１で構成されている。そして、本実施形態では、探傷用超音波振動子群から探傷用超音波ビーム１３１を送信して、この探傷用超音波ビーム１３１を電縫鋼管２００の外表面２００Ｇにおける入射方向に対して約７０°屈折させて、電縫鋼管２００の内表面２００Ｎで反射させることなく直接溶接部２１０（溶接面）に略垂直に照射する。以降、このような探傷用超音波ビーム１３１による探傷方法を「７０°探傷法」と称することにする。
また、本実施形態では、溶接部２１０（溶接面）に存在する欠陥２１１の検出感度を向上させることを目的として、溶接部２１０（溶接面）に略垂直に集束ビームを入射させるようにしている。これは、集束ビームを溶接部２１０（溶接面）に対して略垂直に入射させることで、多重反射による超音波エネルギーのロスを生じることなく正反射方向で欠陥２１１からの反射超音波ビームを直接受信することが可能であることによるものである。なお、通常の単一集束探触子を用いることである程度の集束ビームを形成することは可能であるが、電縫鋼管２００の曲率の影響により電縫鋼管２００内の狙った位置にビームを良好に集束させることは困難である。そこで、本実施形態では、電縫鋼管２００の曲率の影響を受けずに電縫鋼管２００内の狙った位置にビームを良好に集束させるべく、フェイズドアレイ探触子１２０を採用することにした。フェイズドアレイ探触子１２０を採用すれば、探傷用超音波振動子群の選択や各超音波振動子による超音波送信の遅延時間制御により、電縫鋼管２００の曲率を考慮した集束ビームを形成できるため、単一集束探触子よりも更に高い欠陥検出性能を実現できる。
図３は、本発明の第１の実施形態を示し、図１に示す音響レンズ１１０の一例を示す図である。この音響レンズ１１０は、上述したように、フェイズドアレイ探触子１２０と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間にフェイズドアレイ探触子１２０に対応して設けられている。音響レンズ１１０は、フェイズドアレイ探触子１２０から出力される探傷用超音波ビーム１３１を電縫鋼管２００の管軸方向２２０に集束させる。このように、音響レンズ１１０を設けることにより、探傷用超音波ビーム１３１を、フェイズドアレイ探触子１２０による電縫鋼管２００の管厚み方向に集束させることができるのみならず、電縫鋼管２００の管軸方向２２０にも集束させることが可能である。
＜２次元シミュレーションによる評価＞
次に、２次元シミュレーション（有限要素法）による評価結果について説明する。以下の表１にシミュレーションの条件を示す。
Figure 2014007023
まず、最適なフェイズドアレイ探触子１２０の解析を行った。この際、電縫鋼管２００の管厚みを３．４ｍｍ、外径を１０１．６ｍｍとし、溶接部の深さ方向の中央部に設定した欠陥サイズを高さ０．２ｍｍ、幅０．１ｍｍとした。
図４は、本発明の第１の実施形態を示し、図１に示すフェイズドアレイ探触子１２０の概略図である。また、図５は、本発明の第１の実施形態を示し、図４に示すフェイズドアレイ探触子１２０の開口径と欠陥検出に係るＳＮ比との相関の一例を示す図である。
今回の解析では、送信する超音波の周波数を５ＭＨｚと１０ＭＨｚとし、各超音波振動子１２１の幅（図４のエレメント幅ｅ）、隣接する超音波振動子１２１の間隔（図４のピッチｐ）を変化させ、管厚み方向の０．２ｍｍの微小欠陥における信号とノイズとの比（ＳＮ比）を比較した。その結果を図５に示す。この際、ＳＮ比は、信号を欠陥からの超音波の最大振幅の大きさとし、ノイズを欠陥からの超音波の直前の超音波振幅の大きさとして、これらの比で定義した。
解析の結果、図５に示すように、送信する超音波の周波数が５ＭＨｚで、超音波振動子１２１のピッチｐが０．５ｍｍ、開口径が８ｍｍのとき、ＳＮ比が２００で最大となる結果となった。このＳＮ比が最大となる際の超音波振動子１２１の素子数（チャネル数）は、図４に示すように開口径≒ピッチ×素子数と表せることから、１６素子（１６ｃｈ）である。本実施形態では、このＳＮ比が最大となる仕様をフェイズドアレイ探触子１２０に採用する。
次に、シミュレーション解析により、本発明における探傷手法と他の探傷手法との比較を行った。
図６は、本発明の第１の実施形態を示し、シミュレーションに用いた電縫鋼管２００の断面図である。図６に示す電縫鋼管２００では、管厚みを３．４ｍｍとし、溶接部２１０に３つの欠陥２１１Ｇ、２１１Ｃ、２１１Ｎを設けるようにした。具体的には、電縫鋼管２００の外表面２００Ｇから深さ０．２ｍｍ〜０．４ｍｍに亘る厚み０．２ｍｍの外表面付近欠陥２１１Ｇと、電縫鋼管２００の中央部を中心に厚み０．２ｍｍの中央部付近欠陥２１１Ｃと、電縫鋼管２００の内表面２００Ｎから深さ０．２ｍｍ〜０．４ｍｍに亘る厚み０．２ｍｍの内表面付近欠陥２１１Ｎとを設けた。
図７Ａ〜図７Ｄは、本発明の探傷手法と比較例の探傷手法との各探傷手法におけるシミュレーションモデルの概要図である。図７Ａに、超音波探触子が単一集束探触子で７０°探傷法による比較例１のモデル概要図を示し、図７Ｂに、超音波探触子がアレイ探触子で７０°探傷法による本発明のモデル概要図を示し、図７Ｃに、超音波探触子がアレイ探触子で図１９に示す従来の斜角探傷法による比較例２のモデル概要図を示し、図７Ｄに、超音波探触子がアレイ探触子で特許第４５４４２４０号公報に示されるタンデム探傷法による比較例３のモデル概要図を示している。
具体的に、図７Ａ〜図７Ｄに示す各超音波探触子の仕様は以下の通りとした。図７Ａに示す単一集束探触子は、周波数が５ＭＨｚ、振動子径１３ｍｍ、焦点距離５１ｍｍのものを用いた。図７Ｂ及び図７Ｃに示すアレイ探触子は、周波数が５ＭＨｚ、ピッチｐが０．５ｍｍ、エレメント幅ｅが０．４ｍｍ、素子数が１６個（１６ｃｈ）のものを用いた。即ち、図５に示す相関図でＳＮ比が最大（２００）となる条件のものを用いた。図７Ｄに示すアレイ探触子は、周波数が５ＭＨｚ、ピッチｐが０．５ｍｍ、エレメント幅ｅが０．４ｍｍ、素子数が６４個（６４ｃｈ）のものを用いた。この際、図７Ｄに示すように、送信素子数を２０個（２０ｃｈ）、受信素子数を２４個（２４ｃｈ）とした。
また、図７Ａ〜図７Ｄに示す各探傷法は以下の通りとした。図７Ａ及び図７Ｂに示す７０°探傷法では、水距離、超音波の入射点、及び、溶接部２１０の位置を固定して、図６に示す深さの異なる３つの欠陥（２１１Ｇ、２１１Ｃ、２１１Ｎ）に対して、それぞれ、超音波ビームが垂直に当たるようにした。正確には、外表面付近欠陥２１１Ｇと内表面付近欠陥２１１Ｎには超音波ビームが垂直に当たっていないが、電縫鋼管２００の管厚みが３．４ｍｍと薄いため略垂直として近似した。また、超音波ビームの焦点は、計算上、溶接部２１０に集束するように設定した。図７Ｃに示す従来斜角探傷法では、水距離、超音波の入射点、及び、溶接部２１０の位置を７０°探傷法と同様の設定に固定して、外表面付近欠陥２１１Ｇ及び中央部付近欠陥２１１Ｃに対して超音波ビームを内表面２００Ｎで一回反射させて入射する一回反射法とした。また、内表面付近欠陥２１１Ｎについては、７０°探傷法と略同様の狙いとなるため、省略している。図７Ｄに示すタンデム探傷法では、特許第４５４４２４０号公報に記載の方式に倣ってモデルを作成した。具体的には、図７Ｄに示すように、超音波ビームの屈折角を４５°、水距離２２．６ｍｍ（アレイ探触子中心軸）、送信素子数２０ｃｈ、受信素子数２４ｃｈとし、中央部付近欠陥２１１Ｃに対する解析のみ行った。
図８は、図７Ａ〜図７Ｄに示す本発明の探傷手法と比較例の探傷手法との各探傷手法におけるシミュレーションモデルによる解析結果を示す図である。図８には、左から、順に、図７Ａに示す比較例１のモデルの解析結果、図７Ｂに示す本発明のモデルの解析結果、図７Ｃに示す比較例２のモデルの解析結果、図７Ｄに示す比較例３のモデルの解析結果が示されている。また、図８では、外表面付近欠陥２１１Ｇを狙った超音波ビームの受信波形を「外表面付近」の欄に示し、中央部付近欠陥２１１Ｃを狙った超音波ビームの受信波形を「中央部付近」の欄に示し、内表面付近欠陥２１１Ｎを狙った超音波ビームの受信波形を「内表面付近」の欄に示している。
また、図８に示す受信波形において、Ｓ1は電縫鋼管２００の外表面２００Ｇからの反射超音波を示し、Ｆ1は各欠陥からの反射超音波を示している。即ち、溶接部２１０（溶接面）に欠陥が存在しなければ、Ｆ1は検出されないことになる。また、Ｓ／Ｎ（ＳＮ比）は、上述したように、信号を欠陥からの超音波（Ｆ1）の最大振幅の大きさとし、ノイズを欠陥からの超音波の直前の超音波振幅の大きさとして、これらの比で定義したものである。
図８に示すＳ／Ｎ（ＳＮ比）で比較すると、総合的に、本発明のモデルによる探傷手法（アレイ探触子による７０°探傷法）が良いことが確認できた。
次に、電縫鋼管２００の管厚み方向の超音波走査回数を決定するため、超音波ビームの焦点での有効ビーム径の解析を行った。
図９Ａおよび図９Ｂは、本発明の第１の実施形態を示し、探傷用超音波ビーム１３１の焦点での有効ビーム径の解析モデル及びその解析結果を示す図である。この解析では、厚み３．４ｍｍの溶接部２１０（溶接面）に欠陥２１１を設けず、図９Ａに示すように溶接部２１０（溶接面）の厚み方向に波形取得ポイントを設定して、探傷用超音波ビーム１３１の振動による電縫鋼管２００の内部の変位分布を読み取り、−６ｄＢ幅を求めた。この際、図９Ａに示すように、探傷用超音波ビーム１３１の狙いは溶接部２１０（溶接面）の厚み方向の中央とし、また、フェイズドアレイ探触子１２０の仕様は、周波数が５ＭＨｚ、ピッチｐが０．５ｍｍ、素子数が１６素子（１６ｃｈ）とした。この場合の解析結果を図９Ｂに示す。
図９Ｂに示すように、探傷用超音波ビーム１３１の振動による電縫鋼管２００の内部の変位の最大値を１とし、変位が０．５となる−６ｄＢ幅（即ち、当該変位が０．５以上となる範囲）として定義される有効ビーム径が１．６ｍｍとなる結果が得られた。この結果から、例えば、電縫鋼管２００の管厚みが３．４ｍｍの場合、精度の良い超音波探傷を行うためには、管厚み方向に、超音波ビームを少なくとも３回走査する必要があることが分かった。ここで、本実施形態においては、送受信条件設定部１４２において、溶接鋼管２００の管厚み（溶接部２１０の厚み）と、溶接部２１０（溶接面）における探傷用超音波ビーム１３１の有効ビーム径とに基づいて、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の領域をＮ個（Ｎは１以上の整数）に区分する区分数Ｎを設定する。この区分数Ｎは、上述した走査回数に該当する。本例の場合、送受信条件設定部１４２は、溶接鋼管２００の管厚みである３．４ｍｍを有効ビーム径である１．６ｍｍで割った値である２．１２５について小数第１位以下を切り上げて、前記区分数Ｎとして「３」を設定する。そして、本実施形態では、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の領域に対して、外周面２００Ｇ側から昇順で第１〜第Ｎの領域（本例では、第１〜第３の領域）を定義する。この際、本実施形態では、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の領域をＮ等分して、第１〜第Ｎの領域（本例では、第１〜第３の領域）を設定する。
以上のシミュレーション解析の結果を踏まえ、本実施形態におけるフェイズドアレイ探触子１２０の設定を行った。図１０は、本発明の第１の実施形態におけるフェイズドアレイ探触子１２０の概略構成の一例を示す図である。
第１の実施形態におけるフェイズドアレイ探触子１２０は、カップリングチェック用超音波ビーム１３２を送信するためのカップリングチェック用超音波振動子群１２２と、電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）の内表面２００Ｎ付近（即ち、第３の領域（第Ｎの領域））に内表面付近探傷用超音波ビーム（第３の探傷用超音波ビーム（第Ｎの探傷用超音波ビーム））１３１Ｎを送信するための内表面付近探傷用超音波振動子群（第３の探傷用超音波振動子群（第Ｎの探傷用超音波振動子群））１２３と、電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）の管厚みの中央部付近（即ち、第２の領域）に中央部付近探傷用超音波ビーム（第２の探傷用超音波ビーム）１３１Ｃを送信するための中央部付近探傷用超音波振動子群（第２の探傷用超音波振動子群）１２４と、電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）の外表面２００Ｇ付近（即ち、第１の領域）に外表面付近探傷用超音波ビーム（第１の探傷用超音波ビーム）１３１Ｇを送信するための外表面付近探傷用超音波振動子群（第１の探傷用超音波振動子群）１２５と、が互いに異なる超音波振動子によって構成される。即ち、第１の実施形態におけるフェイズドアレイ探触子１２０において、探傷用超音波振動子群は、溶接部２１０（溶接面）の前記Ｎ個（本例では３個）の区分数に応じて区分（分割）された探傷用超音波振動子群（内表面付近探傷用超音波振動子群１２３、中央部付近探傷用超音波振動子群１２４及び外表面付近探傷用超音波振動子群１２５）によって構成される。本実施形態では、例えば、カップリングチェック用超音波振動子群１２２の超音波振動子１２１の素子数を４素子（４ｃｈ）、各探傷用超音波振動子群１２３〜１２５の超音波振動子１２１の素子数をそれぞれ、１６素子（１６ｃｈ）とし、フェイズドアレイ探触子１２０が少なくとも５２素子（５２ｃｈ）からなるものとする。
なお、図１０に示す例では、超音波ビームの走査順は、カップリングチェック用超音波ビーム１３２、内表面付近探傷用超音波ビーム１３１Ｎ、中央部付近探傷用超音波ビーム１３１Ｃ、外表面付近探傷用超音波ビーム１３１Ｇの順としているが、本発明においてはこれに限定されるものではない。例えば、超音波ビームの走査順は、カップリングチェック用超音波ビーム１３２、外表面付近探傷用超音波ビーム１３１Ｇ、中央部付近探傷用超音波ビーム１３１Ｃ、内表面付近探傷用超音波ビーム１３１Ｎの順であってもよい。
本実施形態では、フェイズドアレイ探触子１２０においてＮ個（本例では３個）の群に区分（分割）された探傷用超音波振動子群の中から１つずつ選択して、それぞれ超音波ビームの送受信を行うことで、溶接部２１０（溶接面）の管厚み方向に超音波ビームを走査し、溶接部２１０（溶接面）を漏れなく探傷するようにしている。また、本実施形態では、フェイズドアレイ探触子１２０の端（図１０の例では右端）の数素子を利用して、電縫鋼管２００の外表面２００Ｇに対して略垂直にカップリングチェック用超音波ビーム１３２を送信し、その反射超音波ビームを検出することでカップリングチェックを行うようにしている。
次に、カップリングチェックの詳細について説明する。図１１は、本発明の第１の実施形態を示し、カップリングチェックを説明するための図である。上述したように、フェイズドアレイ探触子１２０（厳密に言えば音響レンズ１１０）と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間には、探傷用超音波ビーム１３１を効率的に伝播させるための媒体として水が存在している。カップリングチェックとは、フェイズドアレイ探触子１２０（音響レンズ１１０）と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間が空気等なく水で満たされていて探傷用超音波ビーム１３１の送受信を正常に行える環境であるかを確認するための処理である。カップリングチェックでは、カップリングチェック用超音波振動子群１２２を介してカップリングチェック用超音波ビーム１３２を送受信する。図１１に示す例では、フェイズドアレイ探触子１２０の右端の４素子（４ｃｈ）をカップリングチェック用超音波振動子群１２２として使っている。
図１２は、本発明の第１の実施形態を示し、反射したカップリングチェック用超音波ビーム１３２の受信波形の一例を示す図である。図１２に示す例では、電縫鋼管２００の外表面２００Ｇで反射した外表面エコー（Ｓ1）、電縫鋼管２００の内表面２００Ｎで反射した内表面エコー（Ｂ1）、当該内表面エコー（Ｂ1）の後に外表面２００Ｇと内表面２００Ｎとの間での多重エコー（Ｂ2、Ｂ3、・・・）が検出されている。例えば、カップリングチェックでは、外表面エコー（Ｓ1）の前に反射エコーが検出されると、フェイズドアレイ探触子１２０（厳密に言えば音響レンズ１１０）と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間に空気等が存在しており、探傷用超音波ビーム１３１の送受信を正常に行える環境ではないと判定されることになる。逆に、外表面エコー（Ｓ1）の前に反射エコーが検出されなければ、フェイズドアレイ探触子１２０（厳密に言えば音響レンズ１１０）と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間が水で満たされており、探傷用超音波ビーム１３１の送受信を正常に行える環境であると判定されることになる。また、カップリングチェックでは、内表面エコー（Ｂ1）の後に多重エコー（Ｂ2、Ｂ3、・・・）が検出されるため、カップリングチェック後に行われる７０°探傷における探傷用超音波ビーム１３１の送信は、カップリングチェック用超音波ビーム１３２の送信後ある程度の時間を空ける必要がある。
＜音響レンズ１１０の設計＞
次に、音響レンズ１１０の設計について説明する。
フェイズドアレイ探触子１２０は、超音波ビームを電縫鋼管２００の管厚み方向のみに集束するものである。本実施形態では、更に、超音波ビームを電縫鋼管２００の管軸方向２２０にも集束させるために、フェイズドアレイ探触子１２０に音響レンズ１１０を取り付けている。
図１３は、本発明の第１の実施形態を示し、図１及び図３に示す音響レンズ１１０を説明するための図である。
音響レンズ１１０の関係式は、以下の（１）式〜（２）式に示す通りである。
Ｒ＝（１−Ｃ2／Ｃ1）ｆ ・・・（１）
ｆ＝ｆW＋（Ｃ3／Ｃ2）ｆS ・・・（２）
ここで、Ｒは音響レンズ１１０の曲率半径、ｆは水中焦点距離、Ｃ1は音響レンズ１１０の縦波音速、Ｃ2は水中縦波音速、Ｃ3は鋼管内横波音速、ｆwは水中路程、ｆSは鋼管内路程である。各パラメータの具体的な数値は、図１３に示す通りである。
表１に示したように、水中では縦波しか伝播しないため、フェイズドアレイ探触子１２０からは、縦波の超音波ビームが送信される。そして、フェイズドアレイ探触子１２０から送信された縦波の超音波ビームは、電縫鋼管２００の外表面２００Ｇにおいて入射方向に対して約７０°屈折されて電縫鋼管２００の内部を伝播するため、電縫鋼管２００の内部では、略横波の超音波ビームが伝播する。
図１４は、本発明の第１の実施形態を示し、図１及び図３に示す音響レンズ１１０の曲率半径とフェイズドアレイ探触子１２０のアレイ長さ（アレイ位置）との関係を示す図である。図１４は、溶接部２１０（溶接面）の各深さに対応する超音波ビーム中心軸とフェイズドアレイ探触子１２０と交わる点の音響レンズ１１０の曲率半径をそれぞれの超音波ビーム路程から換算して求めたものである。ただし、フェイズドアレイ探触子１２０のピッチｐを０．５ｍｍとし、溶接部２１０（溶接面）中心に入射する超音波ビームがフェイズドアレイ探触子１２０のアレイ中心となるようにしている。
ここで、本実施形態のフェイズドアレイ探触子１２０は、図１０に示すように、カップリングチェック用超音波振動子群１２２と、内表面付近探傷用超音波振動子群（第３の探傷用超音波振動子群（第Ｎの探傷用超音波振動子群））１２３と、中央部付近探傷用超音波振動子群（第２の探傷用超音波振動子群）１２４と、外表面付近探傷用超音波振動子群（第１の探傷用超音波振動子群）１２５を備える構成を採る。ここで、図１４において、例えば、アレイ長さ（アレイ位置）が１８．５ｍｍ〜１０．０ｍｍが図１０に示す外表面付近探傷用超音波振動子群（第１の探傷用超音波振動子群）１２５に相当し、アレイ長さ（アレイ位置）が１０．０ｍｍ〜１．５ｍｍが図１０に示す中央部付近探傷用超音波振動子群（第２の探傷用超音波振動子群）１２４に相当し、アレイ長さ（アレイ位置）が１．５ｍｍ〜−７．０ｍｍが図１０に示す内表面付近探傷用超音波振動子群（第３の探傷用超音波振動子群（第Ｎの探傷用超音波振動子群））１２３に相当する。即ち、音響レンズ１１０は、その曲率半径が、外表面付近探傷用超音波振動子群（第１の探傷用超音波振動子群）１２５に対応する区域から内表面付近探傷用超音波振動子群（第３の探傷用超音波振動子群（第Ｎの探傷用超音波振動子群））１２３に対応する区域に向かうのに従って、大きくなっている。換言すれば、音響レンズ１１０は、管軸方向２２０に沿った曲面の曲率半径が、複数の超音波振動子の配列方向に沿って変化しており、フェイズドアレイ探触子１２０から溶接部２１０（溶接面）に至るまでの探傷用超音波ビームの伝播距離が大きくなる方向に向けて曲率半径が大きくなっている。本実施形態では、音響レンズ１１０をこのように設計することで、各探傷用超音波振動子群を介して好適な探傷用超音波ビーム１３１の送受信を可能にしている。
＜探傷繰り返し周波数についての考察＞
次に、本実施形態に係る欠陥検出装置１００において、電縫鋼管２００の管軸方向２２０について、洩れなく溶接部２１０（溶接面）の欠陥探傷が可能であるかの考察を行う。
音響レンズ１１０による管軸方向２２０の超音波ビームの集束により、管軸方向におけるビーム集束径が一般的な１ｍｍであるとする。また、溶接部２１０（溶接面）の探傷深さを切り換えて探傷することを想定し、図１０に示すように、探傷用超音波ビーム１３１の送受信回数３回と、カップリングチェック用超音波ビーム１３２の送受信回数１回との合計４回の超音波ビームの送受信を行うものとする。
また、電縫鋼管２００の造管速度を、一般的な実操業ラインの電縫鋼管２００の移動速度である４０ｍ／分程度とすると、これは６６７ｍｍ／秒であるため、管軸方向２２０に洩れなく探傷するためには、１秒間に２６６８回（４×６７７）の超音波ビームの送受信を行う必要がある。したがって、欠陥検出装置１００の探傷繰り返し周波数は、少なくとも２６６８Ｈｚ（約２．７ｋＨｚ）必要である。
一方、近年のフェイズドアレイ探触子１２０を用いた欠陥探傷装置は、最大繰り返し周波数が数十ｋＨｚであるため、上記探傷繰り返し周波数（約２．７ｋＨｚ）は十分実現可能であり、当該最大繰り返し周波数を本実施形態における欠陥検出装置１００に採用すれば、電縫鋼管２００の管軸方向２２０に洩れなく欠陥探傷を行うことが可能である。
＜欠陥検出装置による処理手順＞
次に、本実施形態に係る欠陥検出装置１００による欠陥検出方法の処理手順について説明する。
図１５は、本発明の第１の実施形態に係る欠陥検出装置１００による欠陥検出方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。この図１５に示すフローチャートの説明においては、図１に示す欠陥検出装置１００の構成を用いて説明を行う。
まず、ステップＳ１において、被検体条件入力部１４１は、被検体である電縫鋼管２００の条件（被検体条件）を入力する処理を行う。例えば、被検体条件入力部１４１は、ユーザにより操作入力された被検体条件（例えば、電縫鋼管２００の外径や管厚み、管軸方向２２０の長さ、造管速度など）を制御処理装置１４０内に入力する処理を行う。ここでは、電縫鋼管２００の外径として１０１．６ｍｍ（図１３）、電縫鋼管２００の管厚みとして３．４ｍｍ（図９、図１３）、電縫鋼管２００の造管速度として４０ｍ／分が入力されたものとする。
続いて、ステップＳ２において、送受信条件設定部１４２は、ステップＳ１で入力された被検体条件に基づいて、送受信条件を設定する処理を行う。ここで、送受信条件として、例えば、探傷用超音波ビーム１３１やカップリングチェック用超音波ビーム１３２の送受信タイミングや、これらの超音波ビームの送信周波数、これらの超音波ビームの送受信に使用する超音波振動子１２１、探傷用超音波ビーム１３１が溶接部２１０（溶接面）で集束するように探傷用超音波振動子群の各チャネルの送信タイミングの遅延時間などを設定する。
本実施形態では、電縫鋼管２００の管厚みが３．４ｍｍであるため、図５においてＳＮ比が最大（２００）となるフェイズドアレイ探触子１２０を採用するものとする（超音波振動子１２１のピッチｐが０．５ｍｍ、送信する超音波の周波数が５ＭＨｚ等）。この際、本実施形態では、さらに、ステップＳ２において、送受信条件設定部１４２は、溶接鋼管２００の管厚み（溶接部２１０（溶接面）の厚み）と、溶接部２１０（溶接面）に対する探傷用超音波ビーム１３１の有効ビーム径とに基づいて、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の領域をＮ個（Ｎは１以上の整数）に区分する区分数Ｎを設定する。この区分数Ｎは、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の超音波探傷に係る走査回数に該当する。具体的に、本実施形態では、溶接鋼管２００の管厚みが３．４ｍｍであり、溶接部２１０（溶接面）に対する探傷用超音波ビームの有効ビーム径が１．６ｍｍ（図９（ｂ）：既知）であるため、前記区分数Ｎとして「３」が設定される。送受信条件設定部１４２は、設定した区分数「３」に応じて図１０に示すように、フェイズドアレイ探触子１２０における探傷用超音波振動子群を、内表面付近探傷用超音波振動子群（第３の探傷用超音波振動子群（第Ｎの探傷用超音波振動子群））１２３、中央部付近探傷用超音波振動子群（第２の探傷用超音波振動子群）１２４及び外表面付近探傷用超音波振動子群（第１の探傷用超音波振動子群）の３個の群に区分（分割）するとともに、更に、探傷用超音波振動子群を構成する超音波振動子とは異なる複数の超音波振動子によって構成されるカップリングチェック用超音波振動子群１２２を設定する。
続いて、ステップＳ３において、送信部１４４は、送受信制御部１４３の制御により、送受信条件設定部１４２で設定された送受信条件に基づいて、フェイズドアレイ探触子１２０のカップリングチェック用超音波振動子群１２２から電縫鋼管２００の外表面２００Ｇに対して略垂直にカップリングチェック用超音波ビーム１３２を送信する。
続いて、ステップＳ４において、受信部１４５は、送受信制御部１４３の制御により、送受信条件設定部１４２で設定された送受信条件に基づいて、反射したカップリングチェック用超音波ビーム１３２をカップリングチェック用超音波振動子群１２２を介して受信する。その後、受信部１４５で受信したカップリングチェック用超音波ビーム１３２は、受信信号処理部１４６で処理される。
続いて、ステップＳ５において、水判定部１４８は、ステップＳ４で受信したカップリングチェック用超音波ビーム１３２に基づいて、カップリングが問題なしか否かを判断する。具体的に、水判定部１４８は、フェイズドアレイ探触子１２０（厳密に言えば音響レンズ１１０）と電縫鋼管２００の外表面２００Ｇとの間が空気等なく水で満たされているか否かを判定することで、カップリングが問題なしか否かを判断する。
ステップＳ５の判断の結果、カップリングチェックにおいて、カップリングに問題があると判定された場合（Ｓ５／ＮＯの場合）には、ステップＳ６に進む。
ステップＳ６に進むと、記録・表示部１４９は、カップリングに問題がある旨の警告表示を行う。この警告表示を行うことで、ユーザは、設備のメンテナンスを行うことになり、設備のメンテナンス後、ユーザの操作により、図１５のフローチャートの最初から処理が行われることになる。
一方、ステップＳ５の判断の結果、カップリングチェックにおいて、カップリングに問題がないと判定された場合（Ｓ５／ＹＥＳの場合）には、ステップＳ７に進む。カップリングに問題がない場合、溶接部２１０の欠陥探傷の処理が開始されることになる。
ステップＳ７に進むと、送信部１４４は、送受信制御部１４３の制御により、送受信条件設定部１４２で設定された送受信条件に基づいて、フェイズドアレイ探触子１２０の探傷用超音波振動子群から電縫鋼管２００の外表面２００Ｇに対して斜角に探傷用超音波ビーム１３１を入射させる。送信部１４４は、電縫鋼管２００内に入射した当該探傷用超音波ビーム１３１が電縫鋼管２００の内表面２００Ｎで反射することなく溶接部２１０（溶接面）に対して略垂直に直接入射し且つ溶接部２１０（溶接面）に収束するように探傷用超音波ビーム１３１を送信する。
続いて、ステップＳ８に進むと、受信部１４５は、送受信制御部１４３の制御により、送受信条件設定部１４２で設定された送受信条件に基づいて、反射した当該探傷用超音波ビーム１３１を当該探傷用超音波振動子群を介して受信する。その後、受信部１４５で受信した探傷用超音波ビーム１３１は、受信信号処理部１４６で処理される。
続いて、ステップＳ９において、例えば送受信制御部１４３は、溶接部２１０の深さ方向（管厚み方向）について全て欠陥探傷を行ったか否かを判断する。
ここで、本実施形態では、図１０に示すように、探傷用超音波振動子群として、電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）の内表面２００Ｎ付近（即ち、第３の領域（第Ｎの領域））に内表面付近探傷用超音波ビーム（第３の探傷用超音波ビーム（第Ｎの探傷用超音波ビーム））１３１Ｎを送信するための内表面付近探傷用超音波振動子群（第３の探傷用超音波振動子群（第Ｎの探傷用超音波振動子群））１２３と、電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）の管厚みの中央部付近（即ち、第２の領域）に中央部付近探傷用超音波ビーム（第２の探傷用超音波ビーム）１３１Ｃを送信するための中央部付近探傷用超音波振動子群（第２の探傷用超音波振動子群）１２４と、電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）の外表面２００Ｇ付近（即ち、第１の領域）に外表面付近探傷用超音波ビーム（第１の探傷用超音波ビーム）１３１Ｇを送信するための外表面付近探傷用超音波振動子群（第１の探傷用超音波振動子群）１２５が互いに異なる超音波振動子によって構成される。そこで、本実施形態では、ステップＳ９において、溶接部２１０（溶接面）の深さ方向（管厚み方向）について、内表面付近探傷用超音波ビーム１３１Ｎによる欠陥探傷、中央部付近探傷用超音波ビーム１３１Ｃによる欠陥探傷、及び、外表面付近探傷用超音波ビーム１３１Ｇによる欠陥探傷の全て欠陥探傷を行ったか否かを判断することになる。
ステップＳ９の判断の結果、溶接部２１０（溶接面）の深さ方向の各領域について未だ全ての欠陥探傷を行っていない場合（Ｓ９／ＮＯの場合）には、未だ欠陥探傷を行っていない領域の欠陥探傷を行うべく、ステップＳ７に戻る。
一方、ステップＳ９の判断の結果、溶接部２１０の深さ方向について全て欠陥探傷を行った場合（Ｓ９／ＹＥＳの場合）には、ステップＳ１０に進む。
ステップＳ１０に進むと、例えば送受信制御部１４３は、電縫鋼管２００の管軸方向２２０について全て欠陥探傷を行ったか否かを判断する。
ここで、本実施形態では、上述したように、音響レンズ１１０による管軸方向２２０の超音波ビームの集束により、管軸方向ビーム集束径が一般的な１ｍｍであるとする。一方、ステップＳ１において管軸方向２２０の長さが入力されている。そこで、本実施形態では、ステップＳ１０において、これらの情報に基づいて、電縫鋼管２００の管軸方向２２０の全領域について欠陥探傷を行ったか否かを判断することになる。
ステップＳ１０の判断の結果、電縫鋼管２００の管軸方向２２０の全領域について欠陥探傷を行っていない場合（Ｓ１０／ＮＯ）には、未だ欠陥探傷を行っていない電縫鋼管２００の管軸方向２２０の領域の欠陥探傷を行うべく、ステップＳ７に戻る。
一方、ステップＳ１０の判断の結果、電縫鋼管２００の管軸方向２２０の全領域について欠陥探傷を行った場合（Ｓ１０／ＹＥＳの場合）には、ステップＳ１１に進む。
続いて、ステップＳ１１において、欠陥判定部１４７は、ステップＳ８で受信した探傷用超音波ビーム１３１に基づいて、電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）に欠陥が存在しているか否かを判定する処理を行う。さらに、欠陥判定部１４７は、溶接部２１０（溶接面）に欠陥が存在していると判定した場合に、その位置や大きさを特定する処理も行う。
なお、この欠陥判定部１４７による欠陥判定の前段階において、例えば受信信号処理部１４６が、受信した探傷用超音波ビーム１３１の波形に対して、正の最大振幅をＡ、負の最大振幅をＢ（Ｂは負の値）としてそれぞれを検出し、Ａ−Ｂをその波形検出位置での信号Ｃとして処理を行う。
続いて、ステップＳ１２において、記録・表示部１４９は、ステップＳ１１による欠陥判定結果を表示する処理を行う。例えば、記録・表示部１４９は、欠陥判定結果として、例えば、ｘ軸方向を管軸方向２２０の位置、ｙ軸方向を溶接部２１０の深さ位置とし、上記信号Ｃの２次元マップを作成し表示を行う。
以下、２次元マップの例について説明を行う。まず、２次元マップの説明の前に、探傷用超音波ビームの受信波形の一例について説明する。
図１６は、本発明の第１の実施形態を示し、反射した探傷用超音波ビームの受信波形の一例を示す図である。ここで、図１６Ａおよび図１６Ｂは、電縫鋼管２００の管厚み方向の分解能を向上させるために、前記区分数Ｎを３よりも大きい５とする条件で解析したものであり、管軸方向の分解能は１ｍｍ、管厚み方向の分解能は管厚み（３．４ｍｍ）の１／５に相当する０．６８ｍｍである。そして、図１６Ａは、管厚み方向の中央部を中心に厚み０．２ｍｍの欠陥２１１を設け、５区分に分けたうちの中央部の欠陥２１１に探傷用超音波ビームを集束させ、その反射超音波の受信波形の例である。また、図１６Ｂは、管厚み方向の中央部に欠陥２１１を設けず、５区分に分けたうちの中央部に探傷用超音波ビームを集束させ、その反射超音波の受信波形の例である。図１６Ａ及び図１６Ｂに示す受信波形において、Ｓ1は電縫鋼管２００の外表面２００Ｇからの反射超音波を示し、図１６Ａに示す受信波形において、Ｆ1は欠陥２１１からの反射超音波を示している。即ち、図１６Ｂに示す受信波形のように、欠陥２１１が存在しなければ、Ｆ1は検出されないことになる。
次いで、２次元マップの例について説明を行う。図１７は、本発明の第１の実施形態を示し、２次元マップの一例を示す図である。この図１７に示す２次元マップは、上述した図１６Ａと同様に電縫鋼管２００の管厚み方向を５区分に分けて探傷する条件で解析したものであり、この際、５区分に分けたうちの中央部に欠陥２１１を設けたものである。そして、図１７は、ｘ軸方向を管軸方向２２０の位置、ｙ軸方向を電縫鋼管２００の管厚み方向の位置（溶接部２１０の深さ位置）とし、上述した信号Ｃを７段階（６＜Ｃ、・・・、Ｃ≦１）に分けて表示した２次元マップの例である。例えば、図１６Ａに示す欠陥２１１からの反射超音波Ｆ1は、正の最大振幅Ａが３．２程度、負の最大振幅Ｂが−３．６程度であるため、この場合の信号Ｃは、Ｃ＝Ａ−Ｂ＝３．２−（−３．６）＝６．８となる。このため、図１７では、電縫鋼管２００の管厚み方向を５区分に分けたうちの中央部が、６＜Ｃとなっている。このような２次元マップを表示することにより、電縫鋼管２００の溶接部２１０における欠陥２１１の位置を特定することが可能である。
ステップＳ１２の処理が終了すると、図１５におけるフローチャートの処理が終了する。
本実施形態に係る欠陥検出装置１００によれば、フェイズドアレイ探触子１２０を用いた７０°探傷法を行うようにしたので、０．２ｍｍ程度の微小欠陥の検出も可能であり、且つ、管厚みが７．５ｍｍ以下、管径が５インチ以下の小径の電縫鋼管２００であっても欠陥の検出精度の向上を実現することができる（図８）。
（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、図１０に示すように、フェイズドアレイ探触子１２０の探傷用超音波振動子群として、電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）の内表面２００Ｎ付近（即ち、第３の領域（第Ｎの領域））に内表面付近探傷用超音波ビーム（第３の探傷用超音波ビーム（第Ｎの探傷用超音波ビーム））１３１Ｎを送信するための内表面付近探傷用超音波振動子群（第３の探傷用超音波振動子群（第Ｎの探傷用超音波振動子群））１２３と、電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）の管厚みの中央部付近（即ち、第２の領域）に中央部付近探傷用超音波ビーム（第２の探傷用超音波ビーム）１３１Ｃを送信するための中央部付近探傷用超音波振動子群（第２の探傷用超音波振動子群）１２４と、電縫鋼管２００の溶接部２１０（溶接面）の外表面２００Ｇ付近（即ち、第１の領域）に外表面付近探傷用超音波ビーム（第１の探傷用超音波ビーム）１３１Ｇを送信するための外表面付近探傷用超音波振動子群（第１の探傷用超音波振動子群）１２５とが、互いに異なる超音波振動子によって構成される場合を例示した。本発明においては、この形態に限定されるものではなく、フェイズドアレイ探触子１２０に１つの探傷用超音波振動子群を設定して、当該１つの探傷用超音波振動子群において超音波の送信方向を順次切り換えることにより、溶接部２１０における管厚みの方向の前記第３の領域（第Ｎの領域）、前記第２の領域、及び、前記第１の領域に対して、それぞれ、第３の探傷用超音波ビーム（第Ｎの探傷用超音波ビーム）である内表面付近探傷用超音波ビーム１３１Ｎ、第２の探傷用超音波ビームである中央部付近探傷用超音波ビーム１３１Ｃ、及び、第１の探傷用超音波ビームである外表面付近探傷用超音波ビーム１３１Ｇを順次送信する形態も適用可能である。この場合、当該１つの探傷用超音波振動子群を介して、反射した内表面付近探傷用超音波ビーム１３１Ｎ、反射した中央部付近探傷用超音波ビーム１３１Ｃ、及び、反射した外表面付近探傷用超音波ビーム１３１Ｇをそれぞれ受信することになる。
本実施形態の場合、フェイズドアレイ探触子１２０には、１つの探傷用超音波振動子群（例えば１６ｃｈ）と、１つのカップリングチェック用超音波振動子群１２２（例えば４ｃｈ）が設けられることになる。
（第３の実施形態）
上述した第１及び第２の実施形態では、探傷用超音波振動子群とカップリングチェック用超音波振動子群１２２とを互いに異なる超音波振動子で構成するものであった。本発明においては、この形態に限定されるものではなく、フェイズドアレイ探触子１２０に配列された複数の超音波振動子１２１のうちの全部の複数の超音波振動子によって探傷用超音波振動子群を構成し、当該探傷用超音波振動子群の中にカップリングチェック用超音波振動子群１２２を含む構成とした形態も適用可能である。
本実施形態の場合、例えばフェイズドアレイ探触子１２０に１６個の超音波振動子１２１（１６ｃｈ）設けて、当該１６個の超音波振動子１２１の全てを探傷用超音波振動子群とするとともに、当該１６個の超音波振動子１２１の全て或いは一部（例えば４ｃｈ）をカップリングチェック用超音波振動子群１２２とする。
即ち、本実施形態の場合、超音波の送信方向を順次切り換えることにより、フェイズドアレイ探触子１２０から、電縫鋼管２００の外表面２００Ｇに対してカップリングチェック用超音波ビーム１３２を送信するとともに、溶接部２１０（溶接面）における管厚みの方向の前記第３の領域（第Ｎの領域）、前記第２の領域、及び、前記第１の領域に対して、それぞれ、第３の探傷用超音波ビーム（第Ｎの探傷用超音波ビーム）である内表面付近探傷用超音波ビーム１３１Ｎ、第２の探傷用超音波ビームである中央部付近探傷用超音波ビーム１３１Ｃ、及び、第１の探傷用超音波ビームである外表面付近探傷用超音波ビーム１３１Ｇを順次送信する形態を採る。この場合、フェイズドアレイ探触子１２０を介して、反射したカップリングチェック用超音波ビーム１３２、反射した内表面付近探傷用超音波ビーム１３１Ｎ、反射した中央部付近探傷用超音波ビーム１３１Ｃ、及び、反射した外表面付近探傷用超音波ビーム１３１Ｇをそれぞれ受信することになる。
（その他の実施形態）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した本発明の実施形態の制御処理装置１４０の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。このプログラム及び当該プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、本発明に含まれる。
なお、上述した本発明の実施形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。即ち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。日本国特許出願、特願２０１２−１５０６８５号の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記載された場合と同程度に、本明細書に参照により取り込まれる。
１００：欠陥検出装置、１１０：音響レンズ、１２０：フェイズドアレイ探触子、１２１：超音波振動子、１３１：探傷用超音波ビーム、１３２：カップリングチェック用超音波ビーム（水判定用超音波ビーム）、１４０：制御処理装置、１４１：被検体条件入力部、１４２：送受信条件設定部、１４３：送受信制御部、１４４：送信部、１４５：受信部、１４６：受信信号処理部、１４７：欠陥判定部、１４８：水判定部、１４９：記録・表示部、２００：電縫鋼管、２００Ｇ：外表面、２００Ｎ：内表面、２１０：溶接部
本発明の第１の観点によれば、溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置であって、前記溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子と、前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接面に対して略垂直に直接入射し且つ前記溶接面に収束するように、前記探傷用超音波ビームを送信するものであり、前記溶接鋼管の管厚みと前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面を前記管厚みの方向に沿った複数の領域に区分し、前記溶接面の区分された各領域に順次前記探傷用超音波ビームが入射するように、複数回に亘り前記探傷用超音波ビームを送信する送信手段と、反射した前記探傷用超音波ビームを前記探傷用超音波振動子群を介して受信する受信手段と、前記受信手段で受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定手段と、を含む欠陥検出装置が提供される。
本発明の第６の観点によれば、前記送信手段は、前記溶接面における前記管厚みの方向の領域の区分数Ｎに応じて前記探傷用超音波振動子群に含まれる複数の超音波振動子をＮ個の群に分割し、前記溶接面の区分された各領域に順次探傷用超音波ビームが入射するように分割された各群から順次探傷用超音波ビームを送信する第１乃至第４のいずれかの観点による欠陥検出装置が提供される。
本発明の第８の観点によれば、前記送信手段は、前記溶接面の区分された各領域に前記探傷用超音波ビームが順次入射するように、前記複数の超音波振動子の一部を含む単一の探傷用超音波振動子群から送信方向を順次切り替えて前記探傷用超音波ビームを送信する第１乃至第５のいずれかの観点による欠陥検出装置が提供される。
本発明の第９の観点によれば、前記送信手段は、前記溶接面の区分された各領域に前記探傷用超音波ビームが順次入射するように、前記複数の超音波振動子の全部を含む探傷用超音波振動子群から送信方向を順次切り替えて前記探傷用超音波ビームを送信するとともに、前記複数の超音波振動子の一部を含む水判定用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面に対して前記水判定用超音波ビームを送信する第３または第４の観点による欠陥検出装置が提供される。
本発明の第１１の観点によれば、前記送信手段は、前記溶接鋼管の管厚みを前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径で割った値について小数第１位以下を切り上げた値を、前記溶接面の前記管厚みの方向における区分数として設定する第１乃至１０のいずれかの観点による欠陥検出装置が提供される。
本発明の第１３の観点によれば、溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子を用いて、前記溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置による欠陥検出方法であって、
前記溶接鋼管の管厚みと前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面を前記管厚みの方向に沿った複数の領域に区分する領域区分ステップと、前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接面に対して略垂直に直接入射するとともに前記溶接面に集束し且つ前記溶接面の区分された各領域に前記探傷用超音波ビームが入射するように、複数回に亘り前記探傷用超音波ビームを送信する第１の送信ステップと、反射した前記探傷用超音波ビームを前記探傷用超音波振動子群を介して受信する第１の受信ステップと、前記第１の受信ステップで受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定ステップと、を含む欠陥検出方法が提供される。
本発明の第１６の観点によれば、溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子を用いて、前記溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置による欠陥検出方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記溶接鋼管の管厚みと前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面を前記管厚みの方向に沿った複数の領域に区分する領域区分ステップと、前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接面に対して略垂直に直接入射するとともに前記溶接面に集束し且つ前記溶接面の区分された各領域に前記探傷用超音波ビームが入射するように、複数回に亘り前記探傷用超音波ビームを送信する第１の送信ステップと、反射した前記探傷用超音波ビームを前記探傷用超音波振動子群を介して受信する第１の受信ステップと、前記第１の受信ステップで受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定ステップと、をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。
本発明の第１の観点によれば、溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置であって、前記溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子と、前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接面に対して略垂直に直接入射し且つ前記溶接面に収束するように、前記探傷用超音波ビームを送信するものであり、前記溶接鋼管の管厚みと前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの、前記溶接鋼管の管厚み方向の内部の変位分布に基づいて決定された有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面を前記管厚みの方向に沿った複数の領域に区分し、前記溶接面の区分された各領域に順次前記探傷用超音波ビームが入射するように、複数回に亘り前記探傷用超音波ビームを送信する送信手段と、反射した前記探傷用超音波ビームを前記探傷用超音波振動子群を介して受信する受信手段と、前記受信手段で受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定手段と、を含む欠陥検出装置が提供される。
本発明の第１３の観点によれば、溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子を用いて、前記溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置による欠陥検出方法であって、
前記溶接鋼管の管厚みと前記溶接面における探傷用超音波ビームの、前記溶接鋼管の管厚み方向の内部の変位分布に基づいて決定された有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面を前記管厚みの方向に沿った複数の領域に区分する領域区分ステップと、前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接面に対して略垂直に直接入射するとともに前記溶接面に集束し且つ前記溶接面の区分された各領域に前記探傷用超音波ビームが入射するように、複数回に亘り前記探傷用超音波ビームを送信する第１の送信ステップと、反射した前記探傷用超音波ビームを前記探傷用超音波振動子群を介して受信する第１の受信ステップと、前記第１の受信ステップで受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定ステップと、を含む欠陥検出方法が提供される。
本発明の第１６の観点によれば、溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子を用いて、前記溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置による欠陥検出方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記溶接鋼管の管厚みと前記溶接面における探傷用超音波ビームの、前記溶接鋼管の管厚み方向の内部の変位分布に基づいて決定された有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面を前記管厚みの方向に沿った複数の領域に区分する領域区分ステップと、前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接面に対して略垂直に直接入射するとともに前記溶接面に集束し且つ前記溶接面の区分された各領域に前記探傷用超音波ビームが入射するように、複数回に亘り前記探傷用超音波ビームを送信する第１の送信ステップと、反射した前記探傷用超音波ビームを前記探傷用超音波振動子群を介して受信する第１の受信ステップと、前記第１の受信ステップで受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定ステップと、をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。

Claims (18)

  1. 溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置であって、
    前記溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子と、
    前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接面に対して略垂直に直接入射し且つ前記溶接面に収束するように、前記探傷用超音波ビームを送信する送信手段と、
    反射した前記探傷用超音波ビームを前記探傷用超音波振動子群を介して受信する受信手段と、
    前記受信手段で受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定手段と、
    を含む欠陥検出装置。
  2. 前記溶接鋼管は、管径が５インチ以下、管厚みが７．５ｍｍ以下の小径の電縫鋼管である請求項１に記載の欠陥検出装置。
  3. 前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間には、前記探傷用超音波ビームが伝播する媒体として水が存在しており、
    前記送信手段は、前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む水判定用超音波振動子群から前記溶接鋼管の外表面に対して略垂直に水判定用超音波ビームを更に送信し、
    前記受信手段は、反射した前記水判定用超音波ビームを前記水判定用超音波振動子群を介して更に受信し、
    前記受信手段で受信した前記水判定用超音波ビームに基づいて、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間が水で満たされているか否かを判定する水判定手段を更に含む請求項１または２に記載の欠陥検出装置。
  4. 前記送信手段は、前記水判定手段で前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間が水で満たされていると判定された場合に、前記探傷用超音波振動子群から前記探傷用超音波ビームを送信する請求項３に記載の欠陥検出装置。
  5. 前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間に前記フェイズドアレイ探触子に対応して設けられ、前記探傷用超音波ビームを前記管軸方向に集束させるための集束レンズを更に含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の欠陥検出装置。
  6. 前記溶接鋼管の管厚みと、前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面における前記管厚みの方向の領域の区分数Ｎを設定する設定手段と、
    前記設定手段により設定された区分数Ｎに応じて前記探傷用超音波振動子群に含まれる複数の超音波振動子をＮ個の群に分割する分割手段と、を更に含み、
    前記送信手段は、前記溶接面の区分された各領域に順次探傷用超音波ビームが入射するように、前記分割手段によって分割された各群から順次探傷用超音波ビームを送信する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の欠陥検出装置。
  7. 前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間に前記フェイズドアレイ探触子に対応して設けられ、前記探傷用超音波ビームを前記管軸方向に集束させるための集束レンズを更に含み、
    前記集束レンズは、前記管軸方向に沿った曲面の曲率半径が、前記複数の超音波振動子の配列方向に沿って変化しており、前記フェイズドアレイ探触子から前記溶接面に至るまでの前記探傷用超音波ビームの伝播距離が大きくなる方向に向けて前記曲率半径が大きくなっている請求項６に記載の欠陥検出装置。
  8. 前記溶接鋼管の管厚みと、前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面における前記管厚みの方向の区分数Ｎを設定する設定手段を更に有し、
    前記送信手段は、前記溶接面の区分された各領域に前記探傷用超音波ビームが順次入射するように、前記複数の超音波振動子の一部を含む単一の探傷用超音波振動子群から送信方向を順次切り替えて前記探傷用超音波ビームを送信する
    請求項１乃至５のいずれか１項に記載の欠陥検出装置。
  9. 前記溶接鋼管の管厚みと、前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径とに基づいて、前記溶接面における前記管厚みの方向の区分数Ｎを設定する設定手段を更に有し、
    前記送信手段は、前記溶接面の区分された各領域に前記探傷用超音波ビームが順次入射するように、前記複数の超音波振動子の全部を含む探傷用超音波振動子群から送信方向を順次切り替えて前記探傷用超音波ビームを送信するとともに、前記複数の超音波振動子の一部を含む水判定用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面に対して前記水判定用超音波ビームを送信する
    請求項３または４に記載の欠陥検出装置。
  10. 前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間に前記フェイズドアレイ探触子に対応して設けられ、前記探傷用超音波ビームを前記管軸方向に集束させるための集束レンズを更に含む請求項９に記載の欠陥検出装置。
  11. 前記設定手段は、前記溶接鋼管の管厚みを前記溶接面における前記探傷用超音波ビームの有効ビーム径で割った値について小数第１位以下を切り上げた値を、前記区分数Ｎとして設定する請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の欠陥検出装置。
  12. 前記有効ビーム径は、前記探傷用超音波ビームの振動による前記溶接鋼管の内部の変位の最大値を１とした場合に、当該変位が０．５以上となる範囲に対応している請求項６乃至１１のいずれか１項に記載の欠陥検出装置。
  13. 溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子を用いて、前記溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置による欠陥検出方法であって、
    前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接面に対して略垂直に直接入射し且つ前記溶接面に集束するように、前記探傷用超音波ビームを送信する第１の送信ステップと、
    反射した前記探傷用超音波ビームを前記探傷用超音波振動子群を介して受信する第１の受信ステップと、
    前記第１の受信ステップで受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定ステップと、
    を含む欠陥検出方法。
  14. 前記溶接鋼管は、管径が５インチ以下、管厚みが７．５ｍｍ以下の小径の電縫鋼管である請求項１３に記載の欠陥検出方法。
  15. 前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間には、前記探傷用超音波ビームが伝播する媒体として水が存在しており、
    前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む水判定用超音波振動子群から前記溶接鋼管の外表面に対して略垂直に水判定用超音波ビームを送信する第２の送信ステップと、
    反射した前記水判定用超音波ビームを前記水判定用超音波振動子群を介して受信する第２の受信ステップと、
    前記第２の受信ステップで受信した前記水判定用超音波ビームに基づいて、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間が水で満たされているか否かを判定する水判定ステップと、
    を更に含む請求項１３または１４に記載の欠陥検出方法。
  16. 溶接鋼管の外表面の外側に設置され、複数の超音波振動子が配列されたフェイズドアレイ探触子を用いて、前記溶接鋼管の管軸方向に沿って形成された溶接面に存在する欠陥を検出する欠陥検出装置による欠陥検出方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
    前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む探傷用超音波振動子群から、前記溶接鋼管の外表面から前記溶接鋼管内に入射した探傷用超音波ビームが前記溶接鋼管の内表面で反射することなく前記溶接面に対して略垂直に直接入射し且つ前記溶接面に集束するように、前記探傷用超音波ビームを送信する第１の送信ステップと、
    反射した前記探傷用超音波ビームを前記探傷用超音波振動子群を介して受信する第１の受信ステップと、
    前記第１の受信ステップで受信した前記探傷用超音波ビームに基づいて、前記溶接面に欠陥が存在するか否かを判定する欠陥判定ステップと、
    をコンピュータに実行させるためのプログラム。
  17. 前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間には、前記探傷用超音波ビームが伝播する媒体として水が存在しており、
    前記複数の超音波振動子のうちの一部または全部を含む水判定用超音波振動子群から前記溶接鋼管の外表面に対して略垂直に水判定用超音波ビームを送信する第２の送信ステップと、
    反射した前記水判定用超音波ビームを前記水判定用超音波振動子群を介して受信する第２の受信ステップと、
    前記第２の受信ステップで受信した前記水判定用超音波ビームに基づいて、前記フェイズドアレイ探触子と前記溶接鋼管の外表面との間が水で満たされているか否かを判定する水判定ステップと、
    を更にコンピュータに実行させる請求項１６に記載のプログラム。
  18. 請求項１６または１７に記載のプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
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