JPWO2018163248A1 - 超音波探傷装置及び超音波探傷方法 - Google Patents
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Abstract
鋼管表面の周方向欠陥の探傷を行う超音波探傷装置において、鋼管に超音波を送信する探触子として、鋼管の表面に表面波を送信する表面波探触子のみが設けられ、表面波探触子の表面波送信方向が鋼管の管軸方向に平行な状態で該表面波探触子の位置が固定されるように構成されている。
Description
本発明は、鋼管の表面に生じる周方向疵等の周方向欠陥を探傷する超音波探傷装置及び超音波探傷方法に関する。
近年、環境問題の観点から様々な材料に３Ｒ技術(リデュース、リユース、リサイクル)を考慮した開発がなされている。鉄鋼分野においては高強度化によるリデュース技術の適用により軽量化が実施されることで省エネが実現されている。しかしながら、一般に鋼材の高強度化は塑性加工等の加工時の疵発生などが起こりやすくなり、材料特性の確保が難しくなる。鋼材の材料特性の確保の観点からは様々な対策が実施されているが、その一環として鋼材の疵や割れを正確に検査することが必要とされている。例えば鋼管表面に形成された疵や割れ等の欠陥の有無を検査するためには、超音波を利用した非破壊の探傷検査を行うことが一般的となっている。
そのような探傷検査方法として、特許文献１には、斜角探触子を用いて鋼管の内部（鋼管のバルク内）に超音波を送信し、鋼管で反射した超音波（以下、“エコー”）を受信することで鋼管の欠陥の有無を検査する方法が開示されている。特許文献１の超音波は、探傷面でのモード変換がない横波、いわゆるＳＨ波であり、鋼管の表面（外面）と裏面（内面）との間を繰り返し反射しながら鋼管の欠陥部まで伝播していく。
特許文献２には、鋼管の表面を伝播する超音波（以下、“表面波”）を送信することで探傷検査を行うことが開示されている。特許文献２の探傷方法では、表面波の送信方向が被検査材の軸心方向に対して斜めになるように表面波探触子を配置しており、螺旋状に伝播する表面波のエコーを検出することで鋼管の欠陥の有無を検査している。
特許文献１のようなＳＨ波を用いる探傷方法は探触子から鋼管に横波を入射させる必要があるが、液浸法で探傷検査を行う場合、探触子と鋼管の間の媒質として通常使用されるような水や油では横波を伝達することができないため、グリセリン等の粘性が高い媒質を利用することが必要となる。そのような粘性の高い媒質を使用する場合、鋼管表面に媒質が残存していると、鋼管の錆び等の発生が懸念されるため、探傷検査後には鋼管表面の媒質を拭き取る必要がある。しかし、媒質の粘性が高いために拭き取りが容易ではなく、媒質を十分に拭き取るまでに時間を要してしまう。これに加え、粘度が高い媒質は温度依存性が非常に高く、年間を通じて同じ媒質を使用していると、疵の検出感度が変わってしまう。検出感度が低下した場合には鋼管の疵を検出できないことも懸念される。これを回避するため、探傷検査を行う季節や時間帯に応じ、検出感度が概ね一定となるよう媒質を変えることも考えられるが、複数種の媒質を管理する手間が増えるほか、適切な媒質と異なる媒質を誤って選択するといったことも懸念される。
一方、ＳＨ波を用いた探傷方法は、鋼管の表面に直接探触子を押し当てる、いわゆるドライカップリング方式で行うことも可能である。しかし、ＳＨ波は鋼管の内部に入射されにくい性質を有するため、探触子を鋼管の表面に押し当てる際には、人間の肌に押し当てる感覚に例えると通常のドライカップリング方式の探傷検査時に比べて、１０倍以上の力で強くしっかりと押し当てる必要がある。このため、探傷検査を行う際には、探傷精度に問題がない程度に探触子が鋼管表面に十分に押し当てられているか確認することが必要となり、探傷検査時間の増加を招くことになる。
また、ＳＨ波のような斜角探触子から送信される超音波を用いた探傷方法の場合、超音波の周波数が小さいと鋼管の欠陥を検出できないおそれがある。しかし、超音波の周波数を大きくしても、鋼管のバルク内で超音波の減衰率が大きくなり、鋼管表面の深さが浅いような周方向欠陥が検出しにくくなってしまう。この場合、探傷検査を繰り返し実施することが必要となり、探傷検査時間が増加することになる。
このように、ＳＨ波を用いた探傷方法は適切な方法で探傷検査を実施しないと探傷精度が下がる一方で、適切な方法で探傷検査を実施しようとすると、探傷検査時間の増加を招くという問題があった。したがって、ＳＨ波を使用する探傷方法とは全く異なる方法で探傷検査を行うことが望まれる。
一方、特許文献２の探傷検査における探傷対象物は、特許文献２に記載された探傷装置の構造や表面波送信方向を考慮すると、棒鋼や線材を前提としており、検出する欠陥の種類は棒鋼や線材表面の長手方向に沿った欠陥である。すなわち、鋼管表面の周方向欠陥を探傷することについては考慮されていない。鋼管表面の周方向欠陥の探傷検査に特許文献２の探傷方法を用いると、鋼管表面を螺旋状に進行する表面波が鋼管表面の周方向欠陥に当たらない場合があり、周方向欠陥の検出漏れが発生するおそれがある。このため、周方向欠陥の検出漏れを防ぐために従来は鋼管を回転させて再度探傷検査を行う等の対応が必要となっており、探傷検査時間が増加し、鋼管の生産性が低下していた。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、鋼管表面の周方向欠陥の探傷検査において、探傷検査時間を短縮し、生産性を向上させることを目的とする。
本発明者らは、鋼管表面を伝播する表面波の回折現象に着目し、表面波が管軸方向に平行な状態で送信された際に、回折した表面波によって鋼管全周の周方向欠陥の有無を検出できるという知見を得た。
上記課題を解決する本発明は、鋼管表面の周方向欠陥の探傷を行う超音波探傷装置であって、前記鋼管に超音波を送信する探触子として、前記鋼管の表面に表面波を送信する表面波探触子のみが設けられ、前記表面波探触子の表面波送信方向が前記鋼管の管軸方向に平行な状態で該表面波探触子の位置が固定されるように構成されていることを特徴としている。
また、別の観点による本発明は、鋼管表面の周方向欠陥の探傷を行う超音波探傷方法であって、前記鋼管に超音波を送信する探触子として、前記鋼管の表面に表面波を送信する表面波探触子のみを用いて、前記表面波探触子を表面波送信方向が前記鋼管の管軸方向に平行となる状態で、前記表面波探触子から前記鋼管の表面に表面波を送信して前記鋼管の探傷を行うことを特徴としている。
本発明に係る探傷検査は、鋼管表面の任意の位置において管軸と平行な向きの表面波を送信することにより、鋼管全周の探傷を行うことができる。すなわち、鋼管の探傷検査中に鋼管を回転させる必要がなく、探傷検査時間を短縮することができる。
本発明によれば、鋼管表面の周方向欠陥の探傷検査において、探傷検査時間を短縮し、生産性を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図１に示すように本実施形態に係る超音波探傷装置１は、鋼管Ｐ表面に表面波Ｕを送信する表面波探触子２と、表面波探触子２を鋼管Ｐの半径方向ｒに移動させる探触子移動機構３と、鋼管Ｐを搬送方向Ｔに沿って搬送する鋼管搬送機構４とを備えている。また、鋼管Ｐの表面には周方向欠陥として周方向ｃに沿った疵（以下、“疵部ＣＰ”）が形成されている。
探触子移動機構３は、表面波探触子２を支持する探触子支持部材５を備えている。表面波探触子２は、表面波Ｕの送信方向が鋼管Ｐの管軸方向ａに平行となるような状態で探触子支持部材５に固定されている。なお、本実施形態においては、鋼管Ｐの搬送方向Ｔの上流側に向けて表面波Ｕが送信されるように表面波探触子２が固定されているが、表面波探触子２は搬送方向Ｔの下流側に向けて表面波Ｕが送信されるように固定されていても良い。また、本実施形態で採用している表面波探触子２は、いわゆる送受信一体型の表面波探触子であり、鋼管Ｐ表面に表面波Ｕを送信する送信部（不図示）と、鋼管Ｐ表面の疵部ＣＰで反射したエコーを受信する受信部（不図示）とを備えている。
図２に示すように、表面波探触子２の下面には鋼管Ｐの表面に接するアクリル製のクサビ６が取り付けられており、超音波探傷装置１はドライカップリング方式の探傷検査が実施されるように構成されている。本実施形態に係るクサビ６は、鋼管Ｐ表面に密接可能な形状を有する板状の部材であり、クサビ６と鋼管Ｐ表面の曲率は概ね同一となっている。クサビ６の形状は、鋼管Ｐの外径によって最適な形状が異なるため、探傷検査を行う際には探傷対象となる鋼管Ｐの外径等に適したクサビ６に適宜交換される。なお、本実施形態では、クサビ６がアクリルで形成されることとしたが、クサビ６の材料はこれに限定されず、表面波Ｕを伝播させることが可能なものであれば他の材料であっても良い。
表面波探触子２にクサビ６を取り付けることは必須ではないが、本実施形態のようにクサビ６が設けられることにより、表面波探触子２と鋼管Ｐの接触面積を大きくすることができ、表面波探触子２と鋼管Ｐとの間に表面波Ｕが伝播しやすくなる。これにより疵部ＣＰで反射したエコーも検出しやすくなり、探傷精度を向上させることができる。
本実施形態に係る超音波探傷装置１は、以上のように構成されている。次に、そのような超音波探傷装置１を用いた超音波探傷方法について説明する。
まず、従来周知の方法で製造された鋼管Ｐが、超音波探傷装置１が設置された探傷検査エリアに搬送される。鋼管Ｐの表面には図１のように疵部ＣＰが存在している。続いて、鋼管Ｐの半径方向ｒに表面波探触子２が移動し、表面波探触子２が鋼管Ｐに押し当てられる。この状態のまま、鋼管Ｐの表面に向けて表面波探触子２から表面波Ｕが送信される。前述の通り、表面波探触子２は表面波Ｕの送信方向が管軸方向ａと平行となる状態で固定されているため、表面波探触子２から送信された表面波Ｕは管軸方向ａに平行に進行する。
このとき表面波探触子２から送信された表面波Ｕは、鋼管表面の放射状に広がりながら回折していく。このため、回折した表面波（以下、“回折表面波Ｕｄ”）は鋼管Ｐに巻き付くように伝播していく。そして、回折表面波Ｕｄは鋼管Ｐに存在する疵部ＣＰに到達し、ここで反射することになる。反射した回折表面波Ｕｄのエコーは、回折表面波Ｕｄが進行してきた経路を戻るようにして表面波探触子２に向かっていく。そして、回折表面波Ｕｄのエコーが表面波探触子２の受信部（不図示）に到達し、そこでエコーが検出されることで、鋼管Ｐの表面に疵部ＣＰが存在することを確認できる。なお、疵部ＣＰが存在しない場合には回折表面波Ｕｄが反射する箇所がないため、エコーは検出されない。
このように本実施形態の探傷方法によれば、表面波送信方向が管軸方向ａと平行な状態で表面波Ｕを送信することで、鋼管Ｐの周方向のいずれかの位置にある周方向欠陥を検出することができる。すなわち、探傷検査時に鋼管Ｐを回転させて何度も探傷検査を行う必要がなく、探傷検査時間を大幅に短縮することが可能となる。これにより鋼管Ｐの生産性を向上させることができる。
また、本実施形態の探傷方法では、超音波を送信する探触子として表面波探触子２のみを使用しているため、探傷検査時のノイズが少なくなり、エコーを検出しやすくなる。これにより探傷精度が向上する。
なお、探傷対象物となる鋼管Ｐの外径は特に限定されない。ただし、現在、一般に入手することが可能な表面波探触子２の仕様を考慮すると、鋼管Ｐの外径は２０００ｍｍ以下であることが好ましい。２０００ｍｍ以下であれば、探傷精度を向上させることができ、微小な欠陥でも検出しやすくなる。また、外径が３００ｍｍ以下であれば、更に探傷精度が向上する。更に好ましい外径は１５０ｍｍ以下である。鋼管Ｐの外径の下限値は、表面波探触子２で表面波Ｕの送受信が可能な外径であれば特に限定されない。また、鋼管Ｐの肉厚は１．５〜１５ｍｍであることが好ましい。
また、本実施形態のような探傷方法は、図４に示す欠陥深さｄが０．０５ｍｍ以上の周方向欠陥を検出することに優れている。欠陥深さｄが０．１ｍｍ以上であれば更に周方向欠陥を検出しやすくなる。加えて、本実施形態の探傷方法によれば、従来の探傷方法では検出できないような欠陥深さｄが０．５ｍｍ以下の微小な欠陥を検出することもできる。なお、“欠陥深さｄ”とは、図４のような管軸方向ａに対する垂直な断面視において鋼管Ｐの外周面を基準面とした場合に、基準面から周方向欠陥部の底までの半径方向ｒの長さのことを指す。
また、本実施形態のような探傷方法は、周方向欠陥の欠陥長さＬが０．１ｍｍ以上の周方向欠陥を検出することに優れている。欠陥長さＬが０．２ｍｍ以上であれば、更に周方向欠陥を検出しやすくなる。加えて、本実施形態の探傷方法によれば、従来の探傷方法では検出できないような欠陥長さＬが５ｍｍ以下の微小な欠陥を検出することもできる。なお、周方向欠陥の“欠陥長さＬ”とは、図４のような管軸方向ａに対する垂直な断面視において鋼管Ｐ外周面と周方向欠陥部の境界点間の距離のことを指す。
また、本実施形態の探傷方法では、鋼管Ｐ表面に表面波探触子２を押し当てて探傷を行うドライカップリング法を用いたが、表面波探触子２と鋼管Ｐ表面との間に水や油等の媒質を供給しながら探傷を行う液浸法を用いても良い。液浸法で探傷を行う場合には探傷精度を向上させるために、表面波探触子２を鋼管Ｐ表面に近づけることが好ましい。ただし、ドライカップリング法を用いた方が探傷装置を簡易な構造にできると共に、媒質の取扱いが不要となり探傷検査を容易に行うことができる。
また、本実施形態では表面波探触子２の位置を固定し、鋼管Ｐを搬送方向Ｔに移動させることで鋼管Ｐの探傷検査を行うこととしたが、表面波探触子２を管軸方向ａに沿って移動させるようにしても良い。例えば、図５のように探触子移動機構３に、管軸方向ａに沿って表面波探触子２を移動させる機構を更に設け、表面波Ｕを送信しながら管軸方向ａに沿って表面波探触子２を移動させるようにしても良い。
また、本実施形態では、送受信一体型の表面波探触子２を用いて探傷検査を行うこととしたが、表面波Ｕを送信する送信機能を有する送信用表面波探触子（不図示）と、エコーを受信する受信機能を有する受信用表面波探触子（不図示）を用いて探傷検査を実施しても良い。この場合、送信用表面波探触子と受信用表面波探触子は、例えば管軸方向ａに沿って直線上に配置すれば良い。送信用表面波探触子と受信用表面波探触子との間に疵部ＣＰがある場合には、送信用表面波探触子から送信された表面波Ｕが、鋼管Ｐ表面の疵部ＣＰで減衰し、表面波Ｕが減衰したことを受信用表面波探触子で検出することで、疵部ＣＰの有無を確認することができる。ただし、より簡易構造の探傷装置とするためには、送受信一体型の表面波探触子を用いることが好ましい。
また、本実施形態では、超音波探傷装置１で探傷検査を実施することとしたが、作業者自らが表面波探触子２を使用して探傷検査を実施しても良い。この場合、作業者が表面波探触子２を鋼管Ｐの表面に押し当てるか、液浸法の場合には鋼管Ｐの表面に接近させることにより探傷検査を実施する。この場合でも、表面波Ｕの送信方向が鋼管Ｐの管軸方向ａと平行となるように表面波Ｕを送信することで、鋼管Ｐを回転させることなく、鋼管Ｐ全周の探傷検査を実施することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
表面に周方向疵が生じている鋼管に、表面波の送信方向が管軸方向に平行となる状態で鋼管表面に表面波探触子を押し当て、本発明に係る探傷検査を実施した。探傷対象物となる鋼管の外径は３４．０ｍｍ、肉厚は４．０ｍｍである。また、超音波を送信する探触子として、送受信一体型の表面波探触子のみを用いており、表面波探触子は周波数が２ＭＨｚ、指向角が２０°のものを使用した。実施例１では、表面波探触子を押し当てる位置を鋼管の周方向に沿って変えていき、各位置における信号レベルを記録した。その結果を図６に示す。
図６では最初に表面波探触子を押し当てた位置を基準位置（０°）としており、図６中に示される角度（以下、“周方向角度”）の数値は、管軸方向に垂直な断面視における基準位置、管軸および周方向に移動させた表面波探触子の押し当て位置とのなす角を示している。実施例１では表面波探触子の押し当て位置を基準位置（０°）から４５°ずつ変化させていった位置で信号レベルを記録している。図６中に記載された“リジェクトレベル”とは、探傷検査の際にノイズに紛れることがない最小の信号レベルを示している。リジェクトレベルを下回る信号レベルが検出された際には、疵等の周方向欠陥を正確に検出できないおそれがある。
図６に示されるように鋼管の周方向のいずれの位置に表面波探触子を押し当てても、信号レベルはリジェクトレベルを上回っている。すなわち、本発明に係る探傷方法によれば、鋼管に存在する周方向疵を適切に検出することができる。
次に、実施例１で用いた鋼管に対し、表面波探触子を押し当てる位置を変えず、同じ位置で探傷検査を１０回繰り返して実施した。そして、各探傷検査における信号レベルを測定し、信号レベルのばらつきを記録した。その結果を図７に示す。
図７に示すように実施例２においては、最大信号レベルが３８％、最小信号レベルが３０％であり、その差は８％であった。実施例１で最も信号レベルが小さくなる表面波探触子の押し当て位置は、図６のように周方向角度が３１５°の位置であり、このときの信号レベルは２０％程度であった。このため、その信号レベルが最大信号レベルであると仮定し、その信号レベルから実施例２の最小信号レベルである８％を引いたとしても、リジェクトレベルを超える信号レベルは十分に確保される。すなわち、実施例１および実施例２の結果によれば、信号レベルのばらつきを考慮したとしても、鋼管の周方向欠陥を適切に検出できることがわかる。
次に、鋼管の外径や、周方向欠陥としての疵のサイズ（図４に示す欠陥深さｄ、欠陥長さＬ）が異なる複数の鋼管を準備し、各鋼管に対して探傷検査を実施した。具体的には、鋼管周方向で信号レベルが最も小さくなる表面波探触子の押し当て位置で繰り返し信号レベルを測定し、最小となる信号レベルを記録した。そして、その最小信号レベルの大きさに基づき、探傷精度について４段階で評価した。“評価Ａ”は、信号レベルがリジェクトレベルを大きく超え、探傷精度が非常に高い場合を示す。“評価Ｂ”は、信号レベルが評価Ａの場合よりも小さいが、探傷精度が十分に高い場合を示す。“評価Ｃ”は、信号レベルが評価Ｂの場合よりも小さいが、探傷精度が高い場合を示す。“評価Ｄ”は、信号レベルがリジェクトレベルを下回り、疵を検出できないおそれがある場合を示す。その評価結果を下記表１に示す。
表１に示すように実施例３では、外径や疵のサイズ（欠陥深さｄ、欠陥長さＬ）が異なるいずれの鋼管においても、信号レベルがリジェクトレベルを超過しており、鋼管の周方向欠陥を適切に検出できることがわかる。実施例３においては評価が“Ｄ”となる場合が存在しなかったが、本発明に係る探傷方法によれば、その他の周方向欠陥を有する鋼管であっても表面波が伝播可能な仕様の鋼管であれば、問題なく周方向欠陥を検出できると推測される。特に、本発明に係る探傷方法においては超音波を送信する探触子として表面波探触子のみを使用しており、エコーを検出する際のノイズが少なくなる。このことが鋼管の探傷精度の向上に寄与し、エコーを検出しやすくなっている。
本発明は、鋼管表面の周方向欠陥の探傷検査に適用することができる。鋼管の種類や用途は特に限定されず、電縫鋼管や鍛接鋼管、シームレス鋼管の探傷検査に適用することができる。
１ 超音波探傷装置
２ 表面波探触子
３ 探触子移動機構
４ 鋼管搬送機構
５ 探触子支持部材
６ クサビ
ａ 鋼管の管軸方向
ｃ 鋼管の周方向
ＣＰ 疵部
ｄ 周方向欠陥の欠陥深さ
Ｌ 周方向欠陥の欠陥長さ
Ｐ 鋼管
ｒ 鋼管の半径方向
Ｔ 鋼管の搬送方向
Ｕ 表面波
Ｕｄ 回折表面波
２ 表面波探触子
３ 探触子移動機構
４ 鋼管搬送機構
５ 探触子支持部材
６ クサビ
ａ 鋼管の管軸方向
ｃ 鋼管の周方向
ＣＰ 疵部
ｄ 周方向欠陥の欠陥深さ
Ｌ 周方向欠陥の欠陥長さ
Ｐ 鋼管
ｒ 鋼管の半径方向
Ｔ 鋼管の搬送方向
Ｕ 表面波
Ｕｄ 回折表面波
Claims (16)
- 鋼管表面の周方向欠陥の探傷を行う超音波探傷装置であって、
前記鋼管に超音波を送信する探触子として、前記鋼管の表面に表面波を送信する表面波探触子のみが設けられ、
前記表面波探触子の表面波送信方向が前記鋼管の管軸方向に平行な状態で該表面波探触子の位置が固定されるように構成されている。 - 請求項１に記載の超音波探傷装置において、
前記鋼管の管軸方向に沿って前記表面波探触子を移動させる探触子移動機構が設けられている。 - 請求項１又は２に記載の超音波探傷装置において、
前記表面波探触子に、前記鋼管の表面に密接する形状を有するクサビが取り付けられている。 - 請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波探傷装置において、
前記表面波探触子が送受信一体型の表面波探触子である。 - 請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波探傷装置において、
ドライカップリング方式の探傷が実施されるように構成されている。 - 請求項１〜５のいずれか一項に記載の超音波探傷装置において、
前記周方向欠陥の欠陥深さが０．０５ｍｍ以上である。 - 請求項１〜６のいずれか一項に記載の超音波探傷装置において、
前記周方向欠陥の欠陥長さが０．１ｍｍ以上である。 - 請求項１〜７のいずれか一項に記載の超音波探傷装置において、
前記鋼管の外径が２０００ｍｍ以下である。 - 鋼管表面の周方向欠陥の探傷を行う超音波探傷方法であって、
前記鋼管に超音波を送信する探触子として、前記鋼管の表面に表面波を送信する表面波探触子のみを用いて、前記表面波探触子を表面波送信方向が前記鋼管の管軸方向に平行となる状態で、前記表面波探触子から前記鋼管の表面に表面波を送信して前記鋼管の探傷を行う。 - 請求項９に記載の超音波探傷方法において、
前記鋼管の管軸方向に沿って前記表面波探触子を移動させながら前記鋼管の探傷を行う。 - 請求項９又は１０に記載の超音波探傷方法において、
前記表面波探触子に、前記鋼管の表面に密接する形状を有するクサビを取り付けて前記鋼管の探傷を行う。 - 請求項９〜１１のいずれか一項に記載の超音波探傷方法において、
前記表面波探触子が送受信一体型の表面波探触子である。 - 請求項９〜１２のいずれか一項に記載の超音波探傷方法において、
前記表面波探触子を前記鋼管に接触させるドライカップリング方式の探傷を行う。 - 請求項９〜１３のいずれか一項に記載の超音波探傷方法において、
前記周方向欠陥の欠陥深さが０．０５ｍｍ以上である。 - 請求項９〜１４のいずれか一項に記載の超音波探傷方法において、
前記周方向欠陥の欠陥長さが０．１ｍｍ以上である。 - 請求項９〜１５のいずれか一項に記載の超音波探傷方法において、
前記鋼管の外径が２０００ｍｍ以下である。
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