KR101004267B1 - 관체의 초음파 탐상 장치 및 초음파 탐상 방법 - Google Patents

관체의 초음파 탐상 장치 및 초음파 탐상 방법 Download PDF

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Abstract

전봉관 등의 용접부의 두께 내부에 위치하는 수 100㎛ 이하의 미소한 결함을, 내면에서 외면까지 빠짐없이 검출할 수 있도록 하고, 나아가서는 관의 사이즈 교체시에도 용이하게 최적의 조건을 설정할 수 있는 관체의 초음파 탐상 장치 및 초음파 탐상 방법이다. 리니어 어레이 탐촉자의 일부의 진동자군을 송파용 진동자군으로서 이용하여 상기 용접부에 경사각에서 집속시킨 송파빔을 송파하고, 상기 송파용 진동자군과는 상이한 부분의 진동자군을 수파용 진동자군으로서 이용하고, 상기 송파빔의 집속 위치에 있어서 경사각에서 집속하는 수파빔을 형성하여, 상기 용접부로부터의 결함 에코를 수파한다.

Description

관체의 초음파 탐상 장치 및 초음파 탐상 방법{ULTRASONIC TESTING SYSTEM AND ULTRASONIC TESTING TECHNIQUE FOR PIPE MEMBER}
본 발명은, 용접 강관의 용접부에 발생하는 미소한 결함을 초음파 탐상 (探傷) 에 의해 고정밀도로 검출하기 위한 관체의 초음파 탐상 장치 및 초음파 탐상 방법에 관한 것이다.
용접 강관에서는 용접부의 품질이 매우 중요하며, 제조 공정에 있어서는 일반적으로 초음파 경사각 탐상에 의해 용접부의 온라인 탐상이 실시되고 있다. 이 방법은, 피검재의 검사면에 대해서 비스듬하게 초음파를 입사시켜, 결함에서 반사된 반사파로부터 피검재의 내외 표면 결함 및 내부 결함을 검출하는 것이다. 통상, 예를 들어 전봉관 (電縫管) 에서는 5㎒ 에서 45°의 굴절각을 갖는 초음파빔에 의한 반사법이 적용되어, ㎜ 오더의 크기 결함, 예를 들어 용해 불량, 용락, 개재물에 의한 균열 등의 결함이 검출된다.
한편, 최근에는 용접 강관에 대한 품질 요구가 엄격해져, 종래보다 작은 결함의 검출이 요구되고 있다. 예를 들어, 전봉관에서는 냉접 결함이나 미소 페네트레이터, 레이저 용접관에서는 블로우홀 등으로, 이들 결함의 크기는 수 10㎛ ∼ 수 100㎛ 로 매우 미소하다. 또, 발생 위치는 용접선을 따라 내면에서 외면 까지의 어느 장소에서도 발생할 가능성이 있고, 결함의 위치에 따라서는 초음파빔의 입사점과 귀점이 상이하다. 이들 영향 때문에, 종래 실용되고 있는 초음파 탐상법으로는 검출할 수 없는 경우가 많아, 보다 고정밀도로 검출할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
용접 강관의 미소 결함을 검출하는 방법으로서 지금까지 이하와 같은 종래 기술이 개시되어 있다. 특허 문헌 1 에서는, 경사각 탐상에 있어서 주파수 8㎒ 이상의 포인트 포커스형 탐촉자를 사용하도록 하고, 페네트레이터에 대한 검출능을 향상시키도록 하고 있다. 또, 특허 문헌 2 에서는, 어레이 탐촉자에 의해 포커스 빔을 형성하여 검출능을 향상시켜, 섹터 스캔에 의해 용접부의 내면측에서 외면측까지를 스캔하도록 하여 블로우홀을 검출할 수 있게 하고 있다.
또, 특허 문헌 3 에서는, 초음파의 주파수를 25㎒ 이상 500㎒ 이하로 하여 입사각 0°이상 20°이하에서 관 외면측으로부터 용접부에 입사시킴으로써, 수 ㎛ 이하의 미세한 FeO 가 군을 이루어 협잡되어 있는 냉접 결함을 검출할 수 있도록 하고 있다. 또한, 특허 문헌 4 에서는, 주파수 20㎒ ∼ 80㎒ 의 포인트 포커스형 탐촉자를 복수 이용하여 시임 바로 윗쪽으로부터 집속 위치가 3㎜ 이하의 피치가 되도록 배치함으로써, 0.1㎜ 이상의 블로우홀을 검출할 수 있도록 하고 있다.
또한, [발명의 개시] 에 있어서, 하기의 특허 문헌 5 를 인용하므로, 여기에 함께 기재해 둔다.
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 소60-205356호
특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 평11-183446호
특허 문헌 3 : 일본 공개특허공보 소61-111461호
특허 문헌 4 : 일본 공개특허공보 평7-35729호
특허 문헌 5 : 일본 공개특허공보 평4-274756호
그러나, 상기 서술한 개시 기술에서도, 이하에 서술하는 바와 같은 문제가 남아 있었다. 먼저 특허 문헌 1 의 방법으로는, 집속된 초음파의 빔 폭이 좁기 때문에, 용접부의 깊이 방향 (강관의 두께 방향) 의 전역을 빠짐없이 탐상하기 위해서는, 수많은 채널이 필요하여 설비 비용이 높아지는 데다, 관의 사이즈가 바뀌었을 때의 위치 조정 등이 매우 번거롭다는 문제가 있다. 또, 결함 형상이 블로우홀 형상이 아니라 페네트레이터나 냉접과 같이 면 형상이고, 또한 위치가 두께 내부에 있는 경우에는, 반사파가 입사 방향과는 상이한 방향으로 가기 때문에 검출이 곤란하다.
또 특허 문헌 2 의 방법으로는, 어레이 탐촉자가 1 개로 충분하며, 사이즈 교체시의 설정도 전자적으로 실시할 수 있으므로, 특허 문헌 1 에서 나타낸 전자의 문제는 없지만, 후자의 문제에 대해서는 여전히 미해결 상태이다.
추가로 결함 형상이 상기와 같이 면 형상인 경우, 예를 들어 전봉관에서는 시임부에 업셋이 걸려 있기 때문에 시임 바로 윗쪽에서 본 결함의 폭은 100㎛ 이하로 매우 가늘고, 특허 문헌 3 및 특허 문헌 4 의 방법으로도, 실제로는 결함으로부터의 반사파가 매우 약해서 검출이 곤란한 경우가 많다. 또, 표면 에코 근방의 1 ∼ 2㎜ 정도는 표면 에코의 잔향에 의해 불감대가 되기 때문에, 결함 위치가 외면 근방에 있는 경우에는 검출할 수 없다는 문제가 있다.
이렇게, 용접 강관의 관축 방향의 용접부에 발생하는 수 100㎛ 정도 이하의 미소 결함을 검출하는 기술은, 용접부를 잘라낸 테스트 샘플을, 오프 라인에서 측정하는 C 스캔법이면 가능하지만, 수 100㎛ 정도 이하의 결함을 비파괴로, 또한, 온라인에서 고정밀도로, 안정적으로 검출하는 기술은 아직 확립되어 있지 않았다.
발명의 개시
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 전봉관 등의 용접부의 두께 내부에 위치하는 수 100㎛ 이하의 미소한 결함을, 내면에서 외면까지 빠짐없이 검출할 수 있도록 하는 것을 제 1 목적으로 하고, 나아가서는 관의 사이즈 교체시에도 용이하게 최적인 조건을 설정할 수 있게 하는 것을 제 2 목적으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치 및 초음파 탐상 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위해서, 구체적으로는 이하와 같은 수단이 제공된다.
본 발명의 제 1 발명은, 관체의 관축 방향 용접부의 용접면과 상기 관체의 내면에 대해서, 각각 33.2°내지 56.8°의 범위 내의 각도에서 입사하도록 초음파를 송파하는 송파부와, 상기 용접면에서의 정반사 방향에 대해 -12°내지 16°의 범위 내의 방향으로 반사된 일부 또는 전부의 반사파를 수파하는 수파부를 갖고, 상기 송파부 및 상기 수파부가, 관체 둘레 방향에 배치된 1 또는 2 이상의 어레이 탐촉자 상의 상이한 진동자군으로 이루어지는 송수신부와,
상기 어레이 탐촉자 상에서 상기 송파부 및 상기 수파부에 대응하는 진동자군을 변경하는, 또는 상기 어레이 탐촉자의 각도를 변경하도록 제어하여 상기 관체의 두께 방향으로 주사함과 함께, 상기 용접면과 상기 내면에 대한 입사 각도 및 상기 용접면에서의 반사파의 각도가 송파 및 수파에 대해서 각각 규정된 범위 내로 유지되도록, 각 송파 및 수파에서의 관체에 대한 초음파의 입사각을 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치이다.
또 본 발명의 제 2 발명은, 제 1 발명의 관체의 초음파 탐상 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 진동자군에서의 각 진동자의 송파 타이밍 또는 수파 타이밍의 적어도 일방을 어긋나게 함으로써, 상기 용접면과 상기 내면에 대한 입사 각도 및 상기 용접면에서의 반사파의 각도가 상기 각각 규정된 범위 내로 유지되도록, 상기 관체에 대한 입사각 및 초점 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치이다.
또 본 발명의 제 3 발명은, 제 1 발명의 관체의 초음파 탐상 장치에 있어서, 상기 관체에 대한 송파측의 초음파 또는 수파측의 초음파의 적어도 일방의 입사각을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치이다.
또 본 발명의 제 4 발명은, 제 3 발명의 관체의 초음파 탐상 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 관체에 대한 초음파의 입사각이 일정해지도록 각 진동자의 송파 또는 수파의 적어도 일방을 제어하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치이다.
또 본 발명의 제 5 발명은, 제 4 발명의 관체의 초음파 탐상 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 관체의 곡률에 기초하여, 진동자군에서의 각 진동자의 송파 타이밍 또는 수파 타이밍의 적어도 일방을 어긋나게 함으로써, 상기 관체에 대한 입사각 및 초점 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치이다.
또 본 발명의 제 6 발명은, 제 3 발명의 관체의 초음파 탐상 장치에 있어서, 상기 어레이 탐촉자는, 상기 관체 둘레 방향을 따르도록 곡률을 갖게 하여 진동자군을 배치하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치이다.
또 본 발명의 제 7 발명은, 제 1 발명의 관체의 초음파 탐상 장치에 있어서, 상기 송파부 또는 수파부의 적어도 일방은, 집속 계수 5dB 이상 50dB 이하가 되는 초음파를 송파하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치이다.
또 본 발명의 제 8 발명은, 제 1 발명의 관체의 초음파 탐상 장치에 있어서, 상기 어레이 탐촉자에는, 송파빔 및 수파빔을 관체의 관축 방향으로 집속시키기 위한 음향 렌즈를 구비하고, 그 음향 렌즈의 초점 거리를, 용접부에 가까울수록 짧게, 용접부에서 멀수록 길게 설정하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치이다.
또 본 발명의 제 9 발명은, 제 1 발명의 관체의 초음파 탐상 장치에 있어서, 상기 송수신부는, 복수의 어레이 탐촉자로 이루어짐과 함께, 각각의 어레이 탐촉자 상에 송파부 및 수파부를 갖는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치이다.
또 본 발명의 제 10 발명은, 제 1 발명의 관체의 초음파 탐상 장치에 있어서, 상기 송수신부는, 송파부와 수파부가 각각의 어레이 탐촉자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치이다.
또 본 발명의 제 11 발명은, 제 1 발명의 관체의 초음파 탐상 장치에 있어서, 상기 송수신부는, 송파부와 수파부가 각각의 어레이 탐촉자로 이루어지고, 상기 제어부는, 각 어레이 탐촉자로부터의 송파빔 및 수파빔의 편향각을 변경하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치이다.
또 본 발명의 제 12 발명은, 제 1 발명의 관체의 초음파 탐상 장치에 있어서, 상기 제어부는, 송파빔의 주사선과 수파빔의 주사선이, 관체 둘레 방향의 복수의 위치에 있어서 교차하도록, 각 송파 또는 수파의 적어도 일방에서의 상기 관체에 대한 초음파의 입사각 및 초점 위치를 변경하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치이다.
또 본 발명의 제 13 발명은, 관체 둘레 방향에 배치된 1 또는 2 이상의 어레이 탐촉자 상의 상이한 진동자군으로 이루어지는 송파부 및 수파부로 구성되는 관체의 초음파 탐상 장치를 이용하고, 상기 관체의 관축 방향 용접부의 용접면과 상기 관체의 내면에 대해서, 각각 33.2°내지 56.8°의 범위 내의 각도에서 입사하도록 상기 송파부에 의해 초음파를 송파하고,
상기 용접면에서의 정반사 방향에 대해서 -12°내지 16°의 범위 내의 방향으로 반사된 일부 또는 전부의 반사파를 상기 수파부에 의해 수파하고,
상기 어레이 탐촉자 상에서 상기 송파부 및 상기 수파부에 대응하는 진동자군을 변경하는, 또는 상기 어레이 탐촉자의 각도를 변경하도록 제어하여 상기 관체의 두께 방향으로 주사하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 방법이다.
또 본 발명의 제 14 발명은, 제 13 발명의 관체의 초음파 탐상 방법에 있어서, 상기 진동자군에서의 각 진동자의 송파 및/또는 수파 타이밍의 어긋나게 하여, 상기 관체에 대한 입사각 및 초점 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 방법이다.
또 본 발명의 제 15 발명은, 제 13 발명의 관체의 초음파 탐상 방법에 있어서, 상기 관체에 대한 송파측의 초음파 또는 수파측의 초음파의 적어도 일방의 입사각을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 방법이다.
추가로 본 발명의 제 16 발명은, 제 13 발명의 관체의 초음파 탐상 방법에 있어서, 상기 송파부 또는 수파부의 적어도 일방은, 집속 계수 5dB 이상 50dB 이하가 되는 초음파를 송파하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 방법이다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예를 설명하는 도면이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 주사의 순서예를 나타내는 도면이다.
도 3a 및 3b 는 본 발명에 있어서 필요한 집속능을 조사한 실험예를 나타내는 도면이다.
도 4 는 주사선과 대표점의 탐상 조건 계산 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5 는 주사선 (A) 에 대해서 지연 시간을 계산한 결과와 송파의 원리를 나타낸 도면이다.
도 6 은 주사선 (C) 에 대해서 지연 시간을 계산한 결과와 수파의 원리를 나 타낸 도면이다.
도 7 은 용접부를 탐상한 결과 (미소 결함 분포의 일례) 를 나타내는 도면이다.
도 8 은 본 발명의 제 2 실시예를 설명하는 도면이다.
도 9 는 본 발명의 제 3 실시예를 설명하는 도면이다.
도 10 은 본 발명의 제 4 실시예를 설명하는 도면이다.
도 11 은 본 발명의 제 5 실시예를 설명하는 도면이다.
도 12 는 본 발명의 제 6 실시예를 설명하는 도면이다.
도 13 은 본 발명의 제 7 실시예를 설명하는 도면이다.
도 14 는 각 진동자에게 부여하는 지연 시간의 계산을 설명하는 도면이다.
도 15a 및 15b 는 비탠덤 구성과 탠덤 구성과의 비교를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 16a 내지 16e 는 비탠덤 구성을 취하는 종래법과 탠덤 탐상법의 비교예를 나타내는 도면이다.
도 17a 내지 17c 는 피검사 관체에 형성한 드릴 구멍을 설명하는 도면이다.
도 18a 내지 18c 는 결함의 크기와 반사 지향성의 관계를 설명하는 도면이다.
도 19 는 본 발명에 관련된 초음파 탐상 장치의 기능 구성예를 나타내는 도면이다.
도 20 은 주파수와 집속 계수의 관계를 나타내는 도면이다.
도 21a 내지 21c 는 평강판에서의 모드 변환 로스를 설명하는 도면이다.
도 22a 및 22b 는 강관에서의 모드 변환 로스를 설명하는 도면이다.
도 23 은 관체에서의 전파 경로예를 표시하는 도면이다.
도 24 는 반사 특성을 설명하는 도면이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
발명자는, 전봉 용접 강관의 관축 방향 용접면에서는, 그 기계적 특성에 페네트레이터 등의 미소 결함의 존재가 크게 영향을 미치므로, 미소 결함에서의 반사 특성의 해석이나 곡률을 갖는 강관에서의 복잡한 전파 경로의 해석을 실시하여, 수 100㎛ 정도 이하, 경우에 따라서는 100㎛ 정도 이하의 미소 결함이어도, 비파괴로, 또한, 온라인으로 검출할 수 있는 기술을 개발하였다.
먼저, 페네트레이터의 결함 특성을 조사하여, 관 둘레 방향으로 얇게, 그 관 둘레 방향과 직교하는 관축 방향 용접면 내에는 펼쳐진 평탄한 형태를 갖는 것에 주목하여, 용접면에 대해 초음파를 입사시켜, 그 반사파를 정반사 방향 근방의 각도로 검출하면 수 100㎛ 정도 이하의 미소 결함에 대해서도 고감도로 신호 검출할 수 있는 것을 알아냈다. 그 때문에 일반적으로는 강관의 초음파 탐상에는 이용되지 않는 송신ㆍ수신 탐촉자의 탠덤화 (송신 위치와 수신 위치를 별도로 한다) 를 검토하여, 이러한 탠덤화된 탐촉자이어도, 어레이 탐촉자를 사용함으로써 온라인에서 연속적인 탐상을 할 수 있는 발명에 이르렀다.
그러나, 이렇게 송신 진동자와 수신 진동자를 각각의 위치 (어레이 탐촉자이 면 사용하는 진동자군을 다르게 한다) 에 배치한 탠덤 구성은, 평강판이면 비교적 용이하게 적용할 수 있지만, 곡률을 갖는 강관에 대한 적용은 용이하지 않다. 본 발명에서는, 탠덤 구성에 의해, 고감도로 미소 결함을 검출할 수 있는 기술을 목표로 하고 있지만, 탠덤 구성에 의해 향상시킨 감도를 저감시키지 않고, 유지하는 것이 중요하다. 이것을 실현하기 위해서는, 횡파 초음파가 강관의 내외면이나 결함에서 반사될 때에 일부가 종파로 변환되어 초음파가 감쇠하는 현상인 모드 변환 로스를 발생시키지 않도록 해야 한다.
그러나, 어레이 탐촉자를 그대로 강관의 둘레 방향에 배치한 것으로는, 어레이 상의 송파부의 위치나 초음파의 강관 입사 위치가 변하면, 곡률을 갖는 관체에 대해서는 초음파의 입사 각도 대응하여 변하게 된다. 그 때문에 굴절률도 변하고, 강관 내외면이나 결함에서 초음파가 반사할 때의 입출사 각도도 변하게 되어, 조건에 따라 모드 변환 로스를 일으키지 않는 이론적 범위를 벗어날 가능성이 있다.
여기에서는, 입사각 그 자체가 중요하지 않고, 입사각에 대응하는 굴절각의 값 자체가 중요하지만, 입사각을 제어하면 원하는 굴절각을 얻을 수 있다. 본 발명은, 탠덤 구성의 초음파 탐상 장치의 적용 대상이 관체인 경우이어도, 그 곡률을 고려하여 입사각을 제어함으로써, 굴절각이 모드 변환 로스를 발생시키지 않는 이론적 범위에 들어가도록 한 것이다.
본 발명의 다른 국면에서는, 곡률을 갖는 관체에 탠덤화된 어레이 탐촉자를 적용할 때에 추가적인 연구를 추가하고 있다. 먼저, 일반적인 어레이 탐촉자는 직선 형상으로서, 이것을 둘레면에 대해서 배치하기 때문에, 둘레 방향에는 어레이 탐촉자의 진동자군과 관 외면의 상대 각도는 변화하게 된다. 즉, 용접부를 주사하기 위해서, 송파부와 수파부를 구성하는 진동자군의 어레이 탐촉자 상의 위치를 변화시켜 이동시킬 때에, 진동자군으로부터 송파하는 송파빔이나 수파하는 수파빔의 주사선 각도를 어레이 탐촉자면에 대해서 일정 각도에서 초음파를 출사시키면, 특정한 송수신과 그 밖의 송수신에서는 관체에 대한 입사각이 변한다. 이 때문에, 관체 내에서의 그 후의 전파에 있어서 초음파의 굴절 각도나 반사 각도도 상이해지게 된다. 즉, 입사각 조건에 따라, 관에 대한 입사 후의 초음파의 전파 경로가, 관의 내면 반사 후에 용접부가 아니라 외면에서 반사하거나 관으로부터 출사된 초음파가 어레이 탐촉자의 범위외의 위치를 통과한다는 문제가 발생한다.
이렇게, 평강판 검사에서의 어레이 탐촉자의 주사 기술에서는, 곡률을 갖는 관체에 있어서는, 송파부와 수파부를 어레이 탐촉자 상의 적절한 위치로 설정하는 것이 곤란해진다. 발명자는, 송파측 혹은 수파측 중 적어도 어느 일방, 바람직하게는 쌍방의 입사각을 주사를 통해서 일정 각도로 유지함으로써, 이러한 곤란을 해결할 수 있는 것을 생각하기에 이르렀다. 이로써, 관체 내부의 굴절각이 일정해져, 관체이어도 송파부와 수파부의 위치 관계를 기하학적으로 구할 수 있고, 송파부와 수파부를 적절한 위치로 설정할 수 있었다. 또한, 이후에 상세하게 설명하겠지만, 입사각을 일정하게 하는 수단으로서는, 송파부를 구성하는 진동자군에 있어서의 각 진동자의 송파를 제어하거나, 리니어 어레이 자체를 관체와 거의 동일한 곡률로 구성시키면 된다.
본 발명의 추가적인 다른 국면은, 일정 이상의 고감도화를 실현하기 위한 집속 조건을 알아낸 것에 있다. 탠덤 구성이 아닌 종래 기술에서는, 원래 외란 노이즈가 있기 때문에 빔 집속도를 높혀도, 집속 효과를 충분히 확인할 수 없었다. 이에 대하여, 본 발명에서는, 탠덤 구성에 의해 용접면에서의 정반사파를 수파함으로써, 외란 노이즈 등의 영향을 없앴기 때문에, 초음파빔의 집속 효과가 충분히 발휘되는 것도 확인할 수 있었다. 이 집속 효과의 현저성에 착안하여, 발명자는 높이 (관 두께 방향의 사이즈) 100㎛ 정도의 페네트레이터이어도, 현상황의 하드웨어 제약의 범위에서 측정할 수 있는 것을 찾아내어 그 검출 조건을 특정하였다. 이 검출 능력은, 본 발명의 높이 수 100㎛ 정도 이하의 미소 결함 검출 능력에 있어서도, 충분한 검출 능력을 가지며 고성능에 속한다.
먼저, 발명자는, 검출 대상으로 하는 결함의 반사 특성의 조사를 실시하여, 미소 결함을 검출하기 위한, 초음파의 결함에 대한 입사각이나, 결함에서 반사하는 반사파에 대해 수파하는 초음파의 반사각의 최적 범위를 구하였다. 상세한 것을 이하에 기재한다.
[결함의 반사 특성의 해석]
본 발명이 대상으로 하는 전봉 용접 강관의 용접부에 존재하는 페네트레이터나 냉접 결함 등의 미소 결함은, 용접부를 업셋하여 용접 강관을 제조하기 때문에, 관 둘레 방향에는 붕괴되어 얇아지며, 한편, 관 두께 (관 직경) 방향과 관축 방향, 즉, 관축 용접면 내에는 늘려져 면적을 갖는 평탄한 형상으로 상정된다.
그래서, 결함의 크기와 반사 지향성의 관계를 이론적으로 검토하여, 도 18 에 나타낸 결과를 얻었다. 여기에서, 도 18 에 나타낸 결과는, 도 24 에 나타내는 바와 같이, 초음파를 -45°방향으로 입사시켜, 주파수 10㎒ (도 18a), 15㎒ (도 18b), 20㎒ (도 18c) 에 있어서, 각각 관 두께 방향에 대응하는 (도 24 에서는 횡방향에 대응한다) 결함 사이즈 0.1㎜, 0.2㎜, 0.4㎜, 0.8㎜ 의 조건에서, 각 반사 각도에 있어서의 신호 강도를 이론적으로 계산하여 구한 것이다. 또한, 도 18 의 종축은 정반사 각도인 45°의 신호 강도를 기준치 1 로 하여 규격화한 상대값으로 나타내고 있다. 어느 경우에도 초음파를 입사시킨 -45°방향으로 반사하는 반사파의 신호 강도는 매우 낮고, 정반사 방향 45°인 대략 0.2 이하이다. 어느 경우에도 정반사 방향인 45°방향이 가장 강한 것을 알 수 있다.
이 계산 조건에서 지향성이 가장 예리한 결함 사이즈 0.8㎜ 의 20㎒ 에서는, 정반사 각도의 신호 강도에 대해서, 신호 강도가 반 (도 18 에서 값이 0.5) 이 되는 각도는 40°∼ 50°의 범위이다. 이렇게, 결함 사이즈에 의해 지향성은 상이하므로, 검출하자 하는 결함의 크기에 따라 수파빔의 용접부에 대한 입사각의 범위를 결정하면 된다. 예를 들어, 보다 큰 결함도 감도의 저하 없이 검출하기 위해서는 수파빔의 용접부에 대한 입사각은 45°에 가까운 각도가 바람직하고, 예를 들어 15㎒ 에서 0.8㎜ 의 결함의 신호 강도 저하를 반으로 억제하려면 39°∼ 52°이내인 범위가 바람직하다. 반대로 예를 들어 15㎒ 에서 0.4㎜ 이하만의 작은 결함을 대상으로 하는 경우에는 33°∼ 61°의 범위로도 바람직하다.
상기 해석에 의해, 결함에 있어서의 초음파의 반사 신호는, 정반사 방향을 피크로 하여 신호 강도가 높은 것을 알아냈다. 그 정반사 방향의 초음파를 수 파하는 것이 가장 바람직하지만, 반사 강도가 피크의 50% 면 충분히 검출할 수 있으므로, 그 범위에 대응하는 각도 범위에 반사한 초음파를 수파하면 되는 것을 알 수 있었다.
도 18b 에 나타내는, 주파수 15㎒ 에서 결함 사이즈 0.4㎜ 의 반사 지향성의 결과로 하면, 반사 강도가 피크의 50% 이상이 되는 반사 각도가 33 ∼ 61°이기 때문에, 정반사 각도인 45°를 기준으로서 -12°∼ +16°의 범위가 바람직한 범위이다. 또, 주파수 20㎒ 에서 결함 사이즈 0.8㎜ 까지를 대상으로 하면, 정반사 각도에 대해서, -5 ∼ +5°의 범위가 바람직한 범위가 된다. 또, 상기 서술한 예는, 결함에 대한 입사각 45°에서 반사 각도 특성을 나타냈지만, 반대의 반사 각도를 45°로 했을 때의 입사각 특성도 동일한 결과가 얻어진다. 또, 45°이외의 입사 각도이어도, 후술하는 모드 변환 로스의 조건을 클리어할 수 있는 입사 각도 범위이면 거의 동일한 특성이 얻어진다.
그리고, 이 결함의 반사 특성에 기초하여, 초음파 센서의 구성에 대해서 검토한 내용에 대해서 이하에 설명한다.
[탠덤 구성]
상기와 같은 결함 반사 특성의 견지에 의하면, 결함에서의 정반사 방향을 중심으로 하여 소정의 각도 범위로 반사된 초음파를 수파하기 위해서는, 수파용 초음파 탐촉자를 송파용 초음파 탐촉자와는 다른 위치에 배치하는, 이른바 탠덤 배치의 구성으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 특허 문헌 1 과 같은, 포인트 포커스형 탐촉자를 사용하여, 용접부의 관 두께 방향 (관 직경 방향) 으로, 빠짐 없이 검 사를 하기 위해서, 복수의 탐촉자를 배치할 필요가 있다. 또, 보다 작은 결함을 검출하기 위해서, 빔을 집속하기 위한 대개구경화(大開口徑化)를 지향하게 된다. 이것을, 장치 구성으로서 실현하기 위해서는, 엔지니어링면에서, 비용면에서 매우 곤란하다.
그래서, 본원 발명에 있어서는, 어레이 탐촉자를 사용하여 탠덤 구성으로 하였다. 어레이 탐촉자를 사용함으로써, 송파부의 진동자군과 수파부의 진동자군, 및/또는 송파시의 굴절각과 수파시의 굴절각을 순차 변경해 나감으로써, 초음파빔의 집속 위치를 용접부의 관 두께 방향의 내면측에서 외면측까지 (혹은, 외면측에서 내면측까지. 방향은 어느 쪽이어도 된다) 주사시킬 수 있고, 내면측에서 외면측까지 불감대없이 탐상할 수 있게 된다. 또, 어레이 탐촉자를 사용하고 있기 때문에, 관의 사이즈가 바뀌어도, 주사 범위 및 집속 위치를 용이하게 변경할 수 있어 사전의 설정 조정이 매우 간단하게도 된다. 이렇게, 어레이 탐촉자의 진동자를 탠덤 배치가 되도록 선택하고, 또한, 두께 방향으로 빠짐 없는 검사를 실현하도록 하였다.
또한, 이 탠덤 구성은 정반사 방향에 대해 소정의 각도 범위의 반사파를 수파함으로써 감도 향상의 장점이 있지만, 그 이외에, 이하에 서술하는 바와 같이 그 밖의 감도 향상 효과가 있고, 미소 결함을 확실하게 검출하기 위해서는, 탠덤 구성으로 하는 것이 필요하다는 지식을 얻게 되었다.
도 15 는, 비탠덤 구성과 탠덤 구성이라는 비교를 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 15a 는 어레이 탐촉자를 사용하여, 송파부와 수파부를 동일하게 하는 일반적인 반사법으로 용접부를 탐상하는 경우를 나타낸 것이다. 초음파는, 어레이 탐촉자의 진동자군으로부터 발하여져, 관 외면에서 굴절하여 관의 내부에 들어가 용접부에 도달한다. 결함이 있으면 반사하고, 송파시와 동일한 경로를 따라서 송파한 진동자군에 입사되어 수파된다. 여기에서, 수파할 때에, 결함으로부터의 반사파 이외에, 어레이 탐촉자 내부에서의 잔향, 관 외면의 표면 거침도에서 기인하는 난반사파, 관 외면에서 반사하여 어레이 탐촉자나 그 유지부 등에서의 반사파, 관 내면의 표면 거침도나 비드 절삭 잔재에서의 반사파가, 어레이 탐촉자 을 향한다. 이렇게, 일반적인 반사법인 경우에는, 이들 불필요한 반사파, 즉 노이즈가 결함 신호에 중첩하여 수파되므로, 신호 감도, S/N 비가 나쁜 상태의 검출을 실시하고 있다. 또, 그 노이즈 제거는 매우 곤란한 것이다.
한편, 도 15b 에 본 발명에 의한 송파와 수파를 다른 진동자군을 이용한 탠덤 구성으로 하는 탠덤 탐상법의 경우를 나타냈다. 초음파는, 어레이 탐촉자의 송파용 진동자군으로부터 발하여져, 관 외면에서 굴절하여 관의 내부에 들어가 용접부에 도달한다. 결함이 있으면 그곳에서 반사되며, 이 때, 정반사 방향으로 가장 강하게 진행하고, 그 후 관 내면에서 반사한 후 관 외면에 도달하고, 굴절하여 수파용 진동자군에 입사하고 수파된다. 이러한 경로를 더듬어 가기 때문에, 어레이 탐촉자 내부에서의 잔향, 관 외면의 표면 거침도에서 기인하는 난반사, 관 외면에서 반사하여 어레이 탐촉자나 그 유지부 등으로 반사, 관 내면의 표면 거침도나 비드 절삭 나머지에서의 반사는, 모두 송파용 진동자군으로 향하지만, 수파용 진동자군에는 도달하지 않는다. 즉, 본 발명의 탠덤 구성에 있어서의 수파용 진동자군에서 수파하는 신호에는, 초음파의 난반사에서 기인되는 노이즈 에코가 중첩되지 않고, 노이즈의 영향을 거의 받지 않아, 도 15a 에 나타내는 일반적인 반사법에 비해 매우 높은 S/N 을 얻을 수 있게 되며, 정반사 방향의 반사파를 취하는 것의 효과와 노이즈 저감의 효과가 얻어져, 미소 결함의 검출을 가능하게 하는 것이다.
도 16 은, 탠덤 구성을 취하지 않는 송수파를 동일한 탐촉자로 실시하는 종래법과 본 발명에 의한 탠덤 탐상법을 비교한 탐상 결과의 일례이다.
또한, 비교하기 위해서 사용한 피검사 관체에는, 도 17 에 나타내는 바와 같은 3 종류의 드릴 구멍을 형성하고 있다. 즉, 도 16e 에 나타내는 바와 같은, 상이한 두께 방향의 3 지점에, 두께 방향과 관축 방향으로 이루어지는 면에 대해서, 직교 방향에 뚫은 φ1㎜ 의 드릴 구멍 (도 17a), 두께 방향에 φ1.6㎜ 로 관통하는 드릴 구멍 (도 17b), 및 관축 방향에 φ1.6㎜ 로 관통하는 드릴 구멍 (도 17c) 이다.
도 16a 는 종래법에서의 탐상 화상 데이터, 도 16c 는 본 발명에서의 탐상 화상 데이터로서, 탐상 화상도 16a, 도 16c 의 검출 상황을 설명하기 위해서, 도 16b 는 도 16a 를 모식적으로 나타낸 도면, 도 16d 는 본 발명에서의 탐상 화상인 도 16c 를 모식적으로 나타낸 도면이다. 또한, 화상 데이터 도 16a, 도 16c 에 있어서는, 신호 강도가 높을수록 하얗게 되도록 표시하고 있다.
이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래의 반사법에서는 내면측 표면 거침도에 의한 노이즈가 강하게 발생하고 있고, 미소 결함을 모의 (模擬) 한 φ1㎜ 드릴 구멍 선단 (도 17a 참조) 으로부터의 에코는 노이즈에 묻혀 그 검출이 곤란하다. 특히 두께 내부로부터의 반사는 매우 약해져 있어 거의 검출되지 않는다. 한편, 본 발명에서는 내면측 표면 거침도에 의한 노이즈는 약해져, φ1㎜ 드릴 구멍 선단으로부터의 에코에도 영향을 미치지 않고, 두께 내부도 포함하여 명료하게 검출할 수 있게 되었다.
상기 서술한 바와 같이, 탠덤 구성은, 종래법에 비하여, 검출 성능을 향상시키는 것을 알 수 있었다. 그러나, 곡률을 가진 관체에 적용함에 있어, 몇가지 곤란이 있는 것이 판명되었다. 그 해결책에 대해서 이하에 설명한다.
[모드 변환 로스의 검토]
상기 서술한 바와 같이 탠덤 구성에 의해 고감도화를 충분히 달성할 수 있는 것을 알아냈다. 그러나, 탠덤 구성의 고감도화를 유지하기 위해서는, 초음파의 강관 내부의 전파 과정에서, 관의 내면이나 외면, 결함에서 반사할 때의, 「모드 변환 로스」 에 의한 신호 강도의 감쇠가 발생하지 않도록 해야 한다. 모드 변환 로스는, 강관에 입사되는 초음파는 횡파 초음파이지만, 반사 조건에 따라 종파 초음파로 변환되고, 그 결과, 신호 강도가 감쇠하여 검출 감도가 저하되는 현상이다. 이 현상을 도면을 이용하여 설명한다.
도 21 은, 평강판에서의 모드 변환 로스를 설명하는 도면이다. 도 21a 는 평강판의 탠덤 구성에서의 탐상 (이하, 탠덤 탐상이라고도 기재한다) 을 나타내고 있다. 평강판에 대해 횡파 초음파를 입사시키고, 그 굴절각을 θ 로 하면, 평강판에서는, 용접면에 대한 입사각 (θa) 은 (90°-θ) 로 된다. 또, 저면에 대한 입사각 (θb) 은 θ 로 된다. 여기에서, 강 중에 있어서는, 횡파 초음파가 용접부나 강판 저면 등에서 반사될 때에, 약 33°이하의 입사각에서 입사하면, 반사에서의 모드 변환에 의해 종파 초음파가 도면의 점선 방향에 발생하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 도 21a 와 같이, θ 가 크면 (약 57°이상) θa 가 작아져 (약 33°이하) 용접부의 반사에서 모드 변환이 발생하고, 도 21b 와 같이, θ 가 작으면 (약 33°이하) 용접부의 반사에서 모드 변환이 발생하지 않지만, θb 는 약 33°이하가 되기 때문에 모드 변환이 발생한다. 이러한 횡파로부터 종파로의 모드 변환이 발생하면, 탠덤 탐상 방향의 초음파 강도는 약해지고, 그 결과 검출 감도가 저하된다. 이렇게 반사시에 초음파가 횡파로부터 종파로 모드 변환되고, 횡파 초음파의 강도가 감쇠되는 현상을 모드 변환 로스라고 한다. 여기에서, 도 21c 는 반사할 때에 그 입사각에 대한 초음파가 용접면과 내면에서 2 회 반사했을 때의 반사 강도의 변화를 나타낸 것으로, 여기에 나타내는 바와 같이 이론값으로서 입사각 33.2°∼ 56.8°의 범위로 하면, 모드 변환 로스는 발생하지 않는다.
또한, 평강판이면, 어레이 탐촉자면과 평강판 상면의 상대 각도는 장소에 좌우되지 않고 일정하므로, 용접면을 초음파빔을 주사하기 위해서, 송파부와 수파부를 구성하는 진동자군을 이동시킨 경우에도, 임의의 위치에서, 평강판 상면에 대한 어레이 탐촉자면의 상대 각도와 탐촉자면에 대한 송파빔의 각도를 검토해 두면, 모드 변환 로스가 발생하는지 여부인 굴절각 조건은, 용이하게 판단할 수 있다.
그러나, 강관의 탠덤 탐상에서는, 곡률의 영향에 의해, 평강판과 같이 단순 하게 되지 않는 것을 도 22 에서 설명한다. 상기 서술한 평강판과 동일하게, 용접면의 각도를 기준 각도 0°로 했을 때에, 굴절각 (θ) 이 되도록 어레이 탐촉자로부터 초음파가 강관에 입사하는 경우를 생각한다. 또한, 강관 외면에 대한 입사점 (입사 위치) 은, 입사점에 있어서의 외면 법선 방향과 용접면이 이루는 각이 θ1 이 되는 위치로 한다. 이 때의 용접면에 대한 입사각 (θa) 은 (90°-θ) 로는 되지 않고, (90°-θ-θ1) 로 된다. 동일하게, 저면으로의 입사각 (θb) 은 θ 로는 되지 않고, (θ+θ2) 로 된다.
이 예에서는, θ1<θ2 이기 때문에, 평강판에 비하면, 모드 변환 로스가 발생하지 않는 굴절각의 범위는 최대로 θ2 만큼 좁아지게 된다. 일례를 들면, 두께 t/외경 D=3.4% 의 강관에서는, 예를 들어 굴절각이 약 45°로 되면, θ2 는 약 4°이기 때문에, 굴절각에 대응시키면, 모드 변환 로스가 발생하지 않는 굴절각의 범위는 37°∼ 53°로 좁아진다. 또한, 현실적으로 생각되는 강관의 사이즈로 하면, θ2 는 1.7°∼ 11.25°정도의 범위가 된다. 또한, t/D 를 가장 작은 값에서 t/D=5% 정도까지로, 주요한 강관 사이즈의 상당수를 커버할 수 있고, t/D=5% 에서는, θ2 가 6.8°가 된다. 이 경우, 굴절각의 범위는 40°∼ 50°가 된다.
또한, 여기에서 어레이 진동자가 일반적으로 직선 형상이며 강관에 곡률이 있는 것을 고려하면, 도 22b 에 나타내는 바와 같이, 평강판의 경우와 동일하게 어레이 진동자로부터 초음파빔을 일정 각도 (도면에서는 탐촉자면에 대해 90°) 로 송파하면, 강관에 대한 입사각은 일정 각도로는 되지 않고, 따라서 굴절 각도도 일정하게 되지 않는다. 탠덤 탐상을 실시하기 위해서는, 어레이 진동자로부터의 빔 스캔폭을 두께의 배로 하여, 앞의 t/D=3.4% 의 강관을 예로 들면, 중심에서 굴절각 45°가 되도록 탐촉자를 배치해도, 스캔폭 내에서 굴절각은 31°∼ 62°로 변화되어, 모드 변환 로스가 발생하지 않는 범위를 초과한다.
따라서, 상기 문제가 있으므로 강관의 곡률을 고려하여, 용접면 및 저면에서 모드 변환 로스가 발생하지 않도록 굴절각이 일정 범위가 되도록 빔을 제어하지 않으면, 강관을 높은 감도로 탠덤 탐상할 수 없다. 관체의 용접면 및 관체의 내면에 대한 입사각을 상기 θ2 를 고려하여 굴절각으로 변환하면 t/D 가 가장 작은 값일 때에 입사각의 이론값에 대해서, 굴절각은 35°∼ 55°의 각도가 된다.
즉, 초음파빔을 주사하여 측정 위치를 이동시켜 가면, 강관에 대한 초음파 입사각 (굴절각) 을 변화시켜 가게 되므로, 모드 변환 로스가 발생하는 각도가 되는지 여부를 용이하게 판단할 수 없고, 그 방법은 확립되지 않았다.
발명자는, 모드 변환 로스의 발생하지 않게 입사 각도를, 일례로서 이하에 나타내는 주사선의 결정 방법에 따라, 설정하는 것을 실현하였다.
이하, 굴절 각도는, 모드 변환 로스가 발생하지 않는 굴절 각도 범위로 설정하는 순서에 대해 설명한다.
1) 굴절각을 결정하고, 어레이 탐촉자의 위치 및 각도를 정한다.
1)-1 : 용접면에 대한 입사각 (θa) 을 고려하여, 굴절각 (θ) 을 결정한다. 모드 변환 로스가 발생하지 않는 이론적인 용접면에 대한 입사각은, 33.2°≤θ a≤56.8°로서, 이 범위 내이면 용접면을 관 두께 방향의 내면 외면에 걸쳐 주사할 때에, 용접면에 대한 입사각이 일정하지 않고, 변화해도 상관없다. 따라서, 여기에서는 계산을 용이하게 하기 위해서, 굴절각 (θ) 이 일정하게 되도록 하는 예로 나타낸다. 여기에서, 용접면에 대한 입사 각도 (θa) 는, θa=90°-θ-θ1 이고, 또, θ1 은, 0 ∼ θ2 의 범위에서 용접부 두께 방향 위치에 의해 변화한다 (예를 들어, 내면측에서는 θ1=θ2, 외면측에서 θ1=0 이 된다). 예를 들어, θ2=4°, 굴절각 45°일 때는, θa=41°∼ 45°. 또, 용접부의 관 두께 중심 근방에 입사할 때에 굴절각을 47°로 하면, 용접부의 두께 방향 중심부에서 θa= 약 45°가 되며, 내외면에서의 주사에서는, θa=43°∼ 47°의 범위가 된다.
1)-2 : 어레이 탐촉자의 중심에 위치하는 진동자로부터, 그 탐촉자면에 대해서 수직 방향으로 송파되는 빔이, 소정의 굴절 각도 (예를 들어, 45°) 에서, 횡파 초음파가 강관 외면측으로부터 입사하고, 용접면의 내면측 선단 (또는 외면측 선단) 의 위치에 소정의 입사각 (예를 들어, 상기 서술한 예에서는 41°) 에서 입사하도록, 어레이 탐촉자의 위치 및 각도를 정한다.
2) 어레이 탐촉자의 각 진동자로부터 송수파되는 주사선이 관의 외면 상에 입사하는 위치를 결정한다.
2)-1 : 결정 방법은 여러가지 있지만, 예를 들어, 대상이 되는 진동자 (또는 진동자간의 위치) 에 대해서, 관 외면 상을 주사하고, 진동자 위치와 외면 주사 위치와 외면 접선에서 결정되는 굴절각 (θ) 을 산출하여, θ 가 1)-1 에서 결정한 값이 되는 외면 상의 입사 위치를 결정한다. 구체적으로는, 각 진동자로부터 외면 상의 각 점 (예를 들어, 각 점은 외주상에 등간격이나 임의 간격으로 배치) 을 직선으로 연결하여 주사선을 정하고, 그것들 각 주사선에 대해서 굴절각 (θ) 을 계산하고, θ 가 소정의 굴절각과 동일한, 혹은, 가장 근사값이 되는 주사선을 선택하여 그 주사선의 입사 위치로 한다.
2)-2 : 진동자 위치와 상기 2)-1 에서 결정한 외면 상의 입사 위치와 관형상 (직경과 두께) 으로부터 관 입사 후의 전파 경로를 기하학적으로 구하고 용접면에 대한 입사 위치를 산출해 낸다.
3) 상기 1) 에서 어레이 탐촉자의 중심에서 위치 결정하고, 또한 굴절각이 일정하게 상기 처리를 하고 있으므로, 어레이 탐촉자 중심의 주사선을 기준으로 하여 대칭적으로, 용접면 상에 2)-2 에서 구한 전파 경로 (주사선) 의 루트 조합 (페어) 을 할 수 있다. 이 페어를 송파ㆍ수파의 주사선으로 하여, 송파부ㆍ수파부 각각의 중심 진동자로 한다 (이 진동자를 중심으로 송파부ㆍ수파부의 진동자군이 형성된다). 또한, 진동자군의 수가 짝수인 경우에는, 중심 위치가 진동자 경계로 수정되어, 상기 처리를 실시한다. 또한, 여기에서는 굴절각 (θ) 을 일정하게 하여 계산했는데, 용접면에 대한 입사각 (θa) 을 일정하게 하여 계산해도 되고, θ 및 θa 의 쌍방을 변화시킬 수도 있다.
상세한 것은 후술하겠지만, 진동자군을 적절히 제어하는 또는 곡률을 가진 어레이 탐촉자로 하도록 하면, 입사각, 굴절각을 모드 변환 로스를 일으키지 않는 이론적 범위에 둘 수 있다. 또한, 횡파에서의 탐상에 적절한 굴절각은, 대략 30°∼ 70°의 범위에서 적용할 수 있지만, 횡파가 결함 및 내면에서 반사할 때의 음압 반사율의 각도 의존성을 고려하면, 전체 반사가 되는 대략 35°∼ 55°의 범위가 보다 바람직하다. 또한, 안정성을 고려해 40°∼ 50°의 범위로 해도 된다. 또, 송파와 수파의 굴절각은 동일한 것이 가장 바람직하지만, 결함의 반사 지향성은 브로드인 점에서, 반사 지향성의 범위 내에서 상이해도 적용할 수 있다.
[입사각 일정한 제어]
곡률을 갖는 관체에 탠덤화된 어레이 탐촉자를 적용할 때에는, 일반적인 어레이 탐촉자는 직선 형상으로서 이것을 둘레면에 대해 배치하는 점에서, 송파부와 수파부를 구성하는 진동자군의 어레이 상의 위치가 변화되면, 어느 송수신과 다른 송수신에서는 관체에 대한 입사각이 바뀐다. 이 현상을, 관체에서의 전파 경로예를 나타내는 도 23 으로 나타낸다. 굵은 선의 빔에서는 송파와 수파가 성립되고 있지만, 그 이외의 세선의 빔에 대해서는, 굴절각이 상이하기 때문에, 송파와 수파의 관계가 성립되지 않게 되어 있는 것을 알 수 있다.
즉, 송파부는 어레이 탐촉자 내에 둘 수 있어도, 수파부는 어레이 탐촉자의 밖의 위치 (도면의 파선에 나타낸다) 가 되거나 하여, 어레이 탐촉자의 범위 내에서, 송파부와 수파부의 진동자군을 탠덤 구성이 되도록 배치할 수 없게 된다. 발명자는, 송파측 혹은 수파측 중 적어도 어느 일방, 바람직하게는 쌍방의 입사각을 주사를 통해서 일정 각도로 유지하도록 하였다. 그렇게 하면, 강관 등의 관체 내부의 굴절각이 일정하게 되기 때문에, 상기 서술한 바와 같은 문제는 발생하지 않는다. 예를 들어, 도 23 과 같은 어레이 탐촉자를 사용한 도 4 의 경우이어도 굴절각을 일정하게 함으로써, 모든 송파부와 수파부의 조합이 어레이 탐촉자 내에 들어간다. 또, 굴절각을 일정하게 하면, 예를 들어 강관의 외면측 내면측 모두 진원이면 송파와 수파의 위치 관계가 기하학적으로 용이하게 구해진다는 이점도 있다. 나아가서는, 강관에 두께의 변화가 있으며 내면측이 진원이 아닌 경우이어도, 송파측 혹은 수파측 중 어느 일방이 일정한 굴절각이면, 용접면에 입사하여 반사된 경로까지는 강관의 외면측은 진원이기 때문에 용이하게 구할 수 있고, 그곳에서 이후의 경로도 내면측의 형상을 고려하여 이론적 혹은 실험적으로 결정할 수 있다.
또한, 입사각을 일정하게 하는 수단은, 어레이 탐촉자로부터, 송파부와 수파부에 사용하는 진동자군의 각 진동자를 제어함으로써 실현될 수 있다. 진동자군의 선택은, 상기 서술한 방법으로 실시하면 되지만, 그 밖의 제어에 관한 자세한 것은 후술한다.
또, 다른 수단으로서는, 어레이 탐촉자 자체를 관체와 거의 동일한 곡률이 되는 형상으로 구성하여, 진동자를 제어시켜도 된다.
[초음파빔의 집속 조건]
페네트레이터 등의 미소 결함의 높이는 수 100㎛ 이하로 작지만, 집속에 의해 송파빔 및 수파 감도를 결함에 집중시킴으로써 반사 강도를 높일 수 있다. 발명자는, (1) 식에 나타내는 집속 계수 (J) 를 이용하여, 미소 결함을 검출할 수 있는 조건을 도출하였다. 집속 계수 (J) 란, 집속 위치에서의 음압 상승을 나타낸 값이다.
Figure 112008030886580-pct00001
......(1)
여기에서, D 는 진동자의 개구폭, F 는 초점 거리, λ 는 파장이다. 또한, 식 (1) 에 있어서, 초점 거리 (F) 와 파장 (λ) 은 수중 (水中) 환산의 값을 이용한다.
도 3a 및 3b 는, 본 발명에 있어서 필요한 집속능을 조사한 실험예를 나타내는 도면이다. 이 실험에 있어서는, 미소 페네트레이터를 포함하는 전봉관 용접부를, 시임부를 사이에 두고 2㎜ 씩 슬라이스 가공한 샘플을 이용하여 여러 가지 집속 계수를 갖는 포인트 포커스 탐촉자를 사용하여 시임부에 초점을 맞추어 용접부를 C 스캔 탐상하였다. 또한, 여기에서는 C 스캔의 측정 결과로 집속 계수의 범위를 결정하고 있지만, 집속 계수는 상이한 방식의 초음파 탐상법이어도, 등가로 평가할 수 있는 지표 수치로서 취급할 수 있는 이점이 있으므로, C 스캔의 결과를 그대로 적용할 수 있게 된다.
도 3a 는, C 스캔의 결과로부터, 집속 계수와 S/N 의 관계를 구한 결과로서, 집속 계수 (J) 가 높을수록 에코의 S/N 이 양호한 것이 나타나고 있다. 결함을 단면 관찰한 결과, 결함 (F) 의 높이 (강관의 직경 방향에서의 크기) 는 대략 100㎛ 이었다.
일반적으로 온라인 탐상에서는 최저로 S/N=6dB 는 필요하고, 바람직하게는 1 0dB 이상 필요하다. 따라서, 동 도면에서, 결함 (F) 와 동일한 결함, 또는 작은 결함을 검출하고자 한다면 필요한 집속 계수는 5dB 이상, 바람직하게는 10dB 이 상인 것이 판명되었다.
또한, 전술한 도 18 에 나타낸 반사 특성으로 하면, 탠덤 구성이 아닌 종래 기술에서는 반사 각도가 -45°상당이 되므로, 탠덤 구성의 20% 정도 밖에 반사 강도가 얻어지지 않는다. 즉, 종래 기술에서는 탠덤 구성에 대해서 감도가 약 14dB 떨어져 있으므로, 동등한 S/N 을 얻기 위해서는, 집속 계수를 적어도 20dB 정도는 필요해진다. 또한, 종래 기술에는 외란 노이즈의 영향을 피할 수 없는 경우도 생각하면, 그 이상의 집속 계수의 향상이 필요하게 된다. 이렇게, 본원 발명의 탠덤 구성과 빔 집속을 조합하는 것이 유효하다는 것을 알 수 있었다.
또, 동일하게 빔 직경과 S/N 의 관계를 구한 결과가 도 3b 이다. 동 도면에서, 필요한 빔 직경은 0.7㎜ 이하, 바람직하게는 0.5㎜ 이하인 것이 판명되었다.
또한, 각각의 집속 계수의 상한 및 빔 직경의 하한에 대해서는, 강관의 경사각 탐상에 있어서, 실제로 실현 가능한 범위로서, 주파수의 상한의 범위는 20㎒ ∼ 50㎒ 정도, 개구폭의 상한의 범위는 20㎜ ∼ 40㎜ 정도, 초점 거리의 하한의 범위는 20㎜ ∼ 40㎜ 정도이므로, 집속 계수로는 24dB ∼ 50dB, 빔 직경으로는 30㎛ ∼ 0.32㎜ 이다. 또한, 주파수가 20㎒ 를 초과하면 강내 전파에 있어서 초음파 신호 강도의 감쇠가 커지므로, 주파수의 상한을 20㎒ 으로 하면, 집속 계수의 상한은 40dB, 및 빔 직경의 하한은 74㎛ 로 하는 것이 바람직한 범위이다.
예를 들어, 수거리 (水距離) 20㎜, 강중의 노정을 38㎜ 로 하면, 초점 거리 (F) 는 20㎜+(38㎜/수중 음속 1480m/s×강중 횡파 음속 3230m/s) =103㎜, 주파수를 15㎒ 로 하면, 파장 (λ) 은 1480m/s/15㎒=0.1㎜ 이고, 집속 계수 10dB 을 얻기 위한 개구폭 (D) 은, 이하의 식 (2) 로부터 구해진다.
Figure 112008030886580-pct00002
......(2)
식 (2) 로부터 개구폭 (D) 은, D=11.3㎜ 로 구해진다. 그래서, 리니어 어레이 탐촉자의 진동자 피치가 예를 들어 0.5㎜ 이면, 진동자군의 진동자수는 11.3/0.5= 약 22 개로 구해진다.
이상과 같이 하여 진동자군의 진동자수는 구해지지만, 이것을 일정한 값으로 하면, 용접부에 가까운 측일수록 거리가 짧아지기 때문에 빔 폭이 좁아져 세밀한 주사 피치가 필요해져, 용접부에서 먼 측일수록 초점 거리가 길어지기 때문에 집속능이 악화된다는 문제가 발생한다.
그래서, 송파용 진동자군 및 수파용 진동자군의 진동자수를, 용접부에 가까울수록 적고, 용접부에서 멀수록 많게 설정하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 용접부에서 가까운 측일수록 동시 여진시의 개구폭은 좁아지기 때문에, 초점 거리가 짧아도 빔 폭이 지나치게 좁아지지 않고 , 용접부에서 먼 측일수록 동시 여진시의 개구폭은 넓어지기 때문에, 초점 거리가 길어도 집속 계수를 높일 수 있어서 검출능의 열화가 발생하지 않는다. 따라서, 각 진동자군으로부터의 집속 특성을 일정하게 갖출 수 있기 때문에, 내면측에서 외면측까지 균일한 검출 감도로 탐상할 수 있게 된다.
그러나, 집속 계수는, 초점 거리 (F) 와 개구폭 (D) 을 파라미터로서 포함하 고 있으므로, 집속 계수가 일정 또는 소정 범위 내에 들어가도록 설정하면, 주사에 수반하는 측정 위치에 의한 감도 변화없이, 초점 거리에 맞추어 개구폭도 설정할 수 있다. 이렇게, 집속 계수를 사용함에 따라, 주사 위치의 이동에 맞춘 계산이 매우 용이하게 되는 등의 효과도 있다.
또한, 리니어 어레이 탐촉자에는 음향 렌즈를 구비하도록 하고, 음향 렌즈의 초점 거리는, 용접부에 가까울수록 짧고, 용접부로부터 멀수록 길게 설정하면, 관축 방향에 관해서도 집속된 송파빔 및 수파 감도를 얻을 수 있으며, 높은 검출능을 얻을 수 있다. 음향 렌즈를 사용하도록 하고 있기 때문에 초점 거리의 변경은 렌즈를 교환하는 것만으로 용이하게 가능하고, 관 사이즈가 바뀌었을 경우의 설정 조정도 용이하다.
도 20 은, 주파수와 집속 계수의 관계를 나타내는 도면이다. 도 20 에 나타내는 바와 같이, 주파수는 높을수록 집속 계수가 높아지므로 바람직하다. 그러나, 20㎒ 를 초과하면 강내 전파에 있어서 초음파 신호 강도의 감쇠가 커지므로, 지나치게 높은 것도 바람직하지 않다. 한편, 주파수는 너무 낮으면 집속 계수가 저하되므로 좋지 않다. 주파수의 하한은, 집속 계수가 5dB 이상이 되는 주파수로 하면 5㎒ 로 된다. 이상으로부터, 주파수의 수치로서는, 5 ∼ 25㎒ 가 바람직하고, 15 ∼ 20㎒ 가 더욱 바람직하다.
[시임 어긋남 대응]
관의 탐상으로는, 어레이 탐촉자를 시임에 추종시켜 위치 관계를 유지하는 것은 어렵고, 다소의 시임 어긋남이 발생하기 쉬우며, 이 시임 어긋남이 일어나면 송파의 주사선과 수파의 주사선이 용접선 상에서 교차되지 않게 된다.
이에 대해, 설계 상의 정규 위치에 놓여진 관체의 용접부에 있어서, 송파빔의 집속 위치와 수파빔의 집속 위치가 일치되고 있는 조건을 중심으로 하여 용접부의 상하 (관체의 직경 방향), 좌우 (관체의 둘레 방향) 의 복수점 상이한 위치에 송파빔과 수파빔 중 적어도 어느 일방의 집속 위치가 되도록, 상기 송파용 진동자군과 수파용 진동자군, 및 또는 송파시의 굴절각과 수파시의 굴절각을 설정하도록 하고 있기 때문에, 시임 위치가 어긋나도, 어느 하나의 주사선의 조합은 용접선 상에서 교차하게 되어, 결함으로부터의 반사파를 확실하게 검출할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은, 페네트레이터에 측정 대상을 한정하는 것이 아니라, 여러 가지 결함 검출에 적용할 수 있다. 추가로 예를 들어, 복수의 페네트레이터나 냉접 결함 등이 미소한 산화물이 분산되어 존재하고 있는 형태에도 적용할 수 있다.
실시예 1
본 발명의 실시예를, 이하에 도면을 참조하면서 설명해 나간다. 도 1 은, 본 발명의 제 1 실시예를 설명하는 도면이다. 도면 중, 1 은 피검사 대상 물체인 강관, 2 는 용접부, 3 은 두께 내부의 결함, 4 는 초음파를 전달시키기 위한 물, 5 는 리니어 어레이 탐촉자, 6 은 송파용 진동자군, 7 은 수파용 진동자군, 8 은 송파빔, 9 는 결함으로부터 수파용 진동자군을 향하는 초음파를 나타내는 부분 (이하, 수파빔이라고도 한다) 을 각각 나타낸다. 또, 송파빔 (8) 및 수파빔 (9) 의 중간에 그어져 있는 선은 각각의 주사선을 나타낸다.
리니어 어레이 탐촉자 (5) 는, 용접부 (2) 에 가까운 측 (도 1 에 있어서의 좌측 방향) 에 위치하는 진동자군으로부터 송파되는 초음파가 용접부의 강관 외면으로부터 직접 입사되며, 용접부에서 먼 측에 위치하는 진동자군으로부터 송파되는 초음파가 용접부의 강관 외면에 강관 내면에서 1 회 반사한 후 입사되는 크기를 갖게 하고 있다. 그리고, 중심으로부터 수직으로 나오는 송파빔이 굴절각 45°의 횡파에 의해 강관의 외면측에서 들어와, 용접부의 강관 내면측의 단부에 입사하도록 (0.5 스킵이라고 한다), 강관의 외주면에 대해 입사각을 갖게 하여 배치되어 있다.
송파용 진동자군 (6) 으로부터의 초음파빔은 굴절각 45°로 되도록 강관의 외경에 맞추어 근소하게 어레이 탐촉자의 중심축측에 편향시킴과 함께, 용접부 (2) 를 횡단하는 위치에서 집속되도록, 각 진동자의 지연 시간이 설정되어 있다. 동일하게, 수파용 진동자군 (7) 에 대해서는, 결함 (3) 으로부터의 반사 에코를 내면측의 1 회 반사파로서 수파할 수 있도록 선택되어 있고, 굴절각이 45°로 되도록 지향성을 강관의 외경에 맞추어 근소하게 어레이 탐촉자의 중심축측에 편향시킴과 함께, 용접부 (2) 를 횡단하는 위치에서 집속되도록, 각 진동자의 지연 시간이 설정되어 있다. 여기에서, 굴절각은 45°에 한정되지 않고, 횡파에서의 탐상이 가능한 대략 30°∼ 70°의 범위에서 적용할 수 있지만, 횡파가 결함 및 내면에서 반사할 때의 음압 반사율의 각도 의존성을 고려하면, 전체 반사가 되는 대략 35°∼ 55°의 범위가 바람직하다. 또한 안정성을 고려하여 40°∼ 50°의 범위로 해도 된다.
상기와 같이, 송파빔과 수파빔의 진동자군의 위치ㆍ수나 굴절각이 용접부의 위치에 맞추어 집속되도록 설정되어, 결함으로부터의 반사파를 수파할 수 있는 위치 관계가 되어 있기 때문에, 두께 내부의 미소 결함으로부터의 반사를 검출할 수 있게 된다.
다음으로, 도 2 에서, 강관 내면에서 외면에 걸쳐 용접부를 주사하기 위한 순서예를 나타낸다. 먼저, 주사의 개시를 나타내는 스텝 1 에서는, 리니어 어레이 탐촉자의 중앙 근방의 진동자군을 이용하여, 용접부의 강관 내면측에 집속 위치 (초점 위치) 를 맞추어, 0.5 스킵 반사법으로 탐상을 실시한다. 이 때는 송파와 수파는 동일한 진동자군에서 실시한다. 다음으로, 스텝 2 에서는, 송파의 진동자군을 용접부측으로 어긋나게 함과 함께, 수파의 진동자군을 용접부에서 먼 측으로 어긋나게 하고, 초점 위치를 용접부의 강관 내면측으로부터 조금 위 (강관 외면측) 로 설정함으로써, 탠덤 탐상에 의해 용접부의 강관 내면측으로부터 조금 위 (강관 외면측) 의 두꺼운 부분 내부를 탐상한다.
계속해서, 스텝 3 에서는 송파의 진동자군을 용접부측에, 수파의 진동자군을 용접부와는 반대측으로 어긋나게 해 가고, 용접부에 있어서의 탐상 위치를 강관 외면측으로 이동시켜 탐상을 실시한다. 도면에서는 스텝 2 와 3 만 도시하고 있지만, 실제로는 초음파의 초점 사이즈 (초점 위치에 있어서의 빔 사이즈) 를 고려하여, 탐상의 빠짐 (누락) 과 중복이 없는 효율적인 탐상이 되도록, 초음파빔의 일부가 서로 겹치도록 진동자군이 어긋나는 개수를 결정한다. 마지막으로 스텝 4 는 주사의 종료를 나타내고 있으며, 용접부에서 먼 측의 진동자군을 이용하여, 용접부의 외면측을 1.0 스킵의 반사법으로 탐상을 실시한다. 이 단계 1 ∼ 4 를 반복함과 함께, 강관과 리니어 어레이 탐촉자의 상대 위치를 관축 방향으로 기계적으로 주사시킴으로써, 용접부의 전체면 전체 길이 (강관의 외면측에서 내면측까지) 에 걸쳐서 탐상을 실시할 수 있다.
도 19 는, 본 발명에 관련된 초음파 탐상 장치의 기능 구성예를 나타내는 도면이다. 피검사 대상 물체 사이즈 입력부에서는, 오퍼레이터 혹은 프로세스 컴퓨터로부터, 탐상을 실시하는 강관의 외경, 두께의 값이 입력된다. 어레이 탐촉자 기억부에는, 어레이 탐촉자의 주파수, 진동자 피치, 진동자수가 기억되어 있다.
어레이 송신 규칙 계산부에서는, 강관의 사이즈 및 어레이 탐촉자의 사양에 따라, 송파용 어레이 탐촉자의 위치, 송파용 주사선의 수, 각 주사선의 송파용 빔의 경로, 각 주사선의 송파용 진동자군의 진동자수, 송파용 진동자군의 위치, 초점 거리, 편향각을 계산하고, 추가로 주사선마다 각 진동자의 지연 시간을 계산한다. 이렇게 결정된 상기의 각 값을 여기에서는 어레이 송신 규칙이라고 한다.
어레이 수신 규칙 계산부에서는, 어레이 송신 규칙 계산부와 동일하게, 강관의 사이즈 및 어레이 탐촉자의 사양에 따라, 어레이 탐촉자의 위치, 수파용 주사선의 수, 각 주사선의 수파용 빔의 경로, 각 주사선의 수파용 진동자군의 진동자수, 수파용 진동자군의 위치, 초점 거리, 편향각을 계산하고, 추가로 주사선마다 각 진동자의 지연 시간을 계산한다. 이렇게 결정된 상기의 각 값을 여기에서는 어레이 수신 규칙이라고 한다. 또한, 어레이 송신 규칙 계산부 및 어레이 수신 규칙 계산부에서 계산된 빔의 경로에 기초하여 결함 검출용 게이트 위치를 결정하여 게이트 위치 기억부에 기억한다.
또한, 여기에서, 어레이 수신 규칙은 먼저 구한 어레이 송신 규칙에 기초하여 결정해도 되고, 반대로 어레이 수신 규칙을 먼저 구하고 그것에 기초하여 어레이 송신 규칙을 결정해도 된다. 이렇게 하여 결정된 어레이 송신 규칙과 어레이 수신 규칙은 각각 어레이 송신 규칙 기억부와 어레이 수신 규칙 기억부에서 기억되어 이하의 송수신 제어에 사용된다.
어레이 송신부에서는, 어레이 송신 규칙 기억부에 기억된 어레이 송신 규칙에 기초하여, 송파용 진동자군을 선택하고, 각 소자에 지연 시간을 부가하여 송신 펄스를 발생시킨다. 어레이 수신부에서는, 어레이 수신 규칙 기억부에 기억된 어레이 수신 규칙에 기초하여, 수파용 진동자군을 선택하며, 각 소자에 지연 시간을 부가하여 신호를 가산하고, 탐상파형을 얻는다. 게이트부에서는, 게이트부 기억부에 기억된 게이트 위치의 신호를 추출한다.
결함 판정부에서는, 판정 임계값 입력부에 입력된 결함 판정 임계값과 게이트 내의 신호 강도를 비교하여, 신호 강도가 임계값 이상이면 결함으로 판정한다. 이렇게 하여 1 주사선의 탐상이 종료되면, 어레이 송신 규칙 기억부에 기억된 어레이 송신 규칙에 기초하여 다음의 송파용 진동자군을 선택하고, 이하 상기와 동일하게 탐상을 반복 실시한다. 또한, 결함의 판정에 대해서는, 신호 강도가 임계값 이상이 되는 경우가 복수회 있었을 때에 결함으로 판정하도록 해도 된다.
이 초음파 탐상 장치를 이용하여 용접면의 두께 방향으로 빔을 주사하기 위한, 진동자군의 제어 순서를 이하에 설명한다. 구체적으로는, 송파ㆍ수파의 진 동자군, 진동자의 수, 편향각, 초점 거리를 이하의 순서로 결정하면 된다. 여기에서는, 굴절각이 일정해지도록, 송파부와 수파부에 사용하는 진동자군의 폭은, 필요한 감도를 얻기 위해 집속 계수로부터 구하는 것으로서, 도 1 또는 4 를 적절히 참조하여 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 a), b), g) 의 내용은, 상기 서술한 1), 2), 3) 에 대응하므로, 여기에서는 간결하게 설명을 실시한다.
a) 리니어 어레이 탐촉자의 중심에 위치하는 진동자로부터, 그 탐촉자면에 대해 수직으로 송파되는 빔이 소정의 굴절 각도 (예를 들어, 굴절각 45°) 의 횡파로 강관에 들어가, 용접부의 강관 내면측 또는 강관 외면측에 입사되도록, 리니어 어레이 탐촉자의 위치를 정한다.
b) 각 진동자로부터의 강관 외면에 대한 입사각이 항상 일정, 또는, 소정의 범위 내가 되도록, 기하학적으로 입사점을 결정하고 추가로 굴절각 45°에서 강관 내를 통과하는 선 (주사선) 을 결정한다. 여기에서 말하는, 각 진동자란 송파부의 중심 위치에 대응하는 진동자이며, 송파부의 진동자군과 강관 외면의 입사점의 위치 관계가 결정된다. 또, 굴절각에 대응하여 강관 입사 후의 전파 경로, 즉, 내면에서의 반사점, 외면에서의 반사점, 용접면에서의 반사점이 정해지게 된다.
c) 상기 입사점과 각 진동자의 위치 관계로부터, 각 주사선의 편향각을 계산한다.
d) 각 주사선의 수거리와, 용접부까지의 강내 노정을 계산하여, 음속과 수거리로 환산하고 수중 초점 거리 (F) 를 구한다.
e) 식 (2) 로부터, 각 주사선의 개구폭 (D) 을 계산하여, 그 개구폭 (D) 을 진동자 피치로 나누어 반올림함으로써, 각 주사선의 진동자군의 진동자수 (n) 를 구한다. 여기에서 (2) 식으로부터 개구폭 (D) 을 구하는 것은, 감도를 확보하기 위해서 필요한 집속 계수의 값을 만족시키기 위해서이다.
f) 각 주사선의 진동자 위치와 진동자수 (n) 로부터, 송파부를 구성하는 각 진동자군의 위치를 결정한다.
g) 각 주사선의 용접부에서 교차되는 위치 관계로부터, 탐상에 사용하는 주사선을 결정함과 함께, 송파의 진동자군과 페어가 되는 수파의 진동자군을 결정한다. 송파부와 수파부의 페어의 선택은, 역방향으로부터 전파되어 와서, 용접부에서 교차하는 주사선끼리를 페어로 하면 된다. 또, 용접부의 동일한 지점을 요구되는 공간 분해능에 대해 필요 이상으로 중복되어 있는 경우에는 솎아내도록 해도 된다.
h) 탐상에 사용하는 모든 주사선에 대해서, 진동자군의 수, 초점 거리와 편향각이 결정되므로, 각 진동자에 주는 지연 시간을 각각 계산한다. 이 계산 방법에 대해서는, 본 발명자에 의해 이전에 출원된 특허 문헌 5 에 개시되어 있는 공지 기술을 이용하면 된다.
계산의 기본적인 사고법을, 이하에 도 14 및 수식을 참조하여 설명한다. 먼저, 진동자군의 중심 위치를 좌표의 원점으로 하고, 초점 거리를 F, 편향각을 θ 로 하여, 초점 위치의 좌표 {Xf, Yf} 를 이하와 같이 구한다.
Xf=Fㆍsinθ, Yf=-Fㆍcosθ
다음으로 진동자 피치를 P, 진동자군의 진동자수를 n (단, n 은 짝수) 으로 하여 각 진동자의 좌표 {Xp(i), Yp(i)} 를 구한다.
Xp(i)=-nㆍp/2-p/2+pㆍi, Yp(i)=0 (i=1 ∼ n)
또한, 초점 위치와 각 진동자의 거리 (Z(i)) 및 그 최대값 (Zm) 을 다음과 같이 구한다.
Z(i)=SQRT(Xf-Xp(i))2+ (Yf-Yp(i))2} (i=1 ∼ n)
Zm=max{Z(i)} (i=1 ∼ n)
마지막으로, 다음 식에서 지연 시간 (Δt(i)) 을 구한다. 또한, C 는 음속이다.
Δt(i)=(Zm-Z(i))/C (i=1 ∼ n)
또한, 상기는 계산의 기본적인 사고법을 나타낸 것으로서, 각 주사선의 각각 에 대해 진동자군의 중심 위치를 반드시 좌표의 원점으로 할 필요는 없다. 또, 진동자수 (n) 는 짝수로 하여 설명했지만, 홀수이어도 된다. 홀수의 경우에는, 상기식을 일부 변경하면 적용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 실제의 계산 에 있어서는, 미리 어레이 탐촉자 소자 각각의 좌표를 결정해 두고, 초점 거리와 편향각에 따라 초점 위치의 좌표를 구하여, 상기 초점 위치와 각 진동자의 거리 (Z(i)) 를 구하도록 하면 된다.
도 4 는, 이렇게 결정된 주사선과, 그 주사선 중의 대표적인 점의 탐상 조건 계산 결과의 일례를 나타내는 도면이다. 외경 Φ558.8㎜, 두께 25.4㎜ 의 강관을, 초음파 주파수 15㎒, 진동자의 간격을 0.5㎜ 피치, 160 소자 (진동자) 의 리니 어 어레이 탐촉자로, 중심의 수거리 20㎜, 굴절각 45°에서 탐상하는 예를 나타내고 있다. 여기에서 진동자 번호는, 용접부에 가까운 측을 1, 먼 측을 160 으로 하였다.
이상, 도 4 의 표와 같이, 각 진동자 위치에 있어서의 초점 거리가 구해지므로, 그 초점 거리에 기초하여, 관축 방향으로 집속하기 위한 음향 렌즈의 곡률도 결정된다. 음향 렌즈의 곡률 (r) 은, 잘 알려져 있는 바와 같이 식 (3) 으로 계산된다. 단, C1 은 음향 렌즈의 재료의 음속, C2 는 물의 음속, F 는 수중 초점 거리를 각각 나타낸다.
Figure 112008030886580-pct00003
......(3)
또한, 주사선 (A) 는 이점 쇄선, 주사선 (B) 는 파선, 주사선 (C) 는 일점 쇄선으로 나타내고, 도면을 알기 쉽게 하기 위해서, 주사선 (A, B, C) 의 선의 양측은 흰색으로 표시하고 있다. 또, 탐촉자의 흑색 부분은 각 주사선을 송수파하기 위한 진동자군을 나타내고 있다.
도 5 는, 도 4 에 나타내는 주사선 (A) 에 대해 지연 시간을 계산한 결과와 송파의 원리를 나타낸 도면이다. 도면 중, 10 은, 상기 1) ∼ 8) 까지를 계산하는 탐상 조건 계산부, 11 은 그것에 기초하여 송파 펄스의 송파 타이밍을 결정하는 지연 시간 설정부, 12 는 펄서, 13 은 리니어 어레이 탐촉자의 각 진동자이다. 도면에서는, 진동자 번호 17 ∼ 22 만이 선택되어, 진동자 번호 17 이 제일 먼저 여진되고, 서서히 시간 지연을 갖고 진동자 번호 18 ∼ 22 까지가 여진되는 것 으로 나타나 있다. 이로써, 주사선 (A) 에 상당하는 송파빔이 형성된다.
도 6 은, 도 4 에 나타나는 주사선 (C) 에 대해 지연 시간을 계산한 결과와 수파의 원리를 나타낸 도면이다. 도면 중, 13 은 리니어 어레이 탐촉자의 각 진동자, 14 는 수신 앰프, 15 는 지연 시간 설정부, 16 은 합성 처리부, 17 은 게이트 평가부이다. 도면에서는, 진동자 번호 124 ∼ 155 만이 선택되어, 결함으로부터의 에코가 진동자 번호 124 에 제일 먼저 입사하고, 서서히 시간 지연을 갖고 진동자 번호 125 ∼ 155 까지 수신되어 지연 시간 설정부 (15) 에서 이 시간 지연이 보정되어 위상이 일치되고, 합성 처리부 (16) 에서 합성되어 집속 효과에 의해 에코가 커지는 것이 나타나 있다.
이로써, 주사선 (C) 에 상당하는 수파가 실시된다. 이 후, 게이트 평가부 (17) 에서, 송파 펄스 (도면 중의 T 펄스) 로부터 빔 노정에 따른 거리로 설정된 시간역 (게이트) 에서 결함 에코 (도면 중의 F 에코) 의 유무가 판정되고 탐상이 실시된다. 또한, 지연 시간 설정부 (15), 합성 처리부 (16), 게이트 평가부 (17) 에 대해서는, 수신 앰프 (14) 가 나오자 마자 A/D 변환하여, 신호를 메모리에 기억하고 나서 소프트적으로 처리를 해도 실시할 수 있다.
도 7 은, 이렇게 하여 결정된 설정값에서, 관축 방향의 진동자 폭이 10㎜ 인 리니어 어레이 탐촉자와 음향 렌즈를 이용하여, 관축 방향으로 기계 주사하면서 용접부를 탐상한 결과 (미소 결함 분포의 일례) 를 나타내는 도면이다. 종래의 경사각 탐상법으로는 검출 곤란했던 수 100㎛ 이하의 미소한 결함을, 두께 중앙부도 포함하여 검출할 수 있게 되었다.
본 실시예에 있어서 탐상 조건의 계산은, 상기 2) 이후와 같이 먼저 각 주사선의 입사점을 결정하고 나서 순차 계산을 실시했지만, 이것에 한정되지 않고 예를 들어, 초점 위치를 결정하고 나서 그 초점 위치에 이르는 전파 시간이 가장 짧은 경로를 각 진동자에 대해 탐색적으로 구하도록 해도 된다.
실시예 2
다음으로 본 발명의 제 2 실시예에 대해 설명한다. 도 8 은, 본 발명의 제 2 실시예를 설명하는 도면으로서, 도 2 에 나타낸 단계 3 에 있어서의 탐상의 설정과 순서를 나타내고 있다. 도면 중, 7' ∼ 7''' 는 수파용 진동자군, 9' ∼ 9''' 는 수파빔이다. 이 실시예에서는, 송파용 진동자군 (5) 으로부터 송파빔 (6) 을 송파하고, 먼저, 수파용 진동자군 (7') 에서 수신한다. 다음으로, 송파용 진동자군 (5) 으로부터 송파빔 (6) 을 송파하고, 수파용 진동자군 (7'') 에서 수신한다. 마지막으로 송파용 진동자군 (5) 으로부터 송파빔 (6) 을 송파하고, 수파용 진동자군 (7''') 에서 수신한다. 이렇게 함으로써, 용접부 위치가 도면에 나타내는 바와 같이, 용접점의 위치를 특정할 수 없으며, 위치 결정 정밀도가 나쁘고, 진동이 있는 등의 이유에 의해 좌우로 요동해도, 어떤 조합에서는 용접부에서 주사선이 교차하기 때문에 결함을 놓치지 않고 검출할 수 있다.
실시예 3
다음으로 본 발명의 제 3 실시예에 대해 설명한다. 도 9 는 본 발명의 제 3 실시예를 설명하는 도면이다. 제 3 실시예에서는, 도 2 에 있어서의 단계 1 ∼ 4 에서 관 둘레 방향의 어떤 부분을 전체 두께 탐상한 후, 다음으로 단계 5 ∼ 8 에서 그 주사 위치로부터 앞 (도면 중 우측) 을, 또한 단계 9 ∼ 12 에서 안측 (도면 중 좌측) 을 탐상하도록 하고 있다.
이렇게 함으로써, 용접점의 위치를 특정할 수 없으며, 위치 결정 정밀도가 나쁘고, 진동이 있는 등의 이유에 의해 좌우로 요동해도, 어떤 조합에서는 용접선에서 주사선이 교차하기 때문에 결함을 놓치지 않고 검출할 수 있다. 도 9 에서는 주사선의 교차 위치를 관 둘레 방향으로 3 개로 했지만, 이것에 한정되지는 않는다. 주사선의 교차 위치를 어긋나게 하는 방법으로서는, 송신 또는 수신의 진동자군의 위치를 어긋나게 하거나, 혹은 편향각을 변화시키는 등 방법으로 실현할 수 있다.
실시예 4
다음으로 본 발명의 제 4 실시예에 대해 설명한다. 제 1 실시예에서는, 1 개의 어레이 탐촉자에서 용접면 두께 방향 (관 직경 방향) 전역을 주사했지만, 제 4 실시예에서는, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 1 개의 어레이 탐촉자 중에, 송파부와 수파부가 갖는 어레이 탐촉자를 둘레 방향에 복수개 배치하여, 용접면 두께 방향 (관 직경 방향) 을 분할하고, 각 어레이 탐촉자에서 주사하는 것이다.
이 예에서는 2 개의 어레이 탐촉자를 사용하여, 도면 중 좌측 어레이 탐촉자로는 내면에서 두께 중앙부까지를 탐상하도록 하고, 우측 어레이 탐촉자로는 두께 중앙부로부터 외면까지를 탐상하도록 하고 있다. 도 2 에 나타내는 바와 같은 하나의 어레이 탐촉자로 내면에서 외면까지를 탐상하려고 하면, 특히 두께가 두꺼운 재료에서는 어레이 탐촉자의 길이가 길어진다. 그러면, 송파용 혹은 수파용 진동자군이 어레이 탐촉자의 선단에 오는 경우에 편향각이 커지기 때문에, 감도가 저하된다는 문제가 발생한다.
이것에 대해, 본 실시예는, 복수의 어레이 탐촉자를 사용하여 두께 방향을 분할하여 커버하도록 하고 있기 때문에, 어레이 탐촉자의 길이가 길어지지 않고, 편향각이 그다지 커지지 않아 감도 저하가 억제된다. 예를 들어, 22" 에서 25㎜ 두께의 강관을 제 1 실시예에서 탐상하는 경우에는, 어레이 탐촉자의 길이로서는 88㎜ 가 필요하고, 무엇보다 진동자군이 선단에 설정될 때의 편향각은 ±5.9°이다.
여기에서 예를 들어, 어레이 탐촉자의 1 소자의 폭을 0.95㎜, 주파수를 10㎒로 하면, 편향에 의한 감도 저하는 17.4dB 이 된다. 이것을 수신 게인을 증가시켜 감도 보상하려고 해도, 동시에 전기 노이즈도 증가하기 때문에, S/N 을 높게 할 수 없다. 한편, 본 실시예에서는 어레이 탐촉자의 길이가 60㎜ 이면 충분하고, 최선단의 진동자군에서의 편향각은 ±3.4°가 되어 감도 저하는 5dB 이면 충분하다. 이 정도이면 수신 게인을 증가시켜 감도 보정을 실시해도 전기 노이즈가 적게 증대되므로 충분하다.
실시예 5
다음으로 본 발명의 제 5 실시예에 대해 설명한다. 제 1 실시예와 제 4 실시예는, 1 개의 어레이 탐촉자 중에 송파부와 수파부가 있도록 했지만, 제 5 실시예에서는, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 송파용에만 사용하는 어레이 탐촉자와 수파용에만 사용하는 어레이 탐촉자를 구별하여 복수의 어레이 탐촉자를 배치하는 구성으로 하였다. 이렇게 하면, 송파 수파 각각에 최적화된 어레이 탐촉자를 사용할 수 있으므로 감도가 향상된다. 또, 각각의 강관에 대한 각도를 최적으로 설정할 수 있으므로, 편향각이 작아져 감도 저하가 억제된다.
실시예 6
제 5 실시예까지는, 어레이 탐촉자의 일부의 진동자군을 이용하여 송파부와 수파부로 하고, 송파부와 수파부를 이동시키면서 용접면을 조작하고 있었지만, 제 6 실시예에서는, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 송파용 어레이 탐촉자와 수파용 어레이 탐촉자를 구별하여 복수의 어레이 탐촉자를 배치하고, 어레이 탐촉자의 전부가 진동자군에서 송수파한다. 용접면의 주사 방법은, 송파빔과 수파빔의 교차 위치를 설정하기 위해서, 편향각을 변경시키도록 하고 있다. 이렇게 하면, 어레이 탐촉자 소자 모두를 진동자군으로서 사용할 수 있기 때문에, 개구가 커져 집속 계수를 크게 할 수 있다. 여기에서, 어레이 탐촉자의 위치를 고정시키고 있는 경우에는, 용접선에 대해 송파빔과 수파빔이 정반사 관계는 되지 않기 때문에, 편향각을 변경함과 동시에, 송파용 어레이 탐촉자 혹은 수파용 어레이 탐촉자의 위치를 송파빔과 수파빔이 용접선에서 정반사 관계가 되도록 기계적으로 이동시켜도 된다.
실시예 7
다음으로 본 발명의 제 7 실시예에 대해 설명한다. 제 7 실시예에서는, 도 13 에 나타내는 바와 같이, 어레이 탐촉자를 관의 곡률에 맞춘 형상으로 하는 것이다. 이렇게 하면, 실시예 1 에서 6 까지와는 달리, 송신 수신의 입사 위치 가 바뀌었다고 하더라도, 리니어 어레이 탐촉자와 같은 복잡한 편향각의 연산 처리를 실시하지 않고 , 편향각 및 굴절각을 일정하게 주사하는 것을 용이하게 할 수 있어 감도 편차를 억제할 수 있다.
또한, 실시예 4 ∼ 7 의 구성은, 단독으로 사용하는 구성으로 한정되는 것이 아니며, 예를 들어, 용접면을 내면측과 외면측과의 분할하여, 내면측을 실시예 4 의 구성으로 하고, 외면측을 실시예 5 의 구성으로서 조합하거나, 실시예 7 과 같이 관의 곡률을 갖는 어레이 탐촉자에 굴절 각도와 지연 시간을 제어를 조합한 구성 등과 같이 적절히 조합하여 구성해도 된다.
본 발명에 의하면, 전봉관 등의 용접부의 두께 내부에 위치하는 수 100㎛ 이하의 미소한 결함을, 내면에서 외면까지 빠짐없이 검출할 수 있게 되기 때문에, 용접 강관의 용접부의 기계적 특성에 영향을 미치는 미소 결함이 발생하지 않도록 용접 프로세스를 개선하거나 결함이 유출되지 않게 제조 공정에서 선별할 수 있게 되어, 용접 구리관의 품질을 비약적으로 높일 수 있으며, 종래 이상으로 가혹한 사용 조건으로 사용할 수 있게 된다.

Claims (16)

  1. 관체의 관축 방향 용접부의 용접면과 상기 관체의 내면에 대해서, 각각 33.2°내지 56.8°의 범위 내의 각도에서 입사하도록 초음파를 송파하는 송파부와, 상기 용접면에서의 정반사 방향에 대해 -12°내지 16°의 범위 내의 방향으로 반사된 일부 또는 전부의 반사파를 수파하는 수파부를 갖고, 상기 송파부 및 상기 수파부가, 관체 둘레 방향에 배치된 1 또는 2 이상의 어레이 탐촉자 상의 상이한 진동자군으로 이루어지는 송수신부와,
    상기 어레이 탐촉자 상에서 상기 송파부 및 상기 수파부에 대응하는 진동자군을 변경하거나, 또는 상기 어레이 탐촉자의 각도를 변경하도록 제어하여 상기 관체의 두께 방향으로 주사함과 함께, 상기 용접면과 상기 내면에 대한 입사 각도 및 상기 용접면에서의 반사파의 각도가 송파 및 수파에 대해서 각각 규정된 범위 내로 유지되도록, 각 송파 및 수파에서의 관체에 대한 초음파의 입사각을 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 진동자군에서의 각 진동자의 송파 타이밍 또는 수파 타이밍의 적어도 일방을 어긋나게 함으로써, 상기 용접면과 상기 내면에 대한 입사 각도 및 상기 용접면에서의 반사파의 각도가 상기 각각 규정된 범위 내로 유지되도록, 상기 관체에 대한 입사각 및 초점 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 관체에 대한 송파측의 초음파 또는 수파측의 초음파의 적어도 일방의 입사각을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 관체에 대한 초음파의 입사각이 일정해지도록 각 진동자의 송파 또는 수파의 적어도 일방을 제어하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 관체의 곡률에 기초하여, 진동자군에서의 각 진동자의 송파 타이밍 또는 수파 타이밍의 적어도 일방을 어긋나게 함으로써, 상기 관체에 대한 입사각 및 초점 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 어레이 탐촉자는, 상기 관체 둘레 방향을 따르도록 곡률을 갖게 하여 진동자군을 배치하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 송파부 또는 수파부의 적어도 일방은, 집속 계수 5dB 이상 50dB 이하가 되는 초음파를 송파 또는 수파하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 어레이 탐촉자에는, 송파빔 및 수파빔을 관체의 관축 방향으로 집속시키기 위한 음향 렌즈를 구비하고, 그 음향 렌즈의 초점 거리를, 용접부에 가까울수록 짧게, 용접부에서 멀수록 길게 설정하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 송수신부는, 복수의 어레이 탐촉자로 이루어짐과 함께, 각각의 어레이 탐촉자 상에 송파부 및 수파부를 갖는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 송수신부는, 송파부와 수파부가 각각의 어레이 탐촉자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 송수신부는, 송파부와 수파부가 각각의 어레이 탐촉자로 이루어지고,
    상기 제어부는, 각 어레이 탐촉자로부터의 송파빔 및 수파빔의 편향각을 변경하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 송파빔의 주사선과 수파빔의 주사선이, 관체 둘레 방향의 복수의 위치에 있어서 교차하도록, 각 송파 또는 수파의 적어도 일방에서의 상기 관체에 대한 초음파의 입사각 및 초점 위치를 변경하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 장치.
  13. 관체 둘레 방향에 배치된 1 또는 2 이상의 어레이 탐촉자 상의 상이한 진동자군으로 이루어지는 송파부 및 수파부로 구성되는 관체의 초음파 탐상 장치를 이용하고,
    상기 관체의 관축 방향 용접부의 용접면과 상기 관체의 내면에 대해서, 각각 33.2°내지 56.8°의 범위 내의 각도에서 입사하도록 상기 송파부에 의해 초음파를 송파하고, 상기 용접면에서의 정반사 방향에 대해서 -12°내지 16°의 범위 내의 방향으로 반사된 일부 또는 전부의 반사파를 상기 수파부에 의해 수파하고,
    상기 어레이 탐촉자 상에서 상기 송파부 및 상기 수파부에 대응하는 진동자군을 변경하거나, 또는 상기 어레이 탐촉자의 각도를 변경하도록 제어하여 상기 관체의 두께 방향으로 주사함과 함께,
    상기 용접면과 상기 내면에 대한 입사 각도 및 상기 용접면에서의 반사파의 각도가 상기 각각 규정된 범위 내로 유지되도록, 각 송파 및 수파에서의 관체에 대한 초음파의 입사각을 제어하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 진동자군에서의 각 진동자의 송파 타이밍 또는 수파 타이밍의 적어도 일방을 어긋나게 하여, 상기 관체에 대한 입사각 및 초점 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 관체에 대한 송파측의 초음파 또는 수파측의 초음파의 적어도 일방의 입사각을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 송파부 또는 수파부의 적어도 일방은, 집속 계수 5dB 이상 50dB 이하가 되는 초음파를 송파 또는 수파하는 것을 특징으로 하는 관체의 초음파 탐상 방법.
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