KR101134521B1 - 관체의 품질 관리 방법 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 페너트레이터를 적확하게 결함 판정할 수 있도록 하는 것이다.

구체적으로는, 관체(1)의 용접부(2)를 적어도 관축 방향으로 초음파 탐상하고, 관 두께 방향 및 관축 방향의 소정 면적 단위의 측정치를 이용하여 관체의 품질을 평가한다. 상기 소정 면적의 한 변의 길이는, 초음파빔 사이즈 이상, 관 두께 이하로 하고, 상기 소정 면적을 관축 방향이나 관 두께 방향으로 어긋나게 하면서, 상기 소정 면적 내의 측정치의 평균치를 이용하여 관체의 품질을 평가할 수 있다. 상기 소정 면적의 한 변의 길이는, 초음파빔 폭 이상, 관 두께 이하로 할 수 있다.

관체, 페너트레이터, 초음파 탐상

Description

관체의 품질 관리 방법 및 제조 방법 {METHOD FOR MANAGING QUALITY OF TUBULAR BODY AND TUBULAR BODY MANUFACTURING METHOD}

본 발명은, 용접 강관(welded sttel pipe)의 용접부에 발생하는 미소한 결함을 초음파 탐상(ultrasonic flaw detection)으로 정밀도 좋게 검출하기 위한 관체의 품질 관리 방법(quality control method) 및 제조 방법에 관한 것이다.

용접 강관에서는 용접부의 품질이 매우 중요하며, 제조 공정에 있어서는 일반적으로 초음파 사각 탐상(angle beam testing)에 의해 용접부의 온라인 탐상이 행해지고 있다. 이 방법은, 피(被)검재의 검사면에 대하여 비스듬하게 초음파를 입사시키고, 결함에서 반사한 반사파로부터 피검재의 내외 표면 결함 및 내부 결함을 검출하는 것이다. 통상, 예를 들면 전봉관(electric resistance welded steel pipe)에서는 5MHz로 45˚의 굴절각(refractive angle)을 가진 초음파빔(ultrasound beam)에 의한 반사법(reflection method)이 적용되어, ㎜ 오더 크기의 결함, 예를 들면 용입 불량(poor penetration), 용락(burn-through), 개재물(inclusion)에 의한 균열 등의 결함이 검출된다.

한편, 최근에는 용접 강관에 대한 품질 요구가 엄격해져서, 종래보다도 작은 결함의 검출이 요구되고 있다. 예를 들면, 전봉관에서는 냉접(cold weld) 결함이 나 미소 페너트레이터(micropenetrator), 레이저 용접관(laser welded pipe)에서는 블로우홀(blowhole) 등으로, 이들 결함의 크기는 수 10㎛～수 100㎛로 매우 미소하다. 또한, 발생 위치는 용접선(weld line)을 따라서 내면에서 외면까지의 어느 장소에서도 발생할 가능성이 있고, 결함 위치에 따라서는 초음파빔의 입사점과 귀점(歸点)이 달라져 버린다. 이들의 영향 때문에, 종래 실용되고 있는 초음파 탐상법에서는 검출할 수 없는 경우가 많아, 강관 용접부의 품질 관리(quality control)에 사용할 수 있는, 보다 정밀도 좋게 검출할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

용접 강관 품질 관리에 이용하기 위한 미소 결함을 검출하는 방법으로서, 지금까지 이하와 같은 종래 기술이 개시되어 있다. 일본공개특허공보 소60-205356호에서는, 사각 탐상에 있어서 주파수(frequency) 8MHz 이상의 포인트 포커스형 탐촉자(point focus type probe)를 이용하도록 하여, 페너트레이터에 대한 검출 성능을 향상시키도록 하고 있다. 또한, 일본공개특허공보 평11-183446호에서는, 어레이 탐촉자(array probe)에 의해 포커스빔(focus beam)을 형성하여 검출 성능을 향상시키고, 섹터 스캔(sector scan)에 의해 용접부의 내면측에서 외면측까지를 스캔하도록 하여 블로우홀을 검출할 수 있도록 하고 있다.

또한, 일본공개특허공보 소61-111461호에서는, 초음파의 주파수를 25MHz 이상 500MHz 이하로 하여 입사각 0˚ 이상 20˚ 이하에서 관 외면측으로부터 용접부로 입사시킴으로써, 수 ㎛이하의 미세한 FeＯ가 군을 이루어 협잡(夾雜)하고 있는 냉접 결함을 검출할 수 있도록 하고 있다. 또한, 일본공개특허공보 평 7-35729호에서는, 주파수 20MHz～80MHz의 포인트 포커스형 탐촉자를 복수 이용하고, 시 임(seam) 바로 위에서 집속 위치가 3㎜ 이하의 피치(pitch)가 되도록 배치함으로써, 0.1㎜ 이상의 블로우홀을 검출할 수 있도록 하고 있다.

또한, 발명의 개시에 있어서, 하기의 일본공개특허공보 평4-274756호 및 일본 철강 협회편「초음파 탐상 시리즈(Ⅱ) 용접 강관의 초음파 탐상법」(1988년, 28～31쪽)을 인용하기 때문에, 여기에 함께 기재해 둔다.

그러나, 상술한 개시 기술에 있어서도, 이하에 서술하는 바와 같은 문제가 남겨져 있다. 우선 일본공개특허공보 소60-205356호의 방법에서는, 집속한 초음파의 빔 폭이 좁기 때문에, 용접부의 깊이 방향(강관의 살두께 방향)의 전역을 간과가 없도록 탐상하기 위해서는, 수 많은 채널(channel)이 필요하여 설비 비용이 높아지고, 관의 사이즈(size)가 바뀌었을 때의 위치 조정(centering control) 등이 매우 번거롭다는 문제가 있다. 또한, 결함 형상(flaw shape)이 블로우홀 형상이 아니고 페너트레이터나 냉접과 같이 면 형상이며, 또한 위치가 살두께 내부에 있는 경우, 반사파(reflected wave)가 입사 방향과는 다른 방향으로 가 버리기 때문에 검출이 곤란하다.

또한 일본공개특허공보 평11-183446호의 방법에서는, 어레이 탐촉자가 1개로 끝나고, 사이즈 교체시의 설정도 전자적(電子的)으로 행할 수 있기 때문에, 일본공개특허공보 소60-205356호에 나타낸 전자(前者)의 문제는 없지만, 후자(後者)의 문제에 대해서는 여전히 미해결인 채이다.

또한 결함 형상이 상기와 같이 면 형상인 경우, 예를 들면 전봉관에서는 시임부에 업셋(upset)이 걸려 있기 때문에 시임 바로 위에서 본 결함의 폭은 100㎛ 이하로 매우 가늘어, 일본공개특허공보 소61-111461호 및 일본공개특허공보 평7-35729호의 방법에 있어서도, 실제로는 결함으로부터의 반사파가 매우 약해 검출 곤란한 경우가 많다. 또한, 표면 에코(echo) 근방의 1～2㎜ 정도는 표면 에코의 잔향(殘響)에 의해 불감대(dead zone)가 되기 때문에, 결함의 위치가 외면 근방에 있는 경우는 검출할 수 없다는 문제가 있다.

이와 같이, 용접 강관의 관축 방향의 용접부에 발생하는 수 100㎛ 정도 이하의 미소 결함을 검출하는 기술에서는, 검출 성능이 불충분함 등의 문제 때문에, 최근 요구되는 엄격한 품질 관리에 대응하는 것은 곤란하여, 그들의 과제를 해결하는 기술 개발이 요망되고 있다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 엄격한 품질 관리가 필요시 되는 전봉 용접 강관이어도, 그 품질 관리를 확실히 행할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

(발명의 개시)

상기 과제를 해결하기 위해, 구체적으로는 이하와 같은 수단이 제공된다.

본 발명의 청구항 1에 따른 발명은, 관체의 용접부를 적어도 관축 방향으로 초음파 탐상하고, 관 두께 방향 및 관축 방향의, 한 변의 길이가 초음파 빔 폭 이상, 관 두께 이하인 소정 면적 단위의 측정치를 이용하여 관체의 품질을 평가하는 것을 특징으로 하는 관체의 품질 관리 방법이다.

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또한, 본 발명의 청구항 3에 따른 발명은, 상기 소정 면적을 관축 방향으로 어긋나게 하면서 관체의 품질을 평가하는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 관체의 품질 관리 방법이다.

또한, 본 발명의 청구항 4에 따른 발명은, 상기 소정 면적을 관 두께 방향으로 어긋나게 하면서 관체의 품질을 평가하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 3에 기재된 관체의 품질 관리 방법이다.

또한, 본 발명의 청구항 5에 따른 발명은, 상기 소정 면적 내의 측정치의 평균치를 이용하여 관체의 품질을 평가하는 것을 특징으로 하는 청구항 1, 3, 4 중 어느 한 항에 기재된 관체의 품질 관리 방법이다.

또한, 본 발명의 청구항 6에 따른 발명은, 관 두께 방향의 소정 면적 중, 관축 방향 동일 위치에 있어서의 최대 평균치를 구하고, 당해 최대 평균치를 이용하여 관체의 품질을 평가하는 것을 특징으로 하는 청구항 5에 기재된 관체의 품질 관리 방법이다.

또한, 본 발명의 청구항 7에 따른 발명은, 관 두께 방향의 소정 면적 중, 관축 방향 동일 위치의 관 두께 방향 소정 범위에 있어서의 최대 평균치를 구하고, 당해 최대 평균치를 이용하여 관체의 품질을 평가하는 것을 특징으로 하는 청구항 5에 기재된 관체의 품질 관리 방법이다.

또한, 본 발명의 청구항 8에 따른 발명은, 관축 방향 위치마다의 상기 최대 평균치를 차트에 표시하는 것을 특징으로 하는 청구항 6 또는 7에 기재된 관체의 품질 관리 방법이다.

또한, 본 발명의 청구항 9에 따른 발명은, 상기 초음파 탐상을, 관체의 관축 방향 용접부의 용접면에 대해 초음파를 송파(送波)하는 송파부와, 상기 용접면에 있어서의 반사파의 일부 또는 전부를 수파(受波)하는 수파부를 갖고, 상기 송파부 및 상기 수파부가, 관체 둘레(周) 방향으로 배치된 1 또는 2 이상의 어레이 탐촉자 상의 다른 진동자군으로 이루어지는 송수신부를 구비한 초음파 탐상 장치를 이용하여 행하는 것을 특징으로 하는 청구항 1, 3, 내지 8 중 어느 한항에 기재된 관체의 품질 관리 방법이다.

또한, 본 발명의 청구항 10에 따른 발명은, 상기 송파부가, 관체의 관축 방향 용접부의 용접면과 상기 관체의 내면에 대해, 각각 33.2˚에서 56.8˚의 범위 내의 각도로 입사하도록 초음파를 송파하고, 상기 수파부가, 용접면에 있어서의, 정(正)반사 방향에 대하여 －12˚에서 16˚의 범위 내의 방향으로 반사한 일부 또는 전부의 반사파를 수파하도록 한 것을 특징으로 하는 청구항 9에 기재된 관체의 품질 관리 방법이다.

또한, 본 발명의 청구항 11에 따른 발명은, 초음파의 용접면에 있어서의 빔 폭이 0.5㎜에서 2.5㎜의 범위가 되도록 한 것을 특징으로 하는 청구항 10에 기재된 관체의 품질 관리 방법이다.

또한, 본 발명의 청구항 12에 따른 발명은, 관체를 제조하는 제조 스텝과, 당해 제조 스텝에서 제조된 관체를, 청구항 1, 3, 내지 11 중 어느 한 항에 기재된 품질 관리 방법을 이용하여 품질 관리하는 품질 관리 스텝을 갖는 관체의 제조 방법이다.

또한, 송파빔의 집속 위치와 수파빔의 집속 위치는, 반드시 한 점은 아니고, 송파빔, 수파빔이 집속된 위치에서의 빔 폭에 상당하는 영역 범위이며, 관체의 단면내나 그것과 직교하는 관축 방향에도 빔 폭을 갖고, 그 값은 재료나 초음파 제원(諸元)으로 결정된다.

본 발명에 의해, 페너트레이터의 결함을 적확하게 판정 검출할 수 있게 되기 때문에, 용접 강관의 용접부의 기계적 특성에 영향을 미치는 미소 결함이 발생하지 않도록 용접 프로세스를 개선하거나, 결함이 유출되지 않도록 제조 공정에서 선별할 수 있는 바와 같은 품질 관리가 가능해지고, 용접 강관의 품질을 비약적으로 높일 수 있어, 종래 이상으로 과혹한 사용 조건으로 사용할 수 있게 된다.

도 1은 발명자의 조사로 판명된 미소 페너트레이터의 종류를 나타내는 사시도이다.

도 2는 샤르피 충격 시험(Charpy impact test)을 행한 샘플 결과를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 시임 슬라이스재(seam slice material)의 C스캔 방법(C scan method)을 나타내는 도면이다.

도 4A～4D는 동일하게 50MHz 빔 폭 100㎛에서의 C스캔 결과를 나타내는 도면이다.

도 5A～5D는 동일하게 50MHz 빔 폭 250㎛에서의 C스캔 결과를 나타내는 도면 이다.

도 6은 반사원이 산재하고 있는 경우의 검출 이미지도이다.

도 7은 C스캔과 샤르피 충격 시험과의 대비 실험을 행하는 기능 구성예를 나타내는 도면이다.

도 8은 본 발명의 원리를 설명하기 위한, C스캔과 샤르피 충격 시험과의 대비를 나타내는 사시도이다.

도 9A, 9B는 동일하게 C스캔 데이터 처리를 나타내는 도면이다.

도 10은 동일하게 C스캔 에코 높이와 샤르피 흡수 에너지를 비교하여 나타내는 도면이다.

도 11은 C스캔과 샤르피 충격 시험과의 대비 실험을 행하는 기능 구성예를 나타내는 도면이다.

도 12는 C스캔을 적용한 본 발명에 있어서의 데이터 처리 플로우를 나타내는 도면이다.

도 13은 본 발명에 의한 소정 면적의 주사의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 14는 탠덤법의 원리를 설명하는 도면이다.

도 15A～15D는 탠덤법에 있어서의 주사의 순서예를 나타내는 도면이다.

도 16은 탠덤법을 적용한 초음파 탐상 장치의 기능 구성예를 나타내는 도면이다.

도 17은 탠덤법을 본 발명에 적용한 기능 구성예를 나타내는 도면이다.

도 18은 탠덤법을 적용한 본 발명에 있어서의 데이터 처리 플로우를 나타내 는 도면이다.

도 19는 본 발명에 의한 소정 면적의 주사의 다른 예를 나타내는 도면이다.

도 20은 동일하게 소정 면적의 주사의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.

도 21A～21C는 빔 사이즈와 신호 강도의 관계를 나타내는 도면이다.

도 22는 개구폭과 빔 사이즈의 관계를 나타내는 도면이다.

도 23A～23C는 결함의 크기와 반사 지향성의 관계를 설명하는 도면이다.

도 24는 반사 특성을 설명하는 도면이다.

도 25는 강관에서의 모드 변환 로스를 설명하는 도면이다.

도 26은 각 진동자에 부여하는 지연 시간의 계산을 설명하는 도면이다.

도 27A, 27B는 주사선(scanning line)과, 대표점의 탐상 조건 계산 결과의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 28A, 28B는 주사선 A에 대해서 지연 시간을 계산한 결과와 송파의 원리를 나타낸 도면이다.

도 29A, 29B는 주사선 C에 대해서 지연 시간을 계산한 결과와 수파의 원리를 나타낸 도면이다.

도 30은 집속 계수와 빔 사이즈의 관계를 나타내는 도면이다.

도 31은 본 발명의 실시예를 설명하는 도면이다.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

1 : 강관

2 : 용접부

3 : 결함

4 : 물

5 : 리니어 어레이 탐촉자

6 : 송파용 진동자군

7 : 수파용 진동자군

8 : 송파빔

9 : 수파빔

10 : 탐상 조건 계산부

11 : 지연 시간 설정부

12 : 펄서

13 : 리니어 어레이 탐촉자의 진동자

14 : 수신 앰프

15 : 지연 시간 설정부

16 : 합성 처리부

17 : 게이트 평가부

30 : 피검체 사이즈 입력부

31 : 어레이 탐촉자 기억부

32 : 개구폭 제어부

33 : 게이트 위치 기억부

34 : 어레이 송신칙(transmission law) 기억부

35 : 어레이 수신칙(reception law) 기억부

36 : 어레이 송신부

37 : 어레이 수신부

38 : 게이트부

39 : 판정 문턱값 입력부

40 : 결함 판정부

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

본 발명자들은, 예의 연구의 결과, 전봉 용접 강관의 관축 방향 용접면의 기계적 특성에는, 용접부에 잔류하는 페너트레이터 등의 결함의 존재가 영향을 미치고 있는데, 단체(單體) 결함 사이즈는 문제가 되지 않을 정도로 작지만, 그 존재량(어느 면적 내에 존재하는 결함수)이 용접부의 기계적 특성에 크게 관여하고 있다는 신규하며, 유용한 지견을 밝혀냈다.

당초, 발명자들은 전봉관 용접부의 기계적 특성에 크게 영향을 미치는 것은 페너트레이터의 사이즈이며, 용접부에 존재하는 페너트레이터의 사이즈가 어느 정도 작으면, 기계적 특성이 우수하다고 생각했다. 그리고, 이들 결함을 검출하기 위해 탐상법을 검토한 결과, 종래의 초음파 탐상법에 비해, 송수신파의 초음파빔 폭을 보다 작게하여, 이들 결함을 검출하기 위한 기술을 생각하게 되었다. 그러나, 이 빔 폭을 작게 한 초음파 탐상 기술을 이용하여, 페너트레이터 유무를 평가하고, 그 결과와 기계적 특성(mechanical properties)을 비교했으나, 상정한 결과 와는 전혀 달랐다. 즉, 페너트레이터가 검출된 경우라도 기계적 특성이 양호하거나, 역으로 페너트레이터가 검출되지 않은 경우라도 기계적 특성이 나쁘다는 결과가 얻어졌다. 그 후, 발명자들은, 더욱 상세 검토를 행한 결과, 수 ㎛의 미소 결함이 넓은 범위로 분산한 형태의 페너트레이터가 기계적 특성과 상관이 있다는, 종래 알려지지 않았던 매우 유익한 지견을 견출했다. 그리고, 그들을 검출하기 위한 초음파 탐상 기술을 개발한 것이다.

여기에서, 도 1을 이용하여 페너트레이터의 형태를 설명한다. 당초, 기계적 특성에 영향을 주는 페너트레이터 등의 미소 결함의 형태는, 강관(1)의 용접부(2)에 있어서, 부호(3a)에 나타내는 바와 같은, 원래, 수 ㎛의 산화물(oxide)(주로 Si-Mn계)이 수 10～수 100㎛ 크기의 영역에 밀집(응집)한 것으로, 외관상, 1개의 결함으로 인식되는 것이라고 생각했었다(본 명세서에서는, 응집형 페너트레이터라고 함).

그러나, 발명자들의 조사에 의해, 부호(3b)에 나타내는 바와 같은 수 ㎛의 산화물이 넓은 영역에 다수 분포(산재)한 것과 같은 형태를 나타내는 페너트레이터(본 명세서에서는, 산재형 페너트레이터라고도 함)의 존재를 알 수 있었다. 이 산재형 페너트레이터는, 종래의 검출 방법에서는 명료하게는 검출되지 않고, 밀도가 낮아 단면 관찰이 매우 어렵기 때문에, 분명해지지 않았었지만, 발명자들이 상세 조사한 결과, 기계적 특성의 평가, 특히 특성이 우수한 레벨(엄격한 품질 관리가 요구되는 레벨)의 평가에 있어서는, 이것이 중요한 검출 대상인 것이 처음으로 판명되었다. 그래서, 이 인식에 기초하여, 전봉 강관 용접부의 품질 관리를 행하 는 발명을 생각하게 되었다.

도 2는, 샘플관으로부터 샤르피 시험 조각(charpy specimen)을 잘라내어 샤르피 충격 시험을 행한 결과이다. 샤르피 충격 시험의 결과에서, 샘플 A(샘플수는 3개)는 흡수 에너지는 400J 이상의 양호한 기계적 특성을 나타내고, 샘플 B(샘플수는 3개)는 흡수 에너지가 200J 정도인 것이었다.

그리고, 이들 샤르피 시험 조각을 잘라낸 근방에서, 도 3에 나타내는 바와 같이, 전봉관(1)의 관축 방향 용접면의 용접부(2)를 용접면으로부터 둘레 방향으로 4㎜의 위치에서 잘라낸(슬라이스한) 샘플 S를 이용하여, 잘라낸 면에 대하여 집속형 초음파 탐촉자(50)를 이용한 C스캔법에 의해 용접부의 탐상을 행하여, 샤르피 충격 시험의 결과와 비교했다. 우선, 발명자들은, 전술한 수 10～수100㎛의 영역에 밀집한 응집형 페너트레이터의 존재가 용접부의 기계적 특성에 영향을 미친다고 생각해, 그들을 검출하도록 주파수 50MHz의 집속형 초음파 탐촉자(focusing-type ultrasound probe;50)를 이용하여, 빔 폭 100㎛로 좁혀 탐상했다. 그 결과를 도 4A～4D에 나타냈다. 도 4A는 샘플 A의 C스캔 데이터로, 횡축은 관축 방향, 종축은 두께 방향이며, 신호 강도(signal strength)를 농담(濃淡)(신호 강도 클수록 백색)으로 나타내고 있다. 도 4B는, 도 4A의 데이터에 대해서, 관축 방향이 동일한 위치에서 두께 방향에 대해서 신호 강도 최대치를 취한 것으로, 횡축을 관축 방향 위치로 하고, 종축에 신호 강도 최대치를 플롯한 것이다. 동일하게, 도 4C, 도 4D는 샘플 B에 대한 초음파 탐상 결과이다. 또한, 도 4B, 도 4D의 결과에는, 두께 방향의 신호 강도 최대치로부터 추정한 결함 지름의 값을 종축에 나타내고 있다. 샘플 A에서는 결함 지름 50㎛ 이상에 상당하는 신호 강도의 결함 지시(전술한 응집형 페너트레이터에 대응)가 점재하여 많이 보이고, 샘플 B에서는, 그와 같은 점재하는 결함 지시는 거의 보이지 않았다. 이 결과는, 응집형 페너트레이터가 있어도 기계적 특성이 양호하며, 역으로 페너트레이터가 거의 검출되지 않는 샘플에서는 흡수 에너지가 낮다는 것을 나타내고 있어, 발명자들이 당초 상정한 결과와 전혀 반대의 결과였다.

다음으로, 발명자들은, 측정 조건을 여러가지 변경하여 측정했다. 그 중, 빔 폭을 넓혀본 결과(구체적으로는, 100㎛로부터 250㎛로 넓힘), 지금까지 확인되지 않았던 신호가 얻어지는 것을 알 수 있었다. 그 결과를 도 5A～5D로 나타낸다. 샤르피 충격 시험에서 기계적 특성이 양호했던 샘플 A에 대해서는 도 4A, 4B와 동일하게, 결함 지름 40㎛를 크게 하회하는, 결함 지름 25㎛ 정도에 상당하는 신호 레벨을 베이스로 하여, 결함 지름 100㎛ 정도의 신호 레벨이 높은 결함 신호가 곳곳에 확인되었다. 한편, 샘플 B에 대해서는, 도 4C, 4D와 동일하게, 신호 레벨이 높은 결함 신호는 없지만, 결함 지름 40㎛ 정도에 상당하는 신호 강도를 나타내는 신호(도면 중의 화상에 있어서 연하고 얇은 지시)가 관축 방향의 전장(全長)에 걸쳐서 확인되었다. 이상의 결과에 기초하여, 발명자들은, 신호 레벨은 결함 지름 40㎛ 정도로 그다지 높지 않지만, 그것이 넓게 분포하고 있는 결함이, 용접부의 기계적 특성에 크게 영향을 주고 있다는 인식에 도달했다.

또한, 이 샘플 B의 단면을 전자 현미경으로도 조사한 결과, 샘플 B에 보여지는 결함 지시부에는, 1개당 크기가 5㎛～20㎛의 미소한 산화물(미소 페너트레이터) 이 드문드문 존재하고 있는 것이 확인되어, C스캔의 결과가 뒷받침되었다.

여기에서, 초음파빔 폭을 넓힘으로써 연한 에코 띠(echo band)가 검출되게 된 이유를 고찰한다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 넓은 범위에 미소 반사원이 일관되게 산재하고 있는 상태를 생각하면, 빔 폭이 좁은 경우, 미소 반사원이 빔 내에 소수밖에 포함되지 않기 때문에, 빔 면적에 대한 결함의 합계 면적의 비율이 낮아, 결과적으로 반사 에코가 약해진다. 한편, 빔 폭을 넓게하면, 미소 반사원이 빔 내에 다수 포함되게 되어, 빔 면적에 대한 결함의 합계 면적 비율이 높아지기 때문에, 개개의 에코가 약해도, 그것이 적산되어 강해지게 되어, 검출 신호 레벨(detection signal level)이 높아진다.

이상의 결과로부터, 이와 같이 개개의 결함 지름은 매우 작지만, 넓은 영역에 분포한 상태를 나타내는 페너트레이터(산재형 페너트레이터)도 용접부의 기계적 특성에 영향을 주고, 그 평가를 정밀도 좋게 행하기 위해서는, 빔 폭에 매우 적합한 범위가 있어, 그러한 조건에서 검출된 결과에 기초하여, 품질 관리를 행하는 것이 가능하다는 새로운 인식이 도출되었다.

이러한 발명자의 인식이나 해석에 기초하여, 전봉 강관 용접부의 산재형 페너트레이터를 검출하기에는 종래 기술 레벨의 빔 집속도에서는 감도 부족이지만, 너무 집속시켜도 검출할 수 없는 것을 알 수 있었다. 본원 발명의 골자는, 용접부의 품질에 크게 영향을 주는 페너트레이터를 초음파 탐상으로 검출하기 위해서는, 초음파빔 폭에 매우 적합한 범위가 있고, 그 빔 폭에 의해 검출한 결과로부터, 전봉 강관 용접부의 품질을 평가하기 위한 지표치를 산출하고, 그것에 기초하여 품질 관리를 행하는 것이 가능한 발명을 생각하게 된 점에 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 어레이 탐촉자를 이용하고 있어, 빔 형상은 직사각형 형상이 되기 때문에, 본 명세서에서 말하는 빔 폭은, 빔 면적의 평방근을 취한 실효적인 값이라 생각하면 좋다. 그러나, 페너트레이터가 관축 방향으로 연속하고 있는 경우 등 관축 방향의 집속이 불필요한 경우도 있을 수 있기 때문에, 그 경우는 관 두께 방향의 빔 폭이라고 생각해도 좋다.

우선, 본원 발명에 따른 품질 관리 방법을 검토함에 있어서, C스캔법을 이용하여, 용접부의 기계적 특성에 영향을 미치는, 미소 결함이 넓은 범위에 분포한 형태의 산재형 페너트레이터를 검출할 수 있는 바와 같은 조건으로 하여 탐상하고, 그 탐상 결과와 비교 평가했다. 그 평가를 위한 구성의 일 예를 도 7에 나타낸다. 잘라낸 용접면에 대하여, 초음파를 송수신하여 초음파 탐상을 행하기 위한 탐촉자(50)와, 탐촉자(50)에서의 초음파의 송수신을 제어하는 초음파 송수신 수단(52)과, 잘라낸 샘플의 용접면에 대하여 C스캔하기 위해, 탐촉자를 관축 방향과 관 두께 방향으로 순차 주사시키기 위한 탐촉자 주사 수단(54)과, C스캔 데이터를 기억하는 수신 신호 기억 수단(56)과, C스캔 데이터를 연산 처리하는 신호 처리 수단(58)과, 연산 처리에 필요한 파라미터를 입력하기 위한 파라미터 입력 수단(60)과, 결과 출력 수단(62)으로 구성된다.

여기에서, 수신 신호 기억 수단(56)은, 초음파 탐촉자(50)의 수신 신호를, 탐촉자 주사 수단(54)으로 용접면을 주사한 위치와 대응지어 기억하도록 되어 있어, 예를 들면 관축 방향과 관 두께 방향에 대하여, 수신 신호 강도를 기억할 수 있는 메모리(2차원 메모리)로서, 소위 C스캔 데이터를 기억하는 기능을 갖는 C스캔 데이터 기억 수단이다.

신호 처리 수단(58)은, 이 메모리 데이터에 대하여, 후술하는 연산에 필요한 파라미터를 파라미터 입력 수단(60)으로부터 입력하여, 기계적 특성과 상관이 있는 지표치를 산출하도록 되어 있고, CRT, 액정 모니터나 프린터 등의 결과 출력 수단으로 화면 표시나 인자(printing)가 된다.

이 구성을 이용하여, 구체적으로는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 용접면(시임)으로부터 8㎜의 위치에서 잘라낸(슬라이스한) 샘플을 작성하고, 단면(端面)으로부터 주파수 20MHz의 점 집속형 탐촉자(point focused probe;50)를 이용하여, 용접면에 있어서의 빔 폭을 440㎛로 했다. 빔 폭 440㎛는, 후술하는 바와 같이, C스캔에 있어서, 미소 결함이 넓은 영역(예를 들면, 1.5㎜×1.5㎜나, 2㎜×2㎜의 범위)에 분포한 산재형 페너트레이터를 검출함에 있어서, 매우 적합한 범위 내이기 때문에, 그 값을 선정했다. 또한, C스캔은, 용접면을 두께 방향과 관축 방향에 대하여 계측했다.

다음으로, C스캔을 행한 장소와 동일한 장소에 대해서, 기계적 특성을 구했다. 구체적으로는, 길이 방향 10㎜×두께 방향 약 10㎜로 샘플을 잘라내고, 노치부에 열 영향이 들어가지 않도록 이음매를 압접하여 샤르피 시험 조각으로 하고, －40℃에서 샤르피 충격 시험을 실시하여, 그 부위의 샤르피 흡수 에너지를 계측했다.

그리고, 초음파로 검출한 측정 데이터(초음파 에코 높이)로부터, 기계적 특 성에 대응짓기 위한 지표치가 되는 값을 연산하여, 그 값과 샤르피 흡수 에너지와의 사이에 상관이 보이는지 어떤지를 평가했다.

도 9A, 9B에 기계적 특성과 비교하는 지표치의 연산 처리 방법의 일 예를 나타냈다.

도 9A는, C스캔에 의해 얻어진 화상으로, 종축이 살두께 방향, 횡축이 관축 방향이다. 농담이 밝은 부위는 초음파 에코가 높고, 결함 밀도(defect density)가 높음을 나타내고, 어두운 부분은 초음파 에코가 낮고, 결함 밀도가 낮음을 나타내고 있다. 이 데이터의 경우, 살두께 11㎜ 중, 중앙 부근 6㎜ 범위에 미소 결함이 많이 분포하고 있음을 알 수 있다.

그리고, 이 데이터에 대하여, 이하의 처리를 행하여, 지표치를 구했다.

ⅰ) 각 데이터를 중심으로 하여, 소정 영역(여기에서는, 예를 들면 1㎜×1㎜)에 대해서 평균치를 산출하여, 평균치 데이터를 작성한다.

ⅱ) 평균 데이터에 대하여, 관축 방향이 동일한 위치에서, 두께 방향에 대하여 최대치를 구한 최대치 분포 데이터를 산출한다. 이 최대치 분포 데이터는 도 9B에 대응한다.

ⅲ) 최대치 분포 데이터에 대해서, 샤르피 시험 조각을 잘라낸 범위의 평균치를 산출하고, 그 값을 샤르피 시험 결과와 비교하는 지표로 한다.

또한, 상기 처리에 대해서는, 결함의 분포 상태가 살두께부 중앙 부근에 집중하고 있는 점에서, 두께 방향에 대해서는 중앙부의 6㎜ 범위에 대해서 행했다.

이들 처리를, 다수 샘플의 복수 위치에 대해서 행하고, C스캔으로부터 구한 지표치와 샤르피 시험과의 결과의 관계를 나타낸 것이 도 10이다. 도 10은, 횡축에 상기 지표치를 취하고, 종축에 샤르피 시험의 결과를 플롯한 데이터이다.

이것으로부터 알 수 있는 바와 같이, 지표치가 작을수록, 기계적 특성이 좋아지는 경향을 나타내는 점에서, 이 지표치에 의해 용접부의 품질을 평가하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있었다.

따라서, 이 ⅰ)～ⅲ)의 처리를 도 11에 나타내는 신호 처리 수단(58)으로 실현하면, 용접부의 기계적 특성을 평가할 수 있고, 품질 관리가 가능해진다. 또한, 도 11에 나타낸 구성은, 도 7의 구성에 대하여, 초음파 탐상으로부터 산출한 지표치를 기계적 특성치에 대응짓기 위한 「지표치-기계적 특성 대응지음용 데이터」(64)를 부가한 구성이며, 그 이외의 구성은 도 7과 동일하다. 그리고, 그 처리의 일 예로서, 도 12에 나타내는 바와 같은 처리 플로우에 따라서 연산 처리를 실행하면 좋고, 이하에 설명한다. 또한 도 13에는, 도 9A, 9B에 대응한 모식도(schematic view)를 나타냈기 때문에 함께 설명한다.

용접부를 C스캔하고, 그 데이터를 수신 신호 기억 수단에 기억시킨 C스캔 데이터를 신호 처리부(signal processor)에서 입력하고, 그 데이터의 각 어드레스(address)를 중심으로 하여, 소정 영역(예를 들면, 1×1㎜)에 상당하는 데이터의 신호 강도 평균치를 산출한다(스텝(101)). 이 평균화는, 산재형 페너트레이터의 형태가 넓은 영역에 분포하고 있기 때문에, 미소 영역의 피크치(peak value)로 판단하기 보다도, 어느 정도의 넓은 영역(수 ㎜정도)에 있어서의 신호 강도로 판단하는 쪽이 좋다는 관점에서이다. 또한, 초음파빔 폭의 영역은 실질 평균화되어 있기 때문에, 이 평균화하는 영역의 하한은 초음파빔 폭으로 하는 것이 좋다. 또한, 상한은 관 두께가 된다. 또한, 평균화 영역은, 세로와 가로의 길이가 동일하지 않고, 장방형의 영역으로 해도 좋다. 또한, 여기에서 평균화 영역 사이즈는, 용접면에 있어서의 실(實) 사이즈(㎜)로 표기했지만, 실제의 신호 처리 수단에서는 메모리 내의 데이터를 참조하기 때문에, 측정하고, 기억된 데이터 피치(data pitch)(화상에서 말하면, 화소 사이즈)에 기초하여, 실 사이즈를 데이터 점수(화소수(pixel count))로 변환하여, 연산하게 된다.

스텝(101)에서 산출된 평균치를 평균치 데이터 메모리에 기억한다(스텝(102)). 이 평균치 데이터 메모리는, 도 11에 도시하지 않지만, 수신 신호 기억 수단(56)의 C스캔 데이터를 기억하는 메모리와 동일하게, 관축과 관 두께에 대응하여 신호 강도의 평균치를 기억하는 것이 가능한 2차원 메모리로서, 통상은 수신 신호 기억 수단(56)과 동일한 구조이면 좋다. 이 평균치 데이터 메모리는, 신호 처리 수단(58)의 내부에 배치 가능한 기억 영역이어도 좋고, 액서스 가능한 외부 메모리로 해도 좋다.

이, 스텝(101), 스텝(102)의 처리를 관축 방향 및 관 두께 방향의 각 화소에 대해서 완료하기까지, 도 13의 평균화 영역을 관 두께 방향, 관축 방향으로 이동시켜, 반복하여 행해진다(스텝(103)). 실제 연산 처리에서는, 관축, 관 두께의 2방향에 대해서, 각 화소를 인크리먼트(increment), 또는 디크리먼트하도록 하여 반복하면 좋다.

스텝(103)에서, 모든 화소에 대해서 처리가 완료하면, 평균 데이터 메모리를 참조하여, 관축 방향의 동일 위치에서, 관 두께 방향에 있어서의 최대치를 산출한다(스텝(104)). 이것은 도 13에서, 「관 두께 방향의 최대치」의 분포도에 대응한다. 그 데이터를 관 두께 최대치 데이터 메모리에 기억한다(스텝(105)). 이 관 두께 최대치 데이터 메모리는, 관축 방향 위치에 대응하여, 최대치 데이터를 기억할 수 있는 것이 가능한 메모리(기억 영역)면 좋고, 신호 처리 수단(58) 내에 배치해도 좋고, 액서스 가능한 외부 메모리로 해도 좋다.

스텝(104), 스텝(105)의 처리를 관축 방향의 모든 데이터에 대해서, 반복하여 실시한다(스텝(106)).

모두 완료한 시점에서, 관 두께 최대치 데이터 메모리로부터 관 두께 최대치 데이터를 입력하여, 관축 방향의 소정 범위(거리)마다에 대해서 평균치를 산출한다(스텝(107)). 여기에서, 평균치를 산출하기 위한 소정 범위는, 기계적 특성을 평가하는 샤르피 충격 시험에 이용하는 시험 조각의 사이즈와 동등한 범위로 하는 것이 좋다.

그리고, 산출한 평균치를 지표치로 하여, 기계적 특성치를 산출한다(스텝(108)). 기계적 특성치는, 도 10과 같은, 미리 기계적 특성치와 지표치와의 상관 관계를 구하고, 지표치로부터 기계적 특성치(도 10에서는 －40℃ 흡수 에너지에 상당)가 구해지는 식이나 테이블 데이터(도 11에서는, 「지표치-기계적 특성 대응지음용 데이터(64)」에 대응) 등으로 결정하도록 해두면 좋다. 예를 들면, 지표치로부터 기계적 특성치로 변환하는 테이블 데이터는, 신호 처리 수단의 기억 수단에 기억하여 참조하면 좋다.

또한, 산출 순서는 전술한 순서에 한정되는 것이 아니어서, 예를 들면 관 두께 최대치 데이터를 산출함에 있어서는, 평균치를 산출할 때에 평균 영역의 이동을, 관축 방향 위치를 동일하게 하고 관 두께 방향으로 이동하여, 최대치를 갱신하도록 하여 구하도록 해도 좋다. 그 경우는, 전술한 평균화 데이터 메모리는 불필요하게 된다.

상기와 같이, C스캔의 측정 결과를 처리하여 지표치를 산출하고, 그 지표치에 의해 품질 평가를 행하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 그러나, C스캔의 경우는, 용접부를 잘라낸 샘플로밖에 품질의 평가를 할 수 없지만, 이하에 설명하는 탠덤(tandem) 탐상이라면, 강관 그대로도 품질 평가를 행하는 것이 가능한 검출 기술에도 동일하게 상기 발명이 적용 가능하기 때문에, 이하에 설명한다.

도 14는, 탠덤 탐상의 원리를 설명하는 도면이다. 도면 중, 부호(1)는 피검체인 강관, 부호(2)는 용접부, 부호(3)는 살두께 내부의 결함, 부호(4)는 초음파를 전달시키기 위한 물, 부호(5)는 리니어 어레이 탐촉자, 부호(6)는 송파용 진동자군, 부호(7)는 수파용 진동자군, 부호(8)는 송파빔, 부호(9)는 결함으로부터 수파용 진동자군을 향하는 초음파를 나타내는 부분(이하, 수파빔이라고도 함)을 각각 나타낸다. 또한, 송파빔(8) 및 수파빔(9)의 중간에 그어져 있는 선은 각각의 주사선을 나타낸다.

리니어 어레이 탐촉자(linear array probe;5)는, 용접부(2)에 가까운 측(도 14에 있어서의 좌측 방향)에 위치하는 진동자군으로부터 송파되는 초음파가 용접부의 강관 외면으로부터 직접 입사하고, 용접부로부터 먼 측에 위치하는 진동자군으 로부터 송파되는 초음파가 용접부의 강관 외면에, 강관 내면에서 1회 반사한 후 입사하는 바와 같은 크기를 갖게하고 있다.

그리고, 중심으로부터 수직으로 나오는 송파빔이 굴절각 45˚의 횡파로 강관의 외면측으로부터 들어가고, 용접부의 강관 내면측의 단부(端部)에 입사하도록(0.5 스캡이라 함), 강관의 외주면에 대하여 입사각을 갖게 하여 배치하고 있다.

송파용 진동자군(6)으로부터의 초음파빔은 굴절각 45˚가 되도록 강관의 외경에 맞추어 근소하게 어레이 탐촉자의 중심축 측으로 편향시킴과 아울러, 용접부(2)를 가로지르는 위치에서 집속하도록, 각 진동자의 지연 시간이 설정되어 있다. 마찬가지로, 수파용 진동자군(7)에 대해서는, 결함(3)으로부터의 반사 에코를 내면측의 1회 반사파로서 수파할 수 있도록 선택되어 있고, 굴절각이 45˚가 되도록 지향성을 강관의 외경에 맞추어 근소하게 어레이 탐촉자의 중심축 측으로 편향시킴과 아울러, 용접부(2)를 가로지르는 위치에서 집속하도록, 각 진동자(transducer)의 지연 시간이 설정되어 있다. 여기에서 굴절각은 45˚로 한정되지 않고, 횡파로의 탐상이 가능한 대략 30˚～70˚의 범위에서 적용할 수 있지만, 횡파가 결함 및 내면에서 반사할 때의 음압 반사율의 각도 의존성을 고려하면, 전(全)반사가 되는 대략 35˚～55˚의 범위가 바람직하다. 또한, 안정성을 고려하여 40˚～50˚의 범위로 해도 좋다.

상기와 같이, 송파빔과 수파빔의 진동자군의 위치?수나 굴절각이 용접부의 위치에 맞추어 집속하도록 설정되고, 결함으로부터의 반사파를 수파 할 수 있는 위치 관계로 되어 있기 때문에, 살두께 내부의 미소 결함으로부터의 반사를 검출할 수 있게 된다.

다음으로, 도 15A～15D에서, 강관 내면으로부터 외면에 걸치는 용접부를 주사하기 위한 순서예를 나타낸다. 우선, 주사의 개시를 나타내는 스텝 1에서는, 리니어 어레이 탐촉자의 중앙 근방의 진동자군을 이용하여, 용접부의 강관 내면측에 집속 위치(초점 위치)를 맞추고, 0.5 스캡의 반사법으로 탐상을 행한다. 이때 송파와 수파는 동일한 진동자군으로 행한다. 다음으로 스텝 2에서는, 송파의 진동자군을 용접부 측으로 어긋나게함과 아울러, 수파의 진동자군을 용접부로부터 먼 측으로 어긋나게 하여, 초점 위치를 용접부의 강관 내면측으로부터 조금 위(강관 외면 측)에 설정함으로써, 탠덤 탐상에 의해 용접부의 강관 내면측으로부터 조금 위(강관 외면 측)의 살두께 내부를 탐상한다.

계속하여, 스텝 3에서는 송파 진동자군을 용접부측에, 수파 진동자군을 용접부와는 반대측으로 어긋나게 하여, 용접부에 있어서의 탐상 위치를 강관 외면측으로 이동시켜 탐상을 행한다. 도면에서는 스텝 2와 3만 도시하고 있지만, 실제로는 초음파의 초점 사이즈(초점 위치에 있어서의 빔 폭)를 고려하여, 탐상의 빠짐(누락)과 중복이 없는 효율적인 탐상이 되도록, 초음파빔의 일부가 서로 겹치도록 진동자군의 어긋나게 하는 개수를 결정한다. 마지막으로 스텝 4는 주사의 종료를 나타내고 있고, 용접부로부터 먼 측의 진동자군을 이용하여, 용접부의 외면측을 1.0 스캡의 반사법으로 탐상을 행한다. 이 스텝 1～4를 반복함과 아울러, 강관과 리니어 어레이 탐촉자의 상대 위치를 관축 방향에 기계적으로 주사시킴으로써, 용접부의 전면(全面) 전장(강관의 외면측에서 내면측까지)에 걸쳐서 탐상을 행할 수 있 다.

도 16은 탠덤 탐상(tandem flaw inspection)에 따른 초음파 탐상 장치의 기능 구성예를 나타내는 도면이다. 피(被)검체 사이즈 입력부(30)에서는, 오퍼레이터 혹은 프로세스 컴퓨터로부터, 탐상을 행하는 강관의 외경, 살두께의 값이 입력된다. 어레이 탐촉자 기억부(31)에는, 어레이 탐촉자(5)의 주파수, 진동자 피치, 진동자수가 기억되어 있다.

개구폭 제어부(32)에서는, 송수신에 있어서 빔 사이즈에 대응한 개구폭을 제어함과 아울러, 강관의 사이즈 및 어레이 탐촉자의 사양에 따라서, 송파용 어레이 탐촉자의 위치, 송파용 주사선의 수, 각 주사선의 송파용 빔의 경로를 계산한다. 다음으로, 각 경로에 있어서, 초점 거리, 편향각을 구한다. 그 초점 거리, 초음파 주파수를, 후술하는 식(1)에 대입하여, 빔 폭이 소정의 범위가 되도록 개구폭을 구한다. 또한, 빔 폭의 소정의 범위는, 후술하는 바와 같이, 0.5㎜～2.5㎜가 적용 가능 범위이며, 바람직하게는 0.7㎜ 초과에서 2.5㎜, 보다 바람직하게는, 1.0㎜～2.0㎜이다.

개구폭을 진동자 피치로 나누어, 각 주사선의 송파용 진동자군의 진동자수를 구한다. 그리고, 주사선 위치와 진동자수로부터 송파용 진동자군의 위치, 초점 거리, 편향각을 결정하여 계산하고, 또한 주사선마다 각 진동자의 지연 시간을 계산한다. 이와 같이 결정된 상기의 각 값을 여기에서는 어레이 송신칙(array transmission law)이라 부른다.

개구폭 제어부(32)에서는, 또한, 강관의 사이즈 및 어레이 탐촉자의 사양에 따라서, 어레이 탐촉자의 위치, 수파용 주사선의 수, 각 주사선의 수파용 빔의 경로를 계산한다. 다음으로, 각 경로에 있어서의 초점 거리, 편향각을 구한다. 이 초점 거리, 초음파 주파수를, 후술하는 식(1)에 대입하여, 빔 폭이 소정의 범위가 되도록 개구폭을 구한다. 또한, 수파에 있어서도, 송파와 동일하게, 빔 폭의 소정의 범위는, 후술하는 바와 같이, 0.5～2.5㎜가 적용 가능 범위이며, 바람직하게는 0.7㎜ 초과에서 2.5㎜, 보다 바람직하게는, 1.0～2.0㎜이다

개구폭을 진동자 피치로 나누어, 각 주사선의 수파용 진동자군의 진동자수를 구한다. 그리고, 주사선 위치와 진동자수로부터 수파용 진동자군의 위치, 초점 거리, 편향각을 결정하여 계산하고, 또한 주사선마다 각 진동자의 지연 시간을 계산한다. 이와 같이 결정된 상기의 각 값을 여기에서는 어레이 수신칙(array reception law)이라 부른다. 또한, 개구폭 제어부(32)에서 계산된 빔의 경로에 기초하여 결함 검출용 게이트 위치를 결정하여 게이트 위치 기억부(33)에 기억한다.

또한, 여기에서, 어레이 수신칙은 먼저 구한 어레이 송신칙에 기초하여 결정해도 좋고, 반대로 어레이 수신칙을 먼저 구하고 그것에 기초하여 어레이 송신칙을 결정해도 좋다. 이렇게 하여 결정된 어레이 송신칙과 어레이 수신칙은 각각 어레이 송신칙 기억부(34)와 어레이 수신칙 기억부(35)에 기억되어, 이하의 송수신 제어에 이용된다.

어레이 송신부(36)에서는, 어레이 송신칙 기억부(34)에 기억된 어레이 송신칙에 기초하여, 송파용 진동자군을 선택하고, 각 소자에 지연 시간을 붙여 송신 펄스를 발생한다. 어레이 수신부(37)에서는, 어레이 수신칙 기억부(35)에 기억된 어 레이 수신칙에 기초하여, 수파용 진동자군을 선택하고, 각 소자에 지연 시간을 붙여 신호를 가산하고, 탐상 파형을 얻는다. 게이트부(38)에서는, 게이트부 기억부(33)에 기억된 게이트 위치의 신호를 추출한다.

이와 같이 하여 1 주사선의 탐상이 완료하면, 어레이 송신칙 기억부(34)에 기억된 어레이 송신칙에 기초하여, 다음의 송파용 진동자군을 선택하고, 이하 상기와 동일하게 탐상을 반복하여 행한다.

또한, 관축 방향에 대해서는, 어레이 탐촉자와 용접 강관이 상대적으로 이동하는 조건을 설정할 수 있으면 좋다. 예를 들면, 제조 공정에 끼워 넣는다면, 용접 강관이 관축 방향으로 이동하기 때문에, 어레이 탐촉자를 고정하여 관 두께 방향으로 주사하면, 그 관축 방향으로 주사하게 되고, 용접 강관이 정지한 상태면, 어레이 탐촉자를 기계적인 기구를 이용하여 이동시키면 좋다.

결함 판정부(40)에서는, 판정 문턱값 입력부(39)에 입력된 결함 판정 문턱값과, 게이트 내의 신호 강도를 비교하여, 신호 강도가 문턱값 이상이면 결함이라고 판정한다.

이 탠덤 탐상을 이용한 본 발명의 품질 관리 방법의 실시 형태를 이하에 설명한다.

구체적인 구성은 도 17에 나타내는 바와 같이 하면 좋다. 이것은, 도 16에 나타내는 결함 판정부(40)의 주변의 구성을 변경한 것으로, 도 11에 나타내는 C스캔법의 수신 신호 기억 수단(56), 신호 처리 수단(58), 파라미터 입력 수단(60), 결과 출력 수단(62)과 동일한 기능을 갖는 각 수단을 부가한 구성이다. 그리고, 도 18에 나타내는 처리 플로우를 실행하면 좋다.

도 11에서는, 수신 신호 기억 수단(56)이, 탐촉자(50)의 이동 위치에 대응시켜 수신 신호 강도(C스캔 데이터)를 기억했지만, 도 17의 구성에 있어서는, 탠덤 탐상이기 때문에, 어레이 탐촉자의 진동자군을 제어하여, 용접부를 관 두께 방향으로 주사함과 아울러, 관축 방향에 대해서는 상대적인 위치 이동에 의해 주사하여 계측하게 되기 때문에, 관 두께 방향의 조작 위치(예를 들면, 제어 장치에 의해 설정된 설정치 등)와 관축 방향의 강관 위치(예를 들면, 라인상의 이동 거리)에 관한 정보를 입력하고, 그 값을 관 두께 방향과 관축 방향의 위치로 변환하여 기억한다. 이에 따라, 강관 그대로, C스캔과 동일한 형태로, 관축 방향과 관 두께 방향에 대응시켜 수신 신호를 수신 신호 기억 수단에 기억하는 것이 가능해져, 제조 공정에 있어서 온라인, 인라인에서의 품질 관리가 가능해지는 것이다.

도 18은, 스텝(201)이 도 12의 스텝(101)에 있어서 C스캔 데이터를 참조하는 것에 대하여, 탠덤 탐상의 어레이 수신부에서 수신한 신호 강도를 참조하는 점에서 다를 뿐, 스텝(202) 이후는, 도 12의 스텝(102) 이후와 동일한 처리로 좋기 때문에, 여기에서는 설명을 생략한다.

이와 같이, 탠덤 탐상으로 탐상한 결과를 이용함으로써, 용접 강관 그대로, 용접부의 기계적 특성을 초음파 탐상에 의해 평가할 수 있는 것이 가능해진다. 이러한 탠덤 탐상이면, 용접부를 강관 그대로 탐상 가능하기 때문에, 전봉 강관의 제조 공정에 끼워넣는 것이 가능하며, 품질 관리나 품질 제어에 사용하는 것이 가능하다.

또한, 탠덤 탐상, C스캔법과 함께, 평균치를 구하는 단위 면적으로서는, 도 9A, 9B나 도 13에 나타낸 바와 같이, 작은 단위 면적을 관 두께 방향과 관축 방향으로 주사하는 외에, 페너트레이터의 분포 상태에 맞추어, 도 19에 나타내는 바와 같이, 관축 방향으로 긴 영역으로 하거나, 관 두께 방향으로 긴 영역으로 하여, 적절한 형상이나 사이즈를 변경하면 좋다. 예를 들면 전체에 퍼져 있는 경우에는, 비교적 큰 단위 면적을 취해도 좋다.

또한, 페너트레이터가 관 두께 방향의 어느 부분에 집중하고 있는지를 알 수 있는 경우에는, 도 20에 나타내는 바와 같이, 관 두께 방향의 전체가 아니어도, 그 집중하고 있는 범위에 대해서 관 두께 방향의 범위를 설정하고, 그 범위의 평균치를 구하여, 단위 면적으로 관축 방향으로만 이동하면서 측정을 행하도록 해도 좋다.

평균화를 행하는 처리에 있어서는, 영역 내의 단순 평균이나, 장소에 의해 가중치를 부여하는 가중 평균, 지수 이동 평균 등, 특별히 산출 방법에는 한정되지 않는다. 또한, 연산에 있어서는, 데이터 메모리에 기억된 화소 피치(측정 피치)로 처리를 할 필요가 없고, 요구되는 공간 분해능(spatial resolution)이나 정밀도에 따라, 연산에 사용하는 화소 피치를 설정하면 좋다.

또한, 지금까지 설명한 순서가 아니어도 동일한 작용 효과를 얻을 수 있는 연산이면, 특별히 산출 순서는 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다.

이상이, 탠덤 탐상을 이용하여, 강관 그대로 품질 관리를 행하기 위한 설명이지만, 상술한 탠덤 탐상법을 전봉 용접 강관의 용접부에 적용하기 위해 여러가지 검토가 이루어지고 있기 때문에, 그 구체적인 상세에 대해서 이하에 설명한다.

우선, 개구폭 제어부(32)에 있어서의 개구폭의 결정에 대해서는, 이하와 같이 생각하면 좋다. 도 21A는 빔 폭(사각(四角)의 한 변에 대응하는 빔 폭, 도 21A～21C에서는 빔 사이즈로 표기)과 등가 결함 지름(빔 내의 결함 합계 면적에 대응하는 결함 지름)과의 관계를 나타낸 도면이다. 결함 밀도가 0.03㎟인 경우와, 0.02㎟인 경우에 대해서, 초음파빔 내에 존재하는 결함 합계 면적을 등가 결함 지름으로하여, 빔 폭(빔 사이즈)을 변화시켰을 때의 등가 결함 지름을 이론적으로 산출한 것이다. 빔 폭이 커짐에 따라, 등가 결함 지름이 커지지만, 빔 폭 1.5㎜ 이상에서 포화하여, 일정치가 된다. 이와 같이 포화하는 것은, 여기의 해석에 있어서, 산재형 페너트레이터의 분포 범위를 1.5㎜×1.5㎜로 가정하였기 때문이다.

도 21B는, 탠덤 탐상에 있어서, 전술한 도 21A에 나타낸 등가 결함 지름에 대응하는 음압 반사율로부터, 그때의 신호 강도를 계산하여, dB로 나타낸 도면이다. 노이즈 레벨의 －40dB은 탠덤법에서 실제로 얻어지는 레벨을 대략 묘사한 것이다. 빔 폭(빔 사이즈)이 큰 측에서 노이즈 레벨이 커지는 것은, 빔 폭이 커지면, 내외면의 표면 거칠기에 기인하는 노이즈를 검출해버려 노이즈 레벨이 증가하기 때문이다. 탠덤 탐상에서, 노이즈 레벨이 신호 레벨보다 작은 범위가 되는, 빔 폭 0.5～2.5㎜의 범위가 적용 가능한 범위인 것을 알 수 있다. 또한, 결함 밀도 0.02㎟에서는, 약간 신호 강도가 낮아지기 때문에, 빔 폭 0.7㎜ 초과에서 2.5㎜가 적용 범위가 되며, 또한, 양호한 S/N비로 하기 위해서는, 신호 레벨과 노이즈 레벨과의 차가 5dB 이상인 것이 바람직하기 때문에, 1～2㎜가 보다 매우 적합한 범위이 다.

한편, 도 21C는, 탠덤 탐상과 C스캔의 차이를 비교하기 위해, 위의 등가 결함 지름의 신호 강도를 계산하여, dB로 나타낸 도면이다. 도 21C에서는, 신호 레벨을 결함 밀도 0.03㎟인 경우에 대해서만 나타내고 있다. C스캔의 경우는, 빔 폭이 0.2～1mm인 범위에서, 신호 강도가 노이즈 레벨을 상회하고 있기 때문에, 이 범위가 산재형 페너트레이터를 검출하기 위한 적용 범위이다. 전술한, 도 8에서의 C스캔을 이용한 실시 형태에서, 빔 폭을 440㎛로 한 것은, 이때에 신호 강도와 노이즈 레벨과의 차가 가장 크고, S/N이 양호해지는 범위가 되기 때문이다. 또한, C스캔과 탠덤 탐상에서, 적용 범위가 다른 이유는, 싱글 프로브인 것, 물 거리가 가까운 것, 표면이 연마면인 등의 좋은 조건 때문에, 탠덤 탐상에 비해서 노이즈 레벨이 낮아진다. 한편, 빔 사이즈가 1mm를 초과하면, 샘플 측면의 영향(빔 전파 경로가 차단되거나, 샘플 측면에서의 난(亂)반사가 발생하여, 그 노이즈 신호를 찾아냄)으로 S/N이 악화되기 때문이다.

따라서, 탠덤 탐상을 이용한 경우에는, C스캔과는 다른 빔 폭이 되도록 개구폭을 설정한다.

또한, 탠덤 탐상에서는 빔 폭(d)을 얻기 위한 진동자의 개구폭(D)은, 다음 식에 의해 구해진다.

여기에서, d는 도 22에 나타내는 바와 같이, 탐상 위치에 있어서의 빔 폭, F는 초점 거리, λ는 파장, θ는 굴절각, θw는 입사각이다.

예를 들면, 물 거리 30mm, 강(鋼) 중의 노정을 24mm, 굴절각 θ＝45˚, 입사각 θw＝18.9˚로 하면, 초점 거리(F)는 30＋24/1480×3230＝82mm, 주파수를 10MHz로 하면 파장(λ)은 1480/10MHz＝0.148mm이다. 따라서, 빔 폭(d)＝1.5mm를 얻기 위한 개구폭(D)은, 식(1)에서 D＝15mm로 구해진다.

이상과 같이 하여 구해진 개구폭으로부터 진동자군의 진동자수가 구해진다. 여기에서 각 주사선의 진동자군의 진동자수는 일정해도 좋지만, 감도를 보다 균일하게 하기 위해서는, 각 주사선마다 진동자수를 변화시켜도 좋다. 즉, 어레이 탐촉자를 이용한 탠덤 탐상에 있어서는, 진동자군의 내(內), 용접부에 가까운 측일수록 초점 거리가 짧고, 용접부로부터 먼 측일수록 초점 거리가 길기 때문에, 진동자의 위치에 따른 초점 거리(F)를 고려하여, 빔 폭이 상술한 범위에 들어가도록, 혹은, 빔 폭이 일정해지도록 개구폭을 구하고, 동시 여진하는 진동자수를 결정한다. 그리고, 이 개구폭에 대응하는 진동자수를 동시 여진하도록 제어를 행한다. 또한, 여기에서 동시 여진하는 진동자수란, 1회의 송파나 수파에 이용하는 진동자군의 진동자수를 말한다. 그리고, 이 진동자군 안에서, 집속이나 편향의 제어를 위해, 각 소자에 대하여 지연 시간이 설정된다.

다음으로, 용접면으로의 입사각, 반사각에 대해서는, 이하에 나타내는 바와 같이 결정하면 좋다.

도 23A～23C에, 결함의 크기와 반사 지향성의 관계를 이론적으로 검토한 결 과를 나타낸다. 여기에서, 도 23A～23C에 나타낸 결과는, 도 24에 나타내는 바와 같이, 초음파를 －45˚ 방향으로부터 입사시키고, 주파수 10MHz, 15MHz, 20MHz에 있어서, 각각 관 두께 방향에 대응하는(도 24에서는 횡방향에 대응함) 결함 사이즈(등가 결함 사이즈) 0.1㎜, 0.2㎜, 0.4㎜, 0.8㎜의 조건으로, 각 반사 각도에 있어서의 신호 강도를 이론적으로 계산하여 구한 것이다. 또한, 도 23A～23C의 종축은 정반사 각도인 45˚의 신호 강도를 기준치 1로 하여, 규격화한 상대치로 나타내고 있다. 어느 경우도 초음파를 입사한 －45˚ 방향으로 반사하는 반사파의 신호 강도는 매우 낮아, 정반사 방향 45˚의 대략 0.2 이하이다. 어느 경우도 정반사 방향인 45˚ 방향이 가장 강한 것을 알 수 있다.

이 계산 조건에서 지향성이 가장 예리한 결함 사이즈 0.8㎜의 20MHz에서는, 정반사 각도의 신호 강도에 대하여, 신호 강도가 절반(도 23A～23C에서 값이 0.5)이 되는 각도는 40˚～50˚의 범위이다. 이와 같이, 결함 사이즈에 의한 지향성은 다르기 때문에, 검출하고 싶은 결함의 크기에 의해 수파빔의 용접부에 대한 입사각의 범위를 결정하면 좋다. 예를 들면, 보다 큰 결함도, 감도의 저하없이 검출하기 위해서는 수파빔의 용접부에 대한 입사각은 45˚에 가까운 각도가 바람직하여, 예를 들면 15MHz에서 0.8㎜의 결함의 신호 강도 저하를 절반으로 억제하기에는 39˚～52˚ 이내의 범위가 바람직하다. 반대로, 예를 들면 15MHz에서 0.4㎜ 이하만의 작은 결함을 대상으로 하는 경우는 33˚～61˚의 범위라도 바람직하다.

상기 해석에 의해, 결함에 있어서의 초음파의 반사 신호는, 정반사 방향을 피크로 하여 신호 강도가 높아지기 때문에, 그 정반사 방향의 초음파를 수파하는 것이 가장 바람직하지만, 반사 강도가 피크의 50%이면, 충분히 검출할 수 있기 때문에, 그 범위에 대응하는 각도 범위로 반사한 초음파를 수파하면 좋다.

도 23A～23C에 나타나는, 주파수 15MHz에서 결함 사이즈 0.4㎜의 반사 지향성의 결과로부터 보면, 반사 강도(reflection intensity)가 피크의 50% 이상이 되는 반사 각도가 33˚～61˚이기 때문에, 정반사 각도(miller reflection angle)인 45˚를 기준으로 하여, －12˚～＋16˚의 범위가 바람직한 범위이다. 또한, 주파수 20MHz에서 결함 사이즈 0.8㎜까지를 대상으로 하면, 정반사 각도에 대하여, －5˚～＋5˚의 범위가 바람직한 범위가 된다. 또한, 전술한 예는, 결함으로의 입사각 45˚에서 반사 각도 특성을 나타냈지만, 반대의 반사 각도를 45˚로 했을 때의 입사각 특성도 동일한 결과가 얻어지고, 45˚ 이외의 입사 각도라도 좋고, 모드 변환 로스(loss)의 조건을 클리어 할 수 있는 입사 각도 범위이면, 거의 동일한 특성이 얻어지게 된다.

또한, 모드 변환 로스를 고려하면, 횡파에서의 탐상에 적합한 굴절각은, 대략 30˚～70˚의 범위에서 적용할 수 있지만, 횡파가 결함 및 내면에서 반사할 때의 음압 반사율의 각도 의존성을 고려하여, 전반사가 되는 대략 35˚～55˚의 범위가 보다 바람직히다. 또한, 안정성을 고려하면 40˚～50˚의 범위로 해도 좋다. 또한, 송파와 수파의 굴절각은 동일한 것이 가장 바람직하지만, 결함의 반사 지향성은 브로드인 점에서, 반사 지향성의 범위 내에서 달라도 적용할 수 있다.

이하에, 도 25를 참조하여, 모드 변환 로스(mode conversion loss)가 발생하지 않는 굴절 각도 범위로 설정하는 순서에 대해서 설명한다.

1) 굴절각을 정하고, 어레이 탐촉자의 위치 및 각도를 정한다.

1)-1 : 용접면으로의 입사각(θa)을 고려하여, 굴절각(θ)을 결정한다. 모드 변환 로스가 발생하지 않는 이론적인 용접면으로의 입사각은, 33.2˚≤θa≤56.8˚이며, 이 범위 내이면 용접면을 관 두께 방향의 내면 외면에 걸쳐서 주사할 때에, 용접면으로의 입사각이 일정하지 않고, 변화해도 상관없다. 따라서, 여기에서는 계산을 용이하게 하기 위해, 굴절각(θ)이 일정해지도록 하는 예를 나타낸다. 여기에서, 용접면으로의 입사 각도(θa)는, θa=90˚－θ－θ1이며, 또한, θ1은, 0～θ2의 범위에서 용접부 살두께 방향 위치에 의해 변화한다(예를 들면, 내면측에서는 θ1=θ2, 외면측에서 θ1=0이 됨). 예를 들면, θ2=4˚, 굴절각 45˚일 때는, θa=41˚～45˚. 또한, 용접부의 관 살두께 중심 근방에 입사할 때에 굴절각을 47˚로 하면, 용접부의 살두께 방향 중심부에서 θa=약 45˚가 되고, 내외면에서의 주사에서는, θa=43˚～47˚의 범위가 된다.

1)-2 : 어레이 탐촉자의 중심에 위치하는 진동자로부터, 그 탐촉자면에 대하여 수직 방향으로 송파되는 빔이, 소정의 굴절 각도(예를 들면, 45˚)로, 횡파 초음파가 강관 외면측으로부터 입사하고, 용접면의 내면측단(또는 외면측단)의 위치로 소정의 입사각(예를 들면, 전술한 예에서는 41˚)으로 입사하도록, 어레이 탐촉자의 위치 및 각도를 정한다.

2) 어레이 탐촉자의 각 진동자로부터 송수신되는 주사선이 관의 외면상에 입사하는 위치를 결정한다.

2)-1 : 결정 방법은 여러가지 있지만, 예를 들면, 대상이 되는 진동자(또는 진동자 사이의 위치)에 대해서, 관 외면상을 주사하여, 진동자 위치와, 외면 주사 위치와, 외면접선으로 정해지는 굴절각(θ)을 산출하고, θ가 1)-1에서 정한 값이 되는 외면상의 입사 위치를 결정한다. 구체적으로는, 각 진동자로부터 외면상의 각 점(예를 들면, 각 점은 외주상에 등간격이나 임의 간격으로 배치)을 직선으로 연결하여 주사선을 정하고, 그들 각 주사선에 대해서 굴절각(θ)을 계산하고, θ가 소정의 굴절각과 동일한, 혹은, 가장 가까운 값이 되는 주사선을 선택하여, 그 주사선의 입사 위치로 한다.

2)-2 : 진동자 위치와, 상기 2)-1에서 정한 외면상의 입사 위치와, 관 형상(지름과 두께)으로부터 관 입사 후의 전파 경로를 기하학적으로 구하고, 용접면으로의 입사 위치를 끌어낸다.

3) 상기 1)에서 어레이 탐촉자의 중심으로 위치 결정하고, 그리고 굴절각 일정으로 상기 처리를 하고 있기 때문에, 어레이 탐촉자 중심의 주사선을 기준으로 하여 대칭적으로, 용접면상에 2)-2에서 구한 전파 경로(주사선)의 루트를 조합(페어(pair))할 수 있다. 이 페어를 송파?수파의 주사선으로 하고, 송파부?수파부 각각의 중심 진동자로 한다(이 진동자를 중심으로 송파부?수파부의 진동자군이 형성됨). 또한, 진동자군의 수가 짝수인 경우는, 중심 위치가 진동자의 경계로 수정되어, 상기 처리를 행한다. 또한, 여기에서는 굴절각(θ)을 일정하게 하여 계산했지만, 용접면으로의 입사각(θa)을 일정하게 하여 계산해도 좋고, θ 및 θa의 쌍방을 변화시키는 것도 가능하다.

이 초음파 탐상 장치를 이용하여, 용접면의 두께 방향으로 빔을 주사하기 위 한, 진동자군의 제어 순서를 이하에 설명한다. 구체적으로는, 송파?수파의 진동자군, 진동자의 수, 편향각(deflection angle), 초점 거리(foccal length)를, 이하의 순서로 결정하면 좋다. 여기에서는, 굴절각이 일정해지도록 하면서, 송파부와 수파부에 사용하는 진동자군의 폭은, 빔 폭으로부터 결정되는 개구폭으로부터 결정하면 좋고, 도 14를 참조하여 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 a), b), g)의 내용은, 전술한 1), 2), 3)에 대응하기 때문에, 여기에서는 간결하게 설명을 행한다.

a) 리니어 어레이 탐촉자의 중심에 위치하는 진동자로부터, 그 탐촉자면에 대하여 수직으로 송파되는 빔이 소정의 굴절 각도(예를 들면, 굴절각 45˚)의 횡파로 강관에 들어가고, 용접부의 강관 내면측 또는 강관 외면측에 입사하도록, 리니어 어레이 탐촉자의 위치를 정한다.

b) 각 진동자로부터의 강관 외면으로의 입사각이 항상 일정, 또는, 소정의 범위가 되도록, 기하학적으로 입사점을 정하고, 또한 굴절각 45˚로 강관 내를 통과하는 선(주사선)을 결정한다.

여기에서 말하는, 각 진동자란 송파부의 중심 위치에 대응하는 진동자이며, 송파부의 진동자군과 강관 외면의 입사점과의 위치 관계가 결정된다. 또한, 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 물 거리와, 용접부까지의 강중 노정(路程)을 계산하고, 음속 과 물 거리로 환산하여 수중 초점 거리(F)를 구한다.

e) 필요한 빔 폭(d)에 맞추어, 식(1)을 이용하여, 각 주사선의 개구폭(D)을 계산하고, 그 개구폭(D)을 진동자 피치로 나누어 반올림함으로써, 각 주사선의 진동자군의 진동자수(n)를 구한다. 또한, 필요한 빔 폭(d)이란, 전술한 바와 같이, 미소 결함이 넓은 범위로 분포한 형태를 나타내는 산재형 페너트레이터를 검출하기 위해 적용되는 빔 지름의 범위로서, 전술한 바와 같이, 0.5～2.5㎜, 바람직하게는 0.7㎜ 초과에서 2.5㎜, 보다 바람직하게는 1.0～2.0㎜이다.

f)각 주사선의 진동자 위치와 진동자수(n)로부터, 송파부를 구성하는 각 진동자군의 위치를 결정한다.

g) 각 주사선의 용접부에서 교차하는 위치 관계로부터, 탐상에 사용하는 주사선을 결정함과 아울러, 송파의 진동자군과 페어가 되는 수파의 진동자군을 결정한다. 송파부와 수파부의 페어의 선택은, 역방향으로부터 전파해 와서, 용접부에서 교차하는 주사선끼리를 페어로 하면 좋다. 또한, 용접부의 동일한 개소가, 요구되는 공간 분해능에 대하여 필요 이상으로 중복하고 있는 경우에는, 솎아내도록 해도 좋다.

h) 탐상에 사용하는 모든 주사선에 대해서, 진동자군의 수, 초점 거리와 편향각이 결정되기 때문에, 각 진동자에 부여하는 지연 시간을 각각 계산한다. 이 계산 방법에 대해서는, 본 발명자에 의해 이전에 출원된 일본공개특허공보 평4-274756호에 개시되어있는 공지 기술을 이용하면 좋다.

계산의 기본적인 사고 방식은, 이하에 도 26 및 수식을 참조하여 설명한다. 우선, 진동자군의 중심 위치를 좌표의 원점으로 하고, 초점 거리를 F, 편향각을 θ로 하여, 초점 위치의 좌표 {Xf, Yf}를 이하와 같이 구한다.

Xf=F?sinθ, Yf=－F?cosθ

다음으로 진동자 피치를 P, 진동자군의 진동자수(도 26의 동시 여진 소자)를 n(단, n은 짝수)으로 하여, 각 진동자의 좌표{Xp(i), Yp(i)}를 구한다.

Xp(i)=－n?p/2－p/2＋p?i, Yp(i)=0 (i=1～n)

또한, 초점 위치와 각 진동자와의 거리 Z(i) 및 그 최대치 Zm을 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, C는 음속이다.

Δt(i)=(Zm－Z(i))/C (i=1～n)

또한, 상기는 계산의 기본적인 사고 방식을 나타낸 것으로, 각 주사선의 각각에 대해서 진동자군의 중심 위치를 반드시 좌표의 원점으로 할 필요는 없다. 또한, 진동자수(n)는 짝수로서 설명했지만, 홀수라도 좋다. 홀수인 경우에는, 상기 식을 일부 변경하면 적용 가능하다는 것은 말할 필요도 없다. 실제의 계산에 있어서는, 미리 어레이 탐촉자의 소자 각각의 좌표를 정해두고, 초점 거리와 편향각에 따라서 초점 위치의 좌표를 구하고, 상기 초점 위치와 각 진동자와의 거리 Z(i)를 구하도록 하면 좋다.

도 27A, 27B는, 이와 같이 결정된 주사선과, 그 주사선 중의 대표적인 점의 탐상 조건 계산 결과의 일 예를 나타내는 도면이다. 외경 Φ 558.8㎜, 살두께 25.4㎜의 강관을, 초음파 주파수 15MHz, 진동자의 간격을 0.5㎜ 피치, 160 소자(진동자)의 리니어 어레이 탐촉자로, 중심 물 거리 20㎜, 굴절각 45˚로 탐상하는 예를 나타내고 있다. 여기에서 진동자 번호는, 용접부에 가까운 측을 1, 먼 측을 160으로 했다.

도 28은, 도 27A에 나타나는 주사선(A)에 대해서 지연 시간을 계산한 결과와 송파의 원리를 나타낸 도면이다. 도면 중, 부호(10)는, 상기 1)～8)까지를 계산하는 탐상 조건 계산부, 부호(11)는 그에 기초하여 송파 펄스의 송파 타이밍을 결정하는 지연 시간 설정부, 부호(12)는 펄서, 부호(13)는 리니어 어레이 탐촉자(5)의 각 진동자이다. 도면에서는, 진동자 번호 17～22만이 선택되며, 진동자 번호 17이 가장 먼저 여진되고, 서서히 시간 지연을 갖고 진동자 번호 18～22까지가 여진되는 것이 나타나고 있다. 이에 따라, 주사선 A에 상당하는 송파빔이 형성된다.

도 29A, 29B는, 도 27A에 나타나는 주사선 C에 대해서 지연 시간을 계산한 결과와 수파의 원리를 나타낸 도면이다. 도면 중, 부호(13)는 리니어 어레이 탐촉자의 각 진동자, 부호(14)는 수신 앰프, 부호(15)는 지연 시간 설정부, 부호(16)는 합성 처리부, 부호(17)는 게이트 평가부이다. 도면에서는, 진동자 번호 124～155만이 선택되며, 결함으로부터의 에코가 진동자 번호 124에 가장 먼저 입사하고, 서서히 시간 지연을 갖고 진동자 번호 125～155 까지 수신되고, 지연 시간 설정부(15)에서 이 시간 지연이 보정되어 위상(位相)이 일치하고, 합성 처리부(16)에서 합성되어, 집속 효과에 의해 에코가 커지는 것이 나타나고 있다.

이에 따라, 주사선 C에 상당하는 수파가 행해진다. 이 후, 게이트 평가부(17)에서, 송파 펄스(도면 중의 T펄스)로부터 빔 노정에 따른 거리에 설정된 시간역(게이트)에서 결함 에코(도면 중의 F에코)의 유무가 판정되고, 탐상이 행해진다. 또한 지연 시간 설정부(15), 합성 처리부(16), 게이트 평가부(17)에 대해서는, 수신 앰프(14)를 나와 바로 A/D 변환하고, 신호를 메모리에 기억하고 나서 소프트적으로 처리를 행해도 실시할 수 있다.

상기 설명에서 탐상 조건의 계산은, 우선 각 주사선의 입사점을 결정하고 나서, 순차 계산을 행하고 있었지만, 이에 한정되는 일 없이, 예를 들면, 초점 위치를 결정하고나서, 그 초점 위치에 도달하는 전파 시간이 가장 짧은 경로를 각 진동자에 대해서 탐색적으로 구하도록 해도 좋다.

또한, 탠덤 탐상에 있어서, 전봉 용접 강관 용접부의 기계적 특성을 평가하기 위해서는, 송수신하는 초음파의 빔 폭을 0.5～2.5㎜로 할 필요가 있지만, 빔의 집속도를 표현하는 파라미터의 하나인 집속 계수도, 그 적용 범위가 있다. 집속 계수(J)란, 집속 위치에서의 음압 상승을 나타낸 값이다.

여기에서, D는 진동자의 개구폭, F는 초점 거리, λ는 파장이다. 또한, 식 (2)에 있어서, 초점 거리(F)와 파장(λ)은 수중 환산의 값을 이용한다.

도 30에, 주파수 5MHz～15MHz, 초점 거리 F=60㎜～80㎜(강관의 살두께 10㎜～16㎜의 범위에 거의 상당)의 조건에서, 식(2)를 이용하여, 이론적으로 집속 계수와 빔 폭(빔 사이즈, 도 30에서는 빔 사이즈로 표기)의 관계를 계산한 결과를 나타낸다. 이로부터 알 수 있는 바와 같이 빔 폭(빔 사이즈)이 작으면, 집속 계수가 커지고, 빔 폭이 크면, 집속 계수가 작아진다. 집속 계수는 음압 상승을 나타내는 값이기 때문에, 큰 값일수록 좋지만, 전술한 바와 같이 미소 결함이 넓은 범위에 분포하고 있는 형태의 산재형 페너트레이터의 검출에 있어서는, 집속 계수를 크게 하면 빔 폭이 최적의 범위보다 작아져 버리기 때문에, 빔 폭이 최적의 범위가 되는 것도 고려할 필요가 있다. 예를 들면, 산재형 페너트레이터를 검출하기 위해 적용 가능한, 초음파빔 폭이 0.5～2.5㎜ 정도에 대해서, 집속 계수는, －13dB～28dB이 그대로 대응하는 범위가 되지만, 빔 폭과의 균형을 생각하면, 집속 계수는 －5～20dB 정도가 적용 범위이며, 빔 폭의 매우 적합한 범위인 1.0～2.0㎜ 정도에 대해서는, 집속 계수는 －10～5dB 미만 정도가 되며, 집속 계수의 적용 가능한 범위이다.

실시 형태에서 나타낸 탠덤 탐상에 의한 품질 관리 방법을, 전봉 강관의 제조 공정에 적용하는 실시예를 이하에 설명한다.

도 31은, 전봉 강관의 제조 공정에 적용한 구성예를 설명하는 도면이다. 띠판을 공급하는 언코일러(uncoiler; 151), 형상을 교정하는 레벨러(152), 롤 성형기(154), 핀 패스 성형기(155), 유도 가열 장치(156), 스퀴즈 롤(157), 사이저(158)를 갖는 장치로, 예를 들면, 판 폭 1920㎜×판 두께 19.1㎜의 띠판을 전봉 용접하고, 사이저(158)를 통과하여 Φ600의 강관을 제조한다. 도면에 있어서, 부호(159)는 관 절단기이다.

여기에서, 탠덤 탐상용 어레이 탐촉자(5)를, 예를 들면, 용접 완료 후의 사이저(158)의 입측(入側) 또는 출측(出側), 또는, 관 절단기(159)의 출측에 배치하고, 그 결과에 기초하여 기계적 특성을 평가함으로써, 품질 관리를 행할 수 있다. 구성으로서는, 어레이 탐촉자(5)의 송수신을 행하는 어레이 송수신 수단(160), 어레이 탐촉자(5)의 송수신에 있어서 빔 폭, 개구폭, 강관으로의 입사 각도 등의 각 조건을 제어하는 제어 수단(162), 어레이 탐촉자(5)의 수신 신호에 기초하여 용접부에 있어서의 결함 판정이나 기계적 특성을 평가하는 품질 판정 수단(164), 당해 품질 판정 수단(164)에서의 판정 결과를 표시나 인자 등을 하는 결과 출력부(166)로 구성된다. 또한, 도 17에 나타낸 기능부와 대응지으면, 어레이 송수신 수단(160)은, 어레이 송신부(36), 어레이 수신부(37), 어레이 송신측 기억부(34), 어레이 수신칙 기억부(35)의 범위에, 제어 수단(162)은, 개구폭 제어부(32), 게이트 위치 기억부(33), 게이트부(38), 피검체 사이즈 입력부(30), 어레이 탐촉자 기억부(31)의 범위에, 품질 판정 수단(164)은, 수신 신호 기억부(56), 신호 처리부(58), 파라미터 입력 수단(60), 판정 문턱값 입력부(39), 지표치-기계적 특성 대응지음용 데이터(64)의 범위에 거의 대응한다.

또한, 도 17에 나타낸 수신 신호 기억부(56)에 수신 신호 데이터를 기억함에 있어서, 관 두께 방향의 탐상 위치는, 어레이 탐촉자(5)의 진동자를 제어하여 주사하기 때문에, 제어 수단으로부터 데이터를 입력하고, 관축 방향에 대해서는, 제조 라인에 있어서의 강관의 이동 거리를 검출하는 센서 등으로부터 입력하면 좋다. 또한, 강관의 사이즈 등의 조건은 제조 관리용 컴퓨터(170)와, 품질 판정 수단(164)(또는 제어 수단(162))이 접속되고, 데이터 입력 가능하도록 하면 좋다. 또한, 그 외의 검사 조건을 강관의 종류에 따라 변경할 필요가 있는 경우에는, 적절하게, 제조 관리용 컴퓨터(170)로부터 입력하면 된다.

본 발명에 의해, 페너트레이터의 결함을 적확하게 판정 검출할 수 있도록 하기 위해, 용접 강관의 용접부의 기계적 특성에 영향을 미치는 미소 결함이 발생하지 않도록 용접 프로세스를 개선하거나, 결함이 유출되지 않도록 제조 공정에서 선별할 수 있는 바와 같은 품질 관리가 가능해지고, 용접 강관의 품질을 비약적으로 높일 수 있어, 종래 이상으로 과혹한 사용 조건에서 사용할 수 있게 된다.

Claims (13)

1. 관체의 용접부를 적어도 관축 방향으로 초음파 탐상하고,

   관 두께 방향 및 관축 방향의, 한 변의 길이가 초음파 빔 폭 이상, 관 두께 이하인 소정 면적 단위의 측정치를 이용하여 관체의 품질을 평가하는 것을 특징으로 하는 관체의 품질 관리 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 소정 면적을 관축 방향으로 어긋나게 하면서, 관체의 품질을 평가하는 것을 특징으로 하는 관체의 품질 관리 방법.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 소정 면적을 관 두께 방향으로 어긋나게 하면서, 관체의 품질을 평가하는 것을 특징으로 하는 관체의 품질 관리 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 소정 면적 내의 측정치의 평균치를 이용하여 관체의 품질을 평가하는 것을 특징으로 하는 관체의 품질 관리 방법.
6. 제5항에 있어서,

   관 두께 방향의 소정 면적 중, 관축 방향 동일 위치에 있어서의 최대 평균치를 구하고, 당해 최대 평균치를 이용하여 관체의 품질을 평가하는 것을 특징으로 하는 관체의 품질 관리 방법.
7. 제5항에 있어서,

   관 두께 방향의 소정 면적 중, 관축 방향 동일 위치의 관 두께 방향 소정 범위에 있어서의 최대 평균치를 구하고, 당해 최대 평균치를 이용하여 관체의 품질을 평가하는 것을 특징으로 하는 관체의 품질 관리 방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,

   관축 방향 위치마다의 상기 최대 평균치를 차트에 표시하는 것을 특징으로 하는 관체의 품질 관리 방법.
9. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 초음파 탐상을,

   관체의 관축 방향 용접부의 용접면에 대해 초음파를 송파(送波)하는 송파부와,

   상기 용접면에 있어서의 반사파의 일부 또는 전부를 수파(受波)하는 수파부를 갖고,

   상기 송파부 및 상기 수파부가, 관체 둘레 방향으로 배치된 1 또는 2 이상의 어레이 탐촉자 상의 다른 진동자군으로 이루어지는 송수신부를 구비한 초음파 탐상 장치를 이용하여 행하는 것을 특징으로 하는 관체의 품질 관리 방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 송파부가, 관체의 관축 방향 용접부의 용접면과 상기 관체의 내면에 대해, 각각 33.2˚ 에서 56.8˚의 범위 내의 각도로 입사하도록 초음파를 송파하고,

    상기 수파부가, 용접면에 있어서의 정(正)반사 방향에 대하여 －12˚ 에서 16˚의 범위 내의 방향으로 반사한 일부 또는 전부의 반사파를 수파하도록 한 것을 특징으로 하는 관체의 품질 관리 방법.
11. 제10 항에 있어서,

    초음파의 용접면에 있어서의 빔 폭이 0.5㎜ 에서 2.5㎜의 범위가 되도록 한 것을 특징으로 하는 관체의 품질 관리 방법.
12. 관체를 제조하는 제조 스텝과,

    상기 제조 스텝에서 제조된 관체를, 제1항 또는 제3항에 기재된 품질 관리 방법을 이용하여 품질 관리하는 품질 관리 스텝을 갖는 관체의 제조 방법.
13. 제1항에 있어서,

    상기 소정 면적 단위로, 산재하는 미소 페너트레이터의 결함 밀도를 측정하고, 당해 측정치로부터 관체의 품질을 평가하는 것을 특징으로 하는 관체의 품질 관리 방법.

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