KR102291701B1 - 초음파 탐상 장치, 초음파 탐상 방법, 용접 강관의 제조 방법 및, 용접 강관의 품질 관리 방법 - Google Patents

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Abstract

초음파 탐상 장치(1)는, 용접 루트면에 대하여 수직으로 초음파를 입사시키는 것이 가능한 용접 강관(S)의 외주면상의 위치에 웨지(3)를 통하여 배치된, 관 축 방향에 있어서 집속된 초음파를 용접 루트면에 송신함과 함께 용접 루트면에 있어서 반사된 초음파를 수신하는 매트릭스 어레이 프로브(2)와, 용접 루트면에 있어서 반사된 초음파의 반사파를 수신하도록 매트릭스 어레이 프로브(2)를 제어하는 초음파 송수신부(4)와, 초음파 송수신부(4)가 수신한 초음파의 반사파에 기초하여 평면 결함을 탐상하는 평가부(5)를 구비한다.

Description

초음파 탐상 장치, 초음파 탐상 방법, 용접 강관의 제조 방법 및, 용접 강관의 품질 관리 방법
본 발명은, 용접 강관의 용접부에 있어서의 개선(groove)의 맞댐 부분에 존재하는 평면 결함을 탐상하는 초음파 탐상 장치, 초음파 탐상 방법, 용접 강관의 제조 방법 및, 용접 강관의 품질 관리 방법에 관한 것이다.
관 축 방향에 대한 용접 프로세스를 이용하여 조관되는 용접 강관으로서, 전봉 용접 강관이나 UOE(U-ing O-ing Expansion) 강관(LSAW(Longitudinal Submerged Arc Welding) 강관) 등이 알려져 있다. UOE 강관은, 강판을 U형으로 프레스 가공한 후에 O형으로 프레스 가공하여, 강판의 맞댐 부분을 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding)(내면 용접과 외면 용접)으로 접합하고, 확관(pipe expansion)함으로써 제조된다. UOE 강관은, 에너지 수송용 파이프 라인에 적용되는 점에서, 모재의 품질은 물론, 용접부의 품질도 안전상 및 환경 보전상 중요하다.
일반적으로, 용접 강관의 용접부의 품질 검사는, 초음파 탐상법, 보다 구체적으로는 사각 탐상법(angle beam method) 및 텐덤 탐상법(tandem probe method)을 이용하여 행해진다(특허문헌 1 참조). 사각 탐상법은, 1개의 탐촉자를 이용하여 스넬의 법칙(Snell's Law)에 기초하여 용접 강관에 대하여 굴절 각도를 갖게 하여 초음파를 송신하여 결함을 탐상하는 방법으로, 용접부의 숄더부의 내외면에 발생하는 균열 결함을 탐상하기 위해 이용된다. 이에 대하여, 용접부의 두께 중앙 부분(개선의 맞댐 부분)에 있어서의 결함의 탐상에는 텐덤 탐상법이 이용된다. 용접부의 두께 중앙 부분에 발생하는 결함은, 용입 불량(incomplete penetration)에 의해 발생하는 것으로, 용접부의 두께 방향에 대하여 평행한 평면 결함으로서 존재한다.
사각 탐상법을 이용하여 평면 결함을 탐상하고자 하면, 평면 결함에 닿은 초음파는 정반사 방향으로 강하게 반사되는 것에 대하여 후방 반사는 약하기 때문에, S/N비(수신 신호 강도대 노이즈 강도비)가 저하한다. 이에 대하여, 텐덤 탐상법에서는, 정반사파를 수신할 수 있도록 초음파의 송신과 수신에서 각각 상이한 탐촉자를 이용하고, 이들 탐촉자를 용접 강관의 원주(circumference)상에 배치한다. 그리고, 한쪽의 탐촉자로부터 초음파를 송신하고, 다른 한쪽의 탐촉자로 초음파를 수신하여 결함을 탐상한다. 이 때문에, 텐덤 탐상법을 이용하여 평면 결함을 탐상한 경우에는, 사각 탐상법을 이용한 경우와 비교하여, S/N비가 높아져, 평면 결함을 감도 좋게 검출할 수 있다.
그런데, 텐덤 탐상법에는 이하에 서술하는 과제가 존재한다.
(1) 세팅의 어려움
일반적으로, 탐촉자는, (a) 계산식을 이용하여 탐촉자의 설치 위치를 계산하고, (b) 계산된 설치 위치에 탐촉자를 배치하고, (c) 인공 결함을 이용하여 탐촉자의 각도 및 설치 위치를 조정함으로써, 세팅된다. 이 세팅 순서는, 사각 탐상법과 텐덤 탐상법에서 공통이다. 그런데, 사각 탐상법의 경우, 탐촉자가 1개뿐이기 때문에, 탐촉자의 각도 및 설치 위치의 조정은 용이하다. 이에 대하여, 텐덤 탐상법의 경우에는, 초음파의 송신과 수신에서 탐촉자를 분리하고 있기 때문에, 각 탐촉자에 대해서 각도 및 설치 위치를 조정할 필요가 있어, 세팅 작업이 복잡해진다. 이 때문에, 텐덤 탐상법의 경우에는, 탐촉자의 각도 및 설치 위치의 조정이 매우 어려워진다.
(2) 용접부의 형상의 영향
용접부의 두께가 약 20㎜ 이하가 되면, 용접부의 내면 또는 외면에서의 반사 시에 초음파의 전반 경로(propagation path)가 굽어짐으로써, 초음파가 평면 결함에 닿기 어려워져, 평면 결함의 검출 감도가 저하한다.
(3) 오프 시임(off-seam)의 영향
내면 용접 시 및 외면 용접 시에 맞댐 위치가 내면측과 외면측에서 어긋나는 오프 시임이 발생하는 경우가 있다. 오프 시임이 발생한 경우, 평면 결함은 용접 강관의 원주 방향(관 둘레 방향)의 넓은 범위에 분포할 가능성이 있기 때문에, 용접 강관의 원주 방향의 넓은 범위를 커버할 수 있는 탐상법이 필요하다. 그러나, 텐덤 탐상법은, 송신용의 초음파와 수신용의 초음파가 교차하는 위치 근방에서는 우수한 결함 검출 성능을 갖지만, 그 범위가 좁기 때문에, 오프 시임 발생 시에 용접 강관의 원주 방향에 대하여 충분히 넓은 범위를 커버할 수 없다.
그래서, 이들 과제를 해결하는 방법으로서, 수직 입사법(비특허문헌 1 참조)이 제안되어 있다. 수직 입사법은, 1개의 탐촉자를 이용하여 용접부의 두께 중앙 부분에 대하여 수직으로 초음파를 입사시키는 방식의 초음파 탐상법으로, 이하에 나타내는 특징을 갖고 있다.
(A) 세팅이 용이
1개의 탐촉자로 초음파를 송수신하기 때문에, 텐덤 탐상법과 같이 복수의 탐촉자를 세팅할 때의 번거로움이 없다.
(B) 용접부의 형상의 영향을 받지 않는다
용접부의 형상에 의해 초음파의 전반 경로가 변화하지 않기 때문에, 평면 결함에 대하여 수직으로 초음파를 송신하여, 평면 결함을 감도 좋게 검출할 수 있다.
(C) 용접 강관의 원주 방향에 대하여 넓은 검출 가능 범위를 갖는다
용접부 전체에 초음파가 입사되기 때문에, 용접 강관의 원주 방향에 대한 커버 범위가 넓다.
그런데, UOE 강관 등의 용접 강관의 크기로 초음파가 평면 결함에 수직으로 입사되는 조건을 충족하기 위해서는, 75° 내지 83° 정도의 큰 굴절 각도가 필요해진다. 한편, 도 14에 나타내는 바와 같이, 에코 높이는 굴절 각도의 증가에 수반하여 크게 감소한다. 이는, 굴절 각도의 증가에 수반하여 초음파의 음압(sound pressure)왕복 통과율이 저하하기 때문이다. 또한, 도 15(a)∼(c)에 나타내는 바와 같이, 굴절 각도의 증가에 수반하여 초음파를 송신하는 센서(10)의 외관상의 크기가 작아지기 때문에(크기 D→크기 D'→크기 D"), 굴절 각도의 증가에 수반하여 초음파의 확산 감쇠율이 증가함으로써 결함 검출 감도가 저하한다. 또한, 도 15 중, 부호 11은 웨지(wedge), 부호 S는 용접 강관을 나타낸다. 또한, 온라인 탐상에서는 전기성 노이즈가 증대한다. 이 때문에, 굴절 각도의 크기는 70° 정도까지가 실용적인 범위가 된다. 그래서, 비특허문헌 1에 기재된 방법은, 굴절 각도를 크게 하는 일 없이, 수직 입사법으로 리얼 타임 디지털 처리(처프파(chirp wave) 펄스 압축 처리 및 동기 가산 평균 처리)를 조합함으로써 고감도 탐상을 실현하고 있다.
국제공개 제2014/007023호
"고성능 UOE 강관 용접부 자동 초음파 탐상 장치", 이이즈카 유키노리 등, NKK 기보, No. 175(2001.12), p.36-40
그러나, 수직 입사법을 이용한 경우에는, 초음파의 입사 각도의 변화에 대하여 결함 검출 감도가 민감하게 변화한다. 초음파의 입사 각도는, 탐촉자를 구동하는 기구부의 덜컹거림이나 용접 강관의 음향 이방성의 편차에 따라 변화한다. 이 때문에, 결함 검출 감도에 대한 초음파의 입사 각도의 변화의 영향을 억제하는 것이 요망된다. 한편, 탐촉자의 설치 각도 및 설치 위치의 미(微)조정은 오퍼레이터가 수동으로 행하기 때문에, 조정을 행하는 오퍼레이터의 개인차에 따라서 결함 검출 감도가 편차가 생기기 쉽다. 이 때문에, 결함 검출 감도에 대한 초음파의 입사 각도의 변화의 영향 및 오퍼레이터의 수동 조정에 의한 결함 검출 감도의 편차를 억제 가능한 기술의 제공이 기대되고 있었다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 결함 검출 감도에 대한 초음파의 입사 각도의 변화의 영향 및 오퍼레이터의 수동 조정에 의한 결함 검출 감도의 편차를 억제 가능한 초음파 탐상 장치 및 초음파 탐상 방법을 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 결함 검출 감도에 대한 초음파의 입사 각도의 변화의 영향 및 오퍼레이터의 수동 조정에 의한 결함 검출 감도의 편차를 억제함으로써 용접부의 품질이 높은 용접 강관을 제조 가능한 용접 강관의 제조 방법 및, 용접 강관의 품질 관리 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 초음파 탐상 장치는, 용접 강관의 용접부에 있어서의 개선의 맞댐 부분에 존재하는 평면 결함을 탐상하는 초음파 탐상 장치로서, 용접 루트면(welding root surface)에 대하여 수직으로 초음파를 입사시키는 것이 가능한 상기 용접 강관의 외주면상의 위치에 웨지를 통하여 배치된, 관 축 방향에 있어서 집속된 초음파를 상기 용접 루트면에 송신함과 함께 상기 용접 루트면에 있어서 반사된 초음파를 수신하는 매트릭스 어레이 프로브와, 상기 용접 루트면에 있어서 반사된 상기 초음파의 반사파를 수신하도록 상기 매트릭스 어레이 프로브를 제어하는 초음파 송수신부와, 상기 초음파 송수신부가 수신한 상기 초음파의 반사파에 기초하여 상기 평면 결함을 탐상하는 평가부를 구비하고, 상기 매트릭스 어레이 프로브는, 격자 형상으로 배열된 복수의 진동 소자를 갖고, 상기 진동 소자의 관 축 방향에 있어서의 배열 피치가 송수신되는 초음파의 파장보다 크고, 상기 진동 소자의 관 축 방향의 폭이 상기 매트릭스 어레이 프로브의 관 축 방향 중심 위치로부터 관 축 방향 외측을 향하여 작아져 있고, 상기 진동 소자의 관 축 방향의 폭 및 중심 좌표가 상기 초음파의 초점 위치 제어 범위 내에 있어서 각 진동 소자로부터의 초음파가 모두 겹쳐지도록 조정되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초음파 탐상 장치는, 상기 발명에 있어서, 상기 초음파 송수신부가, 미리 구해진 중심 각도를 중심으로 하는 소정의 각도 범위 내에서 초음파의 굴절 각도를 소정의 각도 피치로 변화시키면서 상기 용접 루트면에 초음파를 송신하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초음파 탐상 방법은, 본 발명에 따른 초음파 탐상 장치를 이용하여 용접 강관의 용접부에 있어서의 개선의 맞댐 부분에 존재하는 평면 결함을 탐상하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초음파 탐상 방법은, 상기 발명에 있어서, 임의의 각도 범위 내에서 초음파의 굴절 각도를 임의의 각도 피치로 변화시키면서 상기 용접 루트면의 중심 위치에 가공된 인공 평면 결함에 초음파를 송신하고, 당해 인공 평면 결함에 있어서 반사된 상기 초음파의 반사파를 수신하고, 초음파의 반사파의 강도가 가장 강할 때의 굴절 각도를 상기 중심 각도로서 구하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초음파 탐상 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 굴절 각도가 상이한 복수의 웨지를 미리 준비하고, 평면 결함을 탐상할 때는, 소망하는 굴절 각도에 가까운 굴절 각도를 갖는 웨지를 선택하고, 선택한 웨지와 상기 매트릭스 어레이 프로브를 조합하여 이용하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 용접 강관의 제조 방법은, 본 발명에 따른 초음파 탐상 장치를 이용하여 용접 강관의 용접부에 있어서의 개선의 맞댐 부분에 존재하는 평면 결함을 탐상하고, 탐상 결과에 기초하여 용접 강관을 제조하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 용접 강관의 품질 관리 방법은, 본 발명에 따른 초음파 탐상 장치를 이용하여 용접 강관의 용접부에 있어서의 개선의 맞댐 부분에 존재하는 평면 결함을 탐상하고, 탐상 결과에 기초하여 용접 강관의 품질을 평가하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초음파 탐상 장치 및 초음파 탐상 방법에 의하면, 결함 검출 감도에 대한 초음파의 입사 각도의 변화의 영향 및 오퍼레이터의 수동 조정에 의한 결함 검출 감도의 편차를 억제할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 용접 강관의 제조 방법 및, 용접 강관의 품질 관리 방법에 의하면, 결함 검출 감도에 대한 초음파의 입사 각도의 변화의 영향 및 오퍼레이터의 수동 조정에 의한 결함 검출 감도의 편차를 억제함으로써 용접부의 품질이 높은 용접 강관을 제조할 수 있다.
도 1은, 매트릭스 어레이 프로브의 개구 폭과 초점 위치에서의 초음파의 음압 상승의 효과의 관계를 계산한 결과의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는, 관 축 방향에 있어서의 진동 소자의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은, 매트릭스 어레이 프로브의 설치 위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 각 진동 소자로부터 초음파를 송신하는 타이밍을 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시 형태인 초음파 탐상 처리의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
도 6은, 섹터 스캔의 중심 각도의 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시 형태인 초음파 탐상 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 8은, 도 7에 나타내는 매트릭스 어레이 프로브의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 9는, 일반적인 UOE 강관의 제조 공정의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 10은, 머니퓰레이터(manipulator)가 구비하는 복수의 매트릭스 어레이 프로브의 배치 위치를 나타내는 개략도이다.
도 11은, 두께 중앙부 탐상용의 매트릭스 어레이 프로브의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 12는, 초음파 탐상 결과의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 13은, t/D가 상이한 용접 강관의 S/N비 및 굴절 각도의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 14는, 초음파의 굴절 각도와 에코 높이의 관계의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 15는, 초음파의 굴절 각도와 외관상의 센서의 크기의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
〔관 축 방향에 있어서의 초음파의 집속〕
본 발명에서는, 수직 입사법을 이용한 초음파 탐상 방법에 있어서, 고굴절 각도 시에 있어서의 결함 검출 감도의 저하를 보충하여 높은 S/N비를 실현하기 위해, 관 축 방향에 있어서 초음파를 집속시킨다. 구체적으로는, 초음파의 굴절 각도가 80°일 때의 결함 검출 감도는, 초음파의 굴절 각도가 70°일 때의 결함 검출 감도와 비교하여 12㏈ 저하한다. 이 때문에, 초음파의 굴절 각도가 80°일 때에는, 관 축 방향에 있어서 초음파를 집속시킴으로써 적어도 12㏈ 이상, 결함 검출 감도를 상승시킨다.
또한, 관 축 방향에 있어서 초음파를 집속시킴으로써 얻어지는 결함 검출 감도 상승의 효과는, 이하에 나타내는 수식 (1)을 이용하여 평가할 수 있다. 구체적으로는, 수식 (1)로부터, 초음파를 집속했을 때의 초점 부근의 음압을 계산할 수 있다. 여기에서, 수식 (1) 중, P는 초음파의 초점 위치 부근의 음압, P0은 송신 음압, x는 음축장(sound axis field)의 위치, fop는 초점 거리, D는 초음파를 송신하는 센서의 크기, λ는 초음파의 파장, J는 집속 계수를 나타낸다. 집속 계수 J는 수식 (2)로서 정의된다. 단, 수식 (1)에 있어서 x=fop인 경우, P/P0=πJ로서 음압이 계산된다.
(수1)
Figure 112019002062352-pct00001
(수2)
Figure 112019002062352-pct00002
여기에서, 웨지 중의 음속을 2340m/sec, 강 중의 횡파 음속을 3230m/sec, 웨지의 높이를 25㎜로 하여, 초음파를 송신하는 센서의 관 축 방향의 폭(개구 폭)과 초점 위치에서의 초음파의 음압의 관계를 계산한 결과를 도 1에 나타낸다. 구체적으로는, 후술하는 도 4에 있어서의 초점 위치 P3에 있어서의 음압을 나타내고 있다. 도 1에서는, 진동자 사이즈(개구 폭) 8㎜의 초음파 프로브에 의한 비집속인 경우의 음압을 기준(즉 0㏈)으로 하여, 초점 위치와 개구 폭마다의 음압의 변화를 도시하고 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 센서의 개구 폭이 커질수록, 초점 위치에서 강한 음압이 얻어지는 것을 알 수 있다. 구체적으로는, 강 중을 따라 도달하는 초점 위치가 40㎜ 내지 160㎜의 범위 내에 있을 때에 당해 초점 위치에서 12㏈ 이상의 강한 음압을 얻기 위해서는, 30㎜ 정도의 개구 폭이 필요한 것을 알 수 있다. 한편, 충분히 섹터 스캔을 행하기 위해서는, 적어도 8ch 이상의 진동 소자(진동자라고도 함)를 이용하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 센서로서 128ch의 매트릭스 어레이 프로브를 이용하는 경우에는, 센서를 구성하는 진동 소자를 16ch×8ch의 배열로 하고, 초음파를 집속시키는 관 축 방향에 있어서 충분한 결함 검출 감도의 상승 효과를 얻기 위해서는 30㎜와 같은 큰 개구 폭이 필요해지는 점에서 관 축 방향을 16ch로 하고, 섹터 스캔을 행하는 관 둘레 방향을 8ch로 하면 좋다.
한편, 페이즈드 어레이식(phased array type)의 초음파 탐상 방법에서는, 불필요한 신호의 피크인 그레이팅 로브(grating lobes)가 발생하고, 이것이 노이즈의 원인이 된다. 이 때문에, 그레이팅 로브는 가능한 한 발생시키지 않는 것이 바람직하다. 일반적으로, 그레이팅 로브를 발생시키지 않기 위한 진동 소자의 배열 피치(진동 소자 피치) Ep의 조건으로서, 이하에 나타내는 수식 (3)이 알려져 있다. 수식 (3) 중, λ는 초음파의 파장,θ는 편광 각도를 나타내고 있다. 또한, 페이즈드 어레이식이란, 어레이 형상으로 배치된 진동 소자로부터 위상을 지연시킨 초음파를 송수신함으로써, (ⅰ) 초음파의 송신 방향 및 수신 방향을 제어, (ⅱ) 초음파를 집속시키고, (ⅲ) 진동 소자 위치를 기계적으로 주사하는 일 없이 전자 주사하는 것이 가능한 방법이다.
(수3)
Figure 112019002062352-pct00003
여기에서, 웨지 중의 음속을 2340m/sec, 초음파의 주파수를 용접 강관 탐상에 있어서 일반적으로 이용되는 5㎒, 관 축 방향에 대하여 편광 각도를 0°로 한 경우, 상기 수식 (3)에 따르면, 그레이팅 로브를 발생시키지 않기 위한 진동 소자 피치 Ep는 약 0.46㎜가 된다. 즉, 진동 소자 피치 Ep가 0.46㎜ 이하이면, 그레이팅 로브는 발생하지 않게 된다.
그러나, 진동 소자 피치 Ep를 0.46㎜로 하여 관 축 방향으로 진동 소자를 16ch 배치했다고 해도, 매트릭스 어레이 프로브의 관 축 방향의 개구 폭은 7.36㎜(=0.46㎜×16ch)밖에 되지 않는다. 이미 서술한 바와 같이, 초음파의 집속에 의해 고굴절 각도 시에 있어서의 결함 검출 감도의 저하를 보충하기 위해서는, 매트릭스 어레이 프로브의 관 축 방향의 개구 폭은 35㎜와 같은 대(大)개구일 필요가 있고, 이대로는 불충분하다.
그래서, 진동 소자 피치 Ep가 초음파의 파장 λ보다 큰 경우에 있어서의 관 축 방향에 있어서의 진동 소자의 배치 위치에 대해서 검토한다. 지금 N개의 진동 소자로 미리 설정된 개구 폭 W를 구성하기 위해서는, 진동 소자 피치 Ep의 크기는 W/N가 아니면 안된다. 당연, 진동 소자 폭 Ew는 진동 소자 피치 Ep보다 작다. 진동 소자 피치 Ep가 초음파의 파장 λ보다 큰 경우에는, 진동 소자 피치 Ep에 대하여 진동 소자 폭 Ew를 가능한 한 크게 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 그레이팅 로브는 저하한다. 구체적으로는, 메인 로브에 대하여 그레이팅 로브를 -12㏈ 이하로 하기 위해서는 Ew/Ep≥0.84가 되도록, -18㏈ 이하로 하기 위해서는 Ew/Ep≥0.94가 되도록 진동 소자 피치 Ep 및 진동 소자 폭 Ew를 설계한다.
그러나, 진동 소자 폭 Ew를 크게 하면, 진동 소자의 지향각이 좁아지고, 각 진동 소자의 지향각은 진동 소자가 배치되어 있는 면보다도 먼 곳에서 겹쳐지게 된다. 이 경우, 진동 소자의 배치 위치에 가까운 측에서는, 각 진동 소자의 지향각이 겹쳐지지 않아, 초음파를 충분히 집속시키는 것이 곤란해진다. 한편, 진동 소자의 진동 소자 폭 Ew를 작게 하면, 각 진동 소자의 지향각이 넓어지기 때문에, 진동 소자가 배치되어 있는 면으로부터 보다 가까운 측에서는 각 진동 소자의 지향각이 겹쳐진다. 이에 따라, 진동 소자 폭 Ew가 넓은 경우와 비교하여 보다 앞쪽으로부터 초음파를 집속시킬 수 있지만, 반대로 그레이팅 로브는 발생하기 쉬워진다.
그래서, 본 발명에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이 진동 소자가 배치된 매트릭스 어레이 프로브를 이용하여 초음파 탐상을 행한다. 도 2에 나타내는 매트릭스 어레이 프로브에서는, 관 축 방향(X 방향)의 중심 위치(X=Xc)에 진동 소자 폭 Ew가 가장 큰 진동 소자 2n, 2n+1이 배치되고, 관 축 방향의 중심 위치(X=Xc)로부터 외측을 향함에 따라 서서히 진동 소자의 진동 소자 폭 Ew가 작아지고 있다. 또한, 도 2 중, n(=1∼m)번째의 진동 소자의 중심 좌표를 Xn, 진동 소자 폭을 Ewn, 진동 소자 피치를 Ep로 하고 있다. 또한, n번째에 배치되어 있는 진동 소자 2n의 지향각φn은, 이하에 나타내는 수식 (4)에 의해 산출할 수 있다.
(수4)
Figure 112019002062352-pct00004
여기에서, 중심 위치(X=Xc)에서 탐상에 있어서의 가장 가까운 초점 위치 P1까지의 거리를 초점 거리 fmin으로 했을 때, 초점 거리 fmin 이후에 각 진동 소자로부터 송신된 초음파가 충분히 겹쳐져, 넓은 초점 위치 범위를 실현하기 위해서는, 이하의 수식 (5)를 만족하는 진동 소자 폭 Ewn 및 중심 좌표 Xn을 계산하여, 계산된 위치에 각 진동 소자를 배치하면 좋다.
(수5)
Figure 112019002062352-pct00005
수식 (5)에 있어서, 각도 θn은, n번째의 진동 소자 2n의 중심 좌표 Xn을 통과하는 법선 Ln과 n번째의 진동 소자 2n의 중심 좌표 Xn과 초점 위치 P1을 연결하는 선분 Ln'이 이루는 각도로서, 이하에 나타내는 수식 (6)에 의해 산출할 수 있다. n번째의 진동 소자 2n에 있어서, 그 지향각 φn이 각도 θn보다 크면, 초점 위치 P1 이후에 초음파가 충분히 겹쳐지게 된다. 이에 따라, 그레이팅 로브의 발생 및 고굴절 각도 시에 있어서의 결함 검출 감도의 저하를 억제할 수 있다. 여기에서, 수식 (6) 중, Xc는 매트릭스 어레이 프로브의 중심 위치를 나타낸다. 또한, 진동 소자 피치 Ep는 가능한 한 작은 값으로 하는 것이 바람직하다.
(수6)
Figure 112019002062352-pct00006
또한, 도 3에 나타내는 초음파 탐상에 있어서의 매트릭스 어레이 프로브(2)의 설치 위치는, 용접 강관(S)의 두께 t 및 외경 R을 이용하여 이하에 나타내는 수식 (7), (8)로부터 산출할 수 있다. 수식 (8)이 나타내는 PWD는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 용접 강관(S)의 원주상에 있어서의 초음파의 입사 위치 P2에서 결함이 존재하고 있는 초점 위치(개선의 맞댐 위치) P3까지의 거리를 나타내고 있다. 또한, 이때 초음파가 강 중을 전반하는 거리 TF는 이하에 나타내는 수식 (9)에 의해 산출할 수 있다. 또한, 웨지(3)의 높이를 H로 했을 때, 웨지(3) 중의 음속을 Vw, 강 중의 횡파 음속을 Vs로 하면, 초음파의 초점 거리 fp는 이하에 나타내는 수식 (10)에 의해 산출할 수 있다. 또한, 도 3 중, θi는 초음파의 입사 각도를 나타내고, θr은 초음파의 굴절 각도를 나타내고, O는 용접 강관(S)의 중심 위치를 나타내고 있다.
(수7)
Figure 112019002062352-pct00007
(수8)
Figure 112019002062352-pct00008
(수9)
Figure 112019002062352-pct00009
(수10)
Figure 112019002062352-pct00010
다음으로, 초점 위치 P3에 초음파를 집속시키기 위한 각 진동 소자로부터 초음파를 송신하는 타이밍을 계산하는 방법에 대해서 도 4를 이용하여 설명한다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 초점 위치 P3에 초음파를 집속시키기 위해서는, 우선, 각 진동 소자의 배치 위치에서 초점 위치 P3까지의 초음파의 전반 시간을 계산한다. 구체적으로는, 이하의 수식 (11)에 나타내는 바와 같이, 웨지 중의 음속 Vw로 n번째의 진동 소자의 배치 위치에서 초점 위치 P3까지의 거리 dn을 나눔으로써, n번째의 진동 소자의 배치 위치에서 초점 위치 P3까지의 초음파의 전반 시간 Tn을 구할 수 있다.
(수11)
Figure 112019002062352-pct00011
도 4 중, 관 축 방향으로 m개의 진동 소자가 배치되어 있는 경우, 1번째에서 m번째까지의 진동 소자에 대해서 각각 전술의 계산을 행함으로써 전반 시간 Tn을 구한다. 계속해서, 이하의 수식 (12)에 나타내는 바와 같이 각 진동 소자에 대해서 구해진 전반 시간 Tn의 최댓값(최대 전반 시간) Tmax를 산출한다. 그리고, 이하의 수식 (13)에 나타내는 바와 같이, 각 전반 시간 Tn으로부터 최대 전반 시간 Tmax를 감산하고, 그 절대 시간을 각 진동 소자에 있어서의 초음파를 송신하는 타이밍(지연 시간 Tdn)으로 한다. 이에 따라, 초점 위치 P3에 초음파를 집속시킬 수 있다.
(수12)
Figure 112019002062352-pct00012
(수13)
Figure 112019002062352-pct00013
또한, 관 축 방향에 직교하는 용접 강관의 지름 방향 단면 방향(C 방향)에 있어서 초음파를 집속시키는 것도 고려되지만, 도 15(a)∼(c)에 나타낸 바와 같이, 굴절 각도의 증가에 수반하여 초음파를 송신하는 센서(초음파 프로브)의 외관상의 크기가 작아진다. 또한, 수식 (2)에 나타낸 바와 같이, 집속 계수 J의 크기는 초음파를 송신하는 센서의 크기의 2승값에 비례한다. 이 때문에, 이 경우, 충분한 음압을 얻기 위해서는, 초음파를 송신하는 센서의 크기를 크게 하지 않으면 안되어 현실적이지 않다. 구체적으로는, 주파수를 5㎒로 한 경우, 송신하는 센서의 크기를, 예를 들면 50㎜ 이상으로 할 필요가 있다. C 방향에 있어서, 이러한 큰 개구 폭을 갖는 센서를 적용하고자 하면, 접근 한계 거리가 커져버려 초음파의 전파 거리가 길어지고, 결과적으로, 집속에 의한 음압 상승의 효과도 충분히 얻어지지 않게 된다. 따라서, 그다지 현실적이지 않다. 그래서, 본 발명에서는, 관 축 방향으로 직교하는 용접 강관의 지름 방향 단면 방향이 아니라, 관 축 방향에 있어서 초음파를 집속시키는 것으로 했다.
〔초음파 탐상 처리〕
본 발명에서는, 개선의 맞댐 부분에 인공 평면 결함이 가공된 캘리브레이션(calibration)용 시험편을 이용하여 초음파의 입사 각도 조건 및 집속 조건을 조정하여 매트릭스 어레이 프로브의 감도 교정을 행한 후에 초음파 탐상 처리를 실행하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 도 5에 나타내는 플로우에 따라 초음파 탐상 처리를 행한다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 초음파 탐상 처리 시는, 우선, 초음파 탐상을 위한 초기 조건을 계산한다(스텝 S1). 구체적으로는, 용접 루트면의 중심 위치 Xc에 초음파를 수직으로 입사하기 위한 설치 위치(입사 위치) P2 및 관 축 방향에 있어서 초음파를 집속시키면서 초음파의 입사 각도를 C 방향에서 만들면서(swing) 탐상하기 위한 각 진동 소자의 지연 시간을 계산한다. 이때, 초음파의 초점 위치 P3은, 인공 평면 결함의 위치, 초음파의 입사 위치 및, 매트릭스 어레이 프로브의 설치 위치로부터 계산할 수 있다. 다음으로, 스텝 S1의 처리에 있어서 계산된 입사 위치 P2에 초음파를 입사할 수 있도록 매트릭스 어레이 프로브 및 웨지(프로브)를 용접 강관의 외주면에 설치한다(스텝 S2).
다음으로, 계산된 각 진동 소자의 지연 시간으로 관 축 방향으로 집속된 초음파를 C 방향에서 입사 각도를 만들면서 송수신한다(스텝 S3). 구체적으로는, 도 6(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 굴절 각도 Rmin으로부터 굴절 각도 Rmax의 각도 범위 내에서 초음파를 예를 들면 1° 등의 각도 피치 Rd로 주사(섹터 스캔)하고, 그리고, 각 각도에 있어서의 결함으로부터의 에코 강도를 기록하여, 가장 에코 강도가 높은 굴절 각도를 탐상의 중심 각도 Rc로서 검출한다. 또한, 도 6(a), (b) 중, DF는 인공 평면 결함을 나타낸다. 다음으로, 초음파 탐상을 행하기 위한 각종 설정값을 계산하고(스텝 S4), 계산된 각종 설정값에 따라 각 진동 소자의 출력 신호의 강도가 소정 범위 내에 들어가도록 각 진동 소자의 감도를 교정한다(스텝 S5). 그리고 이후, 스텝 S3의 처리에 있어서 결정한 중심 각도 Rc를 중심으로 하여 ±4° 등의 소정의 각도 범위 내를 2° 등의 소정의 각도 피치로 굴절 각도를 주사하여 초음파 탐상을 행한다(스텝 S6). 또한, 섹터 스캔의 각도 범위 및 각도 피치는, 용접 강관의 관경 및 두께, 용접 강관의 음향 이방성, 이용하는 초음파의 주파수 등의 변수에 따라서 오퍼레이터가 결정하는 것으로 한다.
전술과 같이, 중심 각도 Rc를 중심으로 하여 소정의 각도 범위 내에서 굴절 각도를 소정의 각도 피치로 주사하여 초음파 탐상을 행함으로써, 진동 소자를 구동하는 기구부의 덜컹거림이나 용접 강관의 음향 이방성의 편차에 의해 초음파의 입사 각도가 다소 변화되어 있어도 용접 루트면에 초음파를 입사할 수 있기 때문에, 결함 검출 감도에 대한 초음파의 입사 각도의 변화의 영향을 억제할 수 있다. 또한, 가장 에코 강도가 높은 굴절 각도를 탐상의 중심 각도 Rc로서 설정하기 때문에, 프로브의 각도 및 설치 위치의 조정을 행하는 오퍼레이터의 개인차에 따라서 결함 검출 감도가 편차가 생기는 것을 억제할 수 있다.
〔초음파 탐상 장치의 구성〕
다음으로, 도 7, 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태인 초음파 탐상 장치의 구성에 대해서 설명한다. 도 7은, 본 발명의 일 실시 형태인 초음파 탐상 장치의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 8은, 도 7에 나타내는 매트릭스 어레이 프로브의 구성을 나타내는 평면도이다. 또한, 도 7, 도 8에 있어서, L 방향은 관 축 방향, C 방향은 수평면 내에 있어서 관 축 방향과 직교하는 방향, Z 방향은 L 방향 및 C 방향과 직교하는 방향을 나타내고 있다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태인 초음파 탐상 장치(1)는, 매트릭스 어레이 프로브(2), 웨지(3), 초음파 송수신부(4) 및, 평가부(5)를 주된 구성 요소로서 구비하고 있다.
매트릭스 어레이 프로브(2)는, 검사 대상의 용접 강관(S)의 외면상에 구성되고, 웨지(3)를 통하여 용접 강관(S)에 대하여 초음파(UB)를 송수신한다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 매트릭스 어레이 프로브(2)는, 격자 형상으로 배치된 128ch의 진동 소자에 의해 구성되고, L 방향으로 16ch 및 C 방향으로 8ch의 진동 소자가 배치되어 있다. 각 진동 소자의 진동 소자 폭은, L 방향의 중심 위치로부터 외측을 향하여 서서히 작아지도록 설계되어 있고, 각 진동 소자의 진동 소자 폭 Ew 및 중심 좌표 Xn은, 상기 수식 (5)를 만족하도록 설계되어 있다. 이에 따라, 본 실시 형태에서는, 매트릭스 어레이 프로브(2)의 L 방향의 개구 폭은 약 34㎜가 되고, C 방향의 개구 폭은 약 10㎜가 되어 있다.
웨지(3)는, 매트릭스 어레이 프로브(2)가 설치되는 설치면을 갖는 다면체에 의해 구성되고, 폴리스티렌에 의해 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 웨지(3) 중의 음속을 2340m/sec로 하고, 초음파의 굴절 각도가 각각 60°, 65°, 70° 및, 80°가 되는 복수의 웨지(3)를 준비하여, 이론적으로 계산되는 초음파(UB)의 입사 위치 P2로부터의 굴절 각도 θr이 제일 가까운 웨지(3)를 부착하여 초음파 탐상을 행한다. 예를 들면 외경 1067㎜, 두께 44.5㎜의 용접 강관(S)의 용접부에 있어서의 두께 중앙부를 탐상하는 경우, 초음파(UB)의 입사 위치 P2로부터의 굴절 각도 θr은 강 중의 횡파 음속을 3230m/sec로 하면 73.4°로 계산된다. 그래서, 이 경우에는, 초음파(UB)의 굴절 각도 θr이 75°가 되는 웨지(3)를 매트릭스 어레이 프로브(2)에 장착하여 초음파 탐상을 행한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 용접부의 두께 중앙부를 탐상하는 것으로 했지만, 본 발명의 탐상 범위는 용접부의 두께 중앙부로 한정되는 일은 없고, 초음파가 조사되는 범위 내에 있는 평면 결함을 탐상할 수 있다.
초음파 송수신부(4)는, 매트릭스 어레이 프로브(2)가 구비하고 있는 진동 소자에 대하여 초음파 신호의 송수신 지령을 출력함으로써, 도 5에 나타낸 초음파 탐상 처리에 따라 용접 강관(S)의 용접부의 초음파 탐상 처리를 제어한다. 구체적으로는, 초음파 송수신부(4)는, 마이크로 컴퓨터 등의 정보 처리 장치에 의해 구성되고, 도 5에 나타낸 초음파 탐상 처리를 규정한 컴퓨터 프로그램을 실행함으로써 용접 강관(S)의 용접부의 초음파 탐상 처리를 실행한다. 초음파 송수신부(4)는, 매트릭스 어레이 프로브(2)가 수신한 용접부로부터 반사한 초음파 신호를 평가부(5)에 출력한다. 또한, 도 7 중, WB는 용접 비드를 나타내고, CL은 용접 강관(S)의 둘레 방향에 대한 용접부의 중심 위치를 나타내고, P3은 초점 위치를 나타내고 있다.
평가부(5)는, 초음파 송수신부(4)로부터 출력된 초음파 신호에 대하여 소정의 처리를 실시한 후, 소정의 처리가 실시된 초음파 신호에 기초하여 용접부에 결함이 존재하는지 아닌지 등의 용접 강관의 용접부의 품질 평가를 실행한다. 구체적으로는, 평가부(5)는, 초음파 신호의 강도가 소정의 문턱값 이상인지 아닌지를 판별하고, 초음파 신호의 강도가 소정의 문턱값 이상인 경우, 용접부에 결함이 존재한다고 판정한다. 평가부(5)는, 용접 강관의 용접부의 품질 평가 결과를 출력, 기록함으로써, 용접 강관의 용접부의 품질 평가 결과에 관한 정보를 오퍼레이터에게 제공한다. 또한, 용접부에 결함이 검출된 용접 강관에 대해서는, 결함의 검출 위치에 마킹이 실시된다. 그리고, 마킹이 실시된 용접 강관은 수동에 의한 검사 공정으로 보내지고, 오퍼레이터가, 마킹 부분 부근을 재차 초음파 탐상하여, 용접부의 품질의 최종적인 합격 여부 판정을 행한다. 이 검사원에 의한 수동 검사에 있어서도 본 발명의 일 실시 형태인 초음파 탐상 장치(1)가 이용된다.
실시예
본 실시예에서는, 본 발명의 일 실시 형태인 초음파 탐상 장치(1)를 이용하여 UOE 강관의 용접부의 품질을 평가했다. 구체적으로는, 도 9에 나타내는 일반적인 UOE 강관의 제조 공정에 대하여 본 발명의 일 실시 형태인 초음파 탐상 장치(1)를 적용했다. 도 9에 나타내는 UOE 강관의 제조 공정에서는, 우선, 후강판에 대하여 U형 프레스 가공 및 O형 프레스 가공을 순서대로 실시한 후(스텝 S11, S12), 후강판의 맞댐 부분의 내면측 및 외면측을 용접 접합하고(스텝 S13, S14), 용접부의 초음파 탐상 검사 처리(UT) 및 방사선 투과 검사 처리(RT)를 실행한다(스텝 S15, S16). 다음으로, 용접 강관에 대하여 확관 공정을 실시한 후(스텝 S17), 수압 시험을 행하고(스텝 S18), 재차 용접부의 초음파 탐상 검사 처리(UT) 및 방사선 투과 검사 처리(RT)를 실행한다(스텝 S19, S20). 그리고 마지막으로, 용접 강관에 대하여 단면 마무리 처리, 외관 치수 검사 처리, 관끝의 방사선 투과 검사 처리, 평량검척 처리(basis weight measurement process) 및, 내외면 도장 처리를 실시한 후(스텝 S21∼S25, 용접 강관은 출하된다. 본 실시예에서는, 스텝 S15 및 스텝 S19의 초음파 탐상 검사 처리에 본 발명의 일 실시 형태인 초음파 탐상 장치(1)를 적용했다.
또한, 본 실시예에서는, 도 10에 나타낸 바와 같은 복수의 매트릭스 어레이 프로브(2A∼2H)를 구비하는 머니퓰레이터를 초음파 탐상 장치에 설치했다. 각 매트릭스 어레이 프로브에는, 매트릭스 어레이 프로브(2A, 2B)는 두께 중앙부 탐상용, 매트릭스 어레이 프로브(2C, 2D)는 외면 탐상용, 매트릭스 어레이 프로브(2E, 2F)는 내면 탐상용, 매트릭스 어레이 프로브(2G, 2H)는 비드부 탐상용과 같이 각각 역할이 정해져 있다. 그리고, 머니퓰레이터가 각 매트릭스 어레이 프로브를 용접 강관(S)에 착재시켜(put), 용접 강관(S)을 길이 방향(반송 방향)으로 진행하면서 용접부의 초음파 탐상 검사 처리를 행한다. 또한, 본 실시예에서는, 매트릭스 어레이 프로브(2A∼2H) 중, 두께 중앙부 탐상용의 매트릭스 어레이 프로브(2A, 2B)에 도 7에 나타낸 실시 형태를 적용하고, 다른 매트릭스 어레이 프로브는 사각 페이즈드 어레이 UT 기술을 적용한 구성으로 했다.
여기에서, 두께 중앙부 탐상용의 매트릭스 어레이 프로브(2A, 2B)의 구성의 상세에 대해서 도 11(a), (b)를 이용하여 설명한다. 도 10에도 나타냈지만, 복수의 매트릭스 어레이 프로브(2A∼2H)는, 초음파 탐상 부위마다 용접 비드(WB)를 사이에 두고 양 사이드로부터 탐상하도록 배치되어 있다. 두께 중앙부 탐상용의 매트릭스 어레이 프로브(2A, 2B)도 동일하게, 도 11(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 용접 비드(WB)를 사이에 두고 양 사이드로부터 탐상하도록 배치했다. 또한, 도 11(b)에 나타내는 바와 같이, 대(對)가 되는 매트릭스 어레이 프로브(2A, 2B)는 관 축 방향에 대하여 5㎜ 정도 어긋나게 배치했다. 수직 입사법을 적용한 경우, 대(對)가 되는(forming a pair) 매트릭스 어레이 프로브(2A, 2B)로부터 송신된 초음파의 투과 전반파가 노이즈가 되어 검출능이 저하한다. 그 때문에, 대가 되는 매트릭스 어레이 프로브(2A, 2B)를 관 축 방향으로 어긋나게 배치했다.
또한, 본 실시예에서는, 집속 빔으로 초음파를 송수신했다. 또한, 관 축 방향으로 약 34㎜의 개구 폭, 관 둘레 방향으로 5∼18㎜의 개구 폭을 갖는 매트릭스 어레이 프로브(2A, 2B)를 이용하여, 그 빔 폭이 최소로 1㎜ 이하가 되도록 했다. 이 때문에, 감도 조정 시에 인공 결함의 위치에 초음파를 맞추는 것이 어렵다. 그래서, 두께 중앙부를 탐상하기 위한 매트릭스 어레이 프로브(2A, 2B)를 포함하는 매트릭스 어레이 프로브를 개별적으로 관 축 방향에 대하여 정밀하게 주사할 수 있는 기구를 형성했다. 구체적으로는, 도 11(a)에 나타내는 바와 같이, 각 매트릭스 어레이 프로브를 주사 기구(6)를 통하여 머니퓰레이터(7)에 접속하고, 주사 기구(6)에 의해 각 매트릭스 어레이 프로브를 L 방향(LA, LB) 및 C 방향(CA, CB)으로 이동 가능하도록 구성했다. 또한, 관 둘레 방향의 개구 폭은, 예를 들면 두께의 1/3의 범위에 초음파가 조사되도록 하고 싶은 등, 섹터 스캔의 조건이나 빔 지름에 따라서 변화한다.
실제로 초음파 탐상을 행한 결과의 일 예를 도 12(a), (b)에 나타낸다. 탐상(섹터 스캔)은 중심 굴절 각도에 대하여 3° 피치의 3개의 초음파 빔으로 행했다. 도 12(a), (b)는 각각, 매트릭스 어레이 프로브(2A) 및 매트릭스 어레이 프로브(2B)를 이용하여, 용접부에 미리 φ3.0㎜의 인공 결함(평저공(flat bottomed hole))을 형성한 외경 56인치, 12.7㎜의 용접 강관을 탐상한 결과(세로축: 에코 높이, 가로축: 관 축 방향 위치)를 나타낸다. 도 12(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 매트릭스 어레이 프로브(2A, 2B) 어느 쪽에 있어서도 F 에코가 명료하게 관찰되어, φ3.0㎜의 인공 결함을 충분히 탐상할 수 있었다. 또한, t/D가 상이한 용접 강관에 대해서, 두께 중앙부에 가공된 φ3.0㎜의 인공 결함(평저공)을 탐상했을 때의 S/N비와 굴절 각도를 도 13(a), (b)에 나타낸다. 도 13(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 굴절 각도가 약 82°로 큰 경우에 있어서도, 양호한 24㏈ 이상의 S/N비가 얻어졌다. 또한, 일반적으로 요구되는 φ3.0㎜ 인공 결함(평저공)에 대한 S/N비는 12㏈ 이상이다.
이상, 본 발명자들에 의해 이루어진 발명을 적용한 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 실시 형태에 의한 본 발명의 개시된 일부를 이루는 기술 및 도면에 의해 본 발명은 한정되는 일은 없다. 이와 같이, 본 실시 형태에 기초하여 통상의 기술자들에 의해 이루어지는 다른 실시 형태, 실시예 및, 운용 기술 등은 모두 본 발명의 범주에 포함된다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명에 의하면, 결함 검출 감도에 대한 초음파의 입사 각도의 변화의 영향 및 오퍼레이터의 수동 조정에 의한 결함 검출 감도의 편차를 억제 가능한 초음파 탐상 장치 및 초음파 탐상 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 결함 검출 감도에 대한 초음파의 입사 각도의 변화의 영향 및 오퍼레이터의 수동 조정에 의한 결함 검출 감도의 편차를 억제함으로써 용접부의 품질이 높은 용접 강관을 제조 가능한 용접 강관의 제조 방법 및, 용접 강관의 품질 관리 방법을 제공할 수 있다.
1 : 초음파 탐상 장치
2 : 매트릭스 어레이 프로브
3 : 웨지
4 : 초음파 송수신부
5 : 평가부
S : 용접 강관

Claims (8)

  1. 용접 강관의 용접부에 있어서의 개선(groove)의 맞댐 부분에 존재하는 평면 결함을 탐상하는 초음파 탐상 장치로서,
    용접 루트면에 대하여 수직으로 초음파를 입사시키는 것이 가능한 상기 용접 강관의 외주면상의 위치에 웨지를 통하여 배치된, 관 축 방향에 있어서 집속된 초음파를 상기 용접 루트면에 송신함과 함께 상기 용접 루트면에 있어서 반사된 초음파를 수신하는 매트릭스 어레이 프로브와,
    상기 용접 루트면에 있어서 반사된 상기 초음파의 반사파를 수신하도록 상기 매트릭스 어레이 프로브를 제어하는 초음파 송수신부와,
    상기 초음파 송수신부가 수신한 상기 초음파의 반사파에 기초하여 상기 평면 결함을 탐상하는 평가부를 구비하고,
    상기 매트릭스 어레이 프로브는, 격자 형상으로 배열된 복수의 진동 소자를 갖고, 상기 진동 소자의 관 축 방향에 있어서의 배열 피치가 송수신되는 초음파의 파장보다 크고, 상기 진동 소자의 관 축 방향의 폭이 상기 매트릭스 어레이 프로브의 관 축 방향 중심 위치로부터 관 축 방향 외측을 향하여 작아져 있고, 상기 진동 소자의 관 축 방향의 폭 및 중심 좌표가 상기 초음파의 초점 위치 제어 범위 내에 있어서 각 진동 소자로부터의 초음파가 모두 겹쳐지도록 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 탐상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 송수신부가, 미리 구해진 중심 각도를 중심으로 하는 소정의 각도 범위 내에서 초음파의 굴절 각도를 소정의 각도 피치로 변화시키면서 상기 용접 루트면에 초음파를 송신하는 것을 특징으로 하는 초음파 탐상 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 기재된 초음파 탐상 장치를 이용하여 용접 강관의 용접부에 있어서의 개선의 맞댐 부분에 존재하는 평면 결함을 탐상하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 탐상 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    임의의 각도 범위 내에서 초음파의 굴절 각도를 임의의 각도 피치로 변화시키면서 상기 용접 루트면의 중심 위치에 가공된 인공 평면 결함에 초음파를 송신하고, 당해 인공 평면 결함에 있어서 반사된 상기 초음파의 반사파를 수신하여, 초음파의 반사파의 강도가 가장 강할 때의 굴절 각도를 상기 중심 각도로서 구하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 탐상 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 굴절 각도가 상이한 복수의 웨지를 미리 준비하고, 평면 결함을 탐상할 때는, 소망하는 굴절 각도에 가까운 굴절 각도를 갖는 웨지를 선택하고, 선택한 웨지와 상기 매트릭스 어레이 프로브를 조합하여 이용하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 탐상 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 기재된 초음파 탐상 장치를 이용하여 용접 강관의 용접부에 있어서의 개선의 맞댐 부분에 존재하는 평면 결함을 탐상 검사 처리하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 강관의 제조 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 기재된 초음파 탐상 장치를 이용하여 용접 강관의 용접부에 있어서의 개선의 맞댐 부분에 존재하는 평면 결함을 탐상하고, 탐상 결과에 기초하여 용접 강관의 품질을 평가하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 강관의 품질 관리 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 굴절 각도가 상이한 복수의 웨지를 미리 준비하고, 평면 결함을 탐상할 때는, 소망하는 굴절 각도에 가까운 굴절 각도를 갖는 웨지를 선택하고, 선택한 웨지와 상기 매트릭스 어레이 프로브를 조합하여 이용하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 탐상 방법.
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