KR20150021530A - 결함 검출 장치, 결함 검출 방법 및 기억 매체 - Google Patents

결함 검출 장치, 결함 검출 방법 및 기억 매체 Download PDF

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Abstract

결함 검출 장치(100)는, 전봉강관(200)의 외표면(200G)의 외측에 설치되고, 복수의 초음파 진동자(121)가 배열된 페이즈드 어레이 탐촉자(120)와, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)가 배열된 복수의 초음파 진동자(121) 중 일부의 복수의 초음파 진동자로 이루어지는 탐상용 초음파 진동자군으로부터 전봉강관(200)의 외표면(200G)에 대하여 경사각으로 탐상용 초음파 빔(131)을 출력하는 송신부(144)와, 반사된 탐상용 초음파 빔(131)을 탐상용 초음파 진동자군을 통하여 수신하는 수신부(145)와, 수신부(145)에서 수신한 탐상용 초음파 빔(131)에 기초하여 용접부(210)에 결함이 존재하는지 여부를 판정하는 결함 판정부(147)를 구비한다. 송신부(144)는, 용접 강관(200)의 외표면(200G)으로부터 용접 강관(200) 내에 입사된 탐상용 초음파 빔(131)이 용접 강관(200)의 내표면에서 반사되지 않고 용접면에 대하여 대략 수직으로 직접 입사하고 또한 용접면에 집속하도록 탐상용 초음파 빔(131)을 송신한다.

Description

결함 검출 장치, 결함 검출 방법, 프로그램 및 기억 매체{DEFECT DETECTION DEVICE, DEFECT DETECTION METHOD, PROGRAM, AND STORAGE MEDIUM}
본 발명은, 용접 강관의 관축 방향을 따라 형성된 용접면에 존재하는 결함을 검출하는 결함 검출 장치 및 결함 검출 방법, 당해 결함 검출 방법을 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램, 당해 프로그램을 기억하는 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체에 관한 것이다. 또한, 본 명세서에 있어서는, 관 직경이 5인치 이하, 관 두께가 7.5mm 이하인 소직경의 전봉강관에 대하여 결함 검출을 행하는 경우를 예로 들어 설명을 행하지만, 본 발명에서는 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 아크 용접 강관 등의 다른 용접 강관을 결함 검출의 대상으로 하는 것이어도 된다.
먼저, 전봉강관의 일반적인 제조 방법에 대하여 설명한다. 도 18a 및 도 18b는, 일반적인 전봉강관의 제조 방법의 일례를 도시하는 모식도이다. 도 18a에 도시한 바와 같이, 일반적인 전봉강관의 제조 방법에 있어서는, 띠 형상의 강판(강철 띠)(201)을, 방향(202)을 향하여 연속적으로 반송하면서 다수의 롤군(도시하지 않음)에 의해 관 형상으로 성형하고, 그 맞대기 단부면(203)을 고주파 코일(204)에 의한 유도 가열 또는 콘택트 팁(도시하지 않음)에 의한 직접 통전 가열에 의해 용융함과 함께, 스퀴즈 롤(205)에 의해 가압함으로써, 맞대기 단부면(203)을 용접하여 용접부(210)를 형성한다. 이와 같이 하여, 도 18b에 도시한 바와 같이, 용접부(210)(용접면)가 관축 방향(220)을 따라 형성된 전봉강관(200)이 제조된다. 또한, 본 명세서에 있어서, 용접면이라 함은 오프관 형상으로 성형된 열연 강판 단부가, 가열되고, 용융하고, 용융부가 가압을 가함으로써 배출되어 접합이 완료되었을 때의 접합면을 말한다. 용접면은 용접 충합면이라고 칭해지는 경우도 있다.
전봉강관(200)에서는 용접부(210)의 품질이 매우 중요하고, 전봉강관(200)의 제조 공정에 있어서는, 일반적으로 초음파 사각 탐상에 의해 용접부(210)에 결함이 존재하는지 여부의 온라인 탐상이 행하여지고 있다.
도 19는, 종래의 사각 탐상법의 일례를 도시하는 모식도이다. 도 19에는, 도 18b에 도시한 전봉강관(200)의 단면(보다 상세하게는, 전봉강관(200)의 단면 중 용접부(210) 부근)이 도시되어 있다. 그리고, 초음파 빔의 송수신을 행하는 어레이 탐촉자(250)는, 전봉강관(200)의 외표면(200G)의 외측에 설치되어 있다. 이러한 상태에서, 도 19에 도시하는 종래의 사각 탐상법에서는, 어레이 탐촉자(250)로부터, 전봉강관(200)의 외표면(200G)에 대하여 초음파 빔을 출력하고, 당해 초음파 빔을 전봉강관(200)의 내표면(200N)에서 한번 반사시켜서 용접부(210)(용접면)에 조사하고, 반사된 초음파 빔을 어레이 탐촉자(250)에서 수신하고, 수신한 초음파 빔을 해석하여 용접부(210)(용접면)에 결함이 존재하는지 여부를 검출한다.
일본 특허 제4544240호 공보에는, 초음파 빔의 송신용과 수신용에서 별도의 어레이 탐촉자를 설치하는, 소위 탠덤 탐상법의 기술이 개시되어 있다.
그러나, 상술한 도 19에 도시하는 종래의 사각 탐상법에서는, 초음파 빔을 전봉강관(200)의 내표면(200N)에서 한번 반사시켜서 용접부(210)(용접면)에 조사하고 있으므로, 용접부(210)(용접면)에 대하여 대략 수직으로 초음파 빔을 조사할 수 없고, 그 결과, 용접부(210)(용접면)에 결함이 존재하는 경우, 어레이 탐촉자(250)에 도착하는 당해 결함으로부터의 정반사의 초음파 빔이 약해진다. 이로 인해, 예를 들어 페네트레이터와 같은 미소 결함(0.2mm 정도)의 검출은 곤란해진다는 문제가 있었다.
또한, 상술한 일본 특허 제4544240호 공보의 기술에서는, 비교적 두께가 얇은(7.5mm 정도 이하) 관 직경이 5인치 이하인 소직경의 전봉강관에 대하여 탐상을 행할 경우에는, 용접부(210)(용접면)에 존재하는 결함으로부터의 반사 초음파 빔에 관한 SN비가 저하된다는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 미소 결함의 검출도 가능하고, 또한, 비교적 두께가 얇은 소직경의 용접 강관이어도 결함의 검출 정밀도의 향상을 실현하는 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는, 예의 검토를 거듭한 결과, 이하에 나타내는 발명의 모든 형태에 상도하였다.
본 발명의 제1 관점에 의하면, 용접 강관의 관축 방향을 따라 형성된 용접면에 존재하는 결함을 검출하는 결함 검출 장치이며, 상기 용접 강관의 외표면의 외측에 설치되고, 복수의 초음파 진동자가 배열된 페이즈드 어레이 탐촉자와, 상기 복수의 초음파 진동자 중 일부 또는 전부를 포함하는 탐상용 초음파 진동자군으로부터, 상기 용접 강관의 외표면으로부터 상기 용접 강관 내에 입사된 탐상용 초음파 빔이 상기 용접 강관의 내표면에서 반사되지 않고 상기 용접면에 대하여 대략 수직으로 직접 입사하고 또한 상기 용접면에 수렴하도록 상기 탐상용 초음파 빔을 송신하는 송신 수단과, 반사된 상기 탐상용 초음파 빔을 상기 탐상용 초음파 진동자군을 통하여 수신하는 수신 수단과, 상기 수신 수단으로 수신한 상기 탐상용 초음파 빔에 기초하여, 상기 용접면에 결함이 존재하는지 여부를 판정하는 결함 판정 수단을 포함하는 결함 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 제2 관점에 의하면, 상기 용접 강관은, 관 직경이 5인치 이하, 관 두께가 7.5mm 이하인 소직경의 전봉강관인 제1 관점에 의한 결함 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 제3 관점에 의하면, 상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이에는, 상기 탐상용 초음파 빔이 전파하는 매체로서 물이 존재하고 있고, 상기 송신 수단은, 상기 복수의 초음파 진동자 중 일부 또는 전부를 포함하는 물 판정용 초음파 진동자군으로부터 상기 용접 강관의 외표면에 대하여 대략 수직으로 물 판정용 초음파 빔을 또한 송신하고, 상기 수신 수단은, 반사된 상기 물 판정용 초음파 빔을 상기 물 판정용 초음파 진동자군을 통하여 또한 수신하고, 상기 수신 수단으로 수신한 상기 물 판정용 초음파 빔에 기초하여, 상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이가 물로 채워져 있는지 여부를 판정하는 물 판정 수단을 더 포함하는 제1 또는 제2의 관점에 의한 결함 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 제4 관점에 의하면, 상기 송신 수단은, 상기 물 판정 수단에서 상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이가 물로 채워져 있다고 판정된 경우, 상기 탐상용 초음파 진동자군으로부터 상기 탐상용 초음파 빔을 송신하는 제3 관점에 의한 결함 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 제5 관점에 의하면, 상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이에 상기 페이즈드 어레이 탐촉자에 대응하여 설치되고, 상기 탐상용 초음파 빔을 상기 관축 방향에 집속시키기 위한 집속 렌즈를 더 포함하는 제1 내지 제4 중 어느 하나의 관점에 의한 결함 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 제6 관점에 의하면, 상기 용접 강관의 관 두께와, 상기 용접면에서의 상기 탐상용 초음파 빔의 유효 빔 직경에 기초하여, 상기 용접면에서의 상기 관 두께의 방향 영역의 구분수(N)를 설정하는 설정 수단과, 상기 설정 수단에 의해 설정된 구분수(N)에 따라서 상기 탐상용 초음파 진동자군에 포함되는 복수의 초음파 진동자를 N개의 군으로 분할하는 분할 수단을 더 포함하고, 상기 송신 수단은, 상기 용접면의 구분된 각 영역에 순차 탐상용 초음파 빔이 입사되도록, 상기 분할 수단에 의해 분할된 각 군으로부터 순차 탐상용 초음파 빔을 송신하는 제1 내지 제4 중 어느 하나의 관점에 의한 결함 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 제7 관점에 의하면, 상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이에 상기 페이즈드 어레이 탐촉자에 대응하여 설치되고, 상기 탐상용 초음파 빔을 상기 관축 방향에 집속시키기 위한 집속 렌즈를 더 포함하고, 상기 집속 렌즈는, 상기 관축 방향에 따른 곡면의 곡률 반경이, 상기 복수의 초음파 진동자의 배열 방향을 따라서 변화하고 있고, 상기 페이즈드 어레이 탐촉자부터 상기 용접면에 이르기까지의 상기 탐상용 초음파 빔의 전파 거리가 커지는 방향을 향하여 상기 곡률 반경이 커지고 있는 제6 관점에 의한 결함 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 제8 관점에 의하면, 상기 용접 강관의 관 두께와, 상기 용접면에서의 상기 탐상용 초음파 빔의 유효 빔 직경에 기초하여, 상기 용접면에서의 상기 관 두께의 방향의 구분수(N)를 설정하는 설정 수단을 더 갖고, 상기 송신 수단은, 상기 용접면의 구분된 각 영역에 상기 탐상용 초음파 빔이 순차 입사되도록, 상기 복수의 초음파 진동자의 일부를 포함하는 단일의 탐상용 초음파 진동자군으로부터 송신 방향을 순차 전환하여 상기 탐상용 초음파 빔을 송신하는 제1 내지 제5 중 어느 하나의 관점에 의한 결함 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 제9 관점에 의하면, 상기 용접 강관의 관 두께와, 상기 용접면에서의 상기 탐상용 초음파 빔의 유효 빔 직경에 기초하여, 상기 용접면에서의 상기 관 두께의 방향 구분수(N)를 설정하는 설정 수단을 더 갖고, 상기 송신 수단은, 상기 용접면의 구분된 각 영역에 상기 탐상용 초음파 빔이 순차 입사되도록, 상기 복수의 초음파 진동자의 전부를 포함하는 탐상용 초음파 진동자군으로부터 송신 방향을 순차 전환하여 상기 탐상용 초음파 빔을 송신함과 함께, 상기 복수의 초음파 진동자의 일부를 포함하는 물 판정용 초음파 진동자군으로부터, 상기 용접 강관의 외표면에 대하여 상기 물 판정용 초음파 빔을 송신하는 제3 또는 제4의 관점에 의한 결함 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 제10 관점에 의하면, 상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이에 상기 페이즈드 어레이 탐촉자에 대응하여 설치되고, 상기 탐상용 초음파 빔을 상기 관축 방향에 집속시키기 위한 집속 렌즈를 더 포함하는 제9 관점에 의한 결함 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 제11 관점에 의하면, 상기 설정 수단은, 상기 용접 강관의 관 두께를 상기 용접면에서의 상기 탐상용 초음파 빔의 유효 빔 직경으로 나눈 값에 대하여 소수점 첫째자리 이하를 올린 값을, 상기 구분수(N)로서 설정하는 제6 내지 제10 중 어느 하나의 관점에 의한 결함 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 제12 관점에 의하면, 상기 유효 빔 직경은, 상기 탐상용 초음파 빔의 진동에 의한 상기 용접 강관의 내부 변위의 최대값을 1로 한 경우, 당해 변위가 0.5 이상이 되는 범위에 대응하고 있는 제6 내지 제11 중 어느 하나의 관점에 의한 결함 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 제13 관점에 의하면, 용접 강관의 외표면의 외측에 설치되고, 복수의 초음파 진동자가 배열된 페이즈드 어레이 탐촉자를 사용하여, 상기 용접 강관의 관축 방향을 따라 형성된 용접면에 존재하는 결함을 검출하는 결함 검출 장치에 의한 결함 검출 방법이며, 상기 복수의 초음파 진동자 중 일부 또는 전부를 포함하는 탐상용 초음파 진동자군으로부터, 상기 용접 강관의 외표면으로부터 상기 용접 강관 내에 입사된 탐상용 초음파 빔이 상기 용접 강관의 내표면에서 반사되지 않고 상기 용접면에 대하여 대략 수직으로 직접 입사하고 또한 상기 용접면에 집속하도록, 상기 탐상용 초음파 빔을 송신하는 제1 송신 스텝과, 반사된 상기 탐상용 초음파 빔을 상기 탐상용 초음파 진동자군을 통하여 수신하는 제1 수신 스텝과, 상기 제1 수신 스텝에서 수신한 상기 탐상용 초음파 빔에 기초하여, 상기 용접면에 결함이 존재하는지 여부를 판정하는 결함 판정 스텝을 포함하는 결함 검출 방법이 제공된다.
본 발명의 제14 관점에 의하면, 상기 용접 강관은, 관 직경이 5인치 이하, 관 두께가 7.5mm 이하인 소직경의 전봉강관인 제13 관점에 의한 결함 검출 방법이 제공된다.
본 발명의 제15 관점에 의하면, 상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이에는, 상기 탐상용 초음파 빔이 전파하는 매체로서 물이 존재하고 있고, 상기 복수의 초음파 진동자 중 일부 또는 전부를 포함하는 물 판정용 초음파 진동자군으로부터 상기 용접 강관의 외표면에 대하여 대략 수직으로 물 판정용 초음파 빔을 송신하는 제2 송신 스텝과, 반사된 상기 물 판정용 초음파 빔을 상기 물 판정용 초음파 진동자군을 통하여 수신하는 제2 수신 스텝과, 상기 제2 수신 스텝에서 수신한 상기 물 판정용 초음파 빔에 기초하여, 상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이가 물로 채워져 있는지 여부를 판정하는 물 판정 스텝을 더 포함하는 제13 또는 제14의 관점에 의한 결함 검출 방법이 제공된다.
본 발명의 제16 관점에 의하면, 용접 강관의 외표면의 외측에 설치되고, 복수의 초음파 진동자가 배열된 페이즈드 어레이 탐촉자를 사용하여, 상기 용접 강관의 관축 방향을 따라 형성된 용접면에 존재하는 결함을 검출하는 결함 검출 장치에 의한 결함 검출 방법을 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램이며, 상기 복수의 초음파 진동자 중 일부 또는 전부를 포함하는 탐상용 초음파 진동자군으로부터, 상기 용접 강관의 외표면으로부터 상기 용접 강관 내에 입사된 탐상용 초음파 빔이 상기 용접 강관의 내표면에서 반사되지 않고 상기 용접면에 대하여 대략 수직으로 직접 입사하고 또한 상기 용접면에 집속하도록, 상기 탐상용 초음파 빔을 송신하는 제1 송신 스텝과, 반사된 상기 탐상용 초음파 빔을 상기 탐상용 초음파 진동자군을 통하여 수신하는 제1 수신 스텝과, 상기 제1 수신 스텝에서 수신한 상기 탐상용 초음파 빔에 기초하여, 상기 용접면에 결함이 존재하는지 여부를 판정하는 결함 판정 스텝을 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램이 제공된다.
본 발명의 제17 관점에 의하면, 상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이에는, 상기 탐상용 초음파 빔이 전파하는 매체로서 물이 존재하고 있고, 상기 복수의 초음파 진동자 중 일부 또는 전부를 포함하는 물 판정용 초음파 진동자군으로부터 상기 용접 강관의 외표면에 대하여 대략 수직으로 물 판정용 초음파 빔을 송신하는 제2 송신 스텝과, 반사된 상기 물 판정용 초음파 빔을 상기 물 판정용 초음파 진동자군을 통하여 수신하는 제2 수신 스텝과, 상기 제2 수신 스텝에서 수신한 상기 물 판정용 초음파 빔에 기초하여, 상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이가 물로 채워져 있는지 여부를 판정하는 물 판정 스텝을 또한 컴퓨터에 실행시키는 제16 관점에 의한 프로그램이 제공된다.
본 발명의 제18 관점에 의하면, 제16 또는 제17의 관점에 의한 프로그램을 기억한 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체가 제공된다.
본 발명에 따르면, 미소 결함의 검출도 가능하고, 또한, 비교적 두께가 얇은 소직경의 용접 강관이어도 결함의 검출 정밀도의 향상을 실현할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 결함 검출 장치의 개략 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 도 1에 도시하는 탐상용 초음파 빔의 송수신의 일례를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 도 1에 도시하는 음향 렌즈의 일례를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 도 1에 도시하는 페이즈드 어레이 탐촉자의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 도 4에 도시하는 페이즈드 어레이 탐촉자의 개구 직경과 결함 검출에 관한 SN비의 상관의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 시뮬레이션에 사용한 전봉강관의 단면도이다.
도 7a는, 비교예 1의 탐상 방법에서의 시뮬레이션 모델의 개요도이다.
도 7b는, 본 발명의 탐상 방법에서의 시뮬레이션 모델의 개요도이다.
도 7c는, 비교예 2의 탐상 방법에서의 시뮬레이션 모델의 개요도이다.
도 7d는, 비교예 3의 탐상 방법에서의 시뮬레이션 모델의 개요도이다.
도 8은, 도 7a 내지 도 7d에 나타내는 본 발명의 탐상 방법과 비교예의 탐상 방법의 각 탐상 방법에서의 시뮬레이션 모델에 의한 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 9a는, 본 발명의 제1 실시 형태를 나타내고, 탐상용 초음파 빔의 초점에서의 유효 빔 직경의 해석 모델을 도시하는 도면이다.
도 9b는, 본 발명의 제1 실시 형태를 나타내고, 탐상용 초음파 빔의 초점에서의 유효 빔계의 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은, 본 발명의 제1 실시 형태에서의 페이즈드 어레이 탐촉자의 개략 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 11은, 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 커플링 체크를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는, 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 반사된 커플링 체크용 초음파 빔의 수신 파형의 일례를 나타내는 도면이다.
도 13은, 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 도 1 및 도 3에 도시하는 음향 렌즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는, 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 도 1 및 도 3에 도시하는 음향 렌즈의 곡률 반경과 페이즈드 어레이 탐촉자의 어레이 길이(어레이 위치)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 결함 검출 장치에 의한 결함 검출 방법의 처리 수순의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 16a는, 본 발명의 제1 실시 형태를 나타내고, 반사된 탐상용 초음파 빔의 수신 파형의 일례를 나타내는 도면이다.
도 16b는, 본 발명의 제1 실시 형태를 나타내고, 반사된 탐상용 초음파 빔의 수신 파형의 일례를 나타내는 도면이다.
도 17은, 본 발명의 제1 실시 형태를 나타내고, 2차원 맵의 일례를 도시하는 도면이다.
도 18a는, 일반적인 전봉강관의 제조 방법의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 18b는, 일반적인 전봉강관의 제조 방법의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 19는, 종래의 사각 탐상법의 일례를 도시하는 모식도이다.
이하에, 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용(실시 형태)에 대하여 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 결함 검출 장치(100)의 개략 구성의 일례를 도시하는 도면이다. 이 결함 검출 장치(100)는, 용접 강관의 1종인 전봉강관(200)의 관축 방향(도 18b의 220)을 따라 형성된 용접부(210)(용접면)에 포함되는 결함을 검출하기 위한 장치이다. 또한, 도 1에는, 도 18b에 도시한 전봉강관(200)의 단면(보다 상세하게는, 전봉강관(200)의 단면 중 용접부(210) 부근)이 도시되어 있다.
본 실시 형태에 관한 결함 검출 장치(100)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 음향 렌즈(110)와, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)와, 제어 처리 장치(140)를 포함하고 있다. 또한, 제어 처리 장치(140)는, 피검체 조건 입력부(141)와, 송수신 조건 설정부(142)와, 송수신 제어부(143)와, 송신부(144)와, 수신부(145)와, 수신 신호 처리부(146)와, 결함 판정부(147)와, 물 판정부(148)와, 기록·표시부(149)를 포함하고 있다.
음향 렌즈(110)는, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)와 전봉강관(200)의 외표면(200G)의 사이에 페이즈드 어레이 탐촉자(120)에 대응하여 설치되어 있다. 음향 렌즈(110)는, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)로부터 출력되는 탐상용 초음파 빔(131)을 상기 관축 방향에 집속시키게 하기 위한 집속 렌즈이다. 여기서, 탐상용 초음파 빔(131)은, 전봉강관(200)의 용접부(210)에 결함이 존재할 경우, 당해 결함을 검출하기 위하여 송신되는 것이다.
페이즈드 어레이 탐촉자(120)는, 전봉강관(200)의 외표면(200G)의 외측에 설치되고, 복수의 초음파 진동자(121)가 배열되어 형성되어 있다. 본 실시 형태에서의 페이즈드 어레이 탐촉자(120)에는, 탐상용 초음파 빔(131)을 출력하는 탐상용 초음파 진동자군과, 커플링 체크용 초음파 빔(물 판정용 초음파 빔)(132)을 출력하는 커플링 체크용 초음파 진동자군(물 판정용 초음파 진동자군)이 서로 상이한 초음파 진동자에 의해 구성되어 있다. 즉, 본 실시 형태의 경우, 탐상용 초음파 진동자군은, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)에 배열된 복수의 초음파 진동자(121) 중 일부의 복수의 초음파 진동자로 구성되고, 커플링 체크용 초음파 진동자군은, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)에 배열된 복수의 초음파 진동자(121) 중 일부의 복수의 초음파 진동자이며 탐상용 초음파 진동자군을 구성하는 복수의 초음파 진동자와는 상이한 초음파 진동자로 구성되어 있다.
페이즈드 어레이 탐촉자(120)(엄밀하게 말하면 음향 렌즈(110))와 전봉강관(200)의 외표면(200G)의 사이에는, 탐상용 초음파 빔(131)을 효율적으로 전파시키기 위한 매체로서 물이 존재하고 있다. 커플링 체크란, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)(음향 렌즈(110))와 전봉강관(200)의 외표면(200G)의 사이가 공기 등 없이 물로 채워져 있어서 탐상용 초음파 빔(131)의 송수신을 정상적으로 행할 수 있는 환경인지를 확인하기 위한 처리이다.
피검체 조건 입력부(141)는, 피검체인 전봉강관(200)의 조건(피검체 조건)을 입력하는 처리를 행한다. 예를 들어, 피검체 조건 입력부(141)는, 유저에 의해 조작 입력된 피검체 조건을 제어 처리 장치(140) 내에 입력하는 처리를 행한다. 여기서, 피검체 조건으로서는, 예를 들어 전봉강관(200)의 외경이나 관 두께, 관축 방향(220)의 길이, 조관 속도 등을 들 수 있다.
송수신 조건 설정부(142)는, 피검체 조건 입력부(141)에 의해 입력된 피검체 조건에 기초하여 송수신 조건을 설정하는 처리를 행한다. 여기서, 송수신 조건으로서는, 예를 들어 탐상용 초음파 빔(131)이나 커플링 체크용 초음파 빔(132)의 송수신 타이밍이나, 이들 초음파 빔의 송신 주파수, 이들 초음파 빔의 송수신에 사용하는 초음파 진동자(121)(이후, 필요에 따라 「채널(ch)」이라고 칭함), 탐상용 초음파 빔(131)이 용접부(210)(용접면)에서 집속하도록 탐상용 초음파 진동자군의 각 채널의 송신 타이밍의 지연 시간 등을 들 수 있다.
송수신 제어부(143)는, 송수신 조건 설정부(142)에서 설정된 송수신 조건에 기초하여 송신부(144) 및 수신부(145)를 제어한다.
송신부(144)는, 송수신 제어부(143)에 의한 제어에 기초하여, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 탐상용 초음파 진동자군으로부터 탐상용 초음파 빔(131)을 송신하고, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 커플링 체크용 초음파 진동자군으로부터 커플링 체크용 초음파 빔(132)을 송신하는 처리를 행한다. 구체적으로, 송신부(144)는, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 탐상용 초음파 진동자군으로부터 전봉강관(200)의 외표면(200G)을 향하여 경사각으로 탐상용 초음파 빔(131)을 출력하고, 전봉강관(200)의 외표면(200G)으로부터 입사된 당해 탐상용 초음파 빔(131)이 전봉강관(200)의 내표면(200N)에서 반사되지 않고 용접부(210)(용접면)에 대하여 대략 수직으로 직접 입사하고 또한 용접면에 집속하도록(용접면에서 초점을 형성하도록) 탐상용 초음파 빔(131)을 송신한다. 또한, 송신부(144)는, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 커플링 체크용 초음파 진동자군으로부터 전봉강관(200)의 외표면(200G)에 대하여 대략 수직으로 커플링 체크용 초음파 빔(132)을 송신한다.
수신부(145)는, 송수신 제어부(143)에 의한 제어에 기초하여, 반사된 탐상용 초음파 빔(131)을 탐상용 초음파 진동자군을 통하여 수신하고, 또한, 반사된 커플링 체크용 초음파 빔(132)을 커플링 체크용 초음파 진동자군을 통하여 수신하는 처리를 행한다.
수신 신호 처리부(146)는, 수신부(145)에서 수신한 초음파 빔(수신 신호)을 처리한다.
결함 판정부(147)는, 수신부(145)에서 수신한 탐상용 초음파 빔(131)에 기초하여, 전봉강관(200)의 용접부(210)에 결함이 존재하는지 여부를 판정하는 처리를 행한다. 또한, 결함 판정부(147)는, 용접부(210)에 결함이 존재할 경우, 그 위치나 크기를 판정하는 처리도 행한다.
물 판정부(148)는, 수신부(145)에서 수신한 커플링 체크용 초음파 빔(132)에 기초하여, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)(엄밀하게 말하면 음향 렌즈(110))와 전봉강관(200)의 외표면(200G)의 사이가 공기 등 없이 물로 채워져 있는지 여부를 판정하는 처리를 행한다.
기록·표시부(149)는, 수신 신호 처리부(146)에 의한 처리의 결과나 결함 판정부(147) 및 물 판정부(148)에 의한 판정 결과를 기록하거나 표시하거나 하는 처리를 행한다. 또한, 기록·표시부(149)는, 필요에 따라, 각종 데이터나 각종 정보를 기록하거나 표시하거나 하는 처리를 행한다.
또한, 송신부(144)는, 커플링 체크의 결과, 커플링에 문제가 없었던 경우(즉, 물 판정부(148)에서 페이즈드 어레이 탐촉자(120)(엄밀하게 말하면 음향 렌즈(110))와 전봉강관(200)의 외표면(200G)의 사이가 물로 채워져 있다고 판정된 경우), 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 탐상용 초음파 진동자군으로부터 탐상용 초음파 빔(131)을 송신하는 처리를 행한다.
이어서, 탐상용 초음파 빔(131)의 송수신에 대하여 설명한다. 도 2는, 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 도 1에 도시하는 탐상용 초음파 빔(131)의 송수신의 일례를 도시하는 도면이다. 여기서, 도 2에서는, 도 1에 도시하는 전봉강관(200)과 페이즈드 어레이 탐촉자(120)만을 도시하고 있다.
본 실시 형태에서는, 탐상용 초음파 빔(131)을 출력하는 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 탐상용 초음파 진동자군은, 복수의 초음파 진동자(121)로 구성되어 있다. 그리고, 본 실시 형태에서는, 탐상용 초음파 진동자군으로부터 탐상용 초음파 빔(131)을 송신하여, 이 탐상용 초음파 빔(131)을 전봉강관(200)의 외표면(200G)에서의 입사 방향에 대하여 약 70° 굴절시켜서, 전봉강관(200)의 내표면(200N)에서 반사시키지 않고 직접 용접부(210)(용접면)에 대략 수직으로 조사한다. 이후, 이러한 탐상용 초음파 빔(131)에 의한 탐상 방법을 「70° 탐상법」이라고 칭하기로 하자.
또한, 본 실시 형태에서는, 용접부(210)(용접면)에 존재하는 결함(211)의 검출 감도를 향상시키는 것을 목적으로, 용접부(210)(용접면)에 대략 수직으로 집속 빔을 입사시키도록 하고 있다. 이것은, 집속 빔을 용접부(210)(용접면)에 대하여 대략 수직으로 입사시킴으로써, 다중 반사에 의한 초음파 에너지의 손실을 발생시키지 않고 정반사 방향에서 결함(211)으로부터의 반사 초음파 빔을 직접 수신하는 것이 가능한 것에 의한 것이다. 또한, 통상의 단일 집속 탐촉자를 사용함으로써 어느 정도의 집속 빔을 형성하는 것은 가능하지만, 전봉강관(200)의 곡률 영향으로 인해 전봉강관(200) 내의 겨냥한 위치에 빔을 양호하게 집속시키는 것은 곤란하다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 전봉강관(200)의 곡률 영향을 받지 않고 전봉강관(200) 내의 겨냥한 위치에 빔을 양호하게 집속시키기 위해서, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)를 채용하기로 하였다. 페이즈드 어레이 탐촉자(120)를 채용하면, 탐상용 초음파 진동자군의 선택이나 각 초음파 진동자에 의한 초음파 송신의 지연 시간 제어에 의해, 전봉강관(200)의 곡률을 고려한 집속 빔을 형성할 수 있으므로, 단일 집속 탐촉자보다도 더 높은 결함 검출 성능을 실현할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 도 1에 도시하는 음향 렌즈(110)의 일례를 도시하는 도면이다. 이 음향 렌즈(110)는, 상술한 바와 같이, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)와 전봉강관(200)의 외표면(200G)의 사이에 페이즈드 어레이 탐촉자(120)에 대응하여 설치되어 있다. 음향 렌즈(110)는, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)로부터 출력되는 탐상용 초음파 빔(131)을 전봉강관(200)의 관축 방향(220)에 집속시킨다. 이와 같이, 음향 렌즈(110)를 설치함으로써, 탐상용 초음파 빔(131)을, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)에 의한 전봉강관(200)의 관 두께 방향에 집속시킬 수 있을뿐만 아니라, 전봉강관(200)의 관축 방향(220)에도 집속시키는 것이 가능하다.
<2차원 시뮬레이션에 의한 평가>
이어서, 2차원 시뮬레이션(유한 요소법)에 의한 평가 결과에 대하여 설명한다. 이하의 표 1에 시뮬레이션의 조건을 나타낸다.
Figure pct00001
먼저, 최적의 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 해석을 행하였다. 이 때, 전봉강관(200)의 관 두께를 3.4mm, 외경을 101.6mm로 하고, 용접부의 깊이 방향의 중앙부에 설정한 결함 사이즈를 높이 0.2mm, 폭 0.1mm로 하였다.
도 4는, 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 도 1에 도시하는 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 개략도이다. 또한, 도 5는, 본 발명의 제1 실시 형태를 나타내고, 도 4에 도시하는 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 개구 직경과 결함 검출에 관한 SN비의 상관의 일례를 나타내는 도면이다.
금회의 해석에서는, 송신하는 초음파의 주파수를 5MHz와 10MHz로 하고, 각 초음파 진동자(121)의 폭(도 4의 엘리먼트 폭(e)), 인접하는 초음파 진동자(121)의 간격(도 4의 피치(p))을 변화시켜, 관 두께 방향의 0.2mm의 미소 결함에서의 신호와 노이즈의 비(SN비)를 비교하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다. 이 때, SN비는, 신호를 결함으로부터의 초음파의 최대 진폭의 크기로 하고, 노이즈를 결함으로부터의 초음파의 직전 초음파 진폭의 크기로 하여, 이들 비로 정의하였다.
해석의 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, 송신하는 초음파의 주파수가 5MHz이고, 초음파 진동자(121)의 피치(p)가 0.5mm, 개구 직경이 8mm일 때, SN비가 200에서 최대가 되는 결과가 되었다. 이 SN비가 최대가 될 때의 초음파 진동자(121)의 소자수(채널수)는, 도 4에 도시한 바와 같이 개구 직경≒피치×소자수라고 나타낼 수 있는 점에서, 16소자(16ch)이다. 본 실시 형태에서는, 이 SN비가 최대가 되는 사양을 페이즈드 어레이 탐촉자(120)에 채용한다.
이어서, 시뮬레이션 해석에 의해, 본 발명에서의 탐상 방법과 다른 탐상 방법의 비교를 행하였다.
도 6은, 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 시뮬레이션에 사용한 전봉강관(200)의 단면도이다. 도 6에 도시하는 전봉강관(200)에서는, 관 두께를 3.4mm로 하고, 용접부(210)에 3개의 결함(211G, 211C, 211N)을 설치하도록 하였다. 구체적으로는, 전봉강관(200)의 외표면(200G)으로부터 깊이 0.2mm 내지 0.4mm에 걸치는 두께 0.2mm의 외표면 부근 결함(211G)과, 전봉강관(200)의 중앙부를 중심으로 두께 0.2mm의 중앙부 부근 결함(211C)과, 전봉강관(200)의 내표면(200N)으로부터 깊이 0.2mm 내지 0.4mm에 걸치는 두께 0.2mm의 내표면 부근 결함(211N)을 설치하였다.
도 7a 내지 도 7d는, 본 발명의 탐상 방법과 비교예의 탐상 방법의 각 탐상 방법에서의 시뮬레이션 모델의 개요도이다. 도 7a에, 초음파 탐촉자가 단일 집속 탐촉자로 70° 탐상법에 의한 비교예 1의 모델 개요도를 도시하고, 도 7b에, 초음파 탐촉자가 어레이 탐촉자로 70° 탐상법에 의한 본 발명의 모델 개요도를 도시하고, 도 7c에, 초음파 탐촉자가 어레이 탐촉자로 도 19에 도시하는 종래의 사각 탐상법에 의한 비교예 2의 모델 개요도를 도시하고, 도 7d에, 초음파 탐촉자가 어레이 탐촉자로 일본 특허 제4544240호 공보에 개시되는 탠덤 탐상법에 의한 비교예 3의 모델 개요도를 도시하고 있다.
구체적으로, 도 7a 내지 도 7d에 도시하는 각 초음파 탐촉자의 사양은 이하대로 하였다. 도 7a에 도시하는 단일 집속 탐촉자는, 주파수가 5MHz, 진동자 직경 13mm, 초점 거리 51mm인 것을 사용하였다. 도 7b 및 도 7c에 도시하는 어레이 탐촉자는, 주파수가 5MHz, 피치(p)가 0.5mm, 엘리먼트 폭(e)이 0.4mm, 소자수가 16개(16ch)인 것을 사용하였다. 즉, 도 5에 나타내는 상관도에서 SN비가 최대(200)가 되는 조건인 것을 사용하였다. 도 7d에 도시하는 어레이 탐촉자는, 주파수가 5MHz, 피치(p)가 0.5mm, 엘리먼트 폭(e)이 0.4mm, 소자수가 64개(64ch)인 것을 사용하였다. 이 때, 도 7d에 도시한 바와 같이, 송신 소자수를 20개(20ch), 수신 소자수를 24개(24ch)로 하였다.
또한, 도 7a 내지 도 7d에 도시하는 각 탐상법은 이하대로 하였다. 도 7a 및 도 7b에 도시하는 70° 탐상법에서는, 물 거리, 초음파의 입사점 및 용접부(210)의 위치를 고정하여, 도 6에 도시하는 깊이가 상이한 3개의 결함(211G, 211C, 211N)에 대하여 각각 초음파 빔이 수직으로 조사되도록 하였다. 정확하게는, 외표면 부근 결함(211G)와 내표면 부근 결함(211N)에는 초음파 빔이 수직으로 조사되고 있지 않지만, 전봉강관(200)의 관 두께가 3.4mm로 얇으므로 대략 수직으로서 근사하였다. 또한, 초음파 빔의 초점은, 계산상, 용접부(210)에 집속하도록 설정하였다. 도 7c에 도시하는 종래 사각 탐상법에서는, 물 거리, 초음파의 입사점 및 용접부(210)의 위치를 70° 탐상법과 동일한 설정으로 고정하여, 외표면 부근 결함(211G) 및 중앙부 부근 결함(211C)에 대하여 초음파 빔을 내표면(200N)에서 1회 반사시켜서 입사하는 1회 반사법으로 하였다. 또한, 내표면 부근 결함(211N)에 대해서는, 70° 탐상법과 대략 동일한 목적이 되므로, 생략하고 있다. 도 7d에 도시하는 탠덤 탐상법에서는, 일본 특허 제4544240호 공보에 기재된 방식에 따라서 모델을 제작하였다. 구체적으로는, 도 7d에 도시한 바와 같이, 초음파 빔의 굴절 각을 45°, 물 거리 22.6mm(어레이 탐촉자 중심축), 송신 소자수 20ch, 수신 소자수 24ch로 하고, 중앙부 부근 결함(211C)에 대한 해석만 행하였다.
도 8은, 도 7a 내지 도 7d에 도시하는 본 발명의 탐상 방법과 비교예의 탐상 방법의 각 탐상 방법에서의 시뮬레이션 모델에 의한 해석 결과를 나타내는 도면이다. 도 8에는, 좌측부터, 순서대로, 도 7a에 도시하는 비교예 1의 모델 해석 결과, 도 7b에 도시하는 본 발명의 모델 해석 결과, 도 7c에 도시하는 비교예 2의 모델 해석 결과, 도 7d에 도시하는 비교예 3의 모델 해석 결과가 나타나 있다. 또한, 도 8에서는, 외표면 부근 결함(211G)을 겨냥한 초음파 빔의 수신 파형을 「외표면 부근」의 란에 나타내고, 중앙부 부근 결함(211C)을 겨냥한 초음파 빔의 수신 파형을 「중앙부 부근」의 란에 나타내고, 내표면 부근 결함(211N)을 겨냥한 초음파 빔의 수신 파형을 「내표면 부근」의 란에 나타내고 있다.
또한, 도 8에 나타내는 수신 파형에 있어서, S1은 전봉강관(200)의 외표면(200G)으로부터의 반사 초음파를 나타내고, F1은 각 결함으로부터의 반사 초음파를 나타내고 있다. 즉, 용접부(210)(용접면)에 결함이 존재하지 않으면, F1은 검출되지 않게 된다. 또한, S/N(SN비)은, 상술한 바와 같이, 신호를 결함으로부터의 초음파(F1)의 최대 진폭의 크기로 하고, 노이즈를 결함으로부터의 초음파의 직전의 초음파 진폭의 크기로 하여, 이들 비로 정의한 것이다.
도 8에 나타내는 S/N(SN비)로 비교하면, 종합적으로, 본 발명의 모델에 의한 탐상 방법(어레이 탐촉자에 의한 70° 탐상법)이 좋은 것을 확인할 수 있었다.
이어서, 전봉강관(200)의 관 두께 방향의 초음파 주사 횟수를 결정하기 위해서, 초음파 빔의 초점에서의 유효 빔 직경의 해석을 행하였다.
도 9a 및 도 9b는, 본 발명의 제1 실시 형태를 나타내고, 탐상용 초음파 빔(131)의 초점에서의 유효 빔 직경의 해석 모델 및 그 해석 결과를 나타내는 도면이다. 이 해석에서는, 두께 3.4mm의 용접부(210)(용접면)에 결함(211)을 설치하지 않고, 도 9a에 도시한 바와 같이 용접부(210)(용접면)의 두께 방향에 파형 취득 포인트를 설정하여, 탐상용 초음파 빔(131)의 진동에 의한 전봉강관(200)의 내부의 변위 분포를 판독하고, -6dB 폭을 구하였다. 이 때, 도 9a에 도시한 바와 같이, 탐상용 초음파 빔(131)의 겨냥은 용접부(210)(용접면)의 두께 방향의 중앙으로 하고, 또한, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 사양은, 주파수가 5MHz, 피치(p)가 0.5mm, 소자수가 16소자(16ch)로 하였다. 이 경우의 해석 결과를 도 9b에 나타내었다.
도 9b에 나타낸 바와 같이, 탐상용 초음파 빔(131)의 진동에 의한 전봉강관(200)의 내부 변위의 최대값을 1로 하고, 변위가 0.5가 되는 -6dB 폭(즉, 당해 변위가 0.5 이상이 되는 범위)으로서 정의되는 유효 빔 직경이 1.6mm가 되는 결과를 얻을 수 있었다. 이 결과로부터, 예를 들어 전봉강관(200)의 관 두께가 3.4mm인 경우, 정밀도가 좋은 초음파 탐상을 행하기 위해서는, 관 두께 방향에, 초음파 빔을 적어도 3회 주사할 필요가 있는 것을 알 수 있었다. 여기서, 본 실시 형태에 있어서는, 송수신 조건 설정부(142)에 있어서, 용접 강관(200)의 관 두께(용접부(210)의 두께)와, 용접부(210)(용접면)에서의 탐상용 초음파 빔(131)의 유효 빔 직경에 기초하여, 용접부(210)(용접면)에서의 관 두께 방향의 영역을 N개(N은 1 이상의 정수)로 구분하는 구분수(N)를 설정한다. 이 구분수(N)는, 상술한 주사 횟수에 해당한다. 본 예의 경우, 송수신 조건 설정부(142)는, 용접 강관(200)의 관 두께인 3.4mm를 유효 빔 직경인 1.6mm로 나눈 값인 2.125에 대하여 소수점 첫째자리 이하를 올려서, 상기 구분수(N)로서 「3」을 설정한다. 그리고, 본 실시 형태에서는, 용접부(210)(용접면)에서의 관 두께의 방향 영역에 대하여, 외주면(200G)측부터 오름차순으로 제1 내지 제N의 영역(본 예에서는, 제1 내지 제3의 영역)을 정의한다. 이 때, 본 실시 형태에서는, 용접부(210)(용접면)에서의 관 두께의 방향 영역을 N등분하여, 제1 내지 제N의 영역(본 예에서는, 제1 내지 제3의 영역)을 설정한다.
이상의 시뮬레이션 해석의 결과를 근거로 하여, 본 실시 형태에서의 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 설정을 행하였다. 도 10은, 본 발명의 제1 실시 형태에서의 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 개략 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
제1 실시 형태에서의 페이즈드 어레이 탐촉자(120)는, 커플링 체크용 초음파 빔(132)을 송신하기 위한 커플링 체크용 초음파 진동자군(122)과, 전봉강관(200)의 용접부(210)(용접면)의 내표면(200N) 부근(즉, 제3 영역(제N 영역))에 내표면 부근 탐상용 초음파 빔(제3 탐상용 초음파 빔(제N 탐상용 초음파 빔))(131N)을 송신하기 위한 내표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(제3 탐상용 초음파 진동자군(제N 탐상용 초음파 진동자군))(123)과, 전봉강관(200)의 용접부(210)(용접면)의 관 두께의 중앙부 부근(즉, 제2 영역)에 중앙부 부근 탐상용 초음파 빔(제2 탐상용 초음파 빔)(131C)을 송신하기 위한 중앙부 부근 탐상용 초음파 진동자군(제2 탐상용 초음파 진동자군)(124)과, 전봉강관(200)의 용접부(210)(용접면)의 외표면(200G) 부근(즉, 제1 영역)에 외표면 부근 탐상용 초음파 빔(제1 탐상용 초음파 빔)(131G)을 송신하기 위한 외표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(제1 탐상용 초음파 진동자군)(125)이 서로 상이한 초음파 진동자에 의해 구성된다. 즉, 제1 실시 형태에서의 페이즈드 어레이 탐촉자(120)에 있어서, 탐상용 초음파 진동자군은, 용접부(210)(용접면)의 상기 N개(본 예에서는 3개)의 구분수에 따라서 구분(분할)된 탐상용 초음파 진동자군(내표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(123), 중앙부 부근 탐상용 초음파 진동자군(124) 및 외표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(125))에 의해 구성된다. 본 실시 형태에서는, 예를 들어 커플링 체크용 초음파 진동자군(122)의 초음파 진동자(121)의 소자수를 4소자(4ch), 각 탐상용 초음파 진동자군(123 내지 125)의 초음파 진동자(121)의 소자수를 각각 16소자(16ch)로 하고, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)가 적어도 52소자(52ch)로 이루어지는 것으로 한다.
또한, 도 10에 도시하는 예에서는, 초음파 빔의 주사순은, 커플링 체크용 초음파 빔(132), 내표면 부근 탐상용 초음파 빔(131N), 중앙부 부근 탐상용 초음파 빔(131C), 외표면 부근 탐상용 초음파 빔(131G)의 순으로 하고 있지만, 본 발명에서는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 초음파 빔의 주사순은, 커플링 체크용 초음파 빔(132), 외표면 부근 탐상용 초음파 빔(131G), 중앙부 부근 탐상용 초음파 빔(131C), 내표면 부근 탐상용 초음파 빔(131N)의 순서이어도 된다.
본 실시 형태에서는, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)에서 N개(본 예에서는 3개)의 군으로 구분(분할)된 탐상용 초음파 진동자군 중에서 1개씩 선택하여, 각각 초음파 빔의 송수신을 행함으로써, 용접부(210)(용접면)의 관 두께 방향으로 초음파 빔을 주사하고, 용접부(210)(용접면)를 빠짐없이 탐상하도록 하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 단부(도 10의 예에서는 우측 단부)의 수 소자를 이용하여, 전봉강관(200)의 외표면(200G)에 대하여 대략 수직으로 커플링 체크용 초음파 빔(132)을 송신하고, 그 반사 초음파 빔을 검출함으로써 커플링 체크를 행하도록 하고 있다.
이어서, 커플링 체크의 상세에 대하여 설명한다. 도 11은, 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 커플링 체크를 설명하기 위한 도면이다. 상술한 바와 같이, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)(엄밀하게 말하면 음향 렌즈(110))와 전봉강관(200)의 외표면(200G)의 사이에는, 탐상용 초음파 빔(131)을 효율적으로 전파시키기 위한 매체로서 물이 존재하고 있다. 커플링 체크란, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)(음향 렌즈(110))와 전봉강관(200)의 외표면(200G)의 사이가 공기 등 없이 물로 채워져 있어서 탐상용 초음파 빔(131)의 송수신을 정상적으로 행할 수 있는 환경인지를 확인하기 위한 처리이다. 커플링 체크에서는, 커플링 체크용 초음파 진동자군(122)을 통하여 커플링 체크용 초음파 빔(132)을 송수신한다. 도 11에 도시하는 예에서는, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 우측 단부의 4소자(4ch)를 커플링 체크용 초음파 진동자군(122)으로서 사용하고 있다.
도 12는, 본 발명의 제1 실시 형태를 나타내고, 반사된 커플링 체크용 초음파 빔(132)의 수신 파형의 일례를 나타내는 도면이다. 도 12에 나타내는 예에서는, 전봉강관(200)의 외표면(200G)에서 반사된 외표면 에코(S1), 전봉강관(200)의 내표면(200N)에서 반사된 내표면 에코(B1), 당해 내표면 에코(B1) 후에 외표면(200G)과 내표면(200N) 사이에서의 다중 에코(B2, B3, ···)가 검출되어 있다. 예를 들어, 커플링 체크에서는, 외표면 에코(S1) 앞에 반사 에코가 검출되면, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)(엄밀하게 말하면 음향 렌즈(110))와 전봉강관(200)의 외표면(200G)의 사이에 공기 등이 존재하고 있고, 탐상용 초음파 빔(131)의 송수신을 정상적으로 행할 수 있는 환경이 아니라고 판정되게 된다. 반대로, 외표면 에코(S1) 앞에 반사 에코가 검출되지 않으면, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)(엄밀하게 말하면 음향 렌즈(110))와 전봉강관(200)의 외표면(200G)의 사이가 물로 채워져 있어, 탐상용 초음파 빔(131)의 송수신을 정상적으로 행할 수 있는 환경이라고 판정되게 된다. 또한, 커플링 체크에서는, 내표면 에코(B1) 후에 다중 에코(B2, B3, ···)가 검출되므로, 커플링 체크 후에 행하여지는 70° 탐상에서의 탐상용 초음파 빔(131)의 송신은, 커플링 체크용 초음파 빔(132)의 송신 후 어느 정도의 시간을 둘 필요가 있다.
<음향 렌즈(110)의 설계>
이어서, 음향 렌즈(110)의 설계에 대하여 설명한다.
페이즈드 어레이 탐촉자(120)는, 초음파 빔을 전봉강관(200)의 관 두께 방향으로만 집속하는 것이다. 본 실시 형태에서는, 또한, 초음파 빔을 전봉강관(200)의 관축 방향(220)으로도 집속시키기 위해서, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)에 음향 렌즈(110)를 설치하고 있다.
도 13은, 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 도 1 및 도 3에 도시하는 음향 렌즈(110)를 설명하기 위한 도면이다.
음향 렌즈(110)의 관계식은, 이하의 식(1) 내지 식(2)에 나타내는 대로이다.
R=(1-C2/C1)f ···(1)
f=fW+(C3/C2)fS ···(2)
여기서, R은 음향 렌즈(110)의 곡률 반경, f는 수중 초점 거리, C1은 음향 렌즈(110)의 종파 음속, C2는 수중 종파 음속, C3은 강관 내 횡파 음속, fw는 수중 노정, fS는 강관 내 노정이다. 각 파라미터의 구체적인 수치는, 도 13에 나타내는 대로이다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 수중에서는 종파밖에 전파되지 않으므로, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)로부터는 종파의 초음파 빔이 송신된다. 그리고, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)로부터 송신된 종파의 초음파 빔은, 전봉강관(200)의 외표면(200G)에서 입사 방향에 대하여 약 70° 굴절되어 전봉강관(200)의 내부를 전파하므로, 전봉강관(200)의 내부에서는 대략 횡파의 초음파 빔이 전파된다.
도 14는, 본 발명의 제1 실시 형태를 나타내고, 도 1 및 도 3에 도시하는 음향 렌즈(110)의 곡률 반경과 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 어레이 길이(어레이 위치)의 관계를 나타내는 도면이다. 도 14는, 용접부(210)(용접면)의 각 깊이에 대응하는 초음파 빔 중심축과 페이즈드 어레이 탐촉자(120)와 교차하는 점의 음향 렌즈(110)의 곡률 반경을 각각의 초음파 빔 노정으로부터 환산하여 구한 것이다. 단, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 피치(p)를 0.5mm로 하고, 용접부(210)(용접면) 중심에 입사되는 초음파 빔이 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 어레이 중심이 되도록 하고 있다.
여기서, 본 실시 형태의 페이즈드 어레이 탐촉자(120)는, 도 10에 도시한 바와 같이, 커플링 체크용 초음파 진동자군(122)과, 내표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(제3 탐상용 초음파 진동자군(제N 탐상용 초음파 진동자군))(123)과, 중앙부 부근 탐상용 초음파 진동자군(제2 탐상용 초음파 진동자군)(124)과, 외표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(제1 탐상용 초음파 진동자군)(125)을 구비하는 구성을 취한다. 여기서, 도 14에 있어서, 예를 들어 어레이 길이(어레이 위치)가 18.5mm 내지 10.0mm가 도 10에 도시하는 외표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(제1 탐상용 초음파 진동자군)(125)에 상당하고, 어레이 길이(어레이 위치)가 10.0mm 내지 1.5mm가 도 10에 도시하는 중앙부 부근 탐상용 초음파 진동자군(제2 탐상용 초음파 진동자군)(124)에 상당하고, 어레이 길이(어레이 위치)가 1.5mm 내지 -7.0mm가 도 10에 도시하는 내표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(제3 탐상용 초음파 진동자군(제N 탐상용 초음파 진동자군))(123)에 상당한다. 즉, 음향 렌즈(110)는, 그 곡률 반경이, 외표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(제1 탐상용 초음파 진동자군)(125)에 대응하는 구역으로부터 내표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(제3 탐상용 초음파 진동자군(제N 탐상용 초음파 진동자군))(123)에 대응하는 구역을 향함에 따라서 커지고 있다. 바꾸어 말하면, 음향 렌즈(110)는, 관축 방향(220)에 따른 곡면의 곡률 반경이, 복수의 초음파 진동자의 배열 방향을 따라서 변화하고 있고, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)부터 용접부(210)(용접면)에 이르기까지의 탐상용 초음파 빔의 전파 거리가 커지는 방향을 향하여 곡률 반경이 커지고 있다. 본 실시 형태에서는, 음향 렌즈(110)를 이와 같이 설계함으로써, 각 탐상용 초음파 진동자군을 통하여 적합한 탐상용 초음파 빔(131)의 송수신을 가능하게 하고 있다.
<탐상 반복 주파수에 관한 고찰>
이어서, 본 실시 형태에 관한 결함 검출 장치(100)에 있어서, 전봉강관(200)의 관축 방향(220)에 대해서, 빠짐없이 용접부(210)(용접면)의 결함 탐상이 가능한지의 고찰을 행한다.
음향 렌즈(110)에 의한 관축 방향(220)의 초음파 빔의 집속에 의해, 관축 방향에서의 빔 수렴 직경이 일반적인 1mm이라고 한다. 또한, 용접부(210)(용접면)의 탐상 깊이를 전환하여 탐상하는 것을 상정하고, 도 10에 도시한 바와 같이, 탐상용 초음파 빔(131)의 송수신 횟수 3회와, 커플링 체크용 초음파 빔(132)의 송수신 횟수 1회의 합계 4회의 초음파 빔의 송수신을 행하는 것으로 한다.
또한, 전봉강관(200)의 조관 속도를, 일반적인 실제 조업 라인의 전봉강관(200)의 이동 속도인 40m/분 정도로 하면, 이것은 667mm/초이므로, 관축 방향(220)으로 빠짐없이 탐상하기 위해서는, 1초 동안 2668회(4×677)의 초음파 빔의 송수신을 행할 필요가 있다. 따라서, 결함 검출 장치(100)의 탐상 반복 주파수는, 적어도 2668Hz(약 2.7kHz) 필요하다.
한편, 최근의 페이즈드 어레이 탐촉자(120)를 사용한 결함 탐상 장치는, 최대 반복 주파수가 수십kHz이므로, 상기 탐상 반복 주파수(약 2.7kHz)는 충분히 실현 가능하고, 당해 최대 반복 주파수를 본 실시 형태에서의 결함 검출 장치(100)에 채용하면, 전봉강관(200)의 관축 방향(220)으로 빠짐없이 결함 탐상을 행하는 것이 가능하다.
<결함 검출 장치에 의한 처리 수순>
이어서, 본 실시 형태에 관한 결함 검출 장치(100)에 의한 결함 검출 방법의 처리 수순에 대하여 설명한다.
도 15는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 결함 검출 장치(100)에 의한 결함 검출 방법의 처리 수순의 일례를 나타내는 흐름도이다. 이 도 15에 나타내는 흐름도의 설명에 있어서는, 도 1에 도시하는 결함 검출 장치(100)의 구성을 사용하여 설명을 행한다.
먼저, 스텝 S1에 있어서, 피검체 조건 입력부(141)는, 피검체인 전봉강관(200)의 조건(피검체 조건)을 입력하는 처리를 행한다. 예를 들어, 피검체 조건 입력부(141)는, 유저에 의해 조작 입력된 피검체 조건(예를 들어, 전봉강관(200)의 외경이나 관 두께, 관축 방향(220)의 길이, 조관 속도 등)을 제어 처리 장치(140) 내에 입력하는 처리를 행한다. 여기에서는, 전봉강관(200)의 외경으로서 101.6mm(도 13), 전봉강관(200)의 관 두께로서 3.4mm(도 9, 도 13), 전봉강관(200)의 조관 속도로서 40m/분이 입력된 것으로 한다.
계속해서, 스텝 S2에 있어서, 송수신 조건 설정부(142)는, 스텝 S1에서 입력된 피검체 조건에 기초하여 송수신 조건을 설정하는 처리를 행한다. 여기서, 송수신 조건으로서, 예를 들어 탐상용 초음파 빔(131)이나 커플링 체크용 초음파 빔(132)의 송수신 타이밍이나, 이들 초음파 빔의 송신 주파수, 이들 초음파 빔의 송수신에 사용하는 초음파 진동자(121), 탐상용 초음파 빔(131)이 용접부(210)(용접면)에서 집속하도록 탐상용 초음파 진동자군의 각 채널의 송신 타이밍의 지연 시간 등을 설정한다.
본 실시 형태에서는, 전봉강관(200)의 관 두께가 3.4mm이므로, 도 5에서 SN비가 최대(200)가 되는 페이즈드 어레이 탐촉자(120)를 채용하는 것으로 한다(초음파 진동자(121)의 피치(p)가 0.5mm, 송신하는 초음파의 주파수가 5MHz 등). 이 때, 본 실시 형태에서는, 또한, 스텝 S2에 있어서, 송수신 조건 설정부(142)는, 용접 강관(200)의 관 두께(용접부(210)(용접면)의 두께)와, 용접부(210)(용접면)에 대한 탐상용 초음파 빔(131)의 유효 빔 직경에 기초하여, 용접부(210)(용접면)에서의 관 두께의 방향 영역을 N개(N은 1 이상의 정수)로 구분하는 구분수(N)를 설정한다. 이 구분수(N)는, 용접부(210)(용접면)에서의 관 두께의 방향의 초음파 탐상에 관한 주사 횟수에 해당한다. 구체적으로, 본 실시 형태에서는, 용접 강관(200)의 관 두께가 3.4mm이며, 용접부(210)(용접면)에 대한 탐상용 초음파 빔의 유효 빔 직경이 1.6mm(도 9(b): 기지)이므로, 상기 구분수(N)로서 「3」이 설정된다. 송수신 조건 설정부(142)는, 설정한 구분수 「3」에 따라서 도 10에 도시한 바와 같이, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)에서의 탐상용 초음파 진동자군을, 내표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(제3 탐상용 초음파 진동자군(제N 탐상용 초음파 진동자군))(123), 중앙부 부근 탐상용 초음파 진동자군(제2 탐상용 초음파 진동자군)(124) 및 외표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(제1 탐상용 초음파 진동자군)의 3개의 군으로 구분(분할)함과 함께, 또한, 탐상용 초음파 진동자군을 구성하는 초음파 진동자와는 상이한 복수의 초음파 진동자에 의해 구성되는 커플링 체크용 초음파 진동자군(122)을 설정한다.
계속해서, 스텝 S3에 있어서, 송신부(144)는, 송수신 제어부(143)의 제어에 의해, 송수신 조건 설정부(142)에서 설정된 송수신 조건에 기초하여, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 커플링 체크용 초음파 진동자군(122)으로부터 전봉강관(200)의 외표면(200G)에 대하여 대략 수직으로 커플링 체크용 초음파 빔(132)을 송신한다.
계속해서, 스텝 S4에 있어서, 수신부(145)는, 송수신 제어부(143)의 제어에 의해, 송수신 조건 설정부(142)에서 설정된 송수신 조건에 기초하여, 반사된 커플링 체크용 초음파 빔(132)을 커플링 체크용 초음파 진동자군(122)을 통하여 수신한다. 그 후, 수신부(145)에서 수신한 커플링 체크용 초음파 빔(132)은, 수신 신호 처리부(146)에서 처리된다.
계속해서, 스텝 S5에 있어서, 물 판정부(148)는, 스텝 S4에서 수신한 커플링 체크용 초음파 빔(132)에 기초하여 커플링이 문제없는지 여부를 판단한다. 구체적으로, 물 판정부(148)는, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)(엄밀하게 말하면 음향 렌즈(110))와 전봉강관(200)의 외표면(200G)의 사이가 공기 등 없이 물로 채워져 있는지 여부를 판정함으로써, 커플링이 문제없는지 여부를 판단한다.
스텝 S5의 판단 결과, 커플링 체크에 있어서, 커플링에 문제가 있다고 판정된 경우(S5/NO의 경우)에는, 스텝 S6으로 진행한다.
스텝 S6으로 진행하면, 기록·표시부(149)는, 커플링에 문제가 있는 취지의 경고 표시를 행한다. 이 경고 표시를 행함으로써, 유저는, 설비의 유지 보수를 행하게 되고, 설비의 유지 보수 후, 유저의 조작에 의해, 도 15의 흐름도의 처음부터 처리가 행해지게 된다.
한편, 스텝 S5의 판단 결과, 커플링 체크에 있어서, 커플링에 문제가 없다고 판정된 경우(S5/YES의 경우)에는, 스텝 S7으로 진행한다. 커플링에 문제가 없는 경우, 용접부(210)의 결함 탐상의 처리가 개시되게 된다.
스텝 S7으로 진행하면, 송신부(144)는, 송수신 제어부(143)의 제어에 의해, 송수신 조건 설정부(142)에서 설정된 송수신 조건에 기초하여, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 탐상용 초음파 진동자군으로부터 전봉강관(200)의 외표면(200G)에 대하여 경사각으로 탐상용 초음파 빔(131)을 입사시킨다. 송신부(144)는, 전봉강관(200) 내에 입사된 당해 탐상용 초음파 빔(131)이 전봉강관(200)의 내표면(200N)에서 반사되지 않고 용접부(210)(용접면)에 대하여 대략 수직으로 직접 입사하고 또한 용접부(210)(용접면)에 수렴하도록 탐상용 초음파 빔(131)을 송신한다.
계속해서, 스텝 S8으로 진행하면, 수신부(145)는, 송수신 제어부(143)의 제어에 의해, 송수신 조건 설정부(142)에서 설정된 송수신 조건에 기초하여, 반사된 당해 탐상용 초음파 빔(131)을 당해 탐상용 초음파 진동자군을 통하여 수신한다. 그 후, 수신부(145)에서 수신한 탐상용 초음파 빔(131)은, 수신 신호 처리부(146)에서 처리된다.
계속해서, 스텝 S9에 있어서, 예를 들어 송수신 제어부(143)는, 용접부(210)의 깊이 방향(관 두께 방향)에 대하여 모두 결함 탐상을 행했는지 여부를 판단한다.
여기서, 본 실시 형태에서는, 도 10에 도시한 바와 같이, 탐상용 초음파 진동자군으로서, 전봉강관(200)의 용접부(210)(용접면)의 내표면(200N) 부근(즉, 제3 영역(제N 영역))에 내표면 부근 탐상용 초음파 빔(제3 탐상용 초음파 빔(제N 탐상용 초음파 빔))(131N)을 송신하기 위한 내표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(제3 탐상용 초음파 진동자군(제N 탐상용 초음파 진동자군))(123)과, 전봉강관(200)의 용접부(210)(용접면)의 관 두께의 중앙부 부근(즉, 제2 영역)에 중앙부 부근 탐상용 초음파 빔(제2 탐상용 초음파 빔)(131C)을 송신하기 위한 중앙부 부근 탐상용 초음파 진동자군(제2 탐상용 초음파 진동자군)(124)과, 전봉강관(200)의 용접부(210)(용접면)의 외표면(200G) 부근(즉, 제1 영역)에 외표면 부근 탐상용 초음파 빔(제1 탐상용 초음파 빔)(131G)을 송신하기 위한 외표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(제1 탐상용 초음파 진동자군)(125)이 서로 상이한 초음파 진동자에 의해 구성된다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 스텝 S9에 있어서, 용접부(210)(용접면)의 깊이 방향(관 두께 방향)에 대해서, 내표면 부근 탐상용 초음파 빔(131N)에 의한 결함 탐상, 중앙부 부근 탐상용 초음파 빔(131C)에 의한 결함 탐상 및 외표면 부근 탐상용 초음파 빔(131G)에 의한 결함 탐상 모두 결함 탐상을 행했는지 여부를 판단하게 된다.
스텝 S9의 판단 결과, 용접부(210)(용접면)의 깊이 방향의 각 영역에 대하여 아직 모든 결함 탐상을 행하고 있지 않은 경우(S9/NO의 경우)에는, 아직 결함 탐상을 행하고 있지 않은 영역의 결함 탐상을 행하기 위해서 스텝 S7으로 복귀된다.
한편, 스텝 S9의 판단 결과, 용접부(210)의 깊이 방향에 대하여 모두 결함 탐상을 행한 경우(S9/YES의 경우)에는, 스텝 S10으로 진행한다.
스텝 S10으로 진행하면, 예를 들어 송수신 제어부(143)는, 전봉강관(200)의 관축 방향(220)에 대하여 모두 결함 탐상을 행했는지 여부를 판단한다.
여기서, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 음향 렌즈(110)에 의한 관축 방향(220)의 초음파 빔의 집속에 의해, 관축 방향 빔 수렴 직경이 일반적인 1mm이라고 한다. 한편, 스텝 S1에서 관축 방향(220)의 길이가 입력되어 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 스텝 S10에 있어서, 이들 정보에 기초하여, 전봉강관(200)의 관축 방향(220)의 전체 영역에 대하여 결함 탐상을 행했는지 여부를 판단하게 된다.
스텝 S10의 판단 결과, 전봉강관(200)의 관축 방향(220)의 전체 영역에 대하여 결함 탐상을 행하고 있지 않은 경우(S10/NO)에는, 아직 결함 탐상을 행하고 있지 않은 전봉강관(200)의 관축 방향(220)의 영역 결함 탐상을 행하기 위해서 스텝 S7으로 복귀된다.
한편, 스텝 S10의 판단 결과, 전봉강관(200)의 관축 방향(220)의 전체 영역에 대하여 결함 탐상을 행한 경우(S10/YES의 경우)에는, 스텝 S11으로 진행한다.
계속해서, 스텝 S11에 있어서, 결함 판정부(147)는, 스텝 S8에서 수신한 탐상용 초음파 빔(131)에 기초하여, 전봉강관(200)의 용접부(210)(용접면)에 결함이 존재하고 있는지 여부를 판정하는 처리를 행한다. 또한, 결함 판정부(147)는, 용접부(210)(용접면)에 결함이 존재하고 있다고 판정한 경우, 그 위치나 크기를 특정하는 처리도 행한다.
또한, 이 결함 판정부(147)에 의한 결함 판정의 전단계에 있어서, 예를 들어 수신 신호 처리부(146)가, 수신한 탐상용 초음파 빔(131)의 파형에 대하여, 플러스의 최대 진폭을 A, 마이너스의 최대 진폭을 B(B는 마이너스값)로 하여 각각을 검출하고, A-B를 그 파형 검출 위치에서의 신호C로 하여 처리를 행한다.
계속해서, 스텝 S12에 있어서, 기록·표시부(149)는, 스텝 S11에 의한 결함 판정 결과를 표시하는 처리를 행한다. 예를 들어, 기록·표시부(149)는, 결함 판정 결과로서, 예를 들어 x축 방향을 관축 방향(220)의 위치, y축 방향을 용접부(210)의 깊이 위치로 하고, 상기 신호C의 2차원 맵을 작성하여 표시를 행한다.
이하, 2차원 맵의 예에 대하여 설명을 행한다. 먼저, 2차원 맵의 설명 전에, 탐상용 초음파 빔의 수신 파형의 일례에 대하여 설명한다.
도 16은, 본 발명의 제1 실시 형태를 나타내고, 반사된 탐상용 초음파 빔의 수신 파형의 일례를 나타내는 도면이다. 여기서, 도 16a 및 도 16b는, 전봉강관(200)의 관 두께 방향의 분해능을 향상시키기 위해서, 상기 구분수(N)를 3보다도 큰 5로 하는 조건에서 해석한 것이며, 관축 방향의 분해능은 1mm, 관 두께 방향의 분해능은 관 두께(3.4mm)의 1/5에 상당하는 0.68mm이다. 그리고, 도 16a는, 관 두께 방향의 중앙부를 중심으로 두께 0.2mm의 결함(211)을 설치하고, 5구분으로 나눈 것 중의 중앙부의 결함(211)에 탐상용 초음파 빔을 집속시키고, 그 반사 초음파의 수신 파형의 예이다. 또한, 도 16b는, 관 두께 방향의 중앙부에 결함(211)을 설치하지 않고, 5구분으로 나눈 것 중의 중앙부에 탐상용 초음파 빔을 집속시키고, 그 반사 초음파의 수신 파형의 예이다. 도 16a 및 도 16b에 나타내는 수신 파형에 있어서, S1은 전봉강관(200)의 외표면(200G)으로부터의 반사 초음파를 나타내고, 도 16a에 나타내는 수신 파형에 있어서, F1은 결함(211)으로부터의 반사 초음파를 나타내고 있다. 즉, 도 16b에 나타내는 수신 파형과 같이, 결함(211)이 존재하지 않으면, F1은 검출되지 않게 된다.
계속해서, 2차원 맵의 예에 대하여 설명을 행한다. 도 17은, 본 발명의 제1 실시 형태를 도시하고, 2차원 맵의 일례를 도시하는 도면이다. 이 도 17에 도시하는 2차원 맵은, 상술한 도 16a와 마찬가지로 전봉강관(200)의 관 두께 방향을 5구분으로 나누어서 탐상하는 조건에서 해석한 것이며, 이 때, 5구분으로 나눈 것 중의 중앙부에 결함(211)을 설치한 것이다. 그리고, 도 17은, x축 방향을 관축 방향(220)의 위치, y축 방향을 전봉강관(200)의 관 두께 방향의 위치(용접부(210)의 깊이 위치)로 하고, 상술한 신호C를 7단계(6<C, ···, C≤1)로 나누어서 표시한 2차원 맵의 예이다. 예를 들어, 도 16a에 나타내는 결함(211)으로부터의 반사 초음파(F1)는, 플러스의 최대 진폭(A)이 3.2 정도, 마이너스의 최대 진폭(B)이 -3.6 정도이므로, 이 경우의 신호C는 C=A-B=3.2-(-3.6)=6.8이 된다. 이로 인해, 도 17에서는, 전봉강관(200)의 관 두께 방향을 5구분으로 나눈 것 중의 중앙부가, 6<C로 되어 있다. 이러한 2차원 맵을 표시함으로써, 전봉강관(200)의 용접부(210)에서의 결함(211)의 위치를 특정하는 것이 가능하다.
스텝 S12의 처리가 종료되면, 도 15에서의 흐름도의 처리가 종료된다.
본 실시 형태에 관한 결함 검출 장치(100)에 의하면, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)를 사용한 70° 탐상법을 행하도록 했으므로, 0.2mm 정도의 미소 결함의 검출도 가능하고, 또한, 관 두께가 7.5mm 이하, 관 직경이 5인치 이하인 소직경의 전봉강관(200)이어도 결함의 검출 정밀도의 향상을 실현할 수 있다(도 8).
(제2 실시 형태)
상술한 제1 실시 형태에서는, 도 10에 도시한 바와 같이, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)의 탐상용 초음파 진동자군으로서, 전봉강관(200)의 용접부(210)(용접면)의 내표면(200N) 부근(즉, 제3 영역(제N 영역))에 내표면 부근 탐상용 초음파 빔(제3 탐상용 초음파 빔(제N 탐상용 초음파 빔))(131N)을 송신하기 위한 내표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(제3 탐상용 초음파 진동자군(제N 탐상용 초음파 진동자군))(123)과, 전봉강관(200)의 용접부(210)(용접면)의 관 두께의 중앙부 부근(즉, 제2 영역)에 중앙부 부근 탐상용 초음파 빔(제2 탐상용 초음파 빔)(131C)을 송신하기 위한 중앙부 부근 탐상용 초음파 진동자군(제2 탐상용 초음파 진동자군)(124)과, 전봉강관(200)의 용접부(210)(용접면)의 외표면(200G) 부근(즉, 제1 영역)에 외표면 부근 탐상용 초음파 빔(제1 탐상용 초음파 빔)(131G)을 송신하기 위한 외표면 부근 탐상용 초음파 진동자군(제1 탐상용 초음파 진동자군)(125)이, 서로 상이한 초음파 진동자에 의해 구성되는 경우를 예시하였다. 본 발명에 있어서는, 이 형태에 한정되지 않고, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)에 1개의 탐상용 초음파 진동자군을 설정하여, 당해 1개의 탐상용 초음파 진동자군에서 초음파의 송신 방향을 순차 절환함으로써, 용접부(210)에서의 관 두께의 방향의 상기 제3 영역(제N 영역), 상기 제2 영역 및 상기 제1 영역에 대하여 각각 제3 탐상용 초음파 빔(제N 탐상용 초음파 빔)인 내표면 부근 탐상용 초음파 빔(131N), 제2 탐상용 초음파 빔인 중앙부 부근 탐상용 초음파 빔(131C) 및 제1 탐상용 초음파 빔인 외표면 부근 탐상용 초음파 빔(131G)을 순차 송신하는 형태도 적용 가능하다. 이 경우, 당해 1개의 탐상용 초음파 진동자군을 통하여, 반사된 내표면 부근 탐상용 초음파 빔(131N), 반사된 중앙부 부근 탐상용 초음파 빔(131C) 및 반사된 외표면 부근 탐상용 초음파 빔(131G)을 각각 수신하게 된다.
본 실시 형태의 경우, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)에는, 1개의 탐상용 초음파 진동자군(예를 들어 16ch)과, 1개의 커플링 체크용 초음파 진동자군(122)(예를 들어 4ch)이 설치되게 된다.
(제3 실시 형태)
상술한 제1 및 제2의 실시 형태에서는, 탐상용 초음파 진동자군과 커플링 체크용 초음파 진동자군(122)을 서로 상이한 초음파 진동자로 구성하는 것이었다. 본 발명에 있어서는, 이 형태에 한정되지 않고, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)에 배열된 복수의 초음파 진동자(121) 중 전부의 복수의 초음파 진동자에 의해 탐상용 초음파 진동자군을 구성하고, 당해 탐상용 초음파 진동자군 중에 커플링 체크용 초음파 진동자군(122)을 포함하는 구성으로 한 형태도 적용 가능하다.
본 실시 형태의 경우, 예를 들어 페이즈드 어레이 탐촉자(120)에 16개의 초음파 진동자(121)(16ch)를 설치하여, 당해 16개의 초음파 진동자(121) 전부를 탐상용 초음파 진동자군으로 함과 함께, 당해 16개의 초음파 진동자(121) 전부 또는 일부(예를 들어 4ch)를 커플링 체크용 초음파 진동자군(122)으로 한다.
즉, 본 실시 형태의 경우, 초음파의 송신 방향을 순차 절환함으로써, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)로부터, 전봉강관(200)의 외표면(200G)에 대하여 커플링 체크용 초음파 빔(132)을 송신함과 함께, 용접부(210)(용접면)에서의 관 두께의 방향의 상기 제3 영역(제N 영역), 상기 제2 영역 및 상기 제1 영역에 대하여 각각 제3 탐상용 초음파 빔(제N 탐상용 초음파 빔)인 내표면 부근 탐상용 초음파 빔(131N), 제2 탐상용 초음파 빔인 중앙부 부근 탐상용 초음파 빔(131C) 및 제1 탐상용 초음파 빔인 외표면 부근 탐상용 초음파 빔(131G)을 순차 송신하는 형태를 취한다. 이 경우, 페이즈드 어레이 탐촉자(120)를 통하여, 반사된 커플링 체크용 초음파 빔(132), 반사된 내표면 부근 탐상용 초음파 빔(131N), 반사된 중앙부 부근 탐상용 초음파 빔(131C) 및 반사된 외표면 부근 탐상용 초음파 빔(131G)을 각각 수신하게 된다.
(그 밖의 실시 형태)
또한, 본 발명은 이하의 처리를 실행함으로써도 실현된다. 즉, 상술한 본 발명의 실시 형태의 제어 처리 장치(140)의 기능을 실현하는 소프트웨어(프로그램)를, 네트워크 또는 각종 기억 매체를 통하여 시스템 또는 장치에 공급하고, 그 시스템 또는 장치의 컴퓨터(또는 CPU나 MPU 등)가 프로그램을 판독하여 실행하는 처리이다. 이 프로그램 및 당해 프로그램을 기억한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는, 본 발명에 포함된다.
또한, 상술한 본 발명의 실시 형태는, 본 발명을 실시함에 있어서 구체화된 예를 나타낸 것에 지나지 않으며, 이들에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정적으로 해석되어서는 안된다. 즉, 본 발명은 그 기술 사상, 또는 그 주요한 특징으로부터 일탈하지 않고, 여러가지 형태로 실시할 수 있다. 일본 특허 출원, 일본 특허 출원 제2012-150685호의 개시는 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 도입된다. 본 명세서에 기재된 모든 문헌, 특허 출원 및 기술 규격은, 개개의 문헌, 특허 출원 및 기술 규격이 참조에 의해 도입되는 것이 구체적이고 또한 개별적으로 기재된 경우와 동일 정도로, 본 명세서에 참조에 의해 도입된다.
100 : 결함 검출 장치
110 : 음향 렌즈
120 : 페이즈드 어레이 탐촉자
121 : 초음파 진동자
131 : 탐상용 초음파 빔
132 : 커플링 체크용 초음파 빔(물 판정용 초음파 빔)
140 : 제어 처리 장치
141 : 피검체 조건 입력부
142 : 송수신 조건 설정부
143 : 송수신 제어부
144 : 송신부
145 : 수신부
146 : 수신 신호 처리부
147 : 결함 판정부
148 : 물 판정부
149 : 기록·표시부
200 : 전봉강관
200G : 외표면
200N : 내표면
210 : 용접부

Claims (18)

  1. 용접 강관의 관축 방향을 따라 형성된 용접면에 존재하는 결함을 검출하는 결함 검출 장치이며,
    상기 용접 강관의 외표면의 외측에 설치되고, 복수의 초음파 진동자가 배열된 페이즈드 어레이 탐촉자와,
    상기 복수의 초음파 진동자 중 일부 또는 전부를 포함하는 탐상용 초음파 진동자군으로부터, 상기 용접 강관의 외표면으로부터 상기 용접 강관 내에 입사된 탐상용 초음파 빔이 상기 용접 강관의 내표면에서 반사되지 않고 상기 용접면에 대하여 대략 수직으로 직접 입사하고 또한 상기 용접면에 수렴하도록, 상기 탐상용 초음파 빔을 송신하는 송신 수단과,
    반사된 상기 탐상용 초음파 빔을 상기 탐상용 초음파 진동자군을 통하여 수신하는 수신 수단과,
    상기 수신 수단으로 수신한 상기 탐상용 초음파 빔에 기초하여, 상기 용접면에 결함이 존재하는지 여부를 판정하는 결함 판정 수단을 포함하는 결함 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용접 강관은, 관 직경이 5인치 이하, 관 두께가 7.5mm 이하인 소직경의 전봉강관인, 결함 검출 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이에는, 상기 탐상용 초음파 빔이 전파하는 매체로서 물이 존재하고 있고,
    상기 송신 수단은, 상기 복수의 초음파 진동자 중 일부 또는 전부를 포함하는 물 판정용 초음파 진동자군으로부터 상기 용접 강관의 외표면에 대하여 대략 수직으로 물 판정용 초음파 빔을 또한 송신하고,
    상기 수신 수단은, 반사된 상기 물 판정용 초음파 빔을 상기 물 판정용 초음파 진동자군을 통하여 또한 수신하고,
    상기 수신 수단으로 수신한 상기 물 판정용 초음파 빔에 기초하여, 상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이가 물로 채워져 있는지 여부를 판정하는 물 판정 수단을 더 포함하는, 결함 검출 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 송신 수단은, 상기 물 판정 수단에서 상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이가 물로 채워져 있다고 판정된 경우, 상기 탐상용 초음파 진동자군으로부터 상기 탐상용 초음파 빔을 송신하는, 결함 검출 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이에 상기 페이즈드 어레이 탐촉자에 대응하여 설치되고, 상기 탐상용 초음파 빔을 상기 관축 방향에 집속시키기 위한 집속 렌즈를 더 포함하는, 결함 검출 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 강관의 관 두께와, 상기 용접면에서의 상기 탐상용 초음파 빔의 유효 빔 직경에 기초하여, 상기 용접면에서의 상기 관 두께의 방향의 영역 구분수(N)를 설정하는 설정 수단과,
    상기 설정 수단에 의해 설정된 구분수(N)에 따라서 상기 탐상용 초음파 진동자군에 포함되는 복수의 초음파 진동자를 N개의 군으로 분할하는 분할 수단을 더 포함하고,
    상기 송신 수단은, 상기 용접면의 구분된 각 영역에 순차 탐상용 초음파 빔이 입사되도록, 상기 분할 수단에 의해 분할된 각 군으로부터 순차 탐상용 초음파 빔을 송신하는, 결함 검출 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이에 상기 페이즈드 어레이 탐촉자에 대응하여 설치되고, 상기 탐상용 초음파 빔을 상기 관축 방향에 집속시키기 위한 집속 렌즈를 더 포함하고,
    상기 집속 렌즈는, 상기 관축 방향에 따른 곡면의 곡률 반경이, 상기 복수의 초음파 진동자의 배열 방향을 따라서 변화하고 있고, 상기 페이즈드 어레이 탐촉자부터 상기 용접면에 이르기까지의 상기 탐상용 초음파 빔의 전파 거리가 커지는 방향을 향하여 상기 곡률 반경이 커지고 있는, 결함 검출 장치.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 강관의 관 두께와, 상기 용접면에서의 상기 탐상용 초음파 빔의 유효 빔 직경에 기초하여, 상기 용접면에서의 상기 관 두께의 방향의 구분수(N)를 설정하는 설정 수단을 더 갖고,
    상기 송신 수단은, 상기 용접면의 구분된 각 영역에 상기 탐상용 초음파 빔이 순차 입사되도록, 상기 복수의 초음파 진동자의 일부를 포함하는 단일의 탐상용 초음파 진동자군으로부터 송신 방향을 순차 전환하여 상기 탐상용 초음파 빔을 송신하는, 결함 검출 장치.
  9. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 용접 강관의 관 두께와, 상기 용접면에서의 상기 탐상용 초음파 빔의 유효 빔 직경에 기초하여, 상기 용접면에서의 상기 관 두께의 방향의 구분수(N)를 설정하는 설정 수단을 더 갖고,
    상기 송신 수단은, 상기 용접면의 구분된 각 영역에 상기 탐상용 초음파 빔이 순차 입사되도록, 상기 복수의 초음파 진동자 전부를 포함하는 탐상용 초음파 진동자군으로부터 송신 방향을 순차 전환하여 상기 탐상용 초음파 빔을 송신함과 함께, 상기 복수의 초음파 진동자의 일부를 포함하는 물 판정용 초음파 진동자군으로부터, 상기 용접 강관의 외표면에 대하여 상기 물 판정용 초음파 빔을 송신하는, 결함 검출 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이에 상기 페이즈드 어레이 탐촉자에 대응하여 설치되고, 상기 탐상용 초음파 빔을 상기 관축 방향에 집속시키기 위한 집속 렌즈를 더 포함하는, 결함 검출 장치.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 설정 수단은, 상기 용접 강관의 관 두께를 상기 용접면에서의 상기 탐상용 초음파 빔의 유효 빔 직경으로 나눈 값에 대하여 소수점 첫째자리 이하를 올린 값을, 상기 구분수(N)로서 설정하는, 결함 검출 장치.
  12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유효 빔 직경은, 상기 탐상용 초음파 빔의 진동에 의한 상기 용접 강관의 내부 변위의 최대값을 1로 한 경우, 당해 변위가 0.5 이상이 되는 범위에 대응하고 있는, 결함 검출 장치.
  13. 용접 강관의 외표면의 외측에 설치되고, 복수의 초음파 진동자가 배열된 페이즈드 어레이 탐촉자를 사용하여, 상기 용접 강관의 관축 방향을 따라 형성된 용접면에 존재하는 결함을 검출하는 결함 검출 장치에 의한 결함 검출 방법이며,
    상기 복수의 초음파 진동자 중 일부 또는 전부를 포함하는 탐상용 초음파 진동자군으로부터, 상기 용접 강관의 외표면으로부터 상기 용접 강관 내에 입사된 탐상용 초음파 빔이 상기 용접 강관의 내표면에서 반사되지 않고 상기 용접면에 대하여 대략 수직으로 직접 입사하고 또한 상기 용접면에 집속하도록, 상기 탐상용 초음파 빔을 송신하는 제1 송신 스텝과,
    반사된 상기 탐상용 초음파 빔을 상기 탐상용 초음파 진동자군을 통하여 수신하는 제1 수신 스텝과,
    상기 제1 수신 스텝에서 수신한 상기 탐상용 초음파 빔에 기초하여, 상기 용접면에 결함이 존재하는지 여부를 판정하는 결함 판정 스텝을 포함하는, 결함 검출 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 용접 강관은, 관 직경이 5인치 이하, 관 두께가 7.5mm 이하인 소직경의 전봉강관인, 결함 검출 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이에는, 상기 탐상용 초음파 빔이 전파하는 매체로서 물이 존재하고 있고,
    상기 복수의 초음파 진동자 중 일부 또는 전부를 포함하는 물 판정용 초음파 진동자군으로부터 상기 용접 강관의 외표면에 대하여 대략 수직으로 물 판정용 초음파 빔을 송신하는 제2 송신 스텝과,
    반사된 상기 물 판정용 초음파 빔을 상기 물 판정용 초음파 진동자군을 통하여 수신하는 제2 수신 스텝과,
    상기 제2 수신 스텝에서 수신한 상기 물 판정용 초음파 빔에 기초하여, 상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이가 물로 채워져 있는지 여부를 판정하는 물 판정 스텝을 더 포함하는, 결함 검출 방법.
  16. 용접 강관의 외표면의 외측에 설치되고, 복수의 초음파 진동자가 배열된 페이즈드 어레이 탐촉자를 사용하여, 상기 용접 강관의 관축 방향을 따라 형성된 용접면에 존재하는 결함을 검출하는 결함 검출 장치에 의한 결함 검출 방법을 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램이며,
    상기 복수의 초음파 진동자 중 일부 또는 전부를 포함하는 탐상용 초음파 진동자군으로부터, 상기 용접 강관의 외표면으로부터 상기 용접 강관 내에 입사된 탐상용 초음파 빔이 상기 용접 강관의 내표면에서 반사되지 않고 상기 용접면에 대하여 대략 수직으로 직접 입사하고 또한 상기 용접면에 집속하도록, 상기 탐상용 초음파 빔을 송신하는 제1 송신 스텝과,
    반사된 상기 탐상용 초음파 빔을 상기 탐상용 초음파 진동자군을 통하여 수신하는 제1 수신 스텝과,
    상기 제1 수신 스텝에서 수신한 상기 탐상용 초음파 빔에 기초하여, 상기 용접면에 결함이 존재하는지 여부를 판정하는 결함 판정 스텝을 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이에는, 상기 탐상용 초음파 빔이 전파하는 매체로서 물이 존재하고 있고,
    상기 복수의 초음파 진동자 중 일부 또는 전부를 포함하는 물 판정용 초음파 진동자군으로부터 상기 용접 강관의 외표면에 대하여 대략 수직으로 물 판정용 초음파 빔을 송신하는 제2 송신 스텝과,
    반사된 상기 물 판정용 초음파 빔을 상기 물 판정용 초음파 진동자군을 통하여 수신하는 제2 수신 스텝과,
    상기 제2 수신 스텝에서 수신한 상기 물 판정용 초음파 빔에 기초하여, 상기 페이즈드 어레이 탐촉자와 상기 용접 강관의 외표면의 사이가 물로 채워져 있는지 여부를 판정하는 물 판정 스텝을 또한 컴퓨터에 실행시키는, 프로그램.
  18. 제16항 또는 제17항에 기재된 프로그램을 기억한 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체.
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