WO2007113907A1 - 超音波探触子、超音波探傷方法及び超音波探傷装置 - Google Patents

超音波探触子、超音波探傷方法及び超音波探傷装置 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic probe, an ultrasonic flaw detection method, and an ultrasonic flaw detection apparatus. Specifically, the present invention also applies to an outer surface and an inner surface of a metal tubular specimen tube, particularly a metal tube having a ratio of thickness t to outer diameter D (tZD) of, for example, 15% or more. In addition, the present invention relates to an ultrasonic probe, an ultrasonic flaw detection method, and an ultrasonic flaw detection device that can accurately detect a minute flaw existing in an interior by oblique flaw detection with high accuracy.
  • ultrasonic flaw detection is performed by detecting reflected echoes from flaws that are present inside the metal tube and entering the ultrasonic waves.
  • a method is known.
  • the oblique flaw detection method in which ultrasonic waves are incident obliquely on the flaw detection surface is used to detect flaws in the inner surface, outer surface, inner surface, and welds of metal pipes.
  • this oblique flaw detection method usually employs a vibrator, a sound absorbing material, and a contact medium (such as acrylic resin) arranged to transmit ultrasonic waves obliquely to the flaw detection surface.
  • a contact medium such as acrylic resin
  • FIG. 11 is an explanatory diagram showing the relationship between the incident wave 1 and the refracted waves 2 and 3 in the oblique flaw detection method.
  • the broken lines in FIG. 11 and FIGS. 12 and 13 described later indicate the normal line of the flaw detection surface 0.
  • the incident wave 1 of ultrasonic waves incident from a vibrator is Even if it is an ultrasonic longitudinal wave, both the ultrasonic refraction longitudinal wave 2 and the refraction transverse wave 3 propagate through the metal tube as refraction waves.
  • Medium 1 liquid contact medium represented by water, or oblique angle
  • the sound velocity of the incident wave 1 of the ultrasonic wave in the wedge incorporated in the probe is Vi
  • the sound velocity of the refraction transverse wave 3 of the ultrasonic wave in the medium II is Vs.
  • the sound velocity of the refraction longitudinal wave 2 is VL
  • the incidence angle of the incident wave 1 is ⁇ i
  • the bending angle of the refraction transverse wave 3 is ⁇ s
  • the refraction angle of the refraction longitudinal wave 2 is ⁇ L.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram showing a situation in which the refracted waves 2 and 3 propagate through the inside 5c of the metal tube 5.
  • the incident ultrasonic waves 2 and 3 are converted into the inner surface 5a of the metal tube 5 and It propagates through the inside 5c of the metal tube 5 while repeating reflection at the outer surface 5b. If a flaw exists in the inner surface 5a, the outer surface 5b, and the inner surface 5c of the metal tube 5, the reflected echo of the ultrasonic wave reflected by the flaw returns to the vibrator 4 and is received as a flaw echo. In this way, the ultrasonic inspection of the metal tube 5 is performed.
  • the sound velocity Vi of the refraction longitudinal wave 2 in the medium I at room temperature is about 1500 mZsec
  • the sound velocity VL of the refraction longitudinal wave 2 in the metal tube 5 that is the medium ⁇ ⁇ is 5900 mZsec
  • the ultrasonic wave 1 is incident from the outer surface 6 b of the high tZD metal tube 6 at an incident angle ⁇ i that is equal to or greater than the critical angle of the longitudinal wave ultrasonic wave
  • the refracted transverse wave 3 propagating to the inside 6c of the metal tube 6 is A propagation path that reaches the outer surface 6b without reaching the inner surface 6a of the metal tube 6 is sometimes observed. In this case, a flaw existing near the inner surface 6a of the metal tube 6 cannot be detected.
  • Patent Document 1 discloses that the first vibrator in which the refraction angle ⁇ s of the refraction transverse wave inside the metal tube is large, for example, greater than 35 degrees, and the refraction angle ⁇ s, for example, as small as less than 35 degrees.
  • the first transducer is used alone and a high tZD metal tube is used. It is disclosed that the first vibrator and the second vibrator are used together when flaw detection is performed.
  • Non-Patent Document 1 a force for arranging an acoustic lens having a spherical or cylindrical surface at the tip surface in front of the vibrator, or a tip surface of the vibrator to a spherical or cylindrical shape.
  • an acoustic lens with a spherical tip surface or a transducer with a spherical tip surface When detecting flaws that are small but continuous in the tube axis direction, an acoustic lens having a cylindrical surface with a cylindrical surface curved along the circumferential direction of the metal tube or a cylindrical surface with a cylindrical surface.
  • the ultrasonic wave incident on the metal tube is focused inside the metal tube, thereby increasing the intensity of the flaw echo and detecting it with a good S / N ratio, and generating it inside the metal tube.
  • Invention to detect minute flaws with high accuracy It is disclosed.
  • FIG. 14 shows a refracted longitudinal wave 2 propagating through the inside of the metal tubes 5 and 6 when the refracted transverse wave 3 is focused on the inner surfaces of the metal tubes 5 and 6 according to the invention disclosed in Non-Patent Document 1.
  • FIG. 14 (a) shows the refraction transverse wave 3 when a high tZD metal tube 6 with a ratio (tZD) of about 15% or more is used, and FIG. ) Shows the refraction longitudinal wave 2 when this high tZD metal tube 6 is used, and Fig. 14 (c) shows the refraction when using the metal tube 5 whose ratio (tZD) is less than about 15% (about 10%).
  • a transverse wave 3 is shown, and FIG. 14 (d) shows a case where the metal tube 5 is used.
  • the refracted transverse wave 3 is applied to the inner surface 5a of the metal tube 5 Ultrasonic flaw detection can be performed by simply setting the conditions to focus the laser beam and not generate the refraction longitudinal wave 2.
  • the refracted shear wave 3 is applied to the inner surface of the metal tube 6. Refractive longitudinal waves 2 are also generated when trying to reach 6a.
  • a portion of the generated refracted longitudinal wave 2 reaches the inner surface 6a of the metal tube 6 in the same manner as the refracted transverse wave 3, and the reached refracted longitudinal wave 2 is at an angle substantially perpendicular to the inner surface 6a of the metal tube 6. In order to propagate, multiple reflection occurs between the inner surface 6a and the outer surface 6b of the metal tube 6.
  • FIG. 15 is a graph showing an example of a reflected echo observed when the high tZD metal tube 6 is flawed in this way.
  • the internal flaw echo due to the refracted transverse wave 3 is observed so as to be buried between the multiple reflected echoes of the refracted longitudinal wave 2.
  • This multiple reflection echo of refracted longitudinal wave 2 becomes a noise signal that hinders the detection of flaws, and minute flaws cannot be detected with a good SN ratio.
  • the flaw echo is completely buried in the multiple reflected echoes of the refraction longitudinal wave 2 that are many turbulent, and even a skilled detector cannot identify the flaw echo! / ⁇ .
  • Patent Document 2 discloses two types of detection so that flaw echoes and multiple reflection echoes are detected by flaw detection at a certain frequency, and only multiple reflection echoes are detected by flaw detection at a frequency different from this.
  • An invention is disclosed in which flaw echoes of high tZD metal tubes are obtained by alternately performing flaw detection at different frequencies and differentially processing flaw detection waveforms at these frequencies to remove multiple reflection echoes that are noise.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 10-90239
  • Patent Document 2 JP-A-6-337263
  • Non-Patent Document 1 "Ultrasonic flaw detection method” Japan Society for the Promotion of Science, Steelmaking No. 19 Committee, Nikkan Kogyo Shimbun, pp. 224-227
  • Patent Document 2 also has the following problems (a) to (c).
  • the present invention has been made to solve these problems (a) to (c) of the prior art.
  • an oil well pipe, a line pipe, and a machine part (a bored axle,
  • the ratio of the wall thickness t to the outer diameter D (tZD) is the metal tubular specimen used as a mechanical tube used for automobile parts, stainless steel pipes used in high temperature environments, etc.
  • an ultrasonic probe that can detect flaws existing on the outer surface, inner surface, or the inside of a metal tube of 15% or more with high accuracy and reliability by oblique flaw detection.
  • An object is to provide an ultrasonic flaw detection method and an ultrasonic flaw detection apparatus. Means for solving the problem
  • the tip surface is spherical or cylindrical.
  • the incident wave 1 is transmitted from the vibrator 7 whose surface shape, that is, the longitudinal cross-sectional shape of the tip part is an arc shape, and the refracted transverse wave 3 is focused on the inner surface 6a of the high tZD metal tube 6, flaw detection is performed.
  • the refraction longitudinal wave 2 generated at the same time reaches the inner surface 6 a of the metal tube 6.
  • the refraction longitudinal wave 2 reaching the inner surface 6a of the metal tube 6 is transmitted from the portion 7a located on the side of the ultrasonic wave propagation direction (left side in FIG. 14) as seen from the center of the metal tube 6 It is generated by an incident wave 1 incident on the outer surface 6 b of the tube 6 at a small incident angle.
  • FIG. 1 (a) shows the vertical cross-sectional shape of the tip 8c of the improved vibrator 8 conceived by the present inventor in contrast to the vertical cross-sectional shape of the tip 7c of the vibrator 7 described above. It is explanatory drawing.
  • Fig. 1 (b) shows the situation where oblique flaw detection is performed on a high tZD metal tube 6 (outer diameter 40 mm, wall thickness 10 mm) using this vibrator 8 and high tZD metal tube 6 using vibrator 7. It is explanatory drawing shown in contrast with the condition which performs a bevel flaw detection of.
  • the position where the horizontal axis is Omm indicates the center position of the high tZD metal pipe 6 that is the object of flaw detection.
  • the tip 8c of the transducer 8 constituting the bevel probe is a non-object whose curvature radius continuously increases toward the one end 8b side force and the other end 8a side.
  • the incident angle of incident wave 1 transmitted from the other end 8a side and the refraction angle of refraction longitudinal wave 2 must be secured large. Is possible. As a result, the refracted longitudinal wave 2 does not reach the inner surface 6a of the metal tube 6 but directly reaches the outer surface 6b of the metal tube 6. Therefore, the generation of multiple reflection echoes due to the longitudinal refraction wave 2 can be eliminated.
  • the longitudinal cross-sectional shape of the distal end portion 8c of the vibrator 8 is a shape having at least an asymmetric curve shape portion in which the radius of curvature continuously increases from the one end 8b side to the other end 8a side.
  • the ratio of the refracted shear wave 3 is appropriately determined individually considering the type of metal tube 6 so that the refracted transverse wave 3 reaches the inner surface 6a of the metal tube 6 and converges at a specific position near the inner surface 6a. do it.
  • ultrasonic waves are obliquely incident on a metallic tubular subject from a built-in vibrator.
  • An ultrasonic probe for flaw detection of a tubular specimen by generating a refracted longitudinal wave and a refracted transverse wave propagating through the inside of the tubular specimen, wherein the tip of the transducer has at least a radius of curvature.
  • Side force An ultrasonic probe characterized by having an asymmetric curve-shaped portion that continuously increases toward the other end.
  • the present invention includes a built-in vibrator and an acoustic lens disposed in front of the ultrasound transmission direction of the vibrator, and the metallic tubular subject is interposed through the acoustic lens.
  • Force An ultrasonic probe characterized in that it has at least an asymmetrical curved portion in which the radius of curvature is continuously increased by force 4 at the other end side.
  • an ultrasonic probe for flaw detection of a tubular object comprising a plurality of vibration generating elements in which vibrators are arranged in parallel, and by interference of ultrasonic waves oscillated from each of the plurality of vibration generating elements.
  • the ultrasonic probe is characterized in that an incident wave including at least a wavefront portion having an asymmetric curve shape in which the radius of curvature continuously increases toward one end side force and the other end side is oscillated.
  • the ultrasonic probe according to the present invention includes a delay time adjustment device for oscillating an incident wave by adjusting the delay time of ultrasonic transmission / reception of each of the plurality of vibration generating elements. Illustrated. In this case, it is desirable to provide an acoustic lens disposed in front of the ultrasonic wave transmission direction of the vibrator.
  • the tubular object is exemplified as a metal tube having a ratio of the thickness to the outer diameter of more than 15%.
  • the end of the transducer or acoustic lens constituting the ultrasonic probe according to the present invention has an end portion with a small radius of curvature located on the non-propagating direction side of the refracted wave in the tubular subject, and the curvature radius is A large end portion is located on the propagation direction side of the refracted wave, and an incident wave that generates a refraction longitudinal wave that does not reach the inner surface of the tubular subject and a refracted transverse wave that converges on the inner surface of the tubular subject is generated.
  • An ultrasonic flaw detection method is characterized in that an ultrasonic probe is arranged with respect to a metal tube so that transmission can be performed, and oblique flaw detection is performed.
  • the present invention provides a wave front at the tip of an incident wave oscillated by the vibrator force constituting the ultrasonic probe according to the present invention as viewed from the center position of the metallic tubular subject.
  • the end side with a small radius of curvature is located on the non-propagating direction side of the refracted wave in the metal tube, and the end side with a large curvature radius on the parenthesis wavefront side is located on the propagating direction side of the refracted wave.
  • An oblique probe is installed by placing an ultrasonic probe on the metal tube so that an incident wave that generates a refraction longitudinal wave that does not reach and a refraction transverse wave that converges on the inner surface of the metal tube can be transmitted. This is an ultrasonic flaw detection method.
  • the present invention uses the above-described ultrasonic flaw detection method according to the present invention to perform oblique flaw detection on a metallic tubular specimen having a specific value with a thickness ratio to an outer diameter of more than 15%.
  • This is an ultrasonic flaw detection method characterized by
  • Still another aspect of the present invention is an ultrasonic flaw detector characterized by including the ultrasonic probe according to the present invention described above.
  • the ultrasonic probe according to the present invention is placed at an appropriate position even for a metal tubular specimen, particularly a high tZD metal tube having a ratio (tZD) of 15% or more.
  • a metal tubular specimen particularly a high tZD metal tube having a ratio (tZD) of 15% or more.
  • a tubular specimen particularly a high t having a ratio (tZD) of 15% or more.
  • tZD ratio
  • FIG. 1 (a) is an explanatory diagram showing the longitudinal cross-sectional shape of the tip of the improved vibrator conceived by the present inventors in comparison with the longitudinal cross-sectional shape of the tip of a conventional vibrator.
  • Figure 1 (b) shows the situation in which this vibrator is used for oblique flaw detection of a high tZD metal tube, and the conventional vibrator is used for oblique flaw inspection of a high (t ZD) metal tube. It is explanatory drawing shown in contrast with a condition.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the ultrasonic flaw detector according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart schematically showing a procedure for designing the shape of the tip of the vibrator.
  • FIG. 4A is an explanatory diagram showing a design procedure for the shape of the tip of a vibrator when a high tZD metal pipe having an outer diameter of 40 mm and a wall thickness of 10 mm is an inspection object.
  • FIG. 4B is an explanatory diagram showing the design procedure of the shape of the tip of the vibrator when a high tZD metal pipe having an outer diameter of 40 mm and a wall thickness of 10 mm is an inspection object.
  • FIG. 4C is an explanatory diagram for illustrating the design procedure of the shape of the tip of the vibrator when a high tZD metal pipe having an outer diameter of 40 mm and a wall thickness of 10 mm is an inspection target.
  • FIG. 4D is an explanatory diagram showing a design procedure for the shape of the tip of the vibrator when a high-tZD metal tube having an outer diameter of 40 mm and a wall thickness of 10 mm is an inspection object.
  • FIG.5 For high tZD metal pipe with three dimensions (outer diameter 40mm and wall thickness 10mm, outer diameter 26mm and wall thickness 6.5mm, outer diameter 60mm and wall thickness 15mm) 8 is an explanatory diagram showing an example of a result of designing the shape of the tip of the vibrator based on FIG.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the flaw incident angle ⁇ and the reflectivity (%) of slit flaws extending in the axial direction of a high tZD metal tube and existing in a slit shape.
  • FIG. 7 The main amplifier obtained when flaws of 0.1 mm in depth existing on the inner surface of the mechanical tube with high tZD metal tube force are detected by the ultrasonic flaw detector according to Embodiment 1. It is a graph which shows an example of the flaw detection waveform which is an output signal waveform.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic flaw detector according to Embodiment 2.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic flaw detector according to Embodiment 3.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining a method for setting a transmission delay time and a reception delay time. [11] It is an explanatory diagram showing the relationship between incident waves and refracted waves in the oblique angle flaw detection method.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram showing a situation in which a refracted wave propagates inside a metal tube.
  • Fig. 14 (a) is an explanatory diagram showing the propagation behavior of a refracted longitudinal wave and a refracted transverse wave propagating inside a metal tube.
  • Fig. 14 (a) shows the refracted shear wave when a metal tube having a ratio (tZD) of approximately 15% or more is used.
  • Fig. 14 (b) shows the refraction longitudinal wave when this metal tube is used, and
  • Fig. 14 (c) shows the case where the ratio (tZD) is less than 15% (about 10%). Shows refraction shear wave
  • Fig. 14 (d) shows the case of using this metal tube.
  • the metal tubular specimen is a high tZD metal tube 16 having a ratio of the wall thickness t to the outer diameter D (tZD) of 15% or more is taken as an example.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the ultrasonic flaw detector 10 of the present embodiment.
  • the ultrasonic flaw detector 10 of the present embodiment includes an ultrasonic probe 11, an ultrasonic flaw detector 12, an alarm device 13, and a marking device 14. Will be described in turn.
  • the ultrasonic probe 11 is provided with a sound absorbing material, a vibrator 15 arranged so as to transmit the ultrasonic wave obliquely with respect to the flaw detection surface, and the like, as in this type of conventional ultrasonic probe.
  • a housing to accommodate. Since the casing and the sound-absorbing material may be well-known ones, the illustration in FIG. 2 and the description thereof will be omitted.
  • water is used as the catalytic catalyst, and a casing capable of filling the flaw detection surface of the high tZD metal pipe 16 with water is used.
  • the transducer 15 is excited by receiving a transmission signal for each predetermined period from a pulsar 19 constituting an ultrasonic flaw detector 12 described later.
  • the incident wave U of ultrasonic waves is incident on the outer surface 16b of the high tZD metal tube 16 through the water W as the contact medium obliquely.
  • the incident wave U propagates in the inside 16c of the high tZD metal pipe 16 as a refracted wave composed of a refracted longitudinal wave U1 and a refracted transverse wave U2.
  • a reflected echo (scratch echo or the like) of the refracted transverse wave U2 due to a scratch or the like existing on the outer surface 16b, inner surface 16a or inner 16c of the high tZD metal tube 16 is received by the vibrator 15.
  • the received signal is transmitted to the ultrasonic flaw detector 12. In this way, oblique flaw detection of the high tZD metal pipe 16 is performed.
  • the tip portion 15c of the vibrator 15 has a radius of curvature applied to one end 15b side force and the other end 15a side. It is shaped to have an asymmetrical curve shape where the radius of curvature continuously increases to p-force radius of curvature ⁇ 2.
  • this vibrator 15 is represented by PZT (PbZrO-PbTiO), which is commonly used as a vibrator but is hard and difficult to process. Without ceramic-based piezoelectric elements
  • the asymmetrical curve shape portion of the tip portion 15c is determined based on, for example, the following procedure steps (hereinafter abbreviated as "S") 1 to S8.
  • FIG. 3 is a flowchart schematically showing a procedure for designing the shape of the tip portion 15c of the vibrator 15.
  • FIG. 4A to 4D show the case where a high tZD metal pipe 16 with an outer diameter of 40 mm and a wall thickness of 1 Omm is used for inspection.
  • 10 is an explanatory diagram for illustrating a design procedure of the shape of the tip end portion 15c of the combined vibrator 15.
  • step 1 (1) the shape of the high tZD metal tube 16 (outer diameter D and wall thickness t), (2) the sound velocity Vs of the refraction transverse wave U2 in the high tZD metal tube 16, (3) Sound velocity VL of refraction longitudinal wave U1 in high tZD metal tube 16, (4) Sound velocity Vi of incident wave U in contact medium (water in this embodiment), and (5) High tZD metal tube of vibrator 15.
  • the length along the circumferential direction of the tip of 16 is set as a condition.
  • the sound velocity Vi of the incident wave in the contact medium the sound velocity Vs of the refraction transverse wave U2 in the high tZD metal tube 16, and the sound velocity VL of the refraction longitudinal wave Ul are the type of contact medium and the material of the high tZD metal tube 16, respectively.
  • the length along the circumferential direction of the tip of the high tZD metal tube 16 of the vibrator 15 may be set to a length that can provide sufficient transmission / reception sensitivity and can be actually manufactured.
  • the length along the circumferential direction of the high tZD metal tube 16 of the vibrator 15 is 6 to 20 mm, although it depends on the shape of the high tZD metal tube 16, the size of the flaw to be detected, and the material. Degree. Then move to S2.
  • the reflectance of the flaw it is preferable to consider the reflectance of the flaw. That is, as shown in FIG. 6, which explains the relationship between the flaw incident angle ⁇ and the reflectivity (%) of the slit flaw that extends in the axial direction of the high tZD metal tube 16 and is refracted transverse wave at the slit flaw.
  • the reflectivity of U2 depends on the incident angle ⁇ of the transverse ultrasonic wave. Considering the range of incident angles that can actually be set, the reflectivity increases when the flaw incident angle ⁇ force is about 0 to 50 °. Therefore, in order to increase the echo intensity without improving the flaw detection accuracy, it is desirable to temporarily set the focusing point 17 which can be an incident angle ⁇ force of about 0 to 50 ° as an initial value. And it moves to S3.
  • the propagation path of the refracted transverse wave U2 propagating to the temporarily set focusing point S is calculated based on the conditions (1), (2), (4) and (6) described above. That is, as shown in FIG. 4A, a plurality of radial transverse waves U2 are propagated radially from the focusing point 17 initially set on the inner surface 16a of the high tZD metal tube 16 toward the outer surface 16b of the high tZD metal tube 16. Path (actually refraction lateral Wave U2 propagates from the outer surface 16b toward the focusing point 17), and then, based on Snell's law established at the interface between the outer surface 16b of the high tZD metal tube 16 and the contact medium W.
  • the incident angle of the incident wave is calculated based on the above conditions (2) and (4), and each propagation of the longitudinal wave ultrasonic wave U in the contact medium W connected to each propagation path of the refracted transverse wave U 2 is obtained. Calculate the route.
  • the initial point of each propagation path of the refracted longitudinal wave U1 and the refracted transverse wave U2 propagating to the converging point 17, that is, the end point 18 on the opposite side of the converging point 17, the assumed transducer 15 and the high tZD metal tube 16 Propagation time of the ultrasonic wave that travels through each propagation path so that the initial point 18 is separated from the high tZD metal tube 16 by a distance approximately equal to the offset distance from (calculated by the length of the propagation path and the speed of sound) Are determined to be the same as each other.
  • the shape of the tip portion 15c of the vibrator 15 is calculated and determined so as to have an asymmetrical curve shape that increases gradually. And it moves to S5. [0044] In S5, based on the shape of the tip 15c of the vibrator 15 determined in S4 and the condition of (3) described above, the propagation of the refraction longitudinal wave U1 propagating into the high tZD metal tube 16 is performed. Calculate the route. That is, as shown in FIG. 4A, the high tZD metal is related to the incident wave U passing through each propagation path in the contact medium W from each initial point 18 constituting the determined shape of the tip 15c of the vibrator 15.
  • the longitudinal wave ultrasonic wave U1 propagating through the inner 16c of the high tZD metal tube 16 based on the condition (3)
  • the refraction angle is calculated, and each propagation path of the bending longitudinal wave U1 connected to each propagation path of the incident wave U is calculated.
  • Snell's method is based on the shape of the tip 15c of the vibrator 15 calculated in S2 and the sound velocity VL of the refraction longitudinal wave U1 in the preset metal tube 16.
  • VL the sound velocity of the refraction longitudinal wave U1 in the preset metal tube 16.
  • FIG. 4B to FIG. 4D are explanatory views showing the state of this iterative calculation.
  • the setting position of the focusing point 17 is changed so that the central axial force of the high t ZD metal tube 16 is separated stepwise along the inner surface 16a of the high tZD metal tube 16. To do.
  • all propagation paths of the refracted longitudinal wave U1 do not reach the inner surface 16a of the high tZD metal tube 16.
  • the process proceeds to S8, where the shape of the tip 15c of the transducer 15 that has been calculated and provisionally determined is finally vibrated. This is determined as the shape of the tip 15c of the child 15.
  • the shape of the tip 15c of the vibrator 15 when the state shown in FIG. 4D is reached is determined as the shape of the tip 15c.
  • the tip end portion 15c of the vibrator 15 has a radius of curvature p that continuously increases from the one end 15b side to the other end 15a side toward the radius of curvature p.
  • the total force S of the tip 15c of the vibrator 15 S exhibits this asymmetric curve shape, but is not limited to this, for example, a part of the tip 15c.
  • the region may exhibit this asymmetric curve shape, and the remaining region of the tip 15c may have a shape other than this asymmetric curve shape (for example, a linear shape or an arc shape).
  • there may be an asymmetric curve-shaped portion inside the tip 15c of the vibrator 15 in the circumferential direction, and a portion other than the asymmetric curve shape may exist at one or both ends of the asymmetric curve-shaped portion.
  • the relationship between the curvature radius p and the curvature radius p may be p ⁇ p. This curvature
  • the radius should be specified as appropriate in relation to the outer diameter and wall thickness of the tube to be measured, and as a result, a specific ratio (tZD) high (tZD) without causing multiple reflection of longitudinal waves. Can perform bevel inspection of tubes.
  • the axis of the high tZD metal pipe 16 is analyzed in the same manner as the conventional cylindrical surface shape by analyzing the propagation path of the ultrasonic wave in two dimensions.
  • the design procedure of the shape of the tip 15c so that the end of each cross section of the vibrator 15 in the direction becomes a uniform curve has been described as an example.
  • the shape of the tip 15c is such that the end of each cross section of the vibrator 15 in the axial direction of the high t ZD metal tube 16 is a uniform curved surface. Let's design it.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of a result of designing the shape of the tip portion 15c of the vibrator 15 based on 1 to 8.
  • the shape of the tip 15c designed is shown in the horizontal direction. In addition, they are translated in the vertical direction and aligned.
  • the shapes of these tip portions 15c are asymmetrical curves whose radius of curvature continuously increases toward the radius of curvature p and the radius of curvature p toward one end 15b and the other end 15a.
  • the present embodiment is limited to the high tZD metal pipe 16 having an outer diameter of 40 mm and a wall thickness of 10 mm described with reference to FIGS. 4A to 4D.
  • the ultrasonic probe 11 described above is configured to transmit the incident wave U directly from the transducer 15.
  • An acoustic lens (not shown) made of acrylic resin or the like is placed, and the incident wave U is obliquely incident on the high tZD metal tube 16 through this acoustic lens and propagates inside the high tZD metal tube 16.
  • the refraction longitudinal wave U1 and the refraction transverse wave U2 may be generated.
  • the resonator 15 has a normal arc-shaped tip, and the tip of the acoustic lens has a radius of curvature from the radius of curvature p to the radius of curvature. continuous to p
  • the shape of the asymmetric curve may be increased in two. By doing so, the vibrator 15 is obtained.
  • the ceramic piezoelectric element having a good piezoelectric effect although having low workability as represented by PZT can be used, the performance of the vibrator 15 can be improved.
  • the ultrasound probe 11 of the present embodiment is configured as described above.
  • the ultrasonic flaw detector 2 includes a pulser 19, a preamplifier 20, a filter 21, a main amplifier 22, and a flaw determination unit 23.
  • Each of the pulsar 19 and the preamplifier 20 is connected to the vibrator 1 via a connecting plug (not shown in the figure!), Which is provided on the rear portion of the casing of the ultrasonic probe 11 from the coaxial cable cord. Connected to 5.
  • a transmission signal of a predetermined period is input from the pulsar 19 to the vibrator 15, whereby the vibrator 15 is excited, and an incident wave U is incident on the high tZD metal tube 16 through water W as a contact medium.
  • the incident wave U propagates inside the high tZD metal tube 16 as a refracted wave composed of a refracted longitudinal wave U1 and a refracted transverse wave U2.
  • the reflected echo (such as a flaw echo) is received by the vibrator 15, and the received signal is transmitted to the preamplifier 20 via the coaxial cable C.
  • the received signal is amplified by the preamplifier 20, filtered in a predetermined frequency band by the filter 21, and further amplified by the main amplifier 22.
  • the output signal from the main amplifier 22 is compared with a predetermined threshold value determined in advance by the flaw determination unit 23.
  • the flaw determination unit 23 determines that there is a flaw if the output signal is greater than or equal to this threshold value, and outputs an operation command to the alarm device 3 or the marking device 4 if it is determined that there is a flaw.
  • the ultrasonic flaw detector 12 of the present embodiment is a well-known and conventional one configured as described above, further description of the ultrasonic flaw detector 12 is omitted.
  • the alarm device 13 outputs an alarm sound based on the operation command from the ultrasonic flaw detector 12.
  • the alarm device 13 of the present embodiment is a well-known and conventional one configured as described above, further description of the alarm device 13 is omitted.
  • the marking device 14 performs a predetermined marking on the surface of the high tZD metal tube 16 based on the operation command from the ultrasonic flaw detector 12. [0065] Since the marking device 14 of the present embodiment is a well-known and conventional device configured as described above, further description of the marking device 14 is omitted.
  • the ultrasonic waves constituting the ultrasonic flaw detector 10 are viewed from the center position of the high tZD metal tube 16 that is the target of ultrasonic flaw detection.
  • One end 15b of the tip 15c of the transducer 15 of the probe 11 is located on the bending wave non-propagating direction side of the high tZD metal tube 16 (on the right side of the high tZD metal tube 16 in FIG. 2).
  • This transducer 15 is placed on the high tZD metal tube 16 so that the other end 15a side of the tip 15c is located on the propagation direction side of the refracted wave (left side of the paper in Fig. 1 (a)). I do.
  • the one end 15b side of the tip 15c of the transducer 15 is on the non-propagating direction side of the refracted wave in the high tZD metal tube 16 (in FIG.
  • the high tZD metal tube 16 is located on the right side), and the other end 15a side of the tip 15c of the transducer 15 is located on the propagation direction side of the refracted wave (left side of the high tZD metal tube 16 in FIG. 2). It may be arranged.
  • the refracted transverse wave U2 out of the refracted waves 2 and 3 propagating through the inside of the high tZD metal tube 16 having a ratio (tZD) of 15% or more is converged and refracted longitudinally. Since the wave U1 does not reach the inner surface 16a of the metal tube 16, it is possible to increase the reflected echo intensity from the minute flaw by converging the refracted transverse wave U2, and the refracted longitudinal wave U1 is Since the propagation path that does not reach the inner surface 16a of 16 is covered, the generation of multiple reflection echoes due to refraction longitudinal waves can be eliminated. As a result, it is possible to reliably carry out oblique flaw detection with high accuracy even for the high tZD metal pipe 16 in particular.
  • a small flaw existing inside the high tZD metal pipe 16 having a ratio (tZD) of, for example, 15% or more is reduced in inspection efficiency and inspection cost.
  • tZD ratio of, for example, 15% or more
  • the ultrasonic flaw detector 10 When the high tZD metal tube 16 is inspected by the ultrasonic flaw detector 10 having the configuration described above, the high tZD metal tube 16 is conveyed in the axial direction while rotating in the circumferential direction. In addition, flaw detection over substantially the entire surface of the high tZD metal tube 16 becomes possible.
  • the present invention is not limited to this.
  • the ultrasonic probe 10 may be rotated in the circumferential direction of the high tZD metal tube 16 while the high tZD metal tube 16 is conveyed straight in the axial direction.
  • the ultrasonic flaw detector 10 has a ratio (t / D) such as a mechanical tube used for automobile parts or a stainless steel tube used in a high temperature environment. It is particularly suitable for flaw detection inside a steel pipe that is 15% or more.
  • FIG. 7 is obtained when the ultrasonic flaw detector 10 according to this embodiment detects flaws having a depth of 0.1 mm existing on the inner surface of a mechanical tube made of a high tZD metal tube.
  • 4 is a graph showing an example of a flaw detection waveform that is an output signal waveform of the main amplifier 24.
  • the refraction transverse wave U 2 out of the bending waves U 1 and U 2 is focused inside the high tZD metal tube 16.
  • the reflected echo intensity increases even with a minute scratching force, and the simultaneously generated refraction longitudinal wave U1 does not reach the inner surface 16a of the high tZD metal tube 16 and scatters the propagation path.
  • the reflected echo can be suppressed, and only the flaw echo can be detected with a good S / N ratio.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the ultrasonic flaw detector 30 according to the present embodiment.
  • the ultrasonic flaw detector 30 includes two ultrasonic probes 32 each having transducers 31 and 31, an ultrasonic flaw detector (not shown). ), An alarm (not shown), and a marking device (not shown). Note that since the ultrasonic flaw detector, the alarm device, and the marking device (not shown) have the same configuration as that of the first embodiment described above, description thereof is omitted.
  • the ultrasonic flaw detector 30 includes probe holders 33 and 33 that hold the transducers 31 and 31, respectively, and lower horizontal arms 34 and 34 that hold the probe holders 33 and 33, respectively. Supports the lower horizontal arms 34, 34 and connects with the upper horizontal arm 37 in the vertical direction
  • the upper and lower arms 35 and 35 are fixed to the upper parts of the upper and lower arms 35 and 35, and the upper surface of the upper horizontal arm 37 is movable in the extending direction of the upper horizontal arm 37 (left and right in FIG. 8).
  • the horizontal moving arms 36 and 36, the horizontal moving arms 36 and 36, and the vertical moving arms 35 and 35 are mounted so as to be movable in the horizontal direction and supported by the air cylinder 39 so that they can move up and down.
  • a pipe follower mechanism 38 supported by the air cylinder 39 so as to be movable up and down, and an air cylinder 39.
  • the probe holders 33 and 33 are connected to the tube following mechanism 38 via the lower horizontal arms 34 and 34, the vertical movement arms 35 and 35, the horizontal movement arms 36 and 36, and the upper horizontal arm 37. Yes.
  • the tube following mechanism 38 is connected to the air cylinder 37 and moves up and down. When the tube follow-up mechanism 38 moves up and down, the lower horizontal arms 34 and 34, the vertical movement arms 35 and 35, the horizontal movement arms 36 and 3 6 and the upper horizontal arm 37 also move up and down.
  • the child holders 33 and 33 move up and down together.
  • the transducers 31 and 31 constituting the ultrasonic probes 32 and 32 are made of the material of the metal tube 9 to be measured (the ultrasonic refracting longitudinal wave and the refracting shear wave velocity), the outer diameter D, the meat Depending on the thickness t, etc., the tip 1S As shown in Fig. 1, one end 15b side force the other end 15a side curvature radius p force curvature radius ⁇ 2 asymmetric curve shape with the curvature radius continuously increasing And is loaded into the probe holders 33 and 33 manually or automatically.
  • the vibrators 31, 31 drive the vertical movement arm 35 and the horizontal movement arm 36 so that the one end 15b side of the vibrators 31, 31 is directed to the metal tube 9 in the non-propagating direction of the refracted wave in the metal tube 9. 8 (the left vibrator 31 in FIG. 8 is the right part of the metal tube 9 and the left part in the right vibrator 31) and the other end 15a is on the propagation direction side of the refracted wave (the left vibrator in FIG. 8).
  • the left side part of the metal tube 9 in 31 and the right side part in the vibrator 31 on the right side were arranged so as to be located at a distance.
  • the tip of the metal tube 9 is closed with a plug (not shown) for preventing water from entering the inside. Then, the metal tube 9 is passed in the flaw detection water tank (not shown) while being transported in the axial direction while rotating in the circumferential direction.
  • the air cylinder 37 is activated at the timing when the tip of the metal tube 9 is detected by a predetermined material detection sensor, whereby the tube following mechanism 38, the vertical movement arms 35 and 35, the horizontal movement arm 37 and the probe The contact holders 36 and 36 are lowered as a body, and the tube following mechanism 38 is pressed against the outer surface of the metal tube 38 with an appropriate pressure.
  • the tube following mechanism 38 pressed with an appropriate pressure is configured to be movable within a predetermined range vertically and horizontally, and the bottom surface of the metal tube 9 is kept in contact with the outer surface of the metal tube 9. Moves up, down, left and right following backlash during transport. At this time, the vertical movement arms 35 and 35, the horizontal movement arms 36 and 36, and the probe holder 38 connected to the tube tracking mechanism 38 also move following the vertical and horizontal directions. Thereby, the relative positional relationship between the vibrators 31 and 32 loaded in the probe holders 33 and 33 and the metal tube 9 is kept constant.
  • the ultrasonic flaw detector 30 also increases the reflected echo intensity from the minute flaw by converging the refracted transverse waves, and simultaneously generates the refracted longitudinal waves of the metal tube 9. Since the propagation path does not reach the inner surface, multiple reflection echoes due to refraction longitudinal waves can be eliminated, and only flaw echoes can be detected with a good SN ratio.
  • the ultrasonic flaw detector 30 shown in Fig. 8 two vibrators 31 and 31 are provided so that the propagation direction of the refracted wave in the metal tube 9 is two directions, clockwise and counterclockwise.
  • the vibrator 31 in which the propagation direction of the refracted wave is clockwise and counterclockwise is arranged along the axial direction of the metal tube 9. It is also possible to arrange a plurality of each.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a schematic configuration of the ultrasonic flaw detector 40 according to the present embodiment.
  • an ultrasonic flaw detector 40 according to the present embodiment includes an ultrasonic probe 42 including a transducer 41, a transmission circuit 43, a reception circuit 44, an alarm device 45, and a marking. Device 46.
  • the alarm device 45 and the marking device 46 have the same configurations as those of the first embodiment described above, and thus description thereof is omitted.
  • the transducer 41 constituting the ultrasonic probe 42 according to the present embodiment is disposed so as to face the outer surface 47a of the metal tube 47, and a plurality (for example, 32) of minute piece-like piezoelectric elements.
  • the elements 41a are configured to be arranged (arranged) linearly in a direction orthogonal to the axial direction of the metal tube 47, for example, at intervals of 0.5 mm. That is, the ultrasonic probe 42 is a so-called array probe.
  • the transmission circuit 43 includes the same number of pulsars 48 and delay circuits (transmission delay circuits) 49 as the number of piezoelectric elements 41 a included in the vibrator 41.
  • Each pulsar 48 is connected to each piezoelectric element 41 a of the vibrator 41 and to each delay circuit 49.
  • Each piezoelectric element 41a is excited by a transmission signal for each predetermined period from each pulsar 48 connected to each piezoelectric element 41a, and an incident wave U of ultrasonic waves is incident on the metal tube 47 through water W as a contact medium. To do.
  • the timing of transmitting a transmission signal from each pulsar 48 can be different for each pulsar 48 according to the transmission delay time set by each delay circuit 49, which will be described later.
  • the transmission delay time of each pulsar 48 as described above, the mode similar to the mode of transmitting the ultrasonic wave incident wave U having the asymmetrical arc-shaped tip as shown in the second embodiment is obtained. Realized.
  • the incident wave U incident on the metal tube 47 propagates to the inside 47c of the metal tube 47 as a refracted wave consisting of a refracted longitudinal wave U1 and a refracted transverse wave U2, and the reflected echo is received by the piezoelectric element 41a of the vibrator 41. Then, the received signal is transmitted to the receiving circuit 44.
  • the reception circuit 44 includes the same number of preamplifiers 50 and delay circuits (reception delay circuits) 51 as the number of piezoelectric elements 41 a included in the vibrator 41.
  • the reception circuit 44 includes an adder 52, a main amplifier 53, and a flaw determination unit 54.
  • Each preamplifier 50 is connected to each piezoelectric element 41 a of the vibrator 41 and also connected to each delay circuit 51.
  • the received signal from each piezoelectric element 41a is amplified by each preamplifier 50 connected to each piezoelectric element 41a and then transmitted by each delay circuit 51 connected to each preamplifier 50 at the time of transmission delay of each piezoelectric element 41a.
  • the reception delay time is the same as the interval (transmission delay time of each pulsar 48 connected to each piezoelectric element 41a).
  • the output signal of each delay circuit 51 is added by an adder 52 included in the receiving circuit 44 and then amplified by the main amplifier 53.
  • the output signal from the main amplifier 53 is input to the flaw determination unit 54 having the same configuration as the flaw determination unit 23 of the first embodiment, and the presence or absence of a flaw is determined.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining a method for setting the transmission delay time and the reception delay time.
  • the asymmetric curve shape D designed in the procedure similar to the procedure Sl to 8 shown in FIG.
  • the length in the horizontal direction (the left-right direction in FIG. 10) is compared with the length of the vibrator 11, and the piezoelectric element 41a to be used is selected so that both have substantially the same length.
  • the group of selected piezoelectric elements 4 la is the selected element group.
  • the relative distance between the center coordinate of each piezoelectric element 41a constituting the selection element group and the asymmetrical curve shape D is set to 0, and the relative distance between any one of the piezoelectric elements 41a and the asymmetric arc shape is set to 0. , Respectively.
  • the relative distance between the rightmost piezoelectric element 41a and the non-circular arc shape D is 0).
  • a value obtained by dividing each relative distance by the sound velocity of the incident wave U in the contact medium W is set as a transmission delay time and a reception delay time corresponding to each piezoelectric element 41a.
  • the same behavior as when transmitting and receiving ultrasonic waves using the vibrator 41 having the asymmetrical curve shape D as the cross-sectional end shape is set. Will be shown. That is, as shown in FIG. 9, in the refracted wave composed of the refracted longitudinal wave U1 and the refracted transverse wave U2 propagating to the inside 47c of the metal tube 47, the refracted transverse wave U2 is focused and the refracted longitudinal wave U1 is reflected on the inner surface 47a of the metal tube 47. Will not reach. Therefore, the reflected echo intensity from minute flaws is increased by converging the refracted transverse wave U2, and the occurrence of multiple reflected echoes due to the simultaneously generated refracted longitudinal wave U1 can be eliminated. Can be detected.
  • the ultrasonic probe 42 is configured as an array probe by configuring the transducer 41 with a large number of piezoelectric elements 4 la, and each piezoelectric element 41a.
  • the delay time for ultrasonic transmission / reception is set appropriately.
  • the ultrasonic probe provided with the vibrator having the asymmetric curve shape at the tip is explained.
  • the piezoelectric elements 41a are arranged in a straight line as in the present embodiment, and the transducer 41 is fixed.
  • various asymmetric curves can be obtained. It is possible to provide a vibrator having the same effect as that of a vibrator having a shaped tip.
  • the present invention is not limited to this. It is possible to apply an array probe arranged in an arc shape or polygonal shape as long as the delay time for transmitting and receiving ultrasonic waves according to the above is set.

Abstract

　肉厚tと外径Dとの比(t/D)が15%超の高(t/D)金属管の内部に存在する微小なきずを、検査能率低下やコスト上昇を伴わずに、斜角探傷により高精度で確実に探傷する。高(t/D)金属管の中心位置から見て、振動子から金属管に超音波を斜めに入射し、金属管の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波を発生することにより金属管を探傷する超音波探触子である。振動子の先端部が、少なくとも、曲率半径が一端側から他端側にかけて連続的に増加する非対称曲線形状の部分を有する。曲率半径が小さい端部側が屈折波の非伝搬方向側に位置し、かつ曲率半径が大きい端部側が屈折波の伝搬方向側に位置するとともに、金属管内面に到達しない屈折縦波と金属管内面で集束する屈折横波とを生成する入射波を発信するように、超音波探触子を金属管に対して配置して斜角探傷を行う。

Description

明 細 書
超音波探触子、超音波探傷方法及び超音波探傷装置
技術分野
[0001] 本発明は、超音波探触子、超音波探傷方法及び超音波探傷装置に関する。具体 的には、本発明は、金属製の管状被検体管、特に外径 Dに対する肉厚 tの比 (tZD) が例えば 15%以上である金属管に対しても、その外表面、内表面又は内部等に存 在する微小なきずを、斜角探傷により高精度で確実に探傷することができる超音波 探触子、超音波探傷方法及び超音波探傷装置に関する。
背景技術
[0002] 金属製の管状被検体、例えば油井管、ラインパイプさらには機械部品 (中ぐりされた 車軸、自動車部品等に用いられるメカ-カルチューブ、さらには高温環境下で使用さ れるステンレス鋼管等)として用いられる金属管を、破壊せずに存在するきずを検査 する非破壊検査方法として、金属管に超音波を入射して内部に存在するきずからの 反射エコーを検出することによる超音波探傷方法が知られる。金属管の内表面、外 表面、内部さらには溶接部におけるきずを探傷するには、この超音波探傷方法のうち 探傷面に超音波を斜めに入射する斜角探傷法が用いられる。周知のように、この斜 角探傷法では、通常、超音波を探傷面に対して斜めに発信するように配置された振 動子、吸音材、さらには探傷面における接触媒質 (アクリル等の榭脂製のくさび等)を 収容するケーシングを備える斜角探触子を用いる。なお、接触媒質として水を用いる 場合には、ケーシングにくさび等の接触媒質を収容することに替えて、金属管及び斜 角探触子を水没させて探傷する。
[0003] 図 11は、斜角探傷法における入射波 1及び屈折波 2、 3の関係を示す説明図であ る。なお、図 11及び後述する図 12、 13における破線は探傷面 0の法線を示す。 図 11に示すように、斜角探傷法により超音波の入射波 1を金属管 (媒質 Π)の探傷 面 0に斜めに入射すると、図示しない振動子から入射される超音波の入射波 1が超 音波の縦波であっても、屈折波として超音波の屈折縦波 2及び屈折横波 3がともに金 属管の内部を伝搬する。媒質 1(一般的に、水に代表される液状接触媒質、又は斜角 探触子に内蔵されるくさび）における超音波の入射波 1の音速を Viとし、媒質 II (管状 被検体である金属管）における超音波の屈折横波 3の音速を Vsとし、媒質 IIにおける 超音波の屈折縦波 2の音速を VLとし、入射波 1の入射角を Θ iとし、屈折横波 3の屈 折角を Θ sとし、さらに屈折縦波 2の屈折角を Θ Lとすると、入射波 1及び屈折波 2、 3 の間にはスネルの法則、すなわち sin Θ i/Vi=sin Θ s/Vs = sin Θ LZVLの関係 が成立する。
[0004] 図 12は、屈折波 2、 3が金属管 5の内部 5cを伝搬する状況を示す説明図である。
同図に示すように、超音波探触子の振動子 4から入射波 1を入射角 Θ iで金属管 5 に入射すると、入射した超音波 2、 3は、金属管 5の内表面 5a及び外表面 5bで反射 を繰り返しながら、金属管 5の内部 5cを伝搬する。金属管 5の内表面 5a、外表面 5bさ らには内部 5cにきずが存在すると、このきずにより反射する超音波の反射エコーが 振動子 4へ戻り、きずエコーとして受信される。このようにして金属管 5の超音波探傷 が行われる。
[0005] 図 11を参照しながら説明したように、金属管 5の内部 5c、すなわち媒質 IIを屈折縦 波 2と屈折横波 3とがともに伝搬するので、振動子 4により受信されるきずエコーが屈 折縦波 2によるものであるの力、あるいは屈折横波 3によるものであるのかを識別する ことが困難になる。このため、きずの存在位置を特定できなカゝつたり、受信される信号 波形が複雑になってきずエコーの SN比が低下する。
[0006] そこで、一般的に斜角探傷法により金属管 5の超音波探傷を行うには、入射角 Θ i を屈折縦波 2の臨界角よりも大きく設定することにより、金属管 5の内部 5cを伝搬する 屈折波に屈折縦波 2が混じらないようにする。例えば、媒質 Iが水である場合、常温で の媒質 Iにおける屈折縦波 2の音速 Viは約 1500mZsecとなり、媒質 Πである金属管 5における屈折縦波 2の音速 VLを 5900mZsecとし、屈折横波 3の音速 Vsを 3200 mZsecとすれば、（1)式から、屈折縦波 2の臨界角（ Θ L = 90° )となる入射角 Θ iは 約 15° となり、屈折横波 3の屈折角 Θ sは約 33° となる。このため、原理的には、入 射波 1の入射角 Θ iを 15° 以上に設定すれば、媒質 II中には屈折横波 3しか存在し ないこととなる。
[0007] 近年、油井管、ラインパイプさらには機械部品等として用いられる鋼管に対しては、 軽量ィ匕のみならず高強度化に対する要求が高まっている。これに伴って、外径 Dに 対する肉厚 tの比 (tZD)が例えば 15%以上と大きな金属管 (本明細書では「高 tZ D金属管」という）に対する需要が増加している。しかし、斜角探傷法により高 tZD金 属管 6の探傷を行う状況の説明図である図 13に示すように、上述した従来の超音波 探傷方法により高 tZD金属管 6の斜角探傷を行う場合、高 tZD金属管 6の外表面 6 bから超音波 1を縦波超音波の臨界角以上となる入射角 Θ iで入射しても、金属管 6 の内部 6cに伝搬する屈折横波 3が金属管 6の内表面 6aには到達せずに外表面 6b に至る伝搬経路を迪ることがある。この場合、金属管 6の内表面 6a付近に存在するき ずを検出することができない。
[0008] そこで、例えば特許文献 1には、金属管の内部における屈折横波の屈折角 Θ sが 例えば 35度超と大きくなる第 1の振動子と、屈折角 Θ sが例えば 35度未満と小さくな る第 2の振動子とをともに備える超音波探触子を用い、通常の比 (tZD)の金属管 5 を探傷する場合には第 1の振動子を単独で用いるとともに、高 tZD金属管 6を探傷 する場合には第 1の振動子及び第 2の振動子を併用することが開示されている。
[0009] 特許文献 1により開示された超音波探触子を用いれば、高 tZD金属管 6を探傷す る際には第 2の振動子によって生じる屈折横波を高 tZD金属管 6の内表面に到達さ せることが確かに可能になる。しかし、この第 2の振動子を用いると屈折横波のみなら ず屈折縦波をも生じるので、きずの存在位置を特定できな力つたり、受信する信号波 形が複雑となってきずエコーの SN比が低下する。
[0010] さらに、例えば非特許文献 1には、先端面が球面又は円柱面の形状を有する音響 レンズを振動子の前に配置する力、又は振動子の先端面を球面又は円柱面の形状 に加工しておき、金属管の管軸方向に短いとともに深さが小さいきずを検出する場合 には、先端面が球面形状の音響レンズ又は先端面を球面形状に加工した振動子を 用いるとともに、深さは小さ 、ものの管軸方向に連続したきずを検出する場合には、 円柱面の湾曲方向が金属管の周方向に沿った先端面が円柱面形状の音響レンズ 又は先端面を円柱面形状に加工した振動子を用いることによって、金属管に入射す る超音波を金属管の内部で集束させ、これにより、きずエコーの強度を高めて良好な SN比で検出し、金属管の内部に発生する微小なきずを高精度で検出する発明が、 開示されている。
[0011] 図 14は、非特許文献 1により開示された発明によって金属管 5、 6の内表面に屈折 横波 3を集束させる場合における、金属管 5、 6の内部を伝搬する屈折縦波 2及び屈 折横波 3の伝搬挙動を示す説明図であり、図 14(a)は比 (tZD)が略 15%以上の高 tZD金属管 6を用いた場合の屈折横波 3を示し、図 14(b)はこの高 tZD金属管 6を 用いた場合の屈折縦波 2を示し、図 14(c)は比 (tZD)が略 15%未満（10%程度） の金属管 5を用いた場合の屈折横波 3を示し、さらに、図 14(d)はこの金属管 5を用 いた場合を示す。
[0012] 図 14(c)及び図 14(d)に示すように、比 (tZD)が略 15%未満の通常の金属管 5 の場合には、屈折横波 3を金属管 5の内表面 5aに集束させるとともに屈折縦波 2を発 生しない条件を簡単に設定して超音波探傷を行うことができる。これに対し、図 14 (a )及び図 14 (b)に示すように、比 (tZD)が略 15%以上の高 tZD金属管 6の場合に は、屈折横波 3を金属管 6の内表面 6aに到達させようとすると屈折縦波 2も発生する 。発生した屈折縦波 2の一部は屈折横波 3と同様に金属管 6の内表面 6aに到達し、 到達した屈折縦波 2は金属管 6の内表面 6aに対して略垂直に近い角度で伝搬する ため、金属管 6の内表面 6a及び外表面 6b間で多重反射する。
[0013] 図 15は、このようにして高 tZD金属管 6を探傷した場合に観察される反射エコーの 一例を示すグラフである。図 15にグラフで例示するように、屈折横波 3による内面き ずエコーは、屈折縦波 2の多重反射エコーの間に埋もれるように、観察される。この 屈折縦波 2の多重反射エコーがきずの検出を妨害するノイズ信号となり、微小なきず を良好な SN比で検出することができない。また、金属管 6の肉厚によっては、多数乱 立する屈折縦波 2の多重反射エコーの中にきずエコーが完全に埋没し、熟練した検 查員であってもきずエコーを識別できな!/ヽ。
[0014] そこで、特許文献 2には、ある周波数での探傷によりきずエコー及び多重反射ェコ 一を検出するとともにこれとは異なる周波数での探傷により多重反射エコーのみを検 出するように二種の周波数での探傷を交互に行い、これらの周波数での探傷波形を 差分処理してノイズである多重反射エコーを除去することによって、高 tZD金属管の きずエコーを求める発明が開示されている。 特許文献 1：特開平 10— 90239号公報
特許文献 2：特開平 6— 337263号公報
非特許文献 1 :「超音波探傷法」日本学術振興会、製鋼第 19委員会、日刊工業新聞 社、 224〜227頁
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0015] し力しながら、特許文献 2により開示された発明にも、以下に列記する課題 (a)〜(c )がある。
(a)二種の周波数で交互に略同一の位置での探傷波形を収集する必要があるので 、検査能率が約半分に低下することは避けられない。
(b)きずエコーの強度が隣接する多重反射エコーの強度と比較して同等であるか、 又は小さい場合や、きずエコーの出現位置が多重反射エコーの出現位置と極めて 接近している場合には、多重反射エコーの差分処理を行っても、きずエコーの大半 を差し引いてしまうこととなり、差分処理後の波形に基づいてきずエコーを検出できな い。
(c)複数の周波数で探傷することができる特殊な超音波探傷装置を用いる必要があ るので、必然的に検査コストが嵩む。
[0016] 本発明は、従来の技術が有するこれらの課題 (a)〜 (c)を解決するためになされた ものであり、例えば油井管、ラインパイプさらには機械部品 (中ぐりされた車軸、自動 車部品等に用いられるメカ-カルチューブ、さらには高温環境下で使用されるステン レス鋼管等)として用いられる金属製の管状被検体、特に外径 Dに対する肉厚 tの比（ tZD)が例えば 15%以上である金属管に対しても、その外表面、内表面又は内部 等に存在する微小なきずを、斜角探傷により高精度で確実に探傷することができる超 音波探触子、超音波探傷方法及び超音波探傷装置を提供することを目的とする。 課題を解決するための手段
[0017] 本発明者は、上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下に列記 する知見 (A)及び (B)を得て、本発明を完成した。
(A)図 14 (a)及び図 14 (b)を参照しながら説明したように、先端面が球面又は円柱 面の形状、すなわち先端部の縦断面形状が円弧形状である振動子 7から入射波 1を 発信し、高 tZD金属管 6の内表面 6aにおける屈折横波 3の集束を図りながら探傷を 行おうとすると、同時に発生する屈折縦波 2が金属管 6の内表面 6aに到達する。この 金属管 6の内表面 6aに到達する屈折縦波 2は、金属管 6の中心から見て超音波の伝 搬方向側（図 14の紙面左側）〖こ位置する部分 7aから送信されて金属管 6の外表面 6 bへ小さな入射角で入射する入射波 1によって、生成する。
(B)図 1 (a)は、本発明者が想到した改良型の振動子 8の先端部 8cの縦断面形状を 、上述した振動子 7の先端部 7cの縦断面形状と対比して示す説明図である。また、 図 1 (b)は、この振動子 8を用いて高 tZD金属管 6 (外径 40mm、肉厚 10mm)の斜 角探傷を行う状況を、振動子 7を用いて高 tZD金属管 6の斜角探傷を行う状況と対 比して示す説明図である。なお、図 1 (a)において横軸が Ommの位置は、探傷対象 である高 tZD金属管 6の中心位置を示す。
(i)図 1 (a)に例示するように、斜角探触子を構成する振動子 8の先端部 8cを、曲率 半径が一端 8b側力 他端 8a側にかけて連続的に増加する非対象曲線形状の部分 を少なくとも有する形状とすること、及び
(ii)金属管 6の中心位置から見て、振動子 8の先端部 8cにおける一端 8b側が金属管 6における屈折波の非伝搬方向側（図 1 (a)の紙面右側）〖こ位置するとともに、振動子 8の先端部 8cにおける他端 8a側が屈折波の伝搬方向側（図 1 (a)の紙面左側）〖こ位 置するように、この振動子 8を高 tZD金属管 6に対する特定の位置に配置して、斜角 探傷を行うこと
という 2つの条件を満足することによって、図 1 (b)で実線矢印で示すように、他端 8a 側から送信される入射波 1の入射角及び屈折縦波 2の屈折角を大きく確保することが できる。これにより、屈折縦波 2は金属管 6の内表面 6aには到達せずに金属管 6の外 表面 6bに直接到達するようになる。したがって、屈折縦波 2による多重反射エコーの 発生を解消できる。
振動子 8の先端部 8cの縦断面形状は、上述したように、曲率半径が一端 8b側から 他端 8a側にかけて連続的に増加する非対称曲線形状の部分を少なくとも有する形 状とし、曲率半径の大きさや、増加の程度、さらにはこの非対称曲線形状の部分を設 ける割合等は、屈折横波 3が金属管 6の内表面 6aに到達するとともに内表面 6aの近 傍の特定の位置で集束するように、金属管 6の種類等を勘案して個別に適宜決定す ればよい。
[0019] 本発明は、内蔵される振動子から、金属製の管状被検体に超音波を斜めに入射し
、この管状被検体の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波を発生することによって この管状被検体を探傷する超音波探触子であって、振動子の先端部が、少なくとも、 曲率半径が一端側力 他端側にかけて連続的に増加する非対称曲線形状の部分を 有することを特徴とする超音波探触子である。
[0020] また、本発明は、内蔵される振動子と、この振動子の超音波発信方向の前方に配 置された音響レンズとを備え、この音響レンズを介して、金属製の管状被検体に超音 波を斜めに入射し、管状被検体の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波を発生す ることによって管状被検体を探傷する超音波探触子であって、音響レンズの先端部 力 少なくとも、曲率半径が一端側力 他端側に力 4ナて連続的に増加する非対称曲 線形状の部分を有することを特徴とする超音波探触子である。
[0021] また、本発明は、内蔵される振動子から、金属製の管状被検体に超音波を斜めに 入射し、この管状被検体の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波を発生することに よって管状被検体を探傷する超音波探触子であって、振動子が並設された複数の 振動発生素子により構成されるとともに、複数の振動発生素子それぞれから発振され る超音波の干渉によって、曲率半径が一端側力 他端側にかけて連続的に増加す る非対称曲線形状の部分を少なくとも有する波面を備える入射波が発振されることを 特徴とする超音波探触子である。
[0022] この本発明に係る超音波探触子では、複数の振動発生素子それぞれの超音波送 受信の遅延時間を調整することによって入射波を発振するための遅延時間調整装 置を備えることが例示される。この場合に、振動子の超音波発信方向の前方に配置 された音響レンズを備えることが望ま 、。
[0023] これらの本発明に係る超音波探触子では、管状被検体が、外径に対する肉厚の比 が 15%超の金属管であることが例示される。
別の観点力 は、本発明は、金属製の管状被検体の中心位置から見て、上述した 本発明に係る超音波探触子を構成する振動子又は音響レンズの先端部における曲 率半径が小さい端部側が管状被検体における屈折波の非伝搬方向側に位置し、か っ該曲率半径が大きい端部側が前記屈折波の伝搬方向側に位置するとともに、前 記管状被検体の内面に到達しな ヽ屈折縦波と該管状被検体の内面で集束する屈折 横波とを生成する入射波を発信することができるように、超音波探触子を金属管に対 して配置して、斜角探傷を行うことを特徴とする超音波探傷方法である。
[0024] また、本発明は、金属製の管状被検体の中心位置から見て、上述した本発明に係 る超音波探触子を構成する振動子力 発振される入射波の先端の波面における曲 率半径が小さい端部側が金属管における屈折波の非伝搬方向側に位置し、かっこ の波面における曲率半径が大きい端部側が屈折波の伝搬方向側に位置するととも に、金属管の内面に到達しない屈折縦波と金属管の内面で集束する屈折横波とを 生成する入射波を発信することができるように、超音波探触子を金属管に対して配置 して、斜角探傷を行うことを特徴とする超音波探傷方法である。
[0025] また、本発明は、上述した本発明に係る超音波探傷方法を用いて、外径に対する 肉厚の比が 15%超の特定の値である金属製の管状被検体を斜角探傷することを特 徴とする超音波探傷方法である。
[0026] さらに別の観点力 は、本発明は、上述した本発明に係る超音波探触子を備えるこ とを特徴とする超音波探傷装置である。
発明の効果
[0027] 本発明によれば、金属製の管状被検体、特に比 (tZD)が 15%以上である高 tZD 金属管に対しても、本発明に係る超音波探触子を適正な位置に配置することにより、 この管状被検体の内部を伝搬する屈折波のうち、屈折横波は集束するとともに屈折 縦波は管状被検体の内表面に到達しないようにすることができる。このため、屈折横 波が集束することによって微小なきず力 の反射エコー強度が高まるとともに、屈折 縦波が管状被検体の内表面に到達しない伝搬経路を迪るために屈折縦波による多 重反射エコーの発生を解消できる。これにより、特に高 tZD金属管に対しても高精 度な斜角探傷を確実に行うことができる。
[0028] このようにして本発明によれば、管状被検体、特に比 (tZD)が 15%以上である高 t ZD金属管に対しても、その内部に存在する微小なきずを、検査能率の低下や検査 コストの上昇を伴うことなぐ斜角探傷により高精度で確実に探傷することができる。 図面の簡単な説明
[図 1]図 1 (a)は、本発明者が想到した改良型の振動子の先端部の縦断面形状を、従 来の振動子の先端部の縦断面形状と対比して示す説明図であり、図 1 (b)は、この振 動子を用いて高 tZD金属管の斜角探傷を行う状況を、従来の振動子を用いて高 (t ZD)金属管の斜角探傷を行う状況と対比して示す説明図である。
[図 2]実施の形態の超音波探傷装置の概略構成を示すブロック図である。
[図 3]振動子の先端部の形状を設計する手順を概略的に示すフロー図である。
[図 4A]外径 40mm及び肉厚 10mmの高 tZD金属管を検査対象とした場合に、振動 子の先端部の形状の設計手順を示すための説明図である。
[図 4B]外径 40mm及び肉厚 10mmの高 tZD金属管を検査対象とした場合に、振動 子の先端部の形状の設計手順を示すための説明図である。
[図 4C]外径 40mm及び肉厚 10mmの高 tZD金属管を検査対象とした場合に、振動 子の先端部の形状の設計手順を示すための説明図である。
[図 4D]外径 40mm及び肉厚 10mmの高 tZD金属管を被検査対象とした場合に、振 動子の先端部の形状の設計手順を示すための説明図である。
[図 5]3種の寸法（外径 40mmかつ肉厚 10mm、外径 26mmかつ肉厚 6. 5mm、外 径 60mmかつ肉厚 15mm)の高 tZD金属管について、図 3に示す手順 S 1〜8に基 づいて、振動子の先端部の形状を設計した結果の一例を示す説明図である。
[図 6]きず入射角 Θと高 tZD金属管の軸方向へ伸びてスリット状に存在するスリットき ずの反射率（％)との関係を示すグラフである。
[図 7]実施の形態 1に係る超音波探傷装置によって高 tZD金属管力 なるメカ-カル チューブの内面に存在する深さ 0. 1mmの微小きずを探傷した際に得られた、メイン アンプの出力信号波形である探傷波形の一例を示すグラフである。
[図 8]実施の形態 2の超音波探傷装置の概略構成を示す説明図である。
[図 9]実施の形態 3に係る超音波探傷装置の概略構成を示すブロック図である。
[図 10]送信遅延時間及び受信遅延時間の設定方法を説明するための説明図である 圆 11]斜角探傷法における入射波及び屈折波の関係を示す説明図である。
圆 12]屈折波が金属管の内部を伝搬する状況を示す説明図である。
圆 13]斜角探傷法により高 tZD金属管の探傷を行う状況の説明図である 圆 14]非特許文献 1により開示された発明によって金属管の内表面に屈折横波を集 束させる場合における、金属管の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波の伝搬挙 動を示す説明図であり、図 14(a)は比 (tZD)が略 15%以上の金属管を用いた場合 の屈折横波を示し、図 14(b)はこの金属管を用いた場合の屈折縦波を示し、図 14( c)は比 (tZD)が略 15%未満（10%程度)の金属管を用いた場合の屈折横波を示し
、さら〖こ、図 14(d)はこの金属管を用いた場合を示す。
圆 15]高 tZD金属管を探傷した場合に観察される反射エコーの一例を示すグラフで ある。
符号の説明
0 探傷面
1 入射波
2 屈折縦波
3 屈折横波
4 振動子
5 金属管
5a 内表面
5b 外表面
5c 内部
6 高 tZD金属管
6a 内表
6b 外表面
6c 内部
7 振動子
9 金属管 超音波探傷装置 超音波探触子 超音波探傷器 警報器 マーキング装置 振動子a 他端b 一端c 先端部 高 tZD金属管a 内表面b 外表面c 内部
集束点 初期点 パ/レサ一 プリアンプ フイノレター メインアンプ きず判定部 超音波探傷装置 振動子 超音波探触子 探触子ホルダー 下水平アーム 上下動アーム 水平動アーム 上水平アーム 38 管追従機構
39 エアシリンダ
40 超音波探傷装置
41 振動子
41a 圧電素子
42 超音波探触子
43 送信回路
44 受信回路
45 警報器
46 マーキング装置
47 金属管
47a 外面
48 パルサー
49 遅延回路 (送信遅延回路）
50 プリアンプ
51 遅延回路 (受信遅延回路）
52 加算器
53 メインアンプ
54 きず判定部
発明を実施するための最良の形態
[0031] (実施の形態 1)
以下、本発明に係る超音波探触子、超音波探傷方法及び超音波探傷装置を実施 するための最良の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の 説明では、金属製の管状被検体が、外径 Dに対する肉厚 tの比 (tZD)が 15%以上 である高 tZD金属管 16である場合を例にとる。
[0032] 図 2は、本実施の形態の超音波探傷装置 10の概略構成を示すブロック図である。
同図に示すように、本実施の形態の超音波探傷装置 10は、超音波探触子 11と、 超音波探傷器 12と、警報器 13と、マーキング装置 14とを備えるので、これらについ て順次説明する。
[超音波探触子 11]
超音波探触子 11は、慣用されるこの種の超音波探触子と同様に、吸音材や、超音 波を探傷面に対して斜めに発信するように配置された振動子 15等を収容するケーシ ングを有する。ケーシングゃ吸音材等は、いずれも、周知慣用のものでよいので、図 2における図示及びこれらについての説明は省略する。また、本実施の形態では接 触媒質として水を用い、高 tZD金属管 16の探傷面に水を満たしておくことができる ケーシングを用いた。
[0033] 本実施の形態では、振動子 15は、後述する超音波探傷器 12を構成するパルサー 19からの所定周期毎の送信信号を入力されて励振する。これにより、接触媒質であ る水 Wを介して高 tZD金属管 16の外面表面 16bに斜めに、超音波の入射波 Uを入 射する。入射波 Uは屈折縦波 U1及び屈折横波 U2からなる屈折波として、高 tZD金 属管 16の内部 16cを伝搬する。そして、高 tZD金属管 16の外表面 16b、内表面 16 a又は内部 16cに存在するきず等による屈折横波 U2の反射エコー（きずエコー等） が振動子 15により受信される。その受信信号は超音波探傷器 12に送信される。この ようにして、高 tZD金属管 16の斜角探傷が行われる。
[0034] この振動子 15の先端部 15cの一部には、少なくとも、図 1 (a)及び図 1 (b)を参照し ながら説明したように、一端 15b側力 他端 15a側にかけて曲率半径 p 力 曲率半 径^ 2へと、曲率半径が連続的に増加する非対称曲線形状の部分を有するように、 成形されている。先端部 15cがこの非対称曲線形状の部分を少なくとも有するように 精度良く成形するために、この振動子 15は、振動子として慣用されるものの硬質で 加工し難い PZT(PbZrO—PbTiO )に代表されるセラミック系圧電素子ではなぐ
3 3
加工性が良好な PZT—エポキシコンポジット圧電素子により、構成される。
[0035] この先端部 15cの非対称曲線形状の部分は、例えば以下に示す手順ステップ（以 下「S」と略記する） 1〜S8に基づいて決定される。
この先端部 15cの非対称曲線形状の部分の決定手順を説明する。図 3は、振動子 15の先端部 15cの形状を設計する手順を概略的に示すフロー図である。また、図 4 A〜図 4Dは、外径 40mm及び肉厚 1 Ommの高 tZD金属管 16を検査対象とした場 合の振動子 15の先端部 15cの形状の設計手順を示すための説明図である。
[0036] 図 3に示すように、ステップ 1において、（1)高 tZD金属管 16の形状 (外径 D及び 肉厚 t)、（2)高 tZD金属管 16における屈折横波 U2の音速 Vs、（3)高 tZD金属管 16における屈折縦波 U1の音速 VL、（4)接触媒質 (本実施形態では水）における入 射波 Uの音速 Vi、及び（5)振動子 15の高 tZD金属管 16の先端部の周方向へ沿つ た長さを条件設定する。
[0037] なお、接触媒質における入射波の音速 Viや、高 tZD金属管 16における屈折横波 U2の音速 Vs、屈折縦波 Ulの音速 VLは、それぞれ接触媒質の種類や高 tZD金属 管 16の材質等に応じた既知の数値データを用いてもょ 、し、ある 、は予め採取した 実験データを設定値として用いてもょ ヽ。
[0038] また、振動子 15の高 tZD金属管 16の先端部の周方向に沿った長さは、十分な送 受信感度が得られるとともに実際に製作可能な長さに設定すればよい。一般的に、 高 tZD金属管 16の形状や検出すべききずの寸法、さらには材質等にも依存するが 、振動子 15の高 tZD金属管 16の周方向に沿った長さは 6〜20mm程度である。そ して、 S2へ移行する。
[0039] S2では、図 4Aに示すように、（6)高 tZD金属管 16の内表面 16aにおける屈折横 波 U2の集束点 17を適宜仮設定する。
この集束点 17の仮設定では、きずの反射率を考慮することが好ましい。すなわち、 きず入射角 Θと高 tZD金属管 16の軸方向へ伸びてスリット状に存在するスリットきず の反射率 (％)との関係を説明する図 6に示すように、スリットきずでの屈折横波 U2の 反射率は、横波超音波の入射角 Θに依存する。現実に設定可能な入射角の範囲で 考えると、きず入射角 Θ力 0〜50° 程度で反射率が大きくなる。そこで、探傷精度 を高めてきずエコーの強度を高めるためには、入射角 Θ力 0〜50° 程度となり得る 集束点 17を初期値として仮設定することが望ましい。そして、 S3へ移行する。
[0040] S3では、上述した（1)、 （2)、 （4)及び (6)の条件に基づいて、仮設定した集束点 S に伝搬する屈折横波 U2の伝搬経路を演算する。すなわち、図 4Aに示すように、最 初に高 tZD金属管 16の内表面 16aに設定した集束点 17から高 tZD金属管 16の 外表面 16bへ向けて、放射状に屈折横波 U2の複数の伝搬経路 (実際には、屈折横 波 U2は外表面 16bから集束点 17へ向けて伝搬する）を描き、次に、高 tZD金属管 16の外表面 16bと接触媒質 Wとの境界面にお 、て成立するスネルの法則に基づ ヽ て、上述した (2)及び (4)の条件に基づいて入射波の入射角を算出し、屈折横波 U 2の各伝搬経路にそれぞれつながる接触媒質 Wにおける縦波超音波 Uの各伝搬経 路を算出する。そして、集束点 17に伝搬する屈折縦波 U1及び屈折横波 U2の各伝 搬経路の初期点、すなわち集束点 17と反対側の端点 18を、想定している振動子 15 と高 tZD金属管 16とのオフセット距離に略等しい距離だけ初期点 18が高 tZD金属 管 16から離間するように、かつ、各伝搬経路を迪る超音波の伝搬時間 (伝搬経路の 長さと音速とによって算出される）が互いに同じになるように決定する。
[0041] このようにして、 S1〜S3により、探傷する高 tZD金属管 16の形状 (外径 D、肉厚 t 等)と、この金属管 16における屈折横波 U2の音速 Vsと、接触媒質における入射波 の音速 Viと、金属管 16における屈折横波 U2の集束点 17とに基づいて、スネルの法 則により、集束点 17に伝搬する屈折横波 U2の伝搬経路を演算する。そして、 S4へ 移行する。
[0042] S4では、 S3において演算された伝搬経路と、上述した（5)の条件 (振動子 15の高 tZD金属管 16の周方向へ沿った長さ）とに基づいて、振動子 15の先端部 15cの形 状を演算する。すなわち、各伝搬経路の各初期点 18を順次結んだ曲線、或いは各 初期点 18から最小二乗近似法等により近似される曲線の長さを算出する。これを上 述した（5)の条件と比較して、両者が略等 ヽ長さとなるように不要な伝搬経路を端 から割愛し、残った伝搬経路の各初期点 18により求められる曲線 Dを、振動子 15の 先端部 15cの縦断面形状とする。なお、図 4Aに示す例は、高 tZD金属管 16の中心 軸に対して左右に略等しい長さの先端部形状となるように、不要な伝搬経路を割愛し た状態を示す。
[0043] このように、 S4では、 S3において演算された伝搬経路と、予め設定された振動子 1 5の、高 tZD金属管 16の周方向に沿った長さとに基づいて、上述したように曲率半 径が一端 15b側力 他端 15a側にかけて曲率半径 p 力 曲率半径 p へと連続的
1 2
に増加する非対称曲線形状となるように、振動子 15の先端部 15cの形状を演算して 決定する。そして、 S5へ移行する。 [0044] S5では、 S4において決定された振動子 15の先端部 15cの形状と、上述した（3)の 条件とに基づいて、高 tZD金属管 16の内部へ伝搬する屈折縦波 U1の伝搬経路を 演算する。すなわち、図 4Aに示すように、決定された振動子 15の先端部 15cの形状 を構成する各初期点 18から接触媒質 Wにおける各伝搬経路を迪つた入射波 Uに関 して、高 tZD金属管 16の外面 16bと接触媒質 Wとの境界面において成立するスネ ルの法則に基づいて、（3)の条件に基づいて、高 tZD金属管 16の内部 16cを伝搬 する縦波超音波 U1の屈折角を算出し、入射波 Uの各伝搬経路にそれぞれ繋がる屈 折縦波 U1の各伝搬経路を演算する。
[0045] このように、 S5では、 S2において演算された振動子 15の先端部 15cの形状と、予 め設定された金属管 16における屈折縦波 U1の音速 VLとに基づいて、スネルの法 則により、金属管 16の内部に伝搬する屈折縦波 U1の伝搬経路を演算する。そして 、 S6へ移行する。
[0046] S6では、 S5において算出した屈折縦波 U1の各伝搬経路のうち、高 tZD金属管 1 6の内表面 16aに到達する伝搬経路が存在するか否かを判断する。図 4Aに示す例 は、内表面 16aに到達する伝搬経路が存在する場合である。
[0047] 内表面 16aに到達する伝搬経路が存在する場合には、 S7に移行して、仮に定めた 屈折横波 U2の集束点 17を、例えば内周面 16aに沿って所定ピッチ離れた位置に、 変更し、上述した Sl〜6の演算を繰り返し行う。
[0048] 図 4B〜図 4Dは、この繰り返し演算の様子を示す説明図である。図 4B〜図 4Dに 示すように、集束点 17の設定位置を、高 tZD金属管 16の内表面 16aに沿って高 t ZD金属管 16の中心軸力 段階的に離間させるようにして、変更する。これにより、 図 4Dに示す状態では、屈折縦波 U1の全ての伝搬経路が高 tZD金属管 16の内表 面 16aに到達しなくなる。
[0049] 一方、内面 P2に到達する伝搬経路が存在しなくなった場合には、 S8へ移行し、直 前に演算して仮決定した振動子 15の先端部 15cの形状を、最終的に振動子 15の先 端部 15cの形状として本決定する。図 4Aに示す例では、図 4Dに示す状態となったと きの振動子 15の先端部 15cの形状を、先端部 15cの形状として本決定する。
[0050] このように、 S6〜8では、 S5において演算された屈折縦波 U1の伝搬経路のうち、 高 tZD金属管 16の内表面 16aに到達する伝搬経路が存在する場合には、高 tZD 金属管 16の内表面 16aに到達する伝搬経路が存在しなくなるまで屈折横波 U2の集 束点 17を変更して、 S1から S3までの演算を繰り返すとともに、高 tZD金属管 16の 内表面 16aに到達する伝搬経路が存在しなくなった場合には、その際の S2で演算し た形状を、振動子 15の先端部 15cの形状として決定する。
[0051] 以上に説明した手順 S l〜8によって、振動子 15の先端部 15cは、曲率半径が一端 15b側から他端 15a側にかけて曲率半径 p 力も曲率半径 p へと連続的に増加する
1 2
非対称曲線形状として決定される。
[0052] なお、以上の説明は、振動子 15の先端部 15cの全域力 Sこの非対称曲線形状を呈 する場合であるが、これに限定されるものではなぐ例えば、先端部 15cの一部の領 域がこの非対称曲線形状を呈するとともに、先端部 15cの残余の領域がこの非対称 曲線形状以外の形状 (例えば直線形状や円弧形状等)を呈する場合であってもよ 、 。例えば、振動子 15の先端部 15cの周方向の内部に非対称曲線形状の部分が存在 し、この非対称曲線形状の部分の一方又は両方の端部に非対称曲線形状以外の部 分が存在する場合も、本発明に包含される。
[0053] 高 tZD金属管 16の斜角探傷を行うためには、高 tZD金属管 16の比 (tZD)が大 きくなるにつれて、振動子 15の先端部 15cに形成する非対称曲線形状の部分が先 端部 15cの周方向の全域に対して占める割合を増加することとなる。しかし、比 (tZ D)が 15%程度の場合にはこの割合は 70%である。このため、振動子 15の先端部 1 5cに形成する非対称曲線形状の部分が先端部 15cの周方向の全域に対して占める 割合は、検査対象が 15%以上の比 (tZD)の高 tZD金属管 16に対しては、 70%以 上であることが望ましぐ 80%以上であることがさらに望ましい。
[0054] また、曲率半径 p と、曲率半径 p との関係は、 p < p であればよい。この曲率
1 2 1 2
半径は、測定対象である管の外径や肉厚との関係で適宜規定すればよぐこれによ り、屈折縦波の多重反射を生じることなぐ特定の比 (tZD)の高 (tZD)管の斜角探 傷を行うことができる。
[0055] なお、以上に説明した手順 Sl〜8は、設計者がその都度作図することによって実 行しても良いが、プログラム化して自動的に実行することも無論可能であり、設計効 率の点では後者の方が望ま U、。
[0056] また、図 4A〜図 4Dでは、説明を容易にするために、 2次元で超音波の伝搬経路を 解析することによって、従来の円柱面形状と同様に、高 tZD金属管 16の軸方向の 振動子 15の各断面の端部が一様な曲線となるような先端部 15cの形状の設計手順 を例にとって説明した。しかし、 3次元で超音波の伝搬経路を解析することにより、高 t ZD金属管 16の軸方向の振動子 15の各断面の端部が一様な曲面となるような先端 部 15cの形状を設計するようにしてもょ ヽ。
[0057] 図 5は、 3種の寸法（外径 40mmかつ肉厚 10mm、外径 26mmかつ肉厚 6. 5mm、 外径 60mmかつ肉厚 15mm)の高 tZD金属管 16について、上述した手順 S 1〜8に 基づいて、振動子 15の先端部 15cの形状を設計した結果の一例を示す説明図であ る。この図 5では、高 tZD金属管 16の各種寸法に応じて設計された振動子 15の先 端部 15cの形状の違いを明瞭にするために、設計された先端部 15cの形状を、水平 方向及び鉛直方向に平行移動して位置を揃えて示す。
[0058] 図 5に示すように、これらの先端部 15cの形状は、曲率半径が一端 15b側力も他端 15a側にかけて曲率半径 p 力 曲率半径 p へと連続的に増加する非対称曲線形
1 2
状である。
[0059] 図 5に示すように、本実施の形態は、図 4A〜図 4Dを参照しながら説明した外径 40 mmかつ肉厚 10mmである高 tZD金属管 16に限定して適用されるものではなぐ通 常の比 (tZD)の金属管や、各種寸法の高 tZD金属管に対しても、同様に適用可 能である。
[0060] 以上説明した超音波探触子 11は、振動子 15から直接に入射波 Uを発信するよう に構成される力 これとは異なり、振動子 15の超音波発信方向の前方に、例えばァ クリル樹脂等により製作した音響レンズ (図示しない）を配置しておき、この音響レンズ を介して、高 tZD金属管 16に入射波 Uを斜めに入射し、高 tZD金属管 16の内部を 伝搬する屈折縦波 U1及び屈折横波 U2を発生するようにしてもよい。この場合、振動 子 15は通常の円弧形状の先端部を有するようにするとともに、音響レンズの先端部 を、曲率半径が一端側力ゝら他端側へかけて曲率半径 p カゝら曲率半径 p へと連続
1 2 的に増加する非対称曲線形状とすればよい。このようにすることにより、振動子 15とし て PZTに代表される加工性が低いものの良好な圧電効果を有するセラミック系圧電 素子を用いることができるので、振動子 15の性能向上を図ることができる。
[0061] 本実施の形態の超音波探触子 11は、以上のように構成される。
[超音波探傷器 12]
図 2に示すように、本実施形態に係る超音波探傷器 2は、パルサー 19と、プリアン プ 20と、フィルター 21と、メインアンプ 22と、きず判定部 23とを備える。
[0062] パルサー 19及びプリアンプ 20は、いずれも、同軸ケーブルひこより、超音波探触子 11のケーシング後部に設けられた連結栓 ( 、ずれも図示しな!、）を介して、振動子 1 5に接続される。パルサー 19から振動子 15に所定周期毎の送信信号が入力され、こ れにより振動子 15は励振され、接触媒質としての水 Wを介して高 tZD金属管 16に 入射波 Uが入射される。そして、入射波 Uは屈折縦波 U1及び屈折横波 U2からなる 屈折波として高 tZD金属管 16の内部を伝搬する。その反射エコー (きずエコーなど )が振動子 15で受信され、その受信信号が同軸ケーブル Cを介してプリアンプ 20に 送信される。受信信号はプリアンプ 20で増幅され、フィルター 21によって所定周波 数帯域でのフィルタリングが施された後、メインアンプ 22でさらに増幅される。メインァ ンプ 22からの出力信号は、きず判定部 23にお 、て予め定められた所定のしき 、値と 比較される。そして、きず判定部 23は、このしきい値以上の出力信号であればきず有 りと判定し、きずありと判定した場合には、警報器 3やマーキング装置 4への動作指令 を出力する。
[0063] 本実施の形態の超音波探傷器 12は、以上のように構成される周知慣用のものであ るので、超音波探傷器 12に関するこれ以上の説明は省略する。
[警報器 13]
警報機 13は、超音波探傷器 12からの動作指令に基づいて、警報音を出力する。
[0064] 本実施の形態の警報器 13は、以上のように構成される周知慣用のものであるので 、警報器 13に関するこれ以上の説明は省略する。
[マーキング装置 14]
マーキング装置 14は、超音波探傷器 12からの動作指令に基づいて、高 tZD金属 管 16の表面に所定のマーキングを施す。 [0065] 本実施の形態のマーキング装置 14は、以上のように構成される周知慣用のもので あるので、マーキング装置 14に関するこれ以上の説明は省略する。
このように構成される本実施の形態の超音波探傷装置 10を用いて、高 tZD金属 管 16の探傷を行う状況を説明する。
[0066] 本実施の形態では、図 2に示すように、超音波探傷の対象である高 tZD金属管 16 の中心位置から見て、本実施の形態の超音波探傷装置 10を構成する超音波探触 子 11の振動子 15の先端部 15cにおける一端 15b側が高 tZD金属管 16における屈 折波の非伝搬方向側（図 2の高 tZD金属管 16の右側）に位置するとともに、振動子 15の先端部 15cにおける他端 15a側が屈折波の伝搬方向側（図 1 (a)の紙面左側） に位置するように、この振動子 15を高 tZD金属管 16に対して配置して斜角探傷を 行う。
[0067] つまり、超音波探触子 11は、高 tZD金属管 16に対して、振動子 15の先端部 15c の一端 15b側が高 tZD金属管 16における屈折波の非伝搬方向側（図 2の高 tZD 金属管 16の右側）〖こ位置するとともに、振動子 15の先端部 15cの他端 15a側が屈折 波の伝搬方向側（図 2の高 tZD金属管 16の左側）〖こ位置するように、配置されれば よい。
[0068] つまり、このように超音波探触子 11を高 tZD金属管 16に対して配置すると、図 2に 示すように、曲率半径の大きい他端 15a側力 送信される入射波 Uの入射角及び屈 折縦波 U1の屈折角を大きく確保することができる。
[0069] したがって、本実施の形態によれば、比（tZD)が 15%以上である高 tZD金属管 1 6の内部を伝搬する屈折波 2、 3のうち屈折横波 U2は集束するとともに屈折縦波 U1 は金属管 16の内表面 16aに到達しな 、ようにすることができるので、屈折横波 U2が 集束することによって微小なきずからの反射エコー強度が高まるとともに、屈折縦波 U1が金属管 16の内表面 16aに到達しない伝搬経路を迪るために屈折縦波による多 重反射エコーの発生を解消できる。これにより、特に高 tZD金属管 16に対しても高 精度な斜角探傷を確実に行うことができる。
[0070] このため、本実施の形態によれば、比 (tZD)が例えば 15%以上である高 tZD金 属管 16の内部に存在する微小なきずを、検査能率の低下や検査コストの上昇を伴う ことなぐ斜角探傷により高精度で確実に探傷することができるようになる。
[0071] 以上に説明した構成を有する超音波探傷装置 10によって高 tZD金属管 16を探 傷する際、高 tZD金属管 16は、周方向へ回転しながら軸方向へ搬送され、これによ り、高 tZD金属管 16の略全面に亘る探傷が可能となる。ただし、これに限るものでは なぐ高 tZD金属管 16を軸方向に直進搬送しながら、超音波探触子 10を高 tZD金 属管 16の周方向に回転させるようにしてもょ 、。
[0072] なお、本実施の形態に係る超音波探傷装置 10は、例えば、自動車部品等に用い られるメカ-カルチューブや高温環境下で使用されるステンレス鋼管等といった、比（ t/D)が 15%以上である鋼管の内部を探傷するのに、特に好適である。
[0073] 図 7は、この本実施の形態に係る超音波探傷装置 10によって高 tZD金属管からな るメカ-カルチューブの内面に存在する深さ 0. 1mmの微小きずを探傷した際に得ら れた、メインアンプ 24の出力信号波形である探傷波形の一例を示すグラフである。
[0074] 図 7にグラフで示すように、本実施の形態に係る超音波探傷装置 10によれば、屈 折波 U1及び U2のうち屈折横波 U2が高 tZD金属管 16の内部で集束することによ つて微小きず力もの反射エコー強度が高まるとともに、同時に発生する屈折縦波 U1 が高 tZD金属管 16の内表面 16aに到達しな 、伝搬経路を迪るため、屈折縦波 U 1 による多重反射エコーを抑制することができ、きずエコーのみを良好な SN比で検出 することが可能である。
(実施の形態 2)
図 8は、本実施の形態の超音波探傷装置 30の概略構成を示す説明図である。
[0075] 図 8に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置 30は、振動子 31、 31をそれ ぞれ有する 2基の超音波探触子 32と、超音波探傷器 (図示せず)と、警報器 (図示せ ず)と、マーキング装置（図示せず)とを備える。なお、図示しない超音波探傷器、警 報器及びマーキング装置は、上述した実施の形態 1と同様の構成であるため、その 説明は省略する。
[0076] さらに、この超音波探傷装置 30は、振動子 31、 31をそれぞれ保持する探触子ホル ダー 33、 33と、探触子ホルダー 33、 33をそれぞれ保持する下水平アーム 34、 34と 、下水平アーム 34、 34を支持するとともに上水平アーム 37と上下方向について連結 された上下動アーム 35、 35と、上下動アーム 35、 35の上部に固定されるとともに上 水平アーム 37の上面を上水平アーム 37の延設方向（図 8における左右方向）へ移 動自在に配置された水平動アーム 36、 36と、水平動アーム 36、 36及び上下動ァー ム 35、 35を水平方向に移動自在に搭載するとともにエアーシリンダ 39により昇降自 在に支持される上水平アーム 37と、ェアーシリンダ 39により昇降自在に支持される 管追従機構 38と、エアシリンダ 39とを備える。
[0077] 探触子ホルダー 33、 33は、下水平アーム 34、 34、上下動アーム 35、 35、水平動 アーム 36、 36さらには上水平アーム 37を介して、管追従機構 38に連結されている。 管追従機構 38は、エアシリンダー 37に連結されて上下動する。管追従機構 38が上 下動する際には、下水平アーム 34、 34、上下動アーム 35、 35、水平動アーム 36、 3 6さらには上水平アーム 37も上下動し、これにより、探触子ホルダ 33、 33も一体とな つて上下動する。
[0078] 超音波探触子 32, 32を構成する振動子 31, 31は、測定対象である金属管 9の材 質 (超音波の屈折縦波、屈折横波の音速)、外径 D、肉厚 t等に応じて、その先端部 1S 図 1に示すように、一端 15b側力 他端 15a側にかけて曲率半径 p 力 曲率半 径^ 2へと、曲率半径が連続的に増加する非対称曲線形状に成形されており、探触 子ホルダー 33、 33に手動又は自動的に装填される。
[0079] 振動子 31、 31は、上下動アーム 35及び水平動アーム 36を駆動して、金属管 9に 対して、振動子 31、 31の一端 15b側が金属管 9における屈折波の非伝搬方向側（図 8では左側の振動子 31では金属管 9の右側部分、右側の振動子 31では左側部分） に位置するとともに、他端 15a側が屈折波の伝搬方向側（図 8では左側の振動子 31 では金属管 9の左側部分、右側の振動子 31では右側部分）〖こ位置するように、配置 した。
[0080] 振動子 31、 31と金属管 9との相対的な位置関係がずれると、振動子 31、 31の先端 部 31c、 31cの非対称曲線形状を決定する際に想定した金属管 9における横波超音 波の集束点（図 2における符号 17)の位置がずれることになるため、きず検出能が低 下する。したがって、振動子 31, 31と金属管 9との相対的な位置関係を精度良く設 定するために、上下動アーム 35, 35及び水平動アーム 36、 36としてリニアガイドを 用いることが好ましい。
[0081] 以上の構成を有する超音波探傷装置 30によって金属管 9を探傷する際には、内部 への水侵入防止用の栓（図示せず）によりで金属管 9の先端部を閉塞した状態で、金 属管 9を周方向へ回転させながら軸方向へ搬送しながら、探傷用水槽（図示せず)を 通過させる。
[0082] このとき、所定の材料検知センサによって金属管 9の先端部を検知したタイミングで エアシリンダー 37が起動し、これにより管追従機構 38、上下動アーム 35、 35、水平 動アーム 37及び探触子ホルダー 36、 36がー体となって下降し、管追従機構 38が適 当な圧力で金属管 38の外面に押し付けられる。
[0083] 適当な圧力で押し付けられた管追従機構 38は、上下左右に所定の範囲だけ可動 に構成されており、その下面が金属管 9の外面に接触した状態を保ちながら、金属管 9の搬送時のガタに追従して上下左右に移動する。この際、管追従機構 38に連結さ れた上下動アーム 35、 35、水平動アーム 36、 36及び探触子ホルダ 38も上下左右 に追従して移動する。これにより、探触子ホルダ 33、 33に装填された振動子 31、 32 と金属管 9との相対的な位置関係は一定に保たれる。
[0084] このようにして、本実施形態に係る超音波探傷装置 30によっても、屈折横波が集束 することによって微小きずからの反射エコー強度が高まるとともに、同時に発生する 屈折縦波が金属管 9の内面に到達しない伝搬経路を迪るため、屈折縦波による多重 反射エコーの発生を解消することができ、きずエコーのみを良好な SN比で検出する ことが可能である。
[0085] なお、図 8に示す超音波探傷装置 30では、金属管 9中の屈折波の伝搬方向が時 計回り及び反時計回りの 2方向になるように、振動子 31、 31を 2個配設する形態を例 にとつたが、探傷効率をより一層向上させるためには、例えば、屈折波の伝搬方向が 時計回り及び反時計回りとなる振動子 31を金属管 9の軸方向に沿ってそれぞれ複数 個ずっ配設することも可能である。
(実施の形態 3)
本実施の形態 3では、上述した実施の形態 1、 2とは異なり、振動子が、並設された 複数の振動発生素子により平板状に構成されている場合を説明する。 [0086] 図 9は、本実施の形態に係る超音波探傷装置 40の概略構成を示すブロック図であ る。同図に示すように、本実施の形態に係る超音波探傷装置 40は、振動子 41を備 える超音波探触子 42と、送信回路 43と、受信回路 44と、警報器 45と、マーキング装 置 46とを備える。なお、警報器 45及びマーキング装置 46は、上述した実施の形態 1 と同様の構成であるため、その説明は省略する。
[0087] 本実施の形態に係る超音波探触子 42を構成する振動子 41は、金属管 47の外面 4 7aに対向配置され、複数個（例えば、 32個）の微小な片状の圧電素子 41aを金属管 47の軸方向に直交する方向へ、例えば 0. 5mm間隔で直線状に並設 (配列）して構 成される。すなわち、この超音波探触子 42はいわゆるアレイ探触子である。
[0088] 送信回路 43は、振動子 41が具備する圧電素子 41aの数と同数のパルサー 48及 び遅延回路 (送信遅延回路) 49を具備する。各パルサー 48は、振動子 41の各圧電 素子 41aに接続されるとともに、各遅延回路 49に接続される。各圧電素子 41aは、各 圧電素子 41aに接続された各パルサー 48からの所定周期毎の送信信号で励振され 、接触媒質としての水 Wを介して金属管 47に超音波の入射波 Uを入射する。
[0089] ここで、各パルサー 48から送信信号を送信するタイミングは、各遅延回路 49によつ て設定された送信遅延時間に応じて各パルサー 48毎に異ならせることが可能であり 、後述するように各パルサー 48の送信遅延時間を適宜設定することにより、実施の 形態 2で示した、先端部が非対称円弧形状の振動子力 超音波の入射波 Uを送 信する態様と同様の態様が実現される。
[0090] 金属管 47に入射した入射波 Uは、屈折縦波 U1及び屈折横波 U2からなる屈折波 として金属管 47の内部 47cに伝搬し、その反射エコーは振動子 41の圧電素子 41a によって受信され、その受信信号が受信回路 44に送信される。
[0091] 受信回路 44は、振動子 41が具備する圧電素子 41aの数と同数のプリアンプ 50及 び遅延回路 (受信遅延回路) 51を具備する。また、受信回路 44は、加算器 52と、メイ ンアンプ 53と、きず判定部 54とを備える。各プリアンプ 50は、振動子 41の各圧電素 子 41aに接続されるとともに、各遅延回路 51に接続される。各圧電素子 41aからの受 信信号は、各圧電素子 41aに接続された各プリアンプ 50によって増幅された後、各 プリアンプ 50に接続された各遅延回路 51によって、各圧電素子 41aの送信遅延時 間 (各圧電素子 41aに接続された各パルサー 48の送信遅延時間）と同じ受信遅延時 間の遅延を施される。各遅延回路 51の出力信号は、受信回路 44が具備する加算器 52によって加算された後、メインアンプ 53によって増幅される。メインアンプ 53からの 出力信号は、実施の形態 1のきず判定部 23と同様の構成であるきず判定部 54に入 力され、きずの有無が判定される。
[0092] 以下、前述した送信遅延時間及び受信遅延時間の設定方法につ!、て説明する。
図 10は、送信遅延時間及び受信遅延時間の設定方法を説明するための説明図で ある。同図に示すように、送信遅延時間及び受信遅延時間を設定するに際し、先ず 最初に、実施の形態で説明した、図 3に示す手順 Sl〜8と同様の手順で設計した非 対称曲線形状 Dの水平方向（図 10の左右方向）の長さと、振動子 11の長さとを比較 し、両者が略同じ長さとなるように、使用する圧電素子 41aを選択する。選択された圧 電素子 4 laの纏まりを選択素子群と ヽぅ。
[0093] 次に、この選択素子群を構成する各圧電素子 41aの中心座標と，非対称曲線形状 Dとの相対距離を、いずれかの圧電素子 41aと非対称円弧形状との相対距離を 0とし て、それぞれ算出する。図 10では、右端の圧電素子 41aと非円弧形状 Dとの相対距 離を 0とした)。そして、各相対距離を接触媒質 Wにおける入射波 Uの音速で除した 値を、各圧電素子 41aに対応する送信遅延時間及び受信遅延時間として設定する。
[0094] 以上に説明した方法により、送信遅延時間及び受信遅延時間を設定することにより 、断面端形状が非対称曲線形状 Dとされた振動子 41を用いて超音波を送受信する 場合と同様の挙動を示すことになる。すなわち、図 9に示すように、金属管 47の内部 47cに伝搬する屈折縦波 U1及び屈折横波 U2からなる屈折波において、屈折横波 U2が集束するとともに屈折縦波 U1が金属管 47の内面 47aに到達しないことになる 。したがって、屈折横波 U2が集束することによって微小きずからの反射エコー強度 が高まるとともに、同時に発生する屈折縦波 U1による多重反射エコーの発生を解消 することができるため、きずエコーのみを良好な SN比で検出することが可能である。
[0095] 本実施形態に係る超音波探傷装置 40は、超音波探触子 42が、多数の圧電素子 4 laにより振動子 41が構成されて、アレイ探触子として構成され、各圧電素子 41aに ついて超音波送受信の遅延時間を適宜設定することにより、実施の形態 1、 2により 説明した、先端部が非対称曲線形状を有する振動子を備える超音波探触子を模擬 するものである。
[0096] すなわち、複数の振動発生素子それぞれから発振される超音波の干渉によって、 曲率半径が一端側力 他端側にかけて連続的に増加する非対称曲線形状の部分を 少なくとも有する波面を備える入射波を発振することができるように、構成される。これ により、各圧電素子 41aの配列が、本実施の形態のように直線条に配列されて固定 された振動子 41を用い、超音波送受信の遅延時間を適宜変更するだけで、多種の 非対称曲線形状の先端部を有する振動子と同等の作用効果を奏する振動子を提供 することができる。
[0097] したがって、金属管 47の材質、外径 Dさらには肉厚 t等に応じて多数の非対称曲線 形状の振動子を準備する必要が無くなり、ランニングコストの上昇を抑制することがで きる。また、金属管 47の材質、外径 Dさらには肉厚 t等に応じて非対称曲線形状の振 動子を取り替える必要がないため、段取り替え等に要する時間を短縮することができ 、検査能率を向上することもできる。
[0098] なお、本実施の形態では、振動子 41として各圧電素子 41aを直線状に配列したァ レイ探触子を適用する場合について説明したが、本発明はこれに限るものではなぐ 各配列に応じた超音波の送受信の遅延時間を設定しさえすれば、円弧状や多角状 に配列したアレイ探触子を適用することも可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 内蔵される振動子から、金属製の管状被検体に超音波を斜めに入射し、該管状被 検体の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波を発生することによって該管状被検 体を探傷する超音波探触子であって、前記振動子の先端部は、少なくとも、曲率半 径が一端側から他端側にかけて連続的に増加する非対称曲線形状の部分を有する ことを特徴とする超音波探触子。
[2] 内蔵される振動子と、該振動子の超音波発信方向の前方に配置された音響レンズと を備え、該音響レンズを介して、金属製の管状被検体に超音波を斜めに入射し、該 管状被検体の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波を発生することによって該管 状被検体を探傷する超音波探触子であって、前記音響レンズの先端部は、少なくと も、曲率半径が一端側力 他端側にかけて連続的に増加する非対称曲線形状の部 分を有することを特徴とする超音波探触子。
[3] 内蔵される振動子から、金属製の管状被検体に超音波を斜めに入射し、該管状被 検体の内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波を発生することによって該管状被検 体を探傷する超音波探触子であって、前記振動子は並設された複数の振動発生素 子により構成されるとともに、前記複数の振動発生素子それぞれから発振される超音 波の干渉によって、曲率半径が一端側力 他端側にかけて連続的に増加する非対 称曲線形状の部分を少なくとも有する波面を備える入射波が発振されることを特徴と する超音波探触子。
[4] 前記複数の振動発生素子それぞれの超音波送受信の遅延時間を調整することによ つて前記入射波を発振するための遅延時間調整装置を備える請求項 3に記載され た超音波探触子。
[5] 前記振動子の超音波発信方向の前方に配置された音響レンズを備えることを特徴と する請求項 4に記載された超音波探触子。
[6] 前記管状被検体は、外径に対する肉厚の比が 15%超の金属管である請求項 1から 請求項 5までのいずれか 1項に記載された超音波探触子。
[7] 金属製の管状被検体の中心位置から見て、請求項 1又は請求項 2に記載された超 音波探触子を構成する振動子又は音響レンズの先端部における曲率半径が小さい 端部側が前記管状被検体における屈折波の非伝搬方向側に位置し、かつ該曲率半 径が大きい端部側が前記屈折波の伝搬方向側に位置するとともに、前記管状被検 体の内面に到達しない屈折縦波と該金属管の内面で集束する屈折横波とを生成す る入射波を発信することができるように、前記超音波探触子を前記管状被検体に対 して配置して、斜角探傷を行うことを特徴とする超音波探傷方法。
[8] 金属製の管状被検体の中心位置から見て、請求項 3から請求項 5までのいずれか 1 項に記載された超音波探触子を構成する振動子から発振される入射波の波面にお ける曲率半径力 、さい端部側が前記管状被検体における屈折波の非伝搬方向側に 位置し、かつ該波面における曲率半径が大き!/、端部側が前記屈折波の伝搬方向側 に位置するとともに、前記管状被検体の内面に到達しない屈折縦波と該管状被検体 の内面で集束する屈折横波とを生成する入射波を発信することができるように、前記 超音波探触子を前記管状被検体に対して配置して、斜角探傷を行うことを特徴とす る超音波探傷方法。
[9] 請求項 7又は請求項 8に記載された超音波探傷方法を用いて、外径に対する肉厚の 比が 15%超の特定の値である金属製の管状被検体を斜角探傷することを特徴とす る超音波探傷方法。
[10] 請求項 1から請求項 6までの 、ずれか 1項に記載された超音波探触子を備えることを 特徴とする超音波探傷装置。
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