WO2013114639A1 - 超音波探傷方法、超音波探傷装置、および管材製造方法 - Google Patents

超音波探傷方法、超音波探傷装置、および管材製造方法 Download PDF

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孝文 尾関
穣 松井
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Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic flaw detection method, an ultrasonic flaw detection apparatus, and a pipe material manufacturing method that detect defects on the inner surface of a subject such as a metal tube using ultrasonic waves.
  • an ultrasonic flaw detection method using ultrasonic waves has been widely applied as a quality assurance means for detecting defects generated during the manufacture of metal steel materials such as steel pipes, bar steel, shaped steel, and thick plates.
  • oblique inspection and vertical inspection are generally used for metal pipes such as steel pipes.
  • Bevel inspection is mainly used to detect cracked defects on the inner and outer surfaces of a metal tube, and the ultrasonic beam direction is used to detect defects parallel to the axial or circumferential direction of the tube.
  • the oblique angle probes are arranged in two directions in each of the axial direction and the circumferential direction, that is, a total of four directions.
  • the vertical flaw detection is applied to the detection of the inclusions contained in the inside of the metal tube and the thickness measurement.
  • the entire length of the subject is inspected in a spiral shape while rotating the steel pipe or the probe.
  • defect detection is performed in which the presence / absence of a defect echo is determined every time an ultrasonic wave is transmitted / received.
  • Patent Document 1 describes that a defect near the surface of a metal tube is detected by an ultrasonic flaw detection method.
  • a two-dimensional image obtained by combining the flaw detection signals obtained while moving by adjusting the position so that the bottom echoes are aligned is created, and defects are extracted from the two-dimensional image.
  • the present invention has been made in view of the above, and an ultrasonic flaw detection method that can detect even a dent defect or a wrap-shaped shallow defect generated on the inner surface of a metal pipe such as a steel pipe.
  • An object of the present invention is to provide an ultrasonic flaw detector and a pipe material manufacturing method.
  • an ultrasonic flaw detection method for detecting defects on the inner surface of a metal tube using ultrasonic waves, wherein the inner surface A waveform holding step for acquiring and holding waveform data of an echo signal when the ultrasonic probe for generating an ultrasonic signal and the metal tube are relatively moved toward the waveform, and the held waveform data A signal analysis step for calculating a path until the echo signal is received from the inner surface and a rate of change of the path, and a defect of the inner surface based on the path and the rate of change of the path. And a defect detection step of detecting.
  • the defect detection step is a portion in which the path is less than a predetermined path threshold or a change rate of the path is more than a predetermined path change rate threshold. It is determined that there is a defect, and it is determined that there is no defect in a portion that does not satisfy the condition.
  • the signal analysis step further calculates a height of an echo signal from the inner surface based on the held waveform data, and the defect
  • the detection step it is determined that there is a defect in a portion that satisfies the condition that the path is less than or equal to a predetermined path threshold, or the rate of change of the path is greater than or equal to a predetermined path change rate threshold and the height is less than or equal to a predetermined height threshold. , It is determined that there is no defect in a portion that does not satisfy the condition.
  • the signal analysis step further calculates a height of an echo signal from the inner surface based on the held waveform data, and the defect
  • the detecting step uses the position where the path is less than a predetermined path threshold, or the rate of change of the path is greater than or equal to a predetermined path change rate threshold, and the rate of change of the path is greater than or equal to a predetermined path change rate threshold as a reference position. Determining that there is a defect in a portion where the height within the search range preset with respect to the reference position satisfies a condition not exceeding the predetermined height threshold, and determining that there is no defect in the portion that does not satisfy the condition It is characterized by.
  • the signal analysis step analyzes a noise level of a noise component in a portion where there is no echo signal based on the held waveform data, and the analysis is performed.
  • a threshold value for echo signal detection is determined based on the result, and the path length is calculated by detecting the echo signal based on the determined threshold value.
  • the ultrasonic flaw detector according to the present invention is an ultrasonic flaw detector that detects defects on the inner surface of a metal tube using ultrasonic waves, and generates an ultrasonic signal toward the inner surface.
  • a waveform holding unit that acquires and holds waveform data of an echo signal when the probe and the metal tube are relatively moved, and an echo signal from the inner surface based on the held waveform data
  • a signal analysis unit that calculates a path until the path is received and a rate of change of the path, and a defect detection unit that detects a defect of the inner surface based on the path and the rate of change of the path. It is characterized by.
  • the defect detection unit is a portion that satisfies a condition that the path is less than a predetermined path threshold or a change rate of the path is greater than or equal to a predetermined path change rate threshold. It is determined that there is a defect, and it is determined that there is no defect in a portion that does not satisfy the condition.
  • the signal analysis unit further calculates a height of an echo signal from the inner surface based on the held waveform data, and the defect
  • the detecting unit determines that there is a defect in a portion that satisfies the condition that the path is equal to or less than a predetermined path threshold, or the rate of change of the path is equal to or higher than a predetermined path change rate threshold and the height is equal to or lower than a predetermined height threshold. , It is determined that there is no defect in a portion that does not satisfy the condition.
  • the signal analysis unit further calculates a height of an echo signal from the inner surface based on the held waveform data, and the defect
  • the detection unit uses the position where the path is equal to or less than a predetermined path threshold or the rate of change of the path is equal to or higher than a predetermined path rate of change threshold and the rate of change of the path is equal to or higher than a predetermined path change rate as a reference position. Determining that there is a defect in a portion where the height within the search range preset with respect to the reference position satisfies a condition not exceeding the predetermined height threshold, and determining that there is no defect in the portion that does not satisfy the condition It is characterized by.
  • the signal analysis unit analyzes a noise level of a noise component in a portion where there is no echo signal based on the held waveform data, and the analysis is performed.
  • a threshold value for echo signal detection is determined based on the result, and the path length is calculated by detecting the echo signal based on the determined threshold value.
  • the tube material manufacturing method is a tube material manufacturing method for manufacturing a tube material by subjecting a metal material to at least a heating step, a punching step, a rolling step, a reheating step, a molding step, and an inspection step.
  • the inspection step the waveform holding for acquiring and holding the waveform data of the echo signal when the ultrasonic probe generating the ultrasonic signal toward the inner surface of the pipe and the pipe is relatively moved
  • a step a signal analysis step for calculating a path until the echo signal from the inner surface is received based on the held waveform data, and a rate of change of the path, and the path and the rate of change of the path
  • a defect detection step of detecting a defect on the inner surface the waveform holding for acquiring and holding the waveform data of the echo signal when the ultrasonic probe generating the ultrasonic signal toward the inner surface of the pipe and the pipe is relatively moved
  • a step a signal analysis step for calculating a path until the echo signal from the inner surface is received based on the held wave
  • the defect detection step is a portion where the path is less than a predetermined path threshold or a change rate of the path is more than a predetermined path change rate threshold. It is determined that there is a defect, and it is determined that there is no defect in a portion that does not satisfy the condition.
  • the signal analysis step further calculates a height of an echo signal from the inner surface based on the held waveform data, and detects the defect.
  • the process determines that there is a defect in a portion that satisfies the condition that the path is less than or equal to a predetermined path threshold, or the change rate of the path is greater than or equal to a predetermined path change rate threshold and the height is less than or equal to a predetermined height threshold, It is determined that there is no defect in a portion that does not satisfy the condition.
  • the signal analysis step further calculates a height of an echo signal from the inner surface based on the held waveform data, and detects the defect.
  • the step includes setting a reference position at a position where the path is less than or equal to a predetermined path threshold, or a change rate of the path is greater than or equal to a predetermined path change rate threshold and the path change rate is greater than or equal to a predetermined path change rate threshold. Determining that there is a defect in a part that satisfies the condition that the height within a search range preset for a position satisfies a predetermined height threshold value or less, and determining that there is no defect in a part that does not satisfy the condition Features.
  • the signal analysis step analyzes a noise level of a noise component in a portion where there is no echo signal based on the held waveform data, and the analysis result A threshold for echo signal detection is determined based on the threshold, and the path is calculated by detecting the echo signal based on the determined threshold.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an ultrasonic flaw detector according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an ultrasonic flaw detection processing procedure by the processing apparatus of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of ultrasonic data stored in the waveform memory.
  • FIG. 4 is a diagram showing the beam path length, the beam path length change rate, and the defect detection result obtained based on the ultrasonic data shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the B scope in the vicinity of the bottom surface echo in the defect portion.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an ultrasonic flaw detection processing procedure by the processing apparatus of the second embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an ultrasonic flaw detector according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an ultrasonic flaw detection processing procedure by the processing apparatus of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing the echo height, beam path length, beam path length change rate, and defect detection result obtained in the second embodiment based on the ultrasound data shown in FIG.
  • FIG. 8 is a flowchart showing an ultrasonic flaw detection processing procedure by the processing apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of ultrasonic data to which the third embodiment is applied.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining threshold values for detecting bottom surface echoes according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram showing a change in the beam path length change rate with respect to the defect when the threshold shown in FIG. 10 is changed.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a state of ultrasonic flaw detection with respect to a wrap-like defect.
  • FIG. 13 is a flowchart showing an ultrasonic flaw detection processing procedure by the processing apparatus according to the fourth embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram showing a detection state of a wrap-like defect according to the fourth embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of a tube material manufacturing method having an inspection process to which the ultrasonic flaw detection methods of Embodiments 1 to 4 are applied.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an ultrasonic flaw detector according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the defect BW which exists in the inner surface B of the steel pipe 1 as a metal pipe material which is a test object is detected.
  • the defect BW includes a dent defect due to foreign matter biting during rolling and a shallow wrap-like defect.
  • an ultrasonic probe 2 for transmitting and receiving ultrasonic signals is provided in the vicinity of the outer surface S of the steel pipe 1, an ultrasonic probe 2 for transmitting and receiving ultrasonic signals is provided.
  • the steel pipe 1 and the ultrasonic probe 2 relatively move around the steel pipe 1 in a spiral shape. This relative movement may be performed by fixing the ultrasonic probe 2 and rotating the steel pipe 1, or fixing the steel pipe 1 and rotating the ultrasonic probe 2 around the steel pipe 1. Alternatively, both the steel pipe 1 and the ultrasonic probe 2 may be moved.
  • the ultrasonic control device 3 controls transmission / reception of ultrasonic signals by the ultrasonic probe 2 and outputs ultrasonic signals received at a predetermined pitch to the A / D converter 4.
  • the A / D conversion unit 4 converts the received ultrasonic signal, which is an analog signal, into a digital signal and outputs the digital signal to the processing device 10.
  • the analog ultrasonic signal is a received RF signal or a signal after detection by the ultrasonic control device 3, and the horizontal axis is time (distance) information and the vertical axis is signal amplitude information.
  • a scope data The A / D converter 4 has a sampling frequency and resolution sufficient to sample the A scope data.
  • the processing apparatus 10 includes a waveform memory 11, a signal analysis unit 12, a defect detection unit 13, an input / output unit 14, and a control unit 15.
  • the waveform memory 11 holds the A scope data in a predetermined section including the entire length of the steel pipe 1 or a specific range as B scope data under the control of the control unit 15 (see FIG. 3).
  • the B scope data is drawn as a tomographic image in which the horizontal axis is the azimuth (movement distance) and the vertical axis is the distance in the transmission / reception direction of the ultrasonic signal. Therefore, the waveform memory has a capacity capable of holding the B scope data in the entire length of the steel pipe 1 or in a predetermined section.
  • the waveform memory 11 needs to have a memory capacity capable of storing 250 ⁇ 10,000 two-dimensional data.
  • the control unit 15 acquires ultrasonic data (B scope data) of a predetermined section input from the A / D conversion unit 4 and sequentially stores it in the waveform memory 11 (step S101).
  • the signal analysis unit 12 calculates the beam path of each pulse waveform from the ultrasonic data stored in the waveform memory 11 (step S102).
  • the beam path length is a distance obtained from the time from reception of the surface echo ES reflected by the outer surface S of the steel pipe 1 to reception of the bottom echo EB reflected by the inner surface B of the steel pipe 1 (FIG. 1, see FIG.
  • the transmission pulse generation position generation time
  • the path may be obtained as the time until EB is received.
  • the obtained path length of each pulse is as shown in FIG.
  • the detection position of the bottom echo EB may be a peak position of the bottom echo or a position that crosses a predetermined threshold.
  • the signal analysis unit 12 calculates the change amount of the beam path, that is, the beam path change rate with respect to the relative movement amount of the steel pipe 1 and the ultrasonic probe 2 (step S103).
  • the beam path length change rate can be obtained as the following equation (1).
  • Beam path length change rate (beam path length—beam path length before 1 pulse) / movement amount of 1 pulse (1)
  • the obtained beam path length change rate is as shown in FIG.
  • the defect detection unit 13 has a beam path length equal to or less than a threshold DB (see FIG. 7E), or an absolute value of the beam path length change rate is equal to or more than a threshold DC (see FIG. 7D). It is determined whether or not there is a part (step S104). If there is a location where the beam path is less than or equal to the threshold DB or the absolute value of the rate of change of the beam path is greater than or equal to the threshold DC (step S104, Yes), it is determined that a location (position) that satisfies this condition is defective. (Step S105).
  • step S104 if there is no portion where the beam path length is equal to or less than the threshold DB or the absolute value of the beam path length change rate is equal to or greater than the threshold DC (step S104, No), it is determined that there is no defect in the predetermined section (step S106) .
  • the defect detection unit 13 determines whether or not there is a next predetermined section (step S107). If there is a next predetermined section (step S107, Yes), the process proceeds to step S101 and the above-described processing. Is performed for the next predetermined section, and when there is no next predetermined section (step S107, No), this processing is terminated.
  • the input / output unit 14 outputs the detection result of the defect detection unit 13 and inputs various operations necessary for the processing apparatus 10.
  • the determination as to whether or not the beam path length is equal to or less than the threshold value DB is suitable for detecting a thickness defect of the steel pipe 1, and the determination as to whether or not the absolute value of the beam path length change rate is equal to or greater than the threshold value DC. It is suitable for detecting a portion having a steep wall thickness variation. By using such a beam path length and a beam path length change rate, it is possible to accurately detect a dent and a wrap-shaped shallow defect due to foreign matter biting during rolling.
  • FIG. 4 shows the result of obtaining the beam path length and the beam path length change rate for the ultrasonic data stored in the waveform memory 11 shown in FIG.
  • FIG. 4 is a result of obtaining a measurement length of 500 mm as a predetermined section, and determination is made that a defect exists in the areas E1 and E2.
  • FIG. 4B defects having a depth of 0.4 mm or more exist in the regions E1 and E2.
  • 4A shows a plan view of the defect
  • FIG. 4B shows a cross-sectional view of the steel pipe 1.
  • FIG. 4C shows the echo height which is the maximum amplitude value of the bottom echo EB for reference.
  • the defect detection process is performed by adding the echo height to the determination process of the beam path length change rate in the process of the first embodiment.
  • the threshold value DC of the absolute value of the change rate of the beam path length is made stricter (smaller) and set to the threshold value DC2.
  • the control unit 15 acquires ultrasonic data (B scope data) of a predetermined section input from the A / D conversion unit 4 and sequentially stores it in the waveform memory 11 (step S201). ).
  • the signal analysis unit 12 calculates the echo height of the bottom surface echo EB within the predetermined section from the ultrasonic data stored in the waveform memory 11 (step S202). Further, as in the first embodiment, the beam path length in the predetermined section is calculated in step S203, and the beam path length change rate in the predetermined section is calculated in step S204.
  • the defect detection unit 13 has a beam path length equal to or less than the threshold DB (see FIG. 7D), or the absolute value of the beam path length change rate is equal to or greater than the threshold DC2 (see FIG. 7E). Further, it is determined whether or not there is a portion where the echo height is equal to or less than the threshold value DA (see FIG. 7C) (step S205).
  • the threshold value DC2 is a value smaller than the threshold value DC.
  • Step S205 If there is a spot where the beam path is less than or equal to the threshold DB or the absolute value of the beam path change rate is greater than or equal to the threshold DC2 and the echo height is less than or equal to the threshold DA (step S205, Yes), the spot (position) that satisfies this condition Is determined to have a defect (step S206).
  • the beam path length is equal to or less than the threshold DB or there is no portion where the absolute value of the beam path distance change rate is equal to or greater than the threshold DC2 and the echo height is equal to or less than the threshold DA (step S205, No)
  • Step S207 In the B scope data shown in FIG. 7, it is determined that there are defects in two places of the areas E11 and E12.
  • step S208 determines whether or not there is a next predetermined section (step S208), and when there is a next predetermined section (step S208, Yes), the process proceeds to step S201 and is described above. Is performed for the next predetermined section, and when there is no next predetermined section (step S208, No), this processing is terminated.
  • the areas E11 and E12 shown in FIG. 7 detect defects in a wider range than the areas E1 and E2 shown in FIG.
  • the detection position of the bottom echo EB may be either the peak position of the bottom echo EB or a position that crosses a predetermined threshold.
  • the detection position of the bottom echo EB is weak.
  • the predetermined threshold is small.
  • the threshold value for detecting the bottom echo EB is set to a value slightly exceeding the maximum noise value.
  • the control unit 15 acquires ultrasonic data (B scope data) of a predetermined section input from the A / D conversion unit 4 and sequentially stores it in the waveform memory 11 (step S301). ).
  • the noise level is analyzed from the ultrasonic data stored in the waveform memory 11 (step S302). Specifically, the maximum value of noise is obtained.
  • This noise level analysis target is an area where there is no echo signal, and is, for example, ultrasonic data of the area EN shown in FIG.
  • a threshold value for detecting the bottom echo is determined (step S303).
  • the normal threshold is a relatively large threshold L1 as shown in FIG. 10, but the threshold determined here is determined as a threshold L2 slightly exceeding the noise level LN.
  • the bottom echo is detected at the point P1 when the normal threshold value L1 is detected, and is detected at the point P2 slightly exceeding the noise level when the threshold value is L2. As a result, even a weak bottom echo can be detected.
  • the signal analysis unit 12 calculates the echo height of the bottom surface echo EB within a predetermined section from the ultrasonic data stored in the waveform memory 11 as in the second embodiment (step S304). Further, as in the second embodiment, the beam path length in the predetermined section is calculated in step S305, and the beam path length change rate in the predetermined section is calculated in step S306.
  • the defect detection unit 13 determines whether there is a portion where the beam path is equal to or less than the threshold DB, or the absolute value of the beam path change rate is equal to or greater than the threshold DC2 and the echo height is equal to or less than the threshold DA. Is determined (step S307).
  • the threshold value DC2 is a value smaller than the threshold value DC.
  • step S308 if the beam path length is equal to or less than the threshold DB, or there is no portion where the absolute value of the beam path distance change rate is equal to or greater than the threshold DC2 and the echo height is equal to or less than the threshold DA (step S307, No), there is no defect in this predetermined section. Is determined (step S309).
  • step S310 determines whether or not there is a next predetermined section (step S310), and when there is a next predetermined section (step S310, Yes), the process proceeds to step S301 and is described above. Is performed for the next predetermined section, and when there is no next predetermined section (step S310, No), this processing is terminated.
  • the bottom surface echo since the bottom surface echo is detected with a small threshold L2 slightly exceeding this noise level in consideration of the noise level, the bottom surface echo can detect a minute defect.
  • the bottom echoes at the defects 31 and 32 are small, but a small threshold L2 is used so that the bottom echoes at the defects 31 and 32 can be detected.
  • the defects 31 and 32 as shown in the beam path change rate of FIG. Defects 31 and 32 are detected in areas E31 and E32 corresponding to 32.
  • the defects 31 and 32 are artificial defects having a 5% depth rounded by ⁇ 6 mm and ⁇ 4.5 mm, respectively, by electric discharge machining.
  • the healthy portion shown in FIG. 9 there is a portion where the echo height of the bottom surface echo is gently increased, but as shown in FIG. 11, the beam path length change rate of the portion corresponding to this healthy portion is large. No change is seen and it is determined that it is not a defect.
  • defect detection is performed by taking the logical product of the beam path length change rate and the echo height.
  • the defect may not be detected even if the methods of the second and third embodiments are applied. For example, as shown in FIG. 12, when a wrap-like defect BW1 such as a lap wrinkle or a fog exists on the inner surface of the steel pipe 1, the position where the echo height is equal to or less than the threshold value DA and the absolute value of the beam path change rate.
  • the wrap-like defect BW1 may not be detected as a defect without satisfying the defect detection condition.
  • the detection position is set in advance as a reference point.
  • the defect detection process is performed in consideration of the echo height within the search range.
  • the control unit 15 acquires ultrasonic data (B scope data) of a predetermined section input from the A / D conversion unit 4 and sequentially stores it in the waveform memory 11 (step S401). ).
  • the noise level is analyzed from the ultrasonic data stored in the waveform memory 11 as in the third embodiment (step S402). Further, a threshold value for detecting the bottom echo is determined based on the analyzed noise level (step S403).
  • the signal analysis unit 12 calculates the echo height of the bottom surface echo EB within a predetermined section from the ultrasonic data stored in the waveform memory 11 as in the second embodiment (step S404). Further, as in the second embodiment, the beam path length in the predetermined section is calculated in step S405, and the beam path length change rate in the predetermined section is calculated in step S406.
  • the defect detection unit 13 is set in advance with the beam path being equal to or less than the threshold DB or the absolute value of the beam path change rate being equal to or greater than the threshold DC2 and greater than or equal to the threshold DC2. It is determined whether or not there is a location where the echo height within the search range W is equal to or less than the threshold value DA (step S407).
  • the beam path length is equal to or less than the threshold value DB, or the absolute value of the beam path length change rate is equal to or greater than the threshold value DC. It is determined whether or not there is a portion where the echo height within the preset search range W is equal to or less than the threshold value DA with a position equal to or greater than the threshold value DC as a reference point.
  • step S407 A position where the echo height within the preset search range W is equal to or less than the threshold value DA with a beam path length equal to or less than the threshold DB or a position where the absolute value of the beam path change rate is equal to or greater than the threshold value DC2 and the threshold value DC2 or more. If there is any (step S407, Yes), it is determined that there is a defect at a location (position) that satisfies this condition (step S408). On the other hand, the echo height within the preset search range W is less than or equal to the threshold value DA with the beam path length being equal to or less than the threshold value DB or the absolute value of the beam path change rate being equal to or greater than the threshold value DC2 and the threshold value DC2 or more. When there is no part (step S407, No), it is determined that there is no defect in this predetermined section (step S409).
  • step S410 determines whether or not there is a next predetermined section. If there is a next predetermined section (step S410, Yes), the defect detection unit 13 proceeds to step S401 and performs the processing described above. Is performed for the next predetermined section, and when there is no next predetermined section (step S410, No), this processing is terminated.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of defect detection to which the fourth embodiment is applied.
  • the horizontal axis represents the waveform No. in scanning order. Is shown.
  • the beam path length change rate shown in FIG. Although the threshold value DC2 is greater than or equal to DC2 at 371, the echo height shown in FIG. Since it is not less than or equal to the threshold value DA at 371, it is not detected as a defect. Further, the echo height shown in FIG. The beam path length change rate shown in FIG. Since it is not more than threshold DC2 in 370, it is not detected as a defect.
  • the waveform no is not more than threshold DC2 in 370.
  • the echo height is searched with respect to this reference point as two search points before and after in the scanning direction, that is, a total of five points as a preset search range W. Since the echo heights of 370 and 369 are below the threshold value DA, this waveform No. It is determined that 371 has a defect.
  • the beam path is equal to or less than the threshold DB, or the absolute value of the beam path change rate is equal to or greater than the threshold DC2, and the position within the threshold DC or DC2 is set as a reference point within the preset search range W. Since a defect is determined when there is a portion where the echo height is equal to or less than the threshold value DA, the position where the echo height is equal to or less than the threshold value DA and the absolute value of the beam path change rate are the threshold value DC or the threshold value DC2. It is possible to detect with high accuracy a defect such as a wrap-like defect that may slightly shift from the above position.
  • the signal analysis unit 12 calculates the beam path length change rate by the equation (1).
  • the beam path length in a predetermined section is defined as a one-dimensional signal. Therefore, a removal signal obtained by removing a steep change through the one-dimensional signal through the low-pass filter may be obtained, and a value obtained by subtracting the removal signal from the one-dimensional signal (beam path signal) may be calculated as the beam path change rate.
  • a high pass filter may be used instead of the low pass filter. In this case, the signal itself that has passed through the high-pass filter is calculated as the beam path change rate.
  • the ultrasonic flaw detection method described in the first to fourth embodiments is applied to a method for manufacturing a metal pipe material such as the steel pipe 1.
  • the present invention is applied to an inspection process in the method of manufacturing a seamless steel pipe (seamless steel pipe) shown in FIG.
  • the seamless steel pipe is, first, round steel pieces such as billets are heated as a material in a rotary hearth type heating furnace (heating process: ST1), and then formed into a hollow shell with a piercer. (Perforation process: ST2).
  • the hollow shell is then rolled by a mandrel mill, and the outer diameter and thickness are reduced to form a long blank (rolling step: ST3).
  • reheating process: ST4 reheating process: ST4
  • formed into finished dimensions with a stretch reducer hot rolling is completed through cooling, correction, and cutting
  • ST5 reheating process: ST5
  • a seamless steel pipe which is a final finished product is obtained through a refining step (ST6) and an inspection step (ST7).
  • this inspection process an overview inspection, a thickness inspection, a wrinkle inspection, and the like are performed, and the ultrasonic flaw detection method described in the first to fourth embodiments is applied to this wrinkle inspection.
  • defect detection processing is performed after acquiring ultrasonic data for every predetermined section of, for example, 500 mm.
  • a predetermined number of ultrasonic data for example, scanning You may make it perform the near real-time detection process which performs a defect detection process for every ultrasonic data of 5 points
  • defect detection may be performed using the 5 points of ultrasonic data, or every time 1 point of ultrasonic data is acquired, 1 point is shifted.
  • Defect detection may be performed using five points of ultrasonic data.
  • Embodiments 1 to 4 and Modifications 1 to 3 described above can be combined as appropriate.

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Abstract

　鋼管などの金属の管材の内側表面上に生じた凹み欠陥や、ラップ状の浅い欠陥であっても検出することができる超音波探傷方法、超音波探傷装置、および管材製造方法を提供するため、鋼管１の内側表面Ｂに向けて超音波信号を発生する超音波探触子２と鋼管１とを相対的に移動した時のエコー信号の波形データを取得して保持する波形メモリ１１と、保持された波形データをもとに内側表面Ｂからのエコー信号を受信するまでの路程と該路程の変化率とを算出する信号解析部１２と、前記路程および前記路程の変化率をもとに内側表面Ｂの欠陥ＢＷを検出する欠陥検出部１３と、を備える。

Description

超音波探傷方法、超音波探傷装置、および管材製造方法
　本発明は、超音波を用いて金属の管材などの被検体の内側表面の欠陥を検出する超音波探傷方法、超音波探傷装置、および管材製造方法に関する。
　従来から、鋼管、棒鋼、形鋼、厚板などの金属の鋼材の製造中に生じた欠陥を検出する品質保証手段として、超音波を用いる超音波探傷法が広く適用されている。たとえば、鋼管などの金属の管材に対しては、通常、斜角探傷と垂直探傷とが用いられる。斜角探傷は、主に金属の管材の内外表面に生じた割れ状の欠陥の検出に適用され、管軸方向あるいは周方向に平行な欠陥を検出しやすいように、超音波のビーム方向が管軸方向あるいは周方向のそれぞれに２方向、すなわち計４方向に、斜角探触子が配置される。一方、垂直探傷は、金属の管材内部に含まれる介在物の検出と肉厚測定とに適用される。このような超音波探傷法を用いて、鋼管あるいは探触子を回転させながら、スパイラル状に被検体の全長全面の検査が行われる。なお、従来の超音波探傷法では、１回の超音波送受信毎に、その都度、欠陥エコーの有無を判定するという欠陥検出を行っている。
　しかし、上述した金属の管材に対する従来の超音波探傷法では、圧延時の異物噛み込みによる凹み欠陥や、ラップ状の浅い欠陥については、その反射面が断面方向と長手方向との両面に対して角度をもっているため、斜角探傷や垂直探傷のいずれの場合も欠陥エコー信号が弱いという問題があった。また、このような凹み欠陥やラップ状の浅い欠陥は、深さが浅いことから、垂直探傷では、底面エコーの分離が容易ではない。この結果、斜角探傷や垂直探傷では、圧延時の異物噛み込みによる凹み欠陥や、ラップ状の浅い欠陥を検出することが困難であった。なお、金属の管材の外側表面に対しては、漏洩磁束探傷や渦流探傷の併用によって上述した欠陥を検出することが可能であるが、金属の管材の内側表面に対しては適切な検出手段がなく、目視検査に頼らざるを得なかった。
　ここで、特許文献１には、金属の管材の表面近傍の欠陥を超音波探傷法で検出するものが記載されている。この特許文献１では、移動しながら得た探傷信号を、底面エコーが揃うように位置調整して合成した２次元画像を作成し、この２次元画像から欠陥を抽出するようにしている。
特開２００８－７０３２５号公報
　ところで、欠陥の形状によっては、欠陥エコーがなく、底面エコー自体が変化することがある。この場合、上述した特許文献１に記載された超音波探傷法では、表面近傍の表面下の欠陥を検出するために、ビーム路程を底面エコーの検出位置で揃えた２次元画像を得ている。そして、この２次元画像では、底面エコーの検出位置を基準としていることから、金属の管材の内側表面にある欠陥を検出することができない。また、底面で入射された超音波が散乱して底面エコー自体が弱くなると、特許文献１のものを適用しようとしても、底面エコー自体の検出が難しいので、ビーム路程を底面エコーの検出位置で揃えることができないことになる。この結果、このような鋼管などの金属の管材の内側表面上の欠陥の検出は、目視検査に頼らざるを得なかった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、鋼管などの金属の管材の内側表面上に生じた凹み欠陥や、ラップ状の浅い欠陥であっても検出することができる超音波探傷方法、超音波探傷装置、および管材製造方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる超音波探傷方法は、超音波を用いて金属の管材の内側表面の欠陥を検出する超音波探傷方法であって、前記内側表面に向けて超音波信号を発生する超音波探触子と前記金属の管材とを相対的に移動した時のエコー信号の波形データを取得して保持する波形保持ステップと、前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号を受信するまでの路程と該路程の変化率とを算出する信号解析ステップと、前記路程および前記路程の変化率をもとに前記内側表面の欠陥を検出する欠陥検出ステップと、を含むことを特徴とする。
　また、本発明にかかる超音波探傷方法は、上記の発明において、前記欠陥検出ステップは、前記路程が所定の路程閾値以下あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする。
　また、本発明にかかる超音波探傷方法は、上記の発明において、前記信号解析ステップは、さらに前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号の高さを算出し、前記欠陥検出ステップは、前記路程が所定の路程閾値以下、あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上かつ前記高さが所定の高さ閾値以下の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする。
　また、本発明にかかる超音波探傷方法は、上記の発明において、前記信号解析ステップは、さらに前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号の高さを算出し、前記欠陥検出ステップは、前記路程が所定の路程閾値以下、あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上、かつ前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上の位置を基準位置として、該基準位置に対して予め設定された探索範囲内の前記高さが所定の高さ閾値以下の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする。
　また、本発明にかかる超音波探傷方法は、上記の発明において、前記信号解析ステップは、前記保持された波形データをもとにエコー信号がない部分におけるノイズ成分のノイズレベルを解析し、該解析結果をもとにエコー信号検出の閾値を決定し、該決定された閾値をもとに前記エコー信号を検出して前記路程を算出することを特徴とする。
　また、本発明にかかる超音波探傷装置は、超音波を用いて金属の管材の内側表面の欠陥を検出する超音波探傷装置であって、前記内側表面に向けて超音波信号を発生する超音波探触子と前記金属の管材とを相対的に移動した時のエコー信号の波形データを取得して保持する波形保持部と、前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号を受信するまでの路程と該路程の変化率とを算出する信号解析部と、前記路程および前記路程の変化率をもとに前記内側表面の欠陥を検出する欠陥検出部と、を備えたことを特徴とする。
　また、本発明にかかる超音波探傷装置は、上記の発明において、前記欠陥検出部は、前記路程が所定の路程閾値以下あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする。
　また、本発明にかかる超音波探傷装置は、上記の発明において、前記信号解析部は、さらに前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号の高さを算出し、前記欠陥検出部は、前記路程が所定の路程閾値以下、あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上かつ前記高さが所定の高さ閾値以下の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする。
　また、本発明にかかる超音波探傷装置は、上記の発明において、前記信号解析部は、さらに前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号の高さを算出し、前記欠陥検出部は、前記路程が所定の路程閾値以下、あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上、かつ前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上の位置を基準位置として、該基準位置に対して予め設定された探索範囲内の前記高さが所定の高さ閾値以下の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする。
　また、本発明にかかる超音波探傷装置は、上記の発明において、前記信号解析部は、前記保持された波形データをもとにエコー信号がない部分におけるノイズ成分のノイズレベルを解析し、該解析結果をもとにエコー信号検出の閾値を決定し、該決定された閾値をもとに前記エコー信号を検出して前記路程を算出することを特徴とする。
　また、本発明にかかる管材製造方法は、金属材料に対して、少なくとも加熱工程、穿孔工程、圧延工程、再加熱工程、成型工程、および検査工程を施して管材を製造する管材製造方法であって、前記検査工程は、前記管材の内側表面に向けて超音波信号を発生する超音波探触子と前記管材とを相対的に移動した時のエコー信号の波形データを取得して保持する波形保持工程と、前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号を受信するまでの路程と該路程の変化率とを算出する信号解析工程と、前記路程および前記路程の変化率をもとに前記内側表面の欠陥を検出する欠陥検出工程と、を含むことを特徴とする。
　また、本発明にかかる管材製造方法は、上記の発明において、前記欠陥検出工程は、前記路程が所定の路程閾値以下あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする。
　また、本発明にかかる管材製造方法は、上記の発明において、前記信号解析工程は、さらに前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号の高さを算出し、前記欠陥検出工程は、前記路程が所定の路程閾値以下、あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上かつ前記高さが所定の高さ閾値以下の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする。
　また、本発明にかかる管材製造方法は、上記の発明において、前記信号解析工程は、さらに前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号の高さを算出し、前記欠陥検出工程は、前記路程が所定の路程閾値以下、あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上、かつ前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上の位置を基準位置として、該基準位置に対して予め設定された探索範囲内の前記高さが所定の高さ閾値以下の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする。
　また、本発明にかかる管材製造方法は、上記の発明において、前記信号解析工程は、前記保持された波形データをもとにエコー信号がない部分におけるノイズ成分のノイズレベルを解析し、該解析結果をもとにエコー信号検出の閾値を決定し、該決定された閾値をもとに前記エコー信号を検出して前記路程を算出することを特徴とする。
　本発明によれば、金属の管材と超音波探触子とを相対的に移動した時のエコー信号の波形データをもとに鋼材の内側表面からのエコー信号を受信するまでの路程と該路程の変化率とを算出し、この算出した前記路程および前記路程の変化率をもとに前記内側表面の欠陥を検出するようにしているので、鋼管などの金属の管材の内部表面上に生じた凹み欠陥や、ラップ状の浅い欠陥であっても検出することができる。
図１は、本発明の実施の形態１である超音波探傷装置の構成を示す模式図である。 図２は、この実施の形態１の処理装置による超音波探傷処理手順を示すフローチャートである。 図３は、波形メモリに格納される超音波データの一例を示す図である。 図４は、図３に示した超音波データをもとに求めたビーム路程、ビーム路程変化率、および欠陥検出結果を示す図である。 図５は、欠陥部における底面エコー近傍のＢスコープの一例を示す図である。 図６は、この実施の形態２の処理装置による超音波探傷処理手順を示すフローチャートである。 図７は、図３に示した超音波データをもとに本実施の形態２で求めたエコー高さ、ビーム路程、ビーム路程変化率、および欠陥検出結果を示す図である。 図８は、この実施の形態３の処理装置による超音波探傷処理手順を示すフローチャートである。 図９は、この実施の形態３が適用される超音波データの一例を示す図である。 図１０は、この実施の形態３による底面エコーを検出するための閾値を説明する説明図である。 図１１は、図１０に示した閾値を変えた場合の欠陥に対するビーム路程変化率の変化を示す図である。 図１２は、ラップ状欠陥に対する超音波探傷の状態を示す模式図である。 図１３は、この実施の形態４の処理装置による超音波探傷処理手順を示すフローチャートである。 図１４は、この実施の形態４によるラップ状欠陥の検出状態を示す図である。 図１５は、この実施の形態１～４の超音波探傷方法が適用された検査工程を有する管材製造方法の一例を示す図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態である超音波探傷方法、超音波探傷装置、および管材製造方法について説明する。
（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態１である超音波探傷装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、この実施の形態１では、被検体である金属の管材としての鋼管１の内側表面Ｂに存在する欠陥ＢＷを検出するものである。この欠陥ＢＷは、圧延時の異物噛み込みによる凹み欠陥や、ラップ状の浅い欠陥を含む。鋼管１の外側表面Ｓ近傍には、超音波信号を送受信する超音波探触子２が設けられる。鋼管１と超音波探触子２とは、鋼管１の周りをスパイラル状に相対的に移動する。この相対的移動は、超音波探触子２を固定して鋼管１を回転移動させてもよいし、鋼管１を固定して超音波探触子２を鋼管１の周りに回転移動させてもよいし、鋼管１および超音波探触子２の双方を移動させてもよい。
　超音波制御装置３は、超音波探触子２による超音波信号の送受信を制御し、所定ピッチで受信した超音波信号をＡ／Ｄ変換部４に出力する。Ａ／Ｄ変換部４は、受信したアナログ信号である超音波信号をデジタル信号に変換して処理装置１０に出力する。ここで、アナログの超音波信号は、受信されたそのままのＲＦ信号あるいは超音波制御装置３による検波後の信号であり、横軸を時間（距離）情報とし、縦軸を信号の振幅情報として描いたＡスコープデータである。Ａ／Ｄ変換部４は、このＡスコープデータをサンプリングするのに十分なサンプリング周波数と分解能とをもたせている。
　処理装置１０は、波形メモリ１１、信号解析部１２、欠陥検出部１３、入出力部１４、および制御部１５を備える。波形メモリ１１は、制御部１５による制御のもと、鋼管１の全長または特定の範囲を含む所定区間におけるＡスコープデータをＢスコープデータとして保持する（図３参照）。Ｂスコープデータは、横軸を方位（移動距離）とし、縦軸を超音波信号の送受信方向の距離として描いたものであり、断層像として描かれる。したがって、波形メモリは、鋼管１の全長あるいは所定区間におけるＢスコープデータを保持できる容量を有する。たとえば、厚さ２０ｍｍの鋼管１０ｍを、５ＭＨｚの超音波で、ピッチ１ｍｍで探傷を行う場合、サンプリング周波数は、２５ＭＨｚ（サンプリング周期＝０．０４μｓ）、Ａ／Ｄ変換の時間は、厚さの１．５倍として１０μｓが必要であり、１波形に２５０点（１０μｓ／０．０４μｓ＝２５０）計測し、全長で１０，０００パルス波形（スパイラル状でなく長手方向に直線状に検査した場合）となる。この場合、波形メモリ１１は、２５０×１０，０００点の２次元データを格納できるメモリ容量をもたせる必要がある。
　ここで、図２に示したフローチャートを参照して、この実施の形態１の処理装置１０による超音波探傷処理手順について説明する。まず、制御部１５は、Ａ／Ｄ変換部４から入力された所定区間の超音波データ（Ｂスコープデータ）を取得し、波形メモリ１１に順次格納する（ステップＳ１０１）。
　信号解析部１２は、波形メモリ１１に格納された超音波データから、各パルス波形のビーム路程を算出する（ステップＳ１０２）。このビーム路程とは、鋼管１の外側表面Ｓで反射した表面エコーＥＳを受信してから、鋼管１の内側表面Ｂで反射した底面エコーＥＢを受信するまでの時間から求められる距離である（図１，図３参照）。なお、超音波探触子２と鋼管１の外側表面Ｓとの距離が保持されている場合には、表面エコーＥＳに替えて送信パルスの発生位置（発生時間）とし、この時間から、底面エコーＥＢを受信するまでの時間として路程を求めてもよい。この求められた各パルスの路程は、図４（ｄ）に示すようになる。また、底面エコーＥＢの検出位置は、底面エコーのピーク位置であっても、所定の閾値を横切る位置であってもよい。
　つぎに、信号解析部１２は、鋼管１と超音波探触子２との相対的移動量に対するビーム路程の変化量、すなわちビーム路程変化率を算出する（ステップＳ１０３）。たとえば、ビーム路程変化率は、次式（１）として求めることができる。
　ビーム路程変化率＝（ビーム路程－１パルス前のビーム路程）／１パルスの移動量　…（１）
この求められたビーム路程変化率は、図４（ｅ）に示すようになる。
　その後、欠陥検出部１３は、図４に示すように、ビーム路程が閾値ＤＢ以下（図７（ｅ）参照）、あるいはビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣ以上（図７（ｄ）参照）の箇所があるか否かを判断する（ステップＳ１０４）。ビーム路程が閾値ＤＢ以下、あるいはビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣ以上である箇所がある場合（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）には、この条件を満足する箇所（位置）に欠陥があると判定する（ステップＳ１０５）。一方、ビーム路程が閾値ＤＢ以下、あるいはビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣ以上である箇所がない場合（ステップＳ１０４，Ｎｏ）には、この所定区間に欠陥がないと判定する（ステップＳ１０６）。
　その後、欠陥検出部１３は、次の所定区間があるか否かを判断し（ステップＳ１０７）、次の所定区間がある場合（ステップＳ１０７，Ｙｅｓ）には、ステップＳ１０１に移行して上述した処理を次の所定区間に対して行い、次の所定区間がない場合（ステップＳ１０７，Ｎｏ）には、本処理を終了する。なお、入出力部１４は、欠陥検出部１３の検出結果を出力するとともに、処理装置１０に必要な各種操作入力を行うものである。
　ここで、ビーム路程が閾値ＤＢ以下であるか否かの判断は、鋼管１の肉厚不良を検出するのに適し、ビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣ以上であるか否かの判断は、急峻な肉厚変動のある箇所を検出するのに適している。このようなビーム路程およびビーム路程変化率を用いると、圧延時の異物噛み込みによる凹みやラップ状の浅い欠陥を精度良く検出することができる。
　図４は、図３に示した波形メモリ１１に格納された超音波データに対してビーム路程とビーム路程変化率とを求めた結果を示している。図４は、計測長５００ｍｍを所定区間として求めた結果であり、領域Ｅ１，Ｅ２に欠陥が存在するとした判定が行われる。実際、この領域Ｅ１，Ｅ２には、図４（ｂ）に示すように、深さが０．４ｍｍ以上の欠陥が存在する。なお、図４（ａ）は、欠陥の平面図を示し、図４（ｂ）は、鋼管１の断面図を示している。また、図４（ｃ）は、参考のために、底面エコーＥＢの最大振幅値であるエコー高さを示している。
（実施の形態２）
　ところで、ビーム路程変化率は、一種の微分処理であるからノイズの影響で大きな値を出力してしまう虞がある。一方、欠陥部では、欠陥面が底面に対して傾いていることから、底面エコーＥＢの最大振幅値であるエコー高さが急激に低下する。たとえば、図５に示すように、底面エコーＥＢは、欠陥がある部分でなくなるとともに、微弱なエコー２１が底面エコーＥＢよりも手前（路程の短い方向（図５では上方向））に現れている。したがって、エコー高さを加味して欠陥検出を行うことが好ましいが、エコー高さは、超音波接触子２と鋼管１との接触媒質の状況などによって、ばらつきが生じる。このため、ビーム路程変化率とエコー高さとの論理積をとることによって、両者の弱点を補い、欠陥の検出精度を向上させることが好ましい。この実施の形態２では、実施の形態１の処理におけるビーム路程変化率の判断処理にエコー高さを加味して欠陥検出処理を行うようにしている。この際、ビーム路程変化率の絶対値の閾値ＤＣは、さらに厳しく（小さく）し、閾値ＤＣ２としている。
　ここで、図６に示したフローチャートを参照して、この実施の形態２の処理装置１０による超音波探傷処理手順について説明する。まず、制御部１５は、実施の形態１と同様に、Ａ／Ｄ変換部４から入力された所定区間の超音波データ（Ｂスコープデータ）を取得し、波形メモリ１１に順次格納する（ステップＳ２０１）。
　その後、信号解析部１２は、波形メモリ１１に格納された超音波データから、所定区間内の底面エコーＥＢのエコー高さを算出する（ステップＳ２０２）。さらに、実施の形態１と同様に、ステップＳ２０３で所定区間内のビーム路程を算出し、ステップＳ２０４で所定区間内のビーム路程変化率を算出する。
　その後、欠陥検出部１３は、図７に示すように、ビーム路程が閾値ＤＢ以下（図７（ｄ）参照）、あるいはビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣ２以上（図７（ｅ）参照）かつエコー高さが閾値ＤＡ以下（図７（ｃ）参照）の箇所があるか否かを判断する（ステップＳ２０５）。ここで、上述したように、閾値ＤＣ２は、閾値ＤＣよりも小さい値である。ビーム路程が閾値ＤＢ以下、あるいはビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣ２以上かつエコー高さが閾値ＤＡ以下の箇所がある場合（ステップＳ２０５，Ｙｅｓ）には、この条件を満足する箇所（位置）に欠陥があると判定する（ステップＳ２０６）。一方、ビーム路程が閾値ＤＢ以下、あるいはビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣ２以上かつエコー高さが閾値ＤＡ以下の箇所がない場合（ステップＳ２０５，Ｎｏ）には、この所定区間に欠陥がないと判定する（ステップＳ２０７）。図７に示すＢスコープデータでは、領域Ｅ１１，Ｅ１２の２箇所に欠陥があると判定している。
　その後、欠陥検出部１３は、次の所定区間があるか否かを判断し（ステップＳ２０８）、次の所定区間がある場合（ステップＳ２０８，Ｙｅｓ）には、ステップＳ２０１に移行して上述した処理を次の所定区間に対して行い、次の所定区間がない場合（ステップＳ２０８，Ｎｏ）には、本処理を終了する。
　この実施の形態２では、ビーム路程変化率のみでなく、ビーム路程変化率とエコー高さとの論理積をとっているので、さらに精度の高い欠陥検出を行うことができる。具体的に、図７に示した領域Ｅ１１，Ｅ１２は、図４に示した領域Ｅ１，Ｅ２よりも広い範囲で欠陥を検出している。
（実施の形態３）
　ところで、上述した実施の形態１，２において、底面エコーＥＢの検出位置は、底面エコーＥＢのピーク位置あるいは所定の閾値を横切る位置のいずれでもよいとしたが、底面エコーＥＢの検出位置は、微弱な底面エコーであっても検出できるようにするため、所定の閾値は小さい方が好ましい。このため、実施の形態３では、底面エコーＥＢを検出する閾値をノイズの最大値をわずかに超えた値としている。
　ここで、図８に示したフローチャートを参照して、この実施の形態３の処理装置１０による超音波探傷処理手順について説明する。まず、制御部１５は、実施の形態２と同様に、Ａ／Ｄ変換部４から入力された所定区間の超音波データ（Ｂスコープデータ）を取得し、波形メモリ１１に順次格納する（ステップＳ３０１）。
　その後、波形メモリ１１に格納された超音波データから、ノイズレベルを解析する（ステップＳ３０２）。具体的には、ノイズの最大値を求める。このノイズレベルの解析対象は、エコー信号がない領域であり、たとえば、図９に示す領域ＥＮの超音波データである。その後、解析されたノイズレベルをもとに、底面エコーを検出するための閾値を決定する（ステップＳ３０３）。通常の閾値は、図１０に示すように比較的大きな閾値Ｌ１であるが、ここで決定される閾値は、ノイズレベルＬＮをわずかに超える閾値Ｌ２として決定される。図１０に示すように、底面エコーに対しては、通常の閾値Ｌ１のときは点Ｐ１で検出され、閾値Ｌ２のときはノイズレベルをわずかに超えた点Ｐ２で検出される。この結果、微弱な底面エコーであっても検出することができる。
　その後、信号解析部１２は、実施の形態２と同様に、波形メモリ１１に格納された超音波データから、所定区間内の底面エコーＥＢのエコー高さを算出する（ステップＳ３０４）。さらに、実施の形態２と同様に、ステップＳ３０５で所定区間内のビーム路程を算出し、ステップＳ３０６で所定区間内のビーム路程変化率を算出する。
　その後、欠陥検出部１３は、実施の形態２と同様に、ビーム路程が閾値ＤＢ以下、あるいはビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣ２以上かつエコー高さが閾値ＤＡ以下の箇所があるか否かを判断する（ステップＳ３０７）。ここで、上述したように、閾値ＤＣ２は、閾値ＤＣよりも小さい値である。ビーム路程が閾値ＤＢ以下、あるいはビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣ２以上かつエコー高さが閾値ＤＡ以下の箇所がある場合（ステップＳ３０７，Ｙｅｓ）には、この条件を満足する箇所（位置）に欠陥があると判定する（ステップＳ３０８）。一方、ビーム路程が閾値ＤＢ以下、あるいはビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣ２以上かつエコー高さが閾値ＤＡ以下の箇所がない場合（ステップＳ３０７，Ｎｏ）には、この所定区間に欠陥がないと判定する（ステップＳ３０９）。
　その後、欠陥検出部１３は、次の所定区間があるか否かを判断し（ステップＳ３１０）、次の所定区間がある場合（ステップＳ３１０，Ｙｅｓ）には、ステップＳ３０１に移行して上述した処理を次の所定区間に対して行い、次の所定区間がない場合（ステップＳ３１０，Ｎｏ）には、本処理を終了する。
　この実施の形態３では、ノイズレベルを考慮し、このノイズレベルをわずかに超える小さな閾値Ｌ２で底面エコーを検出するようにしているため、底面エコーが微小な欠陥を検出することができる。
　たとえば、図９に示した超音波データにおいて、欠陥３１，３２での底面エコーは小さいが、小さい閾値Ｌ２を用いて、このような欠陥３１，３２での底面エコーを検出できるようにしているため、図１１（ｂ）のビーム路程変化率に示すように大きな閾値Ｌ１では検出できなかった欠陥３１，３２であっても、図１１（ｄ）のビーム路程変化率に示すように、欠陥３１，３２に対応する領域Ｅ３１，Ｅ３２で欠陥３１，３２を検出している。なお、欠陥３１，３２は、それぞれ放電加工によってφ６ｍｍおよびφ４．５ｍｍの丸みを帯びた５％深さをもった人工欠陥である。また、図９に示した健全部では、底面エコーのエコー高さがゆるやかに高くなっている部分があるが、図１１に示すように、この健全部に対応する部分のビーム路程変化率に大きな変化はみられず、欠陥でないと判別している。
（実施の形態４）
　上述した実施の形態２，３では、ビーム路程変化率とエコー高さとの論理積をとって欠陥検出を行っている。ここで、鋼管１の内側表面上に生じた凹み欠陥やラップ状欠陥の影響によっては実施の形態２，３の方法を適用しても欠陥を検出できない場合がある。たとえば、図１２に示すように、鋼管１の内側表面に、ラップ疵やカブレなどのラップ状欠陥ＢＷ１が存在する場合、エコー高さが閾値ＤＡ以下となる位置と、ビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣまたはＤＣ２以上となる位置とが、わずかにずれ、ビーム路程変化率とエコー高さとの論理積をとっても欠陥として判定されない場合があった。具体的に、図１２では、超音波ビームＳＢ１が照射されるラップ状欠陥ＢＷ１の先端側では表面が斜めになっているため、エコー高さが低くなり、一方、超音波ビームＳＢ３が照射されるラップ状欠陥ＢＷ１基部側では、鋼管１の肉厚が大きく変化し、ビーム路程変化率が大きくなる。すなわち、エコー高さが閾値ＤＡ以下となる位置（超音波ビームＳＢ１の照射位置）と、ビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣまたはＤＣ２以上となる位置（超音波ビームＳＢ３の照射位置）とが異なるため、欠陥検出の条件を満足せずに、ラップ状欠陥ＢＷ１を欠陥として検出できない場合がある。
　このため、この実施の形態４では、実施の形態２，３の処理において、ビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣまたはＤＣ２以上となった場合に、この検出位置を基準点として、予め設定された探索範囲内でのエコー高さを加味して欠陥検出処理を行うようにしている。
　ここで、図１３に示したフローチャートを参照して、この実施の形態４の処理装置１０による超音波探傷処理手順について説明する。まず、制御部１５は、実施の形態２と同様に、Ａ／Ｄ変換部４から入力された所定区間の超音波データ（Ｂスコープデータ）を取得し、波形メモリ１１に順次格納する（ステップＳ４０１）。
　その後、波形メモリ１１に格納された超音波データから、実施の形態３と同様に、ノイズレベルを解析する（ステップＳ４０２）。さらに、解析されたノイズレベルをもとに、底面エコーを検出するための閾値を決定する（ステップＳ４０３）。その後、信号解析部１２は、実施の形態２と同様に、波形メモリ１１に格納された超音波データから、所定区間内の底面エコーＥＢのエコー高さを算出する（ステップＳ４０４）。さらに、実施の形態２と同様に、ステップＳ４０５で所定区間内のビーム路程を算出し、ステップＳ４０６で所定区間内のビーム路程変化率を算出する。
　その後、欠陥検出部１３は、実施の形態２と同様に、ビーム路程が閾値ＤＢ以下、あるいはビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣ２以上かつ該閾値ＤＣ２以上の位置を基準点として、予め設定された探索範囲Ｗ内のエコー高さが閾値ＤＡ以下の箇所があるか否かを判断する（ステップＳ４０７）。なお、実施の形態２と同様に、ステップＳ４０２のノイズレベルの解析処理を行わない場合には、ステップＳ４０７で、ビーム路程が閾値ＤＢ以下、あるいはビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣ以上かつ該閾値ＤＣ以上の位置を基準点として、予め設定された探索範囲Ｗ内のエコー高さが閾値ＤＡ以下の箇所があるか否かを判断する。
　ビーム路程が閾値ＤＢ以下、あるいはビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣ２以上かつ該閾値ＤＣ２以上の位置を基準点として、予め設定された探索範囲Ｗ内のエコー高さが閾値ＤＡ以下の箇所がある場合（ステップＳ４０７，Ｙｅｓ）には、この条件を満足する箇所（位置）に欠陥があると判定する（ステップＳ４０８）。一方、ビーム路程が閾値ＤＢ以下、あるいはビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣ２以上かつ該閾値ＤＣ２以上の位置を基準点として、予め設定された探索範囲Ｗ内のエコー高さが閾値ＤＡ以下の箇所がない場合（ステップＳ４０７，Ｎｏ）には、この所定区間に欠陥がないと判定する（ステップＳ４０９）。
　その後、欠陥検出部１３は、次の所定区間があるか否かを判断し（ステップＳ４１０）、次の所定区間がある場合（ステップＳ４１０，Ｙｅｓ）には、ステップＳ４０１に移行して上述した処理を次の所定区間に対して行い、次の所定区間がない場合（ステップＳ４１０，Ｎｏ）には、本処理を終了する。
　図１４は、実施の形態４を適用した欠陥検出例を示す図である。図１４では、横軸に走査順の波形Ｎｏ．を示している。上述した実施の形態２，３を適用すると、図１４（ｂ）に示したビーム路程変化率は、波形Ｎｏ．３７１で閾値ＤＣ２以上となっているが、図１４（ａ）に示したエコー高さは、波形Ｎｏ．３７１で閾値ＤＡ以下となっていないため、欠陥として検出されない。また、図１４（ａ）に示したエコー高さは、波形Ｎｏ．３７０で閾値ＤＡ以下となっているが、図１４（ｂ）に示したビーム路程変化率は、波形Ｎｏ．３７０で閾値ＤＣ２以上となっていないため、欠陥として検出されない。これに対して、この実施の形態４では、ビーム路程変化率が閾値ＤＣ２以上となった波形Ｎｏ．３７１を基準点として、この基準点に対して走査方向の前後２点、すなわち計５点を予め設定された探索範囲Ｗとしてエコー高さを探索し、その結果、波形Ｎｏ．３７０，３６９のエコー高さが閾値ＤＡ以下となっているため、この波形Ｎｏ．３７１に欠陥があると判定する。
　この実施の形態４では、ビーム路程が閾値ＤＢ以下、あるいはビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣ２以上、かつ該閾値ＤＣまたはＤＣ２以上の位置を基準点として、予め設定された探索範囲Ｗ内のエコー高さが閾値ＤＡ以下の箇所がある場合に欠陥があると判定するようにしているので、エコー高さが閾値ＤＡ以下となる位置と、ビーム路程変化率の絶対値が閾値ＤＣまたは閾値ＤＣ２以上となる位置とが、わずかにずれる可能性のある、ラップ状欠陥などの欠陥を高い精度で検出することができる。
（変形例１）
　上述した実施の形態１～４では、信号解析部１２が式（１）によってビーム路程変化率を算出するようにしていたが、これに限らず、たとえば、所定区間のビーム路程を１次元信号とみなし、ローパスフィルタにこの１次元信号を通して急峻な変化を除去した除去信号を得て、１次元信号（ビーム路程信号）から除去信号を減算したものをビーム路程変化率として算出してもよい。また、ローパスフィルタに替えてハイパスフィルタを用いてもよい。この場合、ハイパスフィルタを通った信号自体がビーム路程変化率として算出される。
（変形例２）
　この変形例２では、上述した実施の形態１～４に示した超音波探傷方法を、鋼管１などの金属の管材の製造方法に適用したものである。たとえば、図１５に示した継目無鋼管（シームレス鋼管）の製造方法における検査工程に適用される。継目無鋼管は、たとえば、図１５に示すように、まず、ビレットなどの丸鋼片が材料として回転炉床式加熱炉で加熱され（加熱工程：ＳＴ１）、その後、ピアサーで中空素管に成形される（穿孔工程：ＳＴ２）。この中空素管は、その後、マンドレルミルで圧延され、外径と厚さとを減少させて長尺素管に成形される（圧延工程：ＳＴ３）。その後、再加熱炉で再加熱され（再加熱工程：ＳＴ４）、ストレッチレデューサーで仕上がり寸法に成型し、冷却、矯正、切断を経て熱間圧延を完了する（成型工程：ＳＴ５）。その後、精製工程（ＳＴ６）および検査工程（ＳＴ７）を経て、最終的な完成品である継目無鋼管を得る。この検査工程には、概観検査、肉厚検査、疵検査などを行うが、この疵検査に上述した実施の形態１～４で述べた超音波探傷方法が適用される。
（変形例３）
　上述した実施の形態１～４では、たとえば５００ｍｍの所定区間毎の超音波データを取得した後に欠陥検出処理を行うようにしていたが、これに限らず、たとえば所定数の超音波データ、たとえば走査方向に連続する５点の超音波データ毎に欠陥検出処理を行う準リアルタイム検出処理を行うようにしてもよい。この場合、５点の超音波データが取得される毎に、５点の超音波データを用いて欠陥検出を行ってもよいし、１点の超音波データを取得する毎に、１点シフトした５点の超音波データを用いて欠陥検出を行ってもよい。
　なお、上述した実施の形態１～４および変形例１～３の各構成要素は、適宜組合せ可能である。
　以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例および運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
　　　１　鋼管
　　　２　超音波探触子
　　　３　超音波制御装置
　　　４　Ａ／Ｄ変換部
　　１０　処理装置
　　１１　波形メモリ
　　１２　信号解析部
　　１３　欠陥検出部
　　１４　入出力部
　　１５　制御部
　　ＥＳ　表面エコー
　　ＥＢ　底面エコー
　　　Ｓ　外側表面
　　　Ｂ　内側表面
　　ＢＷ，３１，３２　欠陥
　　ＤＡ，ＤＢ，ＤＣ，ＤＣ２，Ｌ１，Ｌ２　閾値
　　ＬＮ　ノイズレベル

Claims (15)

  1. 　超音波を用いて金属の管材の内側表面の欠陥を検出する超音波探傷方法であって、
    　前記内側表面に向けて超音波信号を発生する超音波探触子と前記金属の管材とを相対的に移動した時のエコー信号の波形データを取得して保持する波形保持ステップと、
    　前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号を受信するまでの路程と該路程の変化率とを算出する信号解析ステップと、
    　前記路程および前記路程の変化率をもとに前記内側表面の欠陥を検出する欠陥検出ステップと、
    　を含むことを特徴とする超音波探傷方法。
  2. 　前記欠陥検出ステップは、前記路程が所定の路程閾値以下あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
  3. 　前記信号解析ステップは、さらに前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号の高さを算出し、
    　前記欠陥検出ステップは、前記路程が所定の路程閾値以下、あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上かつ前記高さが所定の高さ閾値以下の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
  4. 　前記信号解析ステップは、さらに前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号の高さを算出し、
    　前記欠陥検出ステップは、前記路程が所定の路程閾値以下、あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上、かつ前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上の位置を基準位置として、該基準位置に対して予め設定された探索範囲内の前記高さが所定の高さ閾値以下の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
  5. 　前記信号解析ステップは、前記保持された波形データをもとにエコー信号がない部分におけるノイズ成分のノイズレベルを解析し、該解析結果をもとにエコー信号検出の閾値を決定し、該決定された閾値をもとに前記エコー信号を検出して前記路程を算出することを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の超音波探傷方法。
  6. 　超音波を用いて金属の管材の内側表面の欠陥を検出する超音波探傷装置であって、
    　前記内側表面に向けて超音波信号を発生する超音波探触子と前記金属の管材とを相対的に移動した時のエコー信号の波形データを取得して保持する波形保持部と、
    　前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号を受信するまでの路程と該路程の変化率とを算出する信号解析部と、
    　前記路程および前記路程の変化率をもとに前記内側表面の欠陥を検出する欠陥検出部と、
    　を備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
  7. 　前記欠陥検出部は、前記路程が所定の路程閾値以下あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする請求項６に記載の超音波探傷装置。
  8. 　前記信号解析部は、さらに前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号の高さを算出し、
    　前記欠陥検出部は、前記路程が所定の路程閾値以下、あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上かつ前記高さが所定の高さ閾値以下の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする請求項６に記載の超音波探傷装置。
  9. 　前記信号解析部は、さらに前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号の高さを算出し、
    　前記欠陥検出部は、前記路程が所定の路程閾値以下、あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上、かつ前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上の位置を基準位置として、該基準位置に対して予め設定された探索範囲内の前記高さが所定の高さ閾値以下の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする請求項６に記載の超音波探傷装置。
  10. 　前記信号解析部は、前記保持された波形データをもとにエコー信号がない部分におけるノイズ成分のノイズレベルを解析し、該解析結果をもとにエコー信号検出の閾値を決定し、該決定された閾値をもとに前記エコー信号を検出して前記路程を算出することを特徴とする請求項６～９のいずれか一つに記載の超音波探傷装置。
  11. 　金属材料に対して、少なくとも加熱工程、穿孔工程、圧延工程、再加熱工程、成型工程、および検査工程を施して管材を製造する管材製造方法であって、
    　前記検査工程は、
    　前記管材の内側表面に向けて超音波信号を発生する超音波探触子と前記管材とを相対的に移動した時のエコー信号の波形データを取得して保持する波形保持工程と、
    　前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号を受信するまでの路程と該路程の変化率とを算出する信号解析工程と、
    　前記路程および前記路程の変化率をもとに前記内側表面の欠陥を検出する欠陥検出工程と、
    　を含むことを特徴とする管材製造方法。
  12. 　前記欠陥検出工程は、前記路程が所定の路程閾値以下あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする請求項１１に記載の管材製造方法。
  13. 　前記信号解析工程は、さらに前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号の高さを算出し、
    　前記欠陥検出工程は、前記路程が所定の路程閾値以下、あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上かつ前記高さが所定の高さ閾値以下の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする請求項１１に記載の管材製造方法。
  14. 　前記信号解析工程は、さらに前記保持された波形データをもとに前記内側表面からのエコー信号の高さを算出し、
    　前記欠陥検出工程は、前記路程が所定の路程閾値以下、あるいは前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上、かつ前記路程の変化率が所定の路程変化率閾値以上の位置を基準位置として、該基準位置に対して予め設定された探索範囲内の前記高さが所定の高さ閾値以下の条件を満たす部分に欠陥があると判定し、該条件を満たさない部分に欠陥がないと判定することを特徴とする請求項１１に記載の管材製造方法。
  15. 　前記信号解析工程は、前記保持された波形データをもとにエコー信号がない部分におけるノイズ成分のノイズレベルを解析し、該解析結果をもとにエコー信号検出の閾値を決定し、該決定された閾値をもとに前記エコー信号を検出して前記路程を算出することを特徴とする請求項１１～１４のいずれか一つに記載の管材製造方法。
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