JP2009236620A

JP2009236620A - 超音波探傷方法

Info

Publication number: JP2009236620A
Application number: JP2008081618A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Otani; 靖弘大谷
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】簡易な構成で精度良い欠陥検査を行うことのできる超音波探傷方法を提供する。
【解決手段】超音波を用いて配管の欠陥を検出する方法であって、配管１０の被検査部位３０にＳＨ波を入射してその反射波を受信する探触子６０を管周方向に複数並設するとともに、各探触子６０と被検査部位３０の間に各探触子６０と隣接して較正用探触子７０をそれぞれ配設しておき、複数の探触子６０を切り替えて動作させながら被検査部位３０にＳＨ波を入射するステップと、ＳＨ波を入射した探触子６０がそのＳＨ波の反射波を受信するステップと、ＳＨ波を入射した探触子６０に隣接する較正用探触子７０の受信波形を用いて当該探触子６０の受信波形を補正する補正ステップと、補正ステップの結果に基づき被検査部位３０の欠陥を検出する検出ステップと、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波を用いて配管の欠陥を検出する方法に関するものである。

従来、超音波探傷装置に関し、『超音波探触子を被検査体上で移動させることなく、所定範囲の検査を行うことができるようにする。』ことを目的とした技術として、『被検査体１に対して超音波を発信すると共に、その超音波の反射波を受信する超音波探触子ｓを、複数、各々からの超音波の発信方向が同方向となるように並設し、前記複数の超音波探触子ｓを切り替えて作動させる切替部１１を設けてある。』というものが提案されている（特許文献１）。

また、超音波探傷装置に関し、『超音波探傷装置の大型化を抑制しながら、接触媒質の膜厚を所望の反射波強度が得られる膜厚に維持し易い超音波探傷装置を提供する。』ことを目的とした技術として、『超音波探触子１の探触面を被検査体表面に接触媒質７を介して押し付けて被検査体Ａを探傷するように構成してある超音波探傷装置であって、探触面の被検査体表面への押し付け圧力を検出する圧力センサ１０と、検出した押し付け圧力を表示する表示手段１２とを設けてある。』というものが提案されている（特許文献２）。

また、溶接部の検査方法に関し、『溶接構造体の溶接部の検査において、接触媒質で検査対象の周辺を汚染せず、溶接部の空隙の有無を精度良く知ること』を目的とした技術として、『超音波探触子１は超音波送受信面に接触媒質１０と薄くて且つ柔軟性のあるシート１５を有している。応力を付加する手段２７により超音波探触子に応力を付加しながら、垂直超音波が対抗面で反射した垂直反射波の信号強度と応力の相関を得る。応力の増加に伴う信号強度の増加の程度が緩やかになった時点の応力を維持して、ＳＨ波の送受信を行う。溶接部１３に存在する空隙１４で反射したＳＨ反射波の信号検出の有無から空隙１４の有無を知り、空隙が有れば溶接不良、無ければ健全であると判断する。』というものが提案されている（特許文献３）。

特開２００４−２０３３３号公報（要約）特開２００４−２０３３４号公報（要約）特開２００４−２１２３０８号公報（要約）

超音波を用いて欠陥検出を行う場合、反射や屈折時にモード変換を生じないため明瞭な波形が得られ易く、エネルギーの損失が少ないという利点から、ＳＨ（ＳｈｅａｒＨｏｒｉｚｏｎｔａｌ）波が用いられる場合がある。
ＳＨ波を被検査物に伝達させるには、せん断方向の振動を被検査物との接触面から伝える必要がある。そのため、探触子と被検査物の接触面に用いる接触媒質は、一般的なものより粘性が高い専用のものを用いる必要がある。

上記のようなＳＨ波の発生手法の特性により、発生させるＳＨ波、およびその受信感度は、接触媒質の粘性の変化、被検査物の表面状態、探触子の取付状態、などの測定環境によって大きく異なる可能性がある。また、同一の被検査物であっても、計測点を変更する際に感度が変化してしまう可能性がある。

上記特許文献１に記載の技術では、上述の点を考慮しておらず、探触子の接触状態によっては検出精度が異なる場合がある。
上記特許文献２に記載の技術では、押し付け圧力以外の要素、例えば接触媒質７の粘性に起因する音響結合状態の変化を考慮しておらず、検出精度について同様の課題がある。
上記特許文献３に記載の技術では、応力を付加する手段２７を設けるため、装置が大型になってしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で精度良い欠陥検査を行うことのできる超音波探傷方法を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波探傷方法は、超音波を用いて配管の欠陥を検出する方法であって、前記配管の被検査部位にＳＨ波を入射してその反射波を受信する探触子を管周方向に複数並設するとともに、各前記探触子と前記被検査部位の間に各前記探触子と隣接して較正用探触子をそれぞれ配設しておき、前記複数の探触子を切り替えて動作させながら前記被検査部位にＳＨ波を入射するステップと、ＳＨ波を入射した探触子がそのＳＨ波の反射波を受信するステップと、ＳＨ波を入射した探触子に隣接する較正用探触子の受信波形を用いて当該探触子の受信波形を補正する補正ステップと、前記補正ステップの結果に基づき前記被検査部位の欠陥を検出する検出ステップと、を有するものである。

本発明に係る超音波探傷方法によれば、探触子と較正用探触子を隣接して配設するという簡易な構成で、較正用探触子の受信波形を用いて、探触子が受信した受信波形を補正することができ、精度良い欠陥検出を行うことができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波探傷方法の実施対象を示す断面図である。
図１において、配管１０は、橋桁５０の底面に配設されており、橋台４０を貫通して地中に埋設されている。配管１０のうち、橋桁５０の底面に敷設されている部分は、検査者が接触することができるが、橋台４０を貫通している部分は橋台４０内に埋没しているため、検査者が接触することはできない。
したがって、配管１０のうち、橋台４０を貫通している部分に存在する腐食２０等の欠陥は、橋台４０の外部から検査を実施しなければならない。ここでは、橋台４０の外部から超音波を入射して腐食２０を検出することを考える。

図２は、探触子６０の配置を説明する斜視図である。
本実施の形態１では、配管１０の管周方向に沿って複数の探触子６０を配設し、被検査部位３０に向けて超音波を入射する。なお、探触子６０と隣接して、後述の図３で説明する較正用探触子７０（図２では図示せず）を配設する。
このように、複数の探触子６０を配設するのは、１つの探触子を用いる場合、管周方向に沿って探触子６０を移動させて管周方向に走査する必要があるからである。
特に超音波としてＳＨ波を用いる場合、高粘度の接触媒質を用いるため、探触子６０を効率良く移動させ難く、探触子６０を移動させて管周方向に走査すると、検査に時間がかかる。
そこで本実施の形態１では、図２のように配管１０の管周方向に沿って複数の探触子６０を配設することとした。なお、探触子６０の数は、必要に応じて適宜定める。

探触子６０は、被検査部位３０の検査に際し、ＳＨ波を用いる。
各探触子６０を動作させてＳＨ波を送受信する際には、動作させる探触子６０を切り替えながら検査を行う。
欠陥位置は、管軸方向、管周方向、深さの３つの座標値をもって特定する。

（１）管軸方向：配管１０の長さ方向である。
（２）管周方向：配管１０の円周方向である。
（３）深さ方向：配管１０の厚さ方向である。

図３は、探触子６０の配設状態の詳細を示す図である。
図３（ａ）は探触子６０の側面図、図３（ｂ）は配管１０の断面図を示す。
探触子６０の前方（ＳＨ波を入射する方向＝被検査部位３０が存在する方向）には、探触子６０に隣接して、較正用探触子７０が配設される。較正用探触子７０は、後述の手法により、探触子６０の受信感度を補正するためのものである。
較正用探触子７０は、各探触子６０毎に設けられる。

また、センサモジュールは、エアシリンダ８０によって探触子６０と較正用探触子７０を配管１０の表面に押し付ける押付機構を備えている。
エアシリンダ８０は、空気圧で探触子６０と較正用探触子７０を配管１０の表面に押し付ける機能を有する。

図４は、本実施の形態１に係る超音波検査装置の全体構成図である。
図４において、コンピュータ２００は、超音波送受信装置２１０および切替器２２０の動作を制御し、超音波送受信装置２１０が受信した超音波信号を記録、画面表示する。
超音波送受信装置２１０は、コンピュータ２００の指示に基づきパルス信号を生成して切替器２２０を介し探触子６０に入力し、探触子６０が受信した超音波信号を切替器２２０を介し受信してコンピュータ２００に出力する。
切替器２２０は、コンピュータ２００の指示に基づき、複数の探触子６０のうち、動作させるものを切り替える。
探触子６０は、超音波送受信装置２１０が供給するパルス電圧によって励振され、被検査部位３０にＳＨ波を入射する。併せて、欠陥等で反射したＳＨ波を受信し、電気信号として超音波送受信装置２１０に出力する。

以上、本実施の形態１に係る超音波探傷方法およびその装置の概略構成を説明した。
次に、本実施の形態１に係る超音波探傷方法における受信波形の較正手法を説明する。

図５は、配管１０の欠陥検査に先立ち評価基準の作成を行う様子を示す図である。
図５（ａ）は評価基準を作成する様子、図５（ｂ）は図５（ａ）で作成した評価基準に基づき配管１０の欠陥検査を行う様子を示す。

図５（ａ）において、３００は腐食の評価基準を作成するための試験片、３１０は評価基準用反射源である。
探触子６０は、図５（ａ）の矢印で示す方向に超音波を送信し、評価基準用反射源３１０で反射した超音波を受信して、その波形を計測することができる。また、探触子６０が送信した超音波は、較正用探触子７０でも直接受信する。
以下、図５の構成の下で評価基準の作成を行う手順を、ステップ（１）〜（９）で説明する。

（１）図５（ａ）で説明した評価基準用の試験片３００を準備し、探触子６０を配置する。試験片３００には、欠陥による超音波の反射を模擬的に再現するための、評価基準用反射源３１０を設けておく。
（２）探触子６０と評価基準用反射源３１０の間に、較正用探触子７０を配置する。較正用探触子７０は、実計測時と同様の固定方法で試験片３００に固定する。

（３）探触子６０から試験片３００にＳＨ波を送信し、評価基準用反射源３１０で反射した超音波を探触子６０で受信する。この際、探触子６０から送信されたＳＨ波を較正用探触子７０でも受信しておく。

（４）較正用探触子７０における透過波のピーク値を取得して、これを後の実計測時の基準として用いる。詳細は後述する。
なお、ここでいう透過波とは、探触子６０から較正用探触子７０に直接入射した超音波のことである。較正用の超音波が試験片３００や被検査物を伝搬する距離が短くなるが、その方が探触子の接触状況の影響のみを確認するには適していると考えられるため、このような手法を用いている。

（５）腐食検査を行う際（図５（ｂ）：実計測時）は、探触子６０と較正用探触子７０の間の距離が試験片３００における計測時（図５（ａ））と同一になるように配置する。
（６）なお、較正用探触子７０を被検査物に固定する際の取付状態は、試験片３００上における較正用探触子７０の取付状態と同一にする。

（７）探触子６０から被検査部位３０に向けてＳＨ波を入射する。腐食２０で反射した超音波を、探触子６０で受信する。併せて、探触子６０から送信されたＳＨ波を較正用探触子７０で受信する。
（８）較正用探触子７０における透過波の受信レベルを測定し、ピーク値を取得する。

（９）試験片３００上で測定した際の較正用探触子７０における受信ピーク値と、実計測時の較正用探触子７０における受信ピーク値とを比較する。その比較結果に基づき、探触子６０における受信レベルを補正することができる。
補正方法は、例えば試験片３００上での受信ピーク値と実計測時の受信ピーク値の比に基づく方法、差分に基づく方法、などが考えられる。例えば比に基づき補正する場合は、その比の値を探触子６０における受信レベルに乗算して、受信レベルを補正する。

以上の（１）〜（９）で述べたような手順によれば、探触子６０の取付状態等の測定環境が、試験片３００上における探触子６０の取付状態等の測定環境と異なっていても、評価基準作成時の較正用探触子７０の受信ピーク値と、実計測時の較正用探触子７０の受信ピーク値を比較することにより、探触子６０の受信レベルを補正することができる。
したがって、探触子６０において、測定環境によらず正確な受信レベルが得られるので、その受信レベルに基づき、探触子６０の受信波形を補正し、腐食２０の大きさ等の状態を正確に把握することができる。

また、試験片３００上における較正用探触子７０の測定値は、値のみ取得しておけば後の感度補正処理を実行可能であるので、実計測を行う場所に試験片３００を都度持っていく必要がなく、携帯する測定機器等を軽量化することができ、検査員の便宜に資する。

以上、本実施の形態１に係る超音波探傷方法における受信波形の較正手法を説明した。
次に、腐食２０の位置の特定手順について説明する。

（１）管軸方向の位置
腐食２０の管軸方向の位置は、探触子６０がＳＨ波を入射してから反射波を受信するまでの時間と、ＳＨ波が配管１０を伝搬する速度とに基づき特定することができる。

（２）管周方向の位置
腐食２０の円周方向の位置は、腐食２０に対応した受信波形が受信された探触子６０の配置位置から推定することができる。即ち、腐食２０から反射された受信波形は、腐食２０の大きさ等に応じて信号強度が局所的に変化しているため、そのような受信波形を受信した探触子６０の前方に腐食２０が存在するものと推定することが可能である。
ただし、超音波は伝搬距離が長くなるにつれて円周方向に拡がっていくため、腐食２０の正面以外の探触子６０でも、信号強度が変化した受信波形が検出される場合がある。
そこで、腐食２０の位置が探触子６０から外れるほど、超音波の路程が長くなり、検出位置が遠くなる特性を考慮して、管周方向の計測位置が異なる複数の探触子６０の受信波形データを比較しながら腐食２０の位置を特定するとよい。

（３）深さ方向の位置
腐食２０の深さは、腐食２０から反射する信号の強さで評価することができる。
例えば、腐食２０を想定した人工きずを用いて管径別に評価基準データを作成しておき、この値を基に腐食２０の深さを推定する閾値を定める。実計測時は、この閾値と信号強度に基づき、腐食２０の深さを特定する。

以上、腐食２０の管軸方向、管周方向、深さ方向の位置の特定手順について説明した。

以上のように、本実施の形態１によれば、管周方向に複数の探触子６０を配設し、動作させる探触子６０を切り替えながら被検査部位３０にＳＨ波を入射するので、探触子６０を移動させる必要がなく、効率良く欠陥検査を行うことができる。

また、本実施の形態１では、較正用探触子７０を探触子６０の近くに隣接して配置しているので、探触子６０を被検査部位３０の近くに配設することができる。
超音波探傷の特性上、被検査部位３０からの距離が遠くなると欠陥検出の精度が低下するので、上述のように探触子６０を被検査部位３０の近くに配設することができる構成を採用することが好ましい。

また、本実施の形態１では、ＳＨ波を用いて欠陥検査を行う。そのため、反射や屈折時にモード変換を生じず、明瞭な波形が得られ易く、エネルギーの損失が少ないという利点があり、精度良い欠陥検出を行うことができる。

また、本実施の形態１では、あらかじめ評価基準用の試験片３００上で評価基準用反射源３１０を用いて評価基準データを作成しておき、実計測時は評価基準データと較正用探触子７０の受信波形とを比較することで、探触子６０の受信感度を補正する。
これにより、接触媒質や押付強度などの探触子６０の取付状態に起因する受信波形の変化を補正し、精度良い欠陥検出を行うことができる。
特に、受信波形そのものを用いて較正を行うので、例えば押付圧力のように間接的なパラメータを用いて較正や感度管理を行う手法と比較して、より直接的で精度の良い較正と欠陥検出を行うことができる。

また、本実施の形態１では、探触子６０と較正用探触子７０とエアシリンダ８０をモジュール化し、配管１０の外周に配設されたリングフレーム９０に配設したので、超音波探傷装置全体の軽量化と、メカニカルな機構の削減を達成することができる。
また、エアシリンダ８０の空気圧により簡便に押付圧力を調整できるので、探触子６０と較正用探触子７０の取付状態の調整が容易である。

実施の形態２．
実施の形態１では、ＳＨ波を用いて配管１０の欠陥検査を行うことを説明した。
より遠方の欠陥検査を行う場合は、ＳＨガイド波を用いる。

ガイド波とは、板厚、周波数、音速、入射角の諸条件を整えることで境界面（板の表面と裏面）の影響を積極的に利用した超音波の種類の総称である。ガイド波は、物理的な境界により形成された導波路に沿って伝搬する。

ガイド波は、エネルギーの散逸が少なく遠方まで伝搬可能なことから、これを用いて欠陥検査を行うことで、より遠方まで検査が可能となる。そのため、配管等の欠陥検査手法に用いるものとして、近年注目されている。そこで、伝搬媒質の形状に沿って伝搬するＳＨガイド波を用いて欠陥検査を行うことを考える。

ＳＨガイド波は、伝搬媒質の形状に沿って、板厚全体にわたり水平方向に振動しながら、伝搬していく。
ＳＨガイド波は、遠方まで伝搬可能な特性を有する。例えば１ｍ程度の先にある検査範囲に対してＳＨガイド波を入射してその反射波を受信することで、欠陥検査を行うことが可能である。

なお、パイプのような円筒状の形状を持つ伝搬媒質に関しても、探触子を接触させた部分を局部的に板とみなし、板材にＳＨガイド波を入射する際と同様の手法で、ＳＨガイド波を伝搬させることができる。

以上の実施の形態１〜２では、腐食２０を超音波で検査する際の構成と手順について説明したが、検査対象の欠陥は、腐食に限られるものではなく、任意の欠陥について適用が可能である。

実施の形態１に係る超音波探傷方法の実施対象を示す断面図である。探触子６０の配置を説明する斜視図である。探触子６０の配設状態の詳細を示す図である。実施の形態１に係る超音波検査装置の全体構成図である。配管１０の欠陥検査に先立ち評価基準の作成を行う様子を示す図である。

符号の説明

１０配管、２０腐食、３０被検査部位、４０橋台、５０橋桁、６０探触子、７０較正用探触子、８０エアシリンダ、９０リングフレーム、２００コンピュータ、２１０超音波送受信装置、２２０切替器、３００試験片、３１０評価基準用反射源。

Claims

超音波を用いて配管の欠陥を検出する方法であって、
前記配管の被検査部位にＳＨ波を入射してその反射波を受信する探触子を管周方向に複数並設するとともに、
各前記探触子と前記被検査部位の間に各前記探触子と隣接して較正用探触子をそれぞれ配設しておき、
前記複数の探触子を切り替えて動作させながら前記被検査部位にＳＨ波を入射するステップと、
ＳＨ波を入射した探触子がそのＳＨ波の反射波を受信するステップと、
ＳＨ波を入射した探触子に隣接する較正用探触子の受信波形を用いて当該探触子の受信波形を補正する補正ステップと、
前記補正ステップの結果に基づき前記被検査部位の欠陥を検出する検出ステップと、
を有することを特徴とする超音波探傷方法。
前記被検査部位の欠陥検出に先立ち、
評価基準を定めることを目的とした評価基準用試験片上で、
基準反射源と探触子の間に較正用探触子を配置し、
基準反射源の計測と併せて較正用探触子での受信波形も計測しておき、
前記補正ステップでは、
前記評価基準用試験片を用いて測定した較正用探触子の受信波形と、
当該補正ステップで測定した較正用探触子の受信波形とを比較し、
その比較結果により前記探触子の受信波形を補正する
ことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷方法。
前記評価基準用試験片を用いて測定した較正用探触子の受信波形のピーク値と、
前記被検査部位を検査する際に測定した較正用探触子の受信波形のピーク値との比に基づき、
前記探触子の受信波形を補正する
ことを特徴とする請求項２記載の超音波探傷方法。
前記検出ステップでは、
前記探触子がＳＨ波を入射してから反射波を受信するまでの時間とＳＨ波の伝搬速度に基づき管軸方向の欠陥位置を特定し、
各前記探触子の受信波形を比較することで管周方向の欠陥位置を特定する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の超音波探傷方法。
前記配管の外周にリングフレームを配設するとともに、
前記探触子と較正用探触子を、エアシリンダを介して前記リングフレームに配設し、
前記エアシリンダの空気圧で前記探触子と較正用探触子を前記配管の表面に押し付けて前記探触子より前記ＳＨ波を入射する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の超音波探傷方法。
前記ＳＨ波はＳＨガイド波である
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の超音波探傷方法。
前記欠陥として前記配管の腐食を検出する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の超音波探傷方法。
構造物によって遮蔽されている前記欠陥を、
遮蔽物の外部に前記探触子および前記較正用探触子を配設して検出する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の超音波探傷方法。