JPS6193952A - 厚肉管の超音波斜角探傷法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は厚肉鋼管の超音波による斜角探傷方法に関す
るものである。

〔従来の技術〕

周知のように金属材料中の探傷に用いられる超音波の代
表的波動には縦波と横波があるが、従来鋼管の探傷方式
としてはＪＩＳのＧ　−０５８２や２−２３４４などに
定められた横波による超音波斜角探傷法が多用されてい
ることは良く知られている。

それらの規格においては肉厚と外径の比率（以下ｔＺＤ
比と称する）により斜角探触子の屈折角が定められてい
るが９％にｔ／Ｄ比が２０チをこえる厚肉鋼管の場合に
は超音波の屈折の法則（Ｓｎｅｌｌの法則）から（屈折
横波は臨界角の関係から鋼管内面に到達しない）斜角探
傷法では軸方向に発達した内面欠陥が検出しにくくなシ
安定した探傷が実施不可能なため規定から除外されてい
ることは「超音波探傷法（改訂新版）」昭和４９年Ｔ月
３０日（日刊工業新聞社）発行〔４９０〜４９３ページ
〕や「超音波探傷試験Ａ」昭和４９年５月１日（社団法
人　日本非破壊検査協会）発行〔２３１〜２４４ページ
〕などにより良く知られた事実である。

そのため従来からｔＺＤ比が２０％をこえる厚肉鋼管の
内面探傷に対し種々の提案がなされてきた。

第１図は厚肉鋼管の内面欠陥の検出方法を示す説明図、
第８図は第７図で説明された検出方法での超音波の往復
通過率と屈折角との関係を示した図で１例えば特公昭５
６−１７０２４号公報に示された従来の厚肉鋼管の内面
欠陥の検出方法を示す図である。

第７図において（１）は内面欠陥を検出するための送・
受信用探触子、（２）は肉厚・外径比−１／Ｄの大きな
被検査鋼管である。

従来の方式においては探触子（１）から円周方向に。

入射角度α０にて被検査鋼管（２）へ入射された超音波
ビームは屈折角度θＬｏの縦波値）と屈折角度θＳ　の
横波（Ｓ′）を同時に発生させる。さらに縦波（Ｌ）は
外壁に反射されモード変換により横波（Ｓ）を発生する
。

その横波（Ｓ）は屈折角度θＳでの被検査鋼管内面のＢ
点に到達する。

Ｂ点に欠陥があれば欠陥により反射された横波が入射さ
れた経路とは逆の順序で外壁に反射しモード変換されて
縦波にて入射点までもどり探触子（１１へ欠陥乎コーと
して入力される。

なお縦波と同時に発生した屈折角度Ｏ８の横波（Ｓ′）
はＡ点に到達し欠陥があれば逆の経路にて探触子（１１
へ欠陥エコーとして戻る。

第８図において孔は縦波（Ｌ）の往復通過率を入射角度
α及び屈折角度θＬＯにて示した線図でありＣは図１の
方法における有効な探傷範囲を示し、　ＴＳは入射点か
ら直接発生した横波（Ｓ′）の往復通過率を入射角度α
及び屈折角度θＳにて示した線図である。縦波（Ｌ）−
４横波（Ｓ）→欠陥の経路での往復通過率は（ＴＬ　Ｒ
Ｌ−８−８−Ｌ）　にて示されており、被検査鋼管の内
面探傷の感度が向上したことを示している。

しかしながら、従来の方法での範囲で往復通過率が向上
したとは言えるが、一般的に使用されて込る横波屈折角
３５〜７０度の往復通過率におよばないことも事実であ
る。

さらに探傷に使用する屈折角の範囲が１５〜３１度とせ
まいため、鋼管の自動探傷によく用いられる水浸探傷法
などにおいては超音波ビームの被検査＠看に対する許容
入射角度範囲が約１〜１４度と神宮にせまく探傷機構装
置の精度維持が困難なため自動化された例は少ない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の発明により厚肉鋼管の内面欠陥探傷の可能性が示
されたが、主な適用対象であるボイラー・熱交換器用鋼
管においては、パイプを圧延しながら製造するが圧延比
が比較的小さいため通常圧延したままでは外径及び内径
の変形度合が大きくかつ表面も粗い。

したがってそれらの被検査鋼管に超音波ビームを一度外
壁に反射させモード変換を行って探傷する従来の探傷法
では外壁の影響による超音波ビームの散乱などにより欠
陥検出の再現性が著しく悪化するため探傷方法として採
用することは困難である。

ところで加工した材料を検査するのでは不合格になった
場合のエネルギー・ロスが大きいため加工前に検査を実
施することが可能な探傷法の開発が従来から強く望まれ
ていた。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、被検査鋼管内面に横波の超音波ビームを外壁に反射
させず、かつ高い変換効率にて入射することを目的とす
る。

そのため被検査鋼管に起因する外径・内径の変形及び表
面の粗さに影響を受けにくくなシ圧延したままのボイラ
ー・熱交換器用鋼管などの内面探傷へ超音波探傷法が適
用可能となった。

〔問題を解決するための手段〕

この発明に係わる厚肉鋼管の超音波斜角探傷法は探触子
から被検査鋼管への超音波ビームの入射角度を往復通過
率の良い横波屈折角度θ５＝３５〜７０度の範囲を用い
るよう選択し、かつ被検査鋼管内面欠陥への横波入射角
度を反射効率の高い３５〜７０度の範囲にすることを目
的とし、探触子を被検査鋼管の軸方向及び９円周方向に
傾けて配置する。その場合、内面の欠陥が軸方向に延び
たスリット状欠陥の場合には反射した超音波エコーは送
イｂした探触子には戻らないため幾何的に欠陥よシ反射
された超音波ビームが外面に到達する場所に受信用の探
触子を配置し被検査鋼管の内面の探傷を行うものである
。

〔作用〕

この発明においては探触子から被検査鋼管へ入射する角
度と被検査鋼管内面の欠陥に入射する角度を従来円周方
向のみに与えられて−た入射角度以外に軸方向へも与え
ることにより探傷に最適な屈折角度及び欠陥の入射角度
’ｉ　３５〜７０度の範囲に設定する事が可能となった
。

さらに被検査鋼管の外壁に超音波ビームを反射させる必
要がなく、被検査鋼管に起因する外径・内径の変形及び
表面の粗さの影響を受けにくくなシ、従来超音波による
内面探傷が不可能だった圧延したままのボイラー・熱交
換器用鋼管などの内面探傷へ超音波探傷法が適用可能と
なった。

以上の手順で設定され、た超音波ビームの内面欠陥への
入射角度と同じ屈折角度をもった斜角探傷子にて通常の
パイプ探傷と同様に被検査銅管の円局方告から探傷を実
施すれば超音波ビームは外面にある欠陥に屈折角度と同
じ角度で入射することになり被検査鋼管の内・外面の欠
陥検査を同一感度（保証レベル）でＳＡ比の良い探傷が
可能となる。

〔実施例〕

第１図は本発明の説明図であ５．（３１は超音波ビーム
の送・受信用探触子、（２）は被検査鋼管、（３１は内
面欠陥からの反射エコーを検出する受信用探触子、（４
）は内面欠陥、αは探触子（１）から被検査鋼管（２）
へ入射される超音波ビームの入射角度、θは被検査鋼管
中の屈折角度、Ｔは内面欠陥（４１への超音波ビームの
入射角度、Ｌは探触子（１）及び（３）の超音波ビーム
の入射点間の距離である。

第２図は第１図を被検査鋼管の軸方向から見た超音波ビ
ームの伝搬状況の概念図で、Ｄは被検査鋼管（２）。外
ユ、、ゆ肉つ、ａ工探触＋（１）ヵ、ら被　　　　　　
ｉ検査鋼管（２）へ入射される超音波ビームの軸方向か
ら見た入射角度、θＬは被検査鋼管中の軸方向から見た
屈折角度、ルは内面欠陥（４）への軸方向から見た超音
波ビームの入射角度である。

第３図は第１図を被検査鋼管の円周方向から見た超音波
ビームの伝搬状況の概念図で、に、Ｆは被検査鋼管（２
）の中心線、αｔは探触子（１）から被検査鋼管（２）
へ入射される超音波ビームの円周方向から見た入射角度
、θＬは被検査鋼管中の円周方向から見た屈折角度、Ｔ
Ｌは内面欠陥（４）への円周方向から見た超音波ビーム
の入射角度、βは超音波ビームが内面欠陥（４１に入射
した位置と被検査鋼管（２）の中心点及び中心線Ｅによ
って幾何的に定まる角度で一般的に「内角増加角度」と
定義されているものである。

第４図は探触子のアタッチ・メントの材料であるアクリ
ルと鋼の超音波の往復通過率と屈折角度の関係を示した
ものであｐ　ＴＳは横波の往復通過率。

ＴＬは縦波の往復通過率、αＤ　（ＴＬ）は縦波を発生
する入射角度、α０（Ｔｓ）　は横波を発生する入射角
度。

θＬＯは縦波の屈折角度、θＳは横波の屈折角度。

Ｇは本発明の有効範囲である。

第４図にて有効範囲Ｇで示された横波の往復通過率の大
きい範囲（３５〜１０反）の屈折角度をもった横波は従
来の方法ではｔ力の大きな厚肉鋼管の内面探傷には使用
不可能と考えられていたものである。この屈折角を使用
し厚肉鋼管の内面探傷に用いるための手段を以下説明す
る。

送・受信用探触子（１）から被検査ｉ管（２１へ送出さ
れる超音波ビーム、の入射点での垂線に対する入射角度
αは第２図で示すように軸方向から見た場合にはαＬの
角度で、また円周方向には第３図で示すようにαｔの角
度で入射されたものに幾何的に分解出来る。

その場合のα、αＬ及びαｔの関係は（１）式にて示す
ことが出来る。

一韓）−Ｖ；へ（ｎ、）　−）−ｔａ１１’扉万　　　
・・・・・・・・・（１）同様に被検査鋼管中に伝搬す
る超音波ビームも軸及び円周方向にそれぞれθＬ、θｔ
の角度成分をもってθの屈折角度にて被検査鋼管内へ放
射される。

その場合のθ、θＬ及びθｔの関係はｆｉ１式と同様に
（２）式にて示すことが出来る。

論（の；Ｖう＝７玉ｊ司Ｔ￥ｔａｎ’　（Ｊら　　　　
　・・・・・・・・・（２）さらに入射角度αと屈折角
度θの間には音波の屈折の法則により探触子（１）の中
にある振動子から被検査鋼管（２）へ超音波を効率的に
入射するために用いられるアタッチ・メント１例えばア
クリル中の縦波音速Ｃａと被検査鋼管の鋼中横波音速Ｃ
８を用いて１３１式の関係がある。

ｓｉｎθ　ｗ　Ｃｓ　／　Ｃａ　−３ｉｌｌαｓｉｎθ
Ｌ　＝　Ｃ５／　Ｃａ　−５ｉｆｔ　ＱＬ　　　　　　
・−・・・−＋３１ｓｉｎθｔ　−Ｃｓ　／　Ｃａ　−
８ｉｎ　（Ｉｔここで一般的に鋼中横波はＣｓ　−３２
４Ｑ　ｍ／Ｓｅｃ。

アタッチ・メントの縦波音速はアクリルの場合Ｃａ　−
２７３０ｍ　／Ｓｅｅである。

被検査鋼管中を伝搬する超音波ビームは内面の欠陥に入
射角度ｒにて入射するがこの場合、軸方向の入射角度γ
Ｌは軸方向の屈折角度θＬと同一である。

しかし１円周方向の角度成分子ｔは第３図で示すように
幾伺的にβの角度分だけ円周方向屈折角度θｔに比べ増
加している。　この超音波ビームが内面欠陥に入射する
時屈折角にくらべ増加した角度βは一般的に「内角増加
角」と呼ばれ一般的な鋼管の円周方向から内面探傷を行
う超音波斜角探湯法時の制約条件になっている。

それらの関係ヲ１４）式から（６）式に示す。

ｒＬ−ＱＬ　　　　　　　・・・・・・・・・（４１ｒ
ｔコθｔ＋β　　　　　、、、−０，−０＋５１その場
合の内面欠陥入射角度γはｒＬ及びｊｔｉ用いて（７１
式にて示すことが出来る。

さらに＋４１　、　＋５１　、　（６１式を用いてＱＬ
とθｔにて粉現すると次式となる。

但しθｔは（８）成金満足することが必要である。満足
しない場合超音波ビームは被検査鋼管の内面に到達しな
くなシ内面探傷は不可能となる。

５ｉｎ（ＱＬ）≦（１−２・ｔ／Ｄ）　　　　・・・・
・・・・・（８）式以上の条件から被検査鋼管中の横波
超音波の屈折角度θ及び内面欠陥への入射角度γは（２
）式及び（７）式によυ軸方向の屈折角度θＬと円周方
向の屈折角度θｔｆ適宜に選択することにより横波によ
る超音波斜角探傷に最も適した第４図に示した探傷有効
範囲Ｇの屈折角３５〜７０度を選択することが可能とな
る。

このように効率良く被検査鋼管の内面に入射された超音
波ビームは内面欠陥により反射され、欠陥反射角度ｒ（
軸方向成分子Ｌ　、円周方向成分子ｔ）にて外面に向い
外面入射角度θ（軸方向成分θＬ。

円周方向成分θｔ）にて外面に到達する。その場所（送
信用探触子（１）と同一軸上にあυ（９）式にて示す距
離りだけはなれている）に受信用探触子を第１図に示す
ように円周方向にαｔ、軸方向に皿傾けて送信用探触子
に対向するよう配置することにより内面欠陥から反射さ
れた超音波ビームを効率良く受信することが可能となる
。

Ｌ＝ＤＸ　（ωＳθｔ−ｆ平「σ面ξｉｎ’５Ｊｉ）ｘ
−ＱＬ・・・（９）先に選択した軸方向の屈折角度θＬ
と円周方向角度θｔにおいて、被検査鋼管の外径と探触
子の超音波ビームの巾の比率が比較小さい場合は探触子
から送出され拡がった超音波ビームの一部が軸方同成分
だけでパイプの内面に直接反射し受信用探触子に進入す
る透過波が発生する場合がある。

その場合は透過波が伝搬する距離比と欠陥からの反射波
が伝搬する距離Ｌｕ　ｋずらずように考慮して軸方向の
屈折角度θＬと円周方向角度θｔを選択する必要がある
。ＬＬとＬｕｉもとめる式ｉ　＋１（１、α９式に示す
。

Ｌｕ＝Ｄ−（ｃｏｓｏｔ　−（１−２ｔ／ｆｉ囚ｓｉｎ
’１９ｉ）廓θＬ・・・・・・・・・［１１１ 第１表は本発明による探傷条件を計算した一例である。

計算する条件として外径りはφ６０．軸方向屈折角度θ
Ｌを４５度に固定し９円周方向屈折角度θｔヲ７．５〜
３５．０度まで２５度単位で、肉厚・外径比ｔ／ｂを２
０〜３５％まで′Ｌ３％単位で変化させた場合における
屈折角度θヲ（２）式、欠陥入射角度γヲ（７）式、送
信用探触子と受信用探触子間の距離Ｌｉ（９＋式、透過
波との伝搬距離の差ΔＢＬ　＝　（Ｌｕ　−ＬＬ　）　
ｋｔｌＧ、００式から計算している。

これらの計算結果から本発明の有効範囲である屈折角θ
、及び内面欠陥入射角度ｒが３５〜１０度になることが
ｔ／Ｄ≦３５％までの範囲にすべて存在することが証明
出来る。このことは厚肉鋼管の内面探傷に第４図で示し
た本発明の有効範囲Ｇが使用でき、その結果本発明の探
傷法が従来の方法より往復通過率が大きく、そのためさ
らに高い感度で欠陥検出が可能であることを示している
。

第５図に実際に被検査鋼管の探傷に適用した例を示す。

ｆｉｌ〜（３１は第１図と全く同一のものである。（４
）は送信用探触子（１１と受信用探触子（３１の間隔を
調整するだめの位置決め治具、（５）は送信用探触子（
１）と受信用探触子（３１及び位置決め治具（４）全搭
載し被検査鋼管（２）の軸方向と直交する方向に移動す
ることにより円周方向の入射角度を調整する円周方向入
射角度調整機構、（６）は被検前Ｍ管を回転させるター
ニングローラー、（７）はｆｉｌ〜（６）を収納し超音
波を探触子から被検査銅管に伝搬させるだめの接触媒質
として水を入れた水ａを示している。

上記のように構成された厚肉鋼管用超音波斜角探傷装置
においては第１〜３図中の軸方向入射角度αＬは送信用
探触子（１）と受信用探触子（３）の固有の入射角度を
用いている。従って軸方向屈折角度θＬは（３）式よシ
決定することが出来る。さらに円周方向の入射角度αｔ
は円周方向入射角度調整機構（５）にて決定する。

第６図は円周方向入射角度αｔの調整原理を示した図で
ある。

円周方向入射角度αｔは探触子（１）及び（３）と被検
査鋼管（２）の円周方向軸ずれ量ＪＬと被検査鋼管（２
）の外径りにより幾何的に式α２にて計算出来る。

ＳＬｎαｔ＝２・ΔＬ／Ｄ　　　　　　・・・・・・・
・・α２式また円周方向屈折角度θｔはαｔを用いて（
３）式より計算することが出来る。但しこの場合は接触
媒質に水を使用しているため式中のＣａヲ水中音速（約
ｔｓａａｒｎ／ａ）にして計算する必要がある。

さらに被検査鋼管の外径り、肉厚ｔにより最適の円周方
向入射角度ヲ（２）式及び（７）式により計算し円周方
向入射角度調整機構（５）の周方向軸ずれ量ΔＬをα３
式を解いて設定する。

送信用探触子（１）と受信用探触子（３）の間隔りは（
９）式にて計算し探触子間隔の位置決め治具（４）にて
設定する。

以上の初期調整を実施し基準欠陥等で感度調整後、被検
査鋼管をターニングローラー（６）にて回転させること
により被検査鋼管の全周に渡って探傷が可能となる。そ
れらの初期調整機構にコンピータ制御の調整機構を採用
すれば容易に自動化が可能となることは−うまでもない
。

さらに欠陥に刻する超音波ビームの入射角度により同一
欠陥から反射される欠陥エコーのレベルが変化すること
は良く知られた事実であシ、従来の鋼管の超音波探傷に
おいては内面欠陥の入射角度と外面欠陥の入射角度が異
なるため内面と外面の欠陥検出が同一感度で行われるこ
とはほとんどは不可能である。そのため本発明による内
面探傷方法に被検査鋼管の外面を専用に探傷する垂直探
触子と専用の円周方向入射角度調整機構を追加すれば入
射角度を内面用の欠陥入射角度ｒと同じに調整すること
が出来るよう炉なシ被検査鋼管の内・外表面の欠陥を同
一感度（保証レベル）で８／Ｎ比の良い探傷が可能とな
る。

ところで上記説明ではこの発明全厚肉鋼管の内面欠陥の
探傷に利用する場合について説明しているが、内・外表
面の欠陥を同一感度（保証レベル）にて探傷を実施した
い肉厚・外径比＝　ｔ／Ｄが２０チ以下の鋼管にも利用
出来ることはいうまでもなく、さらに、送・受信用探触
子＋１１にて受信可能な内面欠陥の種類としては点状欠
陥（音響的には無指向性欠陥と考えられるため反射した
成分が探触子（１）にもどってくる）や送信された超音
波ビームと直交する欠陥（圧延法などにより軸方向に対
しある傾斜角度で、軸及び円周方向の角度を調整するこ
とにより欠陥と超音波ビームが直交し反射エコーが探触
子（１１にもどってくる）があり、受信用探触子（３）
の結果と組合せることにより欠陥種類の分類及び従来検
出が困難であった傾すた欠陥の検出に利用出来ることは
いうまでもない。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとおシ、探触子を被検査鋼管の
軸方向及び円周方向に傾けることにより横波の超音波ビ
ームを内面に存在する欠陥に横波斜角探傷に最適な３５
〜１０度の角度で入射し従来の方法よシ高込感度にて探
傷が出来るという効果がある。

また被検査鋼管の外面に超音波ビームを反射させる必要
が無いため被検査鋼管の内・外径の変形や表面あらさの
影響をうけにくい探傷が出来るという効果がある。さら
に内面欠陥への入射角度と同じ屈折角度を持つ外面探傷
専用の探触子を持つ外面探傷法と組合せることにより内
・外面の欠陥検査を同一感度（保証レベル）で探傷可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す概念図、第２図は被
検査鋼管の軸方向から見た超音波ビームの伝搬状況の概
念図、第３図は被検査鋼管の円周方向から見た超音波ビ
ームの伝搬状況の概念図。 第４図は横波超音波ビームの屈折角と往復通過率を模式
的に示した図、第５図はこの発明の具体的実施例の外観
図、第６図は円周方向入射角度調整の原理図、第１図は
従来の厚肉＠管における内面探傷の原理図、第８図は従
来の方法による往復通過率と屈折角を模式的に示したグ
ラフである。 図において＋１１は送信用探触子、（３）は受信用探触
子である。 なお図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被検査鋼管に屈折角３５〜７０度の範囲で入射し
   た横波の超音波ビームが内面に存在する軸方向の欠陥に
   対し入射角度３５〜７０度の範囲で入射するように軸及
   び円周方向に傾けられ配置された送信用探触子と、内面
   の欠陥から反射された超音波ビームを受信するように幾
   何的に配置された受信用探触子とにより、横波にて被検
   査鋼管の内面欠陥を探傷することを特徴とする厚肉鋼管
   の超音波斜角探傷法。
2. （２）内面欠陥探傷での内面欠陥入射角度と同じ屈折角
   度になるような探触子により被検査鋼管表面から横波を
   円周方向にのみ斜入射して、この横波により被検査鋼管
   の外面欠陥を探傷することを特徴とする特許請求の範囲
   第（１）項記載の厚肉鋼管の超音波斜角探傷法。