DE69938407T2

DE69938407T2 - Verfahren und Gerät für die Ultraschallprüfung von Stahlröhren

Info

Publication number: DE69938407T2
Application number: DE1999638407
Authority: DE
Inventors: Tatsuya Kawasaki-ku Hashimoto; Yukinori Kawasaki-ku Iizuka; Yasuhiro Kawasaki-ku Matsufuji; Takeo Kawasaki-ku Shimizu
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2019-08-12
Also published as: EP1950559A1; EP0981047A3; EP1882923A2; EP1818674A1; DE69938407D1; EP1882923A3; EP0981047A2; EP1818674B1; EP0981047B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschall-Inspektionsverfahren und eine Ultraschall-Inspektionsvorrichtung zum Inspizieren eines Flächendefekts, der in einem geschweißten Teil einer Stahlröhre erzeugt wurde, unter Verwendung von Winkelprüfköpfen, die an der äußeren Umfangsfläche der Stahlröhre angebracht sind.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Beispielsweise wird eine Stahlröhre, die einen Außendurchmesser aufweist, der 1 m überschreitet, hergestellt durch Biegen einer Stahlplatte in eine zylindrische Form und dann Schweißen der Seitenflächen der Stahlplatte. Die durch solch ein Verfahren hergestellte Stahlröhre kann als eine geschweißte Stahlröhre bezeichnet werden, so wie in 1(a) gezeigt, wobei sich ein geschweißter Teil 3, der sich in eine axiale Richtung erstreckt, auf einer äußeren Umfangsfläche 2 einer hergestellten Stahlröhre 1 befindet.
In solch einer Stahlröhre 1 erhöht sich die Wahrscheinlichkeit eines Flächendefekts 4, der verursacht wird durch fehlerhaftes Schweißen zur Zeit der Herstellung in der geschweißten Fläche, die eine radiale Richtung (Dickenrichtung) und eine axiale Richtung enthält.
Als ein Verfahren zum Inspizieren des Flächendefekts 4 wurde ein Winkel-Ultraschall-Inspektionsverfahren, das in den 1(b) oder 1(c) gezeigt ist, realisiert. 1(b) zeigt ein Inspektionsverfahren, in dem eine Ultraschallwelle 6, die in einem Prüfkopf 5 erzeugt wird, der an der äußeren Umfangsfläche 2 der Stahlröhre 1 angebracht ist, in den Flächendefekt 4 in dem geschweißten Teil 3 bei einem 0,25 Skip bzw. Sprung eintritt; und 1(c) zeigt ein Inspektionsverfahren, in dem die Ultraschallwelle 6 in den planaren Defekt 4 bei einem 0.75 Skip eintritt. Ein Winkel, der eine Propagationsrichtung bzw. Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwelle 6, die in die Stahlröhre 1 von dem Winkelprüfkopf 5 eintritt, mit einer senkrechten Linie einer Eintrittsfläche bildet, wird als ein Inspektionsbeugungswinkel θ bezeichnet. Der Beugungswinkel des Winkelprüfkopfes 5, der im Allgemeinen verwendet wird für die Inspektion der Stahlröhre, ist normalerweise 70°.
Jedoch erzeugt dieses Winkel-Ultraschall-Inspektionsverfahren die folgenden Probleme in der Praxis.
In dem Fall einer Stahlröhre 1, so wie einer mit einem Lichtbogen geschweißten Stahlröhre, die ein Verhältnis einer Dicke t zu einem Außendurchmesser D, d. h. t/D, von 0,7–7% aufweist, wird eine Ultraschallwelle 6, die in die Stahlröhre 1 eintritt, nicht von der Grundfläche bzw. unteren Fläche bei dem Beugungswinkel θ von 70° reflektiert, wenn t/D 3% oder mehr ist. Daher wird bei einem 0,75 Skip, der in 1(c) gezeigt ist, Inspektion eines Beugungswinkels, der kleiner ist als der nominale Winkel von 70°, so wie 65°, 60° oder 55°, ausgeführt. In dem Fall einer Inspektion der Stahlröhre 1, die t/D von etwa 6% aufweist, tritt folglich die Ultraschallwelle 6 nicht senkrecht in den Flächendefekt 4 bei einem 0,75 Skip ein, und daher wird fast keine Ultraschallwelle 6 durch den Flächendefekt 4 in die Richtung des Winkelprüfkopfes 5 reflektiert, wodurch die Defektdetektierungsfähigkeit vermindert wird.
Gemäß der Inspektion bei einem 0,25 Skip, die in 1(b) gezeigt ist, verglichen mit der Inspektion bei einem 0,75 Skip, werden andererseits der Flächendefekt 4 und die Winkelprobe 5 nah zueinander angeordnet, so dass der Winkelprüfkopf 5 relativ stark ein Defektsignal detektieren kann. Jedoch tritt eine starke Ultraschallwelle 6 in ein geschweißtes Metallstück in dem geschweißten Teil 3 ein, so dass ein Echo, das innerhalb des geschweißten Metalls reflektiert wird, als Ultraschallrauschen aufgenommen wird, und das hohe S/N-Verhältnis des Fehlerechos kann nur schwer erhalten werden.
In einer Stahlröhre 1, die mit einer dünnen Stahlplatte hergestellt wurde, wird befürchtet, dass ein Halter zum Halten des Winkelprüfkopfes 5 das geschweißte Teil 3 berühren könnte, so wie in 1(b) gezeigt, so dass die Inspektion nicht durchgeführt werden kann bei einem 0,25 Skip.
Ferner enthält das Echo, das aus der Nähe des geschweißten Teils 3 reflektiert wird, um zu dem Winkelprüfkopf 5 zurückzukehren, nicht lediglich nur eine Anzahl von Echos von dem Flächendefekt 4, sondern auch eine Anzahl von Echos von einer Über-Schweißung des geschweißten Teils 3, so dass ein Fehlerecho alleine nicht mit einem hohen S/N-Verhältnis detektiert werden kann.

In den letzten Jahren, da eine steuerungsgewalzte Stahlplatte, so wie eine TMCP-Stahlplatte, verwendet wird für eine geschweißte Stahlröhre, sollte akustische Anisotropie berücksichtigt werden. Eine transversale Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwelle von der Stahlröhre, die solch eine akustische Anisotropie aufweist, ist nicht immer 3230 m/s, und die Schallgeschwindigkeit variiert mit der Ausbreitungsrichtung. Daher unterscheidet sich der tatsächliche Inspektionsbeugungswinkel von dem nominalen Beugungswinkel und kann in etwa 63° sein gemäß der akustischen Anisotropie, selbst wenn der Winkelprüfkopf verwendet wird, der den nominalen Beugungswinkel von 70° aufweist. Daher beschreibt der JIS Z 3060 für ein Ultraschall-Inspektionsverfahren eines geschweißten Stahlstückes, dass beim Inspizieren einer eine akustische Anisotropie aufweisende Stahlröhre die Winkelprüfköpfe, wie in Tabelle 1 gezeigt, die einen kleinen Beugungswinkel θ aufweisen, ausgewählt werden sollten, und der Inspektionsbeugungswinkel sollte in einer folgenden Art und Weise bestimmt werden. Tabelle 1

t/D (%)	Nominaler Beugungswinkel (Grad), der verwendbar ist für den Testkörper, der eine akustische Anisotropie aufweist
2,3 oder weniger	65, (60), 45
mehr als 2,3, aber 4,0 oder weniger	65, 45
mehr als 4,0, aber 13,0 oder weniger	45, 35

Zuerst werden Spaltendefekte auf den inneren und äußeren Flächen detektiert bei einem 0,5 Skip und einem 1,0 Skip, wie in 2 gezeigt, und eine Distanz Y_L zwischen den Proben bzw. Prüfköpfen bei einem 0,5 Skip wird erhalten von den Positionen Y_Q und Y_P als Y_L = Y_Q – Y_P. Dann wird die Dicke t geteilt durch Y_L, und der Inspektionsbeugungswinkel wird erhalten unter Verwendung der Werte der vertikalen Achse t/Y_L und der horizontalen Achse t/W (W repräsentiert eine Breite eines Oszillators) in 3.
Gemäß einer manuellen Inspektion wird auf diese Art und Weise ein beträchtlicher Arbeitsaufwand benötigt zum Bestimmen des Inspektionsbeugungswinkels. Und da der Winkelprüfkopf verwendet wird, der einen nominellen Beugungswinkel von weniger als 70° aufweist, wird der Einfallswinkel der Schallwelle 6 relativ zu dem Flächendefekt 4 weiter entfernt von einem Winkel senkrecht zu dem Flächendefekt 4 verglichen mit dem Fall eines Inspektionswinkels von 70°, und die Reflektion einer Ultraschallwelle 6 in Richtung des Prüfkopfes wird ferner reduziert in einem Inspektionsverfahren mit einem einzelnen Prüfkopf, was zu einer niedrigen Defektdetektierungsfähigkeit führt.
Andererseits, in dem Fall einer automatischen Inspektion in der aktuellen Fertigungslinie einer Stahlröhre, werden fast keine Gegenmaßnahmen gegen die akustische Anisotropie unternommen. Eine Inspektion wird bei einem Beugungswinkel von 63° durchgeführt, wenn der Winkelprüfkopf verwendet wird, der den nominalen Beugungswinkel von 70° aufweist und der tatsächliche Inspektionswinkel 63° ist, und eine Inspektion wird ausgeführt bei einem Beugungswinkel von 76°, wenn der Winkelprüfkopf verwendet wird, der den nominalen Beugungswinkel von 70° aufweist, und der tatsächliche Inspektionswinkel ist 76°. Wenn die Inspektion ausgeführt wird bei dem Beugungswinkel von 63° unter Verwendung des Winkelprüfkopfes, der hergestellt ist, um eine Inspektion bei einem Beugungswinkel von 70° auszuführen, wird daher die Strahlrichtcharakteristik der Ultraschallwelle vermindert, und ein Inspektionsbereich wird geschmälert. Wenn die Inspektion bei dem Beugungswinkel von 76° ausgeführt wird, wird die Strahlrichtcharakteristik der Ultraschallwelle erhöht, und der Inspektionsbereich wird ausgeweitet. Die Analyse von Inspektionsergebnissen ist sehr kompliziert.
Die japanische nicht geprüfte Patentveröffentlichung Nr. 8-261992 offenbart ein Verfahren zum genauen Messen eines Inspektionsbeugungswinkels und einer Inspektionsposition durch Ermitteln von Schallgeschwindigkeitsvariationen in der Inspektionsrichtung. Jedoch kann eine genaue Ausbreitungsdistanz und eine genaue Ausbreitungszeit in der Stahlröhre und dem Prüfkopf in diesem Verfahren nicht erhalten werden, was ein Problem der Inspektionsgenauigkeit verursacht.
Die japanische Patentanmeldung Nr. 62,194,454 A offenbart ein Verfahren zum Inspizieren von Defekten in einer geschweißten Stahlröhre durch Durchführen von genauer Inspektion eines geschweißten Teils unter Verwendung von Ultraschall. Eine Verzögerungszeit wird verändert bevor und nachdem die Verzögerungszeit bestimmt wird, durch den Außendurchmesser, Wanddicke und gewünschten Beugungswinkel der Stahlröhre, um eine Ultraschallwelle zu übertragen und zu empfangen, und die Verzögerungszeit der reflektierten Welle von einem geschweißten Flansch bzw. einer geschweißten Wulst wird fixiert zum Durchführen von schräger Winkeldefektrichtung.
Die japanische Patentanmeldung JP 62,192,653 A offenbart Ultraschalldefektdetektierung für geschweißte Stahlröhrennähte, wo Vibratoren bzw. Rüttelvorrichtungen ausgewählt werden, um verwendet zu werden für lineare Abtastung entsprechend von Variationen im Abstand zwischen einem Winkelprüfkopf vom Array-Typ und einer Schweißnaht.
Die Patentanmeldung US-A-4,821,575 offenbart ein Verfahren zum Ultraschalldetektieren von Defekten in einem geschweißten Abschnitt einer Röhre durch Verwenden eines Ultraschallwellen-gestaffelten Array-Prüfkopfes, der eine Vielzahl von Wandlerelementen aufweist und Ultraschallwellenstrahlen emittiert und empfängt. Mindestens ein Überwachungsprüfkopf ist in der Nähe des geschweißten Abschnittes angeordnet, um den Ultraschallwellenstrahl zu empfangen. Spitzenwerte der Ultraschallwellenstrahlen werden detektiert innerhalb eines vorbestimmten Gatters, wobei der maximale Spitzenwert der detektierten Spitzenwerte bestimmt wird zum Bestimmen eines Pilotstrahls, der den maximalen Spitzenwert aufweist, und effektive Strahlen, die den Abschnitt des zu testenden geschweißten Abschnittes erreichen, werden von dem bestimmten Pilotstrahl bestimmt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird erreicht unter Berücksichtigung der oberen Umstände, und ein Ziel ist die Bereitstellung eines Ultraschall-Inspektionsverfahrens und einer Ultraschall-Inspektionsvorrichtung, wobei es möglich ist, Flächendefekte zu inspizieren, die in einem geschweißten Teil einer Stahlröhre existieren, mit einer hohen Defektdetektierungsleistungsfähigkeit und diese selbst für eine Stahlröhre zu inspizieren, die eine akustische Anisotropie aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Ultraschall-Inspektionsverfahren zum Inspizieren eines in einer Fläche vorhandenen Flächendefekts, der eine radiale Richtung und eine axiale Richtung in einem geschweißten Stück enthält, das in einer axialen Richtung einer Stahlröhre vorhanden ist, unter Verwendung von Winkelprüfköpfen, die an der äußeren Umfangsfläche der Stahlröhre angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Inspektionsbeugungswinkel einer Ultraschallwelle, die in die Stahlröhre von den Winkelprüfköpfen eingetreten ist, auf einen Winkel eingestellt wird, bei dem die Ultraschallwelle in den Flächendefekt senkrecht eintritt, basierend auf dem Verhältnis der Dicke (t) zu dem Außendurchmesser (D) der Stahlröhre.
Wenn das obere Verfahren auf die Stahlröhre angewendet wird, die eine akustische Anisotropie aufweist, sollte der Eintrittswinkel der Ultraschallwelle, die in die Stahlröhre von den Winkelprüfköpfen eintritt, basierend auf der Geschwindigkeitscharakteristik, die von der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwelle in der Stahlröhre abhängt, und dem eingestellten Inspektionsbeugungswinkel eingestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1(a) ist ein Schemadiagramm einer geschweißten Stahlröhre, die einen Defekt in dem geschweißten Stück aufweist.
1(b) ist ein Beispiel eines allgemeinen Ultraschall-Inspektionsverfahrens (0,25 Skip) unter Verwendung eines Winkelprüfkopfes.
1(c) ist ein anderes Beispiel eines allgemeinen Ultraschall-Inspektionsverfahrens (0,75 Skip) unter Verwendung eines Winkelprüfkopfes.
2 ist ein Diagramm, das ein konventionelles Verfahren zum Erhalten eines Inspektionsbeugungswinkels zeigt.
3 ist ein Graph zum Erhalten des Inspektionsbeugungswinkels.
4 ist ein Diagramm, das die Winkelverteilungscharakteristiken einer Ultraschallwelle bei einem akustischen anisotropen Materials zeigt.
5 ist ein Diagramm, das eine hin- und herlaufende Transmission einer Ultraschallwelle zeigt, wenn diese schräg eintritt.
6 stellt ein Beispiel eines Ultraschall-Inspektionsverfahrens der vorliegenden Erfindung dar.
7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Beugungswinkel und einer Oszillatorbreite zeigt, die für einen Winkelprüfkopf benötigt wird.
8 ist ein Wellenformbild, das ein gechirptes Pulssignal zeigt, das auf den Winkelprüfkopf angewendet wird.
9 ist ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration eines FIR-Filters zeigt.
10 ist ein Diagramm für die Erklärung eines Betriebs bzw. einer Operation des FIR-Filters.
11 zeigt eine detaillierte Konfiguration des Synchron-Durchschnitts-Reaktionsschaltkreises.
12(a) zeigt Rauschechowellenformen, die erzeugt werden durch einen Schmalband-Prüfkopf und einen Breitband-Prüfkopf bei einer Inspektionsposition 1.
12(b) zeigt Rauschechowellenformen, die erzeugt werden durch einen Schmalband-Prüfkopf und einen Breitband-Prüfkopf bei einer Inspektionsposition 2.
12(c) zeigt Rauschechowellenformen, die erzeugt werden durch einen Schmalband-Prüfkopf und einen Breitband-Prüfkopf bei einer Inspektionsposition 3.
12(d) zeigt Rauschechowellenformen, die erzeugt werden durch einen Schmalband-Prüfkopf und einen Breitband-Prüfkopf bei einer Inspektionsposition 4.
12(e) zeigt die gemittelten Rauschechowellenformen der 12(a) bis (d).
13 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für eine Stahlröhre zeigt, die eine akustische Anisotropie aufweist.
14 ist ein Blockdiagramm, das eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für eine Stahlröhre zeigt, die eine akustische Anisotropie aufweist.
15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Messen der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit einer Stahlröhre zeigt, die eine akustische Anisotropie aufweist.
16 ist ein Diagramm, das eine Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit zeigt.
17 ist ein schematisches Diagramm, das ein Verfahren zum Durchführen von V-Abtastung unter Verwendung von Winkelprüfköpfen vom Array-Typ zeigt.
18 ist ein Diagramm, das die L-Richtungspolarisation und die C-Richtungspolarisation einer transversalen Welle zeigt, die in einer Dickenrichtung propagiert.
19 ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, in dem Winkelprüfköpfe einander gegenüberstehen parallel mit der Richtung L zum Durchführen von V-Abtastung.
20 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Unterschieden bzw. Differenzen der Beugungswinkel in der L-Richtung und der C-Richtung bei einem Inspektionsbeugungswinkel von 70° zeigt.
21 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Unterschieden bzw. Differenzen der Beugungswinkel in der L-Richtung und der C-Richtung bei einem Inspektionsbeugungswinkel von 60° zeigt.
22 ist ein Diagramm, das eine Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit zeigt.
23 ist ein Diagramm, das einen Winkelprüfkopf vom Linienfokustyp zeigt.
24 ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, in dem die V-Abtastung durchgeführt wird unter Verwendung des Winkelprüfkopfes vom Linienfokustyp.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In dem vorliegenden Ultraschall-Inspektionsverfahren wird der Inspektionsbeugungswinkel θ, der auf einen Winkel eingestellt wird, bei dem die Ultraschallwelle in den Flächendefekt senkrecht eintritt, basierend auf dem Verhältnis der Dicke t zu dem Außendurchmesser D der Stahlröhre genauer berechnet durch die folgende Gleichung (1). θ = SIN–1[1 – (t/D)] (1)
Wenn die Ultraschallwelle, die durch den Winkelprüfkopf in die Stahlröhre eintritt, in den Flächendefekt des geschweißten Stücks senkrecht eintritt, wird die Ausbreitungsrichtung der reflektierten Welle von dem Flächendefekt gleich der Eintrittsrichtung. Daher kann ein Fehlerecho am effizientesten durch den Winkelprüfkopf detektiert werden. Darüber hinaus reduziert die Inspektion in dieser Richtung die Reflektion der Ultraschallwelle, die durch die Über-Schweißung bzw. die Überschuss-Schweißung des geschweißten Stücks verursacht wird, wodurch Rauschen effizient reduziert wird.
Da der Inspektionsbeugungswinkel θ der Ultraschallwelle, die in die Stahlröhre eingetreten ist, bestimmt wird durch das Verhältnis der Dicke d und des Außendurchmessers D, d. h. t/D der Stahlröhre, ist es notwendig einen Winkelprüfkopf zu verwenden, in dem eine Ultraschallwelle einen Eingangswinkel relativ zu der Oberfläche der Stahlröhre aufweist, bei dem die Ultraschallwelle Beugung bewirkt, und der einen Oszillator aufweist, in dem die Größe des Ultraschallstrahls nach der Beugung (scheinbare Oszillatorbreite) mit der Größe des zu inspizierenden Flächendefekts übereinstimmt.
Im Allgemeinen ist eine transversale Schallgeschwindigkeit einer sich in einem Stahl fortbewegenden Ultraschallwelle 3230 m/s, so dass wenn das Snelliussche Gesetz verwendet wird, ein Winkelprüfkopf, der einen für die Inspektion zu verwendenden Eingangswinkel aufweist, einfach ausgewählt werden kann. Die Kontraktionsrate des Oszillators bei Winkelinspektion kann aus der Beziehung zwischen dem Eingangswinkel und dem Beugungswinkel berechnet werden, so dass die tatsächliche Oszillatorbreite aus der scheinbaren Oszillatorbreite berechnet werden kann, die für die Inspektion benötigt wird. Jedoch weist eine steuerungsgerollte Stahlplatte zum Verbessern der Härte bei niedrigen Temperaturen eine akustische Anisotropie auf, so dass die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwelle nicht immer 3230 m/S in allen Ausbreitungsrichtungen ist. In einer Stahlplatte, die eine akustische Anisotropie aufweist, ist die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwelle (transversale Welle), die sich in einer Ebene in einer zu der Rollrichtung senkrechten Richtung fortbewegt (die Richtung C: in einer Ebene orthogonal zu der axialen Richtung der Stahlröhre), wie in 4 gezeigt verteilt. Das heißt, dass die Geschwindigkeit mit dem Wert des Beugungswinkels θ variiert, der die Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwelle angibt. Die Geschwindigkeit V_θ der Ultraschallwelle kann durch die folgende Gleichung (2) angenähert werden. Vθ = [(V0 + V45)/2] + [(V0 – V45)/2]·COS(4θ) (2)wobei V₀ und V₄₅ die Schallgeschwindigkeit ist, wenn der Beugungswinkel θ 0° bzw. 45° ist.
Die Gleichung (2) hat zwei unbekannte Variablen, so dass die Schallgeschwindigkeit bestimmt werden kann durch Messen der Schallgeschwindigkeit bei zwei unterschiedlichen Beugungswinkeln. Wenn die Geschwindigkeitsverteilung V_θ bestimmt ist, kann der Inspektionsbeugungswinkel θ bestimmt werden aus t/D der Stahlröhre, so dass die Schallgeschwindigkeit V_θ der Ultraschallwelle, die in der Inspektionsrichtung propagiert, bestimmt werden kann. Folglich kann der Eingangswinkel der Ultraschallwelle, die in die Oberfläche der Stahlröhre von dem Oszillator eintreten kann, aus dem Snelliusschen Gesetz berechnet werden. Daher kann die Kontraktionsrate des Oszillators bei der Winkelinspektion berechnet werden aus den Werten des Eingangswinkels und des Beugungswinkels, so dass die Oszillatorbreite, die für die Inspektion benötigt wird, bestimmt werden kann, wodurch ein Winkelprüfkopf ausgewählt werden kann, der für die Inspektion am meisten geeignet ist.
Wie oben beschrieben wurde, kann selbst wenn die zu inspizierende Stahlröhre die akustische Anisotropie aufweist, der Flächendefekt, der in dem geschweißten Stück existiert, genau inspiziert werden.
In der oberen Beschreibung ist der Eintrittswinkel ein Winkel, der gebildet wird durch eine Ausbreitungsrichtung einer Ultraschallwelle in einem Winkelprüfkopf und der Normalen einer Stahlröhre bei einem Eintrittspunkt der Ultraschallwelle, und der Inspektionsbeugungswinkel ist ein Winkel, der gebildet wird durch eine Richtung, in der die Ultraschallwelle direkt nach dem Eintreten in die Stahlröhre propagiert, und der Normalen der Stahlröhre bei einem Eintrittspunkt der Ultraschallwelle.
Die akustische Anisotropie wird fast direkt und exklusiv durch die kristalline Morphologie einer Stahlröhre oder durch Herstellungsprozesse der Stahlröhre, so wie Formen und Hitzebehandlung, bestimmt. Daher kann der am meisten geeignete Winkelprüfkopf bestimmt werden durch Messen der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Voraus für jeden Stahltypen und für jede Rollbedingung, Speichern der Daten in einer Speichervorrichtung, nachdem diese tabelliert und formatiert wurden, automatisches Berechnen eines Eintrittswinkels, der einem Beugungswinkel entspricht, der bei der Inspektion verwendet wird, unter Verwendung der Daten der Beugungswinkelabhängigkeit zur Zeit der Inspektion, und Auswählen eines Winkelprüfkopfes, der den berechneten Eintrittswinkel aufweist.
Die Inspektion kann einfach durchgeführt werden durch Messen der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Voraus für jeden Stahltyp und jede Rollbedingung, Speichern der Daten in einer Speichervorrichtung, automatisches Berechnen eines Inspektionsbeugungswinkels entsprechend dem Eingangswinkel des zu verwendenden Winkelprüfkopfes und der Schallgeschwindigkeit in dem Winkelprüfkopf unter Verwendung der Daten der Beugungswinkelabhängigkeit zur Zeit der Inspektion, und aus dem berechneten Inspektionsbeugungswinkel automatisches Berechnen einer Einstellungsposition des Winkelprüfkopfes, der benötigt wird zum Anwenden einer Ultraschallwelle, auf eine zu inspizierende Position in Abhängigkeit der Größe der Stahlröhre.
Der auszuwählende Winkelprüfkopf weist im Allgemeinen den Eintrittswinkel auf, der dem nominalen Beugungswinkel entspricht, so dass der Eintrittswinkel und der nominale Beugungswinkel sich in einer Eins-zu-Eins-Beziehung befinden und einander gleichen. Daher kann der nominale Beugungswinkel auch anstelle des Eintrittswinkels verwendet werden.
Da die Position, bei der das maximale Echo detektiert wird, mit der Zentralposition der Ultraschallwelle korrespondiert, kann die zurückgelegte Distanz in der Stahlröhre genau erhalten werden durch Anordnen von zwei variablen Winkelprüfköpfen oder Winkelprüfköpfen vom Arraytyp, die sich einander auf der äußeren Umfangsfläche der Stahlröhre mit dem gleichen Eintrittswinkel gegenüberstehen. Daher kann die genauere Inspektion erreicht werden durch Durchführen der V-Abtastung unter Verwendung dieser Winkelprüfköpfe, durch mehrere Male Wiederholen der Messung der Schallgeschwindigkeit bei der Position, wo das maximale Echo erhalten wird, durch Variieren des Eintrittswinkels, und durch Messen der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit.
Die Distanz, die dem Inspektionsbeugungswinkel entspricht, ist die Distanz zwischen einem Eintrittspunkt einer Ultraschallwelle und einem Punkt, wo die Ultraschallwelle, die von der Unterseite reflektiert wird, zurückgekehrt ist zu der Oberseite der Stahlröhre, wenn die Ultraschallwelle in die zu inspizierende Stahlröhre bei dem Inspektionsbeugungswinkel eintritt. Daher kann die Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit auch genau erhalten werden durch Anordnen von zwei variablen Winkelprüfköpfen oder Winkelprüfköpfen vom Arraytyp, so dass sich diese einander auf der äußeren Umfangsfläche der Stahlröhre mit dem gleichen Eintrittswinkel und mit der Distanz gegenüberstehen, die dem Inspektionsbeugungswinkel entspricht, V-Abtasten, Messen des Eintrittswinkels zum Detektieren des maximalen Echos durch Variieren des Eintrittswinkels, mehrere Male wiederholen der Messung der Schallgeschwindigkeit unter Verwendung des Snelliusschen Gesetz durch Variieren des Inspektionsbeugungswinkels, und Messen der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit.
Durch Anordnen von zwei Winkelprüfköpfen vom Linienfokustyp, die jeder einen Oszillator aufweist, der auf dem Umfang eines halbkreisförmigen Keils befestigt ist, und Einstellen eines Erscheinungspunktes einer Ultraschallwelle als ein Fokus, um sich auf der äußeren Umfangsfläche der Stahlröhre gegenüberstehen, können die Abstände zwischen allen Teilen des Oszillators und dem Eintrittspunkt auf die Stahlröhre angeglichen werden. Daher können durch Verwenden solcher Winkelprüfköpfe die Ausbreitungsstrecke bzw. Propagationsroute und die Ausbreitungszeit der Ultraschallwelle in der Stahlröhre genau berechnet werden, wenn die Schallgeschwindigkeit durch V-Abtastung erhalten wird, was zu einer genaueren Messung der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit führt.
Der Unterschied zwischen dem Inspektionsbeugungswinkel und dem nominalen Beugungswinkel in der L-Richtung (Rollrichtung) und in der C-Richtung (Richtung senkrecht zu der Rollrichtung) der Stahlplatte befindet sich in einer bestimmten Beziehung in Abhängigkeit des Grades der akustischen Anisotropie. Daher wird lediglich eine Messvorrichtung, die Eindimensional arbeitet, benötigt, wodurch der Mechanismus davon vereinfacht wird durch Messen der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in der C-Richtung von dem Schallgeschwindigkeitsverhältnis von zwei transversalen Wellen, die in einer Dickenrichtung propagieren und unterschiedliche Polarisationsebenen aufweisen, und der Polarisierung und der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit einer SV-Welle, die in der L-Richtung propagiert.
Um die Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit zu messen ist es notwendig, den Eintrittswinkel und die Schallgeschwindigkeit mehrere Male zu Messen. Jedoch ist es schwierig, die Messung bei Intervallen des gleichen Beugungswinkels gründlich mehrere Male durchzuführen. Durch Unterziehen der Beziehung zwischen dem Beugungswinkel und der Schallgeschwindigkeit einer Regression durch die periodische Funktion von π/2 oder π und Speichern der Funktion in einer Speichervorrichtung kann die Beziehung zwischen dem Beugungswinkel und der Schallgeschwindigkeit sukzessive und mit einer kleinen Anzahl von Parametern bestimmt werden, selbst an einem Ort, der sich von dem Messwert unterscheidet. Zusätzlich kann die Kapazität der Speichervorrichtung reduziert werden.
Als eine periodische Funktion von π/2 kann der folgende Ausdruck (3) in Betracht gezogen werden. Vθ = (a + b)/2 + (a – b)·COS (4θ)/2 (3)
Durch Addieren einer periodischen Funktion höherer Ordnung wie in den folgenden Ausdrücken (4) und (5) kann die Regressionsgenauigkeit verbessert werden. Vθ = (a + b)/2 + (a – b)·COS(4θ)/2 + c·COS(8θ) (4) Vθ = (a + b)/2 + (a – b)·COS(4θ)/2 + c·COS(8θ) + d·COS(16θ) (5)
In Abhängigkeit des Verfahrens zum Rollen einer Stahlplatte kann die Komponente der Periode π erscheinen und einige Komponenten, die um π/2 außerhalb der Phase sind, können erscheinen, so dass eine akkurate Regression durch die folgenden Gleichungen (6) und (7) beeinflusst werden können. Vθ = (a + b)/2 + (a – b)·COS(4θ)/2 + e·COS(2θ) (6) Vθ = (a + b)/2 + (a – b)·COS(4θ)/2 + e·COS(2θ) + f·SIN(4θ) (7)
In den oberen Gleichungen sind a bis f beliebige Konstanten.
Die Verfahren der vorliegenden Erfindung können realisiert werden durch eine Ultraschall-Inspektionsvorrichtung zum Inspizieren eines in einer Fläche vorhandenen Flächendefekts, der eine radiale Richtung und eine axiale Richtung in einem geschweißten Stück enthält, das in einer axialen Richtung einer Stahlröhre vorhanden ist, unter Verwendung von Winkelprüfköpfen, die an der äußeren Umfangsfläche der Stahlröhre angebracht sind, gekennzeichnet durch Umfassen: eine Inspektionsbeugungswinkel-Berechnungseinrichtung zum Berechnen eines Inspektionsbeugungswinkels einer Ultraschallwelle, die von den Winkelprüfköpfen in die Stahlröhre eingetreten ist, basierend auf dem Verhältnis der Dicke zu dem Außendurchmesser der Stahlröhre; eine Distanzberechnungseinrichtung zum Berechnen einer Distanz zwischen einem Flächendefekt und den Winkelprüfköpfen durch den Inspektionsbeugungswinkel, der durch die Inspektionsbeugungswinkel-Berechnungseinrichtung und den Außendurchmesser berechnet wird; und ein Winkelprüfkopfhaltemechanismus zum Halten des Winkelprüfkopfs an einer Position, die der Distanz zwischen dem Flächendefekt und den Winkelprüfköpfen entspricht, die durch die Distanzberechnungseinrichtung berechnet wird.
In der Vorrichtung, ähnlich zu dem oben beschriebenen Ultraschall-Inspektionsverfahren, wird der Inspektionsbeugungswinkel θ erhalten durch die oben beschriebene Gleichung (1). Wenn das Verhältnis der Dicke t zu dem Außendurchmesser D der Stahlröhre klein ist, z. B. 3%, wird die Distanz zwischen dem Prüfkopf und dem geschweißten Stück PWD zwischen dem Flächendefekt in dem geschweißten Stück und dem Winkelprüfkopf durch den folgenden Ausdruck (8) erhalten. PWD = [(90 – θ(deg))/360]·D·π (8)
Der Winkelprüfkopf ist so angeordnet, um den so berechneten Inspektionsbeugungswinkel θ und die Distanz zwischen dem Prüfkopf und dem geschweißten Stück PWD zu erfüllen, wodurch es der Ultraschallwelle, die in die Stahlröhre eingetreten ist, ermöglicht wird, in den Flächendefekt senkrecht einzutreten, so dass das S/N eines Fehlerechos, das in dem Echo-Signal enthalten ist, das von dem Winkelprüfkopf ausgegeben wird, verbessert werden kann.
Durch Hinzufügen zu der Vorrichtung einer Eintrittswinkel-Berechnungseinrichtung zum Berechnen des Eintrittswinkels der Ultraschallwelle in die Winkelprüfköpfe relativ zu der Stahlröhre basierend auf der Geschwindigkeitscharakteristik der Ultraschallwelle, die von der Ausbreitungsrichtung abhängt aufgrund von akustischer Anisotropie der Stahlröhre, und dem berechneten Inspektionsbeugungswinkel; und einer Oszillatorbreiten-Berechnungseinrichtung zum Berechnen einer Breite eines Oszillators in den Winkelprüfköpfen basierend auf dem Kontraktionsverhältnis des Oszillators, das erhalten wird aus der Beziehung zwischen dem berechneten Eintrittswinkel und dem berechneten Inspektionsbeugungswinkels, wird der Eintrittswinkel durch das oben beschriebene Verfahren erhalten, und die Kontraktionsrate des Oszillators von der Winkelinspektion wird aus den Werten des Eintrittswinkels und des Beugungswinkels erhalten. Die Breite des Oszillators wird aus der Kontraktionsrate erhalten. Daher kann die Oszillatorbreite, die für die Inspektion benötigt wird, bestimmt werden, wodurch der Winkelprüfkopf, der für die Inspektion am meisten geeignet ist, ausgewählt werden kann.
Damit eine Ultraschallwelle in die Oberfläche einer Stahlröhre schief bzw. schräg eintreten kann, wird in einem Winkelprüfkopf ein Keil, der beispielsweise aus einem Acrylharz gebildet ist, zwischen einem Oszillator und der Oberfläche der Stahlröhre eingesetzt. Wie in 5 gezeigt, variiert die hin- und herlaufende Transmittanz bzw. Transmission der Ultraschallwelle zwischen dem Acrylharz und dem Stahl im Wesentlichen in Abhängigkeit von dem Beugungswinkel θ oder dem Eintrittswinkel θ_i. Wenn Winkelinspektion ausgeführt wird unter Verwendung des Acrylkeils variiert daher die Inspektionsempfindlichkeit gemäß dem Beugungswinkel θ der Ultraschallwelle. Die Inspektionsempfindlichkeit degradiert, wenn sich der Beugungswinkel θ erhöht, sodass es notwendig ist, das Echosignal elektrisch zu verstärken, das von dem Winkelprüfkopf ausgegeben wird. Im Allgemeinen wird sich jedoch nicht lediglich nur das Echosignal sondern auch elektrisches Rauschen erhöhen, wenn das detektierte Echosignal durch einen elektrischen Verstärkungsschaltkreis laufengelassen wird, und das Materialrauschen von dem geschweißten Metall in dem geschweißten Stück wird auch hinzugefügt, wodurch sich das S/N verschlechtert.
Die Vorrichtung, die ferner eine Winkelprüfkopfantriebseinrichtung zur Anwenden eines gechirpten Pulssignals zum Abtasten von Frequenzen innerhalb einer vorbestimmten Pulsbreite für den Winkelprüfkopf und für eine feste Periode; einen A/D-Konverter zum A/D-Konvertieren eines Echosignals, das von dem Winkelprüfkopf ausgegeben wird; und einen Digitalfilter zum Ausführen einer Korrelationsberechnung des A/D-konvertierten Echosignals unter Verwendung eines gechirpten Pulssignals und zum Ausgeben des Berechnungsergebnisses als ein neues Echosignal umfasst, macht es möglich, dass genügend hohe S/N beizubehalten selbst bei einem großen Beugungswinkel θ von 70° oder mehr, da nicht periodisches Materialrauschen und elektrisches Rauschen, das sich von dem fehlerhaften Echo unterscheidet, entfernt werden können durch Unterwerfen eines Echosignals, das von dem Winkelprüfkopf ausgegeben wird, synchron mit dem gechirpten Pulssignal, das für eine feste Periode ausgegeben wird, d. h. eines Echosignals, in dem ein fehlerhaftes Echo existiert, für eine feste Periode beispielsweise von Autokorrelationsberechnung unter Verwendung des digitalen Filters.
Das Hinzufügen eines Synchron-Durchschnitts-Reaktionsschaltkreises zum Mitteln des A/D-konvertierten Echosignals für eine Vielzahl von Perioden synchron mit der Ausgabeperiode des gechirpten Pulssignals und Ausgeben eines neuen Echosignals ermöglicht es, dass der Signalpegel des Materialrauschens und das elektrische Rauschen, die keine Zufallsperiodizität aufweisen, vermindert werden, wodurch das S/N des fehlerhaften Echos, das eine hohe Periodizität aufweist, erhöht wird.
Das Digitalfilter zum Ausführen einer Korrelationsberechnung des A/D-konvertierten Echosignals unter Verwendung des gechirpten Pulssignals und zum Ausgeben des Berechnungsergebnisses als ein neues Echosignal und der Synchron-Durchschnitts-Reaktionsschaltkreis zum Mitteln des A/D-konvertierten Echosignals für eine Vielzahl von Perioden synchron mit der Ausgabeperiode des gechirpten Pulssignals und zum Ausgeben des gemittelten Echosignals als ein neues Echosignal kann auch auf die Vorrichtung zur selben Zeit angewendet werden.
Eine andere Ultraschall-Inspektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Schallgeschwindigkeitsverteilungs-Speichereinrichtung zum Speichern der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit für jeden Typ der Stahlröhre und Rollbedingungen; eine Einrichtung zum Eingeben des Stahltyps, der Rollbedingung und des Inspektionsbeugungswinkels; und eine Eintrittswinkelberechnungseinrichtung zum Berechnen eines Eintrittswinkels aus dem eingegebenen Inspektionsbeugungswinkel, dem Stahltyp und der Rollbedingung unter Verwendung der Daten der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit, die in der Schallgeschwindigkeitsverteilungs-Speichereinrichtung gespeichert ist.
In dieser Vorrichtung, wenn der Inspektionsbeugungswinkel, der Stahltyp und die Rollbedingung eingegeben werden, berechnet die Eintrittswinkelberechnungseinrichtung einen Eintrittswinkel aus dem Snelliuschen Gesetz unter Verwendung der Daten der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit entsprechend diesen Eingabewerten, die in der Schallgeschwindigkeitsverteilungs-Speichereinrichtung gespeichert sind. Daher kann ein Winkelprüfkopf, durch welchen ein notwendiger Inspektionsbeugungswinkel erhalten werden kann, direkt ausgewählt werden, so dass die für die Inspektion benötigte Zeit verkürzt werden kann. Die Daten der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit, die in der Schallgeschwindigkeitsverteilungs-Speichereinrichtung gespeichert sind, können in Tabellenform oder in einer Form eines Regressionsausdrucks repräsentiert sein.
Ferner kann eine Ultraschall-Inspektionsvorrichtung auch angewendet werden auf die vorliegende Erfindung, die umfasst: eine Schallgeschwindigkeitsverteilungs-Speichereinrichtung zum Speichern der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit für jeden Typ der Stahlröhre und Rollbedingung; eine Einrichtung zum Eingeben des Stahltyps der Rollbedingung, des Eintrittswinkels oder des nominalen Beugungswinkels des Winkelprüfkopfs und er Schallgeschwindigkeit in dem Winkelprüfkopf; eine Einrichtung zum Eingeben der Größe der Stahlröhre, eine Beugungswinkelberechnungseinrichtung zum Berechnen eines Inspektionsbeugungswinkels aus dem eingegebenen Stahltyp, der Rollbedingung, dem Eintrittswinkel oder dem nominalen Beugungswinkel des Winkelprüfkopfs und der Schallgeschwindigkeit in dem Winkelprüfkopf unter Verwendung der Daten der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit, die in der Schallgeschwindigkeitsverteilungs-Speichereinrichtung gespeichert ist; und eine Winkelprüfkopfpositions-Berechnungseinrichtung zum Berechnen einer Einstellungsposition des Winkelprüfkopfs aus dem berechneten Inspektionsbeugungswinkel und der eingegebenen Größe der Stahlröhre.
In dieser Vorrichtung, wenn der Stahltyp, die Rollbedingung, der Eintrittswinkel (oder der nominale Beugungswinkel) des Winkelprüfkopfs und die Schallgeschwindigkeit in dem Winkelprüfkopf eingegeben sind, berechnet die Beugungswinkelberechnungseinrichtung den Inspektionsbeugungswinkel unter Verwendung der Daten der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit, die in der Schallgeschwindigkeitsverteilungs-Speichereinrichtung gespeichert ist. Dann berechnet die Winkelprüfkopfpositions-Berechnungseinrichtung die Einstellungsposition des Winkelprüfkopfes zum Anwenden von Ultraschallwellen auf eine Inspektionsposition aus dem berechneten Inspektionsbeugungswinkel und der eingegebenen Größe der Stahlröhre. Durch Einstellen des Winkelprüfkopfes auf die berechnete Winkelprüfkopf-Einstellungsposition kann die Inspektion auf der Inspektionsposition ausgeführt werden. Die Winkelprüfkopfeinstellung kann automatisch oder manuell ausgeführt werden.
Beispiel 1
6 zeigt ein Beispiel eines Ultraschall-Inspektionsverfahrens der vorliegenden Erfindung.
Ein Winkelprüfkopfauswahlrechner 11 berechnet einen Inspektionsbeugungswinkel θ unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichung (1), der geeignet ist zum Inspizieren eines Flächendefekts 4, der sich in der Dickenrichtung und der Axialrichtung einer Stahlröhre 1 in einem geschweißten Stück 3 erstreckt, gemäß der Dicke t und dem Außendurchmesser D der Stahlröhre 1, die zu inspizieren ist, die von einem Host-Computer 13 erhalten sind, und wählt einen Winkelprüfkopf 5 aus, der verwendet wird zum Ausführen der Inspektion bei dem Beugungswinkel θ. Ein Eintrittswinkel i der Ultraschallwelle 6 relativ zu der äußeren Umfangsfläche 2 bzw. der äußeren Umlauffläche 2 der Stahlröhre 1 wird durch den folgenden Ausdruck (9) berechnet. SIN(θi)VW = SIN(θ)/V (9)wobei V_W und V eine longitudinale Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwelle in einem Keil bzw. eine transversale Schallgeschwindigkeit in der Stahlröhre 1 repräsentieren.
Wenn die Stahlröhre 1 eine akustische Anisotropie aufweist, da die transversale Schallgeschwindigkeit V mit der Ausbreitungsrichtung variiert, wird diese repräsentiert durch eine Funktion V_θ des Beugungswinkels θ, wie in 4 beschrieben. Daher wird der folgende Ausdruck (10) verwendet anstelle des oben beschriebenen Ausdrucks (9) für die Berechnung des Eintrittswinkels θ_i. SIN(θi)VW = SIN(θ)/Vθ (10)
Die Breite W des Oszillators, der für die Inspektion benötigt wird, hängt von der Streubreite der Richtung der Ultraschallwelle 6 ab. Wenn der Oszillator in dem Winkelprüfkopf 5 aus dem Inneren der Stahlröhre 1 betrachtet wird, wird der Oszillator mit einer anscheinenden Breite Wa gesehen und nicht mit einer tatsächlichen Breite W. Die anscheinende bzw. offenbare bzw. scheinbare Breite Wa des Oszillators wird durch die folgende Gleichung (11) berechnet. Wa = F·W (11)wobei F eine Kontraktionsrate des Oszillators ist und durch den folgenden Ausdruck (12) berechnet werden kann. F = COS(θ)/COS(θi) (12)
Andererseits wird die Ultraschallwelle 6 in der Stahlröhre 1 so gebeugt, als ob diese durch den Oszillator mit der scheinbaren Breite Wa erzeugt werden würde, und weist einen Streubreitenwinkel ϕ_–6 auf, der durch den folgenden Ausdruck (13) repräsentiert ist. ϕ–6 = SIN–1[0.433 λ/Wa] (13)wobei ϕ_–6 eine Richtung repräsentiert, in der ein Echosignal, das durch das Einzelprüfkopfverfahren detektiert wird, auf die Hälfte des maximalen Werts reduziert wird, und λ repräsentiert eine Halbwelle.
Durch umgekehrtes Berücksichtigen dieser Angelegenheit bzw. dieses Gegenstandes kann die tatsächliche Oszillatorbreite W zum Ermöglichen, dass ein Ultraschallstrahl sich für die Inspektion ausbreiten kann, berechnet werden.
7 zeigt eine Oszillatorbreite, die benötigt wird zum Verändern eines –6 dB Winkels von ϕ_–6 der Ultraschallwelle in der Stahlröhre von dem Maximalwert auf 4,6°. Der Beugungswinkel θ ist in der horizontalen Achse dargestellt, und die Daten sind durch eine Schallgeschwindigkeit alle 100 m/s dargestellt.
Der Winkelprüfkopfauswahlrechner 11 gibt den berechneten Beugungswinkel θ, den Eintrittswinkel θ_i und die tatsächliche Oszillatorbreite W aus, damit diese auf einer Darstellungsvorrichtung 12 dargestellt werden und zu einem PWD-Rechner 14 (Distanz des Winkelprüfkopfes zum geschweißten Stück, englisch: probe-welded Part distance) gesendet werden.
Wenn die Stahlröhre 1 die Dicke t von 22,2 mm und dem Außendurchmesser D von 1320,8 mm aufweist, dann ist der Inspektionsbeugungswinkel θ 79,5°. Zusätzlich, wie in 4 gezeigt, ist die Schallgeschwindigkeit V_79,5 der Ultraschallwelle 6, die sich in die Richtung des Beugungswinkels θ bewegt, durch die akustische Anisotropie 3100 m/s. Da die Schallgeschwindigkeit des Keils (Acryl), der in den Winkelprüfkopf 5 eingebaut ist, 2730 m/s ist, ist der Eintrittswinkel θ_i 60°. Ferner ist die Breite W des Oszillators, der benötigt wird zum Ändern des Streubreitenwinkels ϕ_–6 auf 4,6° in etwa 12 mm aus 7. Dann werden der Winkelprüfkopf 5, der den Eintrittswinkel θ_i von 60° und die Oszillatorbreite W von 12 mm aufweist, ausgewählt unter einer Vielzahl von zuvor präparierten Winkelprüfköpfen, die verschiedene Eintrittswinkel i aufweisen, und an einem Halter 17 für den Winkelprüfkopf 5 angebracht.
Der Betrieb zum Auswählen und Anfügen des Winkelprüfkopfes 5 kann automatisiert werden durch Verwenden eines automatischen variablen Winkelprüfkopfes für den Winkelprüfkopf 5.
Der PWD-Rechner 14 bestimmt die Position des Winkelprüfkopfes 5 wie folgt aus den Werten des Inspektionsbeugungswinkel θ, der Dicke t und dem Außendurchmesser D, die von dem Winkelprüfkopfauswahlrechner 11 übertragen werden.
Die Position des Winkelprüfkopfes 5 in dem Fall, wo der Flächendefekt 4, der durch die ungenügende Auflösung in dem geschweißten Stück 3 der Stahlröhre 1 verursacht wird, inspiziert wird durch den Winkelprüfkopf 5, wird repräsentiert durch die Distanz PWD des Winkelprüfkopfes zum geschweißten Stück, und wird durch den oben beschriebenen Ausdruck (8) erhalten. Substituieren der oben beschriebenen Werte D von 1320,8 mm und θ von 79,5° führt zu der PWD von 121 mm.
Der Wert der PWD, der durch den PWD-Rechner 14 berechnet wird, wird zu einem Manipulator 15 übertragen. Der Manipulator 15 positioniert und fixiert den Halter 17, so dass die Ultraschallwelle 6 von dem Winkelprüfkopf 5 in die Stahlröhre 1 bei einer Position von PWD von 121 mm von dem Zentrum des geschweißten Stücks 3 eintritt, der durch den Schweißnahtdetektor 16 detektiert wird.
Durch Bestimmen der Position des Winkelprüfkopfes 5 relativ zu dem geschweißten Stück 3 auf diese Art und Weise tritt die Ultraschallwelle 6, die in der Stahlröhre 1 lief bzw. propagierte, in den Flächendefekt 4 in dem geschweißten Stück 3 senkrecht ein.
Wie aus dem Hin- und Her-Transmittanz-Charakteristikdiagramm aus 5 ersichtlich wird, bewirkt die in diesem Beispiel zu inspizierende Stahlröhre 1 eine Desensibilisierung um –3 dB verglichen mit der konventionellen Winkelinspektion mit 70°, da der Inspektionsbeugungswinkel θ 79,5° ist. Aus diesem Grund sind in 6 eine Korrelationsberechnungstechnik unter Verwendung eines gechirpten Pulssignals und eine Synchrondurchschnittsreaktionstechnik verwendet, und ein Echosignal wird verstärkt durch einen Verstärkerschaltkreis ohne Erhöhen des Rauschens, so dass die Desensibilisierung vermieden wird
Nun wird eine Beschreibung der Signalverarbeitungstechnik gegeben.
Bezugnehmend auf 6 überträgt ein Synchronsignalerzeuger 18 ein Übertragungszeitsteuerungssignal Sa, das eine Übertragungsperiode T₀ aufweist, zu einer Übertragungsspeichereinheit 19, einem FIR-Filter 26 und einem Synchrondurchschnittsreaktionsschaltkreis 27. Ein Wellenformrechner 20 erzeugt eine gechirpte Welle zum Abtasten von Frequenzen innerhalb einer vorbestimmten Pulsbreite T und führt die gechirpte Welle der Übertragungsspeichereinheit 19 und dem FIR-Filter zu, wie in 8 gezeigt. Die gechirpte Welle wird durch einen Computer berechnet und durch den folgenden Ausdruck (14) repräsentiert. S(t) = SIN[2π{fc – B/2 + (B/2T)t}t] 0 < t < T (14)wobei f_c eine Zentralfrequenz repräsentiert, B eine Frequenzabtastbandbreite repräsentiert, und T eine Pulsbreite repräsentiert.
Die gechirpte Welle, die in der Übertragungsspeichereinheit 19 gespeichert ist, wird synchron mit dem Übertragungszeitsteuerungssignal Sa ausgelesen, das die Periode T₀ aufweist, von dem Synchronsignalerzeuger 18, in ein analoges Signal durch einen D/A-Konverter 21 konvertiert, durch einen Übertragungsverstärker 22 verstärkt, und als ein gechirptes Pulssignal Sb, das die Periode T₀ aufweist, auf den Winkelprüfkopf 5 über einen Diplexer bzw. eine Frequenzweiche 23 angewendet.
Die Ultraschallwelle 6, die in die Stahlröhre 1 von dem Winkelprüfkopf 5 über ein akustisches Kontaktmedium, so wie Wasser, eingetreten ist, wird durch den Flächendefekt 4 in dem geschweißten Stück 3 reflektiert, um durch den Winkelprüfkopf 5 wieder empfangen zu werden. Ein Echosignal Sc, das von dem Winkelprüfkopf 5 ausgegeben wird, wird durch einen Empfangsverstärker 24 verstärkt über den Diplexer 23, durch einen A/D-Konverter 25 in ein digitales Signal konvertiert und in den Synchrondurchschnittsreaktionsschaltkreis 27 eingegeben, durch den FIR-Filter 26 laufend, der als ein digitales Filter dient.
Das FIR-Filter 26, das in 9 gezeigt ist, besteht aus 128 Multiplizierern 26a, 128 Addierern 26b und 128 Verzögerungseinheiten 26c. Signale mit gechirpter Wellenform, die durch den Wellenformrechner 20 erzeugt werden, werden als Referenzdaten auf Koeffizienten C₀ bis C₁₂₇ gesetzt bzw. eingestellt, die auf die entsprechenden Multiplizierer 126a des FIR-Filters 26 angewendet werden. Die jeweiligen Verzögerungseinheiten 26c verzögern die Eingangssignale um die Zeit, die äquivalent ist zu der Übertragungsperiode T₀, und geben diese aus.
In dem wie oben beschriebenen konstruierten FIR-Filter 26 werden die Wellenform x(τ) der Echosignale Sc, die in digitale Signale separiert sind, und die Referenzwellenform zum Ausführen der Korrelationsberechnung bei einer festen Abtastfrequenz abgetastet. In diesem Beispiel werden entsprechende diskrete Datenwerte als 128 Koeffizienten C₀ bis C₁₂₇ zu einem der Multiplizierer 26a eingegeben.
Andererseits werden diskret empfangene Daten x(τ), die von einem Eingangsanschluss für jede Übertragungsperiode T₀ angegeben werden, direkt zu dem anderen der Multiplizierer 26a zugeführt, um individuell durch die Referenzdaten C₀ bis C₁₂₇ multipliziert zu werden. Multiplizierungsergebnisse mit Ausnahme eines Multiplizierungsergebnisses mit dem Anfangskoeffizienten C₁₂₇ werden einem der 127 Addierer 26b zugeführt, die alternierend mit 127 Verzögerungseinheiten 26c in Serie verbunden sind. Dann wird lediglich das Multiplikationsergebnis mit dem Anfangskoeffizienten C₁₂₇ direkt zu der Anfangsverzögerungseinheit 26c zugeführt, und ein Multiplikationsergebnis mit dem Koeffizienten C₁₂₆ wird zu dem anderen der Addierer 26b zugeführt, der in Serie mit einer nachfolgenden Stufe der Verzögerungseinheit 26c verbunden ist. Die Ausgabe des letzten Addierers 26b in der Serienverbindung ist eine Korrelationsberechnungsausgabe y(τ).
Wenn das Eingabesignal als x_i(j) angenommen wird, der Koeffizient als C(K) angenommen wird, das Ausgabesignal als y_i(j) angenommen wird, die Anzahl der Abgriffe als V_c angenommen wird, die Wiederholung des Inspektionssignals als i angenommen wird, und die Anzahl von Inspektionssignaldaten in einer Periode n erreicht, kann das Ausgabesignal y_i(j) erhalten werden durch Ausführen einer Faltungsberechnung des folgenden Ausdruckes (15).
Wenn die Reihenfolge der Referenzsignale in dem Ausdruck (15) umgedreht wird, wird der folgende Ausdruck (16) erhalten.
Folglich kann die Korrelationsberechnung des Echosignals Sc ausgeführt werden unter Verwendung des FIR-Filters 26. Die Korrelationsoperation berechnet die Kreuzkorrelation des Referenzsignals und des Empfängersignals, während diese um den Betrag von j verschoben werden.
Eine spezifische Operation des FIR-Filters 26 wird im Folgenden beschrieben.
Bezugnehmend auf 10 entspricht der Zeitpunkt τ₁ eine Position, wo j in den oben beschriebenen Ausdrücken (15) und (16) Null ist. Zuerst wird die Korrelationsberechnung des Empfängersignals und des Referenzsignals bei der Position τ_i durch die Daten von 0 bis N_c-1 ausgeführt. Hier repräsentiert N_c eine Abgriffslänge des FIR-Filters 26, d. h. die Anzahl der Koeffizienten C₀ bis C₁₂₇. Das Ergebnis der Korrelation wird als ein niedrigstes Signal in der Zeichnung ausgegeben, d. h. ein neues Echosignal Sd. Das Referenzsignal und das Empfängersignal (Echosignal) sind bei dem Punkt τ_i nicht identisch miteinander, so dass die Ausgabe fast Null ist. Als nächstes wird j jeweils um 1 erhöht um sequenziell Berechnungen auszuführen, so wie τ₂, τ₃, ... in der Zeichnung. Eine Folge kann ein Korrelationssignal, das einen maximalen Höchstwert aufweist, bei einem Punkt erhalten werden, wo das Echo in dem Empfängersignal mit der Phase des Referenzsignals übereinstimmt bzw. zusammentrifft. Folglich wird die Pulsbreite der gechirpten Welle komprimiert und ein elektrisches Rauschsignal, das nicht mit dem Referenzsignal korreliert ist, wird wesentlich reduziert.
Das Echosignal Sd, dessen Puls durch die Korrelationsverarbeitung in dem FIR-Filter 26 komprimiert ist, wird der Synchrondurchschnittsreaktionsverarbeitung durch Synchrondurchschnittsreaktionsschaltkreis 27 unterworfen.
11 zeigt eine detaillierte Konfiguration des Synchrondurchschnittsreaktionsschaltkreises.
Der Synchrondurchschnittsreaktionsschaltkreis 20 besteht aus einer ersten Speichereinheit 28, einem Addierer 29, Schreib- und Lese-Adressen-Erzeuger 30a und 30b für die erste Speichereinheit 28, einem Subtrahierer 31, einer zweiten Speichereinheit 32, Schreib- und Lese-Adressen-Erzeuger 33a und 33b für die zweite Speichereinheit 32 und einem Subtrahierer 34. Die erste Speichereinheit 28 weist die Kapazität zum Speichern der Daten von mehr als N + 1 Perioden des Empfangssignals auf (Echosignal Sd), das von dem FIR-Filter 26 bei jeder Übertragungsperiode T₀ des Übertragungszeitsteuerungssignals Sa von dem Synchronsignalerzeuger 18 empfangen wird. In diesem Beispiel enthält das Empfängersignal von jeder Periode M Stücke der Daten, und alle Datenstücke bestehen aus 8 Bits. Die zweite Speichereinheit 32 weist die Kapazität zum Speichern von M Stücken der Summendaten auf, die erhalten werden durch Addieren von M Stücke der Daten in jeder Empfängerperiode T₀ individuell um N Perioden. In diesem Beispiel werden M Stücke von 16-Bit-Daten gespeichert.
In einem Anfangszustand, in dem kein Empfängersignal von dem FIR-Filter 26 eingegeben wird, wird nichts in den ersten und zweiten Speichereinheiten 28 und 32 gespeichert. Wenn ein Empfängersignal der ersten Periode T₀ eingegeben wird, wird das Empfängersignal in einem Anfangsbereich der ersten Speichereinheit 28 gespeichert und zu einem der Addierer 29 hinzugefügt. In der ersten Periode wird nichts in einem Bereich der ersten Speichereinheit 28 gespeichert, die bestimmt ist durch eine Signalleseadresse RA₁, und in der zweiten Speichereinheit 32. Daher läuft das Empfängersignal, das hinzugefügt ist zu einem der Addierer 29, über den Addierer 29 und läuft durch den Subtrahierer 31, so um in der zweiten Speichereinheit 32 gespeichert zu werden. Wenn ein Empfängersignal der zweiten Periode T₀ eingegeben wird, werden das Empfängersignal der zweiten Periode und das Empfängersignal der vorhergehenden Periode, das in der zweiten Speichereinheit 32 gespeichert ist, durch den Addierer 29 addiert. Das Ergebnis der Addition läuft durch den Subtrahierer 31, um in der zweiten Speichereinheit 32 gespeichert zu werden. Das zweite Empfängersignal wird auch in dem zweiten Bereich in der ersten Speichereinheit 28 gespeichert. Bis der Durchschnitt von N Perioden der Empfängersignale eingegeben ist, werden das sequenzielle Addieren des Empfangssignals zu der zweiten Speichereinheit und die Operation zum sequenziellen Speichern des Empfängersignals in dem entsprechenden Bereich der ersten Speichereinheit 28 fortgeführt. Wenn der Durchschnitt von M Perioden oder mehr der Empfängersignale eingegeben wird, wird das Empfängersignal vor einer N Periode des neu eingegebenen Empfängersignals ausgelesen von dem Bereich, der bestimmt ist durch die Signalleseadresse RA_i der ersten Speichereinheit 28, und wird als ein Subtraktionssignal dem Subtrahierer 31 zugeführt. Daher werden das Signal, das in der zweiten Speichereinheit 32 gespeichert ist, und das neu eingegebene Empfängersignal durch den Addierer 29 addiert. Wenn das Ergebnis der Addition ausgegeben wird, wird das Empfängersignal vor einer N Periode, das aus der ersten Speichereinheit 28 ausgelesen wird, durch den Subtrahierer 31 von dem Additionsergebnis subtrahiert, so dass das Ausgabesignal des Subtrahierers 31 immer ein Signal ist, zu dem N Perioden der Empfängersignale hinzugefügt sind. Da das Ergebnis der Addition von den N Perioden der Empfängersignale in der zweiten Speichereinheit 32 gespeichert ist und in den Teiler 34 eingegeben wird, um durch N geteilt zu werden, wird das Ergebnis der Synchrondurchschnittsreaktion der N Perioden der Empfängersignale von dem Teiler 34 zu einer Darstellung 35 als das neue Echosignal Se für jede Übertragungsperiode T₀ des Ultraschallwellenpulses ausgegeben. Als ein Zeitsteuerungssignal, das den Schreibadresserzeugern 30a und 33a und Leseadresserzeugern 30b und 33b zum Speichern und Lesen des Empfangssignals zugeführt wird, wird das Übertragungszeitsteuerungssignal Sa, das von dem Synchronsignalerzeuger 18 zugefügt wird, verwendet.
Durch Verwenden des so konstruierten Synchrondurchschnittsreaktionsschaltkreises 27 wird das Echosignal synchron mit der Ausgabeperiode des gechirpten Pulssignals für eine Vielzahl von Perioden gemittelt, wodurch der Signalpegel des Zufalls- und nicht periodischen Rauschen des elektrischen Rauschens vermindert wird, und der Signalpegel des periodischen fehlerhaften Echos wird erhöht. In der Ultraschall-Inspektionsvorrichtung, wie diese in 6 gezeigt ist, da Pulskomprimierung der gechirpten Welle verwendet wird, kann im Genaueren ein Breitband-Winkelprüfkopf 5 zum Ermöglichen der Übertragung und des Empfangs der Ultraschallwelle 6 mit einem breiten Frequenzband verwendet werden. Als eine Folge ist die Übertragungspulsbreite kurz. Daher kann ein Rauschecho, das reflektiert wird, und dem aufgrund des Oberflächenzustandes ermöglicht wird zu interferieren, pro einem Puls mehr verändert werden. Folglich kann durch Unterziehen des Signals von Synchrondurchschnittsreaktionsverarbeitung das Rauschecho reduziert werden verglichen mit dem Fall eines schmalbandigen Prüfkopfes. Daher kann das S/N des fehlerhaften Echos wesentlich verbessert werden.
12(a) bis 12(d) zeigen Wellenformen, die durch den schmalbandigen Prüfkopf und den breitbandigen Prüfkopf erzeugt werden, wenn die Inspektionsposition von 1 zu 4 verändert wird (unterschiedliche Oberflächenzustände). 12(e) zeigt Wellenformen, die erhalten werden durch Mitteln der Wellenformen der 12(a) bis 12(d). Auf diese Art und Weise kann das S/N-Verhältnis verbessert werden durch Mitteln des Echosignals Sd.
Beispiel 2
13 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
In einer Schallgeschwindigkeitsverteilungs-Speichereinrichtung 37 werden Daten, die die Beziehung zwischen einem Beugungswinkel und der Schallgeschwindigkeit zeigen, die durch das Verfahren gemessen werden, das später beschrieben wird, für jeden Stahltyp einer Stahlröhre und Rollbedingung gespeichert. Ein Verfahren zum Speichern der Daten kann in Form einer zugehörigen Tabelle des Beugungswinkels und der Schallgeschwindigkeit vorliegen, oder die Schallgeschwindigkeit kann repräsentiert werden als eine Funktion des Beugungswinkels.
Beim Ausführen der Inspektion, wenn ein Inspektionsbeugungswinkel, ein Stahltyp und eine Rollbedingung, die bei der Inspektion zu verwenden ist, bestimmt sind, werden diese von einem Inspektionsbeugungswinkel, Stahltyp und Rollbedingungseingabemittel 36 eingegeben. Diese können eingestellt werden durch einen Menschen oder können voreingestellt werden durch einen Host-Computer oder Dergleichen. Wenn deren Werte eingegeben werden, sucht eine Eintrittswinkelberechnungseinrichtung 38 Daten entsprechend den Werten von den Daten, die in der Schallgeschwindigkeitsverteilungs-Speichereinrichtung 37 gespeichert sind, und berechnet die Schallgeschwindigkeit in der Stahlröhre entsprechend dem Inspektionsbeugungswinkel. Dann wird ein Eintrittswinkel aus der Schallgeschwindigkeit in der Stahlröhre, der Schallgeschwindigkeit in dem Winkelprüfkopf und dem Inspektionsbeugungswinkel unter Verwendung des Snelliuschen Gesetzes berechnet.
Der berechnete Eintrittswinkel wird einem Betreiber bzw. Benutzer dargestellt, und der Betreiber wählt einen Winkelprüfkopf aus, der einen entsprechenden Eintrittswinkel und einen Streubreitenwinkel der Ultraschallwelle aufweist, die benötigt werden für die Inspektion, und stellt diesen auf einen Prüfer ein. Eine automatische Prüfkopf-Austausch-Vorrichtung kann installiert sein, so dass ein Winkelprüfkopf, der den berechneten Eintrittswinkel aufweist, automatisch als der Prüfer eingestellt werden kann. Der Streubreitenwinkel der Ultraschallwelle, der für die Inspektion benötigt wird, kann automatisch durch ein bekanntes Verfahren berechnet werden.
Da der Inspektionsbeugungswinkel im Voraus bekannt ist, kann in diesem Beispiel die Einstellungsposition des Winkelprüfkopfes zum Bestrahlen eines zu inspizierenden Gebietes mit einer Ultraschallwelle einfach erhalten werden aus der geometrischen Beziehung zwischen dem Inspektionsbeugungswinkel und der Größe der Stahlröhre.
Beispiel 3
14 ist ein Blockdiagramm, das ein anderes Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
In diesem Beispiel wird ein zu verwendender Winkelprüfkopf im Voraus bestimmt, und daher sind ein Eintrittswinkel und eine Schallgeschwindigkeit in einem Winkelprüfkopf bereits bekannt. Es ist durchaus gewöhnlich, dass ein Winkelprüfkopf verwendet wird, der einen Eintrittswinkel entsprechend dem festen nominalen Beugungswinkel aufweist.
Wie in dem Fall des oberen Beispiels 2 werden Daten, die die Beziehung zwischen dem Beugungswinkel und der Schallgeschwindigkeit aufweisen, für jeden Stahltyp und Rollbedingung in der Schallgeschwindigkeitsverteilungs-Speichereinrichtung 37 gespeichert. Beim Ausführen der Inspektion werden ein Eintrittswinkel eines Winkelprüfkopfes, eine Schallgeschwindigkeit in dem Winkelprüfkopf, ein Stahltyp der Stahlröhre und eine Rollbedingung angegeben durch eine Eintrittswinkel-Schallgeschwindigkeit in dem Winkelprüfkopf-, Stahltyp, und Rollbedingungs-Eingabeeinrichtung 39 eingegeben. Eine Beugungswinkelberechnungseinrichtung 41 empfängt die Eingabe und berechnet einen Inspektionsbeugungswinkel unter Verwendung der Daten, die in der Schallgeschwindigkeitsverteilungs-Speichereinrichtung 37 gespeichert sind. Die in der Schallgeschwindigkeitsverteilung/Speichereinrichtung 37 gespeicherten Daten zeigen die Beziehung zwischen dem Beugungswinkel und der Schallgeschwindigkeit. Daher, um den Inspektionsbeugungswinkel zu erhalten, wird ein Beugungswinkel, der simultan die Beziehung und das Snelliusche Gesetz erfüllt, erhalten durch eine wiederholende konvergente Berechnung.
Wenn der Inspektionsbeugungswinkel erhalten ist, berechnet eine Winkelprüfkopfpositions-Berechnungseinrichtung 42 eine Position des Winkelprüfkopfes, die benötigt wird zum Bestrahlen eines zu inspizierenden Gebiets mit einer Ultraschallwelle mit dem Inspektionsbeugungswinkel und der Größe der Stahlröhre, die von einer Stahlröhrengröße-Eingabeeinrichtung 40 eingegeben wird. Die Berechnung kann einfach durchgeführt werden basierend auf der geometrischen Beziehung.
Beispiel 4
Ein Beispiel eines Verfahrens zum Messen der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von einer Stahlröhre, die eine akustische Anisotropie aufweist, wird mit Bezug auf 15 beschrieben.
Zwei variable Winkelprüfköpfe 5a und 5b, die jeweils einen Acrylkeil aufweisen, sind einander gegenüberliegend angeordnet. In diesem Fall befindet sich der Abstand Y zwischen den variablen Winkelprüfköpfen 5a und 5b bei 1 Skip und bei einem Beugungswinkel von 35°. Der Beugungswinkel kann weniger als 35° sein, kann jedoch vorzugsweise ein longitudinaler kritischer Winkel oder größer sein, da eine Longitudinalwelle und eine Transversalwelle simultan erzeugt werden können. Die Winkelprüfköpfe können bei zwei Skips oder mehr angeordnet sein. Wenn jedoch eine Strahlpfadlänge verlängert wird, wird eine Stahldivergenz vergrößert. In diesem Fall kann die Strahlrichtcharakteristik vorzugsweise erhöht werden durch Erweitern einer Oszillatorbreite des Winkelprüfkopfes. Wenn ein variabler Winkelprüfkopf, in dem der Eintrittspunkt fixiert ist, selbst wenn der Eintrittswinkel verändert wird, verwendet wird für die variablen Winkelprüfköpfe 5a und 5b, kann eine Ausbreitungsstrecke der Ultraschallwelle einfach berechnet werden, wobei der Beugungswinkel einfach und genau gemessen werden kann.
Der Abstand Y zwischen den Proben bei 1 Skip wird durch den folgenden Ausdruck (17) unter Verwendung des Außendurchmessers D, des Innenflächeneintrittswinkels θ_i und des Beugungswinkels θ repräsentiert. Y = 2π·D·(θi – θ)/360 (17)
Zusätzlich wird der Innenflächeneintrittswinkel θ_i erhalten durch den folgenden Ausdruck (18) aus dem Beugungswinkel θ, dem Außendurchmesser D und der Dicke t. θi = SIN–1[SIN(θ)/(1 – 2t/D)] (18)
Wenn t 22,2 mm und D 1320,8 mm ist, ist Y 32,3 mm und θ_i ist 36,4°. Dies wird aus den oben beschriebenen Ausdrücken (17) und (18) erhalten.
Als nächstes werden an den oben beschriebenen Positionen der Prüfköpfe die Eintrittswinkel beider Prüfköpfe simultan verändert, während Ultraschallwellen von dem übertragenden variablen Winkelprüfkopf 5a übertragen werden, und die Ultraschallwellen durch den empfangenden variablen Winkelprüfkopf 5b empfangen werden, um den Eintrittswinkel θ₂ aus den Prüfköpfen zu bestimmen, bei denen ein empfangenes Echo maximiert ist.
Dann wird die Schallgeschwindigkeit V₃₅ bei den Positionen erhalten unter Verwendung des folgenden Ausdrucks (19) des Snelliuschen Gesetzes. SIN(θ2)VKeil(= 2730) = SIN(θ = 35)/V35 (19)wobei V_Keil die Schallgeschwindigkeit in dem Winkelprüfkopf 5a mit variabler Transmission ist.
In diesem Beispiel ist V₃₅ 3295 m/s. Auf die gleiche Art und Weise werden die Schallgeschwindigkeiten V₃₆, V₃₇, V₃₈... erhalten, um die Messungen in der Nähe eines Winkels θ_lim zu wiederholen, bei dem der Innenflächeneintritt nicht bewirkt wird. Der Winkel, bei dem Innenflächeneintritt nicht bewirkt bzw. verursacht wird, wird erhalten durch Substituieren von θ_i mit 90 in dem Ausdruck (18) und durch Lösen mit θ. Dies wird durch den folgenden Ausdruck (20) repräsentiert. θlim = SIN–1(1 – 2t/D) (20)
Im Fall dieses Beispiels ist θ_lim 75,1°.
Aus den erhaltenen Ergebnissen kann die Schallgeschwindigkeitsverteilung (Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit), die in 16 gezeigt ist, gezeichnet werden. Eine SV-Welle, die in der Dickenrichtung polarisiert ist und sich in der C-Richtung ausbreitet, weist eine Schallgeschwindigkeit V₀ auf, die minimiert ist bei Propagieren in der Dickenrichtung, und eine Schallwelle V₄₅ ist maximiert bei Propagation in einer Richtung zum Bilden eines Winkels von 45° mit der Dickenrichtung, so dass die Schallgeschwindigkeit durch den oben beschriebenen Ausdruck (2) angenähert werden kann. Daher wird die in 4 gezeigte Schallgeschwindigkeitsverteilung erhalten. In diesem Fall, wenn die Schallgeschwindigkeit V₀ einer transversalen Welle, die in der Dickenrichtung propagiert und in einer Umfangsrichtung der Röhre polarisiert ist, untersucht wird unter Verwendung eines Transversalwellenprüfkopfes zusätzlich zu der oben beschriebenen V-Abtastungsmessung, und die Schallgeschwindigkeit V₀ hinzugefügt wird zu 4, wird die Regressionsgenauigkeit des Ausdruckes (2) erhöht.
Es ist auch möglich die Schallgeschwindigkeit aus der Ausbreitungszeit bzw. Propagationszeit und des Propagationsabstandes der Ultraschallwelle in der Stahlröhre zu erhalten. In diesem Fall, um den Eintrittspunkt der Ultraschallwelle von dem Winkelprüfkopf präzise einzustellen, ist es jedoch notwendig, die Geschwindigkeit bei jeder Position zu erhalten, wo ein Echo maximiert ist, das durch die V-Abtastung detektiert wird.
Während die variablen Winkelprüfköpfe in diesem Beispiel verwendet werden, kann zusätzlich jeder beliebige Prüfkopf verwendet werden, solange dieser den Eintrittswinkel variieren kann, und es ist möglich, ein lineares Winkelprüfkopf-Array zu verwenden.
17 ist ein schematisches Diagramm, das ein Verfahren zum Durchführen von V-Abtastung mit einem linearen Winkelprüfkopf-Array zeigt.
Die linearen Übertragungswinkelprüfkopf-Arrays 5c und 5d und die linearen Empfangswinkelprüfkopf-Arrays 5e und 5f weisen den gleichen Prüfkopf auf mit der Ausnahme, dass diese jeweils an unterschiedlichen Positionen angebracht sind. Die linearen Winkelprüfkopf-Arrays 5c und 5e sind so eingestellt, dass der Eintrittswinkel vermindert ist. Beide linearen Winkelprüfkopf-Arrays 5d und 5f sind so eingestellt, dass der Eintrittswinkel erhöht ist. Dann werden die Messungen während einer Variation des Eintrittswinkels ausgeführt. Das Messverfahren und Prinzip sind die gleichen wie diese in 15 gezeigten mit der Ausnahme, dass lediglich ein Verfahren zum Variieren des Eintrittswinkels unterschiedlich ist.
Beispiel 5
18 ist ein Diagramm, das die L-Richtungspolarisation und die C-Richtungspolarisation einer transversalen Welle zeigt, die in einer Dickenrichtung propagiert.
19 ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, in dem Winkelprüfköpfe einander parallel mit der L-Richtung gegenüberstehen, um die V-Abtastung durchzuführen.
Ein anderes Beispiel eines Verfahrens zum Messen der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit einer Stahlröhre, die eine akustische Anisotropie aufweist, wird mit Bezug auf die 18 und 19 erklärt.
Zuerst wird die Schallgeschwindigkeit V_0C einer transversalen Welle, die in der Richtung der Dicke t propagiert und in der C-Richtung polarisiert ist, und die Schallgeschwindigkeit V_0L einer transversalen Welle, die in der Richtung der Dicke t propagiert und in der L-Richtung polarisiert ist, wie in 18 gezeigt, erhalten. Zusätzlich wird das Schallgeschwindigkeitsverhältnis R = V_0L/V_0C aus diesen zwei Messwerten bestimmt. Gemäß der in diesem Beispiel verwendeten Stahlröhre ist V_0L 3218 m/s, V_0C ist 3065 m/s und R ist 1,05.
Als nächstes werden zwei Winkelprüfköpfe, die nominale Beugungswinkel von 70° bzw. 60° aufweisen, einander gegenübergestellt parallel mit der L-Richtung, um V-Abtastung durchzuführen, wie in 19 gezeigt. Ultraschallwellen werden von dem Übertragungswinkelprüfkopf 5h übertragen, Ultraschallwellen werden durch den Empfangswinkelprüfkopf i empfangen, und die Distanz Y' zwischen den Winkelprüfköpfen, bei denen das Detektierungsecho maximal ist, wird bestimmt. Dann werden die Inspektionsbeugungswinkel θ_L70 und θ_L60 der entsprechenden Prüfköpfe durch den folgenden Ausdruck (21) erhalten. θ = tan–1{Y'/(2t)} (21)
In diesem Beispiel ist die Distanz Y' zwischen den Winkelprüfköpfen 186,4 mm bzw. 101,2 mm, der Inspektionsbeugungswinkel θ_L70 ist 76,6° und der Inspektionsbeugungswinkel θ_L60 ist 66,3°.
Die Differenzen Δ₇₀ = θ_L70 – θ_C70 und Δ₆₀ = θ_L60 – θ_C60 zwischen den Inspektionsbeugungswinkeln θ_C70 und θ_C60, die erhalten werden durch Durchführen der V-Abtastung während sich die zwei Winkelprüfköpfe gegenüberstehen, die die nominalen Beugungswinkel von 70° bzw. 60° aufweisen, parallel mit der C-Richtung und den oben beschriebenen θ_L70 und θ_L60 befinden sind in Beziehungen wie in den 20 und 21 gezeigt unter Verwendung des Schallgeschwindigkeitsverhältnisses R als eine Variable. Wenn R 1,05 ist, dann ist Δ₇₀ 8,8 und Δ₆₀ ist 5,8 aus den 20 und 21. Wenn diese Werte und die gemessenen Beugungswinkel θ_L70 von 76,6° und θ_L60 von 66,3° verwendet werden, dann ist θ_C70 67,8 und θ_C60 ist 60,5 aus den Beziehungen von Δ₇₀ = θ_L70 – θ_C70 und Δ₆₀ = θ_L60 – θ_C60.
Aus den Inspektionsbeugungswinkeln θ_C70 und θ_C60 in der C-Richtung, dem Eintrittswinkel θ_Keil des Winkelprüfkopfes und der Schallgeschwindigkeit V_Keil des Keils kann die Schallgeschwindigkeit V_θ in der Richtung des Inspektionsbeugungswinkel erhalten werden unter Verwendung des Snelliuschen Gesetzes des folgenden Ausdrucks (22). SIN(θ)/Vθ = SIN(θKeil)/VKeil (22)
Substituieren von θ mit θ_C70 = 67,8°, θ_Keil mit 52,58° und V_Keil mit 2730 m/s in dem Ausdruck (22) führt zu V_67,8 mit 3180 m/s, und Substituieren von θ mit θ_C60 = 60,5°, θ_Keil mit 52,58°, und V_Keil mit 2730 m/s in dem Ausdruck (22) führt zu V_60,5 mit 3245 m/s. Diese zwei Schallgeschwindigkeitswerte und die anfänglich erhaltene V_0C von 3065 m/s sind durch ein Diagramm als die Schallgeschwindigkeit bei dem Beugungswinkel von 0° dargestellt, wie in 22 gezeigt. Wie in dem Fall des oberen Beispiels 4, wenn 22 Regression durch den Ausdruck (2) unterzogen wird, ist das Ergebnis in 4 gezeigt.
Durch das oben beschriebene Verfahren kann die Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit erhalten werden.
In diesem Beispiel wird die V-Abtastung in der L-Richtung durchgeführt mit zwei Winkelprüfköpfen, die jeweils den nominalen Beugungswinkel aufweisen. Wenn die Beziehungen der Differenzen zwischen den Beugungswinkeln in der L-Richtung und in der C-Richtung, wie in den 20 und 21 gezeigt, nacheinander folgend erhalten werden, können die Differenzen unter all den Beugungswinkeln in der L-Richtung, die durch den Array-Winkelprüfkopf und den Variabler-Winkel-SV-Wellen-Prüfkopf wie oben beschrieben gemessen werden, konvertiert werden zu den Differenzen in der C-Richtung, wodurch die Regressionsgenauigkeit erhöht werden kann.
In diesem Beispiel können Winkelprüfköpfe vom Linienfokustyp 5j, wie in 23 gezeigt, auch verwendet werden, in denen ein Oszillator an dem Umfang eines halbkreisförmigen Keils geklebt ist, und der Eintrittspunkt der Ultraschallwelle ist als ein Fokus eingestellt. Zwei Winkelprüfköpfe vom Linienfokustyp 5j sind auf einer Stahlplatte 1 angeordnet, die eine Dicke von t aufweist, wie in 24 gezeigt, um die V-Abtastung durchzuführen, wobei die Distanz Y zwischen den Eintrittspunkten und die Propagationszeit h gemessen werden an Positionen, wo ein Übertragungsecho detektiert werden kann, und die Schallgeschwindigkeit V wird durch den folgenden Ausdruck (23) erhalten. V = [(2t)2 + Y2]1/2/h (23)
Zusätzlich kann der Beugungswinkel, der die Propagationsrichtung aufweist, in diesem Fall ausgedrückt werden durch den folgenden Ausdruck (24). θ = TAN–1{Y/(2t)} (24)
Folglich kann durch Messen der Schallgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Positionen unter Verwendung der Winkelprüfköpfe vom Linienfokustyp die Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit erhalten werden.

Claims

Ein Ultraschall-Inspektionsverfahren zum Inspizieren eines in einer Fläche vorhandenen Flächendefekts, der eine radiale Richtung und eine axiale Richtung in einem geschweißten Stück enthält, das in einer axialen Richtung einer Stahlröhre (1) vorhanden ist, unter Verwendung von Winkelprüfköpfen, die an der äußeren Umfangsfläche der Stahlröhre (1) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Inspektionsbeugungswinkel einer Ultraschallwelle, die in die Stahlröhre (1) von den Winkelprüfköpfen eingetreten ist, auf einen Winkel eingestellt wird, bei dem die Ultraschallwelle in den Flächendefekt (4) senkrecht eintritt, basierend auf dem Verhältnis der Dicke (t) zu dem Außendurchmesser (D) der Stahlröhre (1).
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Inspektionsbeugungswinkel θ der Ultraschallwelle berechnet wird durch die folgende Gleichung unter Verwendung der Dicke t und des Außendurchmessers D der Stahlröhre (1): θ = SIN–1[1 – (t/D)].
Das Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittswinkel der Ultraschallwelle, die in die Stahlröhre (1) von den Winkelprüfköpfen eingetreten ist, eingestellt wird basierend auf der Geschwindigkeitscharakteristik, die von der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwelle in einer akustischen Anisotropie der Stahlröhre (1) und dem eingestellten Inspektionsbeugungswinkel abhängt.
Das Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite eines Oszillators in dem Winkelprüfkopf (5) basierend auf der Kontraktionsrate des Oszillators eingestellt wird, die aus de Beziehung zwischen dem eingestellten Eintrittswinkel und dem eingestellten Inspektionsbeugungswinkel erhalten wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, die Schritte umfassend: Messen der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Voraus für jeden Stahltyp und jede Rollbedingung; Speichern der Daten in einer Speichervorrichtung; automatisches Berechnen eines Eintrittswinkel entsprechend einem Beugungswinkel, der bei der Inspektion verwendet wird, unter Verwendung der Daten der Beugungswinkelabhängigkeit zur Zeit der Inspektion; und Auswählen von Winkelprüfköpfen (5), die den berechneten Eintrittswinkel aufweisen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, die Schritte umfassend: Messen der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Voraus für jeden Stahltyp und jede Rollbedingung; Speichern der Daten in einer Speichervorrichtung; automatisches Berechnen eines Inspektionsbeugungswinkels entsprechend dem Eintrittswinkel des zu verwendenden Winkelprüfkopf es und der Schallgeschwindigkeit in dem Winkelprüfkopf unter Verwendung der Daten der Beugungswinkelabhängigkeit zur Zeit der Inspektion; und automatisches Berechnen einer Einstellungsposition des Winkelprüfkopfs aus dem berechneten Inspektionsbeugungswinkel.
Das Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, gekennzeichnet durch weiteres Umfassen der Schritte: Anordnen von zwei variablen Winkelprüfköpfen (5a, 5b) oder von Winkelprüfköpfen vom Arraytyp (5d–5f), um sich gegenseitig auf der äußeren Umfangsfläche der Stahlröhre (1) mit den gleichen Eintrittswinkeln gegenüber zu stehen; Abtasten von V; mehrmaliges Wiederholen der Messung der Schallgeschwindigkeit bei der Position, wo das maximale Echo erhalten wird, durch Variieren des Eintrittswinkels; und Messen der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit.
Das Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, gekennzeichnet durch weiteres Umfassen der Schritte: Anordnen von zwei variablen Winkelprüfköpfen (5a, 5b) oder von Winkelprüfköpfen vom Arraytyp (5d–5f), um sich gegenseitig auf der äußeren Umfangsfläche der Stahlröhre (1) mit den gleichen Eintrittswinkel und mit einer dem Inspektionsbeugungswinkel entsprechenden Distanz gegenüber zu stehen; Abtasten von V; Messen des Eintrittswinkels zum Detektieren des maximalen Echos durch Variieren den Eintrittswinkels; mehrfaches Wiederholen der Messung der Schallgeschwindigkeit unter Verwendung des Snelliussches Gesetzes durch Variieren des Inspektionsbeugungswinkels; und Messen der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit.
Das Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, gekennzeichnet durch weiteres Umfassen der Schritte: Anordnen von zwei Winkelprüfköpfen vom Zeilenfokustyp (5a, 5b), wobei jeder einen Oszillator aufweist, der an dem Umfang eines Halbleiterkeils geklebt ist, und Einstellen eines Emergenzpunktes von Ultraschallwellen als ein Fokus, um sich gegenseitig auf der äußeren Umfangsfläche der Stahlröhre (1) gegenüber zu stehen; Abtasten von V; Messen der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit durch Messen der Schallgeschwindigkeit bei der Position, wo ein Transmissionsecho detektiert werden kann.
Das Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in der Richtung C (Richtung senkrecht zu einer Rollrichtung) gemessen wird aus dem Schallgeschwindigkeitsverhältnis von zwei Transversalwellen, die in einer Dickenrichtung propagieren und die unterschiedliche Polarisationsebenen aufweisen, und der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit der SV-Welle, die in L-Richtung (Rollrichtung) propagiert.
Das Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit Regression unterworfen ist durch eine periodische Funktion von π/2 oder π und in der Speichervorrichtung gespeichert ist.
Eine Ultraschall-Inspektionsvorrichtung zum Inspizieren eines in einer Fläche vorhandenen Flächendefekts, der eine radiale Richtung und eine axiale Richtung in einem geschweißten Stück enthält, das in einer axialen Richtung einer Stahlröhre vorhanden ist, unter Verwendung von Winkelprüfköpfen, die an der äußeren Umfangsfläche der Stahlröhre angebracht sind, gekennzeichnet durch Umfassen: eine Inspektionsbeugungswinkel-Berechnungseinrichtung (41) zum Berechnen eines Inspektionsbeugungswinkels einer Ultraschallwelle, die von den Winkelprüfköpfen (5) in die Stahlröhre eingetreten ist, basierend auf dem Verhältnis der Dicke zu dem Außendurchmesser der Stahlröhre (1); eine Distanzberechnungseinrichtung (14) zum Berechnen einer Distanz zwischen einem Flächendefekt (4) und den Winkelprüfköpfen (5) durch den Inspektionsbeugungswinkel, der durch die Inspektionsbeugungswinkel-Berechnungseinrichtung und den Außendurchmesser berechnet wird; und ein Winkelprüfkopfhaltemechanismus (15) zum Halten des Winkelprüfkopfs (5) an einer Position, die der Distanz zwischen dem Flächendefekt (4) und den Winkelprüfköpfen (5) entspricht, die durch die Distanzberechnungseinrichtung berechnet wird.
Die Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch weiteres Umfassen: einer Eintrittswinkel-Berechnungseinrichtung (38) zum Berechnen des Eintrittswinkels der Ultraschallwelle (6) in die Winkelprüfköpfe (5) relativ zu der Stahlröhre (1) basierend auf der Geschwindigkeitscharakteristik der Ultraschallwelle (6), die von der Ausbreitungsrichtung abhängt aufgrund von akustischer Anisotropie der Stahlröhre, und dem berechneten Inspektionsbeugungswinkel; und einer Oszillatorbreiten-Berechnungseinrichtung zum Berechnen einer Breite eines Oszillators (18) in den Winkelprüfköpfen (5) basierend auf dem Kontraktionsverhältnis des Oszillators, das erhalten wird aus der Beziehung zwischen dem berechneten Eintrittswinkel und dem berechneten Inspektionsbeugungswinkel.
Die Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, gekennzeichnet durch weiteres Umfassen: einer Winkelprüfkopfantriebseinrichtung zum Anwenden eines gechirpten Pulssignals zum Abtasten von Frequenzen innerhalb einer vorbestimmten Pulsbreite für dem Winkelprüfkopf (5) für eine feste Periode; einen A/D-Konverter (25) zum A/D-Konvertieren eines Echosignals, das von der Winkelprüfkopf (5) ausgegeben wird; und ein Digitalfilter (26) zum Ausführen einer Korrelationsberechnung des A/D-konvertierten Echosignals unter Verwendung des gechirpten Pulssignals und zum Ausgeben des Berechnungsergebnisses als ein neues Echosignal.
Die Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, gekennzeichnet durch weiteres Umfassen: einer Winkelprüfkopfantriebseinrichtung zum Anwenden eines gechirpten Pulssignals zum Abtasten von Frequenzen innerhalb einer vorbestimmten Pulsbreite für dem Winkelprüfkopf (5) für eine feste Periode; einen A/D-Konverter (25) zum A/D-Konvertieren eines Echosignals, das von der Winkelprüfkopf (5) ausgegeben wird; und ein Synchron-Durchschnitts-Reaktionsschaltkreis (27) zum Mitteln des A/D-konverierten Echosignals für eine Vielzahl von Perioden synchron mit der Ausgabeperiode des gechirpten Pulssignals und zum Ausgeben des gemittelten Echosignals als ein neues Echosignal.
Die Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, gekennzeichnet durch weiteres Umfassen: einer Winkelprüfkopfantriebseinrichtung zum Anwenden eines gechirpten Pulssignals zum Abtasten von Frequenzen innerhalb einer vorbestimmten Pulsbreite für dem Winkelprüfkopf (5) für eine feste Periode; einen A/D-Konverter (25) zum A/D-Konvertieren eines Echosignals, das von der Winkelprüfkopf (5) ausgegeben wird; und ein Digitalfilter (26) zum Ausführen einer Korrelationsberechnung des A/D-konvertierten Echosignals unter Verwendung des gechirpten Pulssignals und zum Ausgeben des Berechnungsergebnisses als ein neues Echosignal; und ein Synchron-Durchschnitts-Reaktionsschaltkreis (27) zum Mitteln des von dem Digitalfilter (26) ausgegebenen Echosignals für eine Vielzahl von Perioden synchron mit der Ausgabeperiode des gechirpten Pulssignals und zum Ausgeben des gemittelten Echosignals als ein neues Echosignal.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 12, umfassend: eine Schallgeschwindigkeitsverteilungs-Speichereinrichtung (37) zum Speichern der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit für jeden Typ der Stahlröhre und Rollbedingung; eine Einrichtung (36) zum Eingeben des Stahltyps, der Rollbedingung und des Inspektionsbeugungswinkels; und eine Eintrittswinkelberechnungseinrichtung (38) zum Berechnen eines Eintrittswinkels aus dem eingegebenen Inspektionsbeugungswinkel, dem Stahltyp und der Rollbedingung unter Verwendung der Daten der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit, die in der Schallgeschwindigkeitsverteilungs-Speichereinrichtung (37) gespeichert ist.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 12, umfassend: eine Schallgeschwindigkeitsverteilungs-Speichereinrichtung (37) zum Speichern der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit für jeden Typ der Stahlröhre und Rollbedingung; eine Einrichtung (39) zum Eingeben des Stahltyps, der Rollbedingung, des Eintrittswinkels oder des nominalen Beugungswinkels des Winkelprüfkopfs und der Schallgeschwindigkeit in dem Winkelprüfkopf; eine Einrichtung (40) zum Eingeben der Größe der Stahlröhre; eine Beugungswinkelberechnungseinrichtung (41) zum Berechnen eines Inspektionsbeugungswinkels aus dem eingegebenen Stahltyp, der Rollbedingung, dem Eintrittswinkel oder dem nominalen Beugungswinkels des Winkelprüfkopfs und der Schallgeschwindigkeit in dem Winkelprüfkopf unter Verwendung der Daten der Beugungswinkelabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit, die in der Schallgeschwindigkeitsverteilungs-Speichereinrichtung (37) gespeichert ist; und eine Winkelprüfkopfpositions-Berechnungseinrichtung (42) zum Berechnen einer Einstellungsposition des Winkelprüfkopfs (5) aus dem berechneten Inspektionsbeugungswinkel und der eingegebenen Größe der Stahlröhre.