JP2010014582A - 超音波探傷方法及び超音波探触装置 - Google Patents

Abstract

【課題】欠陥の検出精度を高めることができる超音波探傷装置を提供する。
【解決手段】超音波探傷装置は、配管の周方向に取り付けられる軌道、軌道上を移動する周方向移動装置、及び周方向移動装置に設置されたシャフトに沿って配管の軸方向に移動する軸方向移動装置を有する。超音波探触子８を保持する探触子ホルダー９が軸方向移動装置に取り付けられる。探触子ホルダー９は、筺体１０にモータ１２及び探触子装着部材１１を設置する。探触子装着部材１１は筐体１０に設けられた３つの回転体と接触している。モータ１２の回転力は１つの回転体を介して探触子装着部材１１に伝えられ、探触子装着部材１１が回転する。探触子装着部材１１の回転によって、超音波探触子８が、超音波探触子８の配管と対向する端面に垂直な探触子装着部材１１の回転中心軸に垂直な平面内で回転される。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波探傷方法及び超音波探傷装置に係り、特に、探触子ホルダーを用いた超音波探傷方法及び超音波探傷装置に関する。

一般的な超音波探傷による検査において、超音波の特性上、超音波の入射ビームの向きと検出すべき欠陥が直交するときに欠陥の検出感度が最大となり、その入射ビームの向きと欠陥のなす角度が直角よりも小さくなるに伴って欠陥の検出感度が減少することが分かっている。

自動超音波探傷装置を用いた従来の超音波探傷では、溶接部のように、欠陥が発生する位置及び進展方向が予想できる欠陥の探傷を主としている。このため、走査方向及び入射ビームの向きが限定された超音波探傷でも、十分に欠陥を検出することができた。例えば、超音波斜角探触子を有する自動超音波探傷装置を用いた配管の超音波探傷では、超音波斜角探触子から送信された入射ビームの向きが配管の軸方向および円周方向になるように、超音波探触子を前後に走査して４方向の走査を行っている（例えば、特開２００７―１８７５９３号公報参照）。しかし、仮に、欠陥の位置及びその進展方向が予測できない欠陥の探傷を行う場合には、現状、被検査体に非常に多くのケガキ線を書いて、手動で全方位の探傷を行うことになる。

特開平６―３３４０号公報に記載された超音波探傷装置は、ジンバルに超音波探触子を二軸方向にそれぞれ回転できるようにジンバルに取り付け、このジンバルに取り付けられたラックをピニオンの回転によって上記の二軸方向と直交する方向に移動できるように構成されている。ピニオンはスキャナに取り付けられたモータによって駆動される。

特開２００７―１８７５９３号公報 特開平６―３３４０号公報

上記した各公知例では、被検査体に生じた欠陥の進展方向が予測できない箇所に対して超音波探傷を行う場合で、超音波の入射ビームの向きと検出すべき欠陥が平行となるときには、超音波探傷検査の特性上、欠陥の検出割合が著しく低下する。このため、欠陥が検出できなくなることが懸念される。

本発明の目的は、欠陥の検出精度を高めることができる超音波探傷方法及び超音波探傷装置を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、移動装置に設けられた探触子ホルダーに保持された超音波探触子を、超音波探触子の被検査体と対向する端面を通る回転中心軸を中心に回転させ、超音波探触子を移動装置によって被検査体の表面に沿って移動させることにある。

探触子ホルダーに保持された超音波探触子を、超音波探触子の被検査体と対向する端面を通る回転中心軸を中心に回転させるので、超音波探触子から被検査体内に入射した超音波ビームを被検査体内の欠陥に対してより直角に近い状態で当てることができる。このため、欠陥から反射された超音波反射波の検出感度を向上させることができ、欠陥の検出精度を高めることができる。

本発明によれば、被検査体内に欠陥が存在する場合に超音波ビームをより直角に近い状態でその欠陥に当てることができ、欠陥の検出精度を高めることができる。

本発明の好適な一実施例である超音波探傷装置を、図１〜図４を用いて説明する。本実施例の超音波探傷装置１は、図４に示すように、軌道２、周方向移動装置４、ボールネジ５、シャフト６、軸方向移動装置７、超音波探触子（例えば、斜角超音波探触子）８及び探触子ホルダー９を備えている。軌道２は、被検査体である配管３２に着脱自在に取り付けられ、ラック３を表面に形成している。周方向移動装置４は、ラック３と噛み合うピニオン（図示せず）及びピニオンに連結された第１モータ（図示せず）を有し、軌道２に沿って配管３２の周囲を移動する。ボールネジ５及びシャフト６は、周方向移動装置４に取り付けられ、軌道２と直交する方向に伸びている。ボールネジ５及びシャフト６は、互いに平行に配置され、先端部が結合されている。シャフト６は周方向移動装置４に固定されており、ボールネジ５は周方向移動装置４に設けられた第２モータ(図示せず)に連結され、この第２モータによって回転される。軸方向移動装置７は、シャフト６に移動可能に取り付けられており、ボールネジ５と噛み合っている。超音波探触子８が取り付けられる探触子ホルダー９が、軸方向移動装置７に取り付けられている。

探触子ホルダー９を、図１〜図３を用いて詳細に説明する。探触子ホルダー９は、筺体１０、探触子装着部材１１、第３モータ１２、回転体１４，１５及び１７を有する。超音波探触子８が探触子装着部材１１に取り付けられている。探触子装着部材１１は、回転体であり、筺体１０に回転可能に取り付けられる。回転体１４が取り付けられた回転軸１３は、筺体１０に設置された第３モータ１２の回転軸に連結されている。回転体１５が取り付けられた回転軸１６は筺体１０に回転可能に取り付けられる。回転体１７が取り付けられた回転軸１８も筺体１０に回転可能に取り付けられる。探触子装着部材１１及び回転体１４，１５及び１７の外周面には、それぞれ、ギアが周方向に形成されている。回転体１４，１５及び１７は、図２に示すように、三方向から探触子装着部材１１に接触するように配置されている。探触子装着部材１１に形成されたギアは、回転体１４，１５及び１７に形成されたそれぞれのギアと噛み合っている。回転体１４，１５及び１７と噛み合う探触子装着部材１１の中心軸は、探触子装着部材１１の回転中心であり、筺体１０の軸心とも一致している。探触子装着部材１１の中心軸は、超音波探触子８の被検査体（配管３２）と対向する端面に垂直な、超音波探触子８の回転中心軸とも一致する。筺体１０の上面で探触子装着部材１１に接する位置に、１５°ピッチで、印２４が付けられている。探触子装着部材１１の上面で筺体１０に接する位置に、一箇所に印２５が付けられている。印２５は、超音波探触子８から超音波ビームが送信される方向に付けられている。探触子装着部材１１は、探触子装着部材１１の回転によって印２５が印２４のいずれかと一致するように、回転される。

筺体１０は、リング部材１９の内側に配置され、１８０°反対方向にそれぞれ取り付けられた一対のピン２０によってリング部材１９に回転可能に取り付けられる。リング部材１９は、リング部材２１の内側に配置され、１８０°反対方向にそれぞれ取り付けられた一対のピン２２によってリング部材１９に回転可能に取り付けられる。４つの取り付け部材２３が、９０°置きにリング部材２１に設置される。筺体１０は、リング部材１９とピン２０の組み合せ及びリング部材２１とピン２２の組み合せによって、２自由度の回転動作が可能になり、超音波探触子８が被検査体（配管）の表面の緩やかな形状変化に対応することができる。

探触子ホルダー９の軸方向移動装置７への取り付け構造を、図５及び図６を用いて説明する。探触子ホルダー９は、支持装置２６によって軸方向移動装置７に取り付けられ、軸方向移動装置７よりも被検査体である配管３２の外面側に位置する。支持装置２６は、４本の支持棒２７、及びそれぞれの支持棒２７に取り付けられるバネ部材２９及びナット３０を有している。各々の支持棒２７は、軸方向移動装置７の一部である保持部材３１、及び探触子ホルダー９の取り付け部材２３を貫通し、ナット３０の締め付けによりそれぞれに取り付けられる。ストッパー部材２８が４本の支持棒２７の上端部に取り付けられる。２本の支持棒２７が１つのストッパー部材２８に取り付けられる。各ストッパー部材２８は、保持部材３１に保持され、各支持棒２７の落下を防止している。コイルバネであるバネ部材２９は、探触子ホルダー９と保持部材３１の間に配置され、各支持棒２７に装着されている。各支持棒２７の、ストッパー部材２８が取り付けられた端部とは反対側の端部に、それぞれナット３０が噛み合わされる。探触子ホルダー９は、これらのナット３０を締め付けることによって、各支持棒２７を介して軸方向移動装置７に取り付けられる。

本実施例の超音波探傷装置１を用いた配管３２の超音波探傷について説明する。まず、超音波探傷装置１の軌道２が、被検査体である配管３２の周囲を取り囲むように、配管３２に取り付けられる。この状態では、ボールネジ５及びシャフト６が配管３２の軸方向に向かって伸びている。超音波探触子８の配管３２と対向する端面に垂直な探触子装着部材１１の回転中心軸が、配管３２の半径方向に位置している。

超音波探傷装置１の配管３２への取り付けが完了した後、オペレータが操作する操作盤から出力された第１制御指令が周方向移動装置４に設けられた第１モータに伝えられ、第１モータが駆動する。第１モータの駆動によって周方向移動装置４が軌道２に沿って配管３２の周方向に移動する。操作盤から出力された第２制御指令が周方向移動装置４に設けられた第２モータに伝えられ、第２モータが駆動する。第２モータの駆動によってボールネジ５が回転し、軸方向移動装置７がシャフト６に沿って配管３２の軸方向に移動する。第２モータの正回転によって軸方向移動装置７は周方向移動装置４から離れる方向に移動し、第２モータの逆回転によって軸方向移動装置７は周方向移動装置４に近づく方向に移動する。

周方向移動装置４及び軸方向移動装置７の移動によって超音波探触子８が配管３２の外面上の検査開始位置に対向した位置に合わせられた後、操作盤から出力された第３制御指令が第３モータ１２に伝えられ、第３モータ１２が回転する。このとき、周方向移動装置４及び軸方向移動装置７の移動は停止されている。第３モータ１２の回転力が、回転軸１３及び回転体１４に伝えられ、探触子装着部材１１が回転する。回転体１５，１７も探触子装着部材１１の回転によって回転する。探触子装着部材１１は、１２０°間隔で存在する、ギアの三箇所で、回転体１４，１５，１７と噛み合っているので、回転軸が設けられていなくても安定した回転が可能になる。超音波探触子８は、超音波探触子８の配管３２と対向する端面に垂直な探触子装着部材１１の回転中心軸に垂直な平面内で、探触子装着部材１１と共に回転される。すなわち、探触子装着部材１１に保持された超音波探触子８は、超音波探触子８の配管３２の外面と対向する端面を通る回転中心軸を中心に回転される。

第３モータ１２の回転によって探触子装着部材１１が１５°回転され、印２５が１５°ずれた１つの印（第１印という）２４と一致する。印２５が第１印２４と一致したところで、第３モータ１２の回転が停止される。その後、超音波送信指令が操作盤から超音波探触子８に伝えられたとき、超音波探触子８から超音波ビームが送信され、この超音波ビームが配管３２に入射される。送信された超音波ビームの入射方向は、印２５が一致した第１印２４の方向である。超音波ビームが送信された状態で、第２モータの駆動が開始され、軸方向移動装置７が配管３２の軸方向で周方向移動装置４から遠ざかる方向に移動される。配管３２に入射された超音波ビームの反射波が超音波探触子８で受信される。受信された反射波信号は超音波探傷装置１の超音波探傷器（図示せず）に伝えられる。超音波探傷器は、この反射波信号に基づいて配管３２内における欠陥の有無を判定する。印２５が第１印２４と一致した状態において、軸方向移動装置７の移動により超音波探触子８が配管３２の軸方向での超音波探傷範囲内の移動が終了したとき、軸方向移動装置７の移動が停止される。

その後、第３モータ１２が駆動されて、印２５が探触子装着部材１１の回転方向で第１印２４の隣りの印（第２印という）２４に一致するまで、探触子装着部材１１が回転される。探触子装着部材１１が１５°回転されて印２５が第２印２４に一致したとき、第３モータ１２の回転が停止される。超音波ビームを送信している超音波探触子８が軸方向移動装置７により超音波探傷範囲内で逆方向（配管３２の軸方向で周方向移動装置４に近づく方向）に移動される。

以上のように、１５°ずつ超音波探触子８を回転させて配管３２の軸方向における超音波探触子８の前進と後進を交互に繰り返して、周方向移動装置４が配管３２の周方向の１つの位置に存在する状態での超音波探傷を実行する。探触子装着部材１１、すなわち、超音波探触子８が１５°ずつ回転して一回転して印２５が基準となる印（基準印という）２４に一致したとき、第３モータ１２の回転が停止され、周方向移動装置４を駆動して超音波探触子８を配管３２の周方向の別の位置まで移動させる。この周方向の位置で、前述したように、探触子装着部材１１を１５°ずつ回転させて配管３２の軸方向の超音波探傷を実施する。周方向移動装置４を配管３２の周方向に所定間隔で移動しながら、配管３２の軸方向の超音波探傷が行われる。配管３２の全ての超音波探傷範囲において超音波探傷を実施することができる。

超音波探傷器に入力される超音波反射波信号、及び超音波探傷器でその反射波信号を処理することによって得られた欠陥情報が、表示装置（図示せず）に表示される。オペレータは、表示装置に表示された情報を見ることによって配管３２における欠陥の有無及び欠陥の位置を認識することができる。

発明者らは、被検査体に欠陥が存在する場合で、被検査体内での欠陥の位置及びその進展方向の予測がつかないときにおいても、超音波探触子８の被検査体と対向する端面に垂直な探触子装着部材１１の回転中心軸に垂直な平面内で、超音波探触子を１５°ピッチで回転させることによって、欠陥の見落としのない、すなわち、欠陥の検出精度を向上できる超音波探傷が実現できることを見出した。この超音波探傷を見出した試験結果について説明する。

この試験は、被検査体内に存在する欠陥に対して超音波ビームを当てる角度によってどの程度の欠陥検出感度が得られるかを検証することを目的とし、図７に示すように１９ｍｍの厚みの鋼板にスリット（スリット深さ１ｍｍ）３４を付与して得られた試験片３３を用いて行った。図８に示すように、試験片３３のスリットが形成された面と反対側の面に、スリットと同じ長さの罫書き線３６を入れる。スリットが形成された面と反対側の面内で、罫書き線３６に対して垂直な線（基準線）３７を罫書く。罫書き線３６に対する基準線３７の傾斜角は０°である。基準線３７と罫書き線３６の交点を中心にして、基準線３７から１５°まで２．５°刻みで傾斜させたそれぞれの線３８を、スリットが形成された面と反対側の面内に罫書いた。その後、基準線３７に沿って超音波探触子８を走査して超音波探触子８から基準線３７に向って超音波ビーム３５を送信し、スリット３４で反射された反射波の受信感度が超音波探傷器の表示装置の表示画面上で８０％になるように調整する。この調整は超音波探傷器の調整機能を用いて行われる。さらに、基準線３７から１５°まで２．５°刻みで傾斜させた７本の線３８に沿って、基準線３７の場合と同様に、超音波ビーム３５を送信している超音波探触子８を走査した。それぞれの線３８、すなわち、それぞれの傾斜角度における反射波の受信感度（ｄＢ値）の低下の度合いを求めた。この結果、スリット３４に対する各傾斜角での受信感度は、図９に示すように変化することが分かった。

スリット３４に対して７．５°傾斜させた線３８に沿って超音波ビームを送信した場合における超音波反射波の受信感度は、基準線３７に沿って超音波を送信した場合におけるその受信感度から１２ｄＢ低下した。これは、超音波探傷器の表示装置の表示画面上では２０％の低下となる。ここで、ＪＥＡＧ４２０７に従った超音波探傷方法では受信感度１６％以上の超音波反射波を記録の対象としていることを踏まえると、超音波の入射角がスリット３４に対して７．５°傾斜しているときにおける超音波反射波の受信感度は、欠陥検出のためには十分なものである。

したがって、欠陥の検出感度が最も高い、欠陥と超音波ビームの送信方向とのなす角が９０°の位置（基準線３７上の位置）から、最大±７．５°傾斜していたとしても、被検査体内の欠陥の検出には問題が生じないことが分かった。全方位の超音波探傷を行う際には、超音波探触子の回転角度は最大１５°ピッチで設定すればよいことになる。これにより、被検査体表面への多数の罫書き線の書き入れ、及び不要な超音波探傷を行う必要がなくなるため、超音波探傷に要する時間が大幅に削減され、作業員の負担も大幅に減少する。

前述した本実施例は、超音波探触子８の被検査体（例えば、配管３２）と対向する端面に垂直な探触子装着部材１１の回転中心軸に垂直な平面内で、超音波探触子８を回転させるので、被検査体内に欠陥が存在する場合、超音波探触子８から送信された超音波ビームをこの欠陥に対して垂直に近い状態でも入射することができる。したがって、その欠陥からの超音波反射波の検出感度が向上し、欠陥の検出精度を高めることができる。

本実施例は、探触子ホルダー１１に保持された超音波探触子８を、超音波探触子８の配管（被検査体）３２と対向する端面を通る回転中心軸を中心に回転させている。このような本実施例は、超音波探触子８の走査方向（配管３２の軸方向）に対して傾斜している欠陥に対して、超音波探触子８から配管３２に入射した超音波ビームをいずれかの回転角度によってはより直角に近い状態で当てることができる。このため、欠陥から反射された超音波反射波の検出感度を向上させることができ、欠陥の検出精度を高めることができる。本実施例は、超音波探触子８を超音波探触子８の配管（被検査体）３２と対向する端面を通る回転中心軸を中心に回転させているので、超音波探触子８の走査方向を一定にしたままで、全方位の探傷が可能となる。つまり、配管３２に形成された、進展方向の予測がつかない欠陥で超音波探触子８の走査方向に対して傾斜している欠陥も、確実に短時間で検出することができる。

本実施例は、探触子装着部材１１が回転軸ではなく３つの回転体１４，１５及び１７によって保持されるので、超音波探触子８と超音波探傷器を接続する信号伝送線が絡まって探触子装着部材１１の回転が阻害されることを防止できる。もし、回転体１４，１５及び１７ではなく探触子装着部材１１に回転軸を設け、この回転軸を軸受け及び支持部材により筐体１０に取り付けた場合には、探触子装着部材１１の回転時に超音波探触子８に接続された信号伝送線がその支持部材に絡まってしまい、探触子装着部材１１の回転が阻害されてしまう。３つの回転体１４，１５及び１７によって探触子装着部材１１を保持して探触子装着部材１１の回転中心を特定している本実施例は、そのような問題を解消することができる。

さらに、本実施例は、０°＜α≦１５°の範囲内にある回転角度αのピッチで探触子装着部材１１、すなわち、超音波探触子８を回転させるので、超音波反射波の受信感度をより高めることができる。回転角度αが０°に近くなると、超音波探傷に要する時間が長くなるので、その時間を短縮するためには回転角度αを１０°≦α≦１５°の範囲内に設定することが望ましい。

探触子装着部材１１の表面に１つの印２５が付され、探触子装着部材１１が取り付けられる筐体１０の表面に複数の印２４が付されているので、作業員は、印２５が一致している印２４を確認することによって、超音波探触子８の回転角度、すなわち、超音波の入射方向を容易に把握することができる。

本実施例は、ピン２０及び２２を中心としたそれぞれの回転、及び超音波探触子８の配管３２と対向する端面を通る回転中心軸を中心に回転により、超音波探触子８を３自由度で回転させることができる。これにより、配管等の曲率がある被検査体に対して超音波探傷を行う場合、超音波探触子８をその曲率に合せて追従させることができ、安定した超音波探傷が可能になる。第３モータ１２により探触子装着部材１１を回転させる１自由度は、超音波探触子８の、被検査体と対向する端面を通る回転中心軸を中心に超音波探触子８を回転させるものである。この１自由度での回転が可能になることにより、探触子ホルダー９の走査方向自体は変えずに、前方位の超音波探傷を容易に行うことができる。

図４に示す探触子ホルダーの詳細構成図である。 図１に示す探触子ホルダーの内部構造の構成図である。 図１のIII−III断面図である。 本発明の好適な一実施例である超音波探傷装置の構成図である。 探触子ホルダーの軸方向移動装置への取り付け構造を示し、図４のＶ部を拡大図である。 探触子ホルダーの軸方向移動装置への取り付け構造の平面図である。 試験片上における超音波探触子の走査方向を示す説明図である。 超音波探触子を欠陥に対して傾斜させて検出感度の測定を行った方法を示す説明図である。 欠陥に対する超音波探触子傾斜角度と反射波の検出感度との関係を示す特性図である。

符号の説明

１…超音波探傷装置、２…起動、４…周方向移動装置、５…ボールネジ、６…シャフト、７…軸方向移動装置、８…超音波探触子、９…探触子ホルダー、１０…筐体、１１…探触子装着部材、１２…第３モータ、１４，１５，１７…回転体、２４，２５…印、２６…支持装置、２７…支持棒、２８…ストッパー部材、２９…バネ部材。

Claims (7)

1. 移動装置に設けられた探触子ホルダーに保持された超音波探触子を、前記超音波探触子の被検査体と対向する端面を通る回転中心軸を中心に回転させ、前記超音波探触子を前記移動装置によって前記被検査体の表面に沿って移動させることを特徴とする超音波探傷方法。
2. 前記移動装置による前記超音波探触子の移動は、ある回転角度だけ回転された前記超音波探触子を用いて行う請求項１に記載の超音波探傷方法。
3. 前記回転中心軸を中心にした前記超音波探触子の回転を、０°＜α≦１５°の範囲内にある回転角度αで断続的に行う請求項１または２に記載の超音波探傷方法。
4. 前記回転角度αでの前記超音波探触子の回転と前記超音波探触子による超音波探傷を交互に行う請求項３に記載の超音波探傷方法。
5. 被検査体の表面に沿って移動する移動装置と、前記移動装置に取り付けられた探触子ホルダーと、前記探触子ホルダーに保持された超音波探触子とを備え、
   前記探触子ホルダーが、前記移動装置に取り付けられる筐体と、前記筐体に回転可能に取り付けられて前記超音波探触子を保持する探触子装着部材と、前記筐体に取り付けられて前記探触子装着部材を回転させる回転装置とを有し、
   前記超音波探触子が、前記超音波探触子の前記被検査体と対向する端面を通る、前記探触子装着部材の回転中心軸を中心にして回転することを特徴とする超音波探傷装置。
6. 被検査体の表面に沿って移動する移動装置と、前記移動装置に取り付けられた探触子ホルダーと、前記探触子ホルダーに保持された超音波探触子とを備え、
   前記探触子ホルダーが、前記移動装置に取り付けられる筐体と、前記筐体に回転可能に取り付けられて前記超音波探触子を保持する探触子装着部材と、前記筐体に取り付けられて前記探触子装着部材を回転させる回転装置とを有し、
   前記超音波探触子の前記被検査体と対向する端面を通る、前記超音波探触子の回転中心軸が、前記探触子装着部材の回転中心軸と一致していることを特徴とする超音波探傷装置。
7. 前記回転装置によって回転され、前記探触子装着部材を回転させる第１の回転体、及び前記探触子装着部材に接触する複数の第２の回転体が、前記筐体に回転可能に設けられている請求項５または６に記載の超音波探傷装置。

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