JP2012018071A - パイプ内表面検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検査対象であるパイプ材の内表面に非流動性接触媒体を介して内挿プローブを適切な圧力でパイプ材に押しつける押圧手段を有することで、小径のパイプ材の安定した内表面探傷を実現する。
【解決手段】本発明に係るパイプ内表面検査装置１は、検査対象であるパイプ材Ｗの内表面の欠陥Ｋを超音波を用いて検出する。パイプ材Ｗは孔内で毛細管現象を生じうる内径に形成され、パイプ材Ｗの孔内へ挿入可能で、且つパイプ材Ｗの内表面との間で超音波を送受信する送受信面２ａを備えた内挿プローブ２と、内挿プローブ２とパイプ材Ｗの内表面との間に配置された非流動性接触媒体３と、この非流動性接触媒体３を介して超音波が伝播可能となるように内挿プローブ２をパイプ材Ｗの内表面に押しつける押圧手段４と、を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、検査対象であるシームレス鋼管等のパイプ材の内表面に存在する欠陥を非破壊で検出するためのパイプ内表面検査装置に関するものである。

継ぎ目がないシームレス鋼管などのパイプ材は、外表面のみならず、内表面に傷や割れ、金属組織上での欠陥（以降、単に「欠陥」という）が存在しないことが重要であるが、外表面と異なり、内表面は検査しにくい傾向にある。
従来のパイプ材の内表面を検査する手法は、外表面からパイプ材の厚み方向に超音波を伝播することで内表面の欠陥を検出したり、内挿型渦流探傷プローブをパイプ材の孔内に挿入して渦電流を用いて探傷する手法が一般的に適用されてきた。

特許文献１には、渦流探傷プローブを直管状のパイプ材の孔内に挿入しながら高速に渦流探傷する装置が提案されている。
しかし、特許文献１の内挿型プローブによる渦流探傷では、内表面に生じた亀裂は容易に検出できるものの、表面側が閉じたような欠陥が検出しにくいなど探傷性能が十分ではないという課題があった。

このような課題に対し、表面側が閉じた閉口性の欠陥を高精度に検出する手法としては表面超音波探傷法がある。これは、物体表面を選択的に伝搬する表面超音波と呼ばれる超音波モードを励起し、欠陥から表面超音波が反射されるのを再度超音波プローブで受信して欠陥の有無を検査するものである。
例えば特許文献２には、表面超音波による表面超音波探傷装置の実施例として、円筒状又は円柱状である被検査材の外表面で周方向に沿った表面超音波を励起し、超音波探傷する装置が開示されている。

この特許文献２に記載された表面超音波探傷装置は、超音波を被検査材に導入するためには、探傷プローブと被検査材の間に、水等の接触媒質が必要であるが、余剰な接触媒質が、探傷プローブと被検査材の間以外の部分に付着してしまう。このように、被検査材の外表面における欠陥以外の部分に接触媒質が付着していると、欠陥が無いにも関わらずそこから表面超音波が反射して、誤検出の原因となってしまう可能性が大である。

そこで、特許文献２における技術では、余剰な接触媒質を空気流によって吹き飛ばすことによって解決している。

特開２００４−２５１８３９号公報 特開２０００−２１４１３８号公報

しかしながら、特許文献２に記載の技術では、あくまで被検査材の外表面への適用の場合に可能な技術であり、パイプ材の内表面にそのまま適用することは難しい。
なぜなら、パイプ材の孔内の余剰な接触媒質（水等）を排出除去するために、孔内へ適正に空気流を流して接触媒質を吹き飛ばすことは困難を極めることが多いからである。
さらに、小径なパイプ材の内表面検査においては、余剰な水等が存在すると、毛細管現象によって孔内の周方向にわたって水が張った状態となって欠陥の誤検出要因となるので、パイプ材の内表面の欠陥検出に液体状の接触媒質を適用することはできない。

上述した問題に鑑み、本発明は、内径が小さいパイプ材の内表面の表面超音波探傷を実現するパイプ内表面検査装置を提供することを目的とする。

前記課題を達成するために、本発明は、以下の技術的手段を採用した。
本発明に係るパイプ内表面検査装置は、検査対象であるパイプ材の内表面の欠陥を超音波を用いて検出するパイプ内表面検査装置であって、前記パイプ材は孔内で毛細管現象を生じうる内径に形成されていて、前記パイプ材の孔内へ挿入可能で、且つパイプ材の内表面との間で超音波を送受信する送受信面を備えた内挿プローブと、この内挿プローブとパイプ材の内表面との間に配置された非流動性接触媒体と、この非流動性接触媒体を介して超音波が伝播可能となるように内挿プローブをパイプ材の内表面に押しつける押圧手段と、を有していることを特徴とする。

これによって、液体状の接触媒質の代わりにゴム等の非流動性接触媒体（ドライカップリングシート）をもちいることで、超音波を送受信することができ、余剰な接触媒質が、内表面欠陥以外の部分に付着することがないため、孔内で毛細管現象を生じうる内径を有するパイプ材に対しても、内表面の欠陥検出が可能となる。
なお、ドライカップリングシートは、所定厚みをもったゴム等のシートである。

このドライカップリングシートを押圧する手段として、前記内挿プローブにおける送受信面の反対側の面とパイプ材の内表面との間に配備された付勢手段を有しても好適である。
また、前記押圧手段は、前記内挿プローブにおける送受信面の反対側の面とパイプ材の内表面との間に配備されたエアバック部材と、このエアバック部材の内部に気体を供給可能なエア供給手段とを有してもよい。

さらに、前記押圧手段は、前記内挿プローブに設けられ、且つ内挿プローブの送受信面に対向するパイプ材の内表面に吸着可能となっている磁着手段を有していても好ましい。
これらの押圧手段により、適正な圧力で内挿プローブをパイプ材の内表面に押しつけることができ、内挿プローブとパイプ材との間の超音波導入効率が高く保たれる。
なお、前記超音波は、表面超音波であることが好適である。

また、前記パイプ材の内径は、２０ｍｍ以下であってもよい。

本発明によると、超音波がパイプ材の内表面に非流動性接触媒体を介して伝播可能となるように内挿プローブをパイプ材に押しつける押圧手段を有することで、パイプ材が小径であっても、安定した内表面探傷が可能となる。

本発明に係るパイプ内表面検査装置の全体構成図である。 第１実施形態のパイプ内表面検査装置を示す横断面図及び縦断面図である。 超音波探傷の超音波波形を示す図である。 第２実施形態の押圧手段を示す横断面図及び縦断面図である。 第３実施形態の押圧手段を示す横断面図及び縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図に基づき説明する。
［第１実施形態］
図１〜図３には、本発明の第１実施形態に係るパイプ内表面検査装置１が示されている。
このパイプ内表面検査装置１は、検査対象であるパイプ材Ｗ（被検管材）の内表面の欠陥Ｋを超音波を用いて検出するものであって、パイプ材Ｗの孔内へ挿入可能な内挿プローブ２と、この内挿プローブ２とパイプ材Ｗの内表面との間に配置された非流動性接触媒体３と、この非流動性接触媒体３を介して超音波が伝播可能となるように内挿プローブ２をパイプ材Ｗの内表面に押しつける押圧手段４とを有している。

図１に示すように、パイプ内表面検査装置１は、内挿プローブ２を一端１１ａに取り付けた保持バー１１と、この保持バー１１をパイプ材Ｗの管軸Ｌ方向に出退移動及びパイプ材Ｗの管軸Ｌ回りに回転移動させる移動機構１２と、内挿プローブ２が検出した超音波の波形を表示するモニタ１３とを備えている。
パイプ材Ｗは、シームレス鋼管などの金属製パイプ素材であって、パイプ材Ｗの内径は２０ｍｍ以下の小径に形成されている。

このような小径のパイプ材Ｗの孔内に液体状の接触媒質（水、グリセリン等）が内挿プローブ２から漏れた場合、孔内で毛細管現象を生じ、パイプ材Ｗの内表面の周方向にわたって水等が張った状態となって内表面の欠陥Ｋの検出に支障がでる。
そこで、本発明においては、通常の表面超音波による欠陥Ｋの検出で使われる水やグリセリン等の流動性のある液体状媒質のかわりに、上述した非流動性接触媒体３（ドライカップリングシート）が用いられる。

なお、毛細管現象を生じるかは、厳密にはパイプ材Ｗの内径以外にも、パイプ材Ｗの孔内に入れる液体の表面張力、密度や、パイプ材Ｗの内表面のぬれやすさによって決まる。
［内挿プローブ２］
内挿プローブ２は、パイプ材Ｗの孔内に内挿可能な断面形状の円柱体であって、パイプ材Ｗの内表面との間で表面超音波（レーリー波）を送受信させるものである。

図２（ａ）に示す如く、内挿プローブ２は、圧電素子１４と、この圧電素子１４の振動を内挿プローブ２におけるパイプ材Ｗに当接する側（以下、「送受信面２ａ」側とする）に伝える伝達部材１５と、この伝達部材１５とパイプ材Ｗの内表面との間に配備されたドライカップリングシート３とを有している。
なお、送受信面２ａは、パイプ材Ｗの内表面に沿うように湾曲して形成されている。

圧電素子１４は、圧電効果を示す圧電体を電極で挟んで構成され、電極に信号電圧を加えて所定周波数で振動可能であると同時に、外部からの振動を電圧に変換するものである。圧電素子１４は、コード１４ａを介して、パイプ材Ｗ外にある制御部（図示省略）及びモニタ１３に接続されている。
伝達部材１５は、クサビ形、つまり断面略直角三角形状の柱体部材であって、柱体の一側面（直角三角形の斜辺に対応する面）に圧電素子１４の振動方向に対向し且つ圧電素子１４に当接された圧電当接部１５ａが形成されている。伝達部材１５である柱体の他側面（直角三角形の底辺に対応する面）には、ドライカップリングシート３に圧電素子１４からの振動を当接して伝えるシート当接部１５ｂが形成されている。

したがって、伝達部材１５は、圧電素子１４とドライカップリングシート３との間の振動伝達を行う。
［ドライカップリングシート３、押圧手段４］
ドライカップリングシート３は、ゴム等の材質からなり、シート厚みは０．１ｍｍ程度である。このドライカップリングシート３に対して適切な押し付けを行うと、内挿プローブ２とパイプ材Ｗとの間でドライカップリングシート３がつぶれて、圧電素子１４の振動をパイプ材Ｗ側に伝え、内表面にレーリー波を導入することが可能となる。

このとき、パイプ材Ｗに内挿プローブ２を押しあてて、ドライカップリングシート３に対する接触圧が適正でないと、圧電素子１４の振動をパイプ材Ｗに伝える効率が低下してしまうため、パイプ材Ｗの内表面に押しあてる接触圧を適正に保つための押圧手段４が必要となる。
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、押圧手段４としては、内挿プローブ２における送受信面２ａとは反対側（内挿プローブ２の背面２ｂ側）と、パイプ材Ｗの内表面（厳密にはパイプ材Ｗにおける内挿プローブ２が押しつけられる側とは反対側の内表面）との間に付勢手段５（押しバネ）が配備されている。

この押しバネ５は、コイル状の捩りバネであって、一端５ａが内挿プローブ２の背面２ｂに固定され、他端５ｂにはパイプ材Ｗの内表面に当接して押しバネ５を支えるバネ支持部１６が設けられている。
バネ支持部１６は、パイプ材Ｗの内表面に沿って湾曲した板部材であって、パイプ材Ｗの内周面に嵌って押しバネ５の他端５ｂを支持し、押しバネ５が適切な圧力で内挿プローブ２をパイプ材Ｗの内周面に押しつけるのを支えている。

このように構成することで、パイプ材Ｗの内径が小さすぎて、孔内に指などを挿入して内挿プローブ２を押さえられない場合でも適切な圧で押しつけ可能となる。
また、バネ支持部１６のパイプ材Ｗの内表面側の面は、テフロン（登録商標）加工等を施されており、バネ支持部１６は、押しバネ５の他端５ｂを支持しながら、パイプ材Ｗの内表面に対して滑走可能となっている。
［保持バー１１、移動機構１２等］
保持バー１１は、パイプ材Ｗの一方の開口から挿入される棒材であって、保持バー１１の一端１１ａに内挿プローブ２が取り付けられている。

保持バー１１の内挿プローブ２に対する取付位置は、内挿プローブ２の送受信面２ａがパイプ材Ｗの内表面に押し当てられたときに、保持バー１１の棒軸Ｌ’がパイプ材Ｗの管軸Ｌとほぼ一致するように設定されている。
移動機構１２は、パイプ材Ｗから露出している保持バー１１の他端１１ｂ側に設けられており、保持バー１１をパイプ材Ｗの管軸Ｌ方向に出退移動させる出退駆動部１７と、パイプ材Ｗの管軸Ｌ回りに回転移動させる回転駆動部１８とを有している。

出退駆動部１７は、保持バー１１を挟み込む一対のロール１７ａ、１７ｂと、これらのロール１７ａ、１７ｂを回転駆動させる駆動部（図示省略）とを備えている。両ロール１７ａ、１７ｂの軸は、パイプ材Ｗの径方向とほぼ平行に配備されており、出退駆動部１７は、ロール１７ａ、１７ｂの回転によって、パイプ材Ｗの孔内へ内挿プローブ２を挿入したり、パイプ材Ｗの孔内で管軸Ｌに沿って内挿プローブ２を出退できる。

回転駆動部１８も、同様に、保持バー１１を挟み込む一対のロール１８ａ、１８ｂと、ロール１８ａ、１８ｂを回転駆動させる駆動部（図示省略）とを備えているが、ロール１８ａ、１８ｂの軸がパイプ材Ｗの管軸Ｌとほぼ平行に配備されている点で出退駆動部１７とは異なっている。
したがって、回転駆動部１８は、ロール１８ａ、１８ｂを回転させることで、内挿プローブ２を送受信面２ａをパイプ材Ｗの内表面に沿わせたまま、パイプ材Ｗの孔内で管軸Ｌ回りに回転させることが可能となる。

モニタ１３は、内挿プローブ２からパイプ材Ｗへ送信した超音波、及びパイプ材Ｗから内挿プローブ２側へ伝播した超音波の波形を表示（Ａスコープ表示）するディスプレイ等である。
なお、波形を表示する際の横軸は時間（伝搬距離）、縦軸は圧電素子１４で送受信されたエコー強度を示すものであり、モニタ１３によって、圧電素子１４から送信されたパルスと、欠陥Ｋで反射して返ってくるまでの時間Ｔが横軸から読み取れる。
［パイプ内表面検査装置１の検出結果］
以下に、第１実施形態に係るパイプ内表面検査装置１で、例えば内径８ｍｍのパイプ材Ｗの内表面に施した深さ５０μｍのスリット状の欠陥Ｋを検出した結果を、図３に示す。

図３の一番右側には、内挿プローブ２からのレーリー波の送信にともなう送信パルスＰ１が立ち上がり（つまり観測され）、送信パルスＰ１の右側（図３中の左右中央）には、欠陥Ｋによって反射した欠陥エコー（欠陥パルス）Ｐ２が観測されている。
さらにこの欠陥パルスＰ２の右側（図３の一番左側）には、送信パルスＰ１がパイプ材Ｗの内表面に沿って伝わり（図２中の「表面超音波伝搬経路」参照）、内表面を１周して内挿プローブ２に再度受信された周回パルスＰ３が観測されている。

送信パルスＰ１から欠陥パルスＰ２までの横軸の目盛りを読むことで、送信パルスＰ１が欠陥Ｋで反射して返ってくるまでの時間Ｔ（単位は秒）がわかる。
この時間Ｔの１／２にレーリー波の秒速をかけることで、内挿プローブ２の送受信面２ａから欠陥Ｋの距離（詳しくは、パイプ材Ｗの内表面上で周方向に沿った距離）がわかり、移動機構１２からパイプ材Ｗにおける内挿プローブ２の位置を考慮すると、パイプ材Ｗの内表面における欠陥Ｋの位置を特定できる。
［パイプ内表面検査装置１の探傷範囲］
欠陥Ｋの位置特定できる範囲について以下に述べる。

欠陥パルスＰ２は、内挿プローブ２で観測されるのに往復の時間を要するのに対し、周回パルスＰ３が観測される位置は、１周分の伝搬時間の位置である。
したがって、パイプ材Ｗの内表面における内挿プローブ２の接触した部位とちょうど１８０°対向した位置にある欠陥Ｋは、この欠陥Ｋによって反射した欠陥パルスＰ２が周回パルスＰ３と重なってしまうので、探傷には適さない。

そのため、レーリー波による探傷範囲としては、パイプ材Ｗの内周における半周以下、出来れば１／３〜１／４周程度が望ましい。
したがって、移動機構１２の回転駆動部１８によって、内挿プローブ２の周方向位置を何度か変更して探傷を繰り返すことが好ましい。
また、パイプ材Ｗの管軸Ｌ方向において、欠陥Ｋの位置特定ができる幅は、周回してきた送信パルスＰ１や、反射した欠陥パルスＰ２を受信可能なドライカップリングシート３の前後幅（管軸Ｌ方向の長さ）である。

したがって、パイプ材Ｗの管軸Ｌ方向における所定位置（例えば、パイプ材Ｗの開口縁）の欠陥検出を行った後は、移動機構１２の出退駆動部１７によって、内挿プローブ２を管軸Ｌ方向に沿って（パイプ材Ｗの開口縁から奥の方へ）少しずつずらしながら探傷を繰り返せばよい。
なお、シームレス鋼管等のパイプ材Ｗを検査対象としたレーリー波による探傷（表面欠陥検出）の場合では、正常部分でも周回パルスＰ３が観測できるので、正常にレーリー波がパイプ材Ｗの内表面に導入出来ているかを常に確認できる。

また、パルスＰ１〜Ｐ３の間には、パイプ材Ｗの内表面の凹凸に起因したノイズ散成分が観測されるが、内表面凹凸が十分に小さい場合にはこのような高いＳ／Ｎが実現できる。
［第２実施形態］
図４は、第２実施形態のパイプ内表面検査装置１の押圧手段４を示している。

この第２実施形態では、第１実施形態にて用いた押しバネ５の代わりに、押圧手段４としてエアバックを用いている点を特徴とする。
詳しくは、パイプ内表面検査装置１は、内挿プローブ２とパイプ材Ｗの内表面との間にエアバック部材６が配備され、このエアバック部材６の内部に気体を供給可能なエア供給手段７も備えている。

エアバック部材６は、内部に気体を供給されることによって伸縮可能なバルーン体であって、内挿プローブ２の背面２ｂと、パイプ材Ｗの内表面との間に配置される。
エア供給手段７は、エアバック部材６に連通したエアチューブ７ａを介して、エアバック部材６内部に吸気する及びエアバック部材６内部から排気する吸排ポンプ等である。
したがって、エアバック部材６を膨張させることによって、第１実施形態の押しバネ５と同様に、内挿プローブ２をパイプ材Ｗの内表面に押しあてることができる。

さらに、エア供給手段７によって、エアバック部材６内に送り込む気体の量を調整可能であるため、エアバック部材６が内挿プローブ２をパイプ材Ｗの内周面に押しあてる力を適切に調整することも可能である。
また、内挿プローブ２の探傷範囲をずらす際には、エア供給手段７でエアバック部材６内の気体を一旦排出し、移動機構１２によって内挿プローブ２を出退移動及び回転移動させた後に、再びエアバック部材６内の気体を吸入することとなる。

第２実施形態について、その他の構成は第１実施形態と同様である。
［第３実施形態］
図５は、第３実施形態のパイプ内表面検査装置１の押圧手段４を示している。
この第３実施形態の特徴は、押圧手段４として、内挿プローブ２の送受信面２ａに対向するパイプ材Ｗの内表面（パイプ材Ｗにおける内挿プローブ２が押しつけられる側の内表面）に吸着可能となっている磁着手段８を内挿プローブ２に設けている点である。

この磁着手段８は、パイプ材Ｗが磁性体である場合に用いるものであって、内挿プローブ２の（パイプ材Ｗの管軸Ｌ方向の）前後に、支持部材１９を介して配備された一対の電磁石８である。
電磁石８は、パイプ材Ｗの内表面に対する吸着力が流す電流に比例するため、適切な電流を流すことで、レーリー波の導入効率を高く保つ押しつけることができる。

これによって、内挿プローブ２からレーリー波を送受信する際など、押しあて力が必要な時にのみに電磁石８を駆動させることで、適正な圧力で内挿プローブ２をパイプ材Ｗの内表面に押しあてることができる。
第３実施形態について、その他の構成は第１実施形態と同様である。
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。パイプ内表面検査装置１等の各構成又は全体の構造、形状、寸法などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

内挿プローブ２は、略円柱体であったが、パイプ材Ｗの孔内に内挿可能で且つ内表面に沿う送受信面２ａを有するならば、略楕円体等であってもよい。
非流動性接触媒体であるドライカップリングシート３は、ゴムに限らず、超音波を伝播しうるのであれば、軟質プラスチックなどの弾性を有した高分子ポリマーであってもよい。

ドライカップリングシート３の厚みは、０．１ｍｍでなくとも、超音波を伝播可能ならば、０．１〜０．５ｍｍ程度であってもかまわない。
付勢手段５は、押しバネに限らず、板バネや竹の子バネ等であってもよい。

１ パイプ内表面検査装置
２ 内挿プローブ
２ａ 内挿プローブの送受信面
３ 非流動性接触媒体（ドライカップリングシート）
４ 押圧手段
５ 付勢手段
６ エアバック部材
７ エア供給手段
８ 磁着手段
Ｗ パイプ材
Ｋ パイプ材の内表面の欠陥

Claims (6)

1. 検査対象であるパイプ材の内表面の欠陥を超音波を用いて検出するパイプ内表面検査装置であって、
   前記パイプ材は孔内で毛細管現象を生じうる内径に形成されていて、
   前記パイプ材の孔内へ挿入可能で、且つパイプ材の内表面との間で超音波を送受信する送受信面を備えた内挿プローブと、
   この内挿プローブとパイプ材の内表面との間に配置された非流動性接触媒体と、
   この非流動性接触媒体を介して超音波が伝播可能となるように内挿プローブをパイプ材の内表面に押しつける押圧手段と、
   を有していることを特徴とするパイプ内表面検査装置。
2. 前記押圧手段は、前記内挿プローブにおける送受信面の反対側の面とパイプ材の内表面との間に配備された付勢手段を有していることを特徴とする請求項１に記載のパイプ内表面検査装置。
3. 前記押圧手段は、前記内挿プローブにおける送受信面の反対側の面とパイプ材の内表面との間に配備されたエアバック部材と、このエアバック部材の内部に気体を供給可能なエア供給手段とを有していることを特徴とする請求項１に記載のパイプ内表面検査装置。
4. 前記押圧手段は、前記内挿プローブに設けられ、且つ内挿プローブの送受信面に対向するパイプ材の内表面に吸着可能となっている磁着手段を有していることを特徴とする請求項１に記載のパイプ内表面検査装置。
5. 前記超音波は、表面超音波であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のパイプ内表面検査装置。
6. 前記パイプ材の内径は、２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のパイプ内表面検査装置。

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