JP2013019715A - 超音波検査方法及び超音波検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波検査が困難な箇所、部位においても、精度よく且つ効率よく欠陥等を検出することの可能な超音波検査方法及び超音波検査装置を提供すること。
【解決手段】 検査対象部１０１にフェーズドアレイ探触子２から超音波を送信すると共に検査対象部１０１で反射した超音波の反射波を受信し、受信した反射波の信号により検査対象部１０１の欠陥を検出する。フェーズドアレイ探触子２を溶接部１０１の溶接線Ｌに対して片側に配置して被検査体１００上で溶接線Ｌに沿う方向へ移動させる。複数の走査位置毎にフェーズドアレイ探触子２の移動方向に略直交する方向において任意の点に集束する超音波を屈折角を異ならせて複数送信する。受信した反射波の信号から移動方向に略直交する方向及び被検査体の板厚方向を軸とする断面画像を複数の走査位置毎に生成する。生成した断面画像により欠陥を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波検査方法及び超音波検査装置に関する。さらに詳しくは、被検査体の検査対象部にフェーズドアレイ探触子から超音波を送信すると共に前記検査対象部で反射した前記超音波の反射波を受信し、受信した反射波の信号により前記検査対象部の欠陥を検出する超音波検査方法及び超音波検査装置に関する。

従来から、被検査体の検査対象部としての溶接部の検査方法として、超音波探傷が行われている。係る場合、例えば、図７に示す如き波形Ｅを検出して、反射源の位置解析から波形Ｅに表れたエコーｅ１が欠陥（きず）に起因する信号か否かを判断する。ここで、例えば、図２に示す如き裏板付き突合せ溶接部１０１の場合、裏板金１０３と溶接部１０１との境界部１０１ｃ近傍において、裏板金１０３に起因する反射信号が発生する。そのため、欠陥が境界部１０１ｃ近傍に存在する場合、受信される超音波のビーム路程は近似する。よって、波形Ｅに表れたエコーｅ１が、裏板金１０３からの反射信号であるか欠陥からの反射信号であるかの判別が困難であった。さらに、ニッケル含有等、被検査体の材質によって、欠陥の検出精度が低下するという問題があった。

他方、超音波探傷の一手法として、例えば特許文献１，２に示す如きフェーズドアレイ法による検査方法も知られている。しかし、これら文献において、裏板付き突合せ溶接部についての上記問題は何ら示されていない。

特開２００４−１９１１１１号公報 特開２００１−３４３３７０号公報

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、超音波検査が困難な箇所、部位においても、精度よく且つ効率よく欠陥等を検出することの可能な超音波検査方法及び超音波検査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る超音波検査方法の特徴は、被検査体の検査対象部にフェーズドアレイ探触子から超音波を送信すると共に前記検査対象部で反射した前記超音波の反射波を受信し、受信した反射波の信号により前記検査対象部の欠陥を検出する方法において、前記検査対象部は、裏板付き突合せ溶接部であり、前記被検査体は、ニッケルを６％以上１０％以下含有する母材をニッケルを５５％以上含有する溶接金属により溶接したものであり、前記フェーズドアレイ探触子を前記溶接部の溶接線に対して片側に配置して前記被検査体上で前記溶接線に沿う方向へ移動させると共に、複数の走査位置毎に前記フェーズドアレイ探触子の移動方向に略直交する方向において任意の点に集束する超音波を屈折角を異ならせて複数送信し、受信した反射波の信号から前記移動方向に略直交する方向及び前記被検査体の板厚方向を軸とする断面画像を前記複数の走査位置毎に生成し、生成した前記断面画像により前記欠陥を検出することにある。

上記構成によれば、複数の走査位置で任意の点に集束する超音波を屈折角を異ならせて複数送信するので、超音波を任意の点に集中させて送信することで、超音波の減衰や音の曲がりを抑制し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。また、その集束させた超音波を屈折角を異ならせて複数送信させるので、１度の走査で広範囲を検査することができる。しかも、その受信信号から走査位置毎に断面画像を生成するので、生成した断面画像から容易に且つ確実に欠陥を検出することができ、作業効率も向上する。従って、従来では検査の難しかった上述のニッケルを含有する母材及び溶接金属からなる裏板付き突合せ溶接部において、精度よく且つ効率よく欠陥等を検出することができる。

前記金属材料の板厚は、５ｍｍ以上７０ｍｍ以下である。また、前記溶接部としては、例えば、液化天然ガスを貯蔵するタンクの溶接部である。

上記目的を達成するため、本発明に係る超音波検査方法の他の特徴は、被検査体の検査対象部にフェーズドアレイ探触子から超音波を送信すると共に前記検査対象部で反射した前記超音波の反射波を受信し、受信した反射波の信号により前記検査対象部の欠陥を検出する方法において、前記検査対象部は、液化天然ガスを貯蔵するタンクの溶接部であり、前記フェーズドアレイ探触子を前記溶接部の溶接線に対して片側に配置して前記被検査体上で前記溶接線に沿う方向へ移動させると共に、複数の走査位置毎に前記フェーズドアレイ探触子の移動方向に略直交する方向において任意の点に集束する超音波を屈折角を異ならせて複数送信し、受信した反射波の信号から前記移動方向に略直交する方向及び前記被検査体の板厚方向を軸とする断面画像を前記複数の走査位置毎に生成し、生成した前記断面画像により前記欠陥を検出することにある。

前記被検査体は、ニッケルを６％以上１０％以下含有する母材をニッケルを５５％以上含有する溶接金属により溶接したものであってもよい。また、前記被検査体は、アルミニウム合金よりなる母材をアルミニウム合金よりなる溶接金属により溶接したものでもよい。また、前記溶接部は、突合せ溶接、重ね溶接又は隅肉溶接のいずれかであってもよい。係る場合、前記突合せ溶接は、裏板付き突合せ溶接であってもよい。前記被検査体の板厚は、５ｍｍ以上７０ｍｍ以下であってもよい。

上記目的を達成するため、本発明に係る超音波検査装置の特徴は、被検査体の検査対象部にフェーズドアレイ探触子から超音波を送信すると共に前記検査対象部で反射した前記超音波の反射波を受信し、受信した反射波の信号により前記検査対象部の欠陥を検出する構成において、前記検査対象部は、裏板付き突合せ溶接部であり、前記被検査体は、ニッケルを６％以上１０％以下含有する母材をニッケルを５５％以上含有する溶接金属により溶接したものであり、前記フェーズドアレイ探触子を前記溶接部の溶接線に対して片側に配置して前記被検査体上で前記溶接線に沿う方向へ移動させる移動手段と、複数の走査位置毎に前記フェーズドアレイ探触子の移動方向に略直交する方向において任意の点に集束する超音波を屈折角を異ならせて複数送信する制御手段と、受信した反射波の信号から前記移動方向に略直交する方向及び前記被検査体の板厚方向を軸とする断面画像を前記複数の移動位置毎に生成する画像生成手段と、生成した前記断面画像を表示する表示手段とを備えることにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る超音波検査装置の他の特徴は、被検査体の検査対象部にフェーズドアレイ探触子から超音波を送信すると共に前記検査対象部で反射した前記超音波の反射波を受信し、受信した反射波の信号により前記検査対象部の欠陥を検出する構成において、前記検査対象部は、液化天然ガスを貯蔵するタンクの溶接部であり、前記フェーズドアレイ探触子を前記溶接部の溶接線に対して片側に配置して前記被検査体上で前記溶接線に沿う方向へ移動させる移動手段と、複数の走査位置毎に前記フェーズドアレイ探触子の移動方向に略直交する方向において任意の点に集束する超音波を屈折角を異ならせて複数送信する制御手段と、受信した反射波の信号から前記移動方向に略直交する方向及び前記被検査体の板厚方向を軸とする断面画像を前記複数の移動位置毎に生成する画像生成手段と、生成した前記断面画像を表示する表示手段とを備えることにある。

上記本発明に係る超音波検査方法及び超音波検査装置の特徴によれば、超音波検査が困難な箇所、部位においても、精度よく且つ効率よく欠陥等を検出することが可能となった。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

本発明に係る超音波検査装置の構成図である。 検査対象部近傍の拡大断面図である。 フェーズドアレイ探傷器の構成図である。 フェーズドアレイ探触子における超音波の送受信を説明する図である。 フォーカシング及びステアリングを説明する図である。 断面画像の一例を示す図である。 従来の超音波探傷の受信信号の一例を示す図である。

次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
本実施形態において、本発明に係る超音波検査方法の検査対象となる被検査体１００の検査対象部１０１は、液化天然ガスを貯蔵するタンクの溶接部（以下、「ＬＮＧタンク」とする。）としての裏板付突合せ溶接部である。この溶接部１０１は、図１，２に示すように、金属材料よりなる母材として板状の鋼材１０２，１０２を突き合わせると共に鋼材１０２の裏面側１０２ｂに裏板金１０３を溶接したものである。

本実施形態において、鋼材１０２にはニッケルを９％含有するニッケル鋼が用いられる。ニッケル鋼は超音波の高減衰材料である。そして、このニッケル鋼１０２，１０２を例えばニッケルを５５％以上含有する溶接金属により溶接することで、検査対象部としての溶接部１０１が形成される。この溶接部１０１の溶接金属部１０１ａには、例えば、ニッケルが７０％程度含有している。なお、溶接に使用する溶接金属には、ニッケルを５５％以上含有するものであればよく、ニッケルを１００％含有する材料（ニッケル単独）であってもよい。

さらに、このニッケル鋼１０２の板厚Ｔは、例えば、５ｍｍ以上７０ｍｍ以下である。なお、地上式ＬＮＧタンクでは、上部より下部程肉厚に形成されており、部位によって板厚は異なる。板厚が大きくなるに従い、超音波の減衰や歪みや音の曲がりが生じやすい。

図１に示すように、本発明に係る超音波検査装置１は、大略、フェーズドアレイ探触子２とフェーズドアレイ探傷器３からなる。フェーズドアレイ探触子２は、移動手段５によって溶接部１０１の溶接線Ｌ方向に沿うように移動する。フェーズドアレイ探傷器３は、後述する断面画像を表示する表示手段としてのモニタ４と、キーボードやマウス等の入力手段６を備えている。また、移動手段５は、走査位置を検出する位置検出器５１を有し、フェーズドアレイ探傷器３に接続している。

図２に示すように、フェーズドアレイ探触子２は、複数の振動子２１を有する振動子群２０を備えている。各振動子２１は、後述のフェーズドアレイ探傷器３によって励振するタイミングが電子的に制御される。これにより、同図に示すように、超音波の屈折角θを屈折角θ１以上θ２以下の角度範囲内で変更しながら超音波を送受信することで、溶接部１０１を扇状に走査（セクタスキャン）することができる。なお、本実施形態において、振動子２１は矩形を呈し、移動方向（溶接線Ｌ方向）に略直交する方向に１列に配列されている。

図３に示すように、フェーズドアレイ探傷器３は、大略、計測制御部３１と、複数のパルサ・レシーバ３２と、マルチプレクサ３３よりなる。計測制御部３１は、超音波の送受信を制御する制御部３１ａと、受信した反射信号から各走査位置における断面画像を生成する画像生成部３１ｂとを有する。生成される断面画像は、例えば図６に示す如き、所定の屈折角範囲内における扇状の画像である。受信した反射信号及び生成された断面画像データは記憶される。また、パルサ・レシーバ３２は、マルチプレクサ３３を介してフェーズドアレイ探触子２の振動子２１に接続されている。

次に、フェーズドアレイ探触子２における超音波の送受信について説明する。
図４（ａ）に示すように、送信時においては、まず、制御計測部３１がトリガー信号ＴＳをパルサ・レシーバ３２に送信すると共に、超音波ビーム生成に必要となる遅延パターンのシーケンスを同時に行う。そして、遅延パターンに従ったパルス列ＰＳが、マルチプレクサ３３を介してフェーズドアレイ探触子２の振動子２１にそれぞれ入力される。よって、振動子２１ａ〜２１ｅは、それぞれのパルス信号によるタイミングで励振する。

同図の例では、フェーズドアレイ探触子２の端部側に位置する符号２１ａ及び２１ｅで示す振動子が最初に励振し、次に、振動子２１ａ，２１ｅより中央側に位置する符号２１ｂ及び２１ｄで示す振動子が励振する。そして、さらに中央側に位置する振動子２１ｃが最後に励振する。これにより、各振動子２１ａ〜２１ｅによって、波面Ｓａ〜Ｓｅがそれぞれ生成される。これら波面Ｓａ〜Ｓｅが合成し形成される合成波面Ｓが、入射波Ｗｅとして被検査体１００を任意に定める焦点Ｆに向けて伝搬する。

ここで、図５（ａ）に示す如きフォーカシングの場合、制御計測部３１からのトリガー信号ＴＳがパルサ・レシーバ３２に入力されると、同図に示す如き遅延パターンｄｅ１を生成する。この遅延パターンｄｅ１は、端部側に位置する振動子２１ａ，２１ｅほど遅延時間ｔを短く設定している。これにより、各振動子２１ａ〜２１ｅから発生する波面は、焦点Ｆに集束する合成波面を形成する。これにより、フェーズドアレイ探触子２から送信される超音波をある地点（焦点Ｆ）に集束させる超音波ビームとすることができる。

また、図５（ｂ）に示す如きステアリングの場合、遅延パターンｄｅ２は、片側の振動子２１ｅほど遅延時間ｔを長くしている。これにより、超音波の屈折角θを任意の角度と設定することが可能となる。このように、フォーカシング及びステアリングを組み合わせて行うことで、上述の溶接部１０１の如き超音波検査が困難な部位においても、欠陥を広範囲で高精度に検出でき、検出感度も向上する。特にニッケル含有量の多い溶接金属部１０１ａ内の欠陥であっても、明瞭に検出可能となる。

図４（ｂ）に示すように、反射波Ｗｒの受信時は、各振動子２１で受信された反射エコーＥＳは、パルサ・レシーバ３２で受信された後、制御計測部３１においてデジタル化されると共に遅延処理及び積算処理によって１つのＲＦ波形信号として計測される。そして、ＲＦ波形信号に基づいて断面画像が生成されモニタ４に出力される。この断面画像により、受信した反射信号が裏板金１０３に相当するものかどうか容易に判断することができる。このように、探傷結果を図６に示す如き断面画像で出力、表示することで、裏板金１０３等の検査対象部１０１の形状に起因する信号（形状ノイズ）に伴う欠陥の誤判定を低減することができ、検査精度を向上させることが可能となる。

次に、溶接部１０１の欠陥検出手順について説明する。
まず、入力手段６を介してセクタスキャンの開始角度θ１、終了角度θ２、角度ピッチ等の走査条件をフェーズドアレイ探傷器３に設定する。次に、移動手段５の位置検出器５１を取り付けたフェーズドアレイ探触子２を被検査体１００の溶接部１０１の溶接線Ｌ方向へ移動する。そして、所定の走査位置において、移動方向に略直交する方向において任意の点に集束するようにフォーカシングを行うと共に開始角度θ１〜終了角度θ２の角度範囲内で角度ピッチ毎にステアリングを行って超音波ビームを送信する。受信した反射波の信号により制御計測部３１により扇状の断面画像が生成されると共に、モニタ４に表示される。このセクタスキャンが各走査位置で行われる。そして、断面画像から溶接部１０１の溶接金属部１０１ａ及びその周辺の熱影響部１０１ｂ内における欠陥の有無を検査する。

最後に、本発明の他の実施形態の可能性について言及する。なお、以下の実施形態において、上記第一の実施形態と同様の部材等には同様の符号を付してある。
上記実施形態において、被検査体１００を構成する鋼材１０２は、ニッケルを９％含有するニッケル鋼を用いた。しかし、この材料に限られるものではなく、例えばニッケルを７％含有するニッケル鋼であっても構わない。また、ステンレス鋼等、母材は金属材料よりなり、ニッケルを６％以上１０％以下含有するものであれば検査可能である。さらに、例えば、被検査体として、板厚が５ｍｍ以上７０ｍｍ以下のアルミニウム合金の母材をアルミニウム合金で溶接した溶接部にも適用可能である。

上記実施形態において、被検査体１００としてＬＮＧタンクを例に説明したが、これに限定されるものではない。また、検査対象部１０１として裏板付突合せ溶接部を例に説明したが、これに限られるものではなく、他の突合せ溶接、重ね溶接や隅肉溶接にも適用することが可能である。

また、フェーズドアレイ探触子２は、振動子２１が一列に配列されたリニアアレイ探触子の他、マトリクス状に配列された探触子であっても構わない。さらに、振動子を湾曲させても構わない。

本発明は、例えば、ＬＮＧタンクの溶接部等を検査対象とする超音波検査方法及び超音波検査装置として利用することができる。

１：超音波検査装置、２：フェーズドアレイ探触子、３：フェーズドアレイ探傷器、４：モニタ（表示手段）、５：移動手段、６：入力手段、２０：振動子群、２１：振動子、３１：制御手段、３２：パルサ・レシーバ、３３：マルチプレクサ、５１：位置検出器、１００：被検査体（ＬＮＧタンク）、１０１：検査対象部（裏板付突合せ溶接部）、１０１ａ：溶接金属部、１０１ｂ：熱影響部、１０１ｃ：角部、１０２：母材（ニッケル鋼）、１０３：裏板金、Ｓ：合成波面、Ｄ：欠陥、ｄｅ：遅延パターン、Ｅ、波形、ｅ１：エコー、ＥＳ：反射エコー、Ｆ：焦点、Ｌ：溶接線（移動方向）、ＰＳ：パルス列、Ｔ：板厚、ｔ：遅延時間、ＴＳ：トリガー信号、Ｓａ〜Ｓｅ：波面、Ｗｅ：入射波、Ｗｒ：反射波、θ：屈折角

Claims (11)

1. 被検査体の検査対象部にフェーズドアレイ探触子から超音波を送信すると共に前記検査対象部で反射した前記超音波の反射波を受信し、受信した反射波の信号により前記検査対象部の欠陥を検出する超音波検査方法であって、
   前記検査対象部は、裏板付き突合せ溶接部であり、
   前記被検査体は、ニッケルを６％以上１０％以下含有する母材をニッケルを５５％以上含有する溶接金属により溶接したものであり、
   前記フェーズドアレイ探触子を前記溶接部の溶接線に対して片側に配置して前記被検査体上で前記溶接線に沿う方向へ移動させると共に、
   複数の走査位置毎に前記フェーズドアレイ探触子の移動方向に略直交する方向において任意の点に集束する超音波を屈折角を異ならせて複数送信し、
   受信した反射波の信号から前記移動方向に略直交する方向及び前記被検査体の板厚方向を軸とする断面画像を前記複数の走査位置毎に生成し、
   生成した前記断面画像により前記欠陥を検出する超音波検査方法。
2. 前記金属材料の板厚は、５ｍｍ以上７０ｍｍ以下である請求項１記載の超音波検査方法。
3. 前記溶接部は、液化天然ガスを貯蔵するタンクの溶接部である請求項１又は２記載の超音波検査方法。
4. 被検査体の検査対象部にフェーズドアレイ探触子から超音波を送信すると共に前記検査対象部で反射した前記超音波の反射波を受信し、受信した反射波の信号により前記検査対象部の欠陥を検出する超音波検査方法であって、
   前記検査対象部は、液化天然ガスを貯蔵するタンクの溶接部であり、
   前記フェーズドアレイ探触子を前記溶接部の溶接線に対して片側に配置して前記被検査体上で前記溶接線に沿う方向へ移動させると共に、
   複数の走査位置毎に前記フェーズドアレイ探触子の移動方向に略直交する方向において任意の点に集束する超音波を屈折角を異ならせて複数送信し、
   受信した反射波の信号から前記移動方向に略直交する方向及び前記被検査体の板厚方向を軸とする断面画像を前記複数の走査位置毎に生成し、
   生成した前記断面画像により前記欠陥を検出する超音波検査方法。
5. 前記被検査体は、ニッケルを６％以上１０％以下含有する母材をニッケルを５５％以上含有する溶接金属により溶接したものである請求項４記載の超音波検査方法。
6. 前記被検査体は、アルミニウム合金よりなる母材をアルミニウム合金よりなる溶接金属により溶接したものである請求項４記載の超音波検査方法。
7. 前記溶接部は、突合せ溶接、重ね溶接又は隅肉溶接のいずれかである請求項４〜６のいずれかに記載の超音波検査方法。
8. 前記突合せ溶接は、裏板付き突合せ溶接である請求項７記載の超音波検査方法。
9. 前記被検査体の板厚は、５ｍｍ以上７０ｍｍ以下である請求項４〜８のいずれかに記載の超音波検査方法。
10. 被検査体の検査対象部にフェーズドアレイ探触子から超音波を送信すると共に前記検査対象部で反射した前記超音波の反射波を受信し、受信した反射波の信号により前記検査対象部の欠陥を検出する超音波検査装置であって、
    前記検査対象部は、裏板付き突合せ溶接部であり、
    前記被検査体は、ニッケルを６％以上１０％以下含有する母材をニッケルを５５％以上含有する溶接金属により溶接したものであり、
    前記フェーズドアレイ探触子を前記溶接部の溶接線に対して片側に配置して前記被検査体上で前記溶接線に沿う方向へ移動させる移動手段と、
    複数の走査位置毎に前記フェーズドアレイ探触子の移動方向に略直交する方向において任意の点に集束する超音波を屈折角を異ならせて複数送信する制御手段と、
    受信した反射波の信号から前記移動方向に略直交する方向及び前記被検査体の板厚方向を軸とする断面画像を前記複数の移動位置毎に生成する画像生成手段と、
    生成した前記断面画像を表示する表示手段とを備える超音波検査装置。
11. 被検査体の検査対象部にフェーズドアレイ探触子から超音波を送信すると共に前記検査対象部で反射した前記超音波の反射波を受信し、受信した反射波の信号により前記検査対象部の欠陥を検出する超音波検査装置であって、
    前記検査対象部は、液化天然ガスを貯蔵するタンクの溶接部であり、
    前記フェーズドアレイ探触子を前記溶接部の溶接線に対して片側に配置して前記被検査体上で前記溶接線に沿う方向へ移動させる移動手段と、
    複数の走査位置毎に前記フェーズドアレイ探触子の移動方向に略直交する方向において任意の点に集束する超音波を屈折角を異ならせて複数送信する制御手段と、
    受信した反射波の信号から前記移動方向に略直交する方向及び前記被検査体の板厚方向を軸とする断面画像を前記複数の移動位置毎に生成する画像生成手段と、
    生成した前記断面画像を表示する表示手段とを備える超音波検査装置。