JP3868443B2 - 金属材の超音波検査法及び鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フェイズドアレイセンサー（以下、単に「アレイセンサー」という。）を用いた金属材の超音波検査法及びこの超音波検査法を製造工程に含む鋼管の製造方法に関するもので、従来法では検出できなかった微細な貫通状欠陥や肉厚の中央部に存在する縦方向の未圧着（以下、「肉中の未圧着」と言う。）を内外面欠陥と識別して検出することを可能としたものである。

例えば鋼管の超音波検査では、図３（ａ）に示すように、鋼管１の表面に対して超音波２を斜めに入射させ、鋼管１もしくはセンサー３を傾斜させて全断面を検査する斜角探傷法が一般的に用いられている。なお、図３（ａ）中のθ1は入射角度、θ2は屈折角度を示す。

この超音波斜角探傷法で得られる信号波形（−般に「Ａスコープ」と称す）は、例えばカップリングに水を用いる水浸法では、図３（ｂ）に示すように、時間軸上で、外表面で反射する表面エコーＳ、欠陥で反射する内面欠陥エコーＦ1と外面欠陥エコーＦ2の順に現れるが、これらの表面エコーＳと内面欠陥エコーＦ1、外面欠陥エコーＦ2を識別するために、欠陥検出ゲ−トＧ1，Ｇ2を用いて選択的に信号を抽出している。

また、鋼管の斜角探傷法では、鋼管の肉厚ｔと外径Ｄの比率ｔ／Ｄの影響を受け、ｔ／Ｄが大きくなるにつれて内面欠陥に対する超音波の入射角度θ3が小さくなり、超音波の反射率が低下する。しかしながら、入射角度θ1を微調整すれば、内外面欠陥の信号の大きさを近づけることができる。

また、近年、超音波ビームの制御技術として、複数の振動子からなるアレイセンサーを用いて振動子の発振タイミングを遅延制御することで任意の角度に超音波を発振したり、多チャンネルのアレイセンサー中の特定のアレイセンサーを選択的に使用して機械的な段取り替えを自動化したり、電気的な走査を加えて検査領域の広い超音波ビームを作り、高能率もしくは高範囲の検査を可能としたりするものが採用されるようになってきている。このうちの一例として、ブロック選択法により超音波の伝播角度を電気的に調整する際の原理を図４に示す。

複数の振動子４を選択してその発振タイミングを遅延制御すれば、超音波の斜め発振が可能になる。図４では、４つの振動子４で形成したブロック５を２つ選択し、それぞれのブロック５ごとに振動子４の発振タイミングを遅延制御することで、ブロック５ごとに被検査材であるたとえば鋼管１に対して超音波２を斜めに発振し、たとえば外面欠陥６を検出するものを示している。

下記表１に、前記図４の場合における屈折角度θ2の影響の具体例を示すが、この表１の場合は、内外面の欠陥信号の差が最も小さい、屈折角度θ2が４５°の場合が最適である。

この表１の探傷を行う際に校正に用いた人工欠陥は、軸方向の内外表面に加工された深さ０．２ｍｍの軸方向欠陥であり、内外欠陥エコーともほぼ同等の信号の大きさが得られた。

ところで、前記人工欠陥は反射面積が比較的大きいので、超音波の反射率が大きく、図５に示した波形例のように、比較的容易に内外面の欠陥を検出することができるが、電縫鋼管の溶接不良による微細な未溶着（貫通欠陥）やシームレス鋼管の微細な貫通割れ等の貫通状欠陥では、反射面積が微細で超音波の反射率が小さいので、図６に示した波形例のように、その検出が難しくなる。なお、図６中のＦ３は貫通孔エコーを示す。

また、肉中の未圧着は、斜角探傷法では、その原理上、反射エコーを受信することができないので、前記未圧着を検出することができない。

そこで、微細な貫通状欠陥を検出する手法として、図７に示すような、被検査材であるたとえば鋼管１の肉厚に比べて長さの長いアレイセンサー７を用いて肉厚内の多重反射を利用して検出するアレイ探傷法（以下、「多重反射法」と言う。）がある。

しかしながら、この多重反射法では、貫通孔エコーＦ3は、図８に示したような多重波形となるので、時間軸の情報からだけでは内外面欠陥もしくは貫通状欠陥といった欠陥の種類の識別ができない点や、入射角度を調整して内外面欠陥の信号高さを調整することが難しいといった点が問題となる。

つまり、多重反射法では、多重反射に伴う積算効果によって従来法では検出が困難であった微細な貫通状欠陥や肉中の未圧着等を検出することは可能であるが、内面欠陥エコーに比べて貫通状欠陥エコーの大きさが小さくなり、また、外面欠陥エコーでは図１（ａ）の２ａｂの如く、欠陥で直接反射したエコーが存在するために、内面欠陥エコーに比べて外面欠陥エコー高さが大きくなる。したがって、微細な貫通状欠陥を検出しようとすると、内外面欠陥、特に外面欠陥の過検出が問題となる。たとえば、内面軸方向欠陥の信号を５０％ＣＲＴ、外面軸方向欠陥の信号を１１５％ＣＲＴに調整し、欠陥の検出レベルを２５％ＣＲＴに調整した内面欠陥では深さ０．１ｍｍ以上の欠陥を、外面欠陥では深さ０．０５ｍｍ以上の欠陥を大部分検出する可能性が極めて高くなる。従って、従来検査法における過検出を防止しつつ微細な貫通状欠陥等を検出する手法の確立が望まれている。

なお、本発明と関連する技術として、アレイセンサーを溶接管の円周方向に並べて、このアレイセンサーから平面波を形成するように超音波を送信し、被検査材から受信した反射波のうち、所定数の隣接した振動子群からの反射波を出力し、かつ、振動子群を順次シフトさせて、それぞれ異なった深さの測定部位を同時に探傷するようにして、ブローホール状の欠陥の検出性能を向上させる技術が開示されている。
特開平９−１３３６５７号公報

また、管の円周方向に並べたアレイセンサーから送信する超音波の屈折角度を設定して、溶接部の底面から表面までをセクタ走査することで、溶接部の深さ方向の全域を見逃しがないようにして、特に微小なブローホール状の欠陥を精度良く検出する技術が開示されている。
特開平１１−１８３４４６号公報

また、管の円周方向に並べたアレイセンサーから送信する超音波を所定の屈折角度で集束させ、その集束位置をセクタ走査により厚さ方向および円周方向に変えながら探傷することで、溶接線が蛇行しても焦点位置を溶接線に合致させ、微細な欠陥を検出可能とする技術が開示されている。
特開２０００−２２１１７１号公報

これら特許文献で開示された技術では、たとえば特許文献２では肉厚方向に超音波ビームを走査することで不惑帯の発生防止を、また特許文献３では焦点ビームを用いることで微細な球形ブローホール状の欠陥の検出性能を向上できるとしている。

しかしながら、前記貫通状欠陥の検出が難しいこと、また、原理上、肉中の未圧着を検出することができないことに変わりはない。

本発明が解決しようとする問題点は、従来の超音波探傷法では、貫通状欠陥は、超音波の反射面積が小さいのでその検出が難しく、また、肉中の未圧着は、その原理上、反射信号を検出できないという点である。

本発明の金属材の超音波検査法は、
貫通状欠陥や肉中の未圧着をも精度良く検出できるようにするために、
複数の振動子を配列したアレイセンサーを用いて、被検査材に存在する欠陥を斜角探傷法を用いて検査する超音波検査法であって、
まず、全てのアレイセンサーをブロックに分割して、ブロックの振動子からブロックごとに超音波を発振し、内外面に欠陥を有する試験材からの反射波を受信して、前記ブロックごとに分割動作させたときの感度を校正した後、
次に、全てのアレイセンサーの振動子から超音波を発振し、前記試験材からの反射波を受信して、全てのアレイセンサーを動作させたときの感度を、前記校正の際に得られた基準欠陥に対する欠陥エコー高さに基づき校正し、
これらの校正後、前記分割したブロックの振動子からブロックごとに超音波を発振したときの被検査材からの反射波Ａと、前記全てのアレイセンサーの振動子から超音波を発振したときの被検査材からの反射波Ｂを受信し、
その後、前記反射波Ａのエコー高さＥＨ_Aと、前記反射波Ｂのエコー高さＥＨ_Bの比ＥＨ_B／ＥＨ_A、すなわち、ＥＨ_B／ＥＨ_Aが１．５未満のときは内面欠陥と、１．５以上、２．５以下のときは外面欠陥と、２．５を超えるときは貫通状欠陥或いは肉中の未圧着と識別することによって欠陥の種類を識別する点を最も主要な特徴としている。

前記の本発明方法において、被検査材からの反射波Ａを受信する際に、内面欠陥を識別する欠陥検出ゲートおよび外面欠陥を識別する欠陥検出ゲートを用いて、内面欠陥または外面欠陥を検出し、
前記ＥＨ_B／ＥＨ_Aの値と併せて欠陥の種類を識別するようにすれば、内面欠陥か外面欠陥かの識別を、より容易に、より確実に行えるようになる。

また、被検査材が鋼管である場合に、鋼管の製造工程に前記の本発明方法を含めた場合には、鋼管の製造ラインで、内外面欠陥のみならず貫通状欠陥や肉中の未圧着をも精度良く検出できるようになる。

本発明は、欠陥の識別に、分割したブロックの振動子から超音波を発振したときの被検査材からの反射波Ａと、全てのアレイセンサーの振動子から超音波を発振したときの被検査材からの反射波Ｂを使用するので、内外面欠陥への過検出を引き起こすことなく、従来法では検出が不可能であった微細な貫通状欠陥や、肉中の未圧着も検出できるという利点がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図１及び図２を用いて説明する。
本発明の金属管の超音波検査方法は、校正を行う第１工程、測定を行う第２工程、判定を行う第３工程の３つの工程を順に実施するもので、以下、これらの各工程について説明する。

〔第１工程〕
１．ブロック選択法による屈折角度の選定、欠陥検出ゲートの設定、検査感度の設定
屈折角度は、屈折角度を変化させて内外面人工欠陥から得られる信号の高さの差異が最も小さくなる屈折角度を選択する。鋼板の場合、この屈折角度は通常４５°になる。しかしながら、鋼管の場合は内外面が湾曲しているために４５°にはならない。

また、欠陥検出ゲートは、たとえば２個の欠陥検出ゲートを用い、人工欠陥信号の振幅最大位置が、欠陥検出ゲートの中心となるようにゲート位置を検出する。また、検査感度は、内面欠陥エコー高さがＣＲＴ５０％になるようにゲインを調整する。

２．多重反射法による屈折角度の選定、欠陥検出ゲートの設定、検査感度の設定
以上のブロック選択法による屈折角度の選定、欠陥検出ゲートの設定、検査感度の設定終了後、次に、全てのアレイセンサーから超音波を発振して超音波検査する多重反射法を実施する場合の屈折角度の選定、欠陥検出ゲートの設定、検査感度の設定を行う。

この場合の屈折角度は、前記ブロック選択法で得られた屈折角度となるように遅延パラメータを調整する。また、欠陥検出ゲートは、１個の欠陥検出ゲートを用い、人工欠陥信号が発生する位置に欠陥検出ゲートを調整する。また、検査感度は、内面欠陥エコー高さがＣＲＴ５０％になるようにゲインを調整する。

以上の校正によってブロック選択法と多重反射法によって得られる反射波のエコー高さを比較できるようになる。

〔第２工程〕
１．ブロック選択法による欠陥の測定
前記の校正後は、まず、分割したブロックの振動子から超音波を発振して、例えば鋼管などの被検査材の内外面欠陥および貫通状欠陥或いは肉中の未圧着からの反射波Ａのエコー高さＥＨ_Aを測定する。下記表２は、屈折角度が４５度の場合、軸方向の内表面に加工された深さが０．２ｍｍの人工欠陥の信号を、内面欠陥エコー高さを５０％ＣＲＴに調整したときに、外面欠陥エコー高さは６７．５％ＣＲＴ、φ０．３ｍｍの貫通状欠陥を測定した場合のもので、そのエコー高さＥＨ_Aは１０％ＣＲＴであった。

このブロック選択法では、センサーがブロックに分割されており、後述する多重反射法のような積算効果はないので、反射波は単純な形であり、欠陥検出ゲートを用いることで、内面欠陥による反射波なのか、外面欠陥による反射波なのかを容易に判別することができる。しかしながら、このブロック選択法では、貫通状欠陥や肉中の未圧着などの検出能が良くないことは先に説明した通りである。

２．多重反射法による欠陥の測定
次に、全てのアレイセンサーの振動子から超音波を発振して、前記被検査材の内外面欠陥および貫通状欠陥や肉中の未圧着からの反射波Ｂのエコー高さＥＨ_Bを測定する。上記表２に示した例では、屈折角度が４５度の場合、軸方向の内表面に加工された深さが０．２ｍｍの人工欠陥の信号を、内面欠陥エコー高さを５０％ＣＲＴに調整したときに、外面欠陥エコー高さは１１５％ＣＲＴ、φ０．３ｍｍの貫通状欠陥のエコー高さＥＨ_Bは、前記ブロック選択法の場合よりも大きな２９．５％ＣＲＴであった。

つまり、この多重反射法を使用すると、欠陥の種類により、反射波Ｂのエコー高さＥＨ_B に違いが現れることになる。これを模式的に示したものが図１である。
貫通状欠陥８の場合、振動子４ａ〜４ｃから発振され、被検査材であるたとえば鋼管１に入射した超音波が全ての場合において貫通状欠陥８で反射することになる。

すなわち、振動子４ａから発振された超音波は、貫通状欠陥８の外面近傍に当たり、そのまま反射してきた経路を逆進してセンサー３に捕らえられる反射波（以下、この反射波を「逆進波２ａａ」という）と、鋼管１から直接、外に出る反射波２ａｂの２つの反射波がセンサー３で感知される。

また、振動子４ｂから発振された超音波は、逆進波２ｂａと貫通状欠陥８で反射した後しばらく鋼管１中を通って外に出る反射波２ｂｂの２つの反射波がセンサー３で感知される。

また、振動子４ｃから発振された超音波は、逆進波２ｃａのみがセンサー３で感知される。
結果として、多重反射法を使用すると、５つの反射波２ａａ，２ａｂ，２ｂａ，２ｂｂ，２ｃａがセンサー３で受信されることになる（図１（ａ）参照）。

一方、外面欠陥６の場合には、振動子４ａから発振された超音波のみが外面欠陥６で反射する。この場合、上記の貫通状欠陥８の場合における振動子４ａから発振された超音波と同じく、逆進波２ａａと反射波２ａｂがセンサー３で感知され、結果として２つの反射波が受信されることになる（図１（ｂ）参照）。

また、内面欠陥９の場合には、振動子４ｃから発振された超音波のみが内面欠陥９で反射する。この場合、上記の貫通状欠陥８の場合における振動子４ｃから発振された超音波と同じく、逆進波２ｃａのみが感知され、結果として１つの反射波がセンサー３で受信されることになる（図１（ｂ）参照）。

以上から、得られる多重反射による積算効果の大きさは貫通状欠陥＞外面欠陥＞内面欠陥の順に大きくなる。つまり、内面欠陥を基準とすると、貫通状欠陥では２９５％、外面欠陥では１７０％の効果が得られたこととなる。

ただし、積算効果が大きくなるだけで、貫通状欠陥の場合、受信する反射波の大きさが外面欠陥や内面欠陥より大きくなるとは限らない。すなわち、上述の積算効果のため、貫通状欠陥に対しては、ブロック選択法に比べて感度が良くなるに過ぎない。これを示したのが図２である。

また、積算効果は大きいものの、受信する反射波（上記で言う逆進波を含む反射波）は、反射経路によって若干受信する時間がずれるので、受信した反射波は、前述の図８のようにある時間の幅の中で複数回検出されることになる。よって、従来からのブロック選択法のように、時間軸の情報が適切に得られず、また、検出した反射波の位置により欠陥の種類が判別できないことになる。

〔第３工程〕
先に述べたように、多重反射法では、微細な貫通状欠陥８を検出しようとすると外面欠陥６および内面欠陥９への過検出が避けられず、また、反射波の大きさだけで欠陥の種類を判断することは困難である。一方、ブロック選択法では、貫通状欠陥などは精度良く検出することができない。

よって、本発明では、これらの欠点を相互に補って、欠陥の種類を判定するのである。
すなわち、前記ブロック選択法によって得られた反射波Ａのエコー高さをＥＨ_A、前記多重反射法によった得られた反射波Ｂのエコー高さをＥＨ_Bとした場合、貫通状欠陥８では高い積算効果が期待できるので、ＥＨ_B≫ＥＨ_Aとなる。また、外面欠陥６では少し積算効果が期待できるので、ＥＨ_B＞ＥＨ_Aとなる。これに対して、内面欠陥９では積算効果が期待できないので、ＥＨ_B≒ＥＨ_Aとなる。したがって、本発明ではこの差を利用して、欠陥の種類を判別するのである。

すなわち、前記エコー高さの比ＥＨ_B／ＥＨ_Aが１．５未満のときは内面欠陥と、１．５以上、２．５以下のときは外面欠陥と、２．５を超えるときは貫通状欠陥あるいは肉中の未圧着と識別するのである。つまり、多重反射法の欠陥判定レベルを２５％ＣＲＴに設定し、これを超えるエコーを検出した場合、ブロック選択法の検出エコー高さの比を用いて欠陥の種類を判定し、内外面欠陥と判定した場合はブロック選択法の評価結果を用い、貫通状欠陥と判定した場合は貫通状欠陥ありと判定すれば、欠陥種別の判定と共に内外面欠陥への過検出は防止される。なお、本判定基準は０．２ｍｍ深さの内外面欠陥とφ０．３ｍｍの貫通状欠陥を検出する際のものであって、適宜、数値は変更すれば良い。

以上が請求項１又は請求項２に係る本発明の金属材の超音波検査方法であるが、前記の第３工程での判定に代えて、選択ブロック法によって内面欠陥や外面欠陥を検出するような欠陥検出ゲートを用いれば、検出した欠陥が内面欠陥か外面欠陥かを、より容易に、より確実に判別することができる。これが請求項３に係る本発明の金属材の超音波検査方法である。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範囲内で、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。たとえば本発明の検査方法を鋼管の製造工程に含めた場合には、製造ライン中で、内外面欠陥のみならず貫通状欠陥や肉中の未圧着をも精度良く検出できるようになる。

本発明は、鋼管に限らず、他の金属管でも、また、金属板の超音波検査等にも利用できる。

本発明に使用する多重反射法を説明する図である。 本発明に使用する多重反射法とブロック選択法で得られる欠陥信号の大きさの関係を説明する図である。 （ａ）は鋼管の超音波斜角探傷法を説明する図、（ｂ）はその信号波形を説明する図である。 ブロック選択法を説明する図である。 ブロック選択法で内外面欠陥を探傷した場合の信号波形を説明する図である。 ブロック選択法で貫通状欠陥を探傷した場合の信号波形を説明する図である。 多重反射法を説明する図である。 多重反射法で貫通状欠陥を探傷した場合の信号波形を説明する図である。

符号の説明

１ 鋼管
２ 超音波
３ センサー
４ 振動子
５ ブロック
６ 外面欠陥
７ アレイセンサー
８ 貫通状欠陥
９ 内面欠陥

Claims (5)

1. 複数の振動子を配列したフェイズドアレイセンサーを用いて、被検査材に存在する欠陥を斜角探傷法を用いて検査する超音波検査法であって、
   まず、全てのフェイズドアレイセンサーをブロックに分割して、ブロックの振動子からブロックごとに超音波を発振し、内外面に欠陥を有する試験材からの反射波を受信して、前記ブロックごとに分割動作させたときの感度を校正した後、
   次に、全てのフェイズドアレイセンサーの振動子から超音波を発振し、前記試験材からの反射波を受信して、全てのフェイズドアレイセンサーを動作させたときの感度を、前記校正の際に得られた基準欠陥に対する欠陥エコー高さに基づき校正し、
   これらの校正後、前記分割したブロックの振動子からブロックごとに超音波を発振したときの被検査材からの反射波Ａと、前記全てのフェイズドアレイセンサーの振動子から超音波を発振したときの被検査材からの反射波Ｂを受信し、
   その後、前記反射波Ａのエコー高さＥＨ_Aと、前記反射波Ｂのエコー高さＥＨ_Bの比ＥＨ_B／ＥＨ_Aによって欠陥の種類を識別することを特徴とする金属材の超音波検査法。
2. 前記ＥＨ_B／ＥＨ_Aが１．５未満のときは内面欠陥と、１．５以上、２．５以下のときは外面欠陥と、２．５を超えるときは貫通状欠陥或いは肉厚の中央部に存在する縦方向の未圧着と識別することを特徴とする請求項１に記載の金属材の超音波検査法。
3. 前記被検査材からの反射波Ａを受信する際に、内面欠陥を識別する欠陥検出ゲートおよび外面欠陥を識別する欠陥検出ゲートを用いて、内面欠陥または外面欠陥を検出し、
   前記ＥＨ_B／ＥＨ_Aの値と併せて欠陥の種頼を識別することを特徴とする請求項１又は２に記載の金属材の超音波検査法。
4. 被検査材が鋼管であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の金属材の超音波検査法。
5. 請求項４に記載の金属材の超音波検査法を製造工程に含むことを特徴とする鋼管の製造方法。
   

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