JP4620895B2 - 管端溶接部などの検査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管またはその溶接部の欠陥や状態を超音波探触子を用いて検査するための検査装置に関する。
【従来の技術】
【０００２】
反応器の触媒充填管や熱交換器の伝熱管等では、図８に示すように、管１００の端部をプレート状の管板１０１の孔に嵌入し、その周縁１０２を溶接して管板１０１と一体化している。
ところが、溶接不良のため溶接部に溶け込み不足等があると、使用過程での熱応力を受けて漏洩等の問題が生じるため、このような欠陥の有無を事前に検査することが求められる。
【０００３】
従来より溶接部の欠陥の検査には超音波探傷試験が行われている。この試験は、超音波探傷器のデイスプレイに表示される反射エコーから欠陥エコーを識別して、そのエコーのビーム路程、エコー高さ等から欠陥の位置と欠陥サイズの推定を行うものである。
しかし、図９に示すように、管１００の端部における溶接部１０３のルート部１０５を超音波探触子１０４で検査する場合には、管外表面からの反射エコーと溶け込み不足等の溶接欠陥からの反射エコーとを分離して評価することは不可能である。
【０００４】
そこで、以下のような方法を用いて検査を実施している。
図９では、溶接部１０３のうち、特に溶け込み不足や融合不良等の溶接欠陥１０６を生じやすいルート部１０５の検査を行っている。すなわち、管１００と管板１０１とが正常に溶け込んだ溶接部１０３では、ルート境界部での反射エコーの高さは管外面１０７からの反射エコーの高さに対してほぼ半減する。これに対して、ルート部１０５に溶接欠陥１０６があると、当該欠陥１０６による高い反射エコーが表示されるため、欠陥１０６を発見することが可能になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
超音波探傷器による溶接部１０３の検査では、図１０に示すように、探触子１０４の表面を管１００の内面に当接させた状態で、管１００の軸心Ｃを中心として周方向に探触子１０４を回転させ、走査させている。そして一個所の操作が完了すると、探触子を軸方向にわずかにずらせ、その位置でさらに探触子を回転させて周方向に走査させている。このように探触子は軸方向にわずかにずらせながら、各軸方向の位置ごとに反射エコーの分布を測定するのであるが、軸方向にずらせるときはノギスを用いて０．１〜０．０５ｍｍ単位でずらせ、そのずらせた位置に固定した上で探触子１０４を回転させている。
しかしながら、管１００内でのノギスを用いた測定はきわめて煩雑であり、しかも精度が低く、再現性に乏しいという問題がある。また、探触子１０４を軸方向にずらせるとき、必ずしも軸心と平行に移動せず、管１００の表面からの間隔が変化するおそれがある。
【０００６】
本発明の目的は、探触子の軸方向の位置を簡単かつ正確に定めることができ、測定の再現性が高い管端溶接部などの検査装置を提供することである。
さらに本発明の他の目的は、探触子の移動方向を管の軸心方向に正確に沿わせることができる検査装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の管端溶接部などの検査装置は、検査対象である円筒形の管の端部に設置されるハウジングと、このハウジング内に軸方向に移動しないように保持され、前記ハウジングに対して回転自在に設けられたナットと、前記ナットを回転駆動するモーターと、外周面に前記ナットと螺合する雄ネジを有し、ハウジングに対して回転自在かつ軸方向移動自在に設けられる駆動軸と、前記駆動軸を回転駆動するモーターと、前記駆動軸に取り付けられる超音波探触子と、前記駆動軸を回転駆動するモーターとナットを回転駆動するモーターとを同調して回転させる制御機構とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
このように、本発明では、軸方向に移動しないように設けられるナットと、そのナットと螺合する雄ネジを備えた駆動軸と、駆動軸を回転駆動するモーターとを備えているので、モーターを回転させると、駆動軸はナットによって案内され、回転しながら軸方向に螺進する。そのため、駆動軸に設けられた探触子は螺旋状の軌跡を描きながら、連続的に管の内面を走査していく。その場合、モーターの回転数と探触子の位置とが正確に対応しているので、測定位置を正確に定めることができ、再現性が高い。しかも管の内周面の全体を連続的に走査するので、測定が容易である。
【０００９】
さらに前記ナットがハウジングに対して回転自在に設けられ、そのナットを回転駆動するモーターを備えており、前記駆動軸を回転駆動するモーターとナットを回転駆動するモーターとを同調して回転させる制御機構を備えているので、両方のモーターを同調して回転させることにより、探触子を軸方向の同じ高さ位置に設定したまま周方向に走査させることができる。さらに駆動軸のモーターを停止させて第２のモーターのみを回転させることにより、探触子を軸方向に任意の寸法だけずらせることができる。それにより管内の全体を任意のピッチで走査することができる。また、両方のモーターを、互いに異なる回転数で同時に回転させることにより、細かなピッチあるいは粗いピッチで螺旋状に走査させることもできる。
【００１０】
さらに本発明の検査装置においては、前記ハウジングの軸線と平行に、検査対象の管から離れている他の管内に挿入される第１の支持具と、駆動軸と第１の支持具を結ぶ第１の線と交わる第２の線上に配置される第２の支持具とが設けられており、駆動軸と第１支持具の間隔および駆動軸と第２支持具の間隔がそれぞれ調節自在に構成されているものが好ましい。この検査装置は、検査対象である管から離れた２本の管にそれぞれ第１の支持具と第２の支持具を挿入することにより、測定対象の管の軸心に駆動軸の軸心を正確に合わせることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１〜７を参照して説明する。
図１はこの実施形態にかかる検査装置の全体の概要を示す断面図である。図１において、１はハウジングであり、そのハウジング１の内部には、駆動機構２を介して駆動軸３が回転自在かつ軸方向移動自在に収容されている。ハウジング１には駆動軸３を駆動するための第１モーターＭ１および第２モータＭ２が取り付けられている。駆動軸３の下端部にはセンサー部４が設けられている。センサー部４は測定対象の管５内に挿入される円柱状の部材である。前記ハウジング１は、保持具６によって検査対象の管５に隣接する管５ａの上、あるいはそれらの端部に溶接されている管板７の上に保持される。ハウジング１には、保持板８が取り付けられ、その保持板８に、離れている管５ｂに挿入される支持具９が取り付けられている。
【００１２】
図２は図１の示す検査装置１０の駆動機構２を拡大して示している。前記ハウジング１は円筒状の下部ハウジング１１と、同心状にその上部に配置される第２ハウジング１２に分かれている。下部ハウジング１１の上端には板状の下部ベース１３がネジ１４で取り付けられ、上部ハウジング１２の下端には板状の上部ベース１５がネジ１６で取り付けられている。下部ベース１３と上部ベース１５とは、それらの間に介在される複数本のパイプ状のスペーサ１７と、それらのスペーサを貫通するネジ１７ａによって間隔をあけて固定されている。
【００１３】
さらに下部ハウジング１１の上端の内部には、筒状のナットホルダー１８がベアリング１９を介して回転自在に保持されている。ナットホルダー１８の内部には、ナット２０が嵌合され、キー２１によって回転しないように固定されている。前記駆動軸３の外周には、そのナット２０と螺合する雄ネジ２２が形成されている。ナット２０の雌ネジおよび駆動軸３の雄ネジ２２は、たとえば軸方向の荷重に耐えうる台形ネジが好ましい。雄ネジ２２および雌ネジには、ボールネジを用いてもよい。なお符号２３はナット２０を保持し、その軸方向の移動を止める止め輪である。
【００１４】
ナットホルダー１８の外周にはフランジ２４が設けられており、そのフランジ２４に、ネジ２４ａによってリング状の第１ギヤ２５が同心状に固定されている。前記第１モーターＭ１は下部ベース１３にネジ２６で取り付けられており、その第１モーターＭ１の出力軸に第１ピニオン２７が固定されている。第１ピニオン２７は前記第１ギヤ２５と噛み合っている。第１モータＭ１と出力軸との間に設ける減速機は、たとえばウオーム減速機などの自己拘束型の減速機とするのが好ましい。
【００１５】
上部ハウジング１２の内部には、ベアリング３１を介してブッシュホルダー３２が回転自在に収容されている。ブッシュホルダー３２の下端は、ナットホルダー１６の上端外周に取り付けられたボールベアリング３３の外輪によって支持されている。ブッシュホルダー３２の内部には、筒状のスプラインブッシュ（スプラインナット）３４が嵌合され、キー３５によって回転しないように固定されている。スプラインブッシュ３４の下端は、ブッシュホルダー３２の下端から内向きに突出するフランジ３６によって支持されている。
【００１６】
前記駆動軸２のスプラインブッシュ３４と対応する部位には、スプラインブッシュ３４と噛み合って、軸方向のスライドを許しながらトルク伝達するスプライン３７が固着されている。スプライン３７の下端は駆動軸３に形成した段部に係合して支持されている。なお、スプライン３７は駆動軸３に対して一体に形成してもよい。スプライン３７およびスプラインブッシュ３４としてボールスプラインを採用してもよい。また駆動軸の軸方向の移動を許しながらトルク伝達できるもものであれば、スライドキーなど、他の伝導手段を採用しうる。
【００１７】
ブッシュホルダー３２の下部近辺の外周にはフランジ３８が設けられており、そのフランジ３８に、リング状の第２ギヤ３９が固定されている。この第２ギヤ３９は、第２モーターＭ２の出力軸にネジ４０で取り付けられた第２ピニオン４１と噛み合っている。第２モーターＭ２は上部ベース１５にネジ４２によって固定されている。第２モーターＭ２と出両軸との間の減速機も自己拘束型とするのが好ましい。
【００１８】
図４(a)、(ｂ)、(c)はそれぞれ図２の駆動機構の作用を説明するための概略斜視図である。以下、図２および図４(a)、(ｂ)、(c)を参照しながら駆動機構２の作用を説明する。
［螺旋運動］図２の下側の第１モーターＭ１を停止させた状態で、その上側の第２モーターＭ２を矢印Ｊ１方向（出力軸の回転方向。以下同じ）に回転させる。
そうすると第２ピニオン４１が同方向に回転し、これと噛み合っている第２ギヤ３９が逆の矢印Ｊ２方向に回転する。そしてブッシュホルダー３２およびスプラインブッシュ３４も矢印Ｊ２方向に回転する。したがって駆動軸３も矢印Ｊ２方向に回転する。そのとき第１モーターＭ１が停止し、ナット２０が停止してるので、駆動軸３はナット２０の雌ネジに沿って下向きに螺進する。すなわち螺旋状の軌跡を描きながら下降する（図４(a)参照）。螺旋のピッチはナット２０のネジピッチと同じであり、駆動軸３の一回転に対して１ピッチ分（矢印Ｐｄ）下降する。第２モーターＭ２が逆方向に回転すると、上記とは逆に螺旋を描きながら上昇する。
【００１９】
［直進運動］第２モーターＭ２を停止させた状態で、第１モーターＭ１を矢印Ｋ１方向に回転させると、第１ピニオン２７が同方向に回転し、これと噛み合っている第１ギヤ２５が逆方向（矢印Ｋ２方向）に回転する。そしてナットホルダー１８およびナット２０も矢印Ｋ２方向に回転する。そして第２モーターＭ２が停止しているので、駆動軸３はスプライン３７とスプラインブッシュ３４の噛み合いで回転できず、上下方向にのみ移動自在である。そのためナット２０の回転に伴って、駆動軸３は直線的に上昇する（図４(b)参照）。その速度はナット２０が一回転するごとにネジの１ピッチ分（矢印Ｐｕ）である。第１モーターＭ１が逆方向に回転すると、上記とは逆に直線的に下降する。
【００２０】
［単純回転運動］第１モータＭ１を矢印Ｋ１方向に回転させると共に、第２モータＭ２を矢印Ｊ１方向に同じ速度（出力軸で見た場合）で回転させると、前述の螺旋軌跡による下降と、直進的な上昇とが組み合わさり、図４(c)のように、軸方向の元の位置を維持しながら回転する。なお図４(c)から分かるように、駆動軸３とナット２０とがいわば一体的に回転するので、ナット２０と駆動軸３の相対的な運動がなく、そのため上昇も下降もしないと考えることもできる。 上記の螺旋運動、直進運動および単純回転運動は、単独で、あるいは同時またはシーケンシャルに組み合わせて採用することにより、後述するセンサー部４の種々の走査状態を定めることができる。
【００２１】
図２における駆動軸３の内部は中空になっており、その内部にセンサー部４まで延びる電線４４が収容されている。駆動軸３の上端には、筒状のコネクタホルダー４５が取り付けられており、その内部に電線４４の端部に連結されるコネクター４６が収容されている。図２では、そのコネクター４５に相手のコネクター４７が取り付けられている状態が示されている。相手のコネクター４７はネジキャップ４８でコネクタホルダー４５に取り付けられる。相手のコネクター４７は、超音波探触子のアンプに接続されている。
【００２２】
上部ハウジング１２および、その上部ハウジング１２に取り付けられるブラケット４９には、スプライン３７やコネクタホルダー４５を検出する近接センサー（近接スイッチ）５０が取り付けられている。それらの近接センサー５０は、駆動軸３の上下ストロークの上下端を検出し、モーターＭ１，Ｍ２を止めるためなどに使用される。
【００２３】
図２の下方に示すように、駆動軸３の途中には、下向きの段部５２が形成され、その段部５２にスラストベアリング５３の上面が係合している。そのスラストベアリング５４は、バネ受け５５を介してバネ５６によって上向きに付勢されている。すなわち駆動軸３は回転を妨げないように、バネ５６によって自重がバランスされている。この実施形態ではバネ５６は圧縮コイルバネである。
【００２４】
図３は駆動軸３の下部、センサー部４および保持具６まわりを拡大して示している。図３の上部に示すように、前記バネ５６の下端は下部ハウジング１１の底部５７に載置された筒状のバネ受け５８のフランジ部で支持されている。そのバネ受け５８は、バネ５６の中心を合わせる働きと共に、前述の上部のバネ受け５５が誤って下降してきたときのストッパとして働くものである。
【００２５】
センサー部４は円柱状の部材であり、駆動軸３に対して二つ割りのカップリング部材６０で着脱自在に連結されている。それにより、管径が異なる管に対して適切なセンサー部４を選択しうる。センサー部４の側面には凹所６１が形成され、その内部に超音波探触子６２が直径方向に配置され、固定されている。超音波探触子（以下、単に探触子という）６２の先端はセンサー部４の表面と面一か、わずかに突出する状態であり、測定しようとする管５の内面と摺接するようにしている。
【００２６】
図５(a)、(ｂ)、(c)はそれぞれ図１の検査装置による走査状態を示す概略展開図である。前述のように構成される探触子６２は、前述の駆動機構３の運転モードに応じて、管５の円筒状の内面を走査していくことができる。
［螺旋軌跡走査］
駆動機構３の駆動軸３用の第２モーターＭ２のみを図４の矢印Ｊ１方向に回転させることにより、駆動軸を回転させながら下降させることができる。それにより、探触子６２は図４(a)のように同じく螺旋状に下降する。したがって図５(a)の展開図に示すように、管５の内面をネジピッチと同じピッチで斜め方向に連続的に走査していくことができる。
【００２７】
つぎに第２モータＭ２を矢印Ｊ１方向に回転させると共に、第１モーターＭ１を第２モーターＭ２よりも低速（たとえば１／２）で矢印Ｋ１方向に回転させると、駆動軸３の回転に基づいて下降すると共に、ナット２０の回転に基づいてその下降速度の１／２の速度で駆動軸３が上昇する。そのため図５(b)のように、ネジピッチの１／２のピッチで管５の内面を斜め方向に走査していくことができる。このように第２モーターＭ２と第１モーターＭ１の速度を制御することにより、任意のピッチで駆動軸３に螺旋運動をさせることができ、任意のピッチで管５内の広い範囲を連続的に走査していくことができる。
【００２８】
［周方向走査］
溶接などの欠陥が生じやすい部位を集中的に検査する場合は、第１モータＭ１を矢印Ｊ１方向に回転させると共に、第２モーターＭ２を矢印Ｋ１方向に同じ速度で回転させる。それにより図４(c)で説明したように、駆動軸３は同じ高さで回転し、図５(c)で示すように、同じ高さで周方向に走査することができる。
【００２９】
さらに異なる高さの位置を周方向に走査する場合は、第２モータＭのみを回転させ、直進運動（図４(b)参照）を与える。ついで第１モーターＭ１と第２モーターＭ２と再び同時に回転させて、周方向の走査を行う。１回目の周方向の走査と２回目の周方向の走査のピッチは、直進運動のときのナット２０の回転角度で定めることができるので、任意である。上記のように種々の走査状態を得ることができるが、所望の走査状態を得ようとすると、第１モーターＭ１と第２モーターＭ２の回転数を正確に制御する必要がある。そのため各モーターはステッピングモーターなどの回転角度を正確に制御しうるモーターを用いるのが好ましい。
【００３０】
図６は図１の検査装置１０の平面図である。この検査装置１０の上部ベース１５には、半径方向に突出するハンドル６４が取り付けられている。このハンドル６４を握ると、検査装置１０を持ち運んだり、測定する管にセンサー部を挿入したり、引き抜いたりするときに便利である。
【００３１】
図７は図１のVII-VII線断面図であり、駆動軸の軸心Ｃと、第１支持具９ａおよび第２支持具９ｂの位置関係を示している。保持板８は、下部ハウジング１１の周囲に配置されるリング状の基部６６と、その基部から半径方向外向きに突出するアーム６７とを有する。リング状の基部６６は、図３に示すように、下部ハウジング１１の下部のフランジに対し、押さえリング６８とネジ６９により固定される。図７に示すように、アーム６７には長穴７０が設けられ、その長穴に第１支持具９ａおよび第２支持具９ｂの上端が取り付けられる。
【００３２】
この実施形態では、図３に示すように、各支持具９の上端にはアーム６７の下面と当接するフランジ７１と、長穴７０と嵌合する凸部７２が設けられている。それにより各支持具９は、アーム６７の上面側に設けられるワッシャ７３およびネジ７４を用いてアーム６７に対し、駆動軸の軸心Ｃからの距離を調節しながら固定される。なお本実施形態では、２本のアーム６７の角度は測定対象である管の配列状態に合わせて６０度にしている。しかし他の角度であってもよく、角度調節自在に構成することもできる。図７の複数本の互いに交わる想像線Ｒは、管の中心位置の配列状態を示している。
【００３３】
上記の２本の支持具６７は、それぞれ図３に示すように駆動軸３と平行であり、測定対象である管５から離れた２本の管５ｂに挿入することにより、駆動軸３のと測定対象の管５との平行度を正確にすることができる。なお支持具９には径が異なる管に使用し得るように、筒７５がネジ７６によって着脱自在に取り付けられている。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、ナットと駆動軸とがネジ結合されており、駆動軸をモーターで回転駆動させることができるので、駆動軸をモーターで回転させることにより、探触子で螺旋状に連続的に走査することができる。
また、駆動軸を回転させるモーターに加えて、ナットを回転駆動するモーターを設ける場合は、駆動軸を回転させるモーターとナットを回転させるモータを同調して回転させることにより、探触子を管の軸方向の同じ位置で周方向に走査することができる。さらにナットのモーターを駆動軸のモーターより遅く（あるいは速く）回転させることにより、ネジピッチよりも細かなピッチ（あるいは粗いピッチ）で螺旋状に走査させることができる。
【００３５】
駆動軸を支持するハウジングに第１支持具および第２支持具を平行に設ける場合は、それらの支持具を測定対象の管から離れた２本の管に挿入することにより、駆動軸を測定対象の管に対して正確に位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる検査装置の全体の概要を示す断面図である。
【図２】図１に示す検査装置の上部（駆動機構）の拡大断面図である。
【図３】図１に示す検査装置の下部（センサ部など）の拡大断面図である。
【図４】 (a)、(ｂ)、(c)はそれぞれ図２の駆動機構の作用を説明するための概略斜視図である。
【図５】 (a)、(ｂ)、(c)はそれぞれ図１の検査装置による走査状態を示す概略展開図である。
【図６】図１の検査装置の平面図である。
【図７】図１のVII-VII線断面図である。
【図８】触媒充填管または熱交換機用伝熱管の取り付け状態を示す断面図である。
【図９】管を溶接した溶接部におけるルート部を検査する方法を示す説明図である。
【図１０】図９に示す超音波探触子による検査状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１…ハウジング、２…駆動機構、３…駆動軸、４…センサー部、５…管、６…保持具、７…管板、８…保持板、９，９ａ，９ｂ…支持具、１０…検査装置、１１…下部ハウジング、１２…上部ハウジング、１８…ナットホルダー、２０…ナット、２２…雄ネジ、Ｍ１…第１モーター、Ｍ２…第２モーター、２５…第１ギヤ、２７…第１ピニオン、３２…ブッシュホルダー、３４…スプラインブッシュ、３７…スプライン、３９…第２ギヤ、４１…第２ピニオン、６２…超音波探触子

Claims (2)

1. 検査対象である円筒形の管の端部に設置されるハウジングと、
   このハウジング内に軸方向に移動しないように保持され、前記ハウジングに対して回転自在に設けられたナットと、
   前記ナットを回転駆動するモーターと、
   外周面に前記ナットと螺合する雄ネジを有し、ハウジングに対して回転自在かつ軸方向移動自在に設けられる駆動軸と、
   前記駆動軸を回転駆動するモーターと、
   前記駆動軸に取り付けられる超音波探触子と、
   前記駆動軸を回転駆動するモーターとナットを回転駆動するモーターとを同調して回転させる制御機構とを備えた、
   管端溶接部などの検査装置。
2. 前記ハウジングの軸線と平行に、検査対象の管から離れている他の管内に挿入される第１の支持具と、駆動軸と第１の支持具を結ぶ第１の線と交わる第２の線上に配置される第２の支持具とが設けられており、駆動軸と第１支持具の間隔および駆動軸と第２支持具の間隔がそれぞれ調節自在に構成されている請求項１記載の検査装置。

Images