JP5003275B2 - 管体の超音波探傷装置及び超音波探傷方法 - Google Patents
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Description
本発明が対象とする電縫溶接鋼管の溶接部に存在するペネトレータや冷接欠陥などの微小欠陥は、溶接部をアプセットして溶接鋼管を製造することから、管周方向にはつぶされ薄くなり、一方、管厚み(管径)方向と管軸方向、即ち、管軸溶接面内には伸ばされ、面積を有する平坦な形状であると想定される。
上記のような欠陥反射特性の知見によれば、欠陥での正反射方向を中心として所定の角度範囲に反射した超音波を受波するためには、受波用超音波探触子を、送波用超音波探触子とは別の位置に配置する、いわゆるタンデム配置の構成とすることが好ましい。しかしながら、特許文献1のような、ポイントフォーカス型探触子を用いて、溶接部の管肉厚み方向(管径方向)に、抜けなく検査をするために、複数の探触子を配置する必要がある。また、より小さい欠陥を検出するために、ビームを集束するための大開口径化を指向することになる。このことを、装置構成として実現するには、エンジニアリング的、コスト的に非常に困難である。
上述のようにタンデム構成により高感度化が十分達成できることを見出した。しかし、タンデム構成の高感度化を維持するためには、超音波の鋼管内部の伝播過程で、管の内面や外面、欠陥で反射する際の、「モード変換ロス」による信号強度の減衰が発生しないようにしなければならない。モード変換ロスは、鋼管に入射する超音波は横波超音波であるが、反射条件により縦波超音波に変換し、その結果、信号強度が減衰し、検出感度が低下する現象である。この現象を、図を用いて説明する。
1)−1:溶接面への入射角θaを考慮して、屈折角θを決定する。モード変換ロスが発生しない理論的な溶接面への入射角は、33.2°≦θa≦56.8°であり、この範囲内であれば溶接面を管肉厚み方向の内面外面にかけて走査する際に、溶接面への入射角が一定でなく、変化しても構わない。よって、ここでは計算を容易にするために、屈折角θが一定になるようにする例で示す。ここで、溶接面への入射角度θaは、θa=90°−θ−θ1であり、また、θ1は、0〜θ2の範囲で溶接部肉厚方向位置により変化する(例えば、内面側ではθ1=θ2、外面側でθ1=0となる。)。例えば、θ2=4°、屈折角45°のときは、θa=41°〜45°。また、溶接部の管肉厚中心近傍に入射するときに屈折角を47°とすれば、溶接部の肉厚方向中心部でθa=約45°となり、内外面での走査では、θa=43°〜47°の範囲となる。
1)−2:アレイ探触子の中心に位置する振動子から、その探触子面に対して垂直方向に送波されるビームが、所定の屈折角度(例えば、45°)で、横波超音波が鋼管外面側から入射し、溶接面の内面側端(または外面側端)の位置に所定の入射角(例えば、上述の例では41°)で入射するように、アレイ探触子の位置および角度を定める。
2)−1:決め方は色々あるが、例えば、対象となる振動子(又は振動子の間の位置)について、管外面上を走査して、振動子位置と外面走査位置と外面接線とで決まる屈折角θを算出し、θが1)−1で決めた値になる外面上の入射位置を決定する。具体的には、各振動子から外面上の各点(例えば、各点は外周上に等間隔や任意間隔に配置)とを直線で結んで走査線を定め、それら各走査線について屈折角θを計算し、θが所定の屈折角と同じ、あるいは、最も近い値となる走査線を選択し、その走査線の入射位置とする。
2)−2:振動子位置と上記2)−1で決めた外面上の入射位置と管形状(径と厚さ)から管入射後の伝播経路を幾何学的に求め、溶接面への入射位置を割り出す。
曲率を有する管体にタンデム化されたアレイ探触子を適用するに際しては、一般的なアレイ探触子は直線状であってこれを周面に対して配置することから、送波部と受波部を構成する振動子群のアレイ上の位置が変化すると、ある送受信と他の送受信では管体への入射角が変わってしまう。この現象を、管体での伝播経路例を表わす図17にて示す。実線のビームでは送波と受波が成り立っているが、それ以外の破線のビームについては、屈折角が異なっているため、送波と受波の関係が成り立たなくなっていることが分かる。
ペネトレータなどの微小欠陥の高さは数100μm以下と小さいが、集束によって送波ビームおよび受波感度を欠陥に集中させることで反射強度が高められる。発明者は、次式に示す集束係数Jを用いて、微小欠陥の検出可能な条件を導き出した。集束係数Jとは、集束位置での音圧上昇を示した値である。
タンデム探傷用のアレイ探触子5は、図2に示すように、鋼管内部に超音波を伝搬させて、探傷を行なう。管体1の管軸方向溶接部2の溶接面に対し送波ビーム8の径が検出対象に合わせて設定された範囲となるようにして、送波部6から超音波を送波し、前記溶接面の微小欠陥3において反射され、その反射波の一部又は全部(受波ビーム9)を受波部7にて受波するようになっている。前記送波部6及び前記受波部7は、管体周方向に配置された一又は二以上のアレイ探触子5上の異なる振動子群からなる。そして、図3に示すように、前記アレイ探触子上で前記送波部及び前記受波部に対応する振動子群を変更する、又は前記アレイ探触子の角度を変更するように制御して前記管体の厚さ方向に走査すると共に、前記溶接面に対する超音波ビームの径が前記範囲に維持されるようになっている。
このように導出された内面形状は、内面形状算出部58から、送受信制御部32に出力される。
Zm=max{Z(i)} (i=1〜n)
2…溶接部(シーム)
3…欠陥
4…水
5…探傷用リニアアレイ探触子
6…送波用の振動子群
7…受波用の振動子群
8…送波ビーム
9…受波ビーム
30…被検体サイズ入力部
31…アレイ探触子記憶部
32…開口幅制御部
33…ゲート位置記憶部
34…アレイ送信則記憶部
35…アレイ受信則記憶部
36…アレイ送信部
37…アレイ受信部
38…ゲート部
39…判定しきい値入力部
40…欠陥判定部
50…肉厚測定用リニアアレイ探触子
Claims (2)
- 管体の管軸方向溶接部の溶接面に対して超音波を入射する送波部と、溶接部で反射した反射波の一部又は全部を受波する受波部とを有し、前記送波部及び受波部が、管体周方向に配置された一又は二以上の探傷用アレイ探触子上の異なる振動子群からなる送受信部と、
管体の肉厚分布を測定するための肉厚測定用探触子と、
該肉厚測定用探触子で測定した肉厚分布に基づいて、前記探傷用アレイ探触子を用いて、管体の厚さ方向に走査するための超音波の伝播経路を算出する伝播経路算出手段と、
算出された伝播経路に基づいて、前記探傷用アレイ探触子上で前記送波部及び受波部に対応する振動子群を変更するように制御して、管体の厚さ方向に走査する制御を行なう制御部と、
を備えたことを特徴とする管体の超音波探傷装置。 - 管体の管軸方向溶接部の溶接面に対して超音波を入射する送波部と、溶接部で反射した反射波の一部又は全部を受波する受波部とを有し、前記送波部及び受波部が、管体周方向に配置された一又は二以上の探傷用アレイ探触子上の異なる振動子群からなる送受信部とを備えた管体の超音波探傷装置で管体を探傷する際に、
管体の肉厚分布を測定し、
測定した肉厚分布に基づいて、前記探傷用アレイ探触子を用いて、管体の厚さ方向に走査するための超音波の伝播経路を算出し、
算出された伝播経路に基づいて、前記探傷用アレイ探触子上で前記送波部及び受波部に対応する振動子群を変更するように制御して、管体の厚さ方向に走査することを特徴とする管体の超音波探傷方法。
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