JP5791485B2 - 配管挿入型超音波探傷装置 - Google Patents

Description

本発明は、配管に挿入されて、管壁に発生した亀裂を探傷する配管挿入型の超音波探傷装置に関する。

ボイラ用熱交換器の配管には、その内部を高温高圧の蒸気が流れるため、ブラケット等が溶接された部分の近傍に熱疲労による亀裂が発生し易い。配管に発生した亀裂を検知する手段の１つとして、ＴＯＦＤ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法を用いた超音波探傷装置が知られている。
この種の超音波探傷装置として、特許文献１が開示する配管用超音波探傷装置は、配管内に挿入される探触子チューブを有し、探触子チューブには、送信用探触子及び受信用探触子が固定されている。具体的には、送信用探触子及び受信用探触子は、配管への挿入方向にて相互に離間し、それぞれ、配管の径方向に対して傾斜した状態で固定されている。送信用探触子は、配管の内周面に向けて斜めに超音波を出射し、受信用探触子は、超音波の反射波及び回折波を受信する。

この配管用超音波探傷装置によれば、亀裂からの回折波を受信することによって、亀裂を高精度にて検出することができるとともに、亀裂の両端からの回折波の受信時刻の差によって、亀裂の大きさを高精度にて検出することができる。そして、この配管用超音波探傷装置によれば、配管の外側に送信用探触子及び受信用探触子を設置する場合に比べて、配管の外面の磨き加工が不要であり、作業能率が高くなる。

特開２００３−１３０８５５号公報

ところで、検査対象の配管には様々な径のものがある。このため現状では、配管の径に応じて、複数の配管用超音波探傷装置を準備する必要があった。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされ、その目的とするところは、検査対象の配管の仕様（配管の内径や厚さ）にかかわらずに、配管の管壁に発生した欠陥を高精度にて検出するとともに欠陥の大きさを高精度にて測定する、汎用性の高い配管挿入型超音波探傷装置を提供することにある。

上記目的を解決するために、本発明は、検査対象の配管への挿入方向に延びる軸線を有する探触子チューブと、前記探触子チューブによって支持され、前記配管の内周面に向けて前記配管の径方向に対し斜めに超音波を出射する送信用探触子と、前記探触子チューブの軸線方向にて前記送信用探触子から離間して前記探触子チューブによって支持され、前記送信用探触子が出射した超音波の反射波及び回折波を受信する受信用探触子と、前記探触子チューブにおける前記送信用探触子及び前記受信用探触子の配置を調整する配置調整機構とを備えることを特徴とする。

本発明の配管挿入型超音波探傷装置によれば、配置調整機構によって、探触子チューブにおける前記送信用探触子及び前記受信用探触子の配置を調整可能である。このため、この配管挿入型超音波探傷装置は、配管の仕様の変更、例えば配管の内径の大きさや配管の厚みの変更にかかわらずに、欠陥を高精度にて検出し、且つ、欠陥の大きさを高精度にて測定することができ、汎用性が高い。

好ましい構成として、前記配置調整機構は、前記軸線方向にて前記送信用探触子と前記受信用探触子の間の間隔を調整する間隔調整部、及び、前記軸線方向に対する前記送信用探触子及び前記受信用探触子の傾斜角度を調整する角度調整部のうち一方又は両方を有する。
この好ましい構成によれば、配置調整機構が間隔調整部及び角度調整部のうち一方又は両方を有するので、配管の仕様の変更、例えば配管の内径の大きさや配管の厚みの変更にかかわらずに、欠陥を高精度にて検出し、且つ、欠陥の大きさを高精度にて測定することができる。

また、好ましい構成として、前記配置調整機構は、前記送信用探触子及び前記受信用探触子の各々が固定されるブラケットを含み、前記ブラケットは、前記軸線と直交する回転軸を中心として回転可能である。
この好ましい構成によれば、簡単な構成にて、配置調整機構が角度調整をすることができ、内径の異なる配管や、厚さの異なる配管に対しても発信方向および受信方向を調整できる。

また、好ましい構成として、前記ブラケットのうち少なくとも一方は、前記探触子チューブ内を前記軸線方向に沿って移動可能である。
この好ましい構成によれば、簡単な構成にて、配置調整機構が間隔調整をすることができ、角度調整だけでなく送信用探触子と受信用探触子との間隔も調整できるので、内径の異なる配管や、厚さの異なる配管に対しても発信方向および受信方向をさらに容易に最適な状態に調整できる。

また、好ましい構成として、配管挿入型超音波探傷装置は、前記探触子チューブによって支持され、前記配管の内周面に向けて前記配管の径方向にて超音波を出射し、且つ、自身が出射した前記超音波の反射波を受信する、垂直送受信用探触子を更に備える。
この好ましい構成によれば、配管の肉厚が変化する部位を的確に検出することができる。肉厚が変化する部位は、応力が集中し易く、欠陥が生じ易いため、配管の肉厚が変化する部位を検査対象とすることで、効率的に検査を行うことができる。

また、好ましい構成として、配管挿入型超音波探傷装置は、前記探触子チューブに設けられ、前記配管内での前記探触子チューブの偏心を防止する径方向に延びるブラシを更に備える。
この好ましい構成によれば、探触子チューブを配管内で回転させながら探傷試験を行った場合でも、送信用探触子及び受信用探触子と、配管の内周面及び外周面との間の距離が変化せず、周方向に渡って均一な精度で、欠陥の検出及び大きさの測定を行うことができる。

本発明によれば、検査対象の配管の仕様、例えば配管の内径の大きさや配管の厚みの変更にかかわらずに、配管の欠陥を高精度にて検出するとともに欠陥の大きさを高精度にて測定する、汎用性の高い配管挿入型超音波探傷装置が提供される。

本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置を、検査対象の配管の一部とともに概略的に示す斜視図である。 配管の断面とともに、配管に挿入された図１の超音波探傷装置を概略的に示す図である。 図１の超音波探傷装置の一部を断面にして拡大して示す図である。 図１の超音波探傷装置の送信用探触子又は受信用探触子とともに探触子ホルダを分解して概略的に示す斜視図である。 図１の超音波探傷装置の動作を説明するための図である。 図１の超音波探傷装置の動作を説明するための図である。 図１の超音波探傷装置の動作を説明するための図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

図１は、一実施形態の超音波探傷装置１０の外観を、検査対象の配管１２の一部とともに概略的に示す斜視図である。超音波探傷装置１０は配管挿入型であり、配管１２の内部に挿入される。
配管１２は、例えば火力ボイラ用の熱交換器を構成する吊り下げ管である。配管１２には、ブラケット１４を介して、再熱器を構成する配管（ＲＨ管）１６，１６が固定されている。より詳しくは、ブラケット１４は、吊り下げ管１２及びＲＨ管１６，１６に溶接されており、ブラケット１４と吊り下げ管１２及びＲＨ管１６，１６の間はビード１８を介してそれぞれ接続されている。

図２は、配管１２の断面とともに、配管１２内に挿入された超音波探傷装置１０を概略的に示す図である。なお、超音波探傷装置１０を用いて探傷試験を行う場合には、配管１２内は水で満たされる。

超音波探傷装置１０は、例えば金属製の探触子チューブ２０を有する。探触子チューブ２０は、略円筒形状の本体部２２、及び、本体部２２の両端に同軸にて一体に連なる円筒形状の端部２４，２４を有する。端部２４，２４には、複数の環状のブラシ２６が取り付けられている。
ブラシ２６は、それぞれ端部２４，２４の径方向に延びる繊維からなる。ブラシ２６の外径は本体部２２の外径よりも大きく、ブラシ２６の先端は配管１２の内周面に摺接する。ブラシ２６は調芯機能を有し、ブラシ２６によって、探触子チューブ２０が配管１２の径方向中心に配置される。

探触子チューブ２０の一方の端部２４には、同軸にてロッド２８の基端が取り付けられ、ロッド２８の先端にはボール３０が取り付けられている。ロッド２８及びボール３０は、超音波探傷装置１０を配管１２に挿入するときにガイドとして機能する。
探触子チューブ２０の他方の端部２４には、同軸にて中空のアウタシャフト３２が相対回転可能に接続されるとともに、アウタシャフト３２の内側を通じて中空のインナシャフト３４が一体に回転可能に接続されている。インナシャフト３４は、配管１２の外部に設置された駆動装置によって回転させられ、インナシャフト３４の回転に伴い、探触子チューブ２０が配管１２に対して回転させられる。配管１２の軸線方向での探触子チューブ２０の位置は、アウタシャフト３２及びインナシャフト３４の繰り出し量によって調整可能である。

探触子チューブ２０の本体部２２の内部には、垂直送受信用探触子３６、送信用探触子３８及び受信用探触子４０が配置されている。図示しないけれども、垂直送受信用探触子３６、送信用探触子３８及び受信用探触子４０は、インナシャフト３４内を延びる電気配線を通じて外部の制御装置と電気的に接続されており、制御装置からの命令に基づいて各々の機能を発揮する。

より詳しくは、垂直送受信用探触子３６は、超音波の送信機能及び受信機能を有し、探触子チューブ２０の径方向、則ち、配管１２の径方向にて超音波を出射し、超音波の反射波を受信する。なお、垂直送受信用探触子３６は、探触子チューブ２０に対し相対変位不能に固定されている。

送信用探触子３８は、超音波の送信機能を有し、配管１２の内周面に向けて超音波を出射する。受信用探触子４０は、超音波の受信機能を有し、送信用探触子３８が出射した超音波の反射波及び回折波を受信する。つまり、超音波探傷装置１０は、ＴＯＦＤ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法を採用しており、制御装置は、超音波の反射波及び回折波の受信時刻の差に基づいて、亀裂等の欠陥を検出するとともに欠陥の大きさを検出する。

〔配置調整機構〕
送信用探触子３８及び受信用探触子４０の各々は、探触子チューブ２０によって支持されている。そして、超音波探傷装置１０は、探触子チューブ２０における送信用探触子３８及び受信用探触子４０の配置を調整する配置調整機構１００を有する。好ましい構成として、この配置調整機構１００は、配管１２への挿入方向、則ち、探触子チューブ２０の軸線方向での送信用探触子３８と受信用探触子４０の間の間隔を調整する間隔調整部、及び、探触子チューブ２０の軸線方向に対する、送信用探触子３８及び受信用探触子４０の各々の傾斜角度を調整する傾斜角調整部を有する。

図３は、配置調整機構を説明するための図であり、探触子チューブ２０の本体部２２の断面とともに、送信用探触子３８及び受信用探触子４０を示している。送信用探触子３８及び受信用探触子４０は、それぞれ探触子ホルダ４２に固定され、探触子ホルダ４２を介して探触子チューブ２０によって支持されている。なお、図３において、探触子ホルダ４２については断面が示されているが、垂直送受信用探触子３６、送信用探触子３８及び受信用探触子４０については、断面ではなく正面が示されている。

〔探触子ホルダ〕
図４は送信用探触子３８とともに、分解された探触子ホルダ４２を示す概略的な斜視図である。
探触子ホルダ４２は、例えば金属製のブラケット４４を有し、ブラケット４４は端壁４６、及び、端壁４６の端縁に一体に連なる側壁４８，４８を有する。ブラケット４４は、平面でみてコの字形状又は角張ったＵ字形状を有し、側壁４８，４８の間に送信用探触子３８が相対変位不能に挟持されている。そして、送信用探触子３８の超音波の出射面５０は、端壁４６とは反対側を向いている。

一方の側壁４８の外面からは、回転軸５２が一体且つ垂直に延びている。回転軸５２の基端側は、円柱形状の円柱部５４によって構成され、先端側は角柱形状の角柱部５６によって構成されている。円柱部５４には、ガイド部材５８が相対回転可能に嵌合される。ガイド部材５８は、直方体形状のガイド部６０、及び、ガイド部６０と一体の円盤部６２からなる。円盤部６２には、送信用探触子３８の傾斜角度を確認するための目盛りが設けられている。

回転軸５２はガイド部材５８を貫通しており、角柱部５６には、円柱形状の回転ノブ６４が相対回転不能に嵌合されている。回転ノブ６４は、図示しない螺子等の抜け止め手段によって角柱部５６に固定されており、回転ノブ６４によってガイド部材５８の抜けも防止される。

他方の側壁４８の外面からは、円筒部６６が一体且つ垂直に延びている。円筒部６６は、回転軸５２と同軸上に配置され、内周面に雌螺子が設けられている。円筒部６６には、螺子６８が螺子込まれる。
なお、受信用探触子４０のための探触子ホルダ４２は、送信用探触子３８のための探触子ホルダ４２と同じ構成を有しており、従って、図４は、受信用探触子４０とともに、分解された探触子ホルダ４２を示す概略的な斜視図でもある。そして、受信用探触子４０の超音波の入射面７０は、送信用探触子３８の場合と同様に、端壁４６とは反対側を向いている。

ここで再び図３を参照すると、探触子チューブ２０の本体部２２には、ブラケット４４を収容する格納室７２が形成されている。格納室７２の側壁７４，７４の各々は、探触子チューブ２０の軸線方向に延び、平坦な内面及び外面を有する。側壁７４，７４の内面の間にブラケット４４が挟持されている。
側壁７４には、探触子チューブ２０の軸線方向に延びるガイド溝７６が形成され、一方のガイド溝７６には、ガイド部材５８のガイド部６０がスライド可能に嵌合され、他方のガイド溝７６には、円筒部６６がスライド可能に嵌合されている。

従って、螺子６８を緩めた状態では、探触子ホルダ４２は、探触子チューブ２０の軸線方向に沿って移動可能であるとともに、該軸線方向と直交する回転軸５２を中心として回転可能である。
一方、円筒部６６に螺子６８が螺子込まれると、ガイド部材５８の円盤部６２及び螺子６８の頭部が側壁７４，７４の外面に密着し、探触子ホルダ４２の位置及び傾斜角度が決定される。つまり、螺子６８は探触子ホルダ４２の固定手段を構成している。

以下、上述した配管挿入型の超音波探傷装置１０の動作について説明する。
図５は、超音波探傷装置１０の動作を説明するための図であり、垂直送受信用探触子３６は、配管１２の内周面に向けて超音波を出射し、そして、配管１２の内周面及び外周面にて反射された反射波を受信する。制御装置は、反射波の受信時刻に基づいて、配管１２の肉厚を検出する。
ビード１８が形成されている領域では、配管１２の肉厚が見かけ上厚くなるので、超音波探傷装置１０は、垂直送受信用探触子３６を用いることにより、ビード１８の位置を検出することができる。

一方、送信用探触子３８は、配置調整機構を用いて予め設定された傾斜角度にて傾斜しており、配管１２の内周面に向けて出射角度θ１にて出射面５０から超音波を出射する。ただし、出射する超音波には、出射角度θ１を中心としてある程度の広がりがある。
そして、受信用探触子４０は、配置調整機構を用いて、送信用探触子３８から回転軸５２間にて距離Ｄだけ離間しており、且つ、予め設定された傾斜角度にて傾斜している。受信用探触子４０は、入射角度θ２にて、超音波の反射波及び回折波が入射面７０に入射する。ただし、入射する超音波についても、入射角度θ２を中心として、ある程度の広がりがある。

配管１２に亀裂等の欠陥がある場合、配管１２の内周面及び外周面で反射された反射波とともに、欠陥で回折された回折波が受信用探触子４０に入射する。制御装置は、反射波及び回折波の受信時刻の差に基づいて、亀裂の検出及び検出した亀裂の大きさの定量を行うことができる。
ここで、配管１２がボイラ用の吊り下げ管の場合、欠陥は、ビード１８の端部近傍であって、配管１２の外周面近傍に発生し易い。そこで、本実施形態では、送信用探触子３８の超音波の出射軸８０と受信用探触子４０への超音波の入射軸８２が、配管１２の外周面近傍で一致するように、送信用探触子３８及び受信用探触子４０の回転軸５２間の距離Ｄ、並びに、出射角度θ１及び入射角度θ２が設定されている。つまり、欠陥を重点的に検査したい領域にて、出射軸８０と入射軸８２が一致している。

図６も超音波探傷装置１０の動作を説明するための図であるが、図５の場合に比べて、配管１２の内径の違いにより、配管１２の内周面と送信用探触子３８及び受信用探触子４０の回転軸５２までの距離Ｌが短くなっている。距離Ｌが短くなったことを考慮して、図６の場合では、距離Ｄが縮小されている。

図７も超音波探傷装置１０の動作を説明するための図であるが、図５の場合に比べて、出射角度θ１及び入射角度θ２が増大され、これに合わせて、距離Ｄも増大されている。図７の配置によれば、図５の配置と比べて、配管１２における超音波の伝搬方向を変化させることができ、図５の配置では検出が困難であった亀裂も検出される可能性がある。

以上説明したように、一実施形態の超音波探傷装置１０によれば、配置調整機構１００によって、探触子チューブ２０における送信用探触子３８及び受信用探触子４０の配置を調整可能である。このため、この超音波探傷装置１０は、配管１２の仕様、則ち、内径、外径及び材質にかかわらずに、欠陥を高精度にて検出し、且つ、欠陥の大きさを高精度にて測定することができ、汎用性が高い。

そして、好ましい構成として、配置調整機構１００は、探触子チューブ２０の軸線方向にて送信用探触子３８と受信用探触子４０の間隔を調整する間隔調整部、及び、探触子チューブ２０の軸線方向に対する送信用探触子３８及び受信用探触子４０の傾斜角度を調整する角度調整部の両方を有する。この好ましい構成によれば、配管１２の仕様にかかわらずに、欠陥を高精度にて検出し、且つ、欠陥の大きさを高精度にて測定することができる。

また、好ましい構成として、配置調整機構１００は、送信用探触子３８及び受信用探触子４０の各々が固定されるブラケット４４を含み、ブラケット４４は、探触子チューブ２０の軸線と直交する回転軸５２を中心として回転可能である。この好ましい構成によれば、簡単な構成にて、配置調整機構１００が角度調整機能を発揮する。

また、好ましい構成として、送信用探触子３８及び受信用探触子４０がそれぞれ固定されるブラケット４４は、探触子チューブ２０内を軸線方向に沿って移動可能である。この好ましい構成によれば、簡単な構成にて、配置調整機構１００が間隔調整機能を発揮する。

また、好ましい構成として、超音波探傷装置１０は、探触子チューブ２０によって支持され、配管１２の内周面に向けて配管１２の径方向にて超音波を出射し、且つ、自身が出射した超音波の反射波を受信する、垂直送受信用探触子３６を更に備える。
この好ましい構成によれば、配管１２の肉厚が変化する部位を的確に検出することができる。肉厚が変化する部位は、応力が集中し易く、欠陥が生じ易いため、配管１２の肉厚が変化する部位を検査対象とすることで、効率的に検査を行うことができる。

また、好ましい構成として、超音波探傷装置１０は、探触子チューブ２０に設けられ、配管１２内での探触子チューブ２０の偏心を防止するブラシ２６を更に備える。
この好ましい構成によれば、探触子チューブ２０を配管１２内で回転させながら、周方向全域に渡って検査を行った場合でも、送信用探触子３８及び受信用探触子４０と、配管１２の内周面及び外周面との間の距離が変化せず、周方向に渡って均一な精度で、欠陥の検出及び大きさの測定を行うことができる。

本発明は、上述した一実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、超音波探傷装置１０の配置調整機構１００は、間隔調整部及び角度調整部の両方を有していたけれども、一方のみを有していてもよい。
また、超音波探傷装置１０では、送信用探触子３８及び受信用探触子４０の両方が、探触子チューブ２０の軸線方向にて移動可能であったけれども、片方のみ移動可能であればよい。

更に、超音波探傷装置１０では、垂直送受信用探触子３６の位置は特に限定されず、送信用探触子３８と受信用探触子４０の間に配置されていてもよい。
最後に、超音波探傷装置１０は、ボイラ用の配管の検査に好適であるが、他の用途の配管にも適用可能であるのは勿論である。

１０ 超音波探傷装置
１２ 配管
１４ ブラケット
１６ 配管
１８ ビード
２０ 探触子チューブ
２２ 本体部
２６ ブラシ
３６ 垂直送受信用探触子
３８ 送信用探触子
４０ 受信用探触子
４２ 探触子ホルダ
４４ ブラケット
４８ ブラケットの側壁
５２ 回転軸
６４ 回転ノブ
６８ 螺子
８０ 出射軸
８２ 入射軸
１００ 配置調整機構
θ１ 出射角度
θ２ 入射角度

Claims (4)

1. 検査対象の配管への挿入方向に延びる軸線を有する探触子チューブと、
   前記探触子チューブによって支持され、前記配管の内周面に向けて前記配管の径方向に対し斜めに超音波を出射する送信用探触子と、
   前記探触子チューブの軸線方向にて前記送信用探触子から離間して前記探触子チューブによって支持され、前記送信用探触子が出射した超音波の反射波及び回折波を受信する受信用探触子と、
   前記送信用探触子及び前記受信用探触子の各々を自身を介して前記探触子チューブに支持させる探触子ホルダと
   を備え、
   前記探触子ホルダの各々は、前記送信用探触子及び前記受信用探触子の各々が固定されるブラケットと、前記ブラケットと一体に設けられ且つ前記探触子チューブの軸線方向と直交する回転軸とを含み、
   前記探触子チューブは、前記探触子ホルダを収容する格納室を形成するとともに前記探触子チューブの軸線方向に延びるガイド溝が形成された側壁を含み、
   前記探触子ホルダのうち少なくとも一方の探触子のホルダの前記回転軸は、前記ガイド溝に沿って前記探触子チューブの軸線方向に移動可能であり、
   前記探触子ホルダの各々は、前記回転軸を中心として回転可能である
   ことを特徴とする配管挿入型超音波探傷装置。
2. 前記回転軸によって貫通されるとともに、前記ガイド溝にスライド可能に嵌合する直方体形状のガイド部を有するガイド部材と、
   前記ガイド部と一体に設けられ、前記探触子ホルダの傾斜角度を確認するための目盛りと
   を更に備える
   ことを特徴とする請求項１記載の配管挿入型超音波探傷装置。
3. 前記探触子チューブによって支持され、前記配管の内周面に向けて前記配管の径方向にて超音波を出射し、且つ、自身が出射した前記超音波の反射波を受信する、垂直送受信用探触子を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の配管挿入型超音波探傷装置。
4. 前記探触子チューブに設けられ、前記配管内での前記探触子チューブの偏心を防止する径方向に延びるブラシを更に備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の配管挿入型超音波探傷装置。