JP6204833B2

JP6204833B2 - 超音波探傷装置及び超音波探傷方法

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Publication number: JP6204833B2
Application number: JP2014003480A
Authority: JP
Inventors: 聡北澤; 江原　和也; 和也江原; 泰広仁平
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: JP2015132517A

Description

本発明は、非破壊検査技法の一種である超音波探傷法に係り、特に、アレイ型の超音波センサを使用した超音波探傷装置及び超音波探傷方法に関する。

鉄やアルミなどの金属材料からなる工業用部品を非破壊で検査する代表的な方法として、超音波探傷法が知られている。例えば溶接部を擁する工業構造物においては、母材に比べ脆弱となり易い溶接部の健全性の担保が、構造物の信頼性に直結する。そのため、非破壊検査は重要なプロセスと位置付けられている。

溶接部やその近傍に発生する欠陥には様々な種類がある。溶接時に発生する融合不良、スラグ巻込み、凝固割れ、ブローホールなどの他に、経年損傷の一種である応力腐食割れが知られている。応力腐食割れとは、材料の性質、材料に加わる応力、及び材料の使用環境が重なって発生する割れである。例えば原子力発電プラントの原子炉圧力容器に付随する機器や配管の溶接部に応力腐食割れが発生する事例があり、割れが進展するとプラントの健全性に大きく影響する。そのため、応力腐食割れの検出や寸法評価は非常に重要である。

溶接部検査には、一般的に、単一の圧電振動素子を内蔵し一定方向に超音波を発振する固定角センサを用いた斜角探傷法や、複数の圧電振動素子を配列したアレイセンサを用いたフェーズドアレイ法が適用される。近年は、検査対象内部を高精度に短時間で画像化して検査することが可能なフェーズドアレイ法の適用が拡大している。

フェーズドアレイ法は、各圧電振動素子から送信される超音波の波面が干渉して合成波面を形成しつつビーム状に伝播していくという原理に基づいている。各圧電振動素子の超音波送信タイミング（遅延時間）を制御することで、超音波ビームの入射角度や集束位置を、センサを動かさずに制御することができる。超音波ビームを圧電振動素子の並び方向に平行移動させる（言い換えれば、超音波ビームの入射角を固定する）リニアスキャン方式や、入射点を頂点として超音波ビームを扇状に変化させる（言い換えれば、超音波ビームの入射角を変化させる）セクタスキャン方式が代表的である。

原子力発電プラントの原子炉圧力容器に付随する機器や配管は、大型構造物であるため、検査対象となる溶接部の面積も広い。そのため、手動でセンサを動かしながら受信超音波の波形データを収録するのではなく、走査装置でセンサを動かしながら受信超音波の波形データを自動的に収録する方法が一般的である。これには検査対象部を漏れなく走査した記録を残す意味合いもある。自動探傷の走査方法についてはJIS Z 3070:1998「鋼溶接部の超音波自動探傷方法」に規定されており、一般的に溶接線に対して前後走査と左右走査を組み合わせた矩形走査を一定のピッチでセンサを動かしながら行われる。フェーズドアレイ法の場合は、例えば各センサ位置にてセクタスキャンを行う。

このようにして収録された波形データに基づき、超音波の反射強度分布を示す探傷画像が生成される。代表的な二次元探傷画像として、検査対象の断面にて超音波の反射強度分布を示すＢスコープ、検査対象の探傷面にて超音波の反射強度分布を示すＣスコープ、またＢスコープと直交する断面にて超音波の反射強度分布を示すＤスコープがある。検査者は、複数の二次元探傷画像を波形データと共に順次見比べ、欠陥の有無や位置などを評価する。

最近は、三次元領域における超音波の反射強度分布を示す三次元探傷画像を生成する超音波探傷装置も知られている（例えば、特許文献１参照）。この超音波探傷装置は、波形データの間に内挿処理を施して三次元格子状データ（ボクセルデータ）を作成し、これをボリュームレンダリングやサーフェスレンダリングといった方法で画像表示する。そして、三次元探傷画像を、マウス等の操作に応じて任意の視点で表示したり、任意の断面で表示したりする。これにより、検査者は、複数の二次元探傷画像を順次見比べる必要がなく、効率良く短時間で欠陥の有無や位置を評価することができる。

特開２０１１−１４１１２３号公報

しかしながら、上記従来技術には以下のような改善の余地がある。すなわち、上記従来技術では、検査対象の全走査領域を含むような三次元探傷画像を生成している。そのため、三次元探傷画像のボクセル寸法（すなわち、ボクセルデータに含まれる格子の寸法）を比較的大きくし、解像度を比較的低くしている。何故なら、例えば欠陥の詳細な評価も行えるようにボクセル寸法を小さくして解像度を高めると、ボクセル数（格子数）が多くなるため、三次元探傷画像の生成時間が長くなり、必要とされる計算機のメモリも多くなるからである。具体的に説明すると、例えば外径６００ｍｍの配管の溶接部を一周走査する場合であって三次元探傷画像の寸法を６００ｍｍ×６００ｍｍ×１００ｍｍとし、ボクセル寸法を０．１ｍｍとし、１つのボクセル当たりに必要なメモリを２バイトとすれば、必要な総メモリが７２ギガバイトとなる。そのため、市販の計算機での処理が困難となるか、若しくは処理時間が膨大になり、現実的ではない。

そこで、検査対象の全走査領域を含むような第１の三次元探傷画像とは別に、欠陥エコーの周辺領域を抽出した第２の三次元探傷画像を生成し、この第２の三次元探傷画像のボクセル寸法を小さくして解像度を高めることが考えられる。ここで問題になるのは、欠陥エコーの周辺領域は、第１の三次元探傷画像を評価してからでないと設定できない点である。すなわち、検査対象や検査位置が変われば欠陥エコーの位置も変わるので、欠陥エコーの周辺領域を予め設定しておくことができない。そして、第１の三次元探傷画像の評価や欠陥エコーの周辺領域の設定を人為的に行うのであれば、時間を要することになる。よって、効率よく短時間で欠陥の評価を行うことができない。

本発明の目的は、効率よく短時間で欠陥の評価を行うことができる超音波探傷装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の超音波探傷装置は、複数の圧電振動素子を有する超音波センサと、セクタ電子走査方式で前記超音波センサによる超音波の送受信を制御する送受信部と、少なくともセクタ電子走査方向に対して交差する方向に、前記超音波センサを機械走査する走査装置と、前記超音波センサの位置及び縦波超音波の入射角とそれらに関連付けられた受信超音波の波形データからなる探傷データに基づき、三次元領域における超音波の反射強度分布を示す三次元探傷画像を生成するデータ処理部と、前記三次元探傷画像を表示する表示部とを備え、前記データ処理部は、前記探傷データに基づき、検査対象の全走査領域を含むように予め設定された第１の三次元領域における超音波の反射強度分布を示す第１の三次元探傷画像を生成し、前記探傷データのうち、セクタ電子走査領域の一部である予め設定された注目領域に該当する波形データに対し、前記検査対象の欠陥による反射波を含むか否かを判定し、この反射波を含む波形データに関連付けられた前記超音波センサの位置に基づき、前記検査対象の欠陥による超音波の反射位置を含み且つ前記第１の三次元領域より小さくなる第２の三次元領域を設定し、前記探傷データに基づき、前記第２の三次元領域における超音波の反射強度分布を前記第１の三次元探傷画像より高解像度で示す第２の三次元探傷画像を生成し、前記表示部は、前記第１及び第２の三次元探傷画像を表示する。

また、上記目的を達成するために、本発明の超音波検査方法は、セクタ電子走査方式で、複数の圧電振動素子を有する超音波センサによる超音波の送受信を制御し、少なくともセクタ電子走査方向に対して交差する方向に前記超音波センサを機械走査し、前記超音波センサの位置及び縦波超音波の入射角とそれらに関連付けられた受信超音波の波形データからなる探傷データを取得し、前記探傷データに基づき、検査対象の全走査領域を含むように予め設定された第１の三次元領域における超音波の反射強度分布を示す第１の三次元探傷画像を生成し、セクタ電子走査領域のうちの予め設定された注目領域に該当する波形データに対し、前記検査対象の欠陥による反射波を含むか否かを判定し、この反射波を含む波形データに関連付けられた前記超音波センサの位置に基づき、前記検査対象の欠陥による超音波の反射位置を含み且つ前記第１の三次元領域より小さくなる第２の三次元領域を設定し、前記探傷データに基づき、前記第２の三次元領域における超音波の反射強度分布を前記第１の三次元探傷画像より高解像度で示す第２の三次元探傷画像を生成し、前記第１及び第２の三次元探傷画像を表示する。

本発明によれば、効率よく短時間で欠陥の評価を行うことができる。

本発明の一実施形態における超音波探傷装置の構成を表す概略図である。本発明の一実施形態における走査装置の構成を表す概略図である。本発明の一実施形態における超音波センサの移動範囲を説明するための図である。本発明の一実施形態における表示部の波形表示画面の表示例を表す図である。本発明の一実施形態における表示部の二次元表示画面の表示例を表す図である。図５で示された底面エコー及び直接エコーを配管の軸方向断面に投影した図である。図５で示された二次エコーを配管の軸方向断面に投影した図である。本発明の一実施形態における三次元探傷画像の生成方法を概念的に表す図である。比較例における三次元表示画面の表示例を表す図であり、三次元表示画面で三次元探傷画像の全体が表示された場合を示す。比較例における三次元表示画面の表示例を表す図であり、三次元表示画面で三次元探傷画像の一部が拡大された場合を示す。本発明の一実施形態における超音波探傷装置の処理を表すフローチャートである。図１１中のステップＳ２１０の高解像度領域の設定の処理内容を表すフローチャートである。図１１中のステップＳ２１０の高解像度領域の設定の処理内容を表すフローチャートである。図１２中のステップＳ２１５の注目領域を説明するための図である。図１２中のステップＳ２１７及びＳ２１８の高解像度領域の変数の演算を説明するための図である。本発明の一実施形態における表示部の三次元表示画面の表示例を表す図であり、三次元表示画面で低解像度画像の全体が高解像度画像とともに表示された場合を示す。本発明の一実施形態における表示部の三次元表示画面の表示例を表す図であり、三次元表示画面で高解像度画像の一部が拡大された場合を示す。本発明の一変形例における表示部の三次元表示画面の表示例を表す図である。本発明の他の変形例における注目領域を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態における超音波検査装置の構成を表す概略図である。図２は、本実施形態における走査装置の構成を表す概略図である。

本実施形態の超音波検査装置は、アレイ型の超音波センサ１、走査装置２、送受信部３、計算機４（データ処理部）、表示部５、マウス６、及びキーボード７を備えている。本実施形態では、周方向の溶接部１０１を有する配管１００を検査対象としているが、配管以外のものでもかまわない。なお、配管１００は、原子力発電プラント等で用いられる金属製配管であれば、その直径が大きいもので約６００ｍｍである。

走査装置２は、大別して、超音波センサ１を配管１００の表面に沿って機械走査する走査機構８と、この走査機構８を制御する走査制御装置９とで構成されている。走査機構８は、配管１００の外周側に取付けられた周方向ガイドレール１０と、この周方向ガイドレール１０に沿って（すなわち、配管１００の周方向に）台車１１を移動させる周方向移動機構（詳細には、図示しないモータ等で構成されたもの）と、この台車１１に設けられた軸方向ガイドレール１２と、この軸方向ガイドレール１２に沿って（すなわち、配管１００の軸方向に）スライダ（図示せず）を移動させる軸方向移動機構（詳細には、図示しないモータ等で構成されたもの）とを有している。スライダは、バネ等を介して超音波センサ１を支持しており、超音波センサ１を配管１００の表面に押付けるようになっている。

走査制御装置９は、計算機４からの指令に応じて周方向移動機構及び軸方向移動機構を制御し、超音波センサ１の位置を制御するようするになっている。配管１００の表面上のセンサ位置として（配管１００の軸方向の座標Ｘｓ，配管１００の周方向の座標Ｙｓ）を用い、超音波センサ１の移動手順を説明する。例えば図３で示すように、まず、開始位置（Ｘstart，Ｙstart）から配管軸方向（図３中右側）にピッチΔＸｓずつ移動して位置（Ｘend，Ｙstart）に到達する。その後、配管周方向（図３中下側）にピッチΔＹｓだけ移動して位置（Ｘstart，Ｙstart＋ΔＹｓ）に移ってから、配管軸方向にピッチΔＸｓずつ移動して位置（Ｘend，Ｙstart＋ΔＹｓ）に到達する。これを終了位置（Ｘend，Ｙend）に到達するまで繰返す（但し、Ｘend＞Ｘstart，Ｙend＞Ｙstart）。ピッチΔＸｓ，ΔＹｓは、例えば１〜５ｍｍ程度の値が用いられる。

超音波センサ１は、配管１００の軸方向（図１中左右方向）に配列された複数の圧電振動素子１３を有している。各圧電振動素子１３は、送受信部３から入力された駆動信号に応じて超音波を発生しており、それらが合成されて縦波超音波ビーム１０２を形成するようになっている。そして、縦波超音波ビーム１０２を配管１００の内部に伝播させ、これにより現れる反射波を圧電振動素子１３で受信し、その受信信号を送受信部３へ入力するようになっている。なお、図１では、圧電振動素子１３を配管１００に直接接触させる場合を例にとって示しているが、くさび（詳細には、超音波が透過する材質で形成され、縦波超音波ビーム１０２の入射角１０３を変えるためのもの）を介して接触させるように構成してもよい。

送受信部３は、超音波センサ１による超音波の送信と受信を制御するものである。送受信部３は、パルサー１４、レシーバ１５、遅延時間制御部１６、及びデータ収録部１７を有している。パルサー１４は、各圧電振動素子１３に駆動信号を出力し、レシーバ１５は、各圧電振動素子１３から入力した受信信号を処理するようになっている。遅延時間制御部１６は、計算機４からの指令に応じて、パルサー１４から各圧電振動素子１３への駆動信号の出力タイミング（遅延時間）と各圧電振動素子１３からレシーバ１５への受信信号の入力タイミング（遅延時間）の双方を制御する。これにより、セクタスキャン方式（セクタ電子走査方式）による超音波センサ１の動作が得られるようにする。詳細には、縦波超音波ビーム１０２の入射角１０３を制御して、縦波超音波ビーム１０２を扇状に動かす。そして、レシーバ１５で処理された各圧電振動素子１３の受信信号は、データ収録部１７に収録されるとともに、計算機４に出力される。

計算機４は、ＣＰＵ１８、ＲＯＭ１９、及びＲＡＭ２０を有している。ＣＰＵ１８は、ＲＯＭ１９に書込まれたプログラムに従い、走査装置２及び送受信部３へ指令を出力して、走査装置２及び送受信部３を連動させるようになっている。すなわち、例えば上述の図３で示すように超音波センサ１を移動させながら、各センサ位置にてセクタスキャンを行わせる。そして、超音波センサ１の位置及び縦波超音波ビーム１０２の入射角１０３とそれらに関連付けられた各圧電振動素子１３の受信信号を、データ収録部１７に収録させるようになっている。

また、ＣＰＵ１８は、ＲＯＭ１９に書込まれたプログラムに従い、データ収録部１７から必要なデータを読込み、ＲＡＭ２０との間でデータの授受を行いながら演算処理する。詳細には、超音波センサ１の位置及び縦波超音波ビーム１０２の入射角１０３毎に、各圧電振動素子１３の受信信号を遅延時間に応じて合成処理して、波形データを作成する。そして、超音波センサ１の位置（言い換えれば、縦波超音波ビーム１０２の入射位置）及び縦波超音波ビーム１０２の入射角１０３とそれらに関連付けられた波形データからなる探傷データを作成し、この探傷データをデータ収録部１７に収録させるようになっている。

表示部５は、波形表示画面２１、二次元表示画面２２、及び三次元表示画面２３を有している。なお、本実施形態では、波形表示画面２１、二次元表示画面２２、及び三次元表示画面２３を有する１つの表示部５を備えているが、波形表示画面２１、二次元表示画面２２、及び三次元表示画面２３をそれぞれ有する複数の表示部５を備えていてもよい。

計算機４のＣＰＵ１８は、マウス６やキーボード７の操作で入力されたセンサ位置及び入射角に対応する波形データをデータ収録部１７から読込み、表示部５の波形表示画面２１に表示させるようになっている（図４参照）。

また、計算機４のＣＰＵ１８は、入射角毎の波形データの間に内挿処理を施して、二次元格子状データ（ピクセルデータ）を作成する。これにより、セクタ電子走査領域（詳細には、入射点を頂点として縦波超音波ビーム１０２を扇状に変化させる領域）における超音波の反射強度分布を示す二次元探傷画像（セクタ画像）を生成する。そして、マウス６やキーボード７の操作で入力されたセンサ位置に対応する二次元探傷画像を、表示部５の二次元表示画面２２に表示させるようになっている。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本実施形態における二次元表示画面２２の表示例を表す図であり、図５（ａ）は配管１００にき裂がない場合を示し、図５（ｂ）は配管１００にき裂がある場合を示している。図６は、図５（ａ）及び図５（ｂ）で示された底面エコーと図５（ｂ）で示された直接エコーを配管１００の軸方向断面に投影した図である。図７は、図５（ｂ）で示された二次エコーを配管１００の軸方向断面に投影した図である。

図５（ａ）及び図５（ｂ）で示すように、き裂の有無にかかわらず、二次元探傷画像１０４Ａ，１０４Ｂには底面エコー１０５が現れる。この底面エコー１０５は、図６で示すように、超音波センサ１の真下方向に送信された縦波超音波ビーム１０２Ａが配管１００の内面１０６で反射した反射波である。この縦波超音波ビーム１０２Ａの入射角は、０〜２０度程度の範囲に及ぶことがある。これは、一般的に、超音波ビームが有限の太さをもつためである。

図５（ｂ）で示すように、き裂がある場合、二次元探傷画像１０４Ｂには直接エコー１０７及び二次エコー１０８が現れる。直接エコー１０７は、縦波超音波ビームがき裂で直接的に反射した反射波であり、一般的に端部エコー１０７Ａとコーナーエコー１０７Ｂに分かれる。端部エコー１０７Ａは、図６で示すように、縦波超音波ビーム１０２Ｂがき裂１０９の先端で回析した縦波超音波成分に起因する反射波である。コーナーエコー１０７Ｂは、図６で示すように、縦波超音波ビーム１０２Ｃがき裂１０９の開口部で多重反射した反射波である。なお、き裂１０９が短い場合や複雑な形状をしていると、端部エコー１０７Ａとコーナーエコー１０７Ｂに分かれない場合もある。また、端部エコー１０７Ａの強度がコーナーエコー１０７Ｂの強度より小さいため、コーナーエコー１０７Ｂのみが現れる場合もある。

二次エコー１０８は、縦波超音波ビームがモード変換して二次的に発生した超音波（本実施形態では、二次クリーピング波）がき裂１０９で反射した反射波である。詳しく説明すると、図７で示すように、入射角７０度程度の縦波超音波ビーム１０２Ｄが配管１００内に入射している場合、入射角３０度程度の横波超音波ビーム１１０Ａも同時に配管１００内に入射している。この横波超音波ビーム１１０Ａが配管１００の内面１０６に達すると、内面１０６の表面を伝わる二次クリーピング波１１０Ｂにモード変換する。この二次クリーピング波１１０Ｂがき裂１０９の開口部で散乱され、その散乱波１１０Ｃが超音波センサ１で受信される。ここで、二次元探傷画像は、縦波超音波ビームの入射角と音速に基づいて描画されている。そのため、散乱波１１０Ｃの受信信号、すなわち二次エコー１０８は、縦波超音波ビーム１０２Ｄの入射角７０度前後に現れる。なお、二次クリーピング波１１０Ｂにモード変換される横波超音波ビーム１１０Ａの入射角が３０度程度の幅を持つため、二次エコー１０８は、図示のように、縦波超音波ビームの入射角に広い幅を持つエコーとなる。また、二次エコー１０８は、一般的に、縦波超音波ビームの入射角が５０度程度以上で現れ、その強度が直接エコー１０７より大きい。

上述の図１に戻り、計算機４のＣＰＵ１８は、波形データの間に内挿処理を施して、三次元格子状データ（ボクセルデータ）を作成する。別の言い方をすれば、図８で概念的に示すように、センサ位置毎の二次元探傷画像１０４の間に内挿処理を施して、ボクセルデータを作成する。これにより、三次元領域における超音波の反射強度分布を示す三次元探傷画像を生成する。そして、この三次元探傷画像を表示部５の三次元表示画面２３に表示させるようになっている。

三次元探傷画像の描画アルゴリズムは、例えばグラフィックス・アプリケーション向けの業界標準のグラフィックス・アプリケーション・プログラミング・インタフェース（グラフィックスＡＰＩ）であるOpenＧＬ（登録商標）やDirectＸ（登録商標）というライブラリの中で実現されている。これらのグラフィックスＡＰＩをプログラム中で用いて、表示する物体の形状や視点、表示位置などの必要な情報を与えれば、三次元表示画面２３上の任意の位置に、任意の色、透明度、大きさで三次元探傷画像を描画する。すなわち、マウス６やキーボード７の操作に応じて、三次元探傷画像を任意の視点で表示したり、任意の寸法に拡大して表示したりすることが可能である。また、マウス６やキーボード７の操作に応じて、三次元探傷画像を任意の位置で切断した画像を表示させることも可能である。また、マウス６やキーボード７の操作に応じて、表示色や透明度も変更可能である。表示色は、反射強度に応じて変えることが可能である。なお、複数の表示色パターンを予め用意し、マウス６やキーボード７の操作に応じて選択してもよい。

ここで、本実施形態の大きな特徴は、三次元探傷画像の生成及び表示に関するものであり、以下、比較例を用いながら説明する。

図９及び図１０は、比較例における三次元表示画面の表示例を表す図である。なお、図９は、三次元表示画面で三次元探傷画像の全体が表示された場合を示し、図１０は、三次元表示画面で三次元探傷画像の一部（二次エコー群の周辺領域）が拡大された場合を示す。

比較例では、配管１００の全走査領域を含む三次元領域１１２（図９中点線で示された複数のボクセルからなる領域。但し、便宜上、図９で示すボクセル寸法は実際より大きめになっている）における超音波の反射強度分布を示す三次元探傷画像１１３を生成し、この三次元探傷画像１１３を三次元表示画面１１１で表示する。三次元探傷画像１１３には、円筒状の底面エコー群１１４（詳細には、上述の図５（ａ）及び図５（ｂ）で示された底面エコー１０５が一週分つながったもの）が現れている。また、例えば配管１００の溶接部の近傍に２つのき裂が生じた場合であって、２つのき裂にそれぞれ対応する２つの二次エコー群１１５が現れている。これにより、検査者は、欠陥の有無や位置を評価することが可能である。

そして、さらに、欠陥を詳細に評価するため、二次エコー群１１５の周辺領域（若しくは、想定される欠陥の周辺領域）を拡大して直接エコー群を観察できることが好ましい。しかし、図１０で示すように二次エコー群１１５の周辺領域を拡大しても、三次元探傷画像１１３の解像度が比較的低いため、二次エコー群１１５を確認できでも、直接エコー群を確認することが困難である。なお、三次元探傷画像１１３の解像度が低いのは、三次元探傷画像１１３のボクセル数を抑えて、三次元探傷画像１１３の生成時間を抑えるためである。また、必要とされる計算機のメモリを抑えるためである。

そこで、本実施形態では、計算機４のＣＰＵ１８は、データ収録部１７で収録された探傷データに基づき、少なくとも直接エコー群を含み（言い換えれば、配管１００の欠陥による超音波の反射位置を含み）かつ三次元領域１１２（以降、低解像度領域という）より小さくなるような三次元領域（以降、高解像度領域という）を自動的に設定する。そして、高解像度領域における超音波の反射強度分布を、三次元探傷画像１１３（以降、低解像度画像という）より高解像度で示す（言い換えれば、ボクセル寸法が小さい）三次元探傷画像（以降、高解像度画像という）を生成する。そして、表示部５の三次元表示画面２３に、低解像度画像１１３及び高解像度画像を表示させるようになっている。

図１１は、本実施形態における超音波探傷装置の処理内容を表すフローチャートである。図１２及び図１３は、図１１中のステップＳ２１０の高解像度領域の設定の処理内容を表すフローチャートである。

ステップＳ２００にて、計算機４のＣＰＵ１８は、走査装置２及び送受信部３へ指令を出力して、走査装置２及び送受信部３を連動させる。すなわち、上述の図３で示すように超音波センサ１を移動させながら、各センサ位置にてセクタスキャンを行わせる。そして、超音波センサ１の位置及び縦波超音波ビーム１０２の入射角１０３とそれらに関連付けられた各圧電振動素子１３の受信信号を、データ収録部１７に収録させる。また、超音波センサ１の位置及び縦波超音波ビーム１０２の入射角１０３毎に、各圧電振動素子１３の受信信号を遅延時間に応じて合成処理して、波形データを作成する。そして、超音波センサ１の位置及び縦波超音波ビーム１０２の入射角１０３とそれらに関連付けられた波形データからなる探傷データを作成し、この探傷データをデータ収録部１７に収録させる。

その後、ステップＳ２１０に進み、計算機４のＣＰＵ１８は、データ収録部１７に収録された探傷データに基づき、上述した高解像度領域を設定する。なお、センサ位置の座標系（すなわち、二次元座標系）及び高解像度領域の座標系（すなわち、三次元座標系）の原点Ｏは、後述の図１５で示すように、配管１００の径方向断面（言い換えれば、配管１００の軸方向に垂直な断面）における最上点とする。

この高解像度領域の設定では、まず、ステップＳ２１１にて、高解像度領域のＸ方向（配管１００の軸方向）の最小値変数Ｘmin及び最大値変数Ｘmaxを、Ｘmin＝Ｘstart、Ｘmax＝Ｘend＋ΔＸに設定する。なお、ΔＸは、配管１００の軸方向におけるセクタ電子走査領域の寸法より大きくなるように予め設定された値である。

そして、ステップＳ２１２に進み、センサ位置の座標変数Ｘｓ，Ｙｓを、Ｘｓ＝Ｘstart、Ｙｓ＝Ｙstartに初期化する。また、ステップＳ２１３に進み、高解像度領域のＹ方向（配管１００の一半径方向であって、本実施形態では水平方向）の最小値変数Ｙmin及び最大値変数Ｙmaxを、Ｙmin＝Ｒ、Ｙmax＝−Ｒに初期化する（ここで、Ｒは配管の半径）。また、高解像度領域のＺ方向（Ｙ方向と直交する配管１００の他の半径方向であって、本実施形態では鉛直方向）の最小値変数Ｚmin及び最大値変数Ｚmaxを、Ｚmin＝２Ｒ、Ｚmax＝０に初期化する。

そして、ステップＳ２１４に進み、センサ位置（Ｘｓ，Ｙｓ）における波形データをデータ収録部１７から読込む（言い換えれば、センサ位置（Ｘｓ，Ｙｓ）に対応する二次元探傷画像に相当する波形データを読込む）。最初は、Ｘｓ＝Ｘstart、Ｙｓ＝Ｙstartであるから、センサ位置（Ｘstart，Ｙstart）における波形データを読込む。

その後、ステップＳ２１５に進み、読込んだ波形データから、セクタ電子走査領域のうちの予め設定された注目領域１１６に該当する波形データを選択し、選択した波形データにおける全ての波形強度（又は最大となる波形強度）を抽出する。注目領域１１６は、例えば図１４で示すように、セクタ電子走査領域のうちの縦波超音波の入射角が５０度以上である領域であって、二次エコー１０８が現れかつ底面エコー１０５が現れない領域である。その後、ステップＳ２１６に進み、抽出した波形強度のうち予め設定された閾値以上のものがあるか否かを判定する。これにより、注目領域１１６に該当する波形データに二次エコー１０８が含まれているか否かを判定する。なお、図１４で示すように、注目領域１１６には二次エコー１０８だけでなく直接エコー１０７Ａ（又は／及び１０７Ｂ）も現れる場合があるものの、かまわない。

なお、図１４で示す入射点近傍の領域１１７に該当する波形データには、超音波センサ１に起因するノイズが現れやすい。そのため、注目領域１１６から領域１１７を除外することが好ましい。また、注目領域１１６に該当する波形データに測定系特有のノイズ等が含まれる場合は、フィルター処理等でノイズを予め取除いておくことが好ましい。また、探傷装置に由来する電気的な微小なノイズが含まれる場合は、ノイズレベルより上に設定した閾値を用いればよい。

例えばステップＳ２１６にて抽出した波形強度のうち予め設定された閾値以上のものがある場合（言い換えれば、注目領域１１６に該当する波形データに二次エコー１０８が含まれている場合）は、その判定が満たされ、ステップＳ２１７に移る。ステップＳ２１７では、下記の式（１）及び（２）により、二次元座標系におけるセンサ位置の配管周方向座標変数Ｙｓを、三次元座標系におけるＹ方向座標変数Ｙ１及びＺ方向座標変数Ｚ１に変換する。すなわち、図１５で示すように、配管１００の径方向断面上の位置Ｐ１（Ｙ１，Ｚ１）を演算する。また、ステップＳ２１８に進み、下記の式（３）及び（４）により、センサ位置に対応する配管内側位置のＹ方向座標変数Ｙ２及びＺ方向座標変数Ｚ２を演算する。すなわち、図１５で示すように、配管１００の径方向断面上のＰ２（Ｙ２，Ｚ２）を演算する。

Ｙ１＝Ｒ×sinθ ・・・（１）
Ｚ１＝Ｒ−Ｒ×cosθ ・・・（２）
Ｙ２＝（Ｒ−ΔＲ）×sinθ ・・・（３）
Ｚ２＝Ｒ−（Ｒ−ΔＲ）×cosθ・・・（４）
ここで、θ＝Ｙｓ／Ｒ［rad］である。また、ΔＲは、配管１００の厚みより大きくなるように予め設定された値である。

その後、ステップＳ２１９に進み、Ｙ方向座標変数Ｙ１，Ｙ２に応じて高解像度領域のＹ方向の最小値変数Ｙmin及び最大値変数Ｙmaxを更新する。詳細には、Ｙ１とＹminを比較し、Ｙ１＜ＹminであればＹminをＹ１に更新し、Ｙ１≧ＹminであればＹminを更新しない。また、Ｙ１とＹmaxを比較し、Ｙ１＞ＹmaxであればＹmaxをＹ１に更新し、Ｙ１≦ＹmaxであればＹmaxを更新しない。同様に、Ｙ２とＹminを比較し、Ｙ２＜ＹminであればＹminをＹ２に更新し、Ｙ２≧ＹminであればＹminを更新しない。また、Ｙ２とＹmaxを比較し、Ｙ２＞ＹmaxであればＹmaxをＹ２に更新し、Ｙ２≦ＹmaxであればＹmaxを更新しない。

また、ステップＳ２２０に進み、Ｚ方向座標変数Ｚ１，Ｚ２に応じて高解像度領域のＺ方向の最小値変数Ｚmin及び最大値変数Ｚmaxを更新する。詳細には、Ｚ１とＺminを比較し、Ｚ１＜ＺminであればＺminをＺ１に更新し、Ｚ１≧ＺminであればＺminを更新しない。また、Ｚ１とＺmaxを比較し、Ｚ１＞ＺmaxであればＺmaxをＺ１に更新し、Ｚ１≦ＺmaxであればＺmaxを更新しない。同様に、Ｚ２とＺminを比較し、Ｚ２＜ＺminであればＺminをＺ２に更新し、Ｚ２≧ＺminであればＺminを更新しない。また、Ｚ２とＺmaxを比較し、Ｚ２＞ＺmaxであればＺmaxをＺ２に更新し、Ｚ２≦ＺmaxであればＺmaxを更新しない。

そして、ステップＳ２２１に進み、センサ位置の座標変数Ｘｓ，Ｙｓを、Ｘｓ＝Ｘstart、Ｙｓ＝Ｙｓ＋ΔＹｓに更新する。その後、ステップＳ２２２に進み、Ｙｓ≦Ｙendであるか否かを判定する。最初のうちは、ステップＳ２２２の判定が満たされるので、上述のステップＳ２１４に移る。そして、ステップＳ２２１でセンサ位置の座標変数Ｙｓが更新されているから、ステップＳ２１４では、次のセンサ位置（Ｘstart，Ｙstart＋ΔＹ）における波形データをデータ収録部１７から読込む。

その後、ステップＳ２１５に進み、読込んだ波形データから、注目領域１１６に該当する波形データを選択し、選択した波形データにおける全ての波形強度を抽出する。その後、ステップＳ２１６に進み、抽出した波形強度のうち予め設定された閾値以上のものがあるか否かを判定する。

例えばステップＳ２１６にて抽出した波形強度のうち予め設定された閾値以上のものがない場合（言い換えれば、注目領域１１６に該当する波形データに二次エコー１０８が含まれていない場合）は、その判定が満たされず、ステップＳ２２３に移る。ステップＳ２２３では、センサ位置の配管軸方向座標変数Ｘｓを、Ｘｓ＝Ｘｓ＋ΔＸｓに更新する。その後、ステップＳ２２４に進み、Ｘｓ≦Ｘendであるか否かを判定する。最初のうちは、ステップＳ２２４の判定が満たされるので、上述のステップＳ２１４に移る。そして、ステップＳ２２３でセンサ位置の座標変数Ｘｓが更新されているから、ステップＳ２１４では、次のセンサ位置（Ｘstart＋ΔＸ，Ｙstart＋ΔＹ）における波形データをデータ収録部１７から読込む。

例えばステップＳ２１６にて抽出した波形強度のうち予め設定された閾値以上のものがない場合は、その判定が満たされず、ステップＳ２２３に移る。ステップＳ２２３では、センサ位置の配管軸方向座標変数Ｘｓを、Ｘｓ＝Ｘｓ＋ΔＸｓに更新する。その後、ステップＳ２２４に進み、Ｘｓ≦Ｘendであるか否かを判定する。上述したステップＳ２１４→Ｓ２１５→Ｓ２１６→Ｓ２２３の手順が繰返されて、Ｘｓ＝Ｘend＋ΔＸに更新されると、ステップＳ２２４の判定が満たされなくなり、ステップＳ２２５に移る。

ステップＳ２２５では、Ｙmin＞Ｙmaxであるか否か（若しくは、Ｚmin＞Ｚmaxであるか否か）を判定する。これにより、高解像度領域の変数Ｙmin、Ｙmax、Ｚmin、Ｚmaxが初期値であるか否か、すなわちステップＳ２１７〜Ｓ２２０を経由して高解像度領域の変数Ｙmin、Ｙmax、Ｚmin、Ｚmaxが更新されていないか否かを判定する。

例えばステップＳ２２５にてＹmin≦Ｙmax若しくはＺmin≦Ｚmaxである場合（言い換えれば、高解像度領域の変数Ｙmin、Ｙmax、Ｚmin、Ｚmaxが更新されている場合）は、その判定が満たされず、ステップＳ２２６に移る。ステップＳ２２６では、１つの高解像度領域としてＸmin，Ｘmax，Ｙmin、Ｙmax、Ｚmin、Ｚmaxを保存する。その後、ステップＳ２２７に移る。

一方、例えばステップＳ２２５にてＹmin＞Ｙmax若しくはＺmin＞Ｚmaxである場合（言い換えれば、高解像度領域の変数Ｙmin、Ｙmax、Ｚmin、Ｚmaxが更新されていない場合）は、その判定が満たされ、ステップＳ２２７に移る。

ステップＳ２２７では、センサ位置の座標変数Ｘｓ，Ｙｓを、Ｘｓ＝Ｘstart、Ｙｓ＝Ｙｓ＋ΔＹｓに更新する。その後、ステップＳ２２８に進み、Ｙｓ≦Ｙendであるか否かを判定する。Ｙｓ≦Ｙendであるうちは、ステップＳ２２８の判定が満たされて、ステップＳ２１４に移り、上記同様の手順を繰返す。

そして、ステップＳ２２２又はＳ２２８にてＹｓ＞Ｙendとなると、その判定が満たされず、ステップＳ２１０の高解像領域の設定が終了する。なお、高解像領域の設定が終了するまでに、再度、ステップＳ２２５の判定が満たされてステップＳ２２６に進んだ場合は、他の高解像度領域としてＸmin，Ｘmax，Ｙmin、Ｙmax、Ｚmin、Ｚmaxを保存する。

ステップＳ２１０の高解像領域の設定が終了すると、ステップＳ２３０に移る。ステップ２３０にて、計算機４のＣＰＵ１８は、データ収録部１７に収録された探傷データに基づき、配管１００の全走査領域を含むように予め設定された低解像度領域１１２における反射強度分布を示す低解像度画像１１３を生成するとともに、ステップＳ２１０で設定された高解像度領域における反射強度分布を示す高解像度画像を生成する。その後、ステップＳ２４０に進み、計算機４のＣＰＵ１８は、表示部５の三次元表示画面２３に低解像度画像１１３を表示させるとともに、低解像度画像１１３上に高解像度画像を重ねるように表示させる。

次に、本実施形態の作用効果を、図１６及び図１７を用いて説明する。

図１６及び図１７は、本実施形態における三次元表示画面２３の表示例を表す図である。なお、図１６は、三次元表示画面２３で低解像度画像１１３の全体が高解像度画像とともに表示された場合を示し、図１７は、三次元表示画面２３で高解像度画像の一部（二次エコー群の周辺領域）が拡大された場合を示す。

本実施形態では、高解像度領域１１８（図１６中点線で示された複数のボクセルからなる領域。但し、便宜上、図１６で示すボクセル寸法は実際より大きめになっている）における超音波の反射強度分布を示す高解像度画像１１９を生成し、この高解像度画像１１９を低解像度画像１１３上に重ねて表示する。そして、図１７で示すように二次エコー群１１５の周辺領域（すなわち、高解像度画像１１９の一部）を拡大すると、高解像度画像１１９の解像度が高いため、二次エコー群１１５だけでなく、直接エコー群１２０も確認できる。したがって、欠陥を詳細に評価することができる。

また、計算機４が探傷データに基づき高解像度領域１１８を自動的に設定するので、人為的に設定する場合と比べ、時間を短縮できる。また、高解像度領域１１８が比較的小さいので、高解像度画像１１９の生成時間や計算機４のメモリを抑えることができる。したがって、効率よく短時間で欠陥の評価を行うことができる。

なお、上記一実施形態においては、表示部５の三次元表示画面２３で低解像度画像１１３上に高解像度画像１１９を重ねて表示する場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、例えば図１８で示す三次元表示画面２３Ａのように、低解像度画像１１３と高解像度画像１１９を別々に表示し、低解像度画像１１３上に高解像度領域１１８を表示してもよい。また、複数の高解像度領域１１８がある場合は、マウス６やキーボード７の操作で選択された高解像度領域１１８に対応して、高解像度画像１１９を切替えるように表示してもよいし、若しくは複数の高解像度画像１１９を表示してもよい。このような変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態においては、注目領域１１６として、セクタ電子走査領域のうちの縦波超音波の入射角が５０度以上である領域を設定し、この注目領域１１６に該当する波形データに対し、二次エコー１０８を含むか否かを判定する場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、例えば直接エコー１０７（特にコーナーエコー１０７Ｂ）の強度が十分大きければ、図１９で示すように、直接エコー１０７（詳細には、端部エコー１０７Ａ又はコーナーエコー１０７Ｂ）が現れるような注目領域１１６Ａを設定し、この注目領域１１６Ａに該当する波形データに対し、直接エコー１０７を含むか否かを判定してもよい。このような変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態においては、走査装置２は、配管１００の周方向及び軸方向に超音波センサ１を機械走査する構成を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、走査装置は、セクタ電子走査方向（言い換えれば、圧電振動素子１３の並び方向）に対して交差する方向に、超音波センサ１を機械走査する構成であればよい。したがって、例えば配管１００の周方向のみに、超音波センサ１を機械走査する構成であってもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

１超音波センサ
２走査装置
３送受信部
４計算機
５表示部
１３圧電振動素子
１０７Ａ端部エコー
１０７Ｂコーナーエコー
１０８二次エコー
１１２低解像度領域（第１の三次元領域）
１１３低解像度画像（第１の三次元探傷画像）
１１６注目領域
１１６Ａ注目領域
１１８高解像度領域（第２の三次元領域）
１１９高解像度画像（第２の三次元探傷画像）

Claims

複数の圧電振動素子を有する超音波センサと、
セクタ電子走査方式で前記超音波センサによる超音波の送受信を制御する送受信部と、
少なくともセクタ電子走査方向に対して交差する方向に、前記超音波センサを機械走査する走査装置と、
前記超音波センサの位置及び縦波超音波の入射角とそれらに関連付けられた受信超音波の波形データからなる探傷データに基づき、三次元領域における超音波の反射強度分布を示す三次元探傷画像を生成するデータ処理部と、
前記三次元探傷画像を表示する表示部とを備え、
前記データ処理部は、
前記探傷データに基づき、検査対象の全走査領域を含むように予め設定された第１の三次元領域における超音波の反射強度分布を示す第１の三次元探傷画像を生成し、
前記探傷データのうち、セクタ電子走査領域の一部である予め設定された注目領域に該当する波形データに対し、前記検査対象の欠陥による反射波を含むか否かを判定し、この反射波を含む波形データに関連付けられた前記超音波センサの位置に基づき、前記検査対象の欠陥による超音波の反射位置を含み且つ前記第１の三次元領域より小さくなる第２の三次元領域を設定し、
前記探傷データに基づき、前記第２の三次元領域における超音波の反射強度分布を前記第１の三次元探傷画像より高解像度で示す第２の三次元探傷画像を生成し、
前記表示部は、
前記第１及び第２の三次元探傷画像を表示することを特徴とする超音波探傷装置。
請求項１に記載の超音波探傷装置において、
前記データ処理部は、セクタ電子走査領域のうちの縦波超音波の入射角が５０度以上である注目領域に該当する波形データに対し、前記検査対象の欠陥による二次クリーピング波の反射波を含むか否かを判定し、この二次クリーピング波の反射波を含む波形データに関連付けられた前記超音波センサの位置に基づき、前記第２の三次元領域を設定することを特徴とする超音波探傷装置。
請求項１に記載の超音波探傷装置において、
前記データ処理部は、セクタ電子走査領域のうちの予め設定された注目領域に該当する波形データに対し、前記検査対象の欠陥による縦波の反射波を含むか否かを判定し、この縦波の反射波を含む波形データに関連付けられた前記超音波センサの位置に基づき、前記第２の三次元領域を設定することを特徴とする超音波探傷装置。
請求項１に記載の超音波探傷装置において、
前記表示部は、前記第１の三次元探傷画像上に前記第２の三次元探傷画像を重ねて表示することを特徴とする超音波探傷装置。
請求項１に記載の超音波探傷装置において、
前記表示部は、前記第１の三次元探傷画像と前記第２の三次元探傷画像を別々に表示し、前記第１の三次元探傷画像上に前記第２の三次元領域を表示することを特徴とする超音波探傷装置。
セクタ電子走査方式で、複数の圧電振動素子を有する超音波センサによる超音波の送受信を制御し、
少なくともセクタ電子走査方向に対して交差する方向に前記超音波センサを機械走査し、
前記超音波センサの位置及び縦波超音波の入射角とそれらに関連付けられた受信超音波の波形データからなる探傷データを取得し、
前記探傷データに基づき、検査対象の全走査領域を含むように予め設定された第１の三次元領域における超音波の反射強度分布を示す第１の三次元探傷画像を生成し、
セクタ電子走査領域のうちの予め設定された注目領域に該当する波形データに対し、前記検査対象の欠陥による反射波を含むか否かを判定し、この反射波を含む波形データに関連付けられた前記超音波センサの位置に基づき、前記検査対象の欠陥による超音波の反射位置を含み且つ前記第１の三次元領域より小さくなる第２の三次元領域を設定し、
前記探傷データに基づき、前記第２の三次元領域における超音波の反射強度分布を前記第１の三次元探傷画像より高解像度で示す第２の三次元探傷画像を生成し、
前記第１及び第２の三次元探傷画像を表示することを特徴とする超音波探傷方法。