JPH0267957A - 鋼管溶接部の超音波探傷方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、鋼管の溶接部の超音波探傷方法およびその装
置に関する。

〔従来の技術〕

第２図は、一般に使用されている超音波フェイズドアレ
イ装置の構成例を示すものであり、その構成及び動作は
、例えば特開昭５７−１４７０５３に開示されている。

第２図において、まず、Ｎチャンネルの幅の狭い短冊形
の振動子１１＋　１　！＋・・・・・・ｒ　　ＩＮで構
成されるアレイ形プローブ１は、各振動子１１，１□、
・・・・・・ｌ、ｌに夫々付随したＮチャンネルの超音
波送信器２＋＋２ｚ＋・・・・・・、２Ｎを含む超音波
送信器群２と、Ｎチャンネルの超音波受信器３□３ｇ＋
・・・・・・＋３Ｎを含む超音波受信器群３とに結合さ
れている。

また、上記超音波送信器群２には各超音波送信器２＋＋
２ｇ＋・・・・・・＋２Ｎから超音波送信パルスを発生
せしめるための外部トリガー信号を送信制御器４から入
力可能としており、送信制御器４には超音波を送信する
ために使われる超音波送信器のチャンネルとそれら各々
に与える外部トリガー信号の遅延時間設定値がコンピュ
ータ５によりあらかじめプログラム設定される。これに
より超音波の送信方向および超音波の集束距離に応じて
設定された遅延時間に従って、プログラム設定された各
振動子から超音波を所定の繰り返し周期に放射し得る。

一方、受信動作はまず、アレイ形プローブ１と超音波受
信器群３とにより超音波を受信する。この受信された信
号は超音波受信器３３，３□、・・・・・・。

３ＮでＮ個の受信々号となり、さらに各受信々号は増幅
後、Ａ／Ｄ変換器７において、受信制御器６からの信号
によりデジタル変換開始時間をずらしながらデジタル化
され、加算器８に入力される。

加算器８では、受信制御器６からの信号により加算され
るチャンネルが選択され、選択されたチャンネルの信号
を加算し、表示装置９に結果が表示され受信動作が完了
する。ここで、受信制御器６には、Ａ／Ｄ変換器７にお
けるデジタル変換開始を決定する遅延時間設定値と加算
器８において選択されるチャンネルがコンピュータ５に
よりあらかじめプログラム設定される。また、この遅延
時間は超音波の受信方向および集束距離に応じてコンピ
ュータ５で計算される。

つまり、超音波フェイズドアレイ装置は、遅延時間設定
により任意の方向に超音波ビーム°を偏向でき、任意の
位置に超音波ビームを集束できる。

また、プローブを走査せずに（機械的に移動させずに）
超音波ビームの走査ができる。このような走査法を一般
に電子走査法というが、この電子走査法には、第３図（
ａ）のように超音波送受信用の複数個の振動子ブロック
を順次切り換えながら超音波ビームを実線、破線、・・
・・・・、−点鎖線というように直線上に走査させるリ
ニア走査法と、第３図（ｂ）のように複数個の振動子ブ
ロックによる超音波送受信方向を順次変更しながら超音
波ビームを実線、破線、・・・・・・、−点鎖線という
ように扇形上に走査させるセクタ走査法とがある。

以下、リニア走査法やセクタ走査法を用いた方法の説明
が出てくるが、超音波ビームの伝播の様子は、実際は第
３図（ａ）　（ｂ）の実線２点線、−点鎖線のように幅
をもって表現すべきであるが、多数のビームが出て重な
り合うとわかりにくくなるので、今後比てくる図は全て
、第４図（ａ）（ｂ）の実線１点線。

−点鎖線のようにビームの中心の軌跡を表す線によって
表現することとする。

鋼管の探傷に超音波フェイズドアレイ装置を適用する場
合リニア走査法で探傷することが一般的であり、その−
例が特開昭６１−１８８６０に開示されており、それで
は、屈折角θｒ従って入射角θｉが全て同じになるよう
に、偏向角αを変えることが考えられている。偏向角α
は振動子群に与える超音波送信パルスの遅延時間設定に
より変えることができ、そしてθｌを同じにするαｉ　
　（ｉ−１＋２、・・・・・・）は鋼管とプローブの幾
何学的条件（即ち、例えば鋼管の中心０を原点とするＸ
−Ｙ座標系におけるアレイ形プローブ１の中心位置とそ
の超音波送受信面の傾き、前記振動子群の振動子の個数
とその間隔、鋼管１１の外径Ｒ）により求めることがで
き、フェイズドアレイではこのα１を任意に設定できる
ので、屈折角θ、が全で同じになるということである。

しかしながら実際の鋼管の場合、鋼管の横断面即ち超音
波ビームの伝播経路が含まれる面の形状は必ずしも真円
ではなく実際の探傷ラインで自動探傷を行う場合、搬送
時の鋼管の振動やスパッタ等の鋼管表面上の付着物によ
り鋼管表面に対する超音波送受信面の傾きを一定にする
ことは難しい。

従ってプローブの傾きが設定からず・れてしまい超音波
ビームは鋼管溶接部の目標の領域を正しく狙わなくなっ
てしまうことが考えられる。即ち入射角θゑが狂い、ひ
いては、屈折角θいが狂うが、スネルの法則かられかる
ように、水から鋼に超音波を入射する場合は、θ五のわ
ずかな狂いがθ、を大きく狂わせることになってしまい
、超音波ビームが目標の探傷領域を太き（外れてしまう
ことが起こりうる。そこで発明者らは鋼管断面が非円形
であっても、プローブの傾きが設定通りでなくても、鋼
管溶接部の目標の領域を正しく探傷できるようにしよう
とする方法を特願昭６１−２３７７２２号公報に開示し
ている。該特願昭６１−２３７７２２号公報における実
施例を第６図（ａ）〜（Ｃ）および第７図に示す。第６
図（ａ）はカップリング装置１０により接触媒質の水と
カップリングされたアレイ形プローブｌを用いて鋼管１
１の溶接部１２の上部を、１スキップで探傷する様子を
示している。また、第６図（ｂ）は第６図（ａ）の中で
超音波ビームが鋼管へ入射する部分の拡大図である。

鋼管１１の外径・肉厚、プローブ１の位置・傾き、所望
入射角等の設定条件に基づき、コンピュータ５の指令に
より、第６図（ｂ）の如きセクタ走査で超音波ビーム２
１．・・・・・・、２９を送信する。その際のセクタ走
査は目標の探傷領域に到達するように設定された所望入
射角を中心に広範囲に渡る多数の超音波ビームが送受信
できるようにする。

超音波ビーム２１．・・・・・・、２９は鋼管１１に入
射するとスネルの法則に基づいて屈折して超音波ビーム
３１．・・・・・・、３９となるが、その屈折角は鋼管
の形状やプローブの傾き等で変動する。該超音波ビーム
３１．・・・・・・、３９は鋼管１１および溶接部１２
の中を伝播し、伝播経路に欠陥があるとそこで反射して
戻ってくる。

受信動作は、前述の第２図の説明の如き方法で行い、セ
クタ走査で送信した全超音波ビームの受信を行い、探傷
データを得る。

しかしながらこのようなセクタ走査による探傷を行った
だけでは、前述の如く屈折角は鋼管の形状やプローブの
傾き等で変動するので超音波ビームは設定通り伝播して
いるか不明である。そこで、モニター用受信プローブ１
３を溶接部１２の近（に配置し、該送信制御器４からの
信号によりタイミングをとりながら超音波受信器１４で
該超音波ビーム３１．・・・・・・、３９を受信し、ア
レイ形プローブ１とモニター用受信プローブ１３の幾何
学的配置から計算されたビーム路程により設定されたゲ
ート内の信号についてピーク検出器１５でピーク検出を
行いそのデータをコンピュータ５に入力する。コンビエ
ータ５は該送信制御器４を制御しているためピーク検出
器１５のデータは該超音波ビーム３１．・・・・・・、
３９に対応して入力される。

コンピュータ５では第６図（Ｃ）に示すように該ピーク
検出器のデータの大小判定を行い、最大値を演算しく５
−１）、最大値に対応した超音波ビームをモニター用受
信プローブ１３により受信したビーム（以後パイロット
ビームと称す）とする（５−２）、さらにコンピュータ
５ではアレイ形プローブ１とモニター用受信プローブ１
３の位置、セクタ走査の走査ピッチ、鋼管の外径および
肉厚等のデータを人力しく５−３）、これらのデータに
より幾何学的にパイロットビームを基準として何番目の
超音波ビーム（オフセットビームと称す）から何本の超
音波ビーム（有効ビーム本数と称す）が目標の鋼管溶接
部１２の上部に達する超音波ビームかを演算しく５−４
）、この演算結果に一致した超音波ビームによる探傷デ
ータを、既に人力されている超音波ビーム３１．・・・
・・・　３９による探傷データ（５−６）の中から選択
しく５−５）、これを用いて欠陥検査をする。

第６図（ａ）の場合では、超音波ビーム３７がパイロッ
トビーム、オフセットビームは３４で、探傷データとし
て選択される超音波ビームは３４，３５．３６で、有効
ビーム本数３となる。

ところが、鋼管溶接部の下部を０．５スキツプ（鋼管内
外面で反射させずに、直接超音波ビームを欠陥に当てる
）で探傷する場合は、モニタープローブを鋼管の内側に
配置することが難しい（鋼管は長いので、例えば長い棒
でモニタープローブを支えることになる）ので、鋼管の
外側にモニタープローブを配置するとなると、該特願昭
６１−２３７７２２号公報に開示した、第７図のような
方法が考えられる。

この方法では、モニター用受信プローブ１３を溶接部１
２をはさんでアレイ形プローブ１と反対側に配置し、そ
れにより超音波ビームの方向を監視し、その結果に基づ
いて目標の鋼管溶接部の下部に到達する超音波ビームを
判定し、そのビームによる探傷データを用いて欠陥検査
をするものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

鋼管溶接部上部の探傷である第６図（ａ）の場合あるい
は鋼管溶接部下部の探傷でも１．５スキツプで行う第８
図のような場合は、溶接部１２に達する前の超音波をモ
ニター用受信プローブ１３でモニターするので問題ない
が、鋼管溶接部下部を０．５スキツプで探傷する第７図
のような場合は、溶接部１２を通過した後の超音波をモ
ニター用受信プローブ１３で受信することになり、特に
ＵＯ鋼管のように溶接部が盛り上がっているものに対し
ては正確にモニターできないことも起こりうる。第７図
の場合では、モニター用受信プローブ１３で４７の超音
波ビームが最大となり、４４〜４６の超音波ビームによ
る探傷結果を用いて検査すればよいが、例えば第９図の
ように溶接部下部で４５の超音波ビームが矢印のように
反射して、４７の超音波ビームよりモニター用受信プロ
ーブ１３で強く受信したために、４２〜４４の超音波ビ
ームによる探傷結果で検査してしまい、目標の溶接部下
部が正しく探傷できないということも起こりうる。

そこで本発明では、鋼管溶接部下部を０．５スキツプで
探傷する場合でも、目標の領域を正しく探傷できるよう
にしようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、超音波フェイズドアレイ装置を用いて鋼管溶
接部下部を斜角探傷する方法において、セクタ走査で多
数の超音波ビームを送受信し、超音波ビームを送受信す
る位置と、鋼管溶接部の位置から反射超音波ビームを受
信するゲートを設定し、該ゲート内で最大エコー高さの
反射超音波ビームを選定し、該反射超音波ビームがあら
かじめ定められたスレッシュレベル以上のとき鋼管溶接
下部に欠陥があると判断することを特徴とするものであ
る。

〔作用〕

本発明によれば、鋼管溶接部下部を０．５スキツプで探
傷する場合に、鋼管の探傷断面の非円形性およびプロー
ブの傾きの変化により超音波ビームの伝播方向に変動が
あっても、目標の探傷領域を確実に検査できる。

以下、具体的実施例について図面を参照して詳細に説明
する。

第１図は前述の第２図に示す超音波フェイズドアレイ装
置を用いて行った本発明の一実施例を示す模式図であり
、カップリング装置１０により接触媒質の水とカップリ
ングされたアレイ形プローブｌを用いて鋼管１１の溶接
部１２の下部を、探傷する様子を示している。

鋼管１１の外径・肉厚、プローブｌの位置・傾き、所望
入射角等の設定条件に基づき、コンピュータ５０指令に
より、セクタ走査で超音波ビームを送信する。その際の
セクタ走査は目標の探傷領域に到達するように設定され
た所望入射角を中心に広範囲に渡る多数の超音波ビーム
が送受信できるようにする。該超音波ビームは第６図（
ｂ）と同様に鋼管１１に入射するとスネルの法則に基づ
いて屈折して超音波ビーム６１．・・・・・・、６９と
なるが、その屈折角は鋼管の形状やプローブの傾き等で
変動する。該超音波ビーム６１．・・・・・・、６９は
鋼管１１および溶接部１２の中を伝播し、伝播経路に欠
陥があるとそこで反射して戻ってくる。

受信動作は、前述の第２図の説明の如き方法で行い、セ
クタ走査で送信した全超音波ビームの受信を行い、探傷
データを得る。

このようなセクタ走査による探傷を行っただけでは、前
述の如く屈折角は鋼管の形状やプローブの傾き等で変動
するので超音波ビームは設定通り伝播しているか不明で
あるが、０．５スキツプでの探傷の場合、超音波ビーム
は、鋼管内側で反射することもなく、直接欠陥に当たる
わけであるから、鋼管の形状やプローブの傾き等による
変動が増長されることはないので、該変動による影響は
小さいものと考えられる。つまり、鋼管の内外面で反射
させる１、０．　１．５．２．０スキツプ等の探傷に比
べ、０．５スキツプの超音波ビームは、目標の探傷範囲
から少しは外れることがあるが、大きく外れることはな
いと考えられる。

このことを図で表したのが第１０図であり、（ａ）０．
５スキツプと、（ｂ）　１．０スキツプの比較を示す。

第１０画帳）の１．０スキツプでは、設定通りの超音波
ビーム７３に対し、アレイ形プローブｌが＋０゜５傾い
た場合の超音波ビーム７４は大きく離れてしまうが、第
１θ図（ａ）の０，５スキツプでは、設定通りの超音波
ビーム７１に対し、同じくアレイ形プローブ１が＋〇、
　５°傾いた場合に、超音波ビーム７２はそれほど離れ
ないのがわかる。

そこで、超音波ビーム６１，６３．　・・・・・・、６
９による全探傷範囲をいくつかの範囲に分け、各探傷範
囲毎にゲートを設け、各探傷範囲到達するように設定し
た超音波ビームとその周辺の超音波ビームの中から、コ
ンピュータ５において、各ゲート内の最大エコー高さを
算出し、そのエコー高さをもとに各探傷範囲の検査を行
うものとする。即ち、０．５スキツプの探傷では、超音
波ビームが目標の探傷範囲から少し外れることがあるが
、それは常に最大エコーを監視することでカバーするわ
けである。

第１図において、６１，６２．６３の超音波ビームによ
る探傷データを、全て６２の超音波ビームの設定伝播経
路に基づきゲートをかけてピークエコー高さを求め、そ
れらの３つの最大エコー高さを算出し、その結果を６２
のビームが探傷する範囲の探傷結果とする。同様に６２
．６３．６４のビームにより６３のビームが探傷する範
囲の探傷結果を求めるというようにして、最後に６７゜
６８．６９のビームにより６８のビームが探傷する範囲
の探傷結果を求めるという使い方が一例として考えられ
る。

また、もっと多数の振動子を有するアレイ形プローブを
用いて、前述の屈折角を全て同じにするリニア走査を行
い、各リニア走査点でセクタ走査を行い、各セクタ走査
における最大エコーで探傷する方法でもよい。

〔実施例〕

外径７６ｃｍ（３０インチ）、肉厚１７．５ｒＩｍのＵ
Ｏ鋼管の溶接部にノツチ状の人工欠陥を施したサンプル
に対して、本発明による方法と従来法とで繰り返し探傷
を行い比較した。

アレイ形プローブは、周波数４ＭＨｚ、エレメントピッ
チ０．８国、駆動チャンネル数２４チヤンネルのものを
用い、セクタ走査の真中のビームが偏向角ｏ０で屈折角
５３°となるようにプローブを（頃けた。また、さらに
プローフ゛を０．５〜１°１頃けて人為的に変動を設け
た。

その探傷波形の結果の一例を第１１図に示す。

（ａ）が本発明の方法によるもので、（ロ）通常法によ
るものである。本発明による方法は、通常法に比べ、再
現性が非常に良くなっていることがわかる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、０．５スキツプで鋼管
溶接部を探傷する場合、鋼管探傷断面の非円形性および
プローブの傾きの変化による超音波ビームの伝播方向の
変動があっても、目標の探傷領域を確実に検査でき、検
査の信顛性・再現性が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施状態を示す模式図、第２図は超音
波フェイズドアレイ装置の説明図、第３図および第４図
はリニア走査、セクタ走査の説明図、 第５図はリニア走査法による鋼管探傷方法の説明図、 第６図（ａ）〜（Ｃ）および第７図〜９図は先順におけ
る一実施例を示す図、 第１０図は０．５スキツプと１．０スキツプでの変動程
度の比較を示す図、 第１１図は本発明の実施例における結果の一例を示す図
である。 １ニアレイ形プローブ、　２：超音波送信器群、３：超
音波受信器群、　４：送信制御器、　５：コンピュータ
、　６：受信制御器、　７：Ａ／Ｄ変換器、　８：加算
器、　９：表示装置、１０：カップリング装置、　１１
：鋼管、　１２：鋼管溶接部、　１３：モニター用受信
プローブ、１４：超音波受信器、　１５；ピーク検出器
、２１．２２．・・・・・・２９：超音波ビーム、　３
１，３２．・・・・・・３９：超音波ビーム、４１．４
２．・・・・・・４９　：　ｔｉ音波ヒーム、５１．５
２．・・・・・・５９：超音波ビーム、　６１．６２．
・・・・・・６９：超音波ビーム、　７１．７２，７３
．７４：超音波ビーム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、超音波フェイズドアレイ装置を用いて鋼管溶接部下
   部を斜角探傷する方法において、セクタ走査で多数の超
   音波ビームを送受信し、超音波ビームを送受信する位置
   と、鋼管溶接部の位置から反射超音波ビームを受信する
   ゲートを設定し、該ゲート内で最大エコー高さの反射超
   音波ビームを選定し、該反射超音波ビームがあらかじめ
   定められたスレッシュレベル以上のとき鋼管溶接下部に
   欠陥があると判断することを特徴とする鋼管溶接部の超
   音波探傷方法。