WO2018016303A1 - 超音波探傷装置、超音波探傷方法、溶接鋼管の製造方法、及び溶接鋼管の品質管理方法 - Google Patents

超音波探傷装置、超音波探傷方法、溶接鋼管の製造方法、及び溶接鋼管の品質管理方法 Download PDF

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welded steel
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飯塚　幸理
則明 内富
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Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic flaw detection apparatus, an ultrasonic flaw detection method, a method for manufacturing a welded steel pipe, and a quality control method for a welded steel pipe, which detect flaws in a welded portion of a welded steel pipe.
  • UOE steel pipe U-ing-O-ing Expansion steel tubes
  • LSAW Longitudinal Submerged Arc Welding steel tubes
  • a UOE steel pipe is manufactured by pressing a steel plate into a U shape, pressing it into an O shape, joining the butted portions of the steel plate by submerged arc welding (inner surface welding and outer surface welding), and expanding the tube. Since the UOE steel pipe is applied to a pipeline for energy transportation, not only the quality of the base material but also the quality of the welded part is important for safety and environmental conservation.
  • the oblique angle flaw detection method is a method in which a single probe is used to detect a defect by transmitting an ultrasonic wave with a refraction angle with respect to a welded steel pipe based on Snell's law. It is used to detect cracking defects that occur on the inner and outer surfaces.
  • the tandem flaw detection method is used for flaw detection at the central portion of the welded portion (the groove butting portion). Defects that occur in the thickness center portion of the welded portion are caused by incomplete penetration and exist as plane defects that are parallel to the thickness direction of the welded portion.
  • the ultrasonic wave that hits the plane defect is strongly reflected in the regular reflection direction, but the back reflection is weak. (Noise intensity ratio) decreases.
  • different probes are used for transmission and reception of ultrasonic waves so that regular reflection waves can be received, and these probes are arranged on the circumference of the welded steel pipe. Then, ultrasonic waves are transmitted from one probe, and ultrasonic waves are received by the other probe to detect defects. For this reason, when a plane defect is detected using the tandem flaw detection method, the S / N ratio is higher than when the oblique flaw detection method is used, and the plane defect can be detected with high sensitivity.
  • the tandem flaw detection method has the following problems.
  • the probe calculates (a) the position where the probe is installed using a calculation formula, (b) places the probe at the calculated position, and (c ) It is set by adjusting the angle and installation position of the probe using artificial flaws.
  • This setting procedure is common to the oblique flaw detection method and the tandem flaw detection method.
  • the oblique angle flaw detection method since there is only one probe, it is easy to adjust the angle and installation position of the probe.
  • the tandem flaw detection method since the probes are separated by transmission and reception of ultrasonic waves, it is necessary to adjust the angle and installation position of each probe, and setting work Becomes complicated. For this reason, in the case of the tandem flaw detection method, it is very difficult to adjust the angle and installation position of the probe.
  • an off-seam may occur in which the butting position shifts between the inner surface side and the outer surface side during inner surface welding and outer surface welding.
  • plane defects may be distributed in a wide range in the circumferential direction (pipe circumferential direction) of the welded steel pipe, so a flaw detection method that can cover a wide range in the circumferential direction of the welded steel pipe is required.
  • the tandem flaw detection method has excellent defect detection performance in the vicinity of the position where the ultrasonic wave for transmission and the ultrasonic wave for reception intersect, but because the range is narrow, the circumferential direction of the welded steel pipe when off-seam occurs However, it cannot cover a sufficiently wide range.
  • the normal incidence method is an ultrasonic flaw detection method in which an ultrasonic wave is incident perpendicularly to the central thickness portion of the weld using a single probe, and has the following characteristics.
  • a large refraction angle of about 75 ° to 83 ° is required in order to satisfy the condition that the ultrasonic wave is perpendicularly incident on the plane defect with the size of a welded steel pipe such as a UOE steel pipe.
  • the echo height greatly decreases as the refraction angle increases. This is because the sound pressure reciprocation rate of ultrasonic waves decreases as the refraction angle increases.
  • FIGS. 15A to 15C since the apparent size of the sensor 10 that transmits ultrasonic waves becomes smaller as the refraction angle increases (size D ⁇ size D ′ ⁇ As the refraction angle increases, the ultrasonic wave diffusion attenuation rate increases and the defect detection sensitivity decreases.
  • reference numeral 11 denotes a wedge
  • reference numeral S denotes a welded steel pipe.
  • the electric noise increases in online flaw detection, and therefore, the refraction angle has a practical range of up to about 70. Therefore, the method described in Non-Patent Document 1 does not increase the refraction angle.
  • High-sensitivity flaw detection is realized by combining real-time digital processing (chirp wave pulse compression processing and synchronous addition averaging processing) with the normal incidence method.
  • the defect detection sensitivity changes sensitively to changes in the incident angle of ultrasonic waves.
  • the incident angle of the ultrasonic wave changes depending on the rattling of the mechanism unit that drives the probe and the variation in the acoustic anisotropy of the welded steel pipe. For this reason, it is desired to suppress the influence of the change in the incident angle of the ultrasonic wave on the defect detection sensitivity.
  • the defect detection sensitivity tends to vary depending on individual differences of the operator who performs the adjustment. Therefore, it has been expected to provide a technique capable of suppressing the influence of the change in the incident angle of the ultrasonic wave on the defect detection sensitivity and the variation in the defect detection sensitivity due to manual adjustment by the operator.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic wave capable of suppressing the influence of a change in the incident angle of ultrasonic waves on the defect detection sensitivity and the variation in defect detection sensitivity due to manual adjustment by an operator.
  • An object of the present invention is to provide a flaw detection apparatus and an ultrasonic flaw detection method.
  • Another object of the present invention is to manufacture a welded steel pipe with high weld quality by suppressing the influence of changes in the incident angle of ultrasonic waves on the defect detection sensitivity and the variation in defect detection sensitivity due to manual adjustment by the operator.
  • Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a welded steel pipe and a quality control method for the welded steel pipe.
  • An ultrasonic flaw detection apparatus is an ultrasonic flaw detection apparatus that detects a plane defect existing in a butt portion of a groove in a welded portion of a welded steel pipe, and makes ultrasonic waves enter perpendicularly to a welding root surface.
  • Ultrasonic waves arranged in a position on the outer peripheral surface of the welded steel pipe through a wedge and transmitted to the welding root surface and reflected by the welding root surface are transmitted in the tube axis direction.
  • a matrix array probe for receiving the ultrasonic wave, an ultrasonic transmission / reception unit for controlling the matrix array probe to receive a reflected wave of the ultrasonic wave reflected on the welding route surface, and the ultrasonic wave received by the ultrasonic transmission / reception unit.
  • An evaluation unit that detects the plane defect based on the reflected wave of the sound wave, and the matrix array probe includes a plurality of vibrations arranged in a lattice pattern
  • the array pitch in the tube axis direction of the vibration element is larger than the wavelength of the transmitted and received ultrasonic waves
  • the width of the vibration element in the tube axis direction is the tube axis direction from the tube axis direction center position of the matrix array probe.
  • the width of the vibration element in the tube axis direction and the center coordinate are adjusted so that all the ultrasonic waves from the respective vibration elements overlap within the focal position control range of the ultrasonic wave.
  • the ultrasonic transmission / reception unit changes the refraction angle of the ultrasonic wave at a predetermined angular pitch within a predetermined angular range centered on a predetermined center angle.
  • ultrasonic waves are transmitted to the welding root surface.
  • the ultrasonic flaw detection method according to the present invention includes a step of flaw detection of a plane defect present at a butt portion of a groove in a welded portion of a welded steel pipe using the ultrasonic flaw detection apparatus according to the present invention.
  • the ultrasonic flaw detection method according to the present invention is an ultrasonic flaw detection method according to the present invention, wherein the ultrasonic plane defect is processed at the center position of the welding root surface while changing the refraction angle of the ultrasonic wave at an arbitrary angle pitch within an arbitrary angle range. Transmitting a sound wave, receiving a reflected wave of the ultrasonic wave reflected by the artificial plane defect, and determining a refraction angle when the intensity of the reflected wave of the ultrasonic wave is the strongest as the central angle. To do.
  • a plurality of wedges having different refraction angles are prepared in advance, and when detecting a plane defect, a wedge having a refraction angle close to a desired refraction angle is selected,
  • the method includes a step of using the selected wedge in combination with the matrix array probe.
  • the method for manufacturing a welded steel pipe according to the present invention uses the ultrasonic flaw detector according to the present invention to detect a plane defect present at a butt portion of a groove in a welded part of the welded steel pipe, and based on the flaw detection result, the welded steel pipe Including the step of manufacturing.
  • the quality control method for a welded steel pipe according to the present invention uses the ultrasonic flaw detector according to the present invention to detect a plane defect present at a butt portion of a groove in a welded portion of the welded steel pipe, and welds based on the flaw detection result.
  • the method includes the step of evaluating the quality of the steel pipe.
  • the ultrasonic flaw detection apparatus and the ultrasonic flaw detection method according to the present invention it is possible to suppress the influence of the change in the incident angle of the ultrasonic wave on the defect detection sensitivity and the variation in the defect detection sensitivity due to manual adjustment by the operator. Further, according to the welded steel pipe manufacturing method and the welded steel pipe quality control method according to the present invention, the influence of the change in the incident angle of the ultrasonic wave on the defect detection sensitivity and the variation in the defect detection sensitivity due to manual adjustment by the operator are suppressed. As a result, a welded steel pipe with a high quality welded portion can be produced.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a result of calculating the relationship between the aperture width of the matrix array probe and the effect of increasing the sound pressure of ultrasonic waves at the focal position.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of the vibration element in the tube axis direction.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the installation position of the matrix array probe.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a method of calculating the timing of transmitting ultrasonic waves from each vibration element.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the flow of ultrasonic flaw detection processing according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a method of calculating the center angle of the sector scan.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a configuration of an ultrasonic flaw detector as an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a plan view showing the configuration of the matrix array probe shown in FIG.
  • FIG. 9 is a diagram showing a flow of manufacturing steps of a general UOE steel pipe.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing the arrangement positions of a plurality of matrix array probes provided in the manipulator.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of a matrix array probe for wall thickness center flaw detection.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of the ultrasonic flaw detection result.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of the S / N ratio and the refraction angle of welded steel pipes having different t / D.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of the relationship between the ultrasonic refraction angle and the echo height.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the relationship between the ultrasonic refraction angle and the apparent sensor size.
  • the ultrasonic wave is focused in the tube axis direction in order to realize a high S / N ratio by compensating for a decrease in defect detection sensitivity at a high refraction angle.
  • the defect detection sensitivity when the refraction angle of ultrasonic waves is 80 ° is 12 dB lower than the defect detection sensitivity when the refraction angle of ultrasonic waves is 70 °.
  • the defect detection sensitivity is increased by at least 12 dB by focusing the ultrasonic wave in the tube axis direction.
  • Equation (1) P is the sound pressure near the focal position of the ultrasonic wave
  • P 0 the transmission sound pressure
  • x is the position of the sound field
  • f op is the focal length
  • D is a sensor that transmits the ultrasonic wave
  • ⁇ is the wavelength of the ultrasonic wave
  • J is the focusing factor.
  • the focusing factor J is defined as equation (2).
  • FIG. 1 shows the result of calculating the relationship with the sound pressure of the ultrasonic wave.
  • the sound pressure at a focal position P3 in FIG. FIG. 1 illustrates the change in sound pressure for each focal position and aperture width with reference to the sound pressure in the case of non-focusing by an ultrasonic probe having an oscillator size (aperture width) of 8 mm as a reference (that is, 0 dB).
  • an ultrasonic probe having an oscillator size (aperture width) of 8 mm as a reference (that is, 0 dB).
  • the phased array type ultrasonic flaw detection method a grating lobe that is an unnecessary signal peak is generated, which causes noise. For this reason, it is desirable not to generate grating lobes as much as possible.
  • the following formula (3) is known as a condition of the arrangement pitch (vibration element pitch) Ep of vibration elements for preventing generation of grating lobes.
  • ⁇ represents the wavelength of the ultrasonic wave
  • ⁇ represents the polarization angle.
  • the phased array type means that (i) the transmission direction and the reception direction of the ultrasonic wave are controlled by transmitting and receiving ultrasonic waves with a phase delay from the vibration elements arranged in an array, and (ii) the ultrasonic wave is transmitted. (Iii) electronic scanning without mechanical scanning of the vibrating element position.
  • the vibration element pitch Ep for preventing the generation of the grating lobe is about 0.46 mm. That is, when the vibration element pitch Ep is 0.46 mm or less, no grating lobe is generated.
  • the aperture width in the tube axis direction of the matrix array probe needs to be a large aperture of 35 mm. It is enough.
  • the arrangement position of the vibration element in the tube axis direction when the vibration element pitch Ep is larger than the wavelength ⁇ of the ultrasonic wave is examined.
  • the size of the vibrating element pitch Ep In order to configure a preset opening width W with N vibrating elements, the size of the vibrating element pitch Ep must be W / N.
  • the vibration element width Ew is smaller than the vibration element pitch Ep.
  • the vibration element width Ew is increased, the directivity angles of the vibration elements are narrowed, and the directivity angles of the vibration elements overlap with each other farther than the surface on which the vibration elements are arranged. In this case, on the side close to the position where the vibration element is disposed, the directivity angles of the vibration elements do not overlap, and it becomes difficult to sufficiently focus the ultrasonic waves.
  • the vibration element width Ew of the vibration element is reduced, the directivity angle of each vibration element is widened, so that the directivity angles of the vibration elements overlap on the side closer to the surface where the vibration element is disposed.
  • ultrasonic flaw detection is performed using a matrix array probe in which vibration elements are arranged as shown in FIG.
  • the vibration element width is Ew n
  • the vibration element pitch is Ep.
  • the directivity angle ⁇ n of the n- th vibration element 2 n can be calculated by the following mathematical formula (4).
  • the vibration element width Ew n and the center coordinate X n satisfying the following formula (5) are calculated, and each vibration element is arranged at the calculated position.
  • Equation (5) the angle theta n, connecting the n-th transducer elements 2 n normal L n and n-th oscillation element 2 n center coordinates of X n and the focal position P1 passing through the center coordinate X n lines
  • This is an angle formed by the minute L n ′ and can be calculated by the following formula (6).
  • the directivity angle ⁇ n is larger than the angle ⁇ n , the ultrasonic waves sufficiently overlap after the focal position P1. Thereby, generation
  • Xc represents the center position of the matrix array probe. Further, it is desirable that the vibration element pitch Ep is as small as possible.
  • the installation position of the matrix array probe 2 in the ultrasonic flaw detection shown in FIG. 3 can be calculated from the following mathematical formulas (7) and (8) using the wall thickness t and the outer diameter R of the welded steel pipe S.
  • the PWD represented by the mathematical formula (8) is a distance from the ultrasonic incident position P2 on the circumference of the welded steel pipe S to the focal position (groove butt position) P3 where the defect exists. Is shown.
  • the distance TF that the ultrasonic wave propagates through the steel can be calculated by the following formula (9).
  • the height of the wedge 3 when the H, the velocity of sound in wedge 3 Vw, when the shear wave velocity in steel and Vs, the focal length f p of the ultrasonic wave can be calculated by the equation (10) shown below.
  • ⁇ i represents the incident angle of the ultrasonic wave
  • ⁇ r represents the refraction angle of the ultrasonic wave
  • O represents the center position of the welded steel pipe S.
  • the propagation time of the ultrasonic wave from the arrangement position of each vibration element to the focal position P3 is calculated. Specifically, as shown in the following equation (11), by dividing the distance d n from the position of the n th oscillation element at the speed of sound Vw in the wedge to the focus position P3, the n-th transducer elements it can be determined propagation time T n of the ultrasound from the placement position to the focus position P3.
  • the propagation time T n is obtained by performing the above-described calculation for each of the first to m-th vibrating elements. Subsequently, the maximum value (maximum propagation time) T max of the propagation time T n obtained for each vibration element is calculated as shown in the following formula (12). Then, as shown in the following formula (13), the maximum propagation time T max is subtracted from each propagation time T n , and the absolute time is set as the timing (delay time Td n ) for transmitting the ultrasonic wave in each vibration element. . Thereby, an ultrasonic wave can be focused on the focal position P3.
  • the refraction angle is increased. Accordingly, the apparent size of the sensor (ultrasonic probe) that transmits ultrasonic waves is reduced. Further, as shown in Equation (2), the size of the focusing coefficient J is proportional to the square value of the size of the sensor that transmits ultrasonic waves. For this reason, in this case, in order to obtain a sufficient sound pressure, the size of the sensor that transmits the ultrasonic waves must be increased, which is not practical.
  • the size of the sensor to be transmitted needs to be 50 mm or more, for example. If it is attempted to apply a sensor having such a large aperture width in the C direction, the approach limit distance becomes large and the propagation distance of the ultrasonic wave becomes long, and as a result, the effect of increasing the sound pressure by focusing is sufficiently obtained. It becomes impossible. Therefore, it is not very realistic. Therefore, in the present invention, the ultrasonic waves are focused in the tube axis direction, not in the radial cross-sectional direction of the welded steel pipe perpendicular to the tube axis direction.
  • ultrasonic flaw detection processing In the present invention, the sensitivity of the matrix array probe is calibrated after adjusting the incident angle condition and the focusing condition of the ultrasonic wave by using a calibration test piece in which the artificial plane defect is processed at the butt portion of the groove. It is desirable to perform a flaw detection process. Specifically, ultrasonic flaw detection processing is performed according to the flow shown in FIG. As shown in FIG. 5, in the case of ultrasonic flaw detection processing, first, initial conditions for ultrasonic flaw detection are calculated (step S1).
  • the ultrasonic incident angle is set in the C direction while focusing the ultrasonic waves in the installation position (incident position) P2 and the tube axis direction for vertically inputting the ultrasonic waves to the center position Xc of the welding root surface.
  • the delay time of each vibration element for flaw detection while shaking is calculated.
  • the focal point P3 of the ultrasonic wave can be calculated from the position of the artificial plane defect, the incident position of the ultrasonic wave, and the installation position of the matrix array probe.
  • a matrix array probe and a wedge (probe) are installed on the outer peripheral surface of the welded steel pipe so that ultrasonic waves can be incident on the incident position P2 calculated in the process of step S1 (step S2).
  • ultrasonic waves focused in the tube axis direction with the calculated delay time of each vibration element are transmitted and received while varying the incident angle in the C direction (step S3).
  • ultrasonic waves are scanned at an angular pitch Rd such as 1 ° (sector scan) within an angle range from the refraction angle R min to the refraction angle R max (sector scan). and, then, recording the echo intensities from defects in each angle, it detects the highest echo intensity is higher refractive angle around the angle R c flaw detection.
  • DF indicates an artificial plane defect.
  • step S4 various setting values for performing ultrasonic flaw detection are calculated (step S4), and the sensitivity of each vibration element is adjusted so that the intensity of the output signal of each vibration element falls within a predetermined range in accordance with the calculated various setting values.
  • Calibration is performed (step S5). And thereafter scans the refracted angle at a predetermined angular pitch of 2 ° or the like within a predetermined angular range, such as ⁇ 4 ° about a central angle R c determined in step S3 performing ultrasonic flaw detection (step S6).
  • the angle range and angle pitch of the sector scan are determined by the operator according to variables such as the pipe diameter and thickness of the welded steel pipe, the acoustic anisotropy of the welded steel pipe, and the frequency of the ultrasonic wave used.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a configuration of an ultrasonic flaw detector as an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a plan view showing the configuration of the matrix array probe shown in FIG. 7 and 8, the L direction indicates the tube axis direction, the C direction indicates a direction orthogonal to the tube axis direction in the horizontal plane, and the Z direction indicates a direction orthogonal to the L direction and the C direction.
  • an ultrasonic flaw detector 1 includes a matrix array probe 2, a wedge 3, an ultrasonic transmission / reception unit 4, and an evaluation unit 5 as main components.
  • the matrix array probe 2 is configured on the outer surface of the welded steel pipe S to be inspected, and transmits and receives ultrasonic waves UB to and from the welded steel pipe S via the wedge 3.
  • the matrix array probe 2 is constituted by 128-ch vibration elements arranged in a lattice pattern, and 16-ch vibration elements in the L direction and 8 ch vibration elements are arranged in the C direction.
  • the vibration element width of each vibration element is designed to gradually decrease from the center position in the L direction toward the outside.
  • the vibration element width Ew and the center coordinate X n of each vibration element are expressed by the above formula (5). Designed to satisfy.
  • the opening width in the L direction of the matrix array probe 2 is about 34 mm
  • the opening width in the C direction is about 10 mm.
  • the wedge 3 is composed of a polyhedron having an installation surface on which the matrix array probe 2 is installed, and is formed of polystyrene.
  • the sound velocity in the wedge 3 is 2340 m / sec
  • a plurality of wedges 3 having ultrasonic refraction angles of 60 °, 65 °, 70 °, and 80 ° are prepared and calculated theoretically. that is attached to wedge 3 refraction angle theta r is closest to the incident position P2 of the ultrasonic UB performing ultrasonic flaw detection.
  • the refraction angle ⁇ r from the incident position P2 of the ultrasonic wave UB is 3230 m / sec. Then, it is calculated as 73.4 °. Therefore, in this case, ultrasonic flaw detection is performed by attaching the wedge 3 having the refraction angle ⁇ r of the ultrasonic wave UB of 75 ° to the matrix array probe 2.
  • the thickness central portion of the welded portion is flaw-detected, but the flaw detection range of the present invention is not limited to the thickness central portion of the welded portion, and is a range where ultrasonic waves are irradiated. It is possible to detect a plane defect inside.
  • the ultrasonic transmission / reception unit 4 outputs an ultrasonic signal transmission / reception command to the vibration element provided in the matrix array probe 2, thereby superimposing the welded portion of the welded steel pipe S according to the ultrasonic flaw detection processing shown in FIG. 5.
  • the ultrasonic transmission / reception unit 4 is configured by an information processing device such as a microcomputer, and executes a computer program that defines the ultrasonic flaw detection processing shown in FIG. The sound flaw detection process is executed.
  • the ultrasonic transmission / reception unit 4 outputs an ultrasonic signal reflected from the welded portion received by the matrix array probe 2 to the evaluation unit 5.
  • WB indicates a weld bead
  • CL indicates a center position of the welded portion with respect to the circumferential direction of the welded steel pipe S
  • P3 indicates a focal position.
  • the evaluation unit 5 performs a predetermined process on the ultrasonic signal output from the ultrasonic transmission / reception unit 4 and then determines whether or not a defect exists in the weld based on the ultrasonic signal subjected to the predetermined process. Execute quality evaluation of welded parts of welded steel pipes. Specifically, the evaluation unit 5 determines whether or not the intensity of the ultrasonic signal is equal to or higher than a predetermined threshold. If the intensity of the ultrasonic signal is equal to or higher than the predetermined threshold, a defect exists in the weld. judge. The evaluation unit 5 provides the operator with information regarding the quality evaluation result of the welded portion of the welded steel pipe by outputting and recording the quality evaluation result of the welded portion of the welded steel pipe.
  • the ultrasonic flaw detector 1 is also used for manual inspection by the inspector.
  • the quality of the welded portion of the UOE steel pipe was evaluated using the ultrasonic flaw detector 1 which is an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic flaw detector 1 according to one embodiment of the present invention was applied to the manufacturing process of a general UOE steel pipe shown in FIG.
  • the manufacturing process of the UOE steel pipe shown in FIG. 9 first, U-shaped pressing and O-shaped pressing are sequentially performed on the thick steel plate (steps S11 and S12), and then the inner surface side and outer surface side of the butt portion of the thick steel plate Are welded together (steps S13 and S14), and ultrasonic inspection processing (UT) and radiation transmission inspection processing (RT) of the welded portion are executed (steps S15 and S16).
  • step S17 After performing a pipe expanding process on the welded steel pipe (step S17), a water pressure test is performed (step S18), and an ultrasonic flaw inspection process (UT) and a radiographic inspection process (RT) of the welded portion are executed again. (Steps S19 and S20). Finally, after the end surface finishing process, appearance dimension inspection process, pipe end radiation transmission inspection process, basis weight measurement process, and inner / outer surface coating process are performed on the welded steel pipe (steps S21 to S25, the welded steel pipe is In this embodiment, the ultrasonic flaw detection apparatus 1 according to one embodiment of the present invention is applied to the ultrasonic flaw detection inspection processing in steps S15 and S19.
  • a manipulator including a plurality of matrix array probes 2A to 2H as shown in FIG. 10 is disposed in the ultrasonic flaw detector.
  • the matrix array probes 2A and 2B are for flaw detection at the central portion
  • the matrix array probes 2C and 2D are for flaw detection
  • the matrix array probes 2E and 2F are for flaw detection
  • the matrix array probes 2G and 2H are Each part plays a role such as for bead part flaw detection.
  • the manipulator attaches each matrix array probe to the welded steel pipe S, and performs ultrasonic flaw detection inspection processing of the welded part while advancing the welded steel pipe S in the longitudinal direction (conveying direction).
  • the embodiment shown in FIG. 7 is applied to the matrix array probes 2A and 2B for wall thickness center flaw detection, and the other matrix array probes are obliquely phased.
  • the configuration is such that the array UT technology is applied.
  • the details of the configuration of the matrix array probes 2A and 2B for wall thickness center flaw detection will be described with reference to FIGS. 11 (a) and 11 (b).
  • the plurality of matrix array probes 2A to 2H are arranged so as to perform flaw detection from both sides with the weld bead WB sandwiched for each ultrasonic flaw detection site.
  • the matrix array probes 2A and 2B for wall thickness center flaw detection were arranged so that flaw detection was performed from both sides with the weld bead WB interposed therebetween. Further, as shown in FIG.
  • the matrix array probes 2A and 2B to be paired are arranged with a shift of about 5 mm with respect to the tube axis direction.
  • the transmitted propagation wave of the ultrasonic wave transmitted from the paired matrix array probes 2A and 2B becomes noise and the detection performance is lowered. Therefore, the matrix array probes 2A and 2B to be paired are shifted in the tube axis direction.
  • ultrasonic waves were transmitted and received with a focused beam.
  • matrix phased array probes 2A and 2B having an opening width of about 34 mm in the tube axis direction and an opening width of 5 to 18 mm in the tube circumferential direction were used so that the beam width was a minimum of 1 mm or less. For this reason, it is difficult to adjust the ultrasonic wave to the position of the artificial scratch when adjusting the sensitivity.
  • a mechanism is provided that can accurately scan the matrix array probes including the matrix array probes 2A and 2B for flaw detection at the thickness center portion individually in the tube axis direction. Specifically, as shown in FIG.
  • each matrix array probe is connected to a manipulator 7 via a scanning mechanism 6, and each matrix array probe is connected to the L direction LA, LB, and C direction by the scanning mechanism 6. It was configured to be movable to CA and CB. Note that the opening width in the tube circumferential direction varies depending on the sector scan conditions and the beam diameter, for example, it is desired to irradiate ultrasonic waves in a range of 1/3 of the wall thickness.
  • FIGS. 12 (a) and 12 (b) An example of the results of actual ultrasonic flaw detection is shown in FIGS. 12 (a) and 12 (b).
  • the flaw detection (sector scan) was performed with three ultrasonic beams having a pitch of 3 ° with respect to the central refraction angle.
  • FIGS. 12 (a) and 12 (b) show an outer diameter of 56 inches and 12.7 mm, respectively, in which artificial flaws (flat bottom holes) of ⁇ 3.0 mm are formed in the welded portion in advance using the matrix array probe 2A and the matrix array probe 2B.
  • 5 shows the results of flaw detection on the welded steel pipe (vertical axis: echo height, horizontal axis: position in the pipe axis direction). As shown in FIGS.
  • an ultrasonic flaw detection apparatus and an ultrasonic flaw detection method capable of suppressing the influence of a change in the incident angle of ultrasonic waves on the defect detection sensitivity and the variation in defect detection sensitivity due to manual adjustment by an operator.
  • a welded steel pipe capable of producing a welded steel pipe with high weld quality by suppressing the influence of a change in the incident angle of ultrasonic waves on the defect detection sensitivity and the variation in defect detection sensitivity due to manual adjustment by the operator.
  • a steel pipe manufacturing method and a welded steel pipe quality control method can be provided.

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Abstract

超音波探傷装置１は、溶接ルート面に対して垂直に超音波を入射させることが可能な溶接鋼管Ｓの外周面上の位置にウェッジ３を介して配置された、管軸方向において集束された超音波を溶接ルート面に送信すると共に溶接ルート面において反射された超音波を受信するマトリクスアレイプローブ２と、溶接ルート面において反射された超音波の反射波を受信するようにマトリクスアレイプローブ２を制御する超音波送受信部４と、超音波送受信部４が受信した超音波の反射波に基づいて平面欠陥を探傷する評価部５と、を備える。

Description

超音波探傷装置、超音波探傷方法、溶接鋼管の製造方法、及び溶接鋼管の品質管理方法
　本発明は、溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷する超音波探傷装置、超音波探傷方法、溶接鋼管の製造方法、及び溶接鋼管の品質管理方法に関する。
　管軸方向に対する溶接プロセスを用いて造管される溶接鋼管として、電縫溶接鋼管やＵＯＥ（U-ing O-ing Expansion）鋼管（ＬＳＡＷ（Longitudinal Submerged Arc Welding）鋼管）等が知られている。ＵＯＥ鋼管は、鋼板をＵ型にプレス加工した後にＯ型にプレス加工し、鋼板の突き合わせ部分をサブマージドアーク溶接（内面溶接と外面溶接）で接合し、拡管することによって製造される。ＵＯＥ鋼管は、エネルギー輸送用パイプラインに適用されることから、母材の品質は勿論のこと、溶接部の品質も安全上及び環境保全上重要である。
　一般に、溶接鋼管の溶接部の品質検査は、超音波探傷法、より具体的には斜角探傷法及びタンデム探傷法を用いて行われる（特許文献１参照）。斜角探傷法は、１つの探触子を用いてスネルの法則に基づいて溶接鋼管に対して屈折角度を持たせて超音波を送信して欠陥を探傷する方法であり、溶接部の肩部の内外面に発生する割れ欠陥を探傷するために用いられる。これに対して、溶接部の肉厚中央部分（開先の突き合わせ部分）における欠陥の探傷にはタンデム探傷法が用いられる。溶接部の肉厚中央部分に発生する欠陥は、溶け込み不良（incomplete penetration）によって発生するものであり、溶接部の肉厚方向に対して平行な平面欠陥として存在する。
　斜角探傷法を用いて平面欠陥を探傷しようとすると、平面欠陥に当たった超音波は正反射方向に強く反射されるのに対して後方反射は弱いために、Ｓ／Ｎ比（受信信号強度対ノイズ強度比）が低下する。これに対して、タンデム探傷法では、正反射波を受信できるように超音波の送信と受信とでそれぞれ異なる探触子を用い、これらの探触子を溶接鋼管の円周上に配置する。そして、一方の探触子から超音波を送信し、他方の探触子で超音波を受信して欠陥を探傷する。このため、タンデム探傷法を用いて平面欠陥を探傷した場合には、斜角探傷法を用いた場合と比較して、Ｓ／Ｎ比が高くなり、平面欠陥を感度よく検出できる。
　ところが、タンデム探傷法には以下に述べる課題が存在する。
（１）セッティングの難しさ
　一般に、探触子は、（ａ）計算式を用いて探触子の設置位置を計算し、（ｂ）計算された設置位置に探触子を配置し、（ｃ）人工傷を用いて探触子の角度及び設置位置を調整することによって、セッティングされる。このセッティング手順は、斜角探傷法とタンデム探傷法とで共通である。ところが、斜角探傷法の場合、探触子が１つだけであるので、探触子の角度及び設置位置の調整は容易である。これに対して、タンデム探傷法の場合には、超音波の送信と受信とで探触子を分離しているために、各探触子について角度及び設置位置を調整する必要があり、セッティング作業が複雑になる。このため、タンデム探傷法の場合には、探触子の角度及び設置位置の調整が非常に難しくなる。
（２）溶接部の形状の影響
　溶接部の肉厚が約２０ｍｍ以下になると、溶接部の内面又は外面での反射時に超音波の伝搬経路が曲がることによって、超音波が平面欠陥に当たりにくくなり、平面欠陥の検出感度が低下する。
（３）オフシームの影響
　内面溶接時及び外面溶接時に突き合わせ位置が内面側と外面側とでずれるオフシームが発生することがある。オフシームが発生した場合、平面欠陥は溶接鋼管の円周方向（管周方向）の広い範囲に分布する可能性があるため、溶接鋼管の円周方向の広い範囲をカバーできる探傷法が必要である。しかしながら、タンデム探傷法は、送信用の超音波と受信用の超音波とが交差する位置近傍では優れた欠陥検出性能を有するが、その範囲が狭いために、オフシーム発生時に溶接鋼管の円周方向に対して十分に広い範囲をカバーできない。
　そこで、これらの課題を解決する方法として、垂直入射法（非特許文献１参照）が提案されている。垂直入射法は、１つの探触子を用いて溶接部の肉厚中央部分に対して垂直に超音波を入射させる方式の超音波探傷法であり、以下に示す特徴を有している。
（Ａ）セッティングが容易
　１つの探触子で超音波を送受信するため、タンデム探傷法のように複数の探触子をセッティングする際の煩わしさがない。
（Ｂ）溶接部の形状の影響を受けない
　溶接部の形状によって超音波の伝搬経路が変化しないため、平面欠陥に対して垂直に超音波を送信し、平面欠陥を感度よく検出することができる。
（Ｃ）溶接鋼管の円周方向に対して広い検出可能範囲を有する
　溶接部全体に超音波が入射するため、溶接鋼管の円周方向に対するカバー範囲が広い。
　ところが、ＵＯＥ鋼管等の溶接鋼管の大きさで超音波が平面欠陥に垂直に入射する条件を満たすためには、７５°から８３°程度の大きな屈折角度が必要になる。一方、図１４に示すように、エコー高さは屈折角度の増加に伴い大きく減少する。これは、屈折角度の増加に伴い超音波の音圧往復通過率が低下するためである。また、図１５（ａ）～（ｃ）に示すように、屈折角度の増加に伴い超音波を送信するセンサ１０の見かけ上の大きさが小さくなるために（大きさＤ→大きさＤ’→大きさＤ”）、屈折角度の増加に伴い超音波の拡散減衰率が増加することによって欠陥検出感度が低下する。なお、図１５中、符号１１はウェッジ、符号Ｓは溶接鋼管を示す。さらに、オンライン探傷では電気性ノイズが増大する。このため、屈折角度の大きさは７０°程度までが実用的な範囲となる。そこで、非特許文献１記載の方法は、屈折角度を大きくすることなく、垂直入射法にリアルタイムデジタル処理（チャープ波パルス圧縮処理及び同期加算平均処理）を組み合わせることによって高感度探傷を実現している。
国際公開第２０１４／００７０２３号
"高性能ＵＯＥ鋼管溶接部自動超音波探傷装置"、飯塚幸理ら、ＮＫＫ技報、No.175(2001.12)、p.36-40
　しかしながら、垂直入射法を用いた場合には、超音波の入射角度の変化に対して欠陥検出感度が敏感に変化する。超音波の入射角度は、探触子を駆動する機構部のがたつきや溶接鋼管の音響異方性のばらつきによって変化する。このため、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響を抑制することが望まれる。一方、探触子の設置角度及び設置位置の微調整はオペレータが手動で行うために、調整を行うオペレータの個人差に応じて欠陥検出感度がばらつきやすい。このため、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響及びオペレータの手動調整による欠陥検出感度のばらつきを抑制可能な技術の提供が期待されていた。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響及びオペレータの手動調整による欠陥検出感度のばらつきを抑制可能な超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響及びオペレータの手動調整による欠陥検出感度のばらつきを抑制することにより溶接部の品質が高い溶接鋼管を製造可能な溶接鋼管の製造方法、及び溶接鋼管の品質管理方法を提供することにある。
　本発明に係る超音波探傷装置は、溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷する超音波探傷装置であって、溶接ルート面に対して垂直に超音波を入射させることが可能な前記溶接鋼管の外周面上の位置にウェッジを介して配置された、管軸方向において集束された超音波を前記溶接ルート面に送信すると共に前記溶接ルート面において反射された超音波を受信するマトリクスアレイプローブと、前記溶接ルート面において反射された前記超音波の反射波を受信するように前記マトリクスアレイプローブを制御する超音波送受信部と、前記超音波送受信部が受信した前記超音波の反射波に基づいて前記平面欠陥を探傷する評価部と、を備え、前記マトリクスアレイプローブは、格子状に配列された複数の振動素子を有し、前記振動素子の管軸方向における配列ピッチが送受信される超音波の波長より大きく、前記振動素子の管軸方向の幅が前記マトリクスアレイプローブの管軸方向中心位置から管軸方向外側に向かって小さくなっており、前記振動素子の管軸方向の幅及び中心座標が前記超音波の焦点位置制御範囲内において各振動素子からの超音波が全て重なるように調整されていることを特徴とする。
　本発明に係る超音波探傷装置は、上記発明において、前記超音波送受信部が、予め求められた中心角度を中心とする所定の角度範囲内で超音波の屈折角度を所定の角度ピッチで変化させながら前記溶接ルート面に超音波を送信することを特徴とする。
　本発明に係る超音波探傷方法は、本発明に係る超音波探傷装置を利用して溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷するステップを含むことを特徴とする。
　本発明に係る超音波探傷方法は、上記発明において、任意の角度範囲内で超音波の屈折角度を任意の角度ピッチで変化させながら前記溶接ルート面の中心位置に加工された人工平面欠陥に超音波を送信し、該人工平面欠陥において反射された前記超音波の反射波を受信し、超音波の反射波の強度が最も強いときの屈折角度を前記中心角度として求めるステップを含むことを特徴とする。
　本発明に係る超音波探傷方法は、上記発明において、前記屈折角度が異なる複数のウェッジを予め用意し、平面欠陥を探傷する際は、所望の屈折角度に近い屈折角度を有するウェッジを選択し、選択したウェッジと前記マトリクスアレイプローブとを組み合わせて用いるステップを含むことを特徴とする。
　本発明に係る溶接鋼管の製造方法は、本発明に係る超音波探傷装置を利用して溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷し、探傷結果に基づいて溶接鋼管を製造するステップを含むことを特徴とする。
　本発明に係る溶接鋼管の品質管理方法は、本発明に係る超音波探傷装置を利用して溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷し、探傷結果に基づいて溶接鋼管の品質を評価するステップを含むことを特徴とする。
　本発明に係る超音波探傷装置及び超音波探傷方法によれば、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響及びオペレータの手動調整による欠陥検出感度のばらつきを抑制することができる。また、本発明に係る溶接鋼管の製造方法、及び溶接鋼管の品質管理方法によれば、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響及びオペレータの手動調整による欠陥検出感度のばらつきを抑制することにより溶接部の品質が高い溶接鋼管を製造することができる。
図１は、マトリクスアレイプローブの開口幅と焦点位置での超音波の音圧上昇の効果との関係を計算した結果の一例を示す図である。 図２は、管軸方向における振動素子の構成を説明するための図である。 図３は、マトリクスアレイプローブの設置位置を説明するための図である。 図４は、各振動素子から超音波を送信するタイミングを計算する方法を説明するための図である。 図５は、本発明の一実施形態である超音波探傷処理の流れを示すフローチャートである。 図６は、セクタースキャンの中心角度の算出方法を説明するための図である。 図７は、本発明の一実施形態である超音波探傷装置の構成を示す模式図である。 図８は、図７に示すマトリックスアレイプローブの構成を示す平面図である。 図９は、一般的なＵＯＥ鋼管の製造工程の流れを示す図である。 図１０は、マニピュレーターが備える複数のマトリクスアレイプローブの配置位置を示す模式図である。 図１１は、肉厚中央部探傷用のマトリクスアレイプローブの構成を示す模式図である。 図１２は、超音波探傷結果の一例を示す図である。 図１３は、ｔ／Ｄの異なる溶接鋼管のＳ／Ｎ比及び屈折角度の一例を示す図である。 図１４は、超音波の屈折角度とエコー高さとの関係の一例を示す図である。 図１５は、超音波の屈折角度と見かけ上のセンサの大きさとの関係を説明するための図である。
〔管軸方向における超音波の集束〕
　本発明では、垂直入射法を利用した超音波探傷方法において、高屈折角度時における欠陥検出感度の低下を補って高いＳ／Ｎ比を実現するために、管軸方向において超音波を集束させる。具体的には、超音波の屈折角度が８０°である時の欠陥検出感度は、超音波の屈折角度が７０°である時の欠陥検出感度と比較して１２ｄＢ低下する。このため、超音波の屈折角度が８０°である時には、管軸方向において超音波を集束させることによって少なくとも１２ｄＢ以上、欠陥検出感度を上昇させる。
　なお、管軸方向において超音波を集束させることによって得られる欠陥検出感度上昇の効果は、以下に示す数式（１）を用いて評価できる。具体的には、数式（１）から、音波を集束した際の焦点付近の音圧を計算することができる。ここで、数式（１）中、Ｐは超音波の焦点位置付近の音圧、Ｐ０は送信音圧、ｘは音軸場の位置、ｆｏｐは焦点距離、Ｄは超音波を送信するセンサの大きさ、λは超音波の波長、Ｊは集束係数を示す。集束係数Ｊは数式（２）として定義される。但し、数式（１）においてｘ＝ｆｏｐである場合、Ｐ／Ｐ０＝πＪとして音圧が計算される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、ウェッジ中の音速を２３４０ｍ／ｓｅｃ、鋼中の横波音速を３２３０ｍ／ｓｅｃ、ウェッジの高さを２５ｍｍとして、超音波を送信するセンサの管軸方向の幅（開口幅）と焦点位置での超音波の音圧との関係を計算した結果を図１に示す。具体的には、後述する図４における焦点位置Ｐ３における音圧を示している。図１では、振動子サイズ（開口幅）８ｍｍの超音波プローブによる非集束な場合の音圧を基準（即ち０ｄＢ）として、焦点位置と開口幅毎の音圧の変化を図示している。図１に示すように、センサの開口幅が大きくなるほど、焦点位置で強い音圧が得られることがわかる。具体的には、鋼中を伝わって達する焦点位置が４０ｍｍから１６０ｍｍの範囲内にある時に当該焦点位置で１２ｄＢ以上の強い音圧を得るためには、３０ｍｍ程度の開口幅が必要であることがわかる。一方、十分にセクタースキャンを行うためには、少なくとも８ｃｈ以上の振動素子（振動子ともいう）を用いることが望ましい。このため、センサとして１２８ｃｈのマトリクスアレイプローブを用いる場合には、センサを構成する振動素子を１６ｃｈ×８ｃｈの配列とし、超音波を集束させる管軸方向において十分な欠陥検出感度の上昇効果を得るためには３０ｍｍといった大きな開口幅が必要になることから管軸方向を１６ｃｈとし、セクタースキャンを行う管周方向を８ｃｈとするとよい。
　一方、フェーズドアレイ式の超音波探傷方法では、不要な信号のピークであるグレーティングローブが発生し、これがノイズの原因となる。このため、グレーティングローブは可能な限り発生させないことが望ましい。一般的に、グレーティングローブを発生させないための振動素子の配列ピッチ（振動素子ピッチ）Ｅｐの条件として、以下に示す数式（３）が知られている。数式（３）中、λは超音波の波長、θは偏光角度を示している。なお、フェーズドアレイ式とは、アレイ状に配置された振動素子から位相を遅延させた超音波を送受信することで、（ｉ）超音波の送信方向及び受信方向を制御、（ｉｉ）超音波を集束させる、（ｉｉｉ）振動素子位置を機械的に走査することなく電子走査する、ことが可能な方法である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、ウェッジ中の音速を２３４０ｍ／ｓｅｃ、超音波の周波数を溶接鋼管探傷において一般的に用いられる５ＭＨｚ、管軸方向に対して偏光角度を０°とした場合、上記数式（３）に従えば、グレーティングローブを発生させないための振動素子ピッチＥｐは約０．４６ｍｍとなる。すなわち、振動素子ピッチＥｐが０．４６ｍｍ以下であれば、グレーティングローブは発生しないことになる。
　しかしながら、振動素子ピッチＥｐを０．４６ｍｍとして管軸方向に振動素子を１６ｃｈ配置したとしても、マトリクスアレイプローブの管軸方向の開口幅は７．３６ｍｍ（＝０．４６ｍｍ×１６ｃｈ）にしかならない。既述の通り、超音波の集束によって高屈折角度時における欠陥検出感度の低下を補うためには、マトリクスアレイプローブの管軸方向の開口幅は３５ｍｍといった大開口である必要があり、このままでは不十分である。
　そこで、振動素子ピッチＥｐが超音波の波長λより大きい場合における管軸方向における振動素子の配置位置について検討する。いまＮ個の振動素子で予め設定された開口幅Ｗを構成するためには、振動素子ピッチＥｐの大きさはＷ／Ｎでなければならない。当然、振動素子幅Ｅｗは振動素子ピッチＥｐより小さい。振動素子ピッチＥｐが超音波の波長λより大きい場合には、振動素子ピッチＥｐに対して振動素子幅Ｅｗをできるかぎり大きくすることが好ましい。これにより、グレーティングローブは低下する。具体的には、メインローブに対してグレーディングローブを－１２ｄＢ以下にするためにはＥｗ／Ｅｐ≧０．８４となるように、－１８ｄＢ以下にするためにはＥｗ／Ｅｐ≧０．９４となるように振動素子ピッチＥｐ及び振動素子幅Ｅｗを設計する。
　しかしながら、振動素子幅Ｅｗを大きくすると、振動素子の指向角が狭くなり、各振動素子の指向角は振動素子が配置されている面よりも遠くで重なることになる。この場合、振動素子の配置位置に近い側では、各振動素子の指向角が重ならず、超音波を十分に集束させることが困難になる。一方、振動素子の振動素子幅Ｅｗを小さくすれば、各振動素子の指向角が広がるため、振動素子が配置されている面からより近い側では各振動素子の指向角が重なる。これにより、振動素子幅Ｅｗが広い場合と比較してより手前から超音波を集束させることができるが、逆にグレーティングローブは発生しやすくなる。
　そこで、本発明では、図２に示すように振動素子が配置されたマトリクスアレイプローブを用いて超音波探傷を行う。図２に示すマトリクスアレイプローブでは、管軸方向（Ｘ方向）の中心位置（Ｘ＝Ｘｃ）に振動素子幅Ｅｗが最も大きい振動素子２ｎ，２ｎ＋１が配置され、管軸方向の中心位置（Ｘ＝Ｘｃ）から外側に向かうにつれて徐々に振動素子の振動素子幅Ｅｗが小さくなっている。なお、図２中、ｎ（＝１～ｍ）番目の振動素子の中心座標をＸｎ、振動素子幅をＥｗｎ、振動素子ピッチをＥｐとしている。また、ｎ番目に配置されている振動素子２ｎの指向角φｎは、以下に示す数式（４）により算出できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、中心位置（Ｘ＝Ｘｃ）から探傷における最も近い焦点位置Ｐ１までの距離を焦点距離ｆｍｉｎとしたとき、焦点距離ｆｍｉｎ以後で各振動素子から送信された超音波が十分に重なり、広い焦点位置範囲を実現するためには、以下の数式（５）を満足する振動素子幅Ｅｗｎ及び中心座標Ｘｎを計算し、計算された位置に各振動素子を配置すればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　数式（５）において、角度θｎは、ｎ番目の振動素子２ｎの中心座標Ｘｎを通る法線Ｌｎとｎ番目の振動素子２ｎの中心座標Ｘｎと焦点位置Ｐ１とを結ぶ線分Ｌｎ’とがなす角度であり、以下に示す数式（６）により算出できる。ｎ番目の振動素子２ｎにおいて、その指向角φｎが角度θｎより大きければ、焦点位置Ｐ１以後で超音波が十分に重なることになる。これにより、グレーティングローブの発生及び高屈折角度時における欠陥検出感度の低下を抑制できる。ここで、数式（６）中、Ｘｃはマトリクスアレイプローブの中心位置を示す。また、振動素子ピッチＥｐはできる限り小さい値にすることが望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　なお、図３に示す超音波探傷におけるマトリクスアレイプローブ２の設置位置は、溶接鋼管Ｓの肉厚ｔ及び外径Ｒを用いて以下に示す数式（７）、（８）から算出できる。数式（８）が示すＰＷＤは、図３に示すように、溶接鋼管Ｓの円周上における超音波の入射位置Ｐ２から欠陥が存在している焦点位置（開先の突き合わせ位置）Ｐ３までの距離を示している。また、このとき超音波が鋼中を伝搬する距離ＴＦは以下に示す数式（９）により算出できる。また、ウェッジ３の高さをＨとしたとき、ウェッジ３中の音速をＶｗ、鋼中の横波音速をＶｓとすると、超音波の焦点距離ｆｐは以下に示す数式（１０）により算出できる。なお、図３中、θｉは超音波の入射角度を示し、θｒは超音波の屈折角度を示し、Ｏは溶接鋼管Ｓの中心位置を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　次に、焦点位置Ｐ３に超音波を集束させるための各振動素子から超音波を送信するタイミングを計算する方法について図４を用いて説明する。図４に示すように、焦点位置Ｐ３に超音波を集束させるためには、まず、各振動素子の配置位置から焦点位置Ｐ３までの超音波の伝搬時間を計算する。具体的には、以下の数式（１１）に示すように、ウェッジ中の音速Ｖｗでｎ番目の振動素子の配置位置から焦点位置Ｐ３までの距離ｄｎを割ることによって、ｎ番目の振動素子の配置位置から焦点位置Ｐ３までの超音波の伝搬時間Ｔｎを求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　図４中、管軸方向にｍ個の振動素子が配置されている場合、１番目からｍ番目迄の振動素子についてそれぞれ上述の計算を行うことによって伝搬時間Ｔｎを求める。続いて、以下の数式（１２）に示すように各振動素子について求められた伝搬時間Ｔｎの最大値（最大伝搬時間）Ｔｍａｘを算出する。そして、以下の数式（１３）に示すように、各伝搬時間Ｔｎから最大伝搬時間Ｔｍａｘを減算し、その絶対時間を各振動素子における超音波を送信するタイミング（遅延時間Ｔｄｎ）とする。これにより、焦点位置Ｐ３に超音波を集束させることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　なお、管軸方向に直交する溶接鋼管の径方向断面方向（Ｃ方向）において超音波を集束させることも考えられるが、図１５（ａ）～（ｃ）に示した通り、屈折角度の増加に伴い超音波を送信するセンサ（超音波プローブ）の見かけ上の大きさが小さくなる。また、数式（２）に示したように、集束係数Ｊの大きさは超音波を送信するセンサの大きさの２乗値に比例する。このため、この場合、十分な音圧を得るためには、超音波を送信するセンサの大きさを大きくしなければならず現実的ではない。具体的には、周波数を５ＭＨｚとした場合、送信するセンサの大きさを、例えば５０ｍｍ以上にする必要がある。Ｃ方向において、このような大きな開口幅をもつセンサを適用しようとすると、接近限界距離が大きくなってしまい超音波の伝播距離が長くなり、結果的に、集束による音圧上昇の効果も十分得られなくなる。従って、あまり現実的ではない。そこで、本発明では、管軸方向に直交する溶接鋼管の径方向断面方向ではなく、管軸方向において超音波を集束させることとした。
〔超音波探傷処理〕
　本発明では、開先の突き合わせ部分に人口平面欠陥が加工されたキャリブレーション用試験片を用いて超音波の入射角度条件及び集束条件を調整してマトリクスアレイプローブの感度校正を行った後に超音波探傷処理を実行するのが望ましい。具体的には、図５に示すフローに従って超音波探傷処理を行う。図５に示すように、超音波探傷処理の際は、まず、超音波探傷のための初期条件を計算する（ステップＳ１）。具体的には、溶接ルート面の中心位置Ｘｃに超音波を垂直に入射するための設置位置（入射位置）Ｐ２及び管軸方向において超音波を集束させつつ超音波の入射角度をＣ方向で振りながら探傷するための各振動素子の遅延時間を計算する。この時、超音波の焦点位置Ｐ３は、人工平面欠陥の位置、超音波の入射位置、及びマトリクスアレイプローブの設置位置から計算できる。次に、ステップＳ１の処理において計算された入射位置Ｐ２に超音波を入射できるようにマトリクスアレイプローブ及びウェッジ（プローブ）を溶接鋼管の外周面に設置する（ステップＳ２）。
　次に、計算された各振動素子の遅延時間で管軸方向に集束された超音波をＣ方向で入射角度を振りながら送受信する（ステップＳ３）。具体的には、図６（ａ），（ｂ）に示すように、屈折角度Ｒｍｉｎから屈折角度Ｒｍａｘの角度範囲内で超音波を例えば１°等の角度ピッチＲｄで走査（セクタースキャン）し、そして、各角度における欠陥からのエコー強度を記録し、最もエコー強度が高い屈折角度を探傷の中心角度Ｒｃとして検出する。なお、図６（ａ），（ｂ）中、ＤＦは人工平面欠陥を示す。次に、超音波探傷を行うための各種設定値を計算し（ステップＳ４）、計算された各種設定値に従って各振動素子の出力信号の強度が所定範囲内に入るように各振動素子の感度を校正する（ステップＳ５）。そして以後、ステップＳ３の処理において決定した中心角度Ｒｃを中心として±４°等の所定の角度範囲内を２°等の所定の角度ピッチで屈折角度を走査して超音波探傷を行う（ステップＳ６）。なお、セクタースキャンの角度範囲及び角度ピッチは、溶接鋼管の管径及び厚さ、溶接鋼管の音響異方性、用いる超音波の周波数等の変数に応じてオペレータが決定するものとする。
　上述のように、中心角度Ｒｃを中心として所定の角度範囲内で屈折角度を所定の角度ピッチで走査して超音波探傷を行うことにより、振動素子を駆動する機構部のがたつきや溶接鋼管の音響異方性のばらつきによって超音波の入射角度が多少変化していても溶接ルート面に超音波を入射できるので、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響を抑制できる。また、最もエコー強度が高い屈折角度を探傷の中心角度Ｒｃとして設定するので、プローブの角度及び設置位置の調整を行うオペレータの個人差に応じて欠陥検出感度がばらつくことを抑制できる。
〔超音波探傷装置の構成〕
　次に、図７，図８を参照して、本発明の一実施形態である超音波探傷装置の構成について説明する。図７は、本発明の一実施形態である超音波探傷装置の構成を示す模式図である。図８は、図７に示すマトリックスアレイプローブの構成を示す平面図である。なお、図７，図８において、Ｌ方向は管軸方向、Ｃ方向は水平面内において管軸方向と直交する方向、Ｚ方向はＬ方向及びＣ方向と直交する方向を示している。
　図７に示すように、本発明の一実施形態である超音波探傷装置１は、マトリックスアレイプローブ２、ウェッジ３、超音波送受信部４、及び評価部５を主な構成要素として備えている。
　マトリックスアレイプローブ２は、検査対象の溶接鋼管Ｓの外面上に構成され、ウェッジ３を介して溶接鋼管Ｓに対して超音波ＵＢを送受信する。図８に示すように、本実施形態では、マトリクスアレイプローブ２は、格子状に配置された１２８ｃｈの振動素子によって構成され、Ｌ方向に１６ｃｈ及びＣ方向に８ｃｈの振動素子が配置されている。各振動素子の振動素子幅は、Ｌ方向の中心位置から外側に向かって徐々に小さくなるように設計されており、各振動素子の振動素子幅Ｅｗ及び中心座標Ｘｎは、上記数式（５）を満足するように設計されている。これにより、本実施形態では、マトリクスアレイプローブ２のＬ方向の開口幅は約３４ｍｍとなり、Ｃ方向の開口幅は約１０ｍｍとなっている。
　ウェッジ３は、マトリクスアレイプローブ２が設置される設置面を有する多面体によって構成され、ポリスチレンによって形成されている。本実施形態では、ウェッジ３中の音速を２３４０ｍ／ｓｅｃとし、超音波の屈折角度がそれぞれ６０°、６５°、７０°、及び８０°となる複数のウェッジ３を用意し、理論的に計算される超音波ＵＢの入射位置Ｐ２からの屈折角度θｒが一番近いウェッジ３を取り付けて超音波探傷を行う。例えば外径１０６７ｍｍ、肉厚４４．５ｍｍの溶接鋼管Ｓの溶接部における肉厚中央部を探傷する場合、超音波ＵＢの入射位置Ｐ２からの屈折角度θｒは鋼中の横波音速を３２３０ｍ／ｓｅｃとすると７３．４°と計算される。そこで、この場合には、超音波ＵＢの屈折角度θｒが７５°となるウェッジ３をマトリクスアレイプローブ２に装着して超音波探傷を行う。なお、本実施形態では、溶接部の肉厚中央部を探傷することとしたが、本発明の探傷範囲は溶接部の肉厚中央部に限定されることはなく、超音波が照射される範囲内にある平面欠陥を探傷することができる。
　超音波送受信部４は、マトリクスアレイプローブ２が備えている振動素子に対して超音波信号の送受信指令を出力することによって、図５に示した超音波探傷処理に従って溶接鋼管Ｓの溶接部の超音波探傷処理を制御する。具体的には、超音波送受信部４は、マイクロコンピュータ等の情報処理装置によって構成され、図５に示した超音波探傷処理を規定したコンピュータプログラムを実行することによって溶接鋼管Ｓの溶接部の超音波探傷処理を実行する。超音波送受信部４は、マトリクスアレイプローブ２が受信した溶接部から反射した超音波信号を評価部５に出力する。なお、図７中、ＷＢは溶接ビードを示し、ＣＬは溶接鋼管Ｓの周方向に対する溶接部の中心位置を示し、Ｐ３は焦点位置を示している。
　評価部５は、超音波送受信部４から出力された超音波信号に対して所定の処理を施した後、所定の処理が施された超音波信号に基づいて溶接部に欠陥が存在するか否か等の溶接鋼管の溶接部の品質評価を実行する。具体的には、評価部５は、超音波信号の強度が所定の閾値以上であるか否かを判別し、超音波信号の強度が所定の閾値以上である場合、溶接部に欠陥が存在すると判定する。評価部５は、溶接鋼管の溶接部の品質評価結果を出力、記録することによって、溶接鋼管の溶接部の品質評価結果に関する情報をオペレータに提供する。なお、溶接部に欠陥が検出された溶接鋼管については、欠陥の検出位置にマーキングが施される。そして、マーキングが施された溶接鋼管は手動による検査工程へ送られ、オペレータが、マーキング部分付近を再度超音波探傷して、溶接部の品質の最終的な合否判定を行う。この検査員による手動検査においても本発明の一実施形態である超音波探傷装置１が用いられる。
　本実施例では、本発明の一実施形態である超音波探傷装置１を利用してＵＯＥ鋼管の溶接部の品質を評価した。具体的には、図９に示す一般的なＵＯＥ鋼管の製造工程に対して本発明の一実施形態である超音波探傷装置１を適用した。図９に示すＵＯＥ鋼管の製造工程では、まず、厚鋼板に対してＵ型プレス加工及びＯ型プレス加工を順に施した後（ステップＳ１１，Ｓ１２）、厚鋼板の突き合わせ部分の内面側及び外面側を溶接接合し（ステップＳ１３，Ｓ１４）、溶接部の超音波探傷検査処理（ＵＴ）及び放射線透過検査処理（ＲＴ）を実行する（ステップＳ１５，Ｓ１６）。次に、溶接鋼管に対して拡管工程を施した後（ステップＳ１７）、水圧試験を行い（ステップＳ１８）、再度溶接部の超音波探傷検査処理（ＵＴ）及び放射線透過検査処理（ＲＴ）を実行する（ステップＳ１９，Ｓ２０）。そして最後に、溶接鋼管に対して端面仕上処理、外観寸法検査処理、管端の放射線透過検査処理、坪量検尺処理、及び内外面塗装処理を施した後（ステップＳ２１～Ｓ２５、溶接鋼管は出荷される。本実施例では、ステップＳ１５及びステップＳ１９の超音波探傷検査処理に本発明の一実施形態である超音波探傷装置１を適用した。
　また、本実施例では、図１０に示したような複数のマトリクスアレイプローブ２Ａ～２Ｈを備えるマニピュレーターを超音波探傷装置に配設した。各マトリクスアレイプローブには、マトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂは肉厚中央部探傷用、マトリクスアレイプローブ２Ｃ，２Ｄは外面探傷用、マトリクスアレイプローブ２Ｅ，２Ｆは内面探傷用、マトリクスアレイプローブ２Ｇ，２Ｈはビード部探傷用というようにそれぞれ役割がふられている。そして、マニピュレーターが各マトリクスアレイプローブを溶接鋼管Ｓに着材させて、溶接鋼管Ｓを長手方向（搬送方向）に進めながら溶接部の超音波探傷検査処理を行う。なお、本実施例では、マトリクスアレイプローブ２Ａ～２Ｈのうち、肉厚中央部探傷用のマトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂに図７に示した実施形態を適用し、他のマトリクスアレイプローブは斜角フェーズドアレイＵＴ技術を適用した構成とした。
　ここで、肉厚中央部探傷用のマトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂの構成の詳細について図１１（ａ），（ｂ）を用いて説明する。図１０にも示したが、複数のマトリクスアレイプローブ２Ａ～２Ｈは、超音波探傷部位毎に溶接ビードＷＢを挟んで両サイドから探傷するように配置されている。肉厚中央部探傷用のマトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂも同様に、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、溶接ビードＷＢを挟んで両サイドから探傷するように配置した。また、図１１（ｂ）に示すように、対となるマトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂは管軸方向に対して５ｍｍ程度ずらして配置した。垂直入射法を適用した場合、対となるマトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂから送信された超音波の透過伝搬波がノイズとなり検出能が低下する。そのため、対となるマトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂを管軸方向にずらして配置した。
　また、本実施例では、集束ビームで超音波を送受信した。また、管軸方向に約３４ｍｍの開口幅、管周方向に５～１８ｍｍの開口幅を有するマトリクスフェーズドアレイプローブ２Ａ，２Ｂを用い、そのビーム幅が最小で１ｍｍ以下となるようにした。このため、感度調整時に人工キズの位置に超音波を合わせるのが難しい。そこで、肉厚中央部を探傷するためのマトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂを含むマトリクスアレイプローブを個別に管軸方向に対して精密に走査できる機構を設けた。具体的には、図１１（ａ）に示すように、各マトリクスアレイプローブを走査機構６を介してマニュピュレータ７に接続し、走査機構６により各マトリクスアレイプローブをＬ方向ＬＡ，ＬＢ及びＣ方向ＣＡ，ＣＢに移動可能なように構成した。なお、管周方向の開口幅は、例えば肉厚の１／３の範囲に超音波が照射されるようにしたい等、セクタースキャンの条件やビーム径に応じて変化する。
　実際に超音波探傷を行った結果の一例を図１２（ａ），（ｂ）に示す。探傷（セクタースキャン）は中心屈折角度に対して３°ピッチの３つの超音波ビームで行った。図１２（ａ），（ｂ）はそれぞれ、マトリクスアレイプローブ２Ａ及びマトリクスアレイプローブ２Ｂを用いて、溶接部に予めφ３．０ｍｍの人工キズ（平底穴）を形成した外径５６インチ、１２．７ｍｍの溶接鋼管を探傷した結果（縦軸：エコー高さ、横軸：管軸方向位置）を示す。図１２（ａ），（ｂ）に示すように、マトリクスアレイプローブ２Ａ，２ＢどちらにおいてもＦエコーが明瞭に観察され、φ３．０ｍｍの人工キズを十分に探傷できた。また、ｔ／Ｄの異なる溶接鋼管について、肉厚中央部に加工されたφ３．０ｍｍの人工キズ（平底穴）を探傷した際のＳ／Ｎ比と屈折角度を図１３（ａ），（ｂ）に示す。図１３（ａ），（ｂ）に示すように、屈折角度が約８２°と大きい場合においても、良好な２４ｄＢ以上のＳ／Ｎ比が得られた。なお、一般的に要求されるφ３．０ｍｍ人工キズ（平底穴）に対するＳ／Ｎ比は１２ｄＢ以上である。
　以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
　本発明によれば、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響及びオペレータの手動調整による欠陥検出感度のばらつきを抑制可能な超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することができる。また、本発明によれば、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響及びオペレータの手動調整による欠陥検出感度のばらつきを抑制することにより溶接部の品質が高い溶接鋼管を製造可能な溶接鋼管の製造方法、及び溶接鋼管の品質管理方法を提供することができる。
　１　超音波探傷装置
　２　マトリクスアレイプローブ
　３　ウェッジ
　４　超音波送受信部
　５　評価部
　Ｓ　溶接鋼管

Claims (7)

  1. 　溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷する超音波探傷装置であって、
    　溶接ルート面に対して垂直に超音波を入射させることが可能な前記溶接鋼管の外周面上の位置にウェッジを介して配置された、管軸方向において集束された超音波を前記溶接ルート面に送信すると共に前記溶接ルート面において反射された超音波を受信するマトリクスアレイプローブと、
    　前記溶接ルート面において反射された前記超音波の反射波を受信するように前記マトリクスアレイプローブを制御する超音波送受信部と、
    　前記超音波送受信部が受信した前記超音波の反射波に基づいて前記平面欠陥を探傷する評価部と、
    　を備え、
    　前記マトリクスアレイプローブは、格子状に配列された複数の振動素子を有し、前記振動素子の管軸方向における配列ピッチが送受信される超音波の波長より大きく、前記振動素子の管軸方向の幅が前記マトリクスアレイプローブの管軸方向中心位置から管軸方向外側に向かって小さくなっており、前記振動素子の管軸方向の幅及び中心座標が前記超音波の焦点位置制御範囲内において各振動素子からの超音波が全て重なるように調整されていることを特徴とする超音波探傷装置。
  2. 　前記超音波送受信部が、予め求められた中心角度を中心とする所定の角度範囲内で超音波の屈折角度を所定の角度ピッチで変化させながら前記溶接ルート面に超音波を送信することを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
  3. 　請求項１又は２に記載の超音波探傷装置を利用して溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷するステップを含むことを特徴とする超音波探傷方法。
  4. 　任意の角度範囲内で超音波の屈折角度を任意の角度ピッチで変化させながら前記溶接ルート面の中心位置に加工された人工平面欠陥に超音波を送信し、該人工平面欠陥において反射された前記超音波の反射波を受信し、超音波の反射波の強度が最も強いときの屈折角度を前記中心角度として求めるステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の超音波探傷方法。
  5. 　前記屈折角度が異なる複数のウェッジを予め用意し、平面欠陥を探傷する際は、所望の屈折角度に近い屈折角度を有するウェッジを選択し、選択したウェッジと前記マトリクスアレイプローブとを組み合わせて用いるステップを含むことを特徴とする請求項３又は４に記載の超音波探傷方法。
  6. 　請求項１又は２に記載の超音波探傷装置を利用して溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷し、探傷結果に基づいて溶接鋼管を製造するステップを含むことを特徴とする溶接鋼管の製造方法。
  7. 　請求項１又は２に記載の超音波探傷装置を利用して溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷し、探傷結果に基づいて溶接鋼管の品質を評価するステップを含むことを特徴とする溶接鋼管の品質管理方法。
PCT/JP2017/024280 2016-07-20 2017-07-03 超音波探傷装置、超音波探傷方法、溶接鋼管の製造方法、及び溶接鋼管の品質管理方法 WO2018016303A1 (ja)

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EP17830823.5A EP3489676A4 (en) 2016-07-20 2017-07-03 ULTRASONIC SOUND DETECTING DEVICE, ULTRASONIC SOUND DETECTION METHOD, METHOD FOR PRODUCING WELDED STEEL TUBES AND METHOD FOR QUALITY CONTROL OF WELDED STEEL TUBES
RU2019104693A RU2704429C1 (ru) 2016-07-20 2017-07-03 Устройство ультразвуковой дефектоскопии, способ ультразвуковой дефектоскопии, способ изготовления сварной стальной трубы и способ контроля качества сварной стальной трубы
CN201780044361.8A CN109564197B (zh) 2016-07-20 2017-07-03 超声波探伤装置及方法、焊接钢管的制造及品质管理方法
KR1020197000566A KR102291701B1 (ko) 2016-07-20 2017-07-03 초음파 탐상 장치, 초음파 탐상 방법, 용접 강관의 제조 방법 및, 용접 강관의 품질 관리 방법
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113899816A (zh) * 2021-09-10 2022-01-07 国营芜湖机械厂 一种t型复合结构的超声无损检测装置及方法和r区检测方法及装置

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6562192B1 (ja) * 2017-12-12 2019-08-21 日本製鉄株式会社 欠陥検出装置、欠陥検出方法及びプログラム
US11474076B2 (en) 2019-02-28 2022-10-18 Olympus NDT Canada Inc. Acoustic model acoustic region of influence generation
CN110208388A (zh) * 2019-04-26 2019-09-06 中国大唐集团科学技术研究院有限公司火力发电技术研究院 一种管子内部轴向缺陷快速检测的方法
WO2020241092A1 (ja) * 2019-05-30 2020-12-03 株式会社島津製作所 管状体の接合部の検査方法及び装置
JP6972082B2 (ja) * 2019-10-30 2021-11-24 株式会社東芝 処理システム、処理装置、処理方法、プログラム、及び記憶媒体
CN110763765A (zh) * 2019-11-29 2020-02-07 中国石油天然气集团公司管材研究所 一种无缝钢管多通道非接触自动超声检测***及方法
US11448621B2 (en) 2020-03-30 2022-09-20 Olympus NDT Canada Inc. Ultrasound probe with row-column addressed array
CN112379001B (zh) * 2020-11-17 2024-03-29 洛阳轴承集团股份有限公司 一种铁路轴承套圈超声波探伤减小检测盲区的工艺方法
KR102561059B1 (ko) 2021-03-15 2023-07-28 김효섭 각도 조절식 휠유닛을 포함하는 강관 용접부 검사용 초음파 진단장치

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5677490A (en) * 1993-02-18 1997-10-14 F. H. Gottfeld Gesellschaft Fur Zerstorungsfreie Werkstoffprufung Mbh Ultrasonic testing device for weld seams in pipes, sheets and containers
JP2000097918A (ja) * 1998-09-25 2000-04-07 Nkk Corp 鋼管の超音波探傷方法及びその装置
JP2012225840A (ja) * 2011-04-21 2012-11-15 Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd 超音波センサ，それを用いた超音波検査方法および超音波検査装置
JP2015031637A (ja) * 2013-08-05 2015-02-16 新日鐵住金株式会社 欠陥検査装置、欠陥検査方法、プログラム及び記憶媒体

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU150689A1 (ru) * 1961-04-26 1961-11-30 Е.Б. Виксман Способ контрол сварного шва
JPS61270055A (ja) * 1985-05-25 1986-11-29 Kironii Sangyo Kk 自動倣い検知器
SU1280530A1 (ru) * 1985-08-13 1986-12-30 Белоярская атомная электростанция им.И.В.Курчатова Устройство дл автоматизированного ультразвукового контрол сварного шва
JPH022932A (ja) * 1988-06-16 1990-01-08 Mitsubishi Electric Corp アレイ型探触子
US4890268A (en) * 1988-12-27 1989-12-26 General Electric Company Two-dimensional phased array of ultrasonic transducers
JPH08166813A (ja) * 1994-12-14 1996-06-25 Fanuc Ltd ウィービング動作を伴うロボットのトラッキング制御方法
JPH11183446A (ja) 1997-12-25 1999-07-09 Nkk Corp 溶接部の超音波探傷方法および装置
US7263888B2 (en) * 2003-10-16 2007-09-04 General Electric Company Two dimensional phased arrays for volumetric ultrasonic inspection and methods of use
CN101017154B (zh) * 2006-02-07 2011-03-23 哈尔滨工业大学 超声相控阵检测仪器
CA2593893C (en) * 2007-01-26 2016-11-08 Roentgen Technische Dienst B.V. Improved technique and phased array transducer for ultrasonic inspection of coarse grained, anisotropic welds
JP4910770B2 (ja) 2007-02-28 2012-04-04 Ｊｆｅスチール株式会社 管体の超音波探傷装置および超音波探傷方法
JP4910768B2 (ja) * 2007-02-28 2012-04-04 Ｊｆｅスチール株式会社 超音波探傷の校正方法及び管体の品質管理方法及び製造方法
JP5258218B2 (ja) * 2007-07-10 2013-08-07 新日鐵住金株式会社 電縫鋼管の溶接部欠陥の検査方法
JP5076984B2 (ja) * 2008-03-13 2012-11-21 Ｊｆｅスチール株式会社 電縫管の超音波探傷方法及び超音波探傷装置ならびに製造方法
DE102010063438A1 (de) * 2010-12-17 2012-06-21 Robert Bosch Gmbh Schallwellenbasierter Sensor zur Umfelddetektion und Verwendung desselben
CN202372480U (zh) * 2011-12-13 2012-08-08 衡阳华菱钢管有限公司 小口径钢管纵向内壁缺陷探伤样管
CN102747726B (zh) * 2012-07-02 2016-05-18 江苏楚鼎建设工程有限公司 超深基坑干成孔钢管立柱桩施工工法
MX340378B (es) * 2012-07-04 2016-07-07 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp Dispositivo de deteccion de defectos, metodo de deteccion de defectos, programa y medio de almacenamiento.
JP2015040697A (ja) * 2013-08-20 2015-03-02 三菱日立パワーシステムズ株式会社 超音波探傷センサおよび超音波探傷方法
CN104227182B (zh) * 2014-09-01 2016-06-08 湖北源盛钢构有限公司 工字钢主焊缝不清根全熔透i级构件的成型工艺
CN104475941A (zh) * 2014-12-03 2015-04-01 宝鸡石油钢管有限责任公司 一种适用于x70厚壁直缝钢管焊接的多丝埋弧焊接工艺

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5677490A (en) * 1993-02-18 1997-10-14 F. H. Gottfeld Gesellschaft Fur Zerstorungsfreie Werkstoffprufung Mbh Ultrasonic testing device for weld seams in pipes, sheets and containers
JP2000097918A (ja) * 1998-09-25 2000-04-07 Nkk Corp 鋼管の超音波探傷方法及びその装置
JP2012225840A (ja) * 2011-04-21 2012-11-15 Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd 超音波センサ，それを用いた超音波検査方法および超音波検査装置
JP2015031637A (ja) * 2013-08-05 2015-02-16 新日鐵住金株式会社 欠陥検査装置、欠陥検査方法、プログラム及び記憶媒体

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3489676A4 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113899816A (zh) * 2021-09-10 2022-01-07 国营芜湖机械厂 一种t型复合结构的超声无损检测装置及方法和r区检测方法及装置

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