JP2005221371A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

【課題】 鋼管の自動超音波斜角探傷装置において、管軸に対して傾きを有する斜め欠陥の検出性能を向上させた超音波探触子を提供する。
【解決手段】 アレイ探触子の利点はそのまま利用し、入射角θｉと欠陥の傾きβとから算出したアレイ探触子の個々の振動子１１の管周方向の傾きα及びアレイ探触子の管周方向入射角θを備え、個々のチャンネルのアレイ探触子１０の入射角及び水距離変動を生じないように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波斜角探触子に関し、特に継目無鋼管等における、管軸方向に対して傾きをもつ欠陥を検出するのに好適な超音波斜角探触子に関する。

従来、例えば、電縫鋼管の溶接部における管軸方向の欠陥を検出するため、超音波斜角探触子による斜角探傷法が用いられている。斜角探傷法は被探傷材の検査面に対して、超音波斜角探触子を用いて、斜めに超音波を入射させ、被探傷材の欠陥から反射した反射波を捉えることによって被探傷材の欠陥を検出するものである。

また、例えば、電縫鋼管の溶接部全長にわたって欠陥を検出するため、超音波斜角探触子を電縫鋼管の溶接シームに平行に走査して、溶接シームに対して超音波ビームを直角に伝播させるようにした技術も用いられている。

超音波は指向性の鋭いことが特徴であり、超音波の進行方向に対し直角方向に広がりを有する欠陥を検出することが可能である。鋼管の超音波斜角探傷は管軸方向欠陥を検出するＬきず探傷及び管周方向欠陥を検出するＴきず探傷が、従来、実施されている。

これに対して、管軸方向に対して傾きを有する欠陥を探傷するために、軸線が被検査材の表面と直交するような円錐面又は円錐面の一部を備えた超音波伝播体と、この超音波伝播体の前記円錐面上に周方向に並置されると共に、各々の超音波ビームの照射方向が前記円錐面の軸線が被検査材の表面と交わる定点に向うように構成された複数の振動子と、を備えた超音波探傷用の斜角探触子がある（例えば、特許文献１参照。）。

この斜角探触子では、複数の振動子のうち、欠陥の傾きに対応する角度位置に配設された１個の振動子又は欠陥の傾きに近似する角度位置に配設された１又は２個の振動子のみが欠陥を検出することができ、その検出精度は著しく限定される。

また、被探傷材鋼管の外径に沿う内面と、被探傷材の外径及び超音波入射角から定まるインボリュート外面とからなる音響くさびを形成し、多数の電極を管周方向に並設したアレイ振動子を音響くさびのインボリュート外面上に装着した超音波斜角探触子がある。（例えば、特許文献２参照。）。

この技術は、電縫鋼管の溶接シーム部の肉厚方向の欠陥を精度よく検出するための技術である。

継目無鋼管では、その製造工程の特徴から管軸方向に傾いた欠陥の発生を否定することはできない。ところが、例えばＬきず探傷において、管軸に対して傾きを有する欠陥からのエコー高さは、図１１に例示するようにその傾きの増加にともない大きく低下することが知られている。（例えば、非特許文献１参照。）。

例えば図１２に示すように、超音波進行方向が管軸に対して直角に進行する場合に、管軸に対して角βだけ傾いた欠陥３０からのエコー高さは傾き角βが増加すると急速に低減する。図１１は欠陥の傾き角βを横軸にとりエコー高さを縦軸にとって示したもので、傾き角βが少し増加するとエコー高さは急速に低下することが示されている。

また、検出対象の欠陥が管軸に対して傾き角βを有する場合、探触子が１個の場合は、図１３に示すように、探触子を欠陥の傾きに対応して傾き角βだけ傾け、超音波の進行方向を傾き角βだけ傾いた方向（欠陥３０の方向に直角な方向）に向ければ検出可能である。また、上述のように、前記特許文献１に開示されている探触子を用いれば、精度は高くはないが傾き角βを有する欠陥を傾き角が一致する１個の振動子で検出することは可能である。

探触子の製作技術の進歩にともない、電極のブリント技術を利用してアレイ探触子が安価に製作されるようになり、自動超音波探傷装置の探触子として多く利用されるようになった。図１５に管軸方向欠陥探傷用アレイ探触子の一例を示す。この例は一枚の振動子に５チャンネル分の電極がプリントされた５チャンネルアレイ探触子である。この探触子は
汎用の探触子を並列に配置した場合に比較し、各振動子１１間の距離を極端に狭くした探触子を製作することが可能である。つまり、振動子寸法とチャンネル問距離とをほぼ等しくすることができるから、密なビームプロファイルとなっている。

このアレイ探触子は図１５に示すように、多数の振動子１１を隣接させて列設した探触子１０であって、これを管軸方向に一致させてそれぞれの振動子１１から発振された超音波を次々と伝播させると、図１４に示すように欠陥等によって反射されたシャープな多数の反射波１００が次々と検出され、精度の高い欠陥検出を行うことができる。図１５に示すようなアレイ探触子１０を使用する利点は、小さいスペースに多数の振動子１１を連接して配置できるため、機構装置をコンパクトに設計・製作することができることであり、従って、超音波ビームの走査密度を向上させることができる点にある。

しかし、図１５に示すような最近の鋼管用超音波探傷装置において使用されている多数の振動子を連設したアレイ探触子１０では、管２０の軸に平行に用いるとよいが、このアレイ探触子を単に欠陥の方向に合わせて傾けるだけでは傾いた斜め欠陥を検出することは不可能である。

図１６は、管２０上にアレイ探触子１０、１０ａを配置した平面図、図１７はその正面図を示したものである。図１７に示すように、このような複数の振動子を連設したアレイ探触子１０ａを管２０の軸に平行に配置した場合には、アレイ探触子１０が複数の振動子が組込まれたものであっても、超音波発振ビーム１６の入射角は一定となる。しかし、検出対象欠陥の傾き角βに対応した角度だけ傾けて設置したアレイ探触子１０の場合には、探傷対象材である鋼管は断面が円形であるため、各振動子の発振ビーム１７の入射角がそれぞれ異なることとなり、また振動子と鋼管表面との相対距離も異なることによって、アレイ探触子１０の各振動子の探傷性能が異なることになるからである。
実開平４−４２２０号公報（第２−３頁、図３） 特願２００３−０３９９０８号出願 日本鉄鋼協会：超音波シリーズＩＩＩ：継目無鋼管の超音波探傷法 昭和６３年 ４月１日 ｐ６２〜６３

本発明は、鋼管の自動超音波斜角探傷装置において、管軸に対して傾きを有する欠陥の検出性能を向上させた超音波探触子を提供することを目的とするものである。

すなわち、本発明は、鋼管の管軸方向探傷において、管軸に対して傾きを有する斜め欠陥を効率良く探傷するため、アレイ探触子の利点はそのまま利用し、個々の振動子の入射角及び水距離変動を生じないように構成した、鋼管の斜め欠陥探傷用の超音波斜角探傷用探触子を提供する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、次の技術手段を講じたことを特徴とする超音波探触子である。すなわち、本発明は、被探傷材鋼管の自動超音波探傷装置用のアレイ探触子において、
（１）探傷屈折角θｒから求めた入射角θｉと欠陥の傾きβとから算出したアレイ探触子の個々の振動子の管軸方向の傾きα、及び
（２）アレイ探触子の管周方向入射角θ
を備えたことを特徴とする。

上記本発明において前記アレイ探触子の個々の振動子は水距離が等しくなるように階段状に配設すると、エコーがほぼ等間隔の整った配列となるので好ましい。

また、上記超音波探触子において、前記入射角θｉ、前記振動子の管軸方向の傾きα及び前記アレイ探触子の周方向入射角θはそれぞれ下記（１）式〜（３）式で求めることができる。

ｓｉｎθｉ＝ｓｉｎθｒ×（Ｃｉ／Ｃｒ）……（１）
ｔａｎα＝ｔａｎθｉ×ｓｉｎβ………………（２）
ｔａｎθ＝ｔａｎθｉ×ｃｏｓβ………………（３）
但し、
θｉ：入射角
θｒ：屈折角
Ｃｉ：入射側縦波音速
Ｃｒ：鋼内横波音速
α：振動子の管軸方向の傾き
β：欠陥の傾き（欠陥と交差する管軸に平行な線からの傾き）
θ：アレイ探触子の管周方向入射角
である。

本発明によれば、アレイ探触子を用いる超音波探傷において、鋼管の管軸に対してある傾き角βを有する斜め欠陥の有無を、効率良く探傷することが可能となった。

本発明は、管軸に対して傾き角βを有する欠陥を効率よく検出する超音波探触子であって、個々の振動子の管軸方向の傾きα、及びアレイ探触子の管周方向入射角θを備えた超音波探触子である。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施例の超音波探触子を示す側面図、図２はその正面図である。

本発明に係る被探傷材鋼管の自動超音波探傷装置用のアレイ探触子１０は、図１に示すように振動子１１が管２０の軸方向に対して傾き角αを有する。この管軸方向の傾きαは、探傷屈折角θｒから求めた入射角θｉと欠陥の傾きβとから算出される。アレイ探触子１０の個々の振動子１１は、水距離が等しくなるように階段状に配設されている。一方、図２に示すように、アレイ探触子は超音波ビームの管周方向入射角θを備えるように構成されている。

すなわち、管軸方向に配置されるアレイ振動子の個々に対して、管軸方向の傾きαと管周方向入射角θを与えることによって、管軸に対して傾き角βを持つ斜め欠陥を効率よく検出することができる。

管軸方向に対して傾き角βだけ傾いた斜め欠陥を検出するには、管周方向に傾き角βだけ傾いた超音波ビームを発生させることが必要である。図５は、上記管軸方向の傾きαと管周方向入射角θを求めるための説明図である。図１０に、管２０と超音波探触子１０の配置関係を示す一般的な斜視図を示した。アレイ超音波探触子１０の各振動子１１から超音波ビーム１４が管２０の表面に向けて発射される。矢印５１は平面図の矢視方向、矢印５２は管軸に直交する方向からの側面図の矢視方向、矢印５３は管軸方向からの側面図の矢視方向を示している。図５は、１個の振動子１１と管２０の表面との関係を示す斜視図である。

図５において、「Ｐ」点は振動子１１のビーム発射中心を示し、「Ｑ」点は管２０の表面のビーム入射点を示す。便宜のために、「Ｑ」点を通る管周方向Ｘ、これに直角な方向Ｙ、鉛直方向Ｚを定め、「Ｐ」点を通る管周方向Ｌ、これに直角な方向Ｍ、鉛直方向Ｎを定める。図５の平面図（Ａ−Ａ矢視図）を図６に、管周方向に直角な側面図（Ｂ−Ｂ矢視図）を図７に、管周方向視側面図（Ｃ−Ｃ矢視図）を図８に、超音波ビームの真傾斜方向側面図（Ｄ−Ｄ矢視図）を図９に示す。

探傷屈折角（θｒ）を得るための入射する超音波ビームの入射角（θｉ）は下式で求めることができる。

ｓｉｎθｉ＝ｓｉｎθｒ×（Ｃｉ／Ｃｒ）
ここでθｉ：入射角
θｒ：屈折角
Ｃｉ：入射側縦波音速
Ｃｒ：鋼内横波音速
次に、入射角（θｉ）と検出目的の斜め欠陥の傾き角βから矩形振動子の管周方向の傾きαは図６、図８、図９を参照して、図７から下式によって求めることができる。

ｔａｎα＝（Ｗ×ｓｉｎθｉ×ｓｉｎβ）／（Ｗ×ｃｏｓθｉ）
＝ｔａｎθｉ×ｓｉｎβ
また振動子１１からの超音波ビームの管周方向入射角θは、図６、図７、図９を参照して、図８から下式で求められる。

ｔａｎθ＝（Ｗ×ｓｉｎθｉ×ｃｏｓβ）／（Ｗ×ｃｏｓθｉ）
＝ｔａｎθｉ×ｃｏｓβ

図３、図４に本発明の実施例を示した。図３は実施例のアレイ探触子１０の正面断面図、図４はその側面断面図である。

管周方向に配置される各振動子１１に対して管周方向の傾きαを与え、かつ、一定の水距離１５を付与するために、例えば図４に示すように上下面を傾きαをもつ鋸歯状に加工した音響遅延材１２に、振動子１１を階段状に装着する。音響遅延材１２としては、例えばアクリル樹脂等を用いるとよい。振動子１１の貼付け面は音響遅延材１２の上下面どちらでもよい。

次に、図３に示すように、振動子１１からの超音波ビーム１４に管周方向入射角θを与えるように、アレイ探触子１０をハウジング１３内に固定する。ハウジング１３は、探触子保持部材に装着可能な外形を有している。なお、この実施例では、図３に示すように、左右対称に２個のアレイ探触子１１を配しているが左右いずれか片方のみに配設してで作製してもよい。

実施例の超音波探触子の側面図である。 実施例の超音波探触子の正面図である。 実施例の超音波アレイ探触子の正面断面図である。 実施例の超音波アレイ探触子の側面断面図である。 １個の振動子と管表面の関係を示す斜視図である。 図５の平面図（Ａ−Ａ矢視図）である。 図５の管周方向側面図（Ｂ−Ｂ矢視図）である。 図５の管周方向側面図（Ｃ−Ｃ矢視図）である。 図５の真傾斜方向側面図（Ｄ−Ｄ矢視図）である。 超音波探触子と管との配置関係を示す一般図である。 欠陥の管軸に対する傾きとエコー高さの関係を示すグラフである。 斜め欠陥検出を説明する平面図である。 アレイ探触子を傾けて配置したときの平面図である。 アレイ探触子のエコーを示すグラフである。 アレイ探触子の平面図である。 アレイ探触子の配置平面図である。 アレイ探触子を傾けたときの超音波ビームを示す説明図である。

符号の説明

１０，１０ａ アレイ探触子
１１ 振動子
１２ 音響遅延材
１３ ハウジング
１４ 超音波ビーム
１５ 水距離
１６ 超音波発振ビーム
１７ 発振ビーム
２０ 管
３０ 欠陥
５１，５２，５３ 矢印
１００ 反射板

Claims (3)

1. 被探傷材鋼管の自動超音波探傷装置用のアレイ探触子において、探傷屈折角θｒから求めた入射角θｉと欠陥の傾きβとから算出した振動子の管軸方向の傾きα、及びアレイ探触子の管周方向入射角θを各振動子が備えたことを特徴とする超音波探触子。
2. 前記アレイ探触子の個々の振動子は被探傷材鋼管表面までの水距離が等しくなるように階段状に配設されたことを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
3. 前記入射角θｉ、前記振動子の管軸方向の傾きα及び前記アレイ探触子の周方向入射角θはそれぞれ下記（１）式〜（３）式で求める値であることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波探触子。
   ｓｉｎθｉ＝ｓｉｎθｒ×（Ｃｉ／Ｃｒ）……（１）
   ｔａｎα＝ｔａｎθｉ×ｓｉｎβ………………（２）
   ｔａｎθ＝ｔａｎθｉ×ｃｏｓβ………………（３）
   但し
   θｉ：入射角
   θｒ：探傷屈折角
   Ｃｉ：入射側縦波音速
   Ｃｒ：鋼内横波音速
   α：振動子の管軸方向の傾き
   β：欠陥の傾き（欠陥と交差する管軸に平行な線からの傾き）
   θ：アレイ探触子の管周方向入射角

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