JP2015516072A - フェイズドアレイ探触子、および距離−増幅−サイズによるきずサイズ測定を用いた工業用超音波検査システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

工業用超音波検査システムでは、中実コア鋼合金タービンシャフトなどの比較的厚い中実対象物内にある不連続部の走査が可能である。タービンシャフトの外周に配置されたフェイズドアレイ探触子によって、非破壊評価および検査で特に関心のある内側５０％のコア体積を含む、シャフト内の扇形の走査フィールドに超音波パルスを送信する。画質を検査速度と調和させるために、ずらしパルス発射を単独で、または可変パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）と組み合わせて使用することができる。反射したエコー波形エネルギーを分析することによって、不連続部を識別する。検査対象物内にある不連続部のサイズおよび位置を、距離−増幅−サイズ（ＤＧＳ）法によって等価反射物サイズ（ＥＲＳ）と相関させる。

Description

本発明は、超音波検査システムおよび方法による、中実タービンシャフトなどの無生対象物の非破壊評価（ＮＤＥ）に関する。より詳細には、本発明は、検査対象物（中実タービンシャフトなど）の周りの外側で方向付けられたフェイズドアレイ検査探触子を使用し、距離−増幅−サイズ（Ｄｉｓｔａｎｃｅ−Ｇａｉｎ−Ｓｉｚｅ（ＤＧＳ））反射波形分析技術を利用して、検査対象物内の不連続部から反射した波形エネルギーを、サイズが既知の平底穴（ＦＢＨ）および／または横穴（ＳＤＨ）によって生じた既知の波形エネルギーと相関させる、工業用超音波検査システムに関する。したがって、不連続部を、予め取得しておいた、サイズが既知の穴の反射エネルギーデータ（例えば波形振幅）と相関させる。

工業対象物の超音波様式によるＮＤＥでは、パルス状の音波をその対象物中に送信し、反射した「エコー」波形を受信することによって、割れまたは空隙などの不連続部を識別する。パルス送信およびエコー受信は、探触子装置によって実施されることが多い。反射した波形について、検査対象物内の不連続部と相関した音波パターンがないか分析する。所与の材料内に不連続部が存在すると、不連続部のない均質材料とは異なる波形が反射することになる。一般に、超音波探触子と不連続部との間の相対距離は、探触子の音波送信と反射波形の受信との間の経過時間の関数となる。不連続部の物理的サイズ（すなわちその占有体積）は、エコー波形エネルギー（例えば振幅）と間接的に相関するものであり、その理由は、反射エネルギーは、不連続部の物理的サイズおよび寸法を含めた多数の物理的要因、ならびに音波が検査材料中を進むにつれて生じる音波エネルギーの減衰の影響を受けるからである。

単一の波形走査方向からのみの反射または「エコー」波の振幅では、不連続部の物理的寸法および輪郭のエンベロープの推定を決定するのに十分な情報を得ることができない。寸法情報および輪郭情報は、その検査部品が工業的稼働に使用が許容可能であるかどうかの最終的な検査判定を行うのに有用である。これまで、検査対象物の周りの様々な探触子走査位置のそれぞれから取られた複数の反射波形、および送信波の周波数／波長の変動を分析することによって、検査者は、不連続部の大よそのサイズを、サイズが既知の穴または複数の隣接する穴のサイズと相関させた、走査対象物の合成スペクトル画像および／または視覚画像を構築することが可能になった。走査した無生対象物の物理的寸法、および不連続部の相対寸法に依存して、不連続部の正確な物理的境界が不明なままであっても、その検査部品を将来稼働させる際に生じ得る影響の可能性を評価するのに十分な解像度の超音波画像が構築されてきた。

従来、検査が難しく、比較的長距離にわたる超音波送信が必要となる稼働部品として、図１に示す中実鋼合金タービンシャフト１０がある。シャフト１０は、５００〜１５００ｍｍ（１９．７〜５９インチ）程度の直径を有することが多く、また、シャフトにブレードがそのまま残った状態で検査されることが多い。中実鋼合金部分のタービンシャフト中に比較的長い距離で音波を送信するには、従来、信号対雑音比が比較的高い、比較的高パワーの超音波が必要であったため、これらが全て相まって、スペクトルまたは視覚画像解像度が所望のものよりも低くなっていた。中実シャフト１０の断面の少なくとも内側５０パーセント（５０％）のコア内部体積１４を検査することが望ましい。直径５００ｍｍのシャフトでは、シャフト断面の内側５０％のコア内部体積１４全体を含めるには、少なくともシャフト中心線に対してプラス２８°からマイナス２８°までの扇形体積Ｕを走査しなければならない。シャフトの内側コア体積１４を走査するのに必要となる扇形角度は、シャフトの直径に伴って変動することになる。

図１および図２に示す、従来の既知の中実タービンシャフト走査法では、約４°の狭いコーンビーム内で比較的高エネルギーの音波送信を発生することが可能な、直径が２０ｍｍ（０．７９インチ）の単一の「直線ビーム（ｓｔｒａｉｇｈｔ ｂｅａｍ）」探触子２０が配置され、タービンシャフトの、内側５０パーセントのコア体積１４を含む接線方向断面を走査している。シャフトの内側体積全体にわたる接線方向走査を完了するには、探触子を接線方向走査位置Ａ〜Ｅに順次配置する。個々の走査シーケンスごとに、楔角度ブロック２２を探触子２０とシャフト表面１６との間に挿置して、走査ビームが先に走査したビームコーンに隣接し、かつそこと僅かに重なり合うように走査ビームを方向付ける。異なる探触子走査接線方向位置Ａ〜Ｅのそれぞれで、異なる角度の楔ブロック２２を使用し、したがって各位置で特有の探触子および楔固定具の設定が必要となる。設定−走査−次の走査の設定準備のシーケンスを繰り返し行うのは時間がかかり、単一のシャフトの検査をし終えるのに数日かかることもしばしばである。走査時間を短縮する一方策は、探触子２０を中実シャフトに対して軸方向に操作し、検査関心領域の軸方向の体積全体を走査してから、探触子を次の接線方向位置に順次動かして次の走査セットを行うことである。この種の既知の走査手順では、重なり合った走査波形データの「マトリクス」（すなわち探触子によって発せられたコーンビームが重なり合った、接線方向／軸方向の連続した柱）を組み合わせて、関心領域内にある不連続部の単一の合成走査平面検査図を構築する。シャフトを回転角度θによって示す新しい外周位置に回転させ、各角度回転位置について新しい走査平面データセットを生成することによって、多数の走査平面図から得られた走査データを組み合わせることが好ましい。シャフト外周１６の周りで取った多数の走査平面マトリクスから得られたデータセットによって、シャフト内にある不連続部のサイズに概ね相関させ、特に中央５０％の内部体積１４に焦点を当てた３次元体積画像を構築することが可能となる。

工業用超音波様式では、不連続部のサイズとその反射エネルギーとの相関は、従来２つの方法、すなわち距離−振幅−補正（ＤＡＣ）を用いた対比試験片法（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｂｌｏｃｋ ｍｅｔｈｏｄ）、または距離−増幅−サイズ（ＤＧＳ）を用いた対比試験片法によって実施されてきた。各相関法の目的は、きずサイズのエコーエネルギー読取り値を、同様のエネルギーレベルを反射する既知の等価な穴のエコーエネルギー読取り値と相関させることであるが、それぞれ互いに利点および欠点を有する。ＤＡＣでは、検査時にその都度試験片を使用する必要がある。ロータのサイズが大型であるため、ＤＡＣでは、ロータ直径に匹敵する大型の試験片を用いて実施しなければならない。この方法は、稼働中検査には実用的でない。一方、ＤＧＳ相関は、一旦研究所で実施した後は、その相関情報をスプレッドシートに、検査に必要となる相関曲線とともに記録することができる。長年、ＤＧＳ法が工業で使用されてきているが、音波路距離（すなわち直径）が長いロータの相関情報曲線を求めるには、特注の相関試験片が必要となる。

ＤＧＳ法では、特に試験対象物と一致する同じ材料で構築された較正対比試験片は、一連の平底穴（ＦＢＨ）と、探触子走査軸に垂直な穴（横穴またはＳＤＨ）とを有する。ＦＢＨは、角度振幅補正（ＡＡＣ）を測定するために、様々な角度で穿孔されている。例えば、０°ビームは、３０°ビームエネルギーよりも高いビームエネルギーを有することになる。全てのビームを同じエネルギー量で発射させる必要がある。対比試験片を探触子によって走査する。対比試験片の各ＳＤＨの個々の較正穴の反射エネルギー読取り値を測定し、ＳＤＨと同じ深さのＦＢＨからのエネルギーに変換し、次いで分析器に記憶する（探触子からの特定の距離に関する穴サイズ／エコー振幅のＤＧＳ基準曲線の形を取ることが多い）。分析器で、不連続部のエコーエネルギー振幅を、最も近い距離にあるサイズが既知の穴の既知の対比試験片振幅読取り値と手動で、または自動的に比較する。最も近いサイズの標準穴の直径を識別する。あるいは、基準情報を、試験対象物内の所与のいかなる検査深さにもある最大標準穴サイズを確立した「合否判定」曲線と組み合わせてもよい。最大標準穴サイズ未満の不連続部を有する試験対象物は、試験に合格する。

現代の自動化システムによって、不連続部サイズと標準穴サイズとの相関が大幅に高められたものの、各ＤＡＣ法検査では、試験対象物の物理的な検査を実施する前に、実際の検査現場で対比試験片の読取りを行う最初のステップが必要となる。現場で経験的な試験を行い、ＤＡＣ法によって不連続部と標準穴サイズとを相関させるには、時間がかかり、また、試験現場によって較正手順にばらつきが生じることがある。ＤＡＣ法の利点は、相関に影響を与える全ての変数が、対比試験片較正に含まれることである。これまで、全ての試験変数が含まれるというこの利点は、深い超音波パルス送信が必要となる中実鋼合金タービンシャフトなどの比較的厚い試験対象物を検査する際に非常に重要になると考えられてきた。

ＤＧＳ法では、選択された距離で較正試験片内に配列された個々の穴（ＦＢＨおよび／またはＳＤＨ）についてエコー振幅読取り値を測定し、穴サイズ対距離の１組の基準曲線として分析器に永久保存する。現場検査を実施する際、不連続部のエコーエネルギー読取り値を、探触子から同じ距離で取った１つまたは複数の穴サイズ曲線と比較する。この不連続部を、最も近いサイズの標準穴一致曲線と相関させ、かつ／または指定穴サイズ合否閾値を予め指定しておいてもよい。所与の閾値未満の不連続部は、その試験部品の将来の稼働使用試験に合格する。ＤＧＳ法の利点は、ＤＡＣ法で必要となるような対比試験片の現場較正が不要であり、各検査シーケンスに同じ試験データ曲線を一貫して使用できる点である。しかし、中実鋼合金タービンシャフトなどの比較的厚い試験対象物について、ＤＧＳ相関法で従来から認識されてきている欠点は、探触子エコーデータに差異を生じさせている全ての要因の影響によって、不連続部と標準穴サイズとの相関が十分に正確となっているのかという点であった。相関が不正確であると、試験読取り値が、標準穴サイズを過大表示していた場合には、そうでなければ適正に稼働可能であった部品が廃棄されることになり、または相関が標準穴サイズを過小表示していた場合には、稼働中の構成要素が現場で故障することになり得る。ＤＧＳ相関法を使用することで従来から認識されてきている別の欠点は、ＤＧＳ較正曲線データを導出するために必要となる大型かつ複雑な試験片を構築し、実際の相関試験を実行するのに必要となる費用および労力にあった。

これまで、構成要素の工業用非破壊評価にフェイズドアレイ超音波検査探触子を使用することが提案されてきている。フェイズドアレイ超音波探触子は、一連の送信パルスを試験構成要素内の扇形の走査幅にわたって一斉に掃引する多数の送信機素子を有する。したがって、単一の走査位置に単一のフェイズドアレイ探触子を配置するだけで、単一の素子探触子を用いた複数回にわたる接線方向走査の代用にできることが提案されている。報告されている一試験手順では、３２素子のフェイズドリニアアレイ超音波探触子、および可搬式のフェイズドアレイ超音波きず検出器を使用し、ＤＡＣ対比試験片法を用いて不連続部とＦＢＨ標準穴サイズとを相関させるとされている。

米国特許第７，０１７，４１４号には、フェイズドアレイ超音波探触子を、タービンホイールのハブ孔などのキャビティ内に配置し、送信パルスを選択的に操向して、ホイール内の関心領域に集光できることが記載されている。当該特許には、ＤＧＳ技術によって、タービンホイールのハブ孔から反射した音波の振幅を、探触子から様々な距離にある、サイズが既知の平底穴（ＦＢＨ）からの振幅応答と相関させることができることがさらに記載されている。当該特許にはさらに、ＤＧＳ線図データを、音場応答のコンピュータモデリングによって得ることができ、または機械加工されたＦＢＨ反射物を含有した、幾何学的に等価な較正試験片を用いて経験的に求めることができることが記載されている。しかし、ＤＧＳコンピュータシミュレーション、およびＤＧＳ較正曲線のモデリングはこれまで、従来技術の非フェイズドアレイ探触子でしか実施されていなかったことが当業者には知られている。タービンホイールの中央孔からその外周までの半径方向厚さの寸法、および軸方向厚さは、中実タービンシャフトの直径よりもかなり小さく、したがって中空の有孔シャフトについて実際の較正試験片ＤＧＳ曲線、またはコンピュータモデリングＤＧＳ曲線を生成するのは、大径の中実タービンシャフトについて生成しようとするよりは遥かに易しいことが一般に知られている。

したがって、当技術分野では、マトリクス状の走査パスを試験対象物の接線方向にわたって複数回繰り返し行うことなく、中実対象物の関心領域内部のより迅速かつより簡単な外側からの走査を容易にする工業用ＮＤＥ超音波検査システムが求められている。

当技術分野ではまた、ＤＡＣ技術によって求められるような、対比試験片による事前較正を行うことなく、中実対象物の関心領域内部のより迅速かつより簡単な外側からの走査を容易にする工業用ＮＤＥ超音波検査システムが求められている。

当技術分野ではさらに、マトリクス状の走査パスを繰り返し行うことなく、または対比試験片による事前較正を行うことなく、中実鋼合金タービンシャフトなどの中実検査対象物の中央コア体積内にある不連続部の相対位置、および相関させる標準反射物サイズに関する検査基準情報を、部品の稼働可能性検査の判定を行うことができる十分かつ正確な解像度で迅速に生成する、関心領域内部のより迅速かつより簡単な外側からの走査を容易にする工業用ＮＤＥ超音波検査システムが求められている。

米国特許第７，０１７，４１４号 米国特許出願公開第ＵＳ２０１１／０１０９６２７号

したがって、本発明の一目的は、マトリクス状の走査パスを試験対象物の接線方向にわたって複数回繰り返し行うことなく、中実対象物の関心領域内部のより迅速かつより簡単な外側からの走査を容易にする工業用ＮＤＥ超音波検査システムを作製することである。

本発明の別の目的は、ＤＡＣ技術によって求められるような、対比試験片による事前較正を行うことなく、中実対象物の関心領域内部のより迅速かつより簡単な外側からの走査を容易にする工業用ＮＤＥ超音波検査システムを作製することである。

本発明のさらに別の目的は、マトリクス状の走査パスを繰り返し行うことなく、または対比試験片による事前較正を行うことなく、中実鋼合金タービンシャフトなどの中実検査対象物の中央コア体積内にある不連続部の相対位置、および相関させる標準反射物サイズに関する検査基準情報を、部品の稼働可能性検査の判定を行うことができる十分かつ正確な解像度で迅速に生成する、関心領域内部のより迅速かつより簡単な外側からの走査を容易にする工業用ＮＤＥ超音波検査システムを作製することである。

上記およびその他の目的は、本発明に従い、中実コア鋼合金タービンシャフトなどの比較的厚い中実対象物内にある不連続部を識別する工業用超音波検査システムによって達成される。タービンシャフトの外周に配置されたフェイズドアレイ探触子によって、非破壊評価および検査で特に関心のある内側５０％のコア体積を含む、シャフト内の扇形の走査フィールドに超音波パルスを送信する。反射したエコー波形エネルギーを分析することによって、不連続部を識別する。走査収集データのいわゆる「残留（ｇｈｏｓｔ）」エコー歪を最小限に抑えるために、フェイズドアレイ探触子のずらしパルス発射（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｐｕｌｓｅ ｆｉｒｉｎｇ）、または可変パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）を併せて、または個別に利用することができる。ずらしパルス発射、または可変ＰＲＦはいずれも、単独で、または組み合わせることによって、連続した発射パルス間で扇形角度を増大させていくことによって、かつ／または走査サイクル中に必要に応じてＰＲＦを調整することによって、画質を検査速度と調和させるものである。検査対象物内の異常を示すサイズおよび位置を、距離−増幅−サイズ（ＤＧＳ）法によって等価反射物サイズと相関させる。

いくつかの実施形態では、本発明は、無生走査対象物の内部体積を走査するためのフェイズドアレイ超音波検査探触子を含む、無生対象物の非破壊評価用超音波検査システムを特徴とし、その走査は、無生対象物の外周の外側の第１の静止探触子位置に方向付けると、中央内部体積の少なくとも５０パーセント（５０％）に侵入する。この探触子は、様々な扇形角度で一連の超音波を内部体積に送信する複数の送信機と、反射した波形を受信する複数の受信機とを有する。このシステムは、探触子を外周の周りの複数の走査位置に動かし、選択的に方向付ける検査固定具を含む。データ取得システムが探触子受信機に結合され、このデータ取得システムは、外周の周りの複数の探触子走査位置で収集された反射波形受信時間および振幅データを取得し、走査位置と相関させた波形データセットを生成するためのものである。データ分析システムがデータ取得システムに結合され、このデータ分析システムは、内部体積内にある不連続部を識別し、距離−増幅−サイズ分析技術を用いて、反射波形データセットを、識別された不連続部のサイズおよび位置と相関させるためのものである。反射波形データセット内のエネルギーデータは、探触子受信機から様々な距離にある既知の等価反射物サイズ（ＥＲＳ）から得られ、予め記憶させておいたエネルギー応答データと比較され、ＥＲＳは、平底穴（ＦＢＨ）および横穴（ＳＤＨ）である。

他の実施形態では、本発明は、無生走査対象物の内部体積を走査するためのフェイズドアレイ超音波検査探触子を含む、無生対象物の非破壊評価用超音波検査システムを特徴とする。この実施形態では、この探触子は、様々な扇形角度で一連の超音波を内部体積の隣接していない部分に順次ずらしたパターンで内部体積に送信する複数の送信機と、反射した波形を受信する複数の受信機とを有する。本発明のこの実施形態は、探触子を外周の周りの複数の走査位置に動かし、選択的に方向付ける検査固定具を含む。データ取得システムが探触子受信機に結合され、このデータ取得システムは、外周の周りの複数の探触子走査位置で収集された反射波形受信時間および振幅データを取得し、走査位置と相関させた波形データセットを生成するためのものである。データ分析システムがデータ取得システムに結合され、このデータ分析システムは、内部体積内にある不連続部を識別し、距離−増幅−サイズ分析技術を用いて、反射波形データセットを、識別された不連続部のサイズおよび位置と相関させるためのものである。反射波形データセット内のエネルギーデータは、探触子受信機から様々な距離にある既知の等価反射物サイズ（ＥＲＳ）から得られ、予め記憶させておいたエネルギー応答データと比較され、ＥＲＳは、平底穴（ＦＢＨ）および横穴（ＳＤＨ）からなる群から選択される。

本発明はまた、無生対象物の非破壊評価用超音波検査を実施する方法を対象とする。この方法は、無生走査対象物の外周の外側の第１の静止探触子位置に方向付けられた超音波フェイズドアレイを用いて、その無生対象物の内部体積を走査するステップを含む。この探触子は、様々な扇形角度で一連の超音波を内部体積に送信する複数の送信機と、そこから反射した波形を受信する複数の受信機とを有する。この探触子を、外周の周りの複数の走査位置に選択的に動かし、方向付ける。外周の周りの複数の探触子走査位置で反射波形受信時間および振幅データを取得し、収集する。データ取得システムを用いて、波形データセットを生成し、走査位置と相関させる。データ分析システムを用いて、内部体積内にある不連続部を識別し、距離−増幅−サイズ（ＤＧＳ）分析技術を用いて、反射波形データセットを、識別された不連続部のサイズおよび位置と相関させる。ＤＧＳ技術を用いて、反射波形データセット内のエネルギーデータを、探触子受信機から様々な距離にある既知の等価反射物サイズ（ＥＲＳ）から得られ、予め記憶させておいたエネルギー応答データと比較し、ＥＲＳは、平底穴（ＦＢＨ）および横穴（ＳＤＨ）からなる群から選択される。

本発明の目的および特徴は、当業者によっていかなる組合せまたは下位組合せにも併せて、または個別に応用することができる。

本発明の教示は、以下の詳細な説明を添付の図面とともに考慮すれば容易に理解することができる。

例示的な既知の中実鋼合金タービンシャフトを示す図である。 図１の一般的なタイプの中実シャフト上で、単一の検出器を備えた超音波探触子を用いて実施した既知の走査パターンを示す図である。 図１の一般的なタイプの中実シャフト上で、多数の検出器を備えたフェイズドアレイ超音波探触子を用いて実施した本発明の走査パターンを示す図である。 本発明の中実タービンシャフト検査システムの概略ブロック図である。 図４のシステムで使用するフェイズドアレイ探触子の概略ブロック図である。 図５のフェイズドアレイ探触子によって使用する走査パターン角度位置と、可変パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）パルスモードとの関係を示す図である。 不連続部と等価標準サイズ（ＥＲＳ）反射物円形ディスクまたは穴との相関を示す例示的な距離−増幅−サイズ（ＤＧＳ）を示す図である。 任意の不連続部の最大ＥＲＳを表にした推定値と、不連続部の相関サイズおよび相関位置を示すその構築画像とを示す、タービンシャフトに対する超音波検査結果の例示的な視覚表示画像である。

理解しやすいように、各図に共通する同一の要素は、可能な限り同一の参照番号を用いて示してある。

以下の説明を考察すれば、本発明の教示は、中実コア鋼合金タービンシャフトなどの比較的厚い中実対象物内にある不連続部を、比較的高速な検査速度で識別する、工業用超音波検査システムおよび方法に容易に利用できることが当業者には明白に理解されよう。フェイズドアレイ探触子では、１回の走査パスで検査対象物の中央コア体積を組み込んだ大きい体積の走査が容易になる。距離−増幅−サイズを用いた不連続部評価法を利用することによって、走査前の対比試験片による較正を実施する必要なく、不連続部を等価反射物サイズ穴と相関させる。

図３および図４を参照すると、例示的な中実コア鋼合金シャフト１０が、フェイズドアレイ探触子３０を用いて超音波検査されている。直径が約５００ｍｍのシャフトの場合、探触子３０は、シャフト１０の軸方向中心線に対して−２８°から＋２８°の、中央コア体積１４を包含した扇形走査体積Ｕを掃引する。探触子を損傷から保護するために、楔ブロック４０が、任意選択で探触子３０とシャフトの外周面との間に挿置されている。シャフト内の不連続部ｆが、探触子３０から半径方向距離ｓに位置している。

フェイズドアレイ探触子３０は、機能的送信機および受信機３２／３４（機能的かつ概略的に別個の構成要素として示しているが、実際には、同じ構成要素を送信モードと受信モードとの間で周期的に切り換えることが多い）のリニアアレイを含み、それぞれが複数のチャネルを有し、４、８、１６、および３２チャネルを有するものが一般に市販されている。適切なフェイズドアレイ探触子は、フランスのヴォルレシュルロニヨンにあるＩｍａｓｏｎｉｃ ＳＡによって販売されている、中心周波数２ＭＨｚ、帯域幅４０％超、パルス幅２μｓ未満の１６チャネルＤＧＳ探触子である。送信機３２は、エネルギーＶ_Ｔ（ｄＢ）を有する音波パルスを、パルスレートｔ_Ｔでシャフト１０中を伝播するように順次送信し、この音波パルスは、エネルギーＶ_Ｒおよび時間遅延ｔ_Ｒの反射波形として受信機３４に反射し返す。受信機は、この反射波形データセットを捕捉し、検査システムによってさらに処理することになる。フェイズドアレイ探触子３０の帯域幅が比較的高いため、超音波ビームを集光させることができ、したがって最終的に得られる検出きずの解像度がより良好となる。

例示的な中実タービンシャフト１０などの比較的大径の対象物に対して超音波走査を実施する際、いわゆる「残留」エコーまたはファントムエコーによって、受信機３４が受信した反射波形データが誤って解釈されることがある。図５Ａを参照すると、残留エコーデータの誤解釈の可能性を低減させるために一般に知られている一走査法は、低い走査パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）を使用するものであり、したがって残留エコーの伝播は、次のパルス送信および受信シーケンスまでに減衰するか、または途切れることになる。超音波探触子３０の送信機縦波は通常、大型の鍛造タービンシャフト１０の超音波検査に使用される。各音波ビームについて、このシステムでは、残留エコーを回避するように、パルス送信の時間間隔ｔ_ｉを調整しなければならない（詳細については図１を参照）。通常、この時間間隔は、残留エコーを回避するために６０×ｔ_ｉに設定される。この時間間隔ｔ_ｉは、鋼の縦波音速ｖ＝５９２０ｍ／ｓ、および音路長φ（ロータシャフト１０のミリメートル直径）に直接関係し、以下の式（１）に従う。

したがって、直径が２０００ｍｍのシャフトでは、ＰＲＦは２４Ｈｚ未満に維持される。２×Ｎ＋１本のビームを用いたフェイズドアレイ扇形走査では、このシステムは、各パルス発射ショットから次のパルス発射ショットまでＰＲＦを２４Ｈｚで維持しなければならず、さらに、２×Ｎ＋１本のビームの発射ショットをそれぞれ方向付けてから、円周方向に次の角度走査位置θに進む必要がある。これでは、データの取得が極めて遅くなる。本発明では、以下で説明するように、フェイズドアレイ探触子のずらしパルス発射、または可変パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）を併せて、または個別に使用することによって、データ取得走査速度が大幅に増大している。

探触子３０のずらしパルス発射は、送信機アレイ３２の個々の送信機の発射をずらすことによって実現され、したがってフェイズドアレイ探触子３０で従来行われてきたように隣接する個々の送信機を順次発射するのに比べて、発射パルス間でより広い扇形角度発散が得られる。例えば、図５のシャフト１０の従来の走査シーケンスでは、探触子３０は、個々の送信機を−２８°から＋２８°まで順次発射させる。一方、本発明を実施する際に探触子３０の例示的なずらし発射パルスを選択すると、第１のパルスを−２８°で発射し、次のパルスを＋１°で発射し、次に−２７°で発射し、次に＋２°で発射する、といった具合になる。したがって、ずらしパルス発射を実施する際、１回の発射パルスで生じた残留エコーが次の発射パルスのデータ取得に影響を及ぼす可能性は低くなる。

本発明で実施される、任意選択による他方のデータ走査手順は、可変ＰＲＦである。図５Ａに戻ると、０°付近の扇形走査方向の走査ビームは、音路が非常に近いため、互いに極めて影響を受けやすい。したがって、残留エコーの大部分は、０°方向周辺に現れる。扇形走査中に、例えば０°付近の方向の超音波ビームについては小値を用いた離散値によってＰＲＦを変え、残りの超音波ビーム発射扇形方向についてはＰＲＦを増大させることによって、一塊の（ａｇｇｒｅｇａｔｅ）扇形走査あたりの全体走査時間を減少させることができ、以下の式（２）によって示す。

別の可変ＰＲＦ法は、残留エコー領域について、ＰＲＦを小値に固定するのではなく、ＰＲＦ値の比例関係を使用するものであり、以下の式（３）によって示す。

扇形走査が一旦完了した後、次のデータセットを取得するために、シャフト１０を新しい角度位置θに回転させる。新しい角度位置θを得るために、シャフト１０は、スタンド５２、５４を含む固定具上に回転可能に支持されており、被駆動ローラ５６によって、ωによって示す選択された角度位置θまで選択的に回転させる。探触子固定具５８によって、フェイズドアレイ探触子３０を、シャフト１０の外周１６に沿った所望の位置に方向付ける。シャフト１０が回転すると、角度位置エンコーダ６０がシャフト角度位置θを識別する。シャフト１０が３６０°一回転し終えると、探触子３０は、パルス送信波形データセット（実際には、先に知られていた探触子パルスレートおよび出力エネルギーレベルから記録または導出されたもの）、および各走査角度位置θに対応する反射エコー波形エネルギーデータセットを生成したことになる。波形データセットには、エネルギー（Ｖ）、時間（ｔ）、および角度位置（θ）情報が含まれている。図４のＩで示すように、３６０°一回転の走査が完了すると、フェイズドアレイ探触子３０は、第２の軸方向位置ＩＩに、その走査体積Ｕが位置Ｉでの走査体積と重なり合うように配置される。その後、位置ＩＩで３６０°走査、およびデータセット収集が実施され、このシーケンスが、指定された検査体積の検査が位置Ｎで完全に完了するまで繰り返される。取得された走査データセットを分析すると、走査シャフト１０内にある潜在きずが識別される。

超音波検査分析器７０が、ケーブルなどの既知の手段によって、フェイズドアレイ探触子３０、シャフト駆動部５６、および位置エンコーダ６０に通信可能に結合されている。フェイズドアレイ探触子３０は、取得した走査波形データセットを分析器７０に送る。適切な分析器７０は、米国ワシントン州スノークォルミーにあるＺｅｔｅｃ， Ｉｎｃ．のＤＹＮＡＲＡＹ（登録商標）Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ装置などの専用電子デバイス、または汎用コンピュータである。いずれのタイプの装置も、好ましくはメモリ７６に記憶された既知のソフトウェア命令モジュール７４を含むプロセッサ７２を有し、このソフトウェアは、プロセッサによって実行すると、距離−増幅−サイズ（ＤＧＳ）相関法を用いて、走査波形データセットを検査シャフト１０内にある不連続部の位置およびサイズと相関させるものである。分析器７０には、Ｚｅｔｅｃ， Ｉｎｃ．のＵｌｔｒａＶｉｓｉｏｎ（登録商標）３データ取得視覚化ソフトウェアモジュール、および／またはフロリダ州オーランドにあるＳｉｅｍｅｎｓ Ｅｎｅｒｇｙ， Ｉｎｃ．から市販されているＡｕｔｏＮＤＥ ＳＲ（商標）３次元視覚化データ分析ソフトウェアモジュールを利用してもよい。ＳｉｅｍｅｎｓのＡｕｔｏＮＤＥ ＳＲ（商標）ソフトウェアパッケージのいくつかの機能的特徴の説明が、２０１１年５月１２日公開の米国特許出願公開第ＵＳ２０１１／０１０９６２７号に記載されており、その全内容を参照により本明細書に完全に記載されているものとして本明細書に組み込む。不連続部情報は、人間機械インターフェイス８０で検査オペレータによって利用可能であり、人間機械インターフェイス８０には、視覚表示装置、タッチスクリーン、スマートタブレット、スマートフォン、キーパッドもしくはキーボード、マウス、またはその他の既知のポインティング装置のいかなる組合せも含まれ得る。

また、本発明の分析器７０は、様々な形態のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、専用プロセッサ、またはそれらの組合せで実施できることもやはり理解されたい。好ましくは、上記のように、本発明は、ソフトウェアに、プログラム記憶装置で実体として具現化されるプログラムとして実施される。このプログラムは、適切な任意のアーキテクチャを備える機械にアップロードし、それによって実行することができる。好ましくは、この機械は、１つまたは複数の中央処理装置（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、および入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェイスなどのハードウェアを有するコンピュータプラットフォームで実施される。このコンピュータプラットフォームはまた、オペレーティングシステム、およびマイクロ命令コードを含む。本明細書に記載の様々なプロセスおよび機能は、オペレーティングシステムを介して実行されるマイクロ命令コードの一部でも、プログラムの一部（またはそれらの組合せ）でもよい。さらに、追加のデータ記憶装置および印刷装置、または上記でも記載した人間機械インターフェイスなどの様々な他の周辺装置をコンピュータプラットフォームに接続してもよい。

図６は、反射波形エネルギー強度Ｖ（ｄＢ）、およびフェイズドアレイ探触子３０からの距離ｓをグラフとして表した１組のＤＧＳ曲線を概念的に示している。連続した一連の曲線はそれぞれ、直径が異なる平底穴（ＦＢＨ）または横穴（ＳＤＨ）と相関させた、直径がそれぞれ異なる等価反射物サイズ（ＥＲＳ）円形ディスクについて生成されたものである。底面（ｂａｃｋ ｗａｌｌ）曲線は、シャフト１０の反対側の外周面で得られる反射曲線を示している。不連続部のないシャフト１０では、底面曲線によって示される強度および持続時間で音波パルスが伝播することになる。不連続部があると、底面曲線とは異なるエネルギーの波形が反射することになる。それらの波形を、ＤＧＳ法を用いて分析し、不連続部または逸脱したエネルギー波形を、対応するＥＲＳエネルギーレベルと相関させる。次いで、ＥＲＳエネルギーレベルをＦＢＨまたはＳＤＨのエネルギー波形と相関させ、それによって検査者はその連続部に等価な物理的サイズを大よそ求めることができる。

図７に示すように、収集された走査データセットから得られた不連続部データを、有用な検査情報として分析することができる。シャフト１０または他の無生対象物検査用の例示的な検査情報ツールには、最大識別きずサイズ８２、平均きずサイズ８４、または不連続部ｆを表示する仮想画像８６が含まれる。

収集された走査データセットから得られた不連続部データを、有用な検査情報として、分析器７０プロセッサ内で実行される１つまたは複数のソフトウェアモジュール命令セット７４によって分析する。先に説明したＮＤＥ分析用の例示的なソフトウェアモジュールには、Ｚｅｔｅｃ， Ｉｎｃ．のＵｌｔｒａＶｉｓｉｏｎ（登録商標）３データ取得視覚化ソフトウェアモジュール、および／またはフロリダ州オーランドにあるＳｉｅｍｅｎｓ Ｅｎｅｒｇｙ， Ｉｎｃ．から市販されているＡｕｔｏＮＤＥ ＳＲ（商標）３次元視覚化データ分析ソフトウェアモジュールが含まれる。

本発明の教示を組み込んだ様々な実施形態について本明細書に示し、詳細に説明してきたが、当業者であれば、これらの教示をやはり組み込んだ数多くの他の様々な実施形態を容易に考案することができる。添付の図に示した、構成を成すシステム構成要素および方法ステップのいくつかは、好ましくはソフトウェアで実施されるので、システム構成要素（または工程ステップ）間の実際の接続は、本発明がプログラミングされる形態に依存して異なることがあることを理解されたい。具体的には、コンピュータまたは装置のいずれも、既存の、または今後開発される任意のネットワーク技術を用いて相互接続することができ、また、企業ネットワーク、首都圏ネットワークなどの大規模なネットワークシステム、またはインターネットなどのグローバルネットワークを介して全て接続することができる。

１０ 中実コア鋼合金タービンシャフト
１４ コア内部体積
１６ シャフト表面
２０ 探触子
２２ 楔角度ブロック
３０ フェイズドアレイ探触子
３２ 送信機
３４ 受信機
４０ 楔ブロック
５２、５４ スタンド
５６ 被駆動ローラ
５８ 探触子固定具
６０ 角度位置エンコーダ
７０ 超音波検査分析器
７２ プロセッサ
７４ ソフトウェア命令モジュール
７６ メモリ
８０ 人間機械インターフェイス
８２ 最大識別きずサイズ
８４ 平均きずサイズ
８６ 仮想画像

Claims (20)

1. 無生走査対象物の内部体積を走査するためのフェイズドアレイ超音波検査探触子であって、前記走査が、前記無生対象物の外周の外側の第１の静止探触子位置に方向付けると、中央内部体積の少なくとも５０パーセント（５０％）に侵入し、前記探触子が、様々な扇形角度で一連の超音波を前記内部体積に送信する複数の送信機と、そこから反射した波形を受信する複数の受信機とを有する、フェイズドアレイ超音波検査探触子と、
   前記探触子を前記外周の周りの複数の走査位置に動かし、選択的に方向付ける検査固定具と、
   前記探触子受信機に結合され、前記外周の周りの前記複数の探触子走査位置で収集された反射波形受信時間および振幅データを取得し、前記走査位置と相関させた波形データセットを生成するためのデータ取得システムと、
   前記データ取得システムに結合され、前記内部体積内にある不連続部を識別し、距離−増幅−サイズ分析技術を用いて、反射波形データセットを、前記識別された不連続部のサイズおよび位置と相関させるためのデータ分析システムと
   を備え、前記反射波形データセット内のエネルギーデータが、前記探触子受信機から様々な距離にある既知の等価反射物サイズ（ＥＲＳ）から得られ、予め記憶させておいたエネルギー応答データと比較され、前記ＥＲＳが、平底穴（ＦＢＨ）および横穴（ＳＤＨ）からなる群から選択される、無生対象物の非破壊評価用超音波検査システム。
2. 前記検査探触子送信機が、超音波送信する扇形角度を、前記走査対象物の前記内部体積の隣接していない部分にずらす、請求項１に記載のシステム。
3. 前記検査探触子が、隣接した順には順次送信を行わないリニアアレイ送信機を備える、請求項２に記載のシステム。
4. 前記リニアアレイ送信機が、両側で第１のゾーンと第２のゾーンとに分割され、前記それぞれのゾーンが順次送信を行う、請求項３に記載のシステム。
5. 前記ずらした扇形角度が、前記中央内部体積の両側のゾーン間で順次行き来する、請求項２に記載のシステム。
6. 前記ずらした扇形角度が、前記ゾーン間で対称に行き来する、請求項５に記載のシステム。
7. 少なくとも１つのそれぞれの検査探触子送信機が、少なくとも１つの他の送信機とは異なるパルス繰返し周波数（ＰＲＦ）でパルス送信する、請求項２に記載のシステム。
8. 各送信機の前記ＰＲＦが、扇形角度および走査対象物の侵入深さに応じて選択される、請求項７に記載のシステム。
9. 少なくとも１つのそれぞれの検査探触子送信機が、少なくとも１つの他の送信機とは異なるパルス繰返し周波数（ＰＲＦ）でパルス送信する、請求項１に記載のシステム。
10. 各送信機の前記ＰＲＦが、扇形角度および走査対象物の侵入深さに応じて選択される、請求項９に記載のシステム。
11. 無生走査対象物の内部体積を走査するためのフェイズドアレイ超音波検査探触子であって、様々な扇形角度で一連の超音波を前記走査対象物の前記内部体積の隣接していない部分に順次ずらしたパターンで前記内部体積に送信する複数の送信機と、そこから反射した波形を受信する複数の受信機とを有する、フェイズドアレイ超音波検査探触子と、
    前記探触子を前記外周の周りの複数の走査位置に動かし、選択的に方向付ける検査固定具と、
    前記探触子受信機に結合され、前記外周の周りの前記複数の探触子走査位置で収集された反射波形受信時間および振幅データを取得し、前記走査位置と相関させた波形データセットを生成するためのデータ取得システムと、
    前記データ取得システムに結合され、前記内部体積内にある不連続部を識別し、距離−増幅−サイズ分析技術を用いて、反射波形データセットを、前記識別された不連続部のサイズおよび位置と相関させるためのデータ分析システムと
    を備え、前記反射波形データセット内のエネルギーデータが、前記探触子受信機から様々な距離にある既知の等価反射物サイズ（ＥＲＳ）から得られ、予め記憶させておいたエネルギー応答データと比較され、前記ＥＲＳが、平底穴（ＦＢＨ）および横穴（ＳＤＨ）からなる群から選択される、無生対象物の非破壊評価用超音波検査システム。
12. 少なくとも１つのそれぞれの検査探触子送信機が、少なくとも１つの他の送信機とは異なるパルス繰返し周波数（ＰＲＦ）でパルス送信する、請求項１１に記載のシステム。
13. 各送信機の前記ＰＲＦが、扇形角度および走査対象物の侵入深さに応じて選択される、請求項１２に記載のシステム。
14. 無生対象物の外周の外側の第１の静止探触子位置に方向付けた超音波フェイズドアレイを用いて、前記無生走査対象物の内部体積を走査するステップであって、前記探触子が、様々な扇形角度で一連の超音波を前記内部体積に送信する複数の送信機と、そこから反射した波形を受信する複数の受信機とを有する、ステップと、
    前記探触子を前記外周の周りの複数の走査位置に動かし、選択的に方向付けるステップと、
    データ取得システムを用いて、前記外周の周りの前記複数の探触子走査位置で収集された反射波形受信時間および振幅データを取得し、前記走査位置と相関させた波形データセットを生成するステップと、
    データ分析システムを用いて、前記内部体積内にある不連続部を識別し、距離−増幅−サイズ分析技術を用いて、反射波形データセットを、前記識別された不連続部のサイズおよび位置と相関させるステップと
    を有し、前記反射波形データセット内のエネルギーデータを、前記探触子受信機から様々な距離にある既知の等価反射物サイズ（ＥＲＳ）から得られた、予め記憶させておいたエネルギー応答データと比較し、前記ＥＲＳが、平底穴（ＦＢＨ）および横穴（ＳＤＨ）からなる群から選択される、無生対象物の非破壊評価用超音波検査を実施する方法。
15. 前記送信するステップが、超音波送信を、隔離された扇形角度で、前記走査対象物の前記内部体積の隣接していない部分にずらして行うことによって実施される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ずらした扇形角度が、前記中央内部体積の両側のゾーン間で順次行き来する、請求項１５に記載の方法。
17. 少なくとも１つのそれぞれの検査探触子送信機が、少なくとも１つの他の送信機とは異なるパルス繰返し周波数（ＰＲＦ）でパルス送信する、請求項１５に記載の方法。
18. 各送信機の前記ＰＲＦが、扇形角度および走査対象物の侵入深さに応じて選択される、請求項１７に記載の方法。
19. 少なくとも１つのそれぞれの検査探触子送信機が、少なくとも１つの他の送信機とは異なるパルス繰返し周波数（ＰＲＦ）でパルス送信する、請求項１４に記載の方法。
20. 各送信機の前記ＰＲＦが、扇形角度および走査対象物の侵入深さに応じて選択される、請求項１８に記載の方法。

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