JP3747921B2

JP3747921B2 - ガイド波を用いた非破壊検査装置及び非破壊検査方法

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Publication number: JP3747921B2
Application number: JP2003175683A
Authority: JP
Inventors: 良昭永島; 正浩小池; 哲也松井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: KR100589748B1; TWI254130B; TW200500605A; US7171854B2; GB2403009A; GB2403009B; CN100394174C; KR20040110076A; US20040255678A1; JP2005010055A; CN1573328A; GB0403732D0

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配管の劣化をガイド波を用いて長距離区間一括して検査する非破壊検査装置及び非破壊検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種プラントに用いられる配管は、建設から長期間が経過すると、その配管の内外面からの劣化、即ち腐食や侵食が顕在化してくる。これらの劣化が進行して配管の肉厚を貫通するまでに至ると、漏洩事故につながる恐れがある。このため、配管の肉厚の状態を、非破壊的な手段により評価し、漏洩に至る以前に、配管の交換や補修といった対策を施す必要がある。
【０００３】
音波を用いた非破壊測定手段の代表的なものに、超音波厚み計がある。超音波厚み計は、一般には、電気と音響を相互に変換する圧電素子から成る超音波センサを用いて、対象配管中にバルク波（縦波や横波といった弾性波）を励起して、配管底面で反射した弾性波を同一もしくは別の超音波センサで受信して、配管の肉厚を測定する装置である。
【０００４】
この装置は、受信波の受信時間を肉厚に換算するという測定原理上、高い精度で配管の肉厚を測定することができる一方で、検査範囲は、センサの大きさとほぼ同等程度に限られる。長尺の配管のように検査要求範囲が広くなると、測定点の増加により、多大な検査時間を要するという欠点がある。また、保温材がある配管や、埋設配管，垂直配管などアクセス性に問題のある配管においては、検査の準備・片付けに要する時間も多大である。
【０００５】
このような問題に対する一つの対応策として、ガイド波（配管や板のように境界面を有する物体中を、反射やモード変換しながら進行する縦波・横波の干渉によって形成される弾性波）を用いて配管の長距離区間を一括して検査する方法がある。この方法は、ガイド波が配管の周方向断面積が変化する位置で反射する特徴を利用した方式である。配管の軸方向に、配管の中心軸に対して対称の単一モードのガイド波を伝播させて、その反射波の波高値や出現時間から減肉あるいは欠陥の大きさと軸方向位置を測定する。減肉あるいは欠陥以外に、溶接線からの反射波も得られるが、減肉あるいは欠陥からの反射波が、配管の中心軸に対して非軸対称に振動するのに対して、溶接線からの反射波が軸対称に振動する特徴を捉えて識別する（特に、特許文献１を参照）。
【０００６】
また、検出信号と参照信号との相関を求めて、その相関の極大値に基づいて高精度に欠陥の位置等を特定する弾性波を用いた配管の検査装置（特に特許文献２を参照）が公知である。
【０００７】
【特許文献１】
特表平１０−５０７５３０号公報
【特許文献２】
特開２００２−２３６１１３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来技術は、ガイド波の励振リングにトーンバースト波（４サイクルのトーンバースト波を図２６に例示）を印加するとして説明されている。しかしながら、ガイド波は、音速が周波数によって変化する特性（以下、音速が周波数によって変化することを分散すると称し、この特性を分散特性と称する）を示すので、群速度（波束（波の塊）が進む速度）が、一定でない周波数帯域のガイド波を利用すると、遠方にある減肉や欠陥に対しての検出性能が低下する。
【０００９】
この現象について詳細に説明する。例えば、材質が炭素鋼（縦波音速＝5940ｍ／ｓ，横波音速＝３２６０ｍ／ｓ）で、外径１１４.３mm ，肉厚６mm（肉厚と外径の比が０.０５２）の配管の場合、周波数と肉厚の積とガイド波の音速の関係は、図２７に示すようになることが理論的にわかっている。同図（ａ）は位相速度を示しており、５１ａはＬ（０，１）モード、５２ａはＬ（０，２）モード、５３ａはＬ（０，３）モード、５４ａはＬ（０，４）モードと呼ばれ、Ｌ（ｎ，ｍ）で表すｍの数字が大きいほど板厚方向の変位分布が複雑になる。モードによる変位の特徴を模式的に示したのが図２８であり、上から順にＬ（０，１）モード，Ｌ（０，２）モード，Ｌ（０，３）モードを示している。
【００１０】
図２７（ｂ）は群速度を示しており、５１ｂはＬ（０，１）モード、５２ｂはＬ（０，２）モード、５３ｂはＬ（０，３）モード、５４ｂはＬ（０，４）モードである。Ｌ（０，２）モードの場合、約１５０ｋＨｚ以下の帯域（周波数×肉厚＝０.９ＭＨｚmm 以下）で群速度５２ｂがほぼ一定になるが、３００ｋＨｚから５００ｋＨｚの付近(周波数×肉厚が１.８〜３.０ＭＨｚmm)は、群速度５２ｂが周波数によって大きく変化する。
【００１１】
この理論を検証するために、外径１１４.３mm ，肉厚６mm，長さ５５００mmの配管に、端部から１５００mmの位置に欠陥を施し、中心周波数５００ｋＨｚのＬ（０，２）モードガイド波を送信して、欠陥からの反射波形を検出した。その結果を図２９の説明図に示す。図２９（ａ）は、センサを欠陥から２００mm離して（配管端部から１７００mmの位置に）設置した場合での反射波形であり、６１は欠陥からの反射波形、６２は配管端部からの反射波形である。図２９（ｂ）は、センサを欠陥から１０００mm離して（配管端部から２５００mmの位置に）設置した場合での反射波形であり、６３は欠陥からの反射波形、６４は配管端部からの反射波形である。欠陥からの反射波形である６１と６３を比較すると、センサと欠陥の距離が遠い反射波形６３の方が、明らかに波動の持続時間が長くなっている。これは、前述したように音速が周波数によって異なる分散特性示すためであり、このような周波数帯域を使うと、ガイド波のエネルギーが、伝播距離が長くなるにしたがって時間軸上で広がって振幅が低下し、特に微小な割れや減肉の検出に支障をきたすこととなる。
【００１２】
音速が分散する帯域は、一般に周波数が高い帯域に良く現れるので、周波数を下げるのが一つの対応策であるが、同時に波長が長くなるので、微小な欠陥に対しての感度が悪化することになる。
【００１３】
本発明は、周波数で音速が分散する比較的周波数が高い帯域を利用しながらも、分散による振幅の低下を補償して、長距離区間を一括して検査可能な非破壊検査装置及びその方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的を達成するために、本発明の非破壊検査装置は、基準波形を用いて送信波形を作成する波形作成手段と、前記送信波形が印加されて被検査体内にガイド波を発生させる送信素子と、前記被検査体の検査領域から前記ガイド波の反射波を受信する受信素子と、前記受信素子で受信した前記反射波の受信波形に基づいて得た検査情報を出力する解析手段と、前記検査情報を表示する表示手段とを備えている。
【００１５】
同じく、本発明の非破壊検査方法は、基準波形を用いて送信波形を作成するステップと、前記送信波形を送信素子に印加して被検査体内にガイド波を発生させるステップと、前記被検査体の検査領域から前記ガイド波の反射波を受信素子で受信するステップと、前記受信素子で受信した前記反射波の受信波形に基づいて得た検査情報を得るステップと、前記検査情報を表示するステップとを備えている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の第１の実施形態における装置の構成を、図１から図３を用いて説明する。図１は、本実施形態に係わる配管検査装置のブロック図であり、同図において、１はガイド波送受信素子であって送信素子と受信素子とにガイド波の発生時とそのガイド波の反射波の受信時に用いられる送受信共通の素子、２は送受信素子リング、３はガイド波送受信手段、４はＡ／Ｄ変換器、５は波形作成・解析手段、６は入力手段、７は表示手段である。ガイド波とは、超音波であって、配管や板のように境界面を有する物体中を、反射やモード変換しながら進行する縦波や横波の干渉によって形成される弾性波と定義される。ガイド波送受信素子１は、共通の圧電素子を、送信時には送信素子として、受信時には受信素子として用いられる。尚、送信素子専用の圧電素子と、受信素子専用の圧電素子を近接して備えるようにして、送受信の用途別に専用化してもかまわない。
【００１７】
ガイド波送受信素子１は、配管９にガイド波を発生させる素子で、例えば圧電素子で構成されており、配管９に接触して配置され、ガイド波送受信手段３と同軸ケーブルを介して電気的に接続されている。送受信素子リング２は、複数のガイド波送受信素子１を配管の周囲に円環状に把持する治具で、好ましくは、ガイド波送受信素子１を円周方向に等間隔に格納する構造を持ち、配管に対して着脱可能な構造とする。送受信素子リング２は、リング状のフレームをリングの直径に沿って切断した２分割の構造を有し、その分割端はネジで結合されてリング状に組み立てられている。したがって、配管９の外周囲にリング状のフレームを組み立てると送受信素子リング２は配管の外周に装着される。その送受信素子リング２のリング状のフレームの内側には、複数のガイド波送受信素子１が格納されるとともに、送受信素子リング２のリング状のフレームから配管９の外周面に向けて伸縮するバネで支持されている。そのため、その送受信素子リング２が配管９の外周面に装着されると、複数のガイド波送受信素子１がバネで配管９の外周面に押し当てられてガイド波送受信素子１から配管９に対してガイド波を発生させやすいようにされる。
【００１８】
ガイド波送受信手段３は、ガイド波を送信するためにガイド波送受信素子１に送信波形を印加して、さらにガイド波送受信素子１からの受信波形を増幅する手段で、波形作成・解析手段５とデジタルデータを通信できるように接続され、また、受信波形を、Ａ／Ｄ変換器４に送るように同軸ケーブルを介して接続されている。このガイド波送受信手段３は、例えば、送信波形の周波数を任意に設定できるシンセサイザ、もしくは任意波形発生器と、それらの信号を増幅するパワーアンプと、市販の超音波レシーバ、もしくは広帯域アンプで構成することができる。
【００１９】
Ａ／Ｄ変換器４は、アナログ信号をデジタル信号に変換する機能を有し、ガイド波送受信手段３から出力されるガイド波の受信波形をデジタル波形として波形作成・解析手段５に通信するように接続される。このＡ／Ｄ変換器４は、例えば、市販のオシロスコープやコンピュータ組み込み式のボードタイプが利用される。
【００２０】
波形作成・解析手段５は、送信波形の作成や受信波形の解析を行うとともに、配管検査装置の全体の動作を統括する手段であって、コンピュータなどで構成でき、操作者の指示を受け付けるキーボードなどの入力手段６及びＣＲＴなどの表示手段７に接続される。
【００２１】
次に、ガイド波送受信素子１の構成例を、図２を用いて説明する。同図において、１０１はアクリル、１０２は厚み振動子、１０３は厚み振動子１０２から送信された縦波、９は配管、８は配管９を伝播するガイド波である。厚み振動子１０２は、配管９に対して縦波１０３を入射角度θで入射するように斜角に配置され、入射角度θは、屈折角度を９０°としたスネルの法則θ＝sin^-1(Ｃｗ／ｃ(ω)）で算定される。ここで、Ｃｗはアクリルの縦波音速、ｃ(ω)（ωはガイド波の中心角周波数）は、発生させたいモードの位相速度である。
【００２２】
例えば、アクリルの縦波音速を２７２０ｍ／ｓとすると、Ｌ（０，２）モードの周波数×肉厚＝３ＭＨｚmmでは、位相速度が３４８０ｍ／ｓ（図２７（ａ）参照）なので、入射角θは５１°に決定される。なお、１０１の材質はアクリルに限らず、ポリスチレンやその他の樹脂系材質を用いることができる。
【００２３】
図３は、ガイド波送受信手段３とガイド波送受信素子１との接続図である。同図において、１ａ，１ｂ，１ｃはガイド波送受信素子であり、すべてガイド波送受信手段３に並列に接続されている。このため、ガイド波送受信手段３から印加された送信波形は、ガイド波送受信素子１ａ，１ｂ，１ｃを同時に振動させることができる。
【００２４】
次に、本発明の第１の実施形態における配管検査装置の動作を、図１，図４，図５，図７、および波形作成・解析手段５の内部処理を示す図６のフローチャートを用いて説明する。初めに、波形作成・解析手段５は、検査条件の入力を求める（ステップＳ１）。このとき、表示手段７に、図４（ａ）に示す検査条件設定ウインドウを表示し、配管の肉厚，材質もしくは音速（縦波と横波の音速）、および検査領域（ガイド波送受信素子１を原点（０mm）とする距離）の入力を求める。図４には記載していないが、さらに、配管の外径の入力を求めるようにしておいても良い。
【００２５】
配管の材質が入力された場合、予め格納された材質と音速とを対応させるデータベースを参照し、入力された材質の縦波と横波の音速を求める。また、必要に応じて、図４（ｂ）に示す基準波形選択／表示ウインドウを表示し、後述する送信波形の基準となる基準波形の候補を複数表示して、選択を求める。また、サイクル数，中心周波数の入力を求め、入力された条件の基準波形を基準波形プレビューに表示して、入力を補助する。
【００２６】
また、表示手段７に、図５に示す送信波形表示ウインドウを表示し、検査領域を複数のセグメントに分割をするか否かを選択させるが、本実施形態は、セグメントを分割しない場合（Ｎｏにチェックマーク）についての説明である。
【００２７】
すべての条件が入力されると、波形作成・解析手段５は、送信波形を自動作成する（ステップＳ２）。送信波形の自動作成は、次に示す数式を波形作成・解析手段５中にソフトウエアとして実装することで実現されるが、この内容を図７を参照して説明する。
【００２８】
初めに、基準波形ｕ(ｔ)（図７（ａ））に、式（１）に基づくフーリエ変換を施して、複素フーリエ成分Ｕ(ω)を求める。図７（ｄ）に示した波形が受信素子に受信したい波形であり、これが基準波形ｕ(ｔ)と同等の波形となる。
【００２９】
【数１】

【００３０】
次に、Ｕ(ω)に、距離ｄ（ガイド波送受信素子１から検査領域Ｒの中心までの距離）を往復伝播したとき、すなわち距離２ｄを伝播したときに相当する位相遅延を与え、逆フーリエ変換を施して、距離２ｄ伝播後の計算波形ｕ（２ｄ，ｔ）（図７（ｂ））を算出する（式（２））。最後に、式（４）により計算波形ｕ（２ｄ，ｔ）を時間反転させて、送信波形ｕ′(ｔ)（図７（ｃ））を得る。
【００３１】
【数２】

【００３２】
ここで、ωは角周波数、ｃ(ω)はガイド波の位相速度、ｔ_max は、群速度の最小値をｃ_min とするときにｔ_max ＝２ｄ／ｃ_min で決定される時間である。なお、ガイド波の位相速度ｃ(ω)は、J.L. Rose著の“Ultrasonic Waves in Solid Media”のｐｐ.１５９−１６２に述べられている特性方程式の数値解を解くことで求められることが知られているが、詳細は省略する。
【００３３】
作成された送信波形ｕ′(ｔ)は、ガイド波送受信手段３に転送されるとともに、送信波形表示ウインドウ（図５）に表示される。一例を挙げれば、検査領域Ｒが５００mm〜１５００mmであると、検査領域の中心は、１０００mmであるので、距離ｄ＝１０００mmとして、送信波形が計算され、送信波形プレビューに表示される。
【００３４】
次に、ガイド波の送受信を行う（ステップＳ３）。ガイド波の送受信は、波形作成・解析手段５が、ガイド波送受信手段３へトリガ信号を送出することで開始される。トリガ信号を検出したガイド波送受信手段３は、ガイド波送受信素子１に送信波形を印加すると同時に、Ａ／Ｄ変換器４に対してトリガ信号を送信する。
【００３５】
送信波形を印加されたガイド波送受信素子１は、機械的に振動することによって、配管９に対してガイド波８を励起する。ガイド波８は、配管９を軸方向に伝播するが、このうち、割れや減肉などの不連続な点（Ｄ０）で反射した成分は、ガイド波送受信素子１で受信され、受信波形としてガイド波送受信手段３に入力される。ガイド波送受信手段３は、受信波形を増幅して、増幅した受信波形をＡ／Ｄ変換器４に送る。
【００３６】
Ａ／Ｄ変換器４は、ガイド波送受信手段３がガイド波送受信素子１に送信波形を印加すると同時に発生させたトリガ信号に同期して、信号のデジタル化を開始しており、増幅した受信波形は、Ａ／Ｄ変換器４でデジタル信号に変換され、波形作成・解析手段５に転送される。次に、検査情報として検査結果を表示する（ステップＳ４）。この場合の検査結果は、時間もしくは距離を横軸として波形で表示される。以上で、動作を終了する。
【００３７】
次に、本発明の第１の実施形態により、欠陥のある配管を実際に検査した試験結果の例を、図８と図９を用いて説明する。試験に用いた配管は、発明が解決しようとする課題の中で述べたものと同じく、外径１１４.３mm，肉厚６mm，長さ５５００mmの炭素鋼管であり、端部から１５００mmの位置に欠陥を施してある。
【００３８】
ガイド波送受信素子１を欠陥から１０００mmの位置（端部からは２５００mm）に配置し、本実施形態により検査を実施した。検査条件設定ウインドウで、配管の肉厚を６mm，材質を炭素鋼，検査領域を５００mm〜１５００mmと入力し、基準波形選択／表示ウインドウで、トーンバースト波を選択し、サイクル数を４、中心周波数を５００ｋＨｚと入力した。このとき送信波形表示ウインドウに表示される送信波形は図８のようになる。また、検査情報としての検査結果は、図９（ｂ）の通りであり、通常の送信波形を用いた場合である図９（ａ）と比較すると、時間軸上での波の広がりが抑制されることが確認された。
【００３９】
なお、Ｌ（０，１）モードやＬ（０，２）モードの群速度（図２７の５１ｂや５２ｂ）が大きく変わる領域では、通常の送信波形を用いた波形（図９（ａ）の６３に相当）の時間軸上の広がりが元々大きいので、本実施形態を適用することでＷ２４のような波形になり、波形の時間軸上の広がりを抑制する効果が非常に高い。具体的には、周波数（ＭＨｚ）×肉厚（mm）が０.５から４.０の領域で用いるのが良い。
【００４０】
前述した本発明の第１の実施形態によれば、周波数で音速が分散する比較的周波数が高い帯域を利用しながらも、配管の特定の位置において、分散による振幅の低下を補償することができるので、配管の特定の位置における欠陥の検出感度を向上することができる。
【００４１】
次に、本発明の第２の実施形態として、検査領域を軸方向に複数のセグメントに分割して各セグメント毎に送信波形を割り当てて検査する実施形態を説明する。本実施形態に係わる配管検査装置のブロック図は、第１の実施形態のブロック図である図１と同じであるので、説明は省略する。
【００４２】
本発明の第２の実施形態における配管検査装置の動作を、図１０，図１３、および波形作成・解析手段５の内部処理を示す図６，図１１，図１２のフローチャートを用いて説明する。初めに、波形作成・解析手段５は、検査条件の入力を求める（ステップＳ１）。このときの動作は、本発明の第１の実施形態に準じるが、本実施の形態では、図１０（ａ）に示す例のように送信波形表示ウインドウにおいて、セグメント分割でＹｅｓを選択する。このとき、検査セグメントの分割条件はセグメント数で入力され、波形作成・解析手段５は、各検査セグメント長さが同じになるように検査セグメントを決定し、ガイド波送受信素子１に近い順にセグメントに番号を割り当てる。
【００４３】
また、図１０（ｂ）に示すように、検査セグメントの区間が個別に入力されるようにもできる。すべての条件が入力されると、波形作成・解析手段５は、送信波形を自動作成する（ステップＳ２）。この内容を図１１のフローチャートを用いて説明する。はじめに、検査セグメントを示す変数ｊに１を代入する（ステップＳ２０１）。次に、変数ｊがセグメント数以下かどうか判定を行う（ステップＳ２０２）。ｊ＝１のときはＹｅｓの判定となるので、ステップＳ２０３に進むが、このときＮｏの判定であればステップＳ２０６に進む。次に、基準波形ｕ(ｔ)と、ガイド波送受信素子１から第ｊの検査セグメントの中心までの距離ｄをもとに、送信波形ｕ′(ｔ)を演算する（ステップＳ２０３）。このときの演算内容は、本発明の第１の実施形態と同じであるので、説明は省略する。
【００４４】
次に、送信波形ｕ′(ｔ)をメモリに格納する（ステップＳ２０４）。次に、変数ｊに１を加算する（ステップＳ２０５）。次に、ステップＳ２０２に戻るが、変数ｊがセグメント数以下の間は、Ｓ２０２→Ｓ２０３→Ｓ２０４→Ｓ２０５を繰り返し、全ての検査セグメントに対して送信波形ｕ′(ｔ)を算出する。変数ｊがセグメント数を超えた場合、波形作成・解析手段５はガイド波送受信手段３に一連の送信波形ｕ′(ｔ)を転送する（ステップＳ２０６）。
【００４５】
以上のステップで、送信波形の作成処理を終了する。作成されたすべての送信波形は、送信波形表示ウインドウ（図１０）に表示され、確認できるようになっている。次に、波形作成・解析手段５は、ガイド波を送受信する(ステップＳ３)。このときの動作は、本発明の第１の実施形態と同じであるが、波形作成・解析手段５が、ガイド波送受信手段３へトリガ信号を送出する前に、送信波形選択信号を送出し、送信信号を選択するステップが追加される。
【００４６】
次に、検査情報である検査結果を解析・表示する（ステップＳ４）。この内容を、図１２のフローチャートと図１３を用いて説明する。はじめに、波形作成・解析手段５は、検査セグメントを示す変数ｊに１を代入する(ステップＳ４０１)。次に、変数ｊがセグメント数以下かどうか判定を行う（ステップＳ４０２）。ｊ＝１のときはＹｅｓの判定となるので、ステップＳ４０３に進むが、このときＮｏの判定であればステップＳ４０５に進む。次に、検査セグメントｊの受信波形を読み出す（ステップＳ４０３）。
【００４７】
次に、検査セグメントを示す変数ｊに１を加算してメモリに格納し（ステップＳ４０４）、ステップＳ４０２に進む。変数ｊがセグメント数以下の間は、
Ｓ４０２→Ｓ４０３→Ｓ４０４を繰り返し、全ての検査セグメントに対して受信波形を読み出す。変数ｊがセグメント数を超えた場合、読み出した受信波形に対して、検査セグメントの位置に相当する時間ゲートを設け、各ゲート内の信号を抜き出して、時間軸上で連結する（ステップＳ４０５）。
【００４８】
次に、波形作成・解析手段５は、時間もしくは距離を横軸とした波形を映像信号として表示手段７に出力し、表示手段７は映像信号を受信して波形を表示する（ステップＳ４０６）。表示の一例を図１３に示す。同図において、（ａ）は第２の検査セグメントＲ２に対して高感度になる送信波形をガイド波送受信素子１に印加したときの受信波形であり、２１は送信波形、２２はＲ２にある欠陥からの反射波形、２３はＲ３にある欠陥からの反射波形、Ｇ２はＲ２に相当するゲートである。
【００４９】
また、図１３（ｂ）は第３の検査セグメントＲ３に対して高感度になる送信波形をガイド波送受信素子１に印加したときの受信波形であり、２４は送信波形、２５はＲ２にある欠陥からの反射波形、２６はＲ３にある欠陥からの反射波形、Ｇ３はＲ３に相当するゲートである。各ゲート内の波形を連結したのが、図１３（ｃ）で示した連結波形である。感度が良いゲート内の波形を連結することで、すべての検査セグメントに対して、高感度な波形を得ることができる。
【００５０】
図１４は、本発明の第２の実施形態により作成した送信波形の例である。このときの基準波形は、式（５）で与えるトーンバースト波（周波数５００ｋＨｚ）である（形状は図２６と同じ）。
【００５１】
【数３】

【００５２】
図１４（ａ）の送信波形Ｗ２０は、ｄ＝５００mmとして式（４）に基づき計算した送信波形である。すなわちガイド波送受信素子１から送信されたガイド波が、５００mm離れた位置にある欠陥から反射して、再びガイド波送受信素子１で受信される際に、ガイド波の持続時間が短時間となるように、位相速度のデータ（図２７（ａ）の５２ａ）を参照して計算した波形である。ｄ＝１０００mm、ｄ＝２０００mmで計算した送信波形は、各々図１４（ｂ）のＷ２１、図１４（ｃ）のＷ２２のようになる。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施形態により作成した送信波形により、ガイド波を励起した場合の効果を図１５を用いて説明する。ガイド波送受信素子１と欠陥の距離ｄを変えて反射波を収録した。図１５はその結果で、図１５（ａ）は、基準波形を５００ｋＨｚのトーンバースト４サイクルとしてｄ＝５００mmとして計算した送信波形ｕ′(ｔ)を用いて５００mm先にある欠陥からの反射波形を収録した結果である。
【００５４】
図１５（ｂ）は、ｄ＝１０００mmとして計算した送信波形ｕ′(ｔ)を用いて１０００mm先にある欠陥からの反射波形を収録した結果、図１５（ｃ）は、ｄ＝２０００mmとして計算した送信波形ｕ′(ｔ)を用いて２０００mm先にある欠陥からの反射波形を収録した結果である。Ｗ２３，Ｗ２４，Ｗ２５は欠陥からの反射波形であるが、いずれの信号も図２９の反射波形６１や６３と比べると、持続時間が短くなっている。なお、Ｗ２６，Ｗ２７，Ｗ２８は送信波形である。
【００５５】
図１６は、ガイド波送受信素子１から欠陥までの距離と受信波形の振幅の関係を測定した試験結果を示している。同図において、３１はｄ＝０mmとして計算した送信波形（基準波形と同じ）を用いた場合、３２はｄ＝２５０mmとして計算した送信波形を用いた場合、３３はｄ＝５００mmとして計算した送信波形を用いた場合、３４はｄ＝１５００mmとして計算した送信波形を用いた場合である。いずれの結果も、ガイド波の持続時間が短時間となる距離において、相対振幅が極大値を示しており、結果に対する感度が高くなっていることがわかる。測定結果３１との差が、本実施形態に基づく送信方法を採用したことによる改善分である。
【００５６】
前述した本発明の第２の実施形態によれば、本発明の第２の実施形態で説明した配管の軸方向を複数の検査セグメントに分割して、各検査セグメント毎に異なる送信信号で送受信した受信信号を連結するので、配管のすべての位置を高い感度で検査することが可能になる。
【００５７】
次に、本発明の第３の実施形態を図１７を用いて説明する。第３の実施形態における装置構成は、第１及び第２の実施形態と同じであるので、説明は省略する。本実施形態における配管検査装置の動作は、本発明の第２の実施形態に準じるが、検査結果の解析・表示処理（図１２）において、ステップＳ４０５の後に、次の機能が追加される。すなわち、波形作成・解析手段５は、受信波形を図１７（ａ）に示す分散振幅補正曲線４１が、その包絡線４２に対して低下する分を補正し、補正した波形を、新たに受信波形とする。
【００５８】
例えば、図１７（ｂ）が受信波形の連結波形であるとすると、波形２２に対しては振幅差４３を補正する。補正したことによって、分散振幅補正後の連結波形は、図１７（ｃ）のようになり、波形２２は波形２２ａのように振幅が補正して示される。なお、この分散振幅補正曲線４１は、図１６の試験に基づくデータから作成される。
【００５９】
前述した本発明の第３の実施形態によれば、検査セグメントの中心から外れた位置において、信号レベルが低下するのを補正することで、特定の位置で検出性能が悪化するのを抑える効果がある。
【００６０】
次に、本発明の第４の実施形態を図１８から図２４を用いて説明する。
【００６１】
図１８は、本実施形態に係わる配管検査装置のブロック図であり、同図において、１はガイド波送受信素子、２は送受信素子リング、３はガイド波送受信手段、４はＡ／Ｄ変換器、５は波形作成・解析手段、６は入力手段、７は表示手段、１０は素子切替手段である。
【００６２】
素子切替手段１０は、波形作成・解析手段５からの制御信号によって制御され、ガイド波送受信手段３と接続するガイド波送受信素子１を選択する手段で、例えば、市販のマルチプレクサで構成される。その他の構成は、本発明の第１の実施形態と同様であるので、説明は省略する。
【００６３】
図１９は、素子切替手段１０とガイド波送受信素子との接続図である。同図において、１ａ，１ｂ，１ｃはガイド波送受信素子であり、各々素子切替手段１０のチャンネル１，チャンネル２，チャンネル３と接続されている。チャンネル４以降は、図中に接続線を省略しているが、同様に他のガイド波送受信素子と一対一に接続されている。
【００６４】
次に、本発明の第４の実施形態における配管検査装置の動作を、図６，図２０と図２１のフローチャート、及び図２２を用いて説明する。初めに、波形作成・解析手段５は、検査条件の入力を求める（ステップＳ１）。ここでの動作は、本発明の第２の実施形態と同じであるので、説明は省略する。次に、送信波形を自動作成する（ステップＳ２）。ここでの動作も、本発明の第２の実施形態と同じであるので、説明は省略する。
【００６５】
次に、ガイド波を送受信する（ステップ３）。この内容を図２０を参照して説明する。はじめに、メモリ中に格納されたチャンネルを示す変数ｉに１を代入する（ステップＳ３０１）。次に、変数ｉがチャンネル数以下かどうか判定を行う（ステップＳ３０２）。ｉ＝１のときはＹｅｓの判定となるので、ステップＳ３０３に進むが、このときＮｏの判定であれば動作を終了する。ステップＳ３０３では、波形作成・解析手段５は、素子切替手段１０に素子選択信号を送出する（ステップＳ３０３）。
【００６６】
素子選択信号を受けた素子切替手段１０は、スイッチ１０ａを切り替えて、ガイド波送受信手段３とチャンネル１を電気的に接続する。これによって、ガイド波送受信手段３とガイド波送受信素子１ａが接続される。次に、メモリ中に格納された検査セグメントを示す変数ｊに１を代入する（ステップＳ３０４）。次に、変数ｊが検査セグメント数以下かどうか判定を行う。ｊ＝１のときはＹｅｓの判定であるので、ステップＳ３０６に進むが、Ｎｏの判定であればステップＳ３１０に進む（ステップＳ３０５）。
【００６７】
次に、波形作成・解析手段５は、ガイド波送受信手段３が第１の検査セグメントＲ１に対して作成した送信波形を準備するように、ガイド波送受信手段３に送信波形選択信号を送る（ステップＳ３０６）。次に、波形作成・解析手段５は、ガイド波送受信手段３に対して、送信のトリガ信号を送る（ステップＳ３０７）。トリガ信号を検出したガイド波送受信手段３は、素子切替手段１０を介してガイド波送受信素子１ａに送信波形を印加すると同時に、Ａ／Ｄ変換器４に対してトリガ信号を送信する。送信波形を印加されたガイド波送受信素子１ａは、機械的に振動することによって、配管９に対してガイド波８ａを励起する。
【００６８】
ガイド波８ａは、配管９を軸方向に伝播するが、このうち、割れや減肉などの不連続な点で反射したガイド波は、ガイド波送受信素子１ａで受信され、受信波形としてガイド波送受信手段３に入力される。ガイド波送受信手段３は、受信波形を増幅して、増幅した受信波形をＡ／Ｄ変換器４に送る。Ａ／Ｄ変換器４は、ガイド波送受信手段３がガイド波送受信素子１ａに送信波形を印加すると同時に発生させたトリガ信号に同期して、信号のデジタル化を開始しており、増幅した受信波形は、Ａ／Ｄ変換器４でデジタル信号に変換され、波形作成・解析手段５に転送される。
【００６９】
次に、波形作成・解析手段５は、デジタル信号をメモリに格納する（ステップＳ３０８）。次に、検査セグメントを示す変数ｊに１を加算してメモリに格納し（ステップＳ３０９）、ステップＳ３０５に進む。変数ｊが検査セグメント数以下の間は、Ｓ３０５→Ｓ３０６→Ｓ３０７→Ｓ３０８→Ｓ３０９が繰り返し実行され、配管９の軸方向の複数の検査セグメントに対して、各検査セグメント毎に作成した送信波形によるガイド波を送信して、全ての受信波形をデジタル信号としてメモリに格納していく。変数ｊが検査セグメント数を超えたときに、変数ｉに１を加算する（ステップＳ３１０）。
【００７０】
次に、変数ｉがチャンネル数以下かどうか判定を行うが、変数ｉがチャンネル数以下の間は、Ｓ３０２→Ｓ３０３→Ｓ３０４→（Ｓ３０５〜Ｓ３０９の繰り返しループ）→Ｓ３１０が繰り返し実行され、配管９の周方向に配列されたすべてのガイド波送受信素子に対して、Ｓ３０５〜Ｓ３０９の繰り返しループを実行する。変数ｉが検査セグメント数を超えた場合、動作を終了する。
【００７１】
次に、検査情報である検査結果を解析・表示する（ステップＳ４）。この内容を図２１を用いて説明する。初めに、波形作成・解析手段５は、メモリ中に格納されたチャンネルを示す変数ｉに１を代入する（ステップＳ４１１）。次に、変数ｉがチャンネル数以下かどうか判定を行う（ステップＳ４１２）。ｉ＝１のときはＹｅｓの判定となるので、ステップＳ４１３に進むが、このときＮｏの判定であればステップＳ４１５に進む。
【００７２】
次に、波形作成・解析手段５は、チャンネルｉで収録した全検査セグメントの受信波形を読み出して連結する（ステップＳ４１３）。この処理の内容は、本発明の第２の実施における検査情報である検査結果の解析・表示処理（図１２）からステップＳ４０６を除いた処理に等しいので、説明は省略する。
【００７３】
次に、検査セグメントを示す変数ｊに１を加算してメモリに格納し、ステップＳ４１２に進む（ステップＳ４１４）。変数ｊが検査セグメント数以下の間は、Ｓ４１２→Ｓ４１３→Ｓ４１４が繰り返し実行されることで、すべてのチャンネルの全セグメントの受信波形を読み出して連結する。ステップＳ４１２で、変数ｉがチャンネル数を超えた場合、波形作成・解析手段５は、全てのチャンネルの連結波形を用いて、配管の周方向を平面に展開した検査画像の情報を作成する（ステップＳ４１５）。この検査画像の情報の作成過程は、通常の超音波探傷におけるＢスコープの映像化処理と同じであるので詳細は省略する。
【００７４】
次に、波形作成・解析手段５は、検査画像の情報の映像信号を表示手段７に出力し、表示手段７は、映像信号を受信し、図２２（ｄ）に示すような検査画像を表示する（ステップＳ４１６）。
【００７５】
次に、本発明の第４の実施形態により、欠陥のある配管を検査した結果の例を、図２３と図２４を用いて説明する。図２３（ａ）は、検査体系を模式的に示したもので、外径１１４mm，厚さ６mm，長さ５５００mmの配管９に、ガイド波送受信素子１が端部から１００mmの位置に円周方向に３２個配置され、送受信素子リング２によって把持されている。
【００７６】
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ４，Ｄ５はすり鉢状の減肉欠陥であり、Ｄ１は最大で８０％（４.８mm）が減肉した欠陥、Ｄ２は最大で５０％（３.０mm）が減肉した欠陥、Ｄ４は最大で４０％(２.４mm）が減肉した欠陥、Ｄ５は最大で２０％(１.２mm）が減肉した欠陥である。Ｄ３は直径４mmの貫通ドリルホールである。
【００７７】
各欠陥の周方向位置は、Ｄ１が０°、Ｄ２が１８０°、Ｄ３が０°、Ｄ４が９０°、Ｄ５が−９０°である。Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６は、いずれも検査セグメントで、Ｒ１が０から２５０mm、Ｒ２が２５０mmから７５０mm、Ｒ３が７５０mmから１２５０mm、Ｒ４が１２５０mmから１７５０mm、Ｒ５が1750mmから２２５０mm、Ｒ６が２２５０mmから５５００mmである。送信波形を生成するための基準波形は、５００ｋＨｚのトーンバースト波４サイクルである。図２３（ｂ）は、検査結果（全チャンネルの合成映像）である。信号Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５が示すように、すべての模擬欠陥を検出できている。
【００７８】
図２４は、比較のために測定した従来の送信方法を用いた試験結果であり、送信波形を５００ｋＨｚのトーンバースト４サイクルとした場合である。信号Ｗ６，Ｗ７，Ｗ８，Ｗ９は、各々欠陥Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４からの反射波形であり、比較的大きな欠陥は検出できているが、最も小さい欠陥Ｄ５を検出するまでには至っていない。
【００７９】
前述した本発明の第４の実施形態によれば、本発明の第２の実施形態で説明した配管の軸方向を複数の検査セグメントに分割して、各検査セグメント毎に異なる送信信号で送受信した受信信号を連結する機能に加え、さらに周方向に複数のガイド波送受信素子を配置して、切り替えて送受信して、各信号を合成して検査画像とするので、欠陥の周方向の位置が測定できるとともに、視覚的に容易に認識しやすい検査結果を得ることができる。
【００８０】
次に、本発明の第５の実施形態を図２５を用いて説明する。図２５は、本発明の第５の実施形態による配管検査装置のブロック図であり、同図において、１１は走査機構、１２はスキャナ制御手段であり、その他の構成は本発明の第１の実施形態と同じである。本実施形態により、配管に発生した減肉を検出する手順は、本発明の第３の実施形態に準じるので説明は省略する。第３の実施形態との違いは、ガイド波送受信素子１が単一である代わりに、ガイド波送受信素子１を把持した走査機構１１を有することで、走査機構が配管の周方向に走査することで、円周方向の複数セグメントを測定できる点にある。
【００８１】
前述した本発明の第５の実施形態によれば、複数の円周セグメントで同じガイド波送受信素子１を利用するので、検査結果のばらつきを抑えることが可能で、さらに、ガイド波送受信素子のコストを抑える効果がある。特に、円周セグメントの数を多くしたいときに有用である。
【００８２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の非破壊検査装置及び非破壊検査方法によれば、ガイド波の群速度が一定にならない高い周波数域を利用する場合においても、長距離区間を一括して感度良く検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による配管検査装置のブロック図である。
【図２】ガイド波送受信素子の構造の例を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるガイド波送受信手段とガイド波送受信素子の接続図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における検査条件設定ウインドウと基準波形選択／表示ウインドウの表示例である。
【図５】本発明の第１の実施形態における送信波形表示ウインドウの表示例である。
【図６】本発明の第１の実施形態により、配管を検査するときの波形作成・解析手段の内部処理のフローチャートである。
【図７】送信波形を演算する過程を説明する図である。
【図８】特定の検査領域からの反射波形を受信する際に、信号の持続時間が短くなるようにガイド波を励起する場合の送信波形の例を示す図である。
【図９】特定の検査領域からの反射波形を受信する際に、信号の持続時間が短くなるようにガイド波を励起した場合に、特定の検査領域にある欠陥に対する感度が向上する試験結果を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態における送信波形表示ウインドウの表示例である。
【図１１】本発明の第２の実施形態により、送信波形を自動作成するときの波形作成・解析手段の内部処理のフローチャートである。
【図１２】本発明の第２の実施形態により、検査結果を解析・表示するときの波形作成・解析手段の内部処理のフローチャートである。
【図１３】受信波形を連結して検査結果を得る過程を説明する図である。
【図１４】特定の検査セグメントからの反射波形を受信する際に、信号の持続時間が短くなるようにガイド波を励起する場合の送信波形の例を示す図である。
【図１５】特定の検査セグメントからの反射波形を受信する際に、信号の持続時間が短くなるようにガイド波を励起した場合に、特定の検査セグメントにある欠陥に対する感度が向上する試験結果を示す図である。
【図１６】特定の距離で分散による振幅低下を補償するようにガイド波を励起した場合に、特定の距離にある反射源で反射したガイド波を受信した信号の例を示す図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態により、ガイド波送受信素子からの距離によって、受信波形の振幅を補正する方法を説明する図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態による配管検査装置のブロック図である。
【図１９】本発明の第４の実施形態における素子切替手段とガイド波送受信素子の接続図である。
【図２０】本発明の第４の実施形態により、ガイド波を送受信するときの波形作成・解析手段の内部処理のフローチャートである。
【図２１】本発明の第４の実施形態により、検査結果を解析・表示するときの波形作成・解析手段の内部処理のフローチャートである。
【図２２】本発明の第４の実施形態において、受信波形を合成して合成映像を得る過程を説明する図である。
【図２３】本発明の第４の実施形態を用いて、中心周波数５００ｋＨｚのＬ（０，２）モードのガイド波で、欠陥を付与した外径１１４.３mm、肉厚６mmの配管を検査したときの反射波形位置を、配管を展開した平面上に表示した結果を説明する図である。
【図２４】従来の技術を用いて、中心周波数５００ｋＨｚのＬ（０，２）モードのガイド波で、欠陥を付与した外径１１４.３mm ，肉厚６mmの配管を検査したときの反射波形の位置を、配管を展開した平面上に表示した結果を説明する図である。
【図２５】本発明の第５の実施形態による配管検査装置のブロック図である。
【図２６】ガイド波送受信素子に印加する波形の一例であるトーンバースト波を説明する図である。
【図２７】ガイド波の複数の振動モードでのガイド波の速度（群速度）が周波数に依存して変化する分散特性を有し、かつ、各モードの群速度が肉厚と周波数との積によって一意に決まることを説明する図である。
【図２８】ガイド波が伝播するときの弾性変形の様子を、振動モード毎に模式的に説明する図である。
【図２９】欠陥を施した外径１１４.３mm，肉厚６mmの配管を、５００ｋＨｚのトーンバースト波４サイクルで駆動したＬ（０，２）モードのガイド波で検査したときに、反射波形の振幅と持続時間が距離によって変化することを説明する図である。
【符号の説明】
１…ガイド波送受信素子、２…送受信素子リング、３…ガイド波送受信手段、４…Ａ／Ｄ変換器、５…波形作成・解析手段、６…入力手段、７…表示手段、８…ガイド波、９…配管、１０…素子切替手段。

Claims

非破壊検査装置の送信波形に基づいて被検査体内にガイド波を発生させる送信素子と、
前記被検査体の検査領域から前記ガイド波の反射波を受信する受信素子と、
前記送信波形の基準となる基準波形が、前記被検査体内にガイド波として伝播した後の波形を計算で求め、その計算で求めた計算波形を時間反転させて前記送信波形を作成する波形作成手段と、
前記受信素子で受信した前記反射波の受信波形に基づいて得た検査情報を出力する解析手段と、
前記検査情報を表示する表示手段とを備えたガイド波を用いた非破壊検査装置。
前記波形作成手段は、前記基準波形が、前記被検査体内に前記送信素子と前記検査領域の間、及び前記検査領域と前記受信素子の間の合計距離を、前記ガイド波として伝播した後の波形を計算で求め、その計算で求めた計算波形を時間反転させて前記送信波形を作成する波形作成手段である請求項１に記載のガイド波を用いた非破壊検査装置。
前記送信素子と前記受信素子とは、前記ガイド波の発生時と前記反射波の受信時に用いられる同一の素子である請求項１又は請求項２に記載のガイド波を用いた非破壊検査装置。
前記基準波形は、受信素子に受信したい波形とした請求項１又は請求項２に記載のガイド波を用いた非破壊検査装置。
前記表示手段が、基準波形を表示する手段を備える請求項１又は請求項２に記載のガイド波を用いた非破壊検査装置。
前記表示手段が、前記送信波形を表示する手段を備える請求項１又は請求項２に記載のガイド波を用いた非破壊検査装置。
前記波形作成手段が、前記被検査体の検査領域を前記ガイド波の伝播方向に複数の検査セグメントに分割したそれら各検査セグメント毎に少なくとも一つの前記送信波形を作成する手段を備えた請求項１又は請求項２に記載のガイド波を用いた非破壊検査装置。
前記解析手段は、前記受信波形から、前記検査セグメントのある距離に相当する時間領域の受信波形部分を抽出し、前記抽出した受信波形部分を連結することで、前記検査領域の全域の受信波形を形成する手段を備えた請求項７に記載のガイド波を用いた非破壊検査装置。
前記被検査体は配管であって、且つ前記送信素子と前記受信素子とが前記配管の周囲に円環状に複数配列され、前記ガイド波送信手段及び前記ガイド波受信手段に対して前記送信素子及び前記受信素子の接続を切り替える素子切替手段を有する請求項１又は請求項２に記載のガイド波を用いた非破壊検査装置。
前記被検査体は配管であって、前記送信素子と前記受信素子を前記配管の円周方向に機械的に走査するスキャナを有する請求項１又は請求項２に記載のガイド波を用いた非破壊検査装置。
前記被検査体は配管であり、前記解析手段は、前記検査結果を前記配管の周方向を平面に展開した面で表示する検査画像の情報を作成して、前記情報の映像信号を出力する構成を備え、前記表示手段は、前記情報を受信して、前記検査画像を表示する構成を備えている請求項１又は請求項２に記載のガイド波を用いた非破壊検査装置。
非破壊検査装置の送信波形の基準となる基準波形が、被検査体内にガイド波として伝播した後の波形を計算で求め、その計算で求めた計算波形を時間反転させて前記送信波形を作成するステップと、
前記送信波形に基づいて被検査体内にガイド波を発生させるステップと、
前記被検査体の前記検査領域から前記ガイド波の反射波を受信素子で受信するステップと、
前記受信素子で受信した前記反射波の受信波形に基づいて得た検査情報を得るステップと、
前記検査情報を表示するステップと、
を備えているガイド波を用いた非破壊検査方法。
前記基準波形が、前記非破壊検査装置の送信素子と前記被検査体の検査領域の間、及び前記検査領域と前記非破壊検査装置の受信素子の間の合計距離を、前記被検査体内にガイド波として伝播した後の波形を計算で求め、その計算で求めた計算波形を時間反転させて前記送信波形を作成するステップを備えている請求項１２に記載のガイド波を用いた非破壊検査方法。
前記被検査体の検査領域を前記ガイド波の伝播方向に複数の検査セグメントに分割するステップと、
前記検査セグメント毎に、前記検査セグメントを検査領域とする前記送信波形を作成して少なくとも１つの前記検査セグメントに一つの前記送信波形を割り当てるステップと、
前記割り当てられた前記送信波を用いて前記検査セグメント毎に反射波形を受信するステップと、
前記受信した反射波形から、前記検査セグメントに該当する位置からの受信波形部分を抽出するステップを含む請求項１２又は請求項１３に記載のガイド波を用いた非破壊検査方法。
前記抽出した受信波形部分を連結することで連結受信波形を得るステップを含む請求項１４に記載のガイド波を用いた非破壊検査方法。
前記被検査体は配管であって、前記配管の検査領域を円周方向に複数の円周セグメントに分割するステップと、
前記円周セグメント毎に、前記受信波を得るステップと、
前記円周セグメント毎に、前記連結受信波形を得るステップと、
を含む請求項１５に記載のガイド波を用いた非破壊検査方法。
前記円周セグメント毎に得た前記連結受信波形を用いた検査結果を、前記配管の平面展開図上に表示するステップを含む請求項１６に記載のガイド波を用いた非破壊検査方法。
前記送信波形の周波数と前記被検査体の肉厚との関係が、周波数（ＭＨｚ）×肉厚 (mm) ≧０ . ５、かつ周波数（ＭＨｚ）×肉厚（ mm ）≦４ . ０を満足するようにされている請求項１２乃至請求項１７のいずれかに記載のガイド波を用いた非破壊検査方法。