JP4738243B2 - 超音波探傷システム - Google Patents

Description

本発明は検査対象上を走査する超音波探傷装置を有する超音波探傷システムに係り、とりわけ検査対象を容易かつ確実に探傷することができる超音波探傷システムに関する。

一般に、超音波探傷システムは、超音波検査において欠陥の有無や大きさなどの検査結果を精度良く求めるために用いるものである。超音波検査は１個または複数の超音波送信装置から検査対象に超音波を送信し、欠陥あるいは底面に於いて反射した超音波を超音波受信装置で受信し、受信した超音波データから欠陥の有無や大きさを計測している。

ここで、欠陥の有無や大きさを計測するためには超音波検査で得られた超音波データを信号処理して判定する必要がある。検査対象面が平面であり検査範囲が狭く、想定される欠陥がスリットなどのように単純な形状でさらに垂直探傷である場合には、超音波データに対して例えば時間ゲートおよびしきい値をかける程度の処理で欠陥を十分精度良く検出することができる。

しかしながら、実際の検査対象面は凹凸があり、欠陥についてもSCC（Stress Corrosion Cracking：応力腐食割れ）等のように複雑な形状をしている単純な方法での欠陥検査は難しい。SCCのような複雑な形状をした欠陥に対してその深さを精度良く測定する方法として、フェーズドアレイ超音波探傷が行われるが、得られるデータは複雑であり熟練した検査員が手動でデータを見ながら欠陥を検出している、というのが現状である。

フェーズドアレイ探傷においては、データの評価については複数の手法が提案されているが、欠陥からの反射エコーの最大値を検出して欠陥の位置や深さを同定するのが一般的である。最大値の検出は熟練した検査員がBスコープと呼ばれる検査対象断面での超音波強度分布を見ておおまかな欠陥の位置を求め、詳細には欠陥のある可能性がある位置での超音波波形を見て、き裂からのエコーの最大値のつながりから欠陥の位置・深さを評価している。

このように欠陥の検出のためには熟練した作業員による手作業が用いられているが、例えば原子力発電所におけるシュラウド検査などではデータの数は莫大なものとなり、検査員の作業量・負担は大きい。さらに前記の評価は検査員による技量によるばらつきが発生するため、複数の検査員が複数回数の評価を行っているのが現状であり、検査員への負荷軽減および検査効率の向上が望まれている。

上記の欠陥を検出するために最大値を検出する方法としては、超音波信号にゲートを設けてゲート内でピークホールド、あるいはしきい値と比較することにより最大値を自動検出することが提案されている。

例えば、検出された超音波波形信号に対してピークホールド回路およびラッチ回路などを設けることにより、ゲート時間を設定することなしに、波形のダンピングか異なった位置からの信号かを自動で判断して最大値を検出するものが開発されている（特許文献１参照）。

また検査員の補助という観点から情報提供手段を工夫した提案もなされている。例えばメニュー表示を工夫し初心者でも熟練者でもその技量に合った操作を可能にすることができるものが開発されている（特許文献２参照）。
特願平０５−２８８１２８号公報 特開平１１−１７４０２９号公報

現状の超音波検査システムにおいては、欠陥を検出するに当たって超音波信号データを評価する必要があるが、データの数は膨大で検査員の負荷が高いことが課題であった。また、データはばらつき（ノイズ）が大きいため、欠陥の位置や深さの計測結果が検査員の技量に依存し、検出精度が得られないことがある。

上記特許文献１に示す超音波探傷データ評価装置においては、超音波探傷信号の波形ピークを検出する際、超音波信号の最大値を自動で検出している。このためスリット形状など単純な欠陥からの超音波信号では、ダンピングの影響などは自動的に排除可能であり、欠陥の自動検出も可能である。

しかしながら応力腐食割れ（SCC）のように複雑な形状をした欠陥に対しては、隣接する部位に有用な情報を含むことがあるが、特許文献１を用いると隣接する部位からの情報は消えてしまうため精度の良い欠陥計測が難しい。

特許文献２の超音波探傷器のメニュー表示装置においては、検査員の技量によって表示を切り替えることにより検査員の負荷を低減させるものであるが、欠陥の位置や深さを同定するのは結局手動で判定しなければいけない。以上のように超音波探傷データの評価において様々な提案がなされているが、検出精度向上と検査員の負荷低減を同時に実現する技術は未だ開発されていない。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、超音波信号の極大値を用いて、検査対象の欠陥を精度良く、容易かつ確実に探傷することができる超音波探傷システムを提供することを目的とする。

本発明は、検査対象上を走査するとともに、超音波を送受信するセンサと、センサからの超音波信号を受信する超音波探傷装置と、超音波探傷装置により受信した超音波信号に基づいて連続する異なった検査箇所における極大値を検出する極大値検出装置と、極大値検出装置により検出された極大値を記憶する記憶装置と、センサの走査速度、探傷角度および検査対象の厚さに基づいて、異なった位置で得た超音波信号が同じ欠陥から反射した場合の極大値間の間隔を求める極大値間隔予測演算装置と、記憶装置で記憶された極大値のうち、連続する２つの極大値間の間隔と、極大値間隔予測演算装置で求めた極大値間の間隔とを比較して、連続する２つの極大値が同じ欠陥からの超音波に対応するか否か判定して欠陥深さを求める比較演算装置と、比較演算装置で求めた欠陥深さを表示する表示装置と、を備えたことを特徴とする超音波探傷システムである。

本発明は、検査対象上を走査するとともに、予め定められた探傷角度で超音波を送受信するセンサと、センサからの超音波信号を受信する超音波探傷装置と、超音波探傷装置により受信した超音波信号に基づいて連続する異なった検査箇所における極大値を検出する極大値検出装置と、極大値検出装置により検出された極大値をその検出時刻とともに記憶する記憶装置と、センサの走査速度、探傷角度および検査対象の厚さに基づいて、異なった位置で得た超音波信号が同じ欠陥から反射した場合の極大値間の間隔を求める極大値間隔予測演算装置と、記憶装置で記憶された極大値のうち、連続する２つの極大値間の間隔と、極大値間隔予測演算装置で求めた極大値間の間隔とを比較して、連続する２つの極大値が同じ欠陥からの超音波に対応するか否か判定し、連続する極大値を表示する表示装置と、を備えたことを特徴とする超音波探傷システムである。

本発明によれば、検査員の技量によることなく、検査対象の欠陥を精度良く、容易かつ確実に探傷することができる。

第１の実施の形態
以下、図１乃至図４を参照して本発明の第１の実施の形態について説明する。

図１および図２に示すように、超音波探傷システム１０は、検査対象２上を走査するとともに多数配置された圧電素子部１ａを有し、予め定められた探傷角度で超音波を送受信するフォーカス型のフェイズドアレイセンサ１と、フェイズドアレイセンサ１からの超音波信号を受信する超音波探傷装置４と、超音波探傷装置４により受信した超音波信号１０１に基づいて極大値を検出する極大値検出装置１１と、極大値検出装置１１により検出された極大値をその検出時刻とともに記憶する記憶装置１２とを備えている。

また超音波探傷装置４には、センサの走査速度、探傷角度および検査対象の厚さに基づいて、異なった位置で得た超音波信号が同じ欠陥から反射した場合の超音波の飛行時間差を演算して極大値間の間隔を求める極大値間隔予測演算装置１３が接続されている。さらに記憶装置１２には、記憶装置１２と極大値間隔予測演算装置１３から異なった位置での超音波波形の連続性を演算し、連続していると判定した場合にはその極大値を欠陥からの反射超音波であるとして欠陥の深さを演算する比較演算装置１４が接続されている。

比較演算装置１４で求めた欠陥深さは、表示装置６に表示される。

なお上記構成要素のうち、極大値検出装置１１、記憶装置１２、極大値間隔予測演算装置１３および比較演算装置１４によってデータ解析装置５が構成されている。

図２のように圧電センサ１ａを複数並べたフォーカス型のフェイズドアレイセンサ１を検査対象２上で走査させて複数の位置で超音波探傷を行う。また検査対象２の裏面には欠陥３が形成されている。

フェイズドアレイセンサ１は超音波探傷装置４によって駆動され、ケーブル１ｂを介して得られた超音波信号１０１は解析するデータ解析装置５で解析され、表示装置６に表示される。

なお、フェイズドアレイセンサ１の超音波発振タイミングを制御する機能、AD変換機能、加算回路など超音波探傷に必要な機能を実現する装置は他にもあり、これらの機能は全て超音波探傷装置４に含まれる。また、フェイズドアレイセンサ１の走査方向をｘ、検査対象の深さ方向をｙ、探傷角度１０２をθとし、検査中はフェイズドアレイセンサ１全体をΔｘずつ移動させる。実際にセンサ１を動かすのではなく電子スキャンなど、位置情報を持った複数の点での超音波データを得る手法を用いてもよい。

次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

まず裏面に欠陥３が存在する検査対象２に対して、フェイズドアレイセンサ１が走査し、この走査中にフェイズドアレイセンサ１から検査対象２に対して超音波が送信され、検査対象２からの超音波がフェイズドアレイセンサ１により受信される。

フェイズドアレイセンサ１により受信された超音波信号はケーブル１ｂを介して超音波探傷装置４に送られ、超音波信号は更に超音波探傷装置４からデータ解析装置５に送られてデータ解析が行なわれる。

データ解析装置５におけるデータ解析について、以下説明する。

まずデータ解析装置５の極大値検出装置１１におけるデータ処理手法を述べる。まず位置Pos₁において超音波探傷装置４から入力した超音波信号１０１に対して、欠陥開口部あるいは欠陥端部から反射超音波が戻ってくる時間を検出するため、各超音波信号について極大値を検出する。極大値の検出手法の一例を図３に示す。

入力された波形（図３（ａ））に対して、各々のセンサの中心周波数帯域をｆ_c（Hz）、内蔵されたAD変換装置の分解能をf_sampling（Hz）（f_sampling ＞ｆ_c）とすると、f_sampling/ｆ_c以上の点数でピークホールドを行う（図３（ｂ））。図３（ｂ）では簡単のためf_sampling/ｆ_c×５倍の点数でピークホールドを行っている。次にピークホールドを行ったデータに対してピークホールドを行った点数と同じ点数で間引きを行う（図３（ｃ））。間引きしたデータを前後のデータと比較して、その点が極大である場合には、元の波形での対応点を検索してその点を超音波波形の極大値をとる点とし（図３（ｄ））、検出されたｎ個の極大値を行列Peak₁(i)=(t_pi,L_pi)（ｔ：ピークの時間、L：極大値のレベル）として記憶装置１２に保存する。

この処理によりダンピングやノイズの影響を緩和して、得られた超音波信号における極大値を簡単に求めることができる。極大値の１点のデータではノイズの影響などの可能性があるため、欠陥開口部あるいは欠陥端部から反射してきた超音波信号であるかどうかの判断は依然難しい。従って、上記した処理をセンサが移動した位置Pos₂（＝Pos_１＋Δｘ）について行なって、極大値の行列Peak₂(i)を求め、連続する検査箇所での極大値が連続して発生するかどうかを調べる。このことにより実際の欠陥開口部あるいは欠陥端部で反射してきた超音波かあるいはノイズなのかを判断することができる。

極大値が連続しているかどうか判断するため、極大値間隔予測演算装置１３において、Pos₁でのPeak₁(i)となる時刻t_piと、Peak₂(j)となる時刻t_pｊの差を物理的な位置関係から演算する。極大値間隔を演算手法を説明するために、図４のような位置関係を想定する。

図４では簡単のため超音波の発散（広がり）などを考えず、またセンサの指向性についても無視し、また欠陥開口部だけからの超音波についてのみ考える。また、図中に示したように、探傷角度をθ、検査対象の厚さをDとする。Pos₁は欠陥開口部がちょうどセンサの指向角と一致している位置とし、Pos₂はPos₁からΔXだけ走査した位置である。計算上、Pos₁における超音波の伝播距離（片道）は
Ｄ／cosθ ・・・（１）
であり、Pos₂における超音波の伝播距離（片道）は
（（Ｄ・tanθ−Δx）^2−D^2）^0.5 ・・・（２）
である。

従って、Pos₂での極大値は
t_pi＋[｛（Ｄ・tanθ−Δx）^2 − D^2｝^0.5−（Ｄ／cosθ）]／Sv ・・・（３）
に現われる（検査対象２内の音速をSvとする）。

比較演算装置１４では、Pos₁で得た極大値の時間t_piを使ってゲートを作成し、ゲート内でPos₂での極大値の時間t_pｊがゲート内にあれば、Peak₁(i)とPeak₂(j)が同じ欠陥開口部あるいは欠陥端部からのエコーであると考えることができる。

図４の例では欠陥開口部で超音波レベルが最も強くなると考えられる部位をPos₁として書いた極端な例であり、実際にはPos₁より手前の点（例えばPos₀とPos₁）では時間間隔が長くなるし、先の点（例えばPos₂とPos₃）では時間間隔が短くなる。また、欠陥端部では同じように時間間隔は変化する。従って実際にはt_piとt_pi＋[｛（Ｄ・tanθ−Δx）^2 − D^2｝^0.5−（Ｄ／cosθ）]／Svが一致する点を検索するのではなく、
｜t_pi-t_pj｜＜[｛（Ｄ・tanθ−Δx）^2 − D^2｝^0.5−（Ｄ／cosθ）]／Sv±δ
である場合に（δは検査条件に合わせて設定する）同じ欠陥開口部あるいは欠陥端部からのエコーであると比較演算装置１４により判定する。

比較演算装置１４において、この処理をPos₀とPos₁、Pos₁とPos₂、Pos₂とPos₃・・・と繰り返し行うことにより連続した極大値の行列をLM1(i)、LM2(i)・・・を求め、各行列において要素数の少ないものは、欠陥開口あるいは欠陥端部から反射してきた超音波の候補から除外し（その結果、LMa(i)、LMb(i)が欠陥開口あるいは欠陥端部からの超音波であるとなったとする）、各極大値の行列の中での最大値を求める（LMa_t、LMb_tとする）。この中で一番時間の大きいものを、欠陥開口からの反射超音波信号、その他の最大値を欠陥端部からの反射超音波信号とする。これにより、欠陥端部超音波信号候補の最大値が得られる探傷波形から、欠陥開口および欠陥端部からの超音波信号の到達時間を求め、自動で欠陥の深さを同定することができる。

第２の実施の形態
次に図５乃至図７により本発明の第２の実施の形態について説明する。

上述した第１の実施の形態では、自動的に欠陥の深さ同定を行う例を示したが、実際の応力腐食割れなどの複雑な欠陥では最終的には人間の判断が必要になる。このような場合には極大値の連続性を表示装置６に表示してもよい。このように表示装置６の画面に極大値の連続性を表示することにより、検査員の欠陥認識の効率向上することができる。例えば図６（ａ）〜（ｅ）の様に５箇所で超音波の送受信を行い、図６（ａ）〜（ｅ）の右側に示すような超音波信号が得られたとする。得られた超音波信号に対して第１の実施の形態と同様の処理をすると、図６（ａ）〜（ｅ）に示すように欠陥開口部、端部からの超音波信号の極大値を連続した実線で表示することができる。

図６（ａ）〜（ｅ）からわかるように、欠陥開口からの反射超音波極大値の変化が明白に表示され、検査員は図６を見るだけで「Ａの位置に亀裂失端があり、Ｂの位置に亀裂開口がある」ことを容易に検出することができる。

また実際の超音波検査時のデータ処理した結果を図７に示す（この例ではき裂端部からの反射はなく、欠陥開口からの反射のみ）。図７には欠陥からの反射超音波の極大値の変化以外にも複数の連続性を示す線が現れているが、欠陥開口部からの反射超音波が、フェイズドアレイセンサ１を走査するに従って位置が変化することが明白にわかる。第２の実施の形態は２点のみの連続性をチェックして表示したものであるが、点数を増やす、あるいはレベルにしきい値をかけ低いレベルについては極大点としないなどの処理を行なってもよい。

本発明による超音波探傷システムの第１の実施の形態を示す図。 本発明による超音波探傷システムの第１の実施の形態の概略を説明するための図。 超音波信号から極大値を検出する手法を説明するための図。 超音波信号から極大値を検出する手法を説明するための図。 本発明による超音波探傷システムの第２の実施の形態を示す図。 走査に従い変化する表音波信号を示す図。 極大値の連続性を検出した例を示す図。 第２の実施の形態を実データに適用した場合の表示結果を示す図。

符号の説明

１ フェイズドアレイセンサ
１ａ 圧電素子部
２ 検査対象
３ 欠陥
４ 超音波探傷装置
５ データ解析装置
６ 表示装置
１１ 極大値検出装置
１２ 記憶装置
１３ 極大値間隔予測演算装置
１４ 比較演算装置

Claims (2)

1. 検査対象上を走査するとともに、超音波を送受信するセンサと、
   センサからの超音波信号を受信する超音波探傷装置と、
   超音波探傷装置により受信した超音波信号に基づいて連続する異なった検査箇所における極大値を検出する極大値検出装置と、
   極大値検出装置により検出された極大値を記憶する記憶装置と、
   センサの走査速度、探傷角度および検査対象の厚さに基づいて、異なった位置で得た超音波信号が同じ欠陥から反射した場合の極大値間の間隔を求める極大値間隔予測演算装置と、
   記憶装置で記憶された極大値のうち、連続する２つの極大値間の間隔と、極大値間隔予測演算装置で求めた極大値間の間隔とを比較して、連続する２つの極大値が同じ欠陥からの超音波に対応するか否か判定して欠陥深さを求める比較演算装置と、
   比較演算装置で求めた欠陥深さを表示する表示装置と、
   を備えたことを特徴とする超音波探傷システム。
2. 検査対象上を走査するとともに、予め定められた探傷角度で超音波を送受信するセンサと、
   センサからの超音波信号を受信する超音波探傷装置と、
   超音波探傷装置により受信した超音波信号に基づいて連続する異なった検査箇所における極大値を検出する極大値検出装置と、
   極大値検出装置により検出された極大値をその検出時刻とともに記憶する記憶装置と、
   センサの走査速度、探傷角度および検査対象の厚さに基づいて、異なった位置で得た超音波信号が同じ欠陥から反射した場合の極大値間の間隔を求める極大値間隔予測演算装置と、
   記憶装置で記憶された極大値のうち、連続する２つの極大値間の間隔と、極大値間隔予測演算装置で求めた極大値間の間隔とを比較して、連続する２つの極大値が同じ欠陥からの超音波に対応するか否か判定し、連続する極大値を表示する表示装置と、
   を備えたことを特徴とする超音波探傷システム。

Images