(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発生する超音波が先端部に集束するようなフォーカス型振動子を有してなることを特徴とするペンシル型局部水浸超音波探触子の先端部を、溶接余盛部に接触させ、当該局部水浸型超音波探触子の接触角度を変えることにより溶接余盛内への超音波の入射角度と方向を変えながら、欠陥から反射して帰ってくるエコーを当該局部水浸型超音波探触子で検出することにより疵を検出することを特徴とする溶接部の探傷方法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接部の探傷方法であって、探触子先端から疵位置までの距離をＡスコープより求め、その距離とそのときの探触子の角度、被探傷部の形状及び寸法から疵の位置及び高さを求めることを特徴とする溶接部の探傷方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の溶接部の探傷方法であって、ペンシル型局部水浸超音波探触子として、中心周波数が１０ＭHz〜２０ＭHzの探触子を使用することを特徴とする溶接部の探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋼管等の溶接部の非破壊検査に用いられる超音波探傷方法において、パイプと継ぎ手部間の隅肉溶接部等の溶接部に発生した疵を検出するのに適した超音波探触子、及びこの超音波探触子を用いた溶接部の探傷方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼管等のパイプ同士を接合する方法としては、パイプの端部同士をつき合わせて溶接する突合せ溶接による接合方法や、パイプの端面を継ぎ手（ソケット）内に挿入し、パイプの外周面と継ぎ手の端面の間を隅肉溶接して接合する方法が用いられている。突合せ溶接による接合方法は主として大口径のパイプの接合に使用されており、ソケットを用いる接合方法は主として口径が２Ｂ以下の小口径のパイプの接合に用いられている。ソケットはボスと呼ばれることがあり、以下、本明細書においてはボスと呼ぶことにする。
【０００３】
溶接をパイプの接合に用いた場合には、溶接の良否を判断するために超音波探傷等により疵の有無を検査する必要がある。また、パイプが敷設されてから時間が経過すると、溶接部に疲労割れと呼ばれる疵が発生して溶接部の破損につながる恐れがあるので、定期的な溶接部の検査が必要であり、この場合も超音波探傷等が使用される。
【０００４】
一般的に超音波探傷において、超音波を入射させる面は平滑な面でなければならない。よって、従来においては、溶接部の検査を行う際には、溶接部以外の場所から超音波を斜めに入射させる、いわゆる斜角探傷法（反射法）が用いられてきた。ボスを用いたパイプの接合部の探傷を行う場合、パイプ側から超音波を入射させる方法と、ボス側から超音波を入射させる方法の２種類が考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
パイプ側から超音波を入射させる場合、一般的に使用される斜角探傷用の探触子を用いるが、これらの探触子は、屈折角が６０〜７０°、中心周波数が５ＭHz程度のものである。中心周波数が５ＭHz程度の超音波では、疵の分解能及び検出能が悪く、微小な疵の検出ができない。
【０００６】
その上、パイプの肉厚は３〜５mm程度と薄いので、探触子の超音波入射点から被探傷点までのスキップ数が多くなる。一方、管径が２Ｂ以下であり、曲率が大きいため、超音波が管壁で反射されるごとに円周方向に広がるので、スキップ数が多くなると、被探傷点に到達する超音波の量の減衰が大きくなる。よって、比較的大きな疵でも検出できる範囲は僅かであり、探触子の位置を少し動かすとエコーが消失してしまう。従って、探触子の位置を動かし、そのエコーの変化を観測することによって疵の高さを判別するという手法が使用できない。
【０００７】
ボス側から超音波を入射させる場合には、超音波の入射点と被探傷点の距離が短いため、通常の斜角探傷用の探触子を用いることができない。よって、２振動子型斜角探触子を用いて探傷を行う試みがなされている。しかし、ボスの長さが短いため、探触子を走査できる範囲が非常に狭い範囲に限られ、そのため、疵の高さを判別することは不可能である。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、従来方法では疵の検出能が悪く、かつ疵の高さの評価が困難であったパイプとボスの隅肉溶接部においても、疵を精度よく検出できる超音波探触子を使用して疵の検出と高さの検出を行うことができる超音波探傷方法を提供することを課題とする。
【０００９】
前記課題を解決するための第１の手段は、発生する超音波が、先端部に集束するようなフォーカス型振動子を有してなることを特徴とするペンシル型局部水浸超音波探触子の先端部を、溶接余盛部に接触させ、当該局部水浸型超音波探触子の接触角度を変えることにより溶接余盛内への超音波の入射角度と方向を変えながら、欠陥から反射して帰ってくるエコーを当該局部水浸型超音波探触子で検出することにより疵を検出することを特徴とする溶接部の探傷方法（請求項１）である。
【００１０】
ペンシル型探触子とは、先端が尖った、長細い形状をした探触子のことである。また、局部水浸探触子とは、少なくとも先端部分が水で満たされるようになっており、被探傷物との接触面と、水を接触媒質として接触可能なものをいう。本手段においては、このペンシル型探触子の振動子から発生した超音波がその先端部に集束するようになっている。すなわち、振動子の各部分から発生した超音波は、探触子の先端部で位相が揃う。よって、先端部を被検査体に押し付けることにより、強力な超音波を被検査体に伝達することができる。また、先端部が尖っているので、被検査体表面に凹凸がある場合でも、効率良く被検査体との間で超音波の送受信ができる。さらに、全体の形状が細長く、先端が尖っているので、探触子の角度を傾斜させても超音波を被検査体に伝達することができ、狭い場所でも容易に屈折角を変えることができる。
【００１１】
よって、例えば、パイプとボスの隅肉溶接部を探傷する場合においても、直接隅肉溶接部の溶接余盛の上から超音波を溶接部内に伝達し、反射される超音波を受信することができるので、斜角探傷によらなくても、疵の探傷が可能となる。加えて、被検査体の中に入射した超音波は広い角度に広がるので、広い範囲の探傷を行うことができる。
【００１２】
このようなペンシル型局部水浸超音波探触子としては、探触子の先端部が円錐状とされ、振動子の表面から当該探触子の先端部に至るまでの間が、内部に水を保持できるように中空構造とされ、当該中空構造部に水を注入する注入口と、当該中空構造部からあふれた水と空気を排出する排出口とが設けられているものであることが好ましい。
【００１３】
「先端部が円錐状とされ」というのは、局部水浸超音波探触子である関係上、先端部に水が通る穴が必要なので完全な先の尖った円錐を意味するものではなく、先端が切断された円錐状の形状をさすものである。切断面の直径は３mm程度以下であればよい。本手段においては、形成された中空構造部に水が満たされ、振動子で発生した超音波はこの水を媒体として先端部に伝達されて集束する。
【００１４】
本手段を使用するときは、注入口より水を入れて排出口から水があふれるまで中空構造部に水を満たし、その後は、注水を続けながら、場合によっては排出口を閉鎖した状態で注水を続けながら探傷を行う。本手段においては、水を媒体としているので、超音波の減衰が少ない状態で先端部に超音波を伝達することができると共に、局部水浸構造を簡単に作ることができる。
【００１５】
さらに、注入口の向きは、当該注入口から注入された水の流れが、振動子表面に沿って流れるような向きとされていることが好ましい。
【００１６】
前記第２の手段の使用開始時には、中空構造部に水を満たすとき、振動子表面に気泡が付着して残留する場合がある。このようなことが発生すると、超音波の減衰が大きくなり、探触子の先端まで超音波が効率よく伝達されなくなる。本手段においては、注入口から注入された水の流れが振動子表面に沿って流れるので、残留する気泡を排出口まで押し流すことができる。よって、中空構造部は水で満たされ、探触子の先端まで超音波が効率よく伝達される。
【００１８】
前述のように、ペンシル型局部水浸超音波探触子は、先端部を被検査体に押し付けることにより、強力な超音波を被検査体に伝達することができる。また、先端部が尖っているので、被検査体表面に凹凸がある場合でも、効率良く被検査体との間で超音波の送受信ができる。よって、溶接部の余盛のように凹凸がある場所に接触させても、溶接部中に効率よく超音波を入射させることができる。さらに、全体の形状が細長く、先端が尖っているので、探触子の角度を傾斜させても超音波を被検査体に伝達することができ、狭い場所でも容易に屈折角を変えることができる。
【００１９】
この性質を利用して、探触子の先端部を溶接部余盛の１点に接触させ、探触子の角度と方向を変えて疵からの反射エコーを探す。疵があるとその端面からエコーが返ってくるので、それを超音波を入射したペンシル型局部水浸超音波探触子で検出することにより、疵を検出することができる。本手段においては、超音波を直接疵に照射しているので、従来技術のようにスキップに伴う超音波の減衰が発生しない。よって、検出能良く疵を検出することができる。超音波を入射させる点を円周に沿って、また、溶接余盛のパイプ長さ方向に沿って変えることにより、溶接部全域の検査が可能である。
【００２０】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、探触子先端から疵位置までの距離をＡスコープより求め、その距離とそのときの探触子の角度、被探傷部の形状及び寸法から疵の位置及び高さを求めることを特徴とするもの（請求項２）である。
【００２１】
例えば、隅肉溶接部の疵は、パイプとボスとの境目から発生し、外部に向かって長く伸びた形状を有する。前記第４の手段で探傷を行う場合、Ａスコープで観測されるのは、超音波を入射した点から疵の先端部までの距離である。この距離が分かれば、そのときの探触子の角度、被探傷部の形状及び寸法から疵の先端部の位置が分かり、それと被探傷部の形状及び寸法から疵の高さを算出することができる。本手段においては、疵の高さを判断するのに探触子を走査する必要がないので、確実に疵の高さを測定することができる。
【００２２】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、ペンシル型局部水浸超音波探触子として、中心周波数が１０ＭHz〜２０ＭHzの探触子を使用することを特徴とするもの（請求項３）である。
【００２３】
本手段においては、被検査体に入る超音波は縦波散乱波であるので、横波超音波に比して同じ周波数での波長が長く、距離分解能が悪い。よって、なるべく高周波の周波数の超音波を使用するのが好ましい。また、超音波の路程が短いので減衰が小さく、従来の測定法に比して高周波の超音波を使用することができる。よって、十分な距離分解能を得るために、本手段においては、使用する中心周波数の最低値を１０ＭHzに限定している。また、使用する中心周波数が２０ＭHzを越えると、減衰が大きくなってＳ／Ｎ比が悪くなるので、使用する中心周波数の最高値を２０ＭHzに限定している。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態を示す概要図であり、１はペンシル型局部水浸超音波探触子、１ａはケーシング、１ｂはフォーカス型振動子、１ｃは注入口、１ｄは排出口、１ｅは中空構造部、１ｆは接続ケーブル、２は検査対象である溶接部、２ａは溶接部中の疵、３はパイプ、４はボスである。
【００２５】
ペンシル型局部水浸超音波探触子１は、先端が円錐状（先端が切断された円錐状）のペンシル型の外径をしており、その内部にはケーシング１ａに囲まれて中空構造部１ｅを有している。中空構造部１ｅの後端側にはフォーカス型振動子１ｂが設けられている。測定状態においては中空構造部１ｅには水が充填されるようになっており、フォーカス型振動子１ｂの振動面の形状は、その振動によって発生し水中を伝わった超音波が、ペンシル型局部水浸超音波探触子１の先端部で集束するような形状とされている。振動子としてこのようなものを使用せず、例えば平面型の振動子を使用し、レンズによって超音波をペンシル型局部水浸超音波探触子１の先端に集束させるようにしてもよい。
【００２６】
使用の開始にあたっては、注入口１ｃより接触媒質である水を中空構造部１ｅ内に注入する。中空構造部１ｅが水で満たされていくにつれ、中の空気は排出口１ｄより排出される。中空構造部１ｅの中が完全に水で満たされ、空気が完全に抜けた状態で、排出口１ｅを樹脂等で閉鎖する。以後、注入された水はペンシル型局部水浸超音波探触子１の先端部から流出することになり、部分水浸が実現される。また、注入口１ｃは、注入口１ｃから流入した水がフォーカス型振動子１ｂの表面に当たり、その表面に沿って流れるような向きとされているので、フォーカス型振動子１ｂの表面に気泡が付着している場合でも、その気泡は水流と共に排出口１ｄより排出される。
【００２７】
その後、ペンシル型局部水浸超音波探触子１の先端部を溶接部２の表面に押し付ける。溶接部の表面には凹凸があるが、ペンシル型局部水浸超音波探触子１の先端部の径は３mm以下と細く、かつ、先端部からは接触媒質である水が流出しているため、ペンシル型局部水浸超音波探触子１と溶接部２とのカップリングは良好に保たれる。よって、ペンシル型局部水浸超音波探触子１の先端部に集中した超音波は、溶接部２内に広がりながら伝達される。
【００２８】
溶接部２に発生する疵２ａは、図に示すように、パイプ３とボス４の境目から発生し、溶接部の外周方向に伸びる性質を持っている。疵２ａがあると、超音波はその先端部で反射され、ペンシル型局部水浸超音波探触子１の先端部に戻って、再び水中を伝わり、フォーカス型振動子１ｂにより検出される。
【００２９】
ペンシル型局部水浸超音波探触子１の先端部位置を固定し、図に示す矢印のようにペンシル型局部水浸超音波探触子１の傾きを変えることで、溶接部２への超音波の入射角を簡単に制御することができる。また、ペンシル型局部水浸超音波探触子１の先端部位置を図に示す矢印のように変えることで、超音波の入射位置を容易に変えることができる。
【００３０】
図２は本発明の第２の実施の形態を示す概要図であり、ボスを利用したパイプ接続部におけるボスとパイプの隅肉溶接部を探傷している様子を示す図である。以下の図において、前出の図に示された要素と同じ要素には同じ符号を付してその説明を省略する。図２において、５は探傷器である。ペンシル型局部水浸超音波探触子１は探傷器５と接続ケーブル１ｆで接合され、探傷器５内のパルサー・レシーバーから、振動子１ｂに高圧のパルス電圧が印加されることにより振動子１ｂより超音波パルスが発生する。
【００３１】
この超音波パルスは、前述のように、ペンシル型局部水浸超音波探触子１の先端部に集束し、接触媒体である水を介して、溶接部２中に拡散しながら伝達される。疵２ａからのエコーは、ペンシル型局部水浸超音波探触子１の先端部を介して、振動子１ｂに達する。そして、振動子１ｂにより電圧に変換され、探傷器５のパルサー・レシーバーに伝達されてさらに増幅され、その表示画面にＡ−スコープ画像として表示される。前述のように、ペンシル型局部水浸超音波探触子１の角度を変えたり、接触位置を変えたりすることにより、疵のエコーがＡ−スコープに現れるのを観測する。
【００３２】
疵のエコーがＡ−スコープに現れた場合には、その位置より、ペンシル型局部水浸超音波探触子１の先端部から疵までの距離が判明する。それゆえ、そのときのペンシル型局部水浸超音波探触子１の先端部位置及び傾きが分かれば、疵の先端部の位置を知ることができる。疵の先端部の位置が分かれば、溶接部２の形状から、疵の高さを判定することができる。このようにして、縦波散乱法を用いた超音波探傷が実施できる。
【００３３】
図３は本発明の第３の実施の形態を示す概要図であり、パイプとその分岐管との間を隅肉溶接で接合した場合の隅肉溶接部を探傷している様子を示す図である。図３に示した実施の形態と図２に示した実施の形態は、溶接部２の形状が異なるだけで、探傷方法については全く同じであるので、その説明を省略しても、当業者には容易に理解が可能であろう。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。図４に示すように、試験材として１Ｂの鋼管（厚さ３mm）を用い、それに厚さ6.5mmのボスを隅肉溶接したものを用いた。図のように、溶接部分に直径２mmのドリル穴を開け、その上から溶接余盛を行なって人工疵を製造した。余盛後の隅肉溶接部の長さは10mmとした。
【００３５】
図５は、従来法によりパイプ側から斜角探触子を使用して探傷を行なった結果を示すＡスコープ画像である。ビーム路程計算によると矢印の位置に疵エコーが現れるはずであるが、矢印以外の場所にも信号が現れており、疵エコーとの区別がつかず、結局疵の検出はできないことになる。
【００３６】
図６は、本発明の方法により、溶接部に直接超音波を入れて、縦波散乱法により探傷を行なった結果を示すＡ−スコープ画像である。矢印の部分が疵エコーであり、他の部分に対して大きなＳ／Ｎ比で疵の検出ができていることが分かる。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１に係る発明においては、直接超音波を疵に照射しているので、従来技術のようにスキップに伴う超音波の減衰が発生しない。よって、検出能良く疵を検出することができる。超音波を入射させる点を円周に沿って、また、溶接余盛のパイプ長さ方向に沿って変えることにより、溶接部全域の検査が可能である。
【００４１】
請求項２に係る発明においては、これに加え、疵の高さを判断するのに探触子を走査する必要がないので、確実に疵の高さを測定することができる。
【００４２】
請求項３に係る発明においては、これらに加え、高分解能で感度良く、小さな疵を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す概要図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す概要図であり、ボスを利用したパイプ接続部におけるボスとパイプの隅肉溶接部を探傷している様子を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示す概要図であり、パイプとその分岐管との間を隅肉溶接で接合した場合の隅肉溶接部を探傷している様子を示す図である。
【図４】本発明の実施例に用いた試験材の概要を示す図である。
【図５】従来法によりパイプ側から斜角探触子を使用して探傷を行なった結果を示すＡスコープ画像である。
【図６】本発明の方法により、溶接部に直接超音波を入れて、縦波散乱法により探傷を行なった結果を示すＡ−スコープ画像である。
【符号の説明】
１…ペンシル型局部水浸超音波探触子
１ａ…ケーシング
１ｂ…フォーカス型振動子
１ｃ…注入口
１ｄ…排出口
１ｅ…中空構造部
１ｆ…接続ケーブル
２…検査対象である溶接部
２ａ…溶接部中の疵
３…パイプ
４…ボス
５…探傷器
【図１】
0003693282.tif 000002
【図２】
0003693282.tif 000003
【図３】
0003693282.tif 000004
【図４】
0003693282.tif 000005
【図５】
0003693282.tif 000006
【図６】
0003693282.tif 000007