(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状の配管の延在方向に直交する方向で且つ配管の表面に立てた垂線から所定の角度傾けて超音波を配管内に向けて発射し、配管内をその周方向に伝搬する超音波を検出することにより配管の欠陥を検出する方法であって、
特定の位置を通過する超音波が、欠陥によって反射し前記特定の位置に戻るまでの戻り時間に基づいて、前記特定の位置から欠陥が存在する位置までの、配管中心から見た角度を検出することを特徴とする、配管の欠陥検出方法。
【請求項２】
超音波の速度をＶ、前記戻り時間をｔ、配管の半径をＲとすると、前記特定の位置と前記欠陥の成す角度βを
β=ｔ×Ｖ／２Ｒ
として求める、請求項１に記載の配管の欠陥検出方法。
【請求項３】
前記超音波が横波である、請求項１又は２に記載の配管の欠陥検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配管の欠陥検出方法に関し、更に詳しくは、超音波を利用した配管の欠陥検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石油プラントや化学プラント等においては、所定間隔で地上に立てた架台（ラック）上に、多数の配管を並べて支持する方式が多用されている。これらの配管は、配管と架台との接触部に雨水が滞留することから、長い年月に亘って屋外で使用されることによって、特にその接触部で腐食が発生する。
【０００３】
従来は、架台との接触部における配管の腐食を検出するには、配管を１本、１本架台から吊り上げて目視によって点検する手法が採用されてきた。しかし、膨大な本数の長い配管をこのような手法によって点検するのは、極めて効率が低かった。
【０００４】
出願人は、上記のような配管における腐食を検出する方法の発明を、特願平１０−００６４７９号において出願している。該先願では、超音波振動子から配管内部に向けて斜めに超音波を発射し、配管を周方向に透過した超音波の受信波形から腐食の有無及びその深さを検出している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記先願発明では、配管の肉厚全体に超音波が拡がるように、超音波ビームが拡散するタイプの超音波振動子、つまり指向性が弱い超音波振動子を使用している。また、配管を透過した超音波を受信する超音波受信子としては指向性が強い受信子を使用している。これによって、配管内を一定方向に透過する超音波の受信波形によって腐食の有無及びその量を推定する。しかし、この先願発明では、腐食の量の推定には複雑な計算が必要であった。
【０００６】
また、特に大きな口径の配管で且つその内部に欠陥が存在する場合には、その補修位置を確定するために、欠陥位置の特定が重要になる。しかし、上記先願発明では、周方向における欠陥位置の検出はできなかった。
【０００７】
本発明は、上記先願発明を更に改良し、配管の腐食量の検出が容易な配管の欠陥検査方法、及び、配管の欠陥位置の特定が容易な配管の欠陥検査方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の配管の欠陥検出方法は、第１の視点において、円筒形状の配管の延在方向に直交する方向で且つ配管の表面に立てた垂線から計測した配管内における入射角度が５４°〜９０°の範囲に収まるように超音波を配管内に向けて発射し、配管内をその周方向に伝搬する透過波又は該透過波が欠陥によって反射する反射超音波を検出し、該透過波又は反射超音波の振幅に基づいて配管の欠陥の大きさを検出することを特徴とする。
【０００９】
本発明の第１の視点の配管の欠陥検出方法によると、超音波の入射角度を５４°〜９０°の範囲に選定したことにより、配管の内部（肉厚部分）を超音波がほぼ一様に分布して伝播するので、透過超音波又は欠陥から反射した反射超音波の振幅によって欠陥の深さが測定できる。
【００１０】
また、本発明の配管の欠陥検出方法は、第２の視点において、円筒形状の配管の延在方向に直交する方向で且つ配管の表面に立てた垂線から所定の角度傾けて超音波を配管内に向けて発射し、配管内をその周方向に伝搬する超音波を検出することにより配管の欠陥を検出する方法であって、
特定の位置を通過する超音波が、欠陥によって反射し前記特定の位置に戻るまでの戻り時間に基づいて、前記特定の位置から欠陥が存在する位置までの、配管中心から見た角度を検出することを特徴とする。
【００１１】
本発明の第２の視点の配管の欠陥検出方法によると、特定の位置で超音波の波形を観測し、その特定の位置を通過する超音波が欠陥によって反射してその特定の位置に戻るまでの時間を計測することにより、その特定の位置と欠陥の存在する位置との間の角度差が簡易に検出できる。
【００１２】
超音波の速度をＶ、超音波の戻り時間をｔ、配管の半径（外径）をＲとすると、特定の位置と前記欠陥の成す角度βは
β=ｔ×Ｖ／２Ｒ
として求められる。この速度Ｖとしては、鉄鋼製円筒配管の場合は、材質的に横波の速度である３６２３ｍ／ｓが用いられる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態例に係る配管の欠陥検出方法の原理を示す配管の断面図である。超音波を発射する超音波振動子１１は、配管２０の、欠陥２１が存在すると考えられる位置を通る横断面上の例えば頂部付近（点Ｐ１）に配置する。超音波振動子１１は、接触子１２を介して配管２０の外表面に接触させ、外表面に立てた垂線から所定の角度を傾ける。
【００１４】
超音波を検出する超音波受信子１３は、超音波振動子１１の設置点Ｐ１の近傍、及び、超音波の進行方向で欠陥２１の存在すると思われる位置から約６０°手前の位置である点Ｐ２に配置する。点Ｐ１に代えて、欠陥２１を挟んで配管内部の点Ｐ２と対称の位置にある点Ｐ３を選んでもよい。超音波受信子１３は、指向性が弱いものがよく、この場合、配管２０の内部（肉厚部分）を正逆の双方向に通過（透過又は反射）する超音波を検出できる。点Ｐ２に設置する超音波受信子１３は、欠陥２１の存在位置の検出に特に好都合である。
【００１５】
図２に示すように、超音波の配管２０への入射角度としては、配管２０の外部表面で配管表面に立てた垂線からの角度θiが４５°となるように選定される。θi=４５°の角度を選定すると、超音波振動子１１の接触子２の先端に幅があること、及び、配管表面で超音波が屈折することにより、配管内に入射した直後の超音波は、配管に立てた垂線からの角度が７０°を中心とし、５４〜９０°の広がりをもつ波になる（θa=４５°、θb=９０°）。配管内部での入射角が５４〜９０°の広がりをもつ超音波は、配管内部を全体としてほぼ一様に周方向に伝搬する。
【００１６】
図３は、超音波振動子が発生する超音波の波形（力：ｍＮ）のタイミングチャートである。超音波としては、５ＭＨｚに中心周波数を有するバースト波形が好ましく、例えば０．６秒以内の継続時間を有する。本発明で利用される超音波、つまり、配管内を実際に伝搬して超音波受信子１３によって検出される超音波は横波であることが、超音波の速度を測定した結果によって確認された。中心周波数が５ＭＨｚの超音波を配管内に入射させると、配管内を周方向に伝搬する超音波の中心周波数は約４．６ＭＨｚに変化する。しかし、図４に示すように、超音波の速度は、横波の速度３２６３ｍ／ｓであり、配管内を伝搬することによっては変化しない。
【００１７】
架台と接触する位置に生じる配管欠陥を例とし、図１の図面上で欠陥２１を配管の底部に示している。配管２０内を周方向に伝搬する超音波は、欠陥によってその一部が反射され、他の一部は欠陥を通過して超音波受信子１３によって検出される。欠陥が大きいと、通過する超音波の振幅は小さくなり、逆に反射する超音波の振幅は大きくなる。従って、まず、通過する超音波又は反射する超音波の振幅を点Ｐ１又はＰ２において測定することによって欠陥の有無が検出できる。また、点Ｐ２を透過する際に検出された超音波が、その後に欠陥２１で反射し反射波として点Ｐ２で再び検出されるまでの戻り時間を検出することにより、点Ｐ２から欠陥２１が存在する位置迄の中心角度βが得られる。この場合、振幅の測定は不要である。
【００１８】
上記透過波及び反射波を検出するためには、図１に示した点Ｐ２の位置に超音波受信子１３を配置することが好ましい。超音波受信子１３は、透過波及び反射波の双方を検出するために指向性が弱いものが望ましい。点Ｐ２の選定にあたっては、入射波及び反射波を時間的に識別するために、超音波の入射点Ｐ１と欠陥２１が存在すると思われる位置の間が選定される。装置的には、反射波を幅広く検知し得るように反射波受信子１３は、振動子１１の近傍に設置するのが良い。
【００１９】
ここで、点Ｐ２と欠陥２１の存在する位置との間の角度βを検出する例を示す。超音波（横波）の速度をＶ、点Ｐ２の位置で検出された超音波の検出時刻から、その超音波が欠陥２１によって反射して点Ｐ２の位置で再び検知されるまでの時間をｔ、配管内部の平均半径をＲとすると、点Ｐ２の位置と欠陥２１の存在する位置の成す、円管中心で測った角度β（ラジアン）は、
β=ｔ×Ｖ／２Ｒ
として求められる。速度Ｖとしては、横波の速度３２６３ｍ／ｓが選ばれる。
【００２０】
上記本発明における欠陥の腐食深さの検出及び欠陥位置の検出の実効性を確認するために、シミュレーションを行った。このシミュレーションでは、解析対象として、内径が５４ｍｍの鉄鋼製の円筒配管（円管）が採用され、円管の表面に、欠陥無しのもの、並びに、１ｍｍの深さの欠陥、１．５ｍｍ深さの欠陥、及び、２ｍｍ深さの欠陥を有するものが選定された。鉄鋼製の円管は、ヤング率が２０６ＧＰａ、ポアソン比が０．２８、密度が７７００ｋｇ／ｃｍ3である。
【００２１】
超音波振動子１１に付属する接触子１２は、ポリイミド（ヤング率が４．３９ＧＰａ、ポアソン比が０．３８、密度が１４１０ｋｇ／ｃｍ3）製とした。接触子１２の前端部分の減衰係数を１．７ｄＢ、後端部分の減衰係数を前端部分の５０倍とし、円管２０の減衰は考慮しなかった。超音波振動子１１の直径は４ｍｍ、超音波の入射角は、円管表面での屈折後に中心角度７０°が生ずるように、円管外部表面で４５°とした。超音波振動子１１の端面の各節点上で図３に示す波形の外力を入力する。
【００２２】
図５（ａ）〜（ｄ）に、欠陥がない円管、深さ１ｍｍの欠陥を持つ円管、深さ１．５ｍｍの欠陥を持つ円管、深さ２ｍｍの欠陥を持つ円管の各入射点（点Ｐ１）における受信波形を示す。各図で、６０μｓ以後に観測される波形が円管を１周した後に観測される波形であり、欠陥の有無及び欠陥の大きさによって振幅が変化する様子が理解できる。
【００２３】
図６（ａ）及び（ｂ）は夫々、欠陥がない円管の点Ｐ２及び点Ｐ３の受信波形を示している。同図（ａ）から理解できるように、点Ｐ２で配管を１周した後に受信される波形Ａ２は、最初に受信される波形Ａ１から、その振幅が減衰している。また、これら波形Ａ１、Ａ２と、点Ｐ３の受信波形Ａ３とを比較すると、この減衰が、主として配管内を透過する際に徐々に受けた減衰によるものであり、配管の透過距離にほぼ比例する旨が理解できる。
【００２４】
図７（ａ）及び（ｂ）は夫々、図６の（ａ）及び（ｂ）の波形に、ウエーブレット変換を施した波形である。ウエーブレット変換は、一般に単発波（バースト波）の周波数分析に利用される手法であり、最大振幅の周波数を有する波の進行を示すタイミングチャートが得られる。同図から、超音波の点Ｐ２の通過時刻と点Ｐ３の通過時刻の差ｔ=２０．０２μｓが精度よく得られる。この超音波の通過速度Ｖは、点Ｐ２と点Ｐ３の配管内での離隔距離Ｌ及び時刻差ｔによって
Ｖ=Ｌ／ｔ=６５．３３ｍｍ／２０．０２μｓ=３２６３ｍ／ｓ
と得られ、進行する超音波が横波であることが確認できる。
【００２５】
図８（ａ）は、欠陥１ｍｍを有する配管において、点Ｐ２で受信される超音波波形を示している。前記のように、超音波の速度ＶTが測定されているので、最初に観測される超音波Ｂ１が、超音波振動子から配管内に入射し到達した透過波であることが判る。更に、次に観測される超音波Ｂ２が欠陥によって反射した反射波であることも判る。この波形をウエーブレット変換した波形を図８（ｂ）に示す。同図から、透過波Ｃ１とその透過波が欠陥２１によって反射した反射波Ｃ２との間の時間差が１９．４６μｓと得られ、これによって、点Ｐ２の位置と欠陥２１の存在する位置との間の、円管中心で見た角度βが、
β=ｔ×Ｖ／２Ｒ=１９．４６μs×３．２６３mm/μs／２×３０ｍｍ
=１．０５８３ｒａｄ=６０．６４°
と計算される。
【００２６】
図９は、前記シミュレーションで示した形状及び材質を有する欠陥無しの円管に対して、実際に超音波を入射してこれを点Ｐ１に配置した超音波受信子１３で受信した波形の例を示している。図９の波形と図６（ａ）や（ｂ）の波形とを対比すると、前記シミュレーションが本実験結果をかなり精度よくシミュレーションしていることが理解できる。
【００２７】
図１０は、図５（ａ）〜（ｄ）のシミュレーション結果から求められた、欠陥の大きさと透過超音波の振幅との関係を、実測された受信波形から得られた関係と対比して示している。横軸は、配管の全体厚みＴに対する欠陥の深さＤの比（欠陥比）ｒ=Ｄ／Ｔであり、縦軸は欠陥を有する配管で得られた最大振幅Ａ0と、欠陥無しの配管で得られた対応する位置での最大振幅Ａdとの比（振幅比）Ａ1=Ａd／Ａ0である。同図に示すように、シミュレーションの結果と実測結果とはよく整合しており、本発明方法で欠陥の大きさの測定が可能である旨を示している。
【００２８】
図１１（ａ）〜（ｄ）は夫々、欠陥無しの配管、及び、欠陥が１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍの夫々の配管について、超音波を入射してから５０μｓ後の配管断面における振幅分布のシミュレーション結果を模式的斜視図として示している。同図から理解できるように、欠陥が大きくなるにつれて透過波の振幅が小さくなり、反射波の振幅が大きくなる。従って、図１０のグラフや式（１）による欠陥の大きさの判定に代えて、反射波の振幅によっても欠陥の大きさが判定できる。このように反射波の振幅によって欠陥の大きさを判定する手法は、特定の位置Ｐ２での透過波と反射波との間の時間差によって欠陥２１の位置を判定する前記手法と併せて用いることができる。特に、配管の内側表面の欠陥を検出する際には、この手法を採用することが好ましい。
【００２９】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の配管の欠陥検出方法は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【００３０】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の配管の欠陥検出方法によると、目視によっては容易に認識できない配管の腐食量の測定や欠陥位置の検出が簡易にできる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配管の欠陥検出方法の原理を示す配管の模式的断面図。
【図２】超音波の入射角を示す配管の表面の拡大図。
【図３】配管内に入射させる超音波の波形図。
【図４】配管内を透過する超音波の周波数及び速度のグラフ。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は夫々、欠陥無し、欠陥１ｍｍ、欠陥１．５ｍｍ、及び、欠陥２．０ｍｍの各円管の点Ｐ１における観測波形のシミュレーション図。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は夫々、欠陥無しの円管の点Ｐ２及びＰ３の観測波形図。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は夫々、図６（ａ）及び（ｂ）の波形のウエーブレット変換後の波形図。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は夫々、欠陥１ｍｍの配管の点Ｐ２における超音波の観測波形図及びそのウエーブレット変換後の波形図。
【図９】欠陥無しの配管の点Ｐ１における超音波の実際の観測波形図。
【図１０】欠陥の大きさと観測される超音波の振幅との関係を示す実測及びシミュレーション結果のグラフ。
【図１１】（ａ）〜（ｄ）は夫々、欠陥無し、欠陥１ｍｍ、欠陥１．５ｍｍ、及び、結果２ｍｍの各配管の透過波のシミュレーション結果を示す斜視図。
【符号の説明】
１１  超音波振動子
１２  接触子
１３  超音波受信子
２０  配管
２１  欠陥
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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