(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子の配置された探触子本体を被検管内に挿入してその管軸中心線方向に移動させて管内側から斜角超音波探傷する管内挿入式超音波探傷装置であって、
支持具によって被検管の管軸中心線上に常時保持された探触子本体と、
前記探触子本体に所定のピッチで均等に配列された複数個の振動子と、
前記探触子本体の管軸中心線方向の移動を案内する案内子と、
前記案内子と前記探触子本体とを縦列に連結する屈曲自在な連結具と、
前記被検管外に設置された走査制御回路と、
前記被検管外に設置されて前記振動子と電気信号を授受する超音波送受信器と、を備え、
前記複数個の振動子は、前記被検管の管軸中心線と直交し且つその中心点を通る線に対して、その中心点から任意の偏差をもつ点Ｐを中心として描かれる凸面円弧形を形成するとともに、
前記凸面円弧形振動子の中心線は、前記被検管の中心点を通る前記線に対し直角とすることにより、
前記振動子の前記凸面円弧形の各部から発生する超音波ビームの前記被検管に入射される入射角度をほぼ等しくした
ことを特徴とする管内挿入式超音波探傷装置。
【請求項２】
請求項１に記載の管内挿入式超音波探傷装置において、
前記振動子の数ｎは、振動子の前記凸面円弧形を形成する円弧角をθとして、３６０／θで求められ、被検管の全周に超音波が伝播するようにした
ことを特徴とする管内挿入式超音波探傷装置。
【請求項３】
請求項２に記載の管内挿入式超音波探傷装置において、
前記複数個の振動子は、振動子の数をｎとして、３６０／ｎ度ピッチずつずらせて配列し、被検管の全周に超音波が伝播するようにした
ことを特徴とする管内挿入式超音波探傷装置。
【請求項４】
請求項１、２または３に記載の管内挿入式超音波探傷装置において、
前記走査制御回路によって、前記超音波送受信器と前記複数個の振動子間で授受される電気信号を振動子毎に順次切り替る
ことを特徴とする管内挿入式超音波探傷装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は火力発電設備の熱交換チューブの探傷検査に好適な管内挿入式超音波探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電設備の熱交換器に用いられている管は狭隘かつ複雑に配置され、さらには熱効率向上のため、外面にフィンが取り付けられている場合があるので、管を外側から非破壊検査することは困難であった。そのため、管内に水を満たし内側から斜角法による超音波探傷が行われている。
【０００３】
従来の管内挿入式超音波探傷装置は、図７に示すように、管１の管軸中心線上に保持された探触子本体２と信号結合ユニット１１と駆動ユニット１２とに分割され、各構成ユニットをそれぞれ回転の伝達が可能な連結具６で連結し、管外に超音波送受信器１０を設置していた。この探傷装置においては、管１の全周に亘って探傷するため、駆動用シャフト１３を介してモーター１４で１個の振動子４’を配置した探触子本体２を回転走査し、超音波送受信器１０と振動子４’との間で授受される電気信号はスリップリング１５を媒体として結合していた。
【０００４】
また、探触子本体２に配置された平面形の振動子４’は、図８に示すように、管１の管軸中心線に直交し且つその中心点を通る線に対してその中心点から任意の偏差値をもって配置することにより、管１を斜角超音波探傷するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図７及び図８に示す構成を有した従来の管内挿入式超音波探傷装置では、超音波送受信器１０と探触子４’との間で授受されている電気信号に対して、モーター１１およびスリップリング１２で発生するノイズが侵入する。特に、このノイズは、振動子４’で得られ超音波送受信器１０に伝達されている傷信号と識別が困難なため、探傷精度が低下するという問題があった。
【０００６】
また、図９に示すように、管１の管軸中心線に対して偏差をもって配置した平面形の振動子４’で発生した超音波ビーム１６は、振動子４’の幅とほぼ同等な幅で管内に満した水中を伝播して管１に入射されるが、超音波ビーム１６の中心部と端部では管１への入射角度がそれぞれ異なっている。すなわち、管１の内半径をｒ、任意の偏差値をｘ、振動子４’の幅をｗとした場合の超音波ビーム中心部での入射角ｉ1、超音波ビーム端部での入射角ｉ2およびｉ3は、ｘ＞０．５ｗの条件において次式で求められ、
ｓｉｎｉ1＝ｘ／ｒ
ｓｉｎｉ2＝（ｘ＋０．５ｗ）／ｒ
ｓｉｎｉ3＝（ｘ−０．５ｗ）／ｒ
ｓｉｎｉ2＞ｓｉｎｉ1＞ｓｉｎｉ3
の関係になっている。
【０００７】
一例として、内半径が２５ｍｍの管の全周に亘って探傷するために、３２個の振動子を配列して（１個の振動子を用いてこれを３６０°回転させるものでも良い）、偏差値ｘが９ｍｍの位置に幅ｗが５ｍｍの振動子を配置する必要があり、この時の入射角は１５．１〜２７．４度になる。従って、入射角度と密接な関係にある超音波の管材中への入射効率（音圧往復通過率）が超音波ビーム各部において異なってくるために探傷精度が低下するという問題があった。
【０００８】
また、１個の振動子４’を配置した探触子本体２を回転させながら探傷する従来の管内挿入式超音波探傷装置は、モーターの回転速度および超音波の繰り返し周波数の制約から探傷速度を早くできないという問題があった。
【０００９】
本発明は上記の問題点を解決し、管内側からの超音波探傷が高精度かつ高速で実施可能な管内挿入式超音波探傷装置の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の次のような構成を採用する。
【００１２】
超音波振動子の配置された探触子本体を被検管内に挿入してその管軸中心線方向に移動させて管内側から斜角超音波探傷する管内挿入式超音波探傷装置であって、
支持具によって被検管の管軸中心線上に常時保持された探触子本体と、
前記探触子本体に所定のピッチで均等に配列された複数個の振動子と、
前記探触子本体の管軸中心線方向の移動を案内する案内子と、
前記案内子と前記探触子本体とを縦列に連結する屈曲自在な連結具と、
前記被検管外に設置された走査制御回路と、
前記被検管外に設置されて前記振動子と電気信号を授受する超音波送受信器と、を備え、
前記複数個の振動子は、前記被検管の管軸中心線と直交し且つその中心点を通る線に対して、その中心点から任意の偏差をもつ点Ｐを中心として描かれる凸面円弧形を形成するとともに、
前記凸面円弧形振動子の中心線は、前記被検管の中心点を通る前記線に対し直角とすることにより、
前記振動子の前記凸面円弧形の各部から発生する超音波ビームの前記被検管に入射される入射角度をほぼ等しくした管内挿入式超音波探傷装置。
【００１３】
また、前記管内挿入式超音波探傷装置において、
前記振動子の数ｎは、振動子の前記凸面円弧形を形成する円弧角をθとして、３６０／θで求められ、被検管の全周に超音波が伝播するようにした管内挿入式超音波探傷装置。
【００１４】
また、前記管内挿入式超音波探傷装置において、
前記複数個の振動子は、振動子の数をｎとして、３６０／ｎ度ピッチずつずらせて配列し、被検管の全周に超音波が伝播するようにした管内挿入式超音波探傷装置。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る管内挿入式超音波探傷装置について、図面を用いて以下説明する。図１は、本発明の実施形態に係る管内挿入式超音波探傷装置の全体の構成を示す図であり、図２は振動子４の配列の一例を示すもので、探触子本体２に所定のピッチ（振動子の数をｎとした場合に３６０／ｎ度のピッチ）で配列した振動子４で発生する超音波ビーム１６が管の全周に伝播する様子を説明する図であり、図３は、管１の管軸中心線と直交し且つその中心点を通る線に対して、その中心点から任意の偏差をもつ点Ｐを中心に描かれる凸面円弧形をした振動子４で発生する超音波ビーム１６の伝播経路と管内面での超音波入射角を説明する図である。
【００１６】
ここにおいて、図２に示す振動子配列は、その振動子の数がｎである場合に、被検管の全周に亘って超音波探傷できるように、３６０／ｎ度のピッチだけずらされて均等に配列されるものであるが、一例として、全振動子の均等配列を１つの円筒体のみに配置するのではなくて、４つの円筒体に分けて配列する例を示している。
【００１７】
図１において、管１の内部に挿入した探触子本体２を管軸中心線の方向に移動させながら管１の内側から水浸法によって斜角超音波探傷する装置は、弾力性を有し且つ復元性の高いブラシで形成された支持具３によって管１の管軸中心線上に常時保持された探触子本体２と、この探触子本体２に３６０／ｎ度ピッチで配列されたｎ（３６０／θ）個の凸面円弧形の振動子４と、探触子本体２の管軸中心線方向の移動を案内する案内子５と、探触子本体２と案内子５を縦列に連結する屈曲自在な連結具６と、管１の外部に設置された走査制御回路９と、前記被検管外に設置されて前記振動子と電気信号を授受する超音波送受信器と、を備え、走査制御回路９によって超音波送受信器１０と複数個の振動子４との間で授受される電気信号を振動子毎に連続的に切り替える（電子走査）ように構成している。ここにおいて、θは振動子４の円弧角度でαが、これについては図３の説明で後述する。
【００１８】
以上のように構成された管内挿入式超音波探傷装置の探触子本体２は、前後から弾力性を有し且つ復元性の高いブラシで形成した支持具３により常時管１の管軸中心線上に保持され、そして屈曲自在な連結具６によって案内子５と縦列に連結し、管軸中心線の方向に円滑な移動がなされる。また、探触子本体２に所定のピッチで配列された複数の振動子４と管外に設けた超音波送受信器１０との間で授受される電気信号は、信号ケーブル７によって走査制御回路９に導びかれるように形成され、複数の振動子４の振動子毎の信号切替（電子走査）を可能にしている。また、本実施形態において、管１への挿入力は適当な弾性を有するフレキシブルチューブ８によって与えられる。
【００１９】
図２において、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図、図２（ｃ）は図１のＣ−Ｃ断面図、図２（ｄ）は図１のＤ−Ｄ断面図をそれぞれ示している。ここで、探触子本体２には、（３６０÷振動子４の円弧角度θ）で求められる個数の振動子４を、（３６０÷振動子４の個数）で求められるピッチずつずらせて、図２に示すように、一例として４つの円筒体に配列されているので、管１の全周に超音波が伝播している。
【００２０】
図３において、探触子本体２に配列されている振動子４は、管１の管軸中心線と直交し且つその中心点を通る線に対して、その中心点から任意の偏差をもつ点Ｐを中心に描かれる凸面円弧形（円弧角θ）を形成しているので、管１に入射される超音波ビーム１６の入射角ｉ1，ｉ2，ｉ3はほぼ等しくなる。
【００２１】
すなわち、図３に示すように、管１の中心点を通る線上においてその中心点から偏差値をもって隔たった任意の点Ｐを中心に描かれる凸面円弧形の振動子４で発生する超音波ビーム１６の中心部での入射角ｉ1、超音波ビーム端部での入射角ｉ2およびｉ3は、管１の内半径をｒ、任意の点Ｐの偏差値をｘ、振動子４の円弧角をθとした場合、ｉ3＞０の条件で、次式のように求まり、
ｓｉｎｉ1＝ｘｓｉｎ９０／ｒ
ｓｉｎｉ2＝ｘｓｉｎ（９０＋０．５θ）／ｒ
ｓｉｎｉ3＝ｘｓｉｎ（９０−０．５θ）／ｒ
入射角ｉ1、ｉ2およびｉ3は、上記式から明らかなように、ほぼ等しくなるので、超音波ビーム各部における管材中への入射効率が異なることはない。
【００２２】
一例として、管１の内半径が２５ｍｍ、任意の点Ｐの偏差値ｘが９ｍｍ、振動子４の円弧角θが１２度のとき、３２個の振動子を１１．２５度ずつずらせ探触子本体に二次元配列すれば管１の全周に超音波が伝播し、且つ３２個の凸面円弧形の振動子４で発生する超音波ビーム１６は、２１．０゜〜２１．１゜の範囲内で管１に入射されることになる。
【００２３】
次に本発明の他の実施形態を図４、図５および図６を用いて説明する。図１に示す本発明の実施形態では、探触子本体２を常時管１の管軸中心線上に保持する手段として、弾力性を有し且つ復元性の高いブラシで形成された支持具３で用いていたが、図４に示すようにスプリング１７の伸縮力により、先端にローラー１８を具備したアーム１９を開閉するものであっても、良好に斜角法による超音波探傷が行われる。
【００２４】
また、図５に示す本発明の他の実施形態の装置は、管１の内部に挿入した第１の探触子本体２ａと第２の探触子本体２６を管軸中心線の方向に移動させながら管１の内側から水浸法によって斜角探傷するものであり、湾曲程度の大きい（湾曲の緩やかでない）曲りを有する管の探傷に用いられる。前記実施形態では、第１の探触子本体２ａおよび第２の探傷子本体２ｂは、それぞれの前後から支持具３により常時管１の管軸中心線上に保持されるように形成し、屈曲自在な連結具によって案内子５と縦列に連結されている。
【００２５】
また、探触子本体２ａおよび２ｂに所定のピッチで二次元配列された複数の振動子４と管外に設けた超音波送受信器１０との間で授受される電気信号は、信号ケーブル７によって走査制御回路９に導びかれるように形成されて複数の振動子４の電子走査（振動子の順次の切替）を可能にしている。すなわち、探触子を管の曲管部に対しても挿入可能なサイズに分割し、分割された各要素間を屈曲可能な連結具で縦列に連結することによって、曲管部でも容易に超音波探傷できる効果がある。
【００２６】
図２に示す実施形態では、管１の管軸中心線上に保持された探触子本体２に超音波ビーム１６の送受波を行う３６０／θ（ｎ）個の凸面円弧形の振動子４を３６０／ｎ度ピッチずつずらせて二次元配列した一例を説明したが、このような構成において、各々の振動子４で発生する超音波ビーム１６の境界部のエネルギー強度が、低くなる場合がある。このような場合、配列する振動子４の数および配列ピッチは変更せずに振動子４の円弧角θを若干大きくすることによって、各振動子４間の境界部の超音波エネルギー強度の低下を防止することができる。
【００２７】
図６に振動子４の円弧角θを１２度から１５度に変更した場合の管の周角度と超音波エネルギー強度の関係を示すが、各振動子間の境界部の超音波エネルギー強度は補完され、探傷精度の向上が可能になった。
【００２８】
以上説明したように、管の管軸中心線上に保持された超音波探触子本体に超音波ビームの送受波を行う３６０／θ個の凸面円弧形の振動子を３６０／ｎ度ピッチずつずらせて配列しているので、探触子本体を回転させなくても管の全周を探傷できる。これによって、モーターおよびスリップリングが不要になり、モータ及びスリップリングなどから発生するノイズが振動子と超音波送受信器の間で授受される電気信号に侵入することがない。
【００２９】
さらに、複数個の振動子に対して、各々の動作を順次切り替えて（走査させて）管全周の探傷をおこなっているため、探傷速度はモーターの回転速度や超音波の繰り返し周波数の制約を受けることがない。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の管内挿入式超音波探傷装置によると、探触子本体を回転させることなく管全周の超音波探傷が実現できるので、高精度な探傷が高効率で可能となる。
【００３１】
また、本発明によれば、凸面円弧形を形成した振動子を採用することにより、超音波ビームの各部における被検管への入射角度がほぼ等しくなり、管中への入射効率（音圧往復通過率）が超音波ビーム各部においてほぼ等しくなって探傷精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る管内挿入式超音波探傷装置の全体説明図である。
【図２】図１における各部の断面の詳細を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る振動子の形成と振動子が発生する超音波ビームの伝播を説明した図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る管内挿入式超音波探傷装置の全体説明図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る管内挿入式超音波探傷装置における探触子本体の接続を説明する図である。
【図６】他の実施形態に係る超音波ビームの補完を説明する図である。
【図７】従来の管内挿入式超音波探傷装置の説明図である。
【図８】図７のＥ−Ｅ断面図である。
【図９】従来の管内挿入式超音波探傷装置に係る振動子の形成と振動子が発生する超音波ビームの伝播を説明した図である。
【符号の説明】
１  管
２  超音波探触子本体
３  支持具
４  振動子
５  案内子
６  連結具
７  信号ケーブル
８  フレキシブルチューブ
９  走査制御回路
１０  超音波送受信器
１１  信号結合ユニット
１２  駆動ユニット
１３  駆動用シャフト
１４  モータ
１５  スリップリング
１６  超音波ビーム
１７  スプリング
１８  ローラー
１９  アーム
【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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