(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の鋼板を筒状に曲げ形成して製造された鋼管の軸方向に存在する溶接部における径方向と軸方向とを含む面内に存在する面状欠陥を、前記鋼管の外周面に取付けられた斜角探触子を用いて超音波探傷する鋼管の超音波探傷方法において、
前記斜角探触子から鋼管内に入射された超音波が前記面状欠陥に対して垂直に入射するように、前記鋼管における肉厚対外径の比に基づいて、前記斜角探触子から鋼管内に入射される超音波の探傷屈折角を設定し、
前記超音波の伝搬方向における速度特性と前記設定した探傷屈折角に基づいて、前記斜角探触子における超音波の前記鋼管に対する入射角を設定し、
前記設定された入射角と探傷屈折角との関係から求められた振動子の縮小率に基づいて、前記斜角探触子における振動子の幅を決定する
ことを特徴とする鋼管の超音波探傷方法。
【請求項２】
前記鋼管の音響異方性における前記超音波の伝搬方向に対応する方向の速度特性と前記探傷屈折角に基づいて、前記斜角探触子における超音波の前記鋼管に対する入射角を求めることを特徴とする請求項１に記載の鋼管の超音波探傷方法。
【請求項３】
帯状の鋼板を筒状に曲げ形成して製造された鋼管の軸方向に存在する溶接部における径方向と軸方向とを含む面内に存在する面状欠陥を、前記鋼管の外周面に取付けられた斜角探触子を用いて超音波探傷する鋼管の超音波探傷装置において、
前記斜角探触子から鋼管内に入射された超音波が前記面状欠陥に対して垂直に入射するように、前記鋼管における肉厚対外径の比に基づいて、前記斜角探触子から鋼管内に入射される超音波の探傷屈折角を算出する探傷屈折角算出手段と、前記超音波の伝搬方向における速度特性と前記算出した探傷屈折角に基づいて、前記斜角探触子における超音波の前記鋼管に対する入射角を算出する入射角算出手段と、
前記算出された入射角と探傷屈折角との関係から求められた振動子の縮小率に基づいて、前記斜角探触子における振動子の幅を算出する振動子幅算出手段と
を備えたことを特徴とする鋼管の超音波探傷装置。
【請求項４】
前記入射角算出手段は、前記鋼管の音響異方性における前記超音波の伝搬方向に対応する方向の速度特性と前記探傷屈折角に基づいて、前記斜角探触子における超音波の前記鋼管に対する入射角を算出することを特徴とする請求項３に記載の鋼管の超音波探傷装置。
【請求項５】
所定のパルス幅内で周波数が掃引されるチャープパルス信号を一定周期で前記斜角探触子に印加する探触子駆動手段と、
前記斜角探触子から出力されたエコー信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換されたエコー信号に対して、前記チャープパルス信号を用いて相関演算を行い、演算結果を新たなエコー信号として出力するデジタルフィルタと
を備えたことを特徴とする請求項３又は４に記載の鋼管の超音波探傷装置。
【請求項６】
帯状の鋼板を筒状に曲げて形成して、その後、鋼板の側面どうしを溶接することによって鋼管を製造する第１の工程と、
請求項１又は２に記載の鋼管の超音波探傷方法によって、前記第１の工程で製造された鋼管を探傷する第２の工程と
を有することを特徴とする鋼管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管の内部に存在する欠陥を検出する欠陥検出手法に係わり、特に、鋼管溶接部の内部に発生する径方向（肉厚方向）と軸方向とを含む面内に存在する面状欠陥を、前記鋼管の外周面に取付けられた斜角探触子を用いて超音波探傷する鋼管の超音波探傷方法及び鋼管の超音波探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、外径が１ｍを越える鋼管は、帯状の鋼板を筒状に曲げ形成して、その後、鋼板の側面どうしを溶接することによって製造される。なお、このような手法で製造された鋼管を溶接鋼管と称することもある。したがって、図１０（ａ）に示すように、製造された鋼管１の外周面２には、軸方向に延びる線状の溶接部３が存在する。
【０００３】
このような鋼管１においては、製造時における溶接不良に起因する面状欠陥４が溶接部３の内部に発生する確率が高くなる。当然、この面状欠陥４は、径方向（肉厚方向）と軸方向とを含む接着面内に発生する。
【０００４】
このような鋼管１の溶接部３内に発生する面状欠陥４を探傷する方法として、図１０（ｂ）、図１０（ｂ）に示すような斜角超音波探傷法が実用化されている。
【０００５】
図１０（ｂ）は、鋼管１の外周面２に取付けられた斜角探触子５から発生させた超音波６を０．２５スキップで溶接部３の内部の面状欠陥４に入射させる探傷法であり、図１０（ｃ）は、同じく超音波６を０．７５スキップで面状欠陥４に入射させる探傷法である。
【０００６】
斜角探触子５から鋼管１内に入射された超音波６の伝搬方向と入射面の垂線とのなす角度を探傷の屈折角θと称するが、一般に鋼板の探傷に使用される斜角探触子５の有する屈折角θは公称７０°である。
【０００７】
しかし、肉厚ｔと外径Ｄの比、即ちｔ／Ｄが、３％より大きい断面形状４を有する鋼管１の場合は、鋼管１内に入射した超音波６が底面において屈折角θ＝７０°で反射を起こさないため、図１０（ｃ）に示す０．７５スキップでは、公称屈折角７０°より小さい屈折角（例えば、６５°、６０°、５５°）の探傷を行うことになる。
【０００８】
その結果、検査対象の鋼管１のｔ／Ｄが約６％で図１０（ｂ）に示す０．２５スキップ・屈折角７０°の探傷を行う場合以外の図１０（ｃ）に示す０．７５スキップの探傷においては、検出対象となる面状欠陥４に超音波６が垂直に入射しない。そのため、面状欠陥４による超音波６の反射のほとんどが斜角探触子５の方向でないために、斜角探触子５は面状欠陥４のエコーを受信できないので欠陥検出能力が低下する。
【０００９】
また、近年では溶接鋼管の母材にＴＭＣＰ鋼板のような制御圧延した鋼板を用いるため、被検査体が音響異方性を有する場合が大多数である。このような音響異方性を有する材料は、超音波６の横波音速が３２３０ｍ／ｓとは限らず、音速は伝播方向に依存して異なる。
【００１０】
このため、被検査体の横波音速を基準速度である３２３０ｍ／ｓと仮定して製作した斜角探触子５では、仕様に表記された公称屈折角が実際の屈折角θと異なり、この公称屈折角の値はもはや信用できない。被検査体の音響異方性の度合いによっては、公称屈折角７０°のものを用いても実際の探傷屈折角は６３°程度になることもある。
【００１１】
したがって、鋼溶接部の超音波探傷試験法の規格ＪＩＳ  Ｚ  ３０６０では、音響異方性を有する材料の探傷は、公称屈折角と実際の探傷屈折角のズレが小さくなるように斜角探触子５の屈折角θを小さめに選ぶことが記されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したＪＩＳ規格においては、鋼管製造工程中の継ぎ手溶接部は適用外となっていて、溶接鋼管における溶接部３内に存在する面状欠陥４に対する自動探傷では音響異方性に対する対策はほとんどなされていない。
【００１３】
例えば、アーク溶接鋼管を例にあげると一般に製造される鋼管１のｔ／Ｄは０．７〜７％であり、従来の探傷法では特別な場合を除き、面状欠陥４に対して超音波６が斜めに入射することから、斜角探触子５の方向（超音波の入射方向）に反射される超音波６は弱く欠陥検出能が低い。
【００１４】
さらに、従来法において、溶接部３付近から反射され、斜角探触子５に戻ってくるエコーは、面状欠陥４からのものだけでなく溶接部３の余盛からのエコーも多く含む。そのため、欠陥検出能を上げるために増幅器等を使用すると面状欠陥４からのエコーは増幅されるが、溶接部３の余盛からのエコーや溶接金属からの組織エコーも増幅されるし、また電気ノイズも増加することから、欠陥エコーのみを高いＳ／Ｎ比で検出できない。
【００１５】
一方、図１０（ｂ）に示す０．２５スキップでの探傷では、０．７５スキップの探傷に比べて面状欠陥４と斜角探触子５との位置が近いことから斜角探触子５は欠陥信号を比較的強く検出できる。しかし、強い超音波６が溶接部３における溶接金属部に入射することから、この溶接金属内で反射されるエコーが林状エコーとなって観測され、斜角探触子５から出力されるエコー信号に含まれる欠陥エコーのＳ／Ｎ比はほとんど向上しない。
【００１６】
また、肉厚の薄い鋼管１においては、図１０（ｂ）に示すように、斜角探触子５を支持するホルダーが溶接部３に接触する懸念があるために、０．２５スキップの探傷法で溶接部３内を探傷部位とする探傷できなくなる。
【００１７】
また、被検査体である鋼管１の材質が音響異方性を有する場合、手動による従来の探傷法では、公称屈折角と実際の探傷屈折角θのズレが比較的小さく、公称屈折角が７０°より小さな斜角探触子５を用いた探傷を行っていた。しかし、面状欠陥４に対する超音波６の入射角は、７０°屈折角の探傷に比べて、いっそう垂直から離れた角度になり、一探触子探傷法では、探触子方向へ反射はいっそう少なくなる。
【００１８】
他方、鋼管溶接部の自動探傷の場合では、上述のように音響異方性の対策はほとんどなされておらず、公称屈折角７０°の斜角探触子５を用いて実際の探傷屈折角θが６３°になった場合は、６３°の探傷を行い、公称屈折角７０°の斜角探触子５を用いて、実際の探傷屈折角θが７６°になった場合は７６°の探傷を行っている。
【００１９】
このため、７０°の探傷を行うように製作された斜角探触子５で、６３°の探傷を行う時は、超音波６のビームの指向性が小さくなって探傷範囲が狭くなる問題がある。また、７６°で探傷を行うときは、超音波６のビームの指向性が大きくなって探傷範囲は広くなる。これに伴い感度も変わり、探傷結果の解析が非常に複雑になるという問題があった。
【００２０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、鋼管内に入射された超音波の探傷屈折角を公称屈折角ではなく所定の手順で決定することにより、欠陥からの探触子方向への超音波の反射強度を高めるこができ、また斜角探触子から出力されたエコー信号に含まれる溶接部の余盛からのエコー及び溶接金属からの林状エコー等の材料に起因するノイズを減らすことができ、かつ接近限界距離等の機械的制限を受けない位置での探傷が実現でき、さらに音響異方性を有する材料でも所定の屈折角で探傷ができて、見かけの振動子幅の変動がなく、超音波における一定のビーム拡がりで探傷ができる鋼管の超音波探傷方法及び鋼管の超音波探傷装置を提案することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、帯状の鋼板を筒状に曲げ形成して製造された鋼管の軸方向に存在する溶接部における径方向（肉厚方向）と軸方向とを含む面内に存在する面状欠陥を、鋼管の外周面に取付けられた斜角探触子を用いて超音波探傷する鋼管の超音波探傷方法に適用される。
【００２２】
そして、上記課題を解消するために、本発明の鋼管の超音波探傷方法においては、斜角探触子から鋼管内に入射された超音波が面状欠陥に対して垂直に入射するように、鋼管における肉厚対外径の比に基づいて、斜角探触子から鋼管内に入射される超音波の探傷屈折角を設定し、超音波の伝搬方向における速度特性と設定した探傷屈折角に基づいて、斜角探触子における超音波の鋼管に対する入射角を設定する。そして、設定された入射角と探傷屈折角との関係から求められた振動子の縮小率に基づいて、斜角探触子における振動子の幅を決定する。
また、鋼管の音響異方性における超音波の伝搬方向に対応する方向の速度特性と探傷屈折角に基づいて、斜角探触子における超音波の鋼管に対する入射角を求めてもよい。
【００２３】
具体的には、超音波の探傷屈折角θを、鋼管における肉厚ｔと外径Ｄとを用いて(1) 式で算出している。
【００２４】
θ＝Sin-1［１−（ｔ／Ｄ）］                              …(1)
このように構成された鋼管の超音波探傷方法においては、斜角探触子によって鋼管内に入射された超音波は、溶接部の面状欠陥に垂直に入射するため、面状欠陥からの反射波の伝播方向も入射方向と等しくなり、斜角探触子によって欠陥エコーは最も効率よく検出できる。さらに、この方向から探傷することにより溶接部の余盛による超音波の反射が減り、ノイズ低減の効果もある。
【００２７】
このような方法で超音波の鋼管に対する入射角及び振動子の幅を設定する理由を説明する。
【００２８】
先に説明したように、被検査体である鋼管の肉厚ｔと外径Ｄの比、即ちｔ／Ｄで鋼管内に入射された超音波の探傷屈折角θが決まるため、超音波がその角度に屈折を起こすような鋼管表面に対する入射角を有する斜角探触子で、かつ屈折した後における超音波のビームの大きさ（見かけの振動子幅）が探傷対象の面状欠陥の大きにあった振動子を有する斜角探触子を用いる必要がある。
【００２９】
一般に、鋼内を伝搬する超音波の横波音速は、３２３０ｍ／ｓであるため、スネルの法則を用いれば、容易に探傷に用いるべき入射角を有する斜角探触子を選ぶことができる。入射角ｉと屈折角θとの関係から斜角探傷における振動子の縮小率Ｆも計算できるため、探傷に必要な見かけの振動子幅から実際の振動子幅も算出できる。
【００３０】
しかし、低温での靭性を持たせた制御圧延鋼板は音響異方性を持つため、超音波の全ての伝搬方向において音速は一様に３２３０ｍ／ｓであるとは限らない。音響異方性を有する被検査体内では、圧延方向と直角な方向の面内（Ｃ方向：鋼管においては軸方向に直交する面内）に伝搬する超音波（横波）の音速分布が図２に示す音速分布となる。すなわち、超音波の伝搬方向を示す屈折角θの値によって速度が異なる。
【００３１】
この超音波の速度Ｖ（θ）は(2) 式で近似できる。
【００３２】
Ｖ（θ）＝［（Ｖ0 ＋Ｖ45）／２］＋［（Ｖ0 ―Ｖ45）／２］cos( 4θ)…(2)
但し、Ｖ0 、Ｖ45はそれぞれ屈折角０°、４５°の時の音速である。
【００３３】
式(2) は、未知変数が２つのため異なる２屈折角での音速を測定することにより決定することができる。ここで、音速分布Ｖ（θ）が決定できれば探傷屈折角θは鋼管のｔ／Ｄから決定されるため、探傷方向に伝播する超音波の音速Ｖ（θ）を決定できる。その結果、スネルの法則により振動子から鋼管表面に入射される超音波の入射角ｉを算出できる。
【００３４】
したがって、先述のように入射角ｉと屈折角θの値から斜角探傷による振動子の縮小率Ｆが計算できるため、探傷に必要な振動子幅が決定でき、探傷に最適な条件の斜角探触子を選定することができる。
【００３５】
以上のように、探傷対象である鋼管がたとえ音響異方性を有する材質で構成されていたとしても、溶接部内に存在する面状欠陥を精度よく探傷できる。
【００３６】
また、本発明は、帯状の鋼板を筒状に曲げ形成して製造された鋼管の軸方向に存在する溶接部における径方向と軸方向とを含む面内に存在する面状欠陥を、鋼管の外周面に取付けられた斜角探触子を用いて超音波探傷する鋼管の超音波探傷装置に適用される。
【００３７】
そして、上記課題を解消するために、本発明の鋼管の超音波探傷装置においては、斜角探触子から鋼管内に入射された超音波が前記面状欠陥に対して垂直に入射するように、鋼管における肉厚対外径の比に基づいて、斜角探触子から鋼管内に入射される超音波の探傷屈折角を算出する探傷屈折角算出手段と、超音波の伝搬方向における速度特性と前記算出した探傷屈折角に基づいて、斜角探触子における超音波の前記鋼管に対する入射角を算出する入射角算出手段と、算出された入射角と探傷屈折角との関係から求められた振動子の縮小率に基づいて、斜角探触子における振動子の幅を算出する振動子幅算出手段とを備えている。
また、入射角算出手段は、鋼管の音響異方性における超音波の伝搬方向に対応する方向の速度特性と探傷屈折角に基づいて、斜角探触子における超音波の鋼管に対する入射角を算出するようにしてもよい。
【００３８】
このように構成された鋼管の超音波探傷装置においては、前述した鋼管の超音波探傷方法と同様に、(1) 式で、超音波の探傷屈折角θが求まる。
【００３９】
θ＝Sin-1［１−（ｔ／Ｄ）］                              …(1)
さらに、鋼管の肉厚ｔと外径Ｄとの比ｔ／Ｄが例えば３％程度と小さいので、溶接部における面状欠陥と斜角探触子との間の溶接部探触子間距離ＰＷＤは、簡単な幾何学的考察により、(3) 式で求まる。
【００４０】
ＰＷＤ＝［（９０−θ（度））／３６０］Ｄπ                …(3)
このようにして算出された探傷屈折角θ、溶接部探触子間距離ＰＷＤを満たすように斜角探触子が位置決めされることによって、鋼管内に入射された超音波が面状欠陥に対して垂直に入射されるので、斜角探触子から出力されるエコー信号に含まれる欠陥エコーのＳ／Ｎを向上できる。
【００４２】
また、前述した手法で入射角ｉが求まり、さらに、この入射角ｉと屈折角θの値から斜角探傷による振動子の縮小率Ｆが求まる。この縮小率Ｆから振動子の幅Ｗが求まる。よって、探傷に必要な振動子幅Ｗが決定でき、探傷に最適な条件の斜角探触子を選定することができる。
【００４３】
さらに別の発明においては、上述した発明における鋼管の超音波探傷装置に対して、さらに、所定のパルス幅内で周波数が掃引されるチャープパルス信号を一定周期で斜角探触子に印加する探触子駆動手段と、斜角探触子から出力されたエコー信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換されたエコー信号に対して、チャープパルス信号を用いて相関演算を行い、演算結果を新たなエコー信号として出力するデジタルフィルタとを備えている。
【００４６】
ここで、チャープパルス信号を用いたデジタルフィルタ処理を実施する技術的理由を説明する。
【００４７】
斜角探触子においては、超音波を検査対象表面に対して傾斜させて入射させるために、振動子と検査対象表面との間に例えばアクリルで形成された楔を挿入している。図４に示すように、アクリルと鋼との間における超音波の往復透過率ＴS が屈折角θ又は入射角ｉに依存して大きく変化する。
【００４８】
したがって、アクリル製の楔を用いて斜角探傷すると、超音波の屈折角θに応じて探傷感度が変化する。そして、屈折角θが大きくなると探傷感度が下がるため、斜角探触子から出力されるエコー信号に対して電気的に増幅する必要性が生じる。
【００４９】
しかし、一般に検出されたエコー信号を電気的な増幅回路に通すと、電気的なノイズが増えるため、被検査体からのエコー信号の強度はもちろん増幅されるが、前述した溶接部における溶接金属からの林状エコー等の材料ノイズに先述の電気的なノイズが加わり、信号とノイズの比（Ｓ／Ｎ）が低くなる。
【００５０】
このため、従来は７０°以上の大きい屈折角θで探傷することは、たとえ欠陥エコーが強くなるとしても、Ｓ／Ｎ比の点から不利と考えられていた。
【００５１】
そこで、斜角探触子から出力される一定周期で出力されるチャープパルス信号に同期するエコー信号、すなわち一定周期で欠陥エコーが存在するエコー信号に対して、デジタルフィルタで例えば自己相関演算を実施することによって、欠陥エコー以外の周期性を有していない材料ノイズや電気的なノイズを除去できる。
【００５２】
よって、電気的なノイズをほとんど増幅することなくエコー信号を電気的な増幅回路で増幅することができるため、７０°以上の大きい屈折角θでの探傷においても十分高いＳ／Ｎ比を維持した状態で超音波探傷が実施できる。
【００５３】
同期加算平均化回路においても、エコー信号をチャープパルス信号の出力周期に同期して複数周期に亘って平均化することによって、ランダムな周期性を有しない材料ノイズや電気的なノイズの信号レベルが低下し、高い周期性を有する欠陥エコーの信号レベルは上昇する。
【００５４】
よって、上述したデジタルフィルタと同様に、電気的なノイズをほとんど増幅することなくエコー信号を電気的な増幅回路で増幅することができるため、十分高いＳ／Ｎ比を維持した状態で超音波探傷が実施できる。
さらに別の発明は、帯状の鋼板を筒状に曲げて形成して、その後、鋼板の側面どうしを溶接することによって鋼管を製造する第１の工程と、上述した鋼管の超音波探傷方法によって、第１の工程で製造された鋼管を探傷する第２の工程とを有する鋼管の製造方法である。
【００５５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。
【００５６】
図１は実施形態の鋼管の超音波探傷方法が適用される鋼管の超音波探傷装置の概略構成図である。図１０示す従来の超音波探傷法と同一部分には同一符号が付してある。したがって、重複する部分の詳細説明は省略されている。
【００５７】
この実施例の鋼管の超音波探傷装置は、例えば、肉厚ｔ＝２２．２ミリ、外径Ｄ＝１３２０．８ミリであるＵＯＥ鋼管における溶接部内の中央に発生する溶込不良に起因する面状欠陥を超音波で探傷する。
【００５８】
図１において、探触子選定演算装置１１は、上位コンピユータ１３から取得した被検査体である鋼管１の肉厚ｔ、外径Ｄに応じて、溶接部３内において肉厚方向と管軸方向に広がる面状欠陥４を探傷するための適切な探傷屈折角θを演算し、さらにその屈折角θでの探傷を可能にするための使用する斜角探触子５の選定、即ち超音波６の鋼管１の外周面２に対する入射角ｉの演算を行う。なお、入射角ｉの算出においては、鋼管１の材質が音響異方性を有する場合、それも考慮して行う。
【００５９】
探触子選定演算装置１１において、探傷屈折角θを、肉厚ｔと外径Ｄとから前述した(1) 式を用いて算出する。
【００６０】
θ＝Sin-1［１−（ｔ／Ｄ）］                              …(1)
また、その探傷屈折角θで探傷を行うための斜角探触子５内での超音波６の伝搬方向、即ち鋼管１の外周面２に対する入射角ｉは、スネルの法則から(4) 式を用いて算出する。
【００６１】
sinｉ／Ｖw ＝sinθ／Ｖ                                  …(4)
但し、Ｖw 、Ｖは、それぞれ楔内の超音波の縦波音速、鋼板（鋼管１）内の横波音速である。
【００６２】
しかし、鋼管２の材質が音響異方性を有する場合、被検査体（鋼板）の横波音速は、一様にＶで表されることはなく、伝搬方向によって変わるため、図２で説明したように屈折角θの関数Ｖ（θ）で表される。そのため、入射角ｉの演算は(4) 式の代りに(5) 式を用いる。
【００６３】
sinｉ／Ｖw ＝sinθ／Ｖ（θ）                            …(5)
必要な入射角ｉ及び屈折角θが算出されると、次に探傷に必要な振動子の幅Ｗを計算する。
【００６４】
探傷に必要な振動子の幅Ｗは、超音波６の指向性をどのぐらい拡げるかで決まるが、鋼管２内から斜角探触子５内の振動子をみると実際の振動子の幅Ｗではなく、見かけの振動子の幅Ｗａで見えるため、鋼管２内での超音波６の拡がりは見かけの振動子の幅Ｗａで計算しなければならない。
【００６５】
見かけの振動子の幅Ｗａと実際の振動子の幅Ｗは、振動子の縮小率Ｆを用いると次の(6) 式の関係を待たす。
【００６６】
Ｗａ＝Ｆ・Ｗ                                            …(6)
また、入射角ｉと屈折角θとの関係から振動子の縮小率Ｆが(7) 式によって計算できる。
【００６７】
Ｆ＝cosθ／cosｉ                                        …(7)
一方、鋼管２内で超音波６は見かけの幅Ｗａの振動子から発生したかのように回折を起こし、次式で表される指向角をもつ。
【００６８】
φ-6＝Sin-1［０．４３３λ／Ｗａ］                      …(8)
但し、φ-6は、１探触子法で検出されたエコー信号が最大値の半分になる方向（指向角）である。また、λは波長である。
【００６９】
これらを逆に考えることによって、探傷に必要な超音波ビームの拡がりを持たすための実際の振動子幅Ｗを算出することができる。
【００７０】
図３は、鋼管２内での最大値から−６ｄＢ指向角φ-6を４．６°にするのに必要な振動子幅を図にしたものである。横軸には屈折角θをとり、１００ｍ／ｓ毎の音速で図示した。
【００７１】
探触子選定演算装置１１は、算出した屈折角θ、入射角ｉ、実際の振動子幅Ｗを表示部１２へ表示出力すると共に、ＰＷＤ（溶接部探触子間距離）演算装置１４へ送出する。
【００７２】
本実施形態の検査対象の鋼管１は、ｔ＝２２．２、Ｄ＝１３２０．８であるから、探傷屈折角θ＝７９．５°となる。また、図２に示すように、音響異方性による鋼管１内の屈折角θ方向に伝搬する超音波６の音速Ｖ（７９．５°）＝３１００ｍ／ｓである。斜角探触子５に組込まれている楔（アクリル製）の音速が２７３０ｍ／ｓなので入射角ｉ＝６０°となる。さらに、指向角φ-6が４．６°になるための振動子の幅Ｗは、図３から約１２ｍｍとなる。
【００７３】
そして、検査員は、表示部１２に入射角ｉ＝６０°、振動子幅Ｗ＝１２ｍｍが表示されると、予め用意しておいた種々の入射角ｉを有した複数の斜角探触子５のうち、入射角ｉ＝６０°で振動子幅Ｗが１２ｍｍのものを選択し、斜角探触子５のホルダー１７に装着する。
【００７４】
この入射角ｉを選択して装着する作業は、斜角探触子５に自動可変角探触子を採用することにより自動化することも考えられる。
【００７５】
次に、ＰＷＤ演算装置１４は、探触子選定演算装置１１から転送された探傷屈折角θと肉厚ｔ、外径Ｄの値から斜角探触子５の位置を次のように決定する。
【００７６】
ＵＯＥ材で形成された鋼管１の溶接部３内の溶込不足に起因する面状欠陥４を斜角探触子５で探傷する場合の斜角探触子５の位置は、溶接部探触子間距離ＰＷＤで表され、前述した(3) 式となる。
【００７７】
ＰＷＤ＝［（９０−θ（度））／３６０］Ｄπ                …(3)
この式に本実施形態における検査対象の鋼管１の各値、Ｄ＝１３２０．８、θ＝７９．５°を代入するとＰＷＤ＝１２１ミリになる。
【００７８】
ＰＷＤ演算装置１４で算出されたＰＷＤの値は、マニピュレータ１５に転送される。このマニピュレータ１５は、溶接シーム検出器１５によって検出される溶接部３の中心位置からＰＷＤ＝１２１ミリの位置で斜角探触子５から鋼管１に超音波６が進入するようにホルダー１７を位置決めして固定する。
【００７９】
このようにして、溶接部３に対する斜角探触子５の位置を決定することによって、鋼管１内を伝搬される超音波６が溶接部３内に存在する面状欠陥４に垂直に入射する。
【００８０】
図４に示した往復透過率特性図から理解できるように、本実施形態の検査対象の鋼管１では探傷屈折角はθ＝７９．５°と大きいために、従来の７０°斜角探傷より−３ｄＢの感度低下がある。
【００８１】
そのため、実施形態装置においては、チャープパルス信号を用いた相関演算技術と同期加算平均技術とを使用して、ノイズを増加させることなくエコー信号を増幅回路で増幅して感度低下を防止した。
【００８２】
次に、これらの信号処理技術を説明する。
【００８３】
図１において、同期信号発生器１８は、送信周期Ｔ0 を有する送信タイミング信号ａを送信用メモリ１９、ＦＩＲフィルタ２６及び同期加重平均化回路２７へ送出する。波形演算器２０は、図５に示すように、所定のパルス幅Ｔ内で周波数を掃引させるチャープ波を発生させて、送信用メモリ１９及びＦＩＲフィルタ２６へ供給する。このチャープ波は、コンピユータを用いて算出され、(9) 式で示される。
【００８４】
0003707473.tif 000002
但し、ｆC は中心周波数、Ｂは周波数掃引帯域幅、Ｔはパルス幅である。
【００８５】
送信用メモリ１９に記憶されたチャープ波は、同期信号発生器１８からの送信周期Ｔ0 を有する送信タイミング信号ａに同期して読出されて、Ｄ／Ａ変換器２１でアナログ信号に変換され、さらに送信用増幅器２２で増幅されて、周期Ｔ0 を有するチャープパルス信号ｂとして、ダイプレクサ２３を経由して斜角探触子５へ印加される。
【００８６】
斜角探触子５から水などの音響接触媒質を介して被検査体としての鋼管１の内部に入射された超音波６は、溶接部３内の面状欠陥４等で反射され再び斜角探触子５で受信される。斜角探触子５から出力されたエコー信号ｃは、ダイプレクサ２３を経由して受信用増幅器２４で増幅され、Ａ／Ｄ変換器２５でデジタル信号に変換され、デジタルフィルタとしてのＦＩＲフィルタ（有限インパルス応答フィルタ）２６を通り、同期加算平均化回路２７に入力される。
【００８７】
ＦＩＲフィルタ２６は、図６に示すように、１２８個の乗算器２６ａと、１２８個の加算器２６ｂと、１２８個の遅延器２６ｃとで構成されている。ＦＩＲフィルタ２６の各乗算器２６ａに印加される各係数Ｃo 〜Ｃ127 には、波形演算器２０で発生させたチャープ波形の信号が参照信データとして設定されている。また、各遅延器２６ｃは入力信号に対して送信周期Ｔo に相当する時間の遅延を行い出力する。
【００８８】
このような構成のＦＩＲフィルタ２６においては、デジタル信号に離散化されたエコー信号ｃの波形ｘ（τ）と相関演算を行うための参照波形は、ある一定のサンプリング周波数でサンプリングされ（離散化され）る。この例では各離散化データ値は、１２８個の係数Ｃo 〜Ｃ127 として、それぞれ乗算器２６ａ一方に入力される。
【００８９】
一方、入力端から送信周期Ｔ0 毎に入力される離散化受信データｘ（τ）は、各乗算器２６ａの他方に入力に直接供給され、前記参照データ（係数）Ｃo 〜Ｃ127とそれぞれ個別に乗算される。先頭の係数Ｃ127との乗算結果を除く各乗算結果はそれぞれ１２７個の遅延器２６ｃと加算器２６ｂとが交互に直列接続された該当加算器の入力の一方に供給される。
【００９０】
そして、先頭の係数Ｃ127との乗算結果のみが前記交互に直列接続された先頭の遅延器２６ｃに直接供給され、この遅延器２６ｃの後段に直列接続される加算器２６ｂの入力の他方に係数Ｃ126 との乗算結果が供給されている。そして、前記直列結合における最後の加算器２６ｂの出力が相関演算出力ｙ（τ）となる。
【００９１】
いま入力信号をｘi(j)、係数（参照データ）をＣ(k)、出力信号をｙi(j)、タップ数をｖc ，探傷信号の繰り返しをｉ、一周期の探傷信号データ点数をｎとすると、出力信号ｙi(j)は(10)式の畳み込み演算を行うことで得られる。
【００９２】
【数１】
0003707473.tif 000003
【００９３】
(10)式において参照信号を逆順にすると次の(11)式となる。
【００９４】
【数２】
0003707473.tif 000004
【００９５】
この結果、ＦＩＲフィルタ２６を用いてエコー信号（受信信号）ｃに対する相関演算を行うことができる。この相関の動作は、参照信号と受信信号をｊだけずらしながら相互相関を計算していくものである。
【００９６】
このＦＩＲフィルタ２６の具体的動作を図７示す波形図を用いて説明する。
【００９７】
図７において、時間τ1 の点は式でｊ＝０の位置に相当する。まず、τi の位置で、受信信号（エコー信号）と参照信号との相関演算を０〜Ｎc-1 のデータ分だけ行う。ここでＮc は、ＦＩＲフィルタ２６のタップ長であり、すなわち係数Ｃo 〜Ｃ127 の数である。相関の結果は、図中一番下の信号、すなわち新たなエコー信号ｄとして出力される。このτi の時点では参照信号と受信信号（エコー信号）は類似していないため、出力はほとんど零である。
【００９８】
次に、ｊを一つずつ増やし、図中τ2 ，τ3 ，…のように順次演算を行っていく。この結果、受信信号（エコー信号）中のエコーと参照信号の位相が一致した点（図中の時間軸のほぼ中央）で、最大のピークの相関信号が得られる。この結果、チャープ波のパルス幅は圧縮され、参照信号と相関のない電気的なノイズ信号は、大幅に低減される。
【００９９】
ＦＩＲフィルタ２６における相関処理によりパルス圧縮されたエコー信号ｄは次の同期加算平均化回路２７で同期加算平均処理が実施される。
【０１００】
図８は同期加算平均化回路２７の詳細構成図である。
【０１０１】
この同期加算平均化回路２７は、大きく分けて、第一のメモリ２８、加算器２９、第一のメモリ２８の書込・読出アドレス発生器３０ａ、３０ｂ、減算器３１、第二のメモリ３２、第二のメモリ３２の書込・読出アドレス発生器３３ａ、３３ｂ、減算器３４とで構成されている。
【０１０２】
なお、第一のメモリ２８は、同期信号発生器１８からの送信タイミング信号ａの送信周期Ｔ0 毎にＦＩＲフィルタ２６から受信した受信信号（エコー信号ｄ）のＮ＋１周期分以上のデータを格納できる容量を有し、この例では各周期毎の受信信号（エコー信号ｄ）はＭ個のデータを含み、各データは８ビットで構成されているとしている。
【０１０３】
また第２のメモリ３２は、各受信周期Ｔ0 におけるＭ個の各データをそれぞれ個別にＮ周期分加算したＭ個の和データを格納できる容量を有し、この例ではそれぞれ１６ビットのデータをＭ個分格納するものとする。
【０１０４】
次に各部の動作を説明する。最初、ＦＩＲフィルタ２６から受信信号（エコー信号ｄ）が全く入力されてない初期状態においては、第一のメモリ２８及び第二のメモリ３２には何も記憶されてない。１回目の周期Ｔ0 の受信信号（エコー信号ｄ）が入力されると、この受信信号は第一のメモリ２８の先頭の領域に記憶されると共に、加算器２９の入力の一方に加えられる。この１回目の周期では、第一のメモリ２８の信号読出アドレスＲＡ1 が指定する領域及び第二のメモリ３２には何も記憶されていないので、加算器２９の入力の一方に加えられた受信信号（エコー信号ｄ）は、そのまま加算器２９を通り、さらに減算器３１を素通りし、第二のメモリ３２に格納される。
【０１０５】
２回目の周期Ｔ0 の受信信号（エコー信号ｄ）が入力されると、この２回目の周期の受信信号と第二のメモリ３２に記憶されている前回の周期の受信信号（エコー信号ｄ）とが加算器２９で加算される。この加算結果は、減算器３１を素通りし、第二のメモリ３２に格納される。なおこの２回目の受信信号（エコー信号ｄ）は、第一のメモリ２８における第二の領域にも記憶される。
【０１０６】
以後平均回数Ｎ周期分の受信信号（エコー信号ｄ）が入力されるまでは、このように第２のメモリ３２に受信信号（エコー信号ｄ）が順次加算されるのと、第一のメモリ２８に該当領域に順次受信信号が格納される動作が続く。
【０１０７】
平均回数Ｎ周期以上の受信信号（エコー信号ｄ）が入力されると、新たに入力された受信信号（エコー信号ｄ）のＮ周期前の受信信号（エコー信号ｄ）が第一のメモリ２８の信号読出アドレスＲＡi が指定する領域から読み出され、減算器３１に減算信号として供給される。
【０１０８】
このため加算器２９により、第二のメモリ３２に記憶されている信号と新たに入力された受信信号（エコー信号ｄ）が加算され、その加算結果が出力されると、この加算結果より第一のメモリ２８から読出されたＮ周期前の受信信号が減算器３１によって減算されるので、減算器３１の出力信号は常にＮ周期分の受信信号を加算したものとなる。
【０１０９】
このＮ周期分の受信信号の加算結果が、第二のメモリ３２に格納されると共に、除算器３４に入力されてＮで除算されるので、除算器３４の出力は、超音波パルスの送信周期Ｔ0 毎に、Ｎ周期分の受信信号（エコー信号ｄ）の同期加算平均結果が新たなエコー信号ｅとして、次の表示部３５へ出力される。
【０１１０】
ここで受信信号（エコー信号ｄ）を記憶し、また読出すための書込アドレス発生器３０ａ、３３ａ、読出アドレス発生器３０ｂ、３３ｂに供給するタイミング信号は、同期信号発生器１８から供給される送信タイミング信号ａを用いる。
【０１１１】
このように構成された同期加算平均化回路２７を採用することにより、エコー信号をチャープパルス信号の出力周期に同期して複数周期に亘って平均化することによって、ランダムな周期性を有しない材料ノイズや電気的なノイズの信号レベルが低下し、周期性を有する欠陥エコーの信号レベルは上昇する。
【０１１２】
より具体的の説明すると、この実施形態の超音波探傷装置においては、チャープ波のパルス圧縮を用いているため広い周波数帯の超音波６の送受信を可能にする広帯域の斜角探触子５を用いている。広帯域の斜角探触子５は一般に感度が悪いが、チャープ波のパルス圧縮を用いているため送信パルス幅は短いため、表面性状に起因して反射・干渉しているノイズエコーの１パルス毎の変化をより大きくすることができる。
【０１１３】
その結果、この信号を同期加算平均することによりイズエコーを狭帯域探触子の場合よりも低減することができる。よって、エコー信号に含まれる欠陥エコーのＳ／Ｎ比を大幅に向上できる。
【０１１４】
図９は、表面性状に起因するノイズエコーの波形を拡大したものであり、図９の（ａ）〜（ｄ）は、探傷位置を１〜４と変えたときに、狭帯域探触子と広帯域探触子によるそれぞれの波形例を示している。また図９の（ｃ）は、（ａ）〜（ｄ）の４つの波形を平均化処理した波形である。このように、エコー信号ｄを平均化することにより、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の鋼管の超音波探傷方法及び鋼管の超音波探傷装置においては、鋼管の溶接部内における面状欠陥に対し超音波が垂直に入射するように斜角探触子を配設している。
【０１１６】
したがって、欠陥からのエコーを強く検出でき、かつ溶接部の余盛からのエコーを発生しづらくし、また、鋼管内を伝搬する超音波の路程が比較的長いことより、溶接金属からの組織エコーも少なく、斜角探触子から出力されるエコー信号に含まれる欠陥エコーのＳ／Ｎ比を向上できる。
【０１１７】
さらに、鋼管の肉厚対外径比（ｔ／Ｄ）が小さいと大屈折角の探触子を用いる必要があるが、その際の超音波の往復透過率の低下もデジタルフィルタで実現されるチャープパルス圧縮技術を用いて斜角探触子から出力されるエコー信号に対する信号処理を実施している。
【０１１８】
よって、電気的ノイズを増加させることなくエコー信号の信号レベルを増幅回路で回復できる。
【０１１９】
さらに、検査対象の鋼管の材料に音響異方性が認められる場合でも、音速分布を求めて必要な探傷屈折角を満たす斜角探触子を選定し探傷するために正常に探傷できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る鋼管の超音波探傷方法が適用される鋼管の超音波探傷装置の機器構成図
【図２】音響異方性材料の超音波の速度分布特性を示す図
【図３】屈折角と斜角探触子における必要な振動子幅との関係を示す図
【図４】超音波の斜め入射時の往復透過率を示す図
【図５】斜角探触子に印加されるチャープパルス信号を示す波形図
【図６】ＦＩＲフィルタの概略構成を示すブロック図
【図７】同ＦＩＲフィルタの動作を説明するための図
【図８】同期加算平均化回路の構成構成を示すブロック図
【図９】狭帯域と広帯域の探触子によるノイズエコー波形とその平均化波形の例を示す図
【図１０】斜角探触子を用いた鋼管の一般的欠陥探傷方法を示す図
【符号の説明】
１…鋼管
３…溶接部
４…面状欠陥
５…斜角探触子
６…超音波
１１…探触子選定演算装置
１２，３５…表示部
１３…上位コンピューター
１４…ＰＷＤ演算装置
１５…マニュピレータ
１６…溶接シーム検出器
１７…ホルダー
１８…同期信号発生器
１９…送信用メモリ
２０…波形演算器
２１…Ｄ／Ａ変換器
２２…送信用増幅器
２３…ダイプレクサ
２４…受信用増幅器
２５…Ａ／Ｄ変換器
２６…ＦＩＲフィルタ
２７…同期加算平均化回路
１６マニピュレーター
２８…第一のメモリ
２９…加算器
３０ａ…第一のメモリの書込アドレス発生器
３０ｂ…第一のメモリの読出アドレス発生器
３１…減算器
３２…第二のメモリ
３３ａ…第二のメモリの書込アドレス発生器
３３ｂ…第二のメモリの読出アドレス発生器
３４…除算器
【図１】
0003707473.tif 000005
【図２】
0003707473.tif 000006
【図３】
0003707473.tif 000007
【図４】
0003707473.tif 000008
【図５】
0003707473.tif 000009
【図６】
0003707473.tif 000010
【図７】
0003707473.tif 000011
【図８】
0003707473.tif 000012
【図９】
0003707473.tif 000013
【図１０】
0003707473.tif 000014