(57)【要約】【課題】残留応力を直接的かつ簡便に検出することができる残留応力の検査技術を提供する。【解決手段】残留応力の検査装置１０は、周波数ｆの超音波を励起する探触子２０に励起信号Ｓを送信する送信部１１と、被検体２１の内部を伝播した超音波のエコーを探触子２０が検出して出力したエコー信号Ｅを受信する受信部１２と、エコー信号Ｅのスペクトルのうち周波数ｆの整数倍の高次周波数ｆHの成分強度ＩH及びその整数分の一倍の低次周波数ｆLの成分強度ＩLのうち少なくとも一方を導出するスペクトル導出部１３と、導出された成分強度ＩH，ＩLの情報を記録するメモリ１４と、異なる時点又は異なる位置で導出された成分強度ＩH，ＩLの情報を比較して表示する表示部１５とを、備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数ｆの超音波を励起する探触子に励起信号を送信する送信部と、
被検体の内部を伝播した前記超音波のエコーを前記探触子が検出して出力したエコー信号を受信する受信部と、
前記エコー信号のスペクトルのうち前記周波数ｆの整数倍の高次周波数の成分強度及びその整数分の一倍の低次周波数の成分強度のうち少なくとも一方を導出するスペクトル導出部と、
導出された前記成分強度の情報を記録するメモリと、
異なる時点又は異なる位置で導出された前記成分強度の情報を比較して表示する表示部とを、備えることを特徴とする残留応力の検査装置。
【請求項２】
前記スペクトル導出部は、前記エコー信号のスペクトルのうち前記周波数ｆの成分強度をさらに導出する請求項１に記載の残留応力の検査装置。
【請求項３】
前記スペクトル導出部は、スペクトル分布の測定器、バンドパスフィルター、及びウェーブレット変換器のうちいずれかである請求項１又は請求項２に記載の残留応力の検査装置。
【請求項４】
周波数ｆの超音波を励起する探触子に励起信号を送信するステップと、
被検体の内部を伝播した前記超音波のエコーを前記探触子が検出して出力したエコー信号を受信するステップと、
前記エコー信号のスペクトルのうち前記周波数ｆの整数倍の高次周波数の成分強度及びその整数分の一倍の低次周波数の成分強度のうち少なくとも一方を導出するステップと、
導出された前記成分強度の情報を記録するステップと、
異なる時点又は異なる位置で導出された前記成分強度の情報を比較するステップとを、含むことを特徴とする残留応力の検査方法。
【請求項５】
コンピュータに、
周波数ｆの超音波を励起する探触子に励起信号を送信するステップ、
被検体の内部を伝播した前記超音波のエコーを前記探触子が検出して出力したエコー信号を受信するステップ、
前記エコー信号のスペクトルのうち前記周波数ｆの整数倍の高次周波数の成分強度及びその整数分の一倍の低次周波数の成分強度のうち少なくとも一方を導出するステップ、
導出された前記成分強度の情報を記録するステップ、
異なる時点又は異なる位置で導出された前記成分強度の情報を比較するステップを、実行させることを特徴とする残留応力の検査プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いて被検体の残留応力を検査する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力・原子力プラントにおける低合金鋼配管と容器との溶接部や、大口径厚肉配管と容器との溶接部は、焼鈍処理を実行し残留応力を低減することが義務付けられるものがある。
そして、焼鈍処理を実行したときの温度−時間カーブを立会検査で提示することが求められる場合もある。
【０００３】
しかし、この提示される温度−時間カーブは、残留応力が低減したことを直接的に証明するものではない。
一方において、Ｘ線回折法により残留応力を検出する方法が広く知られているが、大規模な装置を用いるために、現場サイトにおいて非破壊検査を実施するのに適してない。
【０００４】
そこで、溶接等により影響を受けた鋼材のグレインサイズに依存して変化する超音波伝播の非線形効果を、現場サイトで定量的に計測し、残留応力の低減を類推する方法が検討されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１５５７３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述の方法は、鋼材に超音波を伝播させて得られる非線形パラメータから、グレインサイズ等の材料物性の変化量を定性的に評価する方法であり、残留応力を直接的に評価しているわけではない課題がある。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、残留応力を直接的かつ簡便に検出することができる残留応力の検査技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る残留応力の検査装置において、周波数ｆの超音波を励起する探触子に励起信号を送信する送信部と、被検体の内部を伝播した前記超音波のエコーを前記探触子が検出して出力したエコー信号を受信する受信部と、前記エコー信号のスペクトルのうち前記周波数ｆの整数倍の高次周波数の成分強度及びその整数分の一倍の低次周波数の成分強度のうち少なくとも一方を導出するスペクトル導出部と、導出された前記成分強度の情報を記録するメモリと、異なる時点又は異なる位置で導出された前記成分強度の情報を比較して表示する表示部とを、備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、残留応力を直接的かつ簡便に検出することができる残留応力の検査技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る残留応力の検査装置を適用し、配管溶接部を評価している状態を示す概念図。
【図２】溶接部の拡大断面図。
【図３】横波超音波を被検体に照射する方法の説明図。
【図４】（Ａ）残留応力の除去前の超音波エコーのスペクトルを示すグラフ、（Ｂ）残留応力の除去後の超音波エコーのスペクトルを示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、残留応力の検査装置１０は、周波数ｆの超音波を励起する探触子２０に励起信号Ｓを送信する送信部１１と、被検体２１の内部を伝播した超音波のエコーを探触子２０が検出して出力したエコー信号Ｅを受信する受信部１２と、エコー信号Ｅのスペクトル（図４参照）のうち周波数ｆの整数倍の高次周波数ｆHの成分強度ＩH及びその整数分の一倍の低次周波数ｆLの成分強度ＩLのうち少なくとも一方を導出するスペクトル導出部１３と、導出された成分強度ＩH，ＩLの情報を記録するメモリ１４と、異なる時点又は異なる位置で導出された成分強度ＩH，ＩLの情報を比較して表示する表示部１５とを、備えている。
【００１２】
探触子２０は、超音波と電気信号とを可逆的に変換する圧電素子から構成される。
そして、送信部１１から電圧パルスである励起信号Ｓが送信されると、探触子２０に固有の周波数ｆの超音波が、被検体２１に励起される。
なお、本実施形態では、周波数スペクトルの帯域幅の狭い超音波が出力される探触子２０を適用することが望ましい。
【００１３】
被検体２１は、例えば、溶接部２２により接合された鋼管等が挙げられる。
図２に示すように、溶接部２２を有する被検体２１では、母材２３の接合面が局部的に加熱されるために、この局部の膨張が周囲の部材によって拘束され、その周辺に熱応力を生じさせ残留応力をもたらす。
【００１４】
特に、溶接施工後の冷却過程において、溶接部２２が収縮し、この溶接部２２に密着する母材２３との界面近傍に、引張りの残留応力が生じることになる。
このために、母材２３を溶接部２２により接合した場合は、その後、焼鈍処理工程を経て、このようにして生じた残留応力を除去する必要がある。
【００１５】
被検体２１の外表面に密着させた探触子２０により励起された周波数ｆの超音波は、その内部を伝播する。
そして周波数ｆの超音波が、残留応力の分布領域に到達すると、この残留応力の影響を受けて高次周波数ｆH（＝ｆ×ｎ；[ｎは２以上の自然数]）のエコー、及び低次周波数ｆL（＝ｆ／ｎ）のエコーが励起される。
なお残留応力の分布領域を通過した周波数ｆの超音波は、被検体２１の反対面に到達して反転し周波数ｆのエコーとなる。
【００１６】
これらエコーは、超音波の入射方向とは反対方向に向かって被検体２１の内部を伝播し、探触子２０に入射する。
探触子２０（図１）は、圧電効果に基づき、検出したエコーの弾性振動を、電気振動で表されるエコー信号Ｅに変換し、受信部１２に受信させる。
【００１７】
探触子２０は、図示するように超音波の励起とエコーの検出とを一体で処理する場合の他に、この超音波の励起とエコーの検出とを別体で処理する場合もある。
後者の場合は、溶接部２２の近傍のエコー感度の良い部位に、エコー検出用の探触子を設置する。
なお探触子２０からは、縦波の超音波が励起されるが、図３に示すように、くさび形状のアクリルシュー２４を介して横波の超音波を励起することもできる。
【００１８】
受信されたエコー信号Ｅは、スペクトル導出部１３に転送され、そのスペクトルのうち高次周波数ｆHの成分強度ＩH及び低次周波数ｆLの成分強度ＩLが導出される。
この導出された成分強度ＩH，ＩLの情報は、メモリ１４に記録される。
【００１９】
この導出された成分強度ＩH，ＩLのそれぞれは、高次周波数成分及び低次周波数成分の振動エネルギーもしくは最大振幅を示したものである。
なおスペクトル導出部１３は、例えば、電気信号の周波数のスペクトル分布の測定器、バンドパスフィルター、及びウェーブレット変換器等によって構成される。
【００２０】
図４（Ａ）に示すように、焼鈍処理前の超音波エコーのスペクトルは、存在する残留応力により励起された高次周波数ｆH（＝ｆ×ｎ；[ｎ＝２]）のエコーの成分強度ＩH、及び低次周波数ｆL（＝ｆ／ｎ；[ｎ＝２]）のエコーの成分強度ＩLが顕著に観測されている。
一方において図４（Ｂ）に示すように、焼鈍処理後の超音波エコーのスペクトルでは、高次周波数ｆHのエコーの成分強度ＩH、及び低次周波数ｆLのエコーの成分強度ＩLは、あまり観測されず、残留応力が低減したといえる。
なおｎ≧３の高次周波数ｆH及び低次周波数ｆLのスペクトルは記載を省略している。
【００２１】
高次周波数ｆH及び低次周波数ｆLのエコーの感度は、引張りの残留応力、特に塑性引張歪の存在に対して敏感であり、これらを高精度で検出する。
このために、探触子２０の設置スペースが狭い溶接部の近傍であっても、残留応力を高感度に計測することができる。
なおスペクトル導出部１３は、エコー信号Ｅのスペクトルのうち、周波数ｆの成分強度をさらに導出して、残留応力の低減効果の検討に寄与させることができる。
【００２２】
表示部１５は、探触子２０が接触している被検体２１の表面からその時点で検出されるエコー信号Ｅのスペクトルの成分強度ＩH，ＩLの情報をリアルタイムで表示する。
さらに表示部１５は、過去の時点で検出され、メモリ１４に記録されているスペクトルの成分強度ＩH，ＩLの情報を対比可能に表示する。
【００２３】
これにより、焼鈍処理による残留応力の低減効果は、処理前と処理後の各々において被検体２１の表面の同じ位置に探触子２０を当てた観測結果（高次周波数ｆHの成分強度ＩH又は低次周波数ｆLの成分強度ＩL）を対比することにより定量的に評価することができる。
もしくは、処理後の被検体２１において、残留応力の存在が確実に否定される位置と、その存在が疑われる位置とを結ぶ直線に沿って探触子２０を走査し、異なる位置の観測結果を比較して、残留応力の低減効果を評価することがきる。
さらに、探触子２０を走査させることにより、被検体２１における残留応力の分布を評価することもできる。
【００２４】
以上述べた残留応力の検査装置の実施形態によれば、被検体２１の内部で励起された超音波エコーの高次周波数ｆH又は低次周波数ｆLのスペクトル強度に基づいて、残留応力の評価を簡単な構成で高精度に実施することが可能となる。
【００２５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
また、残留応力の検査装置の構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能であり、残留応力の検査プログラムにより動作させることが可能である。
【符号の説明】
【００２６】
１０…残留応力の検査装置、１１…励起信号送信部（送信部）、１２…エコー信号受信部（受信部）、１３…スペクトル導出部、１４…メモリ、１５…表示部、２０…探触子、２１…被検体、２２…溶接部、２３…母材、２４…アクリルシュー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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