(57)【要約】【課題】管状構造物の欠陥検査において、局所減肉の見逃し防止のためのスクリーニングを可能とする。【解決手段】検査対象となる管状構造物１の外表面の円周方向に互いに超音波出射方向が向き合うように内向きに２つの斜角探触子２，３を隣接させて配置し、波列が短く速度分散性が弱くなるガイド波を管状構造物内で生成するための入射角でかつ横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波をいずれか一方の探触子から送信させると共に他方の探触子で周方向に伝播する透過波を受信させ、２つの探触子の入射点の間のガイド波に変換される前の体積波の透過波と、２つの探触子の入射点の外の領域で多重反射させられた体積波が複数のモードを含むガイド波に変換されて周方向に１周回以上伝播されたガイド波の透過波との２経路の透過波を他方の探触子で受信させ、透過法による２経路の透過波から管状構造物の周方向全周の欠陥を検出するようにしている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象となる管状構造物の外表面の円周方向に互いに超音波出射方向が向き合うように内向きに２つの斜角探触子を隣接させて配置し、波列が短く速度分散性が弱くなるガイド波を前記管状構造物内で生成するための入射角でかつ横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波をいずれか一方の探触子から送信させると共に他方の探触子で周方向に伝播する透過波を受信させ、前記２つの探触子の入射点の間のガイド波に変換される前の体積波の透過波と、前記２つの探触子の入射点の外の領域で多重反射させられた体積波が複数のモードを含むガイド波に変換されて周方向に１周回以上伝播されたガイド波の透過波との２経路の透過波を前記他方の探触子で受信させ、透過法による２経路の透過波から管状構造物の周方向全周の欠陥を検出することを特徴とする管状構造物の欠陥検査方法。
【請求項２】
さらに、前記２つの探触子のいずれか一方の探触子から、波列が短く速度分散性が弱くなるガイド波を前記管状構造物内で生成するための入射角でかつ横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波を送信させ、多重反射によりガイド波に変えて周方向に伝播させ、同探触子で欠陥からの反射ガイド波を検出し、伝播時間から周方向の前記欠陥の位置を求めることを特徴とする請求項１記載の管状構造物の欠陥検査方法。
【請求項３】
さらに、前記２つの探触子のいずれか一方の探触子から、波列が短く速度分散性が弱くなるガイド波を前記管状構造物内で生成するための入射角でかつ横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波を送信させ、多重反射によりガイド波に変えて周方向に伝播させ、同探触子で欠陥からの反射ガイド波を検出する一方、他方の探触子から逆方向に波列が短く速度分散性が弱くなるガイド波を前記管状構造物内で生成するための入射角でかつ横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波を送信させ、多重反射によりガイド波に変えて周方向に伝播させ、同探触子で欠陥からの反射ガイド波を検出し、互いに逆方向に伝播する反射ガイド波の伝播時間から周方向の前記欠陥の位置を求めることを特徴とする請求項１記載の管状構造物の欠陥検査方法。
【請求項４】
前記２つの探触子を前記検査対象物の管軸方向に走査させながら周方向における前記体積波の送信と前記体積波の多重反射した波動の透過波並びに前記ガイド波の透過波との受信を連続的に行うことにより管状構造物全体の検査を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の管状構造物の腐食測定方法。
【請求項５】
前記２つの探触子の第１の探触子から第２の探触子への経路のエコー強度若しくはそれとウエッジ内エコー強度との比を求め、このエコー強度若しくは強度比で検出値をゲイン調整することにより補正することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の管状構造物の腐食測定方法。
【請求項６】
検査対象となる管状構造物の外表面に互いに向き合うように円周方向に内向きに隣接させて配置される２つの斜角探触子と、超音波探傷器とから成り、前記超音波探傷器はいずれか一方の探触子から波列が短く速度分散性が少なくなるガイド波を前記管状構造物内で生成するための入射角で横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波を送信させる一方、他方の探触子で前記２つの探触子の入射点の間のガイド波に変換される前の体積波の透過波と、前記２つの探触子の入射点の外の領域で多重反射させられた体積波が複数のモードを含むガイド波に変換されて周方向に１周回以上伝播されたガイド波の透過波との２経路の透過波を受信させる制御部と、前記体積波の送信と同期させた時間経過軸上に受信した透過体積波並びに透過ガイド波の受信パルスを画像表示する表示部とを備えることを特徴とする管状構造物の欠陥検査装置。  
【請求項７】
前記制御部は、前記２つの探触子のいずれか一方の探触子から、前記管状構造物内でガイド波を生成するための波列が短く速度分散性が少なくなるような入射角で横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波を送信させ、同探触子で欠陥からの反射ガイド波を受信して、反射ガイド波の伝播時間から周方向の前記欠陥の位置を求める一探触子法を実行するものであることを特徴とする請求項６記載の管状構造物の欠陥検査装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記２つの探触子の少なくともいずれか一方の探触子から、波列が短く速度分散性が少なくなるガイド波を前記管状構造物内で生成するための入射角で横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波を送信すると共に同探触子で欠陥からの反射ガイド波を受信させる一方、他方の探触子から逆方向に波列が短く速度分散性が少なくなるガイド波を前記管状構造物内で生成するための入射角で横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波を送信すると共に同探触子で欠陥からの反射ガイド波を受信させ、互いに逆方向に伝播する反射ガイド波の伝播時間から周方向の前記欠陥の位置を求める一探触子法を右回りと左回りの双方に実行するものであることを特徴とする請求項６記載の管状構造物の欠陥検査装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記２つの探触子の第１の探触子から第２の探触子への経路のエコー強度若しくはそれとウエッジ内エコー強度との比を求め、このエコー強度若しくは強度比で検出値をゲイン調整する機能を有することを特徴とする請求項６から８のいずれか１つに記載の管状構造物の欠陥検査装置。
【請求項１０】
前記２つの斜角探触子を検査対象となる前記管状構造物の外表面に互いに向き合うように円周方向に内向きに隣接させた状態を保持して、周方向における超音波の送受信を行いながら前記探触子を前記管状構造物の軸方向に機械走査させる走査機構を備えることを特徴とする請求項６から９のいずれか１つに記載の管状構造物の欠陥検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波探傷法に関する。さらに詳述すると、本発明は、管状構造物の腐食や傷、割れ等の欠陥を超音波探傷で検査する欠陥検査方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管などの管状構造物、例えば架空送電設備の鋼管鉄塔において腐食の有無を検査することが必要とされる場合がある。架空送電設備の一部である鋼管鉄塔では腐食による劣化現象が顕在化しており、鋼管鉄塔では腹材や水平材の鋼管内面に不めっきによる局所的な腐食が確認されている。そこで、現状では、鋼管鉄塔の内面の腐食に対しては、外面からの点検では打撃点検、カメラ点検および超音波厚さ測定が実施されている（非特許文献１）。
【０００３】
また、管状構造物の腐食等の非破壊検査手法としては、超音波を利用したものもある。例えば、超音波探傷にガイド波を用いることにより広い範囲における非破壊検査を行うことが提案されている（特許文献１，２）。例えば、特許文献１記載の発明の場合、検査対象物に対してバースト波形のガイド波を入射し、ガイド波を受信して透過法により検査を行うものである。また、特許文献２記載の発明では、欠陥を検査しようとする円筒部材の周方向に伝播するガイド波のうち波長の最も短いガイド波の波長未満の間隔で複数の超音波探触子を円筒部材の周方向の一部に配列して成る第１超音波探触子列及び第２超音波探触子列との２つの超音波探触子列を、円筒部材の軸方向に間隔をあけて配置し、第１超音波探触子列と第２超音波探触子列からガイド波が送信される時刻が円筒部材の軸方向における第１超音波探触子列と第２超音波探触子列の距離をガイド波が伝播するために要する時間だけずれるように制御することにより、周方向ガイド波の振幅を軸方向ガイド波の振幅の約１０００分の１に達するまで低減することを可能とし、受信信号の中に含まれる周方向ガイド波に起因するノイズを低減してより小さな欠陥を認識することができるようにしている。この２つの超音波探触子列の円筒部材の外表面に設置する箇所を円筒部材の周方向に沿って順次変更することによって、円筒部材の全周における欠陥位置を確認するようにするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３０１５４０号公報
【特許文献２】特開２００９−１０９３９０号公報
【０００５】
【非特許文献１】架空送電設備の鋼管腐食・摩耗現象、電気学会技術報告、電気学会、第1163 号、（2009 年7 月）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、打撃点検は腐食による減肉が相当進行した状況で検知できるようになるものであり、しかも周囲の環境及び点検員の個人差の影響を受けるため、客観的な基準を設けることが困難である。また、カメラ点検では腐食の有無は判るものの、その進行具合は不明である。一方、超音波厚さ測定法は現場環境で実施できる最も高精度な厚さ測定法ではあるが、超音波厚み計は、検査範囲が狭いため、長尺の配管に対する検査には膨大な手間がかかり長い時間を要するし、現状での一般的な測定では、相当数の箇所を測定したとしても局所的な腐食を見逃す可能性がある。しかも、鋼管鉄塔のような管状構造物の場合、厚み測定計によるスポット的な厚み測定や打音検査を周方向に行おうとしても、周辺の管状構造物やその他の支持構造物が邪魔して作業が妨げられることがある。つまり、これらの検査方法においては、局所的な腐食の見逃しの虞があり、作業効率が低いといった問題がある。
【０００７】
また、特許文献１及び２の非破壊検査手法の場合、０．６ＭＨｚ〜０．７５ＭＨｚあるいは０．０４ＭＨｚの比較的低周波の超音波から長距離伝播特性に優れるガイド波を励起させるようにしているため、ガイド波の波長が長いため、液滴エロージョン等に起因する局所減肉を検出することが困難である。即ち、管状構造物の広範囲をスクリーニングすることにより局所的な腐食の見逃しリスクを低減させることが困難である。
【０００８】
さらに、特許文献１及び２の非破壊検査手法の場合、管構造物の軸方向にガイド波を伝播させるため、管状構造物の一端が完全に露出し送信部が周方向に走査可能な状況にない場合、例えば周辺に他の支持構造物が存在したり、保温材などが巻かれていたり部分的に埋設されたりしている場合には、これらが邪魔して検査作業が妨げられることがある。
【０００９】
本発明は、局所減肉の見逃し防止のためのスクリーニングに有効な管状構造物の欠陥検査方法を提供することを目的とする。具体的には、本発明は、ガイド波を周方向に伝播させながら探触子を被検査管状構造物の軸方向に機械走査させることにより管状構造物全体の検査を行うことを可能とする管状構造物の欠陥検査方法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】
【００１０】
かかる目的を達成するために請求項１記載の管状構造物の欠陥検査方法は、検査対象となる管状構造物の外表面の円周方向に互いに超音波出射方向が向き合うように内向きに２つの斜角探触子を隣接させて配置し、波列が短く速度分散性が弱くなるガイド波を管状構造物内で生成するための入射角でかつ横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波をいずれか一方の探触子から送信させると共に他方の探触子で周方向に伝播する透過波を受信させ、２つの探触子の入射点の間のガイド波に変換される前の体積波の透過波と、２つの探触子の入射点の外の領域で多重反射させられた体積波が複数のモードを含むガイド波に変換されて周方向に１周回以上伝播されたガイド波の透過波との２経路の透過波を他方の探触子で受信させ、透過法による２経路の透過波から管状構造物の周方向全周の欠陥を検出するようにしている。
【００１１】
また、本発明の管状構造物の欠陥検査方法は、さらに、２つの探触子のいずれか一方の探触子から、波列が短く速度分散性が弱くなるガイド波を管状構造物内で生成するための入射角でかつ横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波を送信させ、多重反射によりガイド波に変えて周方向に伝播させ、同探触子で欠陥からの反射ガイド波を検出し、伝播時間から周方向の欠陥の位置を求めるようにしている。
【００１２】
また、本発明の管状構造物の欠陥検査方法は、さらに、２つの探触子のいずれか一方の探触子から、波列が短く速度分散性が弱くなるガイド波を管状構造物内で生成するための入射角でかつ横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波を送信させ、多重反射によりガイド波に変えて周方向に伝播させ、同探触子で欠陥からの反射ガイド波を検出する一方、他方の探触子から逆方向に波列が短く速度分散性が弱くなるガイド波を管状構造物内で生成するための入射角でかつ横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波を送信させ、多重反射によりガイド波に変えて周方向に伝播させ、同探触子で欠陥からの反射ガイド波を検出し、互いに逆方向に伝播する反射ガイド波の伝播時間から周方向の前記欠陥の位置を求めるようにしている。
【００１３】
また、請求項４記載の発明は、２つの探触子を検査対象物の管軸方向に走査させながら周方向における体積波の送信と体積波の多重反射した波動の透過波並びにガイド波の透過波との受信を連続的に行うことにより管状構造物全体の検査を行うようにしている。
【００１４】
また、請求項５記載の発明は、２つの探触子の一方の探触子から他方の探触子への経路のエコー強度若しくはそれとウエッジ内エコー強度との比を求め、このエコー強度若しくは強度比で検出値をゲイン調整することにより一定レベルを維持するように補正するようにしている。
【００１５】
また、本発明の管状構造物の欠陥検査装置は、検査対象となる管状構造物の外表面に互いに向き合うように円周方向に内向きに隣接させて配置される２つの斜角探触子と、超音波探傷器とから成り、超音波探傷器はいずれか一方の探触子から波列が短く速度分散性が少なくなるガイド波を管状構造物内で生成するための入射角で横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波を送信させる一方、他方の探触子で２つの探触子の入射点の間のガイド波に変換される前の体積波の透過波と、２つの探触子の入射点の外の領域で多重反射させられた体積波が複数のモードを含むガイド波に変換されて周方向に１周回以上伝播されたガイド波の透過波との２経路の透過波を受信させる制御部と、体積波の送信と同期させた時間経過軸上に受信した透過体積波並びに透過ガイド波の受信パルスを画像表示する表示部とを備えるようにしている。
【００１６】
また、本発明にかかる管状構造物の欠陥検査装置は、制御部が、２つの探触子の少なくともいずれか一方の探触子から、波列が短く速度分散性が少なくなるガイド波を管状構造物内で生成するための入射角で横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波を送信させ、同探触子で欠陥からの反射ガイド波を受信して、反射ガイド波の伝播時間から周方向の前記欠陥の位置を求める一探触子法をさらに実行するものであることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明にかかる管状構造物の欠陥検査装置は、制御部が、２つの探触子のいずれか一方の探触子から、波列が短く速度分散性が少なくなるガイド波を管状構造物内で生成するための入射角で横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波を送信すると共に同探触子で欠陥からの反射ガイド波を受信させる一方、他方の探触子から逆方向に波列が短く速度分散性が少なくなるガイド波を管状構造物内で生成するための入射角で横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波を送信すると共に同探触子で欠陥からの反射ガイド波を受信させ、互いに逆方向に伝播する反射ガイド波の伝播時間から周方向の欠陥の位置を求める一探触子法をさらに実行するものであることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明にかかる管状構造物の欠陥検査装置は、制御部が、２つの探触子の一方の探触子から他方の探触子への経路のエコー強度若しくはそれとウエッジ内エコー強度との比を求め、このエコー強度若しくは強度比で検出値をゲイン調整する補正機能を有するようにしている。
【００１９】
さらに、本発明にかかる管状構造物の欠陥検査装置は、２つの斜角探触子を検査対象となる管状構造物の外表面に互いに向き合うように円周方向に内向きに隣接させた状態を保持して、周方向における超音波の送受信を行いながら探触子を管状構造物の軸方向に機械走査させる走査機構を備えるようにしている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明にかかる管状構造物の欠陥検査方法及び装置によれば、管状構造物の外表面に互いに内向きに配置された２つの斜角探触子のうちのいずれか一方を送信子、他方を受信子とする二探触子法により、２つの斜角探触子の入射点の間では通常の超音波探傷と同様にピッチ・キャッチ（pitch-catch technique）による欠陥の検出ができ、２つの斜角探触子の入射点の外の領域では多重反射によりモード変換して生成された高周波ガイド波の透過性を利用して欠陥が検出される。即ち、一方の探触子から他方の探触子の間の最短経路ではガイド波に成りきれていない体積波の多重反射した波動の透過性を利用し、一方の探触子から他方の探触子を通過して周方向に１周回以上伝播されてから再び他方の探触子に至る周回経路ではガイド波の透過性を利用して、２経路の透過波から管状構造物の周方向全周の欠陥を透過法により検出することができる。
【００２１】
しかも、管状構造物の周方向に入射させた体積波の多重反射を繰り返させることにより高周波ガイド波を生成して周方向に伝播させるため、透過法を利用して欠陥を検出することができると共に、被検査物の肉厚よりも長い波長の超音波を用いる低周波ガイド波に比べて検出性能が高く、局所減肉を検出することができる。依って、高周波ガイド波により広範囲をスクリーニングすることにより局所的な腐食の見逃しリスクを低減することにより、外面から効率的に内面の腐食状況を把握できる。
【００２２】
また、一探触法によるパルス反射法の併用により、欠陥からの反射ガイド波の伝播時間から欠陥の周方向位置を求めることができる。特に、管状構造物の外表面に互いに内向きに配置された２つの斜角探触子からそれぞれ互いに逆方向に高周波ガイド波を伝播させる場合には、欠陥に近い側の探触子で受信する反射ガイド波は管状構造物のおおよそ半周以内の距離となることから、反射ガイド波の減衰を抑えて感度低下を少なくできるので、周方向の欠陥の位置をより求め易くなる。
【００２３】
また、２つの探触子を検査対象物の管軸方向に走査させるだけで、管状構造物全体の検査を簡単に行うことができる。このことは、管状構造物の局所減肉の見逃し防止のためのスクリーニングに有効である。
【００２４】
また、２つの探触子の一方の探触子から他方の探触子への経路のエコー強度若しくはそれとウエッジ内エコー強度との比を求め、このエコー強度若しくは強度比で検出値をゲイン調整することにより補正する場合には、高周波ガイド波のエコーレベルを維持することができるので、管状構造物の表面が粗かったり、ペンキ層の塗布状況が悪く凹凸が生じたり、ペンキ層が厚いことによる高周波ガイド波の減衰が大きい場合にも、高周波ガイド波の検出感度の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の管状構造物の欠陥検査方法を適用する際の探触子配置を示す概略図である。
【図２】本発明の欠陥検査方法を利用して管状構造物のスクリーニングの際の走査方向を示す概略図である。
【図３】内面腐食による局所的な減肉を模擬した欠陥（模擬減肉）を有する（ａ）平板および（ｂ）鋼管試験体、（ｃ）不めっき領域を有する鋼管試験体のそれぞれの概要を示す説明図である。
【図４】鋼管試験体の内面の断面の一例を示すSEM像である。
【図５】平板試験体における（ａ）一接触子法と、（ｂ）二接触子法との、接触子配置と走査方向の関係を示す概略図である。
【図６】異なる探触子（１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、５ＭＨｚ）によるセクター画像である。
【図７】異なる探触子（１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、５ＭＨｚ）によるＡスコープ波形である。
【図８】異なる屈折角（20°、30°、40°、50°、60°、70°）におけるサイドビュー画像である。
【図９】二探触子法におけるセクター画像である。
【図１０】二探触子法におけるサイドビュー画像である。
【図１１】（ａ）２媒体間のケース及び（ｂ）３媒体間のケースにおける入射角と屈折角との説明図である。
【図１２】鋼管試験体における高周波ガイド波法を適用する際の探触子配置と走査方向を示す概略図である。
【図１３】異なる模擬減肉の位置及びウェッジによる測定結果の比較を示すもので、（ａ）はポリスチレン製ウェッジ、（ｂ）は適合型ウェッジの結果を示す。
【図１４】測定結果の正規化及び閾値処理を示すグラフであり、（ａ）は正規化、（ｂ）は閾値処理の結果を示す。
【図１５】模擬不メッキを有する鋼管試験体のサイドビュー画像である。
【図１６】高周波ガイド波法による廃却材の測定結果を示すもので、（ａ）はサイドビュー画像、（ｂ）は閾値処理結果を示すグラフである。
【図１７】廃却材外面において一振動子探触子を二次元走査することにより得られた腐食部の（ａ）投影像と、（ｂ）断面像である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
図１に本発明の管状構造物の欠陥検査方法の実施の一形態を原理図で示す。
【００２８】
検査対象構造物の肉厚全体を振動させ伝播するガイド波は、長距離伝播特性を有する振動モードであり、境界面を長手方向（管状構造物に適用する場合には軸方向）に伝播する超音波モードとして非破壊評価技術分野では広く知られている。そして、このガイド波を励起させるためには、超音波の波長は構造物の厚さ以上にすることが必要と考えられていた。構造物の厚さよりも短い波長の超音波では構造物内にガイド波を励起させられないと考えられていた。このため、厚肉の構造物にガイド波を適用する場合には、低周波超音波を用いなければならない。例えば厚み１４ｍｍ程度であれば、０．３ＭＨｚ〜０．７５ＭＨｚ程度の低周波の使用が一般的である（特許文献１参照）。しかし、構造物の厚さ以上の波長の超音波により生成されるガイド波（本明細書では説明の便宜上、これを低周波ガイド波と呼ぶ）では、波長が長いため、液滴衝撃エロージョン等に起因する局所減肉を検出することが困難である。
【００２９】
これに対し、横波の波長が検査対象である構造物の板厚未満となる周波数の超音波（体積波）を検査対象構造物内で多重反射させることによりガイド波（本明細書では説明の便宜上、これを高周波ガイド波と呼ぶ）を生成する、本発明者等が開発した手法によれば、上述の低周波ガイド波に比べて有効測定範囲が短いものの、検出性能が高い。また、管状構造物の周方向に高周波ガイド波を伝播させれば、長手方向となる軸方向に比べて短距離である上に、透過法を利用して欠陥を検出することができる。そこで、本発明の管状構造物の欠陥検査方法並びに装置においては、横波音速に対する波長が管状構造物の肉厚未満、好ましくは半分以下程度となる周波数の超音波（体積波）を用い、縦波および横波を多重反射させることで発生した、複数のモード（ＡモードやＳモード）が混在する高周波ガイド波を波列が短く速度分散が軽微な条件で利用するようにしている。
【００３０】
即ち、この管状構造物の欠陥検査方法は、図１に示すように、検査対象となる管状構造物１の外表面の円周方向に互いに超音波出射方向が向き合うように、内向きに２つの斜角探触子２，３を隣接させて配置し、管状構造物１内でガイド波を生成するための入射角と周波数の体積波をいずれか一方の探触子から送信させると共に、他方の探触子で周方向に伝播する透過波を受信させ、２つの探触子の入射点の間のガイド波に変換される前の体積波の透過波と、２つの探触子の入射点の外の領域で多重反射させられた体積波が複数のモードを含むガイド波に変換されて周方向に１周回以上伝播されたガイド波の透過波との２経路の透過波を他方の探触子で受信させ、透過法による２経路の透過波から管状構造物の周方向全周の欠陥を検出するようにしている。
【００３１】
検査に際しては、管状構造物１の板厚に応じて横波の波長が少なくとも板厚未満、好ましくは板厚半分程度またはそれ以下になるように周波数を決める。また、管の曲率に応じて、波列が短く速度分散性が少ないガイド波が発生するような屈折角となるように入射角を設定する。ここで、被検査構造物内で体積波（通常の超音波）が多重反射を起こし、生成されるガイド波の波列が短く（時間分解能が高く）速度分散性が少なくなるような横波屈折角は、具体的には、例えば鋼管の外径および肉厚が約１０１．６mmおよび３．０mmの送電鉄塔の腹材に適用する場合、５０〜７０°程度の範囲であり、最適には６０°である。これは単に幾何学的なものではなく、ガイド波の特性から求められるものである。
【００３２】
そして、検査対象となる管状構造物１の外表面に互いに向き合うように円周方向に内向きに隣接させて配置される２つの斜角探触子２，３のいずれか一方の探触子から、管状構造物の周方向に超音波を送信する。
【００３３】
管状構造物の外表面に互いに内向きに配置された２つの斜角探触子のうちのいずれか一方を送信子、他方を受信子とする二探触子法によれば、２つの斜角探触子の入射点の間では通常の超音波探傷と同様に、ピッチ・キャッチ（pitch-catch technique）による欠陥が検出ができ、２つの斜角探触子の入射点の外の領域では多重反射によりモード変換して生成された高周波ガイド波の透過性を利用して欠陥が検出されることとなる。即ち、一方の探触子から他方の探触子の間の最短経路では高周波ガイド波に成りきれていない体積波の多重反射した波動の透過性を利用し、一方の探触子から他方の探触子を通過して周方向に１周回以上伝播されてから再び他方の探触子に至る周回経路では高周波ガイド波の透過性を利用して、２経路の透過波から管状構造物の周方向全周の欠陥を検出する透過法により周方向の欠陥の検出を可能とする。
【００３４】
一方、この二探触子法による透過法では、受信する高周波ガイド波の透過波が極端に弱くなることによって欠陥ありと判断できるが、周方向の位置の依存性がないので、周方向の欠陥の位置を測定することができない。そこで、２つの探触子のいずれか一方の探触子あるいは双方の探触子を用いて、１探触子法によるパルス反射法を実施して周方向の欠陥の位置を伝播時間から求めることが好ましい。２つの探触子のいずれか一方の探触子から、横波音速に対する波長が管状構造物の肉厚以下、好ましくは半分以下程度となる周波数の超音波（体積波）を所定の横波屈折角となるように送信し、縦波および横波を多重反射させることで発生した、複数のモードが混在する高周波ガイド波を波列が短く速度分散が軽微な条件で周方向に伝播させ、同じ探触子で欠陥からの反射ガイド波を受信して、反射ガイド波の伝播時間から周方向の欠陥の位置を求める。
【００３５】
このとき、１探触子法によるパルス反射法で欠陥を検出には、１つの斜角探触子から一方向に超音波を入射して得られる反射エコーだけから欠陥の有無とその位置を求めるようにしても良いが、一方の斜角探触子に管の半周分を、他方の斜角探触子に管の反対側の半周分をそれぞれ担当させることが感度を良好にする上で好ましい。例えば、超音波探傷器４の送信器と受信器への各探触子の接続ハードウェアを電子的に切り替えることにより、２つの探触子のうちの一方の探触子を用いてパルス反射法により欠陥を検出する一探触子法を右回り、左回りに実施して、欠陥の位置を補足的に検出する。この場合、欠陥に近い側の探触子で受信する反射ガイド波は管状構造物のおおよそ半周以内の距離となることから、減衰による感度低下が少なくなる。
【００３６】
ここで、高周波ガイド波の感度は、探触子が接触する被検査物の表面、即ち管状構造物の外表面の状況に影響を受け易い。そこで、２つの探触子の第１の探触子から第２の探触子への経路のエコー強度若しくはそれとウエッジ内エコー強度との比を求め、このエコー強度若しくは強度比で検出値を一定レベルに維持するようにゲイン調整することにより補正することが好ましい。例えば、ピッチ・キャッチ（pitch-catch technique）の信号レベルを使って高周波ガイド波の信号レベルを持ち上げるように調整することで、高周波ガイド波のＳ／Ｎ比を改善する。即ち、健全部で得られるピッチ・キャッチの信号レベルに対して高周波ガイド波の信号レベルが何％程度落ちたのかを評価し、その低下分だけ高周波ガイド波の信号レベルを補正する。
【００３７】
以上のようにして二探触子法あるいはこの二探触子法と一探触子法との併用による周方向の欠陥検査を、検査対象物の管軸方向に２つの探触子を走査させながら連続的に行うことにより、管状構造物全体のスクリーニング検査を簡単に行うことができる。
【００３８】
本発明にかかる管状構造物の欠陥検査方法は、例えば、図１に示すような、検査対象となる管状構造物１の外表面に互いに向き合うように円周方向に内向きに隣接させて配置される２つの斜角探触子２，３と、超音波探傷器４とで実施される。
【００３９】
超音波探傷器４は、フェーズドアレイから成る２つの斜角探触子２，３のいずれか一方の探触子から波列が短く速度分散性が少ない高周波ガイド波を管状構造物１内で生成する入射角でかつ横波の波長が板厚未満となる周波数の体積波を送信させると共に、他方の探触子で２つの探触子の入射点の間のガイド波に変換される前の体積波の透過波と、２つの探触子の入射点の外の領域で体積波が多重反射により複数のモードを含む高周波ガイド波に変換されて周方向に１周回以上伝播された透過波との２経路の透過波を受信させる制御部５と、体積波の送信と同期させた時間経過軸上に受信した透過体積波並びに透過ガイド波の受信パルスを画像表示する表示部９とを少なくとも備える。
【００４０】
そして、制御部５は、パルサー（送信器）とレシーバー（受信器）とを含み、同期部６を介して時間軸部７と同期され、体積波の送信と同期させた時間経過軸上に受信した透過体積波並びに透過ガイド波の受信パルスを表示部９で画像表示すると共にメモリ部８に受信データを格納するようにしている。二探触子法あるいはこの二探触子法と一探触子法との併用による周方向の欠陥検査は、所定の信号処理の後、例えばサイドビュー画像などで、ビーム路程軸上に欠陥が画像表示され、一探触子法で得られる欠陥の周方向位置がビーム路程から求められる。
【００４１】
また、超音波探傷器４は、２つの斜角探触子２，３の検査対象となる管状構造物１の外表面での配置関係を変更せずに、超音波探傷器４の制御部５による電子的切り替えで、透過法で管状構造物１内の欠陥１０を検出しようとする２探触子法と、パルス反射法で管状構造物１内の欠陥の位置を検出しようとする１探触子法とを実施可能とされる。二探触子法と一探触子法とは、いずれを先に実施しても良いが、本実施形態の場合には、２探触子法による体積波と高周波ガイド波との透過波を利用した周方向の欠陥検出を行った後に、ハードウェアを電子的に切り替えて１探触子法を補足的に行なうようにしている。
【００４２】
ここで、二探触子法・透過法による欠陥の検出は、表示部９に受信する高周波ガイド波の透過波が極端に弱くなるという画像表示によって表されるが、２つの探触子のうちの一方を用いた一探触子法・パルス反射法による欠陥の検出は、サイドビュー画像などでビーム路程軸上に欠陥を示す画像が表示されることで現れされる。つまり、一探触子法によると、反射エコーの伝播時間から周方向の欠陥の位置が画像表示されるが、演算などにより欠陥位置を求めて出力するようにしても良い。
【００４３】
尚、斜角探触子２，３としては、本実施形態ではフェーズドアレイが使用されて、波列の短い高周波ガイド波を発生できる屈折角の範囲で超音波を検査対象となる構造物に入射できるように設定されている。しかし、後述の実験では、管状構造物の周方向に超音波を送信したときに体積波に多重反射を起こさせるに適した屈折角度となるように入射角度をフェーズアレイで選んだ後に、その角度の固定角のプローブを使っている。即ち、斜角探触子はフェーズドアレイでも、固定角探触子でも良い。
【００４４】
また、２つの斜角探触子２，３の配置は、２つの探触子の入射点の間で体積波の多重反射した波動の透過性によりその間の欠陥を検出できる間隔内であれば離して設置可能であるが、好ましくは接近限界まで間隔を狭めて隣接させることである。そして、振動子径は実施可能な範囲で可能な限り大きいほうが良く、ビームは収束させないことが好ましい。
【００４５】
また、制御部５は、２つの探触子２，３の一方の探触子から他方の探触子への経路のエコー強度若しくはそれとウエッジ内エコー強度との比を求め、このエコー強度若しくは強度比で検出値をゲイン調整する補正部を有することが好ましい。
【００４６】
さらに、２つの斜角探触子２，３は、検査対象となる管状構造物１の外表面に互いに向き合うように円周方向に内向きに隣接させた状態を保持して、手動により管軸方向に走査させるようにしても良いが、機械走査させる走査機構（図示省略）を備えることが好ましい。さらにこの走査機構にはエンコーダ１１が搭載され、軸方向移動距離と周方向の検出結果が関連づけられて記憶装置に記憶されることが好ましい。
【００４７】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【実施例１】
【００４８】
以下、内面に局所的な腐食部を有する実際の送電鉄塔の腹材（外径101.6mm，厚さ3.0mm）を用い、鋼管鉄塔における内面の局所的な腐食に対する外面からの点検技術の高精度および高効率化を目的に、本発明の腐食測定方法のスクリーニングへの適用の有効性について検討した結果について説明する。尚、試験では、２つの斜角探触子の配置を本発明とは逆に、検査対象管状構造物の外表面の円周方向に互いに超音波出射方向が逆向きとなるように外向きに隣接させて配置し、管状構造物内で高周波ガイド波が生成されること、並びに欠陥を検出できることについてのみ確認した。
【００４９】
［試験体および機材］
［試験体］
高周波ガイド波法について検討するため、内面腐食による局所的な減肉を模擬した欠陥（模擬減肉）を有する平板および鋼管試験体、不めっき領域を有する鋼管試験体を製作した。試験体の寸法は腹材を参考にして決定しており、試験体寸法、欠陥付与位置、欠陥および不めっきの概要を図３に示す。平板および鋼管試験体の母材はそれぞれSPCCおよびSTK400である。模擬減肉は放電加工により付与し、その後に溶融亜鉛めっきを施工した。平板試験体では単に防食を目的としめっき厚の設計値を0.01mmに、鋼管試験体では実機を想定して0.1mmとした。鋼管試験体の端部を切断調査した結果、めっき厚は内面で概ね0.085mm〜0.11mmおよび外面で0.095mm〜0.11mmであった。内面の断面SEM像の一例を図４に示す。
【００５０】
人工的に不めっきとなる領域を設けた鋼管試験体において、同領域の付与方法は以下の通りである。まず、不めっきの処理を実施する範囲に一般的なさび止め塗料を塗布し、亜鉛めっき施工後に残存するさび止め塗料をスクレーパーおよびワイヤブラシにより除去した。
【００５１】
上記の試験体を用いて検討した結果を検証するため、廃却材で内面腐食を有する部分を切り出した。鋼管の外径および肉厚は約101.6mmおよび3.0mmであった。内面腐食部を触診した結果、腐食生成物による凹凸が確認された。
【００５２】
［機材］
本実験で使用した探触子および測定装置について説明する。使用した探触子の用途と主な仕様を表１に示す。リニアアレイおよび一振動子探触子はポリスチレン製ウェッジおよび検査技術研究所製の適合型ウェッジを装着して使用した。適合型ウェッジを用いた定点での厚さ測定には接触媒質を用いず、探触子を機械走査する場合にはポリスチレン製ウェッジの場合と同様に接触媒質に水を使用した。測定装置として、リニアアレイおよび一振動子探触子を使用する測定には小型超音波フェーズドアレイ探傷器（Zetec社製、商品名OMNISCAN）を、EMAT を使用する測定には電磁超音波厚さ計（Acoustic control Systems社製、商品名A1270）を使用した。
【表１】
2014211398.tif 000003
【００５３】
［スクリーニング］
［平板試験体を用いた基礎検討］
周波数、送受信方式、屈折角に関する基礎検討のため、横波屈折角45°のポリスチレン製ウェッジを装着した１MHz、２MHz、５MHzのリニアアレイ探触子を用い、図５に示すように一探触子法および二探触子法により平板試験体を測定した。試験体端面から入射点までの距離を２０mm探触子を配置した。なお、横波屈折角を単に屈折角(θr)と記す。
【００５４】
間隔を2.5°とした。各探触子において図６中の破線で示した波列の短い高周波ガイド波を発生できる屈折角のA スコープ波形を比較して図７に示す。同図では、反射エコー強度を80％となるように調整した。背景雑音に対するS/N 比の観点において、2MHzの結果が優位と判断した。よって、以下の検討には2MHzの探触子を用いることとした。
【００５５】
模擬減肉の検出性を比較するために、探触子走査により得られた、異なる屈折角のサイドビュー画像を図８に示す。屈折角20°では試験体端面からの反射エコーの波列は長いが、図中の破線に囲まれた３つの模擬減肉によるエコーを認識できる。一方、屈折角50°以上の場合では、波列は短いものの、模擬減肉のエコーを認識できず、図中の一点鎖線で囲まれた、探傷面に直径５mm程度の小滴のソニコートを垂らした位置からのエコーが確認された。よって、屈折角が小さい場合、探触子と反対の面にエネルギーは集中し、大きい場合には探触子側の面に集中することが考えられる。また、同図において、模擬減肉の位置ではガイド波のエネルギーの一部しか透過しないことから、試験体端面からのエコーが消失していることが観測できる。このことから、模擬減肉からの反射エコーではなく、透過エコーに着目することとした。
【００５６】
同仕様のリニアアレイ探触子を用い、図５(b)に示す二探触子法による測定を実施した。模擬減肉の影響を受けない位置でのセクター画像を図９に示す。屈折角の範囲は横波で２０°から７０°とし、間隔を１°とした。同図から波列の短い高周波ガイド波が発生する屈折角の範囲は５０°から７０°と図８の場合と比べて広いことが判る。図１０には波列が短い試験体端面からの反射エコーが得られる屈折角６０°の場合のサイドビュー画像を示しており、模擬減肉部では透過エコーが消失していることを確認できる。なお、この場合の高周波ガイド波の群音速は2,500m/s 程度であった。よって、今後の高周波ガイド波法による測定においては、この結果に基づき、周波数はS/N 比が高かった２MHz、屈折角に関しては破列が短い高周波ガイド波を発生できた６０°を用いることとした。
【００５７】
波列が短い高周波ガイド波を発生させるためには屈折角の選定が極めて重要である。そこで、亜鉛めっきによる屈折角への影響について考察する。図１１に示すようにウェッジ（媒体１）から鋼（媒体２）へ直に超音波を入射したケース１と亜鉛めっき（媒体３）を介して鋼に入射したケース２を考えると、それぞれの入射角と屈折角の関係はスネルの法則により
【００５８】
［ケース１］
sinθｉ/sinθｒ=ｃ1/ｃ2                        （式１）
［ケース２］
sinθｉ/sinφ=ｃ1/ｃ３                        （式２）
sinφ/sinθ’ｒ=ｃ３/ｃ2                        （式３）
となる。ここで、ｃ1、ｃ2 およびｃ３は各媒体の音速であり、θｉ、θｒ、θ’ｒおよびφは同図に示すように入射角、屈折角である。(２)および(３)式から
sinθｉ/sinθ’ｒ=ｃ1/ｃ2                        （式４）
が得られ、ある入射角に対して両ケースにおける鋼への屈折角は等しくなる。さらに、亜鉛めっきの上にペンキが塗装されている場合も同様である。また、鋼管における多重反射時の反射角に関しても亜鉛めっきおよびペンキによる影響はない。
【００５９】
［鋼管への適用性］
鋼管に対して上記の高周波ガイド波法を適用する際、ガイド波を伝播させる方向によって多重反射時の反射角およびガイド波の減衰が異なり、さらに、作業性などが変わる。具体的には、送信および受信用探触子を隣接して配置する方が作業性は良い。減衰に関しては軸方向の方が小さい。反射角に関しては、軸方向に伝播した場合、屈折角および外面と内面における反射角は一致する。しかしながら、周方向に伝播させた場合、外面の反射角は屈折角と一致するが、内面の反射角は屈折角より大きくなる。送電鉄塔の鋼管において作業性を優先する場合、近接した探触子配置の状態でガイド波を周方向に伝播させて減肉を検知できるかを確認する必要がある。
【００６０】
ポリスチレン製ウェッジおよび適合型ウェッジを装着した一振動子探触子を用い、周方向模擬減肉を有する鋼管試験体に対し、図１２に示す探触子配置で測定を実施した。得られたサイドビュー画像を図１３に示す。屈折角６０°の場合の内面の反射角は67.52°となり、図９に示した波列の短い高周波ガイド波を発生できる屈折角の範囲に収まっている。両探触子の入射点間隔は３５mmであり、模擬減肉と両探触子の中間点との方位角θを９０°、１８０°および２７０°とした。適合型ウェッジの使用の際には、機械走査のため探傷面側に厚さ0.05mm のポリプロピレンテープを貼付した。図１３からθおよびウェッジの材質に依らず、模擬減肉による透過エコーの消失が観測できる。それぞれの結果を数値的に比較するため、Ａスコープ波形ｄを超音波の伝播方向に積分した量Ｄを求め、以下の規格化および閾値処理を行った。
【００６１】
［正規化］
Ｅ１（ｘ）＝Ｄ（ｘ）／ｍａｘ（Ｄ（ｘ））          （式６）
【００６２】
［閾値処理］
Ｅ２（ｘ）＝ｔ−Ｅ１（ｘ）     Ｅ１（ｘ）≧ｔ
＝０                Ｅ１（ｘ）＜ｔ      （式７）
【００６３】
ここで、
【数５】
2014211398.tif 000004
（式５）
であり、ｘは探触子位置、ｔは閾値、ｌはビーム路程を表す。図１３のデータに対するＥ１ およびＥ２を図１４に示す。図中のP はポリスチレン製ウェッジを、Ｃは適合型ウェッジを表す。同図の模擬減肉以外の領域でＥ１に０．６〜１．０の変動があったため、ｔを０．６としてＥ２を算出した。この図からも測定結果は探触子と模擬減肉の相対位置やウェッジの材質にほとんど影響されないと考えられる。なお、送信および受信用探触子のいずれかによる一探触子法により検出できる減肉に限り探触子と減肉の相対位置を推定できると考える。
【００６４】
模擬不めっきを有する鋼管試験体を用い、不めっき部検知への適用性について調査した。ポリスチレン製ウェッジを装着した一振動子探触子を用いて得られたサイドビュー画像を図１５に示す。模擬不めっきと両探触子の中間点とのθを１８０°とした。めっき部と不めっき部で受信されるエコー強度について顕著な差はないが、めっき部と不めっき部の境界においてエコー強度の低下が確認できる。
【００６５】
（廃却材への適用）
最初に、廃却材に対して、ポリスチレン製ウェッジを装着した一振動子探触子を用い、図１２に示す体系で高周波ガイド波によるスクリーニングを実施した。得られたサイドビュー画像とそれによる(７)式のＥ２を図１６に示す。腐食部と両探触子の中間点とのθを１８０°程度とした。軸方向に対して３５mm程度の範囲に亘り顕著な透過エコーの強度変化が観測された。
【００６６】
高周波ガイド波によるスクリーニングで透過エコーの強度変化が観測された領域周辺に対して、適合型ウェッジを装着したリニアアレイ探触子による厚さ測定に先立ち、10MHz の一振動子探触子による測定を行った。廃却材外面において探触子を小型自動スキャナにより二次元走査することにより得られた投影像、断面像を図１７に示す。同画像においては底面エコーの強度をカラー表示しており、断面像は投影像の破線部に対応している。投影像の色の変化および断面像の底面エコーが消失していることから腐食１および２による減肉を検知できる。
【００６７】
以上、内面に局所的な腐食部を有する実際の送電鉄塔の腹材（外径101.6mm，厚さ3.0mm）を用い、高周波ガイド波法の適用性を評価した結果、腹材に対して超音波の周波数を2MHz、横波屈折角を６０°とした条件下で、時間分解能が高い高周波ガイド波を発生させることに成功した。そして、この条件でガイド波を周方向に伝播させながら探触子を腹材の軸方向に機械走査した結果、腐食している個所を検知できた（図１２,図１６）。このことから、腐食による局所的な減肉に対する高周波ガイド波法が有効であり、かつスクリーニングが可能であることが判明した。
【符号の説明】
【００６８】
１  被検査物である管状構造物
２  斜角探触子
３  斜角探触子
４  超音波探傷器
５  制御部
９  表示部
１０  欠陥
【図１】
2014211398.tif 000005
【図２】
2014211398.tif 000006
【図３】
2014211398.tif 000007
【図４】
2014211398.tif 000008
【図５】
2014211398.tif 000009
【図６】
2014211398.tif 000010
【図７】
2014211398.tif 000011
【図８】
2014211398.tif 000012
【図９】
2014211398.tif 000013
【図１０】
2014211398.tif 000014
【図１１】
2014211398.tif 000015
【図１２】
2014211398.tif 000016
【図１３】
2014211398.tif 000017
【図１４】
2014211398.tif 000018
【図１５】
2014211398.tif 000019
【図１６】
2014211398.tif 000020
【図１７】
2014211398.tif 000021