(57)【要約】  超音波探傷装置１は、溶接ルート面に対して垂直に超音波を入射させることが可能な溶接鋼管Ｓの外周面上の位置にウェッジ３を介して配置された、管軸方向において集束された超音波を溶接ルート面に送信すると共に溶接ルート面において反射された超音波を受信するマトリクスアレイプローブ２と、溶接ルート面において反射された超音波の反射波を受信するようにマトリクスアレイプローブ２を制御する超音波送受信部４と、超音波送受信部４が受信した超音波の反射波に基づいて平面欠陥を探傷する評価部５と、を備える。
2018016303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷する超音波探傷装置であって、
溶接ルート面に対して垂直に超音波を入射させることが可能な前記溶接鋼管の外周面上の位置にウェッジを介して配置された、管軸方向において集束された超音波を前記溶接ルート面に送信すると共に前記溶接ルート面において反射された超音波を受信するマトリクスアレイプローブと、
前記溶接ルート面において反射された前記超音波の反射波を受信するように前記マトリクスアレイプローブを制御する超音波送受信部と、
前記超音波送受信部が受信した前記超音波の反射波に基づいて前記平面欠陥を探傷する評価部と、
を備え、
前記マトリクスアレイプローブは、格子状に配列された複数の振動素子を有し、前記振動素子の管軸方向における配列ピッチが送受信される超音波の波長より大きく、前記振動素子の管軸方向の幅が前記マトリクスアレイプローブの管軸方向中心位置から管軸方向外側に向かって小さくなっており、前記振動素子の管軸方向の幅及び中心座標が前記超音波の焦点位置制御範囲内において各振動素子からの超音波が全て重なるように調整されていることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】
前記超音波送受信部が、予め求められた中心角度を中心とする所定の角度範囲内で超音波の屈折角度を所定の角度ピッチで変化させながら前記溶接ルート面に超音波を送信することを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の超音波探傷装置を利用して溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷するステップを含むことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項４】
任意の角度範囲内で超音波の屈折角度を任意の角度ピッチで変化させながら前記溶接ルート面の中心位置に加工された人工平面欠陥に超音波を送信し、該人工平面欠陥において反射された前記超音波の反射波を受信し、超音波の反射波の強度が最も強いときの屈折角度を前記中心角度として求めるステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の超音波探傷方法。
【請求項５】
前記屈折角度が異なる複数のウェッジを予め用意し、平面欠陥を探傷する際は、所望の屈折角度に近い屈折角度を有するウェッジを選択し、選択したウェッジと前記マトリクスアレイプローブとを組み合わせて用いるステップを含むことを特徴とする請求項３又は４に記載の超音波探傷方法。
【請求項６】
請求項１又は２に記載の超音波探傷装置を利用して溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷し、探傷結果に基づいて溶接鋼管を製造するステップを含むことを特徴とする溶接鋼管の製造方法。
【請求項７】
請求項１又は２に記載の超音波探傷装置を利用して溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷し、探傷結果に基づいて溶接鋼管の品質を評価するステップを含むことを特徴とする溶接鋼管の品質管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷する超音波探傷装置、超音波探傷方法、溶接鋼管の製造方法、及び溶接鋼管の品質管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
管軸方向に対する溶接プロセスを用いて造管される溶接鋼管として、電縫溶接鋼管やＵＯＥ（U-ing O-ing Expansion）鋼管（ＬＳＡＷ（Longitudinal Submerged Arc Welding）鋼管）等が知られている。ＵＯＥ鋼管は、鋼板をＵ型にプレス加工した後にＯ型にプレス加工し、鋼板の突き合わせ部分をサブマージドアーク溶接（内面溶接と外面溶接）で接合し、拡管することによって製造される。ＵＯＥ鋼管は、エネルギー輸送用パイプラインに適用されることから、母材の品質は勿論のこと、溶接部の品質も安全上及び環境保全上重要である。【０００３】
一般に、溶接鋼管の溶接部の品質検査は、超音波探傷法、より具体的には斜角探傷法及びタンデム探傷法を用いて行われる（特許文献１参照）。斜角探傷法は、１つの探触子を用いてスネルの法則に基づいて溶接鋼管に対して屈折角度を持たせて超音波を送信して欠陥を探傷する方法であり、溶接部の肩部の内外面に発生する割れ欠陥を探傷するために用いられる。これに対して、溶接部の肉厚中央部分（開先の突き合わせ部分）における欠陥の探傷にはタンデム探傷法が用いられる。溶接部の肉厚中央部分に発生する欠陥は、溶け込み不良（incomplete penetration）によって発生するものであり、溶接部の肉厚方向に対して平行な平面欠陥として存在する。【０００４】
斜角探傷法を用いて平面欠陥を探傷しようとすると、平面欠陥に当たった超音波は正反射方向に強く反射されるのに対して後方反射は弱いために、Ｓ／Ｎ比（受信信号強度対ノイズ強度比）が低下する。これに対して、タンデム探傷法では、正反射波を受信できるように超音波の送信と受信とでそれぞれ異なる探触子を用い、これらの探触子を溶接鋼管の円周上に配置する。そして、一方の探触子から超音波を送信し、他方の探触子で超音波を受信して欠陥を探傷する。このため、タンデム探傷法を用いて平面欠陥を探傷した場合には、斜角探傷法を用いた場合と比較して、Ｓ／Ｎ比が高くなり、平面欠陥を感度よく検出できる。【０００５】
ところが、タンデム探傷法には以下に述べる課題が存在する。【０００６】
（１）セッティングの難しさ
一般に、探触子は、（ａ）計算式を用いて探触子の設置位置を計算し、（ｂ）計算された設置位置に探触子を配置し、（ｃ）人工傷を用いて探触子の角度及び設置位置を調整することによって、セッティングされる。このセッティング手順は、斜角探傷法とタンデム探傷法とで共通である。ところが、斜角探傷法の場合、探触子が１つだけであるので、探触子の角度及び設置位置の調整は容易である。これに対して、タンデム探傷法の場合には、超音波の送信と受信とで探触子を分離しているために、各探触子について角度及び設置位置を調整する必要があり、セッティング作業が複雑になる。このため、タンデム探傷法の場合には、探触子の角度及び設置位置の調整が非常に難しくなる。【０００７】
（２）溶接部の形状の影響
溶接部の肉厚が約２０ｍｍ以下になると、溶接部の内面又は外面での反射時に超音波の伝搬経路が曲がることによって、超音波が平面欠陥に当たりにくくなり、平面欠陥の検出感度が低下する。【０００８】
（３）オフシームの影響
内面溶接時及び外面溶接時に突き合わせ位置が内面側と外面側とでずれるオフシームが発生することがある。オフシームが発生した場合、平面欠陥は溶接鋼管の円周方向（管周方向）の広い範囲に分布する可能性があるため、溶接鋼管の円周方向の広い範囲をカバーできる探傷法が必要である。しかしながら、タンデム探傷法は、送信用の超音波と受信用の超音波とが交差する位置近傍では優れた欠陥検出性能を有するが、その範囲が狭いために、オフシーム発生時に溶接鋼管の円周方向に対して十分に広い範囲をカバーできない。【０００９】
そこで、これらの課題を解決する方法として、垂直入射法（非特許文献１参照）が提案されている。垂直入射法は、１つの探触子を用いて溶接部の肉厚中央部分に対して垂直に超音波を入射させる方式の超音波探傷法であり、以下に示す特徴を有している。【００１０】
（Ａ）セッティングが容易
１つの探触子で超音波を送受信するため、タンデム探傷法のように複数の探触子をセッティングする際の煩わしさがない。【００１１】
（Ｂ）溶接部の形状の影響を受けない
溶接部の形状によって超音波の伝搬経路が変化しないため、平面欠陥に対して垂直に超音波を送信し、平面欠陥を感度よく検出することができる。【００１２】
（Ｃ）溶接鋼管の円周方向に対して広い検出可能範囲を有する
溶接部全体に超音波が入射するため、溶接鋼管の円周方向に対するカバー範囲が広い。【００１３】
ところが、ＵＯＥ鋼管等の溶接鋼管の大きさで超音波が平面欠陥に垂直に入射する条件を満たすためには、７５°から８３°程度の大きな屈折角度が必要になる。一方、図１４に示すように、エコー高さは屈折角度の増加に伴い大きく減少する。これは、屈折角度の増加に伴い超音波の音圧往復通過率が低下するためである。また、図１５（ａ）〜（ｃ）に示すように、屈折角度の増加に伴い超音波を送信するセンサ１０の見かけ上の大きさが小さくなるために（大きさＤ→大きさＤ’→大きさＤ”）、屈折角度の増加に伴い超音波の拡散減衰率が増加することによって欠陥検出感度が低下する。なお、図１５中、符号１１はウェッジ、符号Ｓは溶接鋼管を示す。さらに、オンライン探傷では電気性ノイズが増大する。このため、屈折角度の大きさは７０°程度までが実用的な範囲となる。そこで、非特許文献１記載の方法は、屈折角度を大きくすることなく、垂直入射法にリアルタイムデジタル処理（チャープ波パルス圧縮処理及び同期加算平均処理）を組み合わせることによって高感度探傷を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／００７０２３号
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】“高性能ＵＯＥ鋼管溶接部自動超音波探傷装置”、飯塚幸理ら、ＮＫＫ技報、No.175(2001.12)、p.36-40
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、垂直入射法を用いた場合には、超音波の入射角度の変化に対して欠陥検出感度が敏感に変化する。超音波の入射角度は、探触子を駆動する機構部のがたつきや溶接鋼管の音響異方性のばらつきによって変化する。このため、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響を抑制することが望まれる。一方、探触子の設置角度及び設置位置の微調整はオペレータが手動で行うために、調整を行うオペレータの個人差に応じて欠陥検出感度がばらつきやすい。このため、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響及びオペレータの手動調整による欠陥検出感度のばらつきを抑制可能な技術の提供が期待されていた。【００１７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響及びオペレータの手動調整による欠陥検出感度のばらつきを抑制可能な超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響及びオペレータの手動調整による欠陥検出感度のばらつきを抑制することにより溶接部の品質が高い溶接鋼管を製造可能な溶接鋼管の製造方法、及び溶接鋼管の品質管理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る超音波探傷装置は、溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷する超音波探傷装置であって、溶接ルート面に対して垂直に超音波を入射させることが可能な前記溶接鋼管の外周面上の位置にウェッジを介して配置された、管軸方向において集束された超音波を前記溶接ルート面に送信すると共に前記溶接ルート面において反射された超音波を受信するマトリクスアレイプローブと、前記溶接ルート面において反射された前記超音波の反射波を受信するように前記マトリクスアレイプローブを制御する超音波送受信部と、前記超音波送受信部が受信した前記超音波の反射波に基づいて前記平面欠陥を探傷する評価部と、を備え、前記マトリクスアレイプローブは、格子状に配列された複数の振動素子を有し、前記振動素子の管軸方向における配列ピッチが送受信される超音波の波長より大きく、前記振動素子の管軸方向の幅が前記マトリクスアレイプローブの管軸方向中心位置から管軸方向外側に向かって小さくなっており、前記振動素子の管軸方向の幅及び中心座標が前記超音波の焦点位置制御範囲内において各振動素子からの超音波が全て重なるように調整されていることを特徴とする。【００１９】
本発明に係る超音波探傷装置は、上記発明において、前記超音波送受信部が、予め求められた中心角度を中心とする所定の角度範囲内で超音波の屈折角度を所定の角度ピッチで変化させながら前記溶接ルート面に超音波を送信することを特徴とする。【００２０】
本発明に係る超音波探傷方法は、本発明に係る超音波探傷装置を利用して溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷するステップを含むことを特徴とする。【００２１】
本発明に係る超音波探傷方法は、上記発明において、任意の角度範囲内で超音波の屈折角度を任意の角度ピッチで変化させながら前記溶接ルート面の中心位置に加工された人工平面欠陥に超音波を送信し、該人工平面欠陥において反射された前記超音波の反射波を受信し、超音波の反射波の強度が最も強いときの屈折角度を前記中心角度として求めるステップを含むことを特徴とする。【００２２】
本発明に係る超音波探傷方法は、上記発明において、前記屈折角度が異なる複数のウェッジを予め用意し、平面欠陥を探傷する際は、所望の屈折角度に近い屈折角度を有するウェッジを選択し、選択したウェッジと前記マトリクスアレイプローブとを組み合わせて用いるステップを含むことを特徴とする。【００２３】
本発明に係る溶接鋼管の製造方法は、本発明に係る超音波探傷装置を利用して溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷し、探傷結果に基づいて溶接鋼管を製造するステップを含むことを特徴とする。【００２４】
本発明に係る溶接鋼管の品質管理方法は、本発明に係る超音波探傷装置を利用して溶接鋼管の溶接部における開先の突き合わせ部分に存在する平面欠陥を探傷し、探傷結果に基づいて溶接鋼管の品質を評価するステップを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る超音波探傷装置及び超音波探傷方法によれば、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響及びオペレータの手動調整による欠陥検出感度のばらつきを抑制することができる。また、本発明に係る溶接鋼管の製造方法、及び溶接鋼管の品質管理方法によれば、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響及びオペレータの手動調整による欠陥検出感度のばらつきを抑制することにより溶接部の品質が高い溶接鋼管を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、マトリクスアレイプローブの開口幅と焦点位置での超音波の音圧上昇の効果との関係を計算した結果の一例を示す図である。
【図２】図２は、管軸方向における振動素子の構成を説明するための図である。
【図３】図３は、マトリクスアレイプローブの設置位置を説明するための図である。
【図４】図４は、各振動素子から超音波を送信するタイミングを計算する方法を説明するための図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態である超音波探傷処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】図６は、セクタースキャンの中心角度の算出方法を説明するための図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態である超音波探傷装置の構成を示す模式図である。
【図８】図８は、図７に示すマトリックスアレイプローブの構成を示す平面図である。
【図９】図９は、一般的なＵＯＥ鋼管の製造工程の流れを示す図である。
【図１０】図１０は、マニピュレーターが備える複数のマトリクスアレイプローブの配置位置を示す模式図である。
【図１１】図１１は、肉厚中央部探傷用のマトリクスアレイプローブの構成を示す模式図である。
【図１２】図１２は、超音波探傷結果の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、ｔ／Ｄの異なる溶接鋼管のＳ／Ｎ比及び屈折角度の一例を示す図である。
【図１４】図１４は、超音波の屈折角度とエコー高さとの関係の一例を示す図である。
【図１５】図１５は、超音波の屈折角度と見かけ上のセンサの大きさとの関係を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
〔管軸方向における超音波の集束〕
本発明では、垂直入射法を利用した超音波探傷方法において、高屈折角度時における欠陥検出感度の低下を補って高いＳ／Ｎ比を実現するために、管軸方向において超音波を集束させる。具体的には、超音波の屈折角度が８０°である時の欠陥検出感度は、超音波の屈折角度が７０°である時の欠陥検出感度と比較して１２ｄＢ低下する。このため、超音波の屈折角度が８０°である時には、管軸方向において超音波を集束させることによって少なくとも１２ｄＢ以上、欠陥検出感度を上昇させる。
【００２８】
なお、管軸方向において超音波を集束させることによって得られる欠陥検出感度上昇の効果は、以下に示す数式（１）を用いて評価できる。具体的には、数式（１）から、音波を集束した際の焦点付近の音圧を計算することができる。ここで、数式（１）中、Ｐは超音波の焦点位置付近の音圧、Ｐ０は送信音圧、ｘは音軸場の位置、ｆｏｐは焦点距離、Ｄは超音波を送信するセンサの大きさ、λは超音波の波長、Ｊは集束係数を示す。集束係数Ｊは数式（２）として定義される。但し、数式（１）においてｘ＝ｆｏｐである場合、Ｐ／Ｐ０＝πＪとして音圧が計算される。
【００２９】
【数１】
2018016303.tif 000003
【数２】
2018016303.tif 000004
【００３０】
ここで、ウェッジ中の音速を２３４０ｍ／ｓｅｃ、鋼中の横波音速を３２３０ｍ／ｓｅｃ、ウェッジの高さを２５ｍｍとして、超音波を送信するセンサの管軸方向の幅（開口幅）と焦点位置での超音波の音圧との関係を計算した結果を図１に示す。具体的には、後述する図４における焦点位置Ｐ３における音圧を示している。図１では、振動子サイズ（開口幅）８ｍｍの超音波プローブによる非集束な場合の音圧を基準（即ち０ｄＢ）として、焦点位置と開口幅毎の音圧の変化を図示している。図１に示すように、センサの開口幅が大きくなるほど、焦点位置で強い音圧が得られることがわかる。具体的には、鋼中を伝わって達する焦点位置が４０ｍｍから１６０ｍｍの範囲内にある時に当該焦点位置で１２ｄＢ以上の強い音圧を得るためには、３０ｍｍ程度の開口幅が必要であることがわかる。一方、十分にセクタースキャンを行うためには、少なくとも８ｃｈ以上の振動素子（振動子ともいう）を用いることが望ましい。このため、センサとして１２８ｃｈのマトリクスアレイプローブを用いる場合には、センサを構成する振動素子を１６ｃｈ×８ｃｈの配列とし、超音波を集束させる管軸方向において十分な欠陥検出感度の上昇効果を得るためには３０ｍｍといった大きな開口幅が必要になることから管軸方向を１６ｃｈとし、セクタースキャンを行う管周方向を８ｃｈとするとよい。
【００３１】
一方、フェーズドアレイ式の超音波探傷方法では、不要な信号のピークであるグレーティングローブが発生し、これがノイズの原因となる。このため、グレーティングローブは可能な限り発生させないことが望ましい。一般的に、グレーティングローブを発生させないための振動素子の配列ピッチ（振動素子ピッチ）Ｅｐの条件として、以下に示す数式（３）が知られている。数式（３）中、λは超音波の波長、θは偏光角度を示している。なお、フェーズドアレイ式とは、アレイ状に配置された振動素子から位相を遅延させた超音波を送受信することで、（ｉ）超音波の送信方向及び受信方向を制御、（ｉｉ）超音波を集束させる、（ｉｉｉ）振動素子位置を機械的に走査することなく電子走査する、ことが可能な方法である。
【００３２】
【数３】
2018016303.tif 000005
【００３３】
ここで、ウェッジ中の音速を２３４０ｍ／ｓｅｃ、超音波の周波数を溶接鋼管探傷において一般的に用いられる５ＭＨｚ、管軸方向に対して偏光角度を０°とした場合、上記数式（３）に従えば、グレーティングローブを発生させないための振動素子ピッチＥｐは約０．４６ｍｍとなる。すなわち、振動素子ピッチＥｐが０．４６ｍｍ以下であれば、グレーティングローブは発生しないことになる。
【００３４】
しかしながら、振動素子ピッチＥｐを０．４６ｍｍとして管軸方向に振動素子を１６ｃｈ配置したとしても、マトリクスアレイプローブの管軸方向の開口幅は７．３６ｍｍ（＝０．４６ｍｍ×１６ｃｈ）にしかならない。既述の通り、超音波の集束によって高屈折角度時における欠陥検出感度の低下を補うためには、マトリクスアレイプローブの管軸方向の開口幅は３５ｍｍといった大開口である必要があり、このままでは不十分である。
【００３５】
そこで、振動素子ピッチＥｐが超音波の波長λより大きい場合における管軸方向における振動素子の配置位置について検討する。いまＮ個の振動素子で予め設定された開口幅Ｗを構成するためには、振動素子ピッチＥｐの大きさはＷ／Ｎでなければならない。当然、振動素子幅Ｅｗは振動素子ピッチＥｐより小さい。振動素子ピッチＥｐが超音波の波長λより大きい場合には、振動素子ピッチＥｐに対して振動素子幅Ｅｗをできるかぎり大きくすることが好ましい。これにより、グレーティングローブは低下する。具体的には、メインローブに対してグレーディングローブを−１２ｄＢ以下にするためにはＥｗ／Ｅｐ≧０．８４となるように、−１８ｄＢ以下にするためにはＥｗ／Ｅｐ≧０．９４となるように振動素子ピッチＥｐ及び振動素子幅Ｅｗを設計する。
【００３６】
しかしながら、振動素子幅Ｅｗを大きくすると、振動素子の指向角が狭くなり、各振動素子の指向角は振動素子が配置されている面よりも遠くで重なることになる。この場合、振動素子の配置位置に近い側では、各振動素子の指向角が重ならず、超音波を十分に集束させることが困難になる。一方、振動素子の振動素子幅Ｅｗを小さくすれば、各振動素子の指向角が広がるため、振動素子が配置されている面からより近い側では各振動素子の指向角が重なる。これにより、振動素子幅Ｅｗが広い場合と比較してより手前から超音波を集束させることができるが、逆にグレーティングローブは発生しやすくなる。
【００３７】
そこで、本発明では、図２に示すように振動素子が配置されたマトリクスアレイプローブを用いて超音波探傷を行う。図２に示すマトリクスアレイプローブでは、管軸方向（Ｘ方向）の中心位置（Ｘ＝Ｘｃ）に振動素子幅Ｅｗが最も大きい振動素子２ｎ，２ｎ＋１が配置され、管軸方向の中心位置（Ｘ＝Ｘｃ）から外側に向かうにつれて徐々に振動素子の振動素子幅Ｅｗが小さくなっている。なお、図２中、ｎ（＝１〜ｍ）番目の振動素子の中心座標をＸｎ、振動素子幅をＥｗｎ、振動素子ピッチをＥｐとしている。また、ｎ番目に配置されている振動素子２ｎの指向角φｎは、以下に示す数式（４）により算出できる。
【００３８】
【数４】
2018016303.tif 000006
【００３９】
ここで、中心位置（Ｘ＝Ｘｃ）から探傷における最も近い焦点位置Ｐ１までの距離を焦点距離ｆｍｉｎとしたとき、焦点距離ｆｍｉｎ以後で各振動素子から送信された超音波が十分に重なり、広い焦点位置範囲を実現するためには、以下の数式（５）を満足する振動素子幅Ｅｗｎ及び中心座標Ｘｎを計算し、計算された位置に各振動素子を配置すればよい。
【００４０】
【数５】
2018016303.tif 000007
【００４１】
数式（５）において、角度θｎは、ｎ番目の振動素子２ｎの中心座標Ｘｎを通る法線Ｌｎとｎ番目の振動素子２ｎの中心座標Ｘｎと焦点位置Ｐ１とを結ぶ線分Ｌｎ’とがなす角度であり、以下に示す数式（６）により算出できる。ｎ番目の振動素子２ｎにおいて、その指向角φｎが角度θｎより大きければ、焦点位置Ｐ１以後で超音波が十分に重なることになる。これにより、グレーティングローブの発生及び高屈折角度時における欠陥検出感度の低下を抑制できる。ここで、数式（６）中、Ｘｃはマトリクスアレイプローブの中心位置を示す。また、振動素子ピッチＥｐはできる限り小さい値にすることが望ましい。
【００４２】
【数６】
2018016303.tif 000008
【００４３】
なお、図３に示す超音波探傷におけるマトリクスアレイプローブ２の設置位置は、溶接鋼管Ｓの肉厚ｔ及び外径Ｒを用いて以下に示す数式（７）、（８）から算出できる。数式（８）が示すＰＷＤは、図３に示すように、溶接鋼管Ｓの円周上における超音波の入射位置Ｐ２から欠陥が存在している焦点位置（開先の突き合わせ位置）Ｐ３までの距離を示している。また、このとき超音波が鋼中を伝搬する距離ＴＦは以下に示す数式（９）により算出できる。また、ウェッジ３の高さをＨとしたとき、ウェッジ３中の音速をＶｗ、鋼中の横波音速をＶｓとすると、超音波の焦点距離ｆｐは以下に示す数式（１０）により算出できる。なお、図３中、θｉは超音波の入射角度を示し、θｒは超音波の屈折角度を示し、Ｏは溶接鋼管Ｓの中心位置を示している。
【００４４】
【数７】
2018016303.tif 000009
【数８】
2018016303.tif 000010
【数９】
2018016303.tif 000011
【数１０】
2018016303.tif 000012
【００４５】
次に、焦点位置Ｐ３に超音波を集束させるための各振動素子から超音波を送信するタイミングを計算する方法について図４を用いて説明する。図４に示すように、焦点位置Ｐ３に超音波を集束させるためには、まず、各振動素子の配置位置から焦点位置Ｐ３までの超音波の伝搬時間を計算する。具体的には、以下の数式（１１）に示すように、ウェッジ中の音速Ｖｗでｎ番目の振動素子の配置位置から焦点位置Ｐ３までの距離ｄｎを割ることによって、ｎ番目の振動素子の配置位置から焦点位置Ｐ３までの超音波の伝搬時間Ｔｎを求めることができる。
【００４６】
【数１１】
2018016303.tif 000013
【００４７】
図４中、管軸方向にｍ個の振動素子が配置されている場合、１番目からｍ番目迄の振動素子についてそれぞれ上述の計算を行うことによって伝搬時間Ｔｎを求める。続いて、以下の数式（１２）に示すように各振動素子について求められた伝搬時間Ｔｎの最大値（最大伝搬時間）Ｔｍａｘを算出する。そして、以下の数式（１３）に示すように、各伝搬時間Ｔｎから最大伝搬時間Ｔｍａｘを減算し、その絶対時間を各振動素子における超音波を送信するタイミング（遅延時間Ｔｄｎ）とする。これにより、焦点位置Ｐ３に超音波を集束させることができる。
【００４８】
【数１２】
2018016303.tif 000014
【数１３】
2018016303.tif 000015
【００４９】
なお、管軸方向に直交する溶接鋼管の径方向断面方向（Ｃ方向）において超音波を集束させることも考えられるが、図１５（ａ）〜（ｃ）に示した通り、屈折角度の増加に伴い超音波を送信するセンサ（超音波プローブ）の見かけ上の大きさが小さくなる。また、数式（２）に示したように、集束係数Ｊの大きさは超音波を送信するセンサの大きさの２乗値に比例する。このため、この場合、十分な音圧を得るためには、超音波を送信するセンサの大きさを大きくしなければならず現実的ではない。具体的には、周波数を５ＭＨｚとした場合、送信するセンサの大きさを、例えば５０ｍｍ以上にする必要がある。Ｃ方向において、このような大きな開口幅をもつセンサを適用しようとすると、接近限界距離が大きくなってしまい超音波の伝播距離が長くなり、結果的に、集束による音圧上昇の効果も十分得られなくなる。従って、あまり現実的ではない。そこで、本発明では、管軸方向に直交する溶接鋼管の径方向断面方向ではなく、管軸方向において超音波を集束させることとした。
【００５０】
〔超音波探傷処理〕
本発明では、開先の突き合わせ部分に人口平面欠陥が加工されたキャリブレーション用試験片を用いて超音波の入射角度条件及び集束条件を調整してマトリクスアレイプローブの感度校正を行った後に超音波探傷処理を実行するのが望ましい。具体的には、図５に示すフローに従って超音波探傷処理を行う。図５に示すように、超音波探傷処理の際は、まず、超音波探傷のための初期条件を計算する（ステップＳ１）。具体的には、溶接ルート面の中心位置Ｘｃに超音波を垂直に入射するための設置位置（入射位置）Ｐ２及び管軸方向において超音波を集束させつつ超音波の入射角度をＣ方向で振りながら探傷するための各振動素子の遅延時間を計算する。この時、超音波の焦点位置Ｐ３は、人工平面欠陥の位置、超音波の入射位置、及びマトリクスアレイプローブの設置位置から計算できる。次に、ステップＳ１の処理において計算された入射位置Ｐ２に超音波を入射できるようにマトリクスアレイプローブ及びウェッジ（プローブ）を溶接鋼管の外周面に設置する（ステップＳ２）。
【００５１】
次に、計算された各振動素子の遅延時間で管軸方向に集束された超音波をＣ方向で入射角度を振りながら送受信する（ステップＳ３）。具体的には、図６（ａ），（ｂ）に示すように、屈折角度Ｒｍｉｎから屈折角度Ｒｍａｘの角度範囲内で超音波を例えば１°等の角度ピッチＲｄで走査（セクタースキャン）し、そして、各角度における欠陥からのエコー強度を記録し、最もエコー強度が高い屈折角度を探傷の中心角度Ｒｃとして検出する。なお、図６（ａ），（ｂ）中、ＤＦは人工平面欠陥を示す。次に、超音波探傷を行うための各種設定値を計算し（ステップＳ４）、計算された各種設定値に従って各振動素子の出力信号の強度が所定範囲内に入るように各振動素子の感度を校正する（ステップＳ５）。そして以後、ステップＳ３の処理において決定した中心角度Ｒｃを中心として±４°等の所定の角度範囲内を２°等の所定の角度ピッチで屈折角度を走査して超音波探傷を行う（ステップＳ６）。なお、セクタースキャンの角度範囲及び角度ピッチは、溶接鋼管の管径及び厚さ、溶接鋼管の音響異方性、用いる超音波の周波数等の変数に応じてオペレータが決定するものとする。
【００５２】
上述のように、中心角度Ｒｃを中心として所定の角度範囲内で屈折角度を所定の角度ピッチで走査して超音波探傷を行うことにより、振動素子を駆動する機構部のがたつきや溶接鋼管の音響異方性のばらつきによって超音波の入射角度が多少変化していても溶接ルート面に超音波を入射できるので、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響を抑制できる。また、最もエコー強度が高い屈折角度を探傷の中心角度Ｒｃとして設定するので、プローブの角度及び設置位置の調整を行うオペレータの個人差に応じて欠陥検出感度がばらつくことを抑制できる。
【００５３】
〔超音波探傷装置の構成〕
次に、図７，図８を参照して、本発明の一実施形態である超音波探傷装置の構成について説明する。図７は、本発明の一実施形態である超音波探傷装置の構成を示す模式図である。図８は、図７に示すマトリックスアレイプローブの構成を示す平面図である。なお、図７，図８において、Ｌ方向は管軸方向、Ｃ方向は水平面内において管軸方向と直交する方向、Ｚ方向はＬ方向及びＣ方向と直交する方向を示している。
【００５４】
図７に示すように、本発明の一実施形態である超音波探傷装置１は、マトリックスアレイプローブ２、ウェッジ３、超音波送受信部４、及び評価部５を主な構成要素として備えている。
【００５５】
マトリックスアレイプローブ２は、検査対象の溶接鋼管Ｓの外面上に構成され、ウェッジ３を介して溶接鋼管Ｓに対して超音波ＵＢを送受信する。図８に示すように、本実施形態では、マトリクスアレイプローブ２は、格子状に配置された１２８ｃｈの振動素子によって構成され、Ｌ方向に１６ｃｈ及びＣ方向に８ｃｈの振動素子が配置されている。各振動素子の振動素子幅は、Ｌ方向の中心位置から外側に向かって徐々に小さくなるように設計されており、各振動素子の振動素子幅Ｅｗ及び中心座標Ｘｎは、上記数式（５）を満足するように設計されている。これにより、本実施形態では、マトリクスアレイプローブ２のＬ方向の開口幅は約３４ｍｍとなり、Ｃ方向の開口幅は約１０ｍｍとなっている。
【００５６】
ウェッジ３は、マトリクスアレイプローブ２が設置される設置面を有する多面体によって構成され、ポリスチレンによって形成されている。本実施形態では、ウェッジ３中の音速を２３４０ｍ／ｓｅｃとし、超音波の屈折角度がそれぞれ６０°、６５°、７０°、及び８０°となる複数のウェッジ３を用意し、理論的に計算される超音波ＵＢの入射位置Ｐ２からの屈折角度θｒが一番近いウェッジ３を取り付けて超音波探傷を行う。例えば外径１０６７ｍｍ、肉厚４４．５ｍｍの溶接鋼管Ｓの溶接部における肉厚中央部を探傷する場合、超音波ＵＢの入射位置Ｐ２からの屈折角度θｒは鋼中の横波音速を３２３０ｍ／ｓｅｃとすると７３．４°と計算される。そこで、この場合には、超音波ＵＢの屈折角度θｒが７５°となるウェッジ３をマトリクスアレイプローブ２に装着して超音波探傷を行う。なお、本実施形態では、溶接部の肉厚中央部を探傷することとしたが、本発明の探傷範囲は溶接部の肉厚中央部に限定されることはなく、超音波が照射される範囲内にある平面欠陥を探傷することができる。
【００５７】
超音波送受信部４は、マトリクスアレイプローブ２が備えている振動素子に対して超音波信号の送受信指令を出力することによって、図５に示した超音波探傷処理に従って溶接鋼管Ｓの溶接部の超音波探傷処理を制御する。具体的には、超音波送受信部４は、マイクロコンピュータ等の情報処理装置によって構成され、図５に示した超音波探傷処理を規定したコンピュータプログラムを実行することによって溶接鋼管Ｓの溶接部の超音波探傷処理を実行する。超音波送受信部４は、マトリクスアレイプローブ２が受信した溶接部から反射した超音波信号を評価部５に出力する。なお、図７中、ＷＢは溶接ビードを示し、ＣＬは溶接鋼管Ｓの周方向に対する溶接部の中心位置を示し、Ｐ３は焦点位置を示している。
【００５８】
評価部５は、超音波送受信部４から出力された超音波信号に対して所定の処理を施した後、所定の処理が施された超音波信号に基づいて溶接部に欠陥が存在するか否か等の溶接鋼管の溶接部の品質評価を実行する。具体的には、評価部５は、超音波信号の強度が所定の閾値以上であるか否かを判別し、超音波信号の強度が所定の閾値以上である場合、溶接部に欠陥が存在すると判定する。評価部５は、溶接鋼管の溶接部の品質評価結果を出力、記録することによって、溶接鋼管の溶接部の品質評価結果に関する情報をオペレータに提供する。なお、溶接部に欠陥が検出された溶接鋼管については、欠陥の検出位置にマーキングが施される。そして、マーキングが施された溶接鋼管は手動による検査工程へ送られ、オペレータが、マーキング部分付近を再度超音波探傷して、溶接部の品質の最終的な合否判定を行う。この検査員による手動検査においても本発明の一実施形態である超音波探傷装置１が用いられる。
【実施例】
【００５９】
本実施例では、本発明の一実施形態である超音波探傷装置１を利用してＵＯＥ鋼管の溶接部の品質を評価した。具体的には、図９に示す一般的なＵＯＥ鋼管の製造工程に対して本発明の一実施形態である超音波探傷装置１を適用した。図９に示すＵＯＥ鋼管の製造工程では、まず、厚鋼板に対してＵ型プレス加工及びＯ型プレス加工を順に施した後（ステップＳ１１，Ｓ１２）、厚鋼板の突き合わせ部分の内面側及び外面側を溶接接合し（ステップＳ１３，Ｓ１４）、溶接部の超音波探傷検査処理（ＵＴ）及び放射線透過検査処理（ＲＴ）を実行する（ステップＳ１５，Ｓ１６）。次に、溶接鋼管に対して拡管工程を施した後（ステップＳ１７）、水圧試験を行い（ステップＳ１８）、再度溶接部の超音波探傷検査処理（ＵＴ）及び放射線透過検査処理（ＲＴ）を実行する（ステップＳ１９，Ｓ２０）。そして最後に、溶接鋼管に対して端面仕上処理、外観寸法検査処理、管端の放射線透過検査処理、坪量検尺処理、及び内外面塗装処理を施した後（ステップＳ２１〜Ｓ２５、溶接鋼管は出荷される。本実施例では、ステップＳ１５及びステップＳ１９の超音波探傷検査処理に本発明の一実施形態である超音波探傷装置１を適用した。【００６０】
また、本実施例では、図１０に示したような複数のマトリクスアレイプローブ２Ａ〜２Ｈを備えるマニピュレーターを超音波探傷装置に配設した。各マトリクスアレイプローブには、マトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂは肉厚中央部探傷用、マトリクスアレイプローブ２Ｃ，２Ｄは外面探傷用、マトリクスアレイプローブ２Ｅ，２Ｆは内面探傷用、マトリクスアレイプローブ２Ｇ，２Ｈはビード部探傷用というようにそれぞれ役割がふられている。そして、マニピュレーターが各マトリクスアレイプローブを溶接鋼管Ｓに着材させて、溶接鋼管Ｓを長手方向（搬送方向）に進めながら溶接部の超音波探傷検査処理を行う。なお、本実施例では、マトリクスアレイプローブ２Ａ〜２Ｈのうち、肉厚中央部探傷用のマトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂに図７に示した実施形態を適用し、他のマトリクスアレイプローブは斜角フェーズドアレイＵＴ技術を適用した構成とした。【００６１】
ここで、肉厚中央部探傷用のマトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂの構成の詳細について図１１（ａ），（ｂ）を用いて説明する。図１０にも示したが、複数のマトリクスアレイプローブ２Ａ〜２Ｈは、超音波探傷部位毎に溶接ビードＷＢを挟んで両サイドから探傷するように配置されている。肉厚中央部探傷用のマトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂも同様に、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、溶接ビードＷＢを挟んで両サイドから探傷するように配置した。また、図１１（ｂ）に示すように、対となるマトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂは管軸方向に対して５ｍｍ程度ずらして配置した。垂直入射法を適用した場合、対となるマトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂから送信された超音波の透過伝搬波がノイズとなり検出能が低下する。そのため、対となるマトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂを管軸方向にずらして配置した。【００６２】
また、本実施例では、集束ビームで超音波を送受信した。また、管軸方向に約３４ｍｍの開口幅、管周方向に５〜１８ｍｍの開口幅を有するマトリクスフェーズドアレイプローブ２Ａ，２Ｂを用い、そのビーム幅が最小で１ｍｍ以下となるようにした。このため、感度調整時に人工キズの位置に超音波を合わせるのが難しい。そこで、肉厚中央部を探傷するためのマトリクスアレイプローブ２Ａ，２Ｂを含むマトリクスアレイプローブを個別に管軸方向に対して精密に走査できる機構を設けた。具体的には、図１１（ａ）に示すように、各マトリクスアレイプローブを走査機構６を介してマニュピュレータ７に接続し、走査機構６により各マトリクスアレイプローブをＬ方向ＬＡ，ＬＢ及びＣ方向ＣＡ，ＣＢに移動可能なように構成した。なお、管周方向の開口幅は、例えば肉厚の１／３の範囲に超音波が照射されるようにしたい等、セクタースキャンの条件やビーム径に応じて変化する。【００６３】
実際に超音波探傷を行った結果の一例を図１２（ａ），（ｂ）に示す。探傷（セクタースキャン）は中心屈折角度に対して３°ピッチの３つの超音波ビームで行った。図１２（ａ），（ｂ）はそれぞれ、マトリクスアレイプローブ２Ａ及びマトリクスアレイプローブ２Ｂを用いて、溶接部に予めφ３．０ｍｍの人工キズ（平底穴）を形成した外径５６インチ、１２．７ｍｍの溶接鋼管を探傷した結果（縦軸：エコー高さ、横軸：管軸方向位置）を示す。図１２（ａ），（ｂ）に示すように、マトリクスアレイプローブ２Ａ，２ＢどちらにおいてもＦエコーが明瞭に観察され、φ３．０ｍｍの人工キズを十分に探傷できた。また、ｔ／Ｄの異なる溶接鋼管について、肉厚中央部に加工されたφ３．０ｍｍの人工キズ（平底穴）を探傷した際のＳ／Ｎ比と屈折角度を図１３（ａ），（ｂ）に示す。図１３（ａ），（ｂ）に示すように、屈折角度が約８２°と大きい場合においても、良好な２４ｄＢ以上のＳ／Ｎ比が得られた。なお、一般的に要求されるφ３．０ｍｍ人工キズ（平底穴）に対するＳ／Ｎ比は１２ｄＢ以上である。【００６４】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明によれば、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響及びオペレータの手動調整による欠陥検出感度のばらつきを抑制可能な超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することができる。また、本発明によれば、欠陥検出感度に対する超音波の入射角度の変化の影響及びオペレータの手動調整による欠陥検出感度のばらつきを抑制することにより溶接部の品質が高い溶接鋼管を製造可能な溶接鋼管の製造方法、及び溶接鋼管の品質管理方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１  超音波探傷装置
２  マトリクスアレイプローブ
３  ウェッジ
４  超音波送受信部
５  評価部
Ｓ  溶接鋼管
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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