(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触媒質を介して超音波を検査対象物の表面から所定入射角で入射して検査対象物内を所定の屈折角で伝搬させ、欠陥エコーを検知することによって検査対象物の探傷を行う斜角超音波探傷方法において、
上記接触媒質を水とグリセリンの混合物として、水に対するグリセリンの濃度調整をすることによって音速を制御して、超音波の上記入射角を固定した状態で上記屈折角を調整することを特徴とする斜角超音波探傷方法。
【請求項２】
超音波を検査対象物の表面から所定入射角で入射して検査対象物内を所定の屈折角で伝搬させ、欠陥エコーを検知することによって検査対象物の探傷を行う斜角超音波探傷装置において、検査対象物の表面に対して振動子を一定の角度で傾斜配置した探触子と、上記振動子と検査対象面との接触空間を水で埋めるための給水装置と、該給水装置によって供給される水にグリセリンを混入するグリセリン混合装置と、該グリセリンの混合濃度を制御する濃度制御装置とを備えることを特徴とする斜角超音波探傷装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、鋼管の溶接部等の非破壊検査に採用される斜角超音波探傷方法及びその方法に使用する斜角超音波探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼管溶接部の検査には、溶接部周辺の鋼管表面から斜めに超音波を入射させ、鋼管内を伝搬して溶接部に到達する超音波の欠陥エコーを検出することによって欠陥の存在を認識する斜角超音波探傷と呼ばれる手法が一般に採用されている。
【０００３】
図６は、この斜角探傷における欠陥位置の推定方法を示す説明図である。これによると、まず最大エコーが得られた斜角探触子Ｔの位置で、基準点Ｑから入射点Ｐまでの距離Ｙが測定される。次ぎに、表示器のエコー位置を横軸目盛りで読みとって欠陥までのビーム路程Ｗが測定される。ここで、斜角探傷では検査対象物中に角度θで超音波を伝搬させており、この角度θを屈折角と呼んでいる。これによって欠陥位置を求めると、欠陥箇所の基準点Ｑからの距離はｋ＝Ｙ−ｙ＝Ｙ−Ｗ・ｓｉｎθ  、欠陥位置の深さはｄ＝Ｗ・ｃｏｓθ  として求められる。したがって、斜角探傷によって正確な欠陥位置を把握するには、検査対象物中の超音波の伝搬方向を示す屈折角θを正確に認識し、且つ一定に保つことが要求される。
【０００４】
また一方では、探触子の振動子と検査対象物の表面との接触空間を水で満たして良好な超音波の伝達効率を確保する水浸探傷と呼ばれる手法があり、この水浸探傷を斜角探傷において採用することが提案されている。この水浸探傷によって鋼材の欠陥検査を行う場合、超音波の屈折角が６４°で感度良好な領域があり、感度調整の面からも検査時の屈折角を一定に保つことが要求される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超音波の入射角を一定に保ったとしても、検査対象物内における超音波の屈折角は検査対象物の音速が変化することによって微妙に変化してしまう。検査対象物の音速は周囲の環境の影響によって逐次変化し、特にパイプライン施工現場では、鋼材の音速は３１６０ｍ／ｓ〜３４００ｍ／ｓの範囲で変化する。したがって、鋼管の溶接箇所の探傷では、鋼材の音速変化に対して検査の度に音速測定を行い、振動子の設置角度、つまり超音波の入射角度を現場で調整することによって屈折角の調整を行っていた。ところが、この振動子の機械的な角度調整，すなわち複数の角度の異なるセンサーを付け替える作業は、大変な労力と時間を要するにもかかわらず精度の高い調整が困難であり、このことが検査時間の長期化と検査精度の悪化を招く要因となっていた。
【０００６】
本発明は、上述の事情に対処するために提案されたものであって、屈折角の調整を簡易且つ高精度に行うことによって、検査時間の短縮化と検査精度の向上を可能にした斜角超音波探傷方法およびその方法に使用する斜角超音波探傷装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、接触媒質を介して超音波を検査対象物の表面から所定入射角で入射して検査対象物内を所定の屈折角で伝搬させ、欠陥エコーを検知することによって検査対象物の探傷を行う斜角超音波探傷方法において、上記接触媒質を水とグリセリンの混合物として、水に対するグリセリンの濃度調整をすることによって音速を制御して、超音波の上記入射角を固定した状態で上記屈折角を調整することを特徴とする。
【００１１】
そして、上述の超音波探傷方法を実現するための装置として、検査対象物の表面に対して振動子を一定の角度で傾斜配置した探触子と、上記振動子と検査対象面との接触空間を水で埋めるための給水装置と、該給水装置によって供給される水にグリセリンを混入するグリセリン混合装置と、該グリセリンの混合濃度を制御する濃度制御装置とを備えることを特徴とする。
【００１２】
【作用】
斜角超音波探傷において、振動子と検査対象面との接触空間を接触媒質で埋めた場合に、図４で示すように、超音波が接触媒質から検査対象物に対して入射して屈折する際の入射角をθ１  ，屈折角をθ２  とし、接触媒質の音速をＣ１  ，検査対象物の音速をＣ２  とすると、スネルの法則によって次式の関係が成り立つ。
【００１３】
【数１】
0003571473.tif 000002
【００１４】
したがって、入射角θ１  と屈折角θ２  とを一定に保つには、接触媒質の音速Ｃ１  を、Ｃ１  ＝Ｋ・Ｃ２  の関係を満たすように検査対象物の音速Ｃ２  に応じて制御すればよい（ただし、Ｋは定数で、設定した入射角をθ１Ｓ  ，設定した屈折角をθ２Ｓ  とすると、Ｋ＝（ｓｉｎθ１Ｓ  ／ｓｉｎθ２Ｓ  ））。つまり、入射角を２４°に設定して、屈折角を６４°としたい場合には、Ｋ＝ｓｉｎ２４°／  ｓｉｎ６４°≒０．４５となるので、検査対象物となる鋼材の音速Ｃ２  が３１６０ｍ／ｓ〜３４００ｍ／ｓの範囲で変化するとすると、接触媒質の音速Ｃ１  を１４３０ｍ／ｓ〜１５３８ｍ／ｓの範囲で鋼材の音速Ｃ２  に応じて制御すればよいことになる。
【００１５】
ここで、接触媒質を水とした場合には、水中の音速は図５に示されるように水温によって線形に変化する。したがって、水温の制御によって接触媒質の音速制御が可能になる。上述の例に照らし合わせると、鋼材の音速Ｃ２  の変化に応じて、水温を約１０℃から５０℃の範囲で制御してやることによって、一定の屈折角を得ることができる。
【００１６】
また、接触媒質の密度を変えることによっても接触媒質中の音速を変化させることができる。接触媒質を水とグリセリンの混合物とした場合には、水に対するグリセリンの混合濃度を調整することによって、その密度は約１〜１．２ｇ／■３  の範囲で変化させることができ、常温における音速を約１５００ｍ／ｓ〜１８００ｍ／ｓの範囲で制御可能である。したがって、入射角を適宜設定し、検査対象物の音速変化に応じて接触媒質の密度調整をすることによって、所望の屈折角を一定に保つことが可能になる。そして、接触媒質の温度制御と密度調整を併用することによって、より精度の高い屈折角の調整が可能になる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施例に係る斜角超音波探傷装置を示す説明図である。１は検査対象となる鋼管、２は欠陥検査が行われる溶接箇所を示している。この鋼管１にガイドレール１０が着脱自在に取り付けられる。ガイドレール１０には、この上を転動する転輪１１ａが備えられ、ガイドレール１０に規制され周方向にのみ移動可能な治具本体１１が設置される。さらに、この治具本体１１には鋼管１の軸方向のみに移動可能なスライド部材１２が取り付けられている。これらの走査治具にはＸ軸・Ｙ軸エンコーダ１３が設けられて、ガイドレール１０に対する治具本体１１の位置と治具本体１１に対するスライド部材１２の位置関係から、スライド部材１２の先端部に取り付けられる斜角探触子１４の走査位置を検出している。
【００１８】
そして、斜角探触子１４からの探傷信号は、一方で探傷器２０に送られ探傷器の表示画面で探傷波形のＡスコープ表示がなされ、もう一方ではＡ／Ｄ変換器２１を介して、Ｘ軸・Ｙ軸エンコーダ１３からの走査位置信号をデジタル変換するエンコーダカウンタボード２２からの走査位置情報信号と共にパーソナルコンピュータ２３に送られる。このパーソナルコンピュータ２３で探傷結果の分析がなされ、その結果がパーソナルコンピュータ２３の表示画面にＣスコープ画像としてリアルタイムにグラフィック表示される。また同時にパーソナルコンピュータ２３におけるフロッピーディスク等の記録媒体に探傷結果及び走査位置情報の記録が取られる。したがって、一通りの検査を終了してデータを収録後に任意の位置のＢスコープ画像を表示することができる。ここで、パーソナルコンピュータ２３として携帯に便利なノート型のパソコンを用いることによって、現場での設置が簡単になり、より実用的になる。
【００１９】
ここで、斜角探触子１４には、給水装置であるダイヤフラム式液体マイクロポンプ１５が供給管１６ａ及び１６ｂを介して接続しており、探触子１４と検査対象物である鋼管１の表面との間に形成される接触空間に接触媒質である水を供給している。１７は水タンク、１８は吸水管を示している。接触媒質として供給される水には防錆剤を混入して、検査後に鋼管が錆びるのを防いでいる。
【００２０】
さらに、供給管１６ａと１６ｂに介在して水温制御装置４が設置される。水温制御装置４は、断熱材からなる筐体４２内に形成される水槽４１に供給管１６ａ及び１６ｂを接続し、供給管１６ａから送られた水を水槽４１内で設定温度に保ち、供給管１６ｂによって探触子１４の接触空間に供給するものである。この水温制御装置４において、４３は水槽１内面に設置されるペルチェ素子、４４はそのペルチェ素子に接触する放熱板、４５は冷却ファンを示し、これらペルチェ素子４３，放熱板４４，冷却ファン４５の吸熱作用によって水槽内の水の冷却が行われる。また、４６は水槽１内面に設置されるヒータであって、これによって水槽内の水の加熱を行う。４７は水槽内の水温を検出するための温度センサである。
【００２１】
そして、温度センサ４７からの信号は図示しない制御部に送られ、制御部からの制御信号によってペルチェ素子４３及び冷却ファン４５による冷却作用或いはヒータ４６による加熱作用が制御されて、供給管１６ｂから探触子に供給される水の温度を設定温度に保っている。ここでは、加熱のためにヒータ４６を設ける例を示したが、ヒータ４６を設けることなしに、加熱時には冷却ファン４５を止めてペルチェ素子の発熱作用を利用して水温上昇させる制御も可能である。また水温制御装置の構成は、探触子に供給する水の温度を制御するために必要な任意の熱交換手段を備えるものであればよく、上述の例に限定されるものではない。
【００２２】
斜角探触子１４の一例を図２によって説明する。図２（ａ）は斜角探触子１４を接触面側から見た正面図であり、同図（ｂ）はそのＡＡ断面図である。斜角探触子１４は、ケース３０をベースとしており、ケース３０の検査対象物に対面する底面には磁石３６が埋め込まれている。また、ケース３０の前方中央部付近には斜めにカットされた楔状の接触空間３７が形成されており、該空間の斜面に沿って超音波振動子３１が設置されている。そして、接触空間３７の前方には振動子３１に接して円柱状のシリコン３２が設けられケース３０前面に貼り付けられたアクリル板３３によって支持されている。アクリル板３３の外面にはコルク３４が貼り付けられており、これらのシリコン３２，アクリル板３３，コルク３４が接触空間３７内の雑音を吸収する吸音材の作用をしている。
【００２３】
また、ケース３０には、振動子３１の両側に配置され接触空間３７に開口する給水孔３５が設けられる。この給水孔３５には上述の供給管１６ｂが接続され、使用時には、接触空間３７はダイヤフラム式液体マイクロポンプ１５から送り込まれた水によって常時満たされることになる。
【００２４】
ここで用いられる斜角探触子１４の作用と最適な態様について更に説明すると、斜角探触子１４は、ケース３０の底面に設けられる磁石によって検査対象物である鋼管表面に密着し、検査作業時にも鋼管表面に密着した状態で走査を行う。したがって探触子を接触面に押し付ける必要がなくなり、作業を楽に行うことができる。また、鋼管の下側を走査する場合にも接触面が離れることがなく、音響結合不良を起こし難い。さらに、接触空間３７を使用時には常に水で満たすようにし、また水の供給にはダイヤフラム式液体マイクロポンプ１５を用いて気泡の入らない層流を送り込んでいるので、検査対象物の表面が多少荒い場合でも気泡等の空気層が形成されることはなく、超音波の伝達効率が良い。したがって、安定した一定強さの超音波を鋼管内に伝搬させることができ、作業効率のみならず作業精度の向上も図れる。
【００２５】
また、ここで用いられる斜角探触子１４は５×５ｍｍの振動子寸法で１０ＭＨＺ  程度の高周波・広帯域探触子を用い、接触空間３７の楔角、つまり超音波の入射角を２０〜２６°と小さく設定している。本実施例によれば接触媒質として水を用いているので超音波の入射角を小さくしても適切な屈折角で検査対象物内に超音波を伝搬させることができ、また、超音波の入射面を均一な水で満たしているので短波長波を用いても感度の低下がない。これによって検査対象領域への接近限界が短く、感度の高い検査を行うことができる。
【００２６】
上述した実施例の装置による斜角超音波探傷方法について説明する。まず検査に先立って、検査対象物である鋼管の音速をＶ透過法で測定する。そして、測定された鋼管の音速Ｃ２  を上述の水温制御装置４における制御部に入力する。制御部では、上述の式、Ｃ１  ＝Ｋ・Ｃ２  によって、要求される屈折角６４°を得るために必要な接触媒質の音速Ｃ１  が計算される。更に制御部では、上記の図５に示した水の音速と水温との関係がマップ化されて記憶されており、これによって、算出された音速Ｃ１  から設定水温が求められ、この設定水温に基づく水温制御装置の制御が行われる。したがって、作業者は現地で鋼管の音速を測定し、この測定値を水温制御装置４の制御部に入力するのみで、要求される屈折角での斜角探傷検査を行うことが可能になる。
【００２７】
次ぎに、図３によって、斜角超音波探傷装置の別の実施例を説明する。ここで、上述の実施例と同一の箇所には同じ符号を付し説明を省略する。ここでは接触媒質として水とグリセリンの混合物が用いられる。ダイヤフラム式液体マイクロポンプ１５によって水が供給される供給管１６ａの下流には、グリセリン混合装置５１が設けられる。そして、このグリセリン混合装置５１にはグリセリン供給装置５３からの供給管１６ｃが接続されている。更に供給管１６ａ及び１６ｂには、供給量を調整するための調整バルブ５２ｂ及び５２ａが設置されると共に、この調整バルブ５２ａ，５２ｂを調整する濃度制御装置５０が設けられている。グリセリン混合装置５１には、供給管１６ａ及び１６ｃから供給されてくる水とグリセリンを混合して均一化する攪拌装置が備えられ、均一に混合された水とグリセリンの混合物が供給管１６ｂから探触子１４の接触空間に供給される。ここで、グリセリン混合装置内の混合濃度の調整が、調整バルブ５２ｂ及び５２ａを制御することによって行われ、これによって接触媒質の密度が調整されてこの接触媒質中の音速が制御される。
【００２８】
以下に、図３の実施例に係る装置を用いた斜角超音波探傷方法について説明する。上述の方法と同様に、まず検査に先立って検査対象物である鋼管の音速をＶ透過法で測定する。そして、測定された鋼管の音速Ｃ２  を上述の濃度制御装置５０に入力する。この濃度制御装置５０では、上述の方法と同様に式Ｃ１  ＝Ｋ・Ｃ２  によって要求される屈折角６４°を得るために必要な接触媒質の音速Ｃ１  が計算される。そして濃度制御装置５０では、接触媒質の音速Ｃ１  と混合濃度との関係がマップ化されて記憶されており、これによって、算出された音速Ｃ１  から設定される混合濃度が求められ、この混合濃度に基づく濃度制御装置５０の制御が行われる。したがって、作業者は現地で鋼管の音速を測定し、この測定値を濃度制御装置５０に入力するのみで、要求される屈折角での斜角探傷検査を行うことが可能になる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されるので、次に記載する効果を奏する。
（１）斜角超音波探傷において、接触媒質を水とグリセリンの混合物として、水に対するグリセリンの濃度調整をすることによって音速を制御して、超音波の入射角を固定した状態で屈折角を調整することができるので、必要な屈折角で探傷を行うのに、振動子の設置角度を調整すると行った面倒な調整作業をなくすことができる。
（２）斜角探傷における屈折角の調整を自動化できるので、検査作業時間の短縮を図ることができると共に、調整作業を高精度に行うことができ検査精度の向上を図れる。
（３）斜角探傷における調整作業を簡素化できるので、検査作業に熟練を要することがない。
（４）探触子の振動子の角度を常時固定しておくことができるので、検査装置の信頼性の向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る斜角超音波探傷装置を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施例に係る斜角超音波探傷装置における探触子の正面図及び断面図である。
【図３】本発明の他の実施例に係る斜角超音波探傷装置を示す説明図である。
【図４】本発明の作用を示す説明図である。
【図５】水中の音速と水温の関係を示す説明図である。
【図６】斜角超音波探傷における欠陥位置の推定方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１  鋼管
２    溶接箇所
１４  探触子
１５  ダイヤフラム式液体マイクロポンプ
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ  供給管
１７  水タンク
１８  吸水管
４  水温制御装置
５０  濃度制御装置
５１  グリセリン混合装置
５３  グリセリン供給装置
【図１】
0003571473.tif 000003
【図２】
0003571473.tif 000004
【図３】
0003571473.tif 000005
【図４】
0003571473.tif 000006
【図５】
0003571473.tif 000007
【図６】
0003571473.tif 000008