(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１と第２の送受信素子を用いて、２方向に同一位置から被検査体溶接部に対して超音波を入射し、前記溶接部からの反射エコーを受信する探触子と、
前記第１と第２の送受信素子により得られた２方向からの反射エコーをそれぞれ計測する第１の検出手段と第２の検出手段と、
前記第１の検出手段からの計測結果である入反射の伝播時間に基づいて超音波が被検査体内に入射された位置を演算する入射位置演算手段と、
前記入射位置演算手段からの超音波入射位置と第２の検出手段からの計測結果である入反射の伝播時間に基づいて前記第２の送受信素子の超音波入射角度と反射角度を演算する入射角反射角演算手段と、
前記第２の検出手段による計測結果から得られるエコーエネルギー強度を、音圧通過率データベースからの音圧通過率及び音圧反射率データベースからの音圧反射率とによって補償するエコーエネルギー補償演算手段と、
前記エコーエネルギー補償演算手段からの補償エコーエネルギーとき裂評価データベースからのき裂形状データとによってき裂を評価するき裂評価手段と、を備えて、被検査体溶接部のき裂の大きさを評価する
ことを特徴とするき裂評価装置。
【請求項２】
隅肉溶接部に超音波を送信し且つ反射エコーを受信する送信素子によって隅肉溶接部のき裂を検出する超音波探触子であって、
前記送受信素子は、前記き裂発生の起点であって溶接の突き合わせ面である部分溶込み部に超音波を送信して前記部分溶込み部からの反射エコーを受信する第１の送受信素子と、前記隅肉溶接部に超音波を送信して前記隅肉溶接部のき裂からの反射エコーを受信し得る第２の送受信素子と、によって構成される
ことを特徴とする超音波探触子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズルの溶接部に発生するき裂を超音波を用いて評価する装置に係り、特に、傾きが不明なき裂を評価するのに好適なき裂評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繰り返し荷重が作用する機器や構造物では疲労損傷を受け、き裂が発生し、安全運用に支障を来たすことは一般に知られている。特にボイラの管寄に取り付けられているノズルの隅肉溶接には運用中に熱応力が作用し、図８に示すようなき裂７が発生することがある。このき裂７はノズル５を管寄４に隅肉溶接６したとき応力集中部に該当する部分溶込み部８を起点に隅肉溶接６の内側から発生するため、浸透探傷法や磁粉探傷法では検出できないので、超音波探傷法が用いられている。
【０００３】
従来の前述したようなき裂７の評価のために用いられる超音波探傷法は、ノズル５の外面に探触子１６を当て、前記探触子１６内に組込まれている送受信素子１で発生させた超音波２をノズル５の材料中に斜め方向に入射し、ノズル５の内面で１度反射させることによって、所望の隅肉溶接６に伝播させている。
【０００４】
そして、隅肉溶接６に伝播された上記の超音波入射波２ａがき裂７に当って生ずる反射エコー（以下、反射エコーと称する）を送出受信素子１で受信することで、き裂７を見つけ出し、そして、き裂７の評価は、探触子１６を図８の矢印で示すノズル５の軸心方向に走査し、送受信素子１で受信される反射エコーの最大エネルギー強度で行っている。
【０００５】
ここで、送受信素子１で受信される反射エコーの強度は、超音波２をノズル５の材料中に入射する際の入射角度ｉに関る音圧通過率、及び超音波入射波２ａがノズル５の内面で反射する際の反射角度αに関る音波反射率によって変化するため、精度の高いき裂７の評価をするには音圧通過率及び音圧反射率の影響を考慮する必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、送受信素子１が発生する超音波２はある角度範囲内に強く放射される性質があるため、ノズル５の材料中に入射された超音波の入射波２ａ，２ｂ，２ｃは拡りながら伝播し、その中で、き裂７に対し直角に当る経路で伝播して来た超音波入射波２ａの反射エコーのみが超音波入射波２ａの伝播して来た経路を逆に戻り送受信素子１によって受信される。
【０００７】
しかし、き裂７に対し直角を外れる角度で当る経路で伝播して来た超音波入射波２ｂ，２ｃの反射エコーは散乱するため送受信素子１に受信されることはない。このため、き裂７の傾きが既知の場合は、このき裂７の傾きから送受信素子１で受信された反射エコーを生じさせる超音波の入射角度ｉ及び反射角度αは算出できるので、これを基に音圧通過率並びに音圧反射率を考慮した精度の高いき裂７の評価が可能である。
【０００８】
しかし、隅肉溶接６に発生するき裂７の傾きは特定出来ないことから、送受信素子１で受信される反射エコーを生じさせた超音波の入射角度ｉ及び反射角度αは、従来の方法では算出できず、音圧通過率及び音圧反射率を考慮した精度の高いき裂７の評価が出来ないという問題がある。
【０００９】
すなわち、図８でき裂７の方向によっては、２ａ，２ｂ，２ｃのいずれかのエコーが帰ってくる。各エコーは入射角ｉ、反射角αが異なるため、反射エコーのエネルギーが異なる。同一位置に設けた送受信素子を用い、同じ大きさのき裂でも、その方向が異なると反射エコーエネルギーの大きさが異なり、き裂の大きさを見誤まる結果となっていた。
【００１０】
そこで本発明の目的は、隅肉溶接に発生するき裂の傾きが未知であっても、このき裂を高精度で評価できるようにしたことである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
【００１２】
第１と第２の送受信素子を用いて、２方向に同一位置から被検査体溶接部に対して超音波を入射し、前記溶接部からの反射エコーを受信する探触子と、
前記第１と第２の送受信素子により得られた２方向からの反射エコーをそれぞれ計測する第１の検出手段と第２の検出手段と、
前記第１の検出手段からの計測結果である入反射の伝播時間に基づいて超音波が被検査体内に入射された位置を演算する入射位置演算手段と、
前記入射位置演算手段からの超音波入射位置と第２の検出手段からの計測結果である入反射の伝播時間に基づいて前記第２の送受信素子の超音波入射角度と反射角度を演算する入射角反射角演算手段と、
前記第２の検出手段による計測結果から得られるエコーエネルギー強度を、音圧通過率データベースからの音圧通過率及び音圧反射率データベースからの音圧反射率とによって補償するエコーエネルギー補償演算手段と、
前記エコーエネルギー補償演算手段からの補償エコーエネルギーとき裂評価データベースからのき裂形状データとによってき裂を評価するき裂評価手段と、を備えて、被検査体溶接部のき裂の大きさを評価するき裂評価装置。
【００１３】
また、隅肉溶接部に超音波を送信し且つ反射エコーを受信する送信素子によって隅肉溶接部のき裂を検出する超音波探触子であって、
前記送受信素子は、前記き裂発生の起点であって溶接の突き合わせ面である部分溶込み部に超音波を送信して前記部分溶込み部からの反射エコーを受信する第１の送受信素子と、前記隅肉溶接部に超音波を送信して前記隅肉溶接部のき裂からの反射エコーを受信し得る第２の送受信素子と、によって構成される超音波探触子。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は本発明の実施形態に係るノズル溶接部のき裂評価装置の概略を示す図であり、図２は超音波の入射手段及び検出手段の一例を示すもので、き裂が発生したノズル溶接部における超音波の伝播経路を説明する図であり、図３は縦軸にエコーエネルギー強度、横軸に時間を示した反射エコーの検出結果を示すもので、図３の（１）は第１の検出手段、図３の（２）は第２の検出手段による検出結果を示す特性曲線図である。
【００１５】
また、図４は超音波の入射角度と音圧往復通過率の関係を示す特性曲線図、図５は超音波入射波の反射角度と音圧往復反射率の関係を示す特性曲線図、図６は入射角度及び反射角度の影響を考慮した補償エコーエネルギー強度とき裂面積の関係を示す特性曲線図、である。
【００１６】
図１及び図２において、１ａは部分溶込み部８に超音波２ａを伝播する送受信素子、１ｂは隅肉溶接６に超音波２ｂを伝播する送受信素子、２ａ，２ｂは超音波、２ａ’，２ｂ’は超音波入射波、３ａは第１の検出手段、３ｂは第２の検出手段、４は管寄、５はノズル、６は隅肉溶接、７はき裂、８は部分溶込み部、９は入射位置演算手段、１０は入射角／反射角演算手段、１１は音圧通過率データベース、１２は音圧反射率データベース、１３はエコーエネルギー補償演算手段、１４はき裂形状評価データベース、１５はき裂評価手段、１６は探触子、をそれぞれ表す。
【００１７】
このような構成において、本発明の実施形態に係るノズル溶接部のき裂評価装置は、例えば火力発電プラントの定期検査期間中にボイラ管寄４に取り付けられているノズル５の部分溶込み部８を起点に隅肉溶接６に発生するき裂７を評価するために利用するものである。
【００１８】
このノズル溶接部のき裂評価の方法は、図１および図２に示すように基本的には、ノズル５の外面から部分溶込み部８に向け伝播させる超音波２ａをノズル５の材料中に入射する送受信素子１ａと、部分溶込み部８からの反射エコーを検出して送受信素子１ａにより入射された超音波の伝播時間Δｔａを計測する第１の検出手段３ａと、第１の検出手段３ａにより計測された伝播時間Δｔａをもとに超音波の入射位置を計算する入射位置演算手段９と、送受信素子１ａが超音波入射する位置と同位置から隅肉溶接６に向け伝播させる超音波をノズル５の材料中に入射する送受信素子１ｂと、き裂７からの反射エコーを検出して送受信素子１ｂにより入射された超音波の伝播時間Δｔｂ及びエコーエネルギー強度Ｆｂを計測する第２の検出手段３ｂと、入射位置演算手段９による超音波入射位置Ｙと第２の検出手段３ｂによる超音波伝播時間Δｔｂとによりき裂エコーを生じさせた超音波の入射角度ｉ及び超音波入射波の反射角度αを計算する入射角／反射角演算手段１０と、き裂７からの反射エコー強度Ｆｂを音圧通過率データ１１と音圧反射率データ１２により補償エコーエネルギー値（図６のｄＢ）を演算するエコーエネルギー補償演算手段１３と、補償エコーエネルギー値ｄＢとき裂形状評価データベース１４からき裂７を評価するき裂評価手段１５と、から構成されている。
【００１９】
まず、送受信素子１ａによる部分溶込み部８の検出手段３ａと、送受信素子１ｂによるき裂７の検出手段３ｂと、それらの手段からの検出結果について、図２と図３を用いて説明する。送受信素子１ａ，１ｂを備えた探触子１６をノズル５の外面に押し当てノズル５の軸芯方向に走査しながら、送受信素子１ａで発生する超音波２ａと、送受信素子１ｂで発生する超音波２ｂを同一位置からノズル５の材料中に斜め入射する。
【００２０】
なお、部分溶込み部８に伝播させる超音波入射波２ａ’は部分溶込み部８の面がノズル面に対し直角であることから、ノズル表層部を伝播する屈折角θが９０°近傍の水平横波（ＳＨ波）が好適である。
【００２１】
入射した超音波入射波２ａ’は部分溶込み部８の面で反射され、図３の（１）に示すような反射エコーＦａが第１の検出手段３ａで検出されることにより、超音波入射波２ａ’がノズル５の材料中に入射され、部分溶込み部８での反射エコーとして再び入射点に戻って来るまでの伝播時間Δｔａが計測される。そしてこの伝播時間Δｔａを入射位置演算手段９に入力して、部分溶込み部８を基準にした超音波入射波２ａ’の入射位置Ｙを次式を用いて演算する。
【００２２】
Ｙ＝Δｔａ×Ｖａ’×ｓｉｎθａ／２
ここで、Ｖａ’は超音波入射波２ａ’がノズル５の材料中を伝播する速度、θａは超音波２ａの既知の屈折角度である。
【００２３】
一方、入射した超音波入射波２ｂ’はノズル５の内面で一度反射した後、き裂７に当り反射エコーを生ずるが、図３の（２）に示すようなき裂面に対し直角に当った経路で伝播して来た超音波入射波２ｂ’の反射エコーＦｂが第２の検出手段３ｂで検出され、超音波入射波２ｂ’がノズル５の材料中に入射された後、再び入射点に戻って来るまでの伝播時間Δｔｂ、及び反射エコーＦｂのエコーエネルギー強度が計測される。
【００２４】
そして、伝播時間Δｔｂと超音波入射位置Ｙを入射角／反射角演算手段１０に入力して、超音波入射波２ｂ’の反射角度αを次式で演算する。
【００２５】
α＝ｓｉｎー１｛２Ｙ／（Δｔｂ×Ｖｂ’）｝
更に、超音波２ｂの入射角度ｉを次式を用いて演算する。
【００２６】
ｉ＝ｓｉｎー１｛（Ｖｂ／Ｖｂ’）×ｓｉｎα｝
ここで、Ｖｂ’は超音波入射波２ｂ’がノズル５の材料中を伝播する速度、Ｖｂは超音波２ｂの伝播速度である。
【００２７】
ここで、入射位置Ｙから入射角度ｉや反射角度αを求める原理について、図７を用いて再度説明する。
【００２８】
探触子１６は、水平横波（ＳＨ波）を発生・受信する送受信素子１ａ、縦波を発生・受信する送受信素子１ｂ、探触子１６内の余分な超音波を吸収除去する吸音材１７、送受信素子１ａ，１ｂの振動時間を制限するダンパ１８、超音波２ａ，２ｂをノズル５の材料中に斜め入射するためのくさび１９、によって構成されている。
【００２９】
このような構成において、送受信素子１ａが発生する超音波２ａの入射角度ｉａと超音波２ａ’の屈折角度θａ、および送受信素子１ｂが発生する超音波２ｂの入射角度ｉｂと超音波入射波２ｂ’の屈折角度θｂの間にはスネルの法則から、次式が成立する。
【００３０】
Ｖａ／ｓｉｎｉａ＝Ｖａ’／ｓｉｎθａ
Ｖｂ／ｓｉｎｉｂ＝Ｖｂ’／ｓｉｎθｂ
このため、所望する屈折角度θａ，θｂは超音波２ａ，２ａの入射角度ｉａ，ｉｂ並びにクサビ１９の材質を選定することによって得られる。ここで、Ｖａは超音波２ａがクサビ１９中を伝播する速度、Ｖａ’は超音波入射波２ａ’がノズル５の材料中を伝播する速度、Ｖｂは超音波２ｂがクサビ１９中を伝播する速度、Ｖｂ’は超音波入射波２ｂ’がノズル５の材料中を伝播する速度である。
【００３１】
従って、横波音速３２３０ｍ／ｓのノズル５の材料に対し、屈折角度θａが９０°近傍の水平横波の入射超音波２ａ’を得ようとする場合、横波音速１４３０ｍ／ｓアクリル製クサビ１９を使用し、超音波２ａの入射角度ｉａが２６°近傍になるように送受信素子１ａを設定すれば実現できる。即ち、次式を用いる。
【００３２】
ｉａ＝ｓｉｎー１（ｓｉｎ９０×１４３０／３２３０）
図８のような送受信素子１では入射角度ｉや反射角度αがき裂７の方向によって変化するので好ましくない。
【００３３】
しかしながら、本発明の実施形態においては、部分溶込み部８に水平横波を送受信する送受信素子１ａと、隅肉溶接部６に縦波、横波を送受信する送受信素子１ｂによって構成したので、図２に示す入射位置Ｙから入射角度ｉや反射角度αが正確に演算することができる。
【００３４】
次に、第２の検出手段３ｂで計測された反射エコーＦｂのエコーエネルギー強度の補償の様子について説明する。図４は超音波の入射角度ｉと音圧往復通過率の関係を示す図で、図１の音圧通過率データベース１１の一部である。前述したように超音波２ｂをノズル５の材料中に入射した場合、そのエネルギーの通過量は入射角度ｉによって変化するため、この関係を予め調べておくことによって入射角度ｉの影響を回避することができる。
【００３５】
すなわち、超音波２ｂの入射角ｉが分れば、図４のデータによって反射エコーＦｂのエネルギー強度が補償できる。ここで縦軸を音圧往復通過率として表わしているが、これは反射エコーが戻って来る場合も、超音波２ｂが入射される場合と同様な現象が起るためである。
【００３６】
また、図５は超音波入射波の反射角度αと音圧往復反射率の関係を示す図で、図１の音圧往復反射率データベース１２の一部である。前述したように超音波入射波２ｂ’がノズル５の内面で反射した場合、そのエネルギーの反射量は反射角度αによって変化するため、この関係を予め調べておくことによって反射角度αの影響を回避することができる。
【００３７】
すなわち、超音波入射波２ｂ’の反射角度αが分れば図５のデータによって反射エコーＦｂのエネルギー強度が補償できる。ここで縦軸を音圧往復反射率として表わしているが、これは反射エコーが戻って来る時も超音波入射２ｂ’が反射する場合と同様な現像が起るためである。
【００３８】
以上の通り、エコーエネルギー補償手段１３では反射エコーＦｂのエネルギー強度を入射角度ｉ及び反射角度αの変化に対応し補償しているが、音圧通過率データベース１１及び音圧反射率データベース１２には、ノズルの材質別にデータベースを有しており、該当する材質のデータベースを呼び出し、反射エコーＦｂのエネルギー強度を補償している。
【００３９】
このようにして求めた反射エコーＦｂの補償エコーエネルギー値をき裂評価手段１５に入力する。き裂評価手段１５では、図６に示すき裂形状評価データベース１４から補償エコーエネルギー値に対応するき裂面積を演算する。
【００４０】
また、本発明の実施形態は、ボイラの管寄に取付けられたノズル溶接部に発生するき裂の評価のみに限らず、油、ガス等各種配管のソケット溶接部に発生するき裂の評価にも適用することができる。
【００４１】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る特徴並びにその作用を再度述べると次のようになる。
【００４２】
ボイラ管寄ノズル溶接部においては、作用する応力の方向や大きさに影響されて、き裂の進展方向が変化するため、き裂の傾きを予測することは困難である。そして、ノズル溶接部に発生するき裂は応力集中部に該当する部分溶込みを起点に発生する特徴がある。このため、ノズル外面から部分溶込み部と隅肉溶接の２方向に超音波を伝播し、このうち部分溶込み部に伝播した超音波の反射エコーによって超音波の入射位置を求めれば、送受信素子で受信したき裂からの反射エコーを生じさせた超音波の入射角度及び反射角度を求めることができる。
【００４３】
従って、音圧通過率データベース並びに音圧反射率データベースを参照し、送受信素子で受信されたき裂からの反射エコーエネルギ強度を補償することができる。このようにして、補償したエネルギー強度が分かれば、き裂の形状評判データベースと比較することによって、き裂の傾きが不明であっても、高精度でき裂を評価することができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、ノズルの隅肉溶接部に発生するき裂の傾きが未知であっても、き裂からの反射エコーエネルギー強度が補償できるので、精度の高いき裂評価が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るノズル溶接部のき裂評価装置を示す図である。
【図２】本発明の超音波の入射手段及び検出手段の一例を示すもので、き裂が発生したノズル溶接部における超音波の伝播経路を説明した図である。
【図３】本発明の第１および第２の検出手段による反射エコーの検出結果を示した図である。
【図４】本発明の音圧通過率データベースの超音波の入射角度と音圧往復通過率の関係を示す図である。
【図５】本発明の音圧反射率データベースの超音波入射波の反射角度と音圧往復反射率の関係を示す図である。
【図６】本発明のき裂評価手段の入射角度及び反射角度の影響を考慮した補償エネルギー強度とき裂面積の関係を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る探触子の動作原理を示す図である。
【図８】従来技術を示す概略図である。
【符号の説明】
１ａ  部分溶込み部８に超音波２ａを伝播する送受信素子
１ｂ  隅肉溶接６に超音波２ｂを伝播する送受信素子
２ａ，２ｂ  超音波
２ａ’，２ｂ’  超音波入射波
３ａ  第１の検出手段
３ｂ  第２の検出手段
４  管寄
５  ノズル
６  隅肉溶接
７  き裂
８  部分溶込み部
９  入射位置演算手段
１０  入射角／反射角演算手段
１１  音圧通過率データベース
１２  音圧反射率データベース
１３  エコーエネルギー補償演算手段
１４  き裂形状評価データベース
１５  き裂評価手段
【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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