(57)【要約】【課題】一又は複数の部材が棒状又は板状の基材に接続された構造物の損傷を一度に簡単に検出できるようにする。【解決手段】一又は複数のリブ３４、６４が棒状又は板状の基材３２、６２に接続された構造物３０、６０の超音波探傷に際して、Ｓ１モード以上の高次の振動モードを利用する板波法で、超音波の周波数を２ＭＨｚ以下として検査する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一又は複数のリブが棒状又は板状の基材に接続された構造物の超音波探傷方法であって、
Ｓ１モード以上の高次の振動モードを利用する板波法で、超音波の周波数を２ＭＨｚ以下として検査することを特徴とする構造物の超音波探傷方法。
【請求項２】
前記高次の振動モードがＳ１、Ａ２、Ｓ２、Ａ３、Ｓ３、Ａ４、Ｓ４、Ａ５のいずれかの振動モードであることを特徴とする請求項１に記載の構造物の超音波探傷方法。
【請求項３】
前記超音波の周波数が０．０６ＭＨｚ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造物の超音波探傷方法。
【請求項４】
前記超音波がバースト波であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の構造物の超音波探傷方法。
【請求項５】
前記構造物が鋼製であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の構造物の超音波探傷方法。
【請求項６】
前記構造物が鋼床版であり、リブがＵリブであることを特徴とする請求項５に記載の構造物の超音波探傷方法。
【請求項７】
前記リブと基材が溶接で接合されており、該溶接部の欠陥を探傷することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の構造物の超音波探傷方法。
【請求項８】
前記探傷の評価を、固体傷起因の異常信号を把握して行なうことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の構造物の超音波探傷方法。
【請求項９】
前記超音波の探触子を、基材のリブが接続されていない側に配設して探傷することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の構造物の超音波探傷方法。
【請求項１０】
一又は複数のリブが棒状又は板状の基材に接続された構造物の超音波探傷装置であって、
周波数が０．０６ＭＨｚ以上２ＭＨｚ以下の超音波を、Ｓ１モード以上の高次の振動モードの板波として構造物に入射するための超音波探触子と、
該超音波探触子を構造物に接触させて保持する保持手段と、
構造物を伝播した板波超音波を検出して探傷する超音波探傷器と、
を備えたことを特徴とする構造物の超音波探傷装置。
【請求項１１】
前記超音波探触子が、基材に沿って移動可能とされていることを特徴とする請求項１０に記載の構造物の超音波探傷装置。
【請求項１２】
前記超音波探触子が、基材の障害物を回避可能とされていることを特徴とする請求項１１に記載の構造物の超音波探傷装置。
【請求項１３】
前記超音波探触子が、基材の下側又は端面に配置されることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれかに記載の構造物の超音波探傷装置。
【請求項１４】
前記超音波探触子がタイヤ探触子であることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれかに記載の構造物の超音波探傷装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一又は複数のリブが棒状又は板状の基材に接続された構造物の超音波探傷方法及び装置に係り、特に鋼床版のデッキプレート内に進展する亀裂の損傷を簡単に検出することが可能な、構造物の超音波検査方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼構造物の溶接部の簡易検査の要求が高まっている。特に、公共構造物においては、市民の安心、安全の観点からも、早期発見できる技術が望まれる。
【０００３】
近年、鋼床版の溶接部において、疲労損傷事例が報告されている。このうち、図１に示す如く、走行路面であるデッキプレート１０と、その裏面に配設されるＵ型の補剛縦リブ（以下Ｕリブと称する）１４の溶接部１２からデッキプレート１０内に進展し、表面に貫通する亀裂１１が報告されている（非特許文献１参照）。図において、１１ａは亀裂１１のルート部である。
【０００４】
これらの検査方法として、超音波を用いた技術には、非特許文献１に記載されている如く、斜角探傷法の他、表面ＳＨ波法、クリーピング波法等がある。斜角探傷に代表される従来技術は、損傷の有無が容易に分かり、損傷の程度も、ある程度の精度で同定できる。
【０００５】
これらは、いずれも、図２に例示する如く、リブ１４とデッキプレート１０との溶接面から、作業員２０が超音波探触子（以下、単に探触子とも称する）２２を当てて検査を実施する方法である。
【０００６】
一方、鋼板の平行方向に長い距離を、探触子を前後に移動することなく一気に探傷する方法として、特許文献１や非特許文献２に記載されたような、板波を生じさせる入射角で超音波を鋼板に入射させることにより、板の厚み方向全体に広がりを持つ板波を鋼板の平行方向に伝播させる板波探傷法が、薄鋼板の製造中の探傷分野で広く一般に使われている。
【０００７】
【特許文献１】特開昭５７−９４６４７号公報
【非特許文献１】村越  潤、有馬敬育、藤木  修：鋼床版の疲労亀裂に対する超音波探傷法の適用性に関する基礎検討、土木技術資料46-11(2004)，pp.34-39
【非特許文献２】Ｈiromi  SHIRAHATA，et  al.：A  FUNDAMENTAL  STUDY  ON  DETECTION  OF  DEFECTS  IN  THE  WEB  GAP  REGION  OF  STEEL  BRIDGES  BY  THE  PLATE  WAVE  ULTRASONIC  TEST、土木学会第５８回年次学術講演会Ｉ−237（平成15年9月）、pp.473-474
【非特許文献３】市川他：板波超音波探傷の最適条件の検討とその応用、川鉄技法18(1986)2,192-198
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、通常の鋼構造物の補剛リブ１４は、主部材である基材（鋼床版ではデッキプレート１０）に対して、ある間隔毎に溶接されている。従来技術では、溶接線の近傍の数十ｃｍが限界であることから、複数のリブを同時に検査することは困難である。従って、検査に当たっては、図２に示した如く、リブ１４と主部材（１０）の溶接部１２近傍に探触子２２を当てて異常の有無を検査しなければならないため、非常に時間がかかる。更に、探触子２２を溶接線側に置かないといけないので、例えば箱桁の外側から箱桁内部のリブの損傷を検査することは難しい。
【０００９】
更に、鋼床版桁の床版縦リブ１４を考えた場合には、従来技術では桁下に足場を設けるか、特殊な作業車で検査しなければならず、非常に面倒である。
【００１０】
一方、非特許文献２に記載された超音波板波は、入射角、周波数、厚みによって、厚み方向の振動モード（振動形態）が異なる性質を持っており、図３に示される線上の条件でのみ振動モードが存在する。
【００１１】
通常、薄鋼板の板波探傷では、２．２５ＭＨｚの周波数が使われ、板厚は凡そ１〜３ｍｍが対象であるから、周波数×板厚の範囲としては、２．２５〜６．７５ＭＨｚ・ｍｍが用いられる。この範囲では、位相速度で２９５０ｍ／ｓ付近にＡ０とＳ０モードが存在し、それらは群速度もほぼ一定で、分散によるパルス形状の崩れも生じない。このため、薄鋼板の探傷では、Ａ０あるいはＳ０モードが主に用いられている。
【００１２】
一方、鋼床版の探傷では、対象が厚鋼板であって、厚みは例えば１２ｍｍ程度と厚く、Ａ０、Ｓ０モードを使うためには、周波数を０．５ＭＨｚ以下としなければならない。このように、周波数を低くすると、超音波の指向性が広くなってしまうため、図４（Ａ）に、同じ探触子２２で送受信を行なう一探触子法の例を示す如く、探触子２２の楔２４内で様々な経路の残響が発生してしまい、Ｓ／Ｎが非常に悪くなる。この残響を避けるために、図４（Ｂ）に示す如く、送信と受信を別体の探触子２２ａ、２２ｂでそれぞれ行なう二探触子法を用いても、受信側の楔２４ｂ内に超音波が漏れ混んでしまい、やはり残響ノイズとなってＳ／Ｎを悪化させてしまうことに変わりはない。例えば、非特許文献２では、１０ｍｍ厚の鋼板に対し、０．１ＭＨｚの周波数が用いられているが、Ｓ／Ｎの低い信号しか得られていない。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、一又は複数のリブが棒状又は板状の基材に接続された構造物の亀裂等の損傷の有無を一度で簡単に検査できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、一又は複数のリブが棒状又は板状の基材に接続された構造物の超音波探傷方法であって、Ｓ１モード以上の高次の振動モードを利用する板波法で、超音波の周波数を２ＭＨｚ以下として検査するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１５】
又、前記高次の振動モードを、Ｓ１、Ａ２、Ｓ２、Ａ３、Ｓ３、Ａ４、Ｓ４、Ａ５のいずれかの振動モードとしたものである。
【００１６】
又、前記超音波の周波数を０．０６ＭＨｚ以上としたものである。
【００１７】
又、前記超音波をバースト波とし、板波を長距離飛ばせるようにして、より多くのリブを検出できるようにしたものである。
【００１８】
又、前記構造物を鋼製としたものである。
【００１９】
又、前記構造物を鋼床版、リブをＵリブとしたものである。
【００２０】
又、前記リブと基材が溶接で接合されており、該溶接部の欠陥を探傷するようにしたものである。
【００２１】
又、前記探傷の評価を、固体傷起因の異常信号を把握して行なうようにしたものである。
【００２２】
又、前記超音波の探触子を、基材のリブが接続されていない側に配設して探傷するようにしたものである。
【００２３】
本発明は、又、一又は複数のリブが棒状又は板状の基材に接続された構造物の超音波探傷装置であって、周波数が０．０６ＭＨｚ以上２ＭＨｚ以下の超音波を、Ｓ１モード以上の高次の振動モードの板波として構造物に入射するための超音波探触子と、該超音波探触子を構造物に接触させて保持する保持手段と、構造物を伝播した板波超音波を検出して探傷する超音波探傷器とを備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００２４】
又、前記超音波探触子を、基材に沿って移動可能としたものである。
【００２５】
又、前記超音波探触子が、基材の障害物を回避可能としたものである。
【００２６】
又、前記超音波探触子を、基材の下側又は端面に配置したものである。
【００２７】
又、前記超音波探触子をタイヤ探触子として、移動しながらの連続した送受信を可能としたものである。
【００２８】
本発明では、Ｓ１〜Ａ５までの高次モードを用いるようにすると共に、周波数を２ＭＨｚ以下とする。これは、実験的に新たに見出された範囲であり、以下の実験技術に基づく。
【００２９】
まず、高周波側については、薄鋼板の探傷に関する一部の研究では、欠陥検出能が良いモードとして、Ａ１〜Ｓ３迄のモードで群速度分散の少ない領域の使用を提案した例もある（例えば非特許文献３）。
【００３０】
しかし、厚鋼板の板波探傷においては、薄鋼板で用いられている２ＭＨｚより高い周波数では減衰が大きく、超音波を長距離伝播させることは困難であることが分かった。このため、Ｓ１〜Ａ５までの高次モードで、且つ、周波数２ＭＨｚ以下の範囲で、良好なＳ／Ｎの得られる領域が存在することが判明した。
【００３１】
一方、低周波側については、Ｓ１モードの下限である０．０６ＭＨｚ以上にする必要がある。特に周波数を０．７ＭＨｚ以上にすると、超音波の指向性が鋭くなることから、楔内の残響によるノイズが急激に減り、Ｓ／Ｎが増大することが確認されているので、０．７ＭＨｚ以上とすることが好ましい。
【００３２】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、伝播距離に対する超音波の減衰状態が比較的少なくなるので、超音波を長距離飛ばすことが可能になり、複数の損傷を一度に探傷できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３５】
一般的な鋼構造物３０の主部材である基材（鋼板）３２とリブ３４を図５に示し、超音波板波探傷装置の概念的な構成を図６に示す。
【００３６】
まず、鋼構造物３０の基材３２に超音波探触子４０を設置し、超音波探傷器４２のバースト波送信部４４から、図７に例示するようなバースト波を送信する。
【００３７】
鋼構造物３０内を伝播して超音波探触子４０に戻ってきた超音波を、超音波探触子４０で受信し、超音波探傷器４２内の受信部（増幅部）４６で増幅し、検波部４８で検波し、評価部５０で評価する。
【００３８】
すると、損傷が無い場合の受信エコーは、図５（Ａ）のようになる。即ち、リブ３４のある場所で板厚が変化することから、リブがある部分で反射された波が受信され、リブ３４と探触子４０の距離によって、決まった時間に波が受信される。又、超音波の出力は、距離によって減衰するので、探触子４０から離れたリブ３４ほど、反射される波のピークは小さくなる。
【００３９】
一方、亀裂等の損傷３３がある場合には、図５（Ｂ）に示すような受信波形となる。即ち、損傷３３のある部分の受信波の出力が大きくなり、損傷３３が検出できる。
【００４０】
基材３２内に板波を送受信させる機能を有していればよいので、探触子４０を置く位置は、図５に示した、基材３２のリブ３４側には限定されず、図８に示す如く、基材３２のリブ３４とは反対側に配置したり、図９に示す如く、基材３２の端面（こば面）に配置してもよい。
【００４１】
板波のモードは、通常のＳ０モードよりも、Ｓ１以上のモードの方が、損傷時のエコーが高くなり、それがＡ５モード付近まで継続される。
【００４２】
１２ｍｍ厚の基材３２であるＳＳ４００の鋼板に、６ｍｍ厚のＳＳ４００でなるリブ３４を溶接し、幅０．５ｍｍ、深さ６ｍｍ以下の擬似損傷亀裂３３をリブ３４のできるだけ近くに形成した。図１０に示すような供試体に対して、図１１に示す如く、入射角３８°でアクリル板４１を介して本発明を適用した結果を図１２に示す。
【００４３】
図３に示した板波モード図から推定される板波の位相速度は２７００／sin３８°＝約４４００ｍ／ｓである。試験条件は、板厚１２ｍｍの基材３２の鋼板に対して、送信（加振）周波数を適宜変化させながら実施した。なお、探触子４０とリブ３４の距離は、近い方が１５０ｍｍ、遠い方が４５０ｍｍであり、エコーの高さ比は、次式で定義している。
【００４４】
エコー高さ比＝（６ｍｍの人工亀裂（損傷）を入れた場合の出力）
／（健全な場合の出力）                  …（１）
【００４５】
これより、探触子からの距離によらず、Ｓ１（横軸：周波数×板厚が７付近に相当）からＡ５（横軸：周波数×板厚が２４付近に相当）までエコー高さ比が５以上であり、明確な損傷が検出できる。
【００４６】
送信周波数については、今回の実験結果では、板厚を１２ｍｍとしているが、送信周波数で考えた場合には、０．７ＭＨｚ以上２ＭＨｚ以下が好ましい。送信周波数が高ければ、距離と共にエコーが減衰する。距離が４５０ｍｍの位置の送信周波数特性は図１３に示すとおりであり、２ＭＨｚ以上となるとエコー高さが小さくなるため、明確なエコーが得られない。一方、送信周波数が低ければ、選択される振動モードは低くなるが、板厚が大きい場合には送信周波数が低くても良く、通常使われる板厚１００ｍｍまで考えると、Ｓ１モードであれば下限は０．０６ＭＨｚとなる。
【００４７】
本発明は、外側から目視で観測できない、若しくは観測するために足場をかけて近傍に行かなければならない場合に、最も効果がある。例えば、図１に示したような、鋼床版のデッキプレート１０の溶接部１２からデッキプレート１０に進展し、表面に貫通する亀裂１１に対しては、図１４に示すような実施形態を用いて検査することができる。
【００４８】
この検査装置は、縦リブ６４及び横リブ６６が下面に溶接されたデッキプレート６２で形成される橋桁６０上を移動（走行）する移動装置７０、接続部材７２を介して該移動装置７０に支持された超音波探触子８０、例えば移動装置７０内に収容された超音波探傷器よりなり、移動装置７０により橋桁６０の端部を走行させることにより、超音波探触子８０が橋桁端部を移動し、桁幅方向に超音波板波を送信・受信・検波することにより、複数の縦リブ６４の損傷を一度に検査する。移動装置７０が橋桁６０上を走行レーンに沿って進むことにより、鋼床版の全面において、亀裂の位置を特定することができる。
【００４９】
このように、桁上に自走可能な移動装置７０、対象に接触する探触子８０、桁下部分までの接続部材７２を設けることで、桁上から下側を簡単に探傷可能となり、足場の設置、作業車の調達並びに作業員の複数回の往復が不要となるので、検査費用が格段に安価となる。
【００５０】
なお、超音波探傷器は、例えば移動装置７０以外に設けることもできる。
【００５１】
又、移動装置７０も、図示したものに限定されず、箱桁の外側を磁石を利用して移動する装置など、様々な変形が可能である。
【実施例】
【００５２】
本実施例は、図１５に示す如く、超音波板波法を用いた橋桁鋼床版亀裂検査装置である。
【００５３】
この装置は、図１４に示した実施形態と同様の、橋桁６０上を走行する移動装置７０、接続部材７２としての上下移動用部材７４及び回転機構７６、移動しても連続した送受信ができるタイヤ探触子８２、及び、超音波探傷器から構成される。
【００５４】
超音波探傷器は移動装置７０上に設置され、タイヤ探触子８２と接続されている。
【００５５】
タイヤ探触子８２内の振動子の入射角の調整は、超音波探傷器内の変角操作盤（図示省略）の自動又は手動操作指示によってなされ、超音波板波の位相速度を調整する。
【００５６】
又、橋桁６０には、桁幅方向にも横リブ６６と呼ばれる大きな補剛部材が数ｍ間隔に存在するため、それらを回避するために、接続部材７２は回転できるような構造とされる。又、上下移動も可能とされる。
【００５７】
まず、桁上にある移動装置７０から、接続部材７２の上下移動及び回転移動により、図１５（Ａ）に示す如く、タイヤ探触子８２を鋼床版の下側に設置する。
【００５８】
この状態で、移動装置７０により橋桁６０上を走行させると、タイヤ探触子８２から超音波板波を送信、受信し、その位置における鋼床版の亀裂の有無と場所を検知する。送信する波としては、探傷感度の向上、より多くのリブを検出するために、板波を長距離飛ばせるバースト波が望ましい。
【００５９】
障害物となる横リブ６６にタイヤ探触子８２が接触した場合には、図１５（Ｂ）に示す如く、接続部材７２の回転機構７６により、タイヤ探触子８２を橋桁６０の外側に出し、移動装置７０が横リブ６６を越えた段階で、再度回転させ、横リブ６６をかわしていく。この機構は、タイヤ探触子８２が横リブ６６と衝突する前に、センサ等により衝突を検知して回避する構成でもよい。又、回避する手段は、回転機構７６に限定されず、例えば上下移動用部材７４の上下移動量を大きく取って、下にかわすことも可能である。
【００６０】
なお、前記説明においては、超音波探触子が送信と受信を共に行なうようにされていたが、送信用の探触子と受信用の探触子を分けることも可能である。
【００６１】
又、前記説明においては、本発明が橋桁の亀裂探傷に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、橋桁以外の板状又は棒状の構造物一般の探傷にも同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の適用対象の１つである鋼床版のデッキプレートとＵリブの溶接部の疲労損傷を示す、一部を拡大して示す斜視図
【図２】図１に示した疲労損傷に対する従来の探傷方法を示す断面図
【図３】板波モード図
【図４】従来の問題点を説明するための断面図
【図５】本発明の原理を説明するための概念図
【図６】同じく超音波探傷器の構成を示すブロック図
【図７】同じくバースト波を示す図
【図８】設置形態の変形例を示す断面図
【図９】設置形態の他の変形例を示す断面図
【図１０】本発明を適用した供試体を示す図
【図１１】実験の様子を示す図
【図１２】実験結果の概要を示す図
【図１３】送信周波数の特性を示す図
【図１４】本発明による装置を示す概念図
【図１５】実施例の具体的構成を示す、（Ａ）断面図及び（Ｂ）平面図
【符号の説明】
【００６３】
３０…鋼構造物
３２…基材
３３…損傷
３４…リブ
４０、８０…超音波探触子
４２…超音波探傷器
４４…バースト波送信部
４６…受信部（増幅部）
４８…検波部
５０…評価部
６０…橋桁
６２…デッキプレート（基材）
６４…縦リブ
６６…横リブ（障害物）
７０…移動装置
７２…接続部材
７４…上下移動用部材
７６…回転機構
８２…タイヤ探触子
【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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