(57)【要約】【課題】被検面が平滑ではない複雑な形状を有している検査対象の部位を超音波探傷すること。【解決手段】検査対象の部位の表面に接触し得る大きさであって、超音波の送信用の超音波振動子と、超音波の受信用の超音波振動子とを有する超音波探触子１００と、超音波探触子の受信用の超音波振動子が受信した超音波の大きさを示す信号であって、超音波探触子１００から出力された信号を、開口合成処理する信号処理装置３００とを備える。【選択図】図１
2011252759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検面が平滑ではない複雑な形状を有している検査対象の部位を超音波探傷する超音波探傷システムであって、
前記検査対象の部位の表面に接触し得る大きさであって、超音波の送信用の超音波振動子と、超音波の受信用の超音波振動子とを有する超音波探触子と、
前記超音波探触子の受信用の超音波振動子が受信した超音波の大きさを示す信号であって、前記超音波探触子から出力された信号を、開口合成処理する信号処理装置と
を備える超音波探傷システム。
【請求項２】
前記超音波探触子は、前記検査対象の部位に接触させたときに、前記検査対象の部位の表面からの浮き上がりが０．４ｍｍ以内に抑えられる大きさである
請求項１に記載の超音波探傷システム。
【請求項３】
前記超音波探触子を走査制御するにあたり、前記超音波探触子の３次元の位置及び傾きを含む位置情報を取得する位置情報取得装置
を更に有し、
前記信号処理装置は、前記位置情報取得装置が取得した位置情報を利用して開口合成処理を行う
請求項１又は２に記載の超音波探傷システム。
【請求項４】
前記位置情報取得装置は、走査制御されている前記超音波探触子の３次元の位置と傾きをリアルタイムで計測することによって、前記超音波探触子の位置情報を取得する
請求項３に記載の超音波探傷システム。
【請求項５】
前記位置情報取得装置は、前記検査対象の部位の表面形状を予め取得しておき、当該検査対象の部位に倣って前記超音波探触子が走査制御される際に、予め取得しておいた前記検査対象の部位の表面形状に基づいて、前記超音波探触子の位置情報を取得する
請求項３に記載の超音波探傷システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探傷システムに関する。特に本発明は、被検面が平滑ではない複雑な形状を有している検査対象の部位を超音波探傷する超超音波探傷システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所では、その安全性や信頼性を確保するために定期的に検査が行われている。原子力発電所の配管や圧力容器の検査には、主として超音波を使った非破壊検査が適用されている。超音波を使った非破壊検査は、材料の内部検査が可能で、多くの箇所に適用されている。しかしながら、被検面が平滑ではない複雑な形状を有している部位では、超音波探触子の倣い性が悪いといった問題点等が残されている。
【０００３】
また、近年、原子力発電所は、運転を開始して３０年以上経過し、高経年化が叫ばれており、健全性を確保するニーズが高まっている。そのため、超音波を使った非破壊検査による欠陥の定量化ニーズは、高まりを見せており、精度の高い超音波を使った非破壊検査の手法が望まれている。
【０００４】
近年においては、この課題を解決するため、フェーズドアレイ超音波探傷装置が開発されてきている（例えば、特許文献１参照。）。フェーズドアレイ超音波探傷装置は、超音波を任意の角度へ発生させたり、任意の位置へ集束させたりすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１７０８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の超音波探傷方法においては、水浸法を用いて超音波探傷を行うアダプティブ超音波探傷法と呼ばれる方法を採用している。しかしながら、アダプティブ超音波探傷法は、超音波探触子と被検面との間に水を介在させた水浸法を利用するため、検査対象の部位の浅い位置に欠陥があった場合、欠陥からのエコーが検査対象表面直下のエコーに隠れてしまうという問題がある。
【０００７】
また、原子炉容器のＢＭＩ（Ｂｏｔｔｏｍ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）管台やＣＲＤＭ（Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｒｏｄ  Ｄｒｉｖｅ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）管台の外周Ｊ溶接部のような部位は、その形状が非常に狭隘なため、サイズの大きいフェーズドアレイ超音波探触子を、検査対象の部位に接触させて走査することが難しいという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によると、被検面が平滑ではない複雑な形状を有している検査対象の部位を超音波探傷する超音波探傷システムであって、検査対象の部位の表面に接触し得る大きさであって、超音波の送信用の超音波振動子と、超音波の受信用の超音波振動子とを有する超音波探触子と、超音波探触子の受信用の超音波振動子が受信した超音波の大きさを示す信号であって、超音波探触子から出力された信号を、開口合成処理する信号処理装置とを備える。
【０００９】
超音波探触子は、検査対象の部位に接触させたときに、検査対象の部位の表面からの浮き上がりが０．４ｍｍ以内に抑えられる大きさであってよい。
【００１０】
超音波探触子を走査制御するにあたり、超音波探触子の３次元の位置及び傾きを含む位置情報を取得する位置情報取得装置を更に有し、信号処理装置は、位置情報取得装置が取得した位置情報を利用して開口合成処理を行ってよい。
【００１１】
位置情報取得装置は、走査制御されている超音波探触子の３次元の位置と傾きをリアルタイムで計測することによって、超音波探触子の位置情報を取得してよい。
【００１２】
位置情報取得装置は、検査対象の部位の表面形状を予め取得しておき、当該検査対象の部位に倣って超音波探触子が走査制御される際に、予め取得しておいた検査対象の部位の表面形状に基づいて、超音波探触子の位置情報を取得してよい。
【００１３】
なおまた、上記のように発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。
【発明の効果】
【００１４】
以上の説明から明らかなように、この発明によれば、原子炉容器のＢＭＩ管台やＣＲＤＭ管台のＪ溶接部のように、被検面が平滑ではない複雑な形状を有している検査対象の部位においても、表面近傍の欠陥に対して欠陥検出及び深さサイジングが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施形態に係る超音波探傷システムの一例を示す図である。
【図２】一実施形態に係る超音波探触子１００の一例を示す断面図である。
【図３】一実施形態に係る位置情報取得装置２００の一例を示す図である。
【図４】複数のワイヤ２１５が接続されている状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１７】
図１は、一実施形態に係る超音波探傷システムの一例を示す。超音波探傷システムは、被検面が平滑ではない複雑な形状を有している検査対象の部位を超音波探傷するためのシステムである。超音波探傷システムは、超音波探触子１００、位置情報取得装置２００、信号処理装置３００、及び制御装置４００を備える。
【００１８】
超音波探触子１００は、入力を受け付けた電気信号のレベルに応じたレベルの超音波を送信すると共に、受信した超音波のレベルに応じたレベルの電気信号を出力する手段である。具体的には、超音波探触子１００は、制御装置４００から出力された電気信号の入力を受け付けると、その電気信号のレベルに応じたレベルの超音波を出力する。また、超音波探触子１００は、超音波を受信すると、その超音波のレベルに応じたレベルの電気信号を、信号処理装置３００へ出力する。
【００１９】
位置情報取得装置２００は、検査対象の部位を探傷しているときの超音波探触子１００の位置情報を取得する手段である。具体的には、位置情報取得装置２００は、超音波探触子１００の位置情報として、検査対象の部位に対する超音波探触子１００の３次元の位置と、傾きとを取得する。そして、位置情報取得装置２００は、超音波探触子１００の位置情報を取得すると、その位置情報を示すデータを、信号処理装置３００へ出力する。
【００２０】
信号処理装置３００は、超音波探触子１００から出力された電気信号を信号処理する手段である。具体的には、信号処理装置３００は、超音波探触子１００から出力された電気信号を開口合成処理する。その際、信号処理装置３００は、位置情報取得装置２００から出力されたデータによって示される超音波探触子１００の位置情報を用いて、超音波探触子１００から出力された電気信号を補正しながら開口合成処理する。
【００２１】
制御装置４００は、超音波探触子１００を電気的に制御する手段である。具体的には、制御装置４００は、超音波探触子１００から送信されるべき超音波のレベルを決定するレベルの電気信号を、超音波探触子１００へ出力する。
【００２２】
図２は、一実施形態に係る超音波探触子１００の一例を示す。具体的には、図２は、超音波探触子１００が、その筐体１１０の下面の接触面１１１を介して、検査対象の部位９００と接触している状態を示している。
【００２３】
超音波探触子１００の筐体１１０の内部には、２つの超音波振動子１２０、１３０、遮音板１４０、及び楔１５０が内蔵されている。超音波振動子１２０は、制御装置４００から出力され、入力を受け付けた電気信号のレベルに応じたレベルの超音波を送信する手段である。超音波振動子１３０は、受信した超音波のレベルに応じたレベルの電気信号を出力する手段である。このように、超音波探触子１００は、超音波の送信用の超音波振動子１２０と、超音波の受信用の超音波振動子１３０とを分離した２探探触子構造とされる。これにより、本発明に係る超音波探傷システムでは、超音波探触子１００を、検査対象の部位９００に接触させて超音波探傷する際に、検査対象の部位９００の表面直下のエコーに欠陥信号が隠れてしまうことを防ぐことができる。
【００２４】
遮音板１４０は、超音波探触子１００の筐体１１０の内部において、超音波振動子１２０と超音波振動子１３０との間に配設されている板状の部材である。遮音板１４０は、超音波を伝導させないような材質によって形成される。このようにして、遮音板１４０は、超音波探触子１００の筐体１１０の内部において、超音波振動子１３０から送信された超音波を遮断し、超音波振動子１４０へ直接的に伝播しないようにする。
【００２５】
楔１５０は、超音波探触子１００の筐体１１０の内部に充填されている樹脂である。楔１５０によって、各振動子と接触面１１１との距離をとっている。これによって、本発明に係る超音波探傷システムにおいては、検査対象の部位９００の表面を伝わる音によって欠陥信号が隠れてしまうことを防ぐことができる。
【００２６】
また、各超音波振動子１２０、１３０には、ハの字になるように所定の角度が付けられている。これによって、本発明に係る超音波探傷システムにおいては、接触面１１１より大きい各超音波振動子１２０、１３０を、筐体１１０に収容することができる。また、これにより欠陥端部エコーの検出性を高めることができる。
【００２７】
なお、本発明に係る超音波探傷システムにおいては、原子炉容器のＢＭＩ管台やＣＲＤＭ管台のＪ溶接部の表面の曲率を考慮し、検査対象の部位９００と探触子との隙間での多重エコーを軽減させるために、検査対象の部位９００からの探触子の浮き上がりを０．４ｍｍ以内に抑えるようにする。この条件を満たしつつ、良好な倣い性も確保できる接触面１１１の形状を検討した結果、接触面１１１の形状は、５×５ｍｍの正方形、又はφ５ｍｍの円形とする。
【００２８】
このように、本発明に係る超音波探傷システムにおいて用いられる超音波探触子１００は、極めて小さいサイズの探触子である。しかしながら、超音波探触子１００が受信することができる超音波のレベルは、超音波探触子１００のサイズが小さくなるにつれ低下してしまう。そこで、本発明に係る超音波探傷システムにおいては、超音波探触子１００の出力信号を開口合成処理することによって、欠陥信号レベルを向上させる。
【００２９】
このようにして、原子炉容器のＢＭＩ管台やＣＲＤＭ管台のＪ溶接部のように、被検面が平滑ではない複雑な形状を有している検査対象の部位においても、表面近傍の欠陥に対して欠陥検出及び深さサイジングが可能になる。
【００３０】
ところで、被検面が平滑ではない複雑な形状を有している検査対象の部位９００を超音波探傷する場合、検査対象の部位９００の表面の凹凸形状により超音波探触子１００の位置が上下したり傾いたりするため、開口合成処理の精度が低下してしまう。
【００３１】
そこで、本発明に係る超音波探傷システムでは、検査対象の部位９００の表面上で超音波探触子１００を走査させる際に、その探触子の３次元位置情報（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と傾き（θ）を取得し、超音波の入射点位置に対して、精確な位置情報を与えることで、開口合成処理の精度を向上させる。具体的には、超音波探触子１００の３次元の位置情報と傾きを利用することによって、探触子から発せられるビームの広がりを精確に把握することができる。これにより、欠陥エコーのＳＮ向上と信号位置精度が向上し、検出性とサイジング精度が向上する。超音波探触子１００の位置情報を取得するには、様々な方法が考えられる。
【００３２】
超音波探触子１００の位置情報を取得する方法としては、走査制御されている超音波探触子１００の３次元の位置と傾きをリアルタイムで計測することによって、超音波探触子１００の位置情報を取得する方法が考えられる。具体的には、超音波探触子１００をカメラで撮影し、画像処理を加えて位置情報を得る方法が考えられる。他には、超音波探触子１００から超音波を発し、複数設けた受信素子により得られる音のズレを処理することにより位置情報を得る方法が考えられる。他には、超音波探触子１００へ複数位置からワイヤエンコーダを取り付け、各ワイヤの長さにより位置情報を計算する方法が考えられる。他には、多関節機構で超音波探触子１００を保持し、各関節の長さ、角度情報から位置情報を得る方法が考えられる。
【００３３】
また、超音波探触子１００の位置情報を取得する他の方法としては、検査対象の部位９００の表面形状を予め取得しておき、その後表面形状を把握した検査対象の部位９００に倣って超音波探触子１００を走査制御することで、予め取得しておいた検査対象の部位９００の表面形状に基づいて、超音波探触子１００の位置情報を取得する方法が考えられる。具体的には、３Ｄデジタイザで探傷部位の表面形状を取得し、その部位を探傷する方法が考えられる。他には、設計図から走査面の表面形状を得て、その部位を探傷する方法が考えられる。他には、レーザービームで探傷部位の表面形状を取得し、その部位を探傷する方法が考えられる。他には、水浸超音波探傷で探傷部位の表面形状を取得し、その部位を探傷する方法が考えられる。
【００３４】
本発明に係る超音波探傷システムにおいては、上記のような方法によって超音波探触子１００の位置情報を取得し、その位置情報を用いて開口合成処理を行うので、開口合成処理の精度が向上し、欠陥の深さをより精確にサイジングすることができる。
【００３５】
図３は、一実施形態に係る位置情報取得装置２００の一例を示す。位置情報取得装置２００は、上記の超音波探触子１００の位置情報を取得する方法のうち、超音波探触子１００へ複数位置からワイヤエンコーダを取り付け、各ワイヤの長さにより位置情報を算出する装置である。
【００３６】
位置情報取得装置２００は、保持機構２１０、及び走査機構２２０によって構成される。保持機構２１０は、超音波探触子１００を保持する手段である。走査機構２２０は、保持機構２１０を目標探傷部位へと移動せしめる手段である。
【００３７】
保持機構２１０は、ホルダ２１１、板ばね２１２、ＸＹステージ２１３、ワイヤ基部２１４、及び複数のワイヤ２１５（図中には、１本だけ示されている）によって構成される。ホルダ２１１は、超音波探触子１００を回転自在に保持している部材である。板ばね２１２は、ホルダ２１１の一端を支持し、押付圧力を生じさせる部材である。ＸＹステージ２１３は、超音波探触子１００、ホルダ２１１、及び板ばね２１２を溶接部に沿う２次元平面上で直交２軸に走査させる部材である。ワイヤ基部２１４は、ＸＹステージ２１３と剛接続している部材である。
【００３８】
各ワイヤ２１５は、その一端がワイヤ基部２１４に接続され、他端が超音波探触子１００に接続されている（図４参照）。具体的には、各ワイヤ２１５ａ〜ｈの一端は、ワイヤ基部２１４の表面上に設けられた８点の位置にそれぞれ接続されている。この８点を、αｉ（ｉ＝１〜８）と呼ぶ。また、各ワイヤ２１５ａ〜ｃの他端は、超音波探触子側面に超音波探触子から一定距離をとった点β１にそれぞれ接続されている。同様に、各ワイヤ２１５ｄ〜ｆの他端は、超音波探触子側面に超音波探触子から一定距離をとった点β２にそれぞれ接続されている。また、各ワイヤ２１５ｇ、２１５ｈの他端は、超音波探触子上の点β３にそれぞれ接続されている。これら各ワイヤ２１５ａ〜ｈは、ワイヤエンコーダのように長さが変化し、且つその長さの計測が可能となっている。
【００３９】
走査機構２２０は、複数のアーム部材２２１ａ〜ｃ（以下、アーム２２１と総称する。）、複数の関節部材２２２ａ、ｂ（以下、関節部材２２２と総称する。）、及び走査制御装置２２３によって構成される。各アーム部材２２１は、少なくともその一端が関節部材２２２に接続されており、関節部材が回動すると、その動きに伴い駆動する。走査制御装置２２０は、保持機構２１０、及び関節部材２２２の動作を制御することによって超音波探触子１００を走査制御すると共に、そのときの超音波探触子１００の位置情報を算出する。
【００４０】
走査制御装置２２３は、下記のような方法によって超音波探触子１００の位置情報を算出する。まず、走査制御装置２２３は、走査機構に設けられたアーム２２１の長さ、関節部材２２２より出力される回転角度からＸＹステージの位置情報を取得する。ＸＹステージからの超音波探触子１００の相対位置情報については、複雑形状をなす溶接部上を板ばねで保持した超音波探触子１００が移動することになるため、ワイヤ基部から伸びるワイヤ長を計測し、この長さを基にして超音波探触子１００の３次元位置、傾きを得る。
【００４１】
具体的には、走査制御装置２２３は、ワイヤ基部２１４の８点から、超音波探触子１００の３点までのそれぞれのワイヤ長を計測し、超音波探触子１００の中心位置座標を求める。ワイヤ基部上のαｉ（ｉ＝１〜８）から超音波探触子上の点β１、β２、β３までの距離ｌｉ（ｉ＝１〜８）を計測する。点αｉ（ｉ＝１〜３）の位置座標と距離ｌｉ（ｉ＝１〜３）から点β１、点αｉ（ｉ＝４〜６）の位置座標と距離ｌｉ（ｉ＝４〜６）からβ２の位置座標を算出する。点α７、α８、β１、β２の位置座標と距離ｌ７、ｌ８から点β３の位置座標を算出する。
【００４２】
そして、走査制御装置２２３は、点β１、β２、β３の位置座標から超音波探触子１００の接触面１１１の中心座標点Ａの位置座標を算出する。なお、点Ａ、β１、β２、β３の超音波探触子１００上での相対位置関係は予め把握されている。また、走査制御装置２２３は、点Ａ、β２の位置座標から超音波探触子１００の傾きを算出する。なお、ワイヤ基部２１４の表面をＸＹ平面とする座標系において、平面上の３点（ｘｉ、ｙｉ、０）、（ｘｊ、ｙｊ、０）、（ｘｋ、ｙｋ、０）からの距離がｌｉ、ｌｊ、ｌｋとなる点の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を求める算出式を連立方程式（１）に示す。但し、Ｚ＞０とする。
【数１】
2011252759.tif 000003
Ｘ、Ｙ、Ｚの各値は、連立方程式（１）を展開することによって、それぞれ式（２）のようになる。
【数２】
2011252759.tif 000004
【００４３】
このようにして、走査制御装置２２３は、走査機構２２０の各関節より得られる情報を利用して算出したＸＹステージの位置と、ワイヤ長を利用して得られる超音波探触子１００のＸＹステージからの相対距離より、超音波探触子１００の接触面１１１の中心座標点Ａ（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）を算出する。
【００４４】
また、走査制御装置２２３は、保持機構２１０におけるＸＹステージ２１３が一定距離動作する度に、超音波探触子１００の出力信号を取得するためのトリガー信号を、信号処理装置３００に出力する。信号処理装置３００は、このトリガー信号を受信した時の超音波探触子１００の出力信号を取得する。そして、信号処理装置３００は、トリガー信号を基にして、超音波探触子１００の位置情報と超音波探傷データの紐付けを行うことにより、開口合成処理を実施する。その際、信号処理装置３００は、波面の位置を２つの振動子の中心位置をそれぞれ焦点とした楕円形の波面を基にして開口合成処理を行う。このようにすることで、２探探触子を用いた場合の開口合成処理の精度を向上させることができる。
【００４５】
欠陥からの信号レベルは、超音波探触子１００から離れた位置にあるほど弱くなる。そこで、信号処理装置３００は、音波が帰ってくるまでにかかる時間が長くなるほど、その信号レベルに利得をかけて、各々の深さの欠陥から得られる信号レベルが等しくなるようにした後に、開口合成処理を行う。このようにすることで、深い欠陥の検出性が向上する。なお、各深さに対応した利得の値は、予め深さの分かっている開口欠陥を設けた試験体（探傷部位と同材料）を探傷し、その結果を利用して決定する。
【００４６】
以上説明したように、本発明に係る超音波探傷システムでは、ＢＭＩ管台やＣＲＤＭ管台のＪ溶接部においても高精度な超音波探傷を実現することができる。
【００４７】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００４８】
１００  超音波探触子
１１０  筐体
１１１  接触面
１２０  超音波振動子
１３０  超音波振動子
１４０  遮音板
２００  位置情報取得装置
２１０  保持機構
２１１  ホルダ
２１２  板ばね
２１３  ＸＹステージ
２１４  ワイヤ基部
２１５  ワイヤ
２２０  走査機構
２２１  アーム部材
２２２  関節部材
２２３  走査制御装置
３００  信号処理装置
４００  制御装置
９００  検査対象の部位
【図１】
2011252759.tif 000005
【図２】
2011252759.tif 000006
【図３】
2011252759.tif 000007
【図４】
2011252759.tif 000008