(57)【要約】【課題】内面に増肉部が発生している鋼管においても、タンデム探傷が成立するようにする。【解決手段】管体（鋼管１）の管軸方向溶接部２の溶接面に対して超音波を入射する送波部６と、溶接部２で反射した反射波９の一部又は全部を受波する受波部７とを有し、前記送波部６及び受波部７は、管体周方向に配置された一又は二以上の探傷用アレイ探触子５上の異なる振動子群からなる送受信部とを備えた管体（１）の超音波探傷装置で管体を探傷する際に、管体（１）の肉厚分布を測定し、測定した肉厚分布に基づいて、前記探傷用アレイ探触子５を用いて、管体（１）の厚さ方向に走査するための超音波の伝播経路を算出し、算出された伝播経路に基づいて、前記探傷用アレイ探触子５上で前記送波部６及び受波部７に対応する振動子群を変更する、又は、前記探傷用アレイ探触子５の角度を変更するように制御して、管体（１）の厚さ方向に走査する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管体の管軸方向溶接部の溶接面に対して超音波を入射する送波部と、溶接部で反射した反射波の一部又は全部を受波する受波部とを有し、前記送波部及び受波部が、管体周方向に配置された一又は二以上の探傷用アレイ探触子上の異なる振動子群からなる送受信部と、
管体の肉厚分布を測定するための肉厚測定用探触子と、
該肉厚測定用探触子で測定した肉厚分布に基づいて、前記探傷用アレイ探触子を用いて、管体の厚さ方向に走査するための超音波の伝播経路を算出する伝播経路算出手段と、
算出された伝播経路に基づいて、前記探傷用アレイ探触子上で前記送波部及び受波部に対応する振動子群を変更する、又は、前記探傷用アレイ探触子の角度を変更するように制御して、管体の厚さ方向に走査する制御を行なう制御部と、
を備えたことを特徴とする管体の超音波探傷装置。
【請求項２】
管体の管軸方向溶接部の溶接面に対して超音波を入射する送波部と、溶接部で反射した反射波の一部又は全部を受波する受波部とを有し、前記送波部及び受波部が、管体周方向に配置された一又は二以上の探傷用アレイ探触子上の異なる振動子群からなる送受信部とを備えた管体の超音波探傷装置で管体を探傷する際に、
管体の肉厚分布を測定し、
測定した肉厚分布に基づいて、前記探傷用アレイ探触子を用いて、管体の厚さ方向に走査するための超音波の伝播経路を算出し、
算出された伝播経路に基づいて、前記探傷用アレイ探触子上で前記送波部及び受波部に対応する振動子群を変更する、又は、前記探傷用アレイ探触子の角度を変更するように制御して、管体の厚さ方向に走査することを特徴とする管体の超音波探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管体の超音波探傷装置及び超音波探傷方法に係り、特に、溶接鋼管の溶接部に発生する微小な欠陥を超音波探傷で精度良く検出するための管体の超音波探傷装置及び超音波探傷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接鋼管では溶接部の品質が非常に重要であり、製造工程においては一般に超音波斜角探傷によって溶接部のオンライン探傷が行われている。この方法は、被検材の検査面に対して斜めに超音波を入射させ、欠陥で反射した反射波から被検材の内外表面欠陥および内部欠陥を検出するものである。通常、例えば電縫管では５ＭＨｚで４５゜の屈折角を持つ超音波ビームによる反射法が適用され、ｍｍオーダーの大きさの欠陥、例えば溶込不良、溶け落ち、介在物による割れなどの欠陥が検出される。
【０００３】
一方、最近では溶接鋼管に対する品質要求が厳しくなり、従来よりも小さい欠陥の検出が求められるようになってきている。例えば、電縫管では冷接欠陥や微小ペネトレータ、レーザー溶接管ではブローホールなどで、これらの欠陥の大きさは数１０μｍ〜数１００μｍと非常に微小である。また、発生位置は溶接線に沿って内面から外面までのいずれの場所でも発生する可能性があり、欠陥の位置によっては超音波ビームの入射点と帰点が異なってしまう。これらの影響のため、従来実用されている超音波探傷法では検出できない場合が多く、より精度良く検出できる技術が求められている。
【０００４】
溶接鋼管の微小欠陥を検出する方法として、これまで以下のような従来技術が開示されている。特許文献１では、斜角探傷において周波数８ＭＨｚ以上のポイントフォーカス型探触子を用いるようにし、ペネトレータに対する検出能を向上させるようにしている。また、特許文献２では、アレイ探触子によりフォーカスビームを形成して検出能を向上させ、セクタスキャンによって溶接部の内面側から外面側までをスキャンするようにしてブローホールを検出できるようにしている。
【０００５】
また、特許文献３では、超音波の周波数を２５ＭＨｚ以上５００ＭＨｚ以下として入射角０゜以上２０゜以下で管外面側から溶接部に入射させることで、数μｍ以下の微細なＦｅＯが群をなして夾雑している冷接欠陥を検出できるようにしている。さらに、特許文献４では、周波数２０ＭＨｚ〜８０ＭＨｚのポイントフォーカス型探触子を複数用い、シーム直上から集束位置が３ｍｍ以下のピッチとなるように配置することで、０．１ｍｍ以上のブローホールを検出できるようにしている。
【０００６】
なお、［発明の開示］において、下記の特許文献５及び非特許文献１を引用するので、ここにあわせて記載しておく。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６０−２０５３５６号公報
【特許文献２】特開平１１−１８３４４６号公報
【特許文献３】特開昭６１−１１１４６１号公報
【特許文献４】特開平７−３５７２９号公報
【特許文献５】特開平４−２７４７５６号公報
【非特許文献１】日本鉄鋼協会編「超音波探傷シリーズ（II）  溶接鋼管の超音波探傷法」１９８８年、２８〜３１頁
【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、上述の開示技術においても、以下に述べるような問題が残されていた。先ず特許文献１の方法では、集束した超音波のビーム幅が狭いため、溶接部の深さ方向（鋼管の肉厚方向）の全域を見逃しがないように探傷するためには、数多くのチャンネルが必要で設備コストが高くなる上、管のサイズが変わった際の位置調整などが非常に面倒であるという問題がある。また、欠陥形状がブローホール状ではなくペネトレータや冷接のように面状で、かつ位置が肉厚内部にある場合は、反射波が入射方向とは異なる方向に行ってしまうため検出が困難である。
【０００９】
また特許文献２の方法では、アレイ探触子が１個で済み、サイズ替わりの際の設定も電子的に行えるので、特許文献１で示した前者の問題はないものの、後者の問題については依然として未解決のままである。また、前者の問題を解決する電子的な走査において、超音波の送波ビームおよび受波ビームの伝搬経路の幾何学的な計算は、鋼管が真円であることを前提にしているため、鋼管１の内面に増肉部分１ａが発生したロットでは、反射経路が変わって電子的な走査ができないという問題がある。
【００１０】
さらに欠陥形状が上記のように面状の場合、例えば電縫管ではシーム部にアプセットがかかっているためにシーム直上から見た欠陥の幅は１００μｍ以下と非常に細く、特許文献３および特許文献４の方法であっても、実際には欠陥からの反射波は非常に弱くて検出困難な場合が多い。また、表面エコー近傍の１〜２ｍｍ程度は表面エコーの残響によって不感帯となるため、欠陥の位置が外面近傍にある場合は検出できないという問題がある。
【００１１】
このように、溶接鋼管の管軸方向の溶接部に発生する数１００μｍ程度以下の微小欠陥を検出する技術は、溶接部を切り出したテストサンプルを、オフラインで測定するＣスキャン法であれば可能であるが、数１００μｍ程度以下の欠陥を非破壊で、且つ、オンラインで精度良く、安定して検出する技術はいまだに確立されていなかった。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電縫管などの溶接部の肉厚内部に位置する数１００μｍ程度以下の微小な欠陥を、内面に増肉部分が発生している場合であっても、内面から外面まで漏れなく検出できるようにする管体の超音波探傷装置および超音波探傷方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の請求項１に係る発明は、管体の管軸方向溶接部の溶接面に対して超音波を入射する送波部と、溶接部で反射した反射波の一部又は全部を受波する受波部とを有し、前記送波部及び受波部が、管体周方向に配置された一又は二以上の探傷用アレイ探触子上の異なる振動子群からなる送受信部と、管体の肉厚分布を測定するための肉厚測定用探触子と、該肉厚測定用探触子で測定した肉厚分布に基づいて、前記探傷用アレイ探触子を用いて、管体の厚さ方向に走査するための超音波の伝播経路を算出する伝播経路算出手段と、算出された伝播経路に基づいて、前記探傷用アレイ探触子上で前記送波部及び受波部に対応する振動子群を変更する、又は、前記探傷用アレイ探触子の角度を変更するように制御して、管体の厚さ方向に走査する制御を行なう制御部と、を備えたことを特徴とする管体の超音波探傷装置である。
【００１４】
又、本発明の請求項２に係る発明は、管体の管軸方向溶接部の溶接面に対して超音波を入射する送波部と、溶接部で反射した反射波の一部又は全部を受波する受波部とを有し、前記送波部及び受波部が、管体周方向に配置された一又は二以上の探傷用アレイ探触子上の異なる振動子群からなる送受信部とを備えた管体の超音波探傷装置で管体を探傷する際に、管体の肉厚分布を測定し、測定した肉厚分布に基づいて、前記探傷用アレイ探触子を用いて、管体の厚さ方向に走査するための超音波の伝播経路を算出し、算出された伝播経路に基づいて、前記探傷用アレイ探触子上で前記送波部及び受波部に対応する振動子群を変更する、又は、前記探傷用アレイ探触子の角度を変更するように制御して管体の厚さ方向に走査することを特徴とする管体の超音波探傷方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、内面に増肉部分が発生している電縫管などの溶接部の肉厚内部に位置する数１００μｍ程度以下の微小な欠陥を、内面から外面まで漏れなく検出できるようになるため、溶接鋼管の溶接部の機械的特性に影響を及ぼす微小欠陥が発生しないように溶接プロセスを改善したり、欠陥が流出しないように製造工程で選別できるようになり、溶接鋼管の品質を飛躍的に高めることができ、従来以上に過酷な使用条件で使用できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
まず、発明者は、検出対象とする欠陥の反射特性の調査を行い、微小欠陥を検出するための、超音波の欠陥への入射角や、欠陥で反射する反射波について受波する超音波の反射角の最適範囲を求めた。詳細を以下に記載する。
【００１７】
［欠陥の反射特性の解析］
本発明が対象とする電縫溶接鋼管の溶接部に存在するペネトレータや冷接欠陥などの微小欠陥は、溶接部をアプセットして溶接鋼管を製造することから、管周方向にはつぶされ薄くなり、一方、管厚み（管径）方向と管軸方向、即ち、管軸溶接面内には伸ばされ、面積を有する平坦な形状であると想定される。
【００１８】
そこで、欠陥の大きさと反射指向性の関係を理論的に検討し、図１０に示す結果を得た。ここで、図１０に示した結果は、図１１に示すように、超音波を−４５°方向から入射し、周波数１０ＭＨｚ、１５ＭＨｚ、２０ＭＨｚにおいて、それぞれ管肉厚方向に対応する（図１１では横方向に対応する）欠陥サイズ０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．８ｍｍの条件で、各反射角度における信号強度を理論的に計算して求めたものである。なお、図１０の縦軸は正反射角度である４５°の信号強度を基準値１として、規格化した相対値で示している。いずれの場合も超音波を入射した−４５゜方向に反射する反射波の信号強度は非常に低く、正反射方向４５゜のおよそ０．２以下である。いずれの場合も正反射方向である４５゜方向が最も強いことがわかる。
【００１９】
この計算条件で指向性が最も鋭い欠陥サイズ０．８ｍｍの２０ＭＨｚでは、正反射角度の信号強度に対して、信号強度が半分（図１０で値が０．５）になる角度は４０゜〜５０゜の範囲である。このように、欠陥サイズによって指向性は異なるため、検出したい欠陥の大きさによって受波ビームの溶接部に対する入射角の範囲を決定すればよい。例えば、より大きな欠陥も感度の低下なく検出するためには受波ビームの溶接部に対する入射角は４５゜に近い角度が望ましく、例えば１５ＭＨｚで０．８ｍｍの欠陥の信号強度低下を半分に抑えるには３９゜〜５２゜以内の範囲が好ましい。反対に例えば１５ＭＨｚで０．４ｍｍ以下のみの小さな欠陥を対象とする場合は３３゜〜６１゜の範囲でも好ましい。
【００２０】
上記解析により、欠陥における超音波の反射信号は、正反射方向をピークとして信号強度が高いことを見出した。その正反射方向の超音波を受波することが最も好ましいが、反射強度がピークの５０％であれば十分に検出できるので、その範囲に対応する角度範囲に反射した超音波を受波すればよいことが分った。
【００２１】
図１０に示される、周波数１５ＭＨｚで欠陥サイズ０．４ｍｍの反射指向性の結果からすれば、反射強度がピークの５０％以上となる反射角度が３３〜６１°であるから、正反射角度である４５°を基準として、−１２°〜＋１６°の範囲が好ましい範囲である。また、周波数２０ＭＨｚで欠陥サイズ０．８ｍｍまでを対象とすれば、正反射角度に対して、−５〜＋５°の範囲が好ましい範囲となる。また、上述の例は、欠陥への入射角４５°で反射角度特性を示したが、逆の反射角度を４５°としたときの入射角特性も同様の結果が得られる。また、４５°以外の入射角度であっても、後述するモード変換ロスの条件をクリアできる入射角度範囲であれば、ほぼ同様な特性が得られる。
【００２２】
そして、この欠陥の反射特性に基づき、超音波センサの構成について検討を行った内容について以下に説明する。
【００２３】
［タンデム構成］
上記のような欠陥反射特性の知見によれば、欠陥での正反射方向を中心として所定の角度範囲に反射した超音波を受波するためには、受波用超音波探触子を、送波用超音波探触子とは別の位置に配置する、いわゆるタンデム配置の構成とすることが好ましい。しかしながら、特許文献１のような、ポイントフォーカス型探触子を用いて、溶接部の管肉厚み方向（管径方向）に、抜けなく検査をするために、複数の探触子を配置する必要がある。また、より小さい欠陥を検出するために、ビームを集束するための大開口径化を指向することになる。このことを、装置構成として実現するには、エンジニアリング的、コスト的に非常に困難である。
【００２４】
そこで、本発明においては、アレイ探触子を用い、送信部と受信部が異なるタンデム構成とした。アレイ探触子を用いることにより、送波部の振動子群と受波部の振動子群、および／または送波時の屈折角と受波時の屈折角を順次変更していくことで、超音波ビームの集束位置を溶接部の管肉厚み方向の内面側から外面側まで（あるいは、外面側から内面側まで。向きはどちらでもよい。）走査させることができ、内面側から外面側まで不感帯なく探傷可能となる。また、アレイ探触子を使用しているため、管のサイズが変わっても、走査範囲および集束位置を容易に変更でき、事前の設定調整が非常に簡単にもなる。このように、アレイ探触子の振動子をタンデム配置となるように選択し、且つ、厚み方向に抜けの無い検査を実現するようにした。
【００２５】
なお、このタンデム構成は正反射方向に対し所定の角度範囲の反射波を受波することで感度向上のメリットがあるが、それ以外に、以下に述べるように他の感度向上効果があり、微小欠陥を確実に検出するためには、タンデム構成とすることが望ましいとの知見に至った。
【００２６】
図１２は、非タンデム構成とタンデム構成との比較を模式的に示す図である。図１２（ａ）はアレイ探触子を用いて、送波部と受波部を同じとする一般的な反射法で溶接部を探傷する場合を示したものである。超音波は、アレイ探触子の振動子群から発せられて、管外面で屈折して管の内部に入り、溶接部に達する。欠陥があれば反射して、送波時と同じ経路を辿って送波した振動子群に入射し、受波される。ここで、受波する際に、欠陥からの反射波以外に、アレイ探触子内部での残響、管外面の表面粗さに起因する乱反射波、管外面で反射しアレイ探触子やその保持部などでの反射波、管内面の表面粗さやビード切削残りでの反射波が、アレイ探触子に向かう。このように、一般的な反射法の場合は、これらの不要な反射波、つまりノイズが、欠陥信号に重畳して、受波されるので、信号感度、Ｓ／Ｎ比が悪い状態の検出を行っている。また、そのノイズ除去は非常に困難を要するものである。
【００２７】
一方、図１２（ｂ）に送波と受波を別の振動子群を用いたタンデム構成の場合を示した。超音波は、アレイ探触子の送波用振動子群から発せられて、管外面で屈折して管の内部に入り、溶接部に達する。欠陥があればそこで反射し、この時、正反射方向に最も強く進み、その後管内面で反射した後、管外面に達し、屈折して受波用の振動子群に入射し、受波される。このような経路を辿るため、アレイ探触子内部での残響、管外面の表面粗さに起因する乱反射、管外面で反射しアレイ探触子やその保持部などで反射、管内面の表面粗さやビード切削残りでの反射は、全て送波用の振動子群へ向かうが、受波用の振動子群には到達しない。つまり、タンデム構成における受波用振動子群で受波する信号には、超音波の乱反射に起因するノイズエコーが重畳せず、ノイズの影響をほとんど受けず、図１２（ａ）に示す一般的な反射法に比べて極めて高いＳ／Ｎを得ることができることとなり、正反射方向の反射波を取ることの効果とノイズ低減の効果が得られて、微小欠陥の検出を容易とするものである。
【００２８】
図１３は、タンデム構成をとらない送受波を同じ探触子で行う一探法とタンデム法とを比較した探傷結果の一例である。
【００２９】
比較するために使用した被検査管体には、図１４に示すような３種類のドリル穴ＤＨを設けている。すなわち、異なる肉厚方向の３箇所に、肉厚方向と管軸方向からなる面に対し、直交方向にあけたφ１ｍｍのドリル穴（図１４（ａ））、肉厚方向にφ１．６ｍｍで貫通するドリル穴（図１４（ｂ））、および管軸方向にφ１．６ｍｍで貫通するドリル穴（図１４（ｃ））である。
【００３０】
図１３（ａ）は従来法での探傷画像データ、（ｃ）は本発明での探傷画像データであり、探傷画像（ａ）、（ｃ）の検出状況を説明するために、（ｂ）は（ａ）を模式的に示した図、（ｄ）は本発明での探傷画像である（ｃ）を模式的に示した図である。なお、画像データ（ａ）、（ｃ）においては、信号強度が高いほど白くなるように表示している。
【００３１】
上述のように、タンデム構成は、従来法に対して、検出性能を向上させることがわかった。しかし、曲率をもった管体に適用するにあたり、いくつかの困難があることが判明した。その解決策について以下に説明する。
【００３２】
この結果からわかるように、一探法では内面側表面粗さによるノイズが強く発生しており、微小欠陥を模擬したφ１ｍｍドリル穴先端（図１４（ａ）参照）からのエコーはノイズに埋もれて、その検出が困難である。特に肉厚内部からの反射は非常に弱くなっており、ほとんど検出されていない。一方、タンデム法では内面側表面粗さによるノイズは弱くなり、φ１ｍｍドリル穴先端からのエコーにも影響を及ぼすことなく、肉厚内部も含めて明瞭に検出できるようになった。
【００３３】
上述のように、タンデム法は、一探法に対して、検出性能を向上させることがわかった。しかし、曲率を持ち、場合によって内面に増肉部分が発生する管体に適用するにあたり、いくつかの困難があることが判明した。その解決策について以下に説明する。
【００３４】
［モード変換ロスの検討］
上述のようにタンデム構成により高感度化が十分達成できることを見出した。しかし、タンデム構成の高感度化を維持するためには、超音波の鋼管内部の伝播過程で、管の内面や外面、欠陥で反射する際の、「モード変換ロス」による信号強度の減衰が発生しないようにしなければならない。モード変換ロスは、鋼管に入射する超音波は横波超音波であるが、反射条件により縦波超音波に変換し、その結果、信号強度が減衰し、検出感度が低下する現象である。この現象を、図を用いて説明する。
【００３５】
図１５は、平鋼板でのモード変換ロスを説明する図である。図１５（ａ）は平鋼板のタンデム構成での探傷（以下、タンデム探傷とも記載する）を示している。平鋼板に対して横波超音波を入射し、その屈折角をθとすると、平鋼板では、溶接面への入射角θａは（９０°−θ）となる。また、底面への入射角θｂはθとなる。ここで、鋼中においては、横波超音波が溶接部や鋼板底面などで反射する際に、約３３°以下の入射角で入射すると、反射でのモード変換によって縦波超音波が図の点線方向に生じてしまうことが知られている。
【００３６】
例えば、図１５（ａ）のように、θが大きい（約５７°以上）と、θａが小さく（約３３°以下）なり、溶接部の反射でモード変換が発生し、図１５（ｂ）のように、θが小さい（約３３°以下）と、溶接部の反射でモード変換が発生しないが、θｂは約３３°以下となるため、モード変換が発生する。このような横波から縦波へのモード変換が生ずると、タンデム探傷方向の超音波強度は弱まってしまい、その結果、検出感度が低下する。このように反射時に超音波が横波から縦波にモード変換し、横波超音波の強度が減衰する現象をモード変換ロスという。ここで、図１５（ｃ）は、反射する時に、その入射角に対する超音波が溶接面と内面とで２回反射したときの、反射強度の変化を示したもので、これに示されるように、理論値として入射角３３．２°〜５６．８°の範囲とすれば、モード変換ロスは生じない。
【００３７】
なお、平鋼板であれば、アレイ探触子面と平鋼板上面との相対角度は場所によらず一定であるので、溶接面を超音波ビームで走査するために、送波部と受波部を構成する振動子群を移動させた場合でも、任意の位置で、平鋼板上面に対するアレイ探触子面の相対角度と探触子面に対する送波ビームの角度を検討しておけば、モード変換ロスが発生するか否かの屈折角条件は、容易に判断できる。
【００３８】
しかしながら、鋼管のタンデム探傷では、曲率の影響により、平鋼板のように単純にいかないことを図１６で説明する。前述の平鋼板と同様に、図１６（ａ）に示す如く、溶接面の角度を基準角度０°とした時に、屈折角θとなるようにアレイ探触子から超音波が鋼管に入射する場合を考える。なお、鋼管外面への入射点（入射位置）は、入射点における外面法線方向と溶接面とのなす角がθ１となる位置とする。このときの溶接面への入射角θａは（９０°−θ）にはならず、（９０°−θ−θ１）となる。同様に、底面への入射角θｂはθにはならず、（θ＋θ２）となる。
【００３９】
この例においては、θ１＜θ２であるから、平鋼板に比べると、モード変換ロスが生じない屈折角の範囲は最大でθ２だけ狭くなることになる。一例をあげると、肉厚ｔ／外径Ｄ＝３．４％の鋼管では、例えば屈折角が約４５°とすれば、θ２は約４゜であるから、屈折角に対応させると、モード変換ロスが生じない屈折角の範囲は３７゜〜５３゜と狭くなる。なお、現実的に考えられる鋼管のサイズからすると、θ２は１．７°〜１１．２５°程度の範囲になる。      
【００４０】
なお、ｔ／Ｄを最も小さい値からｔ／Ｄ＝５％程度までで、主要な鋼管サイズのかなりがカバーでき、ｔ／Ｄ＝５％では、θ２が６．８°となる。この場合、屈折角の範囲は４０゜〜５０゜となる。
【００４１】
さらに、ここでアレイ振動子が一般的に直線状であり鋼管に曲率があることを考慮すると、図１６（ｂ）に示すように、平鋼板の場合と同様にアレイ振動子から超音波ビームを一定角度（図では探触子面に対して９０°）で送波すると、鋼管への入射角は一定角度にはならず、よって屈折角も一定にはならない。タンデム探傷を行うためには、アレイ振動子からのビームスキャン幅を肉厚の倍として、先のｔ／Ｄ＝３．４％の鋼管を例に取ると、中心で屈折角４５°となるように探触子を配置しても、スキャン幅内で屈折角は３１°〜６２°と変化してしまい、モード変換ロスが生じない範囲を超えてしまう。
【００４２】
従って、上記問題があるので鋼管の曲率を考慮して、溶接面および底面でモード変換ロスが生じないよう屈折角が一定範囲となるようにビームを制御しないと、鋼管を高い感度でタンデム探傷することはできない。管体の溶接面および管体の内面への入射角を上記θ２を考慮して屈折角に変換すると、ｔ／Ｄが最も小さな値のときで入射角の理論値に対して、屈折角は３５゜〜５５゜の角度になる。
【００４３】
つまり、超音波ビームを走査して測定位置を移動させていくと、鋼管への超音波入射角（屈折角）を変化させていくことになるので、モード変換ロスの発生する角度になるのか否かが容易に判断できず、その方法は確立されていなかった。
【００４４】
発明者は、モード変換ロスの発生しないように入射角度を、一例として以下に示す走査線の決定方法により、設定することを実現した。
【００４５】
以下、屈折角度は、モード変換ロスが発生しない屈折角度範囲に設定する手順について説明する。
【００４６】
１）屈折角を決め、アレイ探触子の位置および角度を定める。
１）−１：溶接面への入射角θａを考慮して、屈折角θを決定する。モード変換ロスが発生しない理論的な溶接面への入射角は、３３．２°≦θａ≦５６．８°であり、この範囲内であれば溶接面を管肉厚み方向の内面外面にかけて走査する際に、溶接面への入射角が一定でなく、変化しても構わない。よって、ここでは計算を容易にするために、屈折角θが一定になるようにする例で示す。ここで、溶接面への入射角度θａは、θａ＝９０°−θ−θ１であり、また、θ１は、０〜θ２の範囲で溶接部肉厚方向位置により変化する（例えば、内面側ではθ１＝θ２、外面側でθ１＝０となる。）。例えば、θ２＝４°、屈折角４５°のときは、θａ＝４１°〜４５°。また、溶接部の管肉厚中心近傍に入射するときに屈折角を４７°とすれば、溶接部の肉厚方向中心部でθａ＝約４５°となり、内外面での走査では、θａ＝４３°〜４７°の範囲となる。
１）−２：アレイ探触子の中心に位置する振動子から、その探触子面に対して垂直方向に送波されるビームが、所定の屈折角度（例えば、４５°）で、横波超音波が鋼管外面側から入射し、溶接面の内面側端（または外面側端）の位置に所定の入射角（例えば、上述の例では４１°）で入射するように、アレイ探触子の位置および角度を定める。
【００４７】
２）アレイ探触子の各振動子から送受波される走査線が管の外面上に入射する位置を決める。
２）−１：決め方は色々あるが、例えば、対象となる振動子（又は振動子の間の位置）について、管外面上を走査して、振動子位置と外面走査位置と外面接線とで決まる屈折角θを算出し、θが１）−１で決めた値になる外面上の入射位置を決定する。具体的には、各振動子から外面上の各点（例えば、各点は外周上に等間隔や任意間隔に配置）とを直線で結んで走査線を定め、それら各走査線について屈折角θを計算し、θが所定の屈折角と同じ、あるいは、最も近い値となる走査線を選択し、その走査線の入射位置とする。
２）−２：振動子位置と上記２）−１で決めた外面上の入射位置と管形状（径と厚さ）から管入射後の伝播経路を幾何学的に求め、溶接面への入射位置を割り出す。
【００４８】
３）上記１）でアレイ探触子の中心で位置決めし、かつ屈折角一定で上記処理をしているので、アレイ探触子中心の走査線を基準として対称的に、溶接面上に２）−２で求めた伝播経路（走査線）のルートの組合せ(ペア)ができる。このペアを送波・受波の走査線とし、送波部・受波部それぞれの中心振動子とする（この振動子を中心に送波部・受波部の振動子群が形成される）。なお、振動子群の数が偶数の場合は、中心位置が振動子の境界に修正されて、上記処理を行う。さらに、ここでは屈折角θ一定として計算したが、溶接面への入射角θａを一定として計算してもよいし、θおよびθａの双方を変化させることも可能である。
【００４９】
詳細は後述するが、振動子群を適宜制御するまたは曲率をもったアレイ探触子にするようにすれば、入射角、屈折角をモード変換ロスを生じない理論的範囲に収めることができる。なお、横波での探傷に適した屈折角は、およそ３０゜〜７０゜の範囲で適用できるが、横波が欠陥および内面で反射する際の音圧反射率の角度依存性を考慮すると、全反射となるおよそ３５゜〜５５゜の範囲がより望ましい。さらに、安定性を考慮して４０゜〜５０゜の範囲にしてもよい。また、送波と受波の屈折角は同一であることが最も望ましいが、欠陥の反射指向性はブロードであることから、反射指向性の範囲内で異なっていても適用できる。
【００５０】
上述の説明は、内面に増肉部分が発生しない場合、つまり、管体を真円とした場合を説明したが、実際の管体では、ロットにより、内面に増肉部分が発生する場合があり、真円とならない場合もある。そのような場合には、上述の真円で経路を算出する手順に加えて、図１（ａ）に例示するような、探傷用アレイ探触子５と肉厚測定用アレイ探触子５０を備えた装置構成で、内面形状を求めて、その結果に基づき経路を決定する。つまり、図１（ｂ）に示す如く、溶接部（シーム）２の直上に設けた肉厚測定用アレイ探触子５０により肉厚分布を測定し、この結果から内面形状を決定する。そして、この結果を元に、図１（ｃ）に示す如く、内面での反射経路を求めて、タンデム探傷を実現する。
【００５１】
具体的には、肉厚を測定し、例えば多項近似式により、内面形状を算出しておく。そして、送波後の伝播経路を、真円であるとして計算して、先の求めた内面（形状近似式）との交点を求める。さらに、内面角度（形状近似式の微分）に基づいて反射経路を求めて、真円として屈折経路を求めるようにする。
【００５２】
［入射角一定の制御］
曲率を有する管体にタンデム化されたアレイ探触子を適用するに際しては、一般的なアレイ探触子は直線状であってこれを周面に対して配置することから、送波部と受波部を構成する振動子群のアレイ上の位置が変化すると、ある送受信と他の送受信では管体への入射角が変わってしまう。この現象を、管体での伝播経路例を表わす図１７にて示す。実線のビームでは送波と受波が成り立っているが、それ以外の破線のビームについては、屈折角が異なっているため、送波と受波の関係が成り立たなくなっていることが分かる。
【００５３】
即ち、送波部はアレイ探触子内に収められても、受波部はアレイ探触子の外の位置（図の破線に示す）になったりして、アレイ探触子の範囲内で、送波部と受波部の振動子群をタンデム構成となるように配置することができなくなる。発明者は、送波側若しくは受波側の少なくとも何れか一方、好ましくは双方の入射角を走査を通じて一定角度に保つようにした。そのようにすると、鋼管などの管体内部の屈折角が一定になるため、上述したような問題はほとんど生じない。
【００５４】
例えば、図１７と同様なアレイ探触子を用いた図２の場合でも屈折角を一定とすることで、全ての送波部と受波部の組合せがアレイ探触子内に収まる。また、屈折角を一定にすると、例えば鋼管の外面側内面側ともに真円であれば送波と受波の位置関係が幾何学的に容易に求まるという利点もある。さらには、鋼管に肉厚の変化があり内面側が真円でない場合でも、送波側若しくは受波側の何れか一方が一定の屈折角であれば、溶接面へ入射して反射した経路までは鋼管の外面側は真円であるから容易に求めることができ、そこから先の経路も内面側の形状を考慮して理論的あるいは実験的に決定することができる。
【００５５】
なお、入射角を一定にする手段は、アレイ探触子から、送波部と受波部に使用する振動子群の各振動子を制御することで実現できる。振動子群の選択は、上述の方法で行えばよいが、他の制御に関する詳細は後述する。
【００５６】
また、別の手段としては、アレイ探触子自体を管体と略同曲率となる形状で構成し、振動子を制御させてもよい。
【００５７】
［超音波ビームの集束条件］
ペネトレータなどの微小欠陥の高さは数１００μｍ以下と小さいが、集束によって送波ビームおよび受波感度を欠陥に集中させることで反射強度が高められる。発明者は、次式に示す集束係数Ｊを用いて、微小欠陥の検出可能な条件を導き出した。集束係数Ｊとは、集束位置での音圧上昇を示した値である。
【００５８】
【数１】
2008286640.tif 000003
【００５９】
ここで、Ｄは振動子の開口幅、Ｆは焦点距離、λは波長である。なお、式(１)において、焦点距離Ｆと波長λは水中換算の値を用いる。
【００６０】
図１８は、本発明において必要な集束能を調査した実験例を示す図である。この実験においては、微小ペネトレータを含む電縫管溶接部を、シーム部を挟んで２ｍｍずつにスライス加工したサンプルを用い、種々の集束係数を持つポイントフォーカス探触子を用いてシーム部に焦点を合わせて溶接部をＣスキャン探傷した。なお、ここではＣスキャンの測定結果で集束係数の範囲を決定しているが、集束係数は異なる方式の超音波探傷法であっても、等価に評価できる指標数値として扱える利点があるので、Ｃスキャンの結果をそのまま適用できることになる。
【００６１】
図１８（ａ）は、Ｃスキャンの結果から、集束係数とＳ/Ｎの関係を求めた結果であり、集束係数Ｊが高いほど欠陥エコーのＳ/Ｎが良いことが示されている。欠陥を断面観察した結果、欠陥Ｆの高さ（鋼管の径方向における大きさ）はおよそ１００μｍであった。
【００６２】
一般にオンライン探傷では最低でＳ／Ｎ＝６ｄＢは必要であり、望ましくは１０ｄＢ以上必要である。従って、同図より、欠陥Ｆと同様な欠陥、または小さな欠陥を検出しようとするならば必要な集束係数は５ｄＢ以上、望ましくは１０ｄＢ以上であることが判明した。
【００６３】
なお、前述の図１０に示した反射特性からすれば、タンデム構成でない従来技術では反射角度が―４５°相当になるので、タンデム構成の２０％程度しか反射強度が得られない。つまり、従来技術ではタンデム構成に対して感度が約１４ｄＢ劣っているので、同等のＳ／Ｎを得るためには、集束係数を少なくとも２０ｄＢ程度は必要となる。さらに、従来技術には外乱ノイズが影響を避けられないことも考えれば、それ以上の集束係数の向上が必要になる。このように、本願発明のタンデム構成とビーム集束を組み合わせることがより有効であることが分かった。
【００６４】
また、同様にビーム径とＳ／Ｎの関係を求めた結果が図１８（ｂ）である。同図より、必要なビーム径は０．７ｍｍ以下、望ましくは０．５ｍｍ以下であることが判明した。
【００６５】
なお、それぞれの集束係数の上限およびビーム径の下限については、鋼管の斜角探傷において、実際に実現可能な範囲として、周波数の上限の範囲は２０ＭＨｚ〜５０ＭＨｚ程度、開口幅の上限の範囲は２０ｍｍ〜４０ｍｍ程度、焦点距離の下限の範囲は２０ｍｍ〜４０ｍｍ程度であることから、集束係数では２４ｄＢ〜５０ｄＢ、ビーム径では３０μｍ〜０．３２ｍｍである。なお、周波数が２０ＭＨｚを超えると鋼中伝播において超音波信号強度の減衰が大きくなるので、周波数の上限を２０ＭＨｚとすれば、集束係数の上限は４０ｄＢ、およびビーム径の下限は７４μｍとするのが好ましい範囲である。
【００６６】
例えば、水距離２０ｍｍ、鋼中の路程を３８ｍｍとすると、焦点距離Ｆは２０ｍｍ＋（３８ｍｍ／水中音速１４８０ｍ／Ｓ×鋼中横波音速３２３０ｍ／Ｓ）＝１０３ｍｍ、周波数を１５ＭＨｚとすると、波長λは１４８０ｍ／Ｓ／１５ＭＨｚ＝０．１ｍｍであり、集束係数１０ｄＢを得るための開口幅Ｄは、以下の式（２）より求められる。
【００６７】
【数２】
2008286640.tif 000004
【００６８】
式（２）より開口幅Ｄは、Ｄ＝１１．３ｍｍと求められる。そこで、リニアアレイ探触子の振動子ピッチが例えば０．５ｍｍであれば、振動子群の振動子数は１１．３／０．５＝約２２個と求められる。
【００６９】
以上のようにして求められたビームサイズにより振動子群の振動子数は求められるが、これを一定の値とすると、溶接部に近い側ほど焦点距離が短くなるためビーム幅が狭くなり細かい走査ピッチが必要となってしまい、溶接部から遠い側ほど焦点距離が長くなるため集束能が悪化するという問題が生ずる。
【００７０】
そこで、送波用の振動子群および受波用の振動子群の振動子数を、溶接部に近いほど少なく、溶接部から遠いほど多く設定するのが好ましい。このようにすると、溶接部から近い側ほど同時励振の際の開口幅は狭くなるため、焦点距離が短くてもビーム幅が狭くなり過ぎることがなく、溶接部から遠い側ほど同時励振の際の開口幅は広くなるため、焦点距離が長くても集束係数を高めることができ検出能の劣化が生じない。従って、各振動子群からの集束特性を一定に揃えることができるため、内面側から外面側まで均一の検出感度で探傷が可能となる。
【００７１】
しかし、集束係数Ｊは、焦点距離Ｆと開口幅Ｄとをパラメータとして含んでいるので、集束係数が一定または所定範囲内に入るように設定すれば、走査に伴う測定位置による感度変化なく、焦点距離に合わせて開口幅も設定できる。このように、集束係数を用いることによって、走査位置の移動に合わせての計算が非常に容易になるといった効果もある。
【００７２】
さらに、リニアアレイ探触子には音響レンズを備えるようにし、音響レンズの焦点距離は、溶接部に近いほど短く、溶接部から遠いほど長く設定すると、管軸方向に関しても集束した送波ビームおよび受波感度が得られ、高い検出能を得ることができる。音響レンズを使うようにしているため、焦点距離の変更はレンズを交換するだけで容易に可能であり、管サイズが変わった場合の設定調整も容易である。
【実施例１】
【００７３】
本願発明に係る実施形態について図を参照して、以下に説明する。図１は、本願発明の原理を説明するための概略図である。本願発明の構成は、図１（ａ）に示すような、タンデム探傷用のアレイ探触子５に加え、肉厚測定用アレイ探触子５０を備えた構成である。
タンデム探傷用のアレイ探触子５は、図２に示すように、鋼管内部に超音波を伝搬させて、探傷を行なう。管体１の管軸方向溶接部２の溶接面に対し送波ビーム８の径が検出対象に合わせて設定された範囲となるようにして、送波部６から超音波を送波し、前記溶接面の微小欠陥３において反射され、その反射波の一部又は全部（受波ビーム９）を受波部７にて受波するようになっている。前記送波部６及び前記受波部７は、管体周方向に配置された一又は二以上のアレイ探触子５上の異なる振動子群からなる。そして、図３に示すように、前記アレイ探触子上で前記送波部及び前記受波部に対応する振動子群を変更する、又は前記アレイ探触子の角度を変更するように制御して前記管体の厚さ方向に走査すると共に、前記溶接面に対する超音波ビームの径が前記範囲に維持されるようになっている。
【００７４】
図３において、走査の開始を示すステップ１では、リニアアレイ探触子の中央近傍の振動子群を用いて、溶接部の鋼管内面側に集束位置（焦点位置）を合わせて、０．５スキップの反射法で探傷を行う。この時は送波と受波は同一の振動子群で行う。次に、ステップ２では、送波の振動子群を溶接部側にずらすとともに、受波の振動子群を溶接部から遠い側にずらし、焦点位置を溶接部の鋼管内面側から少し上（鋼管外面側）に設定することで、タンデム探傷によって溶接部の鋼管内面側から少し上（鋼管外面側）の肉厚内部を探傷する。
【００７５】
引き続き、ステップ３では送波の振動子群を溶接部側に、受波の振動子群を溶接部とは反対側にずらしていき、溶接部における探傷位置を鋼管外面側へと移動させて探傷を行う。図ではステップ２と３のみ図示しているが、実際には超音波の焦点サイズ（焦点位置におけるビームサイズ）を考慮して、探傷の抜け（漏れ）と重複のない効率的な探傷となるように、超音波ビームの一部が重なり合うように振動子群のずらす個数を決定する。最後にステップ４は走査の終了を示しており、溶接部から遠い側の振動子群を用いて、溶接部の外面側を１．０スキップの反射法で探傷を行う。このステップ１〜４を繰り返すとともに、鋼管とリニアアレイ探触子の相対位置を管軸方向に機械的に走査させることで、溶接部の全面全長（鋼管の外面側から内面側まで）にわたって探傷を行うことができる。
【００７６】
肉厚測定用アレイ探触子５０は、図１（ｂ）に示すように、溶接部（シーム）２の直上で、溶接面に対して略直交する方向にアレイ探触子を配置する。また、肉厚測定用アレイ探触子５０は、鋼管内面において、その肉厚が変化する領域（増肉部分が発生する領域）の厚さを測定できる大きさであればよく、肉厚変化が発生する領域とほぼ同じ大きさとすればよい。
【００７７】
そして、肉厚測定用アレイ探触子５０の振動子の内、連続する数個の振動子を同時励振して、その振動子の略直下方向に超音波を送波する。そのように、送波された超音波は、管外面にて一部反射され、肉厚測定用アレイ探触子５０側にて受波されるが、残りは管内部に入射して、管内面にて反射され、肉厚測定用アレイ探触子５０にて受波される。このときの外面と内面との反射波の伝播時間の差を計測することによって、超音波が入射した箇所の肉厚を測定できる。これを、肉厚測定用アレイ探触子５０内の送波や受波する振動子を位置を変えて、超音波の入射位置を管周方向に走査することによって、管の肉厚分布を測定でき、この結果から内面形状を算出することができる。
【００７８】
そうして求めた内面形状の結果に基づいて、タンデム探傷用探触子５にて、タンデム探傷により、溶接部を肉厚方向に一様な走査ができる、管体内部の超音波の伝播経路を幾何学的に算出する。そのようにして求めた伝播経路で算出された、入射位置、入射角、屈折角などにしたがって、図１（ｃ）に示すようなタンデム探傷探触子５にて送波・受波を行う。
【００７９】
図４は、本発明に係る超音波探傷装置の機能構成例を示す図である。構成としてはタンデム探傷用を行なうための機能部に、内面形状を算出するための機能部を付加したものである。
【００８０】
タンデム探傷を行なうための機能部は、探傷用リニアアレイ探触子５、被検体サイズ入力部３０、アレイ探触子記憶部３１、送受信制御部３２、ゲート位置記憶部３３、アレイ送信則記憶部３４、アレイ受信則記憶部３５、アレイ送信部３６、アレイ受信部３７、ゲート部３８、判定しきい値入力部３９、欠陥判定部４０から構成されている。
【００８１】
内面形状を算出するための機能部は、肉厚測定用リニアアレイ探触子５０、肉厚測定用送受信制御部５１、肉厚測定用ゲート位置記憶部５２、肉厚測定用アレイ送信則記憶部５３、肉厚測定用アレイ受信則記憶部５４、肉厚測定用アレイ送信部５５、肉厚測定用アレイ受信部５６、肉厚測定用ゲート部５７、内面形状算出部５８から構成されている。
【００８２】
まず、タンデム探傷の機能部から説明する。被検体サイズ入力部３０では、オペレータあるいはプロセスコンピュータから、タンデム探傷を行う鋼管の外径、肉厚の値が入力される。さらに、タンデム探傷を行なう前に算出された内面形状のデータを、内面形状算出部５８から入力する。また、アレイ探触子記憶部３１には、アレイ探触子５の周波数、振動子ピッチ、振動子数が記憶されている。
【００８３】
送受信制御部３２では、鋼管のサイズ、アレイ探触子の仕様、内面形状に応じて、送波用アレイ探触子の位置、送波用走査線の数、各走査線の送波用ビームの経路、各走査線の送波用振動子群の振動子数、送波用振動子群の位置、焦点距離、偏向角を計算し、さらに走査線毎に各振動子の遅延時間を計算する。このように決定された上記の各値をここではアレイ送信則と呼ぶ。
【００８４】
送受信制御部３２では、又、鋼管のサイズ、アレイ探触子の仕様、内面形状に応じて、アレイ探触子の位置、受波用走査線の数、各走査線の受波用ビームの経路、各走査線の受波用振動子群の振動子数、受波用振動子群の位置、焦点距離、偏向角を計算し、さらに走査線毎に各振動子の遅延時間を計算する。このように決定された上記の各値をここではアレイ受信則と呼ぶ。さらに、送受信制御部３２にて計算されたビームの経路に基づき欠陥検出用のゲート位置を決定してゲート位置記憶部３３に記憶する。
【００８５】
なお、ここで、アレイ受信則は先に求めたアレイ送信則に基づいて決定しても良いし、反対にアレイ受信則を先に求めてそれに基づいてアレイ送信則を決定しても良い。このようにして決定されたアレイ送信則とアレイ受信則はそれぞれアレイ送信則記憶部３４とアレイ受信則記憶部３５にて記憶され、以下の送受信制御に用いられる。
【００８６】
アレイ送信部３６では、アレイ送信則記憶部３４に記憶されたアレイ送信則に基づいて、送波用の振動子群を選択し、各素子に遅延時間を付けて送信パルスを発生する。アレイ受信部３７では、アレイ受信則記憶部３５に記憶されたアレイ受信則に基づいて、受波用の振動子群を選択し、各素子に遅延時間を付けて信号を加算し、探傷波形を得る。ゲート部３８では、ゲート部記憶部３３に記憶されたゲート位置の信号を抽出する。
【００８７】
欠陥判定部４０では、判定しきい値入力部３９に入力された欠陥判定しきい値と、ゲート内の信号強度とを比較し、信号強度がしきい値以上であれば欠陥と判定する。このようにして１走査線の探傷が終了したら、アレイ送信則記憶部３４に記憶されたアレイ送信則に基づいて、次の送波用の振動子群を選択し、以下上記と同様に探傷を繰り返し行う。なお、欠陥の判定については、信号強度がしきい値以上となる場合が複数回あった時に欠陥と判定するようにしても良い。
【００８８】
次に、内面形状算出するための機能部を説明する。肉厚測定用送受信制御部５１では、被検体サイズ入力部３０で入力したサイズデータを、送受信制御部３２経由で入力し、そのデータに応じて、肉厚測定用リニアアレイ探触子の位置、送受波ビームの経路、各走査線の振動子群の振動子数、振動子群の位置、焦点距離、偏向角などの、肉厚測定用アレイ送信則と肉厚測定用アレイ受信則を算出する。
【００８９】
さらに、肉厚測定用送受信制御部５１にて計算されたビームの経路に基づき肉厚測定用の外面反射波と内面反射波を検出するための、ゲート位置を決定して肉厚測定用ゲート位置記憶部５２に記憶する。
【００９０】
このようにして決定された肉厚測定用アレイ送信則と肉厚測定用アレイ受信則は、それぞれ肉厚測定用アレイ送信則記憶部５３と肉厚測定用アレイ受信則記憶部５４にて記憶され、以下の肉厚測定のための送受信制御に用いられる。
【００９１】
肉厚測定用アレイ送信部５５では、肉厚測定用アレイ送信則記憶部５３に記憶された肉厚測定用アレイ送信則に基づいて、送波用の振動子群を選択し、各素子から送信パルスを発生し、管周方向に走査する。肉厚測定用アレイ受信部５６では、肉厚測定用アレイ受信則記憶部５４に記憶された肉厚測定用アレイ受信則に基づいて、受波用の振動子群を選択し、各素子の受波信号を加算し、各走査位置にて肉厚測定用の信号波形を得る。肉厚測定用ゲート部５７では、肉厚測定用ゲート位置記憶部５２に記憶されたゲート位置の信号を抽出し、外面反射波と内面反射波を含む信号を得る。
【００９２】
内面形状算出部５８では、外面反射波と内面反射波との伝搬時間の違いから、各走査位置における肉厚を求め、肉厚分布を算出する。更に、その結果から内面形状を導出する。
このように導出された内面形状は、内面形状算出部５８から、送受信制御部３２に出力される。
【００９３】
ここで、内面増肉に対応する処理は、図５に示すような手順で行なわれる。
【００９４】
即ち、まずステップＳ１で、シーム２の直上に入射角０°で配置した肉厚測定用アレイ探触子５０を用いて、管周方向の肉厚分布を測定する。肉厚測定用アレイ探触子は溶接部の略直上に配置し、その肉厚測定用アレイ探触子の中の、数個〜数十個の振動子からなる振動子群を用いて、管体外面での入射角０°となるようにして、超音波を送波する。送波された超音波は管体の外面表面で反射されるとともに、管体内部に伝播して、内面において反射する。この外面と内面での反射波を肉厚測定用アレイ探触子で受信し、その波形から、内面形状算出部では、その伝搬時間の差から入射位置における肉厚が求まる。また、超音波の送波は、管周方向に走査されるので、各走査位置において肉厚を求めれば、管周方向の肉厚分布を算出できる。その際、ビームは管の中心へ向かう方向に設定する。なお、偏向角をつけても良いし、開口を狭くして指向角を拡げても良い。測定結果の一例を図６に示す。横軸のＸ座標は、管体の中心を原点座標として、外面の水平方向の位置座標である。Ｘ座標が０の位置が、溶接部に対応する。また、縦軸は外面のＸ座標において、そこから中心に向かったときの肉厚の値である。真円であれば、均一な値を示すが、ここでは内面の増肉部があるために、溶接部から両側にずれた位置で肉厚が増え、それより外側になると薄くなっていくのがわかる。
【００９５】
次いでステップＳ２で、内面形状を決定する。具体的には、まず、（１）各走査線のアレイ探触子５０上の位置と、鋼管１との位置関係から、肉厚測定時のビームの管外面側の各入射位置を求める。次いで、（２）その各入射位置と、ステップＳ１で求めた肉厚から、ビームの内面に当たる部分の各座標を求める。次いで、（３）それらの各座標から、内面形状を多項式やスプライン関数で近似する。結果を図７に示す。横軸は、図６と同じである。縦軸Ｙ座標は、管体中心を原点として鉛直方向の内面の位置座標を示したものである。図７の形状は、図６の形状の上下反転させたものである。図７において、真円であれば、Ｘ＝０でＹ座標が最大となる円弧となるが、円弧の形状でないため、真円でないことがわかる。
【００９６】
次いでステップＳ３で、真円としてパスを計算する。具体的には、まず、（１）肉厚測定用アレイ探触子５０を、中央部分のビームが内面に当たるような配置とする。次いで、（２）斜角探傷用アレイ探触子５の各振動子の座標を求める。次いで、（３）各振動子の座標と、同時励振素子数から、斜角用の各走査線のアレイ５上の各位置を求める。次いで、（４）各走査線の入射角（＝屈折角）が一定となる管外面側の各入射位置を、鋼管１のサイズ、水４と鋼の音速、（３）で求めた斜角用各走査線のアレイ５上の各位置とから、スネルの法則に基づいて求める。次いで、（５）管外面側の各入射位置と鋼管サイズから、鋼管を真円と見做して、シーム部２への経路を各走査線毎に決定する。次いで、（６）シーム部へ入射したビームが正反射する角度を求め、内面へ向かうビームの経路を各走査線毎に決定する。
【００９７】
なお、（４）で各素子数の偏向角を、（５）でアレイ探触子５からシーム２までの鋼中距離及び水距離から、各走査線の焦点距離を求めておく。
【００９８】
次いでステップＳ４で、内面近似式と、ステップＳ３の（５）で求めたビーム経路との交点を、各走査線毎に決定する。次いでステップＳ５で、内面角度に基づいて反射経路を求める。具体的には、（１）内面近似式の微分値から、交点における内面の角度を求め、内面に入射する角度を各走査線毎に決定する。次いで、（２）内面に入射する角度から、内面で反射して外面へ向かうビームの経路を各走査線毎に決定する。次いで、（３）外面に入射する部分の各座標を各走査線毎に決定する。次いで、（４）外面に入射する角度を各走査線毎に決定する。
【００９９】
次いでステップＳ６に進み、鋼管が真円であるとして、鋼管のサイズ、水と鋼の音速、ステップＳ５の（４）の角度から、スネルの法則に基づいて、屈折する経路を、各走査線毎に決定する。
【０１００】
次いでステップＳ７で、（１）アレイ探触子５に入射する位置を各走査線毎に求め、各走査線のタンデムペア振動子群（振動子番号）を決定する。次いで（２）アレイ探触子５に入射する角度を各走査線毎に求め、各走査線の受波時の偏向角を求める。次いで、（３）シーム２からアレイ探触子５までの鋼中距離及び水距離を各走査線毎に求め、各走査線の受波時の焦点距離を求める。
【０１０１】
次いでステップＳ８で、送波及び受波の各走査線の各振動子の遅延時間を、各走査線の偏向角と焦点距離とから求める。
【０１０２】
求め方は、特許文献２や非特許文献１などの公知文献に開示された方法で実現可能であるが、ここでは、その一例として、具体的な計算の基本的な考え方を、以下に図８および数式を参照して説明する。まず、振動子群の中心位置を座標の原点とし、焦点距離をＦ、偏向角をθとして、焦点位置の座標｛Ｘｆ，Ｙｆ｝を以下のように求める。
【０１０３】
Ｘｆ＝Ｆ・sinθ，Ｙｆ＝−Ｆ・cosθ
【０１０４】
次に振動子ピッチをＰ、振動子群の振動子数をｎ（ただし、ｎは偶数）として、各振動子の座標｛Ｘｐ(i)，Ｙｐ(i)｝を求める。
【０１０５】
Ｘｐ(i)＝−ｎ・ｐ／２−ｐ／２＋ｐ・ｉ，Ｙｐ(i)＝０    （ｉ＝１〜ｎ）
【０１０６】
さらに、焦点位置と各振動子との距離Ｚ(i)およびその最大値Ｚｍを次のように求める。
【０１０７】
Ｚ(i)＝ＳＱＲＴ｛（Ｘｆ−Ｘｐ(i))2＋（Ｙｆ−Ｙｐ(i))2}      （ｉ＝１〜ｎ）
Ｚｍ＝max｛Ｚ(i)}    （ｉ＝１〜ｎ）
【０１０８】
最後に、次式で遅延時間Δｔ(i)を求める。なお、Ｃは音速である。
【０１０９】
Δｔ(i)＝（Ｚｍ−Ｚ(i)）／Ｃ    （ｉ＝１〜ｎ）
【０１１０】
なお、上記は計算の基本的な考え方を示したものであって、各走査線のそれぞれについて振動子群の中心位置を座標の原点とする必要は必ずしもない。また、振動子数ｎは偶数として説明したが、奇数であってもよい。奇数の場合には、上記式を一部変更すれば適用可能であることはいうまでもない。実際の計算においては、予めアレイ探触子の素子それぞれの座標を決めておき、焦点距離と偏向角に応じて焦点位置の座標を求め、上記焦点位置と各振動子との距離Ｚ(i)を求めるようにすれば良い。
【０１１１】
上述の方法により、内面側に増肉があるサンプルについて、厚み方向に対して、φ１．６ｍｍのドリルホールをあけて、内部形状を補正した場合と内部形状を補正しない場合での感度変化の違いを確認した。その実験結果を図９に示す。内面形状を補正しない場合は、１／２ｔ（管厚の半分）より外面側で大きく感度が低下し、感度差が２０ｄＢ程度となっている。一方で、内面形状を測定し、その測定結果に基づいて、タンデム探傷の伝搬経路を補正して、探傷条件を設定して、計測を行なうと、感度差が６ｄＢ以内に改善可能であることが確認できた。
【０１１２】
本実施例において探傷条件の計算は、まず各走査線の入射点を決めてから、順次計算を行っていったが、これに限られることなく、例えば、焦点位置を決めてから、その焦点位置に至る伝播時間が最も短い経路を各振動子について探索的に求めるようにしても良い。
【０１１３】
なお、タンデム探傷用のアレイ探触子は、リニアアレイ探触子として説明したが、その形状がリニアアレイ型でなくとも、曲率をもったアレイ探触子でもよいし、また１つの探触子でなくとも、例えば、溶接面を内面側と外面側とに分割し、その内面側を検査するための探触子と外面側を検査するために２つの探触子の構成としてもよい。また、溶接面の厚み方向に走査は、電子的に行なったが、機械的に探触子を移動あるいは回転などをしてもよい。また、複数の探触子の構成とする場合には、リニアアレイ探触子と曲率をもった探触子の組合せ、電子的な走査と機械的な操作など、適宜組み合わせて、構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の第１の実施例を説明する図
【図２】第１の実施例における斜角探傷の様子を示す図
【図３】同じく走査の手順例を示す図
【図４】同じく本発明に係る超音波探傷装置の機能構成例を示す図
【図５】第１の実施例の処理手順を示す流れ図
【図６】第１の実施例で測定された肉厚の一例を示す図
【図７】第１の実施例で決定された内面形状の一例を示す図
【図８】各振動子に与える遅延時間の計算を説明する図
【図９】内面増肉が大きいサンプルでの本発明の有無による効果の差を示す図
【図１０】欠陥の大きさと反射指向性の関係を説明する図
【図１１】反射特性を説明する図
【図１２】非タンデム構成とタンデム構成との比較を模式的に示す図
【図１３】非タンデム構成をとる従来法とタンデム探傷法との比較例を示す図
【図１４】被検査管体に設けたドリル穴を説明する図
【図１５】平鋼板でのモード変換ロスを説明する図
【図１６】鋼管でのモード変換ロスを説明する図
【図１７】管体での伝播経路例を表わす図
【図１８】本発明において必要な集束能を調査した実験例を示す図
【符号の説明】
【０１１５】
１…鋼管
２…溶接部（シーム）
３…欠陥
４…水
５…探傷用リニアアレイ探触子
６…送波用の振動子群
７…受波用の振動子群
８…送波ビーム
９…受波ビーム
３０…被検体サイズ入力部
３１…アレイ探触子記憶部
３２…開口幅制御部
３３…ゲート位置記憶部
３４…アレイ送信則記憶部
３５…アレイ受信則記憶部
３６…アレイ送信部
３７…アレイ受信部
３８…ゲート部
３９…判定しきい値入力部
４０…欠陥判定部
５０…肉厚測定用リニアアレイ探触子
【図１】
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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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２】
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【図３】
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【図８】
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【図１２】
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【図１３】
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