(57)【要約】【課題】電縫鋼管の長手方向溶接シーム部を自動的に探傷する超音波斜角探触子１０の欠陥検出性能の一層の向上を図る。【解決手段】被探傷材鋼管の外径に沿う内面１４と、被探傷材の外径及び超音波入射角から定まるインボリュート外面１５とからなる音響くさび１１を形成し、その両端にシュー１３を備え、多数の電極を管周方向に並設したアレイ振動子１２を音響くさび１１のインボリュート外面１５上に装着した斜角探触子１０を提供する。アレイ振動子１２は電極の管周方向寸法が２〜５ｍｍ、電極間隙間が０．１〜０．２ｍｍの並設電極を備えている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被探傷材鋼管の外径に沿う内面と、被探傷材の外径及び超音波入射角から定まるインボリュート外面とからなる音響くさびを形成し、多数の電極を管周方向に並設したアレイ振動子を該音響くさびのインボリュート外面上に装着したことを特徴とする超音波斜角探触子。
【請求項２】
前記アレイ振動子は管軸方向寸法が５〜１５ｍｍで、管周方向寸法が被探傷材の最大厚さにおけるスキップの０．７５〜１．２５倍であることを特徴とする請求項１記載の超音波斜角探触子。
【請求項３】
前記アレイ振動子は、一方の面の全面に１枚の電極を備え、他方の面に電極の管周方向寸法が２〜５ｍｍ、電極間隙間が０．１〜０．２ｍｍの並設電極を備えたことを特徴とする請求項２記載の超音波斜角探触子。
【請求項４】
前記アレイ振動子は、両面に電極の管周方向寸法が２〜５ｍｍ、電極間隙間が０．１〜０．２ｍｍの並設電極を備えたことを特徴とする請求項２記載の超音波斜角探触子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波斜角探触子に関し、特に電縫鋼管の溶接部における欠陥を検出するのに好適な超音波斜角探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電縫鋼管の溶接部における管軸方向の欠陥を検出するため、斜角探傷法が用いられている。斜角探傷法は被探傷材（電縫鋼管）の検査面に対し斜めに超音波を入射させ、被探傷材の欠陥から反射した反射波によって被探傷材の溶接部の欠陥を検出するものである。
【０００３】
また、電縫鋼管の溶接部全長にわたつて欠陥を検出するため、超音波斜角探触子を電縫鋼管の溶接シームに平行に走査して、溶接シームに対して超音波ビームを直角に伝播させるようにした技術が用いられている。
【０００４】
斜角探傷法においては、従来、下記の（１）、（２）の問題がある。
【０００５】
（１）前後走査時のエコーが変動すること。
【０００６】
図５はこれを示す説明図である。図５（ａ）は、平板状の被探傷材１００の断面を示すもので、その表面に斜角探触子３０を置き、この斜角探触子３０から超音波ビーム４１を被探傷材１００内に斜めに発射している状態を示している。図５（ｂ）は斜角探触子３０と欠陥１０１との距離をＹとしたときのエコー高さＨを示すものである。距離Ｙが超音波の１スキップ、２スキップ、…に該当する位置Ｙ１、Ｙ２においてエコー高さはＨ１、Ｈ２のようにピークを示すが、図５（ｂ）に示すように、距離Ｙの変化によりエコー高さが大きく変動する。
【０００７】
（２）欠陥位置により、超音波ビームの入射点と帰点が異なり、溶接線上内質欠陥の検出が困難であること。
【０００８】
図６に示すように、被探傷材１００の溶接部等の板厚の中間部（内質）に欠陥１０１がある場合、斜角探触子３０から発射した超音波ビーム４１は、この欠陥１０１から反射するが、その反射した超音波エコー４２は発射した斜角探触子３０の位置に戻らずに、別の位置が帰点４３となるので、斜角探触子３０はこの欠陥１０１を検出することができない。
【０００９】
以上の欠点を補う技術として、タンデム探傷法や多探触子法が一般的に知られている。
【００１０】
図７はタンデム探傷法を示すもので、２個の斜角探触子３０ａ、３０ｂを被探傷材１００の表面にタンデム配設し、一方の斜角探触子３０ａから発射した超音波ビーム４１が欠陥１０１により反射エコー４２を発生し、この反射エコー４２の帰点４３に他方の斜角探触子３０ｂを配設して欠陥１０１を検知するものである。このようなタンデム探傷法は、検出対象欠陥１０１の深さ位置や、被探傷材１００の厚さによって、タンデムに配設する２個の斜角探触子３０ａ、３０ｂ間の距離が変化するため、鋼管溶接部の自動探傷において実用されている例は見当らない。
【００１１】
図８は多探触子法の一例を示す従来例の構成説明図であり、図９（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ図８のＡ−Ａ矢視断面図、Ｂ−Ｂ矢視断面図、及びＣ−Ｃ矢視断面図である。図８、９に示すように、電縫鋼管のような被探傷材１１０の溶接シーム１１１の片側に、それぞれ例えば３個ずつの斜角探触子１２０、１２１、１２２、１２３、１２４、１２５を配設し、これらの斜角探触子１２０〜１２５から被探傷材１１０に入射する超音波ビームが、溶接シーム１１１の上端（図９（Ａ）参照）、中央（図９（Ｂ）参照）、及び下端（図９（Ｃ）参照）に伝播され、その部分の欠陥による反射波を捉えることができる配置にしていた。
【００１２】
以上のタンデム探傷法や多探触子法は上記（１）、（２）の問題点をある程度解決するものではあるが、被探傷材の肉厚によって斜角探触子の配列を変更する必要があり、またすべての深さ位置における欠陥を検出することはできないという問題がある。
【００１３】
以上の問題を解決する技術として、矩形状の接触面をもつ垂直斜角探触子と放射角状の幅をもつ音響くさびとからなる斜角探触子を、被探傷材と同芯円の円弧形状の側板に複数個アレイ状に装着し、斜角探触子群の前後に耐摩耗性のシューを設けたものが開発された（例えば特許文献１参照。）。
【００１４】
図１０はこの技術の要点を示す説明図である。円弧形状の被探傷材１００を平板状に変更して示しているが、図１０（ａ）に示すように、被探傷材１００の面上に多数のくさび３６を設けその上にそれぞれ振動子３１を配置した管用斜角探触子３０を用い、各振動子３１を同時に又は順次、励振して被探傷材１００を探傷する。図１０（ｂ）は各超音波ビームのエコー高さＨを示すグラフである。この技術では、被探傷材１００の厚さ方向の多数の位置における欠陥を検知することができ、また、各振動子３１と欠陥との距離（Ｙ）の変化に伴うエコー高さ変動５１を減少させることができる。
【００１５】
しかし、この技術においても下記の改善すべき点がある。
１）振動子３１相互間の絶縁性を確保するために、斜角探触子のくさび３６の外形寸法を振動子３１の寸法より１ｍｍ程度以上大きくする必要がある。
２）斜角探触子３０の振動子３１そのものの寸法をある程度小さくすることは可能であるが、振動子３１の寸法を小さくすると超音波出力が減少する問題があり、他方、構成部品点数が増加し、高価となる。また、振動子３１の寸法を小さくした場合、振動子とくさび３６との大きさの差（１ｍｍ程度以上）が相対的に顕著化し、好ましくない。
【００１６】
【特許文献１】
特開平２−５７９７９号公報（第２−４頁、図１）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、電縫鋼管の長手方向溶接シーム部を自動的に探傷する超音波斜角探触子の欠陥検出性能の一層の向上を図った技術を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するためになされたもので、その技術手段は、被探傷材鋼管の外径に沿う内面と、被探傷材の外径及び超音波入射角から定まるインボリュート外面とからなる音響くさびを形成し、多数の電極を管周方向に並設したアレイ振動子を該音響くさびのインボリュート外面上に装着したことを特徴とする超音波斜角探触子である。
【００１９】
本発明では、被探傷材鋼管の外径に装着するブロック状の音響くさびを用いる。この音響くさびは鋼管の外径に沿う面（内面）は、超音波を伝達する媒体を介して鋼管と接するようにしてある。つまり、鋼管外径に対して０．３〜０．８ｍｍ程度の媒体介在隙間をもつ内面を有している。また音響くさびの上面（外面）は鋼管軸に直交する断面形状がインボリュートカーブをなす面（インボリュート外面）となっている。インボリュートカーブは円に巻きつけた糸を引張りながら巻き戻して行くときに、糸の一点が描く曲線である。本発明で用いるインボリュート外面を形成するインボリュートカーブは、被探傷材の外径と、超音波入射角とから定まるカーブを用いる。
【００２０】
本発明では多数の短冊状の電極を並設したアレイ振動子をインボリュート外面上に装着する。このとき電極は管周方向に並ぶように装着する。
【００２１】
前記アレイ振動子の管軸方向寸法は５〜１５ｍｍとし、管周方向寸法は被探傷材の最大厚さにおけるスキップの０．７５〜１．２５倍とすることによって、被探傷材溶接部の板厚方向各部の欠陥を精度よく探傷することができるので好適である。
【００２２】
前記アレイ振動子は、一方の面の全面に１枚の電極を備え、他方の面に電極の管周方向寸法が２〜５ｍｍ、電極間隙間が０．１〜０．２ｍｍの並設電極を備えたものとしてもよく、両面に電極の管周方向寸法が２〜５ｍｍ、電極間隙間が０．１〜０．２ｍｍの並設電極を備えたものとしてもよく、多数の電極を並設した、小型で検出性能の高い、斜角探触子を得ることができ、好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２４】
図１は実施例の超音波斜角探触子１０を示すもので、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図である。実施例の斜角探触子１０は音響くさび１１、アレイ振動子１２とから成り、音響くさび１１の前後に耐摩耗性のシュー１３を備えている。音響くさび１１は、被探傷材鋼管に沿う面（内面１４）とアレイ振動子１２を装着する外面（インボリュート外面１５）とを有している。なお、図を簡略化するためにハウジング、コネクタ、ケーブル、給水口、給水路、側板等の図示を省略してある。
【００２５】
音響くさび１１は被探傷材に接触する内面１４を被探傷材鋼管の外径より僅か大きい曲率半径をもつ円弧面とする。この被探傷材の外表面より僅か大きい曲率半径をもつ円弧面とするのは超音波ビーム伝達媒体を被探傷材鋼管の外表面と内面１４との隙間に介在させて密着させるためであって、具体的には被探傷材鋼管の外径に０．６〜１．６ｍｍを加えた直径をもつ円の円弧面とすればよい。
【００２６】
鋼管の円周方向の振動子配置を高密度で実現するために被探傷材鋼管の外径に接触する音響くさび１１を形成した。この音響くさび１１は外面をインボリュート外面１５とした。このインボリュート外面１５は被探傷材の外径と超音波入射角とから定まるインボリュート曲線を管周方向に沿う断面とする面である。
【００２７】
図２はインボリュートカーブ２１を示す説明図である。
【００２８】
インボリュートカーブ２１は、直線２４が直径φｄの基礎円２３上を滑ることなく転がるときにその直線上の一点２５が描く平面曲線である。ここで、直線２４ａと、鋼管外径に相当する直径φＤの円２２との交点を一点２５とするインボリュートカーブ２１は、次の性質を有している。すなわち、インボリュートカーブ２１上の各ポイントの接線に直交する線（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、…）は、鋼管に相当する円２２に対して入射角θｉが一定である。従って、インボリュートカーブ２１上に配設された振動子から送信された超音波は、一定の入射角θｉで鋼管に入射する。この結果、鋼管内の屈折角が均一な超音波ビームを得ることができる。
【００２９】
図３に示すように、斜角探触子３０の振動子３１から発射される超音波ビーム３３が媒体３２中で入射角３４（＝θｉ）で被探傷材１００に入射されると、被探傷材１００中では屈折角３５（＝θｒ）で超音波ビーム４１として進行する。このとき次式が成立する。
【００３０】
ｓｉｎθｉ＝ｓｉｎθｒ×（Ｃｉ／Ｃｒ）
ここでθｉ：入射角
θｒ：屈折角
Ｃｉ：くさびの媒体３２内の縦波音速
Ｃｒ：被探傷材鋼内の横波音速
である。被探傷材鋼管の外径Ｄに対し、入射角θｉを連続的に得るためのインボリュートカーブを創出する基礎円２３の直径ｄは、下式によって求めることができる。
【００３１】
ｄ＝Ｄ×ｓｉｎθｉ
ここでＤ＝被探傷材鋼管の外径
である。通常、θｒとしては４５゜とするのが一般的である。このようにして定められた図２に示すインボリュートカーブ２１を被探傷材鋼管の軸に直角な断面形状とする外面（インボリュート外面）を有す音響くさび１１を形成する（図１参照）。本発明ではこのようにして求めたインボリュートカーブを用いたインボリュート外面１５を形成し、その上にアレイ振動子１２を装着する。
【００３２】
図４にアレイ振動子１２の一例の縦断面図を示した。アレイ振動子１２は圧電素子薄膜６１の両面に電極６２、６３を装着し、この電極に高周波電源を接続して超音波を発生する。図４では上面の電極６２は薄膜６１を覆う一枚の電極を示し、下面の電極６３は多数のスリット６４を介して分割された電極６３を示している。この分割された電極６３の分割線（スリット６４）は管軸方向と一致させる。上記両面の電極６２、６３は表裏反対にしてもよく、また両面共分割された電極としてもよい。このアレイ振動子１２の管軸方向寸法１６（図１参照）は５〜１５ｍｍとし、管周方向寸法１７は被探傷材の最大厚さにおける１スキップより大きい寸法とする。なお、上述の屈折角を４５度に設定した場合、１スキップの寸法は管肉厚のほぼ２倍となる。
【００３３】
音響くさび１１は、例えば樹脂製である。このため、図１に示すように、音響くさび１１の前後には耐摩耗性を向上させるために、例えば超硬チップ等から成るシュー１３を配置する。また、音響くさび１０の内面１４は鋼管表面との間に０．３ｍｍ〜０．８ｍｍ程度の隙間をもった構造とする。この隙間は鋼管表面と音響くさび内面との間に介在させる超音波伝達媒質である水膜の形成を容易にするためである。
【００３４】
特開平２−５７９７３号公報に開示されている従来の斜角探触子のエコー高さ変動と実施例によるエコー高さ変動とを比較する説明図を図１０、図１１に示した。両図とも簡略化のために、被探傷材鋼管１００の断面を平板で図示してある。図１０に示す従来例では、各振動子３１の管周方向寸法は５ｍｍ、各くさび３６の管周方向寸法は６ｍｍ以上である。これに対し、図１１に示す実施例では図４に示すアレイ振動子１２の電極６３の管周方向寸法は３ｍｍ、電極相互間のスリット６４は０．２ｍｍである。各振動子から発射された超音波ビーム４１の図１０に示す変動高さ５１に対して、図１１に示す変動高さ５２は約３分の１以下となった。また発射される超音波ビーム４１の密度が２倍以上となったので、溶接欠陥の検出精度が著しく向上した。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、電縫鋼管の長手方向溶接シーム部の肉厚方向の欠陥を精度よく探傷することができるようになった。
【００３６】
また、斜角探触子相互間の絶縁性を確保するために、従来１ｍｍ程度必要であった斜角探触子の間隔を０．１〜０．２ｍｍにすることができ、構成部品点数を増加することなく、振動子の配列数を従来に比し大幅に増加することができた。さらに、インボリュート外面上にアレイ振動子を配置することにより、従来に比較し高い密度の超音波ビームを鋼管内に発射することが可能となるため、従来の斜角探触子に比較し、エコー高さ変動を少なくすることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例を示すもので図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図である。
【図２】インボリュートカーブを示す説明図である。
【図３】インボリュートカーブを決定するための説明図である。
【図４】アレイ振動子の断面図である。
【図５】従来技術の説明図である。
【図６】従来技術の説明図である。
【図７】タンデム探傷法を示す説明図である。
【図８】多探触子法の一例を示す従来例の構成説明図である。
【図９】図９（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ図８のＡ−Ａ矢視断面図、Ｂ−Ｂ矢視断面図、及びＣ−Ｃ矢視断面図である。
【図１０】従来技術の説明図である。
【図１１】本発明の実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０    斜角探触子
１１    音響くさび
１２    アレイ振動子
１３    シュー
１４    内面
１５    外面
１６    管軸方向寸法
１７    管周方向寸法
２１    インボリュートカーブ
２２    円（鋼管外径に相当する円）
２３    基礎円
２４（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ）    直線（接線）
２５    一点
３０（３０ａ、３０ｂ）    斜角探触子
３１    振動子
３２    媒体
３３    超音波ビーム
３４    入射角（θｉ）
３５    屈折角（θｒ）
３６    くさび
４１    超音波ビーム
４２    超音波エコー
４３    帰点
５１    エコー高さ変動
５２    エコー高さ変動
６１    圧電素子薄膜
６２    電極
６３    電極
６４    スリット
１００    被探傷材
１０１    欠陥
１１０    被探傷材
１１１    溶接シーム
【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】
2004251658.tif 000011
【図１０】
2004251658.tif 000012
【図１１】
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