(57)【要約】【課題】管の内側から探傷する場合に高いＳ／Ｎが得られる内挿型超音波探傷センサー、及びこれを用いた超音波探傷方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明は、管８０の内側から探傷を行う内挿型超音波探傷センサー１０であって、焦点位置においてラインフォーカスとなるように超音波を発振可能な形状の振動面２３を有する超音波振動子２２と、管８０内を管軸に沿って移動可能なセンサー本体２４と、を備え、センサー本体２４は、管８０の内周面８６においてラインフォーカスが当該管８０の周方向に沿うように超音波振動子２２を保持することを特徴とする。【選択図】図５
2012211830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管の内側から探傷を行う内挿型超音波探傷センサーであって、
焦点位置においてラインフォーカスとなるように超音波を発振可能な形状の振動面を有する超音波振動子と、
前記管内を管軸に沿って移動可能なセンサー本体と、を備え、
前記センサー本体は、前記管の内周面において前記ラインフォーカスが当該管の周方向に沿うように前記超音波振動子を保持する内挿型超音波探傷センサー。
【請求項２】
前記振動面は、管軸に沿った前記管の縦断面内において前記超音波の発振方向と反対側に窪むように湾曲し且つ最も窪んだ部位が前記周方向に沿って延びるような形状を有する内挿型超音波探傷センサー。
【請求項３】
管の内側から探傷を行う超音波探傷方法であって、
焦点位置においてラインフィーカスとなるように超音波を発振する内挿型超音波探傷センサーから、前記ラインフォーカスが前記管の内周面において当該管の周方向に沿うように前記超音波を発振させる工程を備えた超音波探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管の管壁に生じた割れや減肉等を管の内側から超音波を用いて探傷するための内挿型超音波探傷センサー、及びこれを用いた超音波探傷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、管の内側から管壁に向けて超音波を発振し、管壁から戻ってきた前記超音波を受信することにより、管の探傷を行う内挿型超音波探傷センサー（以下、単に「探傷センサー」とも称する。）として、特許文献１に記載のものが知られている。
【０００３】
この探傷センサーは、図９に示されるように、フラットな振動面１０２の超音波振動子１０４を備え、探傷装置１０６にケーブル１０８によって接続されている。
【０００４】
探傷センサー１００は、検査対象物である管１１０に挿入され、探傷装置１０６からの発振信号に基づいて振動面１０２を振動させることにより超音波を発振し、戻ってきた前記超音波を超音波振動子１０２によって受信してこれを受信信号に変換して出力する。探傷装置１０６は、ケーブル１０８を介して探傷センサー１００からの前記受信信号を受信し、これを解析する。これにより、管壁に減肉やブローホール等のキズ（材料キズ）が生じていると、このキズが検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−９４６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記の探傷センサー１００のように、フラットな振動面１０２の超音波振動子１０４によって超音波が発振されると、図１０に示されるように、管軸ｃ方向の断面に沿って進む超音波が拡散するため、管１１０の外周面側で反射されて戻ってくる超音波（反射エコー）が小さくなる。このように超音波振動子１０４が受信する反射エコーが小さくなると、ノイズ成分の割合が大きくなるため、Ｓ／Ｎが低くなり、探傷に必要なＳ／Ｎが得難くなる。
【０００７】
一方、超音波を一点（焦点）に集中させるポイントフォーカス型の超音波振動子が知られている。
【０００８】
そこで、このポイントフォーカス型の超音波振動子を備えた探傷センサーは、通常、平板の探傷に用いられるが、管１１０の内側からの探傷に用いることが考えられる。
【０００９】
しかし、このポイントフォーカス型の超音波振動子によって発振される超音波は、図１１に示されるように、管軸ｃと直交する方向の断面に沿って進む超音波が管１１０の外周面１１０ａの手前で収束することにより、反射エコーが拡散して超音波振動子１０４Ａが受信する反射エコーが小さくなる。この外周面１１０ａの手前での超音波の収束は、管１１０の内周面１１０ｂが湾曲していることに起因する。このようにポイントフォーカス型の超音波振動子１０４Ａを用いた探傷センサー１００Ａによっても、管１１０の内側から探傷する場合にはＳ／Ｎが低くなり、探傷に必要なＳ／Ｎが得難くなる。
【００１０】
特に、長い管の探傷を行うために、探傷センサーと探傷装置とを繋ぐケーブルの長さを大きくした場合には、探傷装置に到達した受信信号に含まれるノイズが増え、Ｓ／Ｎの低下が顕著になる。
【００１１】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、管の内側から探傷する場合に高いＳ／Ｎが得られる内挿型超音波探傷センサー、及びこれを用いた超音波探傷方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そこで、上記課題を解消すべく、本発明は、管の内側から探傷を行う内挿型超音波探傷センサーであって、焦点位置においてラインフォーカスとなるように超音波を発振可能な形状の振動面を有する超音波振動子と、前記管内を管軸に沿って移動可能なセンサー本体と、を備え、前記センサー本体は、前記管の内周面において前記ラインフォーカスが当該管の周方向に沿うように前記超音波振動子を保持する。
【００１３】
また、上記課題を解消すべく、本発明は、管の内側から探傷を行う超音波探傷方法であって、焦点位置においてラインフィーカスとなるように超音波を発振する内挿型超音波探傷センサーから、前記ラインフォーカスが前記管の内周面において当該管の周方向に沿うように前記超音波を発振させる工程を備える。
【００１４】
これらの発明によれば、当該内挿型超音波探傷センサーの発振する超音波の焦点が、管の内周面において当該管の周方向に沿った線焦点となることにより、管の軸方向の縦断面に沿って進む超音波が管の外周面で収束する（図５（Ａ）参照）と共に、管の軸と直交する方向の横断面に沿って進む超音波が前記外周面で収束する（図５（Ｂ）参照）ため、超音波振動子が十分な反射エコーを受信することができる。これにより、当該内挿型超音波探傷センサーによれば、高いＳ／Ｎが得られる。
【００１５】
具体的には、前記振動面は、管軸に沿った前記管の縦断面内において前記超音波の発振方向と反対側に窪むように湾曲し且つ最も窪んだ部位が前記周方向に沿って延びるような形状を有する。
【発明の効果】
【００１６】
以上より、本発明によれば、管の内側から探傷する場合に高いＳ／Ｎが得られる内挿型超音波探傷センサー、及びこれを用いた超音波探傷方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係る探傷装置の概略構成図である。
【図２】前記探傷装置の探傷センサーの探触部の拡大図である。
【図３】（Ａ）は図２のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ断面図であり、（Ｂ）は図２のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ断面図である。
【図４】図３（Ａ）のＩＶ−ＩＶ位置における探触部の一部拡大断面図である。
【図５】前記探傷センサーの超音波振動子から発振された超音波の伝播を説明するための図である。
【図６】前記探傷センサーによって検出した反射エコーの強度を示す図である。
【図７】（Ａ）は、フラットな振動面の超音波振動子を備えた探傷センサーによって検出した反射エコーの強度を示す図であり、（Ｂ）は、ポイントフォーカス型の超音波振動子を備えた探傷センサーによって検出した反射エコーの強度を示す図である。
【図８】他実施形態の超音波振動子の振動面を説明するための模式図であって、（Ａ）は管軸方向から見た図であり、（Ｂ）は管軸と直交する方向から見た図である。
【図９】従来の探傷センサーを説明するための図である。
【図１０】フラットな振動面の超音波振動子から発振された超音波の伝播を説明するための図である。
【図１１】ポイントフォーカス型の超音波振動子から発振された超音波の伝播を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。まず、図１に基づいて、内挿型超音波探傷センサー（以下、単に「探傷センサー」とも称する。）１０を備える探傷装置１の概要を説明した後、探傷センサー１０について説明する。
【００１９】
探傷装置１は、超音波探傷器２と、探傷センサー１０と、探傷ケーブル（以下、単に「ケーブル」とも称する。）３と、探傷センサー１０を管内に送り込むための送り込み部４とを備える。
【００２０】
超音波探傷器２は、探傷センサー１０に発振信号を出力すると共に探傷センサー１０からの受信信号を受信し、この受信信号を解析して検査対象物のキズ（材料キズ）を検出する探傷器本体５と、この探傷器本体５での探傷結果を記録する記録部６とを備える。本実施形態では、記録部６としてＰＣが用いられる。
【００２１】
ケーブル３は、探傷センサー１０と探傷器本体５とを接続し、探傷器本体５からの発振信号を探傷センサー１０に送信すると共に、探傷センサー１０からの受信信号を探傷器本体５に送信する。本実施形態のケーブル３は、検査対象物である管８０の長さが例えば９０ｍであるため、それ以上の長さを有する。
【００２２】
送り込み部４は、送水ポンプ７と、検査対象物である管８０の内部に送水ポンプ７から供給された水を探傷ケーブル３と共に送り込む水噴流ノズル部８とを有する。
【００２３】
次に、探傷センサー１０について説明する。
【００２４】
探傷センサー１０は、探触部２０と、探触部２０の両側に配置される一対のコイルバネ１２、１２と、先端案内部１４と、複数（本実施形態では４個）の調芯部３０と、複数のカバー部材５０と、を備える。
【００２５】
探触部２０は、図２〜図４にも示されるように、複数（本実施形態では８個）の超音波振動子２２と、これら超音波振動子２２を保持するセンサー本体２４と、を備える。
【００２６】
超音波振動子２２は、振動面２３を有し、入力された発振信号に基づいて振動面２３を振動させることにより超音波を発振すると共に、前記振動面２３によって超音波を受信したときの当該振動面２３の振動を受信信号に変換して出力する。
【００２７】
この超音波振動子２２は、１５ＭＨｚの超音波を発振するが、この周波数に限定されず、５ＭＨｚ〜２０ＭＨｚの超音波を発振できればよい。
【００２８】
振動面２３は、焦点位置においてラインフォーカス（線焦点）となるように超音波を発振可能な形状を有する。具体的に、振動面２３は、略円筒状のセンサー本体２４の軸方向に沿った中央縦断面において超音波の発振方向と反対側に窪み、且つ最も窪んだ部位が前記中央縦断面に直交する方向に（若しくはセンサー本体２４の周方向に沿って）延びるように湾曲している。詳しくは、振動面２３は、前記中央縦断面では円弧状に湾曲し（図４参照）、センサー本体２４の横断面では直線状となっている（図３（Ａ）及び図３（Ｂ）参照）。即ち、振動面２３は、前記中央縦断面と平行な各断面においてそれぞれ同じ曲率の円弧形状を有する。この振動面２３の前記中央縦断面に沿った湾曲形状（曲率等）は、検体対象物である管８０の内周面８６の曲率や当該振動面２３から管８０の内周面８６までの距離によって決定される。
【００２９】
センサー本体２４は、超音波振動子２２が内部に配置される略円筒状の部材であり、周面に複数（本実施形態では８個）の穴２６が設けられている。センサー本体２４は、当該センサー本体２４内における各穴２６に対応する位置に超音波振動子２２を保持する。また、センサー本体２４は、振動面２３から発振された超音波のラインフォーカスが管８０の内周面８６において当該管の周方向に沿うように各超音波振動子２２を保持する。具体的に、センサー本体２４は、振動面２３の最も窪んだ部位が延びる方向が当該センサー本体２４の周方向に沿うように超音波振動子２２を保持する。このとき、超音波振動子２２は、センサー本体２４の穴２６内に取り付けられてもよく、センサー本体２４の内部であって穴２６と対応する位置に（振動面２３が外部に露出するように）取り付けられてもよい。これにより、各超音波振動子２２の振動面２３から発振された超音波が管壁（管８０）に向かうと共に管壁から戻ってきた前記超音波（反射エコー）が各超音波振動子２２の振動面２３に到達する。
【００３０】
各穴２６は、センサー本体２４の軸方向の複数の位置（本実施形態では、２箇所）において、周方向に等間隔に並んでいる。また、センサー本体２４の軸方向において隣り合う前記周方向の穴２６の列同士においては、隣り合う穴２６、２６同士が周方向にずれている。これにより、探傷センサー１０を管軸方向に移動させれば、管壁を全周に亘って探傷することが可能となる。尚、前記周方向の穴２６の列は１列であってもよい。また、センサー本体２４に超音波振動子２２が１つだけ設けられてもよい。
【００３１】
一対のコイルバネ１２、１２は、探触部２０から両側にそれぞれ延びる。具体的に、各コイルバネ１２は、センサー本体２４の軸方向の両端部から前記軸方向にそれぞれ延びるように配置される。このコイルバネ１２は、管８０の直管部８２（図１参照）内において当該コイルバネ１２を介して探触部２０を押し進めるときに、当該コイルバネ１２が途中で屈曲若しくは湾曲しない程度のバネ定数を有する。
【００３２】
探傷センサー１０の基部側（図１の右側）のコイルバネ１２の内部には、探触部２０の各超音波振動子２２から延びる電線（図示省略）が配置されており、探傷センサー１０とケーブル３とが接続されるときに、この電線とケーブル３とが電気的に接続される。これにより、探傷器本体５と各超音波振動子２２との間での信号の送受信が可能となる。
【００３３】
先端案内部１４は、球状の部材である。この先端案内部１４は、探傷センサー１０の先頭位置に設けられ、管８０の湾曲部８４等において当該先端案内部１４が管内周面８６と摺接しつつ管８０内を進むことにより、探傷センサー１０が管８０の曲がり等に沿って進み易くなる。
【００３４】
各調芯部３０は、探傷センサー１０が管８０に挿入されたときに、管８０内の径方向の中心に探触部２０を位置させるためのものであり、板状の調芯部本体３２を備える。
【００３５】
調芯部本体３２は、コイルバネ１２の中心線Ｃ方向（図２参照）と直交する方向に拡がる板状部材であり、その先端に当接面３２ａを有する。そして、調芯部本体３２は、探傷センサー１０が管８０に挿入されたときに当接面３２ａを管内周面８６に当接させる（図１参照）ことにより、管８０内の径方向の中心に探触部２０を位置させる。即ち、探傷センサー１０が管内に位置するときに、管８０の内周面８６から探触部２０の超音波振動子２２（振動面２３）までの距離が略一定に維持される。この調芯部本体３２は、例えば、ナイロンやポリプロピレン、ゴム等の樹脂によって形成される。
【００３６】
各カバー部材５０は、コイルバネ１２が管内周面８６と接触するのを防ぐための部材であり、コイルバネ１２がその中心部を貫通する球状の部材である。カバー部材５０は、ポリテトラフルオロチレンで形成されているが、これに限定されず、ナイロンやポリプロピレン等の樹脂で形成されていればよい。
【００３７】
このカバー部材５０は、コイルバネ１２の中心線Ｃ方向における調芯部３０が配置されていない部位全体に配置される。即ち、探傷センサー１０において、コイルバネ１２は、複数の調芯部３０と複数のカバー部材５０とによって覆われている。
【００３８】
以上のような探傷センサー１０を備えた探傷装置１によれば、以下のようにして管８０の探傷を行う。
【００３９】
検査対象物である管８０の一端部から探傷センサー１０が挿入される。本実施形態における検査対象物は、例えば、全長が９０ｍ、管内径が２８ｍｍ、湾曲部の曲率半径が５７ｍｍ、湾曲部が７箇所設けられた管（例えば、鋼管やステンレス管等）８０である（図１参照）。
【００４０】
次に、送り込み部４によって水を管８０内に注水し、その水圧を利用して探傷センサー１０を管８０内で押し進める（移動させる）。このとき、調芯部本体３２の当接面３２ａが管内周面８６と当接することによって探触部２０が管８０の径方向の中心位置に支持された状態となり、この状態で探傷センサー１０が管８０内を移動する。これにより、管８０の内周面８６から探触部２０の超音波振動子２２（詳しくは、振動面２３）までの距離は、探傷センサー１０が管８０内を移動しても一定（若しくは略一定）に維持される。
【００４１】
このように管８０内を探傷センサー１０が移動しつつ、探触部２０が超音波の発受信を行うことにより、管８０の各部位の探傷が行われる。具体的には、超音波探傷器２（詳しくは、探傷器本体５）からの発振信号に基づいて、探触部２０の各超音波振動子２２の振動面２３がそれぞれ振動することにより管壁に向けて超音波を発振する。
【００４２】
この振動面２３の振動によって発振された超音波は、その焦点が管８０の内周面８６において当該管８０の周方向に沿ったラインフォーカスとなっているため、管８０の軸方向の縦断面に沿って進む超音波が管８０の外周面８７で収束する（図５（Ａ）参照）と共に、管８０の軸と直交する方向の横断面に沿って進む超音波が外周面８７で収束する（図５（Ｂ）参照）。これは、内周面が湾曲していることに起因する。そして、各超音波振動子２２がこの外周面８７で反射されて戻ってきた前記超音波をそれぞれ受信する。これにより、従来のフラットな振動面を有する超音波振動子やポイントフォーカス型の超音波振動子を用いた場合のように反射エコーが拡散する（図１０及び図１１参照）ことがなく、超音波振動子２２が十分な反射エコーを受信することができる。その結果、当該探傷センサー１０によれば、高いＳ／Ｎが得られる。
【００４３】
反射エコーを受信した各超音波振動子２２は、これらを受信信号に変換して超音波探傷器２（探傷器本体５）に出力する。そして、探傷器本体５は、この受信信号を解析して管８０の管壁に生じる割れや減肉等のキズの検出を行い、その結果を記録部６に出力する。記録部６は、これを記録すると共に検出結果を表示する。
【００４４】
上記実施形態の探傷センサー１０によれば、探傷の際に、高いＳ／Ｎが得られる。そのため、管８０の長さが大きくても（例えば１００ｍ以上であっても）、即ち、探傷センサー１０と超音波探傷器２とを接続するケーブル３が長くても、Ｓ／Ｎが高いことから精度よく探傷することが可能となる。特に、ケーブル３の長さが４０ｍ程度を超える場合に、フラットな振動面を有する超音波振動子やポイントフォーカス型超音波振動子を備えた探傷センサーに比べて、高いＳ／Ｎが得られる効果が顕著となる。また、内径が６０ｍｍ以下の内周面の曲率が大きな管８０の探傷を行う場合にも、フラットな振動面を有する超音波振動子やポイントフォーカス型超音波振動子を備えた探傷センサーに比べて、高いＳ／Ｎが得られる効果が顕著となる。
【実施例１】
【００４５】
上記実施形態の探傷センサー１０の有効性を確認するために、上記実施形態の探傷センサー１０と、フラットな振動面の超音波振動子を備えた探傷センサー（フラット型探傷センサー）と、ポイントフォーカス型の超音波振動子を備えた探傷センサー（ポイントフォーカス型探傷センサー）と、を用いて管８０の探傷を行い、探傷結果における管８０の内周面８６から戻ってくる表面エコー高さと外周面８７から戻ってくる底面エコー高さとを観察した。このとき用いられた管８０は、上記実施形態同様、内径が３８ｍｍ、肉厚が６．５ｍｍである。
【００４６】
探傷結果を図６〜図７（Ｂ）に示す。図６は、上記実施形態の探傷センサー１０によって検出した反射エコーの強度を示す図である。図７（Ａ）は、フラット型探傷センサーによって検出した反射エコーの強度を示す図である。図７（Ｂ）は、ポイントフォーカス型探傷センサーによって検出した反射エコーの強度を示す図である。
【００４７】
これらの図から、上記実施形態の探傷センサー１０によれば、フラット型探傷センサーやポイントフォーカス型探傷センサーを用いて探傷した場合に比べて、底面エコー高さ（底面エコーの受信強度）が約３倍（約１０ｄＢ）高く得られることが分かる。これにより、上記実施形態の探傷センサー１０を用いることによって、フラット型探傷センサーやポイントフォーカス型探傷センサーを用いて探傷した場合に比べて、高いＳ／Ｎでの探傷が可能であることが裏づけられた。
【００４８】
尚、本発明の探傷センサー、及びこれを用いた超音波探傷方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４９】
例えば、上記実施形態では、振動面２３は連続する滑らかな湾曲面であるが、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示されるように、振動面２３０は、管軸方向の縦断面において複数の平面を組み合わせた形状であってもよい。即ち、振動面は、発振した超音波が焦点位置でラインフォーカス（線焦点）となればよい。
【００５０】
また、上記実施形態の探傷センサー１０では、探触部２０が一つであるが、複数設けられてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１０   内挿型超音波探傷センサー
２０   探触部
２２   超音波振動子
２３   振動面
２４   センサー本体
８０   管
８６   内周面
８７   外周面
【図１】
2012211830.tif 000003
【図２】
2012211830.tif 000004
【図３】
2012211830.tif 000005
【図４】
2012211830.tif 000006
【図５】
2012211830.tif 000007
【図６】
2012211830.tif 000008
【図７】
2012211830.tif 000009
【図８】
2012211830.tif 000010
【図９】
2012211830.tif 000011
【図１０】
2012211830.tif 000012
【図１１】
2012211830.tif 000013