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超音波深傷装置

（書誌＋要約＋請求の範囲）

(19)【発行国】日本国特許庁（ＪＰ）
(12)【公報種別】公開特許公報（Ａ）
(11)【公開番号】特開平６−３１７５６７
(43)【公開日】平成６年（１９９４）１１月１５日
(54)【発明の名称】超音波探傷装置
(51)【国際特許分類第５版】
G01N 29/04 502 8105-2J
29/10 501 6928-2J
【審査請求】有
【請求項の数】１
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】６
(21)【出願番号】特願平３−２３０６１７
【出願変更の表示】実願平３−６０４５８の変更
(22)【出願日】平成３年（１９９１）７月３１日
(71)【出願人】
【識別番号】００００００２８４
【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社
【住所又は居所】大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号
(71)【出願人】
【識別番号】０００２３５５３２
【氏名又は名称】非破壊検査株式会社
【住所又は居所】大阪府大阪市北区西天満２丁目１０番２号
(72)【発明者】
【氏名】中西 準二
【住所又は居所】大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】高橋 英夫
【住所又は居所】大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 富徳
【住所又は居所】大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】片山 強
【住所又は居所】大阪市中央区北久宝寺町２丁目３番６号 非破壊検査株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】大畠 克範
【住所又は居所】大阪市中央区北久宝寺町２丁目３番６号 非破壊検査株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】境 英明
【住所又は居所】大阪市中央区北久宝寺町２丁目３番６号 非破壊検査株式会社内
(74)【代理人】
【弁理士】
【氏名又は名称】西教 圭一郎



(57)【要約】
【目的】 管材や板材の表面付近の欠陥を、広い範囲でＳ／Ｎ比が高い状態で検出する。
【構成】 探触子１１には、送信用の振動子１２と受信用の振動子１３が１ストロークの間隔ｂだけ離して取付けられる。振動子１２，１３は、くさび１４，１５によって同一角度だけ傾斜して取付けられる。超音波は、材料１０中に、屈折角θで入射点３０から入射する。材料１０中で、超音波は、屈折角θで反射しながら進行し、割れ２０に達する。超音波は割れ２０で反射して戻り、出射点３４に到達して、くさび１５を通過して受信用の振動子１３に到達する。表示器２１では、受信用の振動子１３からの出力のピークから、割れ２０までの距離を推定する。



【特許請求の範囲】
【請求項１】 探触子本体と、探触子本体に傾斜して取付けられ、予め定める一定の屈折角で探傷すべき材料中に超音波を送信する送信素子と、探傷すべき材料の内外表面間を前記屈折角で全反射して伝搬する超音波を受信できる間隔だけ、送信方向と反対側に送信素子から離して、探触子本体に送信素子と同一傾斜角で取付けられる受信素子とを含むことを特徴とする超音波探傷装置。

詳細な説明

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、配管、板等の内外面の表面近傍にある微少な割れなどの欠陥を検出する超音波探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】都市ガス配管系統に使用される管材においては、割れなどの欠陥が生じると、ガス漏れが生じたり、管が破損してガスが大量に噴出したりして、非常に危険である。そのため、割れなどの欠陥は、できるだけ初期のうちに発見し、危険防止のための処置を施すことが必要である。ガスなどの供給に実際に使用中の管材などの割れを検出する方法としては、超音波探傷法が用いられる。超音波探傷法においては、管材中に超音波を送信し、割れなどの欠陥部分において反射される超音波を受信して、その反射強度から割れの大きさなどの情報を得る。
【０００３】図８は、従来からの超音波探傷法の一例を示す。ガス管などの材料１の表面付近には、割れ２が存在する。割れ２に対して一定の関係を有する位置に探触子３が配置されると、割れ２の検出が可能となる。探触子３には、振動子４がくさび５によって傾斜して取付けられる。くさび５中には、ビーム中心６で示すように超音波が進行し、材料１中に入射する時点で屈折角θ１を有するように屈折する。屈折角θ１を有するように屈折した超音波ビームは、材料１の他方表面で全反射し、割れ２に達する。割れ２に到達した超音波は、反対方向に反射され、振動子４に戻る。したがって、振動子４を一定時間だけ振動させた後で、振動子４からの超音波の送信を停止し、振動子４によって割れ２から反射した超音波の振動を受信する。振動子４は圧電効果や磁歪効果によって、外部から与えられる電気エネルギを超音波エネルギに変換し、また超音波エネルギを電気エネルギに変換する。振動子４へのエネルギの供給または振動子４からの受信情報は、リード線７を介して探傷ケーブル８に与えられる。探触子３のケースとくさび５との間には、吸音材９が充填される。
【０００４】図９は、図８図示の探触子３によって材料１中の割れ２を検出するときの振動子４が受信する超音波の強度変化を示す。振動子４から超音波が送信されると、くさび５中をビーム中心６に沿って進み、くさび５と材料１との界面で屈折角θ１となるように屈折して材料１中に入射する。この振動子４は、超音波の送信が終了すると直ちに受信に切換えられるけれども、機械的な振動状態が減衰するまでに時間を要し、時刻ｔ１まではかなり大きな振動が残る。材料１中で超音波は反射角θ１で全反射しながら伝搬し、割れ２に到達する。割れ２では超音波の一部が反射され、逆方向に進行して時刻ｔにおいて振動子４に到達する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来からの図８図示の構成によれば、図９図示のような出力が得られ、材料１中の割れ２からの反射波のピーク位置ｔから割れ２までの距離ｂ１を計算することができる。
【０００６】すなわち、ｔの時刻までに超音波は入射点から割れ２まで往復しているので、片道に要する時間はｔの半分となる。材料１中で超音波は、屈折角θ１だけ傾斜して音速ｃ１で進行するものとすると、次の数１の式が得られる。
【０００７】
【数１】ｂ１＝０．５×ｔ×ｃ１×ｓｉｎθ１従来からの図８のような構成による割れ２の検出においては、割れ２までの距離ｂ１が数１の式のようにして計算することができ、しかもいずれの表面側にあるのか、あるいは材料１の内部にあるのかを判断することができる。しかしながら、図９に示すように、時刻ｔ１までの間は振動子４が正常に割れ２からの反射波を受信することはできない。すなわち、このような不感帯によって短い距離の欠陥を検出することはできない。また、時刻ｔにおけるピーク時と、周囲のノイズレベルとの比であるＳ／Ｎ比は、一定条件の試験片による実験結果では、約２．７と比較的低い値となる。
【０００８】実際に超音波探傷装置を使用する目的としては、管材などに応力腐食割れが生じているか否かを検出することが重要である。応力腐食割れは、材料中に残留する応力の存在と、腐食性の雰囲気の相乗効果によって促進される。材料中の応力の残留は、たとえば溶接を行った付近の、いわゆる熱影響部で顕著となる。応力腐食割れを防止するためには、少なくとも溶接部付近を厳重に塗装する必要がある。たとえば、材料がオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４など、一般的には耐蝕性が良い材料であっても、塩素雰囲気では応力腐食割れを起こし易いので、特に溶接部付近では塗装が必要である。超音波探傷装置を使用するとき、塗装被膜を介して超音波を送受信すると、Ｓ／Ｎ比が６０〜８０％に低下する。図９に示すように、Ｓ／Ｎ比が２．７程度であれば、信号とノイズとの判別は比較的容易といえるけれども、この６０％程度になると判別は困難となる。したがって従来からの図８図示のような構成によっては、塗装膜が施されている材料に対して十分な探傷を行うことができない。
【０００９】本発明の目的は、簡単な構成で、広い範囲の欠陥を良好なＳ／Ｎ比で検出することができる超音波探傷装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、探触子本体と、探触子本体に傾斜して取付けられ、予め定める一定の屈折角で探傷すべき材料中に超音波を送信する送信素子と、探傷すべき材料の内外表面間を前記屈折角で全反射して伝搬する超音波を受信できる間隔だけ、送信方向と反対側に送信素子から離して、探触子本体に送信素子と同一傾斜角で取付けられる受信素子とを含むことを特徴とする超音波探傷装置である。
【００１１】
【作用】本発明に従えば、送信素子は探触子本体に傾斜して取付けられる。送信素子からは、予め定める一定の屈折角で探傷すべき材料中に超音波を送信する。材料の内外表面間を前記屈折角で全反射して材料中を伝搬する超音波は、割れなどの欠陥部で反射して進行路を逆方向に戻る。この伝搬方向、すなわち送信方向と反対側に送信素子から離れて受信素子が送信素子と同一傾斜角を有して配置される。その距離は、送信素子に到達する反射波が、さらに材料の内外表面間を前記屈折角で全反射して伝搬する距離であるので、受信素子には割れなどの欠陥によって反射した超音波が受信される。送信素子と受信素子とが分離しているので、受信素子には不感帯はほとんど生じない。また、送信素子と受信素子との距離は、超音波が材料の内外表面を全反射して伝搬する距離であるので、異なった角度で進行する超音波は受信素子に到達せず、雑音の少ない状態で欠陥の検出を行うことができる。
【００１２】
【実施例】図１は、本発明の一実施例による超音波探傷装置の電気的構成を示すブロック図である。管材や板材などの材料１０の表面には、探触子１１が接触する。探触子１１中には、送信素子である送信用の振動子１２と、受信素子である受信用の振動子１３とが分離して収納される。送信用の振動子１２は、くさび１４に取付けられる。振動子１２，１３はダンパ１６，１７によってそれぞれ制動される。探触子１１内の空間には吸音材１８が充填される。探触子１１の本体であるケース内は、音響仕切板１９によって送信用および受信用の区画に分離される。
【００１３】振動子１２，１３は、同一形状で、同一共振周波数、たとえば５ＭＨｚを有する。振動子４の材料としては、たとえばチタン酸バリウムなどの磁器材料が用いられる。くさび１４，１５も同一形状であり、材料としてはアクリル樹脂などが用いられる。くさび１４，１５は、材料１０中で超音波が屈折角θ、たとえば４５°を有するように、振動子１２，１３を傾斜して保持する。ダンパ１６，１７は、布入りのフェノール樹脂などが用いられ、振動子１２，１３の余分な振動を防止する。吸音材１８は、空気を介して超音波が伝搬するのを防止し、音響仕切板１９は、送信部と受信部とを音響的に分離する。以上のように、振動子１２，１３に関連する構造はほぼ同一であるので、探触子１１の製造は容易で、コストダウンが可能である。
【００１４】材料中に存在する割れ２０などの欠陥は、表示器２１による表示によって検出される。この検出を行うために、発振器２２から５ＭＨｚの信号出力が送信用の振動子１２に与えられる。表示器２１および発振器２２は、探傷器２３に含まれる。発信器からの信号出力は、発振器２２から振動子１２に対してコネクタ２４を介して与えられる。受信用の振動子１３からの信号出力は、コネクタ２５を介して表示器２１に与えられる。
【００１５】送信用の振動子１２から送信された超音波は、くさび１４中を進み、材料１０の表面で入射点３０に達する。材料１０中では、屈折角θとなるように屈折して、入射点３０側の表面と対向する側の表面の反射点３１に達する。反射点３１では、表面が空気と接触しており、空気中の音速はくさび１４，１５中の音速よりも小さいので、材料１０中の音速との差が大きく、超音波は反射点３１で全反射され、割れ２０の反射点３２に達する。反射点３２では、超音波の進行方向が逆転され、反射点３１を経て入射点３０に戻る。入射点３０では、さらに反射して反射点３３で再び全反射し、出射点３４に達する。出射点３４では、到達した超音波の一部がくさび１５中に侵入し、受信用の振動子１３に到達する。入射点３０と出射点３４との距離ｂは、超音波が屈折角θで１回全反射して到達する１スキップの距離である。この距離は、たとえば屈折角θが４５°のときには、板厚ａの２倍となる。一般には、距離ｂを次の数２の式で表されるように選ぶ。
【００１６】
【数２】ｂ＝ｎ×２ａ×ｔａｎθ）
ここで、ｎ＝１，２，３，…である。
【００１７】割れ２０までの距離は、材料１０中の音速と屈折角θによって求めることができる。割れ２０が検出されたかどうかは、その距離だけ離れた表面を押さえるなどして、表示器２１の表示が変化するか否かで判断することができる。
【００１８】図２は、図１図示の探触子１１の平面図である。この探触子１１の本体に取付けられる、送信素子である送信用の振動子１２と受信素子である受信用の振動子１３との間隔は、上述のように１スキップに選ぶのが望ましいけれども、板厚ａが薄いときには、１スキップの整数倍、たとえば３スキップ程度であっても差支えないことが、実験結果により確認されている。
【００１９】図３は、欠陥による反射の状態を示す。図３Ａは、反射点３２から少しずれた位置に割れ２０が存在し、超音波の往路と復路とが少しだけずれる状態を示す。すなわち往路３５を経て反射点３２に到達した超音波は、全反射して３６の方向に進み、割れ２０で反射して復路３７の方向に戻る。参照符３６で示す行程が短かければ、往路３５と復路３７のずれは小さく、図１図示の探触子１１で割れ２０の検出は十分可能である。図３Ｂは、割れ２０が、材料１０の結晶粒界３８に沿って、表面に対して傾斜して発生する状態を示す。この状態の方が、むしろ往路３５と復路３７とのずれが小さくなる。本実施例によれば、以上のように、割れ２０が材料１０の表面に垂直な場合のみならず、傾斜している場合でも、その検出が可能である。
【００２０】図４は、図１図示の実施例の動作を確認するための試験片４０の形状を示す。試験片４０には、予め人工的な欠陥である溝Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅが設けられている。
【００２１】図５は、図９図示の結果を得たと同一の試験片（欠陥Ｅ）による図１図示の実施例による超音波探傷の結果を示す。注目すべきは、不感帯がなく、時刻ｔにおける信号のピークが高くなってノイズが減少し、Ｓ／Ｎ比が約５．５と向上していることである。
【００２２】図６は、図４図示の試験片４０を用いる試験の状態を示す。記録器４１はＡＣ電源コード４２から電力を供給される。試験片４０には治具４３が取付けられ、探触子１１の角度を変えて、人工的な欠陥Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅからの距離を変えることができる。この検出結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】


【００２４】本試験は、各試験片に直径２．４ｍｍの縦穴を空け、３．０スキップ離れた位置の探触子１１による検出ピークが、５０％となるように感度を調整して行っている。表１の結果で塗装前のＳ／Ｎ比は十分に高く、さらに試験片に塗装を施した後でもＳ／Ｎ比は比較的高い値が得られる。
【００２５】図７は、材料１０に溶接部５０が設けられ、その周囲の熱影響部５１の付近に、塗装膜５２が設けられている状態を示す。都市ガスは、液化天然ガス（略称「ＬＮＧ」）を原料の１つとして用いている。ＬＮＧ工場内の配管材料には、低温脆性を示さないオーステナイト系ステンレス鋼のＳＵＳ３０４などの材料による管材が使用されている。このような管材は、通常時は常温であるけれども、緊急時にＬＮＧが流れて低温となる場合がある。そのような熱衝撃が加わったときに、割れなどが生じていると危険である。ステンレス鋼は一般的には耐蝕性が良好であるけれども、海岸付近の塩素リッチな環境化では応力腐食割れが発生するおそれがある。したがって、安全性を確保するために、完全な防食構造とする必要があり、塩素から遮断するための塗装が必要である。しかしながら、この塗装被膜は、応力腐食割れを検査するためには障害となる。図８図示の従来からの構成で超音波探傷を行うためには、塗装膜５２を除去しなければならない。防食のための塗装膜を除去して、信頼性確保のための検査を行うことは、検査のためにかえって腐食の危険性を増大する結果ともなりかねない。したがって、検査後には再度厳重な塗装を行う必要がある。表１の結果によれば、図１図示の実施例を用いて、塗装を施したままで十分な超音波探傷を行うことができる。
【００２６】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、不感帯をほとんど生じることなく、しかも高いＳ／Ｎ比で割れなどの欠陥の検出を行うことができる。Ｓ／Ｎ比が高いので、探傷すべき材料の表面に塗装膜が施されていても欠陥の検出が可能となる。実際に使用中の管材などでは、応力腐食割れを防止するために塗装を施しているけれども、欠陥を検出するために塗装の剥離を行う必要もない。
【００２７】また、送信素子と受信素子とは同一傾斜角で取付けられるので、超音波探触子の製造が簡素化されてコストダウンとなる。

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