JP4415313B2 - 超音波探触子、超音波探傷方法及び超音波探傷装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属管を超音波探傷するための超音波探触子及びこれを用いた超音波探傷方法並びに超音波探傷装置に関し、特に斜角探傷において金属管に発生する微小なきずまで高精度に探傷することが可能な超音波探触子及びこれを用いた超音波探傷方法並びに超音波探傷装置に関する。

油井管、ラインパイプ、機械部品等として用いられる金属管に対する高品質化の要求が増すにつれて、当該金属管に対する非破壊検査の基準も厳格化される傾向にある。

従来より、金属管に対する非破壊検査方法として、金属管に超音波を入射し、きずからの反射エコーを検出することによってきずを非破壊的に検査する超音波探傷方法が実施されてきた。斯かる超音波探傷方法の内、金属管の内外表面及び内部に生じたきずや、金属管の溶接部のきずを検査する場合においては、主として金属管表面に対して斜めに超音波を入射する斜角探傷法が適用されてきた。

ここで、金属管に斜めに超音波を入射する際には、超音波探触子から入射される超音波（入射波）が縦波超音波だけであっても、金属管内部に伝搬する屈折波には縦波超音波（屈折縦波）と横波超音波（屈折横波）とが存在することが知られている。これらの屈折波は、入射波に対して図１に示す関係にあるとすると、下記の式（１）で表されるスネルの法則が成立する。
ｓｉｎθi／Ｖi＝ｓｉｎθs／Ｖs＝ｓｉｎθL／ＶL ・・・（１）
ただし、上記式（１）において、Ｖiは媒質I（図１参照）における縦波超音波の音速を、Ｖsは媒質II（図１参照）における横波超音波の音速を、ＶLは媒質IIにおける縦波超音波の音速を、θiは入射波の入射角を、θsは横波超音波の屈折角を、θLは縦波超音波の屈折角を意味する。なお、一般的な斜角探傷法の場合、媒質Iは水（液状接触媒質）又は超音波探触子（斜角探触子）を構成するアクリル等の樹脂であり、媒質IIは被検査対象である金属管である。

上述のように、超音波探触子から超音波を入射角θiで金属管に入射すると、図２に示すように、超音波は、金属管の内表面、外表面で反射を繰り返しながら、金属管内部を伝搬する。金属管の内外表面や内部にきずが存在すると、そこで反射した超音波（反射エコー）が超音波探触子に戻ってきてきずエコーとして受信されることになる。

ただし、図１に示すように、金属管内部（媒質II）に伝搬する屈折波に縦波超音波と横波超音波とが混在すると、超音波探触子で受信するきずエコーが縦波超音波によるものなのか、横波超音波によるものなのか区別することが困難であり、その結果、きずの発生位置を特定できないという問題や、受信信号波形が複雑となり、きずエコーのＳＮ比が低下するなどという問題があった。

斯かる問題を解決するべく、一般的には、金属管内部に伝搬する屈折波に横波超音波しか存在しなくなるように、入射角θiを縦波超音波の臨界角よりも大きく設定している。より具体的に説明すれば、例えば、媒質Iを水とすれば、常温での媒質Iにおける縦波超音波の音速Ｖiは約１５００ｍ／ｓｅｃとなり、媒質II（金属管）における縦波超音波の音速ＶLを５９００ｍ／ｓｅｃ、横波超音波の音速Ｖsを３２００ｍ／ｓｅｃとすれば、前記式（１）から、縦波超音波の臨界角（θL＝９０°）となる入射角θiは約１５°となり、横波超音波の屈折角θsは約３３°となる。つまり、超音波の入射角として１５°以上の角度を選択することで、原理的に媒質II中には横波超音波しか存在しないことになる。

しかしながら、上記の従来の超音波探傷方法では、被検査対象となる金属管のｔ／Ｄ（ｔは金属管の肉厚、Ｄは金属管の外径）が大きい高ｔ／Ｄ金属管（例えば、ｔ／Ｄが２０％以上）を探傷する際、図３に示すように、高ｔ／Ｄ金属管の外表面側から超音波を前記縦波超音波の臨界角以上となる入射角θiで入射すると、金属管内部に伝搬する屈折横波が金属管内面に到達せずに外面に至る伝搬経路を辿り、金属管の内面に存在する内面きずを検出することができない事態が生じるという問題があった。

斯かる問題を解決する手段としては、例えば、特許文献１において、金属管内部における横波超音波の屈折角θsが大きくなる（約３５°より大きい）ような振動子（第一の振動子）と、屈折角θsが小さくなる（約３５°より小さい）ような振動子（第二の振動子）とを備えた超音波探触子を用い、通常の金属管を探傷する場合には、第一の振動子のみを使用する一方、高ｔ／Ｄ金属管を探傷する場合には、第一の振動子と第二の振動子とを組み合わせて使用することが提案されている。

上記特許文献１に記載の超音波探触子によれば、高ｔ／Ｄ金属管を探傷する場合において、第二の振動子によって生じる屈折横波を金属管内面に到達させることが可能であるものの、第二の振動子によって屈折縦波も生じてしまうため、前述したように、きずの発生位置を特定できないという問題や、受信信号波形が複雑となる結果、きずエコーのＳＮ比が低下するなどという問題が生じることになる。

ところで、金属管中に発生する微小きずを検出するために、端面が球面（又は円柱面）形状の音響レンズを振動子の前に配置し（或いは振動子の端面を球面形状や円柱面形状に加工し）、超音波を金属管中で集束させる方法を採用する場合がある（非特許文献１参照）。より具体的には、金属管の管軸方向に短く且つきず深さの小さなきずを検出する際には、端面が球面形状の音響レンズが用いられ（或いは振動子の端面を球面形状に加工し）、きず深さは小さいが管軸方向に連続したきずを検出する際には端面が円柱面形状（円柱面の湾曲方向が金属管の周方向に沿った形状）の音響レンズが用いられる（或いは振動子の端面を円柱面形状に加工する）。

上記方法によれば、超音波を集束させる（例えば金属管の内面に集束させる）ことにより、きずエコーの強度を高め、ひいてはきずエコーを良好なＳＮ比で検出することが可能である。

図４は、金属管の内面に超音波（屈折横波）を集束させた場合における、金属管内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波の伝搬挙動の一例を模擬的に示す図である。なお、図４には、ｔ／Ｄが略２０％以上の金属管の場合（図４（ａ）及び（ｂ））と、ｔ／Ｄが略２０％以下（１０％程度）の金属管の場合（図４（ｃ）及び（ｄ））とにおける屈折縦波及び屈折横波の伝搬挙動を示している。

図４に示すように、ｔ／Ｄが略２０％以下の金属管の場合には、屈折横波を金属管の内面に集束させる（図４（ｃ））と共に、屈折縦波を発生させない（図４（ｄ））条件を設定可能であるのに対し、ｔ／Ｄが略２０％以上の金属管（高ｔ／Ｄ金属管）の場合、前述のように、屈折横波を金属管内面に到達させようとする（図４（ａ））と、屈折縦波も発生することになってしまう（図４（ｂ））。この際、発生した屈折縦波の一部が屈折横波と同様に金属管内面に到達するが、当該金属管内面に到達した屈折縦波は、金属管内面に対して略垂直に近い角度で伝搬するため、金属管の内外表面で多重反射することになる。

図５は、高ｔ／Ｄ金属管を探傷した場合に観察される反射エコーの一例を示す図である。図５に示すように、屈折縦波の多重反射エコーの間に埋もれるようにして屈折横波による内面きずエコーが観察される。従って、屈折縦波の多重反射エコーがきず検出を妨害するノイズ信号となることから微小きずを良好なＳＮ比で検出することは困難となる。また、金属管の肉厚によっては、林状に出現する屈折縦波の多重反射エコーにきずエコーが埋没するため、きずエコーの出現を熟練検査員ですら識別困難な場合もある。

上記高ｔ／Ｄ金属管において林立する多重反射エコーのノイズを除去する方法としては、例えば、特許文献２において、二種の周波数での探傷を交互に行い、各周波数での探傷波形を差分処理することで多重反射エコーを除去する方法が提案されている。より具体的に説明すれば、一方の周波数での探傷で、きずエコーと多重反射エコーを検出し、他方の周波数での探傷で多重反射エコーのみを検出した後、これらを差分することで、きずエコーのみを抽出しようとする方法である。

しかしながら、上記特許文献２に記載の方法には、以下の（ａ）〜（ｃ）のような問題がある。すなわち、
（ａ）二種の周波数で交互にほぼ同一の位置での探傷波形を収集する必要があるため、検査能率が約１／２に低下する。
（ｂ）きずエコーの強度が隣接する多重反射エコーの強度と比較して同等乃至小さい場合、且つ／或いは、きずエコーの出現位置が多重反射エコーの出現位置と極めて接近している場合、多重反射エコーを差分処理する際に、きずエコーの一部若しくは大半を差し引くことになり、差分処理後の波形からきずエコーを検出できない場合がある。
（ｃ）複数の周波数で探傷するために、特殊な超音波探傷器が必要となり、専用装置の導入など検査コストが高騰する。
特開平１０−９０２３９号公報 特開平６−３３７２６３号公報 「超音波探傷法」日本学術振興会、製鋼第１９委員会、日刊工業新聞社、ｐ２２４−ｐ２２７

本発明は、以上に説明したような従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、金属管の斜角探傷において微小なきずまで高精度に探傷することが可能な超音波探触子及びこれを用いた超音波探傷方法並びに超音波探傷装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するべく、本発明の発明者らは鋭意検討した結果、以下のような知見を得た。すなわち、
（Ａ）前述したように、高ｔ／Ｄ金属管を端面が球面（又は円柱面）形状（金属管の軸方向に直交する断面の端部形状が円弧形状）の超音波探触子で探傷する場合、金属管内面に屈折横波を集束させようとする（図４（ａ））と、同時発生する屈折縦波もまた金属管内面に到達する（図４（ｂ））。ただし、金属管内面に到達する屈折縦波は、金属管の中心から見て超音波の伝搬方向側（図４の紙面左側）に位置する部分から送信され、金属管外表面に入射した超音波によって生じるものである。紙面左側の部分から送信された超音波は、金属管外表面への入射角が小さくなっており、これにより縦波超音波の屈折角も小さいものとなって屈折縦波が金属管内面に到達する。

（Ｂ）そこで、図６（ａ）に示すように、金属管の中心（図６（ａ）において横軸が０ｍｍの位置）から見て超音波の伝搬方向側（図６（ａ）の紙面左側）に位置する部分の超音波探触子の金属管の軸方向に直交する断面の端部形状（以下、適宜「断面端部形状」と略称する）を円弧形状から逸脱させ、その曲率半径を反対側（図６（ａ）の紙面右側）に位置する部分に比べて大きなものとする（円弧形状を押し潰したような形状とする）。これにより、超音波探触子の紙面左側部分から送信された超音波の入射角及び縦波超音波の屈折角が大きくなり、屈折縦波は金属管内面に到達せずに金属管の外面に至ることになる（図６（ｂ））。従って、屈折縦波による多重反射エコーを抑制することが可能である。なお、屈折横波については、金属管内面に到達し且つ内面近傍の特定の位置で集束するように考慮しながら、探触子断面端部全体の形状として、円弧形状からの逸脱量を設定すれば良い。

本発明は、以上に説明した本発明の発明者らが見出した知見に基づき完成されたものである。
すなわち、本発明は、金属管に超音波を斜めに入射して探傷するための超音波探触子であって、前記超音波探触子の金属管の軸方向に直交する断面の端部形状が、金属管内部に伝搬する縦波超音波及び横波超音波からなる屈折波において、横波超音波が集束すると共に縦波超音波が金属管内面に到達しないように設計された非円弧形状とされていることを特徴とする超音波探触子を提供するものである。

本発明に係る非円弧形状の超音波探触子によれば、屈折波の内、横波超音波が集束することによって微小なきずからの反射エコー強度が高まると共に、同時発生する縦波超音波が金属管内面に到達しない伝搬経路を辿るため、当該縦波超音波による多重反射エコーを抑制することができ、高精度な超音波探傷を実現することが可能である。

なお、「超音波探触子の金属管の軸方向に直交する断面の端部形状が非円弧形状とされている」とは、金属管を探傷するために超音波探触子を配設した際に、超音波探触子の金属管の軸方向に直交する断面の端部形状が非円弧形状とされていることを意味する他、振動子の前に音響レンズを配置して構成された超音波探触子において、音響レンズの断面端部形状が非円弧形状とされている場合をも含む意味である。さらには、後述するように、複数の素子を並設して構成されるアレイ探触子からなる超音波探触子において、各素子について超音波送受信の遅延時間を調整することによって、断面端部形状が非円弧形状とされた超音波探触子から超音波が送信される態様を模擬する場合をも含む意味である。

ここで、屈折波の内、横波超音波が集束すると共に縦波超音波が金属管内面に到達しないように超音波探触子の断面端部形状を設計するには、例えば、予め設定された金属管の形状（外径、肉厚等）と、金属管における横波超音波の音速と、接触媒質における縦波超音波の音速と、金属管における横波超音波の集束点とに基づいて、前記集束点に伝搬する超音波の伝搬経路を演算する第１ステップと、前記第１ステップで演算された伝搬経路と、予め設定された前記超音波探触子の金属管周方向に沿った長さとに基づいて、超音波探触子の断面端部形状を演算する第２ステップと、前記第２ステップで演算された超音波探触子の断面端部形状と、予め設定された金属管における縦波超音波の音速とに基づいて、金属管内部に伝搬する縦波超音波の伝搬経路を演算する第３ステップと、前記第３ステップで演算された縦波超音波の伝搬経路の内、金属管内面に到達する伝搬経路が存在する場合には、前記横波超音波の集束点を変更して、前記第１ステップから前記第３ステップまでを繰り返す一方、金属管内面に到達する伝搬経路が存在しない場合には、前記第２ステップで演算した断面端部形状を採用する第４ステップとを実行すれば良い。

なお、前述したように、前記超音波探触子を複数の素子を並設して構成されるアレイ探触子とし、金属管内部に伝搬する縦波超音波及び横波超音波からなる屈折波において、横波超音波が集束すると共に縦波超音波が金属管内面に到達しないように、前記各素子について超音波送受信の遅延時間を設定する構成を採用することも可能である。

また、前記課題を解決するべく、本発明は、前記超音波探触子を用いて探傷することを特徴とする超音波探傷方法、或いは、前記超音波探触子を具備することを特徴とする超音波探傷装置としても提供される。

本発明に係る超音波探触子等によれば、金属管の斜角探傷において微小なきずまで高精度に探傷することができるという優れた効果を奏するものである。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明に係る超音波探触子（超音波探傷装置）の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図７は、本発明の第１実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示すブロック図である。図７に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置１００は、超音波探触子１と、超音波探傷器２と、警報器３と、マーキング装置４とを備えている。

超音波探触子１は、金属管Ｐの外面に対向配置され、その金属管Ｐの軸方向に直交する断面の端部形状（超音波探触子１を構成する振動子の断面端部形状）は、金属管Ｐ内部に伝搬する縦波超音波Ｕ１及び横波超音波Ｕ２からなる屈折波において、横波超音波Ｕ２が集束すると共に縦波超音波Ｕ１が金属管Ｐ内面に到達しないように、後述する手順で設計された非円弧形状とされている。斯かる非円弧形状を設計通りに精度良く実現するべく、本実施形態に係る超音波探触子１を構成する振動子は、ＰＺＴに代表されるセラミック系圧電素子ではなく、変形の容易なＰＺＴ−エポキシコンポジット圧電素子によって構成されている。

本実施形態に係る超音波探傷器２は、パルサー２１と、プリアンプ２２と、フィルター２３と、メインアンプ２４と、きず判定部２５とを備えており、同軸ケーブルＣを介して超音波探触子１と接続されている。超音波探触子１を構成する振動子は、パルサー２１からの所定周期毎の送信信号で励振され、接触媒質としての水Ｗを介して金属管Ｐに超音波Ｕを入射する。入射した超音波Ｕは縦波超音波Ｕ１及び横波超音波Ｕ２からなる屈折波として金属管Ｐ内部に伝搬し、その反射エコー（きずエコーなど）が振動子で受信され、その受信信号が超音波探傷器２に送信される。前記受信信号は、超音波探傷器２のプリアンプ２２で増幅され、フィルター２３によって所定周波数帯域でのフィルタリングが施された後、メインアンプ２４でさらに増幅される。メインアンプ２４からの出力信号は、きず判定部２５において予め定められた所定のしきい値と比較され、当該しきい値以上の出力信号であればきず有りと判定されて、警報器３やマーキング装置４への動作指令が出力される。警報器３は前記動作指令に基づいて警報音を出力し、マーキング装置４は前記動作指令に基づいて金属管Ｐ表面に所定のマーキングを施すように構成されている。

以上に説明した構成を有する超音波探傷装置１００によって金属管Ｐを探傷する際、金属管Ｐはスパイラル搬送（周方向に回転しながら軸方向にも移動）され、これにより、金属管Ｐの略全面に亘る探傷が可能となる。ただし、これに限るものではなく、金属管Ｐを軸方向に直進搬送しながら、超音波探触子１を金属管Ｐの周方向に回転させる態様を採用することも可能である。

なお、本実施形態に係る超音波探傷装置１００は、例えば、自動車部品等に用いられるメカニカルチューブや高温環境下で使用されるステンレス鋼管など、ｔ／Ｄ（ｔは金属管Ｐの肉厚、Ｄは金属管Ｐの外径）が２０％以上である鋼管を好適な被検査対象とすることが可能である。

以下、超音波探触子１の断面端部形状を非円弧形状に設計する手順について具体的に説明する。

図８は、超音波探触子の断面端部形状を設計する手順を概略的に示すフロー図である。また、図９Ａ〜図９Ｄは、外径４０ｍｍで肉厚１０ｍｍである金属管（鋼管）Ｐを被検査対象とした場合における設計手順を説明するための説明図である。
図８に示すように、超音波探触子１の断面端部形状を設計するに際しては、先ず最初に（１）金属管Ｐの形状（外径、肉厚）、（２）金属管Ｐにおける横波超音波の音速、（３）金属管Ｐにおける縦波超音波の音速、（４）接触媒質（本実施形態では水）における縦波超音波の音速、及び（５）超音波探触子１の金属管Ｐの周方向に沿った長さを条件設定する（図８のＳ１）。なお、接触媒質における縦波超音波の音速や金属管Ｐにおける横波超音波及び縦波超音波の音速としては、それぞれ接触媒質の種類や金属管Ｐの材質等に応じた既知の数値データを用いても良いし、予め実験データを採取しこれを設定値として用いることも可能である。また、超音波探触子１の金属管Ｐの周方向に沿った長さとしては、十分な送受信感度が得られると共に実際に作製可能である長さを設定すればよい。一般的には、金属管Ｐの形状や検出すべききずの寸法、更には振動子の材質等に依存するが、６〜２０ｍｍ程度の値としている。

次に、（６）金属管Ｐにおける横波超音波の集束点Ｓ（図９Ａ参照）を設定（図８のＳ２）した後、上記（１）、（２）、（４）及び（６）の条件に基づいて、集束点Ｓに伝搬する超音波の伝搬経路を演算する（図８のＳ３）。図９Ａを参照して、斯かる演算内容をより具体的に説明すれば、先ず最初に、金属管Ｐの内面Ｐ２に設定した集束点Ｓから金属管Ｐの外面Ｐ１に向けて、放射状に横波超音波Ｕ２の複数の伝搬経路（実際には、横波超音波Ｕ２は外面Ｐ１から集束点Ｓに向けて伝搬する）を描く。次に、金属管Ｐの外面Ｐ１と接触媒質Ｗとの境界面においてスネルの法則が成立するため、上記（２）及び（４）の条件に基づいて入射波の入射角を算出し、横波超音波Ｕ２の各伝搬経路にそれぞれ繋がる接触媒質Ｗにおける縦波超音波Ｕの各伝搬経路を算出する。そして、集束点Ｓに伝搬する超音波（縦波超音波Ｕ及び横波超音波Ｕ２）の各伝搬経路の初期点（集束点Ｓと反対側の端点）Ｓ０を、想定している超音波探触子１と金属管Ｐとのオフセット距離に略等しい距離だけ初期点Ｓ０が金属管Ｐから離間するように、且つ、各伝搬経路を辿る超音波の伝搬時間（伝搬経路の長さと音速とによって算出される）が互いに同じになるように決定する。以上のようにして、集束点Ｓに伝搬する超音波（縦波超音波Ｕ及び横波超音波Ｕ２）の伝搬経路が演算されることになる。

次に、上記のようにして演算された伝搬経路と上記（５）の条件に基づいて、超音波探触子１の断面端部形状を演算する（図８のＳ４）。より具体的に説明すれば、各伝搬経路の各初期点Ｓ０を順次結んだ曲線或いは各初期点Ｓ０から近似（最小自乗近似等）される曲線の長さを算出し、これを上記（５）の条件（超音波探触子１の金属管Ｐの周方向に沿った長さ）と比較して、両者が略等しい長さとなるように、不要な伝搬経路を端から割愛し、残った伝搬経路の各初期点Ｓ０から算出される曲線Ｄを超音波探触子１の断面端部形状とする。なお、図９Ａに示す例は、金属管Ｐの中心軸に対して左右に略等しい長さの断面端部形状となるように、不要な伝搬経路を既に割愛した状態を示している。

次に、上記のようにして演算された断面端部形状Ｄと上記（３）の条件に基づいて、金属管Ｐ内部に伝搬する縦波超音波Ｕ１の伝搬経路を演算する（図８のＳ５）。より具体的に説明すれば、図９Ａに示すように、断面端部形状Ｄを構成する各初期点Ｓ０から接触媒質Ｗにおける各伝搬経路を辿った縦波超音波Ｕには、金属管Ｐの外面Ｐ１と接触媒質Ｗとの境界面においてスネルの法則が成立するため、上記（３）の条件に基づいて、屈折して金属管Ｐ内部に伝搬する縦波超音波Ｕ１の屈折角を算出し、縦波超音波Ｕの各伝搬経路にそれぞれ繋がる縦波超音波Ｕ１の各伝搬経路を演算する。

次に、上記のようにして算出した縦波超音波Ｕ１の各伝搬経路の内、金属管Ｐの内面Ｐ２（図９Ａ参照）に到達する伝搬経路が存在するか否かを判断する（図８のＳ６）。図９Ａに示す例では、内面Ｐ２に到達する伝搬経路が存在することになる。

内面Ｐ２に到達する伝搬経路が存在する場合には、横波超音波の集束点Ｓを変更（例えば、内面Ｐ２に沿って所定ピッチで変更）し（図８のＳ７）、前述した演算（図８のＳ２〜Ｓ５）を繰り返す。図９Ｂ〜図９Ｄは、その様子を示すものであり、集束点Ｓを金属管Ｐの内面Ｐ２に沿って金属管Ｐの中心軸から段階的に離間させるように変更することにより、図９Ｄに示す状態では、縦波超音波Ｕ１の全ての伝搬経路が内面Ｐ２に到達しないようになる。

そして、内面Ｐ２に到達する伝搬経路が存在しなくなった場合には、直前に演算（図８のＳ４）した断面端部形状Ｄを最終的な超音波探触子１の断面端部形状として採用する。図９Ａに示す例では、図９Ｄに示す状態となったときの断面端部形状Ｄを採用することになる。より具体的には、金属管Ｐの軸方向に直交する超音波探触子１の各断面の端部が一様に曲線Ｄとなるような断面端部形状を採用することになる。

以上に説明した手順により、超音波探触子１の断面端部形状は非円弧形状（断面端部形状Ｄ）に設計される。なお、以上に説明した設計手順は、設計者がその都度作図することによって実行しても良いが、プログラム化して自動的に実行することも無論可能であり、設計効率の点では後者の方が望ましい。また、図９Ａ〜図９Ｄでは、説明を容易にするべく、２次元での超音波の伝搬経路を解析することにより、従来の円柱面形状と同様に、金属管Ｐの軸方向に直交する超音波探触子１の各断面の端部が一様な曲線となるような断面端部形状の設計手順についてのみ説明したが、３次元での超音波の伝搬経路を解析することにより、従来の球面形状と同様に、金属管Ｐの軸方向に直交する超音波探触子１の各断面の端部が一様な曲線とならない断面端部形状を設計することも可能である。

図１０は、各種寸法の高ｔ／Ｄ金属管について、前述した図８に示すフロー図に基づいて超音波探触子１の断面端部形状を設計した結果の一例を示す図である。なお、図１０では、金属管の各種寸法に応じて設計された超音波探触子１の断面端部形状の差異を分かり易くするべく、設計された各断面端部形状を水平方向及び鉛直方向に平行移動してプロットしている。図１０に示すように、本発明の被検査対象としては、図９Ａ〜図９Ｄを用いて説明した外径４０ｍｍで肉厚１０ｍｍである金属管に限るものではなく、高ｔ／Ｄ金属管を含む各種寸法の金属管に対して前述した設計手順を適用することにより、各種寸法の金属管に応じた超音波探触子１の断面端部形状を設計可能である。

なお、金属管Ｐにおける横波超音波の集束点Ｓの設定（図８のＳ２）に際しては、きずの反射率を考慮することが好ましい。より具体的に説明すれば、図１１に示すように、きず（金属管Ｐの軸方向に伸びるスリット状のきず）での横波超音波の反射率は、横波超音波の入射角θに依存する（現実に設定可能な入射角の範囲で考えれば、４０°〜５０°程度で反射率が大きくなる）ため、探傷精度を高める（きずエコーの強度を高める）には、入射角θが４０°〜５０°程度となり得る集束点Ｓを初期値とし、図８に示すフロー図に従って超音波探触子１の断面端部形状を設計するのが好ましい。

図１２は、以上に説明した本実施形態に係る超音波探傷装置１００によって、高ｔ／Ｄ（ｔ／Ｄが２０％以上）のメカニカルチューブ内面に存在する深さ０．１ｍｍの微小きずを探傷した際に得られた探傷波形（メインアンプ２４の出力信号波形）の一例を示す。図１２に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置１００によれば、屈折波（Ｕ１、Ｕ２）の内、横波超音波Ｕ２が集束することによって微小きずからの反射エコー強度が高まると共に、同時発生する縦波超音波Ｕ１が金属管（メカニカルチューブ）Ｐ内面に到達しない伝搬経路を辿るため、当該縦波超音波Ｕ１による多重反射エコーを抑制することができ、きずエコーのみを良好なＳＮ比で検出することが可能である。

なお、本実施形態では、超音波探触子１を構成する振動子自体の断面端部形状を非円弧形状とする態様について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、振動子の前にアクリル等の樹脂などで作製した音響レンズを配置し、当該音響レンズの断面端部形状を前述した設計手順に従って設計された非円弧形状とすることも可能である。斯かる態様を採用する場合には、振動子として、ＰＺＴに代表される変形困難なセラミック系圧電素子を用いることができる。

＜第２実施形態＞
図１３は、本発明の第２実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図である。図１３に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置１００Ａは、超音波探触子１と、超音波探傷器（図示せず）と、警報器（図示せず）と、マーキング装置（図示せず）とを備えている。また、本実施形態に係る超音波探傷装置１００Ａは、探触子ホルダー７１と、上下動アーム７２と、水平動アーム７３と、管追従機構７４と、エアシリンダー７５とを備えている。なお、超音波探傷器、警報器及びマーキング装置は、前述した第１実施形態と同様の構成であるため、その説明は省略する。

超音波探触子１は、金属管の材質（縦波・横波超音波の音速）、外径、肉厚等に応じて、その断面端部形状が予め設計され（図８参照）用意された複数の超音波探触子の中から、被検査対象たる金属管Ｐに適したものが選択され、探触子ホルダー７１に手動又は自動的に装填される。

探触子ホルダー７１は、上下動アーム７２及び水平動アーム７３等を介して、管追従機構７４に連結されている。管追従機構７４は、エアシリンダー７５に連結されており、エアシリンダー７５によって上下動するように構成されている。管追従機構７４が上下動する際、これに連結された上下動アーム７２、水平動アーム７３及び探触子ホルダー７１も一体となって上下動することになる。

超音波探触子１と金属管Ｐとの相対的な位置関係は、上下動アーム７２及び水平動アーム７３を駆動することにより予め決定しておく。超音波探触子１と金属管Ｐとの相対的な位置関係がずれると、超音波探触子１の断面端部形状の設計時に想定した金属管Ｐにおける横波超音波の集束点Ｓの位置がずれることになるため、きず検出能が低下することになる。従って、超音波探触子１と金属管Ｐとの相対的な位置関係を精度良く設定するためには、上下動アーム７２、水平動アーム７３としてリニアガイドを用いることが好ましい。

以上の構成を有する超音波探傷装置１００Ａによって金属管Ｐを探傷する際には、内部への水侵入防止用の栓（図示せず）で金属管Ｐの先端部を閉塞した状態で、スパイラル搬送しながら探傷用水槽（図示せず）を通過させる。このとき、所定の材料検知センサによって金属管Ｐの先端部を検知したタイミングでエアシリンダー７５が起動し、これにより管追従機構７４、上下動アーム７２、水平動アーム７３及び探触子ホルダー７１が一体となって下降し、管追従機構７４が適当な圧力で金属管Ｐの外面に押し付けられる。

適当な圧力で押し付けられた管追従機構７４は、上下左右に所定の範囲だけ可動に構成されており、その下面が金属管Ｐの外面に接触した状態を保ちながら、金属管Ｐの搬送時のガタに追従して上下左右に移動することになる。この際、管追従機構に連結された上下動アーム７２、水平動アーム７３及び探触子ホルダー７１も上下左右に追従して移動することになり、これにより探触子ホルダー７１に装填された超音波探触子１と金属管Ｐとの相対的な位置関係は一定に保たれることになる。

本実施形態に係る超音波探傷装置１００Ａによっても、横波超音波が集束することによって微小きずからの反射エコー強度が高まると共に、同時発生する縦波超音波が金属管Ｐ内面に到達しない伝搬経路を辿るため、当該縦波超音波による多重反射エコーを抑制することができ、きずエコーのみを良好なＳＮ比で検出することが可能である。

なお、図１３では、金属管Ｐ中の超音波伝搬方向が時計回り及び反時計回りの２方向になるように、２個の超音波探触子１を配設した例について図示したが、探傷効率をより一層向上させるべく、例えば、超音波伝搬方向が時計回り及び反時計回りとなる超音波探触子１を金属管Ｐの軸方向に沿ってそれぞれ複数個ずつ配設することも可能である。

＜第３実施形態＞
図１４は、本発明の第３実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示すブロック図である。図１４に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置１００Ｂは、超音波探触子１Ａと、送信回路５と、受信回路６と、警報器３と、マーキング装置４とを備えている。なお、警報器３及びマーキング装置４は、第１実施形態と同様の構成であるため、その説明は省略する。

本実施形態に係る超音波探触子１Ａは、金属管Ｐの外面に対向配置され、複数個（例えば、３２個）の微小圧電素子１１を金属管Ｐの軸方向に直交する断面に並設（例えば、０．５ｍｍ間隔で直線状に配列）して構成されるアレイ探触子とされている。

送信回路５は、超音波探触子１Ａが具備する圧電素子１１の個数と同じ数のパルサー５１及び遅延回路（送信遅延回路）５２を具備している。各パルサー５１は、超音波探触子１Ａの各圧電素子１１に接続されると共に、各遅延回路５２に接続されている。各圧電素子１１は、各圧電素子１１に接続された各パルサー５１からの所定周期毎の送信信号で励振され、接触媒質としての水Ｗを介して金属管Ｐに超音波Ｕを入射する。ここで、各パルサー５１から送信信号を送信するタイミングは、各遅延回路５２によって設定された送信遅延時間に応じて各パルサー５１毎に異ならせることが可能であり、後述するように各パルサー５１の送信遅延時間を適宜設定することにより、断面端部形状が非円弧形状とされた超音波探触子から超音波を送信する態様を模擬している。

金属管Ｐに入射した超音波Ｕは縦波超音波Ｕ１及び横波超音波Ｕ２からなる屈折波として金属管Ｐ内部に伝搬し、その反射エコーは超音波探触子１Ａが具備する圧電素子１１によって受信され、その受信信号が受信回路６に送信される。

受信回路６は、超音波探触子１Ａが具備する圧電素子１１の個数と同じ数のプリアンプ６１及び遅延回路（受信遅延回路）６２を具備している。また、受信回路６は、加算器６３と、メインアンプ６４と、きず判定部６５とを備えている。各プリアンプ６１は、超音波探触子１Ａの各圧電素子１１に接続されると共に、各遅延回路６２に接続されている。各圧電素子１１からの受信信号は、各圧電素子１１に接続された各プリアンプ６１によって増幅された後、各プリアンプ６１に接続された各遅延回路６２によって、各圧電素子１１の送信遅延時間（各圧電素子１１に接続された各パルサー５１の送信遅延時間）と同じ受信遅延時間の遅延を施される。各遅延回路６２の出力信号は、受信回路６が具備する加算器６３によって加算された後、メインアンプ６４によって増幅される。メインアンプ６４からの出力信号は、第１実施形態のきず判定部２５と同様の構成であるきず判定部６５に入力され、きずの有無が判定されることになる。

以下、前述した送信遅延時間及び受信遅延時間の設定方法について説明する。

図１５は、送信遅延時間及び受信遅延時間の設定方法を説明するための説明図である。図１５に示すように、送信遅延時間及び受信遅延時間を設定するに際し、先ず最初に、第１実施形態で説明した手順（図８参照）と同様の手順で設計した非円弧形状Ｄの水平方向（図１５の紙面左右方向）の長さと超音波探触子１Ａの長さとを比較し、両者が略同じ長さとなるように、使用する圧電素子１１を選択する（選択された圧電素子１１の纏まりを選択素子群という）。

次に、選択素子群を構成する各圧電素子１１の中心座標と非円弧形状Ｄとの相対距離をそれぞれ算出（いずれかの圧電素子１１と非円弧形状Ｄとの相対距離を０として算出する。図１５では、右端の圧電素子１１と非円弧形状Ｄとの相対距離が０）し、各相対距離を接触媒質Ｗにおける縦波超音波Ｕの音速で除した値を、各圧電素子１１に対応する送信遅延時間及び受信遅延時間として設定する。

以上に説明した方法で送信遅延時間及び受信遅延時間を設定することにより、断面端形状が非円弧形状Ｄとされた超音波探触子で超音波を送受信する場合と同様の挙動を示すことになる。すなわち、図１４に示すように、金属管Ｐ内部に伝搬する縦波超音波Ｕ１及び横波超音波Ｕ２からなる屈折波において、横波超音波Ｕ２が集束すると共に縦波超音波Ｕ１が金属管内面に到達しないことになる。従って、横波超音波Ｕ２が集束することによって微小きずからの反射エコー強度が高まると共に、同時発生する縦波超音波Ｕ１による多重反射エコーを抑制することができるため、きずエコーのみを良好なＳＮ比で検出することが可能である。

本実施形態に係る超音波探傷装置１００Ｂは、超音波探触子１Ａがアレイ探触子で構成され、各圧電素子１１について超音波送受信の遅延時間を適宜設定することにより、断面端部形状が非円弧形状とされた超音波探触子（非円弧形状探触子）を模擬できる構成である。換言すれば、各圧電素子１１の配列が固定（本実施形態では直線状に配列）された一種の超音波探触子１Ａを用いて、超音波送受信の遅延時間を適宜変更するだけで、多種の非円弧形状探触子を模擬することができるため、金属管Ｐの材質、外径、肉厚等に応じた多数の非円弧形状探触子を用意する必要が無く、ランニングコストを安価に抑えることが可能である。また、金属管Ｐの材質、外径、肉厚等に応じて非円弧形状探触子を取り替える必要がないため、段取り替え等に要する時間を短縮することができ、検査能率を向上可能であるという利点を有する。

なお、本実施形態では、超音波探触子１Ａとして各圧電素子１１を直線状に配列したアレイ探触子を適用する場合について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、各配列に応じた超音波送受信の遅延時間を設定しさえすれば、円弧状や多角状に配列したアレイ探触子を適用することも可能である。

図１は、音速が異なる媒質の境界面における超音波の屈折現象を説明するための説明図である。 図２は、金属管の斜角探傷における超音波の伝搬挙動を説明するための説明図である。 図３は、高ｔ／Ｄ金属管を斜角探傷する場合における従来の問題点を説明するための説明図である。 図４は、金属管の内面に超音波（屈折横波）を集束させた場合における、金属管内部を伝搬する屈折縦波及び屈折横波の伝搬挙動の従来例を模擬的に示す図である。 図５は、高ｔ／Ｄ金属管を探傷した場合に観察される反射エコーの従来例を示す図である。 図６は、本発明に係る非円弧形状の超音波探触子を適用した場合における超音波の伝搬挙動を説明するための説明図である。 図７は、本発明の第１実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示すブロック図である。 図８は、超音波探触子の断面端部形状を設計する手順を概略的に示すフロー図である。 図９Ａは、超音波探触子の断面端部形状を設計する手順を説明するための説明図である。 図９Ｂは、超音波探触子の断面端部形状を設計する手順を説明するための説明図である。 図９Ｃは、超音波探触子の断面端部形状を設計する手順を説明するための説明図である。 図９Ｄは、超音波探触子の断面端部形状を設計する手順を説明するための説明図である。 図１０は、各種寸法の高ｔ／Ｄ金属管について、超音波探触子の断面端部形状を設計した結果の一例を示す図である。 図１１は、超音波探触子の断面端部形状を設計する手順において、横波超音波の集束点を設定する際に考慮すべき事項を説明するための説明図である。 図１２は、本発明の第１実施形態に係る超音波探傷装置による探傷波形の一例を示す。 図１３は、本発明の第２実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す図である。 図１４は、本発明の第３実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示すブロック図である。 図１５は、本発明の第３実施形態に係る超音波探傷装置における送信遅延時間及び受信遅延時間の設定方法を説明するための説明図である。

符号の説明

１，１Ａ・・・超音波探触子
２・・・超音波探傷器
Ｐ・・・金属管
Ｕ・・・超音波
Ｕ１・・・縦波超音波
Ｕ２・・・横波超音波

Claims (5)

1. 金属管に超音波を斜めに入射して探傷するための超音波探触子であって、
   前記超音波探触子の金属管の軸方向に直交する断面の端部形状が、金属管内部に伝搬する縦波超音波及び横波超音波からなる屈折波において、横波超音波が集束すると共に縦波超音波が金属管内面に到達しないように設計された非円弧形状とされていることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記超音波探触子の断面端部形状は、
   予め設定された金属管の形状と、金属管における横波超音波の音速と、接触媒質における縦波超音波の音速と、金属管における横波超音波の集束点とに基づいて、前記集束点に伝搬する超音波の伝搬経路を演算する第１ステップと、
   前記第１ステップで演算された伝搬経路と、予め設定された前記超音波探触子の金属管周方向に沿った長さとに基づいて、超音波探触子の断面端部形状を演算する第２ステップと、
   前記第２ステップで演算された超音波探触子の断面端部形状と、予め設定された金属管における縦波超音波の音速とに基づいて、金属管内部に伝搬する縦波超音波の伝搬経路を演算する第３ステップと、
   前記第３ステップで演算された縦波超音波の伝搬経路の内、金属管内面に到達する伝搬経路が存在する場合には、前記横波超音波の集束点を変更して、前記第１ステップから前記第３ステップまでを繰り返す一方、金属管内面に到達する伝搬経路が存在しない場合には、前記第２ステップで演算した断面端部形状を採用する第４ステップと、
   を実行することによって設計された非円弧形状とされていることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
3. 金属管に超音波を斜めに入射して探傷するための超音波探触子であって、
   前記超音波探触子は、複数の素子を並設して構成されるアレイ探触子とされ、
   金属管内部に伝搬する縦波超音波及び横波超音波からなる屈折波において、横波超音波が集束すると共に縦波超音波が金属管内面に到達しないように、前記各素子について超音波送受信の遅延時間が設定されていることを特徴とする超音波探触子。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の超音波探触子を用いて探傷することを特徴とする超音波探傷方法。
5. 請求項１から３のいずれかに記載の超音波探触子を具備することを特徴とする超音波探傷装置。

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