JPH0278949A - 超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、焼ばめにより一体的に構成したリング状の被
探傷体、例えばタービン発電機ロータのコイル端部に焼
ばめにより一体的に設けられている保持環を非破壊探傷
するようにした超音波探傷装置に関する。

（従来の技術） 一般に、タービン発電機ロータのコイル端部に焼ばめさ
れた保持環は、ロータの軸方向の移動を規制するための
ものであり、これは、非磁性体の材料で冷間拡管手段で
製造されるため、その材料組織は粗大化した金属結晶粒
を組成している。

ここに、上記ロータのコイル端部に焼ばめされた保持環
が、ロータの高速回転に伴い、回転中に応力歪割れ（亀
裂）を生じて破損したり、脱落してしまうことがないよ
うにするため、焼ばめ終了後、非破壊探傷による傷の探
知手段として、超音波による探傷が一般に行われている
。

従来、この種の超音波による探傷、例えば第８図に示す
ように、ロータのコイル端部に一体的に設けられ、外周
部に凹凸部Ａ１が形成された短絡環Ａの外周面に焼ばめ
された被探傷体としての保持環Ｗの内周面Ｗａの近傍に
生じた応力腐蝕割れ等により亀裂Ｗｃの探知は、一般に
超音波ビームを発振する送信器と、これを受波する受信
器とを内蔵した超音波探触子ｄを上記保持環Ｗの外周面
ｗｂに接触させて移動させるとともに、上記超音波発振
子ｄから接触角に対して約３５″〜４５゜（経験値）の
軽斜角αで超音波ビームｅを発振し、この超音波ビーム
ｅの反射波をこの受信器で受波し、これによって第９図
に示ように、保持環Ｗを組成する材料組織のノイズエコ
ー（エコー波）βを得る。そして、このようにして得ら
れたエコー波βを、図示しない超音波探傷分析装置で分
析して、上記保持環Ｗの亀裂Ｗｃを探知するようなされ
ている。

即ち、第８図及び第９図のグラフに示すように、上記超
音波ビームｅの探傷路上に亀裂Ｗｅが存在すると、上記
受信器は、エコー波βとしてエコー高さを異にした異状
波（亀裂エコー）β□を受波するので、この亀裂エコー
β１の存在によって、経験的に亀裂Ｗｅと判定している
のである。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記従来例における超音波探傷において
は、探傷によって生じる雑音エコーに加え、焼ばめされ
た保持環Ｗの内周面Ｗａの接触圧の高い部位で音響イン
ピーダンスの不連続を生じてしまう。特に、上記短絡環
Ａにおける、凹凸部Ａ　の端部Ａｏで反射した超音波ビ
ームｅを受波する際に、超音波受信器は疑似エコーを受
波することになり、あらかも亀裂Ｗｃの異状波（亀裂エ
コー）β１と焼ばめによる接触エコーとを誤認混同して
しまうおそれがある。まして、この端部Ａｏの近傍に亀
裂Ｗｃが生じている場合には、この誤認の恐れが更に強
（なってしまう。

このため、上記従来例においては、超音波の減衰や材料
組織によるノイズエコーに妨げられて、上記保持環Ｗに
生じる数ミリ以下の亀裂ＷＣを探知するには熟練を要し
、探傷検査の信頼性に欠けるといった問題点があった。

本発明は上記に鑑み、受波した超音波音源が被探傷体の
焼ばめによる接触エコーか亀裂エコーかを確実に判別し
て、探傷の信頼性を向上させるとともに、被探傷体の内
部に生じる金属介在物等の有無や位置についても同時に
判定することができるものを提供することを目的とする
。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明にかかる超音波探傷装
置は、焼ばめにより一体的に構成したリング状の被探傷
体を非破壊探傷するようにした超音波探傷装置において
、上記被探傷体の外周面に、軸心を斜め方向内方に向け
た少なくとも−っの斜角探触子と軸心を直径方向内方に
向けた垂直探触子とを両者の軸心の延長線の交点が上記
被探傷体の内周面の一点で交わるよう配置し、上記斜角
探触子からその軸心方向に発振した超音波ビームの反射
または拡散波を該斜角探触子及び上記垂直探触子で受波
するとともに、この両者で受波した信号レベルの比率を
求めるようにしたものである。

（作　用） 上記のように構成した本発明によれば、焼ばめによる接
触エコーと亀裂エコーとでは、傾斜探触子から発振しこ
れで受波したエコーのエコー高さと、傾斜探触子から発
振し垂直探触子で受波したエコーのエコー高さの比率が
異なることから、この比率を求めることにより超音波音
源の判定を容易に行って、亀裂の有無を探知することが
できる。

また、垂直探触子により、被探傷体の肉厚を測定して、
接触探触子の適正な位置を調節することができるととも
に、被探傷体の内部に生じる金属介在物等の有無や位置
についても同時に判定することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図乃至第６図は、タービン発電機ロータのコイル端
部に焼ばめして設けられた保持環を被探鍋体とした実施
例を示す。

同図において、保持環（被探傷体）Ｗは、ロータのコイ
ル端部に一体的に設けられ外周部に凹凸部Ａ１を形成し
た短絡環への外周面に、焼ばめにより一体に取付けられ
ている。ここに、この保持環Ｗの内周面Ｗａには、応力
腐蝕割れによる亀裂Ｗｃが生じていると仮定する。

上記保持環Ｗの外周面ｗｂには、これに接触して、軸心
を斜め内方に向けた一対の傾斜探触子ｌａ、ｌｂと、軸
心を保持環Ｗの直径方向に向けた垂直探触子２が、この
垂直探触子２を中心として左右対称で、かつ全ての軸心
の延長線の交点が、保持環Ｗの内周面の一点Ｓで交わる
ように配置されている。

即ち、傾斜探触子１ａ、ｌｂから発振された超音波ビー
ムＢａ、Ｂｂは、この軸線に沿って斜め方向から交点Ｓ
に向かい、垂直探触子２から発振された超音波ビームは
、この軸線に沿って保持環Ｗの直径方向から交点Ｓに向
かうようなされている。

また、垂直探触子２には、モータ支持台３が固着されて
いるとともに、このそ−夕支持台３には、パルスモータ
等のモータ４が支持され、このモータ４の出力軸には、
歯車５が固着されている。

一方、傾斜探触子１ａ、ｌｂは、左右に夫々逆ねじとな
るねじ部６ａ、６ｂを設けたねじ棒６の各ねじ部と６ａ
、６ｂと夫々螺合する保持具７ａ。

７ｂにばね８．８を介して常に保持環Ｗの方向に付勢さ
せた状態で取り付けられているとともに、ねじ棒６の中
央部には、上記歯車５と噛合うウオームホイール９が固
着されている。

これにより、モータ４を回転させることにより、ねじ棒
６を回転させ、傾斜探触子１ａ、ｌｂを互いに同期して
同量だけ逆方向に移動させて、各傾斜探触子１ａ、ｌｂ
と垂直探触子２との各距離りを調整するとともに、傾斜
探触子１ａ、ｌｂが保持環Ｗがら離れてしまうことがな
いように構成されている。

なお、傾斜探触子１ａ、ｌｂ及び垂直探触子２を保持環
Ｗから離れるのを防止するため、一般に使用されている
案内棒やスリーブ等を使用しても良いことは勿論である
。

第２図に示すように、傾斜探触子１ａ、ｌｂ及。

び垂直探触子２には、超音波ビームを発振する送信器１
０ａ、１０ｂ及び１０ｃが結合され、これらの送信器１
０ａ、１０ｂ及び１０ｃは、選別器１１により各探触子
１ａ、ｌｂ及び２の選定と超音波送信時期が決定される
ようなされている。

また、傾斜探触子１ａ、ｌｂの受信号は、切換器１２に
入力された後受信器１３ａに、垂直探触子２の受信号は
受信器１３ｂに夫々入力され、各信号は個々に信号検出
器１４ａ、１４ｂに入力されて後、信号処理器１５に入
力されるようなされている。

ここに、上記切換器１２及び信号検出器１４ａ。

１４ｂは、選別器１１からの信号により動作するように
なされており、この選別器１１は予めコンピュータ１６
に組込まれたプログラムによって動作し、信号処理器１
５の出力は、コンピュータ１６に入力され、このコンピ
ュータ１６の出力は記録表示器１７に人力される。また
、信号検出器１４ａ、１４ｂの信号検出条件は、コンピ
ュータ１６からの信号によって決定される。

上記構成における探傷の原理の第３図以下を参照して説
明する。

第３図に示すように、各々の探触子１ａ、ｌｂ及び２の
超音波送受波点をＣＩ、Ｃ２及びＣ３とすれば、Ｃ１と
Ｃ３及びＣ２とＣ３の間隔りは等しく、保持環Ｗの外半
径をＲ８、肉厚をＴとすると、この間隔りは次の式で表
される・。

なお、この角度θは、保持環Ｗの内周面Ｗａへの超音波
ビームの入射角であり、斜角探触子１ａ。

１ｂとして横波のものを使用する場合には、一般にθ−
４５″近傍をなるようこの屈折角並びに配置を決定する
ことが望ましく、このように配置すると、亀裂Ｗｃが生
じている場合に、比較的高いコーナ反射エコーを得るこ
とができる。

こ・のよらに配置された３つの探触子１ａ、ｌｂ及び２
は、相互の位置関係を保ったまま、保持環Ｗの外周面ｗ
ｂ上を円周方向またはこの軸方向に移動することはこと
は勿論であり、この移動中にも下記の探傷を行うことが
できる。

そして、上記斜角探触子１ａ、ｌｂ及び垂直探触子２は
、時系列的に順次超音波ビームが発振されるものであり
、選別器１１は、順次送信器１０ａ、１０ｂまたは１０
ｃを選別する。即ち、垂直探触子２を選別した場合には
、受信器１３ｂで信号増幅、検波等を実施した後、信号
検出器１４ｂで受信号波形にゲート及びディスクリレベ
ルを設定したことで得られる信号を検出して信号処理器
１５に入力される。なお、この場合には、切換器１２は
、いずれの傾斜探触子１ａ、１ｂも受信器１３ａと結合
させず、従って信号も検出しない。

また、一方の傾斜探触子１ａを選別器１１で選別した場
合には、切換器１２はこの探触子１ａを受信器１３ａと
結合させ、信号検出器１４ａに入力させるとともに、垂
直探触子２の受信号を、受信器１３ｂから信号検出器１
４ｂに入力させ、これによって、信号検出器１４ａ、１
４ｂで検出された信号は信号処理器１５に入力される。

なお、他方の傾斜探触子１ｂを選別した場合には、上記
と同様な作用が行われる。

第４図は、以上の作用例を図示したもので、垂直探触子
２の送波及び受波に受信波形を同図（ａ）に示す。この
図（ａ）において、信号検出器１４ｂは、波形１８に対
して欠陥の有無を判別するディスクリレベル１９を保持
環Ｗの内部のビーム伝播路程中に付したゲート２０の間
に設定し、保持環Ｗの内周面Ｗａ位置近傍に相当するビ
ーム伝播路程位置にゲート２１を付し、このゲート２１
内（７）底面反射エコーＢ　のレベルＳｏを検出すると
ともに、ディスクリレベル１９を越える高さＨと路程長
Ｔ１を検出している。

一方、同図（ｂ）は、一方の斜角探触子１ａまたは１ｂ
が選別された時の垂直探触子２により受信波形２２を示
している。この波形２２には、斜角探触子１ａまたは１
ｂから超音波ビームが送波され、垂直探触子２で受波さ
れる間のビーム経路長にほぼ相当するビーム伝播経路位
置にゲート２３を付し、このゲート２３内のエコーレベ
ルＳ１を信号検出器１４ｂで検出している。

また、同図（ｃ）は、同一の傾斜探触子１ａまたは１ｂ
で受波された波形２４を示しており、保持環Ｗの内周面
Ｗａで反射した波形が受波されるビーム経路長に相当す
る位置にゲート２５を付し、このゲート２５内のエコー
レベルＳ２を信号検出器１４ａで検出している。

上記において、各信号検出器１４ａ、１４ｂの各ゲート
２０，２１．２３及び２５の位置及び区間は、コンピュ
ータ１６からの信号によって決定されるものであり、信
号処理器１５は上記検出された信号を受け、選別器１１
の信号に基づき、各々の検出信号を識別してコンピュー
タ１６への入力信号とするとともに、上記エコーレベル
Ｓ１と８２の比率を算出してコンピュータ１６への入力
信号としている。

なお、この実施例においては、受信器１３ａを切換器１
２の後に配置しているが、傾斜探触子１ａ及び１ｂの後
に夫々前お増幅器を配置し、その後に切換器１２に入力
させるようにしても良い。

また、上記のように垂直探触子２により、保持環Ｗの肉
厚Ｔを計測することも容易にあり、この計測値に基づい
て、上記のようにモータ４を介して傾斜探触子１ａ、ｌ
ｂの位置を調節することができる。この時の傾斜探触子
１ａ又は１ｂと垂直探触子２との間隔りの変化に伴い、
上記第４図に示すビーム伝播中に付したゲート２０，２
１゜２３及び２５の設定位置も変化するのであるが、こ
の間隔りを知れば、コンピュ−タ１６でゲート設定位置
に相当するビーム点源経路を演算し、信号検出器１４ａ
、１４ｂに信号を入力して、容易に所定のゲート位置を
設定することができる。

第５図は、傾斜探触子１ａ、ｌｂからの超音波ビームＢ
ａ、Ｂｂが、保持環Ｗの内周面Ｗａの焼ばめ部の短絡環
Ａの凹凸部Ａ　の端部Ａｏに入射工 され、この端部Ａｏに生じる応力集中をこれに伴う局部
的変形に応じて、反射及び散乱波エコーＳｌ及び縦波散
乱波エコーＳ２が生じていることを示している。

ここで、この端部Ａｏの代わりに亀裂Ｗｃに超。

音波ビームを入射しても、これを同様な反射及び散乱波
エコーＳ１及び縦波散乱波エコーＳ２が生じる。

一方、端部Ａ。に超音波ビームＢａを入射し、斜角探触
子１ａで受波される端部Ａ。からの波のエコー高さＳ２
をＰａ、同時に垂直探触子２で受波される端部Ａｏから
の波のエコー高さＳｌをＰ’　ａとし、亀裂Ｗｅ部で同
様にして得られる斜角探触子１ａによるエコー高さＳ２
をＱ　ａ　ｓ垂直探触子２によるエコー高さＳｌをＱ′
　ａとすると、次の式の関係が認められる。

この関係は、第５図に示す接触探触子１ｂによる超音波
Ｂｂを用いた場合も同様であるが、焼ばめによる面圧を
受ける側から探傷することになるため、一般にエコー高
さの比率Ｓ１／Ｓ２の値が不安定となりバラツキが多い
。このため、本実施例においては、垂直探触子１を挾ん
で２つ接触探触子１ａ、ｌｂを備えることにより、端部
Ａｏを常に面圧を受けない側から探傷し、安定な判定を
行えるように構成しているのである。

なお、端部Ａｏに亀裂Ｗｃが生じ、両者が重なった場合
には、上式の分母が大きくなり、これによって亀裂Ｗｅ
の存在を検知することができる。

以上のようにして、検出されたエコーが焼ばめによる端
部Ａｏによるものか、亀裂Ｗｃによるものかを容易に判
定することができるが、更に第６図に、探触子群１ａ、
ｌｂ及び２を保持環Ｗの外周面上で移動させつつ、その
位置と上記エコー比率を取って、例えば予め定められた
エコー比率より低い場合を黒塗りにした時のデータを示
す。この図より、端部Ａｏからの工、コ一部Ｅ１と、亀
裂Ｗｅが生じているため黒塗りとなったこの亀裂Ｗｃか
らのエコ一部Ｅ２を視角的に判定することができ、評価
精度も向上する。

なお、端部Ａｏ及び亀裂Ｗｃ以外の部分では、材料組織
に起因する程度の低いエコーであり、エコー比率を求め
る対象とならない領域であることは勿論である。

更に、上記実施例によれば、垂直探触子２による底面エ
コーＢｏの高さＳｏも測定しているため、焼ばめ面圧の
高い領域では、この底面エコー高さＳｏが低く、焼ばめ
面圧の作用していない領域では、この底面エコー高さＳ
ｏが高いことを利用して、焼ばめ領域であるか否かの判
定が容易となり、焼ばめ面圧が高いと、斜角探触子１ａ
または１ｂにより受波エコー高さＳ２及び垂直探触子２
による受光エコー高さＳｌの値も高くなるという性質か
ら、損傷中に得られたエコーが各探触子１ａ。

１ｂ及び２と保持環Ｗの外周面ｗｂとの接触不良に起因
していないこを確認することができる。

なお、上記平施例においては、垂直探触子２の両側に同
一特性の斜角探触子１ａ及び１ｂを配置したが、第７図
に示すように、互いに異なる特性の斜角探触子１ａ及び
１ｃを配置し、各々の探触って、上記実施例、を同様に
、エコー押生部が焼ばめによる端部Ａｏのものか；亀裂
Ｗ、ｃにｊるものかを容易に判定することができ“る。

更に、上記実施例においては、各探触子を順次送波する
ことで、各々の送波ビームによる受波エコー高さの特性
を求め、所望の効果□を得ているが、これらの探触子か
らの送波を同時とし、その時の受波エコー特性を求めて
、当初の効果を得るようにすることもできる。

〔発明の効果〕

本発明は上記のような構成であるので゛、超”音−音源
が焼ばめによる接触エコーか亀裂による”亀裂“エコー
かを容易に判定して、探傷検平の信頼性禿高めることが
でき名とともに、垂直探触子を倫え　。

ｒｔ、ｔｘｈ″″・關ｎｅｏｎｓ“２鳩２”１°、１を
同時に探知することができ、被探傷体の検査に必要な時
間を大幅に短縮することができる。

また、垂直探触子を挾んで２個の傾斜探触子を配置する
ことにより、焼ばめ面の影響を受けない適正な傾斜探触
子を選択して、上記効果を得゛るようにすることができ
る。

しかも、垂直探触子の送受波で得られる被探傷体の肉厚
測定値により、垂直探触子と傾斜探触子との適正な間隔
を調節するとともに、傾斜探触子並びに垂直探触子のビ
ーム路程中に付加するゲート設定位置を常時安定に設定
するようにすることができる。

更に、傾斜探触子と垂直探触子のエコーの比率の分布を
画像化して表示することにより、この分布状態から亀裂
の発生の有無を容易に判定できばかりでなく、各探触子
の被探傷体への接触状態の良、不良の判定も行うように
することができるといった効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は本発明の一実施例を示し、第１図は
概略正面図、第２図はブロック図、第３図は各探触子の
配置関係の説明に付する図、第４図は各検出信号の波形
を示す図、第５図は超音波ビームの送受波の説明に付す
る図、第６図は記録データを示す図、第７図は他の実施
例を示す第１図相当図、第８図は従来例を示す概略正面
図、第９図は第８図のエコー曲線を示す図である。 ｌａ、ｌｂ、ｌｃ・・・傾斜探触子、２・・・垂直探触
子、４・・・モータ、６・・・ねじ棒、９・・・ウオー
ムホイール、１０ａ、１０ｂ、　　１０ｃｍ・・送信器
、１１−・・選別器、１２・・・切換器、１３ａ、１３
ｂ・・・受信器、１４ａ、１４ｂ・・・信号検出器、１
５・・・信号処理器、１６・・・コンピュータ、１７・
・・記録表示器、１８゜２２．２４・・・波形、２０．
２１．２３．２５・・・ゲート、Ｗ・・・保持環（被探
傷体）。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 第１　図 Ｍ　２　回 ＾性 ３　ｊ　目 円周方向 、第　θ　図 エコー高５

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 焼ばめにより一体的に構成したリング状の被探傷体を非
   破壊探傷するようにした超音波探傷装置において、上記
   被探傷体の外周面に、軸心を斜め方向内方に向けた少な
   くとも一つの斜角探触子と軸心を直径方向内方に向けた
   垂直探触子とを両者の軸心の延長線の交点が上記被探傷
   体の内周面の一点で交わるよう配置し、上記斜角探触子
   からその軸心方向に発振した超音波ビームの反射または
   拡散波を該斜角探触子及び上記垂直探触子で受波すると
   ともに、この両者で受波した信号レベルの比率を求める
   ようにしたことを特徴とする超音波探傷装置。