JPH08110327A - 不均質材の超音波探傷法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 減衰能の高い材質や遠心鋳造管のように極め
て不均質な材質の試験体でも、アレイ形探触子を用い
て、欠陥部からの明瞭なエコーを高解像度で観測するこ
とができる探傷方法を提供する。 【構成】 発射する超音波の振動数をｎとしたとき、各
送受信素子１の該遅延時間に更に各送受信素子１毎に且
つ発射毎に異なる±１／（２ｎ）秒以内の位相補正遅延
時間を加算した遅延時間を与えて各送受信素子より超音
波を不均質試験体６中に発射して反射波を各送受信素子
１で受信して各送受信素子の受信波を加算し、加算して
得られたエコー信号を多数回の超音波発射について記憶
し、そのエコー信号が最大となる位相補正遅延時間の組
合せを選択し、その遅延時間の組合せで得られたエコー
より欠陥を見出し、探傷性能を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加圧水形原子炉の一次
冷却管として用いられる遠心鋳造管の溶接部の応力腐食
割れ等の探傷に好適な探傷方法に関し、不均質な試験体
内部の探傷を的確に行うことができる超音波探傷法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波探傷用探触子は、通常一定
の面積を有する単一の送受信子から指向性を有する超音
波ビームを試験体内に発射して、その反射波を受信する
方法により行われている。

【０００３】一方、主として人体の超音波エコー診断法
に用いられる探触子として、図１に示すような細長い矩
形状振動子よりなる送受信素子を多数、並行に横に並べ
て直線状に配列したアレイ形探触子が用いられている。
その送受信素子に１個ずつ直列に電子スイッチを接続
し、振動子を１個ずつ独立にオンオフしうるようにし、
隣接する振動子に順次異なる遅延時間を与え、各送受信
素子より少しずつ位相をずらしてリニヤー走査して超音
波を発射すれば、遅延時間の選択により図２に示すよう
に任意の一定の方向に超音波を入射することができる。
更に各送受信素子を多数回走査して超音波を発射し、各
走査毎に隣接する送受信素子に与える遅延時間の差τを
走査毎に少しずつ変えて走査すると、超音波の入射角度
を連続的に変化するように走査することができる。又図
３に示すように各送受信素子に遅延時間を与えて超音波
を試験体に入射することにより、試験体内の一点に集束
するように超音波を入射することができる。

【０００４】更に送受信素子を平面上に格子状又は同心
円状に配列したアレイ形探触子も知られており、この２
次元のアレイ形探触子の各送受信素子に与える遅延時間
を調節することにより、試験体内で一点に集束するよう
に超音波を試験体に入射することもできる。

【０００５】「非破壊検査」第３６巻、第１０号、第７
６３頁には、電子走査型超音波探傷法により、送受信素
子を直線状に配列したアレイ形探触子より、並行な超音
波ビームを試験体内に入射する方法及び試験体内の一点
に集束するように入射する方法により、探傷する方法が
開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の単一の送受
信子から指向性を有する超音波ビームを試験体内に発射
して、その反射波を検出する方法により、例えば加圧水
形原子炉の一次冷却管として用いられる遠心鋳造管の溶
接部の応力腐食割れ等の探傷を行うと、遠心鋳造管はそ
の鋳造の際、その表面から内部に向かって柱状に結晶が
成長し、性質の異なる柱状の結晶が並行に配列して極め
て不均質な材質となり、その結晶組織の各部分により超
音波の伝播速度が大きく異なるため、その試験体の溶接
部に隣接する表面から斜めに超音波ビームを入射する
と、欠陥部分からの反射波以外に極めて複雑な林状反射
波が観測され、探傷を行うことが不可能である。斜めに
超音波ビームを入射した場合でも、入射点から斜め方向
の欠陥からの目的とするエコーよりも、表面に垂直方向
からのエコーが大きく観測され、目的とするエコーを観
測することができない。

【０００７】又上記のアレイ形探触子を用い並行な超音
波ビーム又は一点に集束する超音波ビームを試験体に入
射しても、高減衰能材や遠心鋳造管のように極めて不均
質な材質の試験体では、各送受信素子から入射して、欠
陥から反射するエコーを各送受信素子で受信しても、各
送受信素子から欠陥までの超音波の往復路の材質の不均
一性により超音波の伝播速度が異なり、各送受信素子か
ら入射されて同じ欠陥から反射するエコーが各送受信素
子に戻ってくるまでの時間に差が生じ、超音波に位相の
差が生ずるため、各送受信素子の受信波を重ね合わせて
も、明瞭なエコーを観測することはできない。

【０００８】従って本発明は、減衰能の高い材質や遠心
鋳造管のように極めて不均質な材質の試験体でも、アレ
イ形探触子を用いて、欠陥部からの明瞭なエコーを高解
像度で観測することができる探傷方法を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、１次元又は２次元
に送受信素子を配列したアレイ形探触子から、均質な材
質の試験体であれば一点に集束するように、各送受信素
子に適当な遅延時間を与えて、各送受信素子より超音波
を発射するとともに、更に波長の±２／１以内のな位相
差を与え位相のずれを補正するように、その各送受信素
子からの超音波発射の遅延時間に更に各送受信素子毎に
異なる位相補正遅延時間を加算した遅延時間を与えて、
各送受信素子を駆動して、多数回走査して送受信素子か
ら超音波を発射し、各送受信素子で受信したエコーを加
算したときに、最大強度のエコーが得られる位相補正遅
延時間の組合せを選択し、そのときの加算したエコーを
その試験位置でのエコーとして記録し、試験位置を順次
少しずつ移動して試験体表面を掃引することにより試験
体内の欠陥の存在とその位置を検出することができ、試
験体内部の不均一性に基づく反射ノイズが強く表れる不
均質材質よりなる試験体であっても、精密な探傷を行う
ことができることを見出し、本発明を完成するに至っ
た。

【００１０】即ち、本発明は線状又は面状に多数の超音
波送受信素子を配列してなるアレイ形探触子の各送受信
素子から発射した超音波ビームが、均質な媒体中では一
点に集束するように各送受信素子に異なる遅延時間を与
えて、順次各送受信素子から位相を少しずつずらした超
音波を試験体内に発射し、その反射波を受信することを
多数回繰り返す超音波探傷法において、発射する超音波
の振動数をｎとしたとき、各送受信素子の該遅延時間に
更に各送受信素子毎に且つ発射毎に異なる±１／（２
ｎ）秒以内の位相補正遅延時間を加算した遅延時間を与
えて各送受信素子より超音波を不均質試験体中に発射し
て反射波を各送受信素子で受信して各送受信素子の受信
波を加算し、加算して得られたエコー信号を多数回の超
音波発射について記憶し、そのエコー信号が最大となる
位相補正遅延時間の組合せを選択し、その遅延時間の組
合せで得られたエコーより欠陥を見出し、探傷性能を向
上させることを特徴とする不均質材の超音波探傷法を要
旨とする。

【００１１】次に本発明の超音波による固体表面の探傷
方法の一例について、図面により具体的に説明する。図
４は本発明の不均質材の超音波探傷法の説明図である。
図１に示すような１次元又は図５に示すように２次元に
配列した送受信素子１にそれぞれ独立したパルス発生器
２を接続し、更に同じトリガー信号発生器３からデジタ
ルの可変遅延回路４及び位相補正遅延回路５を経てパル
ス発生器２にトリガーパルスが入力されるようになって
いる。トリガー信号発生器３からは一定の周期で繰り返
しトリガーパルスが発信される。可変遅延回路４は、各
送受信素子１から発射された超音波が、試験体６が均質
であれば、試験体６に入射した超音波が所定の深さの一
点に集束するように遅延時間を与えてトリガーパルスを
各送受信素子１に印加する。各可変遅延回路４の遅延量
は上記集束条件がみたされるようにコンピュータで演算
したデジタル量により制御される。

【００１２】位相補正遅延回路５は超音波の振動数をｎ
とするとき、±１／（２ｎ）秒以下の遅延量をランダム
に発生して、可変遅延回路４から出力され、位相補正遅
延回路５に入力するトリガーパルスに更にこのランダム
な遅延時間を与えて、これをパルス発生器２に印加す
る。パルス発生器２はトリガーパルスを受けて、例えば
１〜１０ＭHzの超音波発生用高周波パルスを送受信素子
１に印加する。

【００１３】２次元アレイ形探触子は送受信素子１を格
子状に配列したもの、同心円状に配列したもの等が用い
られる。どちらの場合も探触子７の中心からの距離に応
じて、可変遅延回路４の遅延時間を制御して、試験体６
がその超音波伝播速度が全体として試験体６全体の平均
値に略等しい均質な試験体であると仮定した場合に、多
数の各送受信素子１から発射される超音波の波の先端の
包絡面が球面状に進行して、超音波が試験体６内の所定
の深さの一点に集束するように遅延時間を制御する。例
えば試験体６表面から超音波ビームの焦点迄の深さを
Ｈ、焦点から各送受信素子１までの水平距離をＤ、試験
体内の平均の超音波伝播速度をＶとすると、各送受信素
子１の可変遅延回路４の遅延時間Ｔは、 Ｔ＝Ｔ₀ −（（Ｈ² ＋Ｄ² ）^1/2 −Ｈ）／Ｖ となるように制御する。但しＴ₀ は各可変遅延回路４の
遅延時間のうちの最大の遅延時間に相当する定数であ
る。

【００１４】上記の各実施例では分かりやすく説明する
ために、可変遅延回路４と位相補正遅延回路５を独立に
設け、両遅延回路を直列に配列して示したが、実際には
可変遅延回路４のみを設け、その可変の遅延時間を制御
するデジタル信号として、均質材の場合に１点に集束す
る遅延時間に応じたデジタル量に更にランダムな位相補
正遅延時間に応じたデジタル量を加算したデジタル量を
用い、これを制御信号として可変遅延回路４に入力し
て、可変遅延回路４の遅延時間を制御するのが望まし
い。そうすれば可変遅延回路４のみで前記と同じ遅延時
間の制御を行うことができる。

【００１５】トリガー信号発生器３から発生する１つの
トリガーパルスにより、各送受信素子１から、一点に集
束するように計算された遅延時間にランダムな位相補正
遅延時間を加えた遅延時間で順次超音波を発射する。試
験体６内部からの反射波を送受信素子１で受信して検出
する。トリガー信号発生器３から一定の周期で極めて多
数回トリガーパルスを発生し、各トリガーパルス毎に一
点に集束するように各送受信素子１毎に計算された遅延
時間と各送受信素子１毎に異なるランダムな遅延時間の
和に等しい遅延時間を与える。送受信素子１で検出した
信号を記憶し、一定回数の極めて多数回（例えば数百
回）異なるランダムな位相補正遅延時間を与えて、各送
受信素子１から超音波を発射し、各送受信素子１で反射
波を受信し、この受信波を重ね合わせて加算し、エコー
を観測する。検出したエコーを記憶しておき、多数回の
試験で検出したエコーのうち最大のエコーについて、ト
リガーパルス発射からそのエコーの検出までの時間と、
エコーの強度を記録し、オシロスコープ等の表示装置上
に表示して読み取ることにより、その試験個所から欠陥
までの距離（深さ）と欠陥の程度を知ることができる。
試験位置を順次少しずつ移動して試験体表面を走査する
ことにより試験体内の欠陥の存在とその位置を検出する
ことができる。

【００１６】上記説明では、位相補正遅延時間は各送受
信素子１にどのような遅延時間を与える組合せが最適か
は予め全く不明であるから、その位相補正遅延時間の組
合せをランダムに選択して、極めて多数回超音波の送受
信を繰り返すことにより、最適な位相補正遅延時間の組
合せを見出す方法を説明したが、実際には、この方法で
最適組合せを見出すのは、アレイ形探触子の送受信素子
１の数が１０〜２０個程度の数であっても、天文学的回
数の試行が必要となり、能率がよくない。

【００１７】そのため最適組合せを見出すための手法と
して、この種の最適組合せを能率よく求めるための公知
のあらゆる実験計画法を適用することができる。例えば
アレイ形探触子の複数の送受信素子を幾つかの群に区分
し、その群のうち１つの群に属する送受信素子１につい
てのみ、その位相補正遅延時間を±１／（２ｎ）秒の範
囲でランダムに設定し、他の群の送受信素子１の位相補
正遅延時間は固定したままで試験をして、ランダムに設
定した群についてのみ、最適位相補正遅延時間の組合せ
を求め、この操作を順次各群について行い、全体として
暫定的な最適組合せを求め、これを更に何度も繰り返す
ことにより、最終的に全体として最も最適な組合せを求
めることができる。

【００１８】またランダムな位相補正遅延時間は、完全
にランダムに設定するのではなく、±１／（２ｎ）秒の
範囲で複数の水準を等間隔に設定し、その水準のうちの
どれかをランダムに選択する方法を用いるのが望まし
い。例えばｍを自然数とするとき、水準の数を２ｍ＋１
とする場合は、＋ｍ／（２ｍｎ）、＋（ｍ−１）／（２
ｍｎ）、＋（ｍ−２）／（２ｍｎ）、・・・・・、＋１
／（２ｍｎ）、０、−１／（２ｍｎ）、−２／（２ｍ
ｎ）、・・・・・−ｍ／（２ｍｎ）秒のように等間隔に
２ｍ＋１個の水準の位相補正遅延時間を設定する。この
ように設定した水準からランダムに位相補正遅延時間を
選択して設定すると、最適値の組合せを見出すための繰
り返し試験回数を少なくすることができる。

【００１９】最適組合せを見出す他の方法の例として次
のような方法を用いることもできる。先ずアレイ形探触
子の複数の送受信素子を２つの群に区分し、その一方の
群の全ての送受信素子の位相補正遅延時間を同じ値に固
定したままで、他方の群の全ての送受信素子の位相補正
遅延時間を同じ遅延時間に保ちながら、その全部の遅延
時間を一斉に±１／（２ｎ）秒の範囲で一定間隔で少し
ずつ変えて、受信されるエコーが最も大きくなる遅延時
間を見つける。次にいま最適遅延時間を見つけた方の群
の遅延時間はその最適値に固定したままで、他方の群に
ついて同様にその群の全ての送受信素子について遅延時
間を同一に保ちながら一斉に±１／（２ｎ）秒の間で一
定間隔で少しずつ変えて、受信されるエコーが最も大き
くなる遅延時間を見つける。これで第１段階が終了す
る。次にその送受信素子の各群を更に２つの群に分割
し、合計４つの群に分け、その３つの群については先に
見つけた最適遅延時間に固定したままで残りの１つの群
について、先と同様にその群の全送受信素子についてそ
の群の全ての送受信素子の遅延時間を同一に保ちながら
一斉に±１／（２ｎ）秒の範囲で一定間隔で少しずつ変
えて、受信されるエコーが最も大きくなる遅延時間を見
つけその遅延時間に固定する。今度は他の３つの群の１
つについて同様に一斉に遅延時間を少しずつ変えて、最
適値を見つけその値に固定する。次いで残りの２つの群
のうち１つについて同様に一斉に遅延時間を少しずつ変
えて、最適値を見つけその値に固定する。最後に残りの
１つの群について同様に少しずつ一斉に遅延時間を変え
て最適値に固定する。これで第２段階が終了する。次に
上記４つの群を更にそれぞれ２つの群に分割して合計８
つの群に分け、７つの群の遅延時間は固定したままで、
１つの群について上と同様に一斉に少しずつ遅延時間を
変えて最適値に固定する。・・・・この様な操作を続け
る。各段階毎に次々に群を１／２ずつに分割して、群の
数を２、４、８、１６というように増やして、同様な操
作を繰り返し、最後には、各群が１つの送受信素子によ
り構成されるまで繰り返す。上記の方法で各段階で各群
の遅延時間を一回づつ走査しただけでは、他の群の遅延
時間を変えた時に、その影響によりすでに最適遅延時間
を探して固定した群の遅延時間の最適値が変化している
可能性があるので、各段階で各群について遅延時間を１
回だけ走査するのではなく、順繰りに複数回各群を廻る
ように、各群について複数回遅延時間の走査を繰り返す
こともできる。

【００２０】超音波探触子７を試験体６表面に沿って機
械的に順次移動走査しつつ探傷を行う。管の環状溶接部
を探傷する場合には溶接部に沿って環状のガイドを設
け、ガイド上を自動的に探触子７が移動するようにする
ことができる。

【００２１】

【作用】本発明の不均質材の超音波探傷法によれば、ア
レイ形探触子の送受信素子１から欠陥まで超音波が往復
する伝播経路の材質が、試験体の不均質性により、不均
一なため、超音波の伝播速度が異なり、均一な材質であ
れば、欠陥部分に焦点を結び且つ揃った位相の反射波が
各送受信素子１に戻ってくるような条件で超音波を発射
しても、途中の超音波伝播媒体の不均質性により、各送
受信素子１に戻る反射波の位相がずれてしまう。各送受
信素子１からの超音波入射時に、種々の位相補正遅延時
間を与えて試みることにより、その受信超音波の位相が
揃うような位相補正遅延時間の最適な組合せを選択する
ことができ、その結果試験体の材質の不均一があって
も、これによる反射波の位相を揃えるように補正をし
て、欠陥からのエコーを明瞭に観測することができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明の超音波による不均質材の超音波
探傷法によれば、高減衰能材や遠心鋳造管のような不均
質材質の試験体であっても、精密な探傷を行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】１次元アレイ形探触子の一例の斜視図である。

【図２】１次元アレイ形探触子の電子走査原理図であ
る。

【図３】１次元アレイ形探触子からの超音波ビームの集
束法の原理図である。

【図４】本発明の不均質材の超音波探傷法の説明図であ
る。

【図５】２次元アレイ形探触子の一例の斜視図である。

【符号の説明】

１ 送受信素子 ２ パルス発生器 ３ トリガー信号発生器 ４ 可変遅延回路 ５ 位相補正遅延回路 ６ 試験体 ７ 探触子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】線状又は面状に多数の超音波送受信素子を
   配列してなるアレイ形探触子の各送受信素子から発射し
   た超音波ビームが、均質な媒体中では一点に集束するよ
   うに各送受信素子に異なる遅延時間を与えて、順次各送
   受信素子から位相を少しずつずらした超音波を試験体内
   に発射し、その反射波を受信することを多数回繰り返す
   超音波探傷法において、発射する超音波の振動数をｎと
   したとき、各送受信素子の該遅延時間に更に各送受信素
   子毎に且つ発射毎に異なる±１／（２ｎ）秒以内の位相
   補正遅延時間を加算した遅延時間を与えて各送受信素子
   より超音波を不均質試験体中に発射して反射波を各送受
   信素子で受信して各送受信素子の受信波を加算し、加算
   して得られたエコー信号を多数回の超音波発射について
   記憶し、そのエコー信号が最大となる位相補正遅延時間
   の組合せを選択し、その遅延時間の組合せで得られたエ
   コーより欠陥を見出し、探傷性能を向上させることを特
   徴とする不均質材の超音波探傷法。
2. 【請求項２】該探触子を試験体表面に沿って移動して、
   走査する請求項１記載の不均質材の超音波探傷法。
3. 【請求項３】該不均質試験体が高減衰能材又は遠心鋳造
   管である請求項１記載の不均質材の超音波探傷法。