JPH09145696A - 欠陥深さ測定方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】被検査体の形状を変えることなく、簡便かつ高
い検出感度で欠陥の深さを測定する。 【構成】被検査体３に発生した欠陥４の深さを超音波法
により測定する。被検査体３に発生した欠陥４の真上に
縦波垂直探触子１を設けるとともに、この縦波垂直探触
子１に対向して横波斜角探触子２を設ける。これらの探
触子１，２を二探触子法として一方を送信用とし、他方
を受信用とする。欠陥４の先端部でモード変換して伝播
する端部エコーが最大エネルギーとなる位置に前記両探
触子１，２を位置決めさせ、この時の探触子入射点間距
離を測定する。その測定結果を幾何学的に求めた超音波
ビームの伝播ルートから導き出した計算式にあてはめて
計算することにより欠陥の深さを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は構造物の非破壊検査等に
より発見された欠陥（クラックとも割れとも称す）に対
して寿命評価を行う点から必要となる欠陥の深さ（大き
さ）を測定するための超音波法を使用した欠陥深さ測定
方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】構造物の非破壊検査においては、強度上
許容されるサイズの模擬欠陥と比較して欠陥の検出感度
および合否を決定している。しかし、重要な構造物にお
いて合格範囲であるが欠陥が発見された場合、および欠
陥として検出されてもすぐに補修ができない場合などに
おいて、構造物の寿命評価を行うために欠陥のサイズを
測定する必要があった。

【０００３】この欠陥サイズ測定方法としては、例えば
特開昭54-55493号公報，特開平３−146859号公報などに
開示されているように、渦流探傷，電気抵抗法，超音波
探傷における端部エコー法などが知られている。渦流探
傷や電気抵抗法では探傷面側に欠陥がなければ測定でき
ない上に測定値にばらつきが大きい欠点がある。

【０００４】また、探傷面と反対側から発生した欠陥の
深さを測定できる端部エコー法においては、主として図
10（ａ）に示すように被検査体３に発生した欠陥４の先
端に横波斜角探触子２から超音波ビーム、つまり、横波
入射ビーム７を照射して得られる端部エコーの反射成分
６ａをもとの横波斜角探触子２で検出する端部エコー法
と、図10（ｂ）に示すように端部エコーの回析成分６を
他方の横波斜角探触子２で検出する二探触子端部エコー
法がある。

【０００５】これらの端部エコーは極めて微弱であるた
め、結晶粒界ノイズ等とのＳ／Ｎ比が非常に悪く、超音
波のモードや屈折角の選定、欠陥４の端部に超音波を集
中させるための焦点型探傷子の採用などＳ／Ｎ比向上の
ため種々の検討がされてきている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特にオーステナイト系
ステンレス鋼等の減衰の大きな材料においては、ノイズ
エコーの妨害により欠陥端部からの信号を正しく認識す
ることが困難であり、端部エコーが検出不能となること
もかなりあった。したがって、欠陥の長さ方向に数ミリ
ピッチで深さを測定して、欠陥のプロフィールを測定す
るなどということは不可能であった。

【０００７】本発明者らは欠陥４の先端部に欠陥面と平
行する方向から縦波の超音波ビームを照射した場合、欠
陥４の先端部から欠陥面に対しておよそ下方45°の方向
に従来の端部エコーで利用されていた反射成分（図10中
符号６ａ）、または回折成分（図10中符号６）より10倍
以上強い端部エコーが横波にモード変換されて放出され
ることを見出した。

【０００８】この現象は逆のルート、すなわち欠陥４の
先端部に対して欠陥面とおよそ45°をなす方向から横波
の超音波ビームを当てた場合においても、欠陥４の先端
部より欠陥４面と平行で欠陥４の先端部から遠ざかる方
向に縦波にモード変換された強い端部エコーが放出され
る。

【０００９】従来はモード変換による音速の差や、複雑
な反射経路等のため、このモード変換された端部エコー
は注目されていなかった。上述のように従来の端部エコ
ー法ではＳ／Ｎ比が悪いなかでの測定となり、欠陥の先
端部エコーの識別が難しい課題がある。

【００１０】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、被検査体に発生した欠陥に対して被検査体の
形状を変えることなく、簡便かつ高い検出感度でＳ／Ｎ
比のよい測定ができ、欠陥の深さを測定できる超音波法
を利用した欠陥深さ測定方法およびその装置を提供する
ことにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は被検査体に発生
した欠陥の深さを超音波法により測定する方法におい
て、前記被検査体に発生した欠陥の真上に縦波垂直探触
子を設けるとともに、この縦波垂直探触子に対向して横
波斜角探触子を設け、これらの探触子の一方を送信用と
し、他方を受信用とし、前記欠陥の先端部でモード変換
して伝播する端部エコーが最大エネルギーとなる位置に
前記両探触子を位置決めさせ、この時の探触子の入射点
間距離を測定し、その測定結果を幾何学的に求めた超音
波ビームの伝播ルートから導き出した計算式にあてはめ
て計算することにより欠陥の深さを求めることを特徴と
する。

【００１２】また、本発明は被検査体上に設けられ縦波
垂直振動子と横波斜角振動子の少なくとも一方を取り付
けるセンサホルダと、前記両振動子の少なくとも一方を
取り付けるガイドスクリューと、このガイドスクリュー
を駆動する駆動用モータと、前記センサホルダまたはガ
イドスクリューに取り付ける位置検出器と、前記センサ
ホルダに設けた押付機構と、この押付機構を取り付ける
スキャナアームとを具備したことを特徴とする。

【００１３】さらに、本発明は被検査体上に設けられ縦
波垂直振動子または横波斜角振動子の少なくとも一方を
リニアアレイ型探触子で構成し、これらの振動子を取り
付けるセンサホルダと、このセンサホルダに設けた押付
機構と、この押付機構を取り付けるスキャナアームとを
具備したことを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】本実施の形態の説明に先立ち、本
発明の原理について図１を参照しながら説明する。図１
において、被検査体３に発生した欠陥４の真上に縦波垂
直探触子１を配置し、この探触子１に対向した位置に横
波斜角探触子２を配置する。欠陥４の真上から縦波垂直
探触子１により欠陥４の先端に向けて入射された縦波超
音波ビーム５は、欠陥４の先端に当たると横波にモード
変換された端部エコー６ｂが欠陥とおよそ45°をなす角
度で欠陥の両下方向に放出される。

【００１５】このモード変換した端部エコー６ｂは図10
で説明した端部エコーの反射成分６、および端部エコー
の回析成分６よりもかなり強いエコーであるため、底面
で１回反射しても十分に強いエコーとして横波斜角探触
子２で受信されるため、結晶粒界ノイズ等とのＳ／Ｎ比
は極めて良好である。

【００１６】図10において、被検査体３の板厚をｔ，欠
陥深さをｄ，横波斜角探触子の屈折角をθとすれば、欠
陥先端でモード変換して放出される横波端部エコー６ｂ
が被検査体３の底面に入反射する角度もθである。

【００１７】この場合、縦波垂直探触子１から出る（ま
たは入る）超音波の中心点（以降入射点という）と横波
斜角探触子２の入射点との間の距離をｌとすれば横波超
音波が被検査体表面で反射する回数をｎとして ｌ＝ｄｔａｎθ＋ｎｔｔａｎθ・・・(1) となり、この式から欠陥の深さｄは ｄ＝ｌ／ｔａｎθ−ｎｔ・・・(2) となり、既知の横波斜角探触子２の屈折角θと被検査体
３の厚さｔ、および測定された探触子入射点間距離ｌか
ら求めることができる。

【００１８】以上、本発明による欠陥深さの測定原理に
ついて縦波垂直探触子１を送信側、横波斜角探触子２を
受信側として説明したが、横波斜角探触子２を送信側、
縦波垂直探触子１を受信側としても、全く同様である。
よって以降縦波垂直探触子１を送信側、横波斜角探触子
２を受信側として説明する。

【００１９】図２（ａ），（ｂ）には欠陥が探傷面（探
触子の接触できる面）側にあり、横波の表面反射回数が
０または２回の場合の測定例を示す。本発明で検出しよ
うとしている端部エコー６ｂはかなり強いため、図に示
すように垂直縦波成分が被検査体３の底面で反射しても
十分強いエコーとして検出できるため、前述した説明
と、同じ理論で欠陥深さの測定が可能である。

【００２０】つぎに図２（ａ），（ｂ）を参照しながら
本発明に係る超音波法による欠陥深さの測定方法の第１
の実施の形態を説明する。この第１の実施例は被検査体
３の上面から下方に欠陥４が生じている場合の欠陥４の
深さを測定する例である。図２（ａ）では欠陥４の深さ
が浅い場合の例を示し、図２（ｂ）では欠陥４の深さが
深い場合の例を示している。

【００２１】図２（ａ），（ｂ）ともに欠陥４の真上に
縦波垂直探触子１を設け、横波斜角探触子２を（ａ）の
場合には探触子１から遠ざけて設け、（ｂ）の場合には
近づけて設けている。

【００２２】この第１の実施の形態では図２（ａ），
（ｂ）ともに検出しようとしている端部エコー６ｂはか
なり強いため、図示したように垂直縦波成分６ｂが被検
査体３の底面で反射しても十分強いエコーとして検出で
き、欠陥４の深さを測定することができる。

【００２３】すなわち、欠陥４の開口端から欠陥４と平
行な縦波超音波を探触子１から入射すると、欠陥４の先
端部から下方45°に強い横波超音波が発生するので、底
面で１回反射した横波超音波を横波斜角探触子２で検出
する。この時の縦波垂直接触子１と横波斜角探触子２の
入射点間距離ｌを測定し前述した計算式(2) により計算
することで欠陥４の深さを求めることができる。

【００２４】つぎに図３により本発明に係る欠陥深さ測
定装置の第１の実施の形態を説明する。図３において、
縦波垂直探触子１と横波斜角探触子２は被検査体３上に
載置されるが、縦波垂直探触子１はセンサホルダ８の先
端部取付部材９に固定されており、欠陥４の垂直線上に
位置決めされる。横波斜角探触子２はスクリュー10の移
動部材11に固定されている。スクリュー10はセンサホル
ダ８に固定された斜角探触子駆動用モータ12に直結し、
このモータ12の駆動により回転して横波斜角探触子２を
左右に移動させる。

【００２５】センサホルダ８の先端部には位置検出器13
が取り付けられている。センサホルダ８は例えばコイル
ばねのような押付機構14を介してスキャナアーム15に取
り付けられている。スキャナアーム15は自動超音波探傷
試験装置（以下ＵＴ装置と記す）に設けられたものであ
る。

【００２６】つぎに上記構成の装置による通常の欠陥有
無の探傷から欠陥深さを測定するまでの手順を説明す
る。まず、ＵＴ装置によって本実施の形態に係る欠陥深
さ測定装置がパターン駆動され、この時、横波斜角探触
子２から通常の自動探傷と同様に欠陥有無の探傷を行
う。この探傷により欠陥（割れ）が確認されたなら、そ
の時得られた欠陥エコーのビーム路程とあらかじめ求め
ておいた横波斜角探触子２の屈折角θから欠陥の位置を
求める。

【００２７】そして、横波斜角探触子２の位置が変化し
ないようにしながら、ＵＴ装置および本欠陥深さ測定装
置の斜角探触子駆動用モータ12を駆動させ、縦波垂直探
触子１を欠陥４の直上に位置決めさせる。

【００２８】つぎに、ＵＴ装置をパルスエコーからピッ
チキャッチに切り換え、縦波垂直探触子１を送信側、横
波斜角探触子２を受信側に、ＵＴ装置に接続し直す。こ
の後、斜角探触子駆動用モータ12を駆動して横波斜角探
触子２を縦波垂直探触子１から離れる方向に移動させ、
欠陥先端部に縦波入射ビーム５が当り、ここでモード変
換して発生する横波超音波６ｂのエネルギーが最大とな
る位置にＵＴ装置のＣＲＴ上のエコーを監視しながら横
波斜角探触子２を位置決めさせる。

【００２９】この時の縦波垂直探触子１の入射点と横波
斜角探触子２の入射点間の距離はポテンショメータ等を
用いた位置検出器13により検出される。この検出された
入射点間距離から計算することにより、欠陥深さを求め
ることができる。

【００３０】なお、ＵＴ装置のパルスエコーからピッチ
キャッチへの切り換え，エコーの最大高さの検知および
これに連動した横波斜角探触子２の駆動位置決め，入射
点間距離の検知と、この値からの欠陥深さ算出等は電子
的にコントロールすることも可能である。

【００３１】つぎに図４により本発明に係る欠陥深さ測
定装置の第２の実施の形態を説明する。本第２の実施の
形態は第１の実施の形態に準じたものであるので、図４
中図３と同一部分には同一符号を付して重複する部分の
説明は省略する。

【００３２】本実施の形態が第１の実施の形態と異なる
部分は縦波垂直探触子１を固定した先端部取付部材９を
第２のガイドスクリュー16に取り付け、この第２のガイ
ドスクリュー16を垂直探触子駆動用モータ12ａに直結
し、縦波垂直探触子１と横波斜角探触子２との間のセン
サホルダ８に位置検出器13を取り付けている。垂直探触
子駆動用モータ17はセンサホルダ８の端部に設けられて
いる。

【００３３】本実施の形態によれば、縦波垂直探触子１
側にもその探触子１の位置を前後に移動させて微調整す
るための垂直探触子駆動用モータ12ａを設けて欠陥深さ
測定精度を向上させることができる。

【００３４】すなわち、前記第１の実施の形態で説明し
た手順と同様に欠陥深さ測定動作を行った後、さらに垂
直探触子駆動用モータ12ａを駆動させて縦波垂直探触子
１を前後に動かし、欠陥頂部でモード変換したエコーが
さらに高くなる位置に微調整する。これにより、計算上
求めていた欠陥頂部位置が正しい位置に補正されるた
め、より精度のよい欠陥深さの値を得ることができるよ
うになる。

【００３５】つぎに図５により本発明に係る欠陥深さ測
定装置の第３の実施の形態を説明する。本実施の形態は
前記各実施の形態における横波斜角探触子２の代りにリ
ニアアレイ型探触子16を設け、このリニアアレイ型探触
子16を電気的にスキャンさせることによって図３および
図４に示したスクリュー10や駆動用モータ等の機械的駆
動部を削除したことにある。

【００３６】すなわち、センサホルダ８の先端部取付部
材９に縦波垂直探触子１を取り付け、中間部駆動部材17
と後端部取付部材18にリニアアレイ型探触子16を取り付
ける。センサホルダ８は押付機構14を介してスキャナア
ーム15に取り付けられる。

【００３７】リニアアレイ型探触子16は図６および図７
に示したように微細な振動子19を複数個一列に配列した
もので、各振動子19はそれぞれの遅延回路20に電気的に
接続している。図６はリニアアレイ型探触子16の電子偏
向，集束の原理を示しており、図７は走査方式を示して
いる。

【００３８】各振動子に与える超音波送信パルスのタイ
ミングを変えることにより、超音波の屈折角を自由に設
定できる上、複数配列された振動子19群の一部にこのタ
イミングを変えた送信パルスを送信して、超音波を送信
（または逆に受信）し、つぎに一振動子分隣にずらして
同様のことを繰り返すと、あたかも探触子を動かしたか
のように電気的操作のみで超音波を移動させることが可
能となる。

【００３９】本実施の形態では、このリニアアレイ型探
触子16の電気的スキャンを横波斜角探触子２の代りに使
用したため、機械的駆動部が必要なくなり、したがって
欠陥深さ測定装置自体が小型化できＵＴ装置のスキャナ
アーム15に対する負荷が軽減できる上、適用できる部位
も拡大できる。

【００４０】つぎに図８により本発明に係る欠陥深さ測
定装置の第４の実施の形態を説明する。本実施の形態は
第１の実施の形態における縦波垂直探触子１の代りにリ
ニアアレイ型探触子16を使用し、横波斜角探触子２は第
１の実施の形態と同様である。すなわち、図８に示した
ようにセンサホルダ８の先端部取付部材９と中間部取付
部材17にリニアアレイ型探触子16を取り付け、後端部取
付部材18に横波斜角探触子２を取り付けている。その他
の部分は第３の実施の形態と同様である。

【００４１】本実施の形態によれば、通常の欠陥有無の
探傷は通常の横波斜角探触子２で行って欠陥を検知し、
その深さ測定を行うまでは通常のシステムと同様に行う
ことができる。

【００４２】つぎに図９により本発明に係る欠陥深さ測
定装置の第５の実施の形態を説明する。本実施の形態は
第１の実施の形態における縦波垂直探触子１と横波斜角
探触子２の代りにリニアアレイ型探触子16を使用したこ
とにある。すなわち、図９に示したように大型のリニア
アレイ型探触子16をセンサホルダ８に一体的に取り付
け、センサホルダ８を押付機構14を介してスキャナアー
ム15に取り付けたことにある。

【００４３】この実施の形態ではＵＴ装置スキャナアー
ム15の先端に取り付く欠陥深さ測定装置部が一個のリニ
アアレイ型探触子16ですみ、非常にコンパクトになり、
かつ通常の斜角探傷から欠陥頂部への縦波超音波５入射
欠陥長部でモード変換して発生した横波超音波６ｂの最
も強く検出できる位置の検出，縦波超音波５の最適入射
位置の微調整，縦波超音波５入射位置と横波超音波６ｂ
検出位置間の距離検出およびこの距離からの欠陥深さ算
出をすべて電気的にコントロールできるため、機械的ロ
スがなく精度よい欠陥深さ測定が可能となる。

【００４４】このようにリニアアレイ型探触子16を用い
ることにより超音波のスキャンや屈折角をいかようにも
電気的にコントロールできる点を効率よく行うことがで
きるため、通常の探触子を取り止め、すべて一つのリニ
アアレイ型探触子16でまかなうことができる。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、欠陥先端にこの欠陥と
平行な縦波超音波を入射すると、この先端から下方向45
°方向に強い横波超音波が発生するので、底面で１回反
射したこの横波を横波斜角探触子で検出する。この時の
縦波垂直探触子と横波斜角探触子の入射点間距離を測定
して計算することにより、欠陥の深さを精度よく測定で
きる。この結果、容器や構造物などの安全性評価、存残
寿命の推定などを行うことができ、その効果は多大なも
のがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る欠陥深さ測定方法の原理を説明す
るための概略断面図。

【図２】（ａ）は本発明に欠陥深さ測定方法の第１の実
施の形態を説明するための概略断面図、（ｂ）は（ａ）
における他の例を示す概略断面図。

【図３】本発明に係る欠陥深さ測定装置の第１の実施の
形態を示す概略断面図。

【図４】本発明に係る欠陥深さ測定装置の第２の実施の
形態を示す概略断面図。

【図５】本発明に係る欠陥深さ測定装置の第３の実施の
形態を示す概略断面図。

【図６】図５におけるリニアアレイ型探触子の電子偏
向，集束の原理を説明するための模式図。

【図７】図５におけるリニアアレイ型探触子の走査方式
を説明するための模式図。

【図８】本発明に係る欠陥深さ測定装置の第４の実施の
形態を示す概略断面図。

【図９】本発明に係る欠陥深さ測定装置の第５の実施の
形態を示す概略断面図。

【図１０】（ａ）は従来の欠陥深さ測定方法を説明する
ための概略断面図、（ｂ）は（ａ）における他の例を示
す概略断面図。

【符号の説明】

１…縦波垂直探触子、２…横波斜角探触子、３…被検査
体、４…欠陥、５…縦波入射ビーム、６…端部エコー、
６ａ…端部エコーの反射成分、６ｂ…モード変換した端
部エコー、７…横波入射ビーム、８…センサホルダ、９
…先端部取付部材、10…スクリュー、11…移動部材、12
…斜角探触子駆動用モータ、13…位置検出器、14…押付
機構、15…スキャナアーム、16…リニアアレイ型探触
子、17…中間部取付部材、18…後端部取付部材、19…振
動子、20…遅延回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検査体に発生した欠陥の深さを超音波
   法により測定する方法において、前記被検査体に発生し
   た欠陥の真上に縦波垂直探触子を設けるとともに、この
   縦波垂直探触子に対向して横波斜角探触子を設け、これ
   らの探触子の一方を送信用とし、他方を受信用とし、前
   記欠陥の先端部でモード変換して伝播する端部エコーが
   最大エネルギーとなる位置に前記両探触子を位置決めさ
   せ、この時の探触子の入射点間距離を測定し、この測定
   結果を幾何学的に求めた超音波ビームの伝播ルートから
   導き出した計算式にあてはめて計算することにより欠陥
   の深さを求めることを特徴とする欠陥深さ測定方法。
2. 【請求項２】 被検査体上に設けられ縦波垂直振動子と
   横波斜角振動子の少なくとも一方を取り付けるセンサホ
   ルダと、前記両振動子の少なくとも一方を取り付けるガ
   イドスクリューと、このガイドスクリューを駆動する駆
   動用モータと、前記センサホルダまたはガイドスクリュ
   ーに取り付ける位置検出器と、前記センサホルダに設け
   た押付機構と、この押付機構を取り付けるスキャナアー
   ムとを具備したことを特徴とする欠陥深さ測定装置。
3. 【請求項３】 被検査体上に設けられ縦波垂直振動子ま
   たは横波斜角振動子の少なくとも一方をリニアアレイ型
   探触子で構成し、これらの振動子を取り付けるセンサホ
   ルダと、このセンサホルダに設けた押付機構と、この押
   付機構を取り付けるスキャナアームとを具備したことを
   特徴とする欠陥深さ測定装置。