CN101124478A - 超声波探伤检验时的伤高测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

能用端部回波法简便、高精度且检查时间短地进行难于用TOFD法的壁厚的不锈钢焊接部的伤高测量。而且，能减小检查员造成的偏差。由发送用探头(1)对被检查物(20)中的伤(24)从斜方向入射超声波(21)，使所述伤(24)的端部(25)产生衍射波，同时还在所述伤(24)的上方的接收用探头(2)接收直接传播到伤(24)的上方的衍射波(22)和一度在背面(27)反射后传播到伤的上方的衍射波(23)，并根据它们的传播时间差，测量离开所述伤(24)的端部的背面(27)的高度位置。

Description

超声波探伤检验时的伤高测量方法和装置

技术领域

本发明涉及超声波探伤检验时的伤高测量方法和装置。详细而言，本发明涉及适合测量厚不锈钢或镍铬铁耐热耐腐蚀合金等不宜于超声波探伤的材料的伤高的超声波探伤检验时的伤高测量方法和装置。

背景技术

已知沸水型轻水慢化反应堆厂的再循环系统管道的焊接部产生应力腐蚀裂纹(Stress Corrosion Crack：SCC)。另一方面，已建火力发电设备的老化存在发展趋势，在欧美有以下经验：在陈年火力发电厂的高温蒸汽管道中，因热影响部的蠕变点的发生、连通造成产生龟裂而引起的喷破事故。

对此原子能厂管道的焊接部这样的壁厚管道的焊接部的非破坏检查中，以往实施超声波探伤检查。又，对壁厚管道的焊接部的非破坏检查要求高，不仅需要检测出上方有伤，而且需要高精度测量伤高。而且，测缺陷尺寸时检测出发生端和终端是不可欠缺的。因此，近年，要求高精度伤高测量和伤的早期发现；目前考虑应用相控阵法和TOFD(Time OfFlight Diffraction：飞行时间衍射)法。

超声波探伤检验的非破坏检查，一般为使用端部回波的伤高测量方法。此端部回波法是至今一般一直惯用的方法。作为此方法的典型例，图15示出使用斜角探头的情况(斜角探伤法)。以往使用端部回波的伤高测量方法一面使斜角探头101移动、一面求出来自伤102的开口端103的反射波(称为边角回波)104最强的部位(参考图16(A))，接着求出来自伤102的前端105的反射波(称为端部回波，下文无专门通知时，将上端部仅记为端部)106最强的部位(参考图16(B))。然后，根据这两个回波104、106的到达时间t₁与t₂之差，算出伤高h。这里，超声波束的中心轴与伤102的上端部105和开口端103一致时，各自对应的回波104、106的高度最大。再者，图15中，符号107是作为发送波的超声波束，101’、107’是与伤102的上端部105一致时的位置上的斜角探头和超声波束。

因此，两个回波104、106并非同时以相同的强度出现。图8示出对探头从开始收到边角回波的位置逐一按移动量L接近裂缝时的接收波形的模拟结果。从该图判明，使探头101靠近裂缝102时，首先边角回波104最大，进一步靠近时端部回波106变大。设端部回波106和边角回波104最大时的回波上升时间为t_t和t_c，则波束路程如式1所示。

[式1]

W_i＝Ct_i/2，i＝t、c

其中，C是音速，在上述例子中为横波音速。

因此，能求出得到端部回波106和边角回波104时的波束路程W_t和Wc，并根据几何关系由式2求出伤高h。

[式2]

h＝(Wc-Wt)cosθ

其中，θ是折射角。图7示出利用超声波传播有限单元模拟预测由横波45度斜角探头入射的超声波束的中心轴上存在伤端部时(图15的位置1)的超声波波面的一个例子。根据该图，横波到达裂缝后，纵波和横波衍射波从裂缝端部扩展成圆弧状，并且返回探头的衍射波作为端部回波被接收。

又，如图16所示，配置发送用探头201和接收用探头202，以接收从前端105看与发送波相反的方向上传播的衍射波，并测量伤的高度h。这是TOFD法。TOFD法中，能由式3根据伤高和波束路程求出h。

[式3]

h＝T-Wtsin(cos^-1(Ws/2Wt))

其中，T是被检查对象物的厚度，Ws是表面波的波束路程。

非专利文献1：社团法人  日本非破坏检查协会发行《日本非破坏检查协会标准  端部回波法的伤高测量方法》平成9年6月1日发行

非专利文献2：社团法人日本非破坏检查协会发行《日本非破坏检查协会标准TOFD法的伤高测量方法》平成9年6月1日发行

然而，TOFD法的波形容易观看且检查员造成的偏差小，能高精度测量伤高。但是，这限于碳钢等，存在对晶粒大的材料(例如奥氏体类不锈钢和镍铬铁耐热耐腐蚀合金等)不能使用的问题。即，主要用于原子能厂的初级结构物的反应堆内结构物或循环管道等奥氏体类不锈钢与碳钢和铬合金钢不同，晶粒大且具有非均匀弹性各向异性，因而在超声波的衰减和直向传播性等方面，存在难于检测出端部回波的问题。又，焊接部比母材的压延组织晶粒大，而且母材与焊接部中音速不同。因此，原子能厂运转中发生的奥氏体类不锈钢的焊接部周边的伤(尤其是背面开口伤)的测量中，出现在晶界或焊接部边界反射、折射、散射造成的衰减和带状回波，难于判别成为噪声的回波和伤端部产生的端部回波，所以不得不通过焊接部而且经过长路程接收微弱衍射波的TOFD法不适用。

另一方面，斜角探伤法对奥氏体类不锈钢或镍铬铁耐热耐腐蚀合金(因科合金，Special Metals Corporation的注册商标)等也能用，但端部回波一般远小于边角回波，所以对不锈钢焊接部的应力腐蚀裂缝进行探伤时，衍射波因基体材料的晶界散射而衰减，有时焊接部的焊透边界上的反射引起的回波(噪声)与端部噪声强度相同。即，存在端部回波淹没在噪声中难于发现的问题。还从分支的应力腐蚀裂缝的多个前端和弯曲部获得端部回波。由于一面移动探头、一面查找端部回波的峰，含有完不成掌握真正的峰的问题。这种状况下，为了找出来自应力腐蚀裂缝的真正前端的端部回波，并根据符合该回波的t_t高精度地求出波束路程W_t，检查员需要相当的经验和技术，检查员造成的偏差大，不能高精度地测量。

再有，在使用相控阵探头的端部回波法中，必需以与来自焊接金属的回波区别的方式识别微弱的端部回波的伤高测量也与使用端部回波的伤高测量方法(斜角探伤法)相同，难度高，依赖于检查员技能大。

本发明的目的在于提供一种检查员造成的偏差小且能高精度测量伤高的超声波探伤法。其目的又在于提供一种比已有的端部回波法简便而且不受被检查对象物材料的制约地高精度进行伤的检测和高度测量的超声波探伤法。具体而言，其目的在于提供一种能用比已有端部回波法简便的方法对难于用TOFD法的壁厚的不锈钢焊接部的探伤进行伤高测量的超声波探伤法。本发明的目的又在于提供一种能缩短检查时间的超声波探伤法。

为了到达上述目的，本发明人进行各种实验、研究的结果，达到的见识为：伤上端部或伤下端部中产生的上端部衍射波或下端部衍射波如图7所示，其传播不限于纵波和横波，还往伤的上方(探触面)集中能量，具有往伤的上方增强的能量，即衍射波的往伤上方直接传播的分量和一度在背面反射后传播到伤上方的分量具有最强能量。而且，达到的见识又为：该衍射波的往伤上方直接传播的分量和一度在背面反射后传播到伤上方的分量可作为探头位置不变，同时还具有到达时间差的强度大致相同的回波进行测量。

本发明着眼于这种衍射波的往伤上方直接传播的分量和一度在背面反射后传播到伤上方的分量，在伤上方配置接收用探头，从而以短波束路程接收衍射波。即，本发明的超声波探伤检验时的伤高测量方法，对被检查物中的伤从斜方向入射超声波脉冲，使伤的端部产生反射波，同时还在伤的上方接收衍射波。又，本发明的超声波探伤装置具有：对被检查物的伤从斜方向入射超声波束的发送用探头、接收往所述伤的上方传播的衍射波的接收用探头、以及显示接收用探头接收的伤端部产生的衍射波的往伤上方传播的分量的探伤器。

此情况下，衍射波的扩散衰减和材料的金属组织的散射衰减小，能接收强端部回波。因此，只能接收直接往伤上方传播的衍射波分量时，利用斜角探伤，则能容易获得边角回波，所以根据用于发送的探头获得的边角回波测量被检查对象物的厚度，或利用接收用探头测量被检查对象物的厚度，又根据直接往伤上方传播的衍射波的传播时间t_t1和收发探头之间的距离和入射角θ求出伤前端至接收用探头的距离，并根据它们的差额测量伤的高度。或者，使发送用探头(斜角探头)在时间t₀发送的超声波脉冲到达伤的端部并产生衍射波，而且用伤的上方的接收用探头在时间t1接收该衍射波，在其后的时间t₂用发送用的斜角探头进行接收时，由t_x＝(t₁-t₀)-(t₂-t₀)/2求出端部回波从伤的上端到达接收用探头前的时间t_x。因此，可根据被检查物的壁厚与伤高位置的差额求出伤高，即伤的长度。又，2次接收直接往伤的上方传播的衍射波分量时，即接收内伤那样在伤上端部和伤下端部发生的上端衍射波和下端衍射波的情况下，可根据它们的多大时间差(传播时间差)求出伤高。

发明内容

本发明的超声波探伤检验时的伤高测量方法，对被检查物中的伤从斜方向入射超声波，使所述伤的端部产生衍射波，同时还在所述伤的上方接收传播到伤的上方的衍射波和一度在背面反射后传播到伤的上方的衍射波，根据它们的传播时间差，测量所述伤的端部高度的位置。又，本发明的超声波探伤装置具有：对被检查物的伤从斜方向入射超声波束的发送用探头、接收往所述伤的上方传播的衍射波的接收用探头、以及探伤器，该探伤器将所述接收用探头接收的、在所述伤端部产生的衍射波的直接传播到所述伤的上方的分量和一度在背面反射后传播到伤的上方的分量作为表示到达时间差(传播时间差)的量，同时进行显示。

此情况下，通过以短波束路程接收衍射波，使衍射波的扩散时间和材料的金属组织的散射衰减小，而且将从伤前端往伤上方直接传播的衍射波(下文简称为直接波)和在背面反射后往伤上方传播的透射部(下文简称为反射波)作为强回波同时接收，并示出它们的到达时间差。因此，直接波与反射波的到达时间差求出伤端部的高度位置差，进而求出伤高。例如，如图5所示，通过在伤的正上方配置纵波垂直探头直接接收的纵波衍射波L_t1与在背面反射后被接收的纵波衍射波L_t2各自的波束路程W_t1和W_t2之差的一半为伤高。因此，根据Wt1和Wt2的传播时间tt1和tt2的差额，利用式4能求出伤高，不取决于θ。

[式4]

h＝1/2(W_t2-W_t1)＝C_L/2(t_t2-t_t1)

其中，C_L为纵波音速。

因此，伤为背面或探伤面上开口的背面开口伤或表面开口伤的情况下，伤端部高度位置本身表示离开背面或探伤面的高度，所以直接求出伤的高度(也即伤的长度)。又，内伤那样将伤的两端封闭的伤的情况下，伤的上端部和下端部分别产生上端衍射波和下端衍射波，所以能根据各衍射波中直接到达伤的上方的接收用探头的回波与在背面反射后传播的回波的到达时间差，求出各自的伤端部高度位置后，求出伤高，或根据上端衍射波和下端衍射波直接到达接收用探头的回波的散到达时间差，求出伤高。

再者，往伤上方直接传播的分量和一度在背面反射后传播到上方的分量的到达时间差，不受回来的回波的强度支配，所以从斜角探头入射的超声波脉冲，未必使其中心轴与伤的端部一致，做成超声波脉冲的中心轴位于伤的何处均可。如果超声波脉冲的中心位于伤的中心附近，就在伤端部产生各衍射波，获得往伤上方直接传播的分量和一度在背面反射后传播到伤上方的分量，所以未必需要找到循环的峰位置。

这里，作为超声波束，最好利用纵波，但对它没有专门限定，也可用横波。作为用纵波的原因，除到达探头比横波快外，还由于波长长，不容易受金属组织影响。然而，横波也能接收，所以某些原因使纵波不能接收时，可用横波弥补。

又，能使发送用探头和接收用探头分别移动并进行测量，但最好做成一体型，一面使其一起移动、一面进行测量。或者，也可将一方固定并使另一方移动，例如将接收用探头固定在伤的上方并使发送用探头移动，最好反过来利用将发送用探头固定并使接收用探头移动进行探伤。任一种作法都在进行接收时，衍射波的往伤上方直接传播的回波和一度在背面反射后传播到伤上方的回波必然以相同的到达时间差同时出现，与信号强弱无关。因此，能简便地找出伤到达高度位置和伤高。又，利用连接构件连接发送用探头和接收用探头，使其间隔恒定地移动的情况下，衍射波的往伤上方直接传播的分量和一度在背面反射后传播到伤上方的分量以相同的强度同时出现，所以通过接近伤，波出现，而且即使其强度变化，也到达时间都不变地出现，所以虽然不准确求出从伤的端部返回的波变成最强的位置，但也能测量伤的端部的位置，换句话说，也能测量伤的高度。又，最好连接构件相对于至少一个探头的安装位置可变，使发送用探头和接收用探头的间隔可调整。

而且，最好能在可接收背面上反射的衍射波的范围中，根据状况适当选择接收用探头的配置位置，并配置在伤的正上方。这时，能以最短波束路程接收从伤前端直接传播的衍射波和在背面反射后传播的衍射波造成的强回波，所以能使材料类型造成的超声波衰减的影响最小。又，将接收用探头设置得离开伤的正上方时，最好接收用探头带楔使用。将接收用探头从伤上往横向错开时，信号变弱，但带适当角度的楔则获得强信号。可在能接收背面反射的衍射波的范围设置成离开伤。例如，有时最好配置接收用探头，使其在能接收伤的端部衍射波的来自底面的反射波的范围靠近斜角探头。此情况下，要使发送用探头接近焊接部位并使超声波束入射，也能因空间上的制约而将接收用探头靠近发送用探头进行使用。

本发明的超声波探头测量方法和装置，最好将不锈钢等那样在晶粒大的材料内衰减小低中心频率用作发送波，而将高于发送波的中心频率用作接收波。这时，即使不锈钢等那样晶粒大的材料的情况下，也发送时的超声波衰减小，并且接收时往伤上直接传播的衍射波与在地面反射后往伤上传播的衍射波容易分离。

又，本发明的超声波探伤测量装置，最好具有可对探伤器的发送部和接收部任意切换发送用探头和接收用探头的开关电路，能选择在发送用探头发送后由发送用探头和接收用探头两者进行接收的第1模式和由接收用探头实施发送和接收的第2模式。在这种情况下，第1模式中由于某些原因只能接收来自伤端部的衍射波中直接传播到伤的上方的分量，而不能接收由底部反射后传播到伤的上方的分量的衍射波时，也能根据从第2模式检测出的被检查物的厚度和第1模式检测出的伤端部衍射波的直接传播到伤的上方的分量估计的伤前端的位置(厚度方向)，估计伤高。

本发明的超声波探头检验时的伤高测量方法和装置，仅用直接波与间接波的到达时间差就能算出端部的高度位置，进而能算出伤高，不需要以往在伤高计算中事先求出发送用探头的折射角，而且可用普通超声波探伤器、纵波或横波斜角探头和纵波垂直探头，能简便地实施。

又，本发明可通过将发送用斜角探头配置在一侧，并将接收用垂直探头配置在伤的上方，进行探伤，因此不能用同时将两个探头对置配置成把探伤区夹在中间的TOFD法的存在空间上约束的情况下，也能实施。

根据本发明的超声波探伤检验时的伤高测量方法和装置，由于做成以最短波束路程接收衍射波，能简便且高精度测量超声波衰减比碳钢或铬类合金钢大的不锈钢或因科合金等的焊接部的伤高度。

又，根据本发明，由于衍射波的往伤的上方直接传播的分量和一度在背面反射后传播到伤的上方的分量同时出现，能明确判读到达时间差。而且，此直接波和反射波呈现到达时间差，与接收回波的信号强度无关，所以即使发送用超声波的中心与伤的端部不一致，也能准确知道到达时间差。此外，还由于折射角与回波的高度无关，可减少影响测尺寸误差的因素。因而，能迅速测量，同时还能提高定尺寸的精度。

附图说明

图1是示出一本发明超声波探伤装置的实施例的框图。

图2是示出图1的开关电路的图，(A)是示出脉冲接收器、开关电路和收发用的各探头的关系的功能框图，(B)示出第1模式，(C)示出第2模式。

图3是示出探头座的俯视图。

图4是探头座的侧视图。

图5是示出一例本发明的超声波探伤检验时的伤高测量方法的原理图。

图6是示出探伤器显示的往伤的上方直接传播的衍射波和一度在背面反射后传播到伤的上方的衍射波的图，(A)示出背面开口伤，(B)示出内伤的情况。

图7是说明超声波束到达伤处并产生衍射波的状态的模式图。

图8示出端部回波法中探头从开始接收边角回波的位置按逐一移动量接近裂缝时(x＝0→x＝51)的对接收波形的模拟结果。

图9是示出对一例被检查对象物示出壁厚的不锈钢管焊接部截面的图。

图10是示出接收的从裂缝端部直接到达的衍射波的端部回波最大值的曲线图。

图11是为研究接收用的垂直探头的中心频率的影响而测量充分离开焊接金属的位置的裂缝所得的结果，示出用中心频率不同的垂直探头接收高3毫米的裂缝的L_t1和L_t2所得的回波。

图12示出用5兆赫的垂直振子接收焊接金属附近的高3毫米和高6毫米的裂缝的衍射波所得的回波。

图13是对利用已有端部回波法和本发明方法测量焊接金属部的裂缝高度的结果进行比较的曲线图。

图14是示出另一本发明超声波探伤检验时的伤高测量方法的原理图。

图15是示出将斜角探头用作端部回波法典型例时(斜角探伤法)的原理的说明图。

图16是示出已有的使用端部回波的伤高测量方法中探伤器显示的反射波状态的说明图，(A)示出求作为来自伤的开口端的反射波的边角回波最强的部位时的状态，(B)示出使探头移动并接收来自伤的前端的端部回波的状态。

图17是示出TOFD法的测量原理的说明图。

标号说明

1是发送用探头(斜角探头)，2是接收用探头，3是开关电路，4是脉冲接收器，5是模/数变换板，6是控制与数据获取用个人计算机，7是连接构件，20是被检查对象物，21是入射超声波脉冲，22是往伤上方直接传播的衍射波，23是在背面反射后直接传播到上方的衍射波，24是伤，25是伤上端部，26是伤开口部，27是背面，28是探伤面，29是焊接部，30是焊珠，T是被检查对象物的壁厚，h是伤高，W_t1是往伤上方直接传播的衍射波的路程，W_t2是在背面反射后往伤上方直接传播的衍射波的路程，tt1是往伤上方直接传播的衍射波到接收用探头的到达时间，t_t2是在背面反射后往伤上方直接传播的衍射波到接收用探头的到达时间。

具体实施方式

下面，根据附图详细说明一本发明实施方式。

图1至图4示出一本发明超声波探伤装置实施方式。此实施方式的超声波探伤装置具有：对被检查物中的伤从斜方向入射超声波束的发送用探头1、接收往伤的上方传播的衍射波的接收用探头2、以及同时显示超声波束到达伤的端部时产生的衍射波的往伤的上方传播的分量和一度在背面反射后传播到伤的上方的分量并示出对端伤面的到达时间差的探伤器。

本实施方式中，将个人计算机6用作数据收集用和控制装置，并设计成通过经模-数变换板5连接的脉冲接收器4和开关电路3控制发送用探头1和接收用探头2。作为发送用探头1，在本实施方式的情况下，采用斜角探头，并采用垂直探头作为接收用探头2。可通过开关电路3对脉冲接收器4的发送部T和接收波R1、R2切换这些发送用探头1和接收用探头2。开关电路3可电切换在斜角探头1进行发送后由斜角探头1和垂直探头2两者进行接收的第1模式、以及由垂直探头2实施发送和接收的第2模式。

控制与数据获取用个人计算机6具有：存储规定中央运算处理装置和中央运算处理部的用作步骤的程序和中央运算处理部处理的数据等的存储器、存放取入的数据的存储单元、显示单元、以及键盘或鼠标等输入单元等，并且由模-数变换法5和脉冲接收器4构成相当于探伤器的功能。当然，也可以另一种途经使用探伤器，个人计算机6仅进行数据收集。脉冲接收器4根据来自控制与数据获取用个人计算机6的中央运算处理部的指令，或由该脉冲接收器4的直接控制，进行对发送用探头1的发送启动和接收用探头2的驱动。

再者，个人计算机6中，可做成具有运算部，该运算部求出往伤的上方直接传播的衍射波与一度在背面反射后传播到伤的上方的衍射波在被检查物中的传播时间差，并根据该传播时间差(即对接收用探头2的直接波与背面反射波的到达时间差)，不管发送用探头1的超声波脉冲入射角θ，利用上述式4求出离开背面28的伤端部25的高度位置(即，本例中为伤高)，或者算出离开伤上端部和伤下端部各自的背面的高度位置，并根据它们的差额求出伤高；进而能处理根据往伤的上方直接传播的分量与一度在背面反射后传播到伤的上方的分量的传播时间差算出离开伤上端部和伤下端部各自的所述背面的高度位置并求出伤高等求出基于接收用探头2和发送用探头1得到的衍射波到达时间信息的各种上端部高度位置或伤高的运算。此运算部由存储进行上述各种运算的程序和各探头1、2取得的数据的存储单元和中央运算处理部构成。

扫描条件设定、探伤时的扫描命令等，全部在中央运算处理部配备的控制数据中进行。通过模-数变换板5连接作为探伤器主体的脉冲接收器4和控制与数据获取用个人计算机6。再者，如图6所示，显示装置在横轴示出脉冲反射波回来需要的时间，纵轴表示反射回来的超声波的强度(回波高低)。

斜角探头1和垂直探头2在本实施方式的情况下，如图3和图4所示，由板状的连接构件7连接，并构成可间隔恒定地同时移动。连接构件7相对于至少1个探头(例如接收用的垂直探头2)的安装位置可变，使斜角探头1与垂直探头2的间隔可调整。当然，斜角探头1与垂直探头2的连接关系也可固定。本实施方式的情况下，连接构件7具有纵向贯穿的长孔11，可利用该长孔11调整探头1与2的间隔。即，通过紧固螺丝8使连接构件7的一端对一探头(例如斜角探头1)固定，另一方面通过贯通长孔11的紧固螺丝9和挡块10安装另一探头(例如垂直探头2)。斜角探头1对夹在两则的夹具12装定紧固螺丝8，垂直探头2也同样对夹在两侧的夹具13装定紧固螺丝9。紧固螺丝9对挡块10固定，并将挡块10固定于连接构件7，从而进行垂直探头2对连接构件7的定位。在挡块10上设置小螺丝14，通过紧固此小螺丝14，使挡块10与连接构件7一体化，构成可固定接收用探头2的位置。因此，通过松开紧固螺丝9。使产生图他2的固定位置在长孔11的范围移动，调整斜角探头1与垂直探头2的间隔。

根据需要，使斜角探头1和垂直探头2以接近的方式使用，或以离开的方式使用。相互接近地使用时，最好构成接收用探头带楔，以增强接收波的面外位移。

再者，接收波最好是纵波。这是因为此情况下除到达探头比横波快外，还由于波长长，不容易受金属组织的影响。

本实施方式的超声波探伤测量装置，最好具有可对探伤器的发送部和接收部任意切换发送用探头1和接收用探头2的开关电路3，能选择在发送用探头1发送后由发送用探头1和接收用探头2两者进行接收的第1模式和由接收用探头2实施发送和接收的第2模式。第1模式由于出现多个回波，对斜角探头1的接收信号获得的回波和垂直探头2的信号的回波的时间进行比较，从而能较准确地识别需要的回波。例如，伤的端部产生的衍射波的斜向返回发送用探头1的分量比垂直传播到伤的上方的分量路程长，所以通过斜角探头1接收反射回波前搜索垂直探头2接收的反射回波，能较准确且方便地求出垂直往伤的上方传播的分量。第2模式能方便地测量被检查对象物20的厚度T，所以例如第1模式的测量中由于某些原因只能接收来自上端部25的衍射波中往伤24的上方直接传播的分量22，不能接收底面27反射后传播到伤24的上方的衍射波23的情况下，能估计根据用第2模式检测出的被检查对象物20的厚度T和用第1模式检测出的往伤24分上方直接传播的衍射波22估计的伤前端25的伤高位置。

例如，第1模式中由于某些情况只能接收直接往伤上方传播的衍射波分量时，利用斜角探伤，则能容易获得边角回波，所以根据用于发送的探头1获得的边角回波测量被检查对象物20的厚度T，或利用接收用探头2测量被检查对象物20的厚度T，又根据直接往伤上方传播的衍射波22的传播时间t_T1和收发探头之间的距离和入射角θ求出伤前端25至接收用探头2的距离，并根据它们的差额测量伤24的高度。或者，使发送用探头(斜角探头)1在时间t₀发送的超声波脉冲到达伤24的端部并产生衍射波，而且用伤的上方的接收用探头2在时间t1接收该衍射波，在其后的时间t₂用发送用的斜角探头1进行接收时，由t_x＝(t₁-t₀)-(t₂-t₀)/2求出端部回波从伤的上端到达接收用探头前的时间t_x。因此，可根据被检查物的壁厚与伤高位置的差额求出伤高，即伤的长度。

接着，用上述装置说明本发明的超声波探伤检验时的伤高测量方法。此伤高测量方法能与伤的产生方式和材料无关地求出伤的端部的位置，进而求出伤的高度。可是，在原子能厂等中实施的超声波探伤检验的伤高测量，逐一以背面开口伤为对象。这是因为运转中发生的伤大体上为从内面开口的伤(背面开口伤)，焊接中等情况下发生的内伤不怎么成问题。运转中发生的背面开口伤在该条件下不断发展，成为断裂的原因，问题大。反之，焊接时等发生的内伤等在多数情况下伤不会再进展，问题小，且成问题时形成别的征兆得以掌握，或伤的类型和发生部位多时能事先预测。这时当前的一般情况。

因此，举背面开口伤为例，根据图5说明本发明的超声波探伤检验时的伤高测量方法。

首先，在多数情况下，原子能厂在检查焊接部时，进行二次蠕变波的事前检查。二次蠕变波是与普通斜角探头发送的超声波束的射角(约45度)不同地通过加大射角使底面上反射时沿底面传播的纵波。通过使用该二次蠕变波，伤存在于朝向焊接部前的哪一方或位于管道周向的什么位置，作为事前信息，往往清楚。因此，根据此二次蠕变波的事前检查获得的伤的位置，决定超声波探伤装置的头痛医头他1和接收用探头2的配置位置。当然，也可使用二次蠕变波大致求出伤高，所以能预先进行存在的伤是内伤还是背面开口伤的判断后，启动测量。

这里，如图5所示，发送用探头1和接收用探头2对探伤面的配置设定成对被检查物20中的伤24从斜向入射超声波，使衍射波产生在伤20的端部25，同时还在伤24的上方接收往伤24上方传播的衍射波22和一度在背面27反射后传播到伤24的上方的衍射波23。这里，作为接收用探头2，采用垂直探头，将其固定在伤24的上方，最好固定在探伤面28的正上方。另一方面，作为发送用探头1，采用斜角探头，根据决定的步骤的运作，从离开伤的位置往伤进行扫描。这时，往伤24的上方直接传播的衍射波22与一度在背面27反射后传播到伤24的上方的衍射波23的到达时间差(t_t2-t_t1)不受返回的回波的强度支配，所以虽然斜角探头入射的超声波脉冲未必使其中心轴与伤的端部一致，但只要做成超声波脉冲的中心轴位于伤的任何处就可以。超声波脉冲的中心位于伤的中心附近，则伤端部产生各自的衍射波，得到往伤的上方直接传播的分量和一度在背面反射后传播到伤的上方的分量，所以未必需要查找信号的峰位置。

发送用探头1发送的超声波脉冲到达伤(用裂缝代替)时，如图7所示，在伤的端部产生衍射波。然后，以强能量接收往伤的上方直接传播的衍射波和一度在背面反射后传播到伤的上方的衍射波。这时，如图6所示，探伤器的显示装置保持因在短波束路程接收衍射波而衍射波的扩散数据和材料的金属组织造成的散射衰减小的强信号(强回波)不变，对从伤前端往伤上方直接传播的衍射波和在背面反射后往伤上方传播的衍射波以它们的到达时间差同时进行显示。

如图解此状态的图5所示，在背面27反射后传播到伤上方的衍射波23的路程W_t2是在直接传播到伤上方的衍射波22的路程W_t1中包括伤24的高度h的2倍的路程(往返份额)的路程，所以，衍射波22的路程W_t1与衍射波23的路程W_t2的差额表示伤高h。然后，求出路程的差额，作为纵波或横波的音速造成的传播时间差。因此，根据直接波与背面反射波的到达时间差，不管发送用探头1的超声波脉冲入射角θ，由上述式4求出离开背面28的伤端部25的高度位置(本例中为伤高)。

又，如图6的(B)所示的内伤那样伤的两端部被封闭的伤的情况下，伤的上端部和下端部分别产生上端衍射波和下端衍射波，所以根据各衍射波中直接到达伤上方的接收用探头的回波与在背面反射后进行传播的回波的到达时间差，能分别求出上下的伤端部高度位置，并根据其差额求出伤高。还能根据上端衍射波和下端衍射波直接传播到接收用探头2的回波的到达时间差求出伤高。这时，按到达时间差乘以音速，就能求出伤高。

这里，作为接收波，最好利用纵波，但不专门限定于此，也可用横波。接收用探头2不仅接收纵波而且接收横波，由实验确认精度较高且稳健性优良。因此，根据检测位置，有时横波强，所以通过使用纵波或横波，或者使用其双方，使用检测结果较好的一方，从而能进行较明确的伤检测。作为使用纵波的原因，除到达探头比横波快外，还由于波长长，不容易受金属组织的影响。然而，横波也能接收，所以由于某些原因而不能接收纵波时，可用横波补充。例如，纵波L与横波S的关系如下。使被检查对象物的厚度为T、伤高为h、纵波音速为v_L、横波音速为v_S、衍射波发生时间为t₀、直接接收的纵波L₁的到达时间为t_L1、直接接收的横波S₁的到达时间为t_S1、背面反射后接收的纵波L₂的到达时间为t_L2、背面反射后接收的横波S₁的到达时间为t_S2时，用下式表示该关系。

t_L1＝t₀+(T-h)/v_L

t_S1＝t₀+(T-h)/v_S

t_L2＝t₀+(T+h)/v_L

t_S2＝t₀+(T+h)/v_S

而且，接收的顺序为L₁、L₂、S₁、S₂时，形成

t₀+(T+h)/v_L＜t₀+(T-h)/v_S→h＜((v_L-v_S)/(v_L+v_S))·T；

接收的顺序为L₁、S₁、L₂、S₂时，形成

t₀+(T+h)/v_L＞t₀+(T-h)/v_S→h＞((v_L-v_S)/(v_L+v_S))·T。

即，按被检查对象物的壁厚T和高度h的大小关系，L2先到达或S1先到达发生变化。因此，可通过根据伤的大小和测量环境适当分别使用纵波和横波，使精度提高。

上述实施方式中，将接收用探头2固定在伤24的上方，一面使发送用探头1移动、一面监视衍射波22、23的接收状态，并进行扫描，但也可反过来将发送用探头固定，使接收用探头移动，从而进行探伤。还可根据情况，如图3和图4所示，同时使对连接构件7保持一定间隔的状态的一体形发送用探头1和接收用探头2同时移动，进行探伤。此情况下，仅使一体形的发送用探头1和接收用探头2移动就得到信号，不在选定另一探头的固定位置上花费时间。总之，进行接收时，如图6所示，往伤上方直接传播的衍射波和在背面一度反射后传播到伤上方的衍射波必然以相同的到达时间同时出现，与信号强弱无关，所以能简便地查找伤的高度位置或伤高本身。而且，通过发送用探头或接收用探头或者这两个探头接近伤，往伤上方直接传播的衍射波和在背面一度反射后传播到伤上方的衍射波以相同的强度同时出现，所以即使检测中的回波的信号强度变化，也到达时间都不变地出现。因此，即使未准确求出从伤的端部返回的波最强的位置，也能通过在读取到达时间差的位置测量其值，测量伤的端部的位置，换言之，测量伤的高度。因而，未必使入射的超声波束的中心与伤的端部一致，在超声波束中心不能位于伤中心附近的两端部分别产生衍射波。

这里，接收用探头2检测出的从伤前端直接传播的衍射波和在背面反射后进行传播的衍射波是经短波束路程得到的，所以能减小材料类型等造成的超声波衰减的影响，可接收强回波。因此，接收用探头2的配置位置最好是伤的正上方，但不限于正上方，可在能接收背面反射的衍射波的范围中根据状况适当选择。而且，以偏离伤的正上方的方式设置接收用探头时，通过使接收用探头带适当精度的楔使用，增强面外移位，从而能将因离开伤而容易变弱的信号作为强信号接收。又，有时最好将接收用探头2配置在能接收伤的端部衍射波的来自背面27的反射波的范围内接近斜角探头1附近。例如，使发送用探头1接近焊接部位并入射超声波束，而且要使衍射波22、23不通过焊接部地得到接收等情况下，由于空间上的制约，有时需要将接收用探头2靠近发送用探头1地进行使用。这时，通过带适度的楔，获得适当的接收状况。这样带楔时，因焊缝等而不能在伤的正上方配置接收用探头等的情况下，最好在捕获反射波的范围使探头从伤上方移动若干。

在图1和图2所示的装置的第1模式中，执行上述测量方法。然而，由于某些原因而只能接收来自伤端部的衍射波中直接往伤上方传播的分量、不能接收背面反射后传播到伤上方的分量的衍射波时，通过切换到第2模式求出被检查对象物20的厚度T，从而能估计离开根据第1模式检测出的伤端部衍射波的直接往伤上方传播地方分量估计的伤前端的位置(厚度方向)的伤高。例如，可根据往伤上方直接传播的衍射波的传播时间t_t1和收发探头之间的距离以及入射角θ求出伤前端25的位置至接收用探头2的距离，并根据与被检查对象物20的厚度T的差额测量伤的高度。或者可利用返回到发送用探头的衍射波的传播时间抵消发送用探头1至伤端部25的时间，求出伤端部25至接收用探头2的衍射波传播时间，并根据这些求出的伤端部的高度位置与被检查物厚度的差额求出伤高(即伤的长度)。

又，2次接收直接往伤上方传播的衍射波分量时，即接收内伤那样在伤上端部和伤下端部产生的上端衍射波和下端衍射波时，可根据它们的到达时间差(传播时间差)求出伤高。能根据往伤上方直接传播的衍射波22的传播时间t_t1和收发探头之间的距离以及入射角θ求出伤前端25的位置至接收用探头2的距离，并根据它们的差额测量伤24的高度。

作为接收波，最好使用高于发送波的中心频率。这时，直接往伤上方传播的衍射波与在底面反射后传播到伤上方的衍射波容易分离。然而，被检查体为不锈钢那样晶粒大的材料的情况下，高频段衰减大不理想。因此，发送用频率一般使用中心频率较低的超声波束，但将低的中心频段作为接收波，则接收时往伤上方直接传播的衍射波和在底面反射后传播到伤上方的衍射波接近并重叠或连续出现，所以不容易将2个衍射波分离，在求到达时间差方面不理想。本实施方式中，作为发送用，使用中心频率为较低频率的超声波脉冲；作为接收波，使用比发送波的中心频率高的中心频率区。例如，理想的是：作为发送用，使用2兆赫～3.5兆赫左右(2兆赫～2.5兆赫更好)的较低中心频率；作为接收用，使用3兆赫～5兆赫左右(5兆赫左右更好)的较高中心频率。这时，如图11所示，即使在不锈钢等那样晶粒大、容易衰减的材料的情况下，发送时由于频率低，超声波衰减小，接收时由于频率高，直接传播的衍射波和底面上反射后进行传播的衍射波容易分离。因此，检查者能容易判读到达时间差，或在由利用波形相似性等的图像处理以电方式检测出到达时间差的时容易检测。再者，以往在被检查对象物为不锈钢等那样晶粒大的材料的情况下，认为高频段衰减大，但实际上本发明人等实验的结果发现获得能清楚识别2个衍射波的程度下足够强的信号。当然，除使发送用和接收用中使用的中心频率不同外，还可在例如2兆赫～5兆赫的范围选定任意频率，在发送用和接收用中使用相同的中心频率。

实施例

为了验证本发明的超声波探伤检验时的伤高测量方法，试作模拟对低碳奥斯体类不锈钢制焊接被检查对象物进行施工的伤的裂缝的高度测量。

(被检查对象物和施工方法)

被检查对象物的基体材料和焊接金属为SUS316L。焊接根据规定层间温度的原子能规范，初层用TIG焊接、第2层及其后用CO₂焊接进行。晶粒直径换算成面积相同的圆形时，基体材料中为约160毫米，焊接部中为约500毫米。被检查对象物的厚度为40毫米，为了便于测量，磨掉焊接部的堆高和铲根。对伤进行模拟，添入裂缝。利用分别在图9所示的焊接金属部和充分离开该部的部位进行放电加工，导入裂缝。裂缝的高度为3毫米、6毫米、9毫米、12毫米测量本被检查对象物的纵波音速的结果：基体材料中为5.648米/秒，焊接金属中为5.383米/秒。

在实验中，使用脉冲接收器(PANAMETRICS制MODEL5800)和示波器(Tektronix制TDS5034B)。超声波发送中为了抑制基体材料的衰减，取得来自伤前端的强端部回波，使用聚焦型纵波斜角探头(折射角45度、中心频率3.5兆赫、振子直径20毫米)。接收中使用纵波垂直探头(中心频率2.25兆赫和5兆赫、振子直径25毫米)。接触媒体中使用丙三醇糊。

(测量条件)

本发明中，重要的是往伤上方传播的衍射波。根据上述模拟结果，预测能在裂缝上方接收端部回波。因此，利用纵波斜角探头对充分离开焊接金属的高3毫米的裂缝的端部入射超声波，并使小的垂直探头(中心频率2.25兆赫、振子直径3毫米)在裂缝上方附近移动，接收端部回波。图10示出收到的从裂缝端部直接到达的衍射波的端部回波最大值。该图的横轴圆点为探头位于裂缝正上方的状态，入射点为-37毫米。已有的端部回波法利用-37毫米(TOFD法利用+37毫米)附近的端部回波。从该图判明：在裂缝上方附近能接收比已有的端部回波法和TOFD法强的端部回波。

接着，为了研究接收用垂直探头的中心频率的影响，测量充分离开焊接金属的位置的裂缝。作为测量结果的一个例子，图11示出用中心频率不同的垂直探头接收高度3毫米的裂缝的L_t1和L_t2后得到的回波。下面的垂直探头得到的回波是发送用的斜角探头获得最大端部回波的位置的回波。超声波探伤检验的回波一般以形成全波的情况居多，但为了规定端部回波，回波的相位信息也有用。因此，将接收的波形表示为非全波。从该图能观察与L_t1和L_t2对应的清楚的回波，与使用频率与发送用探头不同的接收用探头无关。再者，本被检查对象物中传播的超声波的中心频率在2.72赫左右，低于5兆赫，略高于2.25兆赫。根据该图，对L_t2的回波比L_t1频率低，但两者的波形相似性高。因而，此相位信息在将两者的回波与其它回波区别时有效。5兆赫的接收用探头的结果与2.25兆赫的相比，容易将L_t1和L_t2分开。为了抑制金属的晶界散射引起的带状回波，一般在不锈钢的情况下使用比低合金钢或碳钢的情况下中心频率低的探头。然而，本发明方法中使用中心频率低的发送用探头，并使用中心频率高的接收探头，从而可望提高对伤的2个端部回波的分离性。

(裂缝高度测量精度)

利用本案提出的方法对不锈钢焊接部进行探伤时，必需接收焊接金属中传播的衍射波。超声波在所述焊接部那样的具有大晶粒的金属中传播的过程，其高次谐波分量衰减，中心频率降低。因此，接收中使用中心频率高的振子时，预计难以检测出焊接部中传播的衍射波。图12示出用5兆赫的垂直振子接收焊接金属附近的高3毫米和6毫米的裂缝的衍射波后得到的回波。有时难以利用跨过焊接金属的测量对伤高进行测量。然而，通过使用2次蠕变波，从发送用探头的位置看，能容易判别伤在焊接金属前或深处，所以下面的测量将超声波入射到裂缝，而不跨过焊接金属。根据该图，即便使用中心频率高的探头，也能观测L_t1和L_t2的清楚的回波，与裂缝的衍射波在焊接金属中传播无关。而且，判明L_t1和L_t2的传播时间差随裂缝的高度变化。这里，能确认使用中心频率低的发送用探头和中心频率高的接收用振子的恰当性。

为了评价本实施例的高度测量精度，使用上述发送用探头以已有的端部回波法测量裂缝高度。对已有端部回波法和本发明方法测量焊接金属部的裂缝的高度分结果，并示于图13。测量裂缝高度时，已有的端部回波法使用基体材料的纵波音速。与此相反，本发明方法由于接收的衍射波主要在焊接金属中传播，使用焊接金属的纵波音速。已有的端部回波法的均方误差为0.56毫米，而本发明方法的均方误差为0.34毫米。因此，判明本发明方法与已有的端部回波法相同，也能高精度测量裂缝高度。

本实施例中，虽然将不锈钢的焊接部作为对象，但可认为也能充分由于作为超声波衰减小于该测量的一般结构测量的碳钢或铬合金钢等。

根据本实施例，

(1)着眼于因利用斜角探头将超声波入射到伤前端而产生并往伤上方传播的衍射波和一度在背面反射后传播到伤上方的衍射波，根据通过将垂直探头配置在伤上方观测的这些衍射波的传播时间差，判明能简便地测量伤高，不管入射的超声波的折射角；

(2)判明发送中使用聚焦型纵波探头，以取得2个强端部回波，从而能用识别所需的充分强度观测来自对伤进行模拟的裂缝的前端的两端部回波，另一方面在接收中使用中心频率高于发送用探头的垂直探头，从而能提高两个端部回波的分离性；

(3)对超声波衰减比碳钢或铬类合金钢大的不锈钢的焊接部模拟伤并导入的裂缝的高度测量中适用的结果，判明与已有的端部回波法相同，也能高精度测量高度，可确认超声波衰减大的不锈钢的焊接部等的伤测量和伤高测量的有效性；

(4)判明充分可望在高精度伤高测量中难于确保精度充分的管道弯头等复杂部位和狭窄部位等处，灵活应用本发明，从而改善测量精度。

再者，上述实施方式是一本发明较佳实施例，但不限于此，可在不脱离本发明要旨的范围实施各种变换。例如，本实施方式以举出将接收用探头配置在伤的正上方为主进行说明，但并非专门限于此，以错开伤的正上方的方式配置接收用探头(如图14所示)，也能实施。根据在最短波束路程接收衍射波的观点，最好将垂直探头配置在伤的正上方，但在能接收背面发生的衍射波的范围，则即使以偏离伤的正上方的方式设置接收探头，接收的衍射波强度也并非衰减大。因此，不能将接收用探头配置在伤的正上方时，例如因残留焊珠而不能或难于将接收用探头配置在焊珠上时，通过将接收用探头挪到焊珠边际并进行配置，能接收往伤上方传播的衍射波。这时，最好带楔使用。通过带楔，能加强面外位移，所以反射回波的强度不被大量衰减，能得到强信号。当然，并非不能将接收用探头配置在焊珠上，本发明人等的实验中确认能接收信号。

此外，也可不用二次蠕变波而求出高度。二次蠕变波与通常的斜角探头发送的超声波束的射角(约45度)不同，通过加大射角，使底面反射时沿底面传播的是纵波。通过使用此二次蠕变波，简便地从朝向焊接部前的地方判明伤的位置，但许多情况下原子能厂在检查焊接部时事先进行检查。因而，伤存在于焊接部的哪一边或处在管道周向的什么位置，作为事前信息知道的居多。因此，根据此二次蠕变波的事前检查得到的伤的位置，能接收衍射波的未通过焊接部的部分。即，如图14所示，使发送用探头1和接收用探头2接近，并以靠近到焊接部29的焊珠30的边际的方式进行配置，接收反射到焊接部29的前方的直接衍射波22和反射衍射波23，从而能减小通过焊接部29的影响。

Claims (18)

1.一种超声波探伤检验时的伤高测量方法，其特征在于，

对被检查物中的伤从斜方向入射超声波脉冲，使所述伤的端部产生衍射波，同时还在所述伤的上方接收所述衍射波。

2.一种超声波探伤检验时的伤高测量方法，其特征在于，

所述伤为内伤时，根据所述伤的伤上端部和伤下端部产生的上端衍射波和下端衍射波各自直接传播到伤的上方的分量的传播时间差，测量伤高。

3.一种超声波探伤检验时的伤高测量方法，其特征在于，

对被检查物中的伤从斜方向入射超声波，使所述伤的端部产生衍射波，同时还在所述伤的上方接收传播到伤的上方的衍射波和一度在背面反射后传播到伤的上方的衍射波，根据它们的传播时间差，测量所述伤的端部的高度位置。

4.如权利要求3中所述的超声波探伤检验时的伤高测量方法，其特征在于，

所述伤为背面开口伤或表面开口伤时，根据往伤的上方传播的衍射波与一度在背面反射后传播到伤的上方的衍射波的传播时间差，测量离开所述底面或端伤面的所述伤的高度。

5.如权利要求3中所述的超声波探伤检验时的伤高测量方法，其特征在于，

所述伤为内伤时，根据在所述伤的伤上端部和伤下端部产生的上端衍射波和下端衍射波往伤的上方传播的分量与一度在背面反射后传播到伤的上方的分量的时间差，分别测量伤上端部和伤下端部离开所述背面的高度位置，并根据这些伤高位置的差额，测量所述伤高。

6.如权利要求1至5中任一项所述的超声波探伤检验时的伤高测量方法，其特征在于，

使发送用探头和接收用探头的间隔为恒定，并一面使所述发送用探头和接收用探头在探伤面上同时往所述伤移动、一面进行探伤。

7.如权利要求1至5中任一项所述的超声波探伤检验时的伤高测量方法，其特征在于，

在将发送用探头和接收用探头的任一方固定在探伤面上的状态下，一面使另一探头在所述探伤面上以接近或背离所述伤的方式移动、一面进行探伤。

8.如权利要求7中所述的超声波探伤检验时的伤高测量方法，其特征在于，

将所述接收用探头固定在所述探伤面，一面使所述发送用探头在所述探伤面上以接近或背离所述伤的方式移动、一面进行探伤。

9.如权利要求8中所述的超声波探伤检验时的伤高测量方法，其特征在于，

将所述接收用探头配置在所述伤的正上方的探伤面上。

10.如权利要求8中所述的超声波探伤检验时的伤高测量方法，其特征在于，

将所述接收用探头配置在能接收所述伤的端部衍射波的从底面的反射波的范围，并使其接近所述斜角探头。

11.如权利要求10中所述的超声波探伤检验时的伤高测量方法，其特征在于，

所述接收用探头带有楔。

12.如权利要求1至11中任一项所述的超声波探伤检验时的伤高测量方法，其特征在于，

所述接收波使用高于所述发送波的中心频率的中心频率。

13.如权利要求1至12中任一项所述的超声波探伤检验时的伤高测量方法，其特征在于，

将纵波用作所述接收波。

14.一种超声波探伤装置，其特征在于，具有

对被检查物的伤从斜方向入射超声波束的发送用探头、

接收往所述伤的上方传播的衍射波的接收用探头、以及

探伤器，该探伤器将所述接收用探头接收的、在所述伤端部产生的衍射波的直接传播到所述伤的上方的分量和一度在背面反射后传播到伤的上方的分量作为表示到达时间差(传播时间差)的量，同时进行显示。

15.如权利要求14中所述的超声波探伤装置，其特征在于，

所述发送用探头和所述接收用探头由连接构件加以连接，并保持一定间隔地同时移动。

16.如权利要求15中所述的超声波探伤装置，其特征在于，

所述连接构件至少相对于一个所述探头的安装位置可变，使发送用探头与接收用探头的间隔可调整。

17.如权利要求14至16中任一项所述的超声波探伤装置，其特征在于，

具有可对探伤器的发送部和接收部任意切换所述发送用探头和所述接收用探头的开关电路，能选择在所述发送用探头发送后由所述发送用探头和所述接收用探头两者进行接收的第1模式和由所述接收用探头实施发送和接收的第2模式。

18.如权利要求14至17中任一项所述的超声波探伤装置，其特征在于，

所述接收用探头的接收波中心频率高于所述发送用探头的发送波中心频率。

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