JPH0972887A - 超音波表面ｓｈ波による管の探傷法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ボイラーの炉壁管等の管の欠陥を、欠陥の反
対側の管表面から超音波を用いて非破壊的に正確に検出
することができる探傷法を提供することを目的とする。 【構成】 管８よりなる試験体１０の内外面のクラック
４、孔等の欠陥を検出する超音波探傷法において、該管
８表面１１に平行で進行方向に垂直に振動する横波より
なる超音波パルスを発生する送信探触子６を該管表面１
１に密着して、該送信探触子６から該管表面１１に対し
浅い角度で表面ＳＨ波を該管８の円周方向に、又は該管
８の管軸Ｉに対し斜め方向に入射して、該表面ＳＨ波を
管の円周方向に沿って又は管８の周面の螺旋方向に沿っ
て進行させて欠陥に到達せしめ、該欠陥からの反射波を
該送信探触子６又は別個の受信探触子７により検出し
て、欠陥を検出することを特徴とする超音波表面ＳＨ波
による管の探傷法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面ＳＨ波による
ボイラー等の炉壁管等の水管の探傷法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】火力発電用ボイラーの炉壁は予熱水管を
互いに密接して配列し、炉壁からの熱損失を防止するよ
うに構成されているが、繰り返し作用する熱応力による
管の周方向のクラックや応力腐食割れ等によるクラック
が発生する。このクラックをプラントの定期修理時等に
定期的に検査して、所定の安全基準を越えると、炉壁を
改修する。従って炉壁の水管のクラックの位置と深さを
正確に測定する必要がある。

【０００３】火力発電所のボイラーの炉壁ケーシングの
内側に溶接されて炉壁を構成する炉壁管は図１に示すよ
うに、炉壁管１を付着金物２に溶接して組立てられてい
るが、図２に示すように、炉壁管１の溶接部３に接する
部分の内側にクラック４が発生する場合が多い。

【０００４】一方、超音波探傷法が広く用いられている
が、超音波が固体中を伝播する振動には、固体を構成す
る粒子が超音波の進行方向に動く縦波と、音の進行方向
に対して垂直方向に振動する横波があり、更にこの横波
には、固体表面に対して垂直に振動するＳＶ波と、固体
表面に対して平行に振動するＳＨ波とがある。表面に沿
って進行するＳＨ波を表面ＳＨ波という。表面ＳＨ波は
探傷面から約１５°の広がりをもって進む剪断波であ
る。

【０００５】従来、炉壁管１のクラック４等の欠陥の検
出法として、超音波のＳＶ波による探傷法が提案されて
いるが、その方法は図２に示すように、クラック４が炉
壁管１の円周方向に沿ったクラック４の場合は炉壁管１
内に水１７を満たし、炉壁管１の炉内側の周面に探触子
５を密着し、炉壁管１の管壁及び炉壁管１内の水１７を
通して超音波を発射して、クラック４からの反射波を同
じ探触子５により検出する方法が試みられている。

【０００６】又従来のＳＶ波による探傷法により管軸方
向に沿ったクラック４を検出する場合には、図３に示す
ようにＳＶ波を管軸に垂直な面内で管の表面に対して斜
めに入射して、管の外面と内面で何度も反射させて、ク
ラック４に到達させ、往路を逆進して戻る反射波を受信
する方法が試みられた。

【０００７】一方、鉄道車輛用車軸等の大きな荷重を受
ける鋼材に必要な定期的検査に際し、微細な亀裂等の発
生の有無を検査するために、表面ＳＨ波を用いることが
提案されている（戸田裕己ら著、「鉄道車輛用車軸のフ
レッティング疲労き裂の表面ＳＨ波による定量評価」、
非破壊検査、第４０巻、第３号、第１５８〜１６４頁
（平成３年３月、社団法人日本非破壊検査協会発
行））。

【０００８】又、表面ＳＨ波による鋼板のすみ肉溶接部
の探傷法が提案されている（横山計次著、「表面ＳＨ波
によるすみ肉溶接ヒール部のき裂探傷」、超音波ＴＥＣ
ＮＯ、第６巻（１９９４年）、２月号、第１５〜１８
頁）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記図２に示す従来の
超音波のＳＶ波による炉壁管１の円周に沿うクラック４
の探傷法では、図２に示すように発射された超音波が鋼
−水−鋼−水−鋼というように何度も音響インピーダン
スの大きく異なる媒質を交互に移動して伝播してくるた
め、その媒質の境界面での反射や超音波の縦波と横波の
モード変換によるエネルギーの減衰、ノイズの発生によ
り、目的とするクラック４からの反射波を明瞭に検出す
ることは不可能であった。

【００１０】又図３に示すＳＶ波による炉壁管１の管軸
に沿うクラック４の探傷法では、管の外面と内面で何度
もＳＶ波が反射する結果、超音波多重反射の際のモード
変換によるエネルギーの減衰、ノイズの発生により、こ
の場合も目的とするクラック４からの反射波を明瞭に検
出することが困難であった。

【００１１】従って本発明は、ボイラーの炉壁管等の管
の欠陥を欠陥の反対側の管表面から超音波を用いて非破
壊的に正確に検出することができる探傷法を提供するこ
とを目的とする。

【００１２】

【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、探触子より試験体
表面に平行な方向に振動する横波の超音波パルスを管表
面に対して浅い角度で管表面に沿って伝播する表面ＳＨ
波として入射すると、表面ＳＨ波は管の外面と内面の両
面で多重反射しつつ全体として曲面状の管表面に沿って
自然に進路を彎曲して進み、入射点から見て管の裏側に
あるクラックまで到達し、クラックで反射する表面ＳＨ
波の反射波を送信用と同一の探触子又は送信用探触子と
別個の受信用探触子により検出することができること、
表面ＳＨ波はＳＶ波と異なり、管の表面で反射する際に
モード変換をしないため、多重反射しても減衰せず、ノ
イズの発生も少なく、明瞭に欠陥を検出しうることを見
出し、本発明を完成するに至った。

【００１３】即ち、本発明は管よりなる試験体の内外面
のクラック、孔等の欠陥を検出する超音波探傷法におい
て、該管表面に平行で進行方向に垂直に振動する横波よ
りなる超音波パルスを発生する送信探触子を該管表面に
密着して、該送信探触子から該管表面に対し浅い角度で
表面ＳＨ波を該管の円周方向に、又は該管の管軸に対し
斜め方向に入射して、該表面ＳＨ波を管の円周方向に沿
って又は管の周面の螺旋方向に沿って進行させて欠陥に
到達せしめ、該欠陥からの反射波を該送信探触子又は別
個の受信探触子により検出して、欠陥を検出することを
特徴とする超音波表面ＳＨ波による管の探傷法を要旨と
する。

【発明の実施の形態】

【００１４】次に本発明の超音波による固体表面の探傷
方法の実施の形態について、図面により具体的に説明す
る。図４は本発明の超音波表面ＳＨ波による管の探傷法
により、管の円周方向に沿ったクラック４よりなる欠陥
を検出する方法の説明図である。試験体１０は複数の管
８を図４ｂの断面図に示すように連結板９を溶接して互
いに連結してなる。

【００１５】本発明で用いられる送信探触子６及び受信
探触子７の振動子としては、それぞれ水晶をＹカットし
た横波用圧電素子、その他各種セラミックスよりなる圧
電素子が用いられる。送信探触子６及び受信探触子７の
圧電素子１４は、例えば図１０に示すようにポリメタク
リル酸メチル樹脂等の合成樹脂よりなる楔１５と合成樹
脂等よりなる背面材１６の間に挟着して、探触子を構成
する。圧電素子１４の底面に対する角度、即ち試験体１
０への超音波の入射角λは、鋼材等の試験体１０に入射
する超音波の屈折角が丁度９０度となる臨界角と呼ばれ
る角度に略等しい角度とするのが送受信効率を上げるた
めに必要である。

【００１６】送信探触子６及び受信探触子７を管８の管
軸Ｉに沿った方向に向かって逆ハ字状に管軸Ｉ方向に対
し対称的にそれぞれ角度θだけ末広がりに向けて並べて
配置する。送信探触子６及び受信探触子７の底面に、粘
稠液よりなる音響結合剤を薄く塗布して試験体１０表面
に密着させ、その音響結合剤の薄層を介して超音波をで
きるだけ効率よく伝達させる。送信探触子６から管８の
表面１１に対して平行に振動する横波を、表面１１に対
し表面ＳＨ波の発生する臨界角に近い浅い角度で、管軸
Ｉに斜めに入射された横波の超音波パルスは、試験体１
０表面で屈折して、表面ＳＨ波のパルスとなり、図１０
に示すように試験体内を表面１１から約１５°の範囲の
広がりをもって進行する横波として伝播する。管８の表
面に沿って進行する表面ＳＨ波は、光ファイバー中を進
む光のように、管８の外面と内面の間で多重反射しつ
つ、管８の表面に沿って螺旋状に進行し、入射点から見
て管８の裏側にある管軸Ｉに対して垂直面内にある円周
方向のクラック４に到達してここで反射され、その反射
波は往路とは管８の反対側の表面に沿って螺旋状に進
み、受信探触子７に到達して検出される。

【００１７】パルス発射からエコーの検出までの時間
と、エコーの強度をオシロスコープ等の表示装置上に表
示し、又は記録して読み取る。送信探触子６から超音波
パルスを一定間隔で発射してそのエコーを検出しつつ、
送信探触子６及び受信探触子７の相対位置を一定に保ち
つつ、これを試験体１０の表面１１に沿って走査し、観
測されるエコーの位置と大きさから、クラックの位置と
深さを求める。

【００１８】送信探触子６及び受信探触子７の管軸方向
に対する角度θは管８の直径によって異なり、超音波が
送信探触子６からクラック４にまで到るビーム路程が５
０〜２００mm更に好ましくは１５０〜２００mm程度にな
るように選択される。例えば管８の直径が２０〜６０mm
のとき、角度θは１５〜５０°が好ましく、更に好まし
くは２０〜４０°である。この角度θが小さいと、探触
子からクラック４までのビーム路程が長くなり過ぎて、
その間の表面ＳＨ波の減衰が大きくなり欠陥の検出精度
が低下する。角度θが大き過ぎると連結板９からのノイ
ズが大きくなり、クラック４からの反射波との判別が困
難となる。

【００１９】図５は本発明の超音波表面ＳＨ波による管
の探傷法により、管８の管軸Ｉ方向に沿ったクラック４
よりなる欠陥を検出する方法の説明図である。試験体１
０は管の中心を挟んで管の両側に対称的に管軸に沿って
細長い板状の溶接突出片１２を溶接したものである。送
信探触子６と受信探触子７は管８の表面の管軸Ｉ方向に
沿った同一直線上に対向して、且つ管軸Ｉに対し同一角
度αだけ傾けて、両探触子を管軸Ｉに垂直な平面に対し
て面対称に配設する。角度αは３０〜６０°が好まし
い。角度αが小さ過ぎると、探触子からクラック４まで
のビーム路程が長くなり過ぎて、その間の表面ＳＨ波の
減衰が大きくなり欠陥の検出精度が低下する。また角度
αが大き過ぎると、溶接突出片１２からのノイズが大き
くなり、クラック４からの反射波との判別が困難とな
る。送信探触子６と受信探触子７の間隔ｄを、管８の外
径を２ｒとするとき、２πｒ/tanαに略等しい距離にと
ると、管８の両探触子の丁度反対側にあるクラック４が
検出される。

【００２０】送信探触子６より発射された横波の超音波
パルスは図４の場合と同様に管８表面に沿って螺旋状に
進み、管軸Ｉ方向のクラック４に到達すると、そこで反
射され、往路とは逆廻りの螺旋状に進み、受信探触子７
に到達して検出される。

【００２１】図４及び図５に示す探傷法の場合は連結板
９や溶接突出片１２のような管８に溶接された溶接部が
あっても、探傷に支障がない。

【００２２】図６は本発明の超音波表面ＳＨ波による管
の探傷法により、管８の管軸Ｉ方向に沿ったクラック４
を検出する他の方法の説明図である。送信探触子６を受
信用にも兼用し、管表面に平行に振動する横波の超音波
パルスを管８の表面１１に沿って、管軸Ｉに垂直な方向
の表面ＳＨ波として入射する。入射された表面ＳＨ波は
管８の円周方向に沿って、管８の裏側まで廻り込みクラ
ック４に到達し、ここで反射された表面ＳＨ波は往路を
戻り、探触子６により検出される。

【００２３】上記各方法による実際の探傷の際には、各
探触子を管軸Ｉ方向に沿って走査しつつ超音波パルスを
発射して探傷することができる。

【００２４】

【実施例】

〔実施例１〕図４に示す外径３２mm、肉厚６．６mm、長
さ２００mmの管３本を中心間の間隔４５mmで平行に並
べ、各管の間隙に厚み７mmの連結板９を溶接して全体を
一体に成形し、中央の管８の片側の管端から２０mmの位
置に、管軸Ｉに対して垂直面内に円周に沿って深さ３mm
長さ２０mm幅０．２mmの切込溝よりなるクラック４を人
工的に設け試験体１０とした。試験体１０のクラック４
とは反対側の面の管８の表面に図示のごとく送信探触子
６及び受信探触子７を逆ハ字状に管軸Ｉ方向に対する角
度θを１８°、２７°、４５°の３種の角度に設定し、
逆ハ字の送信探触子６及び受信探触子７の各中心線を延
長した交点Ｏからクラック４までの管軸Ｉ方向の距離Ｄ
が、管８の半径をｒとするとき、Ｄ＝πｒ/tanθとなる
ように設定する。送信探触子６より表面１１に平行に振
動する横波の超音波パルスを発射して表面ＳＨ波として
入射し、受信探触子７により検出した反射波をパルス発
射からの時間に対して記録し、図７の探傷図形に示す。
ａはθが１８°、ｂはθが２７°、ｃはθが４５°の結
果を示す。図７で反射波Ｆがクラック４からの反射波で
ある。ピークＴは管端からの反射波であり、長尺の実際
の炉壁管１の場合には現れることのない反射波のピーク
である。

【００２５】〔実施例２〕図５に示す外径３２mm、肉厚
６．６mm、長さ２００mmの管の両側に厚み７mm幅１０mm
の溶接突出片１２を溶接したものを試験体１０とする。
試験体１０の片側の管８中央部に管軸Ｉ方向に沿って、
長さ３０mm、深さ１．５mm、幅０．２mmの切込溝よりな
るクラック４を人工的に設ける。試験体１０のクラック
４とは反対側の管８表面の管軸Ｉに平行な直線上に、ク
ラック４の中心を通る管軸Ｉに垂直な平面に対して面対
称の位置に、送信探触子６及び受信探触子７を管軸Ｉ方
向に対して角度α＝４５°だけ傾けて斜めに対向するよ
うに配置した。両探触子間の距離ｄは、管８の半径をｒ
とするとき、２πｒ/tanαに略等しい距離にとる。送信
探触子６より表面１１に平行に振動する横波の超音波パ
ルスを発射して表面ＳＨ波として入射し、受信探触子７
により検出した反射波をパルス発射からの時間に対して
記録した結果を図８の探傷図形に示す。クラック４から
の反射波ピークＦのみが大きく検出される。

【００２６】〔実施例３〕図６に示す外径５０．８mm、
厚み６．５mm、長さ４５５mmの管８の外面に管軸Ｉ方向
に沿って幅２mm、深さ３mmの切込溝よりなる外面クラッ
ク４ａを人工的に管の全長にわたって設け、更に管８の
内面に管軸Ｉ方向に沿って幅３mm、深さ３mmの切込溝よ
りな内面クラック４ｂを外面クラック４ａから１２０°
離れた位置に人工的に管の全長にわたって設け、その外
面クラック４ａ及び内面クラック４ｂから管の円周に沿
って１２０°離れた位置に径４mmのドリル孔１３を管壁
を貫通して設け試験体１０とした。内面クラック４ｂの
丁度反対側の管８表面に送信探触子６をドリル孔１３を
含む管軸Ｉに垂直な平面内でドリル孔１３の方に向く円
周方向に向けて配置する。送信探触子６を受信探触子と
兼用する。送信探触子６より表面１１に平行に振動する
横波の超音波パルスを発射して表面ＳＨ波として入射
し、探触子６により検出した反射波をパルス発射からの
時間に対して記録した結果を図９の探傷図形に示す。ド
リル孔１３からの反射ピークＦ１、内面クラック４ｂか
らの反射ピークＦ２、外面クラック４ａからの反射ピー
クＦ３が分離して検出される。この探傷法によれば、超
音波の経路に障害物がない場合、ドリル孔１３や管８の
内面及び外面の管軸Ｉ方向のクラック４が全て検出可能
である。

【００２７】

【発明の効果】本発明の超音波表面ＳＨ波による管の探
傷法によれば、炉壁管のごとく欠陥位置に探触子を近づ
けることができない場合でも、管の反対側から周方向又
は螺旋方向に超音波の表面ＳＨ波を入射することによ
り、管の裏側の正確な探傷が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】火力発電所用ボイラーの炉壁の一部断面斜視図
である。

【図２】従来の炉壁管の円周方向のクラックの検出方法
の説明図である。

【図３】従来の炉壁管の管軸方向のクラックの検出方法
の説明図である。

【図４】本発明の超音波表面ＳＨ波による管の探傷法に
よる、管の円周方向に沿ったクラックの検出方法の説明
図である。

【図５】本発明の超音波表面ＳＨ波による管の探傷法に
よる、管軸方向に沿ったクラックの検出方法の説明図で
ある。

【図６】本発明の超音波表面ＳＨ波による管の探傷法に
よる、管軸方向に沿ったクラックの他の検出方法の説明
図である。

【図７】図４に示す本発明の超音波表面ＳＨ波による管
の探傷法による一例の探傷図形である。

【図８】図５に示す本発明の超音波表面ＳＨ波による管
の探傷法による一例の探傷図形である。

【図９】図６に示す本発明の超音波表面ＳＨ波による管
の探傷法による一例の探傷図形である。

【図１０】送信探触子から発射された超音波の表面ＳＨ
波としての伝播を示す正面断面図である。

【符号の説明】

１ 炉壁管 ２ 付着金物 ３ 溶接部 ４ クラック ５ 探触子 ６ 送信探触子 ７ 受信探触子 ８ 管 ９ 連結板 １０ 試験体 １１ 表面 １２ 溶接突出片 １３ ドリル孔 １４ 圧電素子 １５ 楔 １６ 背面材 １７ 水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水本 幹雄 大阪市福島区海老江２丁目10番20号 株式 会社日本アーム内 (72)発明者 松浦 十四彦 大阪府堺市出島西町３番地の１ 株式会社 酒井鉄工所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管よりなる試験体の内外面のクラック、孔
   等の欠陥を検出する超音波探傷法において、該管表面に
   平行で進行方向に垂直に振動する横波よりなる超音波パ
   ルスを発生する送信探触子を該管表面に密着して、該送
   信探触子から該管表面に対し浅い角度で表面ＳＨ波を該
   管の円周方向に、又は該管の管軸に対し斜め方向に入射
   して、該表面ＳＨ波を管の円周方向に沿って又は管の周
   面の螺旋方向に沿って進行させて欠陥に到達せしめ、該
   欠陥からの反射波を該送信探触子又は別個の受信探触子
   により検出して、欠陥を検出することを特徴とする超音
   波表面ＳＨ波による管の探傷法。
2. 【請求項２】該欠陥が該管の円周方向に延びるクラック
   であり、該送信探触子及び受信探触子を該管の同一円周
   上に該管軸方向に対して同一角度θだけ傾けて逆ハ字状
   に末広がりに向けて並べ、両探触子を管軸を含む平面に
   対して面対称に配置する請求項１記載の超音波表面ＳＨ
   波による管の探傷法。
3. 【請求項３】該欠陥が該管の管軸方向に延びるクラック
   であり、該送信探触子及び受信探触子を該管表面の管軸
   方向の同一直線上に一定距離を隔てて互いに対向して且
   つ該管軸方向に対して同一角度αだけ傾けて、両探触子
   を管軸に垂直な平面に対して面対称に配置する請求項１
   記載の超音波表面ＳＨ波による管の探傷法。
4. 【請求項４】該送信探触子を該管の円周方向に向けて配
   置し、該管の円周方向に表面ＳＨ波を入射して、該欠陥
   で反射した表面ＳＨ波が往路を戻り、該送信探触子と兼
   用する受信探触子により検出する請求項１記載の超音波
   表面ＳＨ波による管の探傷法。
5. 【請求項５】該試験体がボイラーの炉壁管である請求項
   １、２、３又は４記載の超音波表面ＳＨ波による管の探
   傷法。