特許 6498071 管溶接部探傷装置と方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6498071

(24)【登録日】2019年3月22日

(45)【発行日】2019年4月10日

(54)【発明の名称】管溶接部探傷装置と方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/265 20060101AFI20190401BHJP

   G01N 29/06 20060101ALI20190401BHJP

   G01N 29/22 20060101ALI20190401BHJP

【ＦＩ】

   G01N29/265

   G01N29/06

   G01N29/22

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-154926(P2015-154926)

(22)【出願日】2015年8月5日

(65)【公開番号】特開2017-32477(P2017-32477A)

(43)【公開日】2017年2月9日

【審査請求日】2017年9月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000198318

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ検査計測

(74)【代理人】

【識別番号】100097515

【弁理士】

【氏名又は名称】堀田 実

(74)【代理人】

【識別番号】100136700

【弁理士】

【氏名又は名称】野村 俊博

(72)【発明者】

【氏名】引地 達矢

(72)【発明者】

【氏名】藤原 貢

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 孝明

【審査官】 横尾 雅一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−０２１９３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１３４１１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１１１２８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−０６０２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１３２５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０７４７１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−７８４１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２９／００−２９／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中空管の表面近傍に存在する溶接部を超音波探傷検査する管溶接部探傷装置であって、
前記中空管の外周面に同軸かつ着脱可能に固定可能な中空円筒形のガイドレールと、
セクタスキャンにより超音波ビームの方向を前記中空管の軸方向に放射状に変化させて送受信するフェーズドアレイ探触子と、
前記超音波ビームが前記外周面から前記軸方向に傾斜して入射するように前記フェーズドアレイ探触子を保持し、かつ前記ガイドレールに倣って前記外周面に沿って周方向に移動可能な探触子案内装置と、を備え、
前記探触子案内装置は、前記フェーズドアレイ探触子を固定する探触子ホルダと、
前記探触子ホルダを前記外周面に接触させて保持し前記外周面に沿って周方向に移動可能な保持リングと、を有し、
前記探触子ホルダは、前記中空管の前記外周面と接触する接触面と、前記接触面に対し前記軸方向に傾斜し前記フェーズドアレイ探触子を固定する固定面と、前記ガイドレールに倣って前記探触子ホルダを前記外周面に沿って周方向に移動可能に案内する案内溝と、計測側端面に複数設けられ前記超音波ビームを散乱させる溝と、を有する一体部品であり、
前記保持リングは、前記探触子ホルダを前記外周面に接触させて保持する保持部と、
前記保持部に着脱可能に連結され、前記探触子ホルダとの間に前記中空管を把持する半円形リングと、
前記保持部と前記半円形リングの境界部に設けられ、前記探触子ホルダを前記外周面に向けて付勢するマグネットと、を有する、管溶接部探傷装置。

【請求項2】

前記中空管に対する前記フェーズドアレイ探触子の周方向回転角を検出する角度検出器を備える、請求項１に記載の管溶接部探傷装置。

【請求項3】

前記フェーズドアレイ探触子の送受信信号から、管内面での反射回数を１回に限定し、２回以上反射した受信信号をカットして、前記中空管の内部を可視化する可視化装置を備える、請求項１に記載の管溶接部探傷装置。

【請求項4】

請求項１に記載の管溶接部探傷装置を用いて、前記中空管の表面近傍に存在する前記溶接部を超音波探傷検査する管溶接部探傷方法であって、
中空円筒形の前記ガイドレールを前記中空管の外周面に同軸かつ着脱可能に固定し、
前記フェーズドアレイ探触子を固定した前記探触子案内装置を、前記ガイドレールに倣って前記外周面に沿って周方向に移動可能に取り付け、
前記フェーズドアレイ探触子のセクタスキャンにより、前記超音波ビームの方向を前記中空管の軸方向に放射状に変化させて送受信し、かつ前記ガイドレールに倣って前記探触子案内装置を前記外周面に沿って周方向に移動する、管溶接部探傷方法。

【請求項5】

角度検出器により前記中空管に対する前記フェーズドアレイ探触子の周方向回転角を検出する、請求項４に記載の管溶接部探傷方法。

【請求項6】

可視化装置により、前記超音波ビームの送受信信号から、管内面での反射回数を１回に限定し、２回以上反射した受信信号をカットして、前記中空管の内部を可視化する、請求項４に記載の管溶接部探傷方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、中空管の表面近傍に存在する溶接部を超音波探傷検査する管溶接部探傷装置と方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば火力プラントにおいて、ボイラのヘッダ（集合管）には多数の中空管（スタブ管又は伝熱管）が溶接される。かかる中空管の多くは、外径が１００ｍｍ以下の小口径管である。
かかる小口径管の溶接部を超音波により検査する手段として、例えば、特許文献１，２が開示されている。

【0003】

特許文献１の「小径管の超音波探傷装置及び方法」では、ポイントフォーカス型探触子が、振動子と音響媒質を備え、被検査管材の内表面近傍に超音波ビームを集束させて被検査管材の内部を探傷検査する。

【0004】

特許文献２の「小径配管溶接部の超音波探傷検査装置及び検査方法」では、超音波探触子、走査機構部、固定手段よりなる測定部を備える。さらに、超音波探触子に被測定配管の軸方向に沿って角度を持って入射する超音波発信部と、発信された超音波を受信する受信部とを備え、配管の溶接部を検査する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２−１１７８７５号公報

【特許文献2】特開２００１−７４７１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述した小口径管の溶接部は、例えば小口径管をスリーブに溶接した隅肉溶接部であり、中空管の表面近傍に存在する。しかし、溶接部のビード表面には凹凸があるため、探触子がうまく接触しない。そのため表面側からの超音波探傷検査は困難である。

【0007】

そこで、火力プラントにおける小口径配管の溶接部の超音波探傷検査は、固定角の超音波探触子を用いて手動で実施するのが一般的である。この場合、超音波は小口径管の内面で１回又は複数回反射して溶接部に達する。しかし、超音波の入射角度が固定されているため、１回の反射で超音波が到達する範囲が狭く、溶接部に対して探触子を前後に移動させて超音波が溶接部に達するように調整する必要がある。その結果、検出信号には複数回の反射信号や軸方向位置の異なる信号がノイズと共に混在するため、表面近傍の溶接部全体を正確に検査することが困難である。

【0008】

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、中空管（すなわち小口径配管）の表面近傍に存在する溶接部を内面側から正確に検査して、中空管全周の溶接部近傍に存在する欠陥を可視化し、その位置を正確に把握することができる管溶接部探傷装置と方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明によれば、中空管の表面近傍に存在する溶接部を超音波探傷検査する管溶接部探傷装置であって、
前記中空管の外周面に同軸かつ着脱可能に固定可能な中空円筒形のガイドレールと、
セクタスキャンにより超音波ビームの方向を前記中空管の軸方向に放射状に変化させて送受信するフェーズドアレイ探触子と、
前記超音波ビームが前記外周面から前記軸方向に傾斜して入射するように前記フェーズドアレイ探触子を保持し、かつ前記ガイドレールに倣って前記外周面に沿って周方向に移動可能な探触子案内装置と、を備え、
前記探触子案内装置は、前記フェーズドアレイ探触子を固定する探触子ホルダと、
前記探触子ホルダを前記外周面に接触させて保持し前記外周面に沿って周方向に移動可能な保持リングと、を有し、
前記探触子ホルダは、前記中空管の前記外周面と接触する接触面と、前記接触面に対し前記軸方向に傾斜し前記フェーズドアレイ探触子を固定する固定面と、前記ガイドレールに倣って前記探触子ホルダを前記外周面に沿って周方向に移動可能に案内する案内溝と、計測側端面に複数設けられ前記超音波ビームを散乱させる溝と、を有する一体部品であり、
前記保持リングは、前記探触子ホルダを前記外周面に接触させて保持する保持部と、
前記保持部に着脱可能に連結され、前記探触子ホルダとの間に前記中空管を把持する半円形リングと、
前記保持部と前記半円形リングの境界部に設けられ、前記探触子ホルダを前記外周面に向けて付勢するマグネットと、を有する、管溶接部探傷装置が提供される。

【0010】

前記中空管に対する前記フェーズドアレイ探触子の周方向回転角を検出する角度検出器を備える。

【0011】

前記フェーズドアレイ探触子の送受信信号から、管内面での反射回数を１回に限定し、２回以上反射した受信信号をカットして、前記中空管の内部を可視化する可視化装置を備える。

【0014】

また、本発明によれば、上記の管溶接部探傷装置を用いて、前記中空管の表面近傍に存在する前記溶接部を超音波探傷検査する管溶接部探傷方法であって、
中空円筒形の前記ガイドレールを前記中空管の外周面に同軸かつ着脱可能に固定し、
前記フェーズドアレイ探触子を固定した前記探触子案内装置を、前記ガイドレールに倣って前記外周面に沿って周方向に移動可能に取り付け、
前記フェーズドアレイ探触子のセクタスキャンにより、前記超音波ビームの方向を前記中空管の軸方向に放射状に変化させて送受信し、かつ前記ガイドレールに倣って前記探触子案内装置を前記外周面に沿って周方向に移動する、管溶接部探傷方法が提供される。

【0015】

角度検出器により前記中空管に対する前記フェーズドアレイ探触子の周方向回転角を検出する。

【0016】

可視化装置により、前記超音波ビームの送受信信号から、管内面での反射回数を１回に限定し、２回以上反射した受信信号をカットして、前記中空管の内部を可視化する。

【発明の効果】

【0017】

上記本発明の装置と方法によれば、中空管の表面近傍に存在する溶接部から検査に最適な距離だけ離れた中空管の外周面に、中空円筒形のガイドレールを同軸かつ着脱可能に固定する。
また、探触子案内装置により、超音波ビームが外周面から軸方向に傾斜して入射するようにフェーズドアレイ探触子を保持する。

【0018】

従って、ガイドレールと探触子案内装置により、フェーズドアレイ探触子を溶接部から検査に最適な位置に位置決めし、フェーズドアレイ探触子のセクタスキャンにより超音波ビームの方向を中空管の軸方向に放射状に変化させて送受信することができる。これにより超音波ビームは中空管の内面で１回反射して溶接部近傍に到達し、その反射波も中空管の内面で１回反射して受信され、超音波ビームの角度と送受信の時間差から、中空管の表面近傍に存在する溶接部を内面側から正確に検査することができる。

【0019】

また、探触子案内装置により、フェーズドアレイ探触子をガイドレールに倣って外周面に沿って周方向に移動させることができる。これにより、中空管全周にわたり、中空管の表面近傍に存在する溶接部を内面側から正確に検査することができる。

【0020】

従って、中空管全周の溶接部近傍に存在する欠陥を可視化し、その位置を正確に把握することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明が対象とする中空管の模式図である。

【図2】本発明による第１実施形態の管溶接部探傷装置の全体構成図である。

【図3】図２のＡ−Ａ矢視図（Ａ）とＢ−Ｂ線における断面図（Ｂ）である。

【図4】本発明の原理図である。

【図5】本発明による管溶接部探傷方法の説明図である。

【図6】本発明により得られる中空管内部の可視化画像の範囲を示す図である。

【図7】本発明による第２実施形態の管溶接部探傷装置の構成図である。

【図8】本発明の管溶接部探傷装置を用いて得られた軸方向断面の可視化画像を示す図である。

【図9】本発明の管溶接部探傷装置を用いて得られた周方向断面の可視化画像を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

【0023】

図１は、本発明が対象とする中空管１の模式図であり、（Ａ）は軸線Ｚ−Ｚに直交する断面図、（Ｂ）は側面断面図である。
中空管１は外径が１００ｍｍ以下の小口径管であるのが好ましいが、それ以上の大径管であってもよい。中空管１の肉厚は、３ｍｍ以上、１５ｍｍ以下であるのが好ましいが、それ以上であってもよい。
中空管１の材質は、鋼管又はステンレス管であるのが好ましい。しかし、その他の金属、例えばアルミニウムやチタン、その他の合金であってもよい。

【0024】

図１（Ａ）に示すように、中空管１の断面形状（軸線Ｚ−Ｚに直交する断面形状）は、外径および内径が同心の円管であり、肉厚が一定であるのが好ましい。しかし、その一部が真円でなく、或いは肉厚が部分的に変化してもよい。

【0025】

図１（Ｂ）に示すように、この例で中空管１の一部がスリーブ２に挿入され、その端面と中空管１の間が隅肉溶接されている。スリーブ２の内径は中空管１の外径より大きく、その間に間隙３が存在する。溶接部４（隅肉溶接部）は、間隙３を埋めるように全周に形成されている。溶接部４の欠陥は、図１にＣ（破線の楕円）で示すように、溶接部４又はその近傍に通常存在する。

【0026】

なお、この例において、溶接部４は、中空管１の軸線Ｚ−Ｚに直交する円形形状である。しかし本発明はこれに限定されず、溶接部４が中空管１の軸線Ｚ−Ｚに傾斜していても、或いは軸方向に湾曲していてもよい。
溶接部４の材質は、中空管１と同一又は類似の金属、又はその他の合金であるのがよい。

【0027】

図２は、本発明による第１実施形態の管溶接部探傷装置１０の全体構成図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ矢視図（Ａ）とＢ−Ｂ線における断面図（Ｂ）である。

【0028】

図２、図３において、本発明の管溶接部探傷装置１０は、中空管１の表面近傍に存在する溶接部４を超音波探傷検査する装置であり、ガイドレール１２、フェーズドアレイ探触子１４、及び探触子案内装置１６を備える。

【0029】

ガイドレール１２は、中空円筒形であり、中空管１の外周面１ａに同軸かつ着脱可能に固定可能に構成されている。この例において、ガイドレール１２は、軸線Ｚ−Ｚに直交する平面内で外周面１ａを囲む円環形状である。しかし、溶接部４が中空管１の軸線Ｚ−Ｚに傾斜又は軸方向に湾曲している場合には、同様に傾斜又は湾曲してもよい。

【0030】

図３（Ａ）に示すように、ガイドレール１２は、この例において、半円形リング１２ａ，１２ｂ、回転軸１２ｃ、及び固定ボルト１２ｄを有する。

【0031】

２つの半円形リング１２ａ，１２ｂは、内径が中空管１の外径と同一又はほぼ同一の半円形の円弧部材である。また半円形リング１２ａ，１２ｂの断面形状はこの例では矩形であるが、矩形以外であってもよい。

【0032】

回転軸１２ｃは、２つの半円形リング１２ａ，１２ｂの一端部（図３で左端部）を、中空管１の軸線Ｚ−Ｚに平行な軸を中心に互いに旋回可能に連結する。また、固定ボルト１２ｄは、２つの半円形リング１２ａ，１２ｂの他端部（図３で右端部）を、中空管１の軸線Ｚ−Ｚに直交する方向に連結する。

【0033】

半円形リング１２ａ，１２ｂの材質は、中空管１に傷を付けないように、中空管１より柔らかいプラスチック（例えばジュラコン）であるのがよい。なお、本発明はこれに限定されず、アクリル、アルミニウム、その他の金属であってもよい。

【0034】

上述した構成により、固定ボルト１２ｄを外し、回転軸１２ｃを中心に２つの半円形リング１２ａ，１２ｂを互いに反対方向に旋回させることで、ガイドレール１２を中空管１の外周面１ａから容易に取り外すことができる。

【0035】

また、ガイドレール１２の取付け時には、逆に回転軸１２ｃを中心に２つの半円形リング１２ａ，１２ｂを互いに同方向に旋回させて、中空管１の外周面１ａに半円形リング１２ａ，１２ｂの内面を密着させる。次いで、固定ボルト１２ｄで半円形リング１２ａ，１２ｂの他端部を連結し、中空管１の軸線Ｚ−Ｚに直交する方向に圧縮することで、ガイドレール１２を中空管１の外周面１ａに強固に固定することができる。

【0036】

なお、半円形リング１２ａ，１２ｂの内径が中空管１の外径より大きくその間に隙間が生じる場合には、その隙間に相当する部材（平板又は円弧板）をその間に挟持してもよい。

【0037】

フェーズドアレイ探触子１４は、セクタスキャンにより超音波ビームＳ（図４参照）の方向を中空管１の軸方向に放射状に変化させて送受信する。超音波ビームＳは、好ましくは横波である。
「中空管１の軸方向に放射状に変化させる」とは、中空管１の軸線Ｚ−Ｚを含む平面内において、超音波ビームＳが中空管１の外周面１ａに入射する入射角度を変化させることを意味する。
フェーズドアレイ探触子１４は、複数（多数）の振動子を内蔵し、個々の振動子が超音波ビームＳを送受信するタイミングを独立に制御し、合成した超音波波面を形成することで超音波ビームＳの入射方向を変化させるようになっている。

【0038】

この例において、フェーズドアレイ探触子１４の各振動子は、送信と受信を兼用する。なお本発明はこの構成に限定されず。送信用と受信用の振動子を別箇に備えてもよい。

【0039】

図２、図３において、フェーズドアレイ探触子１４の外形形状は、直方体であり、その下面から超音波を放射状に送受信する。また上面には制御ケーブル１４ａが固定されており、制御ケーブル１４ａを介して制御信号を入出力する。
なお、外形形状は直方体に限定されず性能を保持できる形状であればよい。

【0040】

探触子案内装置１６は、超音波ビームＳ（図４参照）が外周面１ａから傾斜して入射するようにフェーズドアレイ探触子１４を保持し、かつガイドレール１２に倣って外周面１ａに沿って周方向に移動可能に構成されている。

【0041】

図２、図３において、探触子案内装置１６は、探触子ホルダ１７と保持リング１８を有する。

【0042】

フェーズドアレイ探触子１４は、探触子ホルダ１７に固定される。
探触子ホルダ１７は、この例では、接触面１７ａ、固定面１７ｂ、及び案内溝１７ｃを有する。探触子ホルダ１７の材質は、中空管１に傷を付けず、超音波ビームＳの伝搬に適したアクリル、ポリイミド、ポリエーテルイミドなどのプラスチック樹脂からなるのがよい。

【0043】

接触面１７ａは、中空管１の外周面１ａと接触する。図３（Ｂ）に示すように、この例において、接触面１７ａは、中空管１の外径と同一又はほぼ同一の円弧面であり、外周面１ａに密着するようになっている。

【0044】

固定面１７ｂは、接触面１７ａに対し軸方向に傾斜し、フェーズドアレイ探触子１４を固定する。固定面１７ｂの傾斜角は、この例では中空管１の軸線Ｚ−Ｚに対して約４７°（好ましくは、４７．１°）に設定されている。この理由は後述する。

【0045】

また、この例において、探触子ホルダ１７は、その一部にフェーズドアレイ探触子１４を収容する矩形孔１７ｄを有する。固定面１７ｂは、矩形孔１７ｄの底面に相当する。矩形孔１７ｄに収容した探触子ホルダ１７は、固定ネジ２４ａにより接触面１７ａに密着した状態で固定されている。

【0046】

案内溝１７ｃは、ガイドレール１２に倣って探触子ホルダ１７を外周面１ａに沿って周方向に移動可能に案内する。案内溝１７ｃの内面形状は、半円形リング１２ａ，１２ｂの断面形状と同一であることが好ましく、この例では矩形形状である。
なお、案内溝１７ｃはこの例に限定されず、探触子ホルダ１７の姿勢を保持したままで、ガイドレール１２に倣って探触子ホルダ１７を外周面１ａに沿って周方向にガタなく移動できる限りで、その他の構造（例えば軸受を用いた案内構造）であってもよい。

【0047】

保持リング１８は、図３（Ｂ）において、１対の保持部１８ａ、半円形リング１８ｂ、及び複数のマグネット１８ｃを有する。

【0048】

１対の保持部１８ａは、ボルト１８ｄにより探触子ホルダ１７の両側面にそれぞれ強固に固定され、探触子ホルダ１７を外周面１ａに接触させて保持する。
半円形リング１８ｂは、マグネット１８ｃにより、１対の保持部１８ａに着脱可能に連結され、探触子ホルダ１７との間に中空管１を把持する。

【0049】

保持部１８ａ及び半円形リング１８ｂの材質は、中空管１に傷を付けず、かつ中空管１の外周面１ａに沿って円滑に摺動するプラスチック（例えばジュラコン）であるのがよい。なお、本発明はこれに限定されず、アクリル、アルミニウム、その他の金属であってもよい。

【0050】

複数（この例では１２）のマグネット１８ｃは、保持部１８ａと半円形リング１８ｂの境界部にそれぞれ複数（この例では３つずつ）設けられ、探触子ホルダ１７を外周面１ａに向けて付勢する。マグネット１８ｃは、この例では円筒形の永久磁石であり、保持部１８ａと半円形リング１８ｂに設けられた嵌合穴に収容され摩擦で固定されている。
なお、本発明はマグネット１８ｃに限定されず、探触子ホルダ１７を外周面１ａに向けて付勢できる限りで、他の手段（例えばスプリング）を用いてもよい。

【0051】

図２、図３において、本発明の管溶接部探傷装置１０は、さらに、角度検出器２０と可視化装置２２を備える。

【0052】

角度検出器２０は、中空管１に対するフェーズドアレイ探触子１４の周方向回転角を検出する。
角度検出器２０は、この例では、探触子ホルダ１７に固定されたロータリーエンコーダであり、検出車輪２０ａが中空管１の外周面１ａに接触して回転し、中空管１に対するフェーズドアレイ探触子１４の周方向回転角を検出し、検出信号を出力する。
なお、角度検出器２０の構成はこの例に限定されず、その他の周知のセンサーであってもよく、或は別の構造であってもよい。

【0053】

可視化装置２２は、フェーズドアレイ探触子１４の送受信信号から管内面での反射回数を１回に限定し、２回以上反射した受信信号をカットして、中空管１の内部を可視化する。可視化装置２２は、この例では、制御装置２２ａと画像処理装置２２ｂを有する。

【0054】

制御装置２２ａは、フェーズドアレイ探触子１４を制御する。すなわち、制御装置２２ａは、制御ケーブル１４ａを介してフェーズドアレイ探触子１４に制御信号を入力し、フェーズドアレイ探触子１４の受信信号を受信する。制御装置２２ａは、並行して角度検出器２０の検出信号を受信する。

【0055】

画像処理装置２２ｂは、制御装置２２ａからフェーズドアレイ探触子１４の送受信信号を受信し、これから中空管１の溶接部４を可視化して出力する。また、画像処理装置２２ｂは、並行して角度検出器２０の検出信号を受信し、中空管全周にわたり、中空管１の内部（特に溶接部４近傍）を可視化して出力するのがよい。

【0056】

図４は、本発明の原理図である。
この図において、フェーズドアレイ探触子１４から送信される超音波ビームＳの中心線を、符号ａ→ｂ→ｃ→ｄで示す。フェーズドアレイ探触子１４は、超音波ビームＳの方向を中空管１の軸方向に符号ａ→ｅから符号ａ→ｆの範囲で放射状に変化させて送受信する。

【0057】

この例において、中空管１の材質は一般鋼、探触子ホルダ１７の材質はアクリルである。アクリル中の音速Ｃ１は約２７３０ｍ／ｓ、一般鋼中の音速Ｃ２は約３２３０ｍ／ｓである。この場合、アクリルからの入射角度をα、鋼中での屈折角度をθとすると、スネルの法則から以下の式（１）が成り立つ。
Ｃ１／ｓｉｎα＝Ｃ２／ｓｉｎθ・・・（１）
ここで、入射角度αは、図中のα１，αａ，αｂであり、屈折角度θは、図中のθ１，θａ，θｂである。

【0058】

超音波ビームＳの中心線ａ→ｂ→ｃ→ｄにおいて、屈折角度θ１はこの例では６０°に設定されている。この場合、入射角度α１は、約４７．１°であり、フェーズドアレイ探触子１４を固定する固定面１７ｂの傾斜角はこの角度に設定されている。なお、管内面の反射は鏡対称となるので、屈折角度θ１と同じとなる。

【0059】

中空管１の肉厚（厚さ）をＴとすると、中心線ｂ→ｃの軸方向距離Ｌは、幾何学的に、ｔａｎθ１×Ｔ、θ１＝６０°・・・（２）で求められる。
また符号ｄの位置を中空管１の外周面１ａとすると、中心線ｂ→ｃ→ｄの軸方向距離Ｌは２×ｔａｎθ１×Ｔ・・・（３）で求められる。この中心線ｃ→ｄの範囲が、本発明による主要な計測範囲となる。

【0060】

中心線ｃ→ｄの範囲で反射された超音波ビームＳの一部は、中心線ａ→ｂ→ｃ→ｄを逆に戻りフェーズドアレイ探触子１４により受信される。
従って、超音波ビームＳの中心線ａ→ｂ→ｃ→ｄに位置する中空管１の内部、特に中心線ｃ→ｄの範囲に位置する溶接部４の欠陥の位置を超音波ビームＳの角度（入射角度α１と屈折角度θ１）と送受信の時間差から検出することができる。

【0061】

この例において、最小屈折角度θａは４５°であり、この場合、最小入射角度αａは約３６．７°である。超音波ビームＳが中空管１の内面で１回反射して外周面１ａに到達するまでの最小軸方向距離Ｌａは、幾何学的に求めることができる。この例では、最小軸方向距離Ｌａ＝２×ｔａｎθａ×Ｔである。
また、この例において、最大屈折角度θｂは８４°であり、この場合、最大入射角度αｂは約５７．２°である。超音波ビームＳが中空管１の内面で１回反射して外周面１ａに到達するまでの最大軸方向距離Ｌｂも、幾何学的に求めることができる。
従って、最小入射角度αａから最大入射角度αｂまでの範囲で、超音波ビームＳが中空管１の内面で１回反射して外周面１ａに到達するまでの軸方向距離を幾何学的に求めることができる。

【0062】

フェーズドアレイ探触子１４による超音波ビームＳの角度は、最小入射角度αａから最大入射角度αｂまでの範囲で例えば約０．５°のピッチで変化する。
従って、この範囲内に位置する中空管１の内部の欠陥位置を超音波ビームＳの角度と送受信の時間差から検出することができる。

【0063】

図５は、上述した管溶接部探傷装置１０を用いた本発明による管溶接部探傷方法の説明図である。この図において、（Ａ）は中空管１の軸線Ｚ−Ｚを含む断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ矢視図である。

【0064】

図５（Ａ）において、探触子ホルダ１７の計測側端面１７ｅは中空管１の軸線Ｚ−Ｚに対して垂直に形成されている。計測側端面１７ｅは、溶接部４に近接する側の端面である。なお、計測側端面１７ｅは垂直でなくてもよい。
また、計測側端面１７ｅの下端部には、内側に傾斜したテーパ部１７ｆが設けられている。テーパ部１７ｆは、溶接部４との干渉を避けるために設けられている。

【0065】

さらに、図５（Ｂ）に示すように、計測側端面１７ｅとテーパ部１７ｆには、図で上下方向に延びる溝２５が多数設けられている。溝２５の断面形状は、この例では三角形であるが、その他の形状であってもよい。この溝２５（好ましくは三角溝）により、計測側端面１７ｅ又はテーパ部１７ｆにおいて超音波ビームＳを散乱させて、フェーズドアレイ探触子１４で受信する受信信号のノイズを低減することができる。
なお、溝２５の外面に、探触子ホルダ１７の材質に近い樹脂を接着又はコーティングし、超音波ビームＳの反射をさらに低減することが好ましい。

【0066】

本発明による管溶接部探傷方法は、上述した中空管１の表面近傍に存在する溶接部４を超音波探傷検査する方法である。

【0067】

本発明の方法では、初めに、中空円筒形のガイドレール１２を中空管１の外周面１ａに同軸かつ着脱可能に固定する。この際、ガイドレール１２の固定位置は、図４の中心線ｂ→ｃ→ｄの軸方向距離Ｌが計測範囲の中心付近に位置し、最小軸方向距離Ｌａと最大軸方向距離Ｌｂの間に計測範囲が入るように設定する。

【0068】

次に、フェーズドアレイ探触子１４を固定した探触子案内装置１６を、ガイドレール１２に倣って外周面１ａに沿って周方向に移動可能に取り付ける。

【0069】

この際、フェーズドアレイ探触子１４と固定面１７ｂとの間、及び探触子ホルダ１７と外周面１ａとの間に、液状の接触媒体を塗布する。また、マグネット１８ｃにより探触子ホルダ１７を外周面１ａに向けて付勢する。接触媒体とマグネット１８ｃによる付勢により、フェーズドアレイ探触子１４から探触子ホルダ１７を介して中空管１の内部までの、超音波ビームＳの伝搬効率を高めることができる。

【0070】

次いで、この状態で、フェーズドアレイ探触子１４のセクタスキャンにより、超音波ビームＳの方向を中空管１の軸方向に放射状に変化させて送受信し、かつガイドレール１２に倣って探触子案内装置１６を外周面１ａに沿って周方向に移動する。

【0071】

また、角度検出器２０により中空管１に対するフェーズドアレイ探触子１４の周方向回転角を検出する。
さらに、可視化装置２２により、超音波ビームＳの送受信信号から中空管１の内部を可視化する。

【0072】

図６は、本発明により得られる中空管内部の可視化画像の範囲を示す図である。
図４に示したように、管内面における超音波ビームＳの反射は鏡対称となるので、管内面で１回反射して検出された中空管１、外周面１ａ、溶接部４、及びスリーブ２は、その鏡像の中空管１’、外周面１ａ’、溶接部４’、及びスリーブ２’として検出される。
また、管内面での反射回数を１回に限定し、２回以上反射した超音波ビームＳの受信信号をカットすることで、中空管内部の可視化画像の範囲を図６に示す斜線範囲とすることができる。

【0073】

図７は、本発明による第２実施形態の管溶接部探傷装置１０の構成図である。
この図において、（Ａ）はフェーズドアレイ探触子１４の側面形状を示し、（Ｂ）はフェーズドアレイ探触子１４を探触子ホルダ１７に固定した状態を示している。
この例に示すように、フェーズドアレイ探触子１４の外形形状は性能を保持できる形状であればよい。
第２実施形態のその他の構成は、上述した第１実施形態と同様である。

【実施例1】

【0074】

図８、図９は、上述した第１実施形態の管溶接部探傷装置１０を用いて得られた可視化画像の一例を示す図である。この例は、外径４５ｍｍの中空管１の試験結果である。

【0075】

図８は、軸方向断面の可視化画像であり、横軸は中空管１の軸方向距離、縦軸は外周面１ａからの深さを示している。
この図において、直射範囲、１回反射範囲、管内面、管外面（外周面１ａ’）、溶接部４’、及び検出対象箇所（欠陥部）が、明確に可視化されており、欠陥部の軸方向位置と大きさを正確に把握することができる。

【0076】

図９は、周方向断面の可視化画像であり、横軸は中空管１の周方向角度、縦軸は外周面１ａからの深さを示している。
この図において、周方向角度が０〜３６０°にわたり、直射範囲、１回反射範囲、管内面、管外面（外周面１ａ’）、溶接部４’、及び検出対象箇所（欠陥部）が、明確に可視化されており、欠陥部の周方向位置と大きさを正確に把握することができる。

【0077】

上述した本発明の装置と方法によれば、中空管１の表面近傍に存在する溶接部４から検査に最適な距離だけ離れた中空管１の外周面１ａに、中空円筒形のガイドレール１２を同軸かつ着脱可能に固定する。
また、探触子案内装置１６により、超音波ビームＳが外周面１ａから軸方向に傾斜して入射するようにフェーズドアレイ探触子１４を保持する。

【0078】

従って、ガイドレール１２と探触子案内装置１６により、フェーズドアレイ探触子１４を溶接部４から検査に最適な位置に位置決めし、フェーズドアレイ探触子１４のセクタスキャンにより超音波ビームＳの方向を中空管１の軸方向に放射状に変化させて送受信することができる。これにより超音波ビームＳは中空管１の内面で１回反射して溶接部近傍に到達し、その反射波も中空管１の内面で１回反射して受信される。以上の構成により、超音波ビームＳの角度と送受信の時間差から、中空管１の表面近傍に存在する溶接部４を内面側から正確に検査することができる。

【0079】

また、探触子案内装置１６により、フェーズドアレイ探触子１４をガイドレール１２に倣って外周面１ａに沿って周方向に移動させることができる。これにより、中空管全周にわたり、中空管１の表面近傍に存在する溶接部４を内面側から正確に検査することができる。

【0080】

従って、中空管全周の溶接部近傍に存在する欠陥を可視化し、その位置を正確に把握することができる。

【0081】

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

【符号の説明】

【0082】

Ｃ１ アクリル中の音速、Ｃ２ 一般鋼中の音速、
α，α１，αａ，αｂ 入射角度、θ，θ１，θａ，θｂ 屈折角度、
Ｌ，Ｌａ，Ｌｂ 軸方向距離、Ｓ 超音波ビーム、Ｔ 中空管の肉厚（厚さ）、
Ｚ 中空管の軸線、１ 中空管（小口径管）、１ａ 外周面、２ スリーブ、
３ 間隙、４ 溶接部、１０ 管溶接部探傷装置、１２ ガイドレール、
１２ａ，１２ｂ 半円形リング、１２ｃ 回転軸、１２ｄ 固定ボルト、
１４ フェーズドアレイ探触子、１４ａ 制御ケーブル、
１６ 探触子案内装置、１７ 探触子ホルダ、１７ａ 接触面、
１７ｂ 固定面、１７ｃ 案内溝、１７ｄ 矩形孔、１７ｅ 計測側端面、
１７ｆ テーパ部、１８ 保持リング、１８ａ 保持部、
１８ｂ 半円形リング、１８ｃ マグネット、１８ｄ ボルト、
２０ 角度検出器（ロータリーエンコーダ）、２０ａ 検出車輪、
２２ 可視化装置、２２ａ 制御装置、２２ｂ 画像処理装置、
２４ａ 固定ネジ、２５ 溝

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】