特許 6557099 超音波探傷方法及び超音波探傷装置

(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】6557099

(24)【登録日】2019年7月19日

(45)【発行日】2019年8月7日

(54)【発明の名称】超音波探傷方法及び超音波探傷装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/04 20060101AFI20190729BHJP

   G01N 29/26 20060101ALI20190729BHJP

【ＦＩ】

   G01N29/04

   G01N29/26

【請求項の数】14

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-180276(P2015-180276)

(22)【出願日】2015年9月14日

(65)【公開番号】特開2017-58127(P2017-58127A)

(43)【公開日】2017年3月23日

【審査請求日】2017年12月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 豐

【審査官】 小澤 瞬

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−２８８７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０１９１３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−９０３４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０４１０６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１２９７３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０６４５７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０８２９９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−００３５３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６０８２１９８（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ １／００ − Ｆ０１Ｄ １５／１２

Ｆ０１Ｄ ２３／００ − Ｆ０１Ｄ ２５／３６

Ｇ０１Ｎ ２９／００ − Ｇ０１Ｎ ２９／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の超音波素子を備えた超音波探傷センサを送信用センサと受信用センサに用い、
軸方向に延伸する溝を備えたアキシャル溝型蒸気タービンロータに、前記送信用センサと前記受信用センサとを設置する設置ステップと、
前記ロータの大きさに関する情報と、前記ロータの超音波探傷を行う位置に関する情報と、前記送信用センサの位置に関する情報と、前記受信用センサの位置に関する情報と、前記超音波素子のサイズと配列に関する情報と、前記超音波素子の超音波の周波数及び音速又は前記超音波素子の超音波の波長とを、コンピュータに入力する入力ステップと、
前記コンピュータが、前記受信用センサが備える前記超音波素子のうち、欠陥反射波の伝播距離Ｌ１から直達波の伝播距離Ｌ０を引いた経路差ΔＬが超音波の波長λ以上となる前記超音波素子を求める決定ステップと、
前記決定ステップで求めた前記超音波素子のみを用いることで探傷位置にかかわらずに受信に用いる前記受信用センサのサイズを大口径化して前記ロータを探傷する、又は前記決定ステップで求めた前記超音波素子のみの信号を用いて前記ロータの探傷像を生成する探傷ステップと、を備え、
前記欠陥反射波は、前記送信用センサが発信して前記ロータの超音波探傷を行う位置で反射して前記受信用センサの前記超音波素子に到達する超音波であり、
前記直達波は、前記送信用センサが発信して前記受信用センサの前記超音波素子に直接到達する超音波である、
ことを特徴とする超音波探傷方法。

【請求項2】

前記入力ステップでは、前記ロータの前記溝の長さＷ０と、前記送信用センサの前記ロータの径方向の位置ｈ１と、前記受信用センサが備える前記超音波素子のそれぞれの前記ロータの径方向の位置ｈ２ｉを求めるのに必要な情報とを、コンピュータに入力し、
前記決定ステップでは、前記コンピュータが、
前記伝播距離Ｌ１を、前記受信用センサの前記超音波素子のそれぞれについて、前記溝の長さＷ０と、前記送信用センサから発信される超音波の屈折角θと、前記ロータの前記受信用センサの設置面から前記ロータの超音波探傷を行う位置までの軸方向の距離Ｗｒと、前記受信用センサに入射する前記欠陥反射波の屈折角θｒとから求め、
前記伝播距離Ｌ０を、前記受信用センサの前記超音波素子のそれぞれについて、前記溝の長さＷ０と、前記送信用センサの位置ｈ１と、前記受信用センサの前記超音波素子の位置ｈ２ｉとから求める、
請求項１に記載の超音波探傷方法。

【請求項3】

前記設置ステップでは、
前記送信用センサ及び前記受信用センサのうち一方のセンサを嵌めるための穴と、前記ロータの隣接する２つの動翼の隙間に位置することが可能なピンと、を備える板状部材を用い、
前記一方のセンサを前記穴に嵌め、前記ピンを前記２つの動翼の隙間に入り込ませて、前記ロータに前記一方のセンサを設置する、
請求項１に記載の超音波探傷方法。

【請求項4】

前記設置ステップでは、
前記送信用センサ及び前記受信用センサのうち一方のセンサを嵌めるための穴を備え、表面に目盛線が描かれた板状部材を用い、
前記一方のセンサを前記穴に嵌め、前記目盛線を用いて前記板状部材の前記ロータに対する位置を定めて、前記ロータに前記一方のセンサを設置する、
請求項１に記載の超音波探傷方法。

【請求項5】

前記設置ステップでは、
前記送信用センサ及び前記受信用センサのうち一方のセンサを嵌めるための穴を備え、表面に前記ロータの形状が描かれた板状部材を用い、
前記一方のセンサを前記穴に嵌め、前記板状部材に描かれた前記ロータの形状を用いて前記板状部材の前記ロータに対する位置を定めて、前記ロータに前記一方のセンサを設置する、
請求項１に記載の超音波探傷方法。

【請求項6】

前記入力ステップでは、前記受信用センサの前記ロータの径方向の位置ｈ２を、コンピュータに入力し、
前記決定ステップでは、前記コンピュータが、
前記送信用センサが超音波を送信又は受信した際に測定される、前記ロータの形状エコーから、前記送信用センサと前記受信用センサとの間の距離と角度とを求め、
前記送信用センサから前記受信用センサに直接到達する超音波から、前記送信用センサと前記受信用センサとの間の距離と角度とを求め、
求めたこれらの距離と角度とから３点計測の原理を利用して、前記送信用センサの位置ｈ１と前記受信用センサの位置ｈ２とを求め、
前記入力ステップで入力した前記送信用センサの位置ｈ１と前記受信用センサの位置ｈ２との代わりに、求めた前記送信用センサの位置ｈ１と前記受信用センサの位置ｈ２とを用いて、前記経路差ΔＬを求める、
請求項２に記載の超音波探傷方法。

【請求項7】

前記入力ステップでは、前記受信用センサの前記ロータの径方向の位置ｈ２を、コンピュータに入力し、
前記決定ステップでは、前記コンピュータが、
前記送信用センサが超音波を送信又は受信した際に測定される、前記ロータの形状エコーから、前記送信用センサと前記受信用センサとの間の距離と角度とを求め、
前記送信用センサから前記受信用センサに直接到達する超音波から、前記送信用センサと前記受信用センサとの間の距離と角度とを求め、
求めたこれらの距離と角度とから３点計測の原理を利用して、前記送信用センサの位置ｈ１と前記受信用センサの位置ｈ２とを求め、
求めた前記送信用センサの位置ｈ１と前記入力ステップで入力した前記送信用センサの位置ｈ１との差を求め、
求めた前記受信用センサの位置ｈ２と前記入力ステップで入力した前記受信用センサの位置ｈ２との差を求め、
これらの差の絶対値が超音波の波長λより小さければ、前記入力ステップで入力した前記送信用センサの位置ｈ１と前記受信用センサの位置ｈ２とを用いて、前記経路差ΔＬを求める、
請求項２に記載の超音波探傷方法。

【請求項8】

軸方向に延伸する溝を備えたアキシャル溝型蒸気タービンロータに設置された送信用センサと受信用センサに接続可能であり、前記送信用センサと前記受信用センサは、複数の超音波素子を備えた超音波探傷センサであり、
前記送信用センサと前記受信用センサとに対して信号を送受信するコンピュータを備え、
前記コンピュータは、
前記ロータの大きさに関する情報と、前記ロータの超音波探傷を行う位置に関する情報と、前記送信用センサの位置に関する情報と、前記受信用センサの位置に関する情報と、前記超音波素子のサイズと配列に関する情報と、前記超音波素子の超音波の周波数及び音速又は前記超音波素子の超音波の波長とを入力し、
前記受信用センサが備える前記超音波素子のうち、欠陥反射波の伝播距離Ｌ１から直達波の伝播距離Ｌ０を引いた経路差ΔＬが超音波の波長λ以上となる前記超音波素子を求め、
求めた前記超音波素子のみを用いることで探傷位置にかかわらずに受信に用いる前記受信用センサのサイズを大口径化して前記ロータを探傷し、又は求めた前記超音波素子のみの信号を用いて前記ロータの探傷像を生成し、
前記欠陥反射波は、前記送信用センサが発信して前記ロータの超音波探傷を行う位置で反射して前記受信用センサの前記超音波素子に到達する超音波であり、
前記直達波は、前記送信用センサが発信して前記受信用センサの前記超音波素子に直接到達する超音波である、
ことを特徴とする超音波探傷装置。

【請求項9】

前記コンピュータは、
前記ロータの前記溝の長さＷ０と、前記送信用センサの前記ロータの径方向の位置ｈ１と、前記受信用センサが備える前記超音波素子のそれぞれの前記ロータの径方向の位置ｈ２ｉを求めるのに必要な情報とを入力し、
前記伝播距離Ｌ１を、前記受信用センサの前記超音波素子のそれぞれについて、前記溝の長さＷ０と、前記送信用センサから発信される超音波の屈折角θと、前記ロータの前記受信用センサの設置面から前記ロータの超音波探傷を行う位置までの軸方向の距離Ｗｒと、前記受信用センサに入射する前記欠陥反射波の屈折角θｒとから求め、
前記伝播距離Ｌ０を、前記受信用センサの前記超音波素子のそれぞれについて、前記溝の長さＷ０と、前記送信用センサの位置ｈ１と、前記受信用センサの前記超音波素子の位置ｈ２ｉとから求める、
請求項８に記載の超音波探傷装置。

【請求項10】

板状部材と、固定部材とをさらに備え、
前記板状部材は、前記送信用センサ及び前記受信用センサのうち少なくとも一方のセンサを嵌めるための穴と、前記ロータの隣接する２つの動翼の隙間に位置することが可能なピンとを備え、
前記固定部材は、前記板状部材を前記ロータに固定する部材である、
請求項８に記載の超音波探傷装置。

【請求項11】

板状部材と、固定部材とをさらに備え、
前記板状部材は、前記送信用センサ及び前記受信用センサのうち少なくとも一方のセンサを嵌めるための穴を備え、表面に目盛線が描かれており、
前記固定部材は、前記板状部材を前記ロータに固定する部材である、
請求項８に記載の超音波探傷装置。

【請求項12】

板状部材と、固定部材とをさらに備え、
前記板状部材は、前記送信用センサ及び前記受信用センサのうち少なくとも一方のセンサを嵌めるための穴を備え、表面に前記ロータの形状が描かれており、
前記固定部材は、前記板状部材を前記ロータに固定する部材である、
請求項８に記載の超音波探傷装置。

【請求項13】

前記コンピュータは、
前記受信用センサの前記ロータの径方向の位置ｈ２を入力し、
前記送信用センサが超音波を送信又は受信した際に測定される、前記ロータの形状エコーから、前記送信用センサと前記受信用センサとの間の距離と角度とを求め、
前記送信用センサから前記受信用センサに直接到達する超音波から、前記送信用センサと前記受信用センサとの間の距離と角度とを求め、
求めたこれらの距離と角度とから３点計測の原理を利用して、前記送信用センサの位置ｈ１と前記受信用センサの位置ｈ２とを求め、
入力した前記送信用センサの位置ｈ１と前記受信用センサの位置ｈ２との代わりに、求めた前記送信用センサの位置ｈ１と前記受信用センサの位置ｈ２とを用いて、前記経路差ΔＬを求める、
請求項９に記載の超音波探傷装置。

【請求項14】

前記コンピュータは、
前記送信用センサが超音波を送信又は受信した際に測定される、前記ロータの形状エコーから、前記送信用センサと前記受信用センサとの間の距離と角度とを求め、
前記送信用センサから前記受信用センサに直接到達する超音波から、前記送信用センサと前記受信用センサとの間の距離と角度とを求め、
求めたこれらの距離と角度とから３点計測の原理を利用して、前記送信用センサの位置ｈ１と前記受信用センサの位置ｈ２とを求め、
求めた前記送信用センサの位置ｈ１と入力した前記送信用センサの位置ｈ１との差を求め、
求めた前記受信用センサの位置ｈ２と入力した前記受信用センサの位置ｈ２との差を求め、
これらの差の絶対値が超音波の波長λより小さければ、入力した前記送信用センサの位置ｈ１と前記受信用センサの位置ｈ２とを用いて、前記経路差ΔＬを求める、
請求項９に記載の超音波探傷装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アキシャル溝型蒸気タービンロータの超音波探傷方法及び超音波探傷装置に関する。

【背景技術】

【0002】

アキシャル溝型蒸気タービンロータとは、蒸気タービンに用いられ、波型形状を軸方向に延伸した溝（アキシャル溝）を持つロータであり、この溝に動翼が嵌め込まれる。ロータの溝と動翼とが嵌合する部分は、植込部と呼ばれる。以下では、アキシャル溝型蒸気タービンロータを「Ａｘロータ」とも称する。

【0003】

図１は、アキシャル溝型蒸気タービンロータの植込部の構成を示す概略図である。図１には、アキシャル溝型蒸気タービンロータ５０の一部を示している。Ａｘロータ５０は、軸方向に延伸する波型の植込部５２（すなわち、凹部と凸部が径方向に交互に繰り返された形状を表面に持つ植込部５２）を備える。Ａｘロータ５０と咬合する動翼５１も、波型の植込部を備える。Ａｘロータ５０の植込部５２と動翼５１の植込部とを組み合わせることで、タービンが構成される。

【0004】

図１には、Ａｘロータ５０の植込部５２の拡大図も示す。植込部５２の波型の底部５３（凹部の底部５３）は、応力がかかるため、超音波探傷による検査箇所となる。図１に示したＡｘロータ５０では、径方向に複数ある波型の底部５３が検査箇所である。複数ある波型の底部５３は、互いを区別するために、径方向の最外部から「１Ｆ」、「２Ｆ」、及び「３Ｆ」と記す。

【0005】

図２は、Ａｘロータの超音波探傷方法の概念図である。図２には、Ａｘロータ５０の一部である植込部５２とその周辺を示している。Ａｘロータ５０の軸方向の一端に超音波探傷の送信用センサ６０を設置し、軸方向の他端に超音波探傷の受信用センサ６１を設置する。送信用センサ６０は、植込部５２にある欠陥５４に超音波を入射し、受信用センサ６１は、欠陥５４で反射された超音波を受信する。Ａｘロータの超音波探傷方法では、このような、別個のセンサで超音波の発信と受信とを行う送受分離法で探傷する。
図３は、送受分離法における超音波探傷センサの配置例を示す図である。超音波探傷センサは、送信用センサ６０と受信用センサ６１とを総称したものであり、「センサ」とも称する。センサの位置を固定したまま軸方向の探傷位置を変更するため、センサは、Ａｘロータ５０の軸方向の両端面に配置される。センサの位置を固定したまま超音波の屈折角を変更して走査するため、センサには複数の超音波素子６５（以下、「素子」とも称する。）を備えるアレイセンサ６２が用いられる。

【0006】

探傷方法としては、フェーズドアレイ法や開口合成法等が用いられる。Ａｘロータ５０には、動翼を固定するためのキー溝やバランスウエイト溝等の溝が設けられているため、離散的に複数のセンサが配置される（例えば、後述する図４Ｂを参照）。検査箇所に応じて、超音波の送信と受信に使用するセンサを選択し、超音波探傷を行う。

【0007】

特許文献１には、送受分離法を用いた従来の超音波探傷の方法と装置の例が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１１−６４５７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

送受分離法を用いた従来の超音波探傷方法と超音波探傷装置では、Ｓ／Ｎ比が低下することがある。送信用センサ６０から受信用センサ６１に直接到達する超音波である直達波と、探傷箇所で反射して到達する超音波である欠陥反射波とを受信用センサ６１が受信する場合において、直達波がノイズとなりＳ／Ｎが低下することがある。

【0010】

特許文献１に記載されたような、送受分離法を用いた従来の超音波探傷の方法と装置では、欠陥反射波の送受信のみが考慮されており、直達波を受信する素子で生じるＳ／Ｎ比の低下については、対策が取られていない。

【0011】

本発明は、アキシャル溝型蒸気タービンロータを送受分離法で超音波探傷する際に、超音波探傷センサが受信する直達波の強度を低減してＳ／Ｎ比を向上できる超音波探傷方法と超音波探傷装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明による超音波探傷方法は、次のような特徴を備える。複数の超音波素子を備えた超音波探傷センサを送信用センサと受信用センサに用いる。軸方向に延伸する溝を備えたアキシャル溝型蒸気タービンロータに、前記送信用センサと前記受信用センサとを設置する設置ステップと、前記ロータの大きさに関する情報と、前記ロータの超音波探傷を行う位置に関する情報と、前記送信用センサの位置に関する情報と、前記受信用センサの位置に関する情報と、前記超音波素子のサイズと配列に関する情報と、前記超音波素子の超音波の周波数及び音速又は前記超音波素子の超音波の波長とを、コンピュータに入力する入力ステップと、前記コンピュータが、前記受信用センサが備える前記超音波素子のうち、欠陥反射波の伝播距離Ｌ１から直達波の伝播距離Ｌ０を引いた経路差ΔＬが超音波の波長λ以上となる前記超音波素子を求める決定ステップと、前記決定ステップで求めた前記超音波素子のみを用いて、前記ロータを探傷する、又は前記決定ステップで求めた前記超音波素子のみの信号を用いて前記ロータの探傷像を生成する探傷ステップを備える。前記欠陥反射波は、前記送信用センサが発信して前記ロータの超音波探傷を行う位置で反射して前記受信用センサの前記超音波素子に到達する超音波である。前記直達波は、前記送信用センサが発信して前記受信用センサの前記超音波素子に直接到達する超音波である。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、アキシャル溝型蒸気タービンロータを送受分離法で超音波探傷する際に、超音波探傷センサが受信する直達波の強度を低減してＳ／Ｎ比を向上できる超音波探傷方法と超音波探傷装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】アキシャル溝型蒸気タービンロータの植込部の構成を示す概略図。

【図2】アキシャル溝型蒸気タービンロータの超音波探傷方法の概念図。

【図3】送受分離法における超音波探傷センサの配置例を示す図。

【図4A】送受分離法において、ノイズとなる直達波の発生機構を説明する図である。

【図4B】送受分離法において、直達波によりＳ／Ｎ比が低下する機構を説明する図である。

【図5】本発明の実施例１による超音波探傷方法のフロー図。

【図6】本発明の実施例１による超音波探傷装置の構成を示すブロック図。

【図7A】本発明による超音波探傷装置に用いるセンサ設置部材の構成を示す正面図。

【図7B】本発明による超音波探傷装置に用いるセンサ設置部材の構成を示す上面図。

【図7C】本発明による超音波探傷装置に用いるセンサ設置部材の構成を示す側面図。

【図8】本発明の実施例２による超音波探傷方法のフロー図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明による超音波探傷方法及び超音波探傷装置では、アキシャル溝型蒸気タービンロータ（Ａｘロータ）を送信用センサと受信用センサとを組み合わせて用いる送受分離法で超音波探傷し、送受分離法を用いた従来の超音波探傷方法と超音波探傷装置に比べＳ／Ｎ比を向上できる。以下、本発明の実施例による超音波探傷方法及び超音波探傷装置を、図面を用いて説明する。

【0016】

初めに、送受分離法を用いた超音波探傷方法と超音波探傷装置において、Ｓ／Ｎ比の低下機構を説明する。

【0017】

図４Ａと図４Ｂは、送受分離法を用いた超音波探傷方法と超音波探傷装置でのＳ／Ｎ比の低下機構を示す図である。図４Ａは、ノイズとなる直達波の発生機構を説明する図であり、図４Ｂは、直達波によりＳ／Ｎ比が低下する機構を説明する図である。送信用センサ６０と受信用センサ６１は、複数の超音波素子（素子）６５を備えるアレイセンサ（図３を参照）である。

【0018】

図４Ａには、送信用センサ６０から受信用センサ６１に直接到達する超音波である直達波７１の経路と、送信用センサ６０から発信され、探傷箇所である波型の底部５３にある欠陥で反射されて受信用センサ６１に到達する超音波である、欠陥反射波７２の経路を示している。直達波７１は、欠陥情報を含まないためノイズとなる。

【0019】

直達波７１の伝播距離Ｌ０は、式（１）で記述される。
Ｌ０＝（Ｗ０^２＋（ｈ１−ｈ２ｉ）^２）^１／２ （１）
ここで、Ｗ０はＡｘロータ５０のアキシャル溝の長さを表し、ｈ１はＡｘロータ５０の径方向上端からの送信用センサ６０の位置を表す。ｈ２ｉは、受信用センサ６１のＡｘロータ５０の径方向外側（上端）からｉ番目の超音波素子６５の径方向位置を表す。送信用センサ６０の位置ｈ１とは、Ａｘロータ５０の径方向上端から送信用センサ６０の中心までの距離である。受信用センサ６１のｉ番目の超音波素子６５の径方向位置ｈ２ｉとは、Ａｘロータ５０の径方向外側からｉ番目の超音波素子６５の中心までの距離である。

【0020】

欠陥反射波７２の伝播距離Ｌ１は、式（２）で記述される。
Ｌ１＝Ｌ１１＋Ｌ１２
＝（Ｗ０−Ｗｒ）／ｃｏｓθ＋Ｗｒ／ｃｏｓθｒ （２）
ここで、Ｌ１１は、送信用センサ６０から波型の底部５３までの超音波の伝播距離を表す。Ｌ１２は、波型の底部５３から受信用センサ６１までの超音波の伝播距離を表す。θは、送信用センサ６０からＡｘロータ５０の欠陥に送信される超音波の屈折角（超音波の伝播方向）を表す。Ｗｒは、Ａｘロータ５０の受信用センサ６１の設置面から欠陥（超音波探傷を行う位置）までの軸方向距離を表す。θｒは、受信用センサ６１の超音波素子６５に入射する欠陥反射波７２（欠陥から受信用センサ６１の超音波素子６５に入射する超音波）の屈折角を表す。

【0021】

直達波７１と欠陥反射波７２の経路差ΔＬ（＝Ｌ１−Ｌ０）が、原理的には超音波の波長λ以上でないと、直達波７１と欠陥反射波７２とを分離できない。実効的には、超音波の発信時の残振があるため、経路差ΔＬは、波長λの３〜５倍以上であることが望ましい。

【0022】

図４Ｂに、Ａｘロータ５０の一部と、Ａｘロータ５０に設置された送信用センサ６０、６０ａと受信用センサ６１、６１ａを示す。Ａｘロータ５０の波型の底部５３のうち、径方向の最外部から２番目の位置の波型の底部２Ｆを探傷する場合について示している。

【0023】

図４Ｂには、超音波伝播経路の拡大図を併せて示した。拡大図には、直達波７１の経路と、欠陥反射波７２の経路を示している。波型の底部２Ｆを探傷するときに、波型の底部２Ｆと波型の底部１Ｆとを探傷するために配置したセンサ６１ａが備える全ての素子６５を用いた場合、受信用センサ６１ａは、欠陥反射波７２と送信用センサ６０ａからの直達波７１とを受信するｉ番目の超音波素子６５と、送信用センサ６０ａからの直達波７１のみを受信するｉ’番目の素子６５とを有する。

【0024】

すなわち、受信用センサ６１ａは、欠陥反射波７２と直達波７１とを受信する素子６４（以下、「欠陥反射波７２を受信する素子６４」と略称する。）と、直達波７１のみを受信する素子６３とを有する。直達波７１のみを受信する素子６３は、受信した直達波７１の伝播距離が、素子６４が受信した欠陥反射波７２の伝播距離と同一である。このため、受信用センサ６１ａは、Ｓ／Ｎ比が低下する。

【0025】

本発明の実施例による超音波探傷方法と超音波探傷装置は、受信用センサ６１、６１ａが受信する直達波７１の強度を低減して、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。

【実施例1】

【0026】

図６は、本発明の実施例１による超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。図６に示すように、超音波探傷装置２０は、制御コンピュータ９、制御部８、及びセンサ設置部材（センサ設置ジグ）１５を備える。

【0027】

制御コンピュータ９は、演算装置である中央処理装置（ＣＰＵ）２１、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）２２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２３、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）２４、及び入出力ポート（Ｉ／Ｏポート）２５を備える。ＨＤＤ２２、ＲＡＭ２３、及びＲＯＭ２４は、記憶装置であり、ＣＰＵ２１に接続される。Ｉ／Ｏポート２５には、ＣＰＵ２１、キーボード２６、及びモニタ２８が接続される。また、Ｉ／Ｏポート２５は、記録メディア２７に記録された情報を読み取ったり、記録メディア２７に情報を書き込んだりする。

【0028】

制御部８は、Ａ／Ｄコンバータ２９、Ｄ／Ａコンバータ３０、及び入出力ポート（Ｉ／Ｏポート）３２を備える。Ｉ／Ｏポート３２と制御コンピュータ９のＩ／Ｏポート２５とが接続され、制御コンピュータ９と制御部８との間で信号を送受信できる。また、Ｉ／Ｏポート３２は、Ａ／Ｄコンバータ２９とＤ／Ａコンバータ３０とに接続され、Ａ／Ｄコンバータ２９からの信号を受信し、Ｄ／Ａコンバータ３０に信号を送信する。

【0029】

センサ設置部材１５は、センサ１を検査対象物（Ａｘロータ５０）に設置するための部材である。センサ設置部材１５については、図７Ａ〜図７Ｃを用いて後述する。

【0030】

センサ１は、複数の素子が並べられたアレイセンサである。センサ１を送信用センサ６０と受信用センサ６１とに用いて、超音波探傷を行う。

【0031】

図５は、本発明の実施例１による超音波探傷方法のフロー図である。以下、図５を用いて、本実施例による超音波探傷方法の手順を説明する。

【0032】

ステップ１０１は、センサ１を検査対象物（Ａｘロータ５０）に設置するステップである。センサ１を検査対象物に設置するには、センサ設置部材１５を用いる。図７Ａ〜図７Ｃを用いて、センサ設置部材１５について説明する。

【0033】

図７Ａ〜図７Ｃは、本発明による超音波探傷方法と超音波探傷装置に用いるセンサ設置部材１５の構成図である。図７Ａは正面図であり、図７Ｂは上面図であり、図７Ｃは側面図である。図７Ａと図７Ｂでは、センサ設置ジグ部材１５がＡｘロータ５０に取り付けられている状態を示している。

【0034】

センサ設置部材１５は、板状部材１３、固定部材１４、及び押付部材１６を備える。固定部材１４と押付部材１６は、板状部材１３に設けられる。板状部材１３は、Ａｘロータ５０に対するセンサ１の設置位置を定めるための位置合わせ部を備える。

【0035】

板状部材１３は、樹脂で形成され、センサ１の外形に合わせた大きさと形状の穴を有する。板状部材１３の穴には、送信用センサ６０と受信用センサ６１のうち少なくとも一方が嵌められる。板状部材１３は、ピン１２を備え、スケール（目盛線）１１と、センサ１の設置位置の周囲のＡｘロータ５０の形状１７とが表面に描かれている。板状部材１３が備えるピン１２と、板状部材１３に描かれたスケール１１とＡｘロータ５０の形状１７は、位置合わせ部である。センサ１は、板状部材１３の穴に嵌められて、板状部材１３に設置される。板状部材１３（センサ設置部材１５）をＡｘロータ５０に設置することで、センサ１をＡｘロータ５０に設置できる。

【0036】

固定部材１４は、板状部材１３をＡｘロータ５０に固定する。固定部材１４の構成は任意であるが、例えば磁石で構成することができる。固定部材１４が板状部材１３をＡｘロータ５０に固定することで、センサ１がＡｘロータ５０に固定される。

【0037】

押付部材１６は、例えば、ばね等の弾性部材と、この弾性部材を固定する固定部とを備える。押付部材１６の弾性部材は、板状部材１３の穴に嵌められたセンサ１をＡｘロータ５０に押し付けて、センサ１をＡｘロータ５０に密着させる。

【0038】

ピン１２は、板状部材１３をＡｘロータ５０に固定してセンサ１をＡｘロータ５０に固定したときに、隣接する２つの動翼５１の隙間にピン１２が位置するように、板状部材１３に設けられる。ピン１２は、板状部材１３をＡｘロータ５０に固定するときに、隣接する２つの動翼５１の隙間に入り込むことで、Ａｘロータ５０の周方向での板状部材１３の位置を定めることができる。ピン１２を用いて板状部材１３の位置を固定することで、センサ１を精度よくＡｘロータ５０に固定することができる。

【0039】

板状部材１３の表面に描かれたスケール１１は、板状部材１３をＡｘロータ５０に固定してセンサ１をＡｘロータ５０に固定するときに、板状部材１３のＡｘロータ５０に対する位置を定める際の指標として用いられる。スケール１１の間隔は、任意に定めることができ、例えば、Ａｘロータ５０の植込部５２の形状（又は動翼５１の植込部の形状）を基に定めることができる。スケール１１を用いて板状部材１３の位置を定めることで、センサ１を精度よくＡｘロータ５０に固定することができる。

【0040】

板状部材１３の表面に描かれたＡｘロータ５０の形状１７は、板状部材１３をＡｘロータ５０に固定してセンサ１をＡｘロータ５０に固定するときに、板状部材１３のＡｘロータ５０に対する位置を定めるために用いられる。板状部材１３の表面に描かれたＡｘロータ５０の形状１７がセンサ１を設置するＡｘロータ５０の形状と合うように、板状部材１３の位置を定めることで、センサ１を精度よくＡｘロータ５０に固定することができる。

【0041】

センサ設置部材１５は、位置合わせ部として、ピン１２と、板状部材１３の表面に描かれたスケール１１と、板状部材１３の表面に描かれたＡｘロータ５０の形状１７とのうち、少なくとも１つを備えていればよい。センサ設置部材１５が板状部材１３の表面に描かれたスケール１１を備える場合と、センサ設置部材１５が板状部材１３の表面に描かれたＡｘロータ５０の形状１７を備える場合には、板状部材１３は、透明な樹脂で形成されるのが好ましい。

【0042】

センサ１の設置位置の誤差がセンサ１内に配置された素子のピッチ（間隔）以上になると、Ｓ／Ｎ比の向上率が低下する。このため、センサ１の設置位置の精度を高めるために、板状部材１３に描かれたスケール１１とＡｘロータ５０の形状１７と、ピン１２とのうち少なくとも１つを用いて、板状部材１３の位置を定める。例えば、Ａｘロータ５０に固定するときの板状部材１３の位置は、ピン１２が２つの動翼５１の隙間に位置するように定めることができ、また、板状部材１３に描かれたＡｘロータ５０の形状１７とＡｘロータ５０のアキシャル溝の形状とが合致するように定めることができる。また、板状部材１３に描かれたスケール１１を指標として用いても、板状部材１３の位置を定めることができる。このようにして板状部材１３の位置を定めることで、板状部材１３の穴に嵌められたセンサ１の位置を定めることができる。

【0043】

センサ設置部材１５は、このようにして、センサ１を、検査対象物であるＡｘロータ５０に、精度よく設置することができる。

【0044】

図５のステップ１０１の説明に戻る。ステップ１０１は、ステップ１０２とステップ１０３との間、又はステップ１０３とステップ１０４との間に実施してもよい。

【0045】

ステップ１０２は、超音波探傷の情報を制御コンピュータ９に入力するステップである。超音波探傷の情報として、例えば、検査対象物であるＡｘロータ５０の形状と大きさ（例えば、アキシャル溝の長さＷ０、波型の底部１Ｆ、２Ｆ、３Ｆの径方向位置、Ａｘロータ５０のテーパー部の角度及び径方向の位置、キー溝及びバランスウエイト溝の径方向位置及び長さ等）、Ａｘロータ５０の中での超音波の音速、Ａｘロータ５０の超音波探傷を行う位置（探傷箇所）、センサ１の設置位置、センサ１が備える素子の数、サイズ及び配列、及び超音波探傷に用いる超音波の周波数等の超音波探傷の条件を、制御コンピュータ９に入力する。超音波の周波数と音速の代わりに、超音波の波長λを入力してもよい。受信用センサ６１の素子６５の径方向の位置ｈ２ｉを求めるのに必要な情報（例えば、受信用センサ６１の位置、受信用センサ６１が備える素子の数、サイズ及び配列）は、ステップ１０２で入力される。

【0046】

Ａｘロータ５０の超音波探傷を行う位置としては、例えば、Ａｘロータ５０の軸方向位置、径方向位置、及び周方向位置を入力し、Ａｘロータ５０の超音波探傷を行う位置を定義する。Ａｘロータ５０の軸方向位置としては、例えば、Ａｘロータ５０の受信用センサ６１の設置面からの位置を入力する。

【0047】

センサ１の設置位置としては、例えば、送信用センサ６０の、Ａｘロータ５０の径方向の位置ｈ１と周方向の位置、及び受信用センサ６１の、Ａｘロータ５０の径方向の位置ｈ２（Ａｘロータ５０の径方向上端から受信用センサ６１の中心までの距離）と周方向の位置を入力する。

【0048】

超音波探傷の情報は、制御コンピュータ９に入力するが、制御コンピュータ９に接続されたキーボード２６を用いる方法と、制御コンピュータ９が記録メディア２７に記録された情報を読み取る方法のうち、少なくとも一方を用いて入力することができる。超音波探傷の情報等、制御コンピュータ９に入力された情報は、制御コンピュータ９のＩ／Ｏポート２５を介してＣＰＵ２１に伝達され、ＲＡＭ２３とＨＤＤ２２のうち少なくとも１つに記録される。記録メディア２７としては、例えば、ＤＶＤやブルーレイディスク等を用いることができる。ＨＤＤ２２としては、例えば、磁気記憶媒体やＳＳＤ（ソリッドステートドライブ）等を用いることができる。

【0049】

ステップ１０３は、制御コンピュータ９のＣＰＵ２１が、受信用センサ６１が備える素子６５のうち、超音波探傷に使用する素子を決定するステップである。図４Ｂを用いて説明したように、受信用センサ６１ａは、欠陥反射波７２を受信する素子６４（ｉ番目の素子）と、素子６４が受信した欠陥反射波７２と同一の伝播距離の直達波７１のみを受信する素子６３（ｉ’番目の素子）とを有し、直達波７１のみを受信する素子６３によってノイズのみが増えてＳ／Ｎ比が低下する。このため、超音波探傷には、直達波７１のみを受信する素子６３を使用せず、欠陥反射波７２を受信する素子６４を使用する。

【0050】

図４Ａを用いて説明したように、直達波７１と欠陥反射波７２の経路差ΔＬ（＝Ｌ１−Ｌ０）が、超音波探傷に用いる超音波の波長λ以上、好ましくは波長λの３〜５倍以上であれば、直達波７１と欠陥反射波７２とを分離でき、欠陥反射波７２を受信する素子６４を求めることができる。そこで、受信用センサ６１の素子６５のそれぞれについて、直達波７１の伝播距離Ｌ０、欠陥反射波７２の伝播距離Ｌ１、及び経路差ΔＬを求め、受信用センサ６１の素子６５のうち、経路差ΔＬが超音波の波長λ以上となる素子６５（好ましくは、経路差ΔＬが波長λの３倍以上となる素子６５）を求める。

【0051】

ＣＰＵ２１は、長さＷ０、位置ｈ１、ｈ２ｉ、及び受信用センサ６１の素子のサイズと配列を、ステップ１０２で入力した情報から得る。さらに、ＣＰＵ２１は、受信用センサ６１の素子のサイズと配列及び受信用センサ６１の位置（径方向位置）ｈ２から、素子６５の径方向位置ｈ２ｉを、ステップ１０２で入力した情報から求める。

【0052】

受信用センサ６１の各素子６５についての屈折角θｒは、Ａｘロータ５０における超音波探傷を行う位置（探傷箇所）と各素子６５との位置関係（又は探傷箇所と送信用センサ６０の位置関係）から求められる（図４Ａを参照）。具体的には、屈折角θｒは、探傷箇所の軸方向位置Ｗｒと径方向位置ｈｒと各素子６５の径方向の距離ｈ２ｉから求められる。

【0053】

さらに、ＣＰＵ２１は、ステップ１０２で超音波の波長λを入力していない場合には、超音波の波長λの値を、ステップ１０２で入力した超音波の音速と周波数から求める。

【0054】

ＨＤＤ２２、ＲＡＭ２３、及びＲＯＭ２４のうち少なくとも１つは、式（１）と式（２）を計算するプログラムを格納している。ＣＰＵ２１は、このプログラムを実行し、経路差ΔＬを求め、受信用センサ６１の素子６５のうち、経路差ΔＬが超音波の波長λ以上となる素子（好ましくは、経路差ΔＬが波長λの３倍以上となる素子）を求める。例えば、受信用センサ６１の素子６４と素子６３についてＬ０とＬ１を求め、ΔＬ≧λとなる素子６４を同定する。さらには、素子６３の直達波７１の伝播距離Ｌ０と素子６４の欠陥反射波７２の伝播距離Ｌ１との差がλとなる素子６３又は３〜５λとなる素子６３を同定する。そして、ＣＰＵ２１は、求めた素子を、欠陥反射波７２を受信する素子６４と決定する。ＣＰＵ２１の計算結果は、ＨＤＤ２２及びＲＡＭ２３のうち少なくとも１つに記憶され、Ｉ／Ｏポート２５を介してモニタ２８に表示される。

【0055】

本実施例では、このようにして、直達波７１のみを受信する素子６３のうち、欠陥反射波７２を受信する素子６４と同一の超音波伝播距離にある素子を求めることができる。また、欠陥反射波７２を受信する素子６４のうちΔＬがλ以上となる素子を求めることができる。このようにして求めた欠陥反射波７２を受信する素子６４を、超音波探傷に使用する素子と決定する。あるいは、直達波７１のみを受信する素子６３のうち、欠陥反射波７２を受信する素子６４と同一の超音波伝播距離にある素子を、超音波探傷に使用しない素子（超音波探傷に使用する素子ではない素子）と決定する。なお、本明細書において「超音波探傷に使用する」とは、物理的に超音波を発信又は受信するために使用することと、電子的に探傷像を生成するときに信号を使用することのうち、少なくとも一方を指す。すなわち、超音波探傷に使用する素子とは、超音波の発信又は受信に用いる素子と、探傷像を生成するために信号を使う素子とのうち、少なくとも一方を指す。

【0056】

ステップ１０４は、Ａｘロータ５０の超音波探傷を実施するステップである。ＣＰＵ２１では、ステップ１０３で決定した超音波探傷に使用する素子のみを用いて、超音波を送受信してＡｘロータ５０を探傷する、又はステップ１０３で決定した超音波探傷に使用する素子のみの信号を用いて、Ａｘロータ５０の探傷像を生成する。

【0057】

ＣＰＵ２１は、Ｄ／Ａコンバータ３０を用いてセンサ１へ電圧を印加し、センサ１（送信用センサ６０）から超音波を発信させる。検査対象物であるＡｘロータ５０の内部で反射された超音波は、センサ１（受信用センサ６１）で受信される。ＣＰＵ２１は、受信用センサ６１が受信した超音波の信号を、Ａ／Ｄコンバータ２９、制御部８のＩ／Ｏポート３２、及び制御コンピュータ９のＩ／Ｏポート２５を介して受信する。そして、ＣＰＵ２１は、超音波探傷結果を、ＨＤＤ２２及びＲＡＭ２３のうち少なくとも１つに記憶し、Ｉ／Ｏポート２５を介してモニタ２８に表示する。

【0058】

本実施例による超音波探傷方法及び超音波探傷装置は、以上のように構成されているため、センサ１（受信用センサ６１）が受信する直達波７１の強度を低減して、Ａｘロータ５０の超音波探傷のＳ／Ｎ比を向上できる。

【実施例2】

【0059】

本発明の実施例２による超音波探傷方法及び超音波探傷装置について、図８を用いて説明する。なお、本実施例による超音波探傷装置は、図６と図７Ａ〜図７Ｃを用いて説明した実施例１による超音波探傷装置と同じ構成であるが、以下に説明するように、実行する超音波探傷方法のフローが異なる。

【0060】

図８は、本発明の実施例２による超音波探傷方法のフロー図である。以下、図８を用いて、本実施例による超音波探傷方法の手順を説明する。

【0061】

ステップ２０１は、センサ１を検査対象物（Ａｘロータ５０）に設置するステップである。ステップ２０１は、図５に示したステップ１０１と同様のステップであるので、説明を省略する。ステップ２０１は、ステップ２０２とステップ２０３との間に実施してもよい。

【0062】

ステップ２０２は、超音波探傷の情報を制御コンピュータ９に入力するステップである。ステップ２０２は、図５に示したステップ１０２と同様のステップであるので、説明を省略する。

【0063】

ステップ２０３は、検査対象物（Ａｘロータ５０）上におけるセンサ１（送信用センサ６０と受信用センサ６１）の位置を測定するステップである。具体的には、制御コンピュータ９のＣＰＵ２１は、Ａｘロータ５０の径方向での送信用センサ６０の位置ｈ１と、Ａｘロータ５０の径方向での受信用センサ６１の位置ｈ２を、３点計測（三角測量）の原理を利用して求める。

【0064】

送信用センサ６０と受信用センサ６１は、Ａｘロータ５０の軸方向の両端面に設置されているので、軸方向（アキシャル溝の長さ方向）の位置は既知であり、変化する傾きは１つの変数で表される。このため、送信用センサ６０と受信用センサ６１の位置は、それぞれ３つの変数（Ａｘロータ５０の軸に垂直な面内の位置を示す２つの変数と、傾きを示す１つの変数）、合計６つの変数で表される。そこで、超音波を用いて送信用センサ６０と受信用センサ６１に対する６つの測定値、すなわち３方向の位置と３方向の角度とを測定すれば、３点計測の原理で、送信用センサ６０の位置ｈ１と受信用センサ６１の位置を求めることができる。

【0065】

ステップ２０３では、センサ１を用いて、Ａｘロータ５０の径方向の最上部、植込部５２の波型、及び波型の底部５３等の３箇所以上に超音波を入射し、これらの位置からの反射波（すなわち、Ａｘロータ５０の形状によって発生する形状エコー）を受信することで、センサ１と超音波の反射位置との間の距離と角度を求める。送信用センサ６０が発信した超音波を受信用センサ６１で受信し、あるいは受信用センサ６１が発信した超音波を送信用センサ６０で受信し、この送受信の際に測定されるＡｘロータ５０の形状エコーから、送信用センサ６０と受信用センサ６１との間の距離と角度を求める。さらに、送信用センサ６０から受信用センサ６１に直接到達する超音波から、送信用センサ６０と受信用センサ６１との間の距離と角度とを求める。制御コンピュータ９は、これらの距離と角度と、ステップ２０２で入力した超音波探傷の情報（例えば、Ａｘロータ５０の形状と大きさや、超音波の音速等）を用いて、３点計測の原理で、送信用センサ６０の位置ｈ１と受信用センサ６１の位置ｈ２を求めることができる。

【0066】

ステップ２０４は、受信用センサ６１が備える素子のうち、超音波探傷に使用する素子を決定するステップである。ステップ２０４では、図５に示したステップ１０３と同様の処理を行うが、ＣＰＵ２１が、ステップ２０３で求めた送信用センサ６０の位置ｈ１と受信用センサ６１の位置ｈ２を用いて、超音波探傷に使用する素子を決定する点が、ステップ１０３と異なる。ステップ２０３で求めた送信用センサ６０の位置ｈ１と受信用センサ６１の位置ｈ２を用い、以下の２つの方法のうち、いずれか一方を実施する。

【0067】

１つは、ステップ２０２で制御コンピュータ９に入力した位置ｈ１と位置ｈ２の代わりに、ステップ２０３で求めた位置ｈ１と位置ｈ２を用いて、図５に示したステップ１０３と同様に、式（１）、（２）からΔＬを求め、超音波探傷に使用する素子（欠陥反射波７２を受信する素子６４）を求める方法である。

【0068】

もう１つは、ステップ２０２で制御コンピュータ９に入力した位置ｈ１と位置ｈ２の、送信用センサ６０と受信用センサ６１の実際の位置に対する誤差の評価に、ステップ２０３で求めた位置ｈ１と位置ｈ２を用いる方法である。この方法では、ステップ２０３で求めた位置ｈ１とステップ２０２で入力した位置ｈ１との差を求め、この差の絶対値が超音波の波長λより小さければ、ステップ２０２で入力した位置ｈ１の誤差が小さいと判断する。そして、ステップ２０３で求めた位置ｈ２とステップ２０２で入力した位置ｈ２との差を求め、この差の絶対値が超音波の波長λより小さければ、ステップ２０２で入力した位置ｈ２の誤差が小さいと判断する。誤差が小さいと判断された位置ｈ１と位置ｈ２（ステップ２０２で入力した位置ｈ１、ｈ２）を用いて、図５に示したステップ１０３と同様に、式（１）、（２）からΔＬを求め、超音波探傷に使用する素子（欠陥反射波７２を受信する素子６４）を求める。

【0069】

ステップ２０５は、超音波探傷を実施するステップである。ステップ２０５は、図５に示したステップ１０４と同様のステップであるので、説明を省略する。

【0070】

本実施例による超音波探傷方法及び超音波探傷装置は、以上説明したように構成されているため、入力した送信用センサ６０の位置ｈ１と受信用センサ６１の位置ｈ２の誤差を評価できるので、実施例１よりもＡｘロータ５０の超音波探傷のＳ／Ｎ比を向上できる。

【0071】

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の実施例の構成を追加・置換したりすることが可能である。

【符号の説明】

【0072】

１…超音波探傷センサ、８…制御部、９…制御コンピュータ、１１…スケール、１２…ピン、１３…板状部材、１４…固定部材、１５…センサ設置部材、１６…押付部材、１７…Ａｘロータの形状、２０…超音波探傷装置、２１…中央処理装置、２２…ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、２３…ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、２４…リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、２５…入出力ポート（Ｉ／Ｏポート）、２６…キーボード、２７…記録メディア、２８…モニタ、２９…Ａ／Ｄコンバータ、３０…Ｄ／Ａコンバータ、３２…入出力ポート（Ｉ／Ｏポート）、５０…アキシャル溝型蒸気タービンロータ（Ａｘロータ）、５１…動翼、５２…植込部、５３…波型の底部、５４…欠陥、６０、６０ａ…送信用センサ、６１、６１ａ…受信用センサ、６２…アレイセンサ、６３…直達波のみを受信する素子、６４…欠陥反射波を受信する素子、６５…超音波素子、７１…直達波、７２…欠陥反射波。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8】