JP6732485B2 - 溶接継手の超音波探傷方法及び超音波探傷装置 - Google Patents
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Description
本発明は、たとえば、一般構造物の溶接継手部分の欠陥を探傷する超音波探傷法及びその装置に係り、特に、ＬＮＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ：液化天然ガス）などのガスの貯蔵用のタンクで、かつ、溶接材料として高ニッケル合金を用いてなる溶接継手の欠陥を探傷する超音波探傷法及びその装置に関する。
世界におけるエネルギー需要が増大する状況にあって、地球環境問題への対処からクリーンエネルギーの利用が注目されている。こうした中、ＬＮＧは石油や石炭に比べてＣＯ２排出量が少なく、また、長期供給安定性が高いことから需要が急増している。これを貯蔵するためのＬＮＧタンクは国内外で現在多くの基が稼働中であるが、ＬＮＧタンクには常に高い安全性が求められている。具体的には、ＬＮＧタンクの内槽は、鋼材により構成し、必要箇所を溶接継手によって結合することで、強度及び液密・機密性を確保することとしている。したがって、溶接継手部分の欠陥を非破壊状態で、適切に探傷できることが望まれる。
こうした溶接継手の探傷方法については、特許文献１に示すような超音波による溶接部の欠陥検査に関する技術思想が開示されている。
この特許文献１では、第１側母材と第２側母材との間の溶接部に対して溶接線に直交する方向側から超音波を照射する構成を採って、この照射により反射される超音波情報に従って溶接部に存在する欠陥種類を検出する構成を採る溶接部欠陥検査装置に関し、客観的に欠陥種類を特定できるようにすることが説明されている。
しかしながら、ＬＮＧタンクの内槽の、特に底板部分の溶接継手は、第１側母材、第２側母材、その間の溶接部、及び溶接部の下側に設けられる裏当金からなる場合、母材及び裏当金はニッケル鋼、溶接継手は高ニッケル合金とすることが好ましいが、高ニッケル合金では、超音波の拡散や減衰の問題が多く、特許文献１においては、その場合の欠陥の検出に関する解決手段については触れておらず、高精度で欠陥を検出できるかどうかは不明である。
本発明は上述した問題点を解決することを企図したもので、高精度で欠陥を検出できる超音波探傷方法を提供することを目的とする。
本発明は、このような課題を解決するために、超音波を用いて溶接継手の欠陥を探傷する超音波探傷法であって、クリーピング波法、縦波斜角法、ラウンドトリップ法、横波斜角法のうち、少なくとも２種の組合せによって探傷を行うことを特徴とする。
また、本発明では、溶接継手が高ニッケル合金であることを特徴としてもよい。ここで、高ニッケル合金とは、ニッケル量が５０％以上のニッケル基合金のうち、その中でもＮｉ量が多いもの（例えば６０−８０％）を言い、ＬＮＧタンク内槽の使用環境である極低温下においてじん性に優れた素材である。
このようにすると、それぞれ探傷能力の異なる４種の探傷法を組み合せることにより、正確に欠陥を検出することができ、特に、超音波の拡散や減衰の問題がある高ニッケル合金の場合でも高精度で欠陥の検出ができる。
また、本発明では、更に、溶接継手の表側のみから欠陥の探傷を行うことを特徴としてもよい。
このようにすると、裏側からの探傷が不要となり、例えばＬＮＧタンクの底面の場合、上方からの探傷に加え、ＬＮＧタンクを仮設架台に載置して下方からの探傷をするという必要がなくなり、設置工数や設備の面で、大きな費用削減効果がある。
本発明の別の態様としては、超音波によって溶接継手の欠陥を探傷する超音波探傷装置であって、超音波を発信し、受信する超音波探触子と、超音波探触子からの信号を用いて欠陥を検出する超音波探傷器とを含み、探触子として、クリーピング波探触子、縦波斜角探触子、横波斜角探触子の３をそれぞれの探傷部位、検出対象欠陥ごとに組み合わせていることを特徴としてよい。
このようにすれば、方法の如何を問わず、適切な欠陥の検出を行い得るために、その効果は極めて大きい。
本発明に係る溶接継手の探傷方法では、簡便で、かつ、正確な欠陥の検出が可能となる。
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態に係る超音波探傷方法及び超音波探傷装置について説明する。なお、以下では本発明の目的を達成するための説明に必要な範囲を模式的に示し、本発明の該当部分の説明に必要な範囲を主に説明することとし、説明を省略する箇所については公知技術によるものとする。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷方法の概略説明図である。超音波探傷の対象となる溶接継手は、ＬＮＧタンクの内槽の底板を構成する部材２ａ、２ｂ、底板部材２ａ、２ｂを連結する溶接部３、及び、溶接部３の下側を支える裏当金４からなる。同図に概念的に示すように、好適には、裏当金４、底板部材２ａ、２ｂの取合い箇所には隙間を設け、当該隙間を埋めるような形で溶接部３が形成される。
底板部材２ａ、２ｂは、低温じん性に優れた、ニッケルを７％含む高張力鋼板（例えば、７％Ｎｉ−ＴＭＰＣ鋼）で、厚さ８ｍｍ程度とするが、これに限定されるものではない。
裏当金４は、床板部材２ａ、２ｂと同材質の薄板が好適であるが、それに限定されるものではない。
溶接部３は、溶接部材として低温じん性に優れたハステロイ金属系の高ニッケル合金、例えば、ニッケル約７０％、モリブデン約２０％を含む合金（神戸製鋼所製のＵＳ−７０９Ｓなど）を用いて、裏当金付き片側突合せ溶接法により溶接が行われる。具体的には開先角度５０度のサブマージアーク溶接法が好適であるが、それに限定されるものではなく、たとえば、ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接法、被覆アーク溶接法を用いてもよい。
次に、超音波探傷装置１としては、超音波の発信、受信を行う探触子１０、探触子１０が受信した情報に基づき欠陥の探傷を行う探傷器２０などを備えてなる。
探触子１０は、溶接部４の中央部の延伸方向（溶接線Ｌ）に対し、その片側で、溶接部４に超音波を発信し、その反射（エコー）を受信しうるように設置され、クリーピング波探触子１０ａ、縦波斜角探触子１０ｂ、横波斜角探触子１０ｃを含んでいる。
なお、探触子１０は、適宜、溶接継手の長手方向の中央線である溶接線Ｌに平行する方向の走査、あるいは溶接線Ｌに直交する方向の走査、それらの組合せのジグザグ走査を、手動または自動で行えるものとする。
図２は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置の探傷器の構成図であり、探触子１０との情報の授受を行うインターフェース２０１、探触子１０が受信した情報によって探傷を行う探傷制御部２０２、情報やプログラムなどを記憶するメモリー２０３、探傷の指示や探傷結果の処理などの入力を行わせる入力部２０４、探傷結果などを出力する、例えばプリンタなどの出力部２０５、探傷波形などを表示する、例えばＬＥＤディスプレイなどの表示部２０６などを含んでいる。
次に、このような構成の超音波探傷装置１を用いた超音波探傷方法について説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷方法の説明図であり、特に探触子１０のうち、クリーピング波探触子１０ａに関するものである。クリーピング探触子１０ａからは、図に示すような溶接部４の溶接線Ｌと直交する方向で、溶接部４の上面を水平方向に伝播される超音波を発信し、欠陥Ｋでの反射（エコー）を受信する。
図４は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷方法の説明図であり、特に探触子１０のうち、縦波斜角探触子１０ｂに関するものである。縦波斜角探触子１０ｂからは、図に示すように固定角度（例えば屈折角αが７０度から７５度）の斜め下方への縦波超音波が発信され、欠陥Ｋでの反射（エコー）が受信される。
図５は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷方法の説明図であり、特に探触子１０のうち、横波斜角探触子１０ｃに関するものである。横波斜角探触子１０ｃからは、図に示すように固定角度（例えば屈折角αが６５度から７０度）の斜め下方への横波超音波が発信され、欠陥Ｋでの反射（エコー）が受信される。
ここで、高ニッケル合金の溶接継手の場合は、超音波の拡散や減衰の影響の少ない縦波斜角超音波を使用した縦波斜角法によることが望ましい。但し、縦波斜角法だけでは、欠陥の発生が予想される溶接継手の全ての領域をカバーできない。
具体的には、溶接継手の中央から底面にかけての領域では、縦波斜角探触子のジグザグ走査による縦波斜角法が適している。
更に、この領域については、図６に本願の別の態様として示すように、垂直方向の欠陥の検出性能に優れるラウンドトリップ法（ＲＴＴ法）も有効である。ここで、ラウンドトリップ法とはモード変換を利用する探傷方法であり、斜め入射した後の反射波を、底面を介して検出する手法である。探触子としては、縦波斜角探触子が用いられる。なお、図６においては、これまでの図において説明した対象と同等のものについては同一の付番を付し、説明を省略する。
また、表面近傍の領域は、クリーピング波探触子の平行走査によるクリーピング波法が有効である。これによれば、表面近傍の面状欠陥、ウォームホール、ブローホールを検出することができる。
次に、溶接開先面（母材との境界面）の領域は、横波斜角探触子のジグザグ走査による横波斜角法が有効である。これによれば、開先面の融合不良、溶接裏面近傍の溶け込み不足を検出することができる。
これによって、全部の領域で想定される欠陥を検出できるようにした。なお、溶接部で発生が想定される欠陥によっては、費用対効果の面から、これらすべての方法を用いなくても、このうちの２以上を組み合わせて用いてもよい。
これまでに述べてきた溶接継手の欠陥の検出能力については、人工的に製作した試験片によって検証されている。
図７は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷方法の検証のための試験片の説明図である。試験片として溶接継手部分に以下の欠陥を有するものを準備した。
ａ）平底横穴 −溶接部内の割れなどの面状欠陥を模したもの。
ｂ）斜め平底穴−開先面の融合不良を模したもの。
ｃ）丸頭縦穴 −裏当金との隙間から発生するウォームホール、及び
ブローホールを模したもの。
ｄ）表面角ミゾ−溶接表面近傍の割れなどの面状欠陥を模したもの。
ｅ）裏面角ミゾ−開先ルート面の溶け込み不足欠陥を模したもの。
ｆ）表面丸頭縦穴−２層目溶接で発生するウォームホール、及び
ブローホールを模したもの。
ａ）平底横穴 −溶接部内の割れなどの面状欠陥を模したもの。
ｂ）斜め平底穴−開先面の融合不良を模したもの。
ｃ）丸頭縦穴 −裏当金との隙間から発生するウォームホール、及び
ブローホールを模したもの。
ｄ）表面角ミゾ−溶接表面近傍の割れなどの面状欠陥を模したもの。
ｅ）裏面角ミゾ−開先ルート面の溶け込み不足欠陥を模したもの。
ｆ）表面丸頭縦穴−２層目溶接で発生するウォームホール、及び
ブローホールを模したもの。
この試験片を用いた試験により、欠陥の検出が十分なＳ／Ｎ比で検出できた。
すなわち、クリーピング波法では表面近傍のａ）、ｃ）、ｄ）及びｆ）、縦波斜角法及びＲＴＴ法ではそれよりも深い領域でのａ）及びｃ）、横波斜角法では、ｂ）及びｅ）を検出することができた。
すなわち、クリーピング波法では表面近傍のａ）、ｃ）、ｄ）及びｆ）、縦波斜角法及びＲＴＴ法ではそれよりも深い領域でのａ）及びｃ）、横波斜角法では、ｂ）及びｅ）を検出することができた。
なお、本発明は上述した実施形態に限定される必要はなく、同等の技術思想の範囲内で、種々の代替、置換、追加、拡大、縮小等が可能である。
たとえば、底板同士の溶接でなく、底板とアニュラ板との溶接、あるいは底板ではない、一般の構造部分の溶接の場合にも適用が可能である。
また、鋼材として、７％ニッケル鋼を例に説明したが、ニッケル含有量は７％に限定されず、例えば９％であってもよいし、ニッケル鋼ではなく、他の鋼板（例えばオーステナイト系ステンレスなど）の溶接部にも適用することができる。更には、溶接部での欠陥のみならず、非溶接部の金属部分での欠陥の検出に適用することもできる。
このように、本発明は、ＬＮＧタンクなどの巨大構造物の溶接部の安全性を簡便に、かつ精度よく検査できるため、本発明は、建設業をはじめとして、造船、エネルギー産業等において多大な利用可能性を有している。
１ 超音波探傷装置
２ 底板
３ 溶接部
４ 裏当板
１０ 探触子
１０ａ クリーピング波探触子
１０ｂ 縦波斜角探触子
１０ｃ 横波斜角探触子
２０ 探傷器
２０１ インターフェース
２０２ 探傷制御部
２０３ メモリー
２０４ 入力部
２０５ 出力部
２０６ 表示部
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２０６ 表示部
Claims (4)
- 超音波を発信し、受信する超音波探触子を用いて溶接継手の欠陥を探傷する超音波探傷法であって、前記超音波探触子として、溶接線と直交する方向で溶接面の上面を略水平方向に伝播される超音波を発信し欠陥での反射を受信するクリーピング波探触子、固定角度の斜め下方への縦波超音波を発信し欠陥での反射を受信する縦波斜角探触子、固定角度の斜め下方への横波超音波を発信し欠陥での反射を受信する横波斜角探触子を含み、前記クリーピング波探触子、前記縦波斜角探触子、前記横波斜角探触子のうちの少なくともいずれか２以上を探傷部位および／もしくは検出対象欠陥ごとに組合せることを可能にすることで、前記クリーピング波探触子の平行走査によるクリーピング波法、前記縦波斜角探触子の平行走査、直交走査、ジグザグ走査を含む走査による縦波斜角法、前記縦波斜角探触子を用いて斜めに入射した後の反射波を底面を介して検出するラウンドトリップ法、前記横波斜角探触子の平行走査、直交走査、ジグザグ走査を含む走査による横波斜角法の任意の組合せによって探傷を行うことを特徴とする超音波探傷方法。
- 前記溶接継手が高ニッケル合金であることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
- 前記溶接継手の表側のみから前記欠陥の探傷を行うことを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
- 超音波によって溶接継手の欠陥を探傷する超音波探傷装置であって、
−超音波を発信し、受信する超音波探触子と、
−前記超音波探触子からの信号を用いて前記欠陥を検出する超音波探傷器とを含み、
前記超音波探触子として、溶接線と直交する方向で溶接面の上面を略水平方向に伝播される超音波を発信し欠陥での反射を受信するクリーピング波探触子、固定角度の斜め下方への縦波超音波を発信し欠陥での反射を受信する縦波斜角探触子、固定角度の斜め下方への横波超音波を発信し欠陥での反射を受信する横波斜角探触子を含み、前記クリーピング波探触子、前記縦波斜角探触子、前記横波斜角探触子のうち、いずれか２以上を探傷部位および／もしくは検出対象欠陥ごとに組合せることが可能であることを特徴とする超音波探傷装置。
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