[发明专利]超声波探头、超声波探伤方法及超声波探伤装置

说明书

技术领域

本发明涉及超声波探头、超声波探伤方法及超声波探伤装置。具体地 说，本发明涉及对于金属制的管状被检体管、特别是壁厚t与外径D之比 (t/D)例如是15％以上的金属管，能够通过斜角探伤，高精度而且切实 地探查其外表面、内表面或内部存在的微小缺陷的超声波探头、超声波探 伤方法及超声波探伤装置。

背景技术

作为不破坏金属制的管状被检体(例如作为油井管、线路管进而机械 部件(被镗过的车轴、汽车部件等使用的机械管，进而能够在高温环境下 使用的不锈钢管等)使用的金属管)地检出存在的缺陷的无损检测方法， 向金属管发射超声波，检出来自内部存在的缺陷的反射回波的超声波探伤 方法，已经广为人知。为了探查金属管的内表面、外表面、内部进而焊接 部位中的缺陷，使用向探伤面倾斜地发射超声波的斜角探伤法。众所周知， 在该斜角探伤法中，通常使用具备向探伤面倾斜地发射超声波地配置的振 子、吸音材料及收容探伤面中的接触介质(丙烯等树脂制的斜楔等)的外 壳的斜角探头。此外，作为接触介质使用水时，代替在外壳中收容斜楔等 接触介质，将金属管及斜角探头浸入水中进行探伤。

图11是表示斜角探伤法中的入射波1及折射波2、3的关系的说明图。 图11及后文讲述的图12、13中的虚线，表示探伤面0的法线。

如图11所示，采用斜角探伤法，倾斜地向金属管(介质II)的探伤 面0射入超声波的入射波1后，即使射入的超声波的入射波1是纵波，作 为折射波的超声波的折射纵波2及折射纵波3也都从未图示的振子在金属 管的内部传播。如果使介质I(一般是以水为代表的液态接触介质或被斜 角探头内置的斜楔)中的超声波的入射波1的音速为Vi、介质II(管状被 检体——金属管)中的超声波的折射横波3的音速为Vs、介质II中的超 声波的折射横波2的音速为VL、入射波1的射入角为θi、折射横波3的 折射角为θs、折射横波2的折射角为θL，那么入射波1及折射波2、3 之间的斯内尔定律即sinθi/Vi＝sinθs/Vs＝sinθL/VL的关系成立。

图12是表示折射波2、3在金属管5的内部5c中传播的状况的说明 图。

如该图所示，将超声波以射入角θi从超声波探头的振子4射入金属 管5后，射入的超声波2、3就一边在金属管5的内表面5a及外表面5b 反复反射，一边在金属管5的内部5c中传播。如果金属管5的内表面5a、 外表面5b及内部5c存在缺陷，被该缺陷反射的超声波的反射回波就返回 振子4，作为缺陷回波接收。这样地对金属管5进行超声波探伤。

正如参照图11讲述的那样，因为折射纵波2和折射纵波3都在金属 管5的内部5c即介质II中传播，所以难以识别被振子4接收的缺陷回波 究竟是由折射纵波2造成的，还是由折射纵波3造成的。因此，不能够特 定存在缺陷的位置，或者接收的信号波形复杂，缺陷回波的SN比下降。

于是，为了利用斜角探伤法对金属管5进行超声波探伤，一般将折射 纵波2的临界角设定成为大于射入角θi，以免折射纵波2混入在金属管5 的内部5c中传播的折射波。例如介质I是以水时，在常温下的介质I中 的折射横波2的音速Vi大约为1500m/sec，如果使介质II——金属管中的 折射横波2的音速VL为5900m/sec、折射横波3的音速Vs为3200m/sec， 那么根据公式(1)，成为折射纵波2的临界角(θL＝90°)的射入角θi 就大约为15°，折射纵波3的折射角θs就大约为33°。因此，从原理上 说，如果将入射波1的射入角θi设定成15°以上，在介质II中就不存在 折射纵波3L。

近几年来，对于油井管、线路管及作为机械部件等大量使用的钢管， 不仅对于轻量化，而且对于高强度化的要求越来越高。与此同时，对于壁 厚t与外径D之比(t/D)例如是15％以上的金属管(在本说明书中称作 “高t/D金属管”)的需要也与日俱增。可是，如采用斜角探伤法对高t/D 金属管6进行探伤的状况的说明图——图13所示，采用现有技术的超声 波探伤法对高t/D金属管6进行斜角探伤时，即使将超声波以纵波超声波 的临界角以上的射入角θi从高t/D金属管6的外表面6b射入，传输到金 属管6的内部6c的折射纵波3也往往不能够到达金属管6的内表面6a地 在去往外表面6b的传输线路上行走。这时，无法检出金属管6的内表面 6a附近存在的缺陷。