浸透探傷試験の記事の最後で、探傷トリオの役割分担に触れました。表面のきずはPTとMT、そして内部のきずはUTが受け持つ、と。今回は、その内部担当——超音波探傷試験の登場です。
鋼材の中に隠れた亀裂は、表面からどれだけ目を凝らしても、色をかけても、磁粉をまいても見えません。そこで、音の出番です。人の耳には聞こえない高い音を鋼材の中へ送り込み、返ってくる「こだま」を聞いて、中の様子を推理する。非破壊検査の総論で「鋼の内部を診るエコー」とたとえた検査の、これが本体です。ここでは、しくみの根本から、垂直と斜角という二つの探傷法、利点と欠点、そして欠点を乗り越える新しい手法までを、基礎から解説します。
超音波探傷試験とは——鋼の中の「こだま」を聞く
超音波探傷試験とは、超音波のパルス（短い音の粒）を、鋼材の表面にあてがった探触子（たんしょくし）から材料の中へ伝搬させ、内部から戻ってくる反射波——エコーを画面上で観察することで、内部の欠陥を検出する非破壊検査です。英語のUltrasonic Testingから、UT（ユーティー）と略されます。対象は、内部の亀裂や、溶接の未溶着といった、表面からは決して見えないきずたちです。
原理は、やまびこそのものです。音は、性質の異なるものの境界で反射します。鋼材の中がずっと一様なら、音はまっすぐ進んで反対側の底面で跳ね返るだけ。ところが途中に亀裂——つまり鋼と空気の境界——があれば、音はそこで反射して、予定より早く戻ってきます。「返事が早すぎる。何かある」。エコーの帰りの時間と強さから、きずの存在と位置を読み取るのです。
医療の世界で、お腹の中の様子を音で見るエコー検査と、発想はまったく同じです。人体の代わりに鋼材を、臓器の代わりに亀裂を診る——橋のエコー検査、それがUTです。
道具立て——探触子と、ジェルの理由
主役の道具が、探触子です。手のひらに載る小さな部品ですが、中には電気を振動に、振動を電気に変換する素子が入っており、超音波を送り出す発信器と、エコーを受け取る受信機を一身で兼ねます。使う超音波は、おおむね数MHz（メガヘルツ）——人の耳に聞こえる音のさらに百倍以上も高い、精密検査向けの音です。
そして、地味ながら欠かせない相棒が、接触媒質（カプラント）と呼ばれるジェル状の液体です。探触子を鋼材に当てる前に、これを塗ります。なぜか。超音波は、空気の層が大の苦手だからです。探触子と鋼材のあいだにごくわずかでも空気の隙間があると、音はそこでほとんど跳ね返されてしまい、鋼材の中に入っていけません。ジェルで隙間を埋めて、音の通り道を作ってやる——医療のエコー検査で、お腹にひんやりしたジェルを塗られるのと、まったく同じ理由です。
垂直探傷法——「底からの返事」が健全の証
UTの基本形が、垂直探傷法です。探触子から超音波（縦波）を、表面から真下へまっすぐ伝播させます。
健全な板なら、音は素直に底まで届き、底面で反射して戻ってきます。画面には、底からの返事——底面エコーが、規則正しく立ちます。ところが途中に欠陥があると、音の一部がそこで反射して、底面エコーより早いタイミングに、きずエコーが現れる。つまりこの方法では、「底からの返事がきちんとある」ことが健全の証で、「早すぎる返事」が欠陥の知らせなのです。エコーが返るまでの時間は、そのまま深さの物差しになるため、きずが表面からどのくらいの深さにあるかも直接読み取れます。
画面に映るのは、横軸に距離（時間）、縦軸にエコーの強さをとった波形です。慣れた検査員は、ピークの位置・高さ・形から、きずの深さや大きさの見当を、その場で組み立てていきます。
斜角探傷法——溶接部を、斜めから撃つ
ところが、鋼橋でいちばん診たい場所には、垂直法が使えないという問題があります。溶接部です。
溶接部の表面には、ビードと呼ばれる盛り上がりがあります。凸凹したビードの真上には、探触子を密着させられません。診たい場所の真上に、立てない——この難題を解くのが、斜角探傷法です。
斜角探傷法では、くさび形の部品を介して、超音波（横波）を斜めに材料へ撃ち込みます。斜めに入った音は、板の底面と表面で反射を繰り返しながら、ジグザグと材料の中を進んでいく。そして、探触子から離れた場所にある欠陥に当たると、来た道を引き返して戻ってきます。探触子は溶接部の手前に置いたまま、音だけがビードの下へ回り込んで、内部を診てくれるわけです。なお、音が斜めに進むこの方法では、垂直法のような底面エコーは現れません。
面白いのは、きずの居場所の求め方です。音がきずまで進んだ道のり（ビーム路程）と、撃ち込んだ角度が分かれば、三角関数の出番。道のりに角度のsinを掛ければ探触子からの水平距離が、cosを掛ければ深さが割り出せます。画面のエコーと、サインとコサイン。音で内部を「測量」している——斜角探傷とは、そういう検査なのです。
| 項目 | 垂直探傷法 | 斜角探傷法 |
|---|---|---|
| 使う波 | 縦波 | 横波 |
| 音の進み方 | 表面から真下へまっすぐ | 斜めに入り、内部で反射を繰り返して進む |
| 得意な対象 | 板の内部のきず、板厚方向の欠陥 | 溶接部など、真上に探触子を置けない場所のきず |
| 底面エコー | 現れる（健全の目印になる） | 現れない |
| きずの位置の求め方 | エコーの戻り時間から深さが直接分かる | 角度と道のりから三角関数で割り出す |
利点——内部が診える、片側から診える
UTの利点は、まず何といっても、部材内部の欠陥の検出と亀裂の判別に適することです。表面のPT・MTには決して届かない、鋼の中のきずを捉えられる。しかも、板の片側に探触子を当てるだけで済みます。装置は持ち運びが容易で、鋼構造物の製作から点検まで、長年にわたる使用実績の豊富さも、信頼の裏づけです。
内部を診るもう一つの代表、放射線透過試験（RT）と比べると、この身軽さが際立ちます。RTは内部をフィルムに写す強力な方法ですが、放射線を扱う管理が必要で、部材の裏側にフィルムを回す段取りも要ります。UTなら、放射線の管理区域も裏側へのアクセスも不要。現場の橋の上で、片側から、その場で診られるのです。
欠点——熟練の耳と、消えていく波形
一方で、欠点もはっきりしています。
第一に、測定には熟練を要すること。画面に立つエコーが、亀裂なのか、形状による反射なのか、ノイズなのか。波形の読みは、経験に裏打ちされた判断の世界です。実務では、非破壊試験技術者の資格を持つ検査員が測定と判定にあたります。
第二に、記録が保存しにくく、損傷の形状や種類を把握しにくいこと。基本の表示は「その瞬間の波形」であり、探触子を動かせば波形も変わります。写真に残しても、どこでどう当てた波形なのかという文脈ごと残すのは難しい。きずの立体的な形も、波形からの推理にとどまります。診る力は抜群なのに、診た結果を残しにくい——これが、従来のUTの泣きどころでした。
欠点を超える——TOFD法とフェイズドアレイ法
この泣きどころに、技術は答えを出しつつあります。
一つが、TOFD法。きずの端で音が回り込む現象（回折）を利用して、きずの上端と下端を捉え、きずの高さ——進展の程度を精度よく測る方法です。もう一つが、フェイズドアレイ法。たくさんの小さな素子を並べた探触子を電子制御し、超音波のビームを扇状に振ったり、狙った深さに集束させたりできる発展形で、返ってきたエコーはデジタル処理され、内部の様子が断面の画像として表示・保存されます。波形の読みに頼っていた世界が、画像で見て、データで残せる世界へ——「記録しにくい」「形が分かりにくい」という欠点そのものを、正面から克服する進化です。
なお、溶接継手部の欠陥検出では、放射線透過試験（RT）と、探触子を機械で走査する超音波自動探傷試験（AUT）が一般に採用されており、UTは自動化の道も歩んでいます。
番外編——同じ原理の兄弟、超音波厚さ計
最後に、橋の点検で毎日のように働いている、UTの兄弟を紹介します。超音波厚さ計です。
原理は垂直探傷と同じ。表面から音を送り、底面エコーが返るまでの時間を測れば、板の厚さが分かります。これが威力を発揮するのが、腐食した鋼材の残存板厚の測定です。錆びて痩せた桁の板が、いま何ミリ残っているのか——片側から当てるだけで、数字が出る。腐食の進行を定量的に追いかけ、補修の要否を判断する材料として、鋼橋の維持管理に欠かせない道具になっています。きずを探すだけでなく、部材の「残り」を測る。音の物差しは、そんな使い方もできるのです。
【鋼橋の点検・補修・補強｜鋼材の損傷の種類と防食・補強の方法】 https://hashiwatashi.com/steel-bridge-maintenance/
【非破壊検査とは？｜壊さずに橋の中を診る11の方法を解説】 https://hashiwatashi.com/non-destructive-testing/
まとめ
この記事では、超音波探傷試験（UT）を解説しました。
超音波探傷試験とは、探触子から鋼材の中へ超音波を送り、内部から返るエコーで、表面からは見えない亀裂や未溶着を捉える非破壊検査です。まっすぐ潜って底からの返事を確かめる垂直探傷法と、溶接部を斜めから狙い三角関数で居場所を測る斜角探傷法。ジェル一塗りに宿る物理から、熟練の波形読み、それを画像とデータの世界へ引き上げるフェイズドアレイまで——音という道具の奥行きが、この検査には詰まっています。
これで、鋼橋の探傷トリオがそろいました。表面に口を開けたきずは浸透探傷が色であぶり出し、表面とそのすぐ下は磁粉探傷が磁気で描き出し、内部は超音波探傷が音で聴き取る。見えない亀裂に、色と磁気と音で迫る三人組が、今日もどこかの橋の溶接部を、静かに診て回っているのです。
【浸透探傷試験とは？｜スプレー3本で亀裂をあぶり出すカラーチェックのしくみと手順を解説】 https://hashiwatashi.com/penetrant-testing/
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