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誘導波探傷法（GWT）は、非破壊検査法の一つです。この方法は、細長い構造物に沿って伝播する音波を利用し、その境界に沿って音波が誘導されることで、エネルギー損失を最小限に抑えながら長距離を伝播します。現在、GWTは多くの土木構造物の検査やスクリーニングに広く用いられており、特に世界中の金属パイプラインの検査に活用されています。場合によっては、1箇所から数百メートルもの距離を検査することが可能です。また、鉄道線路、棒材、金属板構造物の検査にも応用されています 。
ガイド波探傷法は、ガイド波超音波探傷法（GWUT）、超音波ガイド波（UGW）、長距離超音波探傷法（LRUT）などとも呼ばれますが、 従来の超音波探傷法とは根本的に大きく異なります。検査に使用する周波数は構造物の厚さによって異なりますが、ガイド波探傷法では通常、 10kHzから数MHzの範囲の超音波周波数を使用します。場合によってはより高い周波数を使用することもできますが、検出範囲は大幅に狭まります。さらに、ガイド波の基礎となる物理現象は、バルク波よりも複雑です。理論的な背景については、別の記事で詳しく説明しています。この記事では、ガイド波探傷法の実際的な側面について解説します。
地震学や弾性力学の基礎研究、特に板や円筒形導波管内の波に関する初期の研究から発展した構造物内を伝搬する導波の研究は、1920年代にまで遡ることができます。その後数十年にわたり、棒、パイプ、板状構造における分散特性、モード解析、共振相互作用を理解するために、多大な解析的および計算的努力が費やされました。基礎となる理論はそれ以前に確立されていましたが、トランスデューサ技術、信号処理、計算モデリングの進歩により、20世紀後半に導波が非破壊検査の実用的なツールとして登場しました。2000年代初頭までに、導波法は、特に石油、ガス、化学産業のパイプラインなどの工学構造物の構造健全性モニタリングおよび長距離検査に適用されていました。[ 1 ]
従来の超音波とは異なり、管の形状によっては無限の数の導波モードが存在し、それらは一般的にねじりモード、縦波モード、曲げモードの3つのグループに分類できます。これらの波モードの音響特性は、管の形状、材質、周波数に依存します。これらの波モードの特性を予測するには、多くの場合、分散曲線と呼ばれるグラフで表される複雑な数理モデルが必要となります。
パイプラインの導波試験では、パイプの周囲に低周波トランスデューサのアレイを取り付け、トランスデューサアレイの前後両方向にパイプに沿って伝搬する軸対称波を生成します。最も一般的に使用されるのはねじり波モードですが、縦波モードの使用例は限られています。この装置はパルスエコー方式で動作し、トランスデューサアレイは信号の励起と検出の両方に使用されます。
パイプの断面形状が変化する箇所、またはパイプの局所的な剛性が変化する箇所では、エコーが発生します。エコーの到達時間と、特定の周波数における波動モードの予測速度に基づいて、トランスデューサアレイの位置に対する対象物までの距離を正確に計算できます。GWTは、距離振幅曲線（DAC）システムを使用して、特定の距離での反射から断面形状の変化（CSC）を推定する際に、減衰と振幅の低下を補正します。DACは通常、溶接エコーなど、信号振幅が既知の一連のエコーに対して校正されます。
DACレベルが設定されると、信号振幅は欠陥のCSCと良好な相関関係を示します。GWTは残存壁厚を直接測定しませんが、欠陥の深刻度をいくつかのカテゴリに分類することは可能です。その方法の一つとして、励起信号のモード変換現象を利用する方法があります。この現象では、軸対称波モードのエネルギーの一部がパイプの特定の箇所で曲げモードに変換されます。モード変換量から欠陥の円周方向の広がりを正確に推定でき、CSCと合わせて、オペレーターは深刻度カテゴリを決定できます。
GWTの典型的な結果は、トランスデューサアレイの位置からの距離に対する反射振幅を示すAスキャン形式で表示されます。近年、一部の先進的なシステムでは、各特徴の向きを容易に解釈できるCスキャン形式の結果を提供するようになりました。これは、大型パイプラインの検査において非常に有用であることが示されています。
Cスキャンタイプの結果を取り込むことに加えて、GWTは屈曲波モードを利用することでアクティブフォーカシング機能も実現できます。これには主に2つの利点があります。1つ目は、欠陥エコーの信号対雑音比（SNR）を向上させることができること、2つ目は、「真の」兆候と「偽の」兆候を区別するための追加ツールとして使用できることです。しかし、この技術には欠点もあります。1つ目は、フォーカシングを適用する前に欠陥の位置を把握しておく必要があること、2つ目は、アクティブフォーカシング技術に必要な別のデータセットによって、GWTの時間とコスト効率が大幅に低下する可能性があることです。
曲げ波モードは、円周方向の変位パターンが正弦波状に変化し、その値は1から無限大までの整数値をとります。アクティブフォーカシングでは、複数の曲げ波モードを伝送し、時間と振幅の補正を適用することで、各波モードの円周方向の節が、同じ円周方向の位置で同じ位相で同時に目標位置に到達し、建設的干渉を起こすようにします。他の円周方向の位置では、曲げ波モードの円周方向の節は互いに逆位相で到達し、破壊的干渉を起こします。励起条件を調整することで、この焦点位置をパイプの円周方向に回転させることができます。異なる円周方向の位置からの応答を比較することで、オペレーターは欠陥の円周方向の位置と範囲をより正確に予測できます。
前述のとおり、フォーカシング技術は「真の」指示と「偽の」指示を区別するのにも役立ちます。「偽の」指示とは、欠陥の位置に直接対応しない受信信号のことです。例えば、残響や不要な波モードの不完全なキャンセルによる信号などがこれに該当します。Aスキャンデータに「偽の」指示が存在する場合、Cスキャンタイプの処理でも同じ元のデータを使用するため、Cスキャンタイプの結果にも「偽の」指示が反映されます。アクティブフォーカシングは別のデータ収集を伴うため、「偽の」指示の位置にフォーカスすると陰性結果となり、「真の」指示の位置にフォーカスすると陽性結果となります。したがって、アクティブフォーカシング技術は、誘導波検査システムで発生する「誤検出」の傾向を克服するのに役立ちます。