JP2001194136A - 管の非接触オンライン式高温壁厚測定方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 品質を改善するための早期の手段を講じる
ために、不所望な壁構造を、最小の測定技術的コストで
検出する。 【解決手段】 本発明は、熱間圧延された管、特にス
トレッチレデュースされた管の六角形穴等のような不所
望な内壁構造を検出するための、非接触オンライン式高
温壁厚測定方法に関する。レーザ−超音波方法によっ
て、および少なくとも１個の測定ヘッドを用いて、圧延
プロセス中または圧延プロセスの直後の測定すべき管の
壁のセグメントが周方向に走査され、場合によっては数
学的な分析および対称性考察によって、管横断面の壁の
延長状態がコンピュータで再現され、周方向に揺動する
複数の測定ヘッドを使用する際各々の測定ヘッドが管壁
の他の割り当て部分を走査する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱間圧延された
管、特にストレッチレデュースされた管の六角形穴等の
ような不所望な内壁構造を検出するための、非接触オン
ライン式高温壁厚測定方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】継目無鋼管と溶接鋼管を製造する際にし
ばしば、少ない数の所定寸法の粗製品から、直径と壁厚
の異なる多数の仕上げ管をきわめてフレキシブルに生じ
るために、しばしばいわゆるストレッチレデューサが使
用される。内側工具を必要としないこの方法の利点は、
壁厚と直径を迅速かつ低コストで変えることができる点
にある。

【０００３】素管の変形は多数並べて配置された圧延ス
タンドで行われる。この場合、個々のスタンドでの回転
数の変化によって、スタンド間で所定の引張り力が生
じ、それによって仕上げ管の壁厚が適切に調節される。
ストレッチレデューサ圧延ラインでの変形は今日では一
般的に３ロールスタンドまたは４ロールスタンドで行わ
れる。このロールスタンドの孔型は、丸く形成されてい
ないで、３面または４面が楕円形に形成されている。孔
型のこの形状は基本的に不可避であり、使用されるスタ
ンド列の最後のスタンドだけが一般的に円形に形成され
ている。なぜなら、仕上げ圧延される管が充分に円形で
あるからである。

【０００４】楕円形サイジングにより、ストレッチレデ
ュースされた管の横断面の壁厚がしばしばきわめて不均
一になる。この壁厚の不均一性はいろいろな形を有す
る。例えば３ロールスタンドの場合、六角形であり、多
角形穴と呼ばれる。４ロールスタンドの場合、八角形で
ある。他のすべての壁厚偏差のように、多角形穴の形成
は品質を損なう。

【０００５】多角形穴の形成は特に壁厚、適切に言い換
えると、管直径に対する壁厚に依存するので、大きな壁
厚範囲を発生するために、ロールの異なるサイジング、
すなわちロールサイジングの異なる楕円度が必要であ
る。しかし、圧延スタンドを準備するために多大のコス
トがかかるので、一般的に２個の孔型が使用される。す
なわち、厚壁の管のための楕円度の小さな丸い孔を有す
る孔型と、薄壁の管のための楕円度の大きな楕円形の孔
を有する孔型が使用される。更に、圧延材の平均引張り
応力または引張り力を変形時に最適に調節することによ
り、発生する六角形穴の形成を小さくすることが試みら
れた。この試みによって、多角形寸法が引張りに依存し
て変化することが判った。この引張り力最適化は非常に
骨の折れる作業であったが、多角形穴を有していない管
が常に得られるとは限らない。なぜなら、不可避の影響
因子の実際の変化が生じるからである。すなわち、実際
に変化する変形条件のために多角形穴の形成を甘受しな
ければならず、製造の前に最適化を行うためには、莫大
なコストがかかる。

【０００６】継目無鋼管は一般的に、３つの変形段、す
なわち傾斜圧延機での穿孔、アッセルミル、コンチミル
または他の圧延機でのストレッチおよびストレッチレデ
ューサミルでの仕上げ圧延で製造される。３つの変形段
はすべて、公称寸法からの特徴的で不所望な偏差を管壁
に生じる。この偏差は後続の各々の変形段によって重ね
られ、この重ねられた形で、ストレッチレデュースされ
た管の壁に再び表れる。例えば、２ロール傾斜圧延機で
は、管の周りにらせん状に延びる２つの壁肉厚部が生じ
る。この壁肉厚部は管の横断面で、周方向に延びる偏心
部として現れる。アッセルミルで第２の変形段が行われ
ると、同様に管の周りに延びるらせん状の肉厚部が発生
する。この肉厚部は同じ方向に、しかし異なるピッチで
管の周りに延びるかまたは反対の回転方向を有し、スト
レッチレデューサミルのらせんと交叉する。

【０００７】これに対して、コンチラインで粗圧延され
ストレッチレデュースされた管の場合には、ＳＲＷ（傾
斜圧延機、回転穿孔圧延機）の内部穴と傾斜圧延の周方
向に延びる偏心体に加えて、四角形が形成される。この
四角形はＳＲＷ出口のでその位相位置で認められる。従
って、この内部欠陥に対処するために、その前提条件が
与えられる。

【０００８】管の場合に発生する不所望な壁構造の問題
は、製造プロセス中に内部欠陥を制御回路によって補正
するときに解決される。例えば引張りパラメータの変更
（一連の回転数の変更）によって解決される。公知のご
とく、引張り力分布のパラメータと内部穴形成との間に
一義的な関係があるので、内部穴形成は、素管の壁厚さ
に影響を及ぼすことなく、自動的に低減することが可能
である。しかし、例えば管がその中心を一定にして圧延
機から出るときに、熱間圧延された管の壁厚を圧延直後
非接触測定することにより、内部穴の延長状態とそれに
重ねられる欠陥を知っていることが前提である。しか
し、これは経済的な測定方法と、低コストの測定装置を
前提としている。この測定方法または測定装置は、管の
長さにわたるまたは通過時間にわたる壁厚状態の測定の
ほかに、ストレッチレデュース時に発生する多角形穴に
関する重要な情報を供給する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】技術水準の前述の問題
から出発して、本発明の課題は、品質を改善するための
早期の手段を講じるために、多角形穴、偏心体または四
角形のような不所望な壁構造を、最小の測定技術的コス
トで検出することができる、非接触オンライン式高温壁
厚測定方法および装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この課題は、本発明に従
い、レーザ−超音波方法によって、および少なくとも１
個の測定ヘッドを用いて、圧延プロセス中または圧延プ
ロセスの直後の測定すべき管の壁のセグメントが周方向
に走査され、場合によっては数学的な分析および対称性
考察によって、管横断面の壁の延長状態がコンピュータ
で再現され、周方向に揺動する複数の測定ヘッドを使用
する際各々の測定ヘッドが管壁の他の割り当て部分を走
査することによって解決される。

【００１１】レーザ−超音波−壁厚測定方法によって、
超音波−通過時間測定の原理が適用される。音速が知ら
れているので、超音波パルスが管壁を（２回）通過する
時間から、調べようとする壁厚が判る。１０００°Ｃの
オーダーの温度を有する高温壁の厚さを測定する際に超
音波による測定ヘッドと測定物質の接続を非接触式に行
わなければならないので、そのために光学的な方法が使
用される。この方法の場合には、測定ヘッド自体が測定
物質に対して熱的に安全な距離を置くことができる。測
定物質の方に向けたフラッシュランプレーザによって発
生する、赤外線範囲内の高エネルギー光パルスは、管表
面で吸収される。これは一部がきわめて薄い表面層の減
衰を生じる。この減衰パルスにより、管内のパルス維持
に基づいて超音波パルスが生じる。この超音波パルスは
管表面に対して垂直に管壁に入る。このようにして発生
した超音波パルスは管内部表面で反射し、外側表面に戻
り、新たに反射するので、減少する振幅の超音波エコー
列が測定物質内に生じる。反射した超音波パルスは管外
側表面にサブミニチュア範囲の振動を発生する。この振
動はドップラー効果を利用して連続光の第２のレーザに
よって非接触式に検出可能である。光周波数と比較して
低い周波数のＵＳ信号は、材料表面で反射した光の周波
数変調を生じる。

【００１２】超音波信号の“担体”である反射した円錐
状の光は、光度の強い集光レンズと光波導体を経て光学
的な復調器、共焦点のファブリ−ペロ−干渉計に供給さ
れる。この出力信号は既に超音波エコー列を含んでい
る。それ以上の増幅、ろ波および超音波エコー列の信号
評価は、“慣用の”超音波電子評価装置によって行われ
る。この超音波電子評価装置の出力信号は壁厚値であ
る。この壁厚値は装置に所属するコンピュータで更に処
理される。

【００１３】管壁のセグメントの本発明による走査によ
って、品質を下げる不所望な管横断面内の構造体が、最
少の測定技術的コストで検出可能である。例えばＳＲＷ
ラインで溶接されたルッペを使用する際に、位相の位置
を固定する多角形の穴（六角形または八角形）は点状の
レーザ−超音波−壁厚測定によって既に単チャンネルで
ある。すなわち、１個の測定ヘッドによって測定され、
それによって認識される。品質の改善のための手段を圧
延機経営者によってできるだけ早く講じることができ
る。

【００１４】本発明の実施形では、最大で４個の測定ヘ
ッドが管の周囲に分配配置され、少なくとも１個の測定
ヘッドが不所望な内部構造の予想されるオーダーに依存
して決定される角度セグメントにわたって、管の周方向
に揺動させられる。構造が重ねられて周方向に延びる際
（例えばアッセルルッペのストレッチレデュースの
際）、走査する３個だけの測定ヘッドによって（３点が
円を定める、そのうちの少なくとも１個が管周方向に揺
動可能である）、対称特性を利用して、７個以上の固定
された測定ヘッドで得られる管構造に関する情報と同じ
情報が得られる。揺動可能な測定ヘッドの場合または固
定された走査測定ヘッドまたは揺動可能な走査測定ヘッ
ドの組み合わせの場合、管横断面は数学的な分析（例え
ばフーリエ分析）、重ね合わせおよび対称性考察によっ
て再現される。

【００１５】本発明の他の特徴に従って、測定ヘッドの
揺動サイクルは好ましくは圧延速度に依存して定められ
る。例えば３０秒のオーダーの圧延時間の際、多角形の
形成を見えるようにするためには、ほぼ１０秒の周期の
比較的に長い揺動サイクルで充分である。

【００１６】管壁横断面の偏差を検出できるようにする
ために、測定ヘッドは電子評価装置に接続されている。
この電子評価装置は好ましくは測定装置に対して離して
電子切換え装置または測定キャビン内に保護されて配置
されている。測定装置には、ストレッチレデューサ圧延
機の近くのオペレータＰＣが所属する。

【００１７】慣用の電子評価装置では、超音波エコー列
の増幅、ろ波および信号評価が行われる。この超音波エ
コー列の出力信号は壁厚値であり、この壁厚値はコンピ
ュータで更に処理される。

【００１８】素管が傾斜圧延プロセスで製造され、スト
レッチレデュースされた管を測定するために、３個の測
定ヘッドが管の周囲に均一に分配配置され、かつ一緒に
約７０°だけ揺動可能である。冒頭に述べたように、こ
の管の場合にはストレッチレデューサ圧延機の背後で六
角形または多角形のほかに、一般的に周方向の延びる偏
心部が発生する。この偏心部は、１２０°をなして配置
され一緒に揺動する３個の測定ヘッドの場合、各々の角
度位置に対して、内部の偏心部が重ね合わされた多角形
に関係なく自由に決定できるように、３個すべての測定
ヘッドに影響を与えることができる。

【００１９】その代わりに、本発明の他の特徴によれ
ば、素管が傾斜圧延プロセスで製造され、ストレッチレ
デュースされた管を測定するために、４個の測定ヘッド
Ｌ１〜Ｌ４が管の周囲に均一に分配配置され、少なくと
も１個の測定ヘッドが約７０°だけ揺動可能である。こ
の場合、この少なくとも１個の測定ヘッドは偏心した壁
の延長状態を検出する。

【００２０】本発明による測定方法では、コンチ圧延ラ
インで粗圧延され、ストレッチレデュースされた管を測
定するために、３個または４個の測定ヘッドが管の外周
に分配配置され、少なくとも１個の測定ヘッドが約９０
°だけ揺動可能である。コンチ圧延の場合、四角形の形
成はストレッチレデューサ圧延機の六角形と、傾斜圧延
機の周方向の偏心部に重なる。この場合、ストレッチレ
デューサ圧延機の出口の四角形の位相位置を再び認識可
能である。最高で４個の測定ヘッド（そのうちの少なく
とも１個が揺動可能である）によって、そこで発生する
壁のすべての異常を検出および最終的に除去することが
できる。

【００２１】本発明による測定方法と測定装置は、エル
ハルドプッシュベンチ装置の場合にも適用可能である。
この場合、チャンネルの数と測定ヘッドの揺動角度を実
際の構造に適合させなければならない。

【００２２】本発明の効果は、少なくとも個別的に揺動
可能でレーザ−超音波方法で作動する測定ヘッドを使用
し、この測定ヘッドのうち揺動可能な測定ヘッドが管壁
の一部（セグメント）だけを検出することにより、比較
的に少ない測定ヘッド数でかつ圧延プロセスに関する事
前の知識を利用して、慣用の定置多チャンネル装置より
も多くの品質特徴を検出および利用することができるこ
とにある。これはかなりのコスト低減および経済的なプ
ロセスを生じることになる。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に、いろいろな概略図に基づい
て本発明を詳しく説明する。

【００２４】図１は、１個だけの測定ヘッドＬを備えた
装置を示している。この測定ヘッドは管２の中心の回転
点Ｘの回りに角度ψだけ位置Ｌ′へ揺動させられる。六
角形は最も薄い壁Ｓ_min と最も厚い壁Ｓ_max を示してい
る。多角形の形状は規則的である。なぜなら、外側円の
中心と多角形の中心が両中心線の交点Ｘにあるからで
る。図１には、六角形と、７０°のスキャナＬの揺動角
度が示してある。他の六角形の場合、図５に示すよう
に、管全体の横断面を再現できるようにするためには、
Ｓ_min からＳ_max までの３０°の揺動角度で充分であ
る。従って、７０°の角度は２倍の安全性を生じる。な
ぜなら、管の鏡像対称的な２つの区間を検出し、それに
よって比較することができ、測定結果の妥当性チェック
が容易に可能であるからである。

【００２５】オンラインで非接触式に高温壁の厚さを測
定するための本来の測定装置は、測定すべき管寸法に調
節可能な少なくとも１個のコンパクトなレーザ−超音波
−測定ヘッドＬ１からなっている。この測定ヘッド内に
は、管３の表面から反射し超音波信号を含む担体光を集
光するために、励起兼照射レーザ８が光学要素９（図４
参照）と共に収納され、図示していない揺動装置によっ
て、管３のセグメントにわたって周方向に揺動可能であ
る。その際、基本的には、揺動装置がどのような種類の
ものであるかはどうでもよく、管の周囲の定められたセ
グメントを検出できることだけが重要である。

【００２６】図２は内側六角形すなわち六角形穴４を有
する管３の横断面を示している。この六角形穴の中心Ｚ
は外円５の中心Ｙから距離Ｅだけ離れている。管のこの
偏心が周方向に延びる螺旋によって形成されるので、間
隔Ｅは管の縦方向において中心Ｙの周りに延び、それに
よって管３の最も薄い個所Ｓ_min と最も厚い個所Ｓ_{ma x}
（図１）も中心Ｙ周りに延びる。３個の測定ヘッドＬ１
〜Ｌ３は基本位置では、管の中心Ｙから等しい距離に、
管の周りに１２０°の角度をおいて分配されている。３
個のすべての測定ヘッドは同じ方向に往復運動して角度
ψだけ管の回りに揺動し、しかも測定ヘッドＬ１からＬ
１′に、Ｌ２からＬ２′に、Ｌ３からＬ３′に揺動す
る。測定ヘッドＬ１は例えば水平方向に示してあるがし
かし、その基本位置で、その揺動角度が内側多角形に対
して対称であるように調節可能である。例えば７０°の
揺動角度ψの場合、水平面に対して斜め下方に５°だけ
傾斜している。

【００２７】揺動可能な測定ヘッドＬ１〜Ｌ３は、圧延
中その角度基本位置または揺動角度ψが変化し得るとい
う利点を有する。図３の他の例で示すように、例えば測
定ヘッドＬ１〜Ｌ３はその基本位置で、図２の位置決め
から出発して、その揺動角度ψが部分的にオーバーラッ
プするように変更可能である。図３には、３個の測定ヘ
ッドＬ１〜Ｌ３が示してある。この測定ヘッドは基本位
置で７０°だけ互いにずらしてある。スキャナーがψ１
＝ψ２＝ψ３＝７０°だけ揺動すると、角度ψ２は二重
に走査され、しかも測定点が互いに所定のずれを有する
ように走査される。すなわち、単位面積あたりの測定点
の量を２倍または３倍にすることができる。すなわち、
運転中、制御する人がスキャナの角度位置を、普通の分
解能で測定する普通の位置と異なり、管の所定の長さで
測定ラスタを密にし、実際の管部分を拡大して表示する
ように調節すること（ルーペ機能）が考えられる。

【００２８】次に、図４の拡大図に基づいて、本発明の
原理を、単チェンネル型測定ヘッドを例にして説明す
る。

【００２９】測定装置は測定すべき管３の直径に調節可
能な測定ヘッドＬ１からなっている。この測定ヘッドに
は、現場に設けられた供給要素５（圧縮空気、冷却
水）、電気切換えハウス６およびＳＲＷの制御台７上の
オペレータＰＣが所属している。現場に設けられた測定
ヘッドＬ１と電気切換えハウス６と制御台７は大きく離
して設けることができる。基本的には、壁厚測定装置は
熱間圧延工場内の厳しい周囲条件に耐えるように設計さ
れている。

【００３０】水冷前面とガラス製の耐熱窓を有する特別
なケーシングを備えた測定ヘッドＬ１は実質的に、次に
説明する要素（公知であるので図示していない）を備え
ている。すなわち、フラッシュランプポンピングＮｄ：
ＹＡＧパルスレーザと集束レンズのヘッドと、コントロ
ーラを含むｃｗレーザを備えた検出分岐部と、赤外線フ
ィルタと、方向変換ミラーおよび方向変換プリズムを有
する拡大光学装置、管表面から散乱したＵＳ変調光を集
光するための高透過性結像レンズを備えた超音波励起分
岐部。

【００３１】更に、スタート／ストップ信号を生じるた
めの管入口を認識する、同様に図示していないセンサ装
置と、揺動装置と、半径の調節手段と、ロール中心に高
さ（間隔ｈ）を適合させる手段を備えた測定ヘッド調節
機構と、管直径変更の際の手動または全自動寸法合わせ
装置（間隔ｄ）と、サービスおよび測定位置のための機
械的なストッパーを備えた測定ヘッド移動装置（動力に
よる微動装置）、厚い多角形を形成する際にストレッチ
レデューサ圧延機の背後で測定軌道を最小壁と最大壁の
間で変化させることができるようにするために、すなわ
ち測定ヘッドを揺動させることができるようにするため
に、約３０°の角度セグメントだけ調節可能な角度調節
装置（角度ψ）、駆動装置を備えた動力による自動角度
調節装置を備えたｉ，ｄ，Ｒ、絶対値発信器および端位
置監視装置が、測定ヘッドＬの範囲に（図５参照）所属
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】１個の測定ヘッドを備えた本発明による装置を
示す図である。

【図２】六角形の穴を有する管の横断面を示す図であ
る。

【図３】３個の測定ヘッドを備えた本発明による装置を
示す図である。

【図４】本発明の原理を概略的に示す図である。

【図５】半径の調節手段と高さを圧延中心に合わせるた
めの調節手段を備えた測定ヘッド調節機構を概略的に示
す図である。

【符号の説明】

３ 管 Ｌ１〜Ｌ４ レーザ−超音波−測定ヘッド

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱間圧延された管、特にストレッチレデ
   ュースされた管の六角形穴等のような不所望な内壁構造
   を検出するための、非接触オンライン式高温壁厚測定方
   法において、レーザ−超音波方法によって、および少な
   くとも１個の測定ヘッドを用いて、圧延プロセス中また
   は圧延プロセスの直後の測定すべき管の壁のセグメント
   が周方向に走査され、場合によっては数学的な分析およ
   び対称性考察によって、管横断面の壁の延長状態がコン
   ピュータで再現され、周方向に揺動する複数の測定ヘッ
   ドを使用する際各々の測定ヘッドが管壁の他の割り当て
   部分を走査することを特徴とする高温壁厚測定方法。
2. 【請求項２】 最大で４個の測定ヘッドが管の周囲に分
   配配置され、少なくとも１個の測定ヘッドが不所望な内
   部構造の予想されるオーダーに依存して決定される角度
   セグメントにわたって、管の周方向に揺動させられるこ
   とを特徴とする請求項１記載の高温壁厚測定方法。
3. 【請求項３】 測定ヘッドの揺動サイクルが圧延速度に
   依存して定められることを特徴とする請求項１または２
   記載の高温壁厚測定方法。
4. 【請求項４】 熱間圧延された管、特にストレッチレデ
   ュースされた管の六角形穴等のような不所望な内壁構造
   を検出するための、非接触オンライン式高温壁厚測定装
   置において、測定すべき管寸法に調節可能な少なくとも
   １個のコンパクトなレーザ−超音波−測定ヘッド（Ｌ１
   〜Ｌ３）を備え、この測定ヘッド内に、管（３）の表面
   から反射した、超音波信号を含む担体光を集めるための
   光学的要素（９）と共に、励起兼照射レーザ（８）が収
   容され、測定ヘッドが揺動装置によって管（３）のセグ
   メントにわたって周方向に揺動可能であることを特徴と
   する高温壁厚測定装置。
5. 【請求項５】 １個のレーザ−超音波−測定ヘッドまた
   は複数のレーザ−超音波−測定ヘッド（Ｌ１〜Ｌ・・
   ・）が電子制御兼評価装置（６）に接続されていること
   を特徴とする請求項４記載の高温壁厚測定装置。
6. 【請求項６】 壁厚に対応する超音波評価の出力信号
   が、装置に所属するＰＣで更に処理されることを特徴と
   する請求項４または５記載の高温壁厚測定装置。
7. 【請求項７】 素管が傾斜圧延プロセスで製造され、ス
   トレッチレデュースされた管（３）を測定するために、
   ３個の測定ヘッド（Ｌ１〜Ｌ３）が管の周囲に均一に分
   配配置され、かつ一緒に約７０°だけ揺動可能であるこ
   とを特徴とする請求項４〜６のいずれか一つに記載の高
   温壁厚測定装置。
8. 【請求項８】 素管が傾斜圧延プロセスで製造され、ス
   トレッチレデュースされた管（３）を測定するために、
   ４個の測定ヘッド（Ｌ１〜Ｌ４）が管の周囲に均一に分
   配配置され、少なくとも１個の測定ヘッドが約７０°だ
   け揺動可能であることを特徴とする請求項４〜７のいず
   れか一つに記載の高温壁厚測定装置。
9. 【請求項９】 コンチ圧延ラインで粗圧延され、ストレ
   ッチレデュースされた管（３）を測定するために、３個
   または４個の測定ヘッド（Ｌ１〜Ｌ３またはＬ４）が管
   （３）の外周に分配配置され、少なくとも１個の測定ヘ
   ッドが約９０°だけ揺動可能であることを特徴とする請
   求項４〜８のいずれか一つに記載の高温壁厚測定装置。
10. 【請求項１０】 揺動可能な複数の測定ヘッド（Ｌ１〜
    Ｌ・・・）が配置され、その揺動角度（ψ）が部分的に
    オーバーラップすることを特徴とする請求項４〜９のい
    ずれか一つに記載の高温壁厚測定装置。