JP2003075410A - 鋼構造物を構成する鋼材の疲労損傷度診断方法および疲労損傷度診断システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＢＨＮ電圧パルス幅の新規な評価手法を疲労
損傷材に適用することによって、既設の鋼構造物の疲労
損傷度をスポットで診断可能とする。 【解決手段】 被測定物と同一鋼種の鋼材を試験片に用
いて、荷重の繰り返し回数がＮ＝０，Ｎf（破断回数）
及びＮ＝０〜Ｎfの間で所定の繰り返し回数で疲労させ
たそれぞれの試験片を励磁させ、試験片の励磁による磁
化変化を電圧波形として検出し、ＢＨノイズの電圧波形
から電圧パルス幅を求め、電圧パルス幅がＮに対して最
も大きく変化する励磁磁場を求め、電圧パルス幅と疲労
損傷度との相関関係を求め、被測定物を励磁し、磁化変
化を検出し、ＢＨノイズの電圧波形を抽出し、電圧パル
ス幅を求め、相関関係から被測定物の疲労損傷度を診断
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、主要構造部が鋼材
によって構成された建築物、橋梁、工作物などの鋼構造
物の疲労損傷度診断方法、および、疲労損傷度診断装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】建築物を構成している構造部材は、風、
地震等による揺れによって、程度の差はあるものの、建
設後から繰り返し荷重に伴う疲労損傷を受けている。ま
た橋梁等においては、通過車両による繰り返し振動によ
っても疲労損傷が進行している。疲労が累積した鋼材や
溶接部は、大地震等による突然の大きな荷重負荷に対し
て破壊し易く、疲労損傷度の診断は鋼構造物の安全性を
確認していく上で必要と考えられている。

【０００３】現状では、構造物に発生する歪みの程度を
予め構造計算等で求めた上で耐用年数を推定する方法
や、疲労損傷に起因する亀裂をカラーチェック等によっ
て主として目視で行う検査が実施されている。しかしな
がら、これらの方法では、設計から外れた異常荷重によ
る累積疲労が捉えられなかったり、亀裂がある程度まで
進展しないと検出されにくいことから、既に致命的な亀
裂が発生していて補修等の対策が手遅れになる危険性が
あった。このため、亀裂が致命的なレベルに進展する前
に鋼材の疲労損傷度を非破壊で診断できる技術が望まれ
ている。

【０００４】繰り返し応力あるいは歪に起因して生じる
亀裂発生を事前に非破壊的に検出する手法として、磁化
の不連続性に起因するバルクハウゼンノイズ（以下、Ｂ
ＨＮと記す）を用いた方法が注目されている。L.P. Kar
jalainenらは、軟鋼から検出されるＢＨＮの波高電圧値
が繰り返し荷重に対して変化することを見出し、破断直
前に電圧値が急激に増加するとの報告を行った（L.P. K
arjalainenら、IEEE Trans. Mag. MAG-16, 514(198
0)）。

【０００５】また、本発明者らは特開平10-253595号公
報にＢＨＮを利用して精度の高い疲労診断を行う方法と
して、鋼材表面の特定位置に磁気ヘッドを固定する方法
を開示した。しかしこれらの方法は、疲労劣化前の敷設
直後から連続的にモニタリングしなければならず、既に
疲労劣化している既設構造物には適用できない。

【０００６】特開平5-249081号公報では、ＢＨＮを２分
割してそれぞれの部分の実効値電圧から材料組織を評価
する方法が示されている。しかし、特開平5-249081号公
報の方法は、結晶粒径や介在物粒径を測定するものであ
って、疲労損傷度を診断するものではない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上の様な理由で、従
来技術には既設の鋼構造物の疲労損傷度をスポットで診
断する方法は無かった。本発明はＢＨＮ電圧パルス幅の
新規な評価手法を疲労損傷材に適用することによって、
既設の鋼構造物の疲労損傷度をスポットで診断可能とす
る診断方法、および、診断システムを提供するものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述の目標を達成するた
めに、本発明は以下の態様を要旨とする。 （１）鋼構造物を構成する鋼材から検出されるＢＨＮか
ら疲労損傷度を診断する方法であって、被測定物と同一
鋼種の鋼材を試験片に用いて、荷重の繰り返し回数がＮ
＝０，Ｎf（破断回数）、および、Ｎ＝０〜Ｎfの間で少
なくとも１条件の繰り返し回数で疲労させたそれぞれの
試験片を励磁部で励磁させるステップ、該試験片の励磁
による磁化変化を検出部に誘起される電圧波形として検
出するステップ、該電圧波形から周波数フィルタリング
でＢＨＮの電圧波形を抽出するステップ、該ＢＨＮの電
圧波形を電圧−時間領域に示した後にＢＨＮの電圧パル
ス幅を求めるステップ、その際にＢＨＮの電圧パルス幅
が前記Ｎに対して最も大きく変化する励磁磁場を求める
ステップ、さらに前記測定励磁磁場で測定したＢＨＮの
電圧パルス幅と疲労損傷度との相関関係を求めるステッ
プ、引き続き、被測定物を励磁磁場で励磁するステッ
プ、該被測定物の励磁による磁化変化を検出部に誘起さ
れる電圧波形として検出するステップ、該電圧波形から
周波数フィルタリングでＢＨＮの電圧波形を抽出するス
テップ、該ＢＨＮの電圧波形を電圧−時間領域に示した
後に前記測定励磁磁場におけるＢＨＮの電圧パルス幅を
求めるステップ、該ＢＨＮの電圧パルス幅から前記相関
関係を用いて被測定物の疲労損傷度を診断するステッ
プ、を含むことを特徴とする鋼構造物を構成する鋼材の
疲労損傷度診断方法。

【０００９】（２）前記ＢＨＮの電圧パルス幅を規定す
るステップが、該ＢＨＮの電圧波形を電圧−時間領域に
示した後に電圧が０となるゼロクロス時刻Ｔ_iを求める
ステップと、隣り合う時刻Ｔ_iとＴ_i+1の差分Ｔ_i+1−Ｔ_i
を前記ＢＨＮの電圧パルス幅として規定するステップを
含むことを特徴とする請求項１に記載の鋼構造物を構成
する鋼材の疲労損傷度診断方法。

【００１０】（３）前記疲労損傷度を応力拡大係数幅Δ
Ｋで規定することを特徴とする前記（１），（２）に記
載の鋼構造物を構成する鋼材の疲労損傷度診断方法。

【００１１】（４）鋼構造物を構成する鋼材から検出さ
れるＢＨＮから疲労損傷度診断するシステムであって、
被測定物または被測定物と同一鋼種の鋼材を励磁するた
めの励磁部と、該被測定物または該被測定物と同一鋼種
の鋼材の励磁による磁化変化を電圧波形として検出する
検出部と、該検出電圧波形からＢＨＮの電圧波形を抽出
する周波数フィルタリング部と、該ＢＨＮの電圧波形か
らＢＨＮの電圧パルス幅を求める演算部と、前記被測定
物と同一鋼種の鋼材の前記ＢＨＮの電圧パルス幅と疲労
損傷度との関係を示す検量線を作成し、該検量線を記憶
させた記憶部と、前記被測定物の前記ＢＨＮの電圧パル
ス幅と、前記記憶部に記憶されている前記検量線とから
前記被測定物の疲労損傷度を診断する診断部と、を含む
ことを特徴とする鋼構造物を構成する鋼材の疲労損傷度
診断システム。

【００１２】（５）前記演算部において、前記ＢＨＮの
電圧波形の電圧が０となるゼロクロス時刻Ｔ_iを求め、
少なくとも２つ以上の隣り合う時刻Ｔ_iとＴ_i+1の差分Ｔ
_i+1−Ｔ _iから差分の平均値を求めて、該平均値を前記Ｂ
ＨＮの電圧パルス幅の代表値とすることを特徴とする前
記（４）に記載の鋼構造物を構成する鋼材の疲労損傷度
診断システム。

【００１３】（６）前記疲労損傷度を応力拡大係数幅Δ
Ｋで規定することを特徴とする前記（４），（５）に記
載の鋼構造物を構成する鋼材の疲労損傷度診断システ
ム。

【００１４】

【発明の実施の形態】ＢＨＮ電圧波形は、被測定物の磁
化反転過程で検出コイル等に誘起される比較的高い周波
数の電圧波形である。図１にＢＨＮ電圧波形を電圧−時
間領域に示した一例を示す。ＢＨＮ電圧波形は正と負の
電圧の極性である複数の山形形状の波形から構成されて
おり、ＢＨＮ電圧パルス幅は山形形状の個々の波形にお
ける時間幅を指す。

【００１５】本発明者らは、ＢＨＮ電圧パルス幅をパラ
メータに用いることによって初めて、ＢＨＮ電圧パルス
幅が疲労損傷度に対して大きく変化する磁化反転中の特
定領域が存在することを見出した。従来のＢＨＮ電圧波
形の電圧値をパラメータに用いた方法では、この様な磁
化反転の特定領域を見つけることは出来なかった。ＢＨ
Ｎ電圧パルス幅が疲労損傷度に対して大きく変化する磁
化反転中の特定領域は鋼種によって異なり、磁化反転が
励磁磁場の変化によって進行するため、鋼種毎に測定励
磁磁場の決定が必要であることが種々の鋼種を用いた実
験で明らかになった。

【００１６】すなわち、この測定励磁磁場においてＢＨ
Ｎ電圧パルス幅と疲労損傷度の関係を示す検量線を作成
することによって、既設の鋼構造物の疲労損傷度診断が
可能となる。以下にこれらの手順について記述する。

【００１７】まず、被測定物と同一鋼種で異なる疲労損
傷度の試験片を作製し、それぞれの試験片を励磁して励
磁磁場とＢＨＮ電圧パルス幅の関係を求める。試験片の
疲労損傷度の種類としては、荷重の繰り返し回数Ｎが０
と破断回数Ｎf、および、０〜Ｎfの間で少なくとも１つ
の条件の繰り返し回数があれば前記検量線の作成が可能
である。少なくともこれらの条件が実施されれば磁化反
転中の特定領域の決定が可能となる。

【００１８】さらに特定領域の位置の精度を上げるため
には、できるだけ０〜Ｎfの間の疲労損傷度の種類を多
くするのが望ましい。これらの試験片を用いた実験か
ら、各疲労損傷度における励磁磁場とＢＨＮ電圧パルス
幅の関係が求められ、ＢＨＮ電圧パルス幅が前記Ｎに対
して最も変化する励磁磁場が測定励磁磁場と決定され
る。

【００１９】測定励磁磁場が決定されたら、次にＢＨＮ
電圧パルス幅と疲労損傷度の間の関係を示す検量線を作
成する。本発明者らは、応力拡大係数幅ΔＫがＢＨＮ電
圧パルス幅と一義的な相関関係を持ち、疲労損傷度を表
わすパラメータとして適用できることを見出した。応力
拡大係数幅ΔＫは亀裂寸法２Ｌと応力振幅Δσから定義
され、通常Δσ×（π×Ｌ）^0.5で記述される。このΔ
Ｋは、表面に発生した亀裂の寸法と、応力条件から計算
することができる。様々な荷重で疲労試験を行って、測
定した応力拡大係数幅ΔＫとＢＨＮ電圧パルス幅の相関
関係を求めて検量線を作成する。ここで、本発明者ら
は、本発明で得られるＢＨＮ電圧パルス幅は疲労試験の
荷重には関わらず応力拡大係数幅ΔＫと一義的な関係に
あり、その相関関係は１本の曲線で表わされることを新
たに見出した。このため、この検量線を用いれば既設構
造物において繰り返し荷重の大きさが未知であっても、
被測定物のＢＨＮ電圧パルス幅は応力拡大係数幅へ換算
が可能である。

【００２０】従来から、応力拡大係数幅ΔKと亀裂進展
速度da/dNの間には図２に示す相関関係があることが知
られており、亀裂進展段階はStageI〜IIIで定義されて
いる。この図の中でStageIの領域は微小亀裂が発生する
段階、StageIIは微小亀裂が亀裂進展する段階、StageII
Iは破断に向けて亀裂進展速度が急激に増大する段階を
示している。

【００２１】これらのことから、ＢＨＮ電圧パルス幅か
ら応力拡大係数幅ΔＫが求まれば、現時点における亀裂
進展段階が診断できる。検量線は鋼種によって異なるた
め、鋼種毎に検量線を求める必要がある。求められた検
量線は診断部のコンピュータに記録しておき、鋼種とＢ
ＨＮ電圧パルス幅が入力され次第、即座に疲労損傷度が
求められるようにすると現場での効率の良い診断作業が
実現できる。

【００２２】次に、被測定物のＢＨＮ電圧パルス幅の測
定方法について詳細を記述する。ＢＨＮ電圧波形を測定
するために外部から磁場を印加させ、磁場を変化させる
方法によって被測定物の測定すべき局部領域を磁化反転
させる。外部から磁場を印加する具体的な手段として
は、励磁コイルの中に被測定物を配置したり、励磁コア
に励磁コイルを巻きつけた励磁ヘッドを被測定物に当て
て励磁コイルに電流を流す。

【００２３】そして、励磁コイルに流す電流値を変化さ
せて印加する磁場を変化させる。高い精度でＢＨＮ電圧
パルス幅を測定するために、励磁磁場の時間変化率は比
較的低くする。励磁磁場の変化が速すぎると、ＢＨＮ電
圧パルスが重なり合ってパルス幅を正確に測定すること
が出来なくなる。

【００２４】また、遅すぎるとＢＨＮ電圧パルスの電圧
値が小さくなるため外乱ノイズの影響を受けやすくな
る。したがって、前記測定励磁磁場を求めたり、被測定
物の疲労損傷度を診断する際の磁場の時間変化率は10^-8
〜数十Oe/ms程度が望ましい。

【００２５】ここで、被測定物の疲労損傷度を診断する
際のＢＨＮ測定における励磁磁場条件について記述す
る。励磁磁場は試験片を用いた実験により予め決定して
おいた測定励磁磁場を含んでいれば良い。通常、測定励
磁磁場の磁場範囲は数mOe〜数Oe程度であり、磁場の時
間変化率が10^-8〜数十Oe/ms程度であるので、この磁場
範囲でのＢＨＮ電圧波形の測定に要する時間は数ms〜数
秒間のごく短い時間である。被測定物を一端飽和磁化状
態にする必要がある場合には、該測定励磁磁場以外では
励磁磁場は数百Oe/s程度の高速で変化させ、測定励磁磁
場の磁場範囲のみ磁場の時間変化率を10^-8〜数十Oe/ms
程度にすればよい。

【００２６】次に、磁場の変化に伴って変化する磁化変
化を検出部に誘起されるＢＨＮ電圧波形として検出す
る。検出部としては検出コイルや軟磁性体のコアに検出
コイルを巻き付けた検出ヘッドを用い、検出コイルの中
に被測定物を配置させる、あるいは、検出ヘッドを被測
定物に当てる。特に、診断しようとする部位に検出コイ
ルを当てると、その領域からのみのＢＨＮが得られるた
め、高い精度の測定が効率よく実施できる。検出部に誘
起される電圧波形は、励磁磁場の周波数とほぼ同じ周波
数の電圧波形に高い周波数のＢＨＮ電圧波形が重畳した
状態である。したがって、その中からハイパスフィルタ
ーとローパスフィルターを組み合わせた周波数フィルタ
リング部でＢＨＮ電圧波形を取り出す。フィルター条件
は励磁磁場の時間に対する変化率と、鋼種によって異な
るが、通常ハイパスフィルターの周波数は数十Hz〜数十
kHz、ローパスフィルターの周波数は数kHz〜数MHz程度
の条件である。

【００２７】ここで、ＢＨＮ電圧波形の電圧値は数μV
と小さいので、予め低ノイズ型の電圧増幅器で電圧増幅
することが望ましい。フィルタリング部のノイズの影響
を小さくできるため、電圧増幅はフィルタリングの前に
行うことが望ましい。

【００２８】ＢＨＮ電圧波形からＢＨＮ電圧パルス幅を
求める解析は、ＢＨＮ電圧波形を図１のように電圧−時
間領域に示した後に実施する。ＢＨＮ電圧波形において
電圧が０となるゼロクロス時刻Ｔ_iを検出し、隣り合っ
た時刻Ｔ_iとＴ_i+1の差分Ｔ_i+1−Ｔ_iをＢＨＮ電圧パルス
幅とするものである。例えば図１の第３パルス波形は２
つのパルスから構成されているが、電圧が０である時間
軸を横切ったゼロクロス時刻Ｔ₃とＴ₄に着目し、ＢＨＮ
パルス幅はその差分であるＴ₄−Ｔ₃とする。全体の発生
時間をピーク数で割ってＢＨＮパルス幅とする従来の方
法（例えば第３パルスを例に取ると差分Ｔ₄−Ｔ₃を波形
のピーク数２で割った値をＢＨＮパルス幅とする）で
は、得られたＢＨＮパルス幅と疲労損傷度の間の相関が
極めて低い。

【００２９】本発明者らは、ゼロクロス時刻の差分から
求めた値をＢＨＮ電圧パルス幅とすることによって、こ
のＢＨＮ電圧パルス幅が疲労損傷度と強い相関を持ち、
この相関関係を用いることによってＢＨＮ電圧パルス幅
から疲労損傷度を診断できることを見出し、本発明を完
成するに至ったものである。

【００３０】ここでＢＨＮ電圧波形が図３に示す様な離
散的に発生する電圧パルスから構成される場合の取り扱
いを記す。時刻Ｔ_iとＴ_i+1の間の電圧が０の場合、そこ
にはＢＨＮ電圧パルスが存在しないものと考える。した
がって、Ｔ₁とＴ₂の間には第一のＢＨＮ電圧パルスが存
在してＢＨＮ電圧パルス幅はＴ₂−Ｔ₁とし、Ｔ₂とＴ₃の
間は電圧が０なのでＢＨＮ電圧パルスは存在しないもの
とする。そして、Ｔ₃とＴ₄の間には第二の電圧パルスが
存在するため、第二のＢＨＮ電圧パルス幅はＴ₄−Ｔ₃と
する。

【００３１】上記に示したＢＨＮ電圧波形の解析は、ア
ルゴリズムをプログラミングした演算部で行われる。例
えば、ＢＨＮ電圧波形をＡＤ変換等でデジタルデータ化
して、演算部としてコンピュータを用いれば効率的に解
析を実施できる。この場合、ＢＨＮ電圧波形が電圧０と
なるゼロクロス時刻は図４に示したように離散的なデー
タ点の間を補完して求めればよい。

【００３２】本発明のＢＨＮの電圧パルス幅の測定方法
を実施するのに当たって、測定システムの一例を図５に
示した。磁気ヘッド１は励磁ヘッド１１と検出コイル１
２から構成されており、励磁ヘッド１１は珪素鋼板製の
Ｕ型コアに励磁コイルを巻いたものであり、検出コイル
１２は空心コイルである。検出コイル１２は励磁コアの
両脚の間に固定配置され、励磁に伴い強磁性体内の磁化
変化を電圧波形として捉えられるようにしてある。この
磁気ヘッド１を強磁性体である被測定物の表面上に当て
て、検出コイルの位置の磁化変化を検出する。

【００３３】励磁は磁場の変化率が数十Oe/ms〜10^-8Oe/
msの内、所定値で一定になるように励磁コイルに流れる
電流を波形発生装置２と電力増幅装置３で制御して行
う。ここで、鋼種を決定すると予め求められている測定
励磁磁場条件と検量線が選択されるようになっている。

【００３４】検出コイルに誘起された電圧波形は低ノイ
ズ型の電圧増幅装置４で昇圧された後、周波数フィルタ
ー装置５によってローパス、ハイパスカット処理が施さ
れる。フィルタリングによって得られたＢＨＮ電圧波形
はデジタルオシロスコープ６でデジタルデータに変換さ
れる。そして、ＧＰ−ＩＢ等で演算部として設けられた
コンピュータ７へ該データは送られ、専用のプログラム
によってＢＨＮ電圧パルス幅を求める解析が行われる。
解析は測定と同時にリアルタイムで行っても良いし、Ｂ
ＨＮ波形データをメモリに記憶させた後、まとめて行う
ことも可能である。そして、同コンピュータの記憶部に
は鋼種毎の検量線が入力されており、ＢＨＮ電圧パルス
幅が求まり次第、診断部によって疲労損傷度が診断さ
れ、その結果がインジケータ等で表示されるようになっ
ている。

【００３５】

【実施例】以下、いくつかの実施例をもって本発明を詳
細に説明する。

【００３６】（実施例１）一般構造用鋼において、繰り
返し荷重を負荷させた場合の疲労損傷度とＢＨＮ電圧パ
ルス幅の間の相関を調べる実験を行った。用いた鋼材は
Ｃ量が０．１３ｗｔ％の成分系で、フェライト−パーラ
イト組織を有するものである。

【００３７】まず、ＢＨＮ電圧パルス幅が疲労損傷度の
進展に対して大きく変化する磁化反転中の特定領域を求
める実験を行った。用意した疲労試験片の形状は通常の
砂時計型であり、試験片の中央部分で表面観察による疲
労損傷度の評価と、ＢＨＮ測定を行った。疲労試験は試
験片の長手方向へ圧縮引っ張り荷重を繰り返し負荷させ
て行った。荷重の大きさは応力にして±２９０ＭＰａで
あり、この荷重条件ではＮfは１２万回であり、この際
には数ｍｍ程度の目視亀裂が発生した。繰り返し回数Ｎ
が０、１２万回、および、２万、６万、１０万回の疲労
損傷度が異なる試験片を作製し、この異なる繰り返し回
数Ｎの試験片において、磁化反転中においてＢＨＮ電圧
パルス幅を測定する測定励磁磁場とＢＨＮ電圧パルス幅
の関係を調べた。

【００３８】使用したＢＨＮ診断システムは図５に示し
たものである。励磁速度は磁場の変化率で２×１０^-4Oe
/ms一定であり、励磁磁場は被測定物の磁化が飽和した
状態から磁化反転によって逆方向に飽和するまでの間変
化させた。周波数フィルタリング条件としてはローパス
周波数は１００kHz、ハイパス周波数は５００Hzとし
た。磁気ヘッドを試験片の最も疲労損傷が進んでいる中
央部へ押し当ててＢＨＮを測定し、ＢＨＮ波形が電圧０
であるゼロクロス時刻から個々のＢＨＮ電圧パルス幅を
求めた。

【００３９】励磁磁場とＢＨＮ電圧パルス幅の関係を図
６に示す。その結果、ＢＨＮ電圧パルス幅が疲労損傷度
に対して最も大きく変化した励磁磁場は磁化反転開始直
後の磁場Ｈ１であり、励磁磁場Ｈ１ではＢＨＮ電圧パル
ス幅は繰り返し回数Ｎが増えて疲労損傷度が増加するほ
ど高い値を示した。一方、保磁力から磁化反転終了まで
の励磁磁場では、ＢＨＮ電圧パルス幅は疲労損傷度の変
化に対してほとんど変化しなかった。したがって、この
鋼種の測定励磁磁場は磁場Ｈ１と決定した。

【００４０】次に、この鋼種で色々な荷重で疲労試験を
行い、応力拡大係数幅ΔＫと磁場Ｈ１で測定したＢＨＮ
電圧パルス幅の関係を示す検量線を作成した。応力拡大
係数幅ΔＫは試験片に発生した微小亀裂の大きさと応力
振幅から求めた。さらに、図２に示したような応力拡大
係数幅ΔＫと亀裂進展速度の相関図を作成して、亀裂進
展段階の程度を表わすStageI〜IIIに段階分けした。Ｂ
ＨＮ測定を行う際の励磁速度や周波数フィルタリング条
件は上記と同じであるが、ＢＨＮ電圧波形の検出は励磁
磁場がＨ１から１２．８mOe（６４ms間）の間に行い、
この間のＢＨＮ電圧パルス幅の平均値を求めた。

【００４１】図７に応力拡大係数幅ΔＫとＢＨＮ電圧パ
ルス幅の関係を示す。測定のばらつきは点線の領域で示
した。また図中には亀裂進展段階StageI〜IIIの領域を
示した。ＢＨＮ電圧パルス幅は疲労損傷度の進展に伴い
大きく変化することが確認できた。荷重条件を変えて同
様な相関関係を求めた場合でも、荷重条件が変わっても
ＢＨＮ電圧パルス幅は応力拡大係数幅ΔＫと一義的な相
関を有し、図７とほぼ同様な関係が得られた。

【００４２】これらのことから、本発明のＢＨＮ電圧パ
ルス幅を疲労損傷材で測定することにより、ＢＨＮ電圧
パルス幅が疲労損傷度に対して大きく変化し、荷重条件
によらず鋼構造物を構成する鋼材の疲労損傷度を診断で
きることが明らかになった。

【００４３】上述と同一鋼種の鋼材で構成されているモ
デル鋼構造物を４種類建造し、繰り返し荷重を負荷し疲
労損傷させて上述と同じ本発明の診断システムを用いて
疲労損傷度の診断を行った。ここで、測定励磁磁場はＨ
１であり、測定時間は６４msであった。ＢＨＮ電圧パル
ス幅を求めた後に、応力拡大係数幅ΔＫと亀裂進展段階
を図７の検量線を用いて診断した。また、歪みゲージで
測定した応力振幅と詳細な表面観察から求めた微小亀裂
長さから別途、応力拡大係数幅ΔＫと亀裂進展段階を求
めた。その結果を表１にまとめる。

【００４４】

【表１】

【００４５】表１から本発明の方法および診断システム
を用いると、既設の鋼構造物においてもスポットで疲労
損傷度が診断できることがわかった。従来のＢＨＮ波形
の実効値電圧を利用した方法でスポット的な診断を試み
たが、電圧値から疲労損傷度を一義的に決めることが出
来なかったため、既設構造物の疲労損傷度を診断できな
かった。

【００４６】以上に示した様に、本発明の方法および診
断システムを利用すると、従来法では不可能であった既
設の鋼構造物の疲労損傷度の非破壊診断が正確かつ迅速
に行えることがわかった。

【００４７】（実施例２）高強度鋼の溶接ＨＡＺ部にお
いて、繰り返し荷重を負荷させた場合の疲労損傷度とＢ
ＨＮ電圧パルス幅の間の相関を調べる実験を行った。用
いた鋼材はＣ量が０．０５ｗｔ％の成分系で、ＨＡＺ部
はベイナイト組織を有するものである。

【００４８】まず、ＢＨＮ電圧パルス幅が疲労損傷度の
進展に対して大きく変化する磁化反転中の特定領域を求
める実験を行った。用意した疲労試験片の形状は通常の
砂時計型であり、中央部分で表面観察による疲労損傷度
の評価と、ＢＨＮ測定を行った。疲労試験は試験片の長
手方向へ圧縮引っ張り荷重を繰り返し負荷させて行っ
た。荷重の大きさは応力にして±３８０ＭＰａであり、
この荷重条件ではＮfは１２万回であり、この際には数
ｍｍ程度の目視亀裂が発生した。繰り返し回数Ｎが０、
１２万回、および、４万、６万、１０万回の疲労損傷度
が異なる試験片を作製し、この異なる繰り返し回数Ｎの
試験片において、磁化反転途中においてＢＨＮ電圧パル
ス幅を測定する測定励磁磁場とＢＨＮ電圧パルス幅の関
係を調べた。

【００４９】使用したＢＨＮ診断システムは図５に示し
たものである。励磁条件は磁場の変化率で１×１０^-4Oe
/ms一定であり、励磁磁場は被測定物の磁化が飽和した
状態から磁化反転によって逆方向に飽和するまでの間変
化させた。周波数フィルタリング条件としてはローパス
周波数が２５０kHz、ハイパス周波数が５００Hzとし
た。磁気ヘッドを疲労試験片の最も疲労損傷が進んでい
る中央部へ押し当ててＢＨＮを測定し、ＢＨＮ波形が電
圧０であるゼロクロス時刻から個々のＢＨＮ電圧パルス
幅を求めた。励磁磁場とＢＨＮ電圧パルス幅の関係を図
８に示した。その結果、ＢＨＮ電圧パルス幅が疲労損傷
度に対して最も大きく変化した励磁磁場は磁化反転中期
の磁場Ｈ２であり、励磁磁場Ｈ２では電圧パルス幅は繰
り返し回数Ｎが増えて疲労損傷度が増加するほど高い値
を示した。このことから、この鋼種の測定励磁磁場は磁
場Ｈ２と決定した。

【００５０】次に、この鋼種のＨＡＺ部で色々な荷重で
疲労試験を行い、応力拡大係数幅ΔＫと磁場Ｈ２で測定
したＢＨＮ電圧パルス幅の関係を示す検量線を作成し
た。応力拡大係数幅ΔＫは試験片に発生した微小亀裂の
大きさと応力振幅から求めた。

【００５１】さらに、図２に示したような応力拡大係数
幅ΔＫと亀裂進展速度の相関図を作製して、亀裂進展段
階の程度を表わすStageI〜IIIに段階分けした。ＢＨＮ
測定を行う際の励磁速度や周波数フィルタリング条件は
上記と同じであるが、ＢＨＮ電圧波形の検出は励磁磁場
がＨ２から１mOe（１０ms間）の間に行い、この間のＢ
ＨＮ電圧パルス幅の平均値を求めた。

【００５２】図９には応力拡大係数幅ΔＫと電圧パルス
幅の関係を示す。測定のばらつきは点線の領域で示し
た。また図中には亀裂進展段階StageI〜IIIの領域を示
した。この鋼種のＨＡＺ部においてＢＨＮ電圧パルス幅
は疲労損傷度の進展に伴い大きく変化することが確認で
きた。荷重条件を変えて同様な相関関係を求めた場合で
も、ＢＨＮ電圧パルス幅は応力拡大係数幅ΔＫと一義的
な相関を有し、図９とほぼ同様な関係が得られた。

【００５３】これらのことから、本発明のＢＨＮ電圧パ
ルス幅を疲労損傷材で測定することによって、ＢＨＮ電
圧パルス幅が疲労損傷度に対して大きく変化し、荷重条
件によらず鋼構造物を構成する鋼材の疲労損傷度を診断
できることが明らかになった。

【００５４】上述と同一鋼種の鋼材で構成されているモ
デル鋼構造物を４種類建造し、繰り返し疲労で溶接部を
疲労させて、上述と同じ本発明の診断システムを用いて
溶接ＨＡＺ部の疲労損傷度の診断を行った。ここで測定
励磁磁場はＨ２であり、測定時間は１０msであった。Ｂ
ＨＮ電圧パルス幅を求めた後に、応力拡大係数幅ΔＫと
亀裂進展段階を図９の検量線を用いて診断した。また、
歪みゲージで測定した応力振幅と詳細な表面観察から求
めた微小亀裂長さから別途、応力拡大係数幅ΔＫと亀裂
進展段階を求めた。その結果を表２にまとめる。

【００５５】

【表２】

【００５６】表２から本発明の方法および診断システム
を用いると、既設の鋼構造物においてもスポットで溶接
ＨＡＺ部の疲労損傷度が診断できることがわかった。従
来のＢＨＮ波形の実効値電圧を利用した方法でスポット
的な診断を試みたが、電圧値から疲労損傷度を一義的に
決めることが出来なかったため、既設構造物の疲労損傷
度を診断できなかった。

【００５７】以上に示した様に、本発明の方法および診
断システムを利用すると、従来法では不可能であった既
設の鋼構造物の疲労損傷度の非破壊診断が正確かつ迅速
に行えることがわかった。

【００５８】

【発明の効果】本発明は、鋼材の磁化反転中の特定領域
の励磁磁場におけるＢＨＮの電圧パルス幅が疲労損傷度
に強い相関を有することを利用して、鋼材の疲労損傷度
を診断する方法、および、診断システムである。本発明
によるＢＨＮ電圧パルス幅を用いた疲労損傷度診断方法
およびそのシステムを用いれば、既設の鋼構造物の疲労
損傷度を求めることが可能となり、測定時間が極めて短
いため、効率的な診断作業が実施できる。したがって、
敷設から時間が経過して高い疲労損傷度を有し、破壊の
危機に晒されている鋼構造物を確実に検出でき、補修等
の対策を早急に実施出来るようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法で測定したＢＨＮ電圧波形の電圧
パルス幅の一例を示す特性図である。

【図２】応力拡大係数幅と亀裂進展速度の相関図から求
められた疲労損傷度StageI〜IIIの領域を示す特性図で
ある。

【図３】ＢＨＮ波形データが離散的な場合のゼロクロス
点Ｔiの決定方法の一例を示す特性図である。

【図４】本発明の方法で測定したＢＨＮ電圧波形の電圧
パルス幅の一例を示す特性図である。

【図５】本発明の方法を実施するための測定システムの
一例を示す模式図である。

【図６】一般構造用鋼の励磁磁場とＢＨＮ電圧パルス幅
の関係を示す相関図である。

【図７】一般構造用鋼の疲労損傷度とＢＨＮ電圧波形の
電圧パルス幅の関係を示す相関図である。

【図８】高強度鋼の溶接ＨＡＺ部の励磁磁場とＢＨＮ電
圧パルス幅の関係を示す相関図である。

【図９】高強度鋼の溶接ＨＡＺ部の疲労損傷度とＢＨＮ
電圧波形の電圧パルス幅の関係を示す相関図である。

【符号の説明】

１ 磁気ヘッド ２ 波形発生装置 ３ 電力増幅装置 ４ 電圧増幅装置 ５ 周波数フィルター装置 ６ デジタルオシロスコープ ７ コンピュータ １１ 励磁ヘッド １２ 検出コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G050 AA01 BA12 CA10 DA01 EB02 EC01 EC05 2G053 AA14 AB20 BA21 BC05 CB21

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼構造物を構成する鋼材から検出される
   バルクハウゼンノイズにより疲労損傷度を診断する方法
   であって、 被測定物と同一鋼種の鋼材を試験片に用いて、荷重の繰
   り返し回数がＮ＝０，Ｎf（破断回数）、および、Ｎ＝
   ０〜Ｎfの間で少なくとも１条件の繰り返し回数で疲労
   させたそれぞれの試験片を励磁部で励磁させるステップ
   と、 前記試験片の励磁による磁化変化を検出部に誘起される
   電圧波形として検出するステップと、 前記電圧波形から周波数フィルタリングでバルクハウゼ
   ンノイズの電圧波形を抽出するステップと、 該バルクハウゼンノイズの電圧波形を電圧−時間領域に
   示した後にバルクハウゼンノイズの電圧パルス幅を求め
   るステップと、 その際にバルクハウゼンノイズの電圧パルス幅が前記Ｎ
   に対して最も大きく変化する励磁磁場を求めるステップ
   と、 さらに前記測定励磁磁場で測定したバルクハウゼンノイ
   ズの電圧パルス幅と疲労損傷度との相関関係を求めるス
   テップと、 引き続き、前記被測定物を励磁磁場で励磁するステップ
   と、 前記被測定物の励磁による磁化変化を検出部に誘起され
   る電圧波形として検出するステップと、 該電圧波形から周波数フィルタリングでバルクハウゼン
   ノイズの電圧波形を抽出するステップと、 該バルクハウゼンノイズの電圧波形を電圧−時間領域に
   示した後に前記測定励磁磁場におけるバルクハウゼンノ
   イズの電圧パルス幅を求めるステップと、 該バルクハウゼンノイズの電圧パルス幅から前記相関関
   係を用いて前記被測定物の疲労損傷度を診断するステッ
   プとを含むことを特徴とする鋼構造物を構成する鋼材の
   疲労損傷度診断方法。
2. 【請求項２】 前記バルクハウゼンノイズの電圧パルス
   幅を規定するステップが、 該バルクハウゼンノイズの電圧波形を電圧−時間領域に
   示した後に電圧が０となるゼロクロス時刻Ｔ_iを求める
   ステップと、 隣り合う時刻Ｔ_iとＴ_i+1の差分Ｔ_i+1−Ｔ_iを前記バルク
   ハウゼンノイズの電圧パルス幅として規定するステップ
   とを含むことを特徴とする請求項１に記載の鋼構造物を
   構成する鋼材の疲労損傷度診断方法。
3. 【請求項３】 前記疲労損傷度を応力拡大係数幅ΔＫで
   規定することを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼構
   造物を構成する鋼材の疲労損傷度診断方法。
4. 【請求項４】 鋼構造物を構成する鋼材から検出される
   バルクハウゼンノイズにより疲労損傷度診断するシステ
   ムであって、 被測定物または被測定物と同一鋼種の鋼材を励磁するた
   めの励磁部と、 該被測定物または該被測定物と同一鋼種の鋼材の励磁に
   よる磁化変化を電圧波形として検出する検出部と、 該検出電圧波形からバルクハウゼンノイズの電圧波形を
   抽出する周波数フィルタリング部と、 該バルクハウゼンノイズの電圧波形からバルクハウゼン
   ノイズの電圧パルス幅を求める演算部と、 前記被測定物と同一鋼種の鋼材の前記バルクハウゼンノ
   イズの電圧パルス幅と疲労損傷度との関係を示す検量線
   を作成し、該検量線を記憶させた記憶部と、 前記被測定物の前記バルクハウゼンノイズの電圧パルス
   幅と、前記記憶部に記憶されている前記検量線とから前
   記被測定物の疲労損傷度を診断する診断部とを含むこと
   を特徴とする鋼構造物を構成する鋼材の疲労損傷度診断
   システム。
5. 【請求項５】 前記演算部において、前記バルクハウゼ
   ンノイズの電圧波形の電圧が０となるゼロクロス時刻Ｔ
   _iを求め、少なくとも２つ以上の隣り合う時刻Ｔ_iとＴ
   _i+1の差分Ｔ_i+1−Ｔ_iから差分の平均値を求めて、該平
   均値を前記バルクハウゼンノイズの電圧パルス幅の代表
   値とすることを特徴とする請求項４に記載の鋼構造物を
   構成する鋼材の疲労損傷度診断システム。
6. 【請求項６】 前記疲労損傷度を応力拡大係数幅ΔＫで
   規定することを特徴とする請求項４又は５に記載の鋼構
   造物を構成する鋼材の疲労損傷度診断システム。