JP2005156552A - 亀裂検出システム、このシステムで利用可能な接着剤及び線状検出具 - Google Patents

Abstract

【課題】 亀裂の発生とその場所を早期に発見でき、しかも簡単な構造の亀裂検出システム、このシステムで利用可能な接着剤及び線状検出具を提供する。
【解決手段】 亀裂検出システム１では、銅線で形成された検出線１０を橋梁５の表面上に、亀裂想定場所を通して一筆書状に配線することにより、この検出線１０が積層された部分で亀裂が発生した場合、検出線１０は断線する。そのため、亀裂の発生を検出することができる。またこの亀裂検出システム１では、ＴＤＲ法により、検出線１０が破断した位置を検出することによって、橋梁５に発生した亀裂の場所が的確に把握できる。従って、この亀裂検出システム１を用いると、橋梁５の亀裂の発生とその場所を早期にしかも正確に発見できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、亀裂検出システム、このシステムで利用可能な接着剤及び線状検出具に関する。

橋梁・車両・船舶・航空機・機械等の機械的な振動を受ける構造物は、金属疲労による亀裂が発生することがある。この亀裂は、構造物の内部から発生するものや、表面から発生するもの、ある程度成長すると成長が止まるもの、成長速度が次第に速くなっていくものなど様々であるが、いずれの亀裂も構造物の安全管理の観点から早期発見と対策が必要である。

そのため従来は、亀裂の発見のため、定期的または不定期に目視による検査を行っていた。
しかし、目視による検査は、検査員の能力や注意力によるので、亀裂を見逃してしまうおそれがある。また、検査周期の間に疲労亀裂が成長して、構造物の破壊等に至ることがある。さらに、検査員の給与、検査足場の敷設など、検査コストがかかってしまう。

そのため近年では、橋梁の亀裂を発見するための様々なモニタリングシステムが開発されている。
（１）「橋梁連続性ヘルスモニタリングシステム、及び方法」では、図６に示すように、一方の端部側の橋梁５から各橋梁５まで複数の光ファイバー６を設置し、各光ファイバーの他方側の端部に反射鏡６０を備え、橋梁５が折れるなどして光ファイバー６も折れ、入光器６２から光ファイバー６に入光した光が反射して帰ってこなくなったら、橋梁５が折れたと判定するものである（特許文献１）。
（２）「亀裂検知装置」は、図７に示すように、構造部材７の内部７ａに気体を圧送入し密封する機構７０と、内部気圧を表示する圧力センサー７２と、内部気圧を表示する表示部７４を備えている。構造部材７は、圧力センサー７２によって測定された構造部材７の内部空気圧の測定値Ｐを監視する。構造部材７に亀裂が発生し、亀裂が板圧を貫通すると内部の空気圧が低下し、内部空気圧の測定値Ｐが低下する。表示部７４に表示されたＰの変化が生じたことを表示部７４の表示から判定することにより、亀裂発生を検知する（特許文献２）。
特願２０００−１３３２０６ 特願２０００−０２６１６９

しかし、（１）「橋梁連続性ヘルスモニタリングシステム、及び方法」では、橋梁の破壊が起こってはじめて検出が行われるので、安全管理の点では問題がある。
また、（２）「亀裂検知装置」では、構造部材を密閉空間にせねばならないためコストがかかり、しかも、構造部材に穴が開くほどの亀裂が発生しないと亀裂を検出できないため、亀裂の検出タイミングが遅れてしまい、さらに、どこで空気が漏れているかわからないので亀裂が発生した場所を特定するのが困難であるという問題がある。

そこで本発明では、上述した問題点を解決し、亀裂の発生とその場所を早期に発見でき、しかも簡単な構造の亀裂検出システム、このシステムで利用可能な接着剤及び線状検出具を提供することを目的とする。

上述した問題点を解決するためになされた請求項１に記載の亀裂検出システムは、被検出物の表面に沿って並ぶように配線され、前記被検出物の表面上に積層された２本の検出線あるいはこの検出線を備えた線状検出具と、この亀裂検出手段が前記被検出物の亀裂の有無を検出したら、ＴＤＲ法により前記検出線の断線位置を検出して、前記被検出物の亀裂発生場所を特定する亀裂場所特定手段とを備えることを特徴とする。

この亀裂検出システムでは、被検出物の表面に沿って並ぶように配線された２本の検出線あるいはこの検出線を備えた線状検出具を被検出物の表面上に積層しておき、亀裂場所特定手段により、ＴＤＲ法を用いて検出線の断線位置を特定することにより被検出物の亀裂の発生位置を特定している。そのため、本発明の亀裂検出システムでは、ＴＤＲ法を用いることにより被検出物の亀裂の発生場所を適格に把握することができる。しかも本発明の亀裂検出システムは、検出線あるいは線状検出具を被検出物の表面上に積層するだけの簡単な構造なので、低コストで導入できる。

尚、本発明の亀裂検出システムにおいて、２本の検出線を使用している理由は、ＴＤＲ方式の原理が、２本の検出線間に電位差をパルス状に伝播させ、破断点等の測定対象物の表面で反射し戻ってくるまでの時間を測っているためで、電位差を与えるためには２つの絶縁された検出線が必要だからである。

本発明の亀裂検出システムは、検出線の両端から常時通電し、検出線の通電不能により検出線の断線の有無を検出することによって被検出物の亀裂の有無を検出する亀裂検出手段を備える場合、亀裂場所特定手段は、この亀裂検出手段が被検出物の亀裂の有無を検出したら、被検出物の亀裂発生箇所を特定するよう構成することが好ましい。

この亀裂検出システムでは、亀裂検出手段により検出線を常に通電し、その検出線が通電不能になったことを検出することをもって、被検出物の亀裂の発生を検出している。そのためこの亀裂検出システムを用いると、被検出物の亀裂の発生を迅速に検出することができる。

検出線は、直径０．３０ｍｍ以下の被覆銅線で形成されていることが好ましい。この被覆銅線を用いれば、橋梁の亀裂に反応よく断線するので、被検出物の亀裂の発生を感度よく検出することができる。

２本の検出線あるいはこの検出線を備えた前記線状検出具は、被検出物上に一筆書状に亀裂想定箇所を通って配線することが好ましい。被検出物の亀裂想定箇所（溶接部の始終端部や形状変化部など）のそれぞれに検出線等を配線して亀裂を検出することも考えられるが、被検出物の表面上に一筆書状に亀裂想定箇所を通って配線したほうがコストがかからず、しかもＴＤＲ法により亀裂発生箇所の特定が可能なので、被検出物の亀裂の発生場所も正確に検出できる。

検出線は、長手方向に垂直な断面の形状が長方形状に形成された硬銅線からなり、断面の長尺な辺の一辺側の表面が被検出物の表面に対向する状態で配線されることが好ましい。
断面円状の検出線は、被検出物の表面から被検出物に対抗する面までの垂直な距離が大きくなるが、この検出線は断面積に対して垂直距離を小さくすることが出来、被検出物の亀裂に精度よく呼応して断線する。そのため、断面長方形状の検出線を用いると、被検出物の亀裂を精度よく検出することができる。

検出線、あるいはこの検出線を備えた線状検出具は、硬化時に縦弾性係数が３００ＭＰａ以上となる接着剤を用いて被検出物に積層するのが好ましい。この接着剤を用いると、被検出物に亀裂が生ずると、これに呼応して亀裂が生じるので、縦弾性係数が３００ＭＰａ以下の接着剤を用いた場合に比べ、被検出物の亀裂を非常に感度よく検出することができる。尚、３００ＭＰａ以上の接着剤としては、エポキシ系接着剤、シアノアクリレート系接着剤などがある
ところで、線状検出具としては以下のような構成のものを用いるとよい。

その線状検出具とは、被検出物に発生する亀裂を検出するため、この被検出物の表面に沿って配線される並行な検出線と、被検出物に対向する被検出物側及びその反対側に配置された一対のフィルムとを備え、前記一対のフィルムの間に、硬化時に縦弾性係数が３００ＭＰａ以上の材料からなる接着剤を注入して、前記一対のフィルムと検出線とを一体に接着したことを特徴とするものである。

この線状検出具は、検出線がフィルムによって保護されているので、雨にぬれて錆びることなどを防止することができ、対候性が向上する。また、この線状検出具は、検出線をフィルムで挟む構造になっており、折り返してもいずれか一方のフィルムが検出線を保護するので、自由に折り曲げて配線することができる。

尚、線状検出具は、上述した亀裂検出システムに用いる場合は２本の検出線を備えているとよい。また、それ以上の複数の検出線を備えていてもよい。

以下、本発明が適用された実施の形態について図面を用いて説明する。
[第１実施形態]
図１は第１実施形態の亀裂検出システムが適用された橋脚の全体図で、（ａ）〜（ｅ）で亀裂の測定手順を時系列的に説明したものである。図２は、使用する接着剤を特定するための実験結果を説明するためのグラフで、縦弾性係数と亀裂通過距離とをパラメータとするグラフである。

第１実施形態の亀裂検出システム１は、図１に示すように、被検出物である橋梁５の亀裂を検出するためのシステムであって、橋梁５の表面に沿って並べられた２本の検出線１０と、亀裂場所特定装置２０とを備えている。

検出線１０は、硬銅線（ＪＩＳ Ｃ ３００２の電気用銅線及びアルミニウム線の試験方法で規定された硬銅線）を被覆した直径０．３０ｍｍの被覆電線である。そして、図１（ａ）に示すように、並行に並べられた２本の検出線１０を、橋梁５の亀裂想定箇所を通るように橋梁５の表面上に一筆書状に配線し、硬化すると３００ＭＰａ以上の硬さとなるエポキシ樹脂系の接着剤で橋梁５の表面上に接着する。

亀裂場所特定装置２０は、ＴＤＲ（Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｅｃｔｏｍｅｔｏｒｙ）方式の検出器である。ここでＴＤＲ方式とは、電子回路で間欠的に発信したマイクロパルスを検出線１０に伝播させ、破断点等の測定対象物の表面で反射し再び検出線１０を伝わるマイクロパルスを受信し、マイクロパルスの測定対象物までの往復時間を計測することで発信点から破断点までの距離を計測するものである。本実施形態ではＭＥＧＧＥＲ社製のＣＦＬ５３５Ｆ ＴＤＲ２０００/２を用いている。

本実施形態の亀裂検出システム１を用いて橋梁５の亀裂を検出する場合、以下のような手順で行う。
図１（ｂ）に示すように、列車が橋梁５を何度も通過すると、溶接部分などの構造上脆い亀裂想定箇所で（図中×印を売った部分）亀裂が発生することがある。この亀裂想定箇所で亀裂が発生すると、検出線１０が亀裂に伴って断線する
橋梁５に亀裂が発生していないか検査する場合、図１（ｃ）に示すように、亀裂場所特定装置２０を検出線１０に接続し、検出線１０にマイクロパルスを間欠的に発信して亀裂の発生の有無を検出する。

もし橋梁５に複数の亀裂が発生していると、亀裂場所特定装置２０から見て、検出線１０の配線方向に沿った一番近い亀裂発生箇所で、検出線１０の断線が発生しているので、そこでマイクロパルスが反射して、その亀裂発生箇所が亀裂場所特定装置２０により特定される。

亀裂が発生している場所が特定できたら、作業員は、図１（ｄ）に示すように、断線した検出線１０をジャンパー線１０ａで接続する。すると、亀裂場所特定装置から見て一番近い亀裂発生箇所よりも、さらに遠い亀裂発生箇所も検出される。

そして最後に、図１（ｅ）に示すように、遠い亀裂検出発生箇所にもジャンパー線１０ｂを設置し、もう一度亀裂が発生していないか検出したら、検出を終了する。
尚、亀裂を検出する場合、図１（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すように、載荷用列車・車両等を橋梁５に載せておくと、橋梁５に荷重がかかって亀裂が開口し、一度断線した検出線１０が再び接触することがないので、検出線１０の断線箇所、すなわち橋梁５の亀裂発生箇所を適格に把握することができる
以上説明した亀裂検出システム１を用いると、次のような効果がある。

この亀裂検出システムでは、橋梁５の表面に沿って並ぶように配線された２本の検出線１０を橋梁５の表面上に積層しておき、亀裂場所特定装置２０により、ＴＤＲ法を用いて検出線１０の断線位置を特定することにより橋梁５の亀裂の発生位置を特定している。そのため、本実施形態の亀裂検出システム１では、ＴＤＲ法を用いることにより橋梁５の亀裂の発生場所を適格に把握することができる。しかも本実施形態の亀裂検出システム１は、検出線１０を橋梁５の表面上に積層するだけの簡単な構造なので、低コストで導入できる。

検出線１０として直径０．３０ｍｍ以下の被覆銅線を用いれば、橋梁５の亀裂に呼応して断線するので、橋梁５の亀裂の発生を感度よく検出することができる。
橋梁５の亀裂の発生を検出するには、橋梁５の亀裂想定箇所（溶接部の始終端部や形状変化部など）のそれぞれに検出線１０を配線して亀裂を検出することも考えられるが、橋梁５上に一筆書状に亀裂想定箇所を通って配線したほうがコストがかからず、しかもＴＤＲ法により亀裂発生箇所の特定が可能なので、橋梁５の亀裂の発生場所も正確に検出できる。

本実施形態では、検出線１０は、硬化時に縦弾性係数が３００ＭＰａ以上となる接着剤を用いて橋梁５に積層している。この接着剤は橋梁５に亀裂が発生すると、亀裂に呼応して亀裂が生じるので、縦弾性係数が３００ＭＰａ以下の接着剤を用いた場合に比べ、橋梁５の亀裂を非常に感度よく検出することができる。

ところで、上記実施形態では、縦弾性係数が３００ＭＰａの接着剤を用いたが、これは以下のような理由による。
図２は、図２中に丸で囲って記載したモデル図にあるように、直径０．０８ｍｍの検出線を接着剤である樹脂中に、被検出対象物（本実施形態では橋梁）から所定（０．０８ｍｍと０．５８ｍｍ）高さに埋めて、亀裂通過距離（亀裂が検出線１０を横切って通過した距離）と縦弾性係数との関係を調べたものである。この図２の実験によると、３００ＭＰａ付近で、グラフの傾きが急となっているので、本実施形態では硬化時に縦弾性係数が３００ＭＰａ以上の接着剤を用いていた。

尚、金属構造物に疲労亀裂が発生した場合、初期は荷重が繰り返される度にわずかずつ亀裂が進展し、ある長さに至った時突然急激に破壊が生じる。このある長さを「限界亀裂長」と呼ぶ。よって、構造物を維持管理する立場からすると、限界亀裂長まで亀裂が進展する前に亀裂を発見する必要がある。今回の実施形態にこのことを当てはめると、亀裂の開始点が想定される位置から、検出線設置位置を過ぎて亀裂通過距離までの総長さを限界亀裂長以下にすれば、安全に亀裂を発見できることになる。図２のパラメータは（１）亀裂通過距離（縦軸）（２）縦弾性係数（横軸）（３）樹脂厚であるため、（１）が限界亀裂長との関係から最初に設定され、（２）、（３）の組み合わせは任意に変更できる。なお、通常の鋼材や使用条件下で限界亀裂長は２０ｍｍ以上あると考えられている。一方縦弾性係数が３００ＭＰａを下回ると亀裂通過距離が５．０ｍｍ以上と急激に長くなるため、安全をみて、縦弾性係数が３００ＭＰａを上回る材料を使うのがよいと考えた。

[第２実施形態]
次に、本発明の第２実施形態について説明する。尚、この実施形態については、第１実施形態と異なる点のみ説明する。

ここで、図３は、第２実施形態の亀裂検出システムが適用された橋脚の全体図で、（ａ）〜（ｆ）で亀裂の測定方法を時系列的に説明したものである。
この第２実施形態では、図３（ａ）に示すように、亀裂想定箇所を通して一筆書状に２本の検出線１０を並行に敷設している点までは第１実施形態とは同様だが、亀裂場所特定装置２０を用いる前に、亀裂検出装置３０を用いる点が異なる。

この亀裂検出装置３０は、２本ある検出線１０のうち、いずれか一方の検出線１０の一端側から他端側に向かって常時通電し、検出線１０にかけた電流が、検出線１０が断線することによって遮断されると、リレースイッチが異常を示す動作をし、その動作後の状態を保持するよう構成されている。

この亀裂検出装置３０は、図３（ｂ）に示すように、１箇所でも橋脚５に亀裂が発生すると、検出線１０の通電が切れて、図３（ｃ）に示すように、リレースイッチが保持される。従って、この亀裂検出装置３０は、検出線１０が通電不能になったかいなかにより、橋梁５の亀裂の発生を検出しているので、橋梁５の亀裂を迅速に検出することができる。

以下は、第１実施形態と同様に、検出線１０に亀裂場所特定装置２０を取り付け、図３（ｄ）に示すように、２箇所の亀裂のうち一箇所を特定したら、図３（ｅ）に示すように、検出線１０が断線した部分にジャンパー線１０ａを接続して、もう一箇所を特定し、図３（ｆ）に示すように、ジャンパー線１０ｂを接続して、亀裂が検出されなくなったことを確認し、亀裂の検出作業を終了する。

尚、亀裂場所特定装置２０でも亀裂の有無は検出できるが、ＴＤＲ法は、そのための装置がリレー方式の亀裂検出装置３０に比べ高価であること、現在用意に入手できる機器であるTDR2000/2等は、仕様上１秒間に３回の測定しかできず、列車等が通過した際に生じる一瞬の断線を見逃す恐れがある（機器を改良すればこの欠点は除くことができる）ため、リレー回路を用いる方法も提案したものである。
[第３実施形態]
次に、本発明の第３実施形態について説明する。尚、この実施形態については、第１実施形態及び第２実施形態と異なる点のみ説明する。

ここで図４は、線状検出具の断面図、図５はその平面図である。
本実施形態では、検出線１０そのものを橋梁５に積層するのではなく、線状検出具４０を橋梁５に積層する点が、第１及び第２実施形態とは異なる。

この線状検出具４０は、図４に示すように、橋梁５に発生する亀裂を検出するため、この橋梁５の表面に沿って配線される並行な検出線１１と、橋梁５に対向する橋梁５側及びその反対側に配置された一対のフィルム４１とを備え、一対のフィルム４１の間に、硬化時に縦弾性係数が３００ＭＰａ以上の材料からなる接着剤４２を注入して、一対のフィルム４１と検出線１１とを一体に接着したものである。尚、フィルム４１も３００ＭＰａ以上の縦弾性係数を有する。この線状検出具４０は、第１実施形態と同様、硬化したときに縦弾性係数が３００ＭＰａ以上となる接着剤を用いて橋梁５に接着して、亀裂検出を行う。

この線状検出具４０は、検出線１１がフィルム４１によって保護されているので、雨にぬれて錆びることなどを防止することができ、検出線１１そのものを橋梁５に積層する場合くらべ、耐候性が向上する。また、この線状検出具４０は、検出線１１をフィルム４１で挟む構造になっており、図５に示すように、折り返してもいずれか一方のフィルム４１が検出線１１を保護するので、自由に折り曲げて配線し貼り付け方向を自由に変えることが出来、一筆書きで配線するのに適している。さらに本実施形態の線状検出具４０を用いると、２本の検知線を独立に積層するのに比べ、1回の積層で検知線を並列に積層することができる。また、２本の検出線を単独で扱うより、積層作業中に誤って切ることが少なくなり扱いが簡単である。

ところで、本実施形態の線状検出具４０は、検出線１１としては、長手方向に垂直な断面の形状が長方形状に形成された硬銅線が用いられており、この検出線１１は、線状検出具４０が橋梁５に積層された際、断面の長尺な辺の一辺側の表面が橋梁５の表面に対向する状態で配線される。断面円状の検出線１１は、被検出物の表面から被検出物に対向する面までの垂直な距離が大きくなるが、この検出線１１は断面積に対して垂直距離を小さくすることが出来、被検出物の亀裂に精度よく呼応して断線する。そのため、断面長方形状の検出線１１を用いると、橋梁５の亀裂を精度よく検出することができる。

尚、本発明の実施の形態は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では、橋梁５の亀裂を検出する場合について説明したが、航空機の隔壁や、ボディ、建物の壁面など、あらゆる種類の構造物の亀裂を検出するためのシステムとして用いることができることはもちろんである。

また、上記実施形態では、接着剤として、エポキシ系の接着剤を用いたが、３００ＭＰａ以上の接着剤としては、他にシアノアクリレート系接着剤などがある。
また、上記実施形態では、検出線として、硬銅線を被覆した被覆電線を用いたが、エナメル線（軟銅線を被覆した被覆銅線）、裸の硬銅線及び軟銅線等でもよい。また、アルミニウム線でもよく、本実施形態の検出線として利用できるものであれば、材質はどのようなものでもよい。

また、形状についても、リボン線でもよいし、角線でもよいし、本実施形態の機能を果すのであればどのような形状のものでもよい。

第１実施形態の亀裂検出システムが適用された橋脚の全体図で、（ａ）〜（ｅ）で亀裂の測定手順を時系列的に説明したものである。 使用する接着剤を特定するための実験結果を説明するためのグラフで、縦弾性係数と亀裂通過距離とをパラメータとするグラフである。 第２実施形態の亀裂検出システムが適用された橋脚の全体図で、（ａ）〜（ｆ）で亀裂の測定手順を時系列的に説明したものである。 線状検出具の断面図である。 線状検出具を折り曲げた様子を示す平面図である。 従来の技術の説明図である。 従来の技術の説明図である。

符号の説明

１・・・亀裂検出システム、５・・・橋梁、１０、１１・・・検出線、２０・・・亀裂場所特定装置、３０・・・亀裂検出装置、４０・・・線状検出具、４１・・・フィルム、４２・・・接着剤

Claims (9)

1. 被検出物の表面に沿って並ぶように、前記被検出物の表面上に積層された状態で配線された２本の検出線あるいはこの検出線を備えた線状検出具と、
   この亀裂検出手段が前記被検出物の亀裂の有無を検出したら、ＴＤＲ法により前記検出線の断線位置を検出して、前記被検出物の亀裂発生場所を特定する亀裂場所特定手段と
   を備えることを特徴とする亀裂検出システム。
2. 請求項１に記載の亀裂検出システムにおいて、
   前記検出線の両端から常時通電し、前記検出線の通電不能により前記検出線の断線の有無を検出することによって前記被検出物の亀裂の有無を検出する亀裂検出手段を備え、
   前記亀裂場所特定手段は、この亀裂検出手段が前記被検出物の亀裂の有無を検出したら、前記被検出物の亀裂発生箇所を特定することを特徴とする亀裂検出システム。
3. 請求項１〜２のいずれかに記載の亀裂検出システムにおいて、
   前記検出線は、直径０．３０ｍｍ以下の被覆銅線で形成されていることを特徴とする亀裂検出システム。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の亀裂検出システムにおいて、
   前記２本の検出線あるいはこの検出線を備えた前記線状検出具を、前記被検出物の亀裂想定箇所を通って前記被検出物上に一筆書状に配線したことを特徴とする亀裂検出システム。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の亀裂検出システムにおいて、
   前記検出線は、長手方向に垂直な断面の形状が長方形状に形成された硬銅線からなり、前記断面の長尺な辺の一辺側の表面が前記被検出物の表面に対向する状態で配線されることを特徴とする亀裂検出システム。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の亀裂検出システムにおいて、
   検出線、あるいはこの検出線を備えた線状検出具を、硬化時に縦弾性係数が３００ＭＰａ以上となる接着剤を用いて被検出物に積層したことを特徴とする亀裂検出システム。
7. 検出線の断線の有無によって被検出物に発生する亀裂の有無を検出するため、前記検出線、あるいはこの検出線を備える線状検出具を、被検出物の表面上に積層した状態で配線するための接着剤であって、硬化時に縦弾性係数が３００ＭＰａ以上となることを特徴とする接着剤。
8. 請求項７記載の接着剤において、
   エポキシ系接着剤あるいはシアノアクリレート系接着剤であることを特徴とする接着剤。
9. 被検出物に発生する亀裂を検出するため、この被検出物の表面に沿って配線される並行な検出線と、
   被検出物に対向する被検出物側及びその反対側に配置された一対のフィルムと
   を備え、
   前記一対のフィルムの間に、硬化時に縦弾性係数が３００ＭＰａ以上の材料からなる接着剤を注入して、前記一対のフィルムと前記検出線とを一体に接着したことを特徴とする線状検出具。