JP2005308728A - 非磁性金属管の表面欠陥検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

【目的】給水給湯用銅管、熱交換器用内面溝付銅管などの銅管、銅合金管、アルミニウム合金管などの非磁性金属管の微小な表面欠陥を、金属管が抽伸や巻取りなどの製造ラインにおいて走行している状態で確実に検出するための表面欠陥検出方法および装置を提供する。
【構成】走行する非磁性金属管の表面欠陥を連続的に検出する方法であって、金属管中に渦電流を発生させ、該渦電流の流れが金属管の表面欠陥により遮られることにより発生する磁界を、ＳＱＵＩＤセンサーで測定することにより表面欠陥を検出する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、非磁性金属管の表面欠陥検出方法および装置、詳しくは、給水給湯用銅管、熱交換器用内面溝付銅管などの銅管、銅合金管、アルミニウム合金管などの非磁性金属管の表面欠陥を、金属管が抽伸や巻取りなどの製造ラインにおいて走行している状態で検出するための非磁性金属管の表面欠陥検出方法および装置に関する。

従来、非磁性金属管の欠陥検出については、欠陥形態に応じて、貫通型渦流探傷、回転プローブ型渦流探傷などの探傷方式が行われている（例えば特許文献１参照）。貫通型渦流探傷は、鉄鋼や非鉄金属の製造分野において管材などの外表面に生じた欠陥を検出するために、貫通型の渦流探傷用コイルを用いて行うもので、この方式によれば、被検査材の全長をインラインで連続的に検査することが可能で、抽伸加工中などに生じた表面欠陥について比較的高いＳ／Ｎ比を確保することができる。

しかしながら、微小な欠陥を検出するにはコイルのインピーダンス変化をより高感度に検出することが必要で、そのためにはコイル自体の寸法を小さく設計しなければならず、コイルを小さくすると励磁に印加できる電力が制限されて十分なＳ／Ｎ比を確保することができないため、微小欠陥の検出が必要な材料の検査には相互誘導自己比較方式が採用されている。この方式は、検出を担う検出コイルと励磁を担う励磁コイルを別々に用いて、十分な励磁パワーの供給と欠陥検出に有利な検出コイルの設計を可能にしたものであるが、管の薄肉化、細径化に伴って市場の要求はより厳しくなっており、検出対象とする欠陥寸法も益々小さくなってきているため、従来の方式では対応が困難となってきている。

回転プローブ型渦流探傷は、貫通型渦流探傷では検出が困難な管軸方向に一様に連続する欠陥を検出することが可能で、プローブは、検出コイル、励磁コイルから構成されており、プローブ直下の欠陥を検出することができる。具体的には、通常複数個のプローブをローターなどに固定し、このローターを被検査材の周りに被検査材とプローブとの間にある程度のクリアランスを持たせて回転させ検査を行うものであるが、被検査材の全表面を検査するためには、ローターの回転数とプローブの検査可能範囲に応じて、被検査材を適正な速度で走行させなければならず、走行速度が速過ぎると、被検査材の全表面をプローブで走査できなくなるため、一般的には走行速度を制限して運転する。微小な欠陥を検出するためにプローブを小さくして対応しているが、この場合には走行速度の制限はさらに加わることとなり生産性が低下するとともに、走行速度を低下させても要求される精度を得るには限界がある。

上記従来の探傷方式に対して、最近、微小な異物の検出や微小欠陥の検出にＳＱＵＩＤセンサーを用いる方式が提案されている。ＳＱＵＩＤ（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ
ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｓｅ＝超伝導量子干渉デバイス）センサーは、超伝導リングを一つまたは二つのジョセフソン接合に結合したものであり、微小電流変化の測定に適し、微小な磁界の変化を検出することができる。

例えば、微小な異物を検出するものとして、交流発振器とヘルムホルツコイルを用いて交流磁界をつくり移動する被検査物中の磁性金属片を磁化して、発生する磁界の変化をＳＱＵＩＤセンサーで検出することにより食品内に入り込んだ磁性金属片を検出する装置が提案されている（特許文献２参照）。また、光ファイバやワイヤーなどの連続した長尺物中に含まれる微小な異物や欠陥を検出するために、移動する被検出物に交流磁界を印加して、被検出物により生じる磁界変動を、所定の間隔で配置された複数のＳＱＵＩＤセンサーで所定の時間をあけて検出し、被検出物により生じる磁界変動のうちから環境磁界の変動を排除して異物や欠陥による信号のみを抽出する非破壊検査装置も提案されている（特許文献３参照）。
特開平７−３１１１７９号公報 特開２００４−２８９４４号公報 特開平７−１４６２７７号公報

発明者らは、伝熱効率の向上を図るために、近年ますます薄肉化、細径化が進行している銅製伝熱管の欠陥検査において直面している問題を解決するために、非磁性金属管の欠陥検出において従来使用されてきた前記の渦流探傷方式に代え、微小欠陥を高感度で検出し得る上記ＳＱＵＩＤセンサーを用いる欠陥検出方式に着目し、検討を行った。

すなわち、薄肉化された銅製伝熱管においては、微小なものでも表面欠陥が存在すると、伝熱管の加工時に割れや熱伝導媒体の漏洩などの不具合が生じ、例えば、外表面に深さ１０μｍの欠陥があったとしても問題が発生するおそれがあるが、このような微小欠陥は従来の探傷方式では検出することが困難となっていることは前記のとおりである。発明者らは、薄肉銅管におけるこのような微小欠陥をＳＱＵＩＤセンサーを用いて検出する方式について基礎的な試験、検討を行った結果、銅管中に渦電流を発生させて渦電流の変化に起因する磁界を検出することにより、例えば５０μｍ深さの欠陥、あるいはさらに微小な欠陥例えば１０μｍ以下の欠陥を検出することができることを見出した。

本発明はこの知見に基づいてさらに試験、検討を行った結果としてなされたものであり、その目的は、給水給湯用銅管、熱交換器用内面溝付銅管などの銅管、銅合金管、アルミニウム合金管などの非磁性金属管の微小な表面欠陥を、金属管が抽伸や巻取りなどの製造ラインにおいて走行している状態で確実に検出するための非磁性金属管の表面欠陥検出方法および装置を提供することにある。

上記の目的を達成するための請求項１による非磁性金属管の表面欠陥検出方法は、走行する非磁性金属管の表面欠陥を連続的に検出する方法であって、金属管中に渦電流を発生させ、該渦電流の流れが金属管の表面欠陥により遮られることにより発生する磁界を、ＳＱＵＩＤセンサーで測定することにより表面欠陥を検出することを特徴とする。

請求項２による非磁性金属管の表面欠陥検出方法は、請求項１において、前記非磁性金属管が銅管または銅合金管であることを特徴とする。

請求項３による非磁性金属管の表面欠陥検出装置は、走行する非磁性金属管の表面欠陥を連続的に検出する装置であって、金属管中に渦電流を発生させる励磁コイルと、該渦電流の流れが金属管の表面欠陥により遮られることにより発生する磁界を検出するＳＱＵＩＤセンサーと、該ＳＱＵＩＤセンサーの出力のうち所定の周波数成分の信号を選択的に抽出して増幅する増幅手段を備えてなることを特徴とする。

請求項４による非磁性金属管の表面欠陥検出装置は、請求項３において、前記励磁コイルがヘルムホルツ型コイルであり、該ヘルムホルツ型コイルがＳＱＵＩＤセンサーの前後に対称に配置され、金属管がヘルムホルツ型コイル中を貫通して走行するよう構成したことを特徴とする。

請求項５による非磁性金属管の表面欠陥検出装置は、請求項３または４において、前記ＳＱＵＩＤセンサーを金属管の円周方向に複数個配置することを特徴とする。

請求項６による非磁性金属管の表面欠陥検出装置は、請求項５において、２個の前記ＳＱＵＩＤセンサーを金属管に対して対称に配置することを特徴とする。

請求項７による非磁性金属管の表面欠陥検出装置は、請求項３〜６のいずれかにおいて、前記ＳＱＵＩＤセンサーがグラジオメーターであることを特徴とする。

本発明によれば、給水給湯用銅管、熱交換器用内面溝付銅管などの銅管、銅合金管、アルミニウム合金管などの非磁性金属管の微小な表面欠陥を、金属管が抽伸や巻取りなどの製造ラインにおいて走行している状態で確実に検出するための非磁性金属管（以下、単に金属管）の表面欠陥検出方法および装置が提供される。

本発明の表面欠陥検出装置では、欠陥により発生する磁界を測定することにより表面欠陥を検出しているので、従来の貫通型渦流探傷では検出が困難であった管軸方向に一様に連続する欠陥を検出することも可能である。

本発明は、金属管中に渦電流を発生させ、金属管の表面欠陥により渦電流の流れが遮られることにより発生する磁界を、ＳＱＵＩＤセンサーにより測定することにより表面欠陥を検出するものであり、金属管中に渦電流を発生させるためのコイルとしては、ヘルムホルツ型コイルを使用するのが好ましい。ヘルムホルツ型コイルは、半径および巻数の等しい一対の円筒コイルを共通の軸に対してある間隔を置いて配置し、直列に接続したものであり、単一のコイルでつくられる磁界よりも、より一様な磁界が得られるという利点がある。

装置構成としては、図１に示すように、ＳＱＵＩＤセンサー１の前後に、ヘルムホルツ型コイル２、２を対称に配置し、検査すべき金属管Ｔを、とくに図３〜４に詳細を示すように、コイル２、２中を貫通するように進行方向に移動させ、金属管Ｔの円周方向に渦電流を誘導させる。この場合、ＳＱＵＩＤセンサーとコイルは磁気シールド箱に配置するなど、磁気シールドされ、金属管は磁気シールドされた状態でＳＱＵＩＤセンサーの直下まで移動させることが望ましい。

金属管Ｔに表面欠陥がない場合、磁界が金属管Ｔの軸方向（ｙ方向）と平行になり、ＳＱＵＩＤセンサー１が磁界の影響を受け難い構造となる。ＳＱＵＩＤセンサーに磁界の影響を与えない限りは、コイルを２つ以上配置しても同等の効果が得られる。なお、図１には、ｙ軸に関連してｘ軸、ｚ軸も示されている。

金属管Ｔに表面欠陥があった場合に生じる磁界はＳＱＵＩＤセンサー１で測定され、ＳＱＵＩＤセンサー１の出力のうち、所定の周波数成分の信号のみを選択的に抽出して増幅する。そのために、増幅手段としては、ロックインアンプを使用するのが好ましい。ロックインアンプは、印加交流磁界に同期した信号のみを検出することができる機能を有し、例えば、１ｋＨｚの交流磁界を印加した場合、ＳＱＵＩＤセンサーの出力のうち１ｋＨｚを中心としたきわめて狭帯域の信号のみを取り出すことができる。

図２は、本発明による表面欠陥検出装置の信号処理の系統図を示すものであり、ヘルムホルツ型コイル２、２に交流発振器７を通じて交流電流が印加され、コイル２、２中を貫通するように進行方向に移動する金属管Ｔの円周方向に渦電流が発生する。金属管Ｔに表面欠陥があった場合、渦電流の流れが表面欠陥により遮られることにより生じる磁界はＳＱＵＩＤセンサー１で測定される。

ＳＱＵＩＤセンサーは、基本的には図１〜２に示すように、ｚ軸方向成分の磁界を測定するために１個配置すればよいが、２個のＳＱＵＩＤセンサーを金属管に対して対称に配置するなど、ＳＱＵＩＤセンサーを金属管の円周方向に複数個配置することにより測定精度をより高めることができる。また、ＳＱＵＩＤセンサーとしては、グラジオメーターを用いるのが好ましい。ＳＱＵＩＤグラジオメーターとは、磁束を検出する検出コイルに差分型形状のコイルを用いたものである。この差分型検出コイルにより、空間的に一様な一次勾配を持つ環境磁気雑音を低減することができる。検出するコイル形状により一次微分型検出コイルを有する一次微分型グラジオメーターから二次以上の高次微分型グラジオメーターまでを含む。

交流発振器７を通じてヘルムホルツ型コイル２、２に印加される交流電流としては、周波数が、０．１ｋＨｚ〜１ＭＨｚまでの高周波域のものであることが望ましく、周波数が０．１ｋＨｚ未満では十分に高い感度（電圧）が得られず、周波数が１ＭＨｚを越えると、エレクトロニクスの動作条件が限定され、不安定になるという不都合が生じる。

ＳＱＵＩＤセンサー１の出力は、センサーコントローラ３を介してロックインアンプ４で増幅され、記録計５に出力される。ロックインアンプ４の出力は、パソコン６に取り込まれ欠陥検出の有無が判定される。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。この実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれに限定されるものではない。

実施例１
図１〜２の装置構成により、表面に人工欠陥を付けた金属管（ＪＩＳ Ｈ３３００ Ｃ１２２０、外径６．３５ｍｍ、厚さ０．８ｍｍ）を被検査管Ｔ（試験材Ｎｏ．１〜３）として欠陥検出を行った。これらの試験材の人工欠陥の種類と大きさを表１に示す。また、試験材Ｎｏ．４は欠陥の無いものである。

ＳＱＵＩＤセンサー１の超伝導リングを構成する超伝導素子としては、ＨＴＳ−ＳＱＵＩＤを使用した。ＨＴＳ−ＳＱＵＩＤとは、７７Ｋ〜１００Ｋの温度で動作する磁気センサーであり、一般的には、超伝導臨界温度はおよそ９０Ｋであり、ＳＱＵＩＤセンサーは、５５Ｋまで冷却が可能な冷凍機内に設置されている。なお、素子の冷却方法は、液体窒素などに浸漬する方法もあるが、産業プラント（工場のライン）内に設置することを考慮して、パルス管冷凍機などの冷凍機によることが望ましい。本実施例においては、パルス冷凍機により７７Ｋに冷却した。

試験材に渦電流を発生させるコイル２、２としては、線径０．１４ｍｍ、巻き数３０００ターン×２コイルの直列接続、抵抗１．１ｋΩの励磁用ヘルムホルツ型コイルを使用し、このヘルムホルツ型コイルに交流発振器により正弦波交流を印加してコイルの周辺に磁界を発生させる。各試験材の欠陥検出時にヘルムホルツ型コイルに印加される正弦波電流と発生する磁界を表２に示す。

上記のＳＱＵＩＤセンサー、ヘルムホルツ型コイルを、図３〜４に示すようにセットして、図３〜４に詳細を示すように、試験材Ｔを右方向からヘルムホルツ型コイル２、２内を通過するように進入させる。ＳＱＵＩＤセンサー１と試験材Ｔ間の距離（リフトオフ）は約１．５ｍｍとした。

ヘルムホルツ型コイル２、２の周辺には、印加された正弦波電流により励磁された磁界が管軸方向と平行な方向に発生し、その磁界により管周方向に渦電流が生じる。管表面に欠陥が無い場合は、図１に示すように、渦電流はその流れを阻害されることなく、管周方向に誘導されるが、管表面に欠陥があると、図２に示すように、欠陥部分と健全部分との境界において渦電流の流れが遮られ、渦電流は欠陥部分を迂回するように流れようとするから、渦電流の乱れが生じ、健全部分と異なる磁界が発生する。この磁界のうち、ＳＱＵＩＤセンサー１の検出方向であるｚ軸方向成分の磁界を測定することにより欠陥を検出する。

図６〜８に、人工欠陥を交流磁界中で走査したときの欠陥測定結果を示す。また、表面欠陥の無い試験材Ｎｏ．４の測定結果を図５に示す。図の横軸は走査距離、縦軸はＳＱＵＩＤセンサーの出力信号を示す。なお、図５〜８において、出力信号のベースが右上がりになっているのは、試験材が短いことに起因する管端の影響によるもので、長尺管においては、ベースは水平となり、欠陥が存在する部分にのみピーク信号が生じる。

図５にみられるように、表面欠陥が無い試験材Ｎｏ．４においてはピークが存在しないが、管軸方向に深さ０．１ｍｍのノッチキズがある試験材Ｎｏ．１においては、図６に示すように、欠陥部分に明確なピーク信号がみられ、管軸方向に深さ０．０５ｍｍのノッチキズがある試験材Ｎｏ．２においては、図７に示すように、欠陥部分にピーク信号の存在が確認された。また、管壁部に直径１．０ｍｍのドリル穴を開けた試験材Ｎｏ．３においては、欠陥部分にきわめて深いピーク信号が認められる。

実施例２
図１〜２の装置構成により、表面に人工欠陥を付けた金属管（ＪＩＳ Ｈ３３００ Ｃ１２２０、外径６．３５ｍｍ、厚さ０．８ｍｍ）を被検査管Ｔ（試験材Ｎｏ．５〜７）として欠陥検出を行った。これらの試験材の人工欠陥の種類と大きさを表３に示す。装置構成の詳細を図９に示す。

ＳＱＵＩＤセンサー１の超伝導リングを構成する超伝導素子としては、ＨＴＳ−ＳＱＵＩＤを使用し、パルス管冷凍機により７４Ｋに冷却した。

試験材に渦電流を発生させるコイル２、２としては、線径０．１４ｍｍ、巻き数１０００ターン×２コイルの並列接続、抵抗１４Ωの励磁用ヘルムホルツ型コイルを使用し、このヘルムホルツ型コイルに交流発振器により正弦波交流を印加してコイルの周辺に磁界を発生させる。各試験材の欠陥検出時にヘルムホルツ型コイルに印加される正弦波電流と発生する磁界を表４に示す。巻き数は減少したが、電流量が増加したので、発生できる磁場は実施例１の場合と略同一である。

ＳＱＵＩＤセンサー、ヘルムホルツ型コイルを、実施例１と同様、図３〜４に示すようにセットして、図３〜４に詳細を示すように、試験材Ｔを右方向からヘルムホルツ型コイル２、２内を通過するように進入させ、実施例１と同様にして試験材の欠陥検出を行った。ＳＱＵＩＤセンサー１と試験材Ｔ間の距離（リフトオフ）は約１．５ｍｍとした。

図１０〜１２に、人工欠陥を交流磁界中で走査したときの欠陥測定結果を示す。図の横軸は走査距離、縦軸はＳＱＵＩＤセンサーの出力信号を示す。なお、図１０〜１２において、出力信号のベースが右上がりになっているのは、試験材が短いことに起因する管端の影響によるもので、長尺管においては、ベースは水平となり、欠陥が存在する部分にのみピーク信号が生じる。

管軸方向に深さ０．０５ｍｍのノッチキズがある試験材Ｎｏ．５および管軸方向に深さ０．０３ｍｍのノッチキズがある試験材Ｎｏ．６においては、それぞれ図１０および図１１に示すように、欠陥部分に明確なピーク信号がみられ、また、管軸方向に深さ０．０１７ｍｍの微小なノッチキズがある試験材Ｎｏ．７および管軸方向に深さ０．０１０ｍｍの微小なノッチキズがある試験材Ｎｏ．８においても、欠陥部分にピーク信号の存在が確認された。本実施例においては、印加する正弦波電流の周波数を大きくして、Ｓ／Ｎ比を大きくすることにより、欠陥部分のピーク信号がより明確となり、より微小な欠陥を容易に検出することが可能となっている。

本発明の欠陥検出装置の検出部の構成を示す図である。 本発明の欠陥検出信号の処理系統図である。 本発明による欠陥検出において、表面欠陥が無い被検出管に誘導される渦電流の模式図である。 同じく、表面欠陥が有る被検出管に誘導される渦電流の模式図である。 本発明の実施例１による表面欠陥の測定結果を示すもので、表面欠陥が無い場合のＳＱＵＩＤセンサーの出力信号である。 同じく、深さ０．１ｍｍの表面欠陥が有る場合のＳＱＵＩＤセンサーの出力信号である。 同じく、深さ０．０５ｍｍの表面欠陥が有る場合のＳＱＵＩＤセンサーの出力信号である。 同じく、直径１．０ｍｍの貫通穴が有る場合のＳＱＵＩＤセンサーの出力信号である。 実施例２で使用する装置構成の詳細を示す図である。 本発明の実施例２による表面欠陥の測定結果を示すもので、深さ０．０５ｍｍの表面欠陥が有る場合のＳＱＵＩＤセンサーの出力信号である。 同じく、深さ０．０３ｍｍの表面欠陥が有る場合のＳＱＵＩＤセンサーの出力信号である。 同じく、深さ０．０１７ｍｍの表面欠陥が有る場合のＳＱＵＩＤセンサーの出力信号である。 同じく、深さ０．０１０ｍｍの表面欠陥が有る場合のＳＱＵＩＤセンサーの出力信号である。

符号の説明

１ ＳＱＵＩＤセンサー
２ コイル
３ センサーコントローラ
４ ロックインアンプ
５ 記録計
６ パーソナルコンピュータ
７ 交流発振器
Ｔ 被検査管

Claims (7)

1. 走行する非磁性金属管の表面欠陥を連続的に検出する方法であって、金属管中に渦電流を発生させ、該渦電流の流れが金属管の表面欠陥により遮られることにより発生する磁界を、ＳＱＵＩＤセンサーで測定することにより表面欠陥を検出することを特徴とする非磁性金属管の表面欠陥検出方法。
2. 前記非磁性金属管が銅管または銅合金管であることを特徴とする請求項１記載の非磁性金属管の表面欠陥検出方法。
3. 走行する非磁性金属管の表面欠陥を連続的に検出する装置であって、金属管中に渦電流を発生させる励磁コイルと、該渦電流の流れが金属管の表面欠陥により遮られることにより発生する磁界を検出するＳＱＵＩＤセンサーと、該ＳＱＵＩＤセンサーの出力のうち所定の周波数成分の信号を選択的に抽出して増幅する増幅手段を備えてなることを特徴とする非磁性金属管の表面欠陥検出装置。
4. 前記励磁コイルがヘルムホルツ型コイルであり、該ヘルムホルツ型コイルがＳＱＵＩＤセンサーの前後に対称に配置され、金属管がヘルムホルツ型コイル中を貫通して走行するよう構成したことを特徴とする請求項３記載の非磁性金属管の表面欠陥検出装置。
5. 前記ＳＱＵＩＤセンサーを金属管の円周方向に複数個配置することを特徴とする請求項３または４記載の非磁性金属管の表面欠陥検出装置。
6. ２個の前記ＳＱＵＩＤセンサーを金属管に対して対称に配置することを特徴とする請求項５記載の非磁性金属管の表面欠陥検出装置。
7. 前記ＳＱＵＩＤセンサーがグラジオメーターであることを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の非磁性金属管の表面欠陥検出装置。

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