JP2006322844A - 探傷プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】 自身のがたまたは傾斜の影響を受けずに、管材の管軸方向及び円周方向のきずを簡便かつ高精度に検知できる渦流探傷用の探傷プローブを提供する。
【解決手段】 探傷プローブ１は、ボビン２にポリイミド線を巻回させてなるソレノイド状の励磁コイル３と、励磁コイル３の軸方向中央部の周方向全域に沿って配置されている複数の円環状の検出コイル４とを備えている。管材の円周方向に延在するきずが存在する場合、励磁コイル３の端部側の管材表面に垂直な磁束による局部的な円環状の渦電流が、この円周方向のきずによって変化する。この渦電流による管材表面に垂直な二次磁束が検出コイル４と鎖交するため、きずの存在に起因する起電力を生じる。この起電力を検出することにより、管材の円周方向のきずを検知する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、検査対象の管材に挿入されて渦流探傷法により管材の探傷を行う探傷プローブに関するものである。

従来、金属材料、加工部品または製品に存在するきずの有無を検査するための非破壊試験法の一つとして、試験対象の表面に渦電流を誘起させ、きずの存在による渦電流の変化を検出することによってきずを検出することができる渦流探傷法がある。この渦流探傷法は、化学プラント、電力プラントなどの熱交換器の保守検査などにも必要不可欠な検査技術として実用されている。

鋼管、アルミニウム管、銅管などの長尺な管材に対する渦流探傷法には、渦電流を誘起させるソレノイド状コイルの中に管材を挿入させることによって探傷を行う貫通コイル法と、渦電流を誘起させるソレノイド状コイルを含む探傷プローブを管材内に挿入して探傷を行う内挿コイル法とがある（例えば、非特許文献１参照）。探傷対象の管材の外側または内側に置かれたソレノイド状コイルから発生する長手方向の磁界によって、管材の管肉内部には周方向の渦電流が生じるので、管材に存在するきずに起因した渦電流の変化を検出してきずを検知する。

図９は、内挿コイル法による従来の探傷プローブの構成を示す図である。ケーブル５１の先端に適宜の距離を隔てて設置した２個のソレノイドコイル５２，５３を有する探傷プローブ５０が、探傷対象の管材６１内に挿入されている。一方のソレノイドコイル５２は、管材６１に渦電流を誘起させる励磁コイルとして機能し、他方のソレノイドコイル５３は、誘起された渦電流のきずに起因する変化を検出する検出コイルとして機能する。
「渦流探傷試験III 」日本非破壊検査協会、２００３年版、７月３１日発行、ｐ．４５、図４．３及び図４．４

内挿コイル法に基づく従来の渦流探傷では、非特許文献１のｐ．１３０〜１３９にも詳述されているように、２個のソレノイドコイルを近接して配置した自己誘導、自己比較型の探傷プローブが一般的に用いられている。保守検査の対象となる熱交換器管などの管材の内部は、長時間にわたって高温の液体などに満たされているため管内の腐食生成物が内表面に堆積したり、管内に海水を通す場合には貝類の付着が見られたりすることが多い。そこで、通常は、非特許文献１のｐ．１３０、図８．２０に示すような長さ２ｍｍの２個のソレノイドコイルを２ｍｍだけ離隔して配置し、ソレノイドコイルの長さを可能な限り短くして、探傷時に探傷プローブが円滑に管内を通過するようにすることが行われる。しかしながら、このような短いソレノイドコイルを用いた探傷プローブでは、挿入した探傷プローブが管内面に対して傾き易いので、探傷時のノイズの影響を防ぎきれないという問題がある。そこで、管内走査時の探傷プローブの傾斜、管内面への付着物の影響を受けることがない内挿コイル法の実現が望まれている。

図１０は、従来の探傷プローブ７０の概念図である。ソレノイドコイル７２への交流通電によって発生する磁界の磁束Ｍ３は、管材６１内部を通過して、金属である管材６１内に渦電流Ｅ３を生じさせる。この渦電流Ｅ３は、管材６１の表面にきずが存在する場合に、その流路が変化し、ソレノイドコイル７２の見かけのインピーダンスが変化するため、その変化を検出することによってきずの検知が可能である。

しかしながら、この渦電流Ｅ３は二次的な磁界を発生させる。この二次的な磁界の磁束Ｍ４はソレノイドコイル７２と直交するため、電磁誘導により、供給される交流電圧と逆方向の起電力を生じる。管材６１を探傷する場合には、この逆方向の起電力が大きいため、この電圧を見かけ上ゼロにして、きずに起因する渦電流の変化のみを検出できるように、通常はブリッジ回路を用いてこの逆方向の起電力を打ち消すようにしている。この逆方向の起電力は、管材６１と探傷プローブ７０との空隙の変化、及び探傷プローブ７０の管材６１内の傾斜角度によって大きく変化するので、きず検知の妨害因子として作用する。そこで、探傷プローブのがた及び傾斜がきず検知に影響を与えないような探傷プローブの開発が望まれている。

また、管材６１の円周方向のきずは、渦電流Ｅ３と同じ方向に（平行に）延在するため、従来の探傷プローブでは、そのきずをほとんど検知できないという問題がある。

ところで、管軸方向のきずは管材の製造過程で生じるため、一般的には相当の長さを有している。きずが長い場合には、上述したような自己比較型の探傷プローブでは、２個のソレノイドコイルの平衡が保たれるため、きずの存在を検知することができない。つまり、従来の自己比較型の探傷プローブにあっては、長いきずの場合にその両端部しか検知できないという問題がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、探傷プローブのがた及び傾斜がきず検知に影響を及ぼさない探傷プローブを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、管材の管軸方向のきず及び円周方向のきずを何れも検知できる探傷プローブを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、管材の管軸方向の長いきずについてもその全域にわたってきずを検知できる探傷プローブを提供することにある。

第１発明に係る探傷プローブは、管材に挿入されて前記管材の探傷を行う探傷プローブにおいて、前記管材に渦電流を誘起させるソレノイド状の励磁コイルと、該励磁コイルの外周に沿って配置され、該励磁コイルで誘起された渦電流の状態に応じた磁界を検出する複数の環状の検出コイルとを備えることを特徴とする。

第１発明の探傷プローブにあっては、ソレノイド状の励磁コイルと、励磁コイルの外周に沿って配置された複数の環状の検出コイルとで構成されており、励磁コイルへの交流印加によって探傷対象の管材に渦電流を誘起させ、誘起させた渦電流のきずの存在に起因する変化を複数の検出コイルで検出して、管材の管軸方向のきずと円周方向のきずとを検知する。

第２発明に係る探傷プローブは、第１発明において、前記複数の検出コイルを、前記励磁コイルの長手方向中央を中心として対称的に配置してあることを特徴とする。

第２発明の探傷プローブにあっては、励磁コイルの長手方向中央を中心として対称的に複数の検出コイルを配置している。よって、正確なきず検知を行える。

第３発明に係る探傷プローブは、第１または第２発明において、前記複数の検出コイルを、前記励磁コイルの外周に密着させてあることを特徴とする。

第３発明の探傷プローブにあっては、励磁コイルの外周に複数の検出コイルを密着させている。よって、管材の管軸方向のきずと円周方向のきずとを精度良く検知する。

第１発明の探傷プローブでは、管材に渦電流を誘起させるソレノイド状の励磁コイルと、励磁コイルの外周に沿って配置され、励磁コイルに誘起された渦電流の状態に応じた磁界を検出する複数の環状の検出コイルとを備えるようにしたので、従来の内挿コイル法による探傷プローブの問題点を解決して、管材内での探傷プローブでの傾斜に基づくノイズ信号の影響を受けることなく、管材の管軸方向のきずと円周方向のきずとを併せて検知することができる。

第２発明の探傷プローブでは、複数の検出コイルを励磁コイルの長手方向中央を中心として対称的に配置するようにしたので、きず検知を正確に行うことができる。

第３発明の探傷プローブでは、複数の検出コイルを励磁コイルの外周に密着させるようにしたので、管材の管軸方向のきずと円周方向のきずとを精度良く検知することができる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る探傷プローブ１の構成を示す図である。図１において、探傷プローブ１は、ボビン２にポリイミド線を巻回させてなるソレノイド状の励磁コイル３と、励磁コイル３の軸方向中央部の周方向全域に沿って密着配置されている複数の円環状の検出コイル４とを備えている。

検出コイル４は絶縁フィルム５の表裏面に純銅のコイルパターンを形成して構成されており、複数の検出コイル４が、励磁コイル３の周方向全域の２列にわたって千鳥配置されている。このような千鳥配置により、すき間を少なくして、きずの検知もれがないようにしており、微小なきずも精度良く検知することが可能である。

また、この検出コイル４の２列の配置位置は、励磁コイル３の長手方向中央を中心として対称である。よって、励磁コイル３の両端部夫々での磁界の影響を平衡化できて、同じきずに対する検知結果が探傷プローブ１の走査方向で異なることを防止できる。この結果、きずを正確に検知することが可能である。更に、検出コイル４が励磁コイル３の外周に密着されており、管軸方向のきずと円周方向のきずとを容易に鑑別できる。

各検出コイル４からは、リード線６が夫々引き出されている。検出コイル４の外周は、合成樹脂からなる保護層７で覆われている。また、ボビン２の一端には、探傷プローブ１を探傷対象の管材に挿入するためのケーブル（図示せず）に接続されるコネクタ８が取り付けられている。

図２は、このような探傷プローブ１を用いた探傷装置の構成を示すブロック図である。励磁コイル３には発振器１１が接続されている。発振器１１は、所定周波数の交流電流を発生し、発生した交流電流を励磁コイル３に供給する。各検出コイル４には、各リード線６を介して増幅器１２が接続されている。増幅器１２は、各検出コイル４に発生する電圧の出力を受け付け、受け付けた各検出コイル４からの出力を適宜増幅し、増幅した信号を出力する。また発振器１１及び増幅器１２には、位相検波器１３が接続されている。位相検波器１３は、増幅器１２が出力する信号を入力信号として受け付け、発振器１１が発生する交流電流を基準信号として受け付け、入力信号から基準信号と同じ周波数の信号を検出し、検出した信号の振幅、及び基準信号と検出した信号との位相差に比例した信号を出力する。位相検波器１３には、位相検波器１３が出力した信号が示す電圧を測定する電圧計１４が接続されている。電圧計１４は、測定した電圧を示すデジタルデータを出力する。電圧計１４には、電圧計１４が出力したデジタルデータを受け付けて記録するパーソナルコンピュータ等の記録部１５が接続されている。

本発明の探傷プローブ１は、上述したように、ソレノイド状の励磁コイル３と、これの周方向に沿って配置した複数の円環状の検出コイル４とで構成されている。励磁コイル３に発振器１１から交流電流を供給した場合、ソレノイドによる磁界が発生し、管材の軸方向磁束が管肉内部も通過する。この磁束によって、管肉内部には管材の円周方向に流れる渦電流が生じる。

図３は、管材２１を円周方向に展開して励磁コイル３による磁束と渦電流とを示した図である。図３において、矢印Ｍ１は励磁コイル３による磁束を表し、矢印Ｅ１は磁束Ｍ１によって生じる渦電流を表している。磁束Ｍ１の方向は管材２１の管軸方向（励磁コイル３の長手方向）であり、渦電流Ｅ１の方向は管材２１の円周方向である。

本発明者は、ソレノイドコイル（励磁コイル３）が発生する磁界の分布を詳細に検討した結果、管肉に垂直な磁束（図３のＭ２）が存在し、この磁束Ｍ２に起因する環状の渦電流（図３のＥ２）が生じることを知見した。この知見に基づき、渦電流Ｅ１及び渦電流Ｅ２を利用して、後述するような原理に基づき、本発明の探傷プローブ１では、管材２１の管軸方向のきずと円周方向のきずとを併せて検知する。

本発明の探傷プローブ１では、ソレノイド状の励磁コイル３の外周方向に沿って複数の円環状の検出コイル４を配置する構成により、従来の内挿型の探傷プローブの欠点を解消して、管材２１の管軸方向のきず及び円周方向のきずを良好に検知することを可能にしている。

励磁コイル３の外周に沿って設けられた円環状の検出コイル４は励磁コイル３の長手方向の中央部に置かれているため、きずが存在しない管材２１では、図３に示す励磁コイル３端部側の管材２１表面に垂直な磁束Ｍ２と検出コイル４の線輪とは鎖交することがなく、また、励磁コイル３中央部に発生する磁束Ｍ１は管材２１表面に平行であるため検出コイル４の線輪とは同様に鎖交しない。このように検出コイル４と鎖交する磁束が存在しないので、検出コイル４には電圧が発生しない。このことは、管材２１内に探傷プローブ１を挿入して走査させた場合に生じる探傷プローブ１の傾斜（変位）に起因するノイズ信号の影響を原理的に受けないことを示している。よって、本発明の探傷プローブ１では、そのがたまたは傾斜の影響を受けることなく、きずを正確に検知することが可能である。

以下、本発明の探傷プローブ１におけるきず検知の原理について説明する。例えば、図４に示すように探傷プローブ１の近傍に管材２１の管軸方向に延在するきずＤ１が存在する場合、励磁コイル３の磁界によって生じた渦電流Ｅ１は、その流れがきずＤ１によって阻害されるので、きずＤ１を迂回して流れる。この場合、渦電流Ｅ１が迂回しても渦電流Ｅ１による二次的な磁界の方向は管材２１表面に平行であり、管材２１表面に垂直な方向の磁束のみを検出する検出コイル４には変化が生じない。しかしながら、図５に示すように、図４の状態を側面から見た場合、渦電流Ｅ１はきずＤ１を迂回して管厚方向（管肉方向）にも流れるため、渦電流Ｅ１による二次的な磁界は管材２１表面に垂直な成分（管厚方向の成分）も持つことになる。励磁コイル３の外周に配置された検出コイル４は、この垂直な成分の磁界による磁束と鎖交するためにきずＤ１の存在に起因する起電力を生じる。よって、この起電力を検出することにより、管材２１の管軸方向のきずＤ１を検知することが可能である。

一方、図６に示すように管材２１の円周方向に延在するきずＤ２が存在する場合には、励磁コイル３の管軸方向の磁束Ｍ１による円周方向の渦電流Ｅ１ときずＤ２とが平行であるため、きずＤ２の存在に起因する渦電流の変化がないので、従来はこのようなきずＤ２は検知できないと考えられていた。ところが、前述したような本発明の知見に基づくと、励磁コイル３の端部側の管材２１表面に垂直な磁束Ｍ２による局部的な円環状の渦電流Ｅ２が、この円周方向のきずＤ２によって変化する。即ち、きずＤ２が存在する一方の端部側では、渦電流Ｅ２の流れがきずＤ２によって阻害されるので、図６に示すように、渦電流Ｅ２の同心円形状が変形することになる。そして、この渦電流Ｅ２による管材２１表面に垂直な二次磁束が検出コイル４と鎖交するため、きずＤ２の存在に起因する起電力を生じる。よって、この起電力を検出することにより、管材２１の円周方向のきずＤ２を検知することが可能である。

以上のようにして、本発明の探傷プローブ１にあっては、励磁コイル３の中央部の管材２１表面に沿った水平方向磁界Ｍ１によって生じる渦電流Ｅ１により検出されるきず信号と、励磁コイル３の端部側の管材２１表面に垂直な磁束Ｍ２によって生じる渦電流Ｅ２により検出されるきず信号との両方を得ることが明らかであるため、管材２１の管軸方向のきずと円周方向のきずとの両方を検知することができる。

以下、本発明の上述したような探傷プローブ１を用いて、探傷実験を行った結果について説明する。直径１０ｍｍのナイロン製のボビン２に線径０．２ｍｍのポリイミド線を２００回巻いて励磁コイル３とした。また、厚さ１０μｍのポリイミド基板からなる絶縁フィルム４の表裏に、厚さ１５μｍの銅箔をパターン形成してなるプレーナ型コイル（各コイルの直径５ｍｍ、巻線数１００ターン）を、励磁コイル３の外周に貼り付けて検出コイル４とした。試験片として外径２５ｍｍ、肉厚１．２ｍｍのアルミニウム管を使用し、人工きずは管軸方向のきず（幅：０．３ｍｍ、長さ：２０ｍｍ）と円周方向のきず（幅：０．３ｍｍ、長さ：２０ｍｍ）とドリル孔（径：２ｍｍ）とを機械加工で生成した。

本発明の探傷プローブ１を上記試験片内へ挿入し、発振器１１から２５ｋＨｚの交流電流を励磁コイル３へ供給し、各検出コイル４の出力信号を電圧計１４で計測して記録部１５で記録した。

図７は、アルミニウム管の試験片に生成した人工きずに対する探傷プローブ１の出力を示す特性図である。横軸は試験片上の所定の位置からきずまでの距離を示す。縦軸は、位相検波器１３が出力した信号の電圧を電圧計１４が測定した電圧の値を示し、これが探傷プローブ１の出力である。管軸方向のきず、円周方向のきず及びドリル孔を何れも精度良く検知できていることが分かる。

なお、試験片はアルミニウム管に限らず、鋼管、黄銅管、チタン管など、他の種類の金属管についても、上述したアルミニウム管と同様に優れた検知結果が得られることを本発明者は確認している。

本発明の探傷プローブを用いる場合には、従来困難であった化学プラント、電力プラントの熱交換器管の保守検査を渦流探傷によって、探傷プローブのがた信号の影響を受けることなく、正確かつ高速に行える。また、きず信号からきずの性状解析が可能となるなど、渦流探傷の信頼性が著しく向上する。その結果、プラントの安全性を確保できるとともに、プラントの保守管理を精度良く実施できて、稼働率の向上を図ることができる。

図８は、本発明の探傷プローブにおける検出コイル４の配置例を示す図である。なお、図８では、励磁コイル３を展開図で示している。図８（ａ）の例では、図１でも示したように、励磁コイル３の軸方向（長手方向）の中央部の周方向全域に２列にわたって千鳥状に検出コイル４を並べている。図８（ｂ）の例では、励磁コイル３の軸方向（長手方向）の中心の周方向全域に１列に検出コイル４を並べている。図８（ｃ）の例では、励磁コイル２の軸方向（長手方向）の中心の周方向全域に１列に検出コイル４を２段に重ねて並べている。

なお、上述した実施の形態では、励磁コイル３の円周方向１列または２列にわたって検出コイル４を配置するようにしたが、３列以上にわたって検出コイル４を配置するようにしても良いことは勿論である。この場合に、励磁コイル３の両端部夫々から検出コイル４配置位置までの距離が等しくなるように、励磁コイル３の長手方向中央を中心として対称的に検出コイル４を配置することが好ましい。また、励磁コイル３が長尺である場合には、複数列の検出コイル４を長手方向に分散させて（例えば、中央部と端部）設置するようにしても良い。この場合にも、励磁コイル３の長手方向中央を中心として対称的に検出コイル４を配置することが好ましい。

また、上述した実施の形態では、検出コイル４の形状を円環状としたが、四角環状、楕円環状など、環状であればその平面視形状は任意であって良い。例えば、四角環状とした場合には、複数の検出コイル４を隙間なく配置することが容易である。

本発明に係る探傷プローブの構成を示す図である。 本発明の探傷プローブを用いた探傷装置の構成を示すブロック図である。 励磁コイルによる磁束と渦電流とを示した図である。 管軸方向のきずを検知する原理を説明するための図である。 管軸方向のきずにおける管肉方向の渦電流の状態を示す図である。 円周方向のきずを検知する原理を説明するための図である。 試験片に生成した人工きずに対する探傷プローブの出力を示す特性図である。 本発明の探傷プローブにおける検出コイルの配置例を示す図である。 内挿コイル法による従来の探傷プローブの構成を示す図である。 従来の探傷プローブの概念図である。

符号の説明

１ 探傷プローブ
２ ボビン
３ 励磁コイル
４ 検出コイル
５ 絶縁フィルム
６ リード線
７ 保護層
８ コネクタ
２１ 管材
Ｍ１ 励磁コイルによる磁束
Ｍ２ 管肉に垂直な磁束
Ｅ１ 磁束Ｍ１によって生じる渦電流
Ｅ２ 磁束Ｍ２によって生じる環状の渦電流
Ｄ１ 管軸方向のきず
Ｄ２ 円周方向のきず

Claims (3)

1. 管材に挿入されて前記管材の探傷を行う探傷プローブにおいて、前記管材に渦電流を誘起させるソレノイド状の励磁コイルと、該励磁コイルの外周に沿って配置され、該励磁コイルで誘起された渦電流の状態に応じた磁界を検出する複数の環状の検出コイルとを備えることを特徴とする探傷プローブ。
2. 前記複数の検出コイルを、前記励磁コイルの長手方向中央を中心として対称的に配置してあることを特徴とする請求項１に記載の探傷プローブ。
3. 前記複数の検出コイルを、前記励磁コイルの外周に密着させてあることを特徴とする請求項１または２に記載の探傷プローブ。

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