JP2007033420A

JP2007033420A - きず深さ評価に適した電磁非破壊検査手法

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Publication number: JP2007033420A
Application number: JP2005239141A
Authority: JP
Inventors: Kunitaka Yusa; 訓孝遊佐; Janousek Ladislav; ヤノーセックラディスラブ; Kenzo Miya; 健三宮
Original assignee: INTERNAT INST OF UNIVERSALITY; INTERNATIONAL INSTITUTE OF UNIVERSALITY
Current assignee: INTERNAT INST OF UNIVERSALITY; INTERNATIONAL INSTITUTE OF UNIVERSALITY
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】測定された信号からきず深さを容易に評価することができ、また表皮深さよりも深いきずに対しても深さの評価を行うことが出来る、電磁非破壊検査手法を提供する。
【解決手段】磁気センサ直下において互いに打ち消す方向に流れる複数の交流電流を重ね合わせ、重ね合わせる交流電流の強度比と磁気センサによって測定される信号の時間遅れとの関係を用い、信号の時間遅れに大きな変化が確認されるときの電流強度比の値が、きず深さに応じたものとなることを利用して、きず深さの評価を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、電磁現象を用いて、構造物や材料に発生したきずの深さの容易な非破壊的評価を実現するための非破壊検査手法に関するものである。

構造物や材料にきずが発見された場合、補修、交換、もしくは継続使用の可否を決定するためには、適当な非破壊検査手法によってきずの大きさを推定し、きずの存在による信頼性の低下の度合いを評価することが必要となる。現在用いられている非破壊検査手法には、音響（超音波）を用いるもの、放射線を用いるもの、電磁現象を用いるものなど数多くの手法が存在するが、それらの中でも電磁現象を用いるものは、取り扱いが容易であり、検査信号が直接電気信号として得られるなどの実用上優れた特徴を有するものが多い。しかしながら、きずの大きさの評価には困難が伴う。電磁現象を用いた非破壊検査手法では、例えば渦電流探傷法や交流電位差法などのように、被検査部に交流電流を流し、得られる信号の時間的な遅れからきず深さを推定するという手法が多くとられている。しかしながら、導体内に流れる交流電流は表皮効果のために被検査部表面に集中し、深さ方向には指数関数的に減衰するという特徴があるため、被検査部表層に関する情報が検査信号中では支配的となってしまう。よって、電磁現象を用いた非破壊検査手法においては、現状では深さ評価が可能であるのは検査面からの深さが５ｍｍ程度以下であるきずに限定されてしまっている。さらに、信号の時間遅れに影響を与えるのは必ずしもきず深さのみではないため、このような手法を用いて正確にきず深さを評価することは難しく、得られた信号の解釈は検査員の技能に大きく依存するという問題もある。

本発明はこのような背景に鑑み創案されたものであり、検査信号からきず深さを容易に評価することが出来、またその際深さ評価が可能であるきずは検査面表層部に限定されるものではない電磁非破壊検査手法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための請求項１の発明は、交流電流を印加した複数の励磁コイルを用いて渦電流を被検査部に誘導し、誘導された渦電流のきずの存在による乱れを誘導コイルやホール素子などの磁気センサを用いて交流信号を測定し、各励磁コイルの励磁電流の比を変化させて測定を行うことで励磁電流の比と測定信号の時間遅れの関係を明らかにし、時間遅れに励磁周波数の半周期に近い急な変化が確認される時の励磁電流の比の値がきず深さに依存したものであることを利用して、きず深さの評価を行う電磁非破壊検査手法であり、磁気センサ直下において、各励磁コイルが作り出す渦電流が互いを打ち消す方向に流れ、かつそれぞれの深さ方向の浸透の度合いは異なるように、励磁コイルが配置されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、交流電圧を印加した複数対の端子を用いて交流電流を被検査部に流し、交流電流のきずの存在による乱れを誘導コイルやホール素子などの磁気センサを用いて交流信号を測定し、各端子の励磁電圧の比を変化させて測定を行うことで励磁電圧の比と測定信号の時間遅れの関係を明らかにし、時間遅れに励磁周波数の半周期に近い急な変化が確認される時の励磁電流の比の値がきず深さに依存したものであることを利用して、きず深さの評価を行う電磁非破壊検査手法であり、磁気センサ直下において、各端子によって流される交流電流が互いを打ち消す方向に流れ、かつそれぞれの深さ方向の浸透の度合いは異なるように、端子が配置されていることを特徴とする。

以上のような電磁非破壊検査装置および非破壊検査手法においては、簡便かつ明瞭にきず深さの評価を行うことが出来、また従来の電磁非破壊検査手法では評価が困難であった深いきずの深さも定量的な評価も可能となる。

被検査部に流れる電流の乱れを検出するという点では、本発明による非破壊検査手法が利用している物理現象は従来の渦電流探傷法や交流電位差法と同じものであるのだが、以下に詳しく述べるように、本発明による非破壊検査手法によるきず深さ評価法は従来の手法を用いた場合と比べてはるかに簡便であるという優れた特徴を有している。さらに、渦電流探傷法や交流電位差法においては表皮深さよりも深いきずの深さ評価は困難であったが、本発明による非破壊検査手法を用いると、表皮深さよりもはるかに深いきず深さの評価も可能である。

次に、本発明における実施例および何故本発明によると表皮深さ評価を容易に行うことが可能となるのかについて、添付図面に基づいてより詳細に説明する。各図に共通の部分は同じ符号を使用している。

図１は、本発明における請求項１の実施形態の一例を示す。図１（ａ）が正面図、図１（ｂ）が側面図である。図は、同軸かつ各コイルの軸心が検査面に対して平行になるように配置された４体の矩形コイルを用いた場合を示したものであり、図中央の点１０と、それに対して左右対称２対の励磁コイル１１、１２、１３、１４が配置されている。励磁コイル１１、１２、１３、１４に外部より交流電流を印加することで試験体１５に渦電流を誘導するための交流磁場を発生させるが、その際励磁コイル１１と励磁コイル１２の作り出す磁場の極性が常に逆向きであり、かつ励磁コイル１１と励磁コイル１３の作り出す磁場の極性も常に逆向きであり、かつさらに励磁コイル１３と励磁コイル１４の作り出す磁場の極性も常に逆向きとなるように交流電流が流される。このような磁場は例えば、励磁コイル１１と１４に対してある周波数の交流電流を同じ向きに流し、励磁コイル１２と１３に対しては、同一周波数かつ位相が１８０度異なる交流電流を流すことによって実現される。すなわち、図１（ｂ）に示す側面図において、ある瞬間に励磁コイル１１、１４に図中２１方向の電流が流れている場合は励磁コイル１２、１３には図中２２方向の電流が流れ、逆に励磁コイル１１、１４に時計回りの電流が流れている場合には励磁コイル１２、１３には反時計回りの電流を流せばよい。

点１０直下において誘導される渦電流の分布は、コイル１１、１２、１３、１４によって誘導される渦電流それぞれの重ね合わせとして得られる。コイル１２、１３によって誘導される渦電流は、励磁源からの距離が近いために表面で強い渦電流が誘導されるが、深さとともに表皮効果により指数関数的に強度が減衰する。それに対し、コイル１１、１４によって誘導される渦電流は、励磁源からの距離が遠いために表面での強度は小さいものの、深さ方向に対する減衰の度合いも小さいという特徴がある。図２はこのような特徴を表現したものであり、分布３１がコイル１２、１３によって誘導される渦電流強度、分布３２がコイル１１、１４によって誘導される渦電流の強度の深さ方向分布を表したものである。ただし、コイル１１、１４と１２、１３とに流れている励磁電流の向きが逆向きであるため、実際には渦電流分布３１と渦電流分布３２では流れている渦電流の向きは互いに反対向きである。

渦電流分布３１と３２とでは流れる電流の向きが互いに逆向きであり、かつ深さ方向の減衰の程度が異なるという特徴がある。よって、渦電流分布３１と渦電流分布３２とを重ね合わせた場合、表層部と深部とでは逆向きの電流が流れているような分布を作り出すことが可能となる。さらにこのとき、流れている電流の向きが逆転する深さは、重ね合わせる２つの渦電流分布の比に依存したものとなる。図３はこの様子を示したものであり、渦電流分布４１、４２、４３、４４は、図２に示した渦電流分布３１と３２とを互いに逆向きに、それぞれ、１：１、１：１．５、１：１．８、１：２．５の比で重ね合わせたときに得られる分布である。また図中の５１、５２、５３は渦電流の流れが逆転する深さを示している。

試験体中に存在する不連続部の存在は電流分布を乱すものであるため、その乱れを磁気センサ等により検出することで不連続部を検出することが出来る。このとき、検出される信号の位相をロックインアンプ等を用いて測定すると、この位相とは、乱れが生じた部位にもともと流れていた電流の時間遅れを反映したものとなる。例えばきずが無い状態では渦電流分布４２が実現されていたとすると、点５２よりも探傷面側（図中上側）に存在するきずと深部側（図中下側）に存在するきずとでは、乱されている電流の位相が１８０度異なったものとなるため、得られる検出信号の位相成分にも１８０度のずれが生ずる。よって、渦電流分布の重ね合わせの比を変化させることで誘導される渦電流の向きが反転する深さを変えつつ信号を測定したとすると、不連続部の表面からの深さに応じて、ある比の値前後で探傷信号の位相に１８０度の変化が確認され、これはきずの深さ方向位置に関する情報を反映したものとなる。

実際には探傷信号の検出信号はきずの存在による電流の乱れ全てによる影響を受けるものであるために、きず位置と渦電流の向きが反転する深さは厳密に一致するものではなく、また探傷信号の位相変化も厳密に１８０度であるとは限らない。しかしながら、後述の試験結果において観測されたように、この位相変化は十分に明瞭なものであり、深さ位置が既知であるきずからの信号を測定することであらかじめ校正曲線を作成しておけば、信号の位相に変化が確認されたときの電流比からきず深さを推定することは容易である。

電流の重ね合わせの比を変化させるためは各励磁コイルに流れる電流を制御すればよく、よって実際には励磁コイル電流比を変化させていったときの検出信号の変化の様子を測定すればよい。

以上では被検査部に電流を流すために図１に示したコイルを用いて渦電流を誘導した場合を具体例に挙げて説明したが、互いに逆向きでありかつ深さ方向への浸透の様子が異なる電流分布を重ね合わせて図３に示したような電流分布を形成することが肝要であるのだから、実際にはコイルの配置は図１に限定されるものではない。

また、電磁誘導ではなく、被検査部近傍に接触させた複数の端子に交流電圧をかけることで交流電流を材料中に流すことによっても図３に示した電流分布を実現することができるということは明白である。

続いて、請求項１にて述べた本発明の実施形態に基づいて実際に試験装置を製作し、その性能試験を行った結果について述べる。

性能試験において被検査部に電流を誘導するためには、図１に示したものと同一形状の４つの矩形コイルを用いた。各コイルの巻き枠の大きさは３０ｍｍ角であり、巻き線幅は１０ｍｍである。コイル１２と１３の間隔は５０ｍｍと設定した。各コイルに流れる電流はファンクションシンセサイザーおよびバイポーラアンプを用いて制御し、その周波数は１００ｋＨｚとした。信号検出のため、図１点１０に示した４つの矩形コイルの中心位置に表面対向パンケーキ型のコイルを配置した。コイルに誘導される交流電圧の位相遅れを明瞭に評価するため、検出にはロックインアンプを用いた。

試験は、深さ、長さ、幅がそれぞれ１０ｍｍ、４０ｍｍ、０．５ｍｍである人工ノッチが加工されたＳＵＳ３１６製平板を用いて行った。検査装置をノッチ直上を走査させたときに得られる信号が、コイル１１、１４とコイル１２、１３に流れる励磁電流の比によってどのように変化するのかを測定した結果が図４、図５、図６、図７である。各図に示した試験結果において、コイル１１、１４とコイル１２、１３に流れる励磁電流の比はそれぞれ、８：１、８：５、８：６、８：７となっている。いずれの場合も、検出信号の励磁電源と同位相成分をＸ軸に、それと９０度異なった位相成分するＹ軸に示している。励磁コイルに流れる電流の比を変化させると得られる信号が徐々に回転する、すなわち図中θで示されている信号の位相の値が変化していることを確認することが出来る。

励磁電流比と信号の位相（時間遅れ）の関係を用いてきず深さを評価することが可能であることを示すために、有限要素法による数値解析を実施した。得られた結果が図８である。探傷試験と同様に図１に示したコイルを用いたとき、さまざまな深さのきずに対して、励磁コイル１１、１４と、励磁コイル１２、１３に流れる電流の比を変化させたときに信号の位相がどのように変化するのかを、解析により明らかにした。図中６１、６２、６３、６４、６５、６６はきず深さがそれぞれ６ｍｍ、１０ｍｍ、１４ｍｍ、１６ｍｍ、２０ｍｍ、２４ｍｍであるときの、励磁コイル電流比と信号の位相角変化を表したものである。ここで、図中縦軸は信号の位相の絶対値ではなく、励磁コイル電流比が０、すなわち励磁コイル１２、１３に電流が流れておらず、コイル１１、１４のみを用いて渦電流が誘導されているときに得られる信号の位相からの変化分をとっている。図８に示した解析結果より、きず深さに関する情報が、励磁コイル電流比と信号の位相角変化に反映されたものとなっていることが確認できる。

ここで、本電磁非破壊検査手法を用いて具体的にきず深さを評価するためには、あらかじめ深さが既知である複数の人工ノッチ等に対して試験もしくは数値解析を行った結果に基づいて作成される校正曲線を用いればよい。例えば励磁電流比が０であったときに対して信号の位相角が９０度変化するときの励磁電流比の値をもってきず深さを評価するのであれば、図８に示した解析結果からは図９に示した校正曲線を得ることが出来る。このとき、もしも深さが未知であるきずに対する試験結果において、励磁電流比が０．８のときに信号の位相が９０度変化したのであれば、図９の校正曲線より、このきずの深さは１１から１２ｍｍ程度であると評価することが出来る。

渦電流探傷法などの、交流電流を用いた従来の電磁非破壊検査手法においては、表皮深さよりも深いきずに対しては、きず深さ評価が困難となるという問題があった。ＳＵＳ３１６材に対して励磁周波数１００ｋＨｚを用いた場合、表皮深さは１ｍｍ強であり、よって従来の電磁非破壊検査手法を用いた場合は１ｍｍよりも深いきずの深さを定量的に評価することは難しい。しかしながら、図８に示されたように、本手法を用いた場合は２０ｍｍ深さのきずに対しても定量的な深さ評価が可能である。

実施形態の効果

このように、この実施形態によれば、材料中に存在するきずの深さを非破壊的かつ簡便に評価することが可能となり、また従来の電磁非破壊検査手法では深さ評価が困難であった深いきずに対しても深さ評価を行うことが出来るようになる。

他の実施形態

以上にて説明した図１の実施形態では、励磁コイル電流を変化させることで電流分布の重ね合わせの比を変化させたが、コイル位置、もしくは周波数を変化させても同様の効果を得ることが出来る。また、励磁コイルを用いて電磁誘導現象により被検査部に渦電流を発生させる以外にも、端子を接触させて直接交流電流を試験体内部に流すことによっても本発明を実施することが出来る

本発明請求項１の一実施形態であるコイル配置の正面図（図１（ａ））および側面図（図１（ｂ））である。図１に示した励磁コイル１１、１４とコイル１２、１３によって導体内部に誘導される渦電流強度の深さ方向分布を示した図である。深さ方向への減衰の度合いが異なる複数の電流分布を重ね合わせたときに得られる電流分布を示した図である。本発明の有効性を示すために行った探傷試験において、励磁コイル電流比を８：１としたときに得られた信号である。本発明の有効性を示すために行った探傷試験において、励磁コイル電流比を８：５としたときに得られた信号である。本発明の有効性を示すために行った探傷試験において、励磁コイル電流比を８：６としたときに得られた信号である。本発明の有効性を示すために行った探傷試験において、励磁コイル電流比を８：７としたときに得られた信号である。数値解析によって得られた、さまざまな深さのきずに対する、励磁コイル電流比と信号位相の関係である。図８に示した数値解析結果から得られた、本発明を用いた非破壊検査試験結果からきず深さ評価を行うために用いられる、校正曲線の一例である。

符号の説明

１０、きず深さ評価を行う部位を表したものである。
１１、１２、１３、１４、本発明の一実施形態において被検査部深さ方向での減衰の度合いが異なる渦電流を誘導するための励磁コイル配置の一例である。
１５、検査対象である。
２１、２２、励磁コイル中に流れる電流の向きを表現したものである。
３１、点１０に近い箇所に存在する励磁コイルによって誘導される渦電流の、点１０直下における深さ方向分布を表現したものである。
３２、点１０から遠い箇所に存在する励磁コイルによって誘導される渦電流の、点１０直下における深さ方向分布を表現したものである。
４１、４２、４３、４４、電流分布３１と３２を適当な比で重ねあわせたときに得られる電流分布を表したものである。
５１、５２、５３、電流分布４１、４２、４３それぞれにおいて、表面と同じ向きに流れる渦電流が誘導されている領域と、表面と反対向きに流れる渦電流が誘導されている領域の境界を現したものである。
６１、深さが６ｍｍのきずの測定から得られる、励磁電流比と信号の位相変化を表したものである。
６２、深さが１０ｍｍのきずの測定から得られる、励磁電流比と信号の位相変化を表したものである。
６３、深さが１４ｍｍのきずの測定から得られる、励磁電流比と信号の位相変化を表したものである。
６４、深さが１６ｍｍのきずの測定から得られる、励磁電流比と信号の位相変化を表したものである。
６５、深さが２０ｍｍのきずの測定から得られる、励磁電流比と信号の位相変化を表したものである。
６６、深さが２４ｍｍのきずの測定から得られる、励磁電流比と信号の位相変化を表したものである。

Claims

交流電流を印加した複数の励磁コイルを用いて渦電流を被検査部に誘導し、誘導された渦電流のきずの存在による乱れを誘導コイルやホール素子などの磁気センサを用いて交流信号を測定し、各励磁コイルの励磁電流の比を変化させて測定を行うことで励磁電流の比と測定信号の時間遅れの関係を明らかにし、時間遅れに励磁周波数の半周期に近い急な変化が確認される時の励磁電流の比の値がきず深さに依存したものであることを利用して、きず深さの評価を行う電磁非破壊検査手法であり、磁気センサ直下において、各励磁コイルが作り出す渦電流が互いを打ち消す方向に流れ、かつそれぞれの深さ方向の浸透の度合いは異なるように、励磁コイルが配置されていることを特徴とする。
交流電圧を印加した複数対の端子を用いて交流電流を被検査部に流し、交流電流のきずの存在による乱れを誘導コイルやホール素子などの磁気センサを用いて交流信号を測定し、各端子の励磁電圧の比を変化させて測定を行うことで励磁電圧の比と測定信号の時間遅れの関係を明らかにし、時間遅れに励磁周波数の半周期に近い急な変化が確認される時の励磁電流の比の値がきず深さに依存したものであることを利用して、きず深さの評価を行う電磁非破壊検査手法であり、磁気センサ直下において、各端子によって流される交流電流が互いを打ち消す方向に流れ、かつそれぞれの深さ方向の浸透の度合いは異なるように、端子が配置されていることを特徴とする。