JP2010085298A - パルス励磁型渦電流探傷方法及び探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】渦電流による磁束から減衰の傾きを評価することができるパルス励磁型渦電流探傷方法及び探傷装置を提供することにある。
【解決手段】
励磁コイルと検出素子で構成されたプローブ２４と、励磁コイルにパルス状の励磁電流を流す励磁手段と、被検体内に励磁電流による磁束を浸透させ、励磁電流の遮断により被検体内に発生する渦電流を検出素子３４にて検出した渦電流による磁束の時間的な減衰特性を算出する算出手段とを有する。励磁コイルは、複数個の励磁コイル３２，３３から構成される。複数個の励磁コイル３２，３３は、各励磁コイルに鎖交する磁束量を減らすように相互干渉させつつ被検体内に磁束を浸透させ、励磁電流遮断時に検出素子にて励磁電流による磁束が短時間に減衰するようにしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、パルス励磁型渦電流探傷方法及び探傷装置に係り、特に、渦電流による磁束のみから肉厚評価に好適なパルス励磁型渦電流探傷方法及び探傷装置に関する。

発電プラント等では、配管設備の健全性が定期的に検査される。一般的に、配管各部の厚みを逐次測定して減肉の有無を確認する。そのため、配管検査には長い検査時間と多大な労力を要する。そこで、パルス励磁方式渦電流探傷法が迅速かつ負荷の少ない配管検査方法の１つとして適用されつつある。パルス励磁方式渦電流探傷法は電磁気的な作用を利用した方法である。そのため、超音波検査での接触媒質塗布や保温材脱着などの付帯作業が不要で、保温材上にプローブを配置するだけで検査できる。この特徴から、効率的な自動配管検査技術として期待できる。

パルス励磁方式渦電流探傷では、励磁コイルと検出素子で構成されるプローブを用い、プローブを配管或いは保温材上に配置する。そこで、励磁コイルに矩形電圧を印加し、配管に渦電流を発生させ、その渦電流による磁束を検出素子で観測する。渦電流による磁束の時間変化は配管の厚さに依存し、矩形電圧の立ち下がり時の磁束の減衰の傾きを評価することで減肉量が推定される。しかしながら、励磁コイルの励磁電流が矩形電圧波形に対して時定数分だけ遅れた波形となり、検出素子には渦電流による磁束だけでなく、励磁電流による磁束が含まれた波形となる。そのため、両者を分離して渦電流による磁束のみから減衰の傾きを評価することが求められる。

従来にも、渦電流による磁束のみで肉厚評価をする方法としては、次のものが知られている。すなわち、フェライトコアに一次及び二次コイルを巻回し、一次コイルに矩形波電流を供給した際に二次コイルに生じるパルス波形電圧のパルス幅を大きさの異なる２つの閾値電圧を用いて測定し、両パルス幅を用いてフェライトコアと導電性の被検査体との距離の変動による影響を相殺し、真に被検査体の微少亀裂、欠陥等の傷のみを検出するものである（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１記載のものは、大きさの異なる２つのしきい値を設定して渦電流による磁束のみを評価するデータ処理方法に関するものであり、しきい値を適切に設定しないと、渦電流による磁束のみから減衰の傾きを正確に評価できないものである。

また、渦電流による磁束のみで肉厚評価をする方法ではないが、類似する構成を有する渦電流探傷装置として、第１の励磁用コイルと該第１の励磁用コイルに隣接して配置される第２の励磁用コイルの励磁部と励磁部に隣接して配置される磁界検出部（検出コイル或いは磁気検出素子）から構成されるものが知られている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２記載にものでは、第１の励磁用コイルと第２の励磁用コイルとに流す電流をそれぞれ調整することで起磁力比を調整して、第１の励磁用コイルと第２の励磁用コイルの直下の配管に局所的な渦電流を発生させる。これにより、配管の周囲に保温材が巻かれており、コイルと配管との距離がある場合においても、第１及び第２の励磁用コイル直下の配管に局所的な渦電流を生起させるようにしたものである。したがって、渦電流による磁束のみから減衰の傾きを正確に評価できないものである。

特許第２６２２５３６号明細書 特開２００８−３２５７５号公報

パルス励磁方式渦電流探傷法では、検出素子で観測される磁束には、渦電流による磁束だけでなく、励磁電流による磁束が含まれる。そのため、両者を分離して渦電流による磁束から減衰の傾きを評価することが求められる。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２のいずれにあっても、渦電流による磁束から減衰の傾きを評価することができないという問題があった。

本発明の目的は、渦電流による磁束から減衰の傾きを評価することができるパルス励磁型渦電流探傷方法及び探傷装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、（１）励磁電流による磁束の影響を小さくし、（２）励磁電流の立ち下がり時間を短縮することで、渦電流による磁束のみから減衰の傾きを評価するようにしている。そのため、本発明は、複数個の励磁コイルを用いて各励磁コイルに鎖交する磁束量を減らすように相互干渉させつつ被検体内に磁束を浸透させ、励磁電流遮断時に検出素子にて励磁電流による磁束が短時間に減衰するようにしたものである。

本発明によれば、渦電流による磁束から減衰の傾きを評価することができるものとなる。

以下、図１〜図１２を用いて、本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１〜図４を用いて、本実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置の全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置の全体構成を示すブロック図である。図２は、本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置に用いるプローブの構成を示す正面断面図である。図３は、本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置に用いるプローブによって発生する磁束分布の説明図である。図４は、比較例として、特許文献２記載の構成のプローブによって発生する磁束分布の説明図である。

図１に示すように、励磁電流をプローブ２４に出力する励磁手段は、トリガ信号発生装置２１と、任意波形発生器２２と、電力増幅器２３とから構成される。トリガ信号発生装置２１は、トリガ信号を任意波形発生器２２に出力する。任意波形発生器２２は、トリガ信号を受け、予め設定した電圧波形を電力増幅器２３に出力する。電力増幅器２３は、設定した倍率で増幅した電圧波形をプローブ２４の励磁コイルに出力する。プローブ２４は、被検体である配管の外周に巻かれた保温材上に配置される。プローブ２４から発生する磁束により配管には渦電流が発生する。

被検体内に発生する渦電流を前記検出素子にて検出した渦電流による磁束の時間的な減衰特性を算出する算出手段は、信号増幅器２６と、オシロスコープ２７と、コンピュータ２８とから構成される。プローブ２４の検出素子は、この渦電流を検出し、検出された信号は信号増幅器２６で増幅される。増幅された信号は、オシロスコープ２７によりＡＤ変換され、コンピュータ２８に保存される。プローブ２４は、位置制御装置２９と機械的／電気的に接続されており、コンピュータ２８にて、配管上での位置が制御される。

図２に示すように、励磁コイル３１は、内側励磁コイル３２と外側励磁コイル３３により構成され、直列に結線されている。内側励磁コイル３２と外側励磁コイル３３とは、同心軸Ｚに対して同心に配置されている。

検出素子３４にはホール素子を用い、同心軸Ｚの軸上に配置される。検出素子３４は、図１に示した直流電源２５よりＤＣ電圧が印加される。

プローブ２４の励磁コイル３１には、線径φ０．１ｍｍのエナメル線を用い、内側励磁コイル３２を８００回巻き、外側励磁コイル３３を７００回巻きでそれぞれ反対方向に巻回し、直列結線したものである。結果として、励磁コイル３１は、内径φ５ｍｍ、外径φ１４．５ｍｍ、高さ５ｍｍとなっている。

図３は、本実施形態のプローブによって発生する磁束分布を示している。図３において、破線の太さは、磁場強度に対応して図示しており、破線が太いほど磁場強度が強いことを示している。

前述したように、内側励磁コイル３２と外側励磁コイル３３には反対方向の励磁電流が流れ、磁束が内側励磁コイル３２と外側励磁コイル３３の間で強めあい、同心軸Ｚの検出素子の位置で弱めあう。その結果、励磁コイルの周囲の磁束分布はドーナツ形状となり、同心軸上で励磁電流による磁束を低減できる。すなわち、同心軸上に配置される検出素子の位置における磁束を低減できる。

一方、図４は、特許文献２におけるプローブによって発生する磁束分布を示している。プローブは、同心配置された第１の励磁用コイルと第２の励磁用コイルとからなる。配管３６の外周には保温材３８が巻かれており、プローブは保温材の上に配置される。保温材が厚い場合、プローブから配管までの距離が長くなる。

そこで、特許文献２においては、第１の励磁用コイルと第２の励磁用コイルとに流す電流をそれぞれ調整することで起磁力比を調整して、第１の励磁用コイルと第２の励磁用コイルの直下の配管に局所的な渦電流を発生させる。結果として、同心軸の位置における磁束は低減できてないものである。

また、図２に示した本実施形態の励磁コイル３１では、励磁電流の立ち下がりを小さくできるものである。一般に、励磁コイルの自己インダクタンスＬは、鎖交磁束量Φと励磁電流Ｉの比（Ｌ＝Φ／Ｉ）である。そして、本実施形態の励磁コイル３１では、同心軸Ｚ上で磁束を弱めあうため、プローブ２４の鎖交磁束量Φの絶対量が減少し、励磁コイルの自己インダクタンスＬが小さくなる。その結果、プローブ２４の時定数τ（＝Ｌ／Ｒ）が小さくなり、励磁電流の立下がり時間を短縮できる。

次に、図５を用いて、本実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置における検出信号について説明する。
図５は、本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置における検出信号を示す波形図である。

図５において、横軸は時間を示している。図５（ａ）の縦軸は商用電源の電圧を示し、図５（ｂ）の縦軸はトリガ電圧を示している。図５（ｃ）の縦軸は励磁電圧を示し、図５（ｄ）の縦軸は検出電圧を示している。

図５（ａ）に示すように、商用電源の電圧波形は、５０Ｈｚの正弦波である。図１に示したトリガ信号発生装置２１は、図５（ａ）に示した商用電源に同期して、図５（ｂ）に示すように、トリガ信号を出力する。

任意波形発生器２２は、トリガ信号発生装置２１が発生するトリガ信号を受け、図５（ｃ）に示すように、１サイクル４０ｍｓで、０ｍｓから２０ｍｓと２０ｍｓから４０ｍｓで正負反転の電圧波形の励磁電圧を出力する。

励磁電圧は、図１に示したプローブ２４の励磁コイルに供給され、磁束を発生する。その結果、磁束の中に配置された被検体である配管等には、渦電流が発生する。この渦電流によって生じる磁束の変化は、検出素子によって、図５（ｄ）に示す検出電圧をとして検出される。

次に、図６を用いて、本実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置による肉厚評価の処理内容について説明する。
図６は、本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置による肉厚評価の処理内容を示すフローチャートである。

ステップＳ１１１において、図１の位置制御装置２９は、開始時にプローブを検査位置に設定する。

次に、ステップＳ１１２において、図１のトリガ信号発生装置２１，任意波形発生器２２及び電力増幅器２３は、プローブ２４の励磁コイルにパルス電圧を印加する。

そして、ステップＳ１１３において、そのときの磁束の変化を、図１のプローブ２４の検出素子で検出する。検出された信号は、図１の信号増幅器２６，オシロスコープ２７を経て、コンピュータ２８に保存される。

次に、ステップＳ１１４において、図１のコンピュータ２８は、保存した検出値を対数に変換し、ステップＳ１１５において、時間変化における近似直線を演算する。さらに、ステップＳ１１６において、図１のコンピュータ２８は、近似直線の勾配から被検体の厚みを演算し、ステップＳ１１７において、演算結果を表示する。

ステップＳ１１８において、検査終了か否かを判定し、検査を終了しない場合には、ステップＳ１１９において、図１の位置制御装置２９は、次の検査位置にプローブを設定し、ステップＳ１１２以降の処理を繰り返して、次の検査位置における検査を実行する。

なお、検出素子では、励磁電流による磁束と渦電流による磁束に加えて、検査対象の残留磁気ノイズや電源ノイズが観測される。すなわち、図５（ｄ）に示した検出電圧には図示してないが、検出電圧には、直流分に相当するノイズ電圧が重畳している。そこで、コンピュータ２８は、図５（ｄ）の０ｍｓから２０ｍｓの観測データから、２０ｍｓから４０ｍｓの観測データを差し引く差分処理を実行することで、ノイズを除去している。

次に、図７〜図１２を用いて、本実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置における検出信号について説明する。
最初に、図７を用いて、比較検証用に用いたプローブの構成について説明する。
図７は、比較検証用に用いたプローブの構成を示す正面図である。

比較検証用プローブ４１は、比較検証用励磁コイル４２と、検出素子４３とを備えている。比較検証用励磁コイル４２には、線径φ０．１ｍｍのエナメル線を用い、内径φ５ｍｍ、外径φ１４．５ｍｍ、高さ５ｍｍで巻回した。比較検証用励磁コイル４２は１５００回巻きであり、検出素子４３をプローブ２４での配置と同等にした。すなわち、励磁コイル４２の同心軸Ｚの上の検査対象４５の側に検出素子４３を配置した。

次に、図８を用いて、本実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置による磁束の測定結果について説明する。
図８は、本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置による磁束の測定結果を示す波形図である。

図８において、横軸は時間を示し、縦軸は図５（ｄ）に示した検出電圧を示している。横軸の時間において、時間１０ｍｓまでは励磁コイルにより励磁しており、時間１０ｍｓにおいて、励磁電圧を遮断している。

また、図８において、実線Ａは、本実施形態によるプローブにおける磁束の測定結果を示し、破線Ｂは、比較検証用プローブを用いた場合における磁束の測定結果を示している。なお、図８に示す波形は、検査対象のない状態で、本実施形態のプローブ２４と比較検証用プローブ４１の励磁電流による磁束を測定した結果を示している。

励磁中においては、比較検証用のプローブの検出電圧（破線Ｂ）は約１０Ｖであるのに対して、本実施形態のプローブの検出電圧（実線Ａ）では約１０^−１Ｖと大幅に低減している。これは、図３にて説明したような本実施形態のプローブを用いることで、検出素子の位置における磁束を低減できたからである。

また、励磁が終了し、遮断状態になった後の励磁電流の立ち下がり時間について見ると、比較検証用のプローブの検出電圧（破線Ｂ）は約１ｍｓであるのに対して、本実施形態のプローブの検出電圧（実線Ａ）では約０．１ｍｓと大幅に低減している。これは、図３にて説明したように、検出素子の位置における鎖交磁束を低減できたため、励磁コイルの自己インダクタンスＬを小さくでき、結果として、励磁コイルの自己インダクタンスＬと抵抗Ｒの比で表される励磁コイルの時定数τ（＝Ｌ／Ｒ）が小さくできたからである。

次に、図９を用いて、本実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置による肉厚評価波形について説明する。
図９は、本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置による肉厚評価波形を示す波形図である。

図９は、本実施形態のプローブ２４で測定し、差分処理により得られる肉厚評価波形を、模式的に示したものである。肉厚評価波形１は、励磁電流遮断後の渦電流による磁束２と、励磁コイルに流れる励磁電流による磁束３と、信号レベルの下限となる装置ノイズ４とで構成される。

次に、図１０を用いて、比較検証用プローブによる肉厚評価波形について説明する。
図１０は、比較検証用プローブによる肉厚評価波形を示す波形図である。

図１０は、比較検証用プローブで測定し、差分処理により得られる肉厚評価波形を、模式的に示したものである。肉厚評価波形６１は、励磁電流遮断後の渦電流による磁束６２と、励磁コイルに流れる励磁電流による磁束６３と、信号レベルの下限となる装置ノイズ６４とで構成される。

図９と図１０を比較すると、本実施形態のプローブでは、（１）励磁電流による磁束の影響が小さくなり、（２）励磁電流の立下がり時間が短縮される。これにより、図９に示す本実施形態のプローブを用いることで、渦電流による磁束のみで減衰の傾きを評価できる。

次に、図１１及び図１２を用いて、本実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置による測定結果について説明する。
図１１及び図１２は、本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置による測定結果の説明図である。

図１１は、厚さ１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍの磁性材平板に対して、本発明のプローブで測定した結果を示す。検査対象のない場合の励磁電流による磁束の影響を抑制し、それぞれの厚さに対して渦電流による磁束が検出されていることを確認した。

図１２は、図１１に示したそれぞれの測定波形に対して、渦電流による磁束の信号から減衰の傾きを最小二乗法で評価したものである。信号の減衰の傾きと厚さとが１対１で対応し、本方法による肉厚評価が可能なことを示している。

以上説明したように、本実施形態によれば、励磁電流による磁束の影響を抑制し、渦電流による磁束のみで減衰の傾きを評価することが可能になる。

本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置に用いるプローブの構成を示す正面断面図である。 本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置に用いるプローブによって発生する磁束分布の説明図である。 比較例として、特許文献２記載の構成のプローブによって発生する磁束分布の説明図である。 本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置における検出信号を示す波形図である。 本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置による肉厚評価の処理内容を示すフローチャートである。 比較検証用に用いたプローブの構成を示す正面図である。 本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置による磁束の測定結果を示す波形図である。 本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置による肉厚評価波形を示す波形図である。 比較検証用プローブによる肉厚評価波形を示す波形図である。 本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置による測定結果の説明図である。 本発明の一実施形態によるパルス励磁型渦電流探傷装置による測定結果の説明図である。

符号の説明

２１…トリガ信号発生装置
２２…任意波形発生装置
２３…電力増幅器
２４，１００…プローブ
２５…直流電源
２６…信号増幅器
２７…オシロスコープ
２８…コンピュータ
２９…位置制御装置
３１，４２…励磁コイル
３２…内側励磁コイル
３３…外側励磁コイル
３４，４３…検出素子
３６，４５…被検体
４１…比較検証用プローブ

Claims (4)

1. 励磁コイルと検出素子で構成されたプローブで、励磁コイルにパルス状の励磁電流を流して被検体内に励磁電流による磁束を浸透させ、励磁電流の遮断により被検体内に渦電流を発生させ、前記検出素子にて検出した前記渦電流による磁束の時間的な減衰特性から被検体を検査するパルス励磁型渦電流探傷方法であって、
   前記励磁コイルとして、複数個の励磁コイルを用い、
   各励磁コイルに鎖交する磁束量を減らすように相互干渉させつつ被検体内に磁束を浸透させ、
   励磁電流遮断時に検出素子にて励磁電流による磁束が短時間に減衰するようにしたことを特徴とするパルス励磁型渦電流探傷方法。
2. 請求項１記載のパルス励磁型渦電流探傷方法において、
   前記複数の励磁コイルとして、２つの励磁コイルを用い、
   これらの２つの励磁コイルを同心状に配置するとともに、
   両者のコイル線の巻き方向が反対となるように直列結線した構造としたことを特徴とするパルス励磁型渦電流探傷方法。
3. 請求項１記載のパルス励磁型渦電流探傷方法において、
   前記被検体に垂直な軸から等距離の周囲に前記複数個の励磁コイルを配置し、
   全てのコイル線の巻き方向が同方向となるように直列結線した構造としたことを特徴とするプローブ。
4. 励磁コイルと検出素子で構成されたプローブと、前記励磁コイルにパルス状の励磁電流を流す励磁手段と、被検体内に励磁電流による磁束を浸透させ、励磁電流の遮断により被検体内に発生する渦電流を前記検出素子にて検出した渦電流による磁束の時間的な減衰特性を算出する算出手段とを有するパルス励磁型渦電流探傷装置であって、
   前記励磁コイルは、複数個の励磁コイルから構成され、
   前記複数個の励磁コイルは、各励磁コイルに鎖交する磁束量を減らすように相互干渉させつつ被検体内に磁束を浸透させ、励磁電流遮断時に検出素子にて励磁電流による磁束が短時間に減衰するようにしたことを特徴とするパルス励磁型渦電流探傷装置。

Images