JP2010164483A

JP2010164483A - 非破壊検査装置および非破壊検査方法

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Publication number: JP2010164483A
Application number: JP2009008031A
Authority: JP
Inventors: Katsunobu Hasegawa; 勝宣長谷川; Koji Kawano; 浩二川野; Naoya Kasai; 尚哉笠井; Kazuyoshi Sekine; 和喜関根; Shuji Ogawa; 修司小川; Toshiyuki Oikawa; 俊之及川
Original assignee: Idemitsu Engineering Co Ltd; Yokohama National University NUC
Current assignee: Idemitsu Engineering Co Ltd; Yokohama National University NUC
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2010-07-29

Abstract

【課題】被検査物の外層側の強磁性層の影響を選択的に除去し、被検査物の外層側から内層側の損傷状態を迅速かつ正確に検査する装置および方法の提供。
【解決手段】被検査物１５０に磁束を作用させるとともにインダクタンスおよび抵抗に関する情報を出力するセンサ部１１０と、被検査物１５０を表面磁化させる磁化器１２０と、交流電流の供給および被検査物１５０の損傷状態の判断をする信号処理装置と、直流電源装置とを備えた非破壊検査装置を用い、外層１５１側が強磁性を帯びた被検査物１５０の内層１５３側の損傷状態を検出する非破壊検査装置であって、センサ部１１０を跨いで磁化器１２０を配設し、外層１５１側を表面磁化するとともにセンサ部１１０が磁束を内層１５３側まで浸透させて内層１５３側の損傷状態に対応したインダクタンスおよび抵抗に関する情報を出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、外表面に強磁性層を有する被検査物の内層の損傷状態を検査する非破壊検査装置および非破壊検査方法に関する。

従来、交流電流を通電した検出コイルを導電体の被検査物に近づけて被検査物に渦流電流を発生させ、被検査物中の欠陥による渦流電流の変化を検出コイルのインピーダンスの変化又は誘起電圧の変化等によって検出して前記欠陥を探傷する渦流探傷法がある。
このような方法にあっては、被検査物が強磁性体などの透磁率が高い材料で構成されている場合、検出コイルの磁束が肉厚深くまで浸透しないため、検出精度が低下する。これを防止するため、被検査物を予め磁気飽和して渦流探傷する方法も提案されている（例えば特許文献１または特許文献２）。
特許文献１に記載されている方法、すなわち被検査物を予め磁気飽和してから渦流探傷する方法では、被検査物の全体が強磁性を有するものを検査対象とし、被検査物の全体に対して磁気飽和させることによって、検出コイルの検出精度低下の防止を図るものである。
また、特許文献２に記載されている方法では、磁性体でできた管の内部に渦流探傷用プローブを内挿させて、管内部から磁気飽和させることによって、管内部の正確な探傷を行うものである。
また、被検査物が、例えばエチレン分解炉プラントで使用を継続したＨＰ材のように、外層側には表面酸化窒化現象によって酸化層および窒化層からなる強磁性層が形成され、内層側には浸炭現象によって強磁性層が形成され、外層側と内層側の間にはいわゆる健全層としての非磁性層が残存した状態となっている場合には、検出部を２つ用いた渦流探傷法が提案されている（例えば、非特許文献１または非特許文献２）。
例えば、非特許文献１に記載されている方法は、第１検出部で被検査物の表面層と内面の磁気変化量を測定し、磁界をごく浅く表面層のみにかかるようにした第２検出部で表面層の磁気変化量を測定するものである。これらの磁気変化量を相殺して内面のみの磁束密度の変化量を出力する。
非特許文献２に記載されている方法も、２つの検出コイルの信号の差引きによって測定するものである。

特開平１１−２９５２７５号公報特開２００５−５５３２５号公報「クボタ浸炭計について」株式会社クボタ、平成１２年１月２８日発行「浸炭度計（スケール量計）取扱説明書」株式会社ケット科学研究所、平成５年１月１２日取得

ところが、被検査物が上述のような、非磁性体の外層側と内層側とに強磁性層が生じた状態の場合には、次のような問題があった。
特許文献１に記載の方法は、全体が強磁性体の測定対象物を対象としており、非磁性体の外層側と内層側とに強磁性層が生じた場合は想定していないため、内層側の強磁性層(浸炭層)までも磁気飽和してしまい、内層側だけの損傷状態(浸炭現象)を正確に検査することができないという問題があった。
また、特許文献２の方法では、渦流探傷用プローブを管内に挿入しなければならず、そのためにはプラント運転を停止し、管の両端を開放するといった煩雑な検査作業が必要で、迅速な検査は難しく、プラントの稼働率に影響を及ぼすといった問題があった。
さらに、非特許文献１や非特許文献２に記載の方式では、必然的に被検査物の外表面の２箇所から磁気変化量等の信号を読み取ることになり、誤差が大きくなる問題があった。すなわち、非特許文献１の渦流探傷法で説明すれば、被検査物の外表面の強磁性層の厚みや強度の表面分布がある場合には、測定したい箇所の損傷状態を検出する第１検出部における表面層の磁気変化量と、第２検出部における表面層の磁気変化量とが異なることになり、測定したい箇所の内面の磁気変化量は正確に検出されない。

そこで本発明は、被検査物の外層側の強磁性層の影響を選択的に除去し、磁束を被検査物の内層側へ到達させ、被検査物を破壊することなく被検査物の外層側から内層側の損傷状態を迅速かつ正確に検査することのできる非破壊検査装置および非破壊検査方法を提供することを目的とする。

本発明の非破壊検査装置は、交流電流の供給を受けて励磁して磁束を発生させ、被検査物に対して前記磁束を作用させたときのインダクタンスおよび抵抗に関する情報を出力するセンサ部と、このセンサ部を跨いで配設されるとともに直流電流の供給を受けて前記被検査物の表面部分を磁化させる磁化器と、周波数を変化させながら前記センサ部に前記交流電流を供給するとともに、前記センサ部から出力される前記インダクタンスおよび抵抗に関する情報を受信して前記被検査物における損傷状態を判断する信号処理装置と、前記磁化器に直流電流を供給する直流電源装置とを具備した非破壊検査装置であって、少なくとも外層側が強磁性を帯びている前記被検査物の前記外層側に対して当接される前記磁化器に前記外層側の強磁性を磁化させるとともに、前記センサ部に前記信号処理装置から交流電流の供給を受けて発生する磁束を前記被検査物の内層側まで浸透させて作用させた際の前記内層側の損傷状態に対応したインダクタンスおよび抵抗に関する情報を出力させ、前記信号処理装置にこの出力された損傷状態に対応したインダクタンスおよび抵抗に関する情報を受信させて損傷状態を判断させる制御部を備えたことを特徴とする。

また本発明では、前記信号処理装置は演算部を備え、前記制御部は前記演算部に前記センサ部から出力される周波数毎のインダクタンスおよび抵抗に関する情報を受信して正規化インダクタンスおよび正規化抵抗を演算させ、この演算した正規化インダクタンスおよび正規化抵抗に基づいて正規化インピーダンス曲線を作成させ、この正規化インピーダンス曲線に基づいて前記内層側の損傷状態を判断させることが好ましい。
さらに本発明では、前記センサ部は略コ字状に形成されたことが好ましい。

本発明の非破壊検査方法は、交流電流の供給を受けて励磁して磁束を発生させ、被検査物に対して前記磁束を作用させたときのインダクタンスおよび抵抗に関する情報を出力するセンサ部と、このセンサ部を跨いで配設されるとともに直流電流の供給を受けて前記被検査物の表面部分を磁化させる磁化器と、周波数を変化させながら前記センサ部に前記交流電流を供給するとともに、前記センサ部から出力される前記インダクタンスおよび抵抗に関する情報を受信して前記被検査物における損傷状態を判断する信号処理装置と、この信号処理装置に損傷状態を判断させる制御部と、前記磁化器に直流電流を供給する直流電源装置とを具備した非破壊検査装置を用いた非破壊検査方法であって、少なくとも外層側が強磁性を帯びている前記被検査物の前記外層側に対して当接される前記磁化器に前記外層側の強磁性を磁化させるとともに、前記センサ部に前記信号処理装置から交流電流の供給を受けて発生する磁束を前記被検査物の内層側まで浸透させて作用させた際の前記内層側の損傷状態に対応したインダクタンスおよび抵抗に関する情報を出力させ、前記信号処理装置にこの出力された損傷状態に対応したインダクタンスおよび抵抗に関する情報を受信させて損傷状態を判断させる制御を前記制御部が行うことを特徴とする。

さらに本発明では、前記信号処理装置は演算部を備え、前記制御部は前記演算部に前記センサ部から出力される周波数毎のインダクタンスおよび抵抗に関する情報を受信して正規化インダクタンスおよび正規化抵抗を演算させ、この演算した正規化インダクタンスおよび正規化抵抗に基づいて正規化インピーダンス曲線を作成させ、この正規化インピーダンス曲線に基づいて前記内層側の損傷状態を判断させることが好ましい。

さらに本発明では、前記被検査物は非磁性体であるとともに、経時的に前記外層側および前記内層側が強磁性を帯びたことが好ましい。
そしてさらに本発明では、前記センサ部は略コ字状に形成されたことが好ましい。

本発明に係る非破壊検査装置および非破壊検査方法よれば、磁化器によって被検査物の外層側の強磁性層を選択的に磁化させながらセンサ部で発生する磁束を内層側まで浸透させて作用させ、作用させた際の内層側の損傷状態に応じたインダクタンスおよび抵抗に関する情報をセンサ部から信号処理装置が受信して損傷状態を判断させる。この選択磁化により外層側の透磁率が減少し、強磁性層に発生する渦電流が小さくなり、センサ部の発生する磁束に対する反作用の磁束が小さくなる。したがって、内層側まで磁束が浸透し、信号処理装置は内層側の損傷状態に応じた正確な情報を受信できるようになり、被検査物を破壊すること無く外層側から迅速かつ正確な検査を行うことができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は非破壊検査装置を用いて被検査物を非破壊検査する方法を示す概略図である。

〔非破壊検査装置の構成〕
図１において、１００は非破壊検査装置であり、主にセンサ部１１０、磁化器１２０、信号処理装置１３０、直流電源装置１４０から構成される。また、１５０は被検査物である。より具体的な非破壊検査装置１００の構成としては、センサ部１１０と磁化器１２０とから構成される被検査物１５０に対して当接させるプローブと、このプローブ対して信号処理装置１３０、直流電源装置１４０を接続した構成などが挙げられる。

（センサ部）
センサ部１１０としては、コ字状型、パンケーキ型等のコイルを用いることができる。特に、コ字状型のものが、検査精度の観点から好ましい。
このコ字状型のセンサ部１１０は、二つの自己誘導型コイルを互いに反対方向に巻き、コ字状の珪素鋼板を導入して構成されている。このようにセンサ部１１０を構成することによって、空芯コイルとは異なり、励磁される磁束が強くなり、強い信号を得ることができるようになる。また、被検査物１５０中に流れる磁路が明確になり、磁束が深く浸透するようになる。
センサ部１１０には信号処理装置１３０が接続されており、信号処理装置１３０から、このコイルへ交流電流を印加して磁束を発生させ、その磁束を被検査物１５０内部へと浸透させ、被検査物１５０内部に渦電流を発生させる。被検査物１５０に損傷が存在すると、この損傷に起因してコイルのインダクタンスおよび抵抗が変化する。センサ部１１０はインダクタンスおよび抵抗に関する情報を信号処理装置１３０へと出力する。信号処理装置１３０は、後述するように、変化したインダクタンスおよび抵抗に関する情報の変化から被検査物１５０の損傷状態を判断する。
ここで、被検査物１５０の外表面が強磁性を帯びて強磁性層を形成している場合、その外表面側から交流磁束を印加すると、表皮効果により被検査物１５０の肉厚方向に浸透する磁束は深くなればなるほど弱くなっていく。そのため肉厚方向の深いところにある損傷状態に基づくインダクタンスや抵抗の変化を検出することができない。この現象は強磁性体の透磁率が大きいほど顕著に現れる。
そのため、後述する磁化器１２０によって外表面の強磁性層を選択的に磁化（以下、表面磁化と称する）させながら、強磁性の影響をキャンセルさせた状態でセンサ部１１０から磁束を内部へと効率的に浸透させて作用させる。すなわち、表面磁化とは、磁化器が被検査物の外表面側から磁化することであって、センサ部によって検出される被検査物内部の損傷部分（領域）でのインダクタンスや抵抗の値へ影響が及ばないように選択的に磁化することをいう。

（信号処理装置）
信号処理装置１３０としては、ＬＣＲメータ等を用いることができる。信号処理装置１３０は励磁電圧を設定し、励磁周波数を変化させながら、センサ部１１０に交流電流を供給し、センサ部１１０から出力される周波数毎のインダクタンスおよび抵抗に関する情報を受信する。そして、信号処理装置１３０は、制御部、演算部、記憶部、入力部、表示部を備えている。
制御部は、演算部、記憶部、入力部、表示部と制御可能に接続される。また、センサ部１１０、磁化器１２０、直流電源装置１４０とも制御可能に接続される。なお、制御部は本実施形態では信号処理装置１３０に組み込まれたものとして説明するが、非破壊検査装置１００に別途制御部を設けて制御させても良いし、非破壊検査装置１００にパーソナルコンピューター等を外部接続して制御させても良いし、信号処理装置１３０に制御情報や演算結果などを送受信可能な通信部を設けて、ネットワークを通じて制御させても良い。
センサ部１１０への交流電流の供給は、前記したように被検査物１５０の外表面の強磁性を表面磁化させながら行うことで、被検査物１５０の内部に効率的に磁束を浸透させることができる。
演算部は、受信したインダクタンスおよび抵抗に関する情報に基づいて正規化インダクタンスおよび正規化抵抗を演算し、後述する正規化インピーダンス図としてのインピーダンス曲線を作成する。そして、作成したインピーダンス曲線や後述する検量線等に基づいて損傷状態を判断することができる。
記憶部は、インピーダンス曲線に基づいて、後述する損傷状態の判断に必要な被検査物１５０の物性データ、測定パラメータ、検量線データ等の情報を記憶することができる。なお、演算部は記憶部に記憶された情報を適宜読み出して演算処理を行うことができる。
入力部は、上述した物性データや測定パラメータ等を入力するためのものである。なお、記憶部に記憶されるデータは、入力部から入力されるデータ、演算部で演算した結果に関するデータついても記憶することができる。
表示部は、インピーダンス曲線や損傷状態の判断結果等を表示することができる。なお、表示部に表示させずに、信号処理装置１３０に接続された表示装置に表示させても良い。
制御部は、上述した信号処理装置１３０の動作を制御する他、センサ部１１０の動作も制御する。

（磁化器）
前述のように、表皮効果によって被検査物１５０の肉厚方向の深い位置にある損傷状態を検査するのが困難であるため、本発明では、磁化器１２０を用いて表面磁化することによって、センサ部１１０からの磁束を被検査物１５０の肉厚方向へ深く浸透させようとするものである。
また、磁化器１２０は極間式磁化器であって、被検査物１５０の表面を直流磁化するために直流電源装置１４０に接続されている。
また、磁化器１２０はセンサ部１１０を跨ぐように配設させてある。跨がない場合と比べ、跨ぐように配設させることで、磁化器１２０の極間の中央付近の相対的に強く、かつ均一な磁化状態の領域で計測することができるようになる。
ここで、被検査物１５０が平板状である場合は、磁化器１２０がセンサ部１１０跨げば、磁化器１２０の極間の中央付近の強く、かつ均一な磁化状態が使用できるため、コ字状のセンサ部１１０を磁化器１２０に対して平行に配設しても、直交させて配設してもよい。
一方で、被検査物１５０が配管のような曲率を有する場合だと、配管の曲率の影響を受けるため、磁化器１２０とコ字状のセンサ部１１０をともに軸方向に配設する必要がある。
磁化器１２０を被検査物１５０の外表面に接触させて直流電流を印加し、強磁性層を表面磁化させ、透磁率を減少させつつ、前記したセンサ部１１０で発生する磁束を内部へと浸透させる。磁化器１２０を被検査物１５０の外表面に接触させた方が、磁気回路が閉じ、被検査物１５０の内部の損傷状態に影響が及ばず、損傷状態に基づくインダクタンスや抵抗の値を正確に検出できるようになる。
このように強磁性層による影響を選択的に除去することで、センサ部１１０からの磁束は強磁性層の影響を受けることなく、被検査物１５０の内部へと浸透することができ、内部の損傷状態だけをインピーダンスや抵抗に関する情報として選択的に得ることができる。
なお、直流電流の供給や表面磁化については信号処理装置１３０が備える制御部によって制御される。

（直流電源装置）
直流電源装置１４０は磁化器１２０に接続される。直流電源装置１４０から磁化器１２０に対して直流電流を印加することによって、被検査物１５０の表面部分が表面磁化される。センサ部１１０が被検査物１５０の損傷状態に応じたインダクタンスや抵抗に関する情報を信号処理装置１３０へと送信し、信号処理装置１３０が当該情報の受信を完了するまでの間、表面磁化が行われる。なお、直流電流の供給は信号処理装置１３０が備える制御部によって制御される。

〔非破壊検査方法〕
次に、上記非破壊検査装置を用いて行う非破壊検査方法について、実験１〜実験４を例に挙げて説明する。

＜実験１＞
実験１では、被検査物１５０を模擬した試験片を用いて行う模擬試験にしたがって説明する。

（試験片）
模擬試験の対象となる試験片は、使用済みのエチレン分解炉管(Ｆｅ-３５Ｎｉ-２５Ｃｒ)を模擬したものである。実際のエチレン分解炉管は、未使用時は非磁性であるが、分解炉の中で高温にて使用を継続すると、管の外層の表面が酸化されて強磁性を帯び、さらに使用を継続すると酸化層の下に窒化層が形成される。この窒化層もＣｒ窒化物の形成により酸化層と同様にマトリックス中のＣｒが減少するので、強磁性を帯びている。また、内層側は、いわゆる浸炭によって強磁性を帯び、外層と内層との間に中層として非磁性層(エチレン分解炉管の例では健全層ともいう場合がある)が存在している状態となる。
なお、外層に形成される強磁性の酸化層の厚さは最大で０.３ｍｍ程度である。この酸化層の下に窒化層が形成されると強磁性領域の厚さは最大で２〜３ｍｍ程度となることがわかっている。

試験片はこの状態の管材を平板に置き換えたものであり、図１に試験片の構成を示す。実験１では内層１５３に浸炭が発生した状態が被検査物１５０の損傷状態に当たることになる。
中層１５２には非磁性のＳＵＳ３０４(ＪＩＳＧ４３０５)を用いた。
浸炭層としての強磁性の内層１５３には炭素鋼のＳＫ３(ＪＩＳＧ４４０１)を用いた。内層１５３の厚みは、全肉厚に対して０％（浸炭層が形成されていない場合に相当）、３０％、５０％、７０％の４種類とした。
酸化窒化層としての強磁性の外層１５１には、炭素鋼のＳＫ５(ＪＩＳＧ４４０１)を用いた。外層１５１の強磁性層の厚みは、０ｍｍ（酸化窒化層が形成されていない場合に相当）、０.３ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍの４種類とした。
ここでは、外層１５１側と内層１５３側の磁性がそれぞれ異なる状態を想定して、異なる炭素鋼を選択した。
これらの試験片は圧延方向を長手方向に揃え、前記ＳＵＳ３０４、ＳＫ３、ＳＫ５をクランプで固定して密着させた。このようにして、各厚みの条件を組合せて、計１６種類の試験片(Ａ〜Ｐ)で模擬試験を行った。その組合せを表１に示す。

（試験装置）
図１に示すように、コ字状型のセンサ部１１０および磁化器１２０を試験片上にそれぞれ配設し、センサ部１１０を信号処理装置１３０(ＬＣＲメータ)に接続し、磁化器１２０を直流電源装置１４０に接続した。このとき、前記したように磁化器１２０はセンサ部１１０を跨ぐようにして配設されている。

（試験方法）
センサ部１１０を試験片の圧延方向に対して垂直になるように配置した。次に磁化器１２０（磁化器としての起磁力は５２００ＡＴ）に９Aの直流電流を印加し、試験片の外層１５１を表面磁化させた。なお、実験１では、電流値を９Aとしたが、これに限られない。内層１５３の損傷状態を検査する場合には、表面磁化することが可能であって、かつ、内層１５３側を磁化し過ぎない程度の電流値であればよい。表面磁化することができなければ、内層１５３側の浸炭に関する情報を正確に得ることができず、一方で内層１５３側を磁化し過ぎてしまうと、センサ部１１０が内層１５３側のインピーダンスや抵抗に関する情報を信号として明確に得ることができなくなるからである。センサ部１１０が信号を明確に検出するには、電流値が０．１Ａ以上９Ａ以下であることが好ましい。
この表面磁化の状態を維持しながら信号処理装置１３０(ＬＣＲメータ)の励磁電圧を１Ｖに設定し、励磁周波数を４０Ｈｚ〜８０００Ｈｚと変化させ、センサ部１１０から被検査物１５０に対して磁束を作用させ、各励磁周波数におけるセンサ部１１０から出力されるインダクタンスＬおよび抵抗Ｒを信号処理装置１３０に受信させた。
その後、センサ部１１０のコイル部分を試験片から離した状態で、前記と同様に周波数を変化させ、その時のインダクタンスＬ_０および巻線抵抗Ｒ_０を測定した。
一方で、本実施形態に係る非破壊検査方法との比較のために、上述した試験方法において、磁化器１２０を用いず、センサ部１１０のみを用いた場合についても検査を行った。

（試験結果）
（センサ部のみ用いた場合）
図３から図６は、磁化器１２０を用いず、センサ部１１０のみを用いた場合の、センサ部１１０のインダクタンスＬおよび抵抗Ｒの測定結果から作成した正規化インピーダンス図である。
ここで、インピーダンス図とは、試験コイルのインピーダンス変化の状況を表すために、横軸に抵抗Ｒ、縦軸にリアクタンスＬを取った図をいう。そして、正規化インピーダンス図とは、試験コイルの特性の変化を統一的に把握するために、インピーダンス図の横軸、縦軸成分を無次元化した図のことをいう。
試験片Ａ〜Ｄのインピーダンス曲線は、外層１５１に強磁性層が形成されていない状態なので、内層１５３(浸炭層)の変化に応じて低周波側の正規化インダクタンス(Ｌ／Ｌ_０)の値が上昇した。
一方で、試験片Ｅ〜Ｐのインピーダンス曲線では、正規化インダクタンスの値の差が少なくなっており、内層１５３(浸炭層)の状態に応じた正規化インダクタンスの値の差を明確に検出することが出来なかった。

（センサ部と磁化器を併用した場合）
図７〜図１０は、センサ部１１０と磁化器１２０を併用した場合の、センサ部１１０のインダクタンスＬおよび抵抗Ｒの測定結果から作成した正規化インピーダンス図である。
磁化器１２０を使用しない場合とは異なり、外層１５１が強磁性を有していても、内層１５３(浸炭層)の状態に応じた正規化インダクタンスの値の差を明確に検出することが出来た。

＜実験２＞
実験２では、実際の使用済みエチレン分解炉管を試験片として検査を行った場合について説明する。
なお、エチレン分解炉管材料の代表的なものとして、ＨＫ４０(Ｆｅ−２０Ｎｉ−２５Ｃｒ）、ＨＰ３５(Ｆｅ−３５Ｎｉ−２５Ｃｒ)、ＫＨＲ４５Ａ(Ｆｅ−４３Ｎｉ−３２Ｃｒ)などが挙げられるが、実験２ではＨＰ３５を用いたエチレン分解炉管の場合を例に挙げて説明する。
実験２で用いたエチレン分解炉管は、未使用時は非磁性であるが、分解炉の中で高温にて使用を継続すると、図２に示すように管の外層１５１の表面が酸化されて強磁性を帯び、さらに使用を継続すると酸化層の下に窒化層が形成される。この窒化層もＣｒ窒化物の形成により酸化層と同様にマトリックス中のＣｒが減少するので、強磁性を帯びている。また、内層１５３側は、いわゆる浸炭によって強磁性を帯び、外層１５１と内層１５３との間に中層１５２として非磁性層(エチレン分解炉管の例では健全層ともいう場合がある)が存在している状態となる。
また、試験片の各寸法は表２に示す。

実験１で用いたのと同様の非破壊検査装置１００を試験片Ｑ〜Ｔにセットし、信号処理装置１３０の試験周波数を４０〜１００００Ｈｚ、磁化器１２０の磁化電流値を０．５Ａとして、その時のインダクタンスＬおよび抵抗Ｒを読み取った。なお、実験２では、磁化電流値を０.５Aとしたが、これに限られない。その理由は、実験１においてした説明と同様である。なお、適切な磁化電流値については、後述する実験３に示す。
その後、センサ部１１０のコイル部分を試験片から離した状態で、前記と同様に周波数を変化させ、その時のインダクタンスＬ_０および巻線抵抗Ｒ_０を測定した。
図１１は、実験２における、センサ部１１０のインダクタンスＬおよび抵抗Ｒの測定結果から作成した正規化インピーダンス図である。

また試験片を切断し、切断面を研磨後にエッチングし、赤外線吸収法分析により内面から所定間隔で定量分析を実施した。なお、新管の炭素量の規格値は、０.４５％である。そして、赤外線吸収法分析の結果、試験片の外表面からの距離に応じた炭素量をプロットすると図１２に示すとおりになった。

まず、図１１を実験１の結果を踏まえて見てみると、表面磁化よって使用済みエチレン分解炉管の外表面の強磁性層の影響を抑え、各試験片Ｑ〜Ｔの内層１５３側の浸炭層の状態の違いが、正規化インダクタンスの値の差として明確に現れていることが分かった。
これに対して図１２を見ると各試験片の外表面からの各距離における炭素量は、試験片Ｑが最も多く、試験片Ｔが最も小さく、試験片Ｒと試験片Ｓは試験片Ｑと試験片Ｔとの間であって、ほぼ同等の炭素量であることが分かった。
そして、これらの結果を比較すると、図１１の正規化インピーダンス図の浸炭の傾向と図１２の外表面からの炭素量変化の傾向とが一致していることも分かった。

＜実験３＞
実験３では、実験２と同じ使用済みエチレン分解炉管を試験片として、実験１で用いたものと同様の非破壊検査装置１００を用い、磁化器１２０による表面磁化を行う際の電流値について実験した。磁化電流値の条件は、０Ａ（磁化なし）、０．１Ａ、０．３Ａ、０．５Ａ、１Ａ、３Ａ、９Ａとした。
実験２と同様にして、非破壊検査装置１００を試験片Ｑ〜Ｔにセットした。なお、センサ部１１０と試験片Ｑ〜Ｔとの距離を実験２よりも小さく設定した。センサ部１１０が作りだす磁束を試験片Ｑ〜Ｔの肉厚深くに浸透させるためである。
上記した磁化電流値毎に、励磁周波数を４０Ｈｚ〜８０００Ｈｚと変化させ、センサ部１１０から試験片Ｑ〜Ｔに対して磁束を作用させ、各励磁周波数におけるセンサ部１１０から出力されるインダクタンスＬおよび抵抗Ｒを測定した。
その後、センサ部１１０のコイル部分を試験片から離した状態で、前記と同様に周波数を変化させ、その時のインダクタンスＬ_０および巻線抵抗Ｒ_０を測定した。
そして、センサ部１１０のインダクタンスＬおよび抵抗Ｒの測定結果から正規化インピーダンス図を作成した。これを図１３〜図１９に示す。
この正規化インピーダンス図から、各電流値の条件における正規化インダクタンスの最大値を読み取り、さらに正規化インダクタンスの最大値差を算出した。

図１３を見てみると、０Ａ（磁化なし）では、試験片ＲとＳの正規化インピーダンス曲線における低周波側から高周波側までの挙動が一致しておらず、試験片ＲとＳとでは浸炭状態が異なることを示唆している。しかし、上述したように図１２は、試験片ＲとＳとでは、浸炭状態が似通っており、０Ａ（磁化なし）で得られた実験結果と一致しない。つまり、０Ａ（磁化なし）では、浸炭層の正確な情報を得ることができていないことが分かった。
一方、図１４〜図１９を見てみると、０．１Ａ以上では、試験片ＲとＳの正規化インピーダンス曲線における低周波側から高周波側までの挙動が一致している。これは試験片ＲとＳとでは浸炭状態が似通っていることを示唆しており、図１２が示す試験片ＲとＳの浸炭状態の相対的な関係と同じであるとともに、試験片Ｑ〜Ｔの相互においても、相対的な関係が、図１２の傾向と一致している。
したがって、０Ａ（磁化なし）では試験片Ｑ〜Ｔの内層１５３側の浸炭層の正確な情報を得ることができず、表面磁化（実験３では０．１Ａ、０．３Ａ、０．５Ａ、１Ａ、３Ａ、９Ａの電流値条件）によって浸炭層の正確な情報を得られることが分かった。

図２０には、各電流値の条件における正規化インダクタンスの最大値差を示した。ここで、算出した最大値差は、（ｉ）０Ａ（磁化なし）での最大値から０．１Ａでの最大値を引いた値、（ｉｉ）０．１Ａでの最大値から０．３Ａでの最大値を引いた値、（ｉｉｉ）０．３Ａでの最大値から０．５Ａでの最大値を引いた値、（ｉｖ）０．５Ａでの最大値から１Ａでの最大値を引いた値、（ｖ）１Ａでの最大値から３Ａでの最大値を引いた値、および（ｖｉ）３Ａでの最大値から９Ａでの最大値を引いた値、である。
図２０を見てみると、（ｉ）および（ｉｉ）においては、正規化インダクタンス最大値の差が、実験２で示した試験片Ｑ〜Ｔの炭素濃度の順序と一致していないが、（ｉｉｉ）において、当該順序と一致している。したがって、この（ｉｉｉ）の範囲で、印加された直流電流による内層１５３側への影響が少なく、かつ外層１５１の強磁性層が適切に磁化され、浸炭層の正確な情報が得られることが分かった。
また、（ｉｖ）、（ｖ）において、当該最大値の差が増加し始めていることから、印加された直流電流によって内層１５３側の浸炭層の強磁性層も磁化され始めていることが分かった。
さらに（ｖｉ）において、正規化インダクタンス最大値差が減少し始めていることから、印加された直流電流が大きくなっていくと、この直流電流による内層１５３側強磁性層の磁化の影響が大きくなる傾向であることが分かった。

以上の実験２および実験３の結果から、使用済みエチレン分解炉管の内層１５３側の浸炭層の正確な情報を得るには、電流値を０．１Ａ以上９Ａ以下とすることが好ましいことが分かった。より好ましくは、電流値を０．３Ａ以上０．５Ａ以下とすると良いことが分かった。

＜実験４＞
実験４では、表非破壊検査装置１００のセンサ部１１０の形状についての比較実験を実施した。
非破壊検査装置１００のセンサ部１１０としてパンケーキ型形状のコイルを用いた。
試験片は実験２と同じ試験片Ｑ〜Ｔを用いた。信号処理装置１３０の試験周波数を４０〜１００００Ｈｚ、磁化器１２０の磁化電流値を０Ａ（磁化なし）、０．５Ａとした時のインダクタンスＬおよび抵抗Ｒを読み取った。
その後、センサ部１１０のコイル部分を試験片から離した状態で、前記と同様に周波数を変化させ、その時のインダクタンスＬ_０および巻線抵抗Ｒ_０を測定した。
図２１は、実験４における、パンケーキ型のセンサ部１１０を用いた場合の正規化インピーダンス図である。
図２１より、表面磁化よって使用済みエチレン分解炉管の外表面の強磁性層の影響を抑え、各試験片Ｑ〜Ｔの内層１５３側の浸炭層の状態の違いが、正規化インダクタンスの値の差として現れている。しかし、コ字状型のセンサ部１１０を用いた場合の正規化インピーダンス図（図１１）と比較すると、コ字状型のセンサ部１１０を用いた場合には、正規化インピーダンス図の浸炭の傾向と図１２の外表面からの炭素量変化の傾向とが一致しているのに対し、パンケーキ型のセンサ部１１０を用いた場合には、正規化インピーダンス図の浸炭の傾向が図１２の外表面からの炭素量変化の傾向とが一致してしないことが分かった。このことから、パンケーキ型よりも、コ字状型の方が、非破壊検査精度に優れているといえる。

以上のように、本実施形態に係る非破壊検査装置及び非破壊検査方法については、被検査物１５０の外層１５１側が強磁性を帯びた状態について具体的に説明したが、これに限られるものではない。すなわち、外層１５１側が強磁性を帯びていない場合には、磁化器１２０によって外層１５１側の強磁性を表面磁化させずに、センサ部１１０からの磁束を内層１５３側まで浸透させて作用させ、内層１５３側の損傷状態に対応したインダクタンスおよび抵抗に関する情報をセンサ部１１０に出力させて信号処理装置１３０に受信させ、損傷状態を判断させることができる。

〔非破壊検査装置の作用効果〕
上述したように、上記実施形態では、交流電流の供給を受けて励磁して磁束を発生させ、被検査物１５０に対して磁束を作用させたときのインダクタンスおよび抵抗に関する情報を出力する略コ字状に形成されたセンサ部１１０と、このセンサ部１１０を跨いで配設されるとともに直流電流の供給を受けて被検査物１５０を表面磁化させる磁化器１２０と、周波数を変化させながらセンサ部１１０に交流電流を供給するとともに、センサ部１１０から出力されるインダクタンスおよび抵抗に関する情報を受信して被検査物１５０における損傷状態を判断する信号処理装置１３０と、磁化器１２０に直流電流を供給する直流電源装置１４０とを具備した非破壊検査装置１００を用いた。そして、外層１５１側が強磁性を帯びた状態の被検査物１５０に対する検査であって、特に被検査物１５０の内層１５３側の損傷状態について検査する場合には、外層側１５１に磁化器１２０を当接させて外層側１５１の強磁性を表面磁化させながら、信号処理装置１３０から交流電流の供給を受けてセンサ部１１０で発生した磁束を内層１５３側まで浸透させて作用させ、この磁束を作用させた際の内層１５３側の損傷状態に対応したインダクタンスおよび抵抗に関する情報をセンサ部１１０に出力させて信号処理装置１３０に受信させ、損傷状態を判断させた。

そのため、磁化器１２０によって被検査物１５０の外層１５１の強磁性層を選択的に表面磁化させることができ、磁化器１２０を使用しない場合よりも透磁率が減少し、そこに発生する渦電流が小さくなった。そして、センサ部１１０の発生する磁束に対する反作用の磁束が小さくなり、内層１５３の強磁性層まで浸透する磁束が増え、信号処理装置１３０は内層１５３側の損傷状態に応じた正確な情報を受信できるようになり、被検査物１５０を破壊すること無く外層１５１側から迅速かつ正確な検査を行うことができる。
また、センサ部１１０がコ字型の形状を有するので、磁路が明確になり、内層１５３の損傷状態を精度良く検出することができた。

〔実施の形態の変形〕
上述した実施形態では被検査物の損傷状態として、非磁性材料の内層側の浸炭を例に挙げて説明したが、これに限られない。例えば、内層側の亀裂なども損傷状態として検査することができる。すなわち、外表面側の強磁性層による影響をキャンセルし、内層側まで浸透する磁束を増やすことができるため、亀裂などの状態も検出することができる。

また、上述した実施形態では被検査物の損傷状態を判断した結果は信号処理装置にて表示させたり、これに接続された表示装置に表示させたりする例を示したが、検査している現場以外の表示装置や記録装置に判断結果を有線または無線で送信する態様としてもよい。

その他、本発明は上述の実施の形態における具体的な構造および手順に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、設計の変更などは本発明に含まれるものである。

本発明は、外表面に強磁性層を有する被検査物の内層の損傷状態を検査する非破壊検査装置および方法として利用することができる。

本発明の一実施の形態における非破壊検査装置の概略構成を示す図である。前記実施の形態におけるエチレン分解炉管に対する非破壊検査状態を示す図である。前記実施の形態における模擬試験片Ａ〜Ｄの直流磁化無し条件での正規化インピーダンス前記実施の形態における図である。前記実施の形態における模擬試験片Ｅ〜Ｈの直流磁化無し条件での正規化インピーダンス図である。前記実施の形態における模擬試験片Ｉ〜Ｌの直流磁化無し条件での正規化インピーダンス図である。前記実施の形態における模擬試験片Ｍ〜Ｐの直流磁化無し条件での正規化インピーダンス図である。前記実施の形態における模擬試験片Ａ〜Ｄの直流磁化有り条件での正規化インピーダンス図である。前記実施の形態における模擬試験片Ｅ〜Ｈの直流磁化有り条件での正規化インピーダンス図である。前記実施の形態における模擬試験片Ｉ〜Ｌの直流磁化有り条件での正規化インピーダンス図である。前記実施の形態における模擬試験片Ｍ〜Ｐの直流磁化有り条件での正規化インピーダンス図である。前記実施の形態における使用済みエチレン分解炉管試験片Ｑ〜Ｔの直流磁化有りの条件での正規化インピーダンス図である。前記実施の形態における使用済みエチレン分解炉管試験片Ｑ〜Ｔの外表面からの距離とその位置における炭素量との関係を示す図である。前記実施の形態における使用済みエチレン分解炉管試験片Ｑ〜Ｔの直流電流が０Ａのときの正規化インピーダンス図である。前記実施の形態における使用済みエチレン分解炉管試験片Ｑ〜Ｔの直流電流が０．１Ａのときの正規化インピーダンス図である。前記実施の形態における使用済みエチレン分解炉管試験片Ｑ〜Ｔの直流電流が０．３Ａのときの正規化インピーダンス図である。前記実施の形態における使用済みエチレン分解炉管試験片Ｑ〜Ｔの直流電流が０．５Ａのときの正規化インピーダンス図である。前記実施の形態における使用済みエチレン分解炉管試験片Ｑ〜Ｔの直流電流が１Ａのときの正規化インピーダンス図である。前記実施の形態における使用済みエチレン分解炉管試験片Ｑ〜Ｔの直流電流が３Ａのときの正規化インピーダンス図である。前記実施の形態における使用済みエチレン分解炉管試験片Ｑ〜Ｔの直流電流が９Ａのときの正規化インピーダンス図である。前記実施の形態における使用済みエチレン分解炉管試験片Ｑ〜Ｔの直流磁化電流値を変化させたときの正規化インダクタンス最大値差を示す図である。前記実施の形態における使用済みエチレン分解炉管試験片Ｑ〜Ｔの直流磁化有りの条件で、センサ部形状を変更した場合の正規化インピーダンス図である。

１００…非破壊検査装置
１１０…センサ部
１２０…磁化器
１３０…信号処理装置
１４０…直流電源装置
１５０…被検査物
１５１…外層
１５２…中層
１５３…内層

Claims

交流電流の供給を受けて励磁して磁束を発生させ、被検査物に対して前記磁束を作用させたときのインダクタンスおよび抵抗に関する情報を出力するセンサ部と、
このセンサ部を跨いで配設されるとともに直流電流の供給を受けて前記被検査物の表面部分を磁化させる磁化器と、
周波数を変化させながら前記センサ部に前記交流電流を供給するとともに、前記センサ部から出力される前記インダクタンスおよび抵抗に関する情報を受信して前記被検査物における損傷状態を判断する信号処理装置と、
前記磁化器に直流電流を供給する直流電源装置とを具備した非破壊検査装置であって、
少なくとも外層側が強磁性を帯びている前記被検査物の前記外層側に対して当接される前記磁化器に前記外層側の強磁性を磁化させるとともに、
前記センサ部に前記信号処理装置から交流電流の供給を受けて発生する磁束を前記被検査物の内層側まで浸透させて作用させた際の前記内層側の損傷状態に対応したインダクタンスおよび抵抗に関する情報を出力させ、
前記信号処理装置にこの出力された損傷状態に対応したインダクタンスおよび抵抗に関する情報を受信させて損傷状態を判断させる制御部を備えた
ことを特徴とする非破壊検査装置。
請求項１に記載の非破壊検査装置において、
前記信号処理装置は演算部を備え、
前記制御部は前記演算部に前記センサ部から出力される周波数毎のインダクタンスおよび抵抗に関する情報を受信して正規化インダクタンスおよび正規化抵抗を演算させ、
この演算した正規化インダクタンスおよび正規化抵抗に基づいて正規化インピーダンス曲線を作成させ、
この正規化インピーダンス曲線に基づいて前記内層側の損傷状態を判断させる
ことを特徴とする非破壊検査装置。
請求項１または請求項２に記載の非破壊検査装置において、
前記センサ部は略コ字状に形成された
ことを特徴とする非破壊検査装置。
交流電流の供給を受けて励磁して磁束を発生させ、被検査物に対して前記磁束を作用させたときのインダクタンスおよび抵抗に関する情報を出力するセンサ部と、
このセンサ部を跨いで配設されるとともに直流電流の供給を受けて前記被検査物の表面部分を磁化させる磁化器と、
周波数を変化させながら前記センサ部に前記交流電流を供給するとともに、前記センサ部から出力される前記インダクタンスおよび抵抗に関する情報を受信して前記被検査物における損傷状態を判断する信号処理装置と、
この信号処理装置に損傷状態を判断させる制御部と、
前記磁化器に直流電流を供給する直流電源装置とを具備した非破壊検査装置を用いた非破壊検査方法であって、
少なくとも外層側が強磁性を帯びている前記被検査物の前記外層側に対して当接される前記磁化器に前記外層側の強磁性を磁化させるとともに、
前記センサ部に前記信号処理装置から交流電流の供給を受けて発生する磁束を前記被検査物の内層側まで浸透させて作用させた際の前記内層側の損傷状態に対応したインダクタンスおよび抵抗に関する情報を出力させ、
前記信号処理装置にこの出力された損傷状態に対応したインダクタンスおよび抵抗に関する情報を受信させて損傷状態を判断させる制御を前記制御部が行う
ことを特徴とする非破壊検査方法。
請求項４に記載の非破壊検査方法において、
前記信号処理装置は演算部を備え、
前記制御部は前記演算部に前記センサ部から出力される周波数毎のインダクタンスおよび抵抗に関する情報を受信して正規化インダクタンスおよび正規化抵抗を演算させ、
この演算した正規化インダクタンスおよび正規化抵抗に基づいて正規化インピーダンス曲線を作成させ、
この正規化インピーダンス曲線に基づいて前記内層側の損傷状態を判断させる
ことを特徴とする非破壊検査方法。
請求項４または請求項５に記載の非破壊検査方法において、
前記被検査物は非磁性体であるとともに、経時的に前記外層側および前記内層側が強磁性を帯びたことを特徴とする非破壊検査方法。
請求項４から請求項６までのいずれか一項に記載の非破壊検査方法において、
前記センサ部は略コ字状に形成された
ことを特徴とする非破壊検査方法。