JP2010216927A - 鋼管の肉厚測定装置および肉厚測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼管の全周の肉厚を、簡単に精度良く、さらには設備コストの上昇を抑制しながら、測定することができる装置を提供する。
【解決手段】光線を照射することにより測定対象までの距離を非接触で測定する第１の距離計３−１および第２の距離計３−２と、第１の距離計３−１および第２の距離計３−２それぞれが照射する光線７−１、７−２の光軸が、同一直線状に存在するとともに鋼管２の外面２ｂおよび鋼管２の端部開口２ｃを通過するように、第１の距離計３−１および第２の距離計３−２を所定の距離離して固定して支持する距離計支持部材４と、鋼管２を回転させながら支持する鋼管支持装置５と、第１の距離計３−１および第２の距離計３−２それぞれの測定値、および鋼管２に対する光軸の傾斜角度に基づいて鋼管２の肉厚を演算する演算装置６とを備える鋼管２の肉厚測定装置１である。
【選択図】図２

Description

本発明は、鋼管の肉厚測定方法および肉厚測定方法に関する。具体的には、本発明は、被測定材である鋼管の任意の断面における肉厚を、簡単に精度良く、さらには設備コストの上昇を抑制しながら、測定することができる鋼管の肉厚測定装置および肉厚測定方法に関する。

従来より、電報管や鍛接管の製造工程では、注文された長さに応じて鋼管を切断した後、切断後の鋼管の肉厚が許容公差内に収まっているか否かを測定し、合否判定を行っている。一般的に、切断後の鋼管の肉厚の測定は、主に、マイクロメーターにより手動で行われている。

しかし、マイクロメーターによる測定の場合、鋼管の全周の肉厚測定は非効率であることから、鋼管の周方向の何点かを測定し、許容公差内に収まっているか否かを判定しているに留まっている。

市販の形状測定器を用いれば鋼管の全周の肉厚測定を行うことは確かに可能である。しかし、市販の形状測定器は、一般的に、被測定物を台座の上に置き、被測定体を台座上でクランプし、被測定物にポインタを接触させ、ポインタが被測定体に接触しながらその外周を回転することによって被測定体の形状を描くものである。このため、鋼管の肉厚を測定する場合には、はじめに内面側の形状を描いてから次に外面側の形状を描くことによって内外面の形状を求め、求めた内外面の形状から肉厚を割り出す必要がある。

この市販の接触式の形状測定器の場合、ポインタの磨耗による測定精度の劣化を生じたり、非測定物をクランプする手間や、ポインタの設定に手間を要するという問題がある。また、鋼管のような中空円筒状の被測定体の場合には２回測定しないと形状を把握できないため、測定に要する時間も長いという問題がある。さらに、市販の形状測定器は３次元測定も可能である高性能型が多く、高価である。

特許文献１には、鋼管の管端の半径方向各部の寸法の測定値に基づいて、管端の形状を自動的かつ高精度に測定する発明が開示され、特許文献２には可視レーザー光を用いて少なくとも一端が開口された透明または半透明の合成樹脂製容器の肉厚を測定する発明が開示され、特許文献３にはセラミックス製筒状物の半径方向にレーザービームを照射することにより筒状物の肉厚を測定する発明が開示され、さらに、特許文献４には、測定する管状物の半径方向の厚みを測定する肉厚測定器を用いて管状物の肉厚を測定する発明が開示されている。

特開昭６３−１６５７０６号公報 特開平３−７７００４号公報 特開平４−１８８００９号公報 特開平１０−８９９４４号公報

特許文献１〜４により開示されたいずれの発明を実施する場合にも、高価な測定機器や複雑な測定装置を用いる必要があり、測定に要するコストの上昇は否めない。
本発明は、このような従来の技術が有する課題に鑑みてなされたものであり、被測定材である鋼管の任意の断面における肉厚を、簡単に精度良く、さらには設備コストの上昇を抑制しながら、測定することができる鋼管の肉厚測定装置および肉厚測定方法を提供することを目的とする。

本発明は、光線を照射することにより測定対象までの距離を非接触で測定する第１の距離計および第２の距離計と、これら第１の距離計および第２の距離計それぞれが照射する光線の光軸が、同一直線状に存在するとともに測定対象である鋼管の外面およびこの鋼管の端部開口を通過するように、第１の距離計および第２の距離計を所定の距離離して固定して支持する距離計支持部材と、この鋼管を回転させながら支持する鋼管支持装置と、第１の距離計および第２の距離計それぞれの測定値、および鋼管に対する光軸の傾斜角度に基づいて鋼管の肉厚を演算する演算装置とを備えることを特徴とする鋼管の肉厚測定装置である。

別の観点からは、本発明は、光線を照射することにより測定対象までの距離を非接触で測定する第１の距離計および第２の距離計を、第１の距離計および第２の距離計それぞれが照射する光線の光軸が、同一直線状に存在するとともに測定対象である鋼管の外面および鋼管の端部開口を通過するように、所定の距離離して固定して支持し、鋼管を回転させながら、第１の距離計および第２の距離計それぞれの測定値、および鋼管に対する光軸の傾斜角度に基づいて、鋼管の肉厚を演算することを特徴とする鋼管の肉厚測定方法である。

これらの本発明では、第１の距離計および第２の距離計の測定値が、第１の距離計とこの第１の距離計から照射される光線が鋼管の内面に照射される位置との間の距離の測定値、および、第２の距離計と第２の距離計から照射される光線が鋼管の外面に照射される位置との間の距離の測定値であることが好ましい。

これらの本発明では、鋼管の肉厚が鋼管の全周の肉厚であることが好ましい。
これらの本発明では、鋼管支持装置が、鋼管の下部を支持する複数の駆動ロールからなることが好ましい。
さらに、これらの本発明では、第１の距離計および第２の距離計がいずれもレーザー距離計であることが好ましい。

本発明によれば、被測定材である鋼管の任意の断面における肉厚、特に周方向の全ての肉厚を、簡単に精度良く、さらには設備コストの上昇を抑制しながら、測定することができるようになる。具体的には、本発明によれば、これまでのマイクロメーターによる測定では３分間程度を要していた鋼管の肉厚測定を、約５秒間程度に短縮することができるとともに、接触式測定およびパイプクランプ方式をいずれも廃止できるために設備コストの上昇を抑制することもできる。

図１は、本発明に係る鋼管の肉厚測定装置の説明図であって、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は正面図である。 図２は、図１に示す本発明に係る鋼管の肉厚測定装置の主要部を簡略化および一部省略して模式的に示す斜視図である。 図３は、鋼管に対する駆動ロールの配置例を示す説明図である。 図４は、本発明における鋼管の任意の断面における肉厚測定の原理を模式的に示す説明図である。 図５は、本発明における鋼管の任意の断面における肉厚測定の原理を模式的に示す説明図である。 図６は、鋼管の全周にわたって肉厚測定が行われる状況を模式的に示す説明図である。 図７は、実施例の結果を示すグラフである。 図８は、実施例の結果を示すグラフである。

はじめに、本発明の原理を説明する。
本発明に係る鋼管の肉厚測定装置は、従来のポインタ接触式全形状測定装置とは異なり、特に測定対象物を中空円筒状の鋼管に特化したものである。

すなわち、電縫管や鍛接管の製造工程では、ミルスタート時（ミル立ち上げ後２０分間位の間を意味する。電縫管の場合にはミル立ち上げ後１０分間位の間を意味する。）に必ず鋼管の外径および肉厚をチェックし、品質の良し悪しを確認する必要がある。さらに、この製造工程では、生産性を最大限に高めるために、測定精度だけでなくて測定スピードも大切な要素である。

しかし、現在の製造工程ではマイクロメーターによる手作業での測定が一般的であるため、必然的に複数の定点測定を行うことなる。このため、操業管理上重要となる最大肉厚および最小肉厚を求め難い。また、市販の自動測定器は、被測定物にポインタを当てて全周をなぞるようにして測定するので、測定に長時間を要する。さらに、装置自体が最大限の正確さを出すように設計されているため、極めて高価である。

本発明者は、測定精度と作業効率とを調和させるためには、製造工程で要求される測定スピードと正確性とを満足すればよいと考え、鋭意検討を重ねた。その結果、
（ａ）鋼管をクランプして測定する従来の手法を用いず、鋼管を軸回りに回転しながら測定を行うことにより、鋼管の中心位置合わせを確実にするためのクランプ装置に要する費用を抑制できるとともに、クランプ装置に鋼管をセットするための作業の工数および時間を削減でき、鋼管の肉厚、特に鋼管の周方向の肉厚を短時間で測定できること、および
（ｂ）非接触法による鋼管の肉厚の測定を行うことにより、肉厚の測定をさらに高速で行うことができるとともに測定装置の寿命を延長できること
を知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成した。

次に、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。
図１は、本発明に係る鋼管２の肉厚測定装置１の説明図であって、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は正面図である。また、図２は、この肉厚測定装置１の主要部を簡略化して模式的に示す斜視図である。

図１、２に示すように、この肉厚測定装置１は、第１の距離計３−１および第２の距離計３−２と、距離計支持部材４と、鋼管支持装置５と、演算装置６とを備えるので、これらの構成要素について順次説明する。

［第１の距離計３−１、第２の距離計３−２］
第１の距離計３−１、第２の距離計３−２は、いずれも、光線を照射することにより測定対象である鋼板１の内表面２ａ、外表面２ｂまでの距離を、非接触で測定するための距離計である。

図１および図２に示す肉厚測定装置１では、第１の距離計３−１として、鋼板１の内表面２ａへ向けてレーザー光線を照射し反射して返って来るまでの時間を測ることにより、第１の距離計３−１と第１の距離計３−１から照射されるレーザー光線が照射される位置との間の距離を測定することができるレーザー距離計を用いた。

また、第１の距離計３−２として、鋼板１の外表面２ｂへ向けてレーザー光線を照射し反射して返って来るまでの時間を測ることにより、第２の距離計３−２と第２の距離計３−２から照射されるレーザー光線が照射される位置との間の距離を測定することができるレーザー距離計を用いた。

なお、本発明における第１の距離計３−１および第２の距離計３−２は、レーザー距離計に限定されるものではなく、光線を照射することにより測定対象である鋼板１の内表面２ａ、外表面２ｂまでの距離を非接触で測定することが可能な距離計であれば、等しく適用可能である。
本発明に係る肉厚測定装置１における第１の距離計３−１、第２の距離計３−２は、以上のように構成される。

［距離計支持部材４］
距離計支持部材４は、第１の距離計３−１および第２の距離計３−２それぞれが照射するレーザー光線７−１、７−２の光軸が、同一直線状に存在するとともに測定対象である鋼管２の外面２ｂおよびこの鋼管２の端部開口２ｃを通過するように、第１の距離計３−１および第２の距離計３−２を所定の距離だけ離して固定して支持するための部材である。

距離計支持部材４は、第１の距離計３−１および第２の距離計３−２を所定の距離だけ離して固定して支持するための固定ブラケット８と、この固定ブラケット８を、鉛直方向の固定位置を可変に支持するための長孔９ａを有するレール９と、固定ブラケット８をレール９にネジ止めするためのネジ１０とを備える。距離計支持部材４は、後述する演算装置６とともに、適当な架台１１に搭載される。

第１の距離計３−１および第２の距離計３−２を固定する固定ブラケット８は、レール９に案内されて鉛直方向へスライド可能に設置されるため、鋼管８の外径に応じて自在に固定高さを調整することができる。これにより、１５Ａ（直径２１．７ｍｍ）から１００Ａ（直径１１４．３ｍｍ）までの外径が異なる多種の鋼管８（図２には外径が異なる３種の鋼管２、２−１、２−２を例示する）の肉厚測定を行うことができる。
本発明に係る肉厚測定装置１における距離計支持部材４は、以上のように構成される。

［鋼管支持装置５］
鋼管支持装置５は、鋼管２を回転させながら支持するための装置である。図１に示す肉厚測定装置１では、鋼管支持装置５として、鋼管２の下部を支持する複数（図１、２に示す例では６基）の駆動ロール５ａ〜５ｆと、駆動ロール５ａ〜５ｆを駆動するためのモータ１２とを用いた。

図３は、鋼管２に対する駆動ロール５ａ〜５ｆの配置例を示す説明図である。
同図に示すように、鋼管２−２、２−１、２と鋼管２の外径が大きくなると、駆動ローラ５ａ、５ｂだけでは鋼管２を安定して回転させることが難しくなるため、合計６個の回駆動ロール５ａ〜５ｆを設置し、特に外径が大きくなる直径６０ｍｍの鋼管２−１以上の鋼管に関しては、４個の駆動ロール５ａ〜５ｄまたは６個の駆動ロール５ａ〜５ｆにより鋼管８を支持し、測定のバラツキを抑制することが望ましい。
なお、図面を判読し易くするため、図１では駆動ロール５ａ〜５ｆの軸受けは省略してある。
本発明に係る肉厚測定装置１における鋼管支持装置５は、以上のように構成される。

［演算装置６］
演算装置６は、第１のケーブル１３−１を介して入力される第１の距離計３−１の測定値、および第２のケーブル１３−２を介して入力される第２の距離計３−２の測定値、および、鋼管２に対する光線７−１、７−２の傾斜角度に基づいて、鋼管２の肉厚を演算するための装置である。なお、図１では演算装置６は省略してある。

ここで、第１の距離計３−１の測定値は、第１の距離計３−１と、この第１の距離計３−１から照射される光線７−１が鋼管２の内面２ａに照射される位置との間の距離の測定値であるとともに、第２の距離計３−２の測定値は、第２の距離計３−２と、この第２の距離計３−２から照射される光線７−２が鋼管２の外面２ｂに照射される位置との間の距離の測定値である。これら測定値は、鋼管２の全周の肉厚の測定値であることが望ましい。

図４、５は、いずれも、本発明における鋼管２の任意の断面における肉厚測定の原理を模式的に示す説明図である。図４、５に示す説明図において、鋼管２の端面から軸方向へＺだけ内側に入った位置における測定しようとする肉厚をＹとする。これまでの測定手法では、図４に示すように、肉厚Ｙを直接測定するには測定器を鋼管２の内部に挿入して内面２ａに直角に配置する必要がある。

これに対し、本発明によれば、図５に示すように、測定器を挿入せずに、第１の距離計３−１および第２の距離計３−２の測定値を用いて距離Ｘを測定し、肉厚Ｙ≒Ｘ・Ｓｉｎ６０°として鋼管２の肉厚を求める。この測定手法によっても測定精度は十分正確である。この理由は、距離Ｘを測定した場合に、Ｘ・Ｓｉｎ６０°は、位置Ｚ１、Ｚ２間の鋼管２の平均肉厚の近似値となるが、電縫管や鍛接管は、薄板を長手方向へ溶接して定尺に切断することにより製造されるため、長手方向の肉厚は熱延鋼板や薄板製造の精度を十分に満たしているからである。具体的には、断面Ｚ１での肉厚と断面Ｚ２での肉厚と差は、１／１０００ｍｍ程度しかないため、Ｚ１〜Ｚ２間の肉厚の平均値を、断面Ｚ２での肉厚としても何ら問題ない。

本発明におけるレーザー距離計３−１、３−２を用いた肉厚測定を、図５を参照しながら説明する。

はじめに、第１の距離計３−１および第２の距離計３−２を、距離計支持部材４を用いて、それぞれの光軸を一致させて、３００ｍｍ程度離して配置する。この理由は、第２の距離計３−２の光線７−２の光軸が、第１の距離計３−１の光線７−１の光軸に対してΔθずれると、ｂ・Δθだけ測定値からずれるからである。このため、光軸のずれを生じた場合の影響をなるべく少さくするように、図５における距離ａ、ｂはできるだけ小さいことが望ましい。

第１の距離計３−１の光線７−１の光軸、および第２の距離計３−２の光線７−２の光軸は、鋼管２の軸方向に対して６０°±１０°傾けて配置することが望ましい。光線７−１の光軸、光線７−２の光軸と鋼管２の軸方向とがなす角度があまりに小さいと、図５における距離Ｘが長くなるため、広い範囲で肉厚の平均値となってしまうためである。

そして、第１の距離計３−１および第２の距離計３−２から算出される測定値は、（３００−ａ−ｂ）ｍｍであるため、鋼管２の肉厚は（３００−ａ−ｂ）ｓｉｎ（６０°±１０°）ｍｍとして算出される。

図６は、鋼管２の全周にわたって鋼管２の肉厚測定が行われる状況を模式的に示す説明図である。
鋼管２の１点の肉厚は、図５に示すようにして測定されるが、１点の肉厚測定では不十分であるので、本発明では鋼管２を回転させながら、上述した内容で肉厚測定を鋼管２の周方向の全てに対して行うことにより、鋼管２の全周の肉厚を短時間で測定することができる。

なお、駆動ロール５ａ〜５ｆが回転し始めた直後は、鋼管２をクランプ装置でクランプしていないために、鋼管２が不規則に動作する。このため、駆動ロール５ａ〜５ｆの始動直後１秒間のデータは用いずに、１秒間以上経過した後に測定を開始することが望ましい。
本発明に係る肉厚測定装置１における演算装置６は、以上のように構成される。

本発明に係る鋼管２の肉厚測定装置１は、以上のように構成される。次に、この肉厚測定装置１を用いて鋼管２の肉厚を測定する方法を説明する。

はじめに、第１の距離計３−１および第２の距離計３−２を支持する距離計支持部材４を適当な位置に配置することにより、第１の距離計３−１および第２の距離計３−２を、第１の距離計３−１および第２の距離計３−２それぞれが照射する光線７−１、７−２それぞれの光軸が、同一直線状に存在するとともに測定対象である鋼管２の外面２ｂおよび鋼管２の端部開口２ｃを通過するように、所定の距離離して固定して支持する。

そして、鋼管支持装置５を起動して鋼管２を回転させ、回転開始後１秒間以上経過してから、演算装置６により、第１の距離計３−１および第２の距離計３−２それぞれの測定値、および鋼管２に対する光軸７−１、７−２の傾斜角度に基づいて、鋼管の全周の肉厚を、（３００−ａ−ｂ）ｓｉｎ（６０°±１０°）ｍｍとして算出する。

この際、鋼管２の回転開始時は、特に肉厚測定値が乱れたため、回転開始時の鋼管２の回転角度６０°分の外径、肉厚の情報を削除し、これを補償するために鋼管２を４５０°回転させ、確実に３６０°以上の回転角分の肉厚測定を行うことにより、鋼管２の周方向の全ての肉厚を測定する。
このようにして、本発明に係る鋼管２の肉厚測定装置１によれば、鋼管２の任意の断面における肉厚、特に鋼管２の周方向の全ての肉厚を、簡単に精度良くさらには設備コストの上昇を抑制しながら、測定することができるようになる。

また、本発明に係る鋼管２の肉厚測定装置１によれば、これまでのマイクロメーターによる測定では３分間程度を要していた鋼管２の肉厚測定を、約５秒間程度に顕著に短縮できるとともに、接触式測定およびパイプクランプ方式をいずれも廃止できるために設備コストの上昇を抑制することもできる。

図１〜５に示す本発明に係る肉厚測定装置１を用いて、実際に工場で製造された外径１５Ａの鋼管２の肉厚を測定した。図６は、この測定結果を示すグラフである。
図７は、この１５Ａの鋼管２の同じ部分を５回測定した結果をまとめて示すものである。
図７のグラフから理解されるように、本発明に係る鋼管２の肉厚測定装置１によれば、鋼管２の周方向で再現性良く、肉厚を測定することができた。

図８は、この測定における測定回数別の測定精度を示すグラフである。図８にグラフで示すように、１回の測定でもビード部分を含めてバラツキは高々０．０２ｍｍと高い測定精度を確保できるが、３回以上測定することにより肉厚のバラツキは（１／１００ｍｍ）以下と極めて小さくなるため、より精密な測定を求める場合は３回以上測定することが望ましい。

１ 肉厚測定装置
２、２−１、２−２ 鋼管
２ａ 内表面
２ｂ 外表面
２ｃ 端部開口
３−１ 第１の距離計（レーザー距離計）
３−２ 第２の距離計（レーザー距離計）
４ 距離計支持部材
５ 鋼管支持装置
５ａ〜５ｆ 駆動ロール
６ 演算装置
７−１、７−２ 光線（レーザー光線）
８ 固定ブラケット
９ レール
９ａ 長孔
１０ ネジ
１１ 架台
１２ モータ
１３−１ 第１のケーブル
１３−２ 第２のケーブル

Claims (6)

1. 光線を照射することにより測定対象までの距離を非接触で測定する第１の距離計および第２の距離計と、該第１の距離計および第２の距離計それぞれが照射する光線の光軸が、同一直線状に存在するとともに測定対象である鋼管の外面および前記鋼管の端部開口を通過するように、前記第１の距離計および第２の距離計を所定の距離離して固定して支持する距離計支持部材と、前記鋼管を回転させながら支持する鋼管支持装置と、前記第１の距離計および第２の距離計それぞれの測定値、および前記鋼管に対する前記光軸の傾斜角度に基づいて前記鋼管の肉厚を演算する演算装置とを備えることを特徴とする鋼管の肉厚測定装置。
2. 前記第１の距離計および第２の距離計の測定値は、前記第１の距離計と該第１の距離計から照射される光線が前記鋼管の内面に照射される位置との間の距離の測定値、および、前記第２の距離計と該第２の距離計から照射される光線が前記鋼管の外面に照射される位置との間の距離の測定値である請求項１に記載された鋼管の肉厚測定装置。
3. 前記鋼管の肉厚は、前記鋼管の全周の肉厚である請求項１または請求項２に記載された鋼管の肉厚測定装置。
4. 前記鋼管支持装置は、前記鋼管の下部を支持する複数の駆動ロールからなる請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された鋼管の肉厚測定装置。
5. 前記第１の距離計および第２の距離計はいずれもレーザー距離計である請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された鋼管の肉厚測定装置。
6. 光線を照射することにより測定対象までの距離を非接触で測定する第１の距離計および第２の距離計を、該第１の距離計および第２の距離計それぞれが照射する光線の光軸が、同一直線状に存在するとともに測定対象である鋼管の外面および前記鋼管の端部開口を通過するように、所定の距離離して固定して支持し、前記鋼管を回転させながら、前記第１の距離計および第２の距離計それぞれの測定値、および前記鋼管に対する前記光軸の傾斜角度に基づいて、前記鋼管の肉厚を演算することを特徴とする鋼管の肉厚測定方法。

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