JP2016133345A - 鋼管用磁化装置、磁粉探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁化器を大型化させることなく、より肉厚が厚い鋼管の管端部の磁粉探傷を高精度に行うことが可能な磁粉探傷装置を提供する。
【解決手段】本発明の鋼管用磁化装置は、継鉄に電線が巻かれた第１〜第３磁化要素１１〜１３が相互に１２０度の位相差をもって配置され、その第１〜第３磁化要素１１〜１３の電線Ｌ１１〜Ｌ１３がΔ結線又はＹ結線されている三極ヨーク型磁化器１０と、商用三相交流電源の三相交流電圧を商用三相交流電源の周波数より低い周波数の三相交流電圧に変換して三極ヨーク型磁化器１０に印加する電源装置２０と、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、鋼管等の被検査体を磁化する鋼管用磁化装置、該鋼管用磁化装置を備える磁粉探傷装置に関する。

非破壊検査方法の一例として、磁化装置で被検査体を磁化し、磁化した被検査体に磁粉を散布し、その被検査体に付着した磁粉の分布状態から、その被検査体の傷や割れを検出する磁粉探傷方法が公知である。このような磁粉探傷方法において磁化装置で被検査体を磁化する際には、被検査体に生じている傷や割れの方向と磁界の磁力線方向との角度によって、その傷や割れの検出精度が異なってくる。具体的には、傷や割れの長手方向に対して磁力線が直交する状態において、傷や割れで生ずる漏洩磁束が最も大きくなるため、傷や割れに付着した磁粉により形成される磁粉模様を最も明瞭に識別することができる。

しかし被検査体に生じている傷や割れの方向を予測することは、通常困難な場合が多い。そのため、多方向の磁界を発生させる磁化装置で被検査体を磁化することによって、傷や割れの方向にかかわらず傷や割れに磁力線が直交する状態で被検査体を磁化し、被検査体の傷や割れの検出精度を向上させることが従来から行われている。そのような従来技術の一例として、回転磁界を発生させる多極磁化器を用いた磁粉探傷装置が公知である（例えば特許文献１を参照）。

このような磁粉探傷方法は、例えば鋼管の管端部の検査に用いられる。鋼管の管端部の検査は、管端部の内周面と外周面の両面を探傷する厳重な検査が要求される。例えば鋼管の管端部を磁粉探傷方法によって検査する従来技術の一例として、鋼管の管端部の内周面側と外周面側のそれぞれに多極磁化器を配置した磁気探傷装置が公知である（例えば特許文献２を参照）。

特開昭５６−６７７４７号公報 特開昭５９−２２５３４８号公報

しかしながら近年、より肉厚が厚い鋼管が利用されるようになりつつある。そして鋼管の肉厚が増すに従って、より深く回転磁界を鋼管に浸透させる必要があることから、磁粉探傷に用いる磁化器が大型化していくことになる。そのため鋼管の内径寸法によっては、鋼管の内周面側に磁化器を挿入して配置することが物理的に困難となる場合がある。そして鋼管の外周面側にのみ磁化器を配置して磁粉探傷を行おうとすると、鋼管の外周面から内周面まで回転磁界が浸透するように、さらに強い回転磁界を鋼管の外周面に形成する必要があることから、ますます磁化器が大型化してしまうことになる。

また大型の磁化器で鋼管の外周面側に強い回転磁界を形成すると、磁化器と鋼管の外周面との間に、より強い磁力が作用することになる。そのため磁化器が発生する強い磁力に抗して、磁化器と鋼管の外周面との間隔を所定の距離に維持した状態で鋼管を支持することが困難になり、磁化器が発生する強い磁力によって鋼管が振動してしまう虞が高まることになる。また磁化器と鋼管の外周面との間に強い磁力が作用することによって、鋼管が磁化器の方へ引き寄せられ、それによって鋼管を回転可能に支持する支持装置が破損したり、あるいは鋼管が磁化器に接触して鋼管に傷が付いたり、磁化器が破損したりする等の虞が高まることになる。

このような状況に鑑み本発明はなされたものであり、その目的は、磁化器を大型化させることなく、より肉厚が厚い鋼管の管端部の磁粉探傷を高精度に行うことが可能な磁粉探傷装置を提供することにある。

＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、継鉄に電線が巻かれた三つの磁化要素が相互に１２０度の位相差をもって配置され、その三つの磁化要素の電線がΔ結線又はＹ結線されている磁化器と、商用三相交流電源の三相交流電圧を商用三相交流電源の周波数より低い周波数の三相交流電圧に変換して前記磁化器に印加する電源装置と、を備える鋼管用磁化装置である。

出願人は、鋭意研究を重ねた結果、磁化器に印加する交流電圧の周波数を低下させていくに従って、鋼管に対する磁気浸透深さが増加していくとの知見を得るに至った。磁化器に交流電圧を印加することによって発生する回転磁界は、表皮効果によって鋼管の外周面に集中しやすい。他方、磁化器に印加する交流電圧の周波数を低下させていくに従って、その交流電圧は直流電圧に近づいていくことになるため、鋼管に対する磁気浸透深さが増加していくことになるのである。

このような知見に基づいて本発明はなされたものである。本発明に係る鋼管用磁化装置は、商用三相交流電源の三相交流電圧を商用三相交流電源の周波数より低い周波数の三相交流電圧に変換して磁化器に印加するので、商用三相交流電源の交流電圧をそのまま磁化器に印加する従来技術と比較して、回転磁界をより深く鋼管の管端部に浸透させることができる。つまり本発明に係る鋼管用磁化装置は、磁化器を大型化させることなく、回転磁界をより深く鋼管の管端部に浸透させることができる。

これにより本発明の第１の態様によれば、磁化器を大型化させることなく、より肉厚が厚い鋼管の管端部の磁粉探傷を高精度に行うことが可能な磁粉探傷装置を提供できるという作用効果が得られる。

＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記電源装置は、商用三相交流電源の三相交流電圧を周波数が４０Ｈｚ以下の三相交流電圧に変換して前記磁化器に印加する、鋼管用磁化装置である。
本発明の第２の態様によれば、周波数が４０Ｈｚ以下の三相交流電圧を磁化器に印加することによって、回転磁界をさらに深く鋼管の管端部に浸透させることができる。

＜本発明の第３の態様＞
本発明の第３の態様は、前述した本発明の第１の態様又は第２の態様において、前記磁化器の先端面に設けられ、鋼管の外周面とその鋼管の外周面に対向する面との間の間隔が一定になる形状をなすアタッチメントをさらに備える、鋼管用磁化装置である。
鋼管の管端部を磁化器で磁化する際には、鋼管の外周面と磁化器の先端面との間隔が一定でないと、鋼管の管端部に回転磁界を均一に浸透させることが困難になる虞が生ずる。本発明の第３の態様によれば、鋼管の外周面とその鋼管の外周面に対向する面との間の間隔が一定になる形状をなすアタッチメントを磁化器の先端面に設けることによって、鋼管の管端部に回転磁束密度の偏りが小さい均一性の高い回転磁界を浸透させることができる。

＜本発明の第４の態様＞
本発明の第４の態様は、前述した本発明の第１〜第３の態様のいずれかにおいて、前記磁化器は、前記三つの磁化要素が同心円上に配置されている、鋼管用磁化装置である。
このような特徴によれば、磁化器が形成する回転磁界（Ｘ−Ｙ平面の回転磁界）の回転方向に対する磁界の強さをより均一にすることができるので、より安定的に高い磁粉探傷精度が得られるという作用効果が得られる。

＜本発明の第５の態様＞
本発明の第５の態様は、前述した本発明の第１〜第４の態様のいずれかに記載の鋼管用磁化装置を備える磁粉探傷装置である。
本発明の第５の態様によれば、磁粉探傷装置において、前述した本発明の第１〜第４の態様のいずれかに記載の発明による作用効果が得られる。

＜本発明の第６の態様＞
本発明の第６の態様は、前述した本発明の第５の態様において、前記鋼管用磁化装置で鋼管を磁化するときに、前記鋼管の内側に挿入され、前記鋼管の内側に磁粉を散布する磁粉散布装置を備え、前記磁粉散布装置は磁性体で形成されている、磁粉探傷装置である。 本発明の第６の態様によれば、鋼管の内側に挿入される磁粉散布装置が磁性体で形成されているので、鋼管用磁化装置で鋼管の管端部を磁化するときに、鋼管の外周面の磁場が鋼管の内周面へ誘導され易くなる。それによって回転磁界をさらに深く鋼管の管端部に浸透させることができる。

本発明によれば、磁化器を大型化させることなく、より肉厚が厚い鋼管の管端部の磁粉探傷を高精度に行うことが可能な磁粉探傷装置を提供することができる。

三極ヨーク型磁化器の斜視図。 三極ヨーク型磁化器の正面図。 三極ヨーク型磁化器の構成を図示したものであり、図３（ａ）は三極ヨーク型磁化器の構造図、図３（ｂ）は三極ヨーク型磁化器の結線図。 三極ヨーク型磁化器の変形例を図示したものであり、図４（ａ）三極ヨーク型磁化器の構造図、図４（ｂ）は三極ヨーク型磁化器の結線図。 鋼管用磁化装置の構成を図示したブロック図。 本発明に係る磁粉探傷装置の第１実施例を図示した正面図。 本発明に係る磁粉探傷装置の第１実施例を図示した側面図。 本発明に係る磁粉探傷装置の第２実施例を図示した側面図。 磁束密度測定試験の装置構成を図示した正面図。 比較例のＸＹ軸のリサージュ波形（周波数５０Ｈｚ）。 実施例のＸＹ軸のリサージュ波形（周波数４０Ｈｚ）。 実施例のＸＹ軸のリサージュ波形（周波数３０Ｈｚ）。 実施例のＸＹ軸のリサージュ波形（周波数２０Ｈｚ）。 実施例のＸＹ軸のリサージュ波形（周波数１０Ｈｚ）。 実施例のＸＹ軸のリサージュ波形（周波数５Ｈｚ）。 実施例のＸＹ軸のリサージュ波形（周波数１Ｈｚ）。 実施例のＸＹ軸のリサージュ波形（周波数０．５Ｈｚ）。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
尚、本発明は、以下説明する実施例に特に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

＜三極ヨーク型磁化器の構成＞
三極ヨーク型磁化器１０の構成について、図１〜図４を参照しながら説明する。
図１は、三極ヨーク型磁化器１０の斜視図である。図２は、三極ヨーク型磁化器１０の正面図である。図３は、三極ヨーク型磁化器１０の構成を図示したものであり、図３（ａ）は三極ヨーク型磁化器１０の構造図、図３（ｂ）は三極ヨーク型磁化器１０の結線図である。

三極ヨーク型磁化器１０は、第１磁化要素１１、第２磁化要素１２、第３磁化要素１３、基部１４及び三極ヨーク１５を含む。第１磁化要素１１、第２磁化要素１２及び第３磁化要素１３は、相互に１２０度の位相差をもって基部１４に配置されて固定されている。

三極ヨーク１５は、例えば純鉄やケイ素鋼板を積層して形成した継鉄であり、第１磁極１５１、第２磁極１５２及び第３磁極１５３を有している。第１磁極１５１には電線が巻かれてコイルＬ１１が構成されており、この第１磁極１５１とコイルＬ１１とで第１磁化要素１１が構成されている。第２磁極１５２には電線が巻かれてコイルＬ１２が構成されており、この第２磁極１５２とコイルＬ１２とで第２磁化要素１２が構成されている。第３磁極１５３には電線が巻かれてコイルＬ１３が構成されており、この第３磁極１５３とコイルＬ１３とで第３磁化要素１３が構成されている。
尚、より強力で均一な磁界を形成する上では、コイルＬ１１、コイルＬ１２及びコイルＬ１３の巻き数は多い方が望ましい。

コイルＬ１１、コイルＬ１２及びコイルＬ１３は、Δ結線されている。より具体的には、コイルＬ１１とコイルＬ１３との接続点は端子Ａ１に接続され、コイルＬ１１とコイルＬ１２との接続点は端子Ａ２に接続され、コイルＬ１２とコイルＬ１３との接続点は端子Ａ３に接続されている。

このように相互に１２０度の位相差をもって配置された第１磁化要素１１、第２磁化要素１２及び第３磁化要素１３を備える三極ヨーク型磁化器１０は、端子Ａ１〜Ａ３に三相交流電圧を印加することによって、磁界の強さが３６０度、ほぼ均一となる回転磁界を形成することができる。また第１磁化要素１１、第２磁化要素１２及び第３磁化要素１３は、本発明に必須の要素ではないが、同心円上に配置されているのが好ましい。それによって三極ヨーク型磁化器１０に三相交流電圧を印加したときに、その三極ヨーク型磁化器１０が形成する回転磁界の回転方向に対する磁界の強さをより均一にすることができる。

図４は、三極ヨーク型磁化器１０の変形例を図示したものであり、図４（ａ）三極ヨーク型磁化器１０の構造図、図４（ｂ）は三極ヨーク型磁化器１０の結線図である。
三極ヨーク型磁化器１０の変形例は、コイルＬ１１〜Ｌ１３の結線が異なる以外は、図１〜図３に図示した三極ヨーク型磁化器１０と同じ構成である。三極ヨーク型磁化器１０の変形例は、コイルＬ１１、コイルＬ１２及びコイルＬ１３がＹ結線されている。より具体的には、コイルＬ１１、コイルＬ１２及びコイルＬ１３は、一端が共通の接続点に接続されている。コイルＬ１１の他端は端子Ａ１に接続され、コイルＬ１２の他端は端子Ａ２に接続され、コイルＬ１３の他端は端子Ａ３に接続されている。

＜鋼管用磁化装置の構成＞
本発明に係る鋼管用磁化装置の構成について、図５を参照しながら説明する。
図５は、鋼管用磁化装置の構成を図示したブロック図である。

鋼管用磁化装置は、上記説明した三極ヨーク型磁化器１０に加えて、さらに電源装置２０を備える。電源装置２０は、商用三相交流電源の三相交流電圧を商用三相交流電源の周波数より低い周波数の三相交流電圧に変換して三極ヨーク型磁化器１０に印加する装置であり、整流器２１、三相インバータ回路２２及びスイッチング制御装置２３を含む。整流器２１は、商用三相交流電源のＲ相、Ｓ相、Ｔ相に接続されており、三相交流電圧を整流及び平滑して直流電圧を出力する。三相インバータ回路２２は、整流器２１が出力する直流電圧を三相交流電圧に変換して、三極ヨーク型磁化器１０の端子Ａ１、Ａ２、Ａ３へ出力する。スイッチング制御装置２３は、商用三相交流電源の周波数より低い所望の周波数の三相交流電圧が三相インバータ回路２２から出力されるように、三相インバータ回路２２の複数のスイッチング素子をオン／オフ制御する。

＜第１実施例＞
本発明に係る磁粉探傷装置の第１実施例について、図６及び図７を参照しながら説明する。図６は、本発明に係る磁粉探傷装置の第１実施例を図示した正面図であり、図７は、その側面図である。

本発明に係る磁粉探傷装置は、被検査体としての鋼管３０の管端部の傷や割れを検査するための装置であり、上記説明した三極ヨーク型磁化器１０及び電源装置２０に加えて、さらに磁粉散布装置４１を備える。ここで鋼管３０は、図示していない回転支持装置によって支持されるとともに、軸芯を回転軸として一定速度で回転される（符合Ｅ）。三極ヨーク型磁化器１０は、肉厚Ｄの鋼管３０の管端部の外周面３１と三極ヨーク型磁化器１０の先端面との間隔が所定の間隔Ｇとなるように配置される。電源装置２０は、前述したように商用三相交流電源の三相交流電圧を商用三相交流電源の周波数より低い周波数の三相交流電圧に変換して三極ヨーク型磁化器１０に印加する。

磁粉散布装置４１は、三極ヨーク型磁化器１０で鋼管３０の管端部を磁化するときに、鋼管３０の内側に挿入され、磁粉を含有する磁粉液を鋼管３０の内周面３２に散布する装置である。この磁粉散布装置４１は、少なくとも鋼管３０に挿入される部分が磁性体で形成されているのが好ましい。それによって三極ヨーク型磁化器１０で鋼管３０の管端部を磁化するときに、鋼管３０の外周面３１の磁場が鋼管３０の内周面３２へ誘導され易くなるので、回転磁界をさらに深く鋼管３０の管端部に浸透させることができる。

本発明に係る磁粉探傷装置において電源装置２０は、商用三相交流電源の三相交流電圧を商用三相交流電源の周波数（例えば５０Ｈｚ）より低い周波数の三相交流電圧（例えば４０Ｈｚ以下の任意の周波数）に変換して三極ヨーク型磁化器１０に印加する。それによって本発明に係る磁粉探傷装置は、商用三相交流電源の交流電圧をそのまま三極ヨーク型磁化器１０に印加する従来技術と比較して、回転磁界をより深く鋼管３０の管端部に浸透させることができる。つまり本発明によれば、三極ヨーク型磁化器１０を大型化させることなく、回転磁界をより深く鋼管３０の管端部に浸透させることができるので、より肉厚Ｄが厚い鋼管３０の管端部の磁粉探傷を高精度に行うことができる。

＜第２実施例＞
本発明に係る磁粉探傷装置の第２実施例について、図８を参照しながら説明する。
図８は、本発明に係る磁粉探傷装置の第２実施例を図示した側面図である。第２実施例の磁粉探傷装置は、第１実施例に加えて、さらにアタッチメントユニット５０を備えている。それ以外の構成については、第１実施例と同様であるため、同一の構成要素には同一の符合を付して詳細な説明を省略する。

アタッチメントユニット５０は、例えば純鉄やケイ素鋼板等、三極ヨーク型磁化器１０の三極ヨーク１５と同じ材料で形成されているのが好ましい。アタッチメントユニット５０は、第１磁化要素１１、第２磁化要素１２及び第３磁化要素１３を覆うように三極ヨーク型磁化器１０に装着される。アタッチメントユニット５０は、同じ材料で一体に形成された第１アタッチメント５１及び第２アタッチメント５２を含む。第１アタッチメント５１は、第２磁化要素１２の先端面に対応する部分に形成されている。第２アタッチメント５２は、第３磁化要素１３の先端面に対応する部分に形成されている。

第１アタッチメント５１及び第２アタッチメント５２は、鋼管３０の外周面３１とその鋼管３０の外周面３１に対向する面との間の間隔が一定の間隔Ｇとなるように、鋼管３０の外周面３１に沿う形状をなしている。このような第１アタッチメント５１及び第２アタッチメント５２を三極ヨーク型磁化器１０の先端面に設けることによって、鋼管３０の管端部に回転磁束密度の偏りが小さい均一性の高い回転磁界を浸透させることができる。

＜鋼管内周面の磁束密度測定試験＞
出願人らは、上記説明した第２実施例の磁粉探傷装置において、鋼管３０の内周面３２の磁束密度を測定する試験を行った。
図９は、磁束密度測定試験の装置構成を図示した正面図である（アタッチメントユニット５０は図示省略）。

磁束密度測定試験は、上記説明した第２実施例の磁粉探傷装置において、外径１８０ｍｍ、内径１５８ｍｍの鋼管３０を用いて、磁粉散布装置４１を取り外した状態で行った。磁束密度の測定は、鋼管３０の内周面３２に設置した三次元プローブ６１にテスラメータ６２を接続し、テスラメータ６２に接続したオシロスコープ６３でリサージュ波形を観測することによって行った。三次元プローブ６１は、鋼管３０の管端部から磁界が回り込むことによる影響を回避するため、磁束密度の検出位置が鋼管３０の管端から約３８０ｍｍとなる位置に設置した。

電源装置２０に入力する商用交流電源の電圧は２００Ｖであり、その周波数は５０Ｈｚである。電源装置２０から三極ヨーク型磁化器１０に印加する三相交流電圧の周波数は、比較例として５０Ｈｚ、実施例として４０Ｈｚ、３０Ｈｚ、２０Ｈｚ、１０Ｈｚ、５Ｈｚ、１Ｈｚ、０．５Ｈｚとし、それぞれの周波数における鋼管３０の内周面３２におけるＸＹ軸の磁束密度のリサージュ波形を観測した。電源装置２０の出力電流は、測定条件を同一にするために、三極ヨーク型磁化器１０に印加する三相交流電圧の周波数にかかわらず一律９．５Ａ（実効値）となるようにした。

図１０は、三極ヨーク型磁化器１０に印加する三相交流電圧の周波数を５０ＨｚとしたときのＸＹ軸のリサージュ波形である（比較例）。図１１〜図１７は、三極ヨーク型磁化器１０に印加する三相交流電圧の周波数を４０Ｈｚ、３０Ｈｚ、２０Ｈｚ、１０Ｈｚ、５Ｈｚ、１Ｈｚ、０．５ＨｚとしたときのＸＹ軸のリサージュ波形である（実施例）。

ＸＹ軸のリサージュ波形は、その大きさが大きい程、鋼管３０の内周面３２の広い範囲に回転磁界が形成されていることになる。これは換言すれば、鋼管３０の外周面３１から内周面３２へより深く回転磁界が浸透していることになる。またＸＹ軸のリサージュ波形は、真円に近い形状である程、鋼管３０の内周面３２に均一な回転磁界が形成されていることを意味する。

実施例のリサージュ波形（図１１〜図１７）は、比較例のリサージュ波形（図１０）と比較して、図示の如く、その大きさが大きくなっている。つまり本発明に係る鋼管用磁化装置は、従来技術よりも鋼管３０の外周面３１から内周面３２へ深く回転磁界を浸透させることができる。また実施例のリサージュ波形（図１１〜図１７）は、三極ヨーク型磁化器１０に印加する三相交流電圧の周波数が低くなる程、その大きさが大きくなっている。つまり本発明に係る鋼管用磁化装置は、三極ヨーク型磁化器１０に印加する三相交流電圧の周波数が低くなる程、鋼管３０の外周面３１から内周面３２へより深く回転磁界を浸透させることができる。したがって本発明によれば、三極ヨーク型磁化器１０を大型化させることなく、より肉厚が厚い鋼管３０の管端部の磁粉探傷を高精度に行うことができる。

１０ 三極ヨーク型磁化器
１１ 第１磁化要素
１２ 第２磁化要素
１３ 第３磁化要素
２０ 電源装置
２１ 整流器
２２ 三相インバータ回路
２３ スイッチング制御装置
３０ 鋼管
４１ 磁粉散布装置
５０ アタッチメントユニット
５１ 第１アタッチメント
５２ 第２アタッチメント
６１ 三次元プローブ
６２ テスラメータ
６３ オシロスコープ

Claims (6)

1. 継鉄に電線が巻かれた三つの磁化要素が相互に１２０度の位相差をもって配置され、その三つの磁化要素の電線がΔ結線又はＹ結線されている磁化器と、
   商用三相交流電源の三相交流電圧を商用三相交流電源の周波数より低い周波数の三相交流電圧に変換して前記磁化器に印加する電源装置と、を備える鋼管用磁化装置。
2. 請求項１に記載の鋼管用磁化装置において、前記電源装置は、商用三相交流電源の三相交流電圧を周波数が４０Ｈｚ以下の三相交流電圧に変換して前記磁化器に印加する、鋼管用磁化装置。
3. 請求項１又は２に記載の鋼管用磁化装置において、前記磁化器の先端面に設けられ、鋼管の外周面とその鋼管の外周面に対向する面との間の間隔が一定になる形状をなすアタッチメントをさらに備える、鋼管用磁化装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼管用磁化装置において、前記磁化器は、前記三つの磁化要素が同心円上に配置されている、鋼管用磁化装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼管用磁化装置を備える磁粉探傷装置。
6. 請求項５に記載の磁粉探傷装置において、前記鋼管用磁化装置で鋼管を磁化するときに、前記鋼管の内側に挿入され、前記鋼管の内側に磁粉を散布する磁粉散布装置を備え、
   前記磁粉散布装置は磁性体で形成されている、磁粉探傷装置。

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