JP2021105586A

JP2021105586A - 渦電流探触子

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Publication number: JP2021105586A
Application number: JP2019237865A
Authority: JP
Inventors: 寛記河井; Hiroki Kawai; 征一大森; Seiichi Omori; 誉寿大島; Takatoshi Oshima; 宏明畠中; Hiroaki Hatanaka; 鈴木　啓介; Keisuke Suzuki; 鈴木　　啓介
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2021-07-26

Abstract

【課題】誘起電圧のＳＮ比を維持しつつ、リフトオフ量を低減する。【解決手段】渦電流探触子１２０は、コイル１２４が設けられ、被検査体の検査面（タービンの翼３０の負圧面３８）に対向する対向面部２００と、対向面部２００との為す角が所定の第１角度である底面部２０６と、対向面部２００および底面部２０６の間に連続して設けられる凸曲面部２０８と、を有するプローブ本体１２２を備える。【選択図】図４

Description

本開示は、渦電流探触子に関する。

渦電流探傷装置は、導電性の被検査体に形成されたきず（不連続部）を検出する装置である。渦電流探傷装置は、棒形状の渦電流探触子と、電力供給部とを備える。渦電流探触子は、コイルを有する。電力供給部は、コイルに交流電力（励磁電圧）を印加する。渦電流探傷装置によって被検査体を検査する場合、渦電流探触子（コイル）を被検査体に近づけ、コイルに励磁電圧を印加して被検査体の表面に渦電流を発生させる。被検査体の表面にきずがある場合、きずの箇所において渦電流が変動する。したがって、渦電流探傷装置は、渦電流の変化に起因するコイルの起電力（誘起電圧）の変化に基づいて、きずの有無を判定する。

渦電流探傷装置によって、被検査体における平面の箇所または曲率が小さい（曲率半径が大きい）箇所を検査する場合、渦電流探触子を被検査体に接触させながら走査することができる。しかし、被検査体の曲率の大きい（曲率半径が小さい）箇所を検査する場合、渦電流探触子を被検査体に接触させながら走査することは困難である。したがって、被検査体の曲率の大きい箇所を検査する場合、渦電流探触子と被検査体との間の距離（リフトオフ量）が大きくなる。渦電流探傷装置において、リフトオフ量が大きくなると、渦電流が小さくなり、きずの大きさによっては検出できない場合がある。

そこで、可撓性を有するフィルム形状の渦電流探触子が開発されている（例えば、特許文献１）。特許文献１の技術では、渦電流探触子を被検査体に押圧する押圧手段を備え、渦電流探触子を被検査体に押圧しながら走査させることで、リフトオフ量を低減している。

特開２０１０−１２７７６７号公報

上記フィルム形状の渦電流探触子は、耐久性が低いという問題点がある。また、フィルム形状の渦電流探触子は、棒形状の渦電流探触子と比較して、コイルの巻き数が少なくなる。したがって、フィルム形状の渦電流探触子は、コイルの誘起電圧のＳＮ比（シグナル−ノイズ比）が低下してしまうという問題がある。

本開示は、このような課題に鑑み、誘起電圧のＳＮ比を維持しつつ、リフトオフ量を低減することが可能な渦電流探触子を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る渦電流探触子は、コイルが設けられ、被検査体の検査面に対向する対向面部と、対向面部との為す角が所定の第１角度である底面部と、対向面部および底面部の間に連続して設けられる凸曲面部と、を有するプローブ本体を備える。

また、被検査体は、検査面と、検査面との為す角が所定の第２角度である延在面と、検査面および延在面の間に連続して設けられる凹曲面と、を有し、凸曲面部の曲率は、凹曲面の曲率の１／２以上であり、凹曲面の曲率以下であってもよい。

本開示によれば、誘起電圧のＳＮ比を維持しつつ、リフトオフ量を低減することが可能となる。

実施形態にかかる渦電流探傷装置を説明する図である。回転機械のタービンの一部を示す図である。比較例の渦電流探触子によるタービンの走査を説明する図である。実施形態の渦電流探触子を説明する図である。実施形態の渦電流探触子のリフトオフ量と、比較例の渦電流探触子のリフトオフ量とを説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

［渦電流探傷装置１００］
図１は、本実施形態にかかる渦電流探傷装置１００を説明する図である。渦電流探傷装置１００は、制御装置１１０と、渦電流探触子１２０と、表示装置１３０とを含む。

制御装置１１０は、信号ケーブル１１２を介して、渦電流探触子１２０に接続される。制御装置１１０は、信号ケーブル１１４を介して、表示装置１３０に接続される。制御装置１１０は、渦電流探触子１２０のコイル１２４に交流電力（励磁電圧）を印加する。また、制御装置１１０は、コイル１２４の起電力（誘起電圧）を示す信号（以下、「検出信号」という）を取得する。そして、制御装置１１０は、励磁電圧（参照信号）を基準とした、誘起電圧（検出信号）の振幅および位相の推移（変動）をリサージュ波形として、表示装置１３０に表示させる。

渦電流探触子１２０は、コイル（電気伝導コイル）１２４を含む。渦電流探触子１２０（コイル１２４）は、ユーザによって、被検査体１０の表面を走査する。そうすると、コイル１２４に印加された励磁電圧によって、被検査体１０の表面に渦電流が誘起される。そして、制御装置１１０は、渦電流に基づくコイル１２４の誘起電圧を示す検出信号を取得する。なお、被検査体１０においてきず（不連続部）がない箇所を走査すると、コイル１２４の起電力（誘起電圧）と励磁電圧との振幅の差および位相の差は、変化しない（一定である）。一方、被検査体１０においてきずがある箇所を走査すると、きずの箇所においてコイル１２４の起電力が変化する。したがって、制御装置１１０は、起電力の変化、つまり、誘起電圧の変化に基づき、被検査体１０におけるきずの有無を判定する。

表示装置１３０は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイである。表示装置１３０は、制御装置１１０から受信したリサージュ波形を表示する。

このように、渦電流探傷装置１００は、渦電流探触子１２０（コイル１２４）を被検査体１０の表面に走査させることによりきずを検出する。ここで、被検査体１０の形状によっては、コイル１２４と被検査体１０との間の距離であるリフトオフ量が大きくなってしまう場合がある。例えば、タービンを有する回転機械のタービンの翼の付け根部は、窪みが形成される。このため、タービンを被検査体１０とする場合、リフトオフ量が大きくなる箇所がある。

図２は、回転機械のタービン２０の一部を示す図である。図２（ａ）は、回転機械のタービン２０の一部分の斜視図である。図２（ｂ）は、回転機械の翼３０の径方向の断面の一部を示す図である。

図２（ａ）に示すように、タービン２０は、タービン本体２２と、複数の翼３０とを含む。タービン本体２２は、円板形状の部材である。タービン本体２２の中央には、シャフトが接続される。複数（例えば、８０枚）の翼３０は、タービン本体２２の外周面２２ａに等間隔に設けられる。翼３０は、外周面２２ａ（延在面）からタービン本体２２の径方向外方に立設する。翼３０の、タービン本体２２の径方向と直交する断面の形状は、前縁３２と、後縁３４と、前縁３２と後縁３４との間に設けられた正圧面３６および負圧面３８とを有する翼形状である。翼３０の付け根、つまり、翼３０と外周面２２ａとの接続箇所には、翼３０の外形に沿った凹曲面４０（窪み）が設けられる。

具体的に説明すると、図２（ｂ）に示すように、翼３０は、負圧面３８（検査面）を有する。負圧面３８は、外周面２２ａとの為す角αが所定の第２角度である面である。第２角度は、０度を上回り１８０度未満である。翼３０と外周面２２ａとの接続箇所には、負圧面３８および外周面２２ａの間に連続した凹曲面４０が設けられる。凹曲面４０は、タービン本体２２の内部に向かう方向に陥没した箇所である。換言すれば、凹曲面４０は、タービン本体２２の内方に凹となる曲面形状である。

タービン２０は、共振等により、凹曲面４０および凹曲面４０近傍にきずが生じることがある。したがって、凹曲面４０および凹曲面４０近傍のきずの有無を渦電流探傷装置１００で検出したいという要望がある。

図３は、比較例の渦電流探触子５０によるタービン２０の走査を説明する図である。図３（ａ）は、比較例の渦電流探触子５０によるタービン２０の走査を説明する第１の図である。図３（ｂ）は、比較例の渦電流探触子５０によるタービン２０の走査を説明する第２の図である。図３（ａ）、図３（ｂ）中、矢印は、渦電流探触子５０の走査方向を示す。

図３（ａ）に示すように、比較例の渦電流探触子５０の断面は、矩形形状である。渦電流探触子５０は、測定面５０ａと、底面５０ｂとを含む。測定面５０ａにはコイル５２が設けられる。底面５０ｂは、測定面５０ａと直交する面である。測定面５０ａと底面５０ｂとの為す角は、２７０度である。測定面５０ａと底面５０ｂとの間には角部５０ｃが形成される。

渦電流探触子５０を用いて負圧面３８を検査する場合、測定面５０ａを負圧面３８に接触させて、渦電流探触子５０を図３（ａ）、図３（ｂ）に示す移動方向に移動（走査）させる。角部５０ｃが凹曲面４０に到達するまでは、測定面５０ａを負圧面３８に接触させることができるため、この際、渦電流探触子５０は、負圧面３８とコイル５２とのリフトオフ量を実質的にゼロとすることができる。

しかし、図３（ｂ）に示すように、渦電流探触子５０が凹曲面４０に差し掛かると、角部５０ｃが凹曲面４０に接触し、さらに移動（走査）を続けると、角部５０ｃが凹曲面４０を摺動する。角部５０ｃが凹曲面４０を摺動する際、コイル５２と負圧面３８との間のリフトオフ量が大きくなってしまう。そして、角部５０ｃが凹曲面４０を摺動し始めてから底面５０ｂが外周面２２ａに接触するまで、リフトオフ量が漸増する。

このように、渦電流探触子５０を用いて、被検査体１０として、タービン２０の翼３０の付け根（凹曲面４０）を検査する場合、リフトオフ量が大きくなる。リフトオフ量が大きいと、被検査体１０の表面に誘起される渦電流が小さくなり、コイル５２の誘起電圧が低下する。そうすると、検出信号のＳＮ比が低くなり、きずの大きさによっては、渦電流探触子５０によってきずを検出できない場合が生じる。

また、角部５０ｃが凹曲面４０を摺動する際、角部５０ｃのみが凹曲面４０に接触する。したがって、渦電流探触子５０と凹曲面４０とが線接触となり、渦電流探触子５０が不安定になる（ガタつく）という問題がある。そうすると、渦電流探触子５０のガタつきによってリフトオフ量が変動し、きずがない場合であっても起電力が変化して、疑似信号が発生してしまう。さらに、凹曲面４０に沿うように渦電流探触子５０を走査させた場合、ガタつきによって再現性が得にくいという問題もある。

そこで、本実施形態の渦電流探触子１２０は、リフトオフ量を低減し、安定して被検査体１０を走査することが可能な形状を有する。以下、渦電流探触子１２０の具体的な構成について説明する。

［渦電流探触子１２０］
図４は、本実施形態の渦電流探触子１２０を説明する図である。図４（ａ）は、渦電流探触子１２０の上面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＩＶ（ａ）−ＩＶ（ａ）線の断面図である。

図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、渦電流探触子１２０は、プローブ本体１２２と、コイル１２４と、把持部１２６とを含む。プローブ本体１２２は、棒形状である。プローブ本体１２２は、可撓性を有する材料（例えば、樹脂）で構成される。コイル１２４は、プローブ本体１２２に設けられる。把持部１２６は、ユーザによって把持される。把持部１２６は、コイル１２４と信号ケーブル１１２とを接続する。

以下、プローブ本体１２２について詳述する。図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、プローブ本体１２２は、対向面部２００と、外側面部２０２と、上面部２０４と、底面部２０６と、凸曲面部２０８とを有する。

対向面部２００は、タービン２０（被検査体１０）の翼３０の負圧面３８（検査面）に対向可能な形状に形成される。図４（ａ）に示すように、本実施形態において、対向面部２００の移動方向と直交する断面は、タービン２０（被検査体１０）の翼３０の負圧面３８の一部に沿った形状である。具体的に説明すると、対向面部２００は、負圧面３８よりも曲率が小さい（径が大きい）。したがって、対向面部２００を負圧面３８に容易に対向させることができる。コイル１２４は、対向面部２００に設けられる。具体的に説明すると、コイル１２４は、プローブ本体１２２の中央と、プローブ本体１２２の先端との間の対向面部２００に設けられる。

外側面部２０２は、対向面部２００の反対側の面である。外側面部２０２は、負圧面３８に向かって凸となる曲面形状である。換言すれば、外側面部２０２は、プローブ本体１２２の外部に向かう方向に突出した曲面形状である。プローブ本体１２２が対向面部２００および外側面部２０２を有するため、検査対象の翼３０に隣接する翼３０にプローブ本体１２２が衝突してしまう事態を回避することができる。これにより、渦電流探触子１２０は、翼３０をスムーズに走査することが可能となる。

図４（ｂ）に示すように、外側面部２０２の高さは、対向面部２００よりも大きい。また、外側面部２０２には、コイル１２４を穴２０２ａに埋め込むための穴２０２ｂが形成される。穴２０２ｂは、可撓性を有する材料で充填される。

図４（ｂ）に示すように、上面部２０４は、外側面部２０２と対向面部２００との間に設けられる。上面部２０４は、外側面部２０２から対向面部２００に向かって底面部２０６に近づく方向に傾斜する。

底面部２０６は、対向面部２００との為す角βが所定の第１角度となる形状に形成される。第１角度は、１８０度を上回り３６０度未満である。第１角度は、例えば、２７０度である。底面部２０６は、対向面部２００が負圧面３８に対向する場合、外周面２２ａに対向する。

凸曲面部２０８は、対向面部２００および底面部２０６の間に連続して設けられる。凸曲面部２０８は、負圧面３８に向かって凸となる曲面形状である。換言すれば、凸曲面部２０８は、プローブ本体１２２の外部に向かう方向に突出した曲面形状である。凸曲面部２０８の曲率は、タービン２０の凹曲面４０の曲率の１／２以上であり、凹曲面４０の曲率以下である。本実施形態において、凸曲面部２０８の曲率は、凹曲面４０の曲率の１／２である。

以上説明したように、プローブ本体１２２は、凹曲面４０を有する。これにより、比較例の渦電流探触子５０と比較して、リフトオフ量を低減することができる。図５は、本実施形態の渦電流探触子１２０のリフトオフ量と、比較例の渦電流探触子５０のリフトオフ量とを説明する図である。図５（ａ）は、本実施形態の渦電流探触子１２０と比較例の渦電流探触子５０とを比較する図である。図５（ｂ）は、本実施形態の渦電流探触子１２０のリフトオフ量と、比較例の渦電流探触子５０のリフトオフ量とを説明する図である。

図５（ａ）に示すように、渦電流探触子１２０を構成するプローブ本体１２２の凸曲面部２０８は、渦電流探触子５０の角部５０ｃよりも対向面部２００（コイル１２４）に対して内方に凹んでいる。

したがって、図５（ｂ）に示すように、渦電流探触子１２０が凹曲面４０に差し掛かると、凸曲面部２０８が凹曲面４０を摺動する。上記したように、凸曲面部２０８は、角部５０ｃよりも内方に凹んでいるため、渦電流探触子１２０は、図５（ａ）、図５（ｂ）中、破線で示す渦電流探触子５０よりもコイル１２４を負圧面３８に近づけることができる。したがって、渦電流探触子１２０は、コイル１２４と負圧面３８とのリフトオフ量ＬＡを、渦電流探触子５０のコイル５２と負圧面３８とのリフトオフ量ＬＢより小さくすることができる。

また、上記したように、凸曲面部２０８の曲率は、凹曲面４０の曲率の１／２以上であり、凹曲面４０の曲率以下である。凸曲面部２０８の曲率が小さくなるほど、凸曲面部２０８は角部５０ｃに近づく。つまり、凸曲面部２０８の曲率が小さくなるほど、リフトオフ量が増加する。一方、凸曲面部２０８の曲率が凹曲面４０の曲率を上回ると、コイル１２４を凹曲面４０に近づけることができなくなり、凹曲面４０および凹曲面４０の近傍のきずの有無を判定できない。したがって、凸曲面部２０８の曲率を、凹曲面４０の曲率の１／２以上、凹曲面４０の曲率以下とすることにより、リフトオフ量を低減し、かつ、きずの検出感度を向上させることができる。

また、凸曲面部２０８が凹曲面４０を摺動する際、凸曲面部２０８が凹曲面４０に接触する。したがって、渦電流探触子１２０の凸曲面部２０８は、凹曲面４０と面接触することができる。これにより、渦電流探触子１２０は、タービン２０を安定して走査することが可能となる。

また、プローブ本体１２２は、フィルム形状の渦電流探触子とは異なり、可撓性を有する材料で構成された棒形状の部材に、コイル１２４が一体的に埋め込まれて構成される。したがって、プローブ本体１２２は、フィルム形状の渦電流探触子と比較して、コイル１２４の剥離、または、落下に対する耐久性を向上させることができる。

また、プローブ本体１２２は、対向面部２００と、外側面部２０２との間にコイル１２４を設けることができる。したがって、プローブ本体１２２は、フィルム形状の渦電流探触子と比較して、コイル１２４の巻き数を増加させることが可能となる。これにより、渦電流探触子１２０は、フィルム形状の渦電流探触子よりも、コイル１２４の誘起電圧を示す検出信号のＳＮ比を増加させることができる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、被検査体１０として、タービン２０を例に挙げた。しかし、被検査体１０は、走査方向に延在した検査面と、走査方向と交差する方向に延在した延在面と、検査面および延在面の間に連続して設けられる凹曲面を有する形状であれば、被検査体に限定はない。

また、穴２０２ａに収容されるコイル１２４は、１つであってもよいし、２つであってもよい。つまり、渦電流探触子１２０は、単一方式、または、自己比較方式であってもよい。単一方式は、単独のコイル１２４で、誘起電圧の変化を検出する方法である。自己比較方式は、２つのコイル１２４を隣接してプローブ本体１２２に設置し、２つのコイル１２４が検出した誘起電圧の差を検出する方法である。また、渦電流探触子１２０は、穴２０２ａを複数備え、各穴２０２ａにそれぞれコイル１２４を配してもよい。

本開示は、渦電流探触子に利用することができる。

２０タービン（被検査体）
２２ａ外周面（延在面）
３８負圧面（検査面）
４０凹曲面
１２０渦電流探触子
１２２プローブ本体
１２４コイル
２００対向面部
２０６底面部
２０８凸曲面部

Claims

コイルが設けられ、被検査体の検査面に対向する対向面部と、
前記対向面部との為す角が所定の第１角度である底面部と、
前記対向面部および前記底面部の間に連続して設けられる凸曲面部と、
を有するプローブ本体を備える渦電流探触子。
前記被検査体は、
前記検査面と、
前記検査面との為す角が所定の第２角度である延在面と、
前記検査面および前記延在面の間に連続して設けられる凹曲面と、
を有し、
前記凸曲面部の曲率は、前記凹曲面の曲率の１／２以上であり、前記凹曲面の曲率以下である請求項１に記載の渦電流探触子。