JP4001917B2 - 渦電流による管の検査方法および検査装置 - Google Patents

Description

この発明は、渦電流による金属管の検査に関し、排他的ではないが、その主な適用は、原子炉の制御クラスタにおいて用いられる中性子吸収材料または親物質を包含する棒の被覆管を検査することにある。既に公知（仏国特許公報第ＦＲ−Ａ−２５８５８６９号）の、制御クラスタの棒を渦電流により検査する方法は、ロッドを通過させるコイルを使用する。コイルは、高周波数の電流により電力供給される。コイルの端子間電圧を解析し、そのインピーダンスを表すことにより、管の摩耗を評価することができる。
この方策は、管が均質、例えば、ステンレス鋼からなっているような場合である限り、満足のいく結果を与える。しかしながら、在来のコイルを用い、かつ、管がそれぞれ磁気的または電気的な性質が、それらの金属の大部分の性質とかなり異なる外表面層をそれぞれ有する場合、例えば、管が摩耗を減じる目的で表面処理されている場合には、もはや信頼のできるものではない。
これは、特に、管が鋼からなり、その表面層が１０μｍ〜数１０μｍの厚さの、母材の導電率より約６倍大きな導電率を有するクロムや、窒素を含む希薄な大気内で放電すること（イオン窒化処理）により得られる窒素を濃縮した強磁性体のいずれかである場合に当てはまる。
この発明は、特に、従前に公知の方法および装置よりも良好に、実際の要求を満足する検査方法および検査装置を提供することを目的とするものである。
この目的のために、この発明は、特に、管を取り囲む測定コイルを有する測定ヘッドと、該コイルに１００ｋＨｚより大きい高周波数の電圧を供給し、コイルのインピーダンスを解析する手段とを具備し、前記ヘッドが、前記コイルを取り囲む少なくとも１つの磁石と、前記コイルの軸方向の両側に配されかつ最大強度がコイル内およびその近くに配される磁場を形成する磁気回路を構成するように前記磁石と協働する高い透磁率を有する材料からなる磁束ガイドとを具備することを特徴とする検査装置を提供する。
有利な実施形態において、前記各ガイドは、前記磁石の端面を押圧する外側部分と、他方のガイドに向かって先細になりかつコイルの中間付近でしかもコイルと実質的に同じ半径方向位置で終端する内側部分とを有するリングの形態をしている。
概して、前記手段は、１００ｋＨｚから少なくとも４ＭＨｚまでの範囲で可変の周波数で、コイルが電力供給されることを可能とする発振器を具備している。
他の側面において、この発明は、外面に、深部における金属の性質とは異なる磁気的または電気的性質を有する薄い層をそれぞれ有する磁性管を検査するために渦電流を用いる方法をも提供するものである。この方法では、内部隙間を検知するために、管を取り囲むコイルが１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲の高周波電圧を供給され、より高い周波数において、コイル内の管のその部分が、前記薄い層を磁気的に飽和させるのに十分な強さの連続的な磁場に同時にかけられる。
そして、コイルの両端の電圧が解析される。
加えて、この発明は、管と該管が包含する材料との間に存在する隙間の管に沿った変化を検知するために、１回の測定または２回の連続した測定の間に渦電流を用いることを可能とすることをも目的とするものである。
この目的のために、電力供給手段は、吸収材料と管との間の内部隙間を検知するための第１の周波数、および、管の幾何学的寸法変化および管の亀裂を検知するための４ＭＨｚより大きな第２の周波数でコイルに電力を供給するように設計されている。
そのような装置は、特に、窒化処理された、または、クロムメッキされた表面層を有する鋼製の外管を具備し、吸収材料の柱を内包する棒を検査するのに適している。
測定コイルは、標準管の一定長さを取り囲む参照コイル（１８）を含む他の枝を有するホイートストーンブリッジの枝の１つに従来の方法で配置され得る。ブリッジの対角の１つは、高周波電力供給手段に接続され、他の対角は増幅器を介して、異なる周波数でそれぞれ作動する２つの負荷回路に供給するデマルチプレクサに接続されている。
上記特徴および他の特徴は、限定しない方法で与えられた、以下の特別な実施形態の説明により明らかである。この説明は、添付図面を参照している。
図１は、管を渦電流により検査するための配置を示す理論的な図である。
図２は、この発明の一実施形態を構成する渦電流測定ヘッドを示している。
図３は、２つの異なる隙間が存在する吸収材料を内包する制御クラスタ棒の下部を示す概略的な断面図である。
図４は、原子炉制御クラスタにおける棒の被覆管を検査するための装置における測定ヘッドの採り得る分布を示す斜視図である。
管１０は、図１に示されるように、何らの欠陥をも有しない一定の参照長さの管または標準器１２と管１０とを比較することにより、渦電流により検査される。検査されるべき管１０は、高周波交流により対角位置に電力供給されたホイートストーンブリッジ１６の１つの枝に配置された測定コイル１５を含むヘッドに沿って移動される。ブリッジの他の枝には、参照長さの管１２を取り囲む参照コイル１８が配されている。測定電圧は、ブリッジの他の対角位置から得られ、デジタル出力を出力する測定差動増幅器２１に供給され、その後、コンピュータ要素２３によって処理される。
複数の測定コイルが共通の参照コイルを適当な接続回路によって共有することができる。
薄い鋼管において欠陥を検知するために、ブリッジは、通常、数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚの範囲の周波数の交流電圧で電力供給されている。
ベース金属の性質とは異なる性質を有する表面層または膜の存在により課される問題を回避するために、測定ヘッドは図２に示される構造を有している。コイル１４は、コイル支持体１８内において保護管１２の回りに巻回されている。コイルは絶縁材料よりなり環状磁石を具備する本体２０によって囲まれている。この磁石の磁気回路は、高いインダクタンスにおいてさえも高い透磁率を有する材料、例えば、フェライトよりなる２つの磁束ガイド２４によって閉じられている。
２つのガイドのそれぞれはリング状に形成されている。それぞれが、内側部分と、環状磁石２２の端縁を押圧する円盤の形態をした外側部分とを具備している。内側部分は他のガイドに向かって先細になり、それ自体、コイルの中間付近において、ほぼ同じ半径方向位置で終端している。内側部分の間には隙間が維持されている。この隙間の幅は、少なくともコイルの幅に等しい。
ヘッドは、変形しまたは膨れた管が通過する場合にコイル１４を保護し、かつ、管をセンタリングするための部材を具備している。
図２に示される場合において、これらの部材は、例えば、若干柔軟なプラスチック材料よりなり、例えば、ステンレス鋼よりなる硬質のリング２８内に装着された２つのセンタリングブッシュ２６を具備している。各リング２８は、検査されるべき管の公称直径より若干大きな直径の内側リム３０を有しており、それにより、管を停止することによって、管の膨れた領域によりコイルが損傷する危険性を低減している。
環状磁石２２および磁束ガイド２４は、前記表面層を磁気的に飽和させるように、表面層の特性の関数として選択される。例えば、管が窒化処理された表面を有するステンレス鋼からなる場合には、磁石およびガイドは、コイルの中間付近における磁場がそこで最大であるように選択される。
この配置は、例えば、上述した、窒化処理された深さ１０μｍ〜２０μｍの外側膜を有するステンレス鋼管の場合に１００ｋＨｚ〜４ＭＨｚに及ぶ広い周波数帯域にわたる動作を最適化されたコイルを保護しながら、小さい作業空間内に磁束を集中させることを可能とする。
例では、検査は、亀裂や異常摩耗を検知する目的で、約４ＭＨｚに等しい周波数ｆ１で実施され、管と管に包含される金属要素との間の隙間の急激な変化または、膨張による漸進的な変化を検知するために周波数ｆ２＝４００ｋＨｚで実施される。
比較的低い周波数ｆ２における管の検査は、例えば、被覆管１０の内部の第１の直径の吸収材柱３２と他の直径の吸収材柱３４との間の遷移高さを検知することを可能としている（図３）。渦電流を深く貫通させるのに十分に低い周波数で電力供給されたときには、測定管のインピーダンスは、内部要素と管との間の隙間の関数である。これら２つの間の関係は、直径がステップ状に減少する要素を含んだ参照管に対する従前の較正により決定され得る。低周波数で得られた信号は、９０°位相シフトしており、摩耗または被覆内の欠陥による出力信号の成分とは異なる。
例えば、前記棒またはそれと一緒に移動する他の棒に押し付けられる車輪４０を具備する高さセンサは、管１０の変位を測定し、被覆管の弾丸形状の端部３６からの長手方向の欠陥の位置および隙間ｊ１と隙間ｊ２との間の遷移位置をも決定するために用いられ得る。管は、２つの周波数ｆ１，ｆ２を同時にブリッジ１６に印加し、その後、デマルチプレクサを用いて、増幅器２０からの出力においてそれらを分離することにより、両周波数ｆ１，ｆ２において同時に検査することができる。
また、周波数ｆ１，ｆ２間にある第３の周波数で測定を実施することも可能である。周知の形式の摩耗および欠陥を有する長さにおいて得られた参照信号との比較により、得られた信号は、周波数ｆ１において検知された欠陥の性質を決定するために用いられ得る。
この発明は、特に、刊行物仏国特許公報第２５８５８６９号明細書に開示されたような種類の装置を用いることにより、原子炉制御クラスタ内の棒の被覆管を検査するのに適している。単一の制御クラスタの２４本の棒を２回だけで検査するために、装置は、１２本の棒を一時に検査するように設計されている。１２個の測定コイルを有するヘッド１４がジグ４２上に配置されている（図４）。ジグは、１倍、２倍または３倍の長さの管を通された参照コイル１８を搬送するフレーム４４に固定されている。カバー４６は、測定ヘッド内に挿入され、管を移動の間にセンタリングする管状の延設部分を具備している。測定ヘッドは、公称位置からずれた棒を収容するように軸４２に対して移動可能に据え付けられている。
制御クラスタの１２本の棒のグループ、または、さらに一般には、ｎ／ｍ本の棒のグループ（ここで、ｎはクラスタ内の棒の総数、ｍはｎの約数の自然数である。）は、以下のように解析され得る。
信号処理装置は、同時に検査されるべき棒と同じだけ多くのチャンネルを有し、これらのチャンネルは、最初に較正されている。その後、少なくとも第１の周波数ｆ１で電力を供給された測定コイルをその棒の全長にわたって通過させるように、クラスタが移動させられる。測定ブリッジからの出力電圧のデジタル化された値は、それらの１つのみに対して測定されたような棒の高さとともに記録される。記録された出力信号を異なる時刻において解析することにより、全ての高さにおける摩耗率を決定でき、棒のどの領域をさらに徹底的に、例えば、超音波によって検査することが必要であるかを決定することができる。そのような超音波検査は、渦電流により検査されていない任意の棒の経路に係合され得るとともに、所定の高さでその周辺のマップを作るためにプローブキャリア内で棒の回りに回転することができるプローブを具備する測定ヘッドの移動を利用して実施され得る。
変形例においては、超音波検査が渦電流検査とともに実施される。しかし、超音波検査によって得られた信号は、渦電流検査によって疑いがあると指示された領域においてのみ解析される。
隙間管の遷移の位置は、同時にまたは別個に決定され得る。一般に、それは、棒の一部分（多くの場合、下部）においてのみ遷移位置を決定するだけで十分である。

Claims (9)

1. 深部における金属の性質とは異なる磁気的または電気的性質を有する薄い層をその外側面に有する金属管の渦電流検査のための装置であって、
   前記管を取り囲む測定コイル（１４）を有する測定ヘッドと、前記コイルに、１００ｋＨｚより大きな高周波電圧を供給し、該コイルのインピーダンスを解析する手段とを具備し、
   前記ヘッドが、前記コイルを取り囲む環状の磁石（２２）と、前記コイルの軸方向の両側に配されかつ前記磁石とともに磁気回路を形成する高透磁率を有する材料よりなる磁束ガイド（２４）とを具備し、
   前記ガイドが、コイル内部に近接した位置で最大の強さとなる磁場を生成するために、相互に向かってかつコイルに向かって先細になっており、
   前記手段は、前記コイルに、１００ｋＨｚから少なくとも４ＭＨｚの範囲で可変の周波数で電力を供給可能とする発振器を具備し、
   さらに、窒化処理された表面層を有し内部に吸収材料の柱を包含する鋼製の外側管（１０）からなる原子炉制御クラスタの棒を検査するために、
   前記手段が、
   前記吸収材料と前記管との間の内部隙間を検知するための１００ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲の第１の周波数、および、
   前記管の幾何学的寸法変化および前記管の亀裂を検知するための４ＭＨｚより大きな第２の周波数で、コイルに電力供給するように設けられていることを特徴とする装置。
2. 前記ガイド（２４）の各々が、前記磁石を押圧する外側部分と、他のガイドに向かって先細になり、コイルの中間付近で、該コイルと半径方向に実質的に同じ位置で終端する内側部分とを有するリング状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記ヘッドが、筒状に形成され、かつ、前記管を前記ヘッド内にセンタリングするために、その軸端に、ブッシュ（２６）を具備することを特徴とする請求項１または請求項２記載の装置。
4. 前記各ブッシュ（２６）が、膨れた管の挿入から前記コイルおよび前記ガイドを保護するために、検査されるべき管の公称直径より若干大きな直径の貫通穴により貫通されたリング（２８）と結合されていることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 前記手段が、前記第１の２つの周波数の間に配される第３の周波数でコイルに電力供給するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 前記コイルが、一定の長さの標準管（１２）を取り囲む参照コイル（１８）を他の枝に具備するホイートストーンブリッジの枝の１つに配置され、
   該ブリッジの対角の一つは、高周波数で電力供給するための手段に接続され、他の対角は、増幅器（２０）を介して、それぞれ異なる周波数で作動する２つの負荷回路に供給するデマルチプレクサに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. それぞれが一方の金属管を検査するための複数の測定ヘッドが、共通のジグに対して移動可能に据え付けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の装置。
8. 深部における金属の性質とは異なる磁気的または電気的性質の薄い層を外面に有する金属管を渦電流を用いて検査する方法であって、
   前記管を取り囲むコイルが、前記金属管とその内容物との間の内部隙間を検知するために、１００ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲の周波数の第１の電圧を供給され、
   前記管の幾何学的寸法変化およびその亀裂を検知するために４ＭＨｚより大きな周波数の第２の電圧を供給され、
   前記コイル内の前記管の部分が、前記薄い層を磁気的に飽和させるのに十分な強さの連続した磁場を印加され、
   コイルの端子間電圧が、そのインピーダンスを測定するために解析されることを特徴とする方法。
9. 後に他の何らかの方法により検査される、疑わしい領域を決定するために、電圧変化が、棒の変位の関数として記録されることを特徴とする請求項８記載の方法。

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