JP4367932B2 - 鋼構造物の欠陥検出方法および装置 - Google Patents

Description

この発明は、鋼構造物の欠陥検出方法および装置、特に、橋梁や各種荷役機械などの大型鋼構造物に生じた表面亀裂などの欠陥を、欠陥検出作業用の足場を組むことなく、鋼構造物の加熱手段を必要とせず、しかも、加振装置などの鋼構造物への荷重負荷の付与手段を必要とせずに、簡単な装置構成によって、離れた場所から容易かつ確実に検出することができる、鋼構造物の欠陥検出方法および装置に関するものである。

橋梁や各種荷役機械などの大型鋼構造物の老朽化が社会問題となっており、この対策に対しては強いニーズがある。効率的な老朽化対策を実施するためには、老朽化の度合いを知ることが先決である。このため、対象としている鋼構造物の欠陥を検出する必要があり、その手段として、例えば、カラーチェック、磁粉探傷あるいは超音波探傷などを利用した欠陥検出方法が従来から実施されている。

このような状況下において、近年、赤外線カメラを用いた欠陥検出方法が行われている。例えば、トンネル内部のコンクリート壁の亀裂や剥離などの欠陥を検出する手段として、従来の打音テストによる診断方法に替わって、何らかの熱源によりトンネル壁面を加熱し、正常部位と欠陥部位との温度分布差から欠陥部位を検出する方法が用いられている。これら赤外線カメラを用いたアクティブな欠陥検出方法の従来技術として、例えば、特開２００３−１８５６０８号公報（特許文献１）には、コンクリート構造物に赤外線を均一に照射する手段を用いて、温度分布を測定することによりコンクリート構造物の内部欠陥を検出する方法が開示されている。

また、特開２００４−３７２０１号公報（特許文献２）には、鋼構造物を対象として、加熱前後における温度分布画像の差画像および健全・非健全のサンプル熱画像の差を用いた欠陥の識別方法が開示されている。

また、別の観点からは、例えば、金属材料の加工時に試験片に生じる亀裂を検出する方法として、材料の熱弾性特性を利用して赤外線画像を用いた方法が特開平１０−８２７２６号公報（特許文献３）に開示されている。

特開２００３−１８５６０８号公報 特開２００４−３７２０１号公報 特開平１０−８２７２６号公報

しかしながら、上述した従来の欠陥検出方法には、以下のような問題があった。

（１）カラーチェック、磁粉探傷あるいは超音波探傷などの欠陥検出方法は、それぞれ必要な処置を施すために測定対象構造物の近傍まで人が近づかなければ計測できない。例えば、磁粉探傷においては、検知領域の錆などを落とし、計測可能な表面性状にした上で、磁界をかける必要がある。このため、大型構造物の場合には、検査を行うために足場を組んで高所作業の準備を整え、検査領域に作業員の手が届く状態にしなければ作業が行えない。その結果、欠陥検出費用よりも、足場を組む作業の方に多くの人手と費用を費やさねばならない。これらの課題を解決すべく、遠隔計測を実現するため、さらには一度に広範囲の領域を検査できる利便性から、近年、赤外線サーモグラフによる欠陥検出方法が提案されている。

（２）しかし、上記特許文献１あるいは２に開示された、赤外線サーモグラフによる欠陥検出方法は、加熱のために赤外線照射が前提となっており、この方法では、コンクリートなど比較的熱拡散速度の遅い対象物には適用可能であるが、熱拡散速度の早い鋼構造物に対しては、近接距離から赤外線を照射しなければ赤外線カメラで検出できるほどの温度分布を作り出すことが困難である。このため、加熱を行うために測定対象まで近接する手段が必要となり、上記（１）の方法と同様、足場などを組む必要が生じる。

（３）上記特許文献３に開示された、赤外線サーモグラフによる欠陥検出方法は、金属材料のプレスやパンチなどの加工時に発生する亀裂を検出するために赤外線カメラで熱画像を撮像し、それを利用するものである。しかし、この方法を大型鋼構造物の欠陥検出に適用する場合には、大型鋼構造物に積極的に荷重負荷変動を与える必要があるので、この発明の目的である、離れた場所から簡単な装置により容易かつ確実に欠陥を検出することが達成できない。何故なら、大型鋼構造物に荷重負荷変動を与えるための加振装置を別途用意する必要があるばかりか、当然のことながら構造物に与える荷重負荷は、構造物にダメージを与えない程度の大きさの荷重にせざるを得ず、この程度の小さな荷重による温度変化は微小であり、その微小な温度変化を熱画像として捕らえるためには、複数の熱画像データを使って判断する必要があり、検出装置が煩雑となるためである。

従って、この発明の目的は、上述した問題点を解決することにあり、橋梁や各種荷役機械などの大型鋼構造物に生じた表面亀裂などの欠陥を、欠陥検出作業用の足場を組むことなく、鋼構造物の加熱手段を必要とせず、しかも、加振装置などの鋼構造物への荷重負荷の付与手段を必要とせずに、簡単な装置構成によって、離れた場所から容易かつ確実に検出することができる、鋼構造物の欠陥検出方法および装置を提供することにある。

本願発明者らは、上述した目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、以下のような知見を得た。

（１）構造物の熱弾性効果に着目し、従来、応力状態を可視化できる手段として用いられていた熱弾性効果を鋼構造物の欠陥検出に適用すれば、上述した問題点を全て解決することができる。

（２）熱弾性効果を鋼構造物の欠陥検出に適用する場合、特に、大型鋼構造物では荷重負荷変動を与えたとしても、それによる温度変化が微小であるため、熱画像として捕らえ難かった。しかし、近年の赤外線カメラの性能向上により、熱拡散性の良い金属に対しても適用可能になったため、欠陥を捕らえることが可能になった。

（３）橋梁または天井クレーンなどの荷役機械は、車両の走行による振動により荷重負荷変動が自然に生じるので、加振装置などにより強制的に荷重負荷を与えなくても熱弾性効果による熱画像を得ることができる。

この発明は、上述した（１）から（３）の知見に基づきなされたものであって、下記を特徴とするものである。

請求項１記載の発明は、鋼構造物の欠陥を離れた場所から検出する欠陥検出方法において、繰り返し応力変動が生じている前記鋼構造物を赤外線カメラにより撮影して、前記鋼構造物の表面の温度分布変動を画像として計測し、鋼構造物の加熱手段を必要とせず、加振装置などの荷重負荷の付与手段を必要とせず、振動により荷重負荷変動が自然に生じることによる熱弾性効果を鋼構造物の欠陥検出に適用し、これにより前記鋼構造物に存在する欠陥を検出することに特徴を有するものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、温度分布変動の画像データの自己相関を求めて、欠陥の場所および大きさを検出することに特徴を有するものである。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、温度分布変動の画像データの一部の温度変動データを用いて参照信号とし、前記参照信号に同期して変動する温度分布データを取り出し、温度分布データを変動サイクルごとに積算することによって、欠陥の場所および大きさを検出することに特徴を有するものである。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、鋼構造物の応力変動と相関のある情報をセンシングし、これを参照信号とし、前記情報に同期して、変動する温度分布データを取り出し、温度分布データを変動サイクルごとに積算することによって、欠陥の場所および大きさを検出することに特徴を有するものである。

請求項５記載の発明は、請求項３または４記載の発明において、参照信号以外の画像データとの相関を取ることによって、欠陥の場所および大きさを検出することに特徴を有するものである。

請求項６記載の発明は、請求項１から５の何れか１つに記載の発明において、鋼構造物は、橋梁または荷役機械であることに特徴を有するものである。

請求項７記載の発明は、繰り返し応力変動が生じている鋼構造物を撮影して、前記鋼構造物の表面の温度分布変動を画像として計測する赤外線カメラと、前記赤外線カメラによる前記温度分布変動の画像データを処理して、前記鋼構造物に存在する欠陥を検出する欠陥検出手段とを備え、鋼構造物の加熱手段を必要とせず、加振装置などの荷重負荷の付与手段を必要とせず、振動により荷重負荷変動が自然に生じることによる熱弾性効果を鋼構造物の欠陥検出に適用することに特徴を有するものである。

請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明において、欠陥検出手段は、温度分布変動の画像データの自己相関を求めて、欠陥の場所および大きさを検出することに特徴を有するものである。

請求項９記載の発明は、請求項７記載の発明において、欠陥検出手段は、温度分布変動の画像データの一部の温度変動データを用いて参照信号とし、前記参照信号に同期して変動する温度分布データを取り出し、前記温度分布データを変動サイクルごとに積算することによって、欠陥の場所および大きさを検出することに特徴を有するものである。

請求項１０記載の発明は、請求項７記載の発明において、欠陥検出手段は、鋼構造物の応力変動と相関のある情報をセンシングし、これを参照信号とし、前記情報に同期して、変動する温度分布データを取り出し、前記温度分布データを変動サイクルごとに積算することによって、欠陥の場所および大きさを検出することに特徴を有するものである。

請求項１１記載の発明は、請求項９または１０記載の発明において、欠陥検出手段は、参照信号以外の画像データとの相関を取ることによって、欠陥の場所および大きさを検出することに特徴を有するものである。

この発明によれば、橋梁や各種荷役機械などの大型鋼構造物に生じた表面亀裂などの欠陥を、欠陥検出作業用の足場を組むことなく、鋼構造物の加熱手段を必要とせず、しかも、加振装置などの鋼構造物への荷重負荷の付与手段を必要とせずに、簡単な装置構成によって、離れた場所から容易かつ確実に検出することができる。

次に、この発明の、鋼構造物の欠陥検出装置の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、テストピースを示す斜視図、図２は、テストピースに変動荷重を与えたときの温度分布変動の熱画像データを用いて、自己相関を計算した結果の画像データを示す図面代用写真である。

テストピース１は、鋼板２に小片３を溶接したものからなっている。このテストピース１を疲労試験機にかけて、溶接部に人工亀裂を発生させる。このようにして、テストピース１に変動荷重を与えながら、亀裂発生時において赤外線サーモグラフを用いてテストピース１の表面温度分布を計測する。亀裂部分の応力集中の状態によっては、繰り返し変動荷重に伴う温度分布変動の熱画像から亀裂を認識することが可能である。亀裂の有無をより鮮明にさせるために、計測した熱画像データを用いて自己相関を計算すると、図２のような画像データが得られる。図２において、輝度の大きい部分が亀裂発生個所であり、この発明の方法によって欠陥の識別が可能であることが分かる。

この方法によって、実際の天井クレーンの欠陥を検出する場合について、図面を参照しながら説明する。

図３は、この方法によって天井クレーンの欠陥検出を行う場合において、自己相関計算を行う場合の模式図である。

図３において、４は、天井クレーンのガーダ、５は、建屋６に敷設されたガーダ用走行レール、７は、ガーダ４上を走行するクレーン台車、８は、クレーン台車７から吊られた荷物、９は、赤外線カメラ、１０は、欠陥検出手段としての計測装置である。

ガーダ４における欠陥（Ｓ）の有無を検出する場合には、赤外線カメラ９を地上にセットし（ガーダ４までの距離は約１０から２０ｍ）、クレーン稼働時と同じように荷物８を昇降させ、例えば、必要に応じて荷物８の昇降を急停止、あるいは急作動させる。このようにすると、ガーダ４には、応力変動（通常は、ガーダ４の固有振動数による残留振動と同じ周波数）、すなわち、わずかであるが温度分布変動が生じる。赤外線カメラ９により、このときの微小な温度分布変動画像をパーソナルコンピュータに取り込む。亀裂が大きいか、もしくは応力集中が十分であれば、リアルタイムの熱画像から、亀裂が検出可能である。欠陥検出箇所が遠方の場合には、望遠レンズを使用する。

しかし、初期亀裂の場合や昇降荷重が比較的軽い場合には、明確に温度分布変化が認識されにくいので、以下の方法により、温度変動個所（すなわち亀裂発生個所）と正常部位との差を浮き彫りにさせることが可能になる。

第一の方法は、計測装置１０により、所定時間内のデータをパーソナルコンピュータに取り込み自己相関を計算する（図３参照）。

第二の方法は、計測装置１０により、温度分布変動の画像データの一部を用いて、これを参照信号とし、これに同期して変動する温度分布データを取り出し、これを変動サイクルごとに積算する（図４参照）。

第三の方法は、計測装置１０により、温度変動と相関のある情報をセンサ、例えば、レーザドップラ振動計１１などからの測定対象の振動データを取り込み、その振動データに同期して、変動する温度分布データを取り出し、これを変動サイクルごとに積算する（図５参照）。

さらに別の方法として、第二あるいは第三の方法において、参照信号以外の画像データとの相関を取ることによって、欠陥の場所および大きさを検出する。

これらの方法により、特に、大型構造物の欠陥検出が、例えば、周辺に足場を組む、検査ロボットを使う、昇降装置付き作業用自動車を使うなどの手段を講じることなく実施することができる。すなわち、測定対象の近くまでアクセスすることなく遠方から容易かつ確実に実施することができる。このため、検査の準備に要する費用が大幅に低減されるだけでなく、検査時間の短縮ならびに検査のために荷役機械の稼働停止時間も短縮できる。

以上は、この発明を天井クレーンの欠陥検出に適用した場合であるが、車両の走行により常に荷重変動が生じている橋梁などの大型鋼構造物の欠陥検出にも適用可能である。

テストピースを示す斜視図である。 テストピースに変動荷重を与えたときの自己相関計算後の熱画像を示す図面代用写真である。 この方法によって天井クレーンの欠陥検出を行う場合において、自己相関計算を行う場合の模式図である。 この方法によって天井クレーンの欠陥検出を行う場合において、温度分布変動の画像データの一部を用いて、これを参照信号とし、これに同期して変動する温度分布データを取り出し、これを変動サイクルごとに積算する場合の模式図である。 この方法によって天井クレーンの欠陥検出を行う場合において、レーザドップラ振動計により測定対象の振動データを取り込み、その振動データに同期して、変動する温度分布データを取り出し、これを変動サイクルごとに積算する場合の模式図である。

符号の説明

１：テストピース
２：鋼板
３：小片
４：ガーダ
５：レール
６：建屋
７：クレーン台車
８：荷物
９：赤外線カメラ
１０：計測装置
１１：レーザドップラ振動計

Claims (11)

1. 鋼構造物の欠陥を離れた場所から検出する欠陥検出方法において、繰り返し応力変動が生じている前記鋼構造物を赤外線カメラにより撮影して、前記鋼構造物の表面の温度分布変動を画像として計測し、鋼構造物の加熱手段を必要とせず、加振装置などの荷重負荷の付与手段を必要とせず、振動により荷重負荷変動が自然に生じることによる熱弾性効果を鋼構造物の欠陥検出に適用し、これにより前記鋼構造物に存在する欠陥を検出することを特徴とする、鋼構造物の欠陥検出方法。
2. 前記温度分布変動の画像データの自己相関を求めて、前記欠陥の場所および大きさを検出することを特徴とする、請求項１記載の、鋼構造物の欠陥検出方法。
3. 前記温度分布変動の画像データの一部の温度変動データを用いて参照信号とし、前記参照信号に同期して変動する温度分布データを取り出し、前記温度分布データを変動サイクルごとに積算することによって、前記欠陥の場所および大きさを検出することを特徴とする、請求項１記載の、鋼構造物の欠陥検出方法。
4. 前記鋼構造物の応力変動と相関のある情報をセンシングし、これを参照信号とし、前記情報に同期して、変動する温度分布データを取り出し、前記温度分布データを変動サイクルごとに積算することによって、前記欠陥の場所および大きさを検出することを特徴とする、請求項１記載の、鋼構造物の欠陥検出方法。
5. 前記参照信号以外の画像データとの相関を取ることによって、前記欠陥の場所および大きさを検出することを特徴とする、請求項３または４記載の、鋼構造物の欠陥検出方法。
6. 前記鋼構造物は、橋梁または荷役機械であることを特徴とする、請求項１から５の何れか１つに記載の、鋼構造物の欠陥検出方法。
7. 繰り返し応力変動が生じている鋼構造物を撮影して、前記鋼構造物の表面の温度分布変動を画像として計測する赤外線カメラと、前記赤外線カメラによる前記温度分布変動の画像データを処理して、前記鋼構造物に存在する欠陥を検出する欠陥検出手段とを備え、鋼構造物の加熱手段を必要とせず、加振装置などの荷重負荷の付与手段を必要とせず、振動により荷重負荷変動が自然に生じることによる熱弾性効果を鋼構造物の欠陥検出に適用することを特徴とする、鋼構造物の欠陥検出装置。
8. 前記欠陥検出手段は、前記温度分布変動の画像データの自己相関を求めて、前記欠陥の場所および大きさを検出することを特徴とする、請求項７記載の、鋼構造物の欠陥検出装置。
9. 前記欠陥検出手段は、前記温度分布変動の画像データの一部の温度変動データを用いて参照信号とし、前記参照信号に同期して変動する温度分布データを取り出し、前記温度分布データを変動サイクルごとに積算することによって、前記欠陥の場所および大きさを検出することを特徴とする、請求項７記載の、鋼構造物の欠陥検出装置。
10. 前記欠陥検出手段は、前記鋼構造物の応力変動と相関のある情報をセンシングし、これを参照信号とし、前記情報に同期して、変動する温度分布データを取り出し、前記温度分布データを変動サイクルごとに積算することによって、前記欠陥の場所および大きさを検出することを特徴とする、請求項７記載の、鋼構造物の欠陥検出装置。
11. 前記欠陥検出手段は、前記参照信号以外の画像データとの相関を取ることによって、前記欠陥の場所および大きさを検出することを特徴とする、請求項９または１０記載の、鋼構造物の欠陥検出装置。