JP4749223B2 - 鋼管用磁粉探傷装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管を囲んで互いに直交する３軸方向に磁束を発生する３軸の磁化コイルを備え、それぞれの発生する磁束が合成されて鋼管を透磁するようになった鋼管用磁粉探傷装置に関するものである。

磁粉探傷装置の原理は、周知のように、磁性材表面を磁化し、その前又は後に磁粉を散布して、割れ等の傷が存在すると、その形状に応じて磁極が発生して磁粉の分布密度が変化して模様が形成されることにより、紫外線照射により蛍光磁粉模様を観察して探傷を行うものである。その際、磁束方向が割れ傷の方向に揃うと有効に磁化されず、したがって交差方向もしくは特に直交方向に磁束を発生させるのが好ましい。そこで、特許文献１には、２個の単極ヨークを交差状に組合わせて合成ヨークとし、各単極ヨークの磁極に位相差を有する電流を付与して円形磁場を発生させることにより、鋼管の胴部の端部を挟んで鋼管を回転させて順に鋼管端部の外周面及び内周面並びにその端面を探傷可能にする鋼管用磁粉探傷装置が開示されている。また、特許文献２によれば、位相差を有する励磁に代えて、複数個の磁化コイルに互いに周波数の異なる交流電流を通電して、磁力線のベクトル合成により、検出感度の方向性を無くそうとする磁粉探傷用磁化装置も開示されている。

一方、特許文献３によれば、鋼管を探傷するために、磁粉が表面に散布された鋼管の管軸方向に直流又は交流磁場を発生させる第１の磁化手段と、管軸方向と直交する方向に回転磁場を発生させて鋼管を横磁化する第２の磁化手段とを備えた磁粉探傷装置が開示されている。
特開平６−２４９８３５号公報 特開平１１−１６０２８３号公報 特開平７−２５３４１２号公報

この特許文献３による方法は、管軸方向の磁場とその直交方向の回転磁場との合成により、管軸方向の磁束を周期的に管径方向の磁束で横方向に偏向させるもので、特に管端面の傷はその方向の如何に依らず探傷されるが、単に管軸方向の磁束を直交方向の回転磁場により偏向するだけでは、特許文献１のように管周面に沿った円形磁場、つまり３６０°の範囲にわたり方向の変化する磁場を発生させることはできない。また、特許文献２にも管周面に沿ってあらゆる方向の磁場を発生させる点については言及されていない。加えて、特許文献３では鋼管内周面の探傷については言及されておらず、特許文献１では管端部の内周面を探傷できるだけである。さらに、内径が小さくなると、ヨークを相応に小型にする必要があり、効率低下によりその冷却も必要になる。従来、鋼管内周面の奥に侵入した領域の探傷は、別途に磁化コイルを挿入する方法が採られていた。

本発明は、このような点に鑑みて、通常の肉厚を有する鋼管の所定範囲の外周面及び内周面のあらゆる方向の傷を確実に検知可能にする鋼管用磁粉探傷装置を提供することを目的とする。

本発明は、この目的を達成するために、請求項１により、鋼管を囲んで互いに直交する３軸方向に磁束を発生する磁化コイルによる合成磁場により、鋼管を磁化するようになった鋼管用磁粉探傷装置において、鋼管の外側の管径方向に沿った対向位置に配置されて管径方向に磁束を発生する第１の１対の磁化コイルと、その対向方向に直交して鋼管の外側の対向位置に配置されて管径方向に磁束を発生する第２の１対の磁化コイルと、鋼管を囲むように巻回され、かつ第１及び第２の磁化コイルを管軸方向に挟む対向位置に配置されることにより管軸方向に磁束を発生する第３の１対の磁化コイルとを備え、第１、第２及び第３の磁化コイルに、５０Ｈｚよりも低く、かつ互いに非整数倍の関係を有する周波数の磁化電流を供給する励磁回路がそれぞれ付属していることを特徴とする鋼管用磁粉探傷装置。

これにより、直交３軸の磁化コイルの内部には、非整数倍の関係を有する周波数の励磁により、いずれかの正逆方向の１軸の磁束と残り２軸の正逆方向の磁束との３軸の合成磁束、いずれかの正逆方向の１軸の磁束と残り１軸の正逆方向の磁束との２軸の合成磁束、いずれかの正逆方向の１軸の磁束より、所定時間にわたり鋼管周面及び端面に沿って経時的に変化するあらゆる方向の磁場が発生される。一般的な商用電源よりも低い周波数に対応して鋼管の外側からの磁化により、内周面も探傷可能となる。

特に肉厚の厚い鋼管の内周面も探傷可能にするには、請求項２により、互いに非整数倍の関係を有する周波数がいずれも１０Ｈｚより低いようにする。

請求項１の発明によれば、互い非整数倍の異なる周波数の直交３軸方向の磁束の合成により、磁化コイルで囲まれた範囲の鋼管周面或は鋼管端面に沿ってあらゆる方向に変化する磁場が形成され、傷の方向に無関係に信頼度の高い探傷が可能になる。また、５０Ｈｚよりも低い周波数の合成磁場により、肉厚が５ｍｍ程度の鋼管の内周面の探傷も可能となる。請求項２の発明によれば、肉厚が１８ｍｍ程度の鋼管内周面の探傷も可能となる。

図１乃至図５を基に本発明の実施の形態による鋼管用磁粉探傷装置を説明する。その探傷コイルは、検査対象の鋼管の中心を通る垂直のＸ軸方向の対向位置に配置された１対の磁化コイルＬｘ、鋼管中心を通り、かつＸ軸に直交する水平のＹ軸方向の対向位置に配置された１対の磁化コイルＬｙと、鋼管中心を通り、かつＸ軸、Ｙ軸に直交するＺ軸方向の対向位置に磁化コイルＬｘ、Ｌｙを挟んで配置された１対の磁化コイルＬｚとで構成される。

磁化コイルＬｘ、Ｌｙは、その空芯部を鋼管１の外周面を包囲する正方形状の継鉄１の突出部１ａに嵌合させて取付けられ、それぞれＸ軸及びＹ軸を中心とする周囲に９回巻回されて互いに直交する管径方向に磁束を発生する。磁化コイルＬｚは検査対象の鋼管を囲むように９回巻回され、継鉄１にその横断方向に取付けられたコの字形のブラケット２の先端部に取付けられている。磁化コイルＬｘ、Ｌｙ、Ｌｚの各対のコイル同志は、それぞれＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って同一方向に磁束を発生するように直列に接続されている。鋼管の外側に位置する磁化コイルＬｘ、Ｌｙの各対間の離間距離は、検査対象の鋼管外径よりも大きめに例えば３５ｃｍ程度離間し、磁化コイルＬｚの内径は３５ｃｍ程度に設定され、またその管軸方向の離間距離は磁化コイルＬｘ、Ｌｙの幅に対応して４０ｃｍ程度に設定されている。

磁化コイルＬｘ、Ｌｙ、Ｌｚには、図３に示すように、５０もしくは６０Ｈｚの三相商用交流電圧を入力とする整流回路１ｘ、１ｙ、１ｚと、付属のスイッチング制御手段３ｘ、３ｙ、３ｚで制御されるサイリスタにより構成されるインバータ２ｘ、２ｙ、２ｚとをそれぞれ備えて、所属の磁化コイルＬｘ、Ｌｙ、Ｌｚに例えば６００Ａ程度の交流の磁化電流を供給する励磁回路が付属している。スイッチング制御手段３ｘは、インバータ２ｘをＤＣ／ＡＣ変換を行うようにスイッチング制御して９Ｈｚの磁化電流を出力させる。スイッチング制御手段３ｙはインバータ２ｙに７Ｈｚ、スイッチング制御手段３ｚはインバータ２ｚに５Ｈｚの磁化電流を出力させる。

これらの励磁周波数は非整数倍の関係を有することにより、複数周期にわたり互いの強さ及び極性の関係が経時的に変化する磁束φｘ、φｙ、φｚを基に、方向が変化する合成磁場が、磁化コイルＬｘ、Ｌｙ、Ｌｚ内に発生する。また、鉄材への透磁深度は、下記の式に従い、周波数を低くする程深くなることは一般的に知られているが、試験により５０Ｈｚの商用電源周波数よりも低く設定することにより、鋼管胴部の肉厚が５ｍｍ程度でも内周面に十分達することができ、さらに１０Ｈｚ以下になると肉厚１８ｍｍ程度でも十分鋼管内周面へも透磁し得ることが確認されている。

δ＝√{ρ／（πμｆ）}
δ：浸透深さ〔ｍ〕、μ：透磁率、ρ：抵抗率〔Ωｍ〕、ｆ：周波数〔Ｈｚ〕

このように構成された鋼管用磁粉探傷装置の動作は次の通りである。例えば外径３０ｃｍ及び肉厚１８ｍｍの鋼管９が、外周面、内周面及び両端部の端面に磁粉液を散布されて、磁化コイルＬｚの空芯部及び磁化コイルＬｘ、Ｌｙの各対間の中心位置に挿入された状態で、所属の磁化電流が供給されると、図５Ａに示すように、探傷コイルの内部に、一対の磁化コイルＬｚにより管軸方向の強さの変化する５Ｈｚの磁束φｚが正方向及び逆方向に発生すると共に、磁化コイルＬｘにより、図１で見て正逆の垂直方向の強さの変化する９Ｈｚの磁束φｘ、磁化コイルＬｙにより正逆の水平方向の強さの変化する７Ｈｚの磁束φｙが発生する。

これにより、鋼管９の高透磁率の胴部全域において、直交３軸の磁束φｘ、φｙ、φｚによる合成磁場が生じる。図４は位相位置０°が互いに揃った時点からのそれぞれの磁化電流を示すもので、実際には１秒間について下記の表１に示すように、＋振幅の励磁電流によるφｚに対して、種々の例示した経時タイミングａ〜ｉにおいて、残り２軸の管断面における±Ｘ或は±Ｙ軸方向の磁束φｘ、φｙにより、合成磁場が形成される。つまり、管周面に沿った管軸方向の＋φｚが、横方向に偏向され、それぞれの励磁電流の振幅関係に応じて管周面において管軸方向から直交方向にわたり方向及び強さが変化する磁場が発生する。φｚ＝０の時点ではＸ軸或はＹ軸方向のＹ軸方向に直交する完全に横方向の磁場も生じ、逆管軸方向の−φｚに対しても同様な磁場が形成される。

次の１秒後には、位相が０°に揃った状態から互いに非整数倍であることにより、位相位置０°が互いにずれて次の１秒にわたり磁束φｘ、φｙ、φｚにより、１秒前とは異なる極性及び強さ関係下での合成磁場が形成される。実際には、１０秒程度で、管周面に沿って十分な強さの３６０°の範囲で方向の変化する磁場が発生し、外周面及び内周面のあらゆる方向の傷が検知されること確認されている。つまり、変化して弱い磁場も含まれるとしても、図５Ｂに示すように、管軸方向に極性が反転し、かつ十分な強さの磁場φが、方向を変化させつつ管周面に沿って３６０°の範囲に発生される。鋼管端面に沿ってもφｚ=０の時点で、φｘ、φｙの合成磁場により、３６０°の範囲で方向の変化する十分な強さの磁場が発生する。尚、それぞれの周波数９，７，５の最小公倍数は、３１５、即ち最も周期の短い９Ｈｚの３５秒分の３１５周期に相当し、７Ｈｚの２４５周期、５Ｈｚの１７５周期を１周期の合成パターンとして、合成磁場がパターン周期３５秒で周期的に発生することになるが、前述のように、それ以内で充分な回転磁界を得ることができる。

このように、管径方向に沿った９Ｈｚの磁束φｘ及び直交する管径方向に沿った７Ｈｚの磁束φｙの合成磁界と、管軸方向に沿った５Ｈｚの磁束φｚとにより、透磁率の高い鋼管９の胴部には、その外周面だけでなく、胴部を深く透磁して内周面の全域に沿って３６０°の範囲で方向の変化する磁場が形成される。したがって、あらゆる方向の傷が、紫外線照射による蛍光磁粉模様の乱れにより確実に検知される。これにより、１０秒間の励磁による所定範囲の探傷ごとに鋼管９をスライドさせ全域を探傷する。鋼管９の管軸方向の両端部でも特に磁束φｘ及び磁束φｙにより、その端面に沿って３６０°の範囲で方向の変化する合成磁場が発生されて、同様に確実に探傷される。特に内径が小さくなって内周面を目視し難い場合、スコープにより観察することができる。

因みに、非整数倍の関係に依らず、例えば５、７，１０Ｈｚ或は４、８，１０Ｈｚのように、少なくとも２軸が整数倍の関係を有すると、整数倍同士の低い周波数の５Ｈｚ或は４Ｈｚで同じパターンの２軸の合成磁束が繰返し発生され、合成磁場の方向変化が制約される。鋼管胴部の肉厚が薄くなった場合、１１、１３、１５Ｈｚ程度或はさらに薄くなった場合非整数倍の関係を有するさらに高い周波数への励磁切換式に構成することもできる。

本発明の実施の形態による鋼管用磁粉探傷装置の正面図である。 同磁粉探傷装置の直交３軸の磁化コイルの配置関係を説明する斜視図である。 同磁粉探傷装置の励磁回路を示す図である。 同励磁回路の出力する磁化電流の位相関係を説明する図である。 同磁粉探傷装置の動作を説明する図である。

符号の説明

９ 鋼管
Ｌｘ Ｘ軸方向の磁化コイル
Ｌｙ Ｙ軸方向の磁化コイル
Ｌｚ Ｚ軸方向の磁化コイル

Claims (2)

1. 鋼管を囲んで互いに直交する３軸方向に磁束を発生する磁化コイルによる合成磁場により、鋼管を磁化するようになった鋼管用磁粉探傷装置において、
   鋼管の外側の管径方向に沿った対向位置に配置されて管径方向に磁束を発生する第１の１対の磁化コイルと、その対向方向に直交して前記鋼管の外側の対向位置に配置されて前記管径方向に磁束を発生する第２の１対の磁化コイルと、前記鋼管を囲むように巻回され、かつ第１及び第２の前記磁化コイルを管軸方向に挟む対向位置に配置されることにより、前記管軸方向に磁束を発生する第３の１対の磁化コイルとを備え、
   第１、第２及び第３の前記磁化コイルに、５０Ｈｚよりも低く、かつ互いに非整数倍の関係を有する周波数の磁化電流を供給する励磁回路がそれぞれ付属していることを特徴とする鋼管用磁粉探傷装置。
2. 互いに非整数倍の関係を有する周波数がいずれも１０Ｈｚより低いことを特徴とする請求項１記載の鋼管用磁粉探傷装置。

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