JP4829883B2 - 管を非破壊検査するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、強磁性鋼からなる管を漏洩磁束によって非破壊検査するための請求項１に記載されている方法に関する。

公知の漏洩磁束検査は、強磁性鋼からなる管の場合においては、別の検査法では検知できない場合か、或いは大きな不正確さとともに費用及び時間をかけたときにのみに検知できるような長手方向に整列した管の表面近傍の傷、例えば、割れ目等の傷を検出するような場合に適用される。

この方法では、例えば、管の表面から少なくとも約０．３ｍｍ延びるような割れを把握することができる（非特許文献１）。

管の内面又は外面の表面近傍の欠陥を検出するための技術における現在公知の測定方法では、直流磁場磁化が利用されている。

例えば、棒材の場合に利用される交流磁場磁化は、外部の欠陥の検出のみを可能とするが、この交流磁場磁化とは異なり、直流磁場磁化では、管の内表面の欠陥も検出することができる。

直流磁場磁化を用いた漏洩磁束検査で利用されているのは、欠陥領域で誘導磁束密度が高まるという作用であり、磁場線が外部欠陥もしくは内部欠陥によってその本来の直線的伝搬を乱され、いわゆる漏洩磁束が発生する。管表面から発生するこの漏洩磁束が欠陥の検出に利用されている。

磁気漏洩磁束密度の測定は、通常、検査ヘッド内に配置されるホールプローブ又は誘導コイルを使って行われる。誘導コイルを（管の周りに固定配置して）使用する場合、管の長手方向の軸線において管表面全体を検査するには、管を回転させ且つ管を長手方向に動かすことが不可欠である。これに対して、ホールプローブは、長手方向に動くだけの管の場合にも適用できる。処理された信号は、次に管を判別してマーキングするのに利用することができ、検査結果は記録することができる。

この公知の表面検査方法を使用して、確かに管表面の傷は確実に検知することができるが、管の外表面または内表面に対する欠陥信号の分類、つまり欠陥区別はこの方法では可能でなく、或いは、非常に高くつくやり方でのみ可能である。

操業試験によれば、ホールプローブ又は誘導コイルで測定された信号の周波数分析も、正確な欠陥の分類には十分でない。なぜなら、測定された周波数が窮屈に並んでおり、付加的に一種の「背景雑音」と重なるからである。完全にコヒーレントなこの背景信号は、例えば、圧延に起因した肉厚変動等の様々な原因を有し得る。

この理由から、通常、同じ平面にある少なくとも２つの個別のプローブからの測定信号の局所的な差分計算を利用して、この背景信号を最小にすることが試みられている。しかしながらこれは、まさに局所的な差分計算のやり方によっては、欠陥の大きさ又は長さに応じて、欠陥に対する不感受性が生じてしまうという欠点を伴っている。そのことが問題となるのは、鋭利に形成された欠陥に限定されず、浅くはじまり或いは浅く終了し得る自然に形成された欠陥の場合である。

この理由から特許文献１によれば、同じ平面にある少なくとも２つの個別のプローブからの測定信号の局所的な差分計算を利用して、この背景信号を最小にすることが試みられている。しかしこれは、局所的な差分計算の方向にある欠陥に対する不感受性が欠陥の大きさ又は長さに応じて生じる欠点を有する。そのことが問題となるのは、鋭利に形成された欠陥に限定されず、浅くはじまり或いは浅く終了し得る自然に形成された欠陥の場合である。

管の外表面の、内部欠陥によって引き起こされる漏洩磁束の振幅は、比較され得る欠陥寸法の場合、管の外表面の欠陥によって生成される漏洩磁束の振幅よりも著しく小さい。したがって、確実に欠陥を検知するために公知方法では、ホールプローブ或いは誘導コイルの感度が、考えられる内部欠陥に対して調整される。しかしこれは、場合によっては、許容可能な外部欠陥が、過度に、そして敏感に検知及び表示されることにより、管の不必要な排除又は再加工をもたらすという不利な作用を有する。

特許文献２により、工作物の表面から出発して内部に延びる欠陥の角度位置又は形状を漏洩磁束検査によって検出することが開示されている。一般的には、相互に垂直に離間した２つのセンサによって振幅信号が検知及び評価されて、そして、相互に関連付けられることにより、得られた比から欠陥の形状又は角度位置の大きさが導き出される。管の漏洩磁束の検査の際に、外部欠陥と内部欠陥との欠陥の分類をどのように達成できるのかの指摘は記載されていない。

それゆえに、管の外表面の欠陥又は内表面の欠陥ごとに欠陥を区別することは多くの理由から望ましい。それに加えて、管の外表面または内表面にある欠陥は、例えば管（欠陥のある内部工具またはロール）製造時における先行する製造ステップに起因し、或いは素材の欠陥に起因するような多様な原因を有することがある。これにより、早期の欠陥の限定、欠陥の検知、及びそこから帰結する補正措置が困難となり、不必要に高い故障率及び再加工率をもたらす。管の内表面の欠陥の場合、管の直径によっては再加工することができず、この管はいずれ不良品として捨てなければならなくなる。
国際公開第０２／０９５３８３号パンフレット 特開昭６２‐１８５１６２ Nondestructive Evaluation, A Tool in Design, Manufacturing, and Service, CRC Press 1997

本発明の目的は、管外表面または内表面に対する明確な欠陥の分類を可能とし、強磁性鋼からなる管を漏洩磁束によって非破壊検査するための確実且つ安価な方法及び装置を提供することである。

本発明によれば、この目的は、磁気漏洩磁束の主に水平磁場成分の、垂直方向で変化する振幅が、一方で管外表面からの近傍距離において、他方でそこから離間した距離において磁場検出用の走査プローブにより検出され、検出された信号が相互に関連付けられることにより達成される。

管の直径が変動することによってプローブが破損しないように、好適には、走査プローブを使用する管外表面からの近傍距離を約０．５〜１．５ｍｍとする。約１ｍｍの距離が特に好ましいことが実証されている。本発明によれば、第２のプローブは、第１のプローブから約２〜５ｍｍ離れた距離にあり、約３ｍｍの距離が特に好適であると推察される。

管外表面の欠陥によって引き起こされる水平磁場成分の漏洩磁束の振幅は、管外表面からの垂直方向距離が大きくなるにつれて迅速に低下して、管内表面の欠陥による管外表面の漏洩磁束の振幅が著しく低下するという認識に、本発明に係る方法は依拠している。外部欠陥による振幅の低下は、管内表面の欠陥による振幅の低下よりも、常にほぼ２倍大きいことが試験で判明している。

測定された信号は、例えば、肉厚変動又は管外表面へのスケール付着による局所的な直径変動によって引き起こされる背景信号（「背景雑音」）と重なる。

したがって、本発明によれば、管外表面において異なる距離で測定された振幅信号が関連付けられることにより、十分な雑音抑制を得るだけでなく、好適なことに、管外表面又は内表面における欠陥の分類を行うことができる。

この場合、まず、離間した距離で検出された（特に弱い）信号の振幅は、好適には、１より大きい係数（係数＞１）で、大抵の場合は１〜２の係数で増幅され、次に、表面の近傍領域で検出された信号の振幅と、差分計算とによって関連付けが行われる。

この処理方法の利点としては、測定信号から背景雑音が取り出された際に、実質的に純粋な欠陥信号のみが表示され、この欠陥信号を勾配の違いに基づいて外部欠陥または内部欠陥に分類することができる。これにより、１平面にあるセンサの信号の差分計算による公知の評価方法における諸欠点が、有利なことに回避されるようになっている。

この方法を応用するための前提条件、すなわち、管外表面に対して様々な高さ距離から測定した双方の信号成分を互いに関連付けるための前提条件は、管外表面から顕著な距離（例えば５ｍｍ）でも明確に分類できるような漏洩磁束信号を、評価可能な信号対雑音比によって提供するような敏感な磁場センサを使用することである。

ホールプローブ又は誘導コイルは、雑音の影響により約２ｍｍまでの表面近傍の距離でのみ漏洩磁束を検出できるようになっているため、これらの検出器は、本発明に係る方法にとって最適でなく、若しくは、検査表面から大きな距離で測定するのにはそもそも適していない。

したがって、本発明によれば、提案されている検査方法のために好適に使用されるのは、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）センサであり、このセンサは、低周波スペクトル内に高い磁場感受性と、電気的な障害変量に対する高い非感受性とを有している。これにより、このセンサは、公知のホールプローブ又は誘導コイルと比較して、検査表面から離間した距離でも利用することができる。

しかしながら、選択的に、表面近傍に位置決めされるセンサとして公知のホールプローブ又は誘導コイルを使用して、管外表面から離間して配置されるプローブ用としてＧＭＲセンサを使用することもできる。

本発明に係る方法の好適な一形態において、欠陥の検知及び欠陥の分類を更に改善するために、付加的に漏洩磁束の垂直磁場成分が検知され、そして、漏洩磁束の単数又は複数の水平磁場成分の振幅とは比例関係となる。

外部欠陥の水平磁場信号（振幅、勾配）がその垂直磁場信号（振幅、勾配）と著しく相違することを試験は示している。それに対して、内部欠陥の場合は、水平磁場信号と垂直磁場信号とが同程度の大きさで生じる。

本発明によれば、測定された垂直磁場振幅及び水平磁場振幅の把握と、評価とを組合せることによって、更なる欠陥の分類の向上を実現することができる。このため、水平磁場と垂直磁場とについて算出された振幅は、外部欠陥と内部欠陥とでそれぞれ別々に比例関係に置かれる。

実験では、例えば、外部欠陥では約１０の信号比、内部欠陥では約１の信号比が算出された。すなわち、外部欠陥の信号は、内部欠陥の信号よりも約１０倍強く表示され、これを利用することにより、管の外部欠陥であるか或いは管の内部欠陥であるかの厳密な欠陥の分類が可能となる。

以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。異なる図において同一の符号は、同じものを表している。

図１ａは、強磁性鋼からなる管を漏洩磁束によって非破壊検査するための本発明に係る検査装置を略図で示している。図示されている被検物である管１は、管外表面にある欠陥４と、管内表面にある欠陥４’とを有している。検査装置は、磁気漏洩磁束の水平磁場成分Ｈ_xの、垂直方向で変化する振幅を把握するための２つの走査プローブ２、２’を備えている。磁束を非接触式に生成するための磁化ヨークは、ここには図示されていない。

第１の走査プローブ２は、管１の表面から約１ｍｍの近傍距離にあり、詳細には図示しない検査機構内に配置されている。走査プローブ２の上方で第１のプローブから約３ｍｍの距離で第２の走査プローブ２’が検査機構内に配置されている。磁気漏洩磁束の垂直磁場成分Ｈ_yを検知するために他の走査プローブ３は、走査プローブ２、２’に対して垂直に配置されている。好適には、全ての走査プローブが、ＧＭＲセンサとして構成されている。

図１ｂは、検査表面から様々な距離で測定された水平磁場振幅の測定信号の推移を示している。内部欠陥の振幅信号は、検査表面からの距離が増加するにしたがって、外部欠陥の振幅信号よりも著しく低下していることがわかる。例えば、内部欠陥の勾配は、約０．３の値と算出され、外部欠陥の勾配は、約０．１５の値と算出される。しがたって、振幅比の算出値は、外部欠陥では内部欠陥の約２倍大きく、明確な欠陥の分類が可能となる。

図２ａのグラフの上側には、測定された振幅信号の推移が示されており、信号の増幅と差分計算とによって欠陥の分類を行うことができる。その際、「背景雑音」を抑制するためにまず、管外表面から大きく離れた距離で測定された信号が、例えば、係数１．８で増幅され、引き続き、管外表面から僅かに離れた距離で測定された信号から減算される。

図２ａの下側には、差分信号が示されており、この図の左縁において欠陥信号を明確に検知することができる。

図２ｂは、管外表面又は管内表面に人為的に生成された欠陥（溝）の場合において、平滑化された信号推移の代表的な欠陥信号を示している。管内表面にある欠陥の場合は、様々な測定距離の振幅比は、約０．３、外部欠陥の場合では、約０．１５である。これにより、欠陥が管外表面にあるか或いは内表面にあるかを明確に分類することができる。

信号の評価、すなわち、欠陥の分類を更に最適化するために、図３に示しているように、付加的に垂直磁場成分の測定信号を評価することができる。

図３ａは、深さ１ｍｍ又は深さ０．５ｍｍの外部欠陥の場合における代表的な欠陥信号であり、図３ｂは、深さ１ｍｍの内部欠陥の場合における代表的な欠陥信号を示している。これらの図には、水平磁場成分と垂直磁場成分とにおける信号がそれぞれプロットされている。

図３ａは、グラフの左側領域において、深さ１ｍｍの欠陥がある場合の欠陥信号を示している。漏洩磁束の水平磁場振幅は、対応する垂直振幅よりも約１０倍大きいため、この欠陥が、外部欠陥であることを識別することができる。別の深さの欠陥についても同じ比を算出することができる。グラフの右側領域において、深さ０．５ｍｍの欠陥がある場合の欠陥信号を示している。ここでも、漏洩磁束の水平磁場振幅は、垂直磁場振幅よりも約１０倍大きい。

図３ｂは、人為的に生成された内部欠陥（溝）の代表的な信号推移を示している。磁気漏洩磁束の水平方向の振幅と垂直方向の振幅とは比例関係となり、内部欠陥の場合では、約１の比が得られる。すなわち、本発明によって測定され且つ処理された信号の比を算出することにより、外部欠陥と内部欠陥とを明確且つ十分な確実性で識別することができ、それとともに、管の外部欠陥か或いは管の内部欠陥かを分類することが可能となる。

本発明に係る検査装置の略図である。 検査表面から様々距離における水平磁場振幅の信号推移を示している（略図）。 差分計算による信号定位を示している。 振幅勾配の違いに基づく欠陥の分類を示している。 外部欠陥の欠陥信号を示している。 内部欠陥の欠陥信号を示している。

符号の説明

１ 管
２，２’ 垂直磁場用の走査プローブ
３ 水平磁場用の走査プローブ
４，４’ 外部欠陥／内部欠陥
Ｈ_x 磁気漏洩磁束の水平磁場成分
Ｈ_y 磁気漏洩磁束の垂直磁場成分

Claims (12)

1. 強磁性鋼からなる管（１）を漏洩磁束によって非破壊検査するための方法であって、長手方向に移動し且つ回転する前記管（１）が直流磁場によって磁化され、生成された磁束が非接触式に前記管に伝達され、前記管の外表面又は内表面の表面領域にある傷（４、４’）が磁性漏洩磁束を引き起こし、前記漏洩磁束が、前記管の表面から進出して、センサ（２、２’、３）によって検出される工程を含む方法において、
   水平磁場成分（Ｈ_ｘ）と垂直磁場成分（Ｈ_ｙ）とに分解可能な前記磁性漏洩磁束が、一方で前記管の外表面の近傍距離にあるセンサで検出され、他方で該近傍位置から更に離間した距離にあるセンサで検出され、
   前記近傍距離にあるセンサによって検出された磁気漏洩磁束の成分と、前記離間した距離にあるセンサによって検出された磁気漏洩磁束の成分との比に基づいて、前記管の欠陥が内部欠陥であるか又は外部欠陥であるかを分類することを特徴とする方法。
2. 前記近傍距離が、０．５〜１．５ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記離間した距離が、２〜５ｍｍであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記離間した距離で検出された信号の振幅が、１より大きい係数（係数＞１）で増幅され、且つ前記近傍距離で検出された信号の振幅から減算されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記磁気漏洩磁束の前記垂直磁場成分（Ｈ_ｙ）の振幅及び前記水平磁場成分（Ｈ _ｘ ）の振幅が検出され、前記垂直磁場成分（Ｈ _ｙ ）の振幅が、前記水平磁場成分（Ｈ_ｘ）の振幅と比例関係にあることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の方法。
6. 長手方向に移動し且つ回転する強磁性鋼からなる管（１）を漏洩磁束によって非破壊検査するための装置であって、
   磁束を非接触式に前記管（１）に伝達する磁化ヨークと、磁場感受性の走査プローブ（２、２’、３）と、評価ユニットとを備え、請求項１に記載の方法を実施するものであり、
   水平磁場成分（Ｈ_ｘ）と垂直磁場成分（Ｈ_ｙ）とに分解可能な磁気漏洩磁束を検出するために、前記磁場感受性の走査プローブ（２、２’）が、前記管の外表面の近傍位置と、該近傍位置から更に離間した位置とにそれぞれ配置されており、前記近傍位置にある走査プローブによって検出された磁気漏洩磁束の成分と、前記離間した位置にある走査プローブによって検出された磁気漏洩磁束の成分との比に基づいて、前記管の欠陥が内部欠陥であるか又は外部欠陥であるかを分類することを特徴とする装置。
7. 前記近傍位置において、前記走査プローブ（２）が、ホールプローブとして構成されており、前記離間した位置において、前記走査プローブ（２’）が、ＧＭＲセンサとして構成されていることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記近傍位置において、前記走査プローブ（２）が誘導コイルとして構成されており、前記離間した位置において、前記走査プローブ（２’）がＧＭＲセンサとして構成されていることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
9. 前記近傍位置に配置されている前記走査プローブ（２）と、前記離間した位置に配置されている前記走査プローブ（２’）とが、ＧＭＲセンサとして構成されていることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
10. 前記磁性漏洩磁束の前記垂直磁場成分（Ｈ_ｙ）を検出するために、前記走査プローブ（３）がＧＭＲセンサとして構成されていることを特徴とする、請求項６ないし８のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記磁性漏洩磁束の前記垂直磁場成分（Ｈ_ｙ）を検出するために、前記走査プローブ（３）がホールプローブとして構成されていることを特徴とする、請求項６ないし８のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記磁性漏洩磁束の前記垂直磁場成分（Ｈ_ｙ）を検出するために、前記走査プローブ（３）が誘導コイルとして構成されていることを特徴とする、請求項６ないし８のいずれか一項に記載の装置。

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